專(zhuān)利名稱：發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光裝置，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種通過(guò)將III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件和熒光材料相結(jié)合而制成的，并且能夠通過(guò)熒光材料將發(fā)光元件發(fā)出的一部分光轉(zhuǎn)化后發(fā)射的發(fā)光裝置。
背景技術(shù)：
在有人提出的發(fā)光裝置中，利用熒光材料改變發(fā)光元件發(fā)出的一部分光的波長(zhǎng)，將已經(jīng)進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的光和發(fā)光元件發(fā)出的光混合，從而能夠發(fā)射顏色不同于發(fā)光元件本身光色的光。例如，一種發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)是將藍(lán)色熒光的發(fā)光元件和受藍(lán)光激發(fā)的熒光材料結(jié)合，以發(fā)射波長(zhǎng)比藍(lán)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光。
上述現(xiàn)存的發(fā)光裝置使用藍(lán)光，即，用可見(jiàn)區(qū)的光作為熒光材料的激發(fā)光。此處的熒光材料的激發(fā)效率或發(fā)射效率隨激發(fā)光波長(zhǎng)的不同而不同。一般來(lái)說(shuō)，在用可見(jiàn)區(qū)的光作為激發(fā)光的情況下，激發(fā)效率下降。因此，上述發(fā)光裝置的熒光材料的激發(fā)效率低，并且不能高效率地轉(zhuǎn)變發(fā)光元件發(fā)出的光波長(zhǎng)并將其發(fā)射出去。因?yàn)闊晒獠牧系募ぐl(fā)效率低，所以發(fā)光元件的藍(lán)光損失很大，熒光材料不能改變波長(zhǎng)，已進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變并輻射到外面的藍(lán)光的量更少。正如在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所看到的那樣，不僅通過(guò)轉(zhuǎn)變發(fā)光元件發(fā)出的光波長(zhǎng)得到的光的量降低，而且從發(fā)光元件發(fā)出并直接發(fā)射到外面的光的量也降低。結(jié)果從整體上降低了發(fā)光裝置的發(fā)光量(亮度)。
本發(fā)明就是為了解決上述問(wèn)題，因此，本發(fā)明的目的是提供一種使用單光源(發(fā)光元件)并且能夠高效率地發(fā)射顏色不同于發(fā)光元件本身發(fā)光色的光的發(fā)光裝置。特別是，本發(fā)明提供了能夠高效率地發(fā)射白光或帶有兩種或多種波長(zhǎng)的光的混合光色的光的發(fā)光裝置。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的發(fā)明人對(duì)用III族氮化物半導(dǎo)體作為發(fā)光層材料的發(fā)光元件的各種改進(jìn)方案進(jìn)行了廣泛研究，開(kāi)發(fā)出能夠發(fā)射發(fā)光峰的波長(zhǎng)在紫外區(qū)的光和發(fā)光峰的波長(zhǎng)在可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光元件。本發(fā)明基于上述研究，開(kāi)發(fā)出下述結(jié)構(gòu)。即，一種發(fā)光裝置，其具有發(fā)光元件，其包括III族氮化物半導(dǎo)體，還具有能夠發(fā)射發(fā)光峰的波長(zhǎng)在紫外區(qū)的光和發(fā)光峰的波長(zhǎng)在可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光層，和被紫外區(qū)的光激發(fā)后能夠發(fā)射波長(zhǎng)不同于激發(fā)光波長(zhǎng)的光的熒光材料。
在上述發(fā)光裝置中，熒光材料受到發(fā)光元件發(fā)射的紫外區(qū)的光激發(fā)并發(fā)光，這種發(fā)射的光和發(fā)光元件發(fā)射的可見(jiàn)區(qū)的光混合并發(fā)射到外面。在本發(fā)明中，因?yàn)榘l(fā)光元件發(fā)射的紫外區(qū)的光用于激發(fā)熒光材料，所以能夠高效率地激發(fā)熒光材料，可以從熒光材料得到高亮度的發(fā)射光。另一方面，發(fā)光元件釋放出可見(jiàn)區(qū)的光，這種光不會(huì)被熒光材料吸收，而是發(fā)射到外面。因此，發(fā)光元件發(fā)射的可見(jiàn)區(qū)的光可以沒(méi)有損失地用作釋放到外面的光。
