专利名称：多色发光灯和光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造使用多个发光二极管(LED)并可以发出不同波长多色光的多色发光灯的技术。
背景技术：
通过相邻设置可以发出三基色光，即红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)中任何一种光的发光二极管(LED)来制造RGB型多色发光灯的技术已经公知。例如，通过集成发光波长为450nm的蓝频光的LED(蓝色LED)、发光波长大约为525nm的绿频光的绿色LED以及发光波长近似为600到700nm的红频光的红色LED制造RGB型多色发光灯的技术已公知(参见DisplayGijutsu(Display Techchnique)，1sted.，2ndimp.，100到101页，KyoritsuShuppan(1998年9月25日))。
通常，利用GaxIn1-xN基蓝色LED制造多色发光灯(参见JP-B-55-3834)，其中发光层是由例如氮化镓铟(GaxIn1-xN0≤x≤1)等的III-V族化合物半导体构成(参见III Zoku Chikkabutsu Handotai(Group III NitrideSemiconductor)，252到254页，Baifukan(1999年12月8日))。对于绿色LED，使用以磷化镓作为发光层的GaxIn1-xN绿色LED或同质结型GaP绿色LED(参见，(1)III Zoku Chikkabutsu Handotai(Group III NitrideSemiconductor)，249到252页，supra，以及(2)III-V Zoku KagobutsuHandotai(Group III-V Compound Semiconductor)，1sted.，253到261页，Baifukan(1994年5月20日))。对于红色LED，使用以砷化铝镓混合晶体(AlxGa1-xAs0≤x≤1)或磷化铝镓铟((AlxGa1-x)yIn1-yP0≤x≤1，0＜y＜1)作为发光层的LED(参见Iwao Teramoto，Handotai DeviceCairon(Outline of Semiconductor Device)，116到118页，Baifukan，(1995年3月30日))。
同样，通过混合例如蓝频光和黄频光等的互补色可以获得白色光也是已知的(参见Hikari no Enpitsu-Hikari Gijutsusha no tame no OyoKogaku-(Pencil of Light-Applied Optics for Optical Engineer)，7sted.，51页，Shin Gijutsu Communications(1989年6月20日))。就适合与蓝色LED结合的黄色LED而言，适合使用包含具有大约590nm发光波长的磷化镓化砷(GaAs1-zPz0＜z＜1)发光层的同质结型GaAsP基LED和磷化铝镓铟混合晶体((AlxGa1-x)yIn1-yP0≤x≤1，0＜y＜1，通常y等于大约0.5)异质结型LED(参见J.Crystal Growth，221，652到656页(2000))。
构成多色发光灯的氮化镓铟(GaxIn1-xN0≤x≤1)基LED通常使用电绝缘兰宝石(α-Al2O3单晶)作为衬底材料(参见III Zoku ChikkabutsuHandotai(Group III-V Nitride Semiconductor)，243到252页，supra)。由于驱动LED的电流(工作电流)不能通过绝缘晶体衬底，正电极和负电极都被设置在衬底侧的同一表面上。另一方面，同质结型GaP基或同质结型GaAs1-zP基LED是利用导电单晶磷化镓(GaP)和单晶砷化镓(GaAs)制作的，因此，只有一个具有正极性或负极性的电极被设置在表面一侧(参见Handotai Device Cairon(Outline of Semiconductor Device)，117页，supra)。
无论如何，当使用常规的GaxIn1-xN(0≤x≤1)基蓝色、绿色和红色LED制作RGB三色集成型白色灯时，其中每个LED都包含一个绝缘型衬底，正极性和负极性电极都被设置在每个LED的表面，会带来一件麻烦事，就是到一个极性电极的引线焊接线与到另一个极性电极的引线焊接必须分开完成。如果使用一个导电衬底，特别是具有相同导电率的导电衬底把用来连接的电极的极性统一成正性或负性，就会避免麻烦的连接。
