CN102290508A

CN102290508A - 一种无荧光粉的白光led

Info

Publication number: CN102290508A
Application number: CN2011102704443A
Authority: CN
Inventors: 孟宪权; 刘义鹤; 于胜
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明涉及一种无荧光粉的白光LED。在蓝宝石衬底上生长出发光二极管；在发光二极管生长的过程中进行相关颜色发光的离子注入。通过发光二极管的发光激发注入的离子发出相应色彩的光，多种光混合生成白色光，实现无荧光粉的单器件白色发光二极管。本发明提供的白光LED，无荧光粉，提高了LED能量转换效率及寿命，改善出射光的质量、发光稳定性和产品重复性；出射光由红、绿、蓝色光混合而成，提高白光LED的显色指数，降低了其色温。

Description

一种无荧光粉的白光LED

技术领域

本发明涉及一种无荧光粉的白光LED，属于半导体照明技术领域。

背景技术

半导体白光发光二极管（白光LED）作为照明的新型高效固体光源，是人类照明史上又一次飞跃，其经济和社会意义巨大。LED采用固体封装,结构牢固,寿命可达10万小时以上。LED还具有工作电压低、耗电量小、光效高、响应时间极短、光色纯、重量轻、体积小等一系列特性,发展突飞猛进,尤其是大功率高亮度白光LED的发明，被业界称为继取火照明、爱迪生发明电灯之后的“照明领域第三次革命”。

目前的白光LED，发出白光的方法有三基色法、紫外LED＋红绿蓝（RGB）荧光粉、蓝光LED＋黄色荧光粉等方法，其中蓝光LED＋黄色荧光粉法是目前白光LED 的主要实现方法。即利用蓝光LED 作为基础光源 ,将其发出的一部分蓝光用来激发荧光粉 ,使荧光粉发出黄光,与另一部分透射出来的蓝光混合成白光。

由于三基色法成本较高，驱动电路较复杂，随着使用时间的增加，三色的混合比例会变化；紫外LED＋RGB荧光粉最大的难点在于如何获得高转换效率的三色荧光粉特别是高效红色荧光粉，而且要防止紫外线泄露。

用蓝光LED加黄色荧光粉制备的白光LED，即由黄、蓝色光混合而成的白光显色性能较差，色温较高，难以满足高显色指数低色温照明的需要。另外，采用荧光粉涂覆工艺，荧光粉涂层厚度可控性和均匀性直接影响LED出光的亮度、色度一致性，甚至白光出射的效率。很难控制均匀性和一致性，势必会带来器件间较大色度差异；当光线出射时就会形成白光颜色不均匀，导致局部偏黄或偏蓝的不均匀性光斑出现。环境温度过高或散热不良时，黄色荧光粉的转换效率也会降低。总之，采用荧光粉方法制备白光LED，其中蓝光LED部分能量转换效率高、寿命长；荧光粉这一部分使效率降低、寿命变短，出射光的质量变差，发光稳定性降低，产品重复性变差。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种无荧光粉的白光LED，以提高LED能量转换效率及寿命，改善出射光的质量、发光稳定性和产品重复性，提高白光LED的显色指数，降低其色温。

本发明解决上述技术问题的整体构思是：

在蓝宝石衬底上生长出发光二极管；在发光二极管生长的过程中进行相关颜色发光的离子注入。通过发光二极管的发光激发注入的离子发出相应色彩的光，多种光混合生成白色光，实现无荧光粉的单器件白色发光二极管。

本发明为解决上述技术问题所提供的第一种技术方案是：

在蓝宝石衬底上生长出蓝色发光二极管，在二极管GaN外延膜或蓝宝石衬底中掺入蓝光激发下发射红光和绿光的稀土元素离子，稀土元素离子发射的红光和绿光与二极管上的蓝色InGaN量子阱辐射出的蓝光混合成白光。

