CN104733593B - 基于量子点的白光led器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量子点的白光LED器件及其制作方法，其中，基于量子点的白光LED器件包括LED芯片、涂覆在LED芯片上的光转换层以及承载LED芯片的载体，LED芯片倒装于载体内，LED芯片包括衬底，衬底上设置有多个图形窗口，光转换层中设置有发光材料，发光材料包括具有不同发光颜色的量子点和透明高分子材料，不同发光颜色的量子点间相互独立设置并覆盖于图形窗口内。本发明采用多种不同发光颜色的量子点发光转换实现的白光LED器件，具有更宽广的色域，更高的显色指数，更宽的光谱发射范围，利于LED器件的广泛应用，同时多种不同发光颜色的量子点分区域涂覆，避免了不同发光颜色的量子点之间的再吸收，有利于提高LED器件的发光效率。

Description

基于量子点的白光LED器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体照明装置，具体地说，涉及一种白光LED器件及其制作方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种半导体制造技术加工的电致发光器件，主要发光原理是化合物半导体材料在加载正向电压的条件下，有源电子与空穴复合产生光子，其中可见光成分能够被人眼识别产生可见光。目前由于LED的亮度问题被极大地改善，LED被广泛应用于各种领域，包括背光单元、汽车、电信号、交通信号灯、照明装置等。

当前市场上主流的商品化白光LED，是采用蓝光LED芯片加上黄、绿、红一种或多种荧光粉来实现的。现有技术中荧光粉必须均匀地涂覆在芯片表面，否则会出现光色不均匀的光斑现象；而且荧光粉转换的白光LED灯具光源在照明领域显色性不足。量子点发光材料具有色纯度高、发光颜色多样性等优点，多种量子点材料混合使用可以实现高显色性，让LED灯具在室内照明获得广泛应用，但是绿色、黄色发光的量子点材料所发出的光也可能会被红色量子点二次吸收，降低白光LED的发光效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于量子点的白光LED器件及其制作方法，以解决现有白光LED的显色性不足，发光二次吸收的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于量子点的白光LED器件，包括LED芯片、涂覆在所述LED芯片上的光转换层以及承载所述LED芯片的载体，所述LED芯片倒装于所述载体内，所述LED芯片包括衬底，所述衬底上设置有多个图形窗口，所述光转换层中设置有发光材料，所述发光材料包括具有不同发光颜色的量子点和透明高分子材料，不同发光颜色的所述量子点间相互独立设置并覆盖于所述图形窗口内。

进一步，所述量子点为II-VI族或III-V族元素组成的半导体化合物中的一种或几种，其尺寸小于10nm。

进一步，所述透明高分子材料为丙烯酸酯类树脂、有机硅氧烷树脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸脂、改性有机硅树脂或环氧树脂中的一种。

进一步，所述图形窗口为设置在所述衬底表面的多个矩形平面，所述矩形平面为长方形平面或正方形平面。

进一步，所述图形窗口为蚀刻在所述衬底上的多个凹槽。

一种基于量子点的白光LED器件的制作方法，包括以下步骤：在衬底上通过金属有机化学气相沉积法制作外延片；在所述外延片上加工制作LED芯片P-N结的两个电极；在所述衬底上设置划分多个图形窗口；在所述衬底上涂覆光转换层，所述光转换层设置有由不同发光颜色的量子点与透明高分子材料混合而成的发光材料，不同发光颜色的所述量子点间相互独立设置并覆盖于所述图形窗口内；加工制作成单颗的LED芯片，将所述LED芯片倒装于载体内。

