CN1874017A - 白光发射器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用晶片结合或金属结合的单片白光发射器件。在本发明中，设置了导电底座衬底。第一发光体通过金属层结合到导电底座衬底上。在第一发光体中，由底到顶依次层叠了p型氮化物半导体层、第一有源层、n型氮化物半导体层、和导电衬底。另外，第二发光体形成在导电衬底的部分区域上。在第二发光体中，由底到顶依次层叠了p型基于AlGaInP的半导体层、有源层和n型基于AlGaInP的半导体层。另外，p电极形成在导电底座衬底的底面上，以及n电极形成在n型基于AlGaInP的半导体层的上表面上。

Description

白光发射器件
优先权要求
本申请要求于2005年5月31日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2005-46478号的权益，其内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种白光发射器件，更具体地，本发明涉及单片式白光发射器件(其中将多个有源层构造成单个器件，以产生至少两种不同波长的光)及其制造方法。
背景技术
通常，基于LED的白光发射器件被广泛用作照明设备或显示设备的背光。在公知方法中，将分别制造的蓝色、红色和绿色LED简单混合或者使用荧光物质，以获得这样的白光发射器件。但是在印刷电路板上组合多种颜色的分离的LED需要复杂的驱动电路，因此，不利的是，导致了其难以小型化。因此，近来普遍采用使用荧光物质制造白光发射器件的方法。
在使用荧光物质的传统制造方法中，使用蓝光发射器件或紫外线发射器件。例如，在使用蓝光发射器件的情况下，通过YAG荧光物质用波长转换的方法将蓝光转变为白光。也就是说，由蓝色LED产生的蓝色波长激励钇铝石榴石(YAG)荧光物质最终发射白光。
图1是示出使用YAG荧光物质的传统白光发射器件10的整体结构的剖视图。图1图示出设置在引线架2的帽(cap)上的基于InGaN的蓝色LED 9，以及帽中包围蓝色LED 9的YAG荧光物质5。同时，蓝色LED 9被连线到帽结构的正极引线架2和负极引线架4。其中设置有蓝色LED 10的整个引线架2和4的上面部分由透明材料7塑造。
如果通过引线架2和4施加电流，使得基于InGaN的蓝色LED9产生蓝光，那么该蓝光中的一部分将激励YAG荧光物质。此时，YAG荧光物质尤其是被460nm，即InGaN蓝色LED 10的峰值波长所激励，从而发射黄绿荧光。通过YAG荧光物质5获得的黄绿荧光与直接由蓝色LED 9发出的其它部分蓝光合成，以最终发射白光。
有利的是，图1中所示的白光发射器件不需要电流控制，而这是合并各个RGB LED所必须的。然而，传统发光器件的局限性在于，其中荧光粉不利地影响器件性能，或者由于在激励荧光物质时所降低的光效率和彩色修正指数，导致很难获得优良的色感。
发明内容
为了解决前述现有技术中的问题而提出了本发明，本发明的目的在于提供一种新颖的白光发射器件，其中通过晶片结合(waferbonding)或金属结合将多个发射体结合为单个芯片，以产生不同波长的光。
根据用于实现该目的的本发明的一方面，提供了一种白光发射器件，包括：导电底座衬底；第一发光体，通过金属层结合在底座衬底上，第一发光体包括由底到顶依次层叠的p型氮化物半导体层、第一有源层、n型氮化物半导体层、和导电衬底；第二发光体，在导电衬底的部分区域上形成，第二发光体包括由底到顶依次层叠的p型基于AlGaInP的半导体层、第二有源层、和n型基于AlGaInP的半导体层；以及p电极，在导电底座衬底的底面上形成；以及n电极，在n型基于AlGaInP的半导体层的上表面上形成。
根据本发明的一个优选实施例，第一发光体的导电衬底通过晶片结合直接结合至第二发光体的p型氮化物半导体层，其中p型电极和n型电极为第一和第二发光体的公共电极。
