发光二极管及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法，并且，特别涉及一种能够发射具有均匀的色彩分布的光的发光二极管及其制造方法。
背景技术
图1是发射白光的传统发光二极管的截面图。参照图1，蓝光二极管2位于导线框架1的内部，其中连接线3通过欧姆接触连接至其顶面并连接至导线框架1以提供电力。导线框架1的内部空间由荧光剂6填充，使得从蓝光二极管2发射的蓝光被转换成红光或绿光，或者然后通过与红或绿光混合而被转换成白光。
然而，此类传统蓝光二极管2不能发射均匀的白光分布，并且趋向于发射波长不同于白光的波长的光或带有黄或蓝色光环的圆锥形光。
已经提出了关于这个问题地各种解决方案。例如，根据美国专利No.5,813,753中的发光二极管，如图2所示，发光二极管11设置于杯形管座12中。镜子13形成在在管座12的内壁上，以反射由发光二极管发射的光。管座12的内部空间被填以透明材料15，透明材料15包括分散于发光二极管11周围的荧光剂颗粒14。玻璃板16被放置在管座12的顶上，以未由荧光剂颗粒14吸收的光发射到空气中。再将低通滤波器被放置在发光二极管11的前侧，以使短波长的光比长波长的光更有效地通过。
然而，在制造此类传统发光二极管中，很难控制发期望波段的光所需的荧光剂颗粒的量。包括荧光剂颗粒的透明材料应为每个单独的发光二极管沉淀。因此，在分开的发光二极管之间发生了严重的色差，并增加了制造时间。
EP O855 751 A2公开了一种发射红光和蓝光的有机/无机半导体发光二极管，其通过适当地掺杂质绿色荧光剂层而制造。然而，很难均匀地掺杂荧光剂层至适当的离子浓度以获取均匀色彩分布的光。
【发明内容】
本发明提供了一种具有不同厚度的荧光层的发光二极管及其制造方法，其中荧光层的厚度可以被适当的调整，以使发光二极管能够发射期望波段的光。
根据本发明的一个方面，提供一种发光二极管，其包括：衬底，其透射光；半导体材料层，形成在衬底的顶面上，并具有产生光的有源层；以及，荧光层，形成在衬底的背面上，并具有不同的厚度。该衬底可以具有至少一个通过蚀刻衬底的背面至不同厚度而形成的蚀刻洞。该荧光层可形成为具有不同厚度的双重层。该衬底优选为蓝宝石衬底。
在根据本发明的发光二极管的实施例中，该半导体材料层可以包括：第一化合物半导体层，沉积在衬底的顶面上；有源层，沉积在第一化合物半导体层的顶面上；以及，第二化合物半导体层，沉积在有源层的顶面上。在此情况下，该第一化合物半导体层可以是n型掺杂或未掺杂的GaN基III-V族氮化物化合物半导体层。该第二化合物半导体层可以是p型掺杂的GaN基III-V族氮化物化合物半导体层。该有源层可以是n型掺杂或未掺杂的InxAlyGa1-x-yN化合物半导体层，其中0≤x≤1，0≤y≤1且x+y≤1。
在根据本发明的发光二极管中，有源层产生蓝光，并且荧光层将蓝光的一部分转换成黄光，以从发光二极管射出白光。在此情况下，该荧光层可以由包括石榴石荧光材料的荧光材料形成，其中该石榴石荧光材料以铈活化，其包括从由钇、镥、钪、镧、钆和钐构成的组中选取的至少一种元素，以及从由铝、镓和铟构成的组中选取的至少一种元素。
或者，有源层产生UV光，并且荧光层可以通过吸收UV光将UV光转换成红、绿和蓝光，以从发光二极管射出白光。在此情况下，该荧光层由荧光材料形成，该荧光材料包括从由Y2O3Eu3+Bi3+和Y2O2S构成组中选取的红色荧光剂、从由(Ba1-x-y-zCaxSryEuz)(Mg1-wZnw)Si2O7和ZnS：Cu构成的组中选取的绿色荧光剂、以及从由(Sr，Ba，Ca)5(PO4)3Cl：Eu2+)(SECA)、BaMg2Al16O27：Eu2+(BAM)和BaMgAl10O17：Eu构成的组中选取的蓝色荧光剂。