最近几年，已经公开了在导电硅单晶(Si)上，使用包含硼的III-V族化合物半导体层和由III-V族化合物半导体构成的发光层制作蓝色LED的技术(参见美国专利6,069,021)。如果利用具有相同导电率的导电衬底作为制造绿色和红色LED的衬底，可以很容易的制造RGB型多色发光灯，同时不会带来传统技术中连接操作的麻烦。
另一方面，与GaxIn1-xN基蓝色LED一起构成多色发光灯的GaP基或GaAs1-zPz基LED是同质结型结构。因此，GaP基或GaAs1-zPz基LED的发光强度低于GaxIn1-xN(0≤x≤1)双异质结型LED的发光强度，不能提供发光强度很均匀的多色发光灯。如果形成能够对载流子起到‘限制’作用从而通过辐射复合来发光的异质结型结构，料想可以带来更高强度的发光。
本发明提供了使用具有能够避免连接麻烦的结构的蓝色LED制作多色发光灯的技术。本发明特别提供了结合使用能够发出高强度的绿色光的异质结型GaP基LED结构制作多色发光灯的技术。同样，例如，通过蓝色LED和黄色LED来制作多色发光灯过程中，本发明提供了利用没有连接麻烦的蓝色LED和具有高发光强度的异质结型GaAs1-zPz黄色基LED制作多色发光灯的技术。此外，本发明提供了利用基于本发明的多色发光灯制作的光源。
发明内容
更具体地说，本发明提供了具有下面(1)到(5)所述特征的多色发光灯(1)通过设置多个相结合的LED制作的多色发光灯，其中设置了一个能发射蓝频光的蓝色发光二极管(LED)，该蓝色发光二极管包含一个在导电衬底表面上由非晶或多晶的含硼的III-V族化合物半导体构成的低温缓冲层，以及含有一个在低温缓冲层上由包含硼(B)和磷(P)的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成的势垒层和一个在势垒层上由III-V族化合物半导体构成的发光层；(2)如上面(1)中所述的多色发光灯，其中设置了一个能发射黄频光的异质结型黄色LED，该黄色LED包含一个在衬底上的发光层以及一个在发光层上由磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体层构成的上势垒层；(3)如上面(1)和(2)中所述的多色发光灯，其中设置了一个能发射绿频光的异质结型绿色LED，该绿色LED包含一个在衬底上的发光层以及一个在发光层上由磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体层构成的上势垒层；(4)如上面(1)到(3)中所述的多色发光灯，其中设置了一个能发射红频光的异质结型红色LED，该红色LED包含一个在衬底上的发光层以及一个在发光层上由磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体层构成的上势垒层；以及(5)如上面(1)到(4)中所述的多色发光灯，其中衬底是由具有相同导电类型的单晶所形成的。
本发明还提供(6)利用上面(1)到(5)中任何一个所介绍的多色发光灯的光源。
图1为根据本发明的蓝色LED的截面图；图2为根据本发明的异质结型黄色LED的截面图；图3为根据本发明的异质结型绿色LED的截面图；图4为根据本发明的异质结型红色LED的截面图；图5为根据本发明的多色发光灯的截面图；图6为根据实例1的多色发光灯的截面图；图7为根据实例2的多色发光灯的截面图；图8为根据实例3的利用多色发光灯制作的光源的结构的平面图。
参考数字说明1A、2A、3A、4ALED10、20、30多色发光灯40光源11衬底12上势垒层13表面电极14背面电极15衬垫16金属层17、18、19接线端101 单晶衬底
102缓冲层103下势垒层104发光层105上势垒层106表面电极107背面电极108组分梯度层109第一GaP层110第二GaP层具体实施方式
图1示出了根据本发明的第一实施例的蓝色LED的截面图。当使用具有n型或p型导电性的导电单晶作为衬底101时，可以在衬底101的背面设置欧姆背面电极106，因此，可以很容易的制作出蓝色LED 1A。适合作为导电衬底101的单晶材料的例子包括例如单晶硅(Si)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)和磷化硼(BP)等的半导体单晶(参见，(1)J.Electrochem.Soc.，120，802到806页(1973)，以及(2)美国专利5,042,043)。特别是，具有较低电阻率，10mΩ·cm或更低，优选为1mΩ·cm或更低的导电单晶衬底可以使蓝色LED具有低的正向电压(所谓的Vf)。