在本发明的该实施例中，白光发射器件进一步包括电流阻挡层，其在第一发光体的p型氮化物半导体层上，在p型氮化物半导体层的与第二发光体形成区域垂直重叠的表面区域之上形成。电流阻挡层掺杂有n型杂质。同时，电流阻挡层包括二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
根据本发明的另一个实施例，白光发射器件进一步包括绝缘层，在第一发光体的导电衬底的部分区域上形成，通过附加的金属层将绝缘层结合到第二发光体的p型氮化物半导体层。在这种情况下，本器件进一步包括连接至附加金属层的p电极和连接至导电衬底的n电极。可以通过分开的电极分别地驱动第一和第二发光体。
优选地，根据本发明，金属层或附加金属层包括选自Al、Ag、Rh、Ru、Pt、Pd及其合金组成的组中所选择的高反射率金属。导电底座衬底为p型硅衬底。
根据本发明，为了确保从第一发光体采集的光足以发射白光，优选地，第一发光体的导电衬底的部分区域小于导电衬底的剩余区域。同时，优选地，导电衬底在没有形成第二发光体的区域形成有粗糙图案。
在本发明的一个特定实施例中，可以将两种不同波长的光混合以获得白光。在这种情况下，第一有源层适用于产生波长大约为450nm至475nm的光，第二有源层适用于产生波长大约为550nm至600nm的光。
可选地，第一发光体的第一有源层可以由产生不同波长的两个有源层形成，因此通过将三个波长的光结合为一个整体而获得白光。此时，第一有源层包括两个有源层，分别用于产生波长大约为450nm至475nm的光和波长大约为510nm至535nm的光，其中第二有源层适用于产生波长大约为600nm至635nm的光。
根据本发明的另一个实施例，第一发光体倒装(flip-mounted)在底座衬底上。本发明的实施例可以优选地采用绝缘衬底作为第一发光体的衬底。
根据本发明的该实施例，一种白光发射器件包括：底座衬底，其上形成有p侧引线端和n侧引线端；第一发光体，包括由底到顶依次层叠的p型氮化物半导体层、第一有源层、n型氮化物半导体层、和绝缘衬底，其中p型半导体层连接到p侧引线端，n型氮化物半导体层连接到n侧引线端；金属层，形成在绝缘衬底的部分区域上；第二发光体，其形成在金属层上，结合至金属层的部分区域，第二发光体包括依次层叠的p型基于AlGaInP的半导体层、第二有源层、和n型基于AlGaInP的半导体层；以及第一p电极和第一n电极，其分别连接至第一发光体的p型和n型氮化物半导体层；第二p电极，连接至第二发光体的金属层的另一个区域；以及第二n电极，其连接至第二发光体的基于AlGaInP的的第二半导体层。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，将会更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1为示出了使用荧光物质的传统白光发射器件的剖视图；
图2为示出了根据本发明的一个实施例的白光发射器件的透视图；
图3a至3h为以逐步方式示出了用于制造图2的白光发射器件的方法的剖视图；
图4为示出了根据本发明的另一个实施例的白光发射器件的剖视图；以及
图5为示出了根据本发明的另一个实施例白光发射器件的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
图2为示出了根据本发明的一个实施例的白光发射器件的透视图。
根据本发明的实施例的白光发射器件50包括导电衬底(submount substrate)31和用于发射不同波长的光的第一和第二发光体20和40。导电底座衬底31可以为p掺杂的硅，并且在其底面上形成了公共p电极32。
第一发光体20为氮化物层叠结构，其中由底到顶依次设置了p型氮化物半导体层26、两层氮化物有源层24和25、n型氮化物半导体层22和导电衬底21。在第一发光体20中，p型氮化物半导体层26通过金属层28结合(bond)到底座衬底31之上。金属层28是由选自由Au-Sn、Sn、In、Au-Ag和Pb-Sn组成的组中的常规结合金属制成。优选地，金属层28可以包括高反射率金属。使用高反射率金属替代常规结合金属或与常规结合金属结合使用。高反射率金属选自由铝(Al)、银(Ag)、铑(Rh)、钌(Ru)、铂(Pt)、钯(Pd)和其合金组成的组。
