具有单片集成的光电检测器用于原位实时强度监视的发光二极管（LED）制造技术

提供针对发光二极管（LED）发光应用的设备，以及制造所述设备的方法。一种设备可以包括与相同的半导体平台上的光电检测器集成的LED，使得由光电检测器生成的光电流可以用于监视LED的光学输出，所述LED位于与光电检测器相邻处。提供能够经由低成本的途径来监视LED发射的紧凑、稳健和可靠的光电检测器。

Light Emitting Diode (LED) with Monolithic Integrated Photoelectric Detector for In-situ Real-time Intensity Monitoring

A device for light emitting diode (LED) light emitting applications and a method for manufacturing the device are provided. A device may include an LED integrated with a photoelectric detector on the same semiconductor platform so that the photocurrent generated by the photoelectric detector can be used to monitor the optical output of the LED, which is located adjacent to the photoelectric detector. A compact, robust and reliable photoelectric detector capable of monitoring LED emission through a low-cost way is provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有单片集成的光电检测器用于原位实时强度监视的发光二极管（LED）
本文中公开的主题涉及发光二极管（LED）设备。
技术介绍
固态发光设备的性能在近年来已经极大改善，这归功于具有高光视效能和长寿命时间的发光二极管（LED）的开发。然而，LED输出的强度的逐渐下降如对于较早先代发光设备那样不可避免，尽管以慢得多的速率。特别地，LED的降级机制是高度温度相关的，因为升高的结温将引起光输出中的下降并且因而引起芯片降级中的加速。此外，光源内的单独的LED可展现不同的降级速率，甚至在它们经受相同的环境因素的时候。光输出中的这样的长期漂移在典型地包括多个LED的发光应用（诸如例如住宅灯和户外显示器）中造成最显著的挑战之一。在一些情况中，基于LED的发光设备不产生足够的亮度或发射均匀性，从而导致比制造商确定的期望短得多的寿命。由于LED发射所引起的固有地大的发散角，基于LED的发光设备的总体发射模式是来自多个LED的重叠发射锥的组合，如图1中所图示的。作为结果，来自单独LED的离散强度变化将引起总体发射模式中的不均匀性。除了以上提及的一般发光设备之外，其它基于LED的应用（诸如光纤光源以及室内农业和温室照明）需要光源针对由包括静电故障、电极劣化以及其它热学和湿度有关问题的因素所引起的短期环境变化是高度稳定的（即，没有单独LED中的强度漂移）。监视多个LED输出中的强度变化的一个方法是提供分离的光电检测器，其以特定的角度指向LED（图1）。尽管已经使得多个半导体光电检测器（诸如肖特基势垒光电二极管、p-n、p-i-n、金属-半导体-金属（MSM）、金属绝缘体半导体（MIS）、以及高电子迁移率晶体管（HFET）传感器）可用于该目的，但是光电检测器连同芯片载体封装在光源上方的芯片外集成需要使用若干庞大的机械组件来维持光电检测器的检测角，从而导致降低的光输出和非均匀的发射。将冗长的光电检测器配置集成到具有窄发散角的LED光源上可能是特别有挑战性的。另外，现有的解决方案仅仅在单个定位和/或角度上是有效的，并且因而不能检测来自多个单独LED的强度改变。此外，整个芯片外系统可能对其它非预期的环境因素（诸如冲击或振动）是敏感的，从而潜在地降低总体设备的可靠性。
技术实现思路
由于以上讨论的挑战，在本领域中仍然有针对以下的需要：开发集成的发光二极管（LED）设备，其输出能够被光电检测器有效地监视。本专利技术的实施例提供针对LED发光应用的设备，以及用于制造所述设备的方法。在一些实施例中，一种设备可以包括与在相同的半导体平台上的光电检测器集成的LED，使得由光电检测器生成的光电流可以用于监视LED的光学输出，所述LED位于与光电检测器相邻处。有利地，本文中公开的技术可以用于提供紧凑、稳健和可靠的光电检测器，其能够经由低成本途径来监视LED发射。在实施例中，电子设备可以包括被集成到单个半导体平台上并且被定位成与彼此相邻的LED和光电检测器，并且由光电检测器所生成的电流可以用于监视LED的光学输出。LED二极管和光电检测器可以单片地被制造到单个半导体平台上。在另一实施例中，一种制造电子设备的方法可以包括：将n型半导体层沉积在衬底的顶部表面上，所述衬底在其底部表面上具有涂层；将有源层沉积在衬底上，所述有源层包括多个量子阱；将p型半导体层沉积在有源层上；将电流扩散层沉积在有源层上；将光致抗蚀剂层沉积在电流扩散层上；根据预定义的图案来掩蔽光致抗蚀剂层，所述预定义的图案限定将形成的LED的大小和位置以及将形成的光电检测器的大小和位置；使经掩蔽的光致抗蚀剂暴露于UV光；在光致抗蚀剂显影剂的槽中使电子设备的经UV曝光的表面显影以形成LED和光电检测器；以及蚀刻掉表面上的未经掩蔽的区以形成所期望的接触焊盘和沟槽，其被设计用于在LED和光电检测器之间的电绝缘。附图说明图1是图示了具有芯片外光电检测器的LED阵列的示例性实施例的示意图。图2a-2d是示意图，其描绘了根据本专利技术的实施例的用于制造单片集成的LED-光电检测器设备的光刻过程。图2a图示了涂覆有ITO层的起始LED晶圆。图2b图示了台面（mesa）限定和ICP蚀刻的结果。图2c示出了通过电子束蒸发所沉积的金属焊盘涂层。图2d图示了在LED和光电检测器之间的分离。图3图示了根据本专利技术的实施例的光束可以在LED、蓝宝石衬底和光电检测器内传播的各种角度。