CN104576627A - 一种高显色性白光led结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高显色性白光LED结构，包括通过胶粘合的蓝光LED芯片和红光LED芯片，其特征在于：所述蓝光芯片包括衬底、在衬底上依次生长的缓冲层、DBR层、n型半导体材料层、发光层、电子阻挡层、p型半导体材料层和透明电极层，蓝光芯片中的透明电极层上涂覆有黄色荧光粉；所述红光芯片包括衬底、在衬底上依次生长的n型半导体材料层、发光层、p型半导体材料层和透明电极层，透明电极层上设有反射层，同时还介绍了该芯片结构的制作方法。本发明将蓝光和红光进行光谱叠加后再激发顶部的黄色荧光粉而发出白光，弥补了传统白光LED光谱中缺少的红光，提高了LED显色指数，增强了LED的发光效率且延长了使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片技术领域，尤其是一种高显色性白光LED结构及其制作方法。
背景技术
由于白光LED具有低电压驱动、全固态、低功耗、长效可靠等优点，白光LED器件在照明相关领域的应用研究都受到了学术和产业界的高度重视。白光是由多种色光混合而成，一般有两种方法可以得到白光：一是由蓝光与黄光混合，另外一种是由红绿蓝三基色混合而成。根据产生白光的途径，可以分成三种方法：
1、多芯片组合型：利用多个半导体芯片分别发射红、绿、蓝光，组合成白光。此法显色指数(Color Rendering Index，CRI)很高(>95)。但是由于使用的芯片较多，生产成本高，而且由于三种颜色的LED量子效率不同，随着温度和驱动电流的变化不一致，随着时间的衰减速率也不相同，会造成颜色的不稳定，为此需要对三种颜色分别加反馈电路进行补偿，导致电路复杂，同时会带来10~15%的效率损失。
2、荧光转换型(phosphor-converted)：在低压直流电的激发下，半导体芯片发射的光激发涂敷在芯片上的荧光粉发出长波长的可见光，并组合成白光。根据芯片的不同可分为两类：
(1)蓝光激发型：以蓝光LED芯片为基础光源，激发黄色无机荧光粉或黄色有机荧光染料发射黄光，两者组合得到白光。这种方法的优点是结构简单，制作工艺要求相对低些，而且黄光荧光粉YAG在荧光灯领域应用多年，制作工艺比较成熟。缺点主要在于缺少红光部分显色指数一般也不高；
(2)紫外光激发型：以高亮度的近紫外LED激发红、绿、蓝三色荧光粉，产生三基色光，组合得到白光。由于颜色仅仅由荧光粉的配比决定，这种方法容易得到颜色一致的白光，显色指数也很高。缺点主要在于高功率的近紫外LED不容易制作，封装材料在紫外光的照射下容易老化，寿命缩短；存在紫外线泄露的安全隐患。
3、单芯片多量子阱型：同一半导体芯片内部存在多个禁带能级，电激发时同时发射多种颜色的可见光并组合成白光。目前这种方法还处于实验阶段。 这可以看出，目前和今后一段时间内，荧光转换型的白光LED为市场发展的主流。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高显色性白光LED结构及其制作方法，能有效提高白光LED的显色指数，增强芯片的发光效率并延长白光LED使用寿命。
本发明的技术方案为：一种高显色性白光LED结构，包括通过胶粘合的蓝光LED芯片和红光LED芯片，所述蓝光芯片包括衬底、在衬底上依次生长的缓冲层、DBR层、n型半导体材料层、发光层、电子阻挡层、p型半导体材料层和透明电极层，蓝光芯片中的透明电极层上涂覆有黄色荧光粉；
优选地，所述蓝光芯片中的透明电极层上涂覆有硅胶和钇铝石榴石（yttrium aluminum garnet，简称YAG）的混合体。
所述蓝光芯片中，p型半导体材料层上设有阳极，n型半导体材料层上设有阴极，阴、阳极均设有焊线，阴、阳极材料均为Ti、Ni、Au、Ag、Pt、Cr和Wu中的一种或多种，焊线材料为Cu、Al和Ag中的一种或多种；
所述DBR层由2-15个周期材料层组成，每一周期材料层由AlGaN、InGaN和GaN中的两种材料层组成，每一种材料层的厚度为蓝光波长的1/4、1/8或1/16除以材料的折射率，蓝光芯片中的DBR层具有使蓝光不能往下发射而红光却能透出并从顶部发射的效果。
