CN101116191A

CN101116191A - 具有多个发光单元的发光装置及其制造方法

Info

Publication number: CN101116191A
Application number: CNA200580047726XA
Authority: CN
Inventors: 李贞勋; 金洪山; 詹姆斯·S·史贝克
Original assignee: Seoul Optodevice Co Ltd
Current assignee: Seoul Viosys Co Ltd
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2025-07-05
Also published as: CN100552988C; KR101138946B1; KR20060089355A

Abstract

本发明揭示一种具有多个发光单元的发光装置。发光装置包括热传导衬底，例如SiC衬底，其热传导性比蓝宝石衬底的热传导性高。多个发光单元在热传导衬底上串联连接。同时，半绝缘缓冲层***在热传导衬底与发光单元之间。举例来说，半绝缘缓冲层可由AlN或半绝缘GaN形成。由于使用热传导性高于蓝宝石衬底的热传导性的热传导衬底，所以与常规蓝宝石衬底相比，热量耗散性能可增强，从而增加在高电压AC电源下驱动的发光装置的最大光输出。另外，由于使用半绝缘缓冲层，所以有可能防止穿过热传导衬底和位于发光单元之间的泄漏电流增加。

Description

具有多个发光单元的发光装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光装置和一种制造所述发光装置的方法，且更明确地说，涉及一种具有多个串联连接在单个芯片中的发光单元的发光装置，和一种制造所述发光装置的方法。

背景技术

发光二极管是一种光电转换半导体元件，其中N型半导体与P型半导体接合在一起，以形成结(junction)，且电子和空穴重新组合以发光。此类发光二极管广泛用作显示装置和背光。另外，发光二极管与常规白炽灯泡或荧光灯相比消耗较少的电功率，且具有延长的服务寿命，从而将其应用扩大到一般照明目的，同时代替常规白炽灯泡和荧光灯。

发光二极管视施加到其处的电流的方向而定，在AC电源下在打开状态与关闭状态之间交替。因此，如果发光二极管直接连接到AC电源，那么存在的问题是，其不能在连续模式下发光，且可能由于反向电流的缘故而容易被损坏。

作为解决此项技术中的上述问题的尝试，Sakai等人提出一种发光二极管，其能够直接连接到高压AC电源，题为“Light-Emitting Device HavingLight-Emitting Elements”的第WO 2004/023568A1号国际公开案中揭示了所述发光二极管。

在公开案WO 2004/02 3568A1中，LED以二维图案串联连接在例如蓝宝石衬底的绝缘衬底上以形成LED阵列。两个LED阵列以反向并联连接在蓝宝石衬底上。因此，提供可由AC电源驱动的单芯片发光装置。

然而，由于蓝宝石衬底具有相对较低的热传导性，所以不能平稳地耗散热量。这种有限的热量耗散导致发光装置的最大光输出有限。因此，需要持续的努力来改进高压AC电源下发光装置的最大光输出。

发明内容

技术问题

本发明的一目的是提供一种经改进的发光装置，可在高压AC电源下增加其最大光输出。

本发明的另一目的是提供一种发光装置，其具有多个彼此串联连接的发光单元，其中即使在使用导电衬底时，也可避免穿过衬底的泄漏电流(leakage current)增加。

本发明的又一目的是提供一种制造经改进的发光装置的方法，可在高压AC电源下增加所述发光装置的最大光输出，而穿过衬底的泄漏电流无任何增加。

技术解决方案

为了实现这些目的，本发明揭示一种具有多个发光单元的发光装置。根据本发明的一方面的发光装置包括热传导衬底，所述热传导衬底的热传导性高于蓝宝石衬底的热传导性。多个发光单元串联连接在热传导衬底上。同时，半绝缘缓冲层***在热传导衬底与发光单元之间。由于使用热传导性高于蓝宝石衬底的热传导性的热传导衬底，所以与常规蓝宝石衬底相比，热量耗散性能可改进，从而增加在高压AC电源下驱动的发光装置的最大光输出。另外，由于使用半绝缘缓冲层，所以有可能防止穿过热传导衬底和位于发光单元之间的泄漏电流增加。