为了形成结晶性很好的下势垒层103，在单晶衬底101上提供了由含硼的III-V族化合物半导体构成的缓冲层102。缓冲层102适合由例如由公式BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-δAsδ(其中0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1以及0≤δ＜1)表示的磷化硼基半导体构成。缓冲层102也可由例如由公式BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-δNδ(其中0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1以及0＜δ＜1)表示的含氮(N)的磷化硼基半导体构成。缓冲层102优选由具有较少组元数以及容易形成的二元或三元混合晶体构成。其例子包括一磷化硼(BP)、磷化硼铝混合晶体(BαAlβP0＜α≤1，α+β＝1)、磷化硼镓混合晶体(BαGaδP0＜α≤1，α+δ＝1)以及磷化硼铟混合晶体(BαIn1-αP0＜α≤1)。
特别是，在低温下形成的、由非晶或多晶的含硼III-V族化合物半导体层构成的缓冲层(低温缓冲层)102起到了释放衬底101和下势垒层103之间的晶格失配，并降低下势垒层中如不匹配错位等的晶体缺陷密度的作用(参见美国专利6,029,021，supra)。当由含硼的III-V族化合物半导体构成的低温缓冲层102包含构成下势垒层103的含硼III-V族化合物半导体的元素(组元)时，可以通过组元的‘成核生长(growth nuclei)’作用有效地促进连续的下势垒层103的形成。例如，可以通过MOCVD方法(参见，Inst.Phys.Conf.Ser.，No.129，175到162页，IOP PublishingLtd.(1993))在大约250到750℃的温度下(参见美国专利6,194,744)形成非晶或多晶BαAlβGaγIn1-α-β-γP1-δAsδ层(其中0＜α≤1，0≤β＜1，0≤γ＜1，0＜α+β+γ≤1以及0≤δ＜1)。在大约500℃或更低的低温下，很容易获得主体为非晶的含硼III-V族化合物半导体。在近似从500到750℃的高温区域，获得的是主要包含多晶的含硼III-V族化合物半导体层。当暴露于750到大约1200℃的高温环境时，在生长状态下为非晶的低温缓冲层102通常会转化为多晶层。通过根据常规X射线衍射或电子束衍射方法分析衍射图样，可以知道缓冲层102是否为非晶层或多晶层。构成低温缓冲层102的非晶或多晶层的厚度优选为从大约1nm到100nm，更优选为从2nm到50nm。
在缓冲层102上提供了由含硼的III-V族化合物半导体构成的下势垒层103。作为发光层104的基础层(发光层104沉积在这层上)的下势垒层103优选由包含硼(B)和磷(P)的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体层构成，它是利用作为基体材料的具有3.0±0.2eV的室温带隙的磷化硼(BP)形成。例如，下势垒层103适合由具有大约2.7eV的室温带隙的磷化硼镓混合晶体(B0.50Ga0.50P)形成，它是具有大约3.0eV的室温带隙的单体磷化硼(一磷化硼)和磷化镓(GaP，室温下的带隙大约为2.3eV)的混合晶体。特别地，通过在各自规定的范围内设置生长速率和源材料的供给比率可以形成具有高室温带隙的磷化硼层。生长速率优选从2到30nm/min。与此生长速率相结合，当V族源材料和III族源材料的供给比率(所谓的V/III比)优选控制在从15到60的范围内时，可以形成具有高室温带隙的磷化硼层。带隙可以通过光子能量与通过折射率(＝n)和消光系数(＝k)决定的复介电常数中虚数部分(ε2＝2·n·k)的相关性来确定。
在与缓冲层102相连接的界面处与缓冲层102晶格匹配、同时在发光层104侧的表面上与发光层104也晶格匹配的由含硼的III-V族化合物半导体层构成的下势垒层103，可以提供降低了例如不匹配错位或堆垛层错等的晶体缺陷密度的高质量发光层104。例如，与缓冲层102和发光层104都晶格匹配的下势垒层103可以由含硼III-V族化合物半导体层构成，其中III族或V族组元的组成被赋予一梯度(参见JP-A-2000-22211)(这里术语‘JP-A’意为未经审查公开的日本专利申请)。组元的组分梯度可以通过随层厚的增加而均匀地、台阶式地或非线性地增加或降低来产生。例如，在由磷化硼镓混合晶体(B0.02Ga0.98P)构成的与硅衬底101相晶格匹配的缓冲层102上，下势垒层103可以通过磷化硼镓组分梯度层(BαGaδPα＝0.02→0.98，相应地δ＝0.98→0.02)形成，其中，硼的组分比(＝α)从与缓冲层102相连接面的0.02线性增加到与由氮化镓铟(Ga0.90In0.10N晶格常数＝大约4.557)构成的发光层104相连接面的0.98。
