專利名稱：一種無(wú)熒光粉高顯色性能白光led芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于LED光源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種白光發(fā)光二極管(LED)芯片，更具體的說(shuō)，涉及一種無(wú)熒光粉高顯色性能的白光發(fā)光二極管芯片。
背景技術(shù)：
自從1993年日本科學(xué)家中村修二發(fā)明商用氮化物藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)以來(lái)，氮化物L(fēng)ED的研究和應(yīng)用獲得爆炸性的擴(kuò)展。藍(lán)光發(fā)光二極管在很多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用， 其中最重要的應(yīng)用有RGB三基色顯示和大功率白光LED半導(dǎo)體照明。以大功率白光LED技術(shù)為主的半導(dǎo)體固態(tài)照明，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、安全、綠色環(huán)保備受世界各國(guó)政府青睞，此外，由于LED是電光源，體積小，將給照明設(shè)計(jì)提供極大自由性。國(guó)際上先后有美國(guó)能源部制定了固態(tài)照明計(jì)劃，預(yù)計(jì)在2020年半導(dǎo)體照明全面取代傳統(tǒng)照明；日本于 1998年制定的“21世紀(jì)照明計(jì)劃”；歐盟于2000年制定“彩虹計(jì)劃”；韓國(guó)的“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計(jì)劃”以及我國(guó)成立了“半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，積極推廣半導(dǎo)體照明！大功率白光LED 是半導(dǎo)體照明技術(shù)的前沿領(lǐng)域，利用LED照明將節(jié)省大量能源，減少二氧化碳排放量，對(duì)于環(huán)境發(fā)展具有重要意義。目前實(shí)現(xiàn)大功率白光LED的方法主要集中在三種技術(shù)路線上，一是藍(lán)光芯片加紅黃光熒光粉；二是紫光芯片加紅綠藍(lán)熒光粉；三是紅綠藍(lán)芯片組合封裝。其中，第一種技術(shù)相對(duì)成熟且成本較低；第二種技術(shù)仍處于早期研發(fā)階段，一系列關(guān)鍵材料和工藝有待突破； 第三種技術(shù)成本相對(duì)偏高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)較復(fù)雜。因此，國(guó)際上主要LED廠商均致力于以高亮度大功率藍(lán)光LED加熒光粉為核心技術(shù)的高亮白光LED照明的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，其熒光粉主要是用釔鋁石榴石黃光熒光粉(YhGda)3(AlbGab)5O12 = Ce3+(YAG = Ce)。利用攪拌，把熒光粉顆粒分散在硅膠中，通過(guò)點(diǎn)膠工藝把含熒光粉顆粒的硅膠覆蓋在LED芯片表面。熒光粉吸收LED芯片發(fā)出的藍(lán)光，轉(zhuǎn)換藍(lán)光成為黃光，并與部分透過(guò)硅膠的LED芯片藍(lán)光混合獲得白光。這種藍(lán)光LED加熒光粉技術(shù)的高亮白光LED具有一定缺點(diǎn)首先，缺乏紅光光譜，顯色性能不佳；其次，熒光粉顆粒分散在硅膠中，容易造成一部分LED芯片發(fā)出的藍(lán)光被顆粒散射回LED芯片，之后被芯片吸收，能量損失，封裝效率不高；再次，熒光粉制備及點(diǎn)熒光粉工藝復(fù)雜，提高白光LED成本；最后，熒光粉在點(diǎn)膠工藝工程中容易沉淀，造成LED側(cè)面發(fā)出的光被更多熒光粉吸收，黃光部分更多，顯色具有空間角度的不均勻性。為克服當(dāng)前白光LED制備技術(shù)中的缺點(diǎn)，必須尋求新的熒光轉(zhuǎn)換方法，獲得高顯色性能白光LED。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種大功率、且具有高顯色性能的白光LED芯片及其制備方法。本發(fā)明提供的高顯色性白光LED芯片，具有熒光層和發(fā)光芯片組合LED結(jié)構(gòu)，由半導(dǎo)體外延技術(shù)在同一外延設(shè)備中在單晶襯底材料上外延形成；其中，熒光層材料為稀土元素?fù)诫s的三族氮化物，發(fā)光芯片為N型氮化物薄膜-量子阱-P型氮化物薄膜組合；熒光層和發(fā)光芯片之間以低溫生長(zhǎng)的氮化物作為緩沖層。