专利名称：直接出射白光的高亮度功率型led芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及高亮度发光二极管领域，特别是一种直接出射白光的高亮度功率型LED芯片。
背景技术：
由于发光二极管(LED)具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，因此，高亮度LED以及基于LED的半导体光源是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，它们可以广泛应用在大、中、小屏幕显示器，以及汽车用灯、背光源、交通信号灯、景观照明、室内外装饰和白光照明等方面。特别是基于LED的半导体白光源具有高效节能、绿色环保的优点，在全球能源资源相当有限和保护环境可持续发展的双重背景下，将在世界范围内引发一场划时代的照明革命，成为继白炽灯、荧光灯之后的新一代电光源，而进入千家万户。
目前主要采用以下三种方法来实现白光第一种方法是将发不同颜色光的发光二极管(LED)混合在一起产生白光，比如红、绿、蓝色LED的组合，尽管这种方法的光转换效率较高，显色指数很好，但是必须要有复杂的驱动电路以及外加的探测器和反馈控制系统。第二种方法是用LED去激发具有波长变换功能的荧光粉，比如用蓝光LED激发可发出黄色光的荧光粉，一部分蓝色光透过荧光粉，另外的蓝色光被荧光粉吸收，发出黄色光，蓝光与黄色光混合在一起就形成白光，这是一种最普遍使用的属于光转换型的方法，其缺陷是只有单一颜色的荧光粉，缺少红色，显色指数不是很高。第三种方法也属于光转换型，其用紫外LED来泵浦红、绿和蓝色三种颜色荧光粉而产生白光，它可以解决显色指数低的问题，但是它的光转换效率低，而且紫外光对封装的有机材料会造成损害，所以目前还不成熟。以上三种方法都会给LED中下游生产的封装和应用带来额外的制作工序和成本代价，此外，第二种和第三种方法在LED的封装过程中都必须要额外加一道荧光粉的涂覆工序，从而增加成本；并且，荧光粉的涂覆工艺不易控制，容易出现发光颜色不正，颜色不均匀的现象；而且，由于受到LED芯片发热的影响，荧光粉会出现性能退化，致使白光LED的发光效率、光色质量和显色指数都会下降。
亮度指标一直是制约LED广泛应用的瓶颈。虽然目前商品化的白色LED器件发光效率已达到白炽灯的水平，实验室的发光效率达到了120流明/瓦，但是一般来说，每颗LED的发光通量仅在0.5～2流明之间(而一支普通蜡烛的发光通量可达到十几流明)，因而必须发展功率型的LED才能满足半导体照明市场的要求。目前的半导体白光源大多是以氮化镓(GaN)蓝、绿光LED为基础。参见图1，它是现有GaN蓝、绿光LED的一种具有代表性的结构示意图。它以绝缘的蓝宝石1为衬底，其P型接触电极7和N型接触电极8都是做在外延表面的同一侧，在衬底1上依次外延生长GaN或氮化铝(AlN)缓冲层2、N型GaN层3、有源层4、P型GaN层5。为了改善电流注入的均匀性，在P型GaN层5的上面还有电流扩展层6。光主要从上表面出射，序号9和10代表光出射方向。这种结构有以下缺点(1)由于P型接触电极7和键合引线对光有吸收和遮挡作用，而且接触电极7的尺寸一般占芯片总尺寸的30-40％，这使得上表面出射光有相当大的一部分被浪费了。(2)电流扩展层6对光的吸收作用也降低了取光效率。由于P型GaN层5的电导率较低，为满足电流扩展的要求，一般在外延层表面再覆盖一层电流扩展层6。为了使光吸收最小，其厚度必须尽量小。但是从满足电流扩展的要求来看，其厚度又应该大一些，否则不利于LED的电学甚至热学性能。这样在透光率和扩展电阻率二者之间必须折衷考虑，折衷的结果必定使光电转换效率的提高受到限制。(3)LED由于是自发发射，而且内部无光波导结构对光子进行导引和限制作用，使得光子向各个方向都有出射，常规LED的上表面出光为主型使得从衬底1方向出射的光子被白白浪费掉了。(4)光子是在有源区4中产生的，它必须通过掺杂的P型GaN层5才能从上表面出射，而掺杂的GaN层5也对光子具有吸收作用。上述种种因素使得LED的发光效率低下，所以一般单个LED的发光通量只有几个流明甚至更低，光功率才几个毫瓦，还不能满足半导体照明市场的要求。
