增大led发光功率的集成方法
【专利摘要】增大LED发光功率的集成方法，在衬底上由下至上依次外延缓冲层薄膜系、n型薄膜系、多量子阱系、p型薄膜系组成传统的LED外延结构，在此之上继续外延另外的n型薄膜系、多量子阱系、p型薄膜系组成半导体光放大器。本发明还提供了在传统的LED芯片结构中沿着外延生长方向增加多节LED结构。本发明的优点是在传统的LED芯片结构生长方向上增加具有光放大增益的结构大幅增大出光效率，同时不扩大芯片的发光面积，有效提高了单个圆片的器件实际产能。在传统的LED芯片结构中沿着外延生长方向增加多节LED结构，使得LED芯片具有多级串联的效果，大幅提高了发光功率，实现了大功率的光输出，同时降低了芯片的成本。
【专利说明】增大LED发光功率的集成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体光电子【技术领域】，涉及一种发光二极管，特别涉及高效率高亮度发光二极管的器件结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(LED)是一种能够将电能转化为光的固态半导体器件。与传统的光源，如白炽灯和节能灯相比，发光二极管具有寿命长、光效高、显色性好、稳定性高、无辐射、低功耗、抗震、无污染等诸多优点，被称为21世纪最有发展前景的绿色照明光源。
[0003]随着照明市场需求的发展，发光二极管必须朝着低成本、高亮度方向发展。对于增大发光亮度方向，目前主流的有两种解决方案，一种是增大正向电流，提高发光亮度，但目前的发光二极管器件结构在大电流注入的情况下，存在量子效率大幅降低的难题。第二种是增大正向电压，也即是高压发光二极管，通过阵列结构使得器件工作在较低的电流下，对于器件寿命、电光效率均有一定的提升。然而，以上两种解决方法均需要增大发光二极管的芯片面积，使得单个圆片上器件数量大幅减少。这有悖于发光二极管朝着低成本的方向发展。因此如何尽量不扩大芯片发光面积，同时又能较大幅度提高芯片发光效率，目前是一个难题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对已有技术的问题，提供一种高发光效率的发光二极管芯片结构和增大LED发光功率的方法，在传统的LED芯片结构生长方向上增加具有光放大增益的结构大幅增大出光效率，同时不扩大芯片的发光面积，有效提高了单个圆片的器件实际产能。本发明的还提供了在传统的LED芯片结构中沿着外延生长方向增加多节LED结构，使得LED芯片具有多级串联的效果，使发光功率大幅提闻。
[0005]本发明的技术方案为:在金属有机物化学气相沉积、分子束外延和氢化物气相外延设备上生长LED外延薄膜，制备的方法为:在衬底上由下至上依次外延缓冲层薄膜系、η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成基本的LED外延结构，在基本的LED外延结构之上继续外延η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成半导体光放大器。其增大LED发光功率的基本原理为，LED基本结构中的多量子阱发出的光经过半导体光放大器，通过受激辐射实现放大，从而增大LED的发光功率。另外本发明还提供了在传统的LED芯片结构中沿着外延生长方向增加多节LED结构:将LED外延薄膜拓展为多级LED串联结构，在衬底之上的外延缓冲层薄膜系、η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成第一级基本发光单元，在第一级之上的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成第二级发光单元，在第二级之上外延的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成第三级发光单元，在第三级发光单元之上外延的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成第四级发光单元，第二级、三级、四级发光单元还可以设计为半导体光放大器，比如第三级可以设计为第一级半导体光放大器，第四级单元可以设计为第二级半导体光放大器。其增大LED发光功率的基本原理为，第一级发光和第二级发光发出的光，经过第一级半导体光放大器和第二级半导体光放大器，通过受激辐射实现放大，从而大幅度增大LED的发光效率。
[0006]本发明的优点是在传统的LED芯片结构生长方向上增加具有光放大增益的结构大幅增大出光效率，同时不扩大芯片的发光面积，有效提高了单个圆片的器件实际产能。在传统的LED芯片结构中沿着外延生长方向增加多节LED结构，使得LED芯片具有多级串联的效果，使发光功率大幅提高。本发明专利解决了 LED中量子效率低的瓶颈，提高了 LED的发光效率，实现了大功率的光输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1应用本发明增大LED发光功率的集成方法的LED外延结构示意图；
[0008]图2本发明在传统的LED芯片结构中沿着外延生长方向增加多节LED结构示意图；
[0009]图3将本发明实施在蓝光氮化镓基LED外延的结构示意图；
图4在砷化镓衬底上生长多级红光砷化镓基LED外延薄膜的结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图进一步说明本发明的实施例:
[0011]实施例一、二是本发明的LED芯片结构的两种通用的实施例。实施例三、四中是本发明在具体的外延材料上的应用。
[0012]实施例一
[0013]在金属有机物化学气相沉积、分子束外延和氢化物气相外延设备上生长LED外延薄膜，参见图1，在衬底101上由下至上依次外延缓冲层薄膜系102、n型薄膜系103、多量子阱系104、P型薄膜系105组成基本的LED外延结构，在基本的LED外延结构之上继续外延η型薄膜系106、多量子阱系107、P型薄膜系108组成半导体光放大器109。LED外延薄膜中的所述各种薄膜系为单层膜或多层掺杂膜或异质结膜层。
[0014]级联之间膜系如P型薄膜系105与η型薄膜系106可以为了减低电压降、改善载流子的有效注入与外延的材料匹配，采用同类梯度掺杂或异质结的掺杂结构。
