CN102194952A - 发光器件和具有发光器件的发光器件封装 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及发光器件、制造发光器件的方法以及发光器件封装。
背景技术
发光二极管(LED)是将电流转换为光的半导体发光器件。最近,LED能够产生具有高亮度的光,从而LED能够广泛地用作用于显示装置、车辆、或者照明装置的光源。另外,LED能够通过采用荧光材料或者组合具有各种颜色的LED来实现具有优异的光效率的白色。
为了提高LED的亮度和性能,已经进行了各种尝试以改进光提取结构、有源层结构、电流扩展、电极结构以及发光二极管封装的结构。
发明内容
实施例提供具有新结构的发光器件、制造发光器件的方法以及发光器件封装。
实施例提供能够提高发光效率的发光器件、制造发光器件的方法以及发光器件封装。
根据实施例,发光器件包括:第一半导体层,该第一半导体层被掺杂有N型掺杂物;在第一半导体层上的第一有源层;在第一有源层上的被掺杂有P型掺杂物的第二半导体层;在第二半导体层上的第二有源层;以及在第二有源层上的被掺杂有N型掺杂物的第三半导体层。第二半导体层的厚度可以处于2000至4000的范围内,并且掺杂在第二半导体层中的P型掺杂物的掺杂浓度处于1018cm-3至1021cm-3的范围内。
根据实施例,发光器件封装包括:主体;在主体上的第一和第二电极层;发光器件,该发光器件被设置在主体上并且电连接到第一和第二电极层;以及成型构件,该成型构件围绕主体上的发光器件。该发光器件包括:第一半导体层,该第一半导体层被掺杂有N型掺杂物;在第一半导体层上的第一有源层;在第一有源层上的被掺杂有P型掺杂物的第二半导体层;在第二半导体层上的第二有源层;以及在第二有源层上的掺杂有N型掺杂物的第三半导体层,并且其中第二半导体层的厚度可以处于2000至4000的范围内,并且掺杂在第二半导体层中的P型掺杂物的掺杂浓度处于1018cm-3至1021cm-3的范围内。
实施例能够提供具有新结构的发光器件、制造发光器件的方法以及发光器件封装。
实施例能够提供能够提高光提取效率的发光器件、制造发光器件的方法以及发光器件封装。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的发光器件的截面图;
图2是示出根据第二实施例的发光器件的截面图;
图3至图5是示出制造根据第二实施例的发光器件的方法的视图;
图6是示出根据第一实施例的发光器件的平面图;
图7是示出包括根据实施例的发光器件的发光器件封装的截面图;以及
图8是示出根据实施例的包括发光器件的照明设备的透视图。
具体实施方式
在实施例的描述中,将会理解的是,当层(或膜)、区域、图案或结构被称为在另一衬底、另一层(或膜)、另一区域、另一焊盘或另一图案“上”或“下”时,它能够“直接”或“间接”在另一衬底、层(或膜)、区域、焊盘或图案上,或者也可以存在一个或多个中间层。已经参考附图描述了层的这样的位置。
为了方便或清楚的目的,附图中所示的每层的厚度和尺寸可以被夸大、省略或示意性绘制。另外,元件的尺寸没有完全反映真实尺寸。
在下文中,将会参考附图描述根据实施例的发光器件、制造发光器件的方法以及发光器件封装。
<第一实施例>
图1是示出根据第一实施例的发光器件100的截面图。
参考图1,发光器件100包括:衬底110;在衬底110的至少一部分上的包括N型掺杂物的第一半导体层130;在第一半导体层130上的第一有源层140;在第一有源层140上的包括P型掺杂物的第二半导体层150;在第二半导体层150上的第二有源层160;以及在第二有源层160上的包括N型掺杂物的第三半导体层170。
另外,第一半导体层130被设置为在其上具有第一电极131,第二半导体层150被设置为在其上具有第二电极151,并且第三半导体层170被设置为在其上具有第三电极171。第一、第二以及第三电极131、151以及171可以将电力提供到发光器件100。
在这样的情况下,在执行台面蚀刻工艺以暴露第一和第二半导体层130和150的顶表面的一部分之后,可以提供第一和第二电极131和151,但是实施例不限于此。
因为第二半导体层150包括P型掺杂物,所以第二半导体层150可以将空穴提供到第一和第二有源层140和160。