本发明提供了具有不同厚度的荧光层的发光二极管，其可以通过蚀刻衬底的背面或通过在背面上沉积不同厚度的荧光材料而实现。根据本发明，有源层中产生的初始的蓝光与被荧光层吸收的并由蓝光转换成黄光的光的发射比率通过适当的调整荧光层的厚度而控制，以从发光二极管射出均匀的白光。当有源层产生UV光时，有初始的UV光与被荧光层吸收的并由UV光转换成红、绿和蓝光的光的发射比率可以得到控制，以从发光二极管射出均匀的白光。
【附图说明】
本发明的上述和其它特点及优点将通过参照附图对其典型实施例的详细描述而变得明显易懂，其中：
图1是传统白光发光二极管的截面图；
图2是在美国专利No.5,813,753中公开的发光二极管的截面图；
图3是根据本发明第一实施例的发光二极管的截面图；
图4是根据本发明第二实施例的发光二极管的截面图；
图5是根据本发明第三实施例的发光二极管的截面图；
图6是根据本发明第四实施例的发光二极管的截面图；
图7A至7D是说明根据本发明的用于制造发光二极管的方法的第一实施例的截面图；
图8A至8E是说明根据本发明的用于制造发光二极管的方法的第二实施例的截面图；
图9A和9B是显示根据本发明第一实施例的发光二极管的被蚀刻的衬底的照片；以及
图10A和10B分别是显示图9A和9B的带有荧光层的衬底的背面的照片。
【具体实施方式】
下面将详细描述发光二极管及其制造方法的实施例。
参照图3，它是显示根据本发明实施例的发光二极管的结构的截面图，发光二极管50包括衬底51，而第一化合物半导体层53、有源层57和第二化合物半导体层55则顺序沉积在衬底51的顶面上。n型电极54位于第一混合物导体层53的台阶区域，而p型电极52位于第二化合物半导体层55的顶面上，以为有源层57提供电子和空穴。
衬底51由耐用物质制成，主要是例如蓝宝石。衬底51的背面被蚀刻以减小衬底51在特定区域内的厚度。此处，优选通过蚀刻在衬底51的背面形成蚀刻洞56。在此情况下，衬底51的厚度在周边区域56b处比在蚀刻洞56a处大。衬底51的不同厚度使得可以通过旋涂在衬底51的背面上沉积出不同厚度的荧光层59。
第一化合物半导体层53是GaN基III-V族氮化物半导体层，并且优选地直接跃迁型。在用导电杂质掺杂第一化合物半导体的情况中，第一化合物半导体层53优选采用GaN层。在另一种情况下，优选用由与第二化合物半导体层55相同的材料形成第一化合物半导体层53。第一覆层(未示出)可进一步形成在第一化合物半导体层53的顶面上。优选，第一覆层可以由具有预定的折射率n型ALGaN/GaN层形成。然而，第一覆层也可以由与n型ALGaN/GaN层不同的的化合物半导体层形成。
第二化合物半导体层55是GaN基III-V族氮化物半导体层，并且优选采用以p型导电杂质掺杂的直接跃迁型杂质，且最优选的是p型GaN层。在第二化合物半导体层55不掺杂的情况，GaN层或含有AI或In的ALGaN层或InGaN层，可以被分别地以预定比例用于第二化合物半导体层55。
有源层57形成在第一化合物半导体层53的顶面上。有源层57是通过电子和载流子空穴的复合产生光的材料层。优选地，有源层57是具有多量子阱(MAW)结构的GaN基III-V族氮化物半导体层。更加优选地，有源层57由具有MQW结构的InxAlyGa1-x-yN形成，其中0≤X≤1，0≤Y≤1，且x+y≤1。
第一和第二波导层(未示出)可以进一步分别形成在有源层57的上面和下面，用于放大从有源层57发射的光，并从LED发射具有增大强度的光。第一和第二波导层由比有源层57折射率更小的材料形成，并且优选地采用，例如，GaN基III-V族化合物半导体层。第一波导层可以由n型GaN层形成，而第二波导层可以由p型GaN层形成。有源层57可以由具有小的阈值电流值和稳定跃迁模式特性的材料形成。优选地，有源层57由包含预定比例的Al的AlGaN层形成。