如上所述，在使用能夠發(fā)射紫外區(qū)的光和可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光元件并且利用紫外區(qū)的光激發(fā)熒光材料的結(jié)構(gòu)中，從熒光材料可以得到高亮度的發(fā)射光，同時(shí)，發(fā)光元件發(fā)射的光的損失受到抑制。即，本發(fā)明提供的發(fā)光裝置高效率地利用發(fā)光元件發(fā)射的光，并且具有很高的發(fā)射效率。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是示出作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的白光LED1的結(jié)構(gòu)的視圖；圖2是示出LED1中使用的發(fā)光元件10的結(jié)構(gòu)的視圖；圖3是示出發(fā)光元件10的發(fā)光光譜的座標(biāo)圖；圖4是示出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的發(fā)光裝置中使用的發(fā)光元件60的結(jié)構(gòu)的視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的發(fā)光元件具有發(fā)光層，發(fā)光層包括III族氮化物半導(dǎo)體，能夠發(fā)射發(fā)光峰的波長(zhǎng)在紫外區(qū)的光和發(fā)光峰的波長(zhǎng)在可見(jiàn)區(qū)的光。即，至于發(fā)光波長(zhǎng)，發(fā)光元件使用的發(fā)光層分別在紫外區(qū)至少有一個(gè)發(fā)光峰和在可見(jiàn)區(qū)至少有一個(gè)發(fā)光峰。只要發(fā)光層滿足這個(gè)條件，就可以使用例如在紫外區(qū)有兩個(gè)或更多個(gè)發(fā)光峰的發(fā)光層，并且可以使用在可見(jiàn)區(qū)有兩個(gè)或更多個(gè)以上發(fā)光峰的發(fā)光層。
紫外區(qū)的光必須能夠激發(fā)下述熒光材料，這種光優(yōu)選具有能夠高效率地激發(fā)熒光材料的波長(zhǎng)。因此，優(yōu)選地是，這種光的發(fā)光峰波長(zhǎng)鄰近熒光材料的激發(fā)波長(zhǎng)，更優(yōu)選地是，這種光的單一發(fā)光峰波長(zhǎng)鄰近熒光材料的激發(fā)波長(zhǎng)。例如，紫外區(qū)的光的發(fā)光峰是360nm或更小，特別是340-360nm。
可見(jiàn)區(qū)的光和下述熒光材料發(fā)射的光混合后釋放出來(lái)。即，在本發(fā)明的發(fā)光裝置中，發(fā)射具有發(fā)光元件的發(fā)光層發(fā)射的可見(jiàn)區(qū)的光和熒光材料發(fā)射的光的混合色的光。因此，考慮熒光材料發(fā)射的光色(波長(zhǎng))和發(fā)光裝置發(fā)射的光色(波長(zhǎng))，可以正確選擇可見(jiàn)區(qū)的光色(波長(zhǎng))。換句話說(shuō)，通過(guò)改變可見(jiàn)區(qū)的光色(波長(zhǎng))，可以改變發(fā)光裝置的發(fā)光色。
具體來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光峰波長(zhǎng)可以是430-560nm，另外，發(fā)光峰波長(zhǎng)可以是450-490nm?？梢?jiàn)區(qū)的光具有藍(lán)色。并且如果用發(fā)出光色為黃色或黃綠色的光的熒光材料，可以建構(gòu)發(fā)射白光的發(fā)光裝置。
用III族氮化物半導(dǎo)體材料形成發(fā)光層。在本申請(qǐng)中，III族氮化物半導(dǎo)體用通式為AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)的四元化合物表示，還包括所謂的的二元化合物如AlN、GaN和InN及所謂的三元化合物如AlXGa1-XN、AlXIn1-XN和GaXIn1-XN(0＜X＜1)。III族元素可以部分地被硼(B)或鉈(Tl)等取代，氮(N)可以部分地被磷(P)、砷(As)、銻(Sb)或鉍(Bi)等取代。另外，發(fā)光層可以含有任選的摻雜劑。
用四元化合物形成發(fā)光層的一個(gè)例子中，發(fā)光層具有由AlX1Ga1-X1-X2InX2N(0＜X1＜1，0＜X2＜1，X1＞X2)構(gòu)成的區(qū)域和由AlY1Ga1-Y1-Y2InY2N(0＜Y1＜1，0＜Y2＜1，Y1＜Y2)構(gòu)成的區(qū)域。因?yàn)榍耙粋€(gè)區(qū)域含有很多Al，所以帶隙較大，該區(qū)域能夠發(fā)射紫外區(qū)的較短發(fā)光波長(zhǎng)的光。另一方面，因?yàn)楹笠粋€(gè)區(qū)域的組成中含有很多In，所以帶隙較小，該區(qū)域能夠發(fā)射可見(jiàn)區(qū)的較長(zhǎng)發(fā)光波長(zhǎng)的光。這兩個(gè)區(qū)域都要在混合晶體條件下形成在一個(gè)層內(nèi)。如果用三元化合物形成發(fā)光層，則可以采用具有能夠發(fā)射紫外區(qū)的光的AlXGa1-XN(0≤X≤1)的區(qū)域和能夠發(fā)射可見(jiàn)區(qū)的光的InYGa1-YN(0≤Y≤1)的區(qū)域。在這種情況下，也要求這兩個(gè)區(qū)域在混合晶體狀態(tài)下形成在一個(gè)層內(nèi)。