本發(fā)明中，所述的半導(dǎo)體外延技術(shù)，包括金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)Jf 相外延(LPE)、分子束外延或氯化物氣相外延(HVPE)等。本發(fā)明中，所述稀土元素選自銪、珥、釓、鋱等，即所述熒光層選自銪摻雜III族氮化物、珥?yè)诫sIII族氮化物、釓摻雜III族氮化物或鋱摻雜III族氮化物等。本發(fā)明中，所述稀土元素?fù)诫s量是原子摩爾比0. 2- 5%之間范圍。本發(fā)明中，所述的三族氮化物選自氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、氮化鎵和氮化銦合金半導(dǎo)體銦鎵氮、氮化鎵和氮化鋁合金半導(dǎo)體鋁鎵氮等。本發(fā)明中，所述的發(fā)光層材料選自N型三族氮化物；P型三族氮化物；三族氮化物紫光量子阱，三族氮化物藍(lán)光量子阱，三族氮化物綠光量子阱，三族族氮化物紫光、藍(lán)光和綠光組合量子阱。本發(fā)明中，所述緩沖層可選氮化鎵(GaN)。本發(fā)明中，所述低溫是指溫度在500-800 ° C之間范圍。本發(fā)明中，所述單晶襯底材料選自藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底或硅襯底。本發(fā)明的熒光層和發(fā)光芯片組合LED結(jié)構(gòu)，是利用發(fā)光芯片所發(fā)射光子激發(fā)熒光層獲得長(zhǎng)波長(zhǎng)光子，此長(zhǎng)波長(zhǎng)光子通常為紅光，與發(fā)光芯片所發(fā)射并透射過(guò)熒光層的藍(lán)綠光光子混合生成白光。本發(fā)明熒光芯片和發(fā)光層的材料同屬于三族氮化物材料，薄膜晶體材料的晶體結(jié)構(gòu)相同，結(jié)構(gòu)和性能相容，材料制備方法相同，保持生長(zhǎng)方法的一致性，一次成型，無(wú)需另外附加熒光粉，光源顯色性能好；制造方法簡(jiǎn)單、成本低、白光LED性能優(yōu)越。本發(fā)明中，利用低溫生長(zhǎng)的氮化物(如GaN)薄膜材料作為緩沖層，用于緩沖稀土元素?fù)诫s三族氮化物薄膜材料的粗糙表面對(duì)發(fā)光芯片的材料質(zhì)量造成的影響；在外延稀土元素?fù)诫s三族氮化物薄膜材料后，在低溫下外延氮化物薄膜材料作為緩沖層；緩沖層同時(shí)充當(dāng)后續(xù)高溫下外延的硅摻雜的N型氮化物薄膜材料的籽晶層和成核層。本發(fā)明中，所述高溫是指溫度在920-1200 ° C之間范圍。本發(fā)明中，所述低溫生長(zhǎng)緩沖層上后續(xù)的高溫下外延的N型氮化物具有二維層狀臺(tái)階流晶體生長(zhǎng)模式，薄膜表面平整，保證在所述高溫外延的硅摻雜的N型氮化物上繼續(xù)外延的量子阱發(fā)光層的材料質(zhì)量?jī)?yōu)越，發(fā)光性能佳。
本發(fā)明中利用稀土元素?fù)诫s的三族氮化物作為熒光層薄膜，在同一設(shè)備中實(shí)現(xiàn)發(fā)光部分和熒光部分一次性生產(chǎn)，簡(jiǎn)化白光LED制備步驟，降低成本，提高白光LED的顯色性能，是本發(fā)明的重要?jiǎng)?chuàng)新之一；另外，在熒光層和發(fā)光芯片之間插入低溫氮化物緩沖層，確保熒光層氮化物的粗糙表面不會(huì)影響發(fā)光芯片的量子阱材料質(zhì)量，是本發(fā)明的又一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新。 本發(fā)明的白光LED芯片的其他結(jié)構(gòu)與制備工藝，和通常的白光LED芯片結(jié)構(gòu)與制備工藝相同。本發(fā)明的機(jī)理是稀土元素?fù)诫s的III族氮化物，以Eu摻雜的GaN為典型，Eu代替 ( 3+離子形成Eu3+。稀土元素?fù)诫sIII族氮化物主材料吸收光子，可以通過(guò)晶格，將吸收光子能量轉(zhuǎn)移到Eu3+，形成Eu3+的4f內(nèi)電子躍遷，通常為5Dtl - 7F2,發(fā)出的光子對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為621nm 左右，是紅光。利用稀土元素?fù)诫s氮化物材料可以作為藍(lán)光發(fā)光二極管所發(fā)射藍(lán)光的下轉(zhuǎn)換熒光材料，形成紅光，并和藍(lán)光、綠光量子阱未被吸收藍(lán)光、綠光混合，生成白光。