通常,因为空穴具有低于电子的迁移率的迁移率,因此从包括P型掺杂物的半导体层到达有源层并且实际与电子复合以产生光的空穴的数目是非常受限的。
然而,根据实施例,被包含在第二半导体层150中的空穴可以朝着被设置在第二半导体层150的顶表面和底表面上的第一和第二有源层140和160双向移动。
因此,第二半导体层150的空穴被有效地提供到第一和第二有源层140和160,并且与电子复合以发射光的比率增加。因此,能够提高发光器件100的光提取效率。
在下文中,将会着重于其组件来描述根据第一实施例的发光器件100和制造发光器件的方法。
参考图1,衬底110可以包括Al203、SiC、Si、GaAs、GaN、ZnO、GaP、InP以及Ge中的至少一个,但是实施例不限于此。
第一半导体层130可以设置在衬底110上。例如,通过使用III-V族化合物半导体可以实现第一半导体层130。
第一半导体层130可以包括包含第一导电掺杂物的半导体层。缓冲层和未掺杂的半导体层中的至少一个可以被设置在第一半导体层130下面。在这样的情况下,第一半导体层130的至少一部分可以被掺杂有第一导电掺杂物。
例如,缓冲层可以被设置在衬底110上,未掺杂的半导体可以被设置在缓冲层上,并且第一半导体层130可以被设置在未掺杂的半导体层上。然而,第一半导体层130可以进一步包括多个层,但是实施例不限于此。
缓冲层减少衬底110和第一半导体层130之间的晶格常数错配,从而能够生长具有优异的结晶性的第一半导体层130。例如,第一半导体层130可以包括具有InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1,0≤y≤1,并且0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料,但是实施例不限于此。
因为未掺杂的半导体层没有掺杂有掺杂物,所以未掺杂的半导体层具有低于第一、第二以及第三半导体层130、150以及170的导电性。例如,未掺杂的半导体层可以包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,并且0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料,但是实施例不限于此。例如,未掺杂的半导体层可以包括未掺杂的GaN层。
第一半导体层130可以包括N型半导体层。N型半导体层可以包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,并且0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料。N型半导体层可以包括从由InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN以及AlInN组成的组中选择的一个并且可以掺杂有诸如Si、Ge、Sn以及C的N型掺杂物。
第一半导体层130可以具有至少2μm的厚度,使得通过第一半导体层130的侧部分能够平滑地放出从第一和第二有源层140和160发射的光。
第一有源层140可以被设置在第一半导体层130上。第一有源层140可以包括单量子阱结构或者多量子阱(MQW)结构。第一有源层140可以通过使用从第一和第二半导体层130和150接收到的载流子(电子和空穴)来产生光。
例如,第一有源层140可以包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,并且0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料。
第二半导体层150可以形成在第一有源层140上。第二半导体层150可以包括P型半导体层。P型半导体层可以包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,并且0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料。P型半导体层可以包括从由InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN以及AlInN组成的组中选择的材料,并且可以被掺杂有诸如Mg、Zn、Be、C以及Cd的P型掺杂物。
