CN1619847A - Ⅲ－ⅴ族高亮度复合颜色或者白光的发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明揭示III－V族高亮度复合颜色或者白光的发光二极管(LED)，该发光二极管发射白光的原理是发射出蓝光和黄光两束互补光或者发出近似于太阳光的光谱。具体实施实例之一是使用(铝x镓1－x)y铟1－y磷z氮1－z[(Al.sub.xGa.sub.1－x).sub.yIn.sub.1－yP.sub.zN.sub.1－z]作为发光层材料。本发明同时揭示低成本高产能的批量生产功率型高亮度复合颜色或者白光的半导体发光二极管芯片的方法：在晶片水平，使用晶片倒扣焊技术将外延晶片键合到一个导电导热的支持衬底上，剥离生长衬底，层叠具有优化的图形的电极(使得电流堵塞现象减小，电流分布均匀，电压减低，电流增大，抗静电性能提高)，所以生产成本低，产能高，功率型高亮度复合颜色或者白光的半导体发光二极管芯片具有优良的导热性能和光取出效率。

Description

III-V族高亮度复合颜色或者白光的发光二极管

技术领域

本发明揭示III-V族高亮度复合颜色或者白光的发光二极管(LED)和灯具，以及生产工艺，属于半导体光电子技术领域，涉及功率型复合颜色或者白光的半导体发光二极管芯片及其低成本高产能的批量生产方法。

背景技术

大量的努力被投注于白光半导体发光二极管和白光组合半导体发光二极管，到目前为止，有四类方法发出白光：

1)使用波长转换材料，包括荧光粉，光子再生半导体材料，和染料。

2)把红色，绿色，和蓝色的半导体发光二极管芯片组合在一起。

3)键合二个互补色的半导体发光二极管芯片(例如，蓝色和黄色)，复合成白光。

4)外延生长具有发出不同波长的光的发光层的半导体发光二极管，不同波长的光复合成白光，有关专利包括：美国专利6163038，美国专利申请20030173573，美国专利6649943。

上述的美国专利提出不同的材料，例如镓铟磷氮(GaInPN)，镓铟氮(GaInN)，和镓磷氮(GaPN)，作为白光半导体发光二极管发光层的材料。实用上，白光是由蓝光和黄光混合而成。使用上述的美国专利提出的材料作为白光半导体发光二极管的发光层所发出的黄光的亮度，低于铝镓铟磷[(AlGa)InP]半导体发光二极管发出的黄光的亮度。为了得到与D65同等的色度，两束互补光的波长和强度比必须满足下述关系：

两束互补光的波长(纳米)    两束互补光的强度比

波长1      波长2          强度(波长2)/强度(波长1)

430        562            1.4

440        563            1.8

450        564            1.8

460        566            1.5

470        570            1.1因此现存的白光半导体发光二极管所发出的白光的亮度仍然有待提高。

发明内容

本发明揭示高亮度III-V族复合颜色或者白光发光二极管。本发明的发光二极管发射白光的原理是发出蓝光和黄光两束互补光或者发出近似于太阳光的光谱。

本发明的具体实施实例之一是使用(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z[(Al.sub.xGa.sub.1-x).sub.yIn.sub.1-yP.sub.zN.sub.1-z]作为发光层材料，并使用晶片倒扣焊技术将发光二极管晶片键合到一个导电导热的支持衬底上，以便具有优良的导热性能和光取出效率。

本发明的目的和能达到的各项效果如下：

本发明的首要目的是为III-V族高亮度复合颜色或者白光的发光二极管提供一种新的发光层材料。

其次，本发明的目的是提供低成本高产量的批量生产功率型高亮度复合颜色或者白光的发光二极管的方法。

第三，本发明的目的是提供具有较高光取出效率的功率型高亮度复合颜色或者白光的发光二极管芯片。

本发明进一步的目的和效果将会从以下的描述和图显现出来。

附图说明

图1是本发明的高亮度复合颜色或者白光的发光二极管芯片的截面图，其中，两个电极层叠在发光二极管芯片的同一侧。

图2是本发明的功率型高亮度复合颜色或者白光的发光二极管芯片的截面图，其中，两个电极分别层叠在发光二极管芯片的两侧。

图3a至3c是图2中的具有不同的优化图形的第一电极的顶视图。

图4a是传统的LED灯具的截面图。

图4b是本发明的LED灯具的截面图。

图4c是本发明的带有反射杯的LED灯具的截面图。

具体实施实例和发明的详细描述

虽然本发明的具体化实施实例将会在下面描述，熟练的技术人员将会认识到发光层材料(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z的其他的组成成分的比例(即“x”，“y”，和”z”的不同数值的组合)和生产工艺能够实现本发明的原理。因此下列各项描述只是说明本发明的原理，而不是局限本发明于下列各项描述。

