CN1933198A

CN1933198A - 单片集成白光二极管

Info

Publication number: CN1933198A
Application number: CNA2006101247308A
Authority: CN
Inventors: 黄黎蓉; 刘德明; 文锋; 陆奎; 马磊
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2007-03-21
Anticipated expiration: 2026-10-10
Also published as: CN100411211C

Abstract

本发明是一种单片集成白光二极管，其表面设有P型电极(12)和N型电极(13)，其内部由下往上依次有分布式布拉格反射器(14)、衬底(1)、缓冲层(2)、第一下包层(3)、第一有源区(4)、第一上包层(5)、光子晶体层(6)、第二下包层(7)、第二有源区(8)、第二上包层(9)、P型包层(10)、P型欧姆接触层(11)；其中，第一光学反馈腔(17)由分布式布拉格反射器和单片集成白光二极管上表面构成，第二光学反馈腔(16)由光子晶体层和单片集成白光二极管上表面构成。本发明两个有源区发出的光互为补色，因此无需荧光粉的光转换作用就能直接出射白光，具有好的白光品质，高显色指数和大发光效率的优点。

Description

单片集成白光二极管

技术领域

本发明涉及一种高光色品质、高发光效率的单片集成白光发光二极管。

背景技术

基于白光发光二极管(LED)的半导体照明光源具有高效节能、绿色环保的优点，有望成为新一代电光源进入千家万户，具有十分诱人的应用前景。目前实现半导体白光源主要集中在三种方法上：第一种是红、绿、蓝光LED混合封装得到白光，必须要有复杂的驱动电路和反馈控制系统；第二种是在蓝光LED芯片上涂敷黄光荧光粉，蓝光激发荧光粉发出黄光，蓝光与黄光混合得到白光；第三种是在紫外(或者紫光)LED芯片上涂敷三基色荧光粉，紫外光(或者紫光)激发荧光粉发出红、绿、蓝光，三者混合得到白光。第二和第三种方法都要求在LED封装工序中增加一道荧光粉涂覆工艺，不但增加了器件成本，而且白光LED的性能会受到荧光粉性能退化的影响，尤其是在高亮度功率型的LED中，荧光粉的退化将加剧，严重地威胁到器件的性能稳定性和寿命。由于上述三种实现半导体白光源的方法各有缺点，因此人们希望能够研制出单片集成白光LED，无需荧光粉的光转换作用就能直接得到白光。

为了在单片集成LED中获得白光发射，其内部必须具有对应不同波长的多个光发射区，比如：蓝光发射区+黄光发射区，红光发射区+绿光发射区+蓝光发射区。对于氮化物发光材料，为了获得黄光(或者红光)发射，必须采用高In组分的In_xGa_1-xN或者In_xGa_yAl_1-x-yN材料。由于InN和GaN的晶格常数以及热化学常数的差别较大，所以高In组分的In_xGa_1-xN材料生长较为困难(参考文献：I-hsiu Ho and G.B.Stringfellow，Solid phaseimmiscibility in GaInN.Applied Physics Letters.69(18)，1996，p2701)。这就导致外延晶体的质量差，缺陷、位错多，光损耗增加，导致黄光或者红光的发光效率很低。而且In_xGa_1-xN/GaN界面之间由于压电极化和自发极化效应而引进的内建电场也会使得黄光或者红光的发光效率很低(参考文献：D.Xiao，K.W.Kim，et al..Design of white light-emittingdiodes using InGaN/AlInGaN quantum-well structures.Applied Physics Letters.84(52)，2004，p672.)。比如，目前550nm的绿光LED发光效率已经超过25流明/瓦，而商业用途的黄色InGaN(波长为590nm)LED虽然已经开发出来，但是其发光效率却只有4流明/瓦。更长波长的红光InGaN/GaN LED则仍然处于实验室阶段，其发光效率比蓝光InGaN/GaN LED的要低两个数量级(参考文献：B.Damilano，et al.InGaN/GaN quantum wellsgrown by molecular beam epitaxy emitting at 300K in the whole visible spectrum.MaterialsScience and Engineering B82(2001)224-226.)。正是由于材料外延生长困难和内建电场效应使得较长波长光的内量子效率很小，所以在(蓝光+黄光)的单片集成白光LED中，黄光在合成光中所占的功率比例太小，导致合成白光的色品质量不好，甚至偏离白光颜色很远，这就难以获得高品质的白光出射。这显然不能满足照明的需求，因为照明白光源必须具有较好的色品质量，具有较高的显色指数，能够更好地再现物体的真实颜色。

