CN102347344A - 发光二极管结构 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管结构，其包括导电基板，设置于导电基板上的第一发光结构及设置在第一发光结构上的第二发光结构。第一发光结构包括第一n型半导体层、第一发光层及第一p型半导体层；第二发光结构包括第二n型半导体层、第一发光层及第一p型半导体层；第一n型半导体层与第二p型半导体层电性连接，第一p型半导体层与第二n型半导体层电性连接。第一发光结构和第二发光结构的表面分别设置有第一透明导电层和第二透明导电层。第一透明导电层与第二透明导电层相互粘接使第一发光结构和第二发光结构结合在一起。该发光二极管结构可在交流电的驱动下工作，并且具有制程简单的优点。

Description

发光二极管结构

技术领域

本发明涉及一种发光二极管结构，尤其涉及一种可直接由交流电驱动的发光二极管结构。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种可将电流转换成特定波长范围的光的半导体元件。发光二极管以其亮度高、工作电压低、功耗小、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长等优点，从而可作为光源而广泛应用于照明领域。

然而，现有的发光二极管一般由直流电驱动。在由发光二极管组成的照明装置中，通常需要利用交流-直流转换电路将市用的交流电转换成直流电，然后再对发光二极管装置进行供电。所用的交交-直流转换器不仅会增加发光二极管照明装置的成本，并且其在将交流电转换成直流电的过程中还会存在电能的损耗，从而降低整个发光二极管照明装置的能量转换效率。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种可直接由交流电驱动的发光二极管结构。

一种发光二极管结构，其包括导电基板，设置于导电基板上的第一发光结构及设置在第一发光结构上的第二发光结构。所述第一发光结构包括第一n型半导体层、第一发光层及第一p型半导体层；所述第二发光结构包括第二n型半导体层、第一发光层及第一p型半导体层；第一n型半导体层与第二p型半导体层电性连接，第一p型半导体层与第二n型半导体层电性连接。所述第一发光结构的表面设置有第一透明导电层，所述第二发光结构的表面设置有第二透明导电层。第一透明导电层与第二透明导电层相互粘接使第一发光结构和第二发光结构结合在一起。

与现有技术相比，本发明将第一发光结构的n型半导体层和p型半导体层分别与第二发光结构的p型半导体层和n型半导体层电性连接，使该发光二极管结构在交流电的驱动下正常工作。并且，本发明的发光二极管结构利用透明导电层之间相互粘接使第一发光结构和第二发光结构结合在一起，从而简化了交流驱动的发光二极管的制作工艺，节约了成本。

附图说明

图1是本发明第一实施例的发光二极管结构的剖面图。

图2是本发明第二实施例的发光二极管结构的剖面图。

图3是本发明第三实施例的发光二极管结构的剖面图。

图4是图3的发光二极管结构的另一变化实施例的剖面图。

主要元件符号说明

导电基板                        110

第一发光结构                    120

第一n型半导体层                 121

第一发光层                      122

第一p型半导体层                 123

第一透明导电层                  124

第二发光结构                    130

第二n型半导体层                 131

第二发光层                      132

第二p型半导体层                 133

第二透明导电层                  134

第三透明导电层                  135

第一电极层                      140

第二电极层                      150

荧光转换层                      160

光学调制层                      170

第一折射率材料层                171

第二折射率材料层                172

凹槽                181

具体实施方式

下面以具体的实施例对本发明作进一步地说明。

如图1所示，本发明第一实施例的发光二极管结构包括导电基板110、设置在导电基板110上的第一发光结构120及设置在第一发光结构120上的第二发光结构130。优选地，导电基板110选用导电性能及导热性能较好的材料。在本实施例中，导电基板110的制作材料选自铜(Cu)、钨(W)、钼(Mo)、铝(Al)、金(Au)等金属材料或其合金，又或者是碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等半导体材料。

第一发光结构120包括依次形成于导电基板110上的第一n型半导体层121、第一发光层122和第一p型半导体层123。上述的第一n型半导体层121、第一发光层122和第一p型半导体层123的制作材料包括镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)群组中的一种或多种物质。例如，第一发光结构120的制作材料可为磷化物材料Al_xIn_yGa_(1-x-y)P；或者是发出黄光至红光波长范围内的砷化物材料Al_xIn_yGa_(1-x-y)As；又或者是发出紫外光到蓝光波长范围内的氮化物材料Al_xIn_yGa_(1-x-y)N；在上述材料中，x和y满足以下关系：0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1。

当第一发光层122采用短波长的发光材料制作时，可在第一发光结构120的外表面形成一层荧光转换物质。在第一p型半导体层123的表面还形成有第一透明导电层124。优选地，该第一透明导电层124的厚度小于500nm。在本实施例中，为获得较高的光穿透率，该第一透明导电层124的厚度小于300nm。该第一透明导电层124的制作材料选自氧化铟锡(ITO)薄膜、镓(Ga)或铝(Al)或铟(In)掺杂的氧化锌(ZnO)薄膜。该第一透明导电层124亦可选用氧化铟(In₂O₃)和氧化锡(SnO₂)的混合物，或者是氧化锌(ZnO)分别与氧化镓(Ga₂O₃)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化铟(In₂O₃)进行混合后所形成的混合物。