第二化合物半导体层55形成在有源层57的顶面上。具有比第二波导层小的折射率的第二覆层(未示出)可以额外地形成在第二化合物半导体层55与有源层57之间。当第一覆层由n型化合物半导体层形成时，第二覆层由p型化合物半导体层形成，而当第一覆层是由p型化合物半导体层形成时，第二覆层由p型化合物半导体层形成。例如，当第一覆层由n型AlGaN层形成时，第二覆层是由p型AlGaN/GaN层形成。
一对n型电极54设置在第一化合物半导体层53的两个台阶区域上，而p型电极52设置在第二化合物半导体层55的顶面上，通过电极将电子和空穴分别注入到第一化合物半导体层53和第二化合物半导体层55中。被注入的电子和空穴在有源层57中复合在一起并消失以激发短波段的光。发射的光的颜色依据波段变化。光的波段由用于形成发光二极管50的材料在导带与价带间的能量宽度决定。
III-V族氮化物一般用于形成发射蓝、绿、和UV光的半导体材料层。在本发明中，具体地，III-V族氮化物之中的GaN基半导体材料被用于能够产生波长为420至470nm的蓝光或UV光的有源层57，并且产生的蓝光穿透沉积在衬底51背面的荧光层59。所产生的蓝光的一部分在荧光层59中吸收，并且作为具有与初始的蓝光不同波段的光被射出，例如，黄光，而未吸收的蓝光作为具有原始波长的蓝光被射出。
依据将要发射的期望的光的波段可选择性地使用多种荧光材料。当发光二极管由发射蓝光氮化物半导体材料形成时，作为能够将蓝光转换成黄光的荧光材料，可采用以铈(Ce)活化的、包括从由钇(Y)、镥(Lu)、钪(Sc)、镧(La)、钆(Gd)和钐(Sm)构成的组中选取的至少一种元素并包括从由铝(Al)、镓(Ga)和铟(In)构成的组中选取的至少一种元素的石榴石(garnet)荧光材料。为了控制发射光的波长，在Y组、Al组和石榴石材料的混合物中，由Y族中选取的两种荧光材料可以不等量地一起使用。例如，一部分Y可以由Gd替代。
在具有发射420至470nm波长的蓝光的有源层的发光二极管中，适于将蓝光转换成波长610至625nm的红光的荧光材料包括：Y2O2S：Eu3+，Bi+、YVO4：Eu3+，Bi3+、SrS：Eu2+、SrY2S4：Eu2+、CaLa2S4：Ce3+、(Ca，Sr)S：Eu2+等。适于将蓝光转换成波长530至555nm的绿光的荧光材料包括：YBO3：Ce3+，Tb3+、BaMgAl10O17：Eu2+，Mn2+、(Sr，Ca，Ba)(Al，Ga)2S4：Eu2+等。可使用任何发射红光或绿光的荧光材料。
当发光二极管由发射UV光的氮化物半导体材料形成时，包括诸如Y2O3Eu3+Bi3+和Y2O2S的红色荧光剂、诸如(Ba1-x-y-zCaxSryEuz)(Mg1-wZnw)Si2O7和ZnS：Cu的绿色荧光剂、以及诸如(Sr，Ba，Ca)5(PO4)3Cl：Eu2+(SECA)、BaMg2Al16O27：Eu2+(BAM)和BaMgAl10O17：Eu的蓝色荧光剂的荧光材料被用于形成在具有不同厚度的衬底的蚀刻背面上的荧光层59。在这种情况下，产生在有源层57中的UV光在通过荧光层59时被转换成红、绿和蓝光，并最终作为白光从发光二极管射出。
在本发明中，如图3所示，由于衬底51的背面有蚀刻洞56a，该蚀刻洞56a中填充有荧光层56，因此荧光层59在蚀刻洞56a处的厚度大于在外围区域56b处的厚度。结果，产生在有源层57中的光在通过荧光层59a的较厚区域传播时被荧光材料吸收的更多，而在通过与周边区域56b相对应的较薄区域时被吸收的较少，这使得大量与初始光相比改变了波段的光被发射。