总之，上述白光LED在结构、封装方面存在的缺陷，使得其亮度不够高，发光效率和发光功率小，制作工艺复杂，从而影响其在照明市场的广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，该芯片不仅可以直接出射白光，还具有高亮度大功率的特点，更加符合半导体照明市场的应用要求。
本发明所采用的技术方案是设有至少两个发射不同主波长光的有源区，每一个有源区具有各自的光波导限制层；两种或者多种主波长不同的光谱混合在一起产生白光；其两侧的解理腔面都镀有反射膜，形成光子谐振腔；光出射方向为全侧面出光，上述结构适合GaN基或ZeSe基的LED，或者其它材料的LED；其衬底是蓝宝石衬底，或SiC衬底，或者别的衬底材料。
本发明与现有技术相比具有以下主要优点其一可以给LED下游封装和应用领域简化工序和成本，也不再存在荧光粉涂覆不好或者荧光粉性能退化所造成的问题，是产生白光LED的一种最直接方法。
其二.将传统的上表面出光为主型改变为全侧面出光型，同时在器件内部引进光波导和光放大机制，不仅极大地减少了光损耗，有利于电流扩展、降低串联电阻，而且光波导和光放大机构的引入可以大幅提高发光效率和发光通量，光子再吸收问题也得以解决。
其三.解决了一般的GaN LED在大芯片大电流和高发光效率两项指标上，所面临的两者不可兼得的境况，可以在实现大芯片大电流工作的时候，同时具备高发光效率，从而满足半导体照明市场的要求。
其四.结构简单，便于加工，利于推广应用。
图1是现有GaN蓝、绿光LED的一种具有代表性的结构示意图。
图2是本发明的白光LED的一种结构示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
本发明是一种直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其有至少两个发射不同主波长光的有源区，每一个有源区具有各自的光波导限制层；两种或者多种主波长不同的光谱混合在一起产生白光；其两侧的解理腔面都镀有反射膜，形成光子谐振腔；光出射方向为全侧面出光。此种结构适合氮化镓(GaN)基或硒化锌(ZeSe)基的LED，或者其它材料的LED；其衬底是蓝宝石衬底，或碳化硅(SiC)衬底，或者别的衬底材料。
具体实例结构如图2所示自下往上依次是N型接触电极23、衬底11、缓冲层12、N型包层13、第一个下限制波导层14、第一个有源区15、第一个上限制波导层16、第二个下限制波导层17、第二个有源区18、第二个上限制波导层19、P型包层20、电流扩展层21和P型接触电极22；在其左右解理腔面上分别镀有反射膜24、反射膜25，它们形成光子的谐振腔。
所述有源区可以是体材料结构，或量子阱结构。当有源区为两个时，其发射光谱的主波长是两个互为补色的波长；当有源区为两个以上时，其发射光谱的主波长是两个以上的波长，它们混合成为白光。光出射方向可以从一个解理腔面出射，或从两个解理腔面出射。反射膜24具有高反射率的增反膜，也可以是反射率较低的反射膜。
本发明的优点可以结合图2来进一步说明(一)有效地减少了光吸收。两对光波导层(14和16，17和19)对光子具有限制和导引作用，将光子分别有效地限制在有源区15和18中，光子不再进入对光有较大吸收作用的P型和N型包层20和13中；光出射为全侧面出光型，电流扩展层21和接触电极层22以及键合引线对光子的吸收问题将不复存在，解决了电流扩展层21在电学和光学特性上所面临的折衷问题。也不再存在前面所述的衬底出光被白白浪费的问题了。
(二)光波导和光放大机构的引入可以大幅提高发光效率和发光通量。反射膜24和25的作用是形成谐振腔，具有光放大的作用，量子效率和光功率将因此大幅提高。其中24是具有高反射率的增反膜，而反射膜25是具有低反射率的反射膜。合理设计两端面的反射率，可以使得光子绝大多数从图2所示中的右边解理腔面出射。如果反射膜24的反射率也较低，则光出射方向从两个解理腔面出射。光波导和光放大机构的引入解决了一般的GaN LED在大芯片大电流和高发光效率两项指标上，所面临的两者不可兼得的境况，可以在实现大芯片大电流工作的时候、同时具备高发光效率。
