高效高亮度多有源区隧道再生白光发光二极管

摘要

高效高亮度多有源区隧道再生白光半导体发光二极管(LED)，属于半导体光电子技术领域，涉及一种发光二极管。本发明包括有依次纵向层叠的p型电极(1)，红色发光单元(14)，隧道结(9)，由绿色发光单元(15)、蓝色发光单元(16)、及绿色发光单元与蓝色发光单元之间的隧道结(9)或者由蓝绿色发光单元(19)构成的下层芯片(17)，n型电极(13)，还包括有设在红色发光单元和与其相邻的隧道结(9)之间的或者设在下层芯片(17)和与其相邻的隧道结(9)之间的芯片键合层(8)。本发明的发光二极管是一次电光转换，发光效率高，由于材料为半导体材料，比基于荧光粉的器件的可靠性高，寿命长，色度逼真。

说明书

技术领域

高效高亮度多有源区隧道再生白光半导体发光二极管(LED)，属于半导体光电子技术领域，涉及一种发光二极管。

背景技术

目前传统的白光半导体发光二极管的设计方法及其存在的问题：

1、多个高亮度的传统红色、绿色、蓝色三基色发光二极管，如图3和4所示，平面分布组成像素灯白光发光二极管，如图5所示，发射的颜色根据加到每块芯片上的不同功率控制而改变，可以发出不同亮度的白色照明光源。这种白光发光二极管的缺点是成本高，分辨率差，色度空间方向性差，四个发光二极管的驱动电路也较复杂。

2、获得白光的另一种途径是采用蓝光或紫外发光二极管激发荧光粉发光后各色光混合而成，如图6所示。荧光物质在蓝光照射下，产生并发射橙黄色或其他颜色的光，利用蓝光和橙黄色光混合而得到白光；或紫外光激发红绿蓝三色荧光粉发出红、绿、蓝三种颜色的光混合后得到白光。此类白光发光二极管的最大缺点是其光环效应：旁路视角为多色，非白色；其次荧光粉低吸收率导致发光效率低，显色指数低(CRI)；同时封装困难，与半导体材料比荧光粉存在寿命短和可靠性差的问题。

发明内容

本发明的目的提供一种在一次电流注入下直接得到高效高亮度的白色发光二极管，来解决上述两种获得白色发光二极管技术路线的缺点。

本发明的高效高亮度多有源区隧道再生白光发光二极管，如图1和图2所示，包括有依次纵向层叠的p型电极1，红色发光单元，隧道结9，由绿色发光单元、蓝色发光单元、及绿色发光单元与蓝色发光单元之间的隧道结9或者由蓝绿色发光单元构成的下层芯片17，n型电极13，其特征在于，还包括有设在红色发光单元和与其相邻的隧道结9之间的或者设在下层芯片17和与其相邻的隧道结9之间的芯片键合层8，通过给电极1和电极13间加电流，各单元同时发出对应颜色的光，经混合直接得到白光。

本发明采用了由依次排列的p型接触层2，DBR反射层3，上限制层4，红色发光区5和下限制层6构成的红色发光单元14。

本发明采用了由依次排列的DBR反射层3，上限制层4，绿色发光区10，下限制层6，过渡层7构成的绿色发光单元15。

本发明采用了由依次排列的DBR反射层3，上限制层4，蓝色发光区11，下限制层6，过渡层7和衬底12构成的蓝色发光单元16。

本发明采用了由依次排列的DBR反射层3、上限制层4，蓝绿色发光区18，下限制层6，过渡层7和衬底12构成的蓝绿色发光单元19。

本发明红色发光单元14中可以无DBR反射层3。

本发明各发光单元中的发光区的结构为PN结，或PIN结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，或多有源区级联结构，或量子点发光结构。

本发明中的隧道结9为同质结，或者为异质结；同时本发明中的隧道结可以用透明导电层代替。

本发明中的衬底12可以是蓝宝石，SiC，ZnO或其它对白光透明的介质层。

与第一种传统三原色白光发光二极管相比，多有源区隧道再生白光发光二极管的结构简单，本发明中的白光二极管中的红色发光单元14比传统红色发光二极管，如图3所示，少了成本昂贵的电流扩展层即厚GaP层20，或者还可以少一个工艺复杂的DBR层3。这个差别大大降低了红色发光单元的材料生长成本，提高了总体性能。

本发明中的蓝色16、蓝绿色发光单元19结构与蓝色、绿色发光二极管结构(如图4所示)相比，少了电流扩展层20和盖层22。而绿色发光单元15则少了电流扩展层20和衬底12。

本发明的高效高亮度多有源区隧道再生白光发光二极管，是两个或三个发光单元通过芯片键合技术和隧道结纵向层叠在一起的，是一只发光二极管，驱动电路要比像素LED简单。

与用蓝光和紫外光激发荧光粉的第二种传统白光发光二极管相比，本发明的发光二极管是一次电光转换，发光效率高，由于材料为半导体材料，比基于荧光粉的器件的可靠性高，寿命长，色度逼真。

本发明还具有以下效果：

1)由于传统的像素白光发光二极管其结构中需要三只或四只独立的单色发光二极管，不但比本发明中的发光单元要复杂的多，成本高很多，发出的白光的空间方向一致性差，而且需要多路驱动，而本发明白光发光二极管是把几个相对独立的发光区结构，通过外延生长和键合技术叠合在一个衬底上，并在发光区之间引入一个P⁺-N⁺隧道结结构，隧道结如加上一定的反向偏压，其P型一侧的价带电子可以通过隧道效应到达N型一侧的导带成为电子载流子，得到再生，这样，在红色发光区中发出红光后，复合到价带的电子就能再一次回到导带并在绿色发光区中再次复合发出绿光，同样道理电子再次隧穿到蓝色发光区发出蓝光。由此，从发光二极管两电极注入的一对电子、空穴在发光区中产生多个不同颜色的光子，他们混合不仅直接得到白光，而且使发光二极管量子效率大大提高，在不增大注入电流的情况下，大大增大了光输出功率和亮度。