另外,掺杂有N型或者P型掺杂物的包覆层可以形成在第一有源层140上和/或下面,并且包覆层可以包括AlGaN基层或者InAlGaN基层。
第二有源层160可以被设置在第二半导体层150上。有源层160可以具有单量子阱结构、多量子阱结构、量子线结构、或者量子点结构。第二有源层160可以具有通过使用III-V族化合物半导体材料的阱/势垒层的堆叠结构。例如,第二有源层160可以包括InGaN/GaN、InGaN/AlGaN以及InGaN/InGaN结构中的至少一个。势垒层可以包括具有大于阱层的带隙的带隙的材料,但是实施例不限于此。第二有源层160能够通过使用从第二和第三半导体层150和170提供的载流子(电子和空穴)来产生光。例如,第二有源层160可以包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,并且0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料。
第二半导体层150被插入在第一有源层140和第二有源层160之间。因此,第二半导体层150将载流子(空穴或者电子)提供到第一和第二有源层140和160。
如果P型掺杂物被掺杂到第二半导体层150中,那么第二半导体层150将空穴提供到第一和第二有源层140和160。
通常,因为空穴具有低于电子的迁移率的迁移率,所以从包括P型掺杂物的半导体层到达有源层并且实际与电子复合以产生光的空穴的数目是非常受限的。
然而,根据实施例,包含在第二半导体层150中的空穴可以朝着设置在第二半导体层150的顶表面和底表面上的第一和第二有源层140和160双向地移动。因此,第二半导体层150的空穴的使用增加,从而能够提高发光器件100的光提取效率。
第二半导体层150具有足以通过第二半导体层150的侧部分发射从第一和第二有源层140和160产生的光的厚度。因此,如果第二半导体层150具有上述厚度,那么能够提高发光器件100的光提取效率。
因为第一和第二有源层140和160发射光,所以当与其中发光器件100包括一个有源层的情况相比较时发光器件100可以具有更多不同的设计。
例如,如果第一和第二有源层140和160发射具有相同波长的光,那么从第一有源层140发射的光引起与从第一有源层140发射的光的相长干扰,从而能够提高从发光器件100发射的光的亮度。
另外,如果第一和第二有源层140和160发射具有不同波长的光,那么从第一有源层140发射的第一光的颜色与从第二有源层160发射的光的颜色混合。因此,从发光器件100发射的光能够具有各种颜色。
第三半导体层170可以被设置在第二有源层160上。第三半导体层170可以包括N型半导体层,并且N型半导体层可以包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,并且0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料。例如,第三半导体层170可以包括从由InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN以及AlInN组成的组中选择的材料,并且可以被掺杂有诸如Si、Ge、Sn以及C的N型掺杂物。
第三半导体层170可以具有至少2μm的厚度。例如,因为第一半导体层130和第三半导体层170之间的厚度可以至少是7μm,因此通过发光器件100的侧面部分能够有效地反射从第一和第二有源层140和160产生的光。
通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)方案、CVD(化学气相沉积)方案、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方案、MBE(分子束外延)方案或者HVPE(氢化物气相外延)方案可以形成第一半导体层130、第一有源层140、和第二半导体层150、第二有源层160以及第三半导体层170,但是实施例不限于此。
根据实施例的发光器件100可以包括:在第一半导体层130上的第一电极131、在第二半导体层150上的第二电极151以及在第三半导体层170上的第三电极171。第一、第二以及第三电极131、151以及171可以将电力提供到发光器件100。