除了光色质量不好之外，在单片集成白光LED中，较短波长的光子还将面临被较长波长发光区域再吸收而导致的发光效率减小问题。比如在(蓝光+黄光)的单片集成白光LED中，波长较短的蓝光光子一旦进入到波长较长的黄光发光区中，就会遭遇强烈的本征吸收，从而降低发光效率。虽然可以采取短波长发光区在上(靠近出光面)、长波长发光区在下(远离出光面)的方案来减小这种危害，但是由于LED中以自发发射为主，各个方向发射光子的几率相同，所以仍然有相当数量向下发射的短波长光子被下面的长波长发光区吸收掉了，从而降低了发光效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种单片集成白光二极管，它不仅能够消除长波长光功率太小对白光颜色的不利影响，还能够解决短波长光子被长波长发光区所吸收的问题，具有好的白光品质、高显色指数和大发光效率。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：其表面设有P型电极和N型电极；其内部由下往上依次有分布式布拉格反射器、衬底、缓冲层、第一下包层、第一有源区、第一上包层、光子晶体层、第二下包层、第二有源区、第二上包层、P型包层和P型欧姆接触层，其中，由分布式布拉格反射器和单片集成白光LED上表面构成第一光学反馈腔，由光子晶体层和单片集成白光LED上表面构成第二光学反馈腔。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

1.具有发光颜色互为补色的两个有源区(比如第一有源区为黄光，第二有源区为蓝光)，因此不再需要涂覆荧光粉，两个有源区发出的光混合之后可以直接得到白光。

2.两个光学反馈腔为较短波长的光和较长波长的光提供了光学反馈放大作用，大幅提高这两种光的发光效率和发光功率，从而提高整个器件的发光效率和发光功率。

3.两个光学反馈腔是相互独立的，可以让较长波长的光获得更强的光反馈作用，提高其发光效率和发光功率，从而提高较长波长的光在合成白光中的功率比例，提高合成白光的色品质量和显色指数。

4.光子晶体层可以有效地阻止较短波长的光进入到较长波长光的发光区域中，有效地解决单片集成白光LED中存在的短波长光子被长波长发光区再吸收的问题，从而提高发光效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的单片集成白光LED，设有光子晶体层6和两个光学反馈腔。

单片集成白光LED的具体结构如图所示：其表面设有P型电极12和N型电极13，其内部由下往上依次有分布式布拉格反射器14、衬底1、缓冲层2、第一下包层3、第一有源区4、第一上包层5、光子晶体层6、第二下包层7、第二有源区8、第二上包层9、P型包层10、P型欧姆接触层11。两个光学反馈腔中，第一光学反馈腔17由分布式布拉格反射器14和单片集成白光LED上表面构成，第一有源区发出的光在此反馈腔中得到光学反馈加强作用；第二光学反馈腔16由光子晶体层6和单片集成白光LED上表面构成，第二有源区发出的光在此反馈腔中得到光学反馈加强作用。

所述第一有源区4远离出光面(图中自光15的那一面为出光面)，其发射光谱的主波长较长(例如黄光)；第二有源区8靠近出光面，其发射光谱的主波长较短(例如蓝光)。两个有源区发出的光为互补色，混合后呈白光15；例如蓝光和黄光为互补色，其混合后呈白光。这两个有源区可由多量子阱、体材料、量子点、量子线中的一种制成，或者由量子点与量子阱的混合体制成，或者由量子点与量子线的混合体制成。