本文所使用的术语热传导衬底是指由热传导性高于蓝宝石衬底的热传导性的材料制成的衬底。另外，术语“半绝缘”材料是指具有高电阻的材料，其通常具有10⁵Wcm或更高的电阻率，且除非特别规定，否则包含绝缘材料。

热传导衬底可以是AlN或SiC衬底。另外，SiC衬底可以是半绝缘或N型SiC衬底。AlN和SiC衬底的热传导性约为蓝宝石衬底的热传导性的10倍或更多倍那样高。因此，AlN或SiC衬底可提供与使用蓝宝石衬底的发光装置相比具有改进的热量耗散性能的发光装置。

半绝缘缓冲层可由未经掺杂的AlN形成。所述AlN在SiC衬底与III族氮化物之间具有适当的晶体结构。

或者，半绝缘缓冲层可由半绝缘GaN形成。半绝缘GaN可包含未经掺杂的GaN或掺杂有受体的GaN。一般来说，未经掺杂的GaN视衬底的种类而定，会展示出半绝缘或N型半导体的特性。在未经掺杂的GaN展示出N型半导体的特性的情况下，可通过用受体掺杂此GaN来提供半绝缘GaN。

所述受体可以是碱金属、碱土金属或过渡金属，明确地说，可以是铁(Fe)。可使用Fe来增长半绝缘GaN缓冲层，而不会影响GaN的结构特性。

发光单元的每一者均包含N型半导体层、活性层和P型半导体层。相邻发光单元的N型半导体层和P型半导体层借助金属布线彼此电连接。

根据本发明另一方面的发光装置包含半绝缘衬底。所述半绝缘衬底可以是AlN或SiC衬底。多个发光单元在所述半绝缘衬底上彼此串联连接。根据这一方面，由于所述多个发光单元直接形成在AlN或半绝缘SiC衬底上，所以可简化其制造工艺。

本发明还揭示一种制造具有多个发光单元的发光装置的方法。本发明的所述方法包括制备热传导衬底，所述热传导衬底的热传导性高于蓝宝石衬底的热传导性。半绝缘缓冲层形成于热传导衬底上，且N型半导体层、活性层和P型半导体层形成于半绝缘缓冲层上。其后，P型半导体层、活性层和N型半导体层经图案化以形成多个发光单元，对于所述发光单元中的每一者来说，N型半导体层部分暴露。接着，形成金属布线从而以每一发光单元的N型半导体层连接到与其相邻的发光单元的P型半导体层的方式串联连接所述发光单元。因此，有可能制造一种改进的发光装置，其可增加其在高压AC电源下的最大光输出。

热传导衬底可以是AlN衬底，或半绝缘或N型SiC衬底。

附图说明

图1是说明根据本发明实施例的具有多个发光单元的发光装置的截面图。

图2是说明根据本发明实施例的包含桥式整流器的发光装置的电路图。

图3到图7是说明根据本发明实施例的制造具有多个发光单元的发光装置的方法的截面图。

具体实施方式

下文中，将参看附图详细描述本发明的实施例。仅出于说明性目的而提供以下实施例，使得所属领域的技术人员可以完全理解本发明的原理。因此，本发明并非限于本文所陈述的实施例，而是可以许多不同配置来实施。在附图中，为了说明的便利和清楚，可能放大了每一组件的宽度、长度、厚度等。在描述内容中，相似参考标号始终指示相似元件。

图1是说明根据本发明实施例的具有彼此串联连接的多个发光单元的发光装置的截面图。

参看图1，本发明的发光装置包括热传导衬底110、形成于衬底110上的缓冲层120、图案化于缓冲层120上的多个发光单元100-1到100-n，以及用于使多个发光单元100-1到100-n彼此串联连接的金属布线170-1到170-n-1。