第二发光体40形成在导电衬底21的部分区域上。第二发光体40包括依次层叠的p型基于AlGaInP的半导体层46、基于AlGaInP的有源层45和n型基于AlGaInP的半导体层42。优选地，第二发光体40的导电衬底21的部分区域小于导电衬底21的剩余区域，以保证第一发光体20的足够的采光(light extraction)面积。另外，导电衬底21在没有形成第二发光体40的区域形成有粗糙图案，使得第一发光体20的采光效率显著提高。
通过混合第一发光体20和第二发光体40的波长的光，白光发射器件50可以发射白光。如图2中所示，第一发光体20的两个有源层24和25分别产生波长大约为450nm至475nm和大约为510nm至535nm的光。同时，第二发光体40的有源层45产生波长大约为600nm至635nm的光。可选地，第一发光体20可以只采用产生波长大约为450nm至475nm的光的有源层并且第二发光体40可以采用产生波长为550nm至600nm的光的有源层。
在导电衬底的底面上形成的p电极32和在n型基于AlGaInP的半导体层42的上表面上形成的n型电极49被用作第一发光体20和第二发光体40的公共电极。
第一发光体20可以包括电流阻挡层27，其在p型氮化物半导体层26的特定区域上。在根据本发明的白光发射器件50中，电流阻挡层用来提高第一发光体20的电流扩散效果。第一发光体20通常使用在第二发光体40中形成的n电极49。同时，在第一发光体20的部分区域上形成以较小的尺寸第二发光体40。这导致了电流路径形成于第一发光体20中的受限区域中，因此很难达到足够的电流扩散效果。因此，在对应于第二发光体40的p型氮化物半导体层26的表面区域上形成电流阻挡层27，使得电流如参考标记“a”所显示的那样通过绕开电流阻挡层27而流动，以提高发光效率。可以通过在p型氮化物半导体层26上以高浓度掺杂n型杂质或选择性地沉积二氧化硅层或氮化硅层来形成电流阻挡层27。
图3a至3h为以逐步方式示出了用于制造白光发射器件50的方法的剖面图。
如图3a所示，为了构成第一发光体20，在导电衬底21上依次层叠了n型氮化物半导体层22、有源层24和25、以及p型氮化物半导体层26。导电衬底21优选地以n掺杂的GaN衬底作为实例。
因此，如图3b中所示，在p型氮化物半导体层26的部分区域上形成电流阻挡层27。如前所述，电流阻挡层27形成在p型氮化物半导体层26的与第二发光体形成区域垂直重叠的表面区域上。在该实施例中，将相应区域蚀刻至预定深度，然后选择性地沉积二氧化硅层或氮化硅层，以形成电流阻挡层27。可选地，可以对p型氮化物半导体层26的相应区域以高浓度掺杂n型杂质。
接下来，如图3c中所示，在p型氮化物半导体层26上形成金属层28。金属层28是由选自由Au-Sn、Sn、In、Au-Ag和Pb-Sn组成的组中的常规结合金属制成。优选地，对于金属层28，可以用高反射率金属替代常规结合金属或与常规结合金属结合使用。高反射率金属选自由Al、Ag、Rh、Ru、Pt、Pd和其合金组成的组。
其后，如图3d中所描述，通过金属层28将第一发光体20结合在导电底座衬底31之上。导电底座衬底31可以是硅衬底或金属衬底。优选地，金属结合在600℃或低于600℃的温度下完成，以防止在第一发光体20中产生热膨胀引起的缺陷。
然后，参考图3e，由基于AlGaInP的半导体制成的第二发光体40被结合于导电衬底21之上。将n型基于AlGaInP的半导体层42、第二有源层45和p型基于AlGaInP的半导体层46依次沉积在GaAs衬底41上，以获得第二发光体40。该处理可以是以晶片级进行的晶片结合。在低于常规的晶片熔化温度下进行晶片结合，以最小化由热膨胀引发的应力发生。为了完成该低温晶片结合，每个晶片的结合表面在结合前被等离子体处理过，以增加表面能，然后在低温(室温至400℃)下结合。