由多量子阱制成的第一有源区4和第二有源区8，其结构是：以InGaN为阱，AlInGaN为垒；或者以InGaN为阱，GaN为垒；或者依据实际需要，可选用其它材料制备阱、垒。任意两种互为补色的第一和第二有源区，其发出的两种颜色的光混合之后可以得到白光。

所述衬底1可由蓝宝石、氮化钾(GaN)、碳化硅、氧化锌、尖晶石、硅等材料中的一种制成。

所述缓冲层2可由N型GaN、N型AlN、N型InGaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一种制成。所述分布式布拉格反射器14可由光学镀膜工艺制成，比如，采用由TiO₂/SiO₂或者HfO₂/SiO₂等介质材料构成的结构，或者依据实际需要采用其它两种或者多种具有不同折射率的介质材料构成的结构；或者采用由金属(比如Ag、Al)和介质材料构成的混合结构。

在本实施例中，P型电极12和N型电极13都是制作在LED的同一面(出光面)。也可以依据实际需要将它们制作在LED的不同面，比如，P型电极12位于LED的出光面、N型电极13位于分布式布拉格反射器14的下面。

所述的光子晶体层6是一种由InGaN和GaN所构成的一维光子晶体层，或者由AlGaN和InGaN所构成的一维光子晶体层；还可以是一种由上述材料所构成的二维或者三维的光子晶体构成。或者依据实际需要采用其它半导体材料所构成的一维、二维或者三维的光子晶体构成。

光子晶体层6具有双重功能：第一，它具有“阻止蓝光通过、透黄光”的功能，对蓝光提供的较高反射率(高达90％以上)可以有效地阻止蓝光有源区(第二有源区8)产生的蓝光进入下面的黄光有源区(第一有源区4)，而对波长较长的黄光提供高达90％以上的透过率，从而有效地解决了通常单片集成白光LED所存在的短波长光子被长波长发光区再吸收的问题；第二，光子晶体层6作为下反馈腔面构建了蓝光反馈腔(第二光学反馈腔16)，蓝光反馈腔的上反馈腔面在器件的出光面，因为半导体器件与外部空气的折射率差别可以提供大约20％左右的反射率。蓝光反馈腔(第二光学反馈腔16)对自发发射的蓝光光子提供一定的光反馈放大作用，有利于提高蓝光的发光效率。

在抛光减薄的蓝宝石衬底1上，通过光学镀膜工艺形成的分布式布拉格反射器14对黄光具有较高的反射率(90％以上)，它作为下反馈腔面，与出光面(上反馈腔面)一起构成了黄光的反馈腔17。黄光反馈腔17具有双重功效：一方面，它对黄光提供的光反馈放大作用有利于提高黄光的发光效率；另一方面，通过优化设计使它对黄光提供更强的光反馈作用，以加强黄光在合成白光功率中所占的比例，解决由于黄光内量子效率较小的对白光颜色的造成的不利影响，从而获得高显色指数的白光。

另外，本发明中其它部件可以采用常规技术，例如：

所述的第一下包层3、第二下包层7可以采用N型GaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一种构成，也可以是不进行任何掺杂的GaN、AlGaN或者AlInGaN中的一种所构成；或者依据实际需要采用其他材料所构成。

所述的第一上包层5、第二上包层9可以采用P型GaN、P型AlGaN、P型AlInGaN中的一种构成，也可以是不进行任何掺杂的GaN、AlGaN或者AlInGaN中的一种所构成；或者依据实际需要采用其他材料所构成。

所述的P型包层10可以是P型GaN、或者依据实际需要采用其它不同的半导体材料结构所构成，比如由P型GaN、P型AlGaN所构成的超晶格结构。

所述的P型欧姆接触层11是由P型GaN层构成，或者依据实际需要采用其它不同半导体材料所构成。

所述的P型电极12由Ni/Ag合金、或者Cr/Au合金、或者依据实际需要采用其它不同材料所构成。

所述的N型电极13由Ti/Al合金、或者Cr/Au合金、或者依据实际需要采用其它不同材料所构成。

综上所述，由于本发明采用了两个发光颜色互补的有源区，并且引入光子晶体层构建了两个光学反馈腔对两种颜色光提供不同的光反馈作用，所以该单片集成的白光LED无需荧光粉的光转换作用就能直接出射白光，它不仅能够消除长波长光功率太小对白光颜色的不利影响，还能够解决短波长光子被长波长发光区所吸收的问题，具有好的白光品质，高显色指数和大发光效率的优点。

