专利名称：多颜色发光二极体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基本电气元件，特别是涉及一种可同时发出多种颜色光的发光二极体。
目前市面上的多颜色发光二极体，如日本专利公告第07015044A号所述，系将红、绿、兰三种颜色的三色晶体共同包装在一起而构成，不能在同一晶片上制作出R、G、B三色的LED。其主要原因在于各色晶片的基材与制作均不相同，例如，高亮度红色以三元AlGaAs、四元AlGaInP为材料，而兰色与绿色是以GaN系为主，但因兰色与绿色磊晶的制作不一，使得磊晶要同时制作在一起十分困难，而且各色的驱动电压也不一致，无法控制电流的亮度。因此，目前市面上还没有看到同一晶片上拥有R、G、B三色的LED，更无法看到手提电脑用的显示器。
本发明之目的旨在提供一种将红、绿、兰三色直接制作在同一晶片上的多颜色发光二极体，使之切割成单一晶粒并同时具有三种颜色的功能，无需三颗不同颜色的晶粒才能实现多颜色发光二极体，还可制成高清晰度的显示器，并应用于手提电脑上。
本发明的技术解决方案是这种多颜色发光二极体包括有紫外光发光晶体、波长变换层、P型电极、N型电极、反射层、绝缘层或绝缘反射层，将三五族氮化物成长于兰宝石基板上，成为紫外光发光晶体，在紫外光发光晶体的周围镀上绝缘层、反射层或绝缘反射层，波长变换层内含可变换波长的萤光粉，波长变换层涂布于紫外光发光晶体的正面或背面，波长变换层涂布于晶体正面时，晶体背面就镀上反射层，波长变换层涂布于晶体背面时，晶体正面电极则为反射金属层，P型电极、N型电极连接于紫外光发光晶体上，并加上电压，利用上述结构可将所激发的光集中地从正面或背面发射出来，经波长变换层的转变，发出各种颜色的可见光。
本发明的多颜色发光二极体，参照日光灯的原理，以紫外线激发涂在其表面的R、G、B三色萤光粉，实现产生各色光或白色光的目的，这种方法产生的白色光具有R、G、B三色三波长，因而可制成彩色显示屏幕或小型显示器，甚至当作背光源来使用，同时，以紫外光制作要比兰光制作来得容易，而且成本价格低。
近年来，短波发光二极体及雷射二极体的研究方兴未艾，尤其以三五族氮化物半导体为基础的氮化铝镓铟系列最为引人嘱目。这是由于氮化物在三五族半导体中具有很高的直接能隙，变化组成可得到发光波长介于黄光至紫外光范围的高效率发光元件。有的研究机构已研制出兰色、绿色及其它高亮度的发光二极体，其波长分别为450及525nm。其中所采用的发光二极体结构及单量子井，可以达到高量子效率。因此，制作紫外光发光二极体，可采用类似结构，其中活性层的量子井结构为氮化镓(GaN)，改变量子井厚度约20-100A，使之成为波长接近紫外光的高效率发光二极体。由于氮化镓活性层5与氮化铝镓限制层的晶格常数接近匹配，因此可得高品质的氮化镓活性层5，相对于现有兰色发光二极体其活性层为氮化镓铟(GaInN)，铟的组成为0.2，量子效率约为7％，紫外发光二极体的量子效率理论值可达10％以上，更因紫外光的制作过程在活性层不添加的情况下进行，制作上比作成兰光或绿光容易得多，且优良率会更高。
本发明的发光二极体结构可利用有机金属气相磊金法将三五族氮化物成长于兰宝石基板之上。由于兰宝石基板为一绝缘体，晶粒的制作必须先从氮化镓磊晶层部分腐蚀至暴露P型氮化镓为止，之后再进行P型电极及N型电极蒸镀，最后再切割成约350×350um的晶粒，即成为紫外光LED晶粒。
本发明所使用的波长变换层，主要为可改变波长的萤光粉材料并添加透明树脂混合之后所涂布形成的膜层。该萤光粉须为近紫外光(350-180nm)所激发，本发明则采用较稳定的氧化物萤光粉，如红色则为YVO4、Eu系或Y2O2S，波长约为620nm，兰色则为BaMgA14O23、Eu系列，波长约为454nm，绿色则为ZnO、Zn系列，波长约为505nm。其他可选的萤光粉还很多，如ZnS系列，但以氧化物萤光粉较稳定，耐温可达200℃，长时间不衰减，可使LED连续发光50000小时以上，故氧化物萤光粉适合本发明所采用。
只要将红、绿、兰三色的萤光粉分别涂在紫外光晶粒的表面之上，即可得红、绿、兰三种不同波长光谱的LED。本发明所采用的紫外光晶粒其波皮长约为350-385nm左右，为近紫外光，不伤害人体及物品，而一般日光的紫外光，长时间照射对人体有害。