在这样的情况下,在执行台面蚀刻工艺以暴露第一和第二半导体层130和150的顶表面的一部分之后,可以形成第一和第二电极131和151,但是实施例不限于此。
图6A和图6B是示出根据第一实施例的发光器件100的平面图。
参考图6A,第一电极131、第二电极151以及第三电极171的至少一部分可以被设置在同一对角线上。
参考图6b,如果以诸如矩形或者多边形形状的具有顶点的形状形成发光器件100的顶表面,那么第一电极131、第二电极151以及第三电极171可以形成在发光器件100的顶表面上的相互不同的顶点附近,但是实施例不限于此。
如果第一至第三电极131、151以及171以最大的距离相互隔开,那么从第一至第三电极131至171提供的电力可以被有效地在发光器件100的整个区域上扩展。
同时,透明电极层或者反射电极层中的至少一个可以被插入在第一半导体层130和第一电极131之间,在第二半导体层150和第二电极151之间,以及在第三半导体层170和第三电极171之间,但是实施例不限于此。
透明电极层或者反射电极层透射或者反射从发光器件100发射的光,并且将电流均匀地在发光器件100的整个区域上扩展。透明电极层或者反射电极层可以在电极131、151以及171与半导体层130、150以及170之间形成欧姆接触。
透明电极层可以包括从由ITO(铟锡氧化物)、IZO(铟锌氧化物)、AZO(铝锌氧化物)、AGZO(铝镓锌氧化物)、IZTO(铟锌锡氧化物)、IAZO(铟铝锌氧化物)、IGZO(铟镓锌氧化物)、IGTO(铟镓锡氧化物)、ATO(锑锡氧化物)、GZO(镓锌氧化物)、IZON(IZO氮化物)、ZnO、IrOx、RuOx以及NiO组成的组中选择的材料。透明电极可以包括从由Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、Hf以及其组合组成的组中选择的材料。
为了提高发光器件100的光提取效率,凹凸图案可以形成在发光器件100的顶表面上,但是实施例不限于此。
<第二实施例>
在下文中,将会详细地描述根据第二实施例的发光器件100B和制造发光器件100B的方法。在关于第二实施例的下面描述中,为了避免重复将不会进一步描述与第一实施例的结构和组件相同的结构和组件。
尽管根据第二实施例的发光器件100B的基本结构与根据第一实施例的发光器件的基本结构相类似,但是发光器件100B具有不同于根据第一实施例的发光器件100的电极布置的电极布置。
图2是示出根据第二实施例的发光器件100B的截面图。
参考图2,发光器件100B包括:导电支撑构件190、在导电支撑构件190上的反射层180、在反射层180上的包括N型掺杂物的第三半导体层170、在第三半导体层170上的第二有源层160以及在第二有源层160上的包括P型掺杂物的第二半导体层150、在第二半导体层150上的第一有源层140以及在第一有源层140上的至少具有掺杂有N型掺杂物的区域的第一半导体层130。
另外,根据实施例的发光器件100B可以包括在第二半导体层150上的第四电极152和在第一半导体层130上的第五电极132。第四和第五电极152和132可以与导电支撑构件190一起将电力提供到发光器件100B。
在执行台面蚀刻以暴露第二半导体层150的顶表面的一部分之后,可以形成第四电极152,但是实施例不限于此。
因为第二半导体层150包括P型掺杂物,所以空穴可以被提供到第一和第二有源层140和160。
通常,因为空穴具有小于电子的迁移率的迁移率,所以从第二半导体层到达有源层并且实际与电子复合的空穴的数目是非常有限的。
然而,根据实施例,包含在第二半导体层150中的空穴可以朝着被设置在第二半导体层150的顶表面和底表面上的第一和第二有源层140和160双向地移动。
因此,因为第二半导体层150的空穴被有效地提供到第一和第二有源层140和160,所以实际上增加了与电子复合以发射光的空穴的比率。因此,能够提高发光器件100B的光提取效率。
图3至图5是示出制造根据第二实施例的发光器件100B的方法的视图。
参考图3,第一半导体层130、第一有源层140、第二半导体层150、第二有源层160以及第三半导体层170可以顺序地形成在衬底110上。
参考图4,反射层180形成在第三半导体层170上,并且导电支撑构件190可以形成在反射层180上。另外,在形成导电支撑构件190之后,可以从第一半导体层130移除衬底110。
