[发明专利]功率发光二极管及利用电流密度操作的方法

说明书

技术领域

本申请要求共同转让的于2009年9月18日提交的美国第61/243,988号申请的优先权（律师号：027364-007100US），通过引证将其结合于此

背景技术

本发明大体上涉及照明技术，具体地涉及在含镓和氮的极性、半极性或非极性的体材料上制造的高电流密度LED器件的技术。本发明可应用于诸如白光照明、多色照明、平板显示器的照明、其他光电器件以及类似产品的实际应用。

在19世纪后期，托马斯·爱迪生发明了电灯泡。通常被称为“爱迪生灯泡”的传统电灯泡已使用了一百多年。传统电灯泡使用封入底座中的玻璃灯泡所包含的钨丝，其中该底座将被旋进插孔中。该插孔耦接至AC电力或DC电力。可以在住宅、建筑物以及户外照明中以及在需要光的其他区域中发现传统电灯泡。不幸的是，用于传统电灯泡的能量的90%以上作为热量散发。另外，传统电灯泡经常由于灯丝元件的热膨胀和收缩而损坏。

荧光照明克服了传统电灯泡的一些缺点。荧光照明使用填充有惰性气体和汞的光学透明管结构。一对电极耦接于卤素气体之间并且通过镇流器耦接至交流电源。一旦该气体被激发，由此产生的汞蒸气放电从而发射UV光。通常，灯管涂敷有可被UV发光激发从而产生白光的荧光材料。许多建筑结构使用荧光照明，最近，荧光照明已被安装在可耦接入标准插孔的底座结构上。

固态发光技术也是已知的。固态发光依靠半导体材料来制作通常称为LED的发光二极管。最初，红色LED被论证并引入商业。红色LED使用铝铟镓磷化物或AlInGaP半导体材料。最近，中村修二（Shuji Nakamura）开创了使用InGaN材料来制作LED发光在蓝色范围内的蓝色发光LED。蓝光LED导致了诸如固态白光照明的革新以及其他开发。尽管还提出了其他颜色LED但固态照明仍具有局限性。这种局限性的进一步细节将在整个本说明书中描述，并且以下将对其进行更具体地描述。

固态照明的一个挑战是基于LED的照明的高成本。成本通常与用于产生给定光量的半导体材料实际成本成比例。为了降低成本，需要半导体材料的每单位面积产生更多流明。然而，传统InGaN基LED面临于其中内量子效率随着电流密度增加而降低的效率的“光效率下降”。最大效率的电流密度Jmax通常是1-10A/cm²，这是一个非常低的电流密度。而且，在更高电流密度时，电流拥挤（current crowding）和热梯度（thermal gradient）会造成低劣的性能和可靠性问题。这些现象使得难以通过增加电流密度来降低成本，这是因为上面的类似于荧光和白炽照明的传统方法需要最小效率来提供LED的节能。在通篇本说明书进一步详细地并且在下面更具体地描述这些限制和其他限制。

根据上面所述，可以看出，迫切需要改善光学器件的技术。

发明内容

根据本发明，提供了总体上涉及照明的技术。具体地，描述了用于使每单位面积的GaN基半导体材料产生更多的光输出的技术。更具体地，发明的实施方式包括在含氮和镓的极性、半极性或非极性的体材料上制作的具有高有源区利用率（即，有源区面积与切割节距（dicing pitch）的比）的高电流密度LED器件。

传统的GaN基LED通过在诸如蓝宝石、碳化硅（SiC）或硅（Si）的异质衬底上外延生长器件层来制造。在蓝宝石的情况下，由于蓝宝石的电绝缘特性，要求横向注入几何结构。横向几何结构可以是利用半透明欧姆接触金属法的顶部发射或底部发射（即，倒装晶片或FC几何结构）。此外，可移除蓝宝石衬底并且采用薄膜方法，其中，所述外延器件层被转印在载体衬底或封装元件上。对于Si，高的光提取效率要求将Si衬底去除，要求薄膜方法。对于SiC，横向法或薄膜方法都是可行的。

对于固定的光输出强度，降低成本的主要手段是将照明产品所需的LED半导体面积减小。总LED芯片面积的减小高效地提高了半导体制造工厂的生产率，同时最终产品组件中所使用的光学元件和其他部件的尺寸减小。芯片尺寸的减小使得电流密度增大，但利用下面描述的本发明的外延技术可在高电流密度下保持高的外量子效率。芯片设计也起到了重要作用。横向芯片（顶部或衬底发光）的芯片尺寸减小是存在问题的，这是因为随着芯片尺寸减小，制造容差会使得有源区利用率降低。