專利名稱：混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及照明領(lǐng)域，特別是一種混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源及其制作方法。
背景技術(shù)：
基于半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的半導(dǎo)體白光源具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，有望成為繼白熾燈，熒光燈之后的新一代電光源。目前，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體白光源主要采用以下三種方法第一種方法是采用紅、綠、藍(lán)色三種LED的組合，第二種方法是用藍(lán)光LED去激發(fā)可發(fā)出黃色光的熒光粉，第三種方法是用紫外LED去泵浦紅、綠和藍(lán)色三種顏色的熒光粉。以上三種方法都會(huì)給LED中下游生產(chǎn)的封裝和應(yīng)用帶來(lái)額外的制作工序和成本代價(jià)。第一種方法必須要有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路以及反饋控制系統(tǒng)。第二種和第三種方法在LED的封裝過(guò)程中都必須增加一道熒光粉涂覆工序；并且熒光粉的涂覆工藝不易控制，熒光粉性能易退化，致使白光LED的發(fā)光效率、光色質(zhì)量和顯色指數(shù)都會(huì)下降。除此之外，亮度指標(biāo)一直是制約LED用于照明市場(chǎng)的瓶頸。由于目前LED的發(fā)光效率還不是很高，每顆LED的發(fā)光通量?jī)H在幾個(gè)流明之內(nèi)。因而必須大力發(fā)展高亮度功率型的LED才能滿足半導(dǎo)體照明市場(chǎng)的要求?？傊?，上述半導(dǎo)體白光源在封裝、性能和成本方面均存在缺陷，并且還由于存在亮度不夠高、發(fā)光通量小等缺點(diǎn)，從而影響其廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源，以克服現(xiàn)有技術(shù)不足。并且，還提供一種便于制作該光源的方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是其由至少兩個(gè)發(fā)不同顏色的、側(cè)面出光的、相互粘結(jié)在一起的發(fā)光單元構(gòu)成，它們?cè)陔妼W(xué)上互成串聯(lián)關(guān)系，不同顏色的光從各個(gè)發(fā)光單元出射之后混合成為白光。每一個(gè)發(fā)光單元為多層結(jié)構(gòu)，自下往上依次是第一電極層、外延生長(zhǎng)緩沖層和第一包層、下限制波導(dǎo)層、有源區(qū)、上限制波導(dǎo)層、第二包層、第二電極層；在其左右解理腔面上分別鍍有反射膜，它們形成光子的諧振腔。
所提供的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源的制作方法，包括如下步驟先在襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層和第一包層、下限制波導(dǎo)層、有源區(qū)、上限制波導(dǎo)層、第二包層，然后制作第二電極層；將襯底去掉之后，制作第一電極層；將外延片進(jìn)行解理，在其兩個(gè)解理腔面上分別鍍制反射膜之后，切割制作出一個(gè)發(fā)光單元；依上方法，分別制作出至少兩個(gè)發(fā)不同顏色光的發(fā)光單元，它們發(fā)出的光混合成為白光；用散熱性好的導(dǎo)電膠將發(fā)不同顏色光的發(fā)光單元相互粘結(jié)，形成電學(xué)上的互為串聯(lián)關(guān)系。
本發(fā)明提供的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
其一由于諧振腔對(duì)光子具有導(dǎo)引作用和放大作用，大幅提高了發(fā)光效率和發(fā)光通量。