发光层104由例如能在蓝频范围内发出短波长可见光的氮化镓铟(GaxIn1-xN0≤x≤1)等的III-V族化合物半导体构成(参见JP-B-55-3834，supra)。发光层104也可由磷化氮化镓(GaN1-xPx0≤x≤1)构成(参见，Appl.Phys.Lett.，60(20)，2540到2542页(1992))。此外，发光层104可由砷化氮化镓(GaN1-xAsx0≤x≤1)构成。发光层104可以通过具有上述III-V族化合物半导体层作为阱层的单或多量子阱结构构成。
当在发光层104上制作上势垒层105时，可以形成双异质(DH)结构型发光部分。上势垒层105可以由上述具有3.0±0.2eV的室温带隙的单体磷化硼(一磷化硼)或利用这种以一磷化硼作为基体成分的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成。上势垒层105也可由例如氮化镓(GaN)或氮化铝镓混合晶体(AlxGa1-xN0＜x＜1)等的III-V族化合物半导体构成。
例如，可以通过在上势垒层105上提供一个欧姆表面电极106和在衬底101的背面设置一个欧姆背面电极107制作根据本发明的双异质结(DH)结构型LED 1A。就通过含硼III-V族化合物半导体制作上势垒层105而言，p型欧姆电极可以由例如金锌(Au·Zn)合金或金铍(Au·Be)合金构成。n型欧姆电极可以由如金锗(Au·Ge)合金、金铟(Au·In)合金或金锡(Au·Sn)合金等的金合金形成。为了形成具有良好欧姆接触特性的电极，表面电极106也可以设置在具有良好导电性的接触层上。根据本发明，通过使用具有宽带隙的含硼的III-V族化合物半导体层，可以制作适合表面欧姆电极106同时能充当在拾取方向上传输所发射光的窗口层的接触层。
图2示意性地示出了根据本发明的第二实施例的异质结型黄色LED 2A的截面图的一个例子。在图2中，使用相同的参考标号表示与图1所示相同的构件。
通过使用具有n型或p型导电率的砷化镓(GaAs)单晶衬底作为衬底101来制作异质结型黄色LED 2A。为了释放衬底101和发光层104之间的晶格失配，在衬底101和发光层104之间提供了由例如GaAs1-zPz构成的组分梯度层108。通过这种释放晶格失配的方法，可以获得结晶性很好的发光层104。
发光层104由例如n型或p型磷化砷化镓(GaAs1-zPz)构成。特别是，含作为等电子陷阱的氮(N)的由GaAs1-zPz构成的发光层104有利于得到高强度的发光。例如，具有大约0.25的砷(As)组分比(＝1-z)的由GaAs0.25P0.75构成的发光层104可以发出波长大约为850nm的黄频光。
根据本发明的异质结型黄色LED 2A的特征在于其结构为在发光层104上提供了由含硼III-V族化合物半导体构成的上势垒层105。上势垒层105特别适合由上述具有3.0±0.2eV的室温带隙的一磷化硼(BP)或使用这种以一磷化硼作为基体成分的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成。具有如此宽带隙的由含硼的III-V族化合物半导体构成的上势垒层105也适合充当向外传输所发射光的发射光传输层(窗口层)。依靠能够‘限制’载流子和有效地向外传输所发射光的上势垒层105所发挥的作用，可以获得发光强度很高的异质结型黄色LED 2A。
特别是，当异性连接在发光层104上的上势垒层105由在250到750℃的相对低温下形成的主体为非晶的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成时，可以起到阻止由于热引起发光层104热退化的作用。这样，发光层104的良好结晶性可以得到保持并由此可以提供具有高强度发光的发光层104。
图3示意性地示出了根据本发明的第三实施例的异质结型绿色LED 3A的截面图的一个例子。在图3中，使用相同的参考标号表示与图1和图2所示相同的构件。