所述在蓝光激发下发红光的稀土元素离子为铕离子或镨离子。

所述在蓝光激发下发绿光的稀土元素离子为铒离子或铈离子。

在GaN外延膜中或蓝宝石衬底中用离子注入方法掺入发射红光和绿光的稀土元素离子。

该种方案所提供的无荧光粉的白光LED的制备过程如下：

在蓝宝石(Al₂O₃)衬底基片上使用MOCVD首先低温生长GaN成核层；再高温生长2μm的非掺杂GaN层；而后进行离子注入，注入离子为在蓝光激发下发红光的铕离子(或镨离子) 和在蓝光激发下发绿光的铒离子(或铈离子)，也可蓝宝石衬底（Al₂O₃）中掺入上述稀土元素离子，具有同样的效果；之后生长2μm的n型GaN层，载流子浓度在10¹⁸量级；然后生长5个周期的蓝色发光量子阱层(In_0.24Ga_0.76N 3nm/GaN 10nm)；后生长20nm掺Mg的Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层；在其上生长200nm掺Mg的p型GaN层，载流子浓度在10¹⁸量级；后用常规LED后工艺制作电极，封装成成品。

本发明为解决上述技术问题所提供的第二种技术方案是：

在蓝宝石衬底上生长出发光二极管，在二极管GaN外延膜中或蓝宝石衬底中掺入稀土元素离子发射红光，与二极管上的InGaN蓝光量子阱辐射出的蓝光、InGaN自组装绿光量子点辐射出的绿光混合成白光。

在GaN外延膜中或蓝宝石衬底中用离子注入方法掺入发射红光的稀土元素离子。

该种方案所提供的无荧光粉的白光LED的制备过程如下：

在蓝宝石(Al₂O₃)衬底基片上首先使用MOCVD低温生长25nm的GaN成核层；再高温生长2μm的非掺杂GaN层；而后进行离子注入。注入离子为在蓝光激发下发红光的铕离子(或镨离子)，也可蓝宝石衬底（Al₂O₃）中掺入上述稀土元素离子，具有同样的效果；之后用MBE生长2μm的n型GaN层，载流子浓度在10¹⁸量级；然后使用分子束外延法 (MBE) 生长5个周期的蓝色发光量子阱层 (In_0.24Ga_0.76N 3nm/GaN 10nm)；在蓝光量子阱上使用MBE生长5个周期的绿光自组装InGaN量子点层；后生长20nm掺Mg的Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层；在其上生长200nm掺Mg的p型GaN层，载流子浓度在10¹⁸量级；后用常规LED后工艺制作电极，封装成成品。

发光离子也可以注入在蓝宝石或者GaN的任意层内。

本发明提供的白光LED，无荧光粉，提高了LED能量转换效率及寿命，改善出射光的质量、发光稳定性和产品重复性；出射光由红、绿、蓝色光混合而成，提高白光LED的显色指数，降低了其色温。

