增大半导体发光器件的光输出的方法及该器件的驱动单元

摘要

本发明涉及增大半导体发光器件的光输出的方法及该器件的驱动单元。该方法包括：向包括n型半导体层、有源层和p型半导体层的半导体发光器件施加其中正向电压与反向电压交替的脉动电流。该驱动单元包括：半导体发光器件，包括n型半导体层、有源层和p型半导体层；以及电压施加单元，其向半导体发光器件施加其中正向电压与反向电压交替的脉动电流。本发明的方法可增大半导体发光器件的光输出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种增大化合物半导体发光器件(LED)光输出的方法及化合物半导体LED的驱动单元，并且更加具体地，涉及一种使用脉动电流(pulsation current)增大化合物半导体LED光输出的方法及使用该方法的化合物半导体LED的驱动单元。

背景技术

类似于发光二极管(LED)，半导体LED使用化合物半导体的特性将电信号转化为光。这种半导体LED器件具有与其它发光器相比寿命更长、驱动电压更低、且功耗量更小的优点。另外，半导体LED具有较高的响应速度和较高的冲击耐受性，并且可以制造得简洁轻便。根据所用半导体的类型和材料，这种半导体LED可以产生不同波长的光束。由此，半导体LED可以产生各种波长的光束。特别地，由于制造技术和半导体LED结构的改善，已经开发出来并广泛应用了能够发射高亮度光的高亮度半导体LED。另外，已经开发出用于发射蓝(B)光的高亮度半导体LED。结果，使用分别发射绿(G)、红(R)和蓝(B)光束的高亮度半导体LED可以显示自然颜色。

图1为用于说明传统半导体LED的工作原理的示意图。如图1所示，半导体LED 10具有如下结构，其中n型半导体层12、有源层13、以及p型半导体层14顺序叠置在蓝宝石衬底11上，并且分别在部分n型半导体层12和p型半导体层14上叠置n型电极15和p型电极16。在向具有上述结构的半导体LED 10施加正向电压时，n型半导体层12导带中的电子跃迁从而与p型半导体层14价带中的空穴复合。结果，与跃迁能同样多的光由有源层13发射出来。来自有源层13的光通过有源层13的上部直接发射，或者由p型电极16反射并随后经蓝宝石衬底11发射。

由于半导体LED 10通常具有极性，所以半导体LED 10用直流电(DC)驱动，如图2所示。这是因为在施加的电压具有相反极性时，n型半导体层12的电子和p型半导体层14的空穴无法移动到有源层13，并且因此无法发光。然而，在半导体LED通过施加DC驱动的情况下，电子具有比空穴高的迁移率。由此，来自n型半导体层12的大部分电子邻近p型半导体层14分布。这导致发光效率降低。

已知，在半导体LED的III族氮化物(主要是涉及GaN的化合物)半导体材料中，空穴的迁移率低。但是，由于氮化物半导体对于光、电和热刺激非常稳定，并且可以被制造成在蓝色区与紫色区之间较宽的范围内产生光，因此目前氮化物半导体引人注目。因此，已经进行了大量的研究，以使用这种氮化物半导体开发以较低功率驱动并产生少量热的高效、高亮度半导体LED。大量的成本和时间投入到这一研究中，这对制造商造成了沉重的负担。

发明内容

本发明提供一种通过防止有源层中的电子偏向p型半导体层来改善半导体LED的发光效率的方法。

本发明还提供了一种以低成本进一步简单地增大化合物半导体LED的光输出和稳定性的方法，以及使用该方法的化合物半导体LED的驱动单元。

根据本发明的一个方面，提供一种增大半导体发光器件的光输出的方法，包括：向包括n型半导体层、有源层和p型半导体层的半导体发光器件施加其中正向电压与反向电压交替的脉动电流。

施加于半导体发光器件的反向电压的绝对值大于0.1V。

优选，脉动电流的频率至少为1KHz，且脉动电流的占空比(duty ratio)在10％与90％之间的范围内。

施加于半导体发光器件的反向电压的绝对值可以大于正向电压的绝对值。在此情况下，反向电压的大小可以小于半导体发光器件的击穿电压的大小。

脉动电流施加在至少两个半导体发光器件上，其并联连接从而具有相反的极性方向。

根据本发明的另一方面，提供一种半导体发光器件的驱动单元，包括：半导体发光器件，包括n型半导体层、有源层和p型半导体层；以及电压施加单元，其向半导体发光器件施加其中正向电压与反向电压交替的脉动电流。