稀土元素?fù)诫s氮化物和藍(lán)光及綠光量子阱材料同屬三族氮化物材料，可以在同一腔體中一次性系列外延制備得到，調(diào)節(jié)稀土元素?fù)诫s氮化物厚度或稀土元素?fù)诫s濃度，可以調(diào)節(jié)熒光層吸收的藍(lán)光和透過(guò)熒光層的藍(lán)綠光比例，調(diào)節(jié)LED白光色溫。同時(shí)，按照晶體生長(zhǎng)模式，稀土元素?fù)诫s氮化物薄膜材料，通常形成薄膜材料島狀生長(zhǎng)模式，薄膜表面形成島狀顆粒。繼續(xù)在此薄膜上生長(zhǎng)量子阱結(jié)構(gòu)薄膜材料非常不利。本發(fā)明根據(jù)晶體生長(zhǎng)模式，利用低溫生長(zhǎng)的GaN薄膜材料作為緩沖層，緩沖稀土元素?fù)诫s三族氮化物薄膜材料的粗糙表面對(duì)LED量子阱發(fā)光層的材料質(zhì)量影響；緩沖層同時(shí)充當(dāng)后續(xù)高溫下外延N型GaN薄膜材料的籽晶層和成核層；使后續(xù)的高溫外延的硅摻雜的N型氮化物具有二維層狀臺(tái)階流晶體生長(zhǎng)模式， 薄膜表面平整，保證在所述硅摻雜的N型氮化物上繼續(xù)外延的量子阱發(fā)光層的材料質(zhì)量?jī)?yōu)越，發(fā)光性能佳。本發(fā)明有益效果是增加白光LED光譜中紅光部分，提高白光LED顯色指數(shù)；簡(jiǎn)化白光LED制造工藝，降低成本。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1和實(shí)施例，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。具體制備步驟如下
1、利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)在藍(lán)寶石1上利用標(biāo)準(zhǔn)兩步生長(zhǎng)法生長(zhǎng)一層GaN 薄膜2，溫度為1050 °C，厚度2 um。2、利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)在GaN薄膜2之上外延金屬銪摻雜的GaN薄膜 3，溫度為 900-1100。C，厚度 0. 5-10 um。3、利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)在銪(Eu)摻雜GaN薄膜3之上，在低溫下外延GaN薄膜4，溫度為550° C左右，厚度10-100 nm。4、利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)在所述低溫生長(zhǎng)的GaN薄膜4之上外延N型硅摻雜GaN薄膜5，溫度為1050° C左右，厚度1_2 um。5、利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)在N型硅摻雜GaN薄膜5之上外延藍(lán)光多量子阱6，周期數(shù)為3-5周期，阱層生長(zhǎng)溫度為760° C，厚度3nm，壘層生長(zhǎng)溫度為850° C，厚度 7-12nm。6、利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)在藍(lán)光多量子阱6之上外延綠光多量子阱7，周期數(shù)為3-5周期，阱層生長(zhǎng)溫度為720°C，厚度3nm，壘層生長(zhǎng)溫度為850°C，厚度 7-12nm。。7、利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)在綠光多量子阱7之上外延P型AlGaN電子阻擋層8，溫度為1100° C左右，厚度20-50 nm。8、利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)在P型AWaN電子阻擋層8之上外延P型 GaN薄膜9，溫度為950 °C左右，厚度100-250 nm。9、利用電子束蒸發(fā)臺(tái)在P型GaN薄膜9之上蒸發(fā)P電極鎳金(Ni/Au)雙層膜10，，溫度為800 °C，厚度為5/50nm。10、利用GaN基LED芯片制作工藝刻蝕P型GaN薄膜9、P型AlGaN電子阻擋層8、 綠光多量子阱7、藍(lán)光多量子阱6直到N型GaN薄膜5，露出N型GaN薄膜5，形成GaN臺(tái)階。11、利用電子束蒸發(fā)臺(tái)在N型GaN薄膜5臺(tái)階之上蒸發(fā)N電極鈦鋁(Ti/Al)雙層膜11，溫度為700 °C，厚度5/50nm。12、利用熱蒸發(fā)在P電極鎳金(Ni/Au)雙層膜10之上蒸發(fā)銀反射薄膜12，厚度為 50-200nm。13、利用標(biāo)準(zhǔn)倒封裝工藝或正封裝工藝把LED芯片通過(guò)固晶層13綁定在散熱基座 14之上。14、利用標(biāo)準(zhǔn)倒封裝工藝或正封裝工藝把LED芯片封裝形成LED顆粒，點(diǎn)亮LED。15,LED藍(lán)光量子阱藍(lán)光15入射到Eu摻雜GaN薄膜3或入射到銀反射層12經(jīng)反射入射到Eu摻雜GaN薄膜3，部分藍(lán)光被Eu摻雜GaN薄膜3吸收，轉(zhuǎn)換成紅光16，與綠光量子阱7發(fā)射綠光17及藍(lán)光量子阱6發(fā)射藍(lán)光混合，生成白光。
