混合集成的高亮度半导体白光源及其制作方法.pdf

本发明是一种混合集成的高亮度半导体白光源，其由至少两个发不同颜色的、侧面出光的、相互粘结在一起的发光单元构成，它们在电学上互成串联关系，不同颜色的光从各个发光单元出射之后混合成为白光；每一个发光单元为多层结构，包括第一电极层(16)、缓冲层和第一包层(10)、下限制波导层(11)、有源区(12)、上限制波导层(13)、第二包层(14)、第二电极层(15)，在其左右解理腔面上分别镀有反射膜(17)、(18)，它们形成光子的谐振腔。其制作方法是在发光单元的解理腔面上镀制反射膜，形成光子谐振腔之后，将至少两个发不同颜色的、侧面出光的发光单元用导电胶相互粘结，使它们在电学上互为串联关系。

1.  一种混合集成的高亮度半导体白光源，其特征在于：由至少两个发不同颜色的、侧面出光的、相互粘结在一起的发光单元构成，它们在电学上互成串联关系，不同颜色的光从各个发光单元出射之后混合成为白光；每一个发光单元为多层结构，自下往上依次是第一电极层(16)、缓冲层和第一包层(10)、下限制波导层(11)、有源区(12)、上限制波导层(13)、第二包层(14)、第二电极层(15)，在其左右解理腔面上分别镀有反射膜(17)、(18)，它们形成光子的谐振腔。

2.  根据权利要求1所述的混合集成的高亮度半导体白光源，其特征在于发光单元为多层结构，在第一电极层(16)和缓冲层和第一包层(10)之间，可以进一步包含衬底层(9)。

3.  根据权利要求1所述的混合集成的高亮度半导体白光源，其特征在于发光单元有两个，即：有蓝光发光单元和黄光发光单元，或者其它两种不同发光单元，它们通过散热性好的导电胶相互粘结在一起，并且发出的光混合成为白光。

4.  根据权利要求1所述的混合集成的高亮度半导体白光源，其特征在于发光单元有红色发光单元(1)、绿色发光单元(2)、蓝色发光单元(3)，或者其它三种或更多种的发光颜色不同的发光单元，它们发出的光混合成为白光，并且它们通过散热性好的导电胶相互粘结在一起。

5.  一种混合集成的高亮度半导体白光源的制作方法，其特征是包括如下步骤：
a.先在衬底(9)上依次外延生长缓冲层和第一包层(10)、下限制波导层(11)、有源区(12)、上限制波导层(13)、第二包层(14)，然后制作第二电极层(15)，
b.将衬底(9)去掉之后，制作第一电极层(16)，
c.将外延片进行解理，在其两个解理腔面上分别镀制反射膜(17)、(18)之后，切割制作出一个发光单元，
d.依上方法，分别制作出至少两个发不同颜色光的发光单元，它们发出的光混合成为白光，
e.用散热性好的导电胶将发不同颜色光的发光单元相互粘结，形成电学上的互为串联关系。