反射层180可以包括从由表现出更高的反射率的银(Ag)、铝(Al)、铂(Pt)以及钯(Pd)组成的组中选择的至少一个。
导电支撑构件190可以包括从由钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)、钨(W)、铜(Cu)、钼(Mo)、铜钨(Cu-W)或者是掺杂有杂质的半导体衬底的载具晶圆(例如,Si、Ge、GaN、GaAs、ZnO、SiC或者SiGe)组成的组中选择的至少一个。
同时,如果有源层180没有与第三半导体层170形成欧姆接触,那么欧姆层可以被插入在反射层180和第三半导体层170之间。
为了提高导电支撑构件190和反射层180之间的界面粘附强度,粘附层可以被设置在导电支撑构件190和反射层180之间。
另外,可以根据发光器件100B的设计不形成反射层180,但是实施例不限于此。
通过LLO(激光剥离)工艺或者蚀刻工艺中的至少一个可以移除衬底110,但是实施例不限于此。
在已经移除衬底110之后,通过诸如ICP/RIE(电感耦合等离子体/反应离子蚀刻)方案的蚀刻工艺可以移除第一半导体层130的一部分。可以移除第一半导体层130的一部分,使得能够暴露充分地包含载流子的第二半导体层150。
参考图5,第五电极132形成在第一半导体层130上,并且第四电极152可以形成在第二半导体层150上,从而提供根据第二实施例的发光器件100B。
在执行台面蚀刻工艺以暴露第二半导体层150之后,可以形成第四电极152,但是实施例不限于此。
第四和第五电极152和132可以在垂直方向上重叠导电支撑构件190。第四和第五电极152和132可以将电力提供到发光器件100B。
<发光器件封装>
图7是示出包括根据实施例的发光器件的发光器件封装的截面图。
参考图7,根据实施例的发光器件封装包括:主体20;形成在主体20上的第一和第二电极层31和32;发光器件100,其被设置在主体20上并且电连接到第一和第二电极层31和32;以及成型构件40,其围绕发光器件100。
主体20可以包括硅、合成树脂或者金属材料。发光器件100的侧面可以倾斜。
第一电极层31和第二电极层32彼此电气隔离,以将电力提供给发光器件100。另外,第一和第二电极层31和32通过反射从发光器件100发射的光来提高光效率。此外,第一和第二电极层31和32将从发光器件100产生的热散发到外部。
发光器件100可以设置在主体20上。发光器件100可以被设置在第一电极层31或者第二电极层32上。
发光器件100通过布线电连接到第一和第二电极层31和32,但是实施例不限于此。例如,可以通过布线方案、倒装芯片安装方案以及贴片方案中的一个将发光器件100电连接到第一和第二电极层31和32。
成型构件40可以围绕发光器件100,以保护发光器件100。另外,成型构件40可以包括荧光材料以改变从发光器件100发射的光的波长。
图8是采用根据实施例的发光器件的照明设备1200。照明设备1200是照明设备1200的一个示例,但是实施例不限于此。
参考图8,照明系统1200包括:壳体1210、设置在壳体1210中的发光模块1230以及设置在壳体1210中以接收来自于外部电源的电力的连接端子1220。
优选地,壳体1210包括具有优异的散热特性的材料,例如,壳体1210包括金属材料或者树脂材料。
发光模块1230可以包括基板1233和设置在基板1233上的至少一个根据实施例的发光器件1231。
基板1233包括印有电路图案的绝缘构件。例如,基板1233包括PCB、MCPCB、FPCB、陶瓷PCB、以及FR-4基板。
另外,基板1233可以包括有效地反射光的材料。涂层可以形成在基板1233的表面上。这时,涂层具有白色或者银色以有效地反射光。
至少一个根据实施例的发光器件1231可以设置在基板1233上。每个发光器件1231可以包括至少一个LED(发光二极管)芯片。LED芯片可以包括发射具有红色、绿色、蓝色或者白色的可见光的彩色LED,以及发射UV光的UV(紫外线)LED。
发光模块1230的发光二极管能够不同地布置,以提供各种颜色和亮度。例如,能够布置白色LED、红色LED以及绿色LED以实现高显色指数(CRI)。另外,荧光片能够设置在从发光模块1230发射的光的路径中,以改变从发光模块1230发射的光的波长。例如,如果从发光模块1230发射的光具有蓝光的波长带,那么荧光片可以包括黄荧光材料。在该情况下,从发光模块1230发射的光经过荧光片,从而光被视为白光。