虽然在传统发光二极管中，发射光的波长使用荧光材料来控制，但是在本发明中荧光层57的厚度为了发射期望波段的光而被适当的改变。或者，光可以通过改变衬底51的蚀刻洞56a的形状而被增强。例如，蚀刻洞56a的倾斜角和底部曲率可以为了控制通过衬底入射到荧光层59上的光的量而改变。
图4是根据本发明中第二实施例的具有多个蚀刻洞的发光二极管的截面图。
参照图4，衬底61的背面被蚀刻而形成了多个蚀刻洞66a，而荧光层69形成在衬底61中以填盖蚀刻洞66a，由此获得了如图4所示的发光二极管的结构。
产生在半导体材料层65的有源层67中的蓝光或UV光穿过衬底62传输，并进入荧光层69。由于荧光层69在蚀刻洞66a的厚度比在周边区域66b的厚度大，因此入射在蚀刻洞66a上并穿过荧光层69的较厚区域传播的光与穿过周边区域66b传播的光相比，易于激发和吸收更多存在于荧光层69中的荧光颗粒。换言之，产生在有源层67中的蓝光或UV光在穿过形成有蚀刻洞66a的荧光层69的较厚区域传播时，很有可能被转换成黄光、或者具有与初始的蓝或UV光不同的波长的红、绿和蓝光。另外，穿过荧光层69的形成周边区域66b的较薄区域传播的光，很有可能作为初始的蓝或UV光射出，而未改变波段。
荧光层69的厚度可以通过适当地改变蚀刻洞66a的数量和深度而调整为不同水平。结果，产生在半导体材料层65的有源层67中的光在穿过荧光层69传播的同时被转换为波段不同于初始光的光，使得可以从二极管中发射均匀的白光。
在图4中，附图标记62表示p型电极，而附图标记64表示n型电极。构成图4的发光二极管的化合物半导体层的材料、性质和功能与根据上述第一实施例的发光二极管的相同
图5是示出根据本发明第三实施例的发光二极管的结构的截面图。参照图5，衬底71具有均匀的厚度。第一荧光层79a沉积在衬底71的背面上，而第二荧光层79b形成在第一荧光层79a的一个区域上。因此，包括第一和第二荧光层79a和79b总荧光层具有不同的厚度。附图标记72是表示p型电极，附图标记74表示n型电极，而附图标记75表示半导体材料层。
图6是示出根据本发明第四实施例的发光二极管的结构的截面图。参照图6，衬底81具有均匀的厚度。第一荧光层89a沉积在衬底81的背面上，而多个荧光层89b呈条形形成在第一荧光层89a上。因此包含第一和第二荧光层89a和89b的总荧光层具有不同的厚度。附图标记82表示p型电极，附图标记84表示n型电极，而附图标记85表示半导体材料层。或者，多个第二荧光层89a可形成为点状。
在上述第三和第四实施例中，构成每一个发光二极管的化合物半导体层的材料、性质和功能是与根据本发明第一实施例的发光二极管相同的。使用具有不同厚度的荧光层79a(89a)和79b(89b)发射白光的原理于第一实施例的相似。虽然，在根据本发明第一和第二实施例的发光二极管中，具有不同厚度的荧光层是通过蚀刻衬底实现的，但是在根据本发明第三和第四实施例的发光二极管中，具有不同厚度荧光层是通过使用两个分别的荧光层79a(89a)和79b(89b)实现的。
在根据本发明第三和第四实施例的发光二极管中，当产生于半导体材料层75(85)的有源层77(87)的蓝或UV光穿过第一和第二荧光层79a(89a)和79b(89b)两者传播时，蓝或UV光很有可能被改变波段，并且作为黄光，或者与仅穿过第一荧光层79a(89a)传播的蓝或UV光相比的红、绿和蓝光射出。换言之，通过适当地改变构成第二荧光层79b(89b)的图案的厚度和数量，可以产生均匀的白光。
上述根据本发明第一至第四实施例的发光二极管是用于说明性的目的，因此，蚀刻洞的形状和数量以及荧光层的厚度和形状可以做各种改变。