优选，施加于半导体发光器件的反向电压的绝对值大于0.1V，且脉动电流的频率至少为1KHz。

优选，脉动电流的占空比在10％与90％之间的范围内。

施加于半导体发光器件的反向电压的绝对值可以大于正向电压的绝对值。在此情况下，反向电压的大小可以小于半导体发光器件击穿电压的大小。

此时，半导体发光器件是氮化物基半导体发光器件。

根据本发明的又一方面，提供一种半导体发光器件的驱动单元，包括：包括n型半导体层、有源层和p型半导体层的多个半导体发光器件；以及电压施加单元，其向该多个半导体发光器件施加其中正向电压与反向电压交替的脉动电流。此处，该多个半导体发光器件中的至少两个并联连接，从而具有相反的极性方向。

脉动电流的频率至少为1KHz。

施加于该对发光器件的反向电压的绝对值基本等于正向电压的绝对值。施加于该对半导体发光器件的脉动电流的占空比基本为50％。

附图说明

通过参照附图详细介绍本发明的示例性实施例，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加明显易懂，附图中：

图1为示出传统化合物半导体LED的层结构的视图；

图2为说明使用DC驱动传统化合物半导体LED的方法的视图；

图3为说明普通脉动电流的参照图；

图4为说明使用不包括反向电压的脉动电流驱动半导体LED的方法的视图；

图5为说明根据本发明使用包括反向电压的脉动电流驱动半导体LED的方法的视图；

图6为曲线图，示出施加的脉动电流包括反向电压或不包括反向电压时，本发明半导体LED的光输出相对于所施加电压的大小的变化；

图7为示意性示出能带的视图，用于以电子密度变化模型说明本发明的原理；

图8A至8C为示意性示出能带的视图，用于以量子限制斯塔克效应(quantum confined stark effect；QCSE)模型说明本发明的原理；

图9为曲线图，示出本发明半导体LED的光输出相对于反向电压大小的变化；

图10为曲线图，示出脉动电流包括反向电压或不包括反向电压时，本发明半导体LED的光输出相对于脉动电流频率变化的变化；

图11为曲线图，示出脉动电流包括反向电压或不包括反向电压时，半导体LED的光输出相对于脉动电流占空比变化的变化；以及

图12为示出本发明半导体LED的驱动单元的视图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细介绍根据本发明实施例的增大半导体LED光输出的方法、以及半导体LED驱动单元的结构和工作。

在试验中，本发明的发明人向半导体LED施加了其中正向电压与反向电压交替的脉动电流，如图5所示，从而解决上述问题。另外，发明人向同一半导体LED施加了其中仅正向电压周期性发生而没有反向电压的脉动电流，如图4所示，从而比较所发射的光的强度，即光输出。用于此试验的半导体LED为UV LED灯，其发射具有402nm波长的光，且脉动电流的占空比为50％。此处，由图3可见，占空比是指施加正向电压的时间a与总周期b的比(a/b)。

作为上述试验的结果，如图6所示，在施加其中正向电压与反向电压交替的脉动电流时，半导体LED的光输出得到提高。如图6所示，以“○”标记的曲线(line graph)表示脉动电流包括-3V反向电压时的光输出，以“□”标记的曲线表示脉动电流不包括反向电压时的光输出，以“△”标记的曲线表示两种情况下光输出的比。由图6可见，当正向电压为2.9V时，光输出在脉动电流包括反向电压时比在脉动电流不包括反向电压时改善更多。另外，随着正向电压逐渐增大，光输出缓慢增大。在此情况下，光输出在脉动电流包括反向电压时比在脉动电流不包括反向电压时仍要高。通常，半导体LED由约3.0V至3.2V的电压驱动。由此，光输出可以在3.0V至3.2V之间的范围内充分改善。

可以以两种模型介绍脉动电流包括反向电压时获得的半导体LED光输出的改善效率，即电子密度变化模型和量子限制斯塔克效应(QCSE)模型。

图7示意性示出能带，用于以电子密度变化模型说明本发明的原理。参照图7，上能带表示导带，下能带表示价带。另外，p型半导体层位于能带的左侧，n型半导体层位于能带的右侧，有源层位于能带的中央。如图7所示，有源层具有多量子阱(MQW)结构。p型半导体层可以由例如GaN:Mg形成，n型半导体层可以由例如GaN:Si形成。在有源层具有MQW结构的情况下，例如，量子阱层可以由InGaN形成，而势垒层可以由GaN形成。可以由例如AlGaN:Mg形成电子阻挡层(EBL)，从而防止电子渗透到p型半导体层中。