[0015]η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系的材料组成根据LED的发光波长为:磷化铟或砷化镓或氮化镓，或相关的三元或多元化合物，掺杂源是硅、镁、锌。
[0016]实施例二
[0017]将LED外延薄膜拓展为多级LED串联结构。在传统的LED芯片结构中沿着外延生长方向增加多节LED结构，如图2所示在衬底201上由下至上依次外延缓冲层薄膜系202、η型薄膜系203、多量子阱系204、ρ型薄膜系205、η型薄膜系206、多量子阱系207、ρ型薄膜系208、η型薄膜系209、多量子阱系210、ρ型薄膜系211、η型薄膜系212、多量子阱系213、P型薄膜系214，其中η型薄膜系203、多量子阱系204、ρ型薄膜系205组成第一级发光单元216，在第一级发光单元216之上的η型薄膜系206、多量子阱系207、ρ型薄膜系208组成第二级发光单元217，在第二级发光单元217之上外延的η型薄膜系209、多量子阱系210、P型薄膜系211组成第三级发光单元，在第三级发光单元之上外延的η型薄膜系212、多量子阱系213、ρ型薄膜系214组成第四级发光单元，其中第三级发光单元、第四级发光单元可以设计为半导体光放大器，第三级发光单元为第一级半导体光放大器218;第四级发光单元为第二级半导体光放大器219。其增大LED发光功率的基本原理为，第一级发光216和第二级发光217发出的光，经过第一级半导体光放大器218和第二级半导体光放大器219，通过受激辐射实现放大，从而大幅度增大LED的发光效率。
[0018]级联之间膜系如P型薄膜系205与η型薄膜系206、ρ型薄膜系208与η型薄膜系209、P型薄膜系211与η型薄膜系212可以为了减低电压降、改善载流子的有效注入与外延的材料匹配，采用同类梯度掺杂或异质结的掺杂结构。
[0019]实施例三
[0020]实施例三与实施例一相同，所不同的是如图3所示，本实施例的蓝宝石衬底上生长蓝光氮化镓基LED外延薄膜，在蓝宝石301上由下至上依次外延uGaN302、nGaN303、InGaN基 MQWs304、pGaN305、nGaN306、InGaN 基 MQWs307、pGaN308。其中 nGaN306、MQffs307 和pGaN308组成半导体光放大器。其增大LED发光功率的基本原理为，InGaN基MQWs304发出的光经过半导体光放大器，通过受激辐射实现放大，从而增大LED的发光功率。
[0021]实施例四
[0022]实施例四与实施例二相同，所不同的是如图4所示，本实施例的砷化镓衬底上生长多级红光砷化镓基LED外延薄膜，在GaAs401上由下至上依次外延GaAs402、nGaAs 403、GaAs基 MQWs404、pGaAs 405、nGaAs 406、GaAs基 MQWs 407、pGaAs 408、nGaAs 409、GaAs基MQffs 410、pGaAs 411、nGaAs 412、GaAs 基 MQWs 413、pGaAs 414，其中 nGaAs 403、GaAs 基MQWs404、pGaAs 405 组成第一级发光 416，nGaAs 406、GaAs 基 MQWs 407、pGaAs 408 组成第二级发光417，nGaAs 409、GaAs基MQWs 410、pGaAs 411组成第一级半导体光放大器418，nGaAs 412、GaAs基MQWs 413、pGaAs 414组成第二级半导体光放大器419。其增大LED发光功率的基本原理为，第一级发光416和第二级发光417发出的光，经过第一级半导体光放大器418和第二级半导体光放大器419，通过受激辐射实现放大，从而大幅度增大LED的发光效率。参见图4。
【权利要求】
1.一种增大LED发光功率的集成方法，其特征在于在金属有机物化学气相沉积、分子束外延和氢化物气相外延设备上生长LED外延薄膜，集成方法为:在衬底上由下至上依次外延缓冲层薄膜系、η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成基本的LED外延结构，在基本的LED外延结构之上继续外延η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成半导体光放大器。
2.根据权利要求1所述的增大LED发光功率的集成方法，其特征在于LED外延薄膜中的所述各种薄膜系为单层膜或多层掺杂膜或异质结膜层。
3.根据权利要求1所述的增大LED发光功率的集成方法，其特征在于在传统的LED芯片结构生长方向上增加具有光放大增益的半导体光放大器。
4.根据权利要求1所述的增大LED发光功率的集成方法，其特征在于所述η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系的材料组成根据LED的发光波长为:磷化铟或砷化镓或氮化镓，或相关的三元或多元化合物，掺杂源是硅、镁、锌。
5.根据权利要求1所述的增大LED发光功率的集成方法，其特征在于将LED外延薄膜拓展为多级LED串联结构，在衬底之上的外延缓冲层薄膜系、η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成第一级基本发光单元，在第一级之上的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成第二级发光单元，在第二级之上外延的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成第三级发光单元，在第三级发光单元之上外延的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系组成第四级发光单元，第二级、三级、四级发光单元还可以设计为半导体光放大器。
6.根据权利要求1所述的增大LED发光功率的集成方法，其特征在于级联之间膜系P型薄膜系与η型薄膜系还可以采用同类梯度掺杂或异质结的掺杂结构。
【文档编号】H01L33/00GK103779450SQ201210396163
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月17日 优先权日:2012年10月17日
【发明者】甘志银, 严晗 申请人:甘志银