第二发光结构130包括形成于第一发光结构120上的第二n型半导体层131、第二发光层132和第二p型半导体层133，其中第二n型半导体层131邻近第一发光结构120设置。该第二发光结构130的制作材料与第一发光结构120相类似，其包括镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)群组中的一种或多种物质如Al_xIn_yGa_(1-x-y)P、Al_xIn_yGa_(1-x-y)As、Al_xIn_yGa_(1-x-y)N等。在第二n型半导体层131的表面形成有第二透明导电层134，该第二透明导电层134的选用材料与第一透明导电层124的类似。该第二透明导电层134与第一透明导电层124相互粘接使到第一发光结构120和第二发光结构130结合在一起。其中，第一透明导电层124和第二透明导电层134可通过导电胶粘接或直接通过共晶的方法结合在一起。所述第一发光结构120和第二发光结构130的厚度值分别小于或等于5微米。优选地，第一发光结构120和第二发光结构130的厚度值分别小于或等于3微米以使第一发光结构120和第二发光结构130之间形成微共振腔结构，从而提高该发光二极管结构的出光效率。

在本实施例中，第二P型半导体层133的表面进一步设置有第三透明导电层135，整个发光二极管结构所发出的光可经由第三透明导电层135出射。第三透明导电层135的表面设置有第一电极层140。该第一电极层140通过导线与导电基板110电性连接，使到第二p型半导体层133和第一n型半导体层121形成电性连接。在第一透明导电层124的表面设置有第二电极层150。由于第二透明导电层134与第一透明导电层124相互粘结，使到第二n型半导体层131和第一p型半导体层123形成电性连接。该发光二极管结构可在交流电的驱动下发光。当在第一电极层140和第二电极层150之间施加一交流驱动电压时，在交流电的正向电压周期，第二发光结构130正常发光，第一发光结构120停止发光；在交流电的负向电压周期，第一发光结构120正常发光，而第二发光结构130停止发光。因此，在任意一个时间点上，总会有一个发光结构正常发光。根据需要，上述的发光二极管结构也可以是第二p型半导体层与第一n型半导体层通过透明导电层相互粘接而形成在一起，只要第二p型半导体层与第一n型半导体层之间形成电性连接及第二n型半导体层与第一p型半导体层形成电性连接即可。并且，由于该交流驱动的发光二极管结构是利用两个不同的发光结构粘接在一起而形成的，其制程较为简单，有利于节约交流驱动的发光二极管结构的制作成本。

在实际应用过程中，通常对第一发光层122和第二发光层132的材料成分进行相应的选择，如同样选择氮化物材料Al_xIn_yGa_(1-x-y)N，但其中铝或铟的加入量不一样，使到第一发光层122所发出的光线的峰值波长大于第二发光层132所发出光线的峰值波长。这样，第一发光层122所发出的光线在经过第二发光层132时，不会被第二发光层132所吸收，从而提高了该发光二极管结构的出光效率。

根据需要，该发光二极管结构可进一步包括一荧光转换层160，如图2所示。该荧光转换层160设置在发光二极管结构的外表面，用于将第一发光结构120或第二发光结构130所发出的光转换成波长更长的光，如用黄光荧光粉使蓝光转换成黄光，使蓝光与黄光混合形成白光。该荧光转换层160的制作材料选自硫化物(Sulfides)、氮化物(Nitrides)、氧化物(Oxides)、硅酸盐(Silicates)、铝酸盐(Aluminates)其中之一。具体地，该荧光转换层160的制作材料包括以下材料：Ca₂Al₁₂O₁₉:Mn、(Ca_aSr_bBa_(1-a-b))Al₂O₄:Eu²⁺、Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、Tb₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺、Ca₂Si₅N₈:Eu²⁺、Ca_aSr_bBa_(1-a-b)S:Eu²⁺、(Mg_aCa_bSr_cBa_(1-a-b-c))₂SiO₄:Eu²⁺、(Mg_aCa_bSr_cBa_(1-a-b-c))₃Si₂O₇:Eu²⁺、Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺、Y2O2S:Eu³⁺、(Ca_aSr_bBa_(1-a-b))Si_xO_yN_z:Eu²⁺、(Ca_aMg_bY_(1-a-b))Si_xAl_wO_yN_z:Eu²⁺、CdS、CdTe或CdSe。