图4a是根据本专利技术的实施例的操作的集成LED-光电检测器设备的缩微照片。图4b图示了根据本专利技术的实施例的设备的芯片上光电检测器的电致发光（EL）光谱（蓝色；具有在绘图中心附近的峰值的线）以及光谱响应度（黑色；在绘图的顶部、左手侧附近开始的方形）。图5a展示了分别以暗度和照度测量的、与LED集成的示例性芯片上光电检测器的I-V特性。图5b示出了作为示例性设备的操作时间的函数的光输出功率（红色；如所描绘的较高的、具有方形绘图点的线）以及光电流（蓝色；如所描绘的较低的、具有圆形绘图点的线）的绘图。图5c示出了光电流（安培）相对于LED电流（毫安）的绘图。图6a和6b是根据本专利技术的实施例的、其表面沉积有磷光剂的设备的微缩照片。图6c示出了根据本专利技术的实施例的具有磷光剂的经封装设备的EL光谱。图7a和7b分别是以多芯片（图7a）和芯片堆叠（图7b）配置所布置的、具有单片集成的芯片上光电检测器的红色、绿色、和蓝色发光二极管的示意图。如图7a中所描绘的，蓝色LED是最左侧的，绿色LED是最顶部的，并且红色LED是最右侧的。如图7b中所描绘的，蓝色LED在顶部，绿色LED在蓝色LED下面，并且红色LED在绿色LED下面。图8示出了根据本专利技术的实施例的、包括基于GaN的半导体平台的单片集成的LED-光电检测器设备。图9示出了光电流（安培）相对于电压（伏特）的绘图。图10a和10b分别是以多芯片（图10a）和芯片堆叠（图10b）配置所布置的、具有单片集成的光电检测器的红色、绿色和蓝色发光微显示器的示意图。如图10a中所描绘的，开始于如所描绘的最顶部的LED，第一从左到右的行示出了红色LED，下方的下一行示出了绿色LED，之后是蓝色、红色、绿色和蓝色LED，以此次序。如图10b中所描绘的，蓝色LED阵列在顶部，绿色LED阵列在蓝色LED阵列下面，并且红色LED阵列在绿色LED阵列下面。图11a示出了电压（V）相对于电流（mA）的绘图；图11b示出了EL强度（a.u.）相对于波长（nm）的绘图，并且图11c示出了光谱宽度（nm）相对于电流（mA）的绘图。具体实施方式本专利技术的实施例提供针对发光二极管（LED）发光应用的设备，以及制造所述设备的方法。在一些实施例中，一种设备可以包括与在相同的半导体平台上的光电检测器集成的LED，使得由光电检测器生成的光电流可以用于监视LED的光学输出，所述LED位于与光电检测器相邻处。有利地，本文中公开的技术可以用于提供紧凑、稳健和可靠的光电检测器，其能够经由低成本途径来监视LED发射。在一些实施例中，LED和光电检测器具有相同的半导体结构。由于发光和吸收是互补的过程，所以意图用于光发射的LED还可以充当光电检测器，其中通过光学吸收来生成电子-空穴对，从而产生在电极之间的大量光电流流动。通过将设备的一区限定为光电检测器，所生成的光电流可以被利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子设备，其包括被集成到单个半导体平台上并且被定位成与彼此相邻的发光二极管和光电检测器，其中由光电检测器所生成的电流用于监视发光二极管的光学输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电子设备，其包括被集成到单个半导体平台上并且被定位成与彼此相邻的发光二极管和光电检测器，其中由光电检测器所生成的电流用于监视发光二极管的光学输出。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述发光二极管和光电检测器具有相同的半导体结构。3.根据权利要求1-2中任一项所述的设备，其中所述发光二极管和光电检测器被单片地制造到单个半导体平台上。4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中发光二极管的表面面积大于光电检测器的表面面积。5.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中发光二极管的表面面积是光电检测器的表面面积的至少十倍。6.根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其中所述单个半导体平台包括基于GaN的材料。7.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其中所述发光二极管生成在大约200nm和大约1770nm之间的光谱范围中的光，并且光电检测器检测发光二极管的所述光谱范围的一部分内的光。8.一种制造电子设备的方法，所述方法包括：将n型半导体层沉积在衬底的顶部表面上，所述衬底在其底部表面上具有涂层；将有源层沉积在衬底上，所述有源层包括多个量子阱；将p型半导体层沉积在有源层上；将电流扩散层沉积在有源层上；将光致抗蚀剂层沉积在电流扩散层上；根据预定义的图案来掩蔽光致抗蚀剂层，所述预定义的图案限定将形成的发光二极管的大小和位置以及将形成的光电检测器的大小和位置；使经掩蔽的光致抗蚀剂暴露于UV光；在光致抗蚀剂显影剂的槽中使电子设备的经UV曝光的表面显影以形成发光二极管和光电检测器；以及蚀刻掉表面上未经掩蔽的区以形成所期望的接触焊盘和沟槽，其被设计用于在发光二极管和光电检测器之间的电绝缘。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述衬底的底部表面上的涂层包括银、铝和分布式布拉格反射器中的至少一个。10.根据权利要求8-9中任一项所述的方法，其中所述衬底是光学透明的。11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述电流扩散层是光学半透明的。12.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述电流扩散层是光学透明的。13.一种发光设备，其包括多个电子设备，每个电子设备包括被集成到单个半导体平台上并且被定位成与彼此相邻的发光二极管和光电检测器，其中由每个电子设备的光电检测器所生成的电流用于监视相同电子设备的发光二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡凯威，李携曦，陆海涛，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81