例如，上述發(fā)光層可以通過(guò)下面將例示的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(下面稱為“MOCVD法”)形成。一般來(lái)說(shuō)，為了用MOCVD法形成III族氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光層，在加熱到預(yù)定溫度的MOCVD裝置中加入氨氣和III族元素烷基化合物氣體，如三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁(TMA)或三甲基銦(TMI)，然后進(jìn)行熱分解反應(yīng)。通過(guò)調(diào)整發(fā)光層的生長(zhǎng)條件，如，生長(zhǎng)溫度、氨氣流速、烷基化合物氣體的百分比例和流速、氨氣和烷基化合物氣體的流速比和生長(zhǎng)速度，則可以形成由上述混合晶體構(gòu)成的發(fā)光層。
根據(jù)發(fā)明人的研究，在下述條件下供入的原料氣的比例范圍為T(mén)MG∶TMA∶TMI＝1∶0.01∶0.05-1∶0.5∶10，氨氣∶III族元素的原料氣(TMG、TMA、TMI)＝1000∶1-100000∶1，生長(zhǎng)溫度為600℃-1100℃，生長(zhǎng)速度為0.002-1μm/min，可以生長(zhǎng)由具有良好結(jié)晶性的AlX1Ga1-X1-X2InX2N(0＜X1＜1，0＜X2＜1，X1＞X2)和AlY1Ga1-Y1-Y2InY2N(0＜Y1＜1，0＜Y2＜1，Y1＜Y2)的混合晶體構(gòu)成的發(fā)光層。發(fā)光層優(yōu)選在下述條件下生長(zhǎng)TMG∶TMA∶TMI＝1∶0.02∶0.4-1∶0.2∶2，氨氣∶III族元素的原料氣(TMG、TMA、TMI)＝5000∶1-80000∶1，生長(zhǎng)溫度為700℃-900℃，生長(zhǎng)速度為0.01-1μm/min。
通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)光層的生長(zhǎng)條件，可以形成AlX1Ga1-X1-X2InX2N(0＜X1＜1，0＜X2＜1，X1＞X2)和AlY1Ga1-Y1-Y2InY2N(0＜Y1＜1，0＜Y2＜1，Y1＜Y2)之比的范圍不同的發(fā)光層。類(lèi)似地，在用三元化合物形成發(fā)光層的情況下，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)條件可以形成AlXGa1-XN(0≤X≤1)和InYGa1-YN(0≤Y≤1)之比的范圍不同的發(fā)光層。
發(fā)光層的結(jié)構(gòu)沒(méi)有特別限定，但是可以使用單量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)或多量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)。
發(fā)光層的形成方法并不限于MOCVD法，可以使用已熟知的分子束外延生長(zhǎng)法(MBE法，也稱為分子束結(jié)晶生長(zhǎng)法)、鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法(HVPE法)、濺射法、離子電鍍法或電子簇射法來(lái)制備發(fā)光層。
熒光材料受到發(fā)光元件發(fā)射的紫外區(qū)的光激發(fā)后發(fā)射波長(zhǎng)不同于激發(fā)光波長(zhǎng)的光。因此，如果一種熒光材料能夠被發(fā)光元件發(fā)射的紫外區(qū)的光激發(fā)，則可以用作本發(fā)明的熒光材料。例如，選自下述材料的任何材料可以單獨(dú)使用，也可以兩種或多種結(jié)合使用ZnS:Cu，Al；(Zn，Cd)S:Cu，Al；ZnS:Cu，Au，Al；Y2SiO5:Tb，(Zn，Cd)S:Cu；Gd2O2S:Tb，Y2O2S:Tb；Y3Al5O12:Ce；(Zn，Cd)S:Ag；ZnS:Ag，Cu，Ga，Cl；Y3Al5O12:Tb；Y3(Al，Ga)5O12:Tb；Zn2SiO4:Mn；LaPO4:Ce，Tb；Y2O3S:Eu；YVO4:Eu；ZnS:Mn；Y2O3:Eu；ZnS:Ag；ZnS:Ag，Al；(Sr，Ca，Ba，Mg)10(PO4)6C12:Eu；Sr10(PO4)6C12:Eu；(Ba，Sr，Eu)(Mg，Mn)Al10O17；(Ba，Eu)MgAl10O17，ZnO:Zn；Y2SiO5:Ce。
要求使用通過(guò)照射發(fā)光元件發(fā)射的激發(fā)光能夠發(fā)射高亮度光的熒光材料。熒光材料發(fā)射的光和發(fā)光元件發(fā)射的可見(jiàn)區(qū)的光混合后發(fā)射到外面。即，熒光材料的發(fā)光色是決定發(fā)光裝置整體發(fā)光色的一個(gè)因素。因此，對(duì)熒光材料的選擇是為了實(shí)現(xiàn)所需發(fā)光色的發(fā)光裝置。例如，在發(fā)光元件發(fā)射的可見(jiàn)光是藍(lán)色的情況下，通過(guò)采用發(fā)光色為黃色或黃綠色的熒光材料，則可以得到整體發(fā)白色的發(fā)光裝置。例如，作為發(fā)光色為黃色或黃綠色的熒光材料，可以得到的有ZnS:Cu，Al；(Zn，Cd)S:Cu，Al；ZnS:Cu，Au，Al；Y2SiO5:Tb，(Zn，Cd)S:Cu；Gd2O2S:Tb，Y2O2S:Tb；Y3Al5O12:Ce；(Zn，Cd)S:Ag；ZnS:Ag，Cu，Ga，Cl；Y3Al5O12:Tb；Y3(Al，Ga)5O12:Tb；Zn2SiO4:Mn；LaPO4:Ce，Tb。
順便提及，熒光材料的激發(fā)光波長(zhǎng)也可能等于發(fā)光元件發(fā)射的可見(jiàn)光的波長(zhǎng)。