进一步，所述图形窗口为设置在所述衬底表面的多个矩形平面。

进一步，所述图形窗口为蚀刻在所述衬底上的多个凹槽，或者是相互间隔排列的所述矩形平面和所述凹槽。

进一步，衬底上涂覆的光转换层中发光材料的颜色顺序排布如下：红-绿-蓝-黄依颜色顺序作为阵列呈周期性分布。

进一步，衬底上涂覆的光转换层中的不同发光颜色的量子点的发光光谱在460-780nm内且连续。

与现有技术相比，本发明采用多种不同发光颜色的量子点转换发光，具有显色指数高、色域宽广的特点，利于LED器件的广泛应用；多种不同发光颜色的量子点分区域涂覆，避免了不同发光颜色的量子点之间的再吸收，提高了LED器件的发光效率。

附图说明

图1为本发明的白光LED器件的结构示意图；

图2为本发明制作外延片后的LED芯片的结构示意图；

图3为本发明制作金属电极后的LED芯片的结构示意图；

图4为本发明制作电极凸点后的基板的结构示意图；

图5为本发明的光转换层中发光材料的分布截面图；

图6为本发明的光转换层中发光材料的分布俯视图；

图7为本发明的另一实施例的光转换层的结构示意图；

图8为本发明的白光LED器件的发射光谱图。

图中：1—白光LED器件；11—LED芯片；111—衬底；112—N型氮化镓；113—量子阱发光层；114—P型氮化镓；115—N接触层；116—P接触层；12—光转换层；13—载体；131—基板；1311—P电极凸点；1312—N电极凸点；1313—第一通孔；1314—第二通孔；1315—P焊盘；1316—N焊盘；1317—散热焊盘；132—保护透镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明基于量子点的白光LED器件及其制作方法作进一步说明。

请参阅图1，本发明公开了一种基于量子点的白光LED器件1，所述基于量子点的白光LED器件1包括LED芯片11、涂覆在所述LED芯片11上的光转换层12以及承载所述LED芯片11的载体13，所述LED芯片11倒装于所述载体13内。

请参阅图2，所述LED芯片11包括衬底111、覆盖在所述衬底111上的N型氮化镓112、部分覆盖在所述N型氮化镓112上的量子阱发光层113、覆盖在所述量子阱发光层113上的P型氮化镓114、部分覆盖在所述N型氮化镓112上的N接触层115、覆盖在所述P型氮化镓114上的P接触层116。所述衬底111可为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、硅衬底。所述衬底111上设置有多个图形窗口，所述图形窗口为设置在所述衬底111表面的多个矩形平面，所述矩形平面为长方形平面或正方形平面。当然，本发明并不限于此，在其他实施例中，所述图形窗口也可以为蚀刻在所述衬底111上的多个凹槽。

所述光转换层12中设置有发光材料，所述发光材料包括具有不同发光颜色的量子点和透明高分子材料。不同发光颜色的所述量子点间相互独立设置并覆盖于所述图形窗口内，相邻的所述量子点之间不交叉重叠，同时又紧密接触。所述量子点为处于可见光谱的红色-绿色-蓝色范围内具有不同发光颜色的纳米材料，所述量子点为II-VI族或III-V族元素组成的半导体化合物中的一种或几种，其尺寸小于10nm。所述量子点可以是II-VI元素组成的半导体化合物如CdSe、CdTe、MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、ZnS、ZnSe、ZnTe和CdS的一种或多种组合，也可以是III-V族元素组成的半导体化合物如GaN、GaP、GaAs、InN、InP和InAs的一种或多种组合，或者是由II-VI族元素组成的半导体化合物和III-V族元素组成的半导体化合物中的几种混合而成。所述透明高分子材料为丙烯酸酯类树脂、有机硅氧烷树脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸脂、改性有机硅树脂或环氧树脂中的一种。

请参阅图1，所述载体13为陶瓷支架、环氧模塑支架、硅胶基模塑支架、PPA支架、金属支架、柔性支架。所述载体13包括基板131和设置于所述基板131外部的保护透镜132，所述保护透镜132采用液态透明高分子材料通过模顶工艺进行包封形成，经过固化成型后围设于所述基板131外部，以保护所述LED芯片11和所述光转换层12。