權(quán)利要求
1.無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片，其特征在于具有熒光層和發(fā)光芯片組合LED結(jié)構(gòu)，由半導(dǎo)體外延技術(shù)在同一外延設(shè)備中在單晶襯底材料上外延形成；其中，熒光層材料為稀土元素?fù)诫s的三族氮化物，發(fā)光芯片為N型氮化物薄膜-量子阱-P型氮化物薄膜組合； 熒光層和發(fā)光芯片之間以低溫生長(zhǎng)的氮化物作為緩沖層；利用發(fā)光層光子激發(fā)熒光獲得長(zhǎng)波長(zhǎng)光子，此長(zhǎng)波長(zhǎng)光子為紅光，與發(fā)光層透射藍(lán)綠光光子混合生成白光。
2.根據(jù)權(quán)利要球1所述的無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片，其特征在于所述的半導(dǎo)體外延技術(shù)包括金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積、液相外延、分子束外延或氯化物氣相外延。
3.根據(jù)權(quán)利要球1所述的無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片，其特征在于所述的稀土元素選自銪、瑪、軋、鋮。
4.根據(jù)權(quán)利要球1所述的無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片，其特征在于所述的稀土元素?fù)诫s量是原子摩爾比0. 2- 5%之間范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要球1所述的無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片，其特征在于所述的三族氮化物選自氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、氮化鎵和氮化銦合金半導(dǎo)體銦鎵氮、氮化鎵和氮化鋁合金半導(dǎo)體鋁鎵氮。
6.根據(jù)權(quán)利要球1所述的無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片，其特征在于所述的發(fā)光芯片材料選自N型三族氮化物、P型三族氮化物、三族氮化物紫光量子阱、三族氮化物藍(lán)光量子阱、三族氮化物綠光量子阱、三族族氮化物紫光、藍(lán)光和綠光組合量子阱。
7.根據(jù)權(quán)利要球1所述的無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片，其特征在于所述的緩沖層選用氮化鎵。
8.根據(jù)權(quán)利要球1所述的無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片，其特征在于所述的單晶襯底材料為藍(lán)寶石、碳化硅或硅。
全文摘要
本發(fā)明屬于LED光源技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種無(wú)熒光粉高顯色性能白光LED芯片。本發(fā)明具有熒光層和發(fā)光芯片組合LED結(jié)構(gòu)，由半導(dǎo)體外延技術(shù)在同一外延設(shè)備中在單晶襯底材料上外延形成；其中，熒光層材料為稀土元素?fù)诫s的三族氮化物，發(fā)光芯片為N型氮化物薄膜-量子阱-P型氮化物薄膜組合；熒光層和發(fā)光芯片之間以低溫生長(zhǎng)的氮化物作為緩沖層；本發(fā)明利用熒光層對(duì)發(fā)光芯片光源進(jìn)行能量下轉(zhuǎn)換，獲得波長(zhǎng)更長(zhǎng)光子，與發(fā)光芯片光源發(fā)出光子混合，獲得白光；本發(fā)明制造白光LED過(guò)程簡(jiǎn)單，一次成型，無(wú)需熒光粉，發(fā)光性能優(yōu)良。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102244171SQ20111016591
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者崔旭高, 梅永豐, 黃高山 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)