還可以將受到發(fā)光元件發(fā)射的可見(jiàn)光激發(fā)后能夠發(fā)射波長(zhǎng)不同于激發(fā)光波長(zhǎng)的光的熒光材料(第二種熒光材料)和上述熒光材料結(jié)合。從而用第二種熒光材料的發(fā)光補(bǔ)償發(fā)光裝置的發(fā)光色。
眾所周知，當(dāng)用紫外區(qū)的光照射摻有n型雜質(zhì)如Si、S、Se、Te或Ge的n型GaN層時(shí)，則發(fā)黃光。利用n型GaN層得到的發(fā)光，可以補(bǔ)償本發(fā)明的發(fā)光裝置的發(fā)光色。另外，在用n型GaN層可以得到高亮度發(fā)光的情況下，如果利用這樣的發(fā)光，則可以不使用上述熒光材料，通過(guò)n型GaN層發(fā)出的光色與發(fā)光元件發(fā)射的可見(jiàn)光色的混合物得到發(fā)光裝置的發(fā)光。當(dāng)然，在這種情況下也可以一起使用上述熒光材料。
熒光材料放置在能夠發(fā)射發(fā)光元件的發(fā)光方向上。熒光材料需要分散在光透過(guò)性材料中使用。在這種情況下，為了將發(fā)光元件發(fā)射的光有效地照射到熒光材料上，發(fā)光裝置優(yōu)選具有利用分散有熒光材料的光透過(guò)性材料(下面稱為“熒光材料”)掩蔽發(fā)光元件的光發(fā)射方向的結(jié)構(gòu)。例如，熒光材料在發(fā)光元件表面上可以形成層狀。正如下述實(shí)施方案所示的那樣，當(dāng)將發(fā)光元件安裝在引線框架等的杯狀部位上時(shí)，熒光材料可以充填在該杯狀部位中。還可以用熒光材料作為密封部件，即，可以利用熒光材料密封包括發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)。
作為光透過(guò)性材料，可以使用環(huán)氧樹(shù)脂、硅酮樹(shù)脂、尿素樹(shù)脂或玻璃。這些材料當(dāng)然可以單獨(dú)使用，也可以將兩種以上的上述材料任意組合使用。
根據(jù)其用途或使用條件，可以改變熒光材料在光透過(guò)性材料中的密度分布。即，隨著向發(fā)光元件的靠近，熒光材料的量連續(xù)或逐步變化。例如，在接近發(fā)光元件的零件中，熒光材料的密度可較大。采用這種結(jié)構(gòu)，能夠?qū)l(fā)光元件發(fā)出的光有效地照射到熒光材料上。越靠近發(fā)光元件，熒光材料的密度可較小，從而能夠抑制由于發(fā)光元件中生成的熱量對(duì)熒光材料的損壞。
在熒光材料和發(fā)光元件之間，可以設(shè)置光透過(guò)性材料或空間。
如果使用在發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過(guò)熒光材料的結(jié)構(gòu)(紫外區(qū)的光激發(fā)熒光材料并使之發(fā)光)，發(fā)光元件發(fā)出的可見(jiàn)區(qū)的光和熒光材料發(fā)出的光自動(dòng)混合。但是，混合物并不限于該實(shí)施方案。例如，熒光材料象島嶼一樣排列在發(fā)光元件周?chē)?。同時(shí)，發(fā)光元件發(fā)出的紫外區(qū)的光照射到熒光材料上，可見(jiàn)區(qū)的光穿經(jīng)這些熒光材料島嶼之間，使發(fā)光元件發(fā)出的可見(jiàn)區(qū)的光和熒光材料發(fā)出的光可以在密封部件內(nèi)混合。在上述情況下，熒光材料和發(fā)光元件聯(lián)合構(gòu)成發(fā)光裝置，但是，發(fā)光裝置可以由獨(dú)立于發(fā)光元件的熒光材料的各個(gè)個(gè)體構(gòu)成。例如，LED是用具有上述結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件構(gòu)成，并且和光透過(guò)性材料(含熒光材料的光導(dǎo)膜或管底)結(jié)合來(lái)制成發(fā)光裝置。
本發(fā)明的發(fā)光裝置可以單獨(dú)地用作自身發(fā)射白光的光源。還可以假定將這種裝置用于顯示高密度和高精度白光的發(fā)光二極管顯示器(下面稱為“LED顯示器”)。在傳統(tǒng)的能夠全色顯示的LED顯示器中，各種R、G、B的LED相結(jié)合，形成一個(gè)像素，這些中的每一個(gè)發(fā)出后將每一個(gè)LED的光混合，產(chǎn)生白色發(fā)光。即，對(duì)于白色顯示器來(lái)說(shuō)，需要三個(gè)LED發(fā)光，與單色發(fā)光如綠、紅等顏色光相比較，顯示區(qū)擴(kuò)大，因此白色不能夠象綠色等那樣高精度地進(jìn)行顯示。
本發(fā)明的發(fā)光裝置可以單獨(dú)地發(fā)出白光。因此，通過(guò)對(duì)于各個(gè)RGB的LED另外使用本發(fā)明發(fā)光裝置，可以象綠光或紅光發(fā)光一樣高密度和高精度地進(jìn)行白光顯示。另外，本發(fā)明的發(fā)光裝置還具有通過(guò)控制一個(gè)發(fā)光元件的發(fā)光狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)白色顯示器的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗荒芟髠鹘y(tǒng)的發(fā)光裝置那樣通過(guò)各個(gè)RGB的LED發(fā)出的各種顏色的光的混合物進(jìn)行白色顯示，所以目視色不隨視角而改變，并且顏色的不均勻性降低。另外，當(dāng)其與各個(gè)RGB的LED一起使用時(shí)，當(dāng)通過(guò)RGB顏色的混合物進(jìn)行白色顯示和通過(guò)本發(fā)明的發(fā)光裝置發(fā)光的白色顯示同時(shí)進(jìn)行時(shí)，可以提高白色顯示器的光強(qiáng)度和亮度。