其二.由于將光出射面由一般的上表面出光為主型變?yōu)槿珎?cè)面出光型，致使電極層對(duì)光的吸收作用以及鍵合引線對(duì)光的阻擋問(wèn)題不復(fù)存在，有利于提高發(fā)光通量。并且，采用從側(cè)面出光的方案，可使不同顏色的光只有在出射之后才進(jìn)行混合，而不會(huì)出現(xiàn)光子進(jìn)入別的發(fā)光單元中而被吸收的情況。
其三.上、下限制波導(dǎo)層將光子有效地限制在有源區(qū)中，光子不再進(jìn)入對(duì)光有較大吸收作用的P型包層和N型包層中。
其四.三個(gè)發(fā)光單元在電學(xué)上互為串聯(lián)關(guān)系，這樣半導(dǎo)體光源在應(yīng)用時(shí)，其控制電路簡(jiǎn)單。每一種顏色光的發(fā)光亮度和發(fā)光通量由其解理腔面上鍍制的兩反射膜的反射率大小決定。通過(guò)合適的反射膜鍍制可以得到具有恰當(dāng)光通量比例的不同顏色的光，從而得到光色質(zhì)量好的白光。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2、圖3、圖4和圖5是以圖1中發(fā)光單元1為例，說(shuō)明發(fā)光單元的制作過(guò)程和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
一.混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源其結(jié)構(gòu)是由至少兩個(gè)發(fā)不同顏色的、側(cè)面出光的、相互粘結(jié)在一起的發(fā)光單元構(gòu)成，它們?cè)陔妼W(xué)上互成串聯(lián)關(guān)系，不同顏色的光從各個(gè)發(fā)光單元出射之后混合成為白光。如圖5所示，每一個(gè)發(fā)光單元為多層結(jié)構(gòu)，自下往上依次是第一電極層16、緩沖層和第一包層10、下限制波導(dǎo)層11、有源區(qū)12、上限制波導(dǎo)層13、第二包層14、第二電極層15，在其左右解理腔面上分別鍍有反射膜17、18，它們形成光子的諧振腔。
上述發(fā)光單元可以有兩個(gè)，即有藍(lán)光發(fā)光單元和黃光發(fā)光單元，或者其它兩種不同發(fā)光單元，它們通過(guò)散熱性好的導(dǎo)電膠相互粘結(jié)在一起，并且發(fā)出的光混合成為白光。
發(fā)光單元也可以有紅色發(fā)光單元1、綠色發(fā)光單元2、藍(lán)色發(fā)光單元3(見(jiàn)圖1)，或者其它三種或更多種的發(fā)光顏色不同的發(fā)光單元，它們通過(guò)散熱性好的導(dǎo)電膠相互粘結(jié)在一起，并且它們發(fā)出的紅色光6、綠色光7、藍(lán)色光8混合成為白光。
紅色發(fā)光單元1可以是以砷化鎵(GaAs)為襯底，鋁鎵銦磷(AlGaInP)為有源區(qū)制作的，也可以是用別的半導(dǎo)體材料制作而成的。綠色發(fā)光單元2可以是以GaAs為襯底，磷化鎵(GaP)為有源區(qū)制作的，也可以是用別的半導(dǎo)體材料制作而成的，比如用碳化硅(SiC)或者藍(lán)寶石為襯底，銦鎵氮(InGaN)為有源區(qū)制作的。同理，藍(lán)色發(fā)光單元3可以是以SiC或者藍(lán)寶石為襯底，InGaN為有源區(qū)制作的，也可以是用別的半導(dǎo)體材料制作而成的。如果發(fā)光單元的襯底是導(dǎo)電性好的半導(dǎo)體材料，比如GaAs、SiC等材料，則發(fā)光單元結(jié)構(gòu)中也可以包括襯底層9，它位于第一電極層16與緩沖層和第一包層10之間。
上、下限制波導(dǎo)層11和13，它們對(duì)光子具有限制作用，將光子有效地限制在有源區(qū)12中，光子不再進(jìn)入對(duì)光有較大吸收作用的第二包層10和第一包層14。反射膜17和18形成光子的諧振腔，對(duì)光子具有導(dǎo)引作用和放大作用，光出射面由一般的上表面出光為主型變?yōu)槿珎?cè)面出光型。光放大作用大幅提高了量子效率，光導(dǎo)引作用則提高了出光效率，從而使得發(fā)光單元的發(fā)光效率和發(fā)光通量得到大幅提高。光出射面由一般的上表面出光為主型變?yōu)槿珎?cè)面出光型，第二電極層15或第一電極層16對(duì)光的吸收作用以及鍵合引線對(duì)光的阻擋問(wèn)題將不復(fù)存在，也有利于提高發(fā)光通量。