注意：下列各项应用到本发明的各个具体实施实例：

(A)本发明的高亮度复合颜色或者白光的发光二极管的发光层材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于：(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z，其中，0≤x＜1，0＜y≤1，0≤z＜1。所发出的光的强度和颜色可以由调整不同发光层的厚度和组成成分的比例(即发光层组成成分的“x”，“y”，和“z”的值)来控制，使得复合光具有要求的颜色。

第一类型限制层外延生长在生长衬底上，第一发光层外延生长在第一类型限制层上并发出第一波长的光，外延生长过渡发光层在第一发光层上，第二发光层生长在过渡发光层上并发出第二波长的光，第一波长比第二波长短。发光层的外延生长的温度由发光层的材料决定。外延生长第一发光层的温度高于外延生长第二发光层的温度。

本发明的一个具体实施实例：选用(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z作为发光层材料，其中0≤x＜1，0＜y≤1，0≤z＜1，并且“x”和“y”的值在外延生长时是固定的。选定“z”值，使得第一发光层发出蓝光。在外延生长第二发光层时，调整“z”值，使得第二发光层发出黄光，与第一发光层发出的蓝光复和成为白光。

本发明的另一个具体实施实例：选用(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z作为发光层材料，其中0≤x＜1，0＜y≤1，0≤z＜1，调整“x”，“y”，和“z”值。在保持第一发光层发出蓝光并且外延层不会发生裂痕的情况下，选用大的“x”值和大的“y”值，选用小的“z”值使得晶格失配最小。在如此选用的一组“x”，“y”，和“z”值下，外延生长发出蓝光的第一发光层到一预定的厚度。然后，外延生长过渡发光层。过渡发光层的组成成分可以如下选择：(1)逐渐减低“x”值，或(2)逐渐减低“y”值同时保持铟不会从生长中的外延层表面再蒸发，或(3)逐渐增大“z”值，或(4)上述选择的组合，直到过渡发光层发出黄光。

然后，保持如此选定的“x”，“y”，“z”值，外延生长第二发光层到一预定的厚度。第一发光层的厚度和第二发光层的厚度可以相同或不同，以便更好的控制复合光的颜色和色度。外延生长第一发光层和第二发光层的温度范围在摄氏700到900。

在外延生长过渡发光层时，每一组“x”，“y”，和“z”值确定一个亚过渡发光层。每一个亚过渡发光层有预定的厚度，该厚度取决于预定的复合光的颜色和色度。过渡发光层发出的复合光的光谱从蓝光到黄光或红光。每一个亚过渡发光层所发出的光的强度依赖于该层的厚度。

本发明的第三个具体实施实例，选用(铝x镓1-x)y铟1-y氮作为第一发光层材料，其中0≤x＜1，0＜y≤1，选定“x”和”y”值，使得第一发光层发出蓝光，外延生长第一发光层的温度范围在摄氏950到1150度。然后，降低温度范围到摄氏700到900度，逐渐通入PH3到反应室，直到过渡发光层发出黄光，保持“x”，“y”，和“z”值，继续外延生长第二发光层。过渡发光层和第二发光层的材料是(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z。

(B)第一类型限制层和第二类型限制层的材料取决于第一发光层和第二发光层的材料的选用，第一类型限制层和第二类型限制层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于：硼x铝y镓z铟1-x-y-z磷u氮1-u[B.sub.xAl.sub.yGa.sub.zIn.sub.1-x-y-zP.sub.uN.sub.1-u]，其中，0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z≤1，0≤u＜1。本发明的高亮度复合颜色或者白光的发光二极管的第一类型限制层的材料可以与第二类型限制层的材料不同，也可以相同但组成成分的比例不同。选定第一类型限制层的材料，使得晶格失配最小。第一类型限制层和第二类型限制层中的优化载流子浓度是在每立方厘米10的17次方到10的21次方。第一类型限制层的优化厚度为100纳米到10微米。

(C)为避免磷或硼在第一类型限制层和第一发光层之间的扩散，生长一阻挡层在第一类型限制层和第一发光层之间。同样，生长一阻挡层在第二类型限制层和第二发光层之间。阻挡层的能级大于发光层的能级。