下面用本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的發(fā)光裝置(LED)作為實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
圖1是示出作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的白光LED1的結(jié)構(gòu)的視圖。
圖2是LED1中使用的發(fā)光元件10的橫截面圖。
下面說(shuō)明發(fā)光元件10的各個(gè)層。
層組成摻雜劑透光電極18Au/Co第一個(gè)p型層17p-AlGaNMg第二個(gè)p型層16p-AlGaNMg包括發(fā)光層的層15多量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)量子勢(shì)阱層AlInGaN阻擋層GaN第二個(gè)n型層14n-AlGaNSi
第一個(gè)n型層13n-GaNSi緩沖層12AlN襯底11藍(lán)寶石只要能夠生長(zhǎng)III族氮化物半導(dǎo)體層，則對(duì)制成襯底11的材料沒(méi)有特別限定，除藍(lán)寶石外，還可以使用尖晶石、硅酮、金剛砂、氧化鋅、磷化鎵、砷化鎵、氧化鎂、氧化錳或III族氮化物半導(dǎo)體的單晶體。如果使用藍(lán)寶石襯底，則優(yōu)選使用其a面。
緩沖層12用于生長(zhǎng)高質(zhì)量的半導(dǎo)體層，用已知的MOVCD法等形成在襯底11的表面上。在該實(shí)施方案中，用AlN作為緩沖層，但是本發(fā)明并不限于此，可得到的材料有二元化合物如GaN和InN、一般用通式AlXGaYN(0＜X＜1，0＜Y＜1，X+Y＝1)表示的III族氮化物半導(dǎo)體(三元化合物)及一般用通式AlaGabIn1-a-bN(0＜a＜1，0＜b＜1，a+b＜1)表示的III族氮化物半導(dǎo)體(四元化合物)。
各個(gè)半導(dǎo)體層是用已知的MOVCD法形成的。在該生長(zhǎng)方法中，將氨氣和III族烷基化合物氣體如三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁(TMA)或三甲基銦(TMI)供料到加熱到合適溫度的襯底上并進(jìn)行熱分解反應(yīng)，從而在緩沖層12上生長(zhǎng)所需晶體。當(dāng)然，各個(gè)半導(dǎo)體層的形成方法并不限于此，可以使用各種公知方法如分子束外延生長(zhǎng)法(MBE法)、鹵化物氣相外延生長(zhǎng)法(HVPE法)、濺射法、離子電鍍法或電子簇射法。III族氮化物半導(dǎo)體可以包括任選的摻雜劑。作為n型雜質(zhì)，可以使用Si、Ge、Se、Te或C，作為p型雜質(zhì)，可以使用Mg、Zn、Be、Ca、Sr或Ba。摻雜p型雜質(zhì)后，III族氮化物半導(dǎo)體可以在電子束的照射、等離子體照射下或通過(guò)爐加熱進(jìn)行曝光。
在該實(shí)施方案中，用下述方法形成包括發(fā)光層的層15。首先，襯底的溫度設(shè)定為830℃，將TMG和氨氣供應(yīng)到MOCVD裝置內(nèi)，從而形成阻擋層(GaN)。然后在保持襯底溫度的同時(shí)用氨氣、TMG、TMA和TMI的原料氣形成量子勢(shì)阱層(AlInGaN)。將上述操作重復(fù)預(yù)定次數(shù)，可以得到與預(yù)定層數(shù)的阻擋層和預(yù)定層數(shù)的量子勢(shì)阱層疊加的包括發(fā)光層的層15。
發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)可以是單異質(zhì)型、雙異質(zhì)型和均結(jié)型。
為了防止射入包括發(fā)光層的層15中的電子擴(kuò)散，可以在包括發(fā)光層的層15和p覆蓋層16之間插入摻雜有受體如鎂且具有寬帶隙的AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)層。
n電極20由Al和V兩層構(gòu)成，形成p接觸層17后，通過(guò)蝕刻部分地除去p接觸層17、p覆蓋層16、包括發(fā)光層的層15、n覆蓋層14和n接觸層13的一部分，然后通過(guò)氣相沉積在n接觸層13上形成n電極20。
透光電極18是包括金的薄膜，基本上形成在p接觸層17的整個(gè)上表面上。通過(guò)氣相沉積在半透明電極18上形成p電極19。
經(jīng)過(guò)上述工序后，將襯底分成每一個(gè)芯片。測(cè)定得到的發(fā)光元件10的發(fā)光光譜。圖3示出施加電壓為3.4V、直流電流為20mA的測(cè)量結(jié)果。如圖3所示，可以觀察到在330nm和470nm的波長(zhǎng)附近有兩個(gè)發(fā)光峰。
在包括發(fā)光層的襯底15和襯底11之間，或者在襯底11的沒(méi)有形成半導(dǎo)體層的面上，可以設(shè)置反射層，從而能夠有效地反射包括發(fā)光層的層15中產(chǎn)生的光，并且將光導(dǎo)向吸光方向的襯底側(cè)。結(jié)果可以改善發(fā)光效率。金屬氮化物如氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿和氮化鉭，單一金屬如Al、In、Cu、AgI、Pt、Ir、Pd、Rh、W、Mo、Ti和Ni或任意選自它們的至少兩種金屬的合金可以用作反射層的復(fù)合材料。