二.混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源的制作方法包括如下步驟a.如圖2所示先在襯底9上依次外延生長(zhǎng)緩沖層和第一包層10、下限制波導(dǎo)層11、有源區(qū)12、上限制波導(dǎo)層13、第二包層14，然后制作第二電極層15。
b.將襯底9去掉之后(見(jiàn)圖3)，制作第一電極層16(見(jiàn)圖4)。
c.將外延片進(jìn)行解理，在其兩個(gè)解理腔面上分別鍍制反射膜17、18之后，切割制作出一個(gè)發(fā)光單元(見(jiàn)圖5)。反射膜可以是具有高反射率的增反膜，也可以是反射率較低的反射膜。光出射方向可以是從一個(gè)解理腔面出射，也可以是從兩個(gè)解理腔面出射。
d.依上方法，分別制作出至少兩個(gè)發(fā)不同顏色光的發(fā)光單元，它們發(fā)出的光混合成為白光。
e.用散熱性好的導(dǎo)電膠將發(fā)不同顏色光的發(fā)光單元相互粘結(jié)，形成電學(xué)上的互為串聯(lián)關(guān)系，通過(guò)電極引線4和5為它們提供電流。至此，制成如圖1所示的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源產(chǎn)品。
如果發(fā)光單元的襯底是導(dǎo)電性能好的半導(dǎo)體材料，比如對(duì)于以砷化鎵(GaAs)襯底的紅色發(fā)光單元，以碳化硅(SiC)為襯底的藍(lán)色、綠色發(fā)光單元，那么也可以保留其襯底，而不用將襯底去掉，這樣可以節(jié)省一道制作工序。如果發(fā)光單元是以絕緣材料為襯底的話，比如以藍(lán)寶石為襯底的藍(lán)光、綠光發(fā)光單元，則一定要將絕緣的藍(lán)寶石襯底去掉。
下面結(jié)合圖1敘述本發(fā)明的工作過(guò)程在圖1所示的混合集成半導(dǎo)體白光源中，發(fā)光單元1、2和3分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)顏色的光；由于在每一個(gè)發(fā)光單元中，有源區(qū)的兩邊都有上、下限制波導(dǎo)層，解理腔面上鍍有反射膜以形成光子的諧振腔，光子受到限制和導(dǎo)引作用，只能從側(cè)面出光。這樣紅、綠、藍(lán)顏色的光只有在出射之后才進(jìn)行混合，而不會(huì)出現(xiàn)光子進(jìn)入別的發(fā)光單元中而被吸收的情況。三個(gè)發(fā)光單元在電學(xué)上互為串聯(lián)關(guān)系，這樣半導(dǎo)體光源在應(yīng)用時(shí)，其控制電路簡(jiǎn)單，而不是象通常那樣的由紅色LED、藍(lán)色LED和綠色LED組成白光源那樣，驅(qū)動(dòng)電路和控制反饋系統(tǒng)十分復(fù)雜的情況。每一種顏色光的發(fā)光亮度和發(fā)光通量由其解理腔面上鍍制的兩反射膜的反射率大小決定，通過(guò)合適的反射膜鍍制可以得到具有恰當(dāng)光通量比例的紅、綠、藍(lán)三顏色光，從而得到光色質(zhì)量好的白光。
權(quán)利要求
1.一種混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源，其特征在于由至少兩個(gè)發(fā)不同顏色的、側(cè)面出光的、相互粘結(jié)在一起的發(fā)光單元構(gòu)成，它們?cè)陔妼W(xué)上互成串聯(lián)關(guān)系，不同顏色的光從各個(gè)發(fā)光單元出射之后混合成為白光；每一個(gè)發(fā)光單元為多層結(jié)構(gòu)，自下往上依次是第一電極層(16)、緩沖層和第一包層(10)、下限制波導(dǎo)層(11)、有源區(qū)(12)、上限制波導(dǎo)層(13)、第二包層(14)、第二