所述红光芯片包括衬底、在衬底上依次生长的n型半导体材料层、发光层、p型半导体材料层和透明电极层；透明电极层上设有反射层，反射层为金属反射层和/或DBR结构，DBR结构材料为AlGaN、InGaN和GaN中的两种，红光芯片发射的光能被位于底部的该反射层射回而从顶部发射；
所述红光芯片中，p型半导体材料层上设有阳极，n型半导体材料层上设有阴极，阴、阳极均设有焊线，阴、阳极材料均为Ti、Ni、Au、Ag、Pt、Cr和Wu中的一种或多种，焊线材料为Cu、Al和Ag中的一种或多种；
所述红光芯片的尺寸等于蓝光芯片的尺寸，通过胶粘合到一起，而实现白光的发射，胶的材料可为有机硅胶、银浆、导热胶、合金焊中的一种或多种，胶的厚度优选为100nm-100 um，以减少红光的吸收。
优选地，蓝光芯片和红光芯片中的衬底均为原始衬底、减薄衬底或表面粗化衬底。
所述红光芯片与蓝光芯片的阴、阳极分别位于整个芯片结构的左、右两侧，以减少了电极对光的吸收。
优选地，所述蓝光芯片包括有蓝宝石衬底、GaN缓冲层、DBR层、n型GaN层、由InGaN和GaN材料层组成的发光层、AlGaN电子阻挡层、p型GaN层和ITO透明电极层，其中DBR层的材料为AlGaN、InGaN和GaN中的两种；所述红光芯片包括有GaP衬底、n型AlInGaN、发光波长为600-650nm的AlxInyGazP发光层，p型AlInGaN层、ITO透明导电层和反射层，其中AlxInyGazP发光层中，x和y的摩尔分数均为0-0.25，x =y，z=1-x-y，发光层通过改变x、y和z的大小可调节光的颜色。
一种高显色性白光LED结构的制作方法，蓝光芯片与红光芯片均采用MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition)技术制作，包括如下两个步骤：
1、通过厚度为100nm-100 um的胶将蓝光芯片与红光芯片粘贴，蓝光芯片的阴极与红光芯片的阴极位于同侧或异侧；
2、在上述粘合芯片的基础上封装黄色荧光粉。
所述蓝光芯片和红光芯片的引线为串联或者并联。
本发明的有益效果为：蓝光芯片的衬底与红光芯片的衬底通过胶粘合在一起，蓝光芯片的活性区与缓冲区之间内设DBR层，将发往底部的蓝光全部反射回去而红光却能透出，红光芯片底部设反射层，将发往底部的红光全部反射而从蓝光芯片顶部射出，两种光谱叠加后激发蓝光芯片顶部的黄色荧光粉，从而发出白光。本发明与现有的白光LED芯片相比，弥补了传统白光LED光谱中缺少的红光，提高了LED显色指数，增强了LED的发光效率且延长了使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的剖面示意图；
图2为本发明实施例的正面示意图；
图3为本发明实施例的底面示意图。
图中，1-胶，2-蓝宝石衬底，3-缓冲层，4- DBR层，5-n型GaN层，6-发光层（蓝光），7-电子阻挡层，8-p型GaN层，9-透明电极层，10-阳极（蓝光），11-GaP衬底，12-n型AlInGaN层，13-发光层（红光），14- p型AlInGaN层，15-透明电极层，16-阳极（红光），17-阴极（蓝光），18-阴极（红光），19-反射层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1-3所示，一种高显色性白光LED结构，包括用导热胶（1）粘合的蓝光LED芯片和红光LED芯片，其中，蓝光芯片包括有蓝宝石衬底（2）、在蓝宝石衬底（2）上依次设置的GaN缓冲层（3）、由2周期材料层组成的DBR层（4）、n型GaN层（5）、由InGaN和GaN材料层组成的发光层（6）、AlGaN电子阻挡层（7）、p型GaN层（8）和ITO透明电极层（9），ITO透明电极层（9）上涂覆有硅胶和钇铝石榴石的混合体，其中p型GaN层（8）上设有阳极（10），n型GaN层（5）上设有阴极（17），阴、阳极均设有焊线，阴、阳极材料均为Ag，焊线材料为Cu；
红光芯片包括有GaP衬底（11）、在GaP衬底（11）上依次设置的n型AlInGaN层（12）、发光波长为602nm的AlInGaP发光层（13）、p型AlInGaN层（14）、ITO透明电极层（15）和金属反射层（19），其中p型AlInGaN层（14）上设有阳极（16），n型AlInGaN层（12）上设有阴极（18），阴、阳极均设有焊线，阴、阳极材料均为Ag，焊线材料为Cu；红光芯片的尺寸和蓝光芯片的尺寸相等，红光芯片阴极（18）与蓝光芯片阴极（17）位于同侧。