请参阅图3和图4，所述基板131上设置有P电极凸点1311和N电极凸点1312，所述基板131内对应所述P电极凸点1311和所述N电极凸点1312分别设有第一通孔1313和第二通孔1314，所述基板131底部设置有P焊盘1315、N焊盘1316和散热焊盘1317，所述P焊盘1315和所述N焊盘1316分别对应位于所述P电极凸点1311和所述N电极凸点1312的下方。所述P电极凸点1311和所述N电极凸点1312分别通过所述第一通孔1313和所述第二通孔1314与所述P焊盘1315和所述N焊盘1316互通，以实现器件的电性连接。

请参阅图1和图2，本发明还公开了一种基于量子点的白光LED器件的制作方法，主要步骤包括外延层的制作、外延层金属化、制作光转换层和封装制成白光LED器件，具体如下：

首先，请参阅图2，在衬底111上制作氮化镓（GaN）基的外延片。为便于叙述，本实施例以蓝宝石衬底为例，当然，本发明并不限于此，在其他实施例中，所述衬底111也可为碳化硅衬底、氮化镓衬底、硅衬底。

在蓝宝石衬底111上分别生长制作N型氮化镓（GaN）112、P型氮化镓（GaN）113、量子阱发光层114，从而制成外延片。在所述蓝宝石衬底111上生长制作外延片的过程，主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉(MOCVD)中完成的。MOCVD是利用气相反应物及Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH₃在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面，通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。

其次，在所述外延片上加工制作LED芯片P-N结的两个电极。

对LED PN结的两个电极进行加工是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨。将制作好的外延片，经过活化、涂胶、光刻、刻蚀蒸镀、沉积和钝化等系列工艺步骤后，形成LED芯片上的N型接触层115和P型接触层116，所述N型接触层115包括N型欧姆接触电极以及N型欧姆接触电极上的金属凸点，所述P型接触层116包括P型欧姆接触电极以及P型欧姆接触电极上的金属凸点，所述P型接触层116和所述N型接触层115的制作材料为Ag、Au、Al、Cu、Cr、Ni中的一种、多种或其合金,制作所述P型接触层116和所述N型接触层115的工艺可以采用蒸发、电镀、金属线植球工艺。

接着，在所述蓝宝石衬底111上设置划分多个图形窗口。所述图形窗口为设置在所述蓝宝石衬底111表面的多个矩形平面，所述矩形平面为长方形平面或正方形平面。当然，本发明并不限于此，在其他实施例中，所述图形窗口也可以为蚀刻在所述衬底111上的多个凹槽，或者是相互间隔排列的所述矩形平面和所述凹槽。

然后，在所述蓝宝石衬底111上涂覆光转换层12，所述光转换层12设置有由不同发光颜色的量子点与透明高分子材料混合而成的发光材料，不同发光颜色的所述量子点间相互独立设置并覆盖于所述图形窗口内。

请参阅图5和图6，可以在所述蓝宝石衬底111的表面上设置多个所述矩形平面，每一所述矩形平面上对应涂覆不同发光颜色的所述量子点与所述透明高分子材料的混合物。请参阅图7，或者可以在所述蓝宝石衬底111上蚀刻多个所述凹槽，每一所述凹槽内对应涂覆不同发光颜色的所述量子点与所述透明高分子材料的混合物。

当然，本发明并不限于此，在其他实施例中，也可以在所述蓝宝石衬底111上蚀刻间隔排列的多个凹槽，每相邻的两个所述凹槽之间设置有矩形平面，每一所述凹槽内和所述矩形平面上对应涂覆不同发光颜色的所述量子点与所述透明高分子材料的混合物。

所述量子点可以是II-VI元素组成的半导体化合物如CdSe、CdTe、MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、ZnS、ZnSe、ZnTe和CdS的一种或多种组合，也可以是或III-V族元素组成的半导体化合物如GaN、GaP、GaAs、InN、InP和InAs的一种或多种组合，或者是由II-VI族元素组成的半导体化合物和III-V族元素组成的半导体化合物中的几种混合而成。所述透明高分子材料为丙烯酸酯类树脂、有机硅氧烷树脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸脂、改性有机硅树脂或环氧树脂中的一种。