因此本发明能将红、绿、兰三色直接制作在同一晶片上，切割成单一晶粒并同时具有三种颜色的功能，制作简单，容易，成本价格低，这种多颜色发光二极体可制成高清晰度的显示器，并可应用于手提电脑上。
图1为本发明紫外光发光二极体的剖面结构图；图2为本发明多颜色发光二极体的单一结构图(正面发光模式)；图3为本发明多颜色发光二极体的单一结构图(背面发光模式)；图4为本发明的第一实施例(背面发光模式)；图5为本发明的第二实施例(正面发光模式)；图6为本发明用兰光晶粒时的第三实施例。
附图标注说明1-兰宝石基板2-氮化镓缓冲层 3-N型氮化镓接触层4-N型氮化铝镓限制层 5-氮化铟镓活性层6-P型氮化铝镓限制层7-P型氮化镓 8-P型电极 81-P型透明电极9-N型电极 10-底面反射层 11-绝缘层12-反射层 13-波长变换层 14-绝缘反射层15-滤光层 20-透明封胶 R-红色光G-绿色光B-兰色光下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明并给出实施例参见图1，为本发明的单一结构图。在P型电极8及N型电极9上加一电压约3.5V左右，即可产生紫外光，在图1的结构中，发光中心为氮化铟镓活性层5，因基材为兰宝石基板1(氧化铝单晶)，所以它和玻璃一样是透明体，在其上方成长出来的各层磊晶(电极除外)亦为透明体，因此它所发出来的光线是向四面八方发散的，为使紫外光能集中地从一面射出，须在晶粒上的周围加上一反射层12(如图2所示)。图2中所激发的光线从正面方向射出，因此，必须在基材1的底面再加上一底面反射层10，并于晶粒周围镀上一层绝缘层11后再镀上一层反射层12。经过上述处理后，紫外光便可从正面射出，再经过透明电极81及波长变换层13的作用，即可产生任何颜色可见光的发光二极体。此时的P型电极8采用透明的导电膜层，即P型透明电极81，最后再于P型透明电极81的外表面涂上或镀上一层波长变换层13，该波长变换层13为含有可吸收紫外光并转换为可见光的萤光物质，而该萤光物质可为任意颜色，且只要能被本发明的紫外光晶粒所产生的360-385nm波光所激发、并发出可见光如R、G、B等颜色的萤光物质皆可使用。
参见图3，其发光的方向为背面发光模式，此种作法在LED元件上是前所未有的，因别的光色材料如砷化镓的LED晶体为非透明体，故光无法从背面射出，只有以GaN系才能得到，同时，利用兰宝石基板1为全透明体并当作光的射出面，在其表面再加上一层波长变换层13，另外，在晶粒的周围镀上一绝缘反射层14或是先镀一层绝缘层11再加镀一层反射层12均可，本发明的P型电极为具有反射功能的电极，如金、铝、银等元素构成，既形成光的反射又兼具电极功能，这样，光就会从背面射出，这种结构有利于多元件面积的制作，如IC板制作，也适用于显示器装置。
参见图4，为本发明的第一实施例。其主要结构由三个紫外光发光二极体配合R、G、B三颜色波长变换层组合而成的三个基色的发光二极体，也就是本发明多颜色发光二极体的基本构造。亦即将三个如图3所示的基本构造共同组合而成，所激发的光从背面射出，在波光变换层表面涂一层透明封胶20，作为波长变换层13的保护。此时的P型电极8用具有反射性质的材料所制成，绝缘层11包于晶粒的周围，最后再加上一层反射层12，使得所激发出来的光能集中地从背面射出，成为高亮度、高效率的发光二极体。
参见图5，为本发明的第二实施例。所激发出的光从正面发出，且具有R、G、B三色。首先于兰宝石基板的背面镀上一反射层10，P型电极使用P型透明电极81，同样地，紫外光晶粒的周围亦镀上一绝缘层11，最后再镀上一反射层12，这样就可以使所激发的光能集中地从正面射出具有R、G、B三色的光。
以上设计均以紫外光晶粒为基础，且在该晶粒周围的背面或正面加上一反射层12，最后在紫外光射出面再加渚一层波长变换层13，使得该多颜色发光二极体可以发射出各种颜色的光。
此外，本发明的结构设计也可用兰光晶粒取代紫外光晶粒，以发射出R、G、B三色光波。如图6所示，为本发明的第三实施例。其中三个发光晶粒皆为兰光晶粒，且发光的方向可为背面发光模式。亦即在三个兰光晶粒的周围分别镀上一绝缘层11，再镀上一层反射层12，而P型电极采用具反射性的金属层，同时，三个兰光晶粒中的两个，于相对应基板1的底面分别涂布一层红色、绿色的波长变换层13，以个别形成兰红光、兰绿光，再分别于该红色或绿色波长变换层13的上方加上一层可过滤兰光的滤光层15，将兰光滤除，最后分别得到红光、绿光。根据上述的结构，除了使兰光晶粒所激发的光从该二极体的背面发射出来，还可作为一彩色单元组加以应用，但以兰光晶粒为基础其效率要比紫外光晶体为基础差得多。