该实施例的制作方法为，采用MOCVD技术制成相应的蓝光芯片和红光芯片，再用厚度为1000 nm的导热胶（1）将蓝光芯片与红光芯片粘贴，选择粘贴方向使蓝光芯片的阴极（17）与红光芯片的阴极（18）位于同侧，在此基础上直接进行封装黄色荧光粉，就形成了所需的高显色性白光LED结构。
Claims (11)
1.一种高显色性白光LED结构，包括通过胶粘合的蓝光LED芯片和红光LED芯片，其特征在于：所述蓝光芯片包括衬底、在衬底上依次生长的缓冲层、DBR层、n型半导体材料层、发光层、电子阻挡层、p型半导体材料层和透明电极层，蓝光芯片中的透明电极层上涂覆有黄色荧光粉；所述红光芯片包括衬底、在衬底上依次生长的n型半导体材料层、发光层、p型半导体材料层和透明电极层，透明电极层上设有反射层。
2.根据权利要求1所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述蓝光芯片中的透明电极层上涂覆有硅胶和钇铝石榴石的混合体。
3.根据权利要求1所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述蓝光芯片包括有蓝宝石衬底、GaN缓冲层、DBR层、n型GaN层、由InGaN和GaN材料层组成的发光层、AlGaN电子阻挡层、p型GaN层和ITO透明电极层。
4.根据权利要求1所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述红光芯片包括有GaP衬底、n型AlInGaN、发光波长为600-650nm的AlxInyGazP发光层，p型AlInGaN层、ITO透明导电层和反射层，其中AlxInyGazP发光层中， x和y的摩尔分数均为0-0.25，x =y，z=1-x-y。
5.根据权利要求1所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述红光芯片的尺寸等于蓝光芯片的尺寸。
6.根据权利要求1或3所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述DBR层由2-15个周期材料层组成，每一周期材料层由AlGaN、InGaN和GaN中的两种材料层组成，每一种材料层的厚度为蓝光波长的1/4、1/8或1/16除以材料的折射率。
7.根据权利要求1所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述反射层为金属反射层和/或DBR结构，DBR结构材料为AlGaN、InGaN和GaN中的两种。
8.根据权利要求1所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述胶的材料为有机硅胶、银浆、导热胶、合金焊中的一种或多种，胶的厚度为100nm-100um。
9.根据权利要求1或3所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述蓝光芯片中，p型半导体材料层上设有阳极，n型半导体材料层上设有阴极，阴、阳极均设有焊线，阴、阳极材料均为Ti、Ni、Au、Ag、Pt、Cr和Wu中的一种或多种，焊线材料为Cu、Al和Ag中的一种或多种。
10.根据权利要求1或4所述的高显色性白光LED结构，其特征在于：所述红光芯片中，p型半导体材料层上设有阳极，n型半导体材料层上设有阴极，阴、阳极均设有焊线，阴、阳极材料均为Ti、Ni、Au、Ag、Pt、Cr和Wu中的一种或多种，焊线材料为Cu、Al和Ag中的一种或多种。
11.一种高显色性白光LED结构的制作方法，蓝光芯片与红光芯片均采用MOCVD技术制作，其特征在于：包括如下两个步骤：
（1）通过厚度为100nm-100 um的胶将蓝光芯片与红光芯片粘贴，蓝光芯片的阴极与红光芯片的阴极位于同侧或异侧；
（2）在上述粘合芯片的基础上封装黄色荧光粉。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180601 |