在所述蓝宝石衬底111上设置划分不同的多个所述图形窗口后，将多种不同发光颜色的所述量子点分别与所述透明高分子材料混合，并涂覆在所述LED芯片11的所述蓝宝石衬底111上形所述成光转换层12，不同发光颜色的所述量子点间相互独立设置并覆盖于所述图形窗口内，相邻的所述量子点之间不交叉重叠，同时又紧密接触。在制作所述光转换层12时，预先设置激光的切割道，便于采用激光切割、劈裂的方法制作成分立的单颗的所述LED芯片11。

例如，将R、G、B、Y不同发光颜色的多种所述量子点分别与所述透明高分子材料混合后，注入在一开有微型凹槽的模具中，所述凹槽中涂有离模剂，所述模具的所述微型凹槽的分布如图5所示，然后将对LEDPN结的两个电极进行加工完成后的LED毛片倒置于模具上方，保证两者充分接触，经过固化后分离出模具，故相互独立的多种发光颜色的量子点的所述光转换层12在所述蓝宝石衬底111表面形成。其中，所述R、G、B、Y不同发光颜色的量子发射波长分别为650nm、540nm、480nm、600nm。具有不同发光颜色的所述量子点的所述发光转换层12的分布还可以采用微型网印、感光成型的方法制作。

例如，请参阅图7，通过干法和湿法的蚀刻技术在所述蓝宝石衬底111表面制作微孔洞结构，在微孔洞中填入或注入R、G、B、Y多种所述量子点分别与所述透明高分子材料的混合物，让多种所述量子点独立地被蓝光激发，彼此间不受影响。

当然，本发明并不限于此，在其他实施例中，在所述蓝宝石衬底111上涂覆所述光转换层12的方式可以多种多样，所述光转换层12中设置有发光材料，所述发光材料包括具有不同发光颜色的量子点和透明高分子材料，利用多种量子点纳米材料制成白光LED器件，以实现量子点间再吸收效应小，更宽发射光谱范围，更高的显色指数。

请参阅图5和图6，所述蓝宝石衬底111上涂覆的所述光转换层12中发光材料的颜色顺序排布如下：红-绿-蓝-黄依颜色顺序作为阵列呈周期性分布。所述蓝宝石衬底111上涂覆的所述光转换层12中的不同发光颜色的所述量子点的发光光谱在460-780nm内且连续。

最后，加工制作成单颗的LED芯片11，将所述LED芯片11倒装于载体13内。

本发明中可以采用激光切割、劈裂的方法制作成分立的单颗的所述LED芯片11，将所述LED芯片11倒装于所述载体13内，所述载体13外部用硅胶进行包封保护。

请参阅图1、图3和图4，将所述LED芯片11倒置于所述载体13的基板131上，所述LED芯片11的N型接触层115、P型接触层116分别与所述基板131的N电极凸点1312、P电极凸点1311相连接。所述基板131的所述N电极凸点1312和所述P电极凸点1311分别通过第二通孔1315和第一通孔1314与所述基板131底部的N焊盘1316和P焊盘1315互通，以实现器件的电性连接。所述载体13外部用液态透明高分子材料通过模顶工艺进行包封形成保护透镜132，经过固化成型后，所述保护透镜132保护所述光转换层12和所述LED芯片11。

所述连接方法可以是共晶回流焊接或热超声倒装焊接工艺实现。所述液态透明高分子材料为丙烯酸酯类树脂、有机硅氧烷树脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸脂、改性有机硅树脂或环氧树脂中的一种。所述保护透镜132的形状可以是半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、柿饼形中的一种。