权利要求
1.一种多颜色发光二极体，其特征在于包括有紫外光发光晶体、波长变换层、P型电极、N型电极、反射层、绝缘层或绝缘反射层，将三五族氮化物成长于兰宝石基板上，成为紫外光发光晶体，在紫外光发光晶体的周围镀上绝缘层、反射层或绝缘反射层，波长变换层内含可变换波长的萤光粉，波长变换层涂布于紫外光发光晶体的正面或背面，波长变换层涂布于晶体正面时，晶体背面就镀上反射层，波长变换层涂布于晶体背面时，晶体正面电极则为反射金属层，P型电极、N型电极连接于紫外光发光晶体上。
2.根据权利要求1所述的多颜色发光二极体，其特征在于其发光的方向可为正面发光模式，即在紫外光发光晶体的周围，先行镀上一绝缘层，再镀上一层反射层，另在基板底面镀上一层反射层，而P型电极采用透明电极，并在该P型电极上方涂布一层可改变波长的波长变换层，使所激发的光从该二极体正面射出。
3.根据权利要求1所述的多颜色发光二极体，其特征在于其发光的方向可为背面发光模式，即在紫外光发光晶体的周围先行镀上一绝缘层，再镀上一层反射层，而P型电极为一具有反射性的金属层，在基板底面涂布一层可改变波长的波长变换层，使所激发的光从该二极体背面射出。
4.根据权利要求1所述的多颜色发光二极体，其特征在于可将三个紫外光发光晶体作为一组彩色单元，而这三个紫外光发光晶体，各自的外表面分别涂布一层红、绿、兰色的波长变换层，使各个紫外光发光晶体分别发出红、绿、兰色的光。
5.根据权利要求4所述的多颜色发光二极体，其特征在于发光的方向可为正面发光模式，即在三个紫外光发光晶体的周围，分别镀上一绝缘层，再镀上一层反射层，另在基板底面镀上一层反射层，而P型电极采用透明电极，三个紫外光发光晶体的P型电极上方分别涂布一层红色、绿色、兰色的波长变换层，以分别形成红、绿、兰光。
6.根据权利要求4所述的多颜色发光二极体，其特征在于发光的方向可为背面发光模式。即在三个紫外光晶粒的周围分别镀上一绝缘层，再镀上一层反射层，P型电极采用具反射性的金属层，三个紫外光发光晶体所对应的基板底面分别涂布一层红色、绿色、兰色的波长变换层，以分别形成红光、兰光、绿光。
7.根据权利要求6所述的多颜色发光二极体，其特征在于该波长变换层的外表面可加涂布一层透明封胶，用以保护波长变换层。
8.根据权利要求5所述的多颜色发光二极体，其特征在于其中的三个紫外光发光晶体可以为三个兰光晶粒取代，且其发光方向可为正面发光模式，即在三个兰光晶粒的周围，分别镀上一绝缘层，再镀上一层反射层，另在基板底面镀上一层反射层，P型电极采用透明电极，三个兰光晶粒中的两个对应于P型电极的上方分别涂布一层红色、绿色的波长变换层，再分别于该红色、绿色波长变换层的上方加上一层可过滤兰光的滤光层，分别得到红光、绿光。
9.根据权利要求6所述的多颜色发光二极体，基特征在于三个紫外光发光晶体可为三个兰光晶粒取代，在三个兰光晶粒的周围分别先行镀上一绝缘层，再镀上一层反射层，P型电极采用具有反射性的金属层，三个兰光晶粒中的二个相对应基板的底面，分别涂布一层红色、绿色的波长变换层，以个别形成兰红光、兰绿光，再分别于红色或绿色的波长变换层上方加上一可过滤兰光的滤光层，将兰光给滤除，分别得以为红光、绿光。
10.根据权利要求9所述的多颜色发光二极体，其特征在于波长变换层的外表面可加涂布一层透明封胶。
11.根据权利要求1所述的多颜色发光二极体，其特征在于反射层及绝缘层可为一层兼具反射及绝缘性质的物质所取代。
全文摘要
一种多颜色发光二极体,包括有紫外光发光晶体、波长变换层、P、N型电极、反射层、绝缘层,在紫外光发光晶体的周围镀上绝缘层、反射层,波长变换层内含有变换波长的荧光粉,波长变换层涂布于晶体正面或背面。本发明系以GaN所制成的紫外光晶粒,利用该晶粒以蓝宝石基板为透明体特性,最后使紫外光晶粒所激发的光从正面或背面射出,经波长变换层变换,使之具有R、G、B三角的可见光,本发明制作容易,成本价格低、功能齐、效率高,应用广泛,如手提电脑显示器等。
文档编号H01L33/00GK1218996SQ9710832
公开日1999年6月9日 申请日期1997年11月27日 优先权日1997年11月27日
发明者陈兴 申请人:陈兴