在此结构中，在向n型半导体层施加(-)电压并向p型半导体层施加(+)电压时，自n型半导体层激发的电子越过导带的能垒，并经有源层向p型半导体层转移。另外，p型半导体层的空穴在价带中经有源层向n型半导体层转移。此时，有源层量子阱中的电子跃迁，于是与空穴复合。结果，发射了与导带和价带间的能隙那样多的光。然而，如前所述，空穴的迁移率远低于电子的迁移率，p型半导体层的电导率低。由此，平衡态下电子的分布密度朝向p型半导体层偏移，如以“I”标记的曲线所示。这一现象可以轻易在氮化物基半导体LED中发生。由此，光未由有源区的整个区域发射，而是由与p型半导体层的边界发射。结果，内量子效率(internal quantum efficiency)降低，其劣化了光输出。

此处，当根据本发明的方法周期性施加反向电压时，如图7中以“II”标记的曲线所示，与脉动电流不包括反向电压的情况相比，平衡态下电子的分布密度朝向n型半导体层移动。这是因为，由于施加于n型半导体层的正电压，电子无法朝向p型半导体层移动，而被吸引向n型半导体层。由此，与脉动电流不包括反向电压的情况相比，光自有源区的整个区域均匀地发射。结果，内量子效率提高，其改善了光输出。

图8A至8C示出能带，用于以QCSE模型说明本发明的原理。在图7中，能带被水平示出。然而，如图8A所示，由于内应力和正向电压导致的自发极化效应(SPE)，能带由n型半导体层朝p型半导体层大量倾斜。在此情况下，在向n型半导体层施加(-)电压并向p型半导体层施加(+)电压时，发生以下现象。如图8A所示，越过n型半导体层的电子位于量子阱的最下部。类似地，越过p型半导体层的空穴位于量子阱的最上部。于是，电子行进而与空穴复合的距离变得更长，由此在电子与空穴之间出现局部分离。此现象称作“斯塔克效应(stark effect)”。结果，电子与空穴的复合变得困难，其降低了有源层的内量子效率并劣化了光输出。

在此状态下，当向n型半导体层施加(+)电压并向p型半导体层施加(-)电压时，如图8B所示，量子阱底部变水平。由此，在周期性施加反向电压时，部分减小了斯塔克效应。结果，电子摆脱量子阱，其允许有源层的内量子效率提高并改善光输出。

根据电子密度变化模型和QCSE模型的原理，本发明光输出增长率随正向电压的增加而减小的原因可以由图6的试验结果说明。首先，根据QCSE模型，由n型半导体层转移到有源层的电子数量随着电压增大而增大。如图8C所示，于是更大数量的电子存在于有源层的量子阱中。结果，由量子阱最低部电子位置产生的斯塔克效应几乎被抵销，其产生了与量子阱底部变水平几乎相同的效果。另外，根据电子密度变化模型，当由n型半导体层转移到有源层的电子数量增大时，将被反向电压移动的电子的数量增大。由此，图7的Δx的大小变得更小。因此，不能充分改善光输出。

另外，根据电子密度变化模型和QCSE模型的原理，可以适当地解释以下实验的结果。

图9为示出半导体LED的光输出相对于反向电压大小的变化的曲线图。此处，正向电压的大小固定为3V，脉动电流的频率为1MHz，脉动电流的占空比为50％。半导体LED的光输出通过将反向电压的大小由0V变化至-5V而测量。结果，由图9可见，半导体LED的光输出随着反向电压的大小的增大而增大。根据电子密度变化模型，反向电压大小的增大使得朝向n型半导体层作用在电子上的力增大。由此，电子的分布密度朝向有源层的中心移动。结果，光进一步由有源层的整个区域均匀射出，其改善了光输出。另外，根据QCSE模型，随着反向电压增大，量子阱底部变得更水平。由此，斯塔克效应的减小幅度增大。结果，可以改善有源层的内量子效率和光输出。