下面，按照下述方法利用發(fā)光元件10制備LED1。
首先，銀糊粘結(jié)劑22將發(fā)光元件10安裝在形成于引線框架30中的杯狀部位33中，所述銀糊粘結(jié)劑22是通過(guò)將銀作為填料混入環(huán)氧樹(shù)脂中制得的。使用這樣的銀糊可以使熱量從發(fā)光元件10中平穩(wěn)輻射。
杯狀部位33中裝填有和熒光材料36一起均勻分散的環(huán)氧樹(shù)脂35(后面稱為“熒光材料樹(shù)脂”)。可以在下述的引線結(jié)合后將熒光材料樹(shù)脂裝填到杯狀部位33中。另外，發(fā)光元件10也可以在安裝到杯狀部位33中之前形成在由熒光材料樹(shù)脂構(gòu)成的層表面上。例如，將發(fā)光元件10浸泡在熒光材料樹(shù)脂中，熒光材料樹(shù)脂層形成在發(fā)光元件10的表面上，然后利用銀糊將發(fā)光元件10安裝在杯狀部位33中。除浸泡外，形成熒光材料樹(shù)脂層的方式還包括濺射法、涂布法或涂裝法。
對(duì)于熒光材料36來(lái)說(shuō)，可以使用ZnS:Cu、Au和Al(商標(biāo)為P22-GY，Kasei Optnics Co.，Ltd生產(chǎn)，發(fā)光峰535nm)。在該實(shí)施方案中，用環(huán)氧樹(shù)脂作為分散熒光材料36的基礎(chǔ)材料，但是并不限于此，可以使用硅酮樹(shù)脂、尿素樹(shù)脂或透明材料如玻璃。該實(shí)施方案具有將熒光材料36均勻分散在熒光材料樹(shù)脂35中的結(jié)構(gòu)，在熒光材料樹(shù)脂35中，熒光材料36的密度分布可以分級(jí)。例如，通過(guò)使用熒光材料36的密度不同的環(huán)氧樹(shù)脂，可以在杯狀部位33中形成多個(gè)熒光材料36的密度不同的熒光材料樹(shù)脂層。熒光材料36的密度可以連續(xù)變化。
熒光材料樹(shù)脂35可以含有由氧化鈦、氮化鈦、氮化鉭、氧化鋁、氧化硅或鈦酸鋇組成的分散劑。
通過(guò)在下述的密封樹(shù)脂50中含有熒光材料，熒光材料樹(shù)脂35可以省略。即，在這種情況下，杯狀部位33中也充填有密封樹(shù)脂50。另外，與熒光材料樹(shù)脂35類(lèi)似，熒光材料36的密度分布也可以分級(jí)。
p電極19和n電極20分別通過(guò)引線41和40與引線框架31和30進(jìn)行引線結(jié)合。
然后用環(huán)氧樹(shù)脂的密封樹(shù)脂50將發(fā)光元件10、引線框架30、31的一部分和引線40、41密封。只要密封樹(shù)脂50的材料是透明的，就沒(méi)有什么特別限定，除環(huán)氧樹(shù)脂外，可以適當(dāng)使用硅酮樹(shù)脂、尿素樹(shù)脂或玻璃?？紤]到和熒光材料樹(shù)脂35的粘結(jié)性或熒光材料樹(shù)脂35的折射率，密封樹(shù)脂優(yōu)選由與熒光材料樹(shù)脂35相同的材料構(gòu)成。
使用密封樹(shù)脂50的目的是保護(hù)元件結(jié)構(gòu)。通過(guò)根據(jù)用途改變密封樹(shù)脂50的形狀，密封樹(shù)脂50可被賦予透鏡效果。例如，如果不是圖1所示的圓形，則密封樹(shù)脂可以加工成凹透鏡或凸透鏡。從光入射的方向看(圖1的上側(cè))，密封樹(shù)脂50的形狀可以是圓形、橢圓形或矩形。
不僅僅在省略熒光材料樹(shù)脂35的情況下，密封樹(shù)脂50的內(nèi)部可以分散有熒光材料36。另外，當(dāng)密封樹(shù)脂中分散有另一種與上述熒光材料36不同的熒光材料，利用這樣的另一種熒光材料，可以補(bǔ)償LED1的發(fā)光色，并且可以變化發(fā)光色。
另外，密封樹(shù)脂50中可以含有分散劑。通過(guò)使用分散劑可以調(diào)制發(fā)光元件10發(fā)出的光的方向性。作為分散劑，可以使用氧化鈦、氮化鈦、氮化鉭、氧化鋁、氧化硅或鈦酸鋇。
密封樹(shù)脂50中可以含有著色劑，其用途是當(dāng)發(fā)光元件10開(kāi)或關(guān)時(shí)避免熒光材料顯示特殊的顏色。
另外，通過(guò)在密封樹(shù)脂50中含有紫外線吸收劑，可以延長(zhǎng)其壽命。
密封樹(shù)脂50中可以單獨(dú)地含有熒光材料36、分散劑、著色劑和紫外線吸收劑中的一種或者含有選自其中的兩種或多種。
其它發(fā)光元件可以和上述發(fā)光元件10一起使用。作為其它發(fā)光元件，可以使用其波長(zhǎng)不同于發(fā)光元件10的波長(zhǎng)的那些發(fā)光元件，優(yōu)選那些發(fā)光波長(zhǎng)基本上既不能激發(fā)熒光材料又不能使其發(fā)光的發(fā)光元件。通過(guò)使用這樣的其它發(fā)光元件，則發(fā)光裝置可以發(fā)射不是白色的另一種顏色光。此外，可以通過(guò)使用多個(gè)發(fā)光元件10提高亮度。
下面說(shuō)明本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案。圖4是示出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的發(fā)光裝置中使用的發(fā)光元件60的結(jié)構(gòu)的示意圖。在發(fā)光元件60中，與上述發(fā)光元件10相同的部件將使用相同的標(biāo)號(hào)，以省略對(duì)它們的解釋。