下面结合附图简述本发明的工作过程：

(1)当该二极管通过P型电极12和N型电极13注入电流后，在第一有源区4中的电子与空穴辐射复合，产生波长较长的黄光光子；而在第二有源区8中的电子与空穴辐射复合，产生波长较短的蓝光光子。

(2)由于光子晶体层具有“阻止蓝光通过、透黄光”的功能，它对蓝光提供的较高反射率(高达90％以上)可以有效地阻止蓝光有源区(第二有源区8)产生的蓝光进入下面的黄光有源区(第一有源区4)，从而有效地解决解决短波长光子被长波长有源区所吸收的问题。而且，由光子晶体层和LED上表面构成的蓝光反馈腔(第二光学反馈腔16)对自发发射的蓝光光子提供了一定的光反馈放大作用，提高了蓝光的发光效率和发光功率。由于光子晶体层6对蓝光具有较高的反射率(90％以上)，最后，得到放大的蓝光从LED上表面出射。

(3)由于光子晶体层具有“阻止蓝光通过、透黄光”的功能，它对黄光提供的较高透射率(高达90％以上)可以高效地让黄光有源区(第一有源区4)产生的黄光通过，在由分布式布拉格反射器和单片集成白光LED上表面构成的黄光反馈腔(第一光学反馈腔17)中得到光学反馈加强作用。由于分布式布拉格反射器14对黄光具有较高的反射率(90％以上)，最后，得到放大的黄光将绝大部分从LED的上表面出射。

(4)从LED的上表面出射的蓝光和黄光混合，形成白光。

Claims

1.一种单片集成白光二极管，其表面设有P型电极(12)和N型电极(13)，其内部由下往上依次有分布式布拉格反射器(14)、衬底(1)、缓冲层(2)、第一下包层(3)、第一有源区(4)、第一上包层(5)、第二下包层(7)、第二有源区(8)、第二上包层(9)、P型包层(10)、P型欧姆接触层(11)，其特征在于：设有光子晶体层(6)和两个光学反馈腔，光子晶体层位于第一上包层和第二下包层之间，第一光学反馈腔(17)由分布式布拉格反射器和单片集成白光二极管上表面构成，第二光学反馈腔(16)由光子晶体层和单片集成白光二极管上表面构成。

2.根据权利要求1所述的单片集成白光二极管，其特征在于：第一有源区(4)发射光谱的主波长较长，第二有源区(8)发射光谱的主波长较短；两个有源区发出的光为互补色，混合后呈白光。

3.根据权利要求2所述的单片集成白光二极管，其特征在于：第一有源区(4)和第二有源区(8)由多量子阱、体材料、量子点、量子线中的一种制成，或者由量子点与量子阱的混合体制成，或者由量子点与量子线的混合体制成。

4.根据权利要求1所述的单片集成白光二极管，其特征在于：光子晶体层(6)由一维、二维或者三维的光子晶体构成。

5.根据权利要求1所述的单片集成白光二极管，其特征在于：所述衬底(1)由蓝宝石、氮化钾、碳化硅、氧化锌、尖晶石、硅中的一种制成。

6.根据权利要求1所述的单片集成白光二极管，其特征在于：所述缓冲层(2)由N型GaN、N型AlN、N型InGaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一种制成。

7.根据权利要求1所述的单片集成白光二极管，其特征在于：分布式布拉格反射器(14)由光学镀膜工艺制成，其采用不同折射率的两种或者多种介质材料构成，或者采用由金属和介质材料构成的混合结构。