CN102244171A

CN102244171A - 一种无荧光粉高显色性能白光led芯片

Info

Publication number: CN102244171A
Application number: CN2011101659173A
Authority: CN
Inventors: 崔旭高; 黄高山; 梅永丰
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2011-11-16

Abstract

本发明属于LED光源技术领域，具体为一种无荧光粉高显色性能白光LED芯片。本发明具有荧光层和发光芯片组合LED结构，由半导体外延技术在同一外延设备中在单晶衬底材料上外延形成；其中，荧光层材料为稀土元素掺杂的三族氮化物，发光芯片为N型氮化物薄膜-量子阱-P型氮化物薄膜组合；荧光层和发光芯片之间以低温生长的氮化物作为缓冲层；本发明利用荧光层对发光芯片光源进行能量下转换，获得波长更长光子，与发光芯片光源发出光子混合，获得白光；本发明制造白光LED过程简单，一次成型，无需荧光粉，发光性能优良。

Description

一种无荧光粉高显色性能白光LED芯片

技术领域

本发明属于LED光源技术领域，具体涉及一种白光发光二极管(LED)芯片，更具体的说，涉及一种无荧光粉高显色性能的白光发光二极管芯片。

背景技术

自从1993年日本科学家中村修二发明商用氮化物蓝光发光二极管(LED)以来，氮化物LED的研究和应用获得爆炸性的扩展。蓝光发光二极管在很多领域具有巨大的应用，其中最重要的应用有RGB三基色显示和大功率白光LED半导体照明。以大功率白光LED技术为主的半导体固态照明，具有电光转换效率高、寿命长、安全、绿色环保备受世界各国政府青睐，此外，由于LED是电光源，体积小，将给照明设计提供极大自由性。国际上先后有美国能源部制定了固态照明计划，预计在2020年半导体照明全面取代传统照明；日本于1998年制定的“21世纪照明计划”；欧盟于2000年制定“ 彩虹计划”；韩国的“GaN半导体开发计划”以及我国成立了“半导体照明产业联盟”，积极推广半导体照明！大功率白光LED是半导体照明技术的前沿领域，利用LED照明将节省大量能源，减少二氧化碳排放量，对于环境发展具有重要意义。

目前实现大功率白光LED的方法主要集中在三种技术路线上，一是蓝光芯片加红黄光荧光粉；二是紫光芯片加红绿蓝荧光粉；三是红绿蓝芯片组合封装。其中，第一种技术相对成熟且成本较低；第二种技术仍处于早期研发阶段，一系列关键材料和工艺有待突破；第三种技术成本相对偏高，产品设计较复杂。因此，国际上主要LED厂商均致力于以高亮度大功率蓝光LED加荧光粉为核心技术的高亮白光LED照明的研发和产业化，其荧光粉主要是用钇铝石榴石黄光荧光粉(Y_1-aGd_a)₃(Al_1-bGa_b)₅O₁₂:Ce³⁺(YAG:Ce)。利用搅拌，把荧光粉颗粒分散在硅胶中，通过点胶工艺把含荧光粉颗粒的硅胶覆盖在LED芯片表面。荧光粉吸收LED芯片发出的蓝光，转换蓝光成为黄光，并与部分透过硅胶的LED芯片蓝光混合获得白光。这种蓝光LED加荧光粉技术的高亮白光LED具有一定缺点：首先，缺乏红光光谱，显色性能不佳；其次，荧光粉颗粒分散在硅胶中，容易造成一部分LED芯片发出的蓝光被颗粒散射回LED芯片，之后被芯片吸收，能量损失，封装效率不高；再次，荧光粉制备及点荧光粉工艺复杂，提高白光LED成本；最后，荧光粉在点胶工艺工程中容易沉淀，造成LED侧面发出的光被更多荧光粉吸收，黄光部分更多，显色具有空间角度的不均匀性。

为克服当前白光LED制备技术中的缺点，必须寻求新的荧光转换方法，获得高显色性能白光LED。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大功率、且具有高显色性能的白光LED芯片及其制备方法。

本发明提供的高显色性白光LED芯片，具有荧光层和发光芯片组合LED结构，由半导体外延技术在同一外延设备中在单晶衬底材料上外延形成；其中，荧光层材料为稀土元素掺杂的三族氮化物，发光芯片为N型氮化物薄膜-量子阱-P型氮化物薄膜组合；荧光层和发光芯片之间以低温生长的氮化物作为缓冲层。

本发明中，所述的半导体外延技术，包括：金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、液相外延(LPE)、分子束外延或氯化物气相外延(HVPE)等。