(三)可以直接出射白光。在本发明中，芯片具有两个发射不同波长的有源区15和18以及各自的光波导限制层14和16，17和19。有源区15发射光谱的主波长为λ1，有源区18发射光谱的主波长为λ2。λ1和λ2分别为430nm和540nm左右。两种主波长不同的光谱混合在一起产生白光。由于两有源区产生的光子被各自的波导层很好地限制住了，光子不会跑到别的材料中，而只是在各自的有源区中被放大，出射之后再叠加混合形成白光。因而不会出现光子再吸收问题。光子再吸收是指高能量(即短波长)的光子在低能隙的半导体材料中被吸收的效应，它会降低整个LED的效率，影响光色质量。直接出射白光的LED，可以给LED下游封装和应用领域简化工序和成本，不再存在荧光粉涂覆不好或者荧光粉性能退化所造成的问题，是产生白光LED的一种最直接方法，结构和工艺简单，光子再吸收问题得以解决。
权利要求
1.一种直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于设有至少两个发射不同主波长光的有源区，每一个有源区具有各自的光波导限制层；两种或者多种主波长不同的光谱混合在一起产生白光；其两侧的解理腔面都镀有反射膜，形成光子谐振腔；光出射方向为全侧面出光，上述结构适合氮化镓(GaN)基或硒化锌(ZeSe)基的LED，或者其它材料的LED；其衬底是蓝宝石衬底，或碳化硅(SiC)衬底，或者别的衬底材料。
2.根据权利要求1所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于有源区为两个时，其发射光谱的主波长是两个互为补色的波长。
3.根据权利要求1所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于有源区为两个以上时，其发射光谱的主波长是两个以上的波长，它们混合成为白光。
4.根据权利要求1所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于自下往上依次是N型接触电极(23)、衬底(11)、缓冲层(12)、N型包层(13)、第一个下限制波导层(14)、第一个有源区(15)、第一个上限制波导层(16)、第二个下限制波导层(17)、第二个有源区(18)、第二个上限制波导层(19)、P型包层(20)、电流扩展层(21)和P型接触电极(22)；在其左右解理腔面上分别镀有反射膜(24)、反射膜(25)，它们形成光子的谐振腔。
5.根据权利要求4所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于有源区(15)、(18)是体材料结构，或量子阱结构。
6.根据权利要求4所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于反射膜(24)是具有高反射率的增反膜，或具有反射率较低的反射膜。
7.根据权利要求4所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于从一个解理腔面出射光，或从两个解理腔面出射光。
全文摘要
本发明是一种直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其结构是设有至少两个发射不同主波长光的有源区，每一个有源区具有各自的光波导限制层；两种或者多种主波长不同的光谱混合在一起产生白光；其两侧的解理腔面都镀有反射膜，形成光子谐振腔；光出射方向为全侧面出光，此种结构适合GaN基或ZeSe基的LED，或者其它材料的LED；其衬底是蓝宝石衬底，或SiC衬底，或者别的衬底材料。本发明克服了现有的白光LED在结构、封装方面，以及亮度不够高、发光效率和发光功率小、制作工艺复杂等方面存在的缺陷，更适合在照明市场的广泛应用。
文档编号H01L33/00GK1588656SQ200410060708
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月11日 优先权日2004年8月11日
发明者刘德明, 黄黎蓉, 刘陈, 黄德修 申请人:华中科技大学