CN102738330B - 一种高白光光效氮化镓led管芯结构 - Google Patents
一种高白光光效氮化镓led管芯结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高白光光效的氮化镓LED管芯结构，该GaN LED管芯的DBR反射膜蒸镀在减薄抛光的衬底背面，该反射膜是一种多重复合DBR介质膜，由两种介质膜材料组合、且膜系结构是多波段光波反射；所述介质膜材料选自TiO2、SiO2，每个周期各材料层交替，介质膜周期数6-25，总层数12-50层。一方面增加整个高反膜波宽，另一方面蓝色高反射使得量子阱有源区复合的蓝光被该层反射会正向与荧光粉复合激发或正面发射，黄色高反射使得荧光粉已经激发的黄光经该高反层反射回正面出射面，这样有较多的蓝光和黄光混色成白光。对GaN蓝光LED封装白光光效提升明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有复合反射膜的氮化镓LED芯片结构，属于发光二极管器件制备技术领域。
背景技术
LED具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，被称为第四代照明光源或绿色光源，可广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月提出发展半导体照明计划。
照明用白光LED多是以蓝色LED为基础光源，将蓝色LED发出的一部分蓝光用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄绿光或红光和绿光，另一部分蓝色光透射出来，与荧光粉发出的黄绿光或红光和绿光组成白光。蓝色LED发出的蓝色光(发光峰值波长在430nm或470nm)可与黄绿色荧光粉发出的黄绿光组成白光，也可与发出的发光峰值在650nm的红光和发光峰值在540nm的绿光组成白光。目前，国内外制作白光LED的方法是先将LED芯片放置在封装的基片上，在芯片周围涂敷YAG荧光粉，再用环氧树脂包封。树脂既起保护芯片的作用又起到聚光镜的作用。从LED芯片发射出的蓝色光射到荧光粉层内经多次散乱的反射、吸收，最后向外部发出。LED发出的部分蓝色光激发黄色的YAG荧光粉层，使其发出黄色光(峰值为555nm)，一部分蓝色光直接或反射后向外发出，蓝色光与荧光粉激发的黄色光，根据补色关系，两色光相混后即可得到白光。
提高白光LED光效，最主要是增加其核心器件蓝色LED的出光率，在尽可能多的蓝色光范围内，使荧光粉相遇激发的蓝色光和未激发蓝色光混色比显色指数和色坐标为最佳的白光比。在实际器件中，这与激发黄光的荧光粉层涂覆均匀性和厚度有很大关系，荧光粉量少激发黄光少，白光显色冷偏蓝。荧光粉量过多，激发的黄光多混色白光偏绿，色纯度不高。在蓝光与黄光混合比列相当的情况下，尽可能的使其从器件中提取出来，不再损失掉也是提高LED白光光效的很重要的关键点。
在提高白光LED光效的诸多技术中，大多是关于高发光效率蓝光LED、改良封装工艺、优化荧光粉配比等工艺技术，这些方法技术只是单纯的从某一角度提高白光的效果，最终的结果是白光的显色指数、色纯度、色温、光效等不能很好的结合。也有采用背面金属反射镜芯片工艺，但单一金属材料往往对某一波段光强烈吸收或散射，很难有金属反射镜对整个波域高反射率，尤其是在蓝光LED芯片中高反射蓝光的金属材料只有Al和Ag，而金属Al反射率最高不过80％，金属Ag反射率高但其受环境以及自身膨胀系数、表面状态特点，很难粘附在蓝宝石上面。因此，对GaN蓝光背面反射镜研究一直是应用照明领域功率芯片的研究热点。中国专利CN200810055710.9公开了一种在减薄的芯片背面蒸镀反射膜，提高发光二极管光取出效率的方法，其中反射膜包括介质膜和金属膜，介质膜成分为氧化硅和氧化钛结构；该专利文件只是单纯从提高二极管芯片背向反射出光，利用透明无吸收高低折射率介质反射膜对LED芯片高反射，辅助金属反射膜提高宽波范围反射，以提高芯片整体反射率。该介质金属反射膜并没有针对芯片应用封装白光光效提升研究设计。随着LED照明应用，在通用照明领域如何最大程度提高蓝光转换白光光效，成为外延、芯片、封装整个工艺中研究的热点，但在反射膜应用领域尚未见提高蓝光转换白光光效的报道。