下面說(shuō)明發(fā)光元件60的各個(gè)層。
層組成摻雜劑透光電極18Au/Co第一個(gè)p型層17p-AlGaNMg第二個(gè)p型層16p-AlGaNMg包括發(fā)光層的層15多量子勢(shì)阱結(jié)構(gòu)量子勢(shì)阱層AlInGaN阻擋層GaN第二個(gè)n型層14n-AlGaNSi反射層70周期性結(jié)構(gòu)第一層71n-Al0.1Ga0.9NSi第二層72n-Al0.4Ga0.6NSi第一層和第二層的重復(fù)數(shù)1-70第一個(gè)n型層13n-GaNSi緩沖層12AlN襯底11藍(lán)寶石在發(fā)光元件60中，反射層70具有摻雜劑為Si的n-Al0.1Ga0.9N的第一反射層71和Al含量比第一反射層71高的摻雜劑為Si的n-Al0.4Ga0.6N的第二反射層72交替疊加的結(jié)構(gòu)。眾所周知，第一反射層71的折射率n1大于第二反射層72的折射率n2，即n1＞n2。至于膜厚，第一層71和第二反射層72的膜厚取決于含發(fā)光層的層中紫外區(qū)的發(fā)光峰波長(zhǎng)λ，基本上等于λ/4n1和λ/4n2。使用上述結(jié)構(gòu)的反射層時(shí)，包括發(fā)光層的層15中發(fā)生且射向n接觸層13側(cè)的紫外區(qū)的光在反射層70中反射。因?yàn)閚接觸層13一般吸收一部分波長(zhǎng)為360nm或更小的紫外區(qū)的光，所以一般來(lái)說(shuō)紫外區(qū)的光不能有效地照射到熒光材料上。但是，通過(guò)設(shè)置反射層70可以避免紫外區(qū)的光被吸收在n接觸層13中，通過(guò)反射包括發(fā)光層的層15中發(fā)生且射向透光電極18的光，可以使紫外區(qū)的光有效地照射到以朝向透光電極18的方向排列的熒光材料上。因此，從熒光材料可以得到高亮度的發(fā)光，所以可以提供高發(fā)光效率的發(fā)光裝置。
工業(yè)應(yīng)用性對(duì)于反射層70的材料來(lái)說(shuō)，可以使用AlXGa1-XN(0≤X≤1)，但除了用通式AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)表示的III族氮化物半導(dǎo)體外，還可以用下述物質(zhì)形成反射層半導(dǎo)體材料如SiXGe1-XC(0≤X≤1)、ZnXMg1-XSYSe1-Y(0≤X≤1，0≤Y≤1)和AlXGaYIn1-X-YAsZP1-Z(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，0≤X+Y≤1)，金屬氮化物如氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿和氮化鉭，或單一金屬如Al、In、Cu、AgI、Pt、Ir、Pd、Rh、W、Mo、Ti或Ni或任意選自它們的兩種或多種金屬的合金。另外，在該實(shí)施方案中，盡管疊加兩種折射率不同的層形成反射層，反射層可以由一種大折射率和大反射率的層中的一種組成，也可以是疊加多于三種的折射率不同的層的結(jié)構(gòu)。
前面已經(jīng)參照具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳述，但是對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，在不背離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下可以進(jìn)行各種變動(dòng)或改進(jìn)。
本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的基礎(chǔ)是2001年1月10日申請(qǐng)的日本專(zhuān)利申請(qǐng)(2001-003104)和2001年11月16日申請(qǐng)的日本專(zhuān)利申請(qǐng)(2001-352376)，此處引入這兩篇專(zhuān)利申請(qǐng)作為本申請(qǐng)的一部分加以參考。
上述實(shí)施方案不能限定本發(fā)明。只要不背離權(quán)利要求書(shū)，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員易于實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)對(duì)這些實(shí)施方案進(jìn)行的各種改動(dòng)都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
本發(fā)明公開(kāi)了下述幾個(gè)方面。
公開(kāi)了一種發(fā)光元件，該發(fā)光元件包括III族氮化物半導(dǎo)體，還具有能夠發(fā)射發(fā)光峰的波長(zhǎng)在紫外區(qū)和在可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光層。
紫外區(qū)的光的發(fā)光峰波長(zhǎng)設(shè)定為360nm或更小。另外，可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光峰波長(zhǎng)設(shè)定為430-560nm，或450-490nm。