通过使用具有n型或p型导电率的磷化镓(GaP)单晶衬底作为衬底101来制作异质结型绿色LED 3A。在衬底101上，通过例如液相外延(LPE)生长方法提供了第一n型或p型磷化镓(GaP)109。在第一GaP层109上，通过例如LPE生长方法提供了与第一GaP层109导电类型相反的第二GaP层110。pn结型发光部分由第一GaP层109和第二GaP层110构成。当例如第二GaP层110的发光层由掺有作为等电子陷阱的氮(N)的GaP构成时，可以得到发光强度很高的发光层。
根据本发明的异质结型绿色LED 3A是一个异质结型LED，其中在作为发光层的第二GaP层110上提供了由磷化硼基的III-V族化合物半导体构成的上势垒层105。异质结型结构可以通过在发光层上提供上势垒层105来形成。上势垒层105特别适合由上述具有3.0±0.2eV的室温带隙的一磷化硼(BP)或使用这种以一磷化硼作为基体成分的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成。具有如此宽带隙的由磷化硼基III-V族化合物半导体构成的上势垒层105可以起到限制发光层中载流子的作用，同时作为适于将发射光向外传输的发射光的传输层(窗口层)。由此可以获得发光强度很高的异质结型绿色LED 3A。
特别是，当异性连接在发光层上的上势垒层105由在250到750℃的相对低温下形成的主体为非晶的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成时，可以起到阻止由于热引起发光层热退化的作用。这样，发光层104的良好结晶性可以得到保持并由此可以提供具有高强度发光的发光层104。
根据本发明第四实施例的异质结型红色LED 4A可以通过具有图4所示截面图的GaP基LED制作。在图4中，使用相同的参考标号表示与图1到3所示相同的构件。
在异质结型GaP基红色LED 4A中，发光层104可以由同时掺锌(Zn)和氧(O)的p型GaP层构成。异质结型GaP基红色LED 4A可以通过在发光层104上提供一个由例如LEP方法或MOCVD方法等方法获得的与发光层104导电类型相反的由磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成的上势垒层105来制造。异性连接在发光层104上的上势垒层105特别适合由上述具有3.0±0.2eV的室温带隙的一磷化硼(BP)或使用以这种一磷化硼作为基体成分的磷化硼基III-V族化合物半导体构成。具有如此宽带隙的由磷化硼基III-V族化合物半导体构成的上势垒层105可以起到限制发光层104中载流子的作用，同时作为适合向外传输所发射光的发射光传输层(窗口层)。由此可以获得发光强度很高的异质结型红色LED 4A。
特别是，根据使由在250到750℃的相对低温下形成的主体为非晶的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成的上势垒层105异性连接到发光层104上的方法，可以起到阻止由于热引起发光层104热退化的作用。这样，发光层104的良好结晶性可以得到保持并由此可以提供具有高强度发光的发光层104。
异质结型红色LED也可以通过例如作为发光层的使用磷化铝镓铟混合晶体((AlXGa1-X)YIn1-YP0＜X＜1，0＜Y＜1)的磷化铝镓铟基(AlGaInP)LED来制作(参见J.Crystal Growth，221，652到656页(2000)，supra)。与GaP红色LED相比，AlGaInP基混合晶体LED有利于获得更高强度的发光。特别地，利用把表面电极分散设置在上势垒层上的欧姆电极散射型AlGaInP基混合晶体LED可以发出高强度的红光，因为器件驱动电流可以几乎均匀的通过发光层的整个表面(参见J.Crystal Growth，supra，221(2000)，supra)。
当使用与蓝色LED相同导电类型的导电衬底101制造异质结型黄色、绿色和红色LED 2A到4A时，可以在衬底101的背面提供具有相同极性的欧姆电极107。据此，通过接地到极性相同的衬垫，可以很容易地制造出多色发光灯。LED的表面电极106的极性也可以统一，因此，仅仅通过将具有任一极性的表面电极通过引线焊接起来，就可以很容易地制造出多色发光灯。本发明的第五实施例的优选例子包括通过组装使用掺硼(B)的p型硅单晶(Si)作为衬底101的蓝色LED 1A、使用掺锌(Zn)的p型磷化镓(GaP)单晶作为衬底101的异质结型绿色LED 3A和使用掺锌(Zn)的p型砷化镓(GaAs)单晶作为衬底的异质结型红色LED 4A来制造多色发光灯。多色发光灯也可以通过组装使用掺磷(P)或锑(Sb)的n型硅单晶(Si)作为衬底101的蓝色LED 1A和使用掺硅(Si)的n型砷化镓作为衬底101的异质结型黄色LED 2A来制造。换句话说，当使用了统一在所谓的n面朝上型或p面朝上型的LED时，可以很容易地获得多色发光灯，同时避免了传统技术中连接操作的麻烦。