6.  根据权利要求5所述的混合集成的高亮度半导体白光源的制作方法，其特征在于在步骤b中，可以在保留衬底(9)的基础上，制作第一电极层(16)。

7.  根据权利要求5所述的混合集成的高亮度半导体白光源的制作方法，其特征在于反射膜是具有高反射率的增反膜，或者是反射率较低的反射膜。

8.  根据权利要求5所述的混合集成的高亮度半导体白光源的制作方法，其特征在于从一个解理腔面出射光，或者从两个解理腔面出射光。

混合集成的高亮度半导体白光源及其制作方法
技术领域
本发明涉及照明领域，特别是一种混合集成的高亮度半导体白光源及其制作方法。
背景技术
基于半导体发光二极管(LED)的半导体白光源具有高效节能、绿色环保的优点，有望成为继白炽灯，荧光灯之后的新一代电光源。目前，实现半导体白光源主要采用以下三种方法：第一种方法是采用红、绿、蓝色三种LED的组合，第二种方法是用蓝光LED去激发可发出黄色光的荧光粉，第三种方法是用紫外LED去泵浦红、绿和蓝色三种颜色的荧光粉。以上三种方法都会给LED中下游生产的封装和应用带来额外的制作工序和成本代价。第一种方法必须要有复杂的驱动电路以及反馈控制系统。第二种和第三种方法在LED的封装过程中都必须增加一道荧光粉涂覆工序；并且荧光粉的涂覆工艺不易控制，荧光粉性能易退化，致使白光LED的发光效率、光色质量和显色指数都会下降。除此之外，亮度指标一直是制约LED用于照明市场的瓶颈。由于目前LED的发光效率还不是很高，每颗LED的发光通量仅在几个流明之内。因而必须大力发展高亮度功率型的LED才能满足半导体照明市场的要求。总之，上述半导体白光源在封装、性能和成本方面均存在缺陷，并且还由于存在亮度不够高、发光通量小等缺点，从而影响其广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种混合集成的高亮度半导体白光源，以克服现有技术不足。并且，还提供一种便于制作该光源的方法。
本发明所采用的技术方案是：
其由至少两个发不同颜色的、侧面出光的、相互粘结在一起的发光单元构成，它们在电学上互成串联关系，不同颜色的光从各个发光单元出射之后混合成为白光。每一个发光单元为多层结构，自下往上依次是第一电极层、外延生长缓冲层和第一包层、下限制波导层、有源区、上限制波导层、第二包层、第二电极层；在其左右解理腔面上分别镀有反射膜，它们形成光子的谐振腔。
所提供的混合集成的高亮度半导体白光源的制作方法，包括如下步骤：先在衬底上依次外延生长缓冲层和第一包层、下限制波导层、有源区、上限制波导层、第二包层，然后制作第二电极层；将衬底去掉之后，制作第一电极层；将外延片进行解理，在其两个解理腔面上分别镀制反射膜之后，切割制作出一个发光单元；依上方法，分别制作出至少两个发不同颜色光的发光单元，它们发出的光混合成为白光；用散热性好的导电胶将发不同颜色光的发光单元相互粘结，形成电学上的互为串联关系。
本发明提供的混合集成的高亮度半导体白光源，与现有技术相比具有以下优点：
其一由于谐振腔对光子具有导引作用和放大作用，大幅提高了发光效率和发光通量。
其二.由于将光出射面由一般的上表面出光为主型变为全侧面出光型，致使电极层对光的吸收作用以及键合引线对光的阻挡问题不复存在，有利于提高发光通量。并且，采用从侧面出光的方案，可使不同颜色的光只有在出射之后才进行混合，而不会出现光子进入别的发光单元中而被吸收的情况。
其三.上、下限制波导层将光子有效地限制在有源区中，光子不再进入对光有较大吸收作用的P型包层和N型包层中。
其四.三个发光单元在电学上互为串联关系，这样半导体光源在应用时，其控制电路简单。每一种颜色光的发光亮度和发光通量由其解理腔面上镀制的两反射膜的反射率大小决定。通过合适的反射膜镀制可以得到具有恰当光通量比例的不同颜色的光，从而得到光色质量好的白光。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2、图3、图4和图5是以图1中发光单元1为例，说明发光单元的制作过程和结构特点。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
一.混合集成的高亮度半导体白光源