可以采用具有AlX1Ga1-X1-X2InX2N(0＜X1＜1，0＜X2＜1，X1＞X2)的區(qū)域和AlY1Ga1-Y1-Y2InY2N(0＜Y1＜1，0＜Y2＜1，Y1＜Y2)的區(qū)域的發(fā)光層。在這種情況下，AlX1Ga1-X1-X2InX2N(0＜X1＜1，0＜X2＜1，X1＞X2)的區(qū)域和AlY1Ga1-Y1-Y2InY2N(0＜Y1＜1，0＜Y2＜1，Y1＜Y2)的區(qū)域可以形成在一個(gè)層內(nèi)。
另外，可以采用具有AlXGa1-XN(0≤X≤1)的區(qū)域和InYGa1-YN(0≤Y≤1)的區(qū)域的發(fā)光層。在這種情況下，AlXGa1-XN(0≤X≤1)的區(qū)域和InYGa1-YN(0≤Y≤1)的區(qū)域可以形成在一個(gè)層內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光裝置，其包括發(fā)光元件，其包括III族氮化物半導(dǎo)體，還具有能夠發(fā)射發(fā)光峰的波長(zhǎng)在紫外區(qū)的光和發(fā)光峰的波長(zhǎng)在可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光層；和被所說(shuō)的紫外區(qū)的光激發(fā)后能夠發(fā)射波長(zhǎng)不同于激發(fā)光波長(zhǎng)的光的熒光材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光裝置，其中，可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光峰波長(zhǎng)是430-560nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光裝置，其中，可見(jiàn)區(qū)的光的發(fā)光峰波長(zhǎng)是450-490nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光裝置，其中，發(fā)光層具有能夠發(fā)射紫外區(qū)的光的AlX1Ga1-X1-X2InX2N(0＜X1＜1，0＜X2＜1，X1＞X2)的區(qū)域和能夠發(fā)射可見(jiàn)區(qū)的光的AlY1Ga1-Y1-Y2InY2N(0＜Y1＜1，0＜Y2＜1，Y1＜Y2)的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)光裝置，其中，AlX1Ga1-X1-X2InX2N(0＜X1＜1，0＜X2＜1，X1＞X2)的區(qū)域和AlY1Ga1-Y1-Y2InY2N(0＜Y1＜1，0＜Y2＜1，Y1＜Y2)的區(qū)域形成在一個(gè)層內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光裝置，其中，發(fā)光層具有能夠發(fā)射紫外區(qū)的光的AlXGa1-XN(0≤X≤1)的區(qū)域和能夠發(fā)射可見(jiàn)區(qū)的光的InYGa1-YN(0≤Y≤1)的區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的發(fā)光裝置，其中，AlXGa1-XN(0≤X≤1)的區(qū)域和InYGa1-YN(0≤Y≤1)的區(qū)域形成在一個(gè)層內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光裝置，其中，發(fā)光元件發(fā)射的光和熒光材料發(fā)射的光混合后發(fā)射。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光裝置，其中，光發(fā)射方向被分散有熒光材料的光透過(guò)性材料掩蔽。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的發(fā)光裝置，其中，發(fā)光元件安裝在引線框架的杯狀部位上，而該杯狀部位中充填分散有熒光材料的光透過(guò)性材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光裝置，其中，紫外區(qū)的光的發(fā)光峰波長(zhǎng)是360nm或更小。
全文摘要
本發(fā)明提供的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具有包括AlGaInN的組成比不同的兩個(gè)層的發(fā)光層，該發(fā)光層能夠發(fā)射發(fā)光峰的波長(zhǎng)在紫外區(qū)的光和發(fā)光峰的波長(zhǎng)在可見(jiàn)區(qū)的光。這樣的發(fā)光元件和由紫外區(qū)的光激發(fā)的熒光材料結(jié)合，構(gòu)造成發(fā)光裝置。
文檔編號(hào)H01L27/15GK1484864SQ02803594
公開(kāi)日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2002年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月10日
發(fā)明者小澤隆弘, 柴田直樹(shù), 樹(shù) 申請(qǐng)人:豐田合成株式會(huì)社