根据本发明的多色发光灯10可以通过以下步骤来制造。如图5所示，例如，利用导电粘合材料将一个n面朝上型蓝色LED 1A和一个异质结型黄色LED 2A固定在镀有如银(Ag)或铝(Al)等金属的衬垫15之上的金属层16上。用来制造LED 1A和2A的导电衬底11的背面上分别提供的背面电极14电连接到衬垫15。同时，例如，分别设置在LED 1A和2A的上势垒层12上的表面电极13与附着在衬垫15上的接线端17和18相连接。就在发光强度上会引起巨大的差别而言，可以单独为LED 1A和2A提供专用的接线端17和18，以实现通过单独控制流过LED 1A和2A的电流来调节发光这一机制，从而有利于获得混合光并容易实现多色发光灯10。
通过组装根据本发明的多色发光灯10可以制造光源。例如，恒压驱动型白色光源可以通过电并联多个的白灯10来实现。同样，恒流驱动型多色光源可以通过电串联多色发光灯来实现。与传统的白炽荧光光源相比，这种多色光源在发光上不需要那么大的电功率，因此，可以用作长寿命的低功耗型多色光源。例如，这种光源可以用作为房间照明的光源以及用于室外显示或间接照明的多色光源。
实例(实例1)下面将利用通过结合使用硅衬底的蓝色LED和GaAs1-zPz基黄色LED制造的多色发光灯对本发明进行详细说明。
图6示出了根据实例1的多色发光灯20的截面图。为了平衡蓝频光和黄频光之间光发射的强度，通过组合一个蓝色LED 1A和两个黄色LED 2A来制作多色发光灯20。
所用的蓝色LED 1A是通过在叠层结构上设置下面(6)和(7)所说明的欧姆表面和背面电极所制造的n面朝上型LED，其中下面(2)到(5)所说明的功能层是在下面(1)中介绍的衬底101上依次堆栈形成的。
(1)掺硼(B)p型(111)-Si单晶衬底101。
(2)在350℃下，通过使用三乙基硼烷((C2H5)3B)/磷烷(PH3)/氢气(H2)系统的大气压MOCVD方法生长的层厚为5nm的由磷化硼(BP)构成的缓冲层102。
(3)在850℃下，通过使用上述MOCVD气相生长方法掺杂镁(Mg)的由主要包含取向与衬底101的表面几乎平行的(110)晶面的p型磷化硼(BP)构成的下势垒层103(载流子浓度大约4×1018cm-3，层厚大约700nm)。
(4)主要由立方n型Ga0.94In0.06N层(晶格常数4.538)构成的发光层104(载流子浓度大约3×1017cm-3，层厚大约180nm)。
(5)在400℃下，通过上述MOCVD反应系统生长的由主要部分为非晶的n型磷化硼(BP)层构成的室温带隙为3.1eV的上势垒层105(载流子浓度大约8×1016cm-3，层厚大约480nm)。
(6)设置在上势垒层105中心的由金·锗(Au·Ge)环形电极(直径120μm)构成的欧姆表面电极106。
(7)提供在几乎整个p型Si衬底101背表面上的由铝(Al)构成的欧姆背面电极107。
所用的蓝色LED 1A是具有以下特征(a)到(d)的LED，即(a)发光中心波长为430nm(b)亮度6毫堪德拉(mcd)(c)正向电压3伏(V)(正向电流20毫安(mA))(d)反向电压8V(反向电流10μA)所用的黄色LED 2A是通过在叠层结构上设置下面(5)和(6)所说明的欧姆表面和背面电极所制造的n面朝上型LED，其中下面(2)到(4)所说明的功能层是在下面(1)中介绍的衬底101上依次堆栈形成的。
(1)掺锌(Zn)p型(100)-GaAs单晶衬底101。
(2)在720℃下，通过使用镓(Ga)/砷烷(AsH3)/氢气(H2)系统的氢化物气相外延(VPE)方法生长的掺Zn p型GaAs1-zPz组分梯度层108(载流子浓度大约1×1018cm-3，层厚15μm)。
(3)在720℃下，通过上述的氢化物VPE方法生长的以及掺有作为等电子杂质的氮(N)的掺硅(Si)n型GaAs0.25P0.75发光层104。
(4)在400℃下，通过使用(C2H5)3B/PH3/(H2)反应系统的MOCVD方法生长的由主要部分为非晶的n型砷化硼化磷(BP0.95As0.05)层构成的室温带隙为2.7eV的上势垒层105(载流子浓度大约4×1018cm-3，层厚大约750nm)。
(5)设置在上势垒层105中心的由金·锗(Au·Ge)环形电极(直径120μm)构成的欧姆表面电极106。