连接端子1220电连接到发光模块1230,以将电力提供到发光模块1230。如图8中所示,连接端子1220具有与外部电源插座螺纹耦合的形状,但是实施例不限于此。例如,连接端子1220能够被制备为插入到外部电源中的插头的形式,或者连接端子1220能够通过布线连接到外部电源。
根据如上所述的照明设备,在从发光模块发射的光的路径中设置导光构件、扩散片、聚光片、亮度增强片以及荧光片中的至少一个,从而能够实现想要的光学效果。
在本说明书中,任何对于“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构、或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中,在各处出现的这类短语不必都表示相同的实施例。此外,当结合任何实施例描述特定特征、结构、或特性时,认为结合实施例中的其它实施例实现这样的特征、结构或特性也在本领域技术人员的理解范围内。
虽然已经参照本发明的多个示例性实施例描述了实施例,但是应该理解,本领域的技术人员可以设计出许多将落入本公开内容的原理的精神和范围内的其它修改和实施例。更加具体地,在本公开内容、附图、和所附权利要求书的范围内,主题组合布置的组成部件和/或布置方面的各种变化和修改都是可能的。除了组成部件和/或布置方面的变化和修改之外,对于本领域的技术人员来说,替代使用也将是显而易见的。
Claims (15)
2.根据权利要求1所述的发光器件,其中所述第一半导体层、所述第一有源层、所述第二半导体层、所述第二有源层以及所述第三半导体层的总厚度至少是大约7μm。
3.根据权利要求1所述的发光器件,其中所述第一半导体层、所述第一有源层、所述第二半导体层、所述第二有源层以及所述第三半导体层包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,并且0≤x+y≤1)的组成式的材料。
4.根据权利要求1所述的发光器件,其中所述第一和第二有源层发射具有相同的波长带的光。
5.根据权利要求1所述的发光器件,其中所述第一和第二有源层发射具有彼此不同的波长带的光。
6.根据权利要求1所述的发光器件,进一步包括在所述第一半导体层上的第一电极、在所述第二半导体层上的第二电极以及在所述第三半导体层上的第三电极。
7.根据权利要求6所述的发光器件,其中所述第一、第二以及第三电极的至少部分在同一对角线上对齐。
8.根据权利要求6所述的发光器件,其中所述第一半导体层、所述第二半导体层以及所述第三半导体层的顶表面具有包括顶点的形状,并且所述第一、第二以及第三电极设置为邻近于顶点,所述顶点彼此不同并且分别形成在所述第一半导体层、所述第二半导体层以及所述第三半导体层的顶表面上。
9.根据权利要求1所述的发光器件,进一步包括在所述第一半导体层下面的未掺杂的半导体层、缓冲层以及衬底。
10.根据权利要求1所述的发光器件,进一步包括在所述第三半导体层上的反射层和导电支撑构件中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的发光器件,进一步包括在所述第二半导体层上的第四电极和在所述第一半导体层上的第五电极。
12.一种发光器件封装,包括:
主体;
在所述主体上的第一和第二电极层;
根据权利要求1至11中的任意一项所述的发光器件,所述发光器件设置在所述主体上,并且电连接到所述第一和第二电极层;以及
成型构件,所述成型构件围绕在所述主体上的所述发光器件。
13.一种照明设备,包括:
壳体;
发光模块,所述发光模块设置在所述壳体中并且包括根据权利要求1至11中的任意一项所述的发光器件;以及
连接端子,所述连接端子设置在所述壳体中以接收来自于外部电源的电力。
14.根据权利要求13所述的照明设备,其中所述发光模块包括基板,并且所述发光器件被设置在所述基板上。
15.根据权利要求14所述的照明设备,其中所述基板包括从由印制电路板(PCB)、金属核PCB、柔性PCB以及陶瓷PCB组成的组中选择的一个。
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