增大led發(fā)光功率的集成方法
【專利摘要】增大LED發(fā)光功率的集成方法，在襯底上由下至上依次外延緩沖層薄膜系、n型薄膜系、多量子阱系、p型薄膜系組成傳統(tǒng)的LED外延結(jié)構(gòu)，在此之上繼續(xù)外延另外的n型薄膜系、多量子阱系、p型薄膜系組成半導(dǎo)體光放大器。本發(fā)明還提供了在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)中沿著外延生長(zhǎng)方向增加多節(jié)LED結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方向上增加具有光放大增益的結(jié)構(gòu)大幅增大出光效率，同時(shí)不擴(kuò)大芯片的發(fā)光面積，有效提高了單個(gè)圓片的器件實(shí)際產(chǎn)能。在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)中沿著外延生長(zhǎng)方向增加多節(jié)LED結(jié)構(gòu)，使得LED芯片具有多級(jí)串聯(lián)的效果，大幅提高了發(fā)光功率，實(shí)現(xiàn)了大功率的光輸出，同時(shí)降低了芯片的成本。
【專利說(shuō)明】增大LED發(fā)光功率的集成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種發(fā)光二極管，特別涉及高效率高亮度發(fā)光二極管的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光的固態(tài)半導(dǎo)體器件。與傳統(tǒng)的光源，如白熾燈和節(jié)能燈相比，發(fā)光二極管具有壽命長(zhǎng)、光效高、顯色性好、穩(wěn)定性高、無(wú)輻射、低功耗、抗震、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，被稱為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色照明光源。
[0003]隨著照明市場(chǎng)需求的發(fā)展，發(fā)光二極管必須朝著低成本、高亮度方向發(fā)展。對(duì)于增大發(fā)光亮度方向，目前主流的有兩種解決方案，一種是增大正向電流，提高發(fā)光亮度，但目前的發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)在大電流注入的情況下，存在量子效率大幅降低的難題。第二種是增大正向電壓，也即是高壓發(fā)光二極管，通過(guò)陣列結(jié)構(gòu)使得器件工作在較低的電流下，對(duì)于器件壽命、電光效率均有一定的提升。然而，以上兩種解決方法均需要增大發(fā)光二極管的芯片面積，使得單個(gè)圓片上器件數(shù)量大幅減少。這有悖于發(fā)光二極管朝著低成本的方向發(fā)展。因此如何盡量不擴(kuò)大芯片發(fā)光面積，同時(shí)又能較大幅度提高芯片發(fā)光效率，目前是一個(gè)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)的問(wèn)題，提供一種高發(fā)光效率的發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)和增大LED發(fā)光功率的方法，在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方向上增加具有光放大增益的結(jié)構(gòu)大幅增大出光效率，同時(shí)不擴(kuò)大芯片的發(fā)光面積，有效提高了單個(gè)圓片的器件實(shí)際產(chǎn)能。本發(fā)明的還提供了在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)中沿著外延生長(zhǎng)方向增加多節(jié)LED結(jié)構(gòu)，使得LED芯片具有多級(jí)串聯(lián)的效果，使發(fā)光功率大幅提聞。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:在金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積、分子束外延和氫化物氣相外延設(shè)備上生長(zhǎng)LED外延薄膜，制備的方法為:在襯底上由下至上依次外延緩沖層薄膜系、η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成基本的LED外延結(jié)構(gòu)，在基本的LED外延結(jié)構(gòu)之上繼續(xù)外延η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成半導(dǎo)體光放大器。其增大LED發(fā)光功率的基本原理為，LED基本結(jié)構(gòu)中的多量子阱發(fā)出的光經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體光放大器，通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)放大，從而增大LED的發(fā)光功率。另外本發(fā)明還提供了在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)中沿著外延生長(zhǎng)方向增加多節(jié)LED結(jié)構(gòu):將LED外延薄膜拓展為多級(jí)LED串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在襯底之上的外延緩沖層薄膜系、η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成第一級(jí)基本發(fā)光單元，在第一級(jí)之上的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成第二級(jí)發(fā)光單元，在第二級(jí)之上外延的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成第三級(jí)發(fā)光單元，在第三級(jí)發(fā)光單元之上外延的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成第四級(jí)發(fā)光單元，第二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)發(fā)光單元還可以設(shè)計(jì)為半導(dǎo)體光放大器，比如第三級(jí)可以設(shè)計(jì)為第一級(jí)半導(dǎo)體光放大器，第四級(jí)單元可以設(shè)計(jì)為第二級(jí)半導(dǎo)體光放大器。