图3为本发明第三实施例的发光二极管结构。与第一实施例相比，该发光二极管结构进一步包括一光学调制层170。该光学调制层170设置在第一发光层122与第二发光层132之间。从第一发光层122发出且朝向第二发光结构130的光线可有效经过该光学调制层170，然后再经过第二发光结构130出射到外界。从第二发光层132发出且朝向第一发光结构120的光线将会被该光学调制层170反射，然后再经过第二发光结构130出射。由于该光学调制层170的存在，第二发光层132所发出的朝向第一发光结构120的光线不需要经过第一发光结构120而直接由光学调制层170进行反射，从而缩短了这部分光线的传播路径，同时也减少了该部分光线在传播过程中的能量损耗。具体地，该光学调制层170由折射率不同的第一折射率材料层171和第二折射率材料层172交替排布而成。该第一折射率材料层171和第二折射率材料层172设置在第n型半导体层131与第二透明导电层134之间。该第一折射率材料层171与第二折射率材料层172的选择材料与第二发光结构130所用的材料相匹配。如第二发光结构130采用氮化物材料Al_xIn_yGa_(1-x-y)N时，该两层材料层就可以是GaN和Al_xGa_(1-x)N交替分布。该第一折射率材料层171与第二折射率材料层172交替分布的周期数可以根据需要选择，一般是大于两个周期。其中，该第一折射率材料层171和第二折射率材料层172的厚度为第二发光层132所发出的光线的峰值波长的四分之一。这样，第二发光层132所发出的朝向第一发光结构120的光线可有效被该交替分布的第一折射率材料层171与第二折射率材料层172所反射。由于第一发光层122和第二发光层132所发出的光线的峰值波长不同，该第一发光层122所发出的光线就可以有效经过该交替分布的第一折射率材料层171与第二折射率材料层172。

可以理解地，光学调制层不限于上述实施方式。图4为本发明的另一变换的实施方式。与第二实施例不同的是，该发光二极管结构的光学调制层为设置在第二n型半导体层131表面的多个凹槽181。该多个凹槽181的横截面呈三角形形状，其邻近第二透明导电层134设置。图4中的箭头所示是第一发光层122和第二发光层132所发出的部分光线的传播路径方向。可见，通过选择适当的凹槽181的倾斜角度，可以使到第二发光层132所发出的朝向第一发光结构120的光线在凹槽上发生全反射，然后再经过第二发光结构130出射到外界。而第一发光层122所发出的朝向第二发光结构的光线可有效经过该凹槽181然后出射到外界环境。上述的凹槽181可通过蚀刻或者模压的方法在第二n型半导体层131的表面制作。上述的凹槽181可以是横截面为三角形形状的条形沟槽，也可以是圆锥状、三棱锥状、四棱锥状或其他多棱锥状的凹槽，只要其可以有效地反射第二发光层132所发出的光并能使第一发光层122所发出的光有效通过即可。

应该指出，上述实施方式仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管结构，其包括导电基板，设置在导电基板上的第一发光结构及设置在第一发光结构上的第二发光结构，所述第一发光结构包括第一n型半导体层、第一发光层及第一p型半导体层，所述第二发光结构包括第二n型半导体层、第二发光层及第二p型半导体层，该第一n型半导体层与该第二p型半导体层电性连接，该第一p型半导体层与该第二n型半导体层电性连接，其特征在于，所述第一发光结构的表面设置有第一透明导电层，所述第二发光结构的表面设置有第二透明导电层，第一透明导电层与第二透明导电层相互粘接使第一发光结构和第二发光结构结合在一起。

2.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一发光层所发出光线的峰值波长大于第二发光结构所发出光线的峰值波长。

3.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一发光结构和第二发光结构的厚度值分别小于或等于3微米。

4.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一透明导电层和第二透明导电层选自氧化铟锡薄膜、镓或铝或铟掺杂的氧化锌薄膜、氧化铟和氧化锡的混合物，或者是氧化锌分别与氧化镓、氧化铝、氧化铟进行混合后所形成的混合物其中之一。

5.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述导电基板的制作材料选自铜、钨、钼、铝、金或其合金，又或者是碳化硅、硅、氮化镓、砷化镓、磷化镓半导体材料。

6.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一发光结构和第二发光结构的表面覆盖有一层荧光转换层。

7.如权利要求6所述的发光二极管结构，其特征在于，所述荧光转换层的制作材料含有硫化物，铝酸盐，氧化物，硅酸盐和氮化物其中一种或多种。

8.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述发光二极管结构进一步包括一光学调制层，该光学调制层设置在第一发光层与第二发光层之间，第一发光层所发出的朝向第二发光结构的光光线经过光学调制层出射到外界，第二发光层所发出的朝向第一发光结构的光线将会被该光学调制层反射，然后再经过第二发光结构出射到外界。

9.如权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，所述光学调制层由折射率不同的两层材料层交替排布而成，每层材料的厚度为第二发光层所发出光线峰值波长的四分之一。

10.如权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，所述光学调制层为设置在第二发光结构表面的凹槽，所述凹槽邻近第二透明导电层设置。

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