(6)提供在几乎整个p型Si衬底101背表面上的由金·锌(Au·Zn)构成的欧姆背面电极107。
所用的黄色LED 2A是具有以下特征(a)到(d)的LED，即(a)发光中心波长为580nm(b)亮度3毫堪德拉(mcd)(c)正向电压2伏(V)(正向电流20mA)(d)反向电压5V(反向电流10μA)通过组装边长均为300μm的方形蓝色LED 1A和黄色LED 2A获得的多色发光灯20是通过如下步骤(A)到(B)制造的(A)使用例如导电粘合材料通过芯片直接组装手段把LED 1A和2A的p型背面电极分别固定在位于公共衬垫15之上的金属层16上，以及(B)通过楔焊手段或球焊手段把LED 1A和2A的n型表面电极106单独键合在与衬垫15电绝缘的接线端17和18上。
多色发光灯20是通过单独键合LED 1A和2A来制造的，因此，可以用作绿色单色灯或用作可发出黄频范围内单色光的灯。当电流同时通过绿色LED 1A和黄色LED 2A时，提供了可以用作白色灯的多色灯。
(实例2)下面将结合制造包含使用硅衬底的蓝色LED的RGB型多色发光灯的一个实例对本发明进行详细说明。
图7示出了根据实例2的多色发光灯30的结构的截面图。RGB型多色发光灯30是通过结合实例1中说明的蓝色LED 1A、异质结型GaP绿色LED3A和异质结型AlGaAs红色LED 4A制造的。
所用的蓝色LED 1A是通过在叠层结构上设置下面(6)和(7)所说明的欧姆表面和背面电极所制造，其中下面(2)到(5)所说明的功能层是在下面(1)中介绍的衬底101上依次堆栈形成的。实例2的p面朝上型蓝色LED 1A是与实例1的n面朝上型蓝色LED 1A具有相同发光特性的双异质(DH)结型LED。
(1)掺磷(P)n型(100)-Si单晶衬底101。
(2)在400℃下，通过使用三乙基硼烷((C2H5)3B)/磷烷(PH3)/氢气(H2)系统的大气压MOCVD方法生长的层厚为15nm的、由与构成衬底101的Si单晶(晶格常数5.431)晶格匹配的n型磷化硼铟混合晶体(B0.33In0.67P)构成的缓冲层102。
(3)在850℃下，通过使用上述MOCVD气相生长方法掺杂镁(Mg)的、由主要包含取向与衬底101的表面几乎平行的(110)晶面的n型磷化硼铟混合晶体(BxIn1-xPx＝0.33→0.98)构成的下势垒层103(载流子浓度大约1×1018cm-3，层厚大约560nm)。在磷化硼铟混合晶体(BxIn1-xP)组分梯度层中硼组分比(＝x)在与缓冲层102接触的界面处被设为x＝0.33，并在与发光层连接的表面上被设为x＝0.98。
(4)主要由立方n型Ga0.90In0.10N层(晶格常数4.557)构成的发光层104(载流子浓度大约3×1017cm-3，层厚大约150nm)。
(5)在400℃下，通过上述MOCVD反应系统生长的由主要部分为非晶的、掺镁(Mg)的p型磷化硼铟(B0.98In0.02P，晶格常数大约4.557)层构成的室温带隙为3.1eV的上势垒层105(载流子浓度大约2×1019cm-3，层厚大约400nm)。
(6)设置在上势垒层105中心的由金·锌(Au·Zn)环形电极(直径130μm)构成的欧姆表面电极106。
(7)提供在几乎整个n型Si衬底101背表面上的由铝(Al)构成的欧姆背面电极107。
所用的异质结型GaP绿色LED 3A是通过在叠层结构上设置下面(4)和(5)所说明的欧姆表面和背面电极所制造的p面朝上型单异质(SH)结型LED，其中下面(2)和(3)所说明的功能层是在下面(1)中介绍的衬底101上依次堆栈形成的。
(1)掺硅(Si)n型偏离(100)2°的GaP单晶衬底101。
(2)在800℃下，通过普通的液相外延(LEP)方法(参见III ZokuKagobutsu Handotai(Group III-V Compound Semiconductor)，253到256页，supra)生长的以及掺杂具有6×1018cm-3原子浓度的作为等电子陷阱的氮(N)的由掺硅(Si)n型GAP构成的发光层。
(3)在380℃下，通过上述MOCVD反应系统生长的由主要部分为非晶的p型磷化硼(BP)层构成的室温带隙为3.0eV的上势垒层105(载流子浓度大约3×1019cm-3，层厚大约400nm)。
(4)设置在上势垒层105中心的由金·铍(Au·Be)环形电极(直径110μm)构成的欧姆表面电极106。
(5)提供在几乎整个n型Gap衬底101背表面上的由金·锗合金(Au95wt％，Ge，5wt％)构成的欧姆背面电极107。