如上所述，半导体LED的光输出随着反向电压大小的增大而增大。由此，根据本发明，大于至少0.1V的反向电压得以周期性地施加，从而增大半导体LED的光输出。另外，如图6所示，光输出的增长率随正向电压的增大而减小。于是，在此情况下，反向电压绝对值的大小可以设置为大于正向电压绝对值的大小，从而克服光输出增长率的减小。然而，反向电压的大小不得大于半导体LED的击穿电压。由于半导体LED的击穿电压通常为约-20V，所以最大反向电压可以为约-20V。

图10为曲线图，示出在脉动电流包括反向电压或不包括反向电压时，半导体LED的光输出相对于脉动电流频率变化的变化。此处，以“○”标记的曲线表示脉动电流包括-3V反向电压时的光输出，以“□”标记的曲线表示脉动电流不包括反向电压(最小电压为0V)时的光输出。正向电压固定为3.1V，占空比为50％。如图10所示，当脉动电流频率为1KHz时，半导体LED的光输出仅增大一点。然而，光输出的增长率随脉动电流频率的增大而增大。这种现象可以用以下原因来说明，该原因是在一个周期变得更长时有源层中电子分布的重排变得与一般的DC等同。

图11为曲线图，示出在脉动电流包括反向电压或不包括反向电压时，半导体LED的光输出相对于脉动电流占空比的变化。此处，以“○”标记的曲线表示脉动电流包括-3V反向电压时的光输出，以“□”标记的曲线表示脉动电流不包括反向电压(最小电压为0V)时的光输出。正向电压固定为3.1V，脉动电流的频率为1MHz。由图11可见，在占空比较小时，光输出的增长率增大。在占空比较大时，光输出的增长率减小。当占空比增大时，在一个周期期间，正向电流的量增大，而反向电流的量减小。因此，当占空比大时，由n型半导体层向有源层转移的电子数量增大，但n型半导体层中电子再分布从而在有源层中均匀分布电子所需的时间不充足。然而，当占空比小时，由n型半导体层向有源层转移的电子数量较小，n型半导体层中电子再分布从而在有源层中均匀分布电子所需的时间充足。结果，光输出极大增加。因此，施加于半导体LED的脉动电流的占空比优选在10％至90％的范围内。

已经详细介绍了本发明的原理和根据本发明原理的半导体LED光输出的增大。根据详细介绍，在本发明中，光输出可以在不改变半导体LED结构的情况下极大地增大。然而，在向半导体LED施加反向电压时不发光。由此，在总时间上光输出可被视作下降。

图12示出本发明半导体LED的驱动单元。如图12所示，半导体LED的驱动单元包括至少两个半导体LED，即第一和第二半导体LED D1和D2，且包括电压施加单元，其向两个半导体LED施加其中正向电压与反向电压交替的脉动电流。此处，两个LED并联连接，使得其极性方向彼此相反。

在此结构中，在电压施加单元产生正电压时，第一半导体LED D1发光。此处，向第二半导体LED D2施加反向电压，于是有源层中的电子重排。根据QCSE模型，有源层中的量子阱变水平。其后，在电压施加单元产生负电压时，第二半导体LED D2发光。此处，向第一半导体LED D1施加反向电压，由此有源层中的电子再布置。类似地，根据QCSE模型，有源层中的量子阱变水平。在本发明的驱动单元中，两半导体LED交替发光。由此，在整个时间上，光输出增大。然而，在此情况下，优选正向电压具有与反向电压相同的大小，占空比为50％，使得两个半导体LED产生相同的光输出。

如上所述，在使用脉动电流增大半导体LED光输出的方法和使用该方法的半导体LED的驱动单元中，根据本发明，当施加相同的电流时，可以极大地增大光输出而不根本上改变半导体LED的结构。由此，使用施加根据本发明的电压的方法可明显改善半导体LED的发光效率。另外，与持续流过连续电流的情况相比，半导体LED周期性关闭。由此，降低了由半导体LED产生的热量。结果，可以极大改善半导体LED的稳定性。

另外，由于向半导体LED施加脉动电流，所以在使用家用AC时，无需使用交流(AC)-DC转换器。另外，由半导体LED产生的热量小。由此，在半导体LED应用于大容量显示装置的情况下，可以获得更高的发光效率。

已经主要介绍了诸如LED的半导体LED，但本发明的原理还可应用于固态发光技术。

虽然已参照本发明的示例性实施例具体示出和介绍了本发明，但是本领域技术人员应理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的实质和范围的基础上对其形式和细节进行各种改动。