图7A至7D说明了用于制造根据本发明发光二极管的方法的第一实施例的截面图。参照图7A，第一化合物半导体层53、有源层57和第二化合物半导体层55依次沉积在有源层51的顶面上，并且第一化合物半导体层53通过光刻构图，以在第一化合物半导体层53上形成一个台阶。n型电极54呈条形设置于第一化合物半导体层53的图案化表面上，而p型电极52设置于第二化合物半导体层55的顶面上。
参照图7B，以荧光层57填充的蚀刻洞56b通过干法蚀刻形成在衬底51的背面中。在蚀刻衬底51前，衬底51的背面经过研磨、磨光或抛光处理。掩模层(未示出)形成在衬底51的背面上，并构图为与蚀刻洞56a一致的掩模图案。衬底51的背面使用从由Cl2，BCl3，Ar，O2和HBr构成的组中选取的至少一种气体以掩模图案为蚀刻掩模进行蚀刻，从而形成如图7B所示的蚀刻洞56。
图9A和9B显示通过蚀刻形成在蓝宝石衬底内的蚀刻洞。图9A的蚀刻洞56c相对宽且浅，而图9B的蚀刻洞相对窄且深。蚀刻洞56c(56d)的深度和宽度依据沉积于其中的荧光层的厚度确定。例如，蓝宝石衬底的背面被蚀刻，使得产生具有大约50μm的深度和250至500μm的宽度的蚀刻洞56c(56d)。
参照图7C，蚀刻洞56a形成后，荧光层材料通过沉积或旋涂施用于蚀刻洞56a和外围区域56b，以形成荧光层59，如图6C所示。结果，发光二极管结构58被形成。根据本发明，可以通过单一过程使荧光层59均匀地沉积在整个衬底51上。因此。用于制作发光二极管的全部过程很简便。
图10A和10B分别是具有通过在图9A和9B的衬底背面的蚀刻洞56c和56d中填充而形成的钇-铝-石榴石(YAG)荧光层59c和59d的发光二极管的照片。在图10A和10B中，蚀刻洞中的YAG荧光层59c和59d显示出白色。
最后，如图7D所示，发光二极管结构58在两个邻近的n型电极54的连接区域处切开，成为多个发光二极管50。
图8A至8E是说明用于制造根据本发明实施例的发光二极管的方法的第二实施例的截面图。参照图8A，第一化合物半导体层73、有源层77和第二化合物半导体层75依次沉积在衬底71的顶面上，并且第一化合物半导体层73被利用光刻构图，以在第一化合物半导体蹭73上形成台阶。n型电极74呈条形设置于第一化合物半导体层73的图案化表面上，而p型电极72设置于第二化合物半导体层75的顶面上。
参照图8B，荧光层材料通过沉积或旋涂施用于衬底71的背面上，以形成第一荧光层79a。接着，如图8C所示，具有预定图案的掩模层76被设置在第一荧光层79a上，并且荧光层材料被适用于第一荧光层79a上，以形成第二荧光层79b。结果，形成了带有荧光层的发光二极管结构78，包括具有不同厚度的第一和第二荧光层79a和79b，如图8D所示。最后，如图8E所示，发光二极管结构78被切成多个发光二极管50，从而完成所需的发光二极管50的制造。
根据本发明发光二极管被制造为具有不同厚度的荧光层，其中具有不同厚度的荧光层可以通过蚀刻衬底至不同的深度，再施用荧光材料至衬底的蚀刻表面而形成。或者，具有不同厚度荧光层可以通过在具有均匀厚度衬底上沉积荧光材料至不同的厚度而形成。在根据本发明的发光二极管中，产生在有源层中的光在穿过具有不同厚度荧光层时改变波长。穿过荧光层传播时波段变化的光与有源层中产生的初始光的比率通过利用改变荧光层的厚度控制，使得期望的均匀的白光可以从根据本发明的二极管中射出。用于制造根据本发明的二极管的方法适于大规模生产，其过程简单，例如，蚀刻衬底的背面或通过沉积或旋涂在衬底衬底上施用荧光材料。
虽然，本发明已经参照其实施例具体地示出和描述，本领域技术人员应理解在不脱离由本发明的权利要求所限定的精神和范围的基础上，可以在形式和细节上作出各种变化。