本发明中，所述稀土元素选自：铕、珥、钆、铽等，即所述荧光层选自：铕掺杂III族氮化物、珥掺杂III族氮化物、钆掺杂III族氮化物或铽掺杂III族氮化物等。

本发明中，所述稀土元素掺杂量是：原子摩尔比0.2- 5%之间范围。

本发明中，所述的三族氮化物选自：氮化镓、氮化铝、氮化铟、氮化镓和氮化铟合金半导体铟镓氮、氮化镓和氮化铝合金半导体铝镓氮等。

本发明中，所述的发光层材料选自：N型三族氮化物；P型三族氮化物；三族氮化物紫光量子阱，三族氮化物蓝光量子阱，三族氮化物绿光量子阱，三族族氮化物紫光、蓝光和绿光组合量子阱。

本发明中，所述缓冲层可选氮化镓（GaN）。

本发明中，所述低温是指温度在500-800 oC之间范围。

本发明中，所述单晶衬底材料选自：蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底。

本发明的荧光层和发光芯片组合LED结构，是利用发光芯片所发射光子激发荧光层获得长波长光子，此长波长光子通常为红光，与发光芯片所发射并透射过荧光层的蓝绿光光子混合生成白光。

本发明荧光芯片和发光层的材料同属于三族氮化物材料，薄膜晶体材料的晶体结构相同，结构和性能相容，材料制备方法相同，保持生长方法的一致性，一次成型，无需另外附加荧光粉，光源显色性能好；制造方法简单、成本低、白光LED性能优越。

本发明中，利用低温生长的氮化物（如GaN）薄膜材料作为缓冲层，用于缓冲稀土元素掺杂三族氮化物薄膜材料的粗糙表面对发光芯片的材料质量造成的影响；在外延稀土元素掺杂三族氮化物薄膜材料后，在低温下外延氮化物薄膜材料作为缓冲层；缓冲层同时充当后续高温下外延的硅掺杂的N型氮化物薄膜材料的籽晶层和成核层。

本发明中，所述高温是指温度在920-1200 oC之间范围。

本发明中，所述低温生长缓冲层上后续的高温下外延的N型氮化物具有二维层状台阶流晶体生长模式，薄膜表面平整，保证在所述高温外延的硅掺杂的N型氮化物上继续外延的量子阱发光层的材料质量优越，发光性能佳。

本发明中利用稀土元素掺杂的三族氮化物作为荧光层薄膜，在同一设备中实现发光部分和荧光部分一次性生产，简化白光LED制备步骤，降低成本，提高白光LED的显色性能，是本发明的重要创新之一；另外，在荧光层和发光芯片之间插入低温氮化物缓冲层，确保荧光层氮化物的粗糙表面不会影响发光芯片的量子阱材料质量，是本发明的又一个重要创新。本发明的白光LED芯片的其他结构与制备工艺，和通常的白光LED芯片结构与制备工艺相同。

本发明的机理是：稀土元素掺杂的III族氮化物，以Eu掺杂的GaN为典型，Eu代替Ga³⁺离子形成Eu³⁺。稀土元素掺杂III族氮化物主材料吸收光子，可以通过晶格，将吸收光子能量转移到Eu³⁺，形成Eu³⁺的4f内电子跃迁，通常为⁵D₀–⁷F₂，发出的光子对应波长为621nm左右，是红光。利用稀土元素掺杂氮化物材料可以作为蓝光发光二极管所发射蓝光的下转换荧光材料，形成红光，并和蓝光、绿光量子阱未被吸收蓝光、绿光混合，生成白光。稀土元素掺杂氮化物和蓝光及绿光量子阱材料同属三族氮化物材料，可以在同一腔体中一次性系列外延制备得到，调节稀土元素掺杂氮化物厚度或稀土元素掺杂浓度，可以调节荧光层吸收的蓝光和透过荧光层的蓝绿光比例，调节LED白光色温。同时，按照晶体生长模式，稀土元素掺杂氮化物薄膜材料，通常形成薄膜材料岛状生长模式，薄膜表面形成岛状颗粒。继续在此薄膜上生长量子阱结构薄膜材料非常不利。本发明根据晶体生长模式，利用低温生长的GaN薄膜材料作为缓冲层，缓冲稀土元素掺杂三族氮化物薄膜材料的粗糙表面对LED量子阱发光层的材料质量影响；缓冲层同时充当后续高温下外延N型GaN薄膜材料的籽晶层和成核层；使后续的高温外延的硅掺杂的N型氮化物具有二维层状台阶流晶体生长模式，薄膜表面平整，保证在所述硅掺杂的N型氮化物上继续外延的量子阱发光层的材料质量优越，发光性能佳。