其增大LED發(fā)光功率的基本原理為，第一級(jí)發(fā)光和第二級(jí)發(fā)光發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)第一級(jí)半導(dǎo)體光放大器和第二級(jí)半導(dǎo)體光放大器，通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)放大，從而大幅度增大LED的發(fā)光效率。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方向上增加具有光放大增益的結(jié)構(gòu)大幅增大出光效率，同時(shí)不擴(kuò)大芯片的發(fā)光面積，有效提高了單個(gè)圓片的器件實(shí)際產(chǎn)能。在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)中沿著外延生長(zhǎng)方向增加多節(jié)LED結(jié)構(gòu)，使得LED芯片具有多級(jí)串聯(lián)的效果，使發(fā)光功率大幅提高。本發(fā)明專利解決了 LED中量子效率低的瓶頸，提高了 LED的發(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)了大功率的光輸出。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1應(yīng)用本發(fā)明增大LED發(fā)光功率的集成方法的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖2本發(fā)明在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)中沿著外延生長(zhǎng)方向增加多節(jié)LED結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖3將本發(fā)明實(shí)施在藍(lán)光氮化鎵基LED外延的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4在砷化鎵襯底上生長(zhǎng)多級(jí)紅光砷化鎵基LED外延薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例:
[0011]實(shí)施例一、二是本發(fā)明的LED芯片結(jié)構(gòu)的兩種通用的實(shí)施例。實(shí)施例三、四中是本發(fā)明在具體的外延材料上的應(yīng)用。
[0012]實(shí)施例一
[0013]在金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積、分子束外延和氫化物氣相外延設(shè)備上生長(zhǎng)LED外延薄膜，參見圖1，在襯底101上由下至上依次外延緩沖層薄膜系102、n型薄膜系103、多量子阱系104、P型薄膜系105組成基本的LED外延結(jié)構(gòu)，在基本的LED外延結(jié)構(gòu)之上繼續(xù)外延η型薄膜系106、多量子阱系107、P型薄膜系108組成半導(dǎo)體光放大器109。LED外延薄膜中的所述各種薄膜系為單層膜或多層摻雜膜或異質(zhì)結(jié)膜層。
[0014]級(jí)聯(lián)之間膜系如P型薄膜系105與η型薄膜系106可以為了減低電壓降、改善載流子的有效注入與外延的材料匹配，采用同類梯度摻雜或異質(zhì)結(jié)的摻雜結(jié)構(gòu)。
[0015]η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系的材料組成根據(jù)LED的發(fā)光波長(zhǎng)為:磷化銦或砷化鎵或氮化鎵，或相關(guān)的三元或多元化合物，摻雜源是硅、鎂、鋅。
[0016]實(shí)施例二
[0017]將LED外延薄膜拓展為多級(jí)LED串聯(lián)結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)中沿著外延生長(zhǎng)方向增加多節(jié)LED結(jié)構(gòu)，如圖2所示在襯底201上由下至上依次外延緩沖層薄膜系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組成第一級(jí)發(fā)光單元216，在第一級(jí)發(fā)光單元216之上的η型薄膜系206、多量子阱系207、ρ型薄膜系208組成第二級(jí)發(fā)光單元217，在第二級(jí)發(fā)光單元217之上外延的η型薄膜系209、多量子阱系210、P型薄膜系211組成第三級(jí)發(fā)光單元，在第三級(jí)發(fā)光單元之上外延的η型薄膜系212、多量子阱系213、ρ型薄膜系214組成第四級(jí)發(fā)光單元，其中第三級(jí)發(fā)光單元、第四級(jí)發(fā)光單元可以設(shè)計(jì)為半導(dǎo)體光放大器，第三級(jí)發(fā)光單元為第一級(jí)半導(dǎo)體光放大器218;第四級(jí)發(fā)光單元為第二級(jí)半導(dǎo)體光放大器219。其增大LED發(fā)光功率的基本原理為，第一級(jí)發(fā)光216和第二級(jí)發(fā)光217發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)第一級(jí)半導(dǎo)體光放大器218和第二級(jí)半導(dǎo)體光放大器219，通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)放大，從而大幅度增大LED的發(fā)光效率。