接下来，参考图3f，选择性地蚀刻第二发光体40，使得第二发光体40只保留在导电衬底21的对应于之前所设置的电流阻挡层27的表面区域上。通过湿法蚀刻可以容易地实施这样的处理。同时，形成导电衬底21的暴露的表面区域的大小和第二发光体的剩余区域的大小，分别是根据基于氮化物的第一发光体20和基于AlGaInP的第二发光体40的光发射效率，以及根据每个波长相对于发射白光的光亮度比率。通常，由于基于AlGaInP的第二发光体40的优良效率和在白光中所需红光的较少比率，所以优选地，导电衬底21的暴露区域大于第二发光体40的剩余区域。
其后，如图3g中所示，在导电衬底21的暴露区域上形成了粗糙图案21a。使用粗糙图案21a以提高第一发光体20的采光效率。在形成粗糙图案21a时，可以采用传统的干法蚀刻处理(例如ICP)。同时，另外，从第二发光体40中除去图3f的GaAs衬底41。图3f的GaAs衬底41呈现较低的透光率，因此降低了由第二发光体40发射的红光的效率。可以容易地通过本领域中公知的传统湿法蚀刻处理去除GaAs衬底。
最后，如图3h中所示，在导电底座衬底31的底面上形成p电极32，并且在第二发光体40的n型半导体层42的上表面上形成n电极49。p电极32和n电极49被设置为第一发光体20和第二发光体40的公共电极。
在刚才描述的实施例中，p和n电极32和49被用作公共电极。然而，如图4中所示，可以通过分开的电极单独地驱动每个发射体。
图4为示出了根据本发明的另一个实施例的白光发射器件的剖视图。
白光发射器件90包括导电底座衬底71和用于发射不同波长的光的第一及第二发光体60和80。导电底座衬底71可以是硅衬底或使用p型杂质掺杂的金属衬底。
第一发光体50为氮化物层叠结构，其中由底到顶依次设置了p型氮化物半导体层66、两个氮化物有源层64和65以及n型氮化物半导体层62和导电衬底61。在此，导电衬底61可以是导电GaN衬底。在第一发光体60中，p型氮化物半导体层66通过第一金属层68结合在底座衬底71上。
第一金属层78是选自由Au-Sn、Sn、In、Au-Ag和Pb-Sn组成的组中的常规结合金属制成。优选地，第一金属层78可以包括高反射率金属。高反射率金属可以选自由Al、Ag、Rh、Ru、Pt、Pd和其合金组成的一组。
在该实施例中，在导电衬底61的将形成第二发光体80的部分区域上另外形成了绝缘层77。绝缘层77将第一发光体60与第二发光体80电分离。为了保证第一发光体60的足够的采光面积，优选地，导电衬底上的具有绝缘层77的部分区域小于导电衬底71的剩余区域。第二金属层78形成在绝缘层77上。第二金属层78是由类似于第一金属层68的金属的金属制成。
第二发光体80形成在第二金属层78的部分区域上。第二发光体80包括由底到顶依次层叠的p型基于AlGaInP的半导体层86、基于AlGaInP的有源层85、和n型基于AlGaInP的半导体层82。导电衬底61在没有形成第二发光体80的区域形成有粗糙图案61a，因此显著增强了采光效率。
在该结构中，可以通过分开的电极驱动第一发光体60和第二发光体80。对于第一发光体60，第一p电极72形成在导电底座衬底61的底面上，n电极69形成在导电衬底的另一区域。同时，对于第二发光体80，第二p电极88形成在第二金属层78的剩余区域，第二n电极89形成在第二n型基于AlGaInP的半导体层82上。
根据该实施例设置的电极允许各自独立地驱动第一发光体60和第二发光体80。另外，因为可以减少串联电阻以降低驱动电压，所以该实施例的结构具有优于图2的实施例的优点。
以类似于图2的实施例的方式，白光发射器件90可以通过混合第一发光体60和第二发光体80的波长的光产生白光。根据该实施例，第一发光体60的两个有源层64和65分别产生波长大约为450nm至475nm和大约为510nm至535nm的光，第二发光体80的有源层85产生波长大约为600至635nm的光。