发明内容
针对现有技术的不足，为了提高蓝光转换白光光效，本发明提供一种高白光光效的氮化镓LED管芯结构。
术语说明：
DBR，分布式布拉格反射镜的常规简称。
LED，发光二极管的简称。
本发明技术方案如下：
一种高白光光效的氮化镓LED管芯结构，包括自上而下的P电极、P型电流扩展层、量子阱有源区、N型层、N电极、衬底、反射膜；其中所述反射膜蒸镀在减薄抛光的衬底背面，该反射膜是一种多重复合DBR介质膜，由两种介质膜材料组合、且膜系结构是多波段光波反射；
所述介质膜材料选自TiO2、SiO2，每个周期各材料层交替，介质膜周期数6-25，总层数12-50层。
每个周期内各层厚度根据所控反射的主波长而定，使各层介质膜光学厚度为所控反射波长的四分之一倍。
根据本发明的一个优选方案是：所述衬底背面的反射膜是两重复合DBR介质膜，所述两重复合DBR介质膜是蓝光460nm高反射和黄光580nm高反射的复合膜；是在衬底背面依次蒸镀TiO2、SiO2薄膜，其中前3-5周期薄膜厚度为460nm高反射膜系，后3-5周期薄膜厚度为580nm高反射膜系。整体膜系在蓝光段和黄光段两个波段有高反射峰。
更为具体的技术方案是，利用介质膜电子束蒸发台，在真空10-7torr压力下，蒸镀TiO2、SiO2介质的折射率分别为2.35和1.46；蒸镀TiO2、SiO2交替薄膜，共6周期12层，其中前3周期膜厚度为460nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度115nm，后3周期膜厚度为580nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度分别为145nm。
根据本发明的另一个优选方案是：所述衬底背面的反射膜是三重复合DBR介质膜，所述三重复合DBR介质膜是460nm蓝光高反射、51Onm绿光高反射和580nm黄光高反射的复合膜；整个DBR结构共有三个波段高反膜系。
更为具体的技术方案是，利用介质膜电子束蒸发台，在真空10-7torr压力下，蒸镀TiO2、SiO2介质的折射率分别为2.35和1.46；依次蒸镀TiO2、SiO2交替薄膜，共6周期12层，其中前2周期膜厚度为460nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度115nm，依次接下来的2周期膜厚度为510nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度分别为127nm；最后2个周期为580nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度分别为145nm。
依次类推，所述衬底背面的反射膜还还可以是四重复合、五重复合的DBR介质膜，因为反射膜厚度有反射波长决定，膜系不是单一波高反射，因此出现不同厚度的周期结构，所以本发明的DBR介质膜结构为变周期交替。
根据本发明，优选的，所述衬底是Al2O3衬底或SiC衬底。
进一步的，在本发明氮化镓LED管芯结构的多重复合DBR介质膜上蒸镀金属反射膜，按现有技术即可。
本发明的高白光光效的氮化镓LED管芯结构的制备方法，步骤如下：
(1)按照常规工艺制备LED管芯，并将衬底减磨抛光到80-150μm的厚度；
(2)在上述减磨抛光后的芯片衬底背面蒸镀多重复合DBR介质膜；所述介质膜材料选自TiO2、SiO2，每个周期两种材料交替，介质膜总层数12-50层，每个周期内各层厚度根据所控反射的波长而定，使各层介质膜光学厚度为所控反射波长的四分之一倍；