附图说明

图1 GaN外延膜掺入发射红光和绿光稀土元素离子，InGaN量子阱辐射蓝光的无荧光粉的白光LED结构图。

图2 蓝宝石衬底中注入发射红光和绿光稀土元素离子，InGaN量子阱辐射蓝光的无荧光粉的白光LED结构图。

图3 GaN外延膜中掺入稀土元素离子发射红光，InGaN量子阱辐射蓝光、InGaN自组装量子点辐射的绿光，无荧光粉的白光LED结构图。

图4 蓝宝石衬底中注入稀土元素离子发射红光，InGaN量子阱辐射蓝光、InGaN自组装量子点辐射的绿光，无荧光粉的白光LED结构图。

图5 为InGaN蓝色量子阱的光致发光谱。

图6为GaN衬底中注入铕离子(Eu³⁺)的光致发光谱，其发光峰值在622nm，半高宽3nm。

具体实施方式

实施例1：

1.清洗衬底。经过离子注入的蓝宝石衬底在HCl，丙酮，无水乙醇，去离子水中超声清洗，后置于反应炉中；

2.通入氢气(H₂)升温至1020°C清洗3分钟；

3.在550°C下生长30nm低温成核层GaN；

4.在750°C退火5分钟；

5.在1050°C下生长2μm非掺杂GaN；

6.在1050°C下生长2μm的硅掺杂n型GaN；

7.出炉，清洗，发光离子注入，包括发红光的铒离子(Er³⁺)或镨离子(Pr³⁺)，发绿光的铒离子(Er³⁺)或铈离子(Ce³⁺)；

8.退火。

9.在700-850度间生长5周期In_0.24Ga_0.76N 3nm/GaN 10nm蓝色量子阱；

10.在1050°C下生长Mg掺杂20nm厚Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层；

11.在1050°C下生长Mg掺杂的p型GaN；

12.在750°C下退火20分钟；

13.标准LED后工艺完成刻蚀，电极生长，点焊，封装成成品。

实施例2

1.清洗衬底。经过离子注入的蓝宝石衬底在HCl，丙酮，无水乙醇，去离子水中超声清洗，后置于MOCVD反应炉中；

2.通入氢气(H₂)升温至1020°C清洗3分钟；

3.在550°C下生长30nm低温成核层GaN；

4.在750°C退火5分钟；

5.在1050°C下生长2μm非掺杂GaN；

6. 出炉，清洗，离子注入发红光的铒离子(Er³⁺)或镨离子(Pr³⁺)；

7. 在750°C下，MBE生长2μm的硅掺杂n型GaN；

8.退火。

9.在700-850°C度间生长5周期In_0.24Ga_0.76N 3nm/GaN 10nm蓝色量子阱；

10.取出样品，清洗，置于分子束外延(MBE)反应炉中；

11.在520°C，气体流量比Ga:In=3：2下生长5周期InGaN/GaN自组装量子点层；

12.在740°C生长Mg掺杂20nm厚Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层；

11.在740°C下生长Mg掺杂的p型GaN；

12.在750°C左右温度下退火20分钟；

13.标准LED后工艺完成刻蚀，电极生长，点焊，封装成成品。

测试结果：

蓝色量子阱其发光峰值在455-465nm，半高宽28nm；绿光量子点层其发光峰值在525-540nm，半高宽40nm；发红光的铕离子(或镨离子) 发光峰值在620-650nm,

辐射绿光铒(或铈)离子发光峰值在550-580nm。图5和图6分别为蓝色InGaN量子阱LED光致发光谱测试结果和GaN掺Eu³⁺离子光致发光谱测试结果。

Claims

1.一种无荧光粉的白光LED，其特征在于：在蓝宝石衬底上生长出蓝色发光二极管，在二极管GaN外延膜或蓝宝石衬底中掺入蓝光激发下发射红光和绿光的稀土元素离子，稀土元素离子发射的红光和绿光与二极管上的蓝色InGaN量子阱辐射出的蓝光混合成白光。

2.根据权利要求1所述的白光LED，其特征在于：所述在蓝光激发下发红光的稀土元素离子为铕离子或镨离子。

3.根据权利要求1或2所述的白光LED，其特征在于：所述在蓝光激发下发绿光的稀土元素离子为铒离子或铈离子。

4.根据权利要求1或2所述的白光LED，其特征在于：在GaN外延膜中或蓝宝石衬底中用离子注入方法掺入发射红光和绿光的稀土元素离子。

5.一种无荧光粉的白光LED，其特征在于：在蓝宝石衬底上生长出发光二极管，在二极管GaN外延膜中或蓝宝石衬底中掺入稀土元素离子发射红光，与二极管上的InGaN蓝光量子阱辐射出的蓝光、InGaN自组装绿光量子点辐射出的绿光混合成白光。

6.根据权利要求5所述的白光LED，其特征在于：所述在蓝光激发下发红光的稀土元素离子为铕离子或镨离子。

7.根据权利要求5或6所述的白光LED，其特征在于在GaN外延膜中或蓝宝石衬底中用离子注入方法掺入发射红光的稀土元素离子。