本发明方法制作的白光LED器件经光谱性能测试，具有较宽的发射光谱区域，在可见光区400-800nm均有覆盖且连续，所获得光谱图如图8所示，所述白光LED器件的颜色区域较广泛，显色指数比较高。

本发明采用多种不同发光颜色的量子点发光转换实现的白光LED器件，具有更宽广的色域，更高的显色指数，更宽的光谱发射范围，利于LED器件的广泛应用，同时多种不同发光颜色的量子点分区域涂覆，避免了不同发光颜色的量子点之间的再吸收，有利于提高LED器件的发光效率。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所揭示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种基于量子点的白光LED器件，其特征在于：包括LED芯片、涂覆在所述LED芯片上的光转换层以及承载所述LED芯片的载体；

所述LED芯片倒装于所述载体内，所述LED芯片包括衬底、覆盖在所述衬底上的N型氮化镓、部分覆盖在所述N型氮化镓上的量子阱发光层、覆盖在所述量子阱发光层上的P型氮化镓、部分覆盖在所述N型氮化镓上的N接触层、覆盖在所述P型氮化镓上的P接触层；所述衬底上设置有多个图形窗口，所述光转换层中设置有发光材料，所述发光材料包括具有不同发光颜色的量子点，所述量子点一一对应设置有透明高分子材料，所述量子点一一对应覆盖于所述图形窗口内，所述图形窗口间相互独立设置；

所述载体包括基板和设置于所述基板外部的保护透镜，所述基板上对应所述P接触层及N接触层分别设置有P电极凸点和N电极凸点，所述基板内对应所述P电极凸点和所述N电极凸点分别设有P焊盘及N焊盘，所述P电极凸点和所述N电极凸点分别通过基板上设置的第一通孔和第二通孔与所述P焊盘和所述N焊盘互通，所述基板底部还设置有散热焊盘。

2.如权利要求1所述的基于量子点的白光LED器件，其特征在于：所述量子点为II-VI族或III-V族元素组成的半导体化合物中的一种或几种，其尺寸小于10nm。

3.如权利要求1所述的基于量子点的白光LED器件，其特征在于：所述透明高分子材料为丙烯酸酯类树脂、有机硅氧烷树脂、丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸脂、改性有机硅树脂或环氧树脂中的一种。

4.如权利要求1所述的基于量子点的白光LED器件，其特征在于：所述图形窗口为设置在所述衬底表面的多个矩形平面，所述矩形平面为长方形平面或正方形平面。

5.如权利要求1所述的基于量子点的白光LED器件，其特征在于：所述图形窗口为蚀刻在所述衬底上的多个凹槽。

6.一种用于上述权利要求1-5任一项所述的白光LED器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上通过金属有机化学气相沉积法制作外延片；

在所述外延片上加工制作LED芯片P-N结的两个电极；

在所述衬底上设置划分多个相互独立设置的图形窗口；

在所述衬底上涂覆光转换层，所述光转换层中设置有发光材料，所述发光材料包括具有不同发光颜色的量子点，所述量子点一一对应设置有透明高分子材料，所述量子点一一对应覆盖于所述图形窗口内；

加工制作成单颗的LED芯片，将所述LED芯片倒装于载体内。

7.如权利要求6所述的基于量子点的白光LED器件的制作方法，其特征在于：所述图形窗口为设置在所述衬底表面的多个矩形平面。

8.如权利要求7所述的基于量子点的白光LED器件的制作方法，其特征在于：所述图形窗口为蚀刻在所述衬底上的多个凹槽，或者是相互间隔排列的所述矩形平面和所述凹槽。

9.如权利要求6所述的基于量子点的白光LED器件的制作方法，其特征在于：衬底上涂覆的光转换层中发光材料的颜色顺序排布如下：红-绿-蓝-黄依颜色顺序作为阵列呈周期性分布。

10.如权利要求6所述的基于量子点的白光LED器件的制作方法，其特征在于：衬底上涂覆的光转换层中的不同发光颜色的量子点的发光光谱在460-780nm内且连续。