(D)本发明的功率型高亮度复合颜色或者白光的发光二极管晶片倒装键合到支持衬底上，剥离生长衬底，剥离的方法包括研磨。当使用研磨方法时，第一类型限制层的优化的厚度取决于生长衬底和支持衬底的厚度的均匀性。

(E)本发明的功率型复合颜色或者白光的发光二极管的支持衬底的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于：导电的硅(Si)，碳化硅(SiC)，铜，和铝。支持衬底具有高热导率，因此，本发明的倒装键合在支持衬底上的功率型高亮度复合颜色或者白光的发光二极管具有良好的散热。

外延层是倒装键合在支持衬底上，生长衬底被剥离，两个电极分别层叠在发光二极管的两面，层叠在第一类型限制层上的第一电极具有优化的图形，使得电流堵塞现象减小，电流分布均匀，电流密度加大，电压减低，抗静电性能提高。另外，因为本发明的外延层倒装键合在支持衬底上的工艺是在晶片水平进行的，所以生产成本低，产能高。第二发光层比第一发光层靠近支持衬底。

(F)层叠在支持衬底和第二类型限制层之间的反射/欧姆层的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于：银(Ag)，铝(Al)，金(Au)，铟(In)，镍(Ni)，铅(Pd)，铂(Pt)，铑(Rh)，钛(Ti)，钨(W)，它们的合金，氮化钛(TiN)，和氮化鉿(HfN)。

(G)生长外延层的生长衬底的材料是从一组材料中选出，所述的材料包括，但不限于：蓝宝石和氮化镓晶片。

(H)降低生长衬底和外延层之间的晶格失配的方法包括，但不限于：(1)在生长衬底和外延层之间生长一缓冲层；(2)外延层直接生长在表面具有纹理结构的生长衬底上以便使晶格失配的效应局部化和最小化；(3)在具有纹理结构的生长衬底的表面上生长一缓冲层，然后外延层生长在缓冲层上；(4)在表面具有纹理结构的生长衬底上生长一缓冲层，生长外延层在缓冲层上，外延层倒装键合到一支持衬底上，剥离生长衬底(包括缓冲层)，然后热处理外延层。美国专利申请10/723046提出外延层生长在表面具有纹理结构的生长衬底上以便使晶格失配的效应局部化和最小化。

(I)对于传统的倒装焊蓝光LED芯片，在下述的界面，所发的光的一部分被全内反射：(1)外延层和蓝宝石生长衬底之间的界面；(2)蓝宝石生长衬底和环氧树脂圆顶之间的界面；和(3)环氧树脂圆顶和空气之间的界面。为改善热传导，消除全内反射，和提高光取出效率，本发明采用在外延层生长之后剥离生长衬底的方案。剥离蓝宝石生长衬底的方法包括机械研磨/抛光和激光剥离。中国专利申请200410046041.0提出剥离蓝宝石生长衬底的一种方法。

图1展示本发明的LED的一个具体实施实例。外延层108生长在生长衬底100上，并具有第一类型限制层101，第一发光层102(发射第一波长的光)，第二发光层104(发射第二波长的光)，过渡发光层103生长在第一和第二发光层之间，和第二类型限制层105。第一波长比第二波长短。过渡发光层103发射的光的波长介于第一和第二波长之间。通过选择第一发光层102，过渡发光层103，和第二发光层104所发出的光的波长和强度，本实施实例可以控制复合光的颜色到一定程度。所发出的光的强度和波长可以由发光层的厚度和组成成份的比例来控制。

第二电极106层叠在第二类型限制层105上。蚀刻一预先确定的区域到第一类型限制层101，然后层叠第一电极107在第一类型限制层101的暴露部分上。第二电极106和第一电极107具有优化的形状，使得电流拥塞最小化，电流分部更均匀，发光层材料被最大限度的利用。

一般情况下，外延层108还包括电流扩散层和缓冲层(图1没有展示)，电流扩散层层叠在第二电极106和第二类型限制层105之间，缓冲层生长在第一类型限制层101和生长衬底100之间。

图2展示本发明的功率型LED的具体实施实例。外延层113与图1的外延层108类似，生长在生长衬底上，倒装键合外延层113到支持衬底110上，然后剥离生长衬底。在支持衬底110和第二类型限制层105之间，层叠一反射/欧姆层109。第一电极112和第二电极111分别层叠在第一类型限制层101和支持衬底110上。第一电极112具有优化的图形(见图3a至3c)，使得电流拥塞最小化，电流分部更均匀，发光层材料被最大限度的利用。