2)由于本发明是通过透明衬底12出光，上电极1既是非常平滑的光反射层又是均匀平整高导电的金属电极，电流将均匀流过多单元发光区。因此无需引入厚电流扩展层(普通发光二极管需60μm厚的电流扩展层)。

3)用p型电极作为背面的反射层，还可省去结构复杂的红光发光单元的DBR反射层，使成本降低，而且工艺简单，成品率高。

4)一个发光单元中可以包含多个隧道再生的单色发光区，这样单元发光区的亮度会大幅度提高，整个隧道再生白色发光二极管的亮度和效率就会大幅度提高，而成本则下降。

5)纵向层叠的发光单元使红、绿、蓝光或红、蓝绿光在出光方向上完全重叠，使白光发光二极管的色泽更加逼真，且不因空间方向变差。

附图说明

图1：本发明红、绿、篮三单元白光发光二极管的结构示意图；图中：1、P型电极，2、p型接触层，3、DBR反射层，4、上限制层，5、红色发光区，6、下限制层，7、过渡层，8、芯片键合层，9、隧道结，10、绿光发光区，11、蓝光发光区，12、衬底，13、n型电极，14、红色发光单元，15、绿色发光单元，16、蓝色发光单元，17、下层芯片；

图2：本发明红、篮绿双单元白光发光二极管的结构示意图；

图中：1、P型电极，2、p型接触层，3、DBR反射层，4、上限制层，5、红色发光区，6、下限制层，7、过渡层，8、芯片键合层，9、隧道结，13、n型电极，14、红色发光单元或称上层芯片，17-下层芯片，18、蓝绿光发光区，19、蓝绿色发光单元；

图3：传统红色发光二极管结构示意图

图中：1-p型接触层，3-DBR反射层，4-上限制层，5-红色发光区，6-下限制层，7-过渡层，13-n型电极，20-电流扩展层，21-GaAs衬底；图4：传统篮色、绿色发光二极管结构示意图

图中：1、P型金属电极，4、上限制层，6、下限制层，7、过渡层，11、蓝色发光区，12、衬底，13、n型电极，20、电流扩展层，22、盖层；图5：传统象素白光发光二极管结构示意图；

图中：23、红色发光二极管，24、绿色发光二极管，25、蓝色发光二极管；图6：传统荧光粉白光发光二极管结构示意图，(a)整体结构示意图，(b)管芯结构示意图；

图中：26、荧光粉，27、压焊丝，28蓝光发光二极管管芯，29、黄色荧光，30、蓝色光。

图7：本发明实施例1的结构示意图；

图8：本发明实施例2的结构示意图，

具体实施方式

实施例1：

如图7所示，其制备过程和方法如下：

1、用普通MOVCD方法在N⁺-GaAs衬底上依次外延生长N++GaAs/P++GaAs隧道结9、N-GaInP过渡层7、N-AlInP下限制层6、AlGaInP/GaInP异质结发光区5、P-AlInP上限制层4，p+GaAs接触层2。然后通过给正面蒸发或溅射p型金属电极Ti/Au(1)，再通过研磨减薄工艺去掉衬底GaAs后得到红色发光单元14；

2、在篮宝石或SiC衬底上依次生长n-GaN过渡层7，n-InGaN下限制层6，InGaN/GaN多量子阱蓝光发光区11，p-AlGaN上限制层4，AlInN/GaN DBR蓝光反射层3，n++InGaN/P++GaN隧道结9，n-GaN过渡层7，n-InGaN下限制层6，InGaN/GaN多量子阱绿光发光区10，p-AlGaN上限制层4，AlInN/GaNDBR绿光反射层3，P++GaN接触层2，通过光刻和腐蚀后蒸发n型电极13，组成蓝色和绿色发光单元组合——下层芯片17；

3、最后通过芯片键合技术把红色发光单元14和下层芯片17键合在一起，得到隧道再生高效高亮度白光发光二极管。在n型电极1和p型电极13间加电流得到白色发光。

实施例2：

如图8所示，其制备过程和方法如下：

1.用普通MOVCD方法在N⁺-GaAs衬底上依次外延生长N++GaAs/P++GaAs隧道结9、N-GaInP过渡层7、N-AlInP下限制层8、AlGaInP/GaInP异质结发光区5、P-AlInP上限制层4，p+GaAs接触层2。然后通过给正面蒸发或溅射p型金属电极Ti/Au(1)，再通过研磨减薄工艺去掉衬底GaAs后得到红色发光单元14；

2.在篮宝石或SiC衬底上依次生长n-GaN缓冲层7，n-InGaN下限制层6，InGaN/GaN多量子阱蓝绿光发光区18，p-AlGaN上限制层4，AlInN/GaN DBR蓝光反射层3，P++GaN接触层2，通过光刻和腐蚀后蒸发n型电极13，组成蓝色和绿色发光单元组合——下层芯片17；

3.最后通过芯片键合技术把红色发光单元14和下层芯片17键合在一起，得到隧道再生高效高亮度白光发光二极管。在n型电极1和p型电极13间加电流得到白色发光。

本发明创造经上述方案的实施完成了本发明的目的。