(3)在多重复合DBR介质膜上，电子束蒸发上一层50nm-300nm厚的金属薄膜；该金属薄膜主要对DBR起到保护的作用，金属薄膜材料是Al、Ag、Au一种或者它们的合金。
(4)切割划裂芯片。
本发明的GaN LED管芯的DBR反射膜为多波段复合介质膜，蓝色光高反射和黄色光高反射的，整体膜系在蓝光段和黄光段两个波段有高反射峰。蓝光高反射、绿光高反射和黄光高反射的复合膜，整个DBR结构共有三个波段高反膜系。多重膜系还可以增加其他波段高反。一方面增加整个高反膜波宽；一方面蓝色高反射使得量子阱有源区复合的蓝光被该层反射会正向与荧光粉复合激发或正面发射，黄色高反射使得荧光粉已经激发的黄光经该高反层反射回正面出射面，这样会有较多的蓝光和黄光混色成白光。
与现有技术相比本发明的优良效果：现有的提高背面反射光芯片工艺，未见有反射镜对整个波域高反射率，尤其是在蓝光LED芯片荧光粉激发黄光混合白光芯片中，单一高反射蓝光的背镀镜材料工艺非常普遍，但此类反射镜反射率很难涵盖蓝黄宽波域。本发明多重复合介质反射膜结构高反波段可以涵盖蓝、黄光波段，对尤其整个蓝光LED激发黄色荧光粉混封白光中，蓝色和黄色均可设计高反，极大提高整体白光光效。
附图说明
图1是现有技术具有反射镜结构的GaN LED管芯结构示意图；1、反射膜，2、衬底，3、N电极，4、P电极，24、N-GaN，25、量子阱有源区，26、P-GaN，27、P电流扩展层；
图2是本发明实施例1中复合DBR介质膜反射膜的GaN LED管芯示意图；21、金属反射镜，22、黄光段高反射膜，23、蓝光段高反射膜；图中介质反射膜黑白相间表示一个周期两种材料组成膜系；
图3是应用本发明GaN LED管芯结构封装白光结构示意图；5、芯片，6、负极，7、正极，8、黄光，9、蓝光，10、黄光荧光粉，11、白光。图中箭头之间表示光出射。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1、两重复合DBR介质膜的氮化镓LED管芯结构
具有复合DBR介质反射膜的GaN基LED管芯结构如图2所示。包括自上而下的P电极4、P型电流扩展层27、量子阱有源区25、N型层24、N电极3、衬底2、反射膜1；其中所述反射膜蒸镀在减薄抛光的Al2O3衬底2背面，该反射膜是一种两重复合DBR介质膜，由TiO2、SiO2两种介质膜材料交替组合，介质膜总层数12层，共6对。其中前三对膜为460nm波段高反射膜23，每对膜光学厚度分别为115nm，后三对膜为580nm波段高反射膜22，每对膜光学厚度分别为145nm。在两重复合DBR介质膜上还蒸镀有200nm厚的金属Al薄膜作为金属反射镜21。按如下步骤制备：
(1)按照常规工艺在Al2O3衬底或SiC衬底上依次外延生长GaN成核层、N-GaN、量子阱有源区、P-GaN等结构；表面处理后，经过蒸镀P面电流扩展层，ICP刻蚀N-GaN台阶，PN焊盘电极工艺，制备出图形大小合适的LED管芯，并减磨抛光到100μm的厚度；
(2)在上述减磨抛光后的芯片背面蒸镀两重复合DBR介质膜；
其中蒸镀介质膜电子束蒸发台，在真空10-7torr压力下，TiO2、SiO2介质的折射率分别为2.35和1.46；依次蒸镀TiO2、SiO2交替薄膜，共6对12层，其中前三对膜厚度为460nm波段高反膜，每对膜光学厚度分别115nm，后三对膜厚度为580nm波段高反，每对膜光学厚度分别为145nm。
(3)在镀完DBR介质膜上，电子束蒸发上一层200nm厚的金属Al薄膜。
(4)切割划裂芯片。
实施例2：三重复合DBR介质膜的氮化镓LED管芯结构