本发明有利于在非导电透明衬底(例如蓝宝石衬底)被用于第一发光体的情况下采用。此时，第一发光体被倒装结合在底座衬底上。
图5为示出了另一个实施例的剖视图，其中第一发光体的衬底为非导电衬底。
白光发射器件130包括底座衬底131、用于发射不同波长的光的第一和第二发光体120和140。底座衬底131上设置有p引线电极132a和n引线电极132b。衬底131包括但不局限于硅衬底或金属衬底。在常规硅衬底上形成热氧化层(未示出)以沉积电分离的引线电极132a和132b，以制造衬底131。
第一发光体120包括由底到顶依次层叠设置的p型氮化物半导体层126、两个基于氮化物的有源层124和125、n型氮化物半导体层122和绝缘衬底121。同时，台面蚀刻第一发光体120，以部分地暴露n型氮化物半导体层122。在该实施例中，绝缘衬底121可以是蓝宝石衬底。在p型氮化物半导体层126上形成第一金属层128。第一金属层128可以包括高反射率金属。高反射率金属选自由Al、Ag、Rh、Ru、Pt、Pd和其合金组成的组中。可以在第一金属层128和p型氮化物半导体层126之间插入分开的欧姆接触层(未示出)。优选地，可以使用透光氧化层(例如掺杂Cu的In2O3)。
第一发光体120被倒装结合在底座衬底131上。也就是，p型氮化物半导体层126和暴露的n型氮化物半导体层122通过焊料块S结合至p和n引线电极132a和132b。
在该实施例中，第二金属层138形成在绝缘衬底121的将形成第二发光体140的部分区域上。第一发光体120的衬底121是电绝缘的，因此第二金属层138可以直接形成在衬底121上。为了确保第一发光体120足够的采光面积，绝缘衬底121上具有第二金属层138的部分区域小于衬底121的剩余区域。
第二发光体140形成在第二金属层138的部分区域上。第二发光体140包括由底到顶依次层叠的p型基于AlGaInP的半导体层146、基于AlGaInP的有源层145和n型基于AlGaInP的半导体层142。绝缘衬底121在没有形成第二发光体140的区域形成有粗糙图案121a。这允许第一发光体120的采光效率的显著的改进。
在该结构中，可以各自独立地驱动第一发光体120和第二发光体140。通过设置在底座衬底131上的各自的引线电极132a和132b驱动第一发光体120。同时，对于第二发光体140，在第二金属层138的剩余区域形成p电极148，在n型基于AlGaInP的半导体层142上形成n电极149。可选地，可以同时驱动第一和第二发光体120和140，以使得能够进行白光发射。
如上所述，通过使用经晶片结合和/或金属结合将两个发射体整体地进行结合的相对简单的处理，本发明提供了所需的单片白光发射器件。由于本发明使用发射不同波长的光的发射体，而没有使用荧光物质，所以本发明提供了具有优良白光发射效率的白光发射器件，免除了荧光物质所引起的缺陷。
虽然连同优选的实施例已经示出并描述了本发明，但是很明显，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化而不偏离如所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (21)

1.一种白光发射器件，包括：
导电底座衬底；
第一发光体，通过金属层结合在底座衬底上，所述第一发光体包括由底到顶依次层叠的p型氮化物半导体层、第一有源层、n型氮化物半导体层、和导电衬底；
第二发光体，形成在导电衬底的部分区域上，所述第二发光体包括由底到顶依次层叠的p型基于AlGaInP的半导体层、第二有源层、和n型基于AlGaInP的半导体层；以及
p电极，形成在所述导电底座衬底的底面上；以及
n电极，形成在所述n型基于AlGaInP的半导体层的顶面上。
2.根据权利要求1所述的白光发射器件，其中，所述第一发光体的所述导电衬底通过晶片结合直接结合至所述第二发光体的所述p型氮化物半导体层，以及
其中，所述p型电极和n型电极为所述第一和第二发光体的公共电极。