热传导衬底110是由热传导性相对高于蓝宝石衬底的热传导性的材料制成的衬底。热传导衬底110可以是AlN衬底或半绝缘或N型SiC衬底。

缓冲层120用于减轻衬底110与待形成于其上的半导体层之间的晶格失配。另外，在本发明的一些实施例中，可使用缓冲层120来使发光单元100-1到100-n与衬底110绝缘。此外，发光单元应彼此电隔离。因此，缓冲层120由半绝缘材料膜形成。在衬底110为半绝缘AlN衬底或半绝缘SiC衬底的情况下，可省略缓冲层120。

在此实施例中，半绝缘缓冲层120可以是AlN或半绝缘GaN层。由于未经掺杂的AlN通常具有绝缘特性，所以可将未经掺杂的AlN用作所述AlN。同时，视增长过程和衬底材料而定，未经掺杂的GaN通常展示出N型半导体的特性或半绝缘特性。因此，在未经掺杂的GaN具有半绝缘特性的情况下，未经掺杂的GaN变成半绝缘GaN。另一方面，如果未经掺杂的GaN展示出N型半导体的特性，那么用受体来进行掺杂以用于补偿。所述受体可包含碱金属、碱土金属或过渡金属，明确地说，可以是铁(Fe)或铬(Cr)。

2002年7月15日出版的Applied Physics Letters中，Heikman等人在“Growth of Fe doped semi-insulating GaN by metalorganic chemicalvapor deposition”中揭示了在蓝宝石衬底上形成半绝缘GaN层的方法。Heikman等人使用了MOCVD技术，其使用二茂铁(Cp₂Fe)作为前体，以便在蓝宝石衬底上形成半绝缘GaN层。

一般来说，使用MOCVD技术形成于蓝宝石衬底上的未经掺杂的GaN为N型GaN。这是因为剩余的氧原子充当GaN层中的供体(donor)。因此，用充当受体的例如Fe的金属材料来进行掺杂，以补偿所述供体，从而形成半绝缘GaN。

用受体来进行掺杂以形成半绝缘GaN的技术同样可应用于本发明的实施例。举例来说，形成于SiC衬底上的未经掺杂的GaN可借助例如Si的杂质而变成N型GaN。因此，可通过用例如Fe的金属材料执行掺杂来形成半绝缘GaN缓冲层120。此处，不一定要求用受体来掺杂半绝缘缓冲层120的整个厚度。可用例如Fe的受体将掺杂进行到缓冲层120的部分厚度。

而且，可通过离子注入技术来掺杂所述受体。

半绝缘缓冲层120可在发光单元100-1到100-n之间连续(如所说明)，但其间可能是离散的。

同时，发光单元100-1到100-n中的每一者均包含PN结氮化物半导体层。

在此实施例中，发光单元中的每一者均包含N型半导体层130、形成于N型半导体层130的预定区域上的活性层140，以及形成于活性层140上的P型半导体层150。N型半导体层130的上表面至少部分地暴露。奥姆金属层(Ohmic metal layer)160和165可形成于N型半导体层130和P型半导体层150上。另外，具有1×10¹⁹～1×10²²/cm³的高浓度的N型半导体隧穿层或半金属层可形成于N型半导体层130或P型半导体层150上。透明电极层(未图示)也可进一步形成于N型半导体隧穿层或半金属层上。

N型半导体层130为N型Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x，y≤1)膜，且可包含N型披覆层(clad layer)。另外，P型半导体层150为P型Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x，y≤1)膜，且可包含P型披覆层。

可通过硅掺杂来形成N型半导体层130，且可通过锌或镁掺杂来形成P型半导体层150。

活性层140为电子和空穴重新组合的区域，且包含InGaN。视形成活性层140的材料而定，决定从发光单元发射的光的波长。活性层140可以是多层膜，其中量子阱层与障壁层交替形成。障壁层和量子阱层可以是二元到四元化合物半导体层，其可用通式Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x，y，x+y≤1)来表达。