其结构是：由至少两个发不同颜色的、侧面出光的、相互粘结在一起的发光单元构成，它们在电学上互成串联关系，不同颜色的光从各个发光单元出射之后混合成为白光。如图5所示，每一个发光单元为多层结构，自下往上依次是第一电极层16、缓冲层和第一包层10、下限制波导层11、有源区12、上限制波导层13、第二包层14、第二电极层15，在其左右解理腔面上分别镀有反射膜17、18，它们形成光子的谐振腔。
上述发光单元可以有两个，即：有蓝光发光单元和黄光发光单元，或者其它两种不同发光单元，它们通过散热性好的导电胶相互粘结在一起，并且发出的光混合成为白光。
发光单元也可以有红色发光单元1、绿色发光单元2、蓝色发光单元3(见图1)，或者其它三种或更多种的发光颜色不同的发光单元，它们通过散热性好的导电胶相互粘结在一起，并且它们发出的红色光6、绿色光7、蓝色光8混合成为白光。
红色发光单元1可以是以砷化镓(GaAs)为衬底，铝镓铟磷(AlGaInP)为有源区制作的，也可以是用别的半导体材料制作而成的。绿色发光单元2可以是以GaAs为衬底，磷化镓(GaP)为有源区制作的，也可以是用别的半导体材料制作而成的，比如用碳化硅(SiC)或者蓝宝石为衬底，铟镓氮(InGaN)为有源区制作的。同理，蓝色发光单元3可以是以SiC或者蓝宝石为衬底，InGaN为有源区制作的，也可以是用别的半导体材料制作而成地。如果发光单元的衬底是导电性好的半导体材料，比如GaAs、SiC等材料，则发光单元结构中也可以包括衬底层9，它位于第一电极层16与缓冲层和第一包层10之间。
上、下限制波导层11和13，它们对光子具有限制作用，将光子有效地限制在有源区12中，光子不再进入对光有较大吸收作用的第二包层10和第一包层14。反射膜17和18形成光子的谐振腔，对光子具有导引作用和放大作用，光出射面由一般的上表面出光为主型变为全侧面出光型。光放大作用大幅提高了量子效率，光导引作用则提高了出光效率，从而使得发光单元的发光效率和发光通量得到大幅提高。光出射面由一般的上表面出光为主型变为全侧面出光型，第二电极层15或第一电极层16对光的吸收作用以及键合引线对光的阻挡问题将不复存在，也有利于提高发光通量。
二.混合集成的高亮度半导体白光源的制作方法
包括如下步骤：
a.如图2所示：先在衬底9上依次外延生长缓冲层和第一包层10、下限制波导层11、有源区12、上限制波导层13、第二包层14，然后制作第二电极层15。
b.将衬底9去掉之后(见图3)，制作第一电极层16(见图4)。
c.将外延片进行解理，在其两个解理腔面上分别镀制反射膜17、18之后，切割制作出一个发光单元(见图5)。反射膜可以是具有高反射率的增反膜，也可以是反射率较低的反射膜。光出射方向可以是从一个解理腔面出射，也可以是从两个解理腔面出射。
d.依上方法，分别制作出至少两个发不同颜色光的发光单元，它们发出的光混合成为白光。
e.用散热性好的导电胶将发不同颜色光的发光单元相互粘结，形成电学上的互为串联关系，通过电极引线4和5为它们提供电流。至此，制成如图1所示的混合集成的高亮度半导体白光源产品。
如果发光单元的衬底是导电性能好的半导体材料，比如对于以砷化镓(GaAs)衬底的红色发光单元，以碳化硅(SiC)为衬底的蓝色、绿色发光单元，那么也可以保留其衬底，而不用将衬底去掉，这样可以节省一道制作工序。如果发光单元是以绝缘材料为衬底的话，比如以蓝宝石为衬底的蓝光、绿光发光单元，则一定要将绝缘的蓝宝石衬底去掉。
下面结合图1叙述本发明的工作过程：
在图1所示的混合集成半导体白光源中，发光单元1、2和3分别发出红、绿、蓝颜色的光；由于在每一个发光单元中，有源区的两边都有上、下限制波导层，解理腔面上镀有反射膜以形成光子的谐振腔，光子受到限制和导引作用，只能从侧面出光。这样红、绿、蓝颜色的光只有在出射之后才进行混合，而不会出现光子进入别的发光单元中而被吸收的情况。三个发光单元在电学上互为串联关系，这样半导体光源在应用时，其控制电路简单，
而不是象通常那样的由红色LED、蓝色LED和绿色LED组成白光源那样，驱动电路和控制反馈系统十分复杂的情况。每一种颜色光的发光亮度和发光通量由其解理腔面上镀制的两反射膜的反射率大小决定，通过合适的反射膜镀制可以得到具有恰当光通量比例的红、绿、蓝三颜色光，从而得到光色质量好的白光。