在这个具体实施实例中，因生长衬底已被剥离，所以没有外延层和生长衬底之间的全内反射。在环氧树脂圆顶的材料中掺杂适量的纳米粒子，使得环氧树脂圆顶的折射系数与外延层的折射系数相同或相近，所以没有外延层和环氧树脂圆顶之间的全内反射。环氧树脂圆顶的形状和大小是如此选定(见图4b)，使得环氧树脂圆顶和空气之间没有全内反射。所以，所有的全内反射都被避免，因而光取出效率被极大的提高。

图3a是图2中的第一电极的一个具体实施实例的顶视图。第一电极300有叉-多环-图形，层叠在第一类型限制层101上。第一电极300包括多环301，又303，和打线焊点302，它们是电连接的。多环301和叉303把从打线焊点302引入的电流均匀地分布到第一类型限制层101。

图3b和3c是图2中的第一电极的俩个类似的具体实施实例的顶视图：环-格-图形。图3b中的第一电极310有环311，格312，和打线焊点313，它们是电连接的。环311和格312把从打线焊点313引入的电流均匀地分布到第一类型限制层101。图3c是与图3b中的第一电极类似的第一电极320。第一电极320具有条型打线焊点323，可以打多条线，因而可以引入大的电流。格322，包围格322的环321，和条型打线焊点323是电连接的。

图4a是传统的带有生长衬底的倒装焊LED灯具。发光层403发出的光402和光405分别在发光层403和生长衬底401之间的界面以及生长衬底401和圆顶400之间的界面被全内反射。光406是在圆顶400和空气之间的界面被全内反射。注意，反射杯404被圆顶400包围。因而，在下列的3个界面存在全内反射：发光层403和生长衬底401之间的界面，生长衬底401和圆顶400之间的界面，以及圆顶400和空气之间的界面，因而光取出效率低。

图4b是本发明的功率型LED灯具的一个具体实施实例。一个功率型LED层叠在基座415上，并具有第一类型限制层414和发光层413(包括第一，过渡，和第二发光层)。生长衬底已被剥离，所以没有生长衬底和第一类型限制层414之间的全内反射。圆顶411覆盖LED，并可由以下材料构成：环氧树脂，玻璃，塑料。圆顶的材料中掺杂适量的纳米粒子，使得圆顶的折射系数与外延层的折射系数相同或相近，所以第一类型限制层414和圆顶411之间没有全内反射。

从Snell定律可以推出，当

R＞nd，其中，R是半球形圆顶的直径，n是圆顶的材料的折射系数，d是LED的尺度，即，选定足够大的圆顶的直径，在圆顶411和空气之间的界面没有全内反射。

图4c是本发明的LED灯具的另一个具体实施实例。透明盖429密封LED灯具。LED 427层叠在热沉420上，热沉420有颈422以便固定圆顶428。接线柱424与LED 427的一面是电连接的。金属线421连接LED 427与接线柱425，接线柱425与热沉420是电绝缘。透明盖429在反射杯426上。

虽然上面包含许多具体的描述，但是这些描述并没有限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权力要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施实例决定。

Claims (10)

1.一个高亮度复合颜色或白光的半导体发光二极管(LED)，包括，但不限于：

一个外延生长衬底；

一个外延层，包括，但不限于，

(a)生长在所述的外延生长衬底上的第一类型限制层，第一类型限制层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，硼x铝y镓z铟1-x-y-y磷u氮1-u[B.sub.xAl.sub.yGa.sub.zIn.sub.1-x-y-zP.sub.uN.sub.1-u]，其中0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z≤1，0≤u＜1，

(b)生长在所述的第一类型限制层上的第一发光层，所述的第一发光层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z[(Al.sub.xGa.sub.1-x).sub.yIn.sub.1-yP.sub.z N.sub.1-z]，其中0≤x＜1，0＜y≤1，0≤z＜1，所述的第一发光层发出第一波长的光，

(c)生长在所述的第一发光层上的第二发光层，所述的第二发光层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z [(Al.sub.xGa.sub.1-x).sub.yIn.sub.1-yP.sub.z N.sub.1-z]，其中0≤x＜1，0＜y≤1，0＜z≤1，所述的第二发光层发出第二波长的光，