发光单元借助金属布线170-1到170-n-1串联连接。在此实施例中，可由AC电源驱动的许多发光单元100-1到100-n借助金属布线串联连接。也就是说，串联连接的发光单元100的数目受施加到发光装置的AC驱动电压/电流和驱动单个发光单元所需的电压限制。举例来说，在3.3V驱动的发光单元的情况下，可在220V的AC电压下串联连接约67个单元。另外，可在110V的AC电压下串联连接约34个单元。

如图1中所说明，在n个发光单元100-1到100-n串联连接的发光装置中，第一发光单元100-1的N型半导体层130和第二发光单元100-2的P型半导体层150通过第一金属布线170-1连接。第二发光单元100-2的N型半导体层130和第三发光单元(未图示)的P型半导体层(未图示)通过第二金属布线170-2连接。此外，第(n-2)发光单元(未图示)的N型半导体层(未图示)和第(n-1)发光单元100-n-1的P型半导体层150通过第(n-2)金属布线170-n-2连接。第(n-1)发光单元100-n-1的N型半导体层130和第n发光单元100-n的P型半导体层150通过第(n-1)金属布线170-n-1连接。

上述串联连接的发光单元构成LED阵列，如第WO 2004/02 3568A1号国际公开案中所揭示。同时，发光装置可具有两个LED阵列，其彼此反向并联连接，以用于AC电源下的照明。第一发光单元100-1的P型半导体层150和第n发光单元100-n的N型半导体层130可形成有P型衬垫和N型衬垫(未图示)，以分别电连接到AC电源。

或者，发光装置可包含由二极管组成的桥式整流器，以便对AC电流进行整流。图2绘示包含桥式整流器的发光装置的电路图。

参看图2，LED阵列41包含彼此串联连接的发光单元41a、41b、41c、41d、41e和41f。包括二极管D1、D2、D3和D4的桥式整流器设置在AC电源45与LED阵列41之间以及接地与LED阵列41之间。二极管D1、D2、D3和D4可借助与发光单元的工艺相同的工艺形成。也就是说，桥式整流器可与发光单元一起制造。

LED阵列41的阳极端子连接到二极管D1与D2之间的节点，且其阴极端子连接到二极管D3与D4之间的节点。同时，AC电源45的端子连接到二极管D1与D4之间的节点，且接地连接到二极管D2与D3之间的节点。

如果AC电源45具有正相位，那么桥式整流器的二极管D1和D3接通，且二极管D2和D4断开。因此，电流经由桥式整流器的二极管D1、LED阵列41和桥式整流器的二极管D3流动到接地。

另一方面，如果AC电源45具有负相位，那么桥式整流器的二极管D1和D3断开，且其二极管D2和D4接通。因此，电流经由桥式整流器的二极管D2、LED阵列41和桥式整流器的二极管D4流动到AC电源。

因此，桥式整流器到LED阵列41的连接使AC电源45能够连续地驱动LED阵列41。桥式整流器的端子经配置以连接到AC电源45和接地，如图2所示。但是，桥式整流器的端子可经配置以连接到AC电源的两个端子。

根据本实施例，单个LED阵列可通过电连接到AC电源而被驱动，从而改进LED阵列的使用效率。

接下来，将描述制造具有多个发光单元的发光装置的方法。

图3到7是说明根据本发明实施例的制造具有多个发光单元的发光装置的方法的截面图。

参看图3，半绝缘缓冲层120形成于热传导衬底110上。热传导衬底110可以是AlN或SiC衬底。另外，SiC衬底可以是半绝缘或N型衬底。

一般来说，单个晶体SiC衬底展示出N型半导体的特性。已知这是因为SiC衬底中所含有的氮充当供体。因此，用例如钒(V)的受体来进行掺杂以增长半绝缘SiC单晶体。同时，第6,814,801号美国专利揭示一种在不用钒掺杂的情况下增长半绝缘SiC晶体的方法。这些技术可用于提供半绝缘SiC衬底。另一方面，可使用离子注入技术将例如Fe、V、C或Si的受体注射到SiC衬底中，以将SiC衬底的上部转化成半绝缘SiC层。