所用的异质结型GaP绿色LED 3A是具有以下特征(a)到(d)的LED，即(a)发光中心波长为555nm(b)亮度5毫堪德拉(mcd)(c)正向电压2伏(V)(正向电流20毫安(mA))(d)反向电压5V(反向电流10μA)所用的异质结型红色LED 4A是用掺硅(Si)n型(100)-Si单晶作为衬底101的以及具有由n型砷化铝镓(AlGaAs)制造的发光层104和由p型磷化硼(BP)制造的上势垒层105的pn结型LED。P面朝上型红色LED4A的主要特征如下(a)发光中心波长为660nm(b)亮度8毫堪德拉(mcd)
(c)正向电压2伏(V)(正向电流20毫安(mA))(d)反向电压5V(反向电流10μA)通过组装其一边长均为250μm的方形蓝色LED 1A、异质结型GaP绿色LED 3A和异质结型AlGaAs红色LED 4A获得的RGB型多色发光灯30是通过如下步骤(A)到(B)制造的(A)使用例如导电粘合材料通过芯片直接组装方法把LED 1A、3A和4A的n型背面电极107分别固定在位于公共衬垫15之上的金属层16上，以及(B)通过楔焊手段或球焊手段把LED 1A、3A和4A的p型表面电极106单独键合在与衬垫15电绝缘的接线端17到19上。
多色发光灯30是通过单独键合LED 1A、3A和4A来制造的，因此，也可以用作绿频、红频或黄频的单色灯。特别是，实例2的灯30使用了具有含硼III-V族化合物半导体的异质结型GaP基LED 3A，因此，也可以用作可发出高亮度绿频范围单色光的灯。此外，LED 1A、3A和4A是单独键合的，因此，可以单独控制通过每个LED的正向电流并可以产生RGB的混合光。此外，通过同时点亮LED 1A、3A和4A可以提供能够发出白光的RGB型多色发光灯30。
(实例3)下面将结合通过组装实例2中介绍的RGB型多色发光灯30来制造光源的一个实例来说明本发明。
图8为依据本发明的光源的平面图，它是例如通过有规律的等间距排列RGB型多色发光灯30来制造的。通过应用配线，使之能够受控向灯30阵列的单独接线端18传递正向电流，由此，可以调节色度并且可以制作用于显示等的多色灯。
工业应用根据本发明，多色发光灯和光源可以通过具有作为势垒层的磷化硼基III-V族化合物半导体层的异质结型发光器件来制作，例如，异质结型GaP基绿色LED或异质结型Ga1-zAszPz基LED，从而，例如，可以提供发光强度很高的RGB混合色型多色发光灯。
此外，根据本发明，多色发光灯和光源可以通过使用了导电衬底和在衬底的背面上提供了电极的发射绿频光的发光器件来制作，例如，具有含硼的III-V族化合物半导体层的蓝色LED，从而利用简单的键合操作即可得到高强度的多色发光灯和光源。
权利要求
1.一种通过结合设置多个LED制作的多色发光灯，其中设置了一个能发出蓝频光的蓝色发光二极管(LED)，该蓝色发光二极管包括一个位于导电衬底表面的、由非晶或多晶的含硼III-V族化合物半导体构成的低温缓冲层、一个位于低温缓冲层上的由包含硼(B)和磷(P)的磷化硼(BP)基III-V族化合物半导体构成的势垒层和一个位于势垒层上的由III-V族化合物半导体构成的发光层。
2.根据权利要求1的多色发光灯，其中设置了一个能发出黄频光的异质结型黄色LED，该黄色LED包括一个位于衬底上的发光层和一个位于发光层上的由磷化硼基III-V族化合物半导体构成的上势垒层。
3.根据权利要求1或2的多色发光灯，其中设置了一个能发出黄频光的异质结型绿色LED，该绿色LED包括一个位于衬底上的发光层和一个位于发光层上的由磷化硼基III-V族化合物半导体构成的上势垒层。
4.根据权利要求1到3中任何一个的多色发光灯，其中设置了一个能发出红频光的异质结型红色LED，该红色LED包括一个位于衬底上的发光层和一个位于发光层上的由磷化硼基III-V族化合物半导体构成的上势垒层。
5.根据权利要求1到4中任何一个的多色发光灯，其中衬底是由具有相同导电类型的单晶形成的。
6.包含根据权利要求1到5中任何一个的多色发光灯的光源。
全文摘要
本发明提供了一种利用具有能够避免连接麻烦的结构的蓝色LED制作多色发光灯的技术。特别地，本发明提供了使用能够发出高强度的合成绿色光异质结型GaP基LED结构制作多色发光灯的技术。同样，例如，通过蓝色LED和黄色LED来制作多色发光灯过程中，本发明提供了利用没有连接麻烦的蓝色LED和具有高发光强度的异质结型GaAs
文档编号H01L25/075GK1541420SQ0281567
公开日2004年10月27日 申请日期2002年8月16日 优先权日2001年8月20日
发明者宇田川隆 申请人:昭和电工株式会社