3.根据权利要求2所述的白光发射器件，进一步包括电流阻挡层，其形成在所述第一发光体的所述p型氮化物半导体层上，在所述p型氮化物半导体层的与第二发光体形成区域垂直重叠的表面区域之上。
4.根据权利要求3所述的白光发射器件，其中，所述电流阻挡层掺杂有n型杂质。
5.根据权利要求3所述的白光发射器件，其中，所述电流阻挡层包括二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
6.根据权利要求1所述的白光发射器件，进一步包括：
绝缘层，形成在所述第一发光体的所述导电衬底的所述部分区域上，所述绝缘层通过附加的金属层结合到所述第二发光体的所述p型氮化物半导体层；以及
p电极，连接到所述附加金属层；和n电极，连接到所述导电衬底。
7.根据权利要求1所述的白光发射器件，其中，所述金属层包括选自由Al、Ag、Rh、Ru、Pt、Pd、和其合金组成的组中的高反射率金属。
8.根据权利要求6所述的白光发射器件，其中，所述金属层和所述附加金属层包括选自由Al、Ag、Rh、Ru、Pt、Pd、和其合金组成的组中的高反射率金属。
9.根据权利要求1所述的白光发射器件，其中，所述导电底座衬底为p型硅衬底。
10.根据权利要求1所述的白光发射器件，其中，所述第一发光体的所述导电衬底的所述部分区域小于所述导电衬底的剩余区域。
11.根据权利要求1所述的白光发射器件，其中，所述导电衬底在没有形成所述第二发光体的区域上形成有粗糙图案。
12.根据权利要求1所述的白光发射器件，其中，所述第一有源层适用于产生波长大约为450nm至475nm的光，所述第二有源层适用于产生波长大约为550nm至600nm的光。
13.根据权利要求1所述的白光发射器件，其中，所述第一有源层包括两个有源层，分别用于产生波长大约为450nm至475nm的光和波长大约为510nm至535nm的光，以及
其中，所述第二有源层适用于产生波长大约为600nm至635nm的光。
14.一种白光发射器件，包括：
底座衬底，其上形成有p侧引线端和n侧引线端；
第一发光体，包括由底到顶依次层叠的p型氮化物半导体层、第一有源层、n型氮化物半导体层、和绝缘衬底，所述p型氮化物半导体层连接到所述p侧引线端，所述n型氮化物半导体层连接到所述n侧引线端；
金属层，形成在所述绝缘衬底的部分区域上；
第二发光体，其形成在所述金属层上，结合到所述金属层的部分区域，所述第二发光体包括依次层叠的p型基于A1GaInP的半导体层、第二有源层、和n型基于AlGaInP的半导体层；以及
第一p电极和第一n电极，分别连接到所述第一发光体的所述p型和n型氮化物半导体层；
第二p电极，连接到所述第二发光体的所述金属层的另一个区域；以及
第二n电极，连接到所述第二发光体的所述第二基于AlGaInP的半导体层。
15.根据权利要求14所述的白光发射器件，其中，所述底座衬底包括硅衬底或金属衬底。
16.根据权利要求14所述的白光发射器件，其中，所述金属层包括选自由Al、Ag、Rh、Ru、Pt、Pd、和其合金组成的组中的高反射率金属。
17.根据权利要求14所述的白光发射器件，其中，所述第一发光体的所述绝缘衬底包括蓝宝石衬底。
18.根据权利要求14所述的白光发射器件，其中，所述第一发光体的所述导电衬底的所述部分区域小于所述绝缘衬底的剩余区域。
19.根据权利要求14所述的白光发射器件，其中，所述绝缘衬底在没有形成所述第二发光体的区域上形成有粗糙图案。
20.根据权利要求14所述的白光发射器件，其中，所述第一有源层适用于产生波长大约为450nm至475nm的光，所述第二有源层适用于产生波长大约为550nm至600nm的光。
21.根据权利要求14所述的白光发射器件，其中，所述第一有源层包括两个有源层，分别用于产生波长大约为450nm至475nm的光和波长大约为510nm至535nm的光，以及
其中，所述第二有源层适用于产生波长大约为600nm至635nm的光。
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