通过有机金属化学气相沉积(metalorganic chemical vapordeposition，MOCVD)方法、分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)方法、氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)方法或类似方法来形成半绝缘缓冲层120。缓冲层120可以是AlN或半绝缘GaN层。半绝缘GaN层可以是未经掺杂的GaN层或掺杂有受体的GaN层。受体可以是碱金属、碱土金属或过渡金属，明确地说，可以是铁(Fe)或铬(Cr)。在形成GaN层期间，可使用利用前体的沉积技术来掺杂受体，或在形成GaN层之后，使用离子注入技术来掺杂受体。

在使用N型SiC衬底的情况下，半绝缘缓冲层120使发光单元与N型SiC衬底电绝缘，以防止泄漏电流穿过衬底。另一方面，在使用半绝缘SiC衬底的情况下，可省略形成半绝缘缓冲层120的工艺。

参看图4，N型半导体层130、活性层140和P型半导体层150形成于半绝缘缓冲层120上。这些半导体层130、140和150在一个处理腔室内连续形成。可使用MOCVD方法、MBE方法或HVPE方法来形成N型半导体层130、活性层140和P型半导体层150，且所述层中的每一者均可以多层的形式形成。具有1×10¹⁹～1×10²²/cm³的高浓度的N型半导体隧穿层或半金属层可形成于N型半导体层130和/或P型半导体层150上，透明电极层(未图示)也可进一步形成于N型半导体隧穿层或半金属层上。

参看图5，P型半导体层150、活性层140和N型半导体层130经图案化以形成离散的发光单元100-1到100-n。可使用光刻和蚀刻技术来使所述层图案化。举例来说，光致抗蚀剂图案形成于P型半导体层150上，且接着使用所述光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩膜来依次蚀刻P型半导体层150、活性层140和N型半导体层130。因此，形成离散的发光单元。此时，半绝缘缓冲层120可经蚀刻以暴露衬底110。

参看图6，通过使离散的发光单元100-1到100-n中的每一者的P型半导体层150和活性层140图案化来部分地暴露N型半导体层130的上表面。可使用光刻和蚀刻技术来执行此图案化工艺。也就是说，光致抗蚀剂图案形成于具有离散的发光单元100-1到100-n的衬底110上，且使用所述光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩膜来部分地蚀刻P型半导体层150和活性层140。因此，P型半导体层和活性层的经蚀刻的部分允许N型半导体层130部分暴露。

可通过湿式或干式蚀刻工艺来执行此蚀刻工艺。干式蚀刻工艺可以是等离子体干式蚀刻工艺。

参看图7，P型奥姆金属层160和N型奥姆金属层165分别形成于P型半导体层150和N型半导体层130上。

可通过打开其中将使用光致抗蚀剂图案(未图示)形成奥姆金属层160和165的区域，并执行金属沉积工艺来形成奥姆金属层160和165。可通过同一工艺或单独的个别工艺来形成P型奥姆金属层160和N型奥姆金属层165。奥姆金属层160和165可由选自Pb、Sn、Au、Ge、Cu、Bi、Cd、Zn、Ag、Ni和Ti的至少一者形成。

其后，使用金属布线170-1到170-n-1来连接相邻发光单元的N型奥姆金属层165和P型奥姆金属层160。可通过空气桥工艺(air bridgeprocess)或梯级覆盖工艺(step-cover process)来形成金属布线。

第WO 2004/023568A1号国际公开案中揭示了空气桥工艺，且将简要描述所述工艺。首先，具有奥姆金属层160和165的若干部分暴露所通过的开口的第一光致抗蚀剂图案形成于具备发光单元和奥姆金属层160和165的衬底上。接着，使用电子束蒸发技术(e-beam evaporation technique)来形成薄金属层。所述金属层形成于所述开口和第一光致抗蚀剂图案的整个上表面上。其后，形成第二光致抗蚀剂图案以暴露待连接的相邻发光单元之间的区域，以及开口上的金属层。随后，镀敷金或类似物，且接着使用例如溶剂的溶液来去除第一和第二光致抗蚀剂图案。因此，仅留下用于连接相邻发光单元的布线，且剩余的金属层和光致抗蚀剂图案被完全去除。