(d)生长在所述的第二发光层上的第二类型限制层，所述的第二类型限制层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，硼x铝y镓z铟1-x-y-z磷u氮1-u[B.sub.xAl.sub.yGa.sub.zIn.sub.1-x-y-zP.sub.uN.sub.1-u]，其中0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z≤1，0≤u≤1，；

一个层叠在所述的第一类型限制层的暴露的部分上的第一电极；

一个层叠在所述的第二类型限制层上的第二电极。

2.权利要求1的高亮度复合颜色或白光半导体发光二极管，进一步包括一个缓冲层，所述的缓冲层外延生长在所述的外延生长衬底和所述的第一类型限制层之间。

3.权利要求1的高亮度复合颜色或白光半导体发光二极管，进一步包括一个过渡发光层，所述的过渡发光层生长在所述的第一发光层和所述的第二发光层之间，所述的过渡发光层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z[(Al.sub.xGa.sub.1-x).sub.yIn.sub.1-yP.sub.zN.sub.1-z]，其中0≤x＜1，0＜y≤1，0＜z＜1。

4.权利要求1的高亮度复合颜色或白光半导体发光二极管，进一步包括一个电流扩散层，所述的电流扩散层层叠在所述的第二电极和所述的第二类型限制层之间。

5.一个高亮度复合颜色或白光的半导体发光二极管(LED)，包括，但不限于：

一个支持衬底；

一个外延层，包括，但不限于，

(a)第一类型限制层，所述的第一类型限制层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，硼x铝y镓z铟1-x-y-y磷u氮1-u[B.sub.xAl.sub.yGa.sub.zIn.sub.1-x-y-zP.sub.uN.sub.1-u]，其中0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z≤1，0≤u＜1，

(b)生长在所述的第一类型限制层上的第一发光层，所述的第一发光层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z[Al.sub.xGa.sub.1-x].sub.yIn.sub.1-yP.sub.zN.sub.1-z]，其中0≤x＜1，0＜y≤1，0≤z＜1，所述的第一发光层发出第一波长的光，

(c)生长在所述的第一发光层上的第二发光层，所述的第二发光层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z[(Al.sub.xGa.sub.1-x).sub.yIn.sub.1-yP.sub.z N.sub.1-z]，其中0≤x＜1，0＜y≤1，0＜z≤1，所述的第二发光层发出第二波长的光，

(d)生长在所述的第二发光层上的第二类型限制层，所述的第二类型限制层的另一面键合到所述的支持衬底上，所述的第二类型限制层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，硼x铝y镓z铟1-x-y-z磷u氮1-u[B.sub.xAl.sub.yGa.sub.zIn.sub.1-x-y-zP.sub.uN.sub.1-u，其中0＜x≤1，0≤y＜1，0≤z＜1，x+y+z≤1，0≤u≤1，；

层叠在所述的第一类型限制层上的一个第一电极。

6.权利要求5的高亮度复合颜色或白光半导体发光二极管，进一步包括一个生长在所述的第一发光层和所述的第二发光层之间的过渡发光层，所述的过渡发光层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，(铝x镓1-x)y铟1-y磷z氮1-z[(Al.sub.xGa.sub.1-x).sub.yIn.sub.1-yP.sub.z N.sub.1-z]，其中0≤x＜1，0＜y≤1，0＜z＜1。

7.权利要求5的高亮度复合颜色或白光半导体发光二极管，进一步包括一个电流扩散层，所述的电流扩散层层叠在所述的第一电极和所述的第一类型限制层之间。

8.权利要求5的高亮度复合颜色或白光半导体发光二极管，进一步包括一个反射/欧姆层：所述的反射/欧姆层层叠在所述的支持衬底和所述的第二类型限制层之间；所述的反射/欧姆层的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，Al，Au，Ag，In，Ni，Ti，Pd，Pt，它们的合金，TiN，和HfN。

9.权利要求5的高亮度复合颜色或白光半导体发光二极管，其中所述的第一电极具有优化的图形使得电流分布更均匀，电流密度更大，发光层的材料被更充分的利用；其中所述的第一电极的优化的图形可从一组图形中选出，这组图形包括，但不限于，环-格-图形和叉-多环-图形。

10.权利要求5的高亮度复合颜色或白光半导体发光二极管，其中所述的支持衬底的材料是从一组材料中选出，这组材料包括，但不限于，导电的硅晶片，碳化硅，金，铝，和铜。

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