所述衬底背面的反射膜是三重复合DBR介质膜，所述三重复合DBR介质膜是460nm蓝光高反射、510nm绿光高反射和580nm黄光高反射的复合膜；整个DBR结构共有三个波段高反膜系。利用介质膜电子束蒸发台，在真空10-7torr压力下，蒸镀TiO2、SiO2介质的折射率分别为2.35和1.46；依次蒸镀TiO2、SiO2交替薄膜，共6周期12层，其中前2周期膜厚度为460nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度115nm，依次接下来的2周期膜厚度为510nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度分别为127nm；最后2个周期为580nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度分别为145nm。
实施例3：实施例1氮化镓LED管芯结构的应用
如图3所示，具有复合DBR介质反射膜的GaN基LED芯片白光封装应用示例：
将上述实施例1的GaN LED管芯，按照芯片封装工艺将芯粒固晶在碗杯里并焊线连通底座正极7、负极6，涂覆黄色荧光粉10，并封胶盖帽。芯片5多重复合反射膜：蓝色高反射使得量子阱有源区复合的蓝光9被该层反射会正向与荧光粉复合激发或正面发射，黄色高反射使得荧光粉已经激发的黄光8经该高反层反射回正面出射面，这样较多的蓝光和黄光混色成白光11，从而达到高白光光效。实验测得：白光光效80lm/w，相比正常工艺提高10％。
Claims (3)
1.一种高白光光效的氮化镓 LED管芯结构，包括自上而下的P电极、P型电流扩展层、量子阱有源区、N型层、N电极、衬底、反射膜；其中所述反射膜蒸镀在减薄抛光的衬底背面，所述衬底是Al2O3衬底或SiC衬底；
所述衬底背面的反射膜是两重复合DBR介质膜，所述两重复合DBR介质膜是蓝光460nm高反射和黄光580nm高反射的复合膜；
利用介质膜电子束蒸发台，在真空10-7torr压力下，蒸镀TiO2、SiO2介质的折射率分别为2.35和1.46；蒸镀TiO2、SiO2交替薄膜，共6周期12层，其中前3周期膜厚度为460nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度115nm，后3周期膜厚度为580nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度分别为145nm。
2.一种高白光光效的氮化镓 LED管芯结构，包括自上而下的P电极、P型电流扩展层、量子阱有源区、N型层、N电极、衬底、反射膜；其中所述反射膜蒸镀在减薄抛光的衬底背面，所述衬底是Al2O3衬底或SiC衬底；
所述衬底背面的反射膜是三重复合DBR介质膜，所述三重复合DBR介质膜是460nm蓝光高反射、510nm绿光高反射和580nm黄光高反射的复合膜；整个DBR结构共有三个波段高反膜系；
利用介质膜电子束蒸发台，在真空10-7torr压力下，蒸镀TiO2、SiO2介质的折射率分别为2.35和1.46；依次蒸镀TiO2、SiO2交替薄膜，共6周期12层，其中前2周期膜厚度为460nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度115nm，依次接下来的2周期膜厚度为510nm波段高反射膜系，每周期膜光学厚度分别为127nm；最后2个周期为580nm波段高反射膜系,每周期膜光学厚度分别为145nm。
3.权利要求1或2所述高白光光效的氮化镓 LED管芯结构的制备方法，步骤如下：
（1）按照常规工艺制备LED管芯，并将衬底减磨抛光到80-150μm的厚度；
（2）在上述减磨抛光后的芯片衬底背面蒸镀多重复合DBR介质膜；所述介质膜材料选自TiO2、SiO2，每个周期两种材料交替，介质膜总层数12-50层，每个周期内各层厚度根据所控反射的波长而定，使各层介质膜光学厚度为所控反射波长的四分之一倍；
（3）在多重复合DBR介质膜上，电子束蒸发上一层50nm-300nm厚的金属薄膜；该金属薄膜主要对DBR起到保护的作用，金属薄膜材料是Al、Ag、Au一种或者它们的合金；
（4）切割划裂芯片。
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