另一方面，梯级覆盖工艺包含在具有发光单元和原子金属层的衬底上形成绝缘层。使用光刻和蚀刻技术来使绝缘层图案化以形成P型和N型半导体层上的奥姆金属层160和165暴露所通过的开口。接着，使用电子束蒸发技术来填充所述开口，并形成用于覆盖绝缘层的金属层。其后，使用光刻和蚀刻技术来使所述金属层图案化，以形成用于使邻近的发光单元彼此连接的布线。可对此梯级覆盖工艺作出各种修改。当使用梯级覆盖工艺时，绝缘层支撑布线，从而改进布线的可靠性。

其后，在位于两个远端处的发光单元100-1和100-n处形成用于电连接到AC电源的P型衬垫和N型衬垫。

尽管附图中将发光单元说明为排列成直线，但这仅是为了确保阐释的便利。发光单元可以各种图案和配置排列在一平面上，如第WO2004/023568A1号国际公开案中所示。

产业适用性

根据本发明，可增强发光装置的热量耗散性能。因此，有可能提供一种在高压AC电源下具有增加的最大输出的发光装置。此外，有可能提供一种发光装置，其具有多个发光单元，且使用半绝缘衬底或半绝缘缓冲层来防止穿过衬底的泄漏电流增加。

Claims

1.一种具有多个发光单元的发光装置，其包括：

热传导衬底，其热传导性高于蓝宝石衬底的热传导性；

多个发光单元，其在所述热传导衬底上彼此串联连接；以及

半绝缘缓冲层，其***在所述热传导衬底与所述发光单元之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述热传导衬底为半绝缘或N型SiC衬底。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述半绝缘缓冲层由未经掺杂的AlN形成。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所述半绝缘缓冲层由半绝缘GaN形成。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述半绝缘GaN为掺杂有受体的GaN。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述受体为铁(Fe)。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述发光单元中的每一者均包括N型半导体层、活性层和P型半导体层，且相邻发光单元的所述N型半导体层和所述P型半导体层借助金属布线串联电连接。

8.一种具有多个发光单元的发光装置，其包括：

半绝缘衬底，其热传导性高于蓝宝石衬底的热传导性；以及

所述多个发光单元，其在所述半绝缘衬底上彼此串联连接。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述半绝缘衬底为半绝缘SiC衬底。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述半绝缘衬底为上部处具有离子注入的半绝缘SiC层的SiC衬底。

11.根据权利要求8所述的装置，其中所述发光单元中的每一者均包括N型半导体层、活性层和P型半导体层，且相邻发光单元的所述N型半导体层和所述P型半导体层借助金属布线串联电连接。

12.一种制造发光装置的方法，其包括：

制备热传导衬底，所述热传导衬底的热传导性高于蓝宝石衬底的热传导性；

在所述热传导衬底上形成半绝缘缓冲层；

在所述半绝缘缓冲层上形成N型半导体层、活性层和P型半导体层；

使所述P型半导体层、所述活性层和所述N型半导体层图案化，以形成多个发光单元，所述发光单元中的每一者均具有部分暴露的N型半导体层；以及

形成金属布线，其以所述发光单元中的每一者的N型半导体层连接到与其相邻的发光单元的所述P型半导体层的方式串联连接所述发光单元。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述热传导衬底为半绝缘或N型SiC衬底。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述半绝缘缓冲层由未经掺杂的AlN形成。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述半绝缘缓冲层由半绝缘GaN形成。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述半绝缘GaN为掺杂有受体的GaN。

17.根据权利要求16所述的方法，其中使用离子注入技术来掺杂所述受体。