[0018]級(jí)聯(lián)之間膜系如P型薄膜系205與η型薄膜系206、ρ型薄膜系208與η型薄膜系209、P型薄膜系211與η型薄膜系212可以為了減低電壓降、改善載流子的有效注入與外延的材料匹配，采用同類梯度摻雜或異質(zhì)結(jié)的摻雜結(jié)構(gòu)。
[0019]實(shí)施例三
[0020]實(shí)施例三與實(shí)施例一相同，所不同的是如圖3所示，本實(shí)施例的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)藍(lán)光氮化鎵基LED外延薄膜，在藍(lán)寶石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組成半導(dǎo)體光放大器。其增大LED發(fā)光功率的基本原理為，InGaN基MQWs304發(fā)出的光經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體光放大器，通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)放大，從而增大LED的發(fā)光功率。
[0021]實(shí)施例四
[0022]實(shí)施例四與實(shí)施例二相同，所不同的是如圖4所示，本實(shí)施例的砷化鎵襯底上生長(zhǎng)多級(jí)紅光砷化鎵基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 組成第一級(jí)發(fā)光 416，nGaAs 406、GaAs 基 MQWs 407、pGaAs 408 組成第二級(jí)發(fā)光417，nGaAs 409、GaAs基MQWs 410、pGaAs 411組成第一級(jí)半導(dǎo)體光放大器418，nGaAs 412、GaAs基MQWs 413、pGaAs 414組成第二級(jí)半導(dǎo)體光放大器419。其增大LED發(fā)光功率的基本原理為，第一級(jí)發(fā)光416和第二級(jí)發(fā)光417發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)第一級(jí)半導(dǎo)體光放大器418和第二級(jí)半導(dǎo)體光放大器419，通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)放大，從而大幅度增大LED的發(fā)光效率。參見圖4。
【權(quán)利要求】
1.一種增大LED發(fā)光功率的集成方法，其特征在于在金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積、分子束外延和氫化物氣相外延設(shè)備上生長(zhǎng)LED外延薄膜，集成方法為:在襯底上由下至上依次外延緩沖層薄膜系、η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成基本的LED外延結(jié)構(gòu)，在基本的LED外延結(jié)構(gòu)之上繼續(xù)外延η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成半導(dǎo)體光放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增大LED發(fā)光功率的集成方法，其特征在于LED外延薄膜中的所述各種薄膜系為單層膜或多層摻雜膜或異質(zhì)結(jié)膜層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增大LED發(fā)光功率的集成方法，其特征在于在傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方向上增加具有光放大增益的半導(dǎo)體光放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增大LED發(fā)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型薄膜系的材料組成根據(jù)LED的發(fā)光波長(zhǎng)為:磷化銦或砷化鎵或氮化鎵，或相關(guān)的三元或多元化合物，摻雜源是硅、鎂、鋅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增大LED發(fā)光功率的集成方法，其特征在于將LED外延薄膜拓展為多級(jí)LED串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在襯底之上的外延緩沖層薄膜系、η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成第一級(jí)基本發(fā)光單元，在第一級(jí)之上的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成第二級(jí)發(fā)光單元，在第二級(jí)之上外延的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成第三級(jí)發(fā)光單元，在第三級(jí)發(fā)光單元之上外延的η型薄膜系、多量子阱系、P型薄膜系組成第四級(jí)發(fā)光單元，第二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)發(fā)光單元還可以設(shè)計(jì)為半導(dǎo)體光放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增大LED發(fā)光功率的集成方法，其特征在于級(jí)聯(lián)之間膜系P型薄膜系與η型薄膜系還可以采用同類梯度摻雜或異質(zhì)結(jié)的摻雜結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK103779450SQ201210396163
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月17日
【發(fā)明者】甘志銀, 嚴(yán)晗 申請(qǐng)人:甘志銀