電極層(15)，在其左右解理腔面上分別鍍有反射膜(17)、(18)，它們形成光子的諧振腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源，其特征在于發(fā)光單元為多層結(jié)構(gòu)，在第一電極層(16)和緩沖層和第一包層(10)之間，可以進(jìn)一步包含襯底層(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源，其特征在于發(fā)光單元有兩個(gè)，即有藍(lán)光發(fā)光單元和黃光發(fā)光單元，或者其它兩種不同發(fā)光單元，它們通過(guò)散熱性好的導(dǎo)電膠相互粘結(jié)在一起，并且發(fā)出的光混合成為白光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源，其特征在于發(fā)光單元有紅色發(fā)光單元(1)、綠色發(fā)光單元(2)、藍(lán)色發(fā)光單元(3)，或者其它三種或更多種的發(fā)光顏色不同的發(fā)光單元，它們發(fā)出的光混合成為白光，并且它們通過(guò)散熱性好的導(dǎo)電膠相互粘結(jié)在一起。
5.一種混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源的制作方法，其特征是包括如下步驟a.先在襯底(9)上依次外延生長(zhǎng)緩沖層和第一包層(10)、下限制波導(dǎo)層(11)、有源區(qū)(12)、上限制波導(dǎo)層(13)、第二包層(14)，然后制作第二電極層(15)，b.將襯底(9)去掉之后，制作第一電極層(16)，c.將外延片進(jìn)行解理，在其兩個(gè)解理腔面上分別鍍制反射膜(17)、(18)之后，切割制作出一個(gè)發(fā)光單元，d.依上方法，分別制作出至少兩個(gè)發(fā)不同顏色光的發(fā)光單元，它們發(fā)出的光混合成為白光，e.用散熱性好的導(dǎo)電膠將發(fā)不同顏色光的發(fā)光單元相互粘結(jié)，形成電學(xué)上的互為串聯(lián)關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源的制作方法，其特征在于在步驟b中，可以在保留襯底(9)的基礎(chǔ)上，制作第一電極層(16)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源的制作方法，其特征在于反射膜是具有高反射率的增反膜，或者是反射率較低的反射膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源的制作方法，其特征在于從一個(gè)解理腔面出射光，或者從兩個(gè)解理腔面出射光。
全文摘要
本發(fā)明是一種混合集成的高亮度半導(dǎo)體白光源，其由至少兩個(gè)發(fā)不同顏色的、側(cè)面出光的、相互粘結(jié)在一起的發(fā)光單元構(gòu)成，它們?cè)陔妼W(xué)上互成串聯(lián)關(guān)系，不同顏色的光從各個(gè)發(fā)光單元出射之后混合成為白光；每一個(gè)發(fā)光單元為多層結(jié)構(gòu)，包括第一電極層(16)、緩沖層和第一包層(10)、下限制波導(dǎo)層(11)、有源區(qū)(12)、上限制波導(dǎo)層(13)、第二包層(14)、第二電極層(15)，在其左右解理腔面上分別鍍有反射膜(17)、(18)，它們形成光子的諧振腔。其制作方法是在發(fā)光單元的解理腔面上鍍制反射膜，形成光子諧振腔之后，將至少兩個(gè)發(fā)不同顏色的、側(cè)面出光的發(fā)光單元用導(dǎo)電膠相互粘結(jié)，使它們?cè)陔妼W(xué)上互為串聯(lián)關(guān)系。
文檔編號(hào)H01L27/15GK1588655SQ20041006070
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者劉德明, 黃黎蓉, 劉陳 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)