本发明有益效果是：增加白光LED光谱中红光部分，提高白光LED显色指数；简化白光LED制造工艺，降低成本。

附图说明

图1 是本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

结合图1和实施例，详细说明本发明。

具体制备步骤如下：

1、利用金属有机物化学气相外延技术在蓝宝石1上利用标准两步生长法生长一层GaN薄膜2，温度为1050 oC，厚度2 um。

2、利用金属有机物化学气相外延技术在 GaN薄膜2之上外延金属铕掺杂的GaN薄膜3，温度为900-1100oC，厚度0.5-10 um。

3、利用金属有机物化学气相外延技术在铕(Eu)掺杂GaN薄膜3之上, 在低温下外延GaN薄膜4，温度为550oC左右，厚度10-100 nm。

4、利用金属有机物化学气相外延技术在所述低温生长的GaN薄膜4之上外延N型硅掺杂GaN薄膜5，温度为1050oC左右，厚度1-2 um。

5、利用金属有机物化学气相外延技术在N型硅掺杂GaN薄膜5之上外延蓝光多量子阱6，周期数为3-5周期，阱层生长温度为760oC，厚度3nm，垒层生长温度为850oC，厚度7-12nm。

6、利用金属有机物化学气相外延技术在蓝光多量子阱6之上外延绿光多量子阱7，周期数为3-5周期，阱层生长温度为720oC，厚度3nm，垒层生长温度为850oC，厚度7-12nm。。

7、利用金属有机物化学气相外延技术在绿光多量子阱7之上外延P型AlGaN电子阻挡层8，温度为1100oC左右，厚度20-50 nm。

8、利用金属有机物化学气相外延技术在P型AlGaN电子阻挡层8之上外延P型GaN薄膜9，温度为950 oC左右，厚度100-250 nm。

9、利用电子束蒸发台在P型GaN薄膜9之上蒸发 P电极镍金(Ni/Au)双层膜10，，温度为800 oC，厚度为5/50nm。

10、利用GaN基LED芯片制作工艺刻蚀 P型GaN薄膜9、P型AlGaN电子阻挡层8、绿光多量子阱7、蓝光多量子阱6直到N型GaN薄膜5，露出N型GaN薄膜5，形成GaN台阶。

11、利用电子束蒸发台在N型GaN薄膜5台阶之上蒸发N电极钛铝(Ti/Al)双层膜11，温度为700 oC，厚度5/50nm。

12、利用热蒸发在P电极镍金(Ni/Au)双层膜10之上蒸发银反射薄膜12，厚度为50-200nm。

13、利用标准倒封装工艺或正封装工艺把LED芯片通过固晶层13绑定在散热基座14之上。

14、利用标准倒封装工艺或正封装工艺把LED芯片封装形成LED颗粒，点亮LED。

15、LED蓝光量子阱蓝光15入射到Eu掺杂GaN薄膜3或入射到银反射层12经反射入射到Eu掺杂GaN薄膜3，部分蓝光被Eu掺杂GaN薄膜3吸收，转换成红光16，与绿光量子阱7发射绿光17及蓝光量子阱6发射蓝光混合，生成白光。

Claims

1.无荧光粉高显色性能白光LED芯片，其特征在于具有荧光层和发光芯片组合LED结构，由半导体外延技术在同一外延设备中在单晶衬底材料上外延形成；其中，荧光层材料为稀土元素掺杂的三族氮化物，发光芯片为N型氮化物薄膜-量子阱-P型氮化物薄膜组合；荧光层和发光芯片之间以低温生长的氮化物作为缓冲层；利用发光层光子激发荧光获得长波长光子，此长波长光子为红光，与发光层透射蓝绿光光子混合生成白光。

2.根据权利要球1所述的无荧光粉高显色性能白光LED芯片，其特征在于所述的半导体外延技术包括：金属有机物化学气相沉积、液相外延、分子束外延或氯化物气相外延。

3.根据权利要球1所述的无荧光粉高显色性能白光LED芯片，其特征在于所述的稀土元素选自：铕、珥、钆、铽。

4.根据权利要球1所述的无荧光粉高显色性能白光LED芯片，其特征在于所述的稀土元素掺杂量是：原子摩尔比0.2- 5%之间范围。

5.根据权利要球1所述的无荧光粉高显色性能白光LED芯片，其特征在于所述的三族氮化物选自：氮化镓、氮化铝、氮化铟、氮化镓和氮化铟合金半导体铟镓氮、氮化镓和氮化铝合金半导体铝镓氮。

6.根据权利要球1所述的无荧光粉高显色性能白光LED芯片，其特征在于所述的发光芯片材料选自：N型三族氮化物、P型三族氮化物、三族氮化物紫光量子阱、三族氮化物蓝光量子阱、三族氮化物绿光量子阱、三族族氮化物紫光、蓝光和绿光组合量子阱。

7.根据权利要球1所述的无荧光粉高显色性能白光LED芯片，其特征在于所述的缓冲层选用氮化镓。

8.根据权利要球1所述的无荧光粉高显色性能白光LED芯片，其特征在于所述的单晶衬底材料为蓝宝石、碳化硅或硅。