CN107331743A - 一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光led的方法及其结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，采用飞秒激光器在铝酸锂衬底上分区域刻蚀出纳米尺寸的凹槽形成图形化纳米结构，每个区域刻蚀出具有不同深度的凹槽，然后在此结构上生长InGaN/GaN量子阱，不同区域可发射出不同波长的光，这些光的复合产生白色光。单芯片LED不需要在表面涂敷荧光粉，仅靠单芯片本身的发光就能实现白光发射，可以大大降低成本。

Description

一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法及其结构
技术领域
本发明涉及一种LED照明技术，特别涉及一种制备单芯片白光LED的方法。
背景技术
白光发光二极管(LED)因其节能、环保、长寿命等优点作为新一代光源而被广泛使用在照明、显示器和车灯等领域。目前，商业用白光LED光源封装，主要采用在蓝光LED芯片上覆盖荧光粉。这种蓝光芯片发射带较窄，通过复合LED基板产生的短波长蓝光和荧光粉发射的长波长黄光，从而得到宽带白光发射。封装工艺为硅胶混合荧光粉粘接在蓝光芯片上。然而,硅胶为有机物，Tg(玻璃化转变温度)只有150℃左右且热导率低，在光源使用过程中极易出现老化而变黄。硅胶老化会造成封装结构不稳定，荧光粉和芯片粘接不牢，也易出现压断焊接金线而造成死灯现象，硅胶变黄会造成光源色温漂移，以上不稳定因素都极大影响了LED光源可靠性和使用寿命，限制了大功率LED的发展。
另一种实现白光LED的方法是采用多种LED晶粒复合发白光，每种LED晶粒可以发射不同波长的光。例如，通过改变InGaN/GaN基LED中铟的含量，一个LED晶粒可以实现蓝光，蓝/绿光和紫外光/琥珀光发射。近年来，有研究表明通过控制InGaN/GaN纳米柱状阵列的直径来改变铟成分含量，可以实现可调节波长发射。然而，多晶粒的使用很大程度上会增加LED发光的复杂性带来的成本，阻碍了这一技术的更广泛使用。
发明内容
本发明提供了一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，以解决传统LED灯需使用荧光粉，多晶粒LED发光复杂从而带来成本过高的问题，为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，制备装置包括飞秒激光器、铝酸锂衬底、聚焦透镜以及计算机可控的移动平台，该方法包括以下步骤：
a.飞秒激光器发射出的激光经过聚焦透镜聚焦后在铝酸锂衬底上进行刻蚀，再通过计算机自动控制铝酸锂衬底按照预定的方向移动使之刻出所要的形状，刻蚀后的凹槽的宽度为35-40μm；刻蚀后的凹槽间的距离为245-255μm；b.采用金属有机化学气相沉淀法(MOCVD)在激光刻蚀后的铝酸锂衬底上生长外延层，得到InGaN/GaN基LED；其中，其从激光刻蚀后的铝酸锂衬底向上，整个覆盖有GaN缓冲层，然后依次向上的各层包括：N型GaN层、多周期的InGaN/GaN量子阱层、电子屏蔽层和P型GaN层；本发明采用的是铝酸锂衬底，在铝酸锂衬底生长出的是非极性的GaN，其发光效率比极性GaN高，且具有更高的量子效率和硬度，耐高温，耐酸碱等特性。
优选的，所述步骤a中，所述铝酸锂衬底上设置有四个不同区域，各个区域刻蚀深度按要求设计成不同深度，单独的区域内通过激光刻蚀出具有相同宽度和深度的凹槽阵列,且所述凹槽之间的距离相同；其中，每个区域可发射不同波长的光，四个区域的光复合产生白色光，本方案不需要在表面涂敷荧光粉，仅靠单芯片本身的发光就能实现白光发射，在不需要荧光粉的转换条件下可以大大降低成本。
优选的，所述InGaN/GaN量子阱层由GaN层和InGaN层相互交替叠加形成，且InGaN/GaN量子阱层为5至7层，通过向量子阱中掺杂铟元素，制造出的LED在不产生斯托克位移下发光效率会更高。
优选的，N型GaN层的厚度控制在2-5μm之间，P型GaN层的厚度控制在68-75nm之间；电子屏蔽层的厚度控制在25-30nm之间；缓冲层的材质为GaN，厚度控制在28-35nm之间。
优选的，N型GaN层的厚度为2μm，P型GaN层的厚度为70nm；电子屏蔽层的厚度为25nm；缓冲层的材质为GaN，厚度为30nm；刻蚀后的凹槽的宽度为37μm；刻蚀后的凹槽间的距离为250μm。
优选的，所述P型GaN层上设置有P电极，GaN缓冲层上设置有N电极。
一种基于铝酸锂衬底的单芯片白光LED，所述LED包括利用飞秒激光进行刻蚀的铝酸锂衬底，所述铝酸锂衬底按照预定图形进行刻蚀，刻蚀后的凹槽的宽度为35-40μm；刻蚀后的凹槽间的距离为245-255μm；采用金属有机化学气相沉淀法(MOCVD)在激光刻蚀后的铝酸锂衬底上生长外延层，得到InGaN/GaN基LED；其中，其从激光刻蚀后的铝酸锂衬底向上，整个覆盖有GaN缓冲层，然后依次向上的各层包括：N型GaN层、多周期的InGaN/GaN量子阱层、电子屏蔽层和P型GaN层，其中，所述P型GaN层上设置有P电极，GaN缓冲层上设置有N电极；所述电子屏蔽层用于阻止P-GaN中的空穴过多的跑到多量子阱中。本发明采用的是铝酸锂衬底，在铝酸锂衬底生长出的是非极性的GaN，其发光效率比极性GaN高，且具有更高的量子效率和硬度，耐高温，耐酸碱等特性。
优选的，所述铝酸锂衬底上设置有四个不同区域，各个区域刻蚀深度按要求设计成不同深度，单独的区域内通过激光刻蚀出具有相同宽度和深度的凹槽阵列,且所述凹槽之间的距离相同；其中，每个区域可发射不同波长的光，四个区域的光复合产生白色光。本方案不需要在表面涂敷荧光粉，仅靠单芯片本身的发光就能实现白光发射，在不需要荧光粉的转换条件下可以大大降低成本。
优选的，所述InGaN/GaN量子阱层由GaN层和InGaN层相互交替叠加形成，且所述InGaN/GaN量子阱层为5至7层。通过向量子阱中掺杂铟元素，制造出的LED在不产生斯托克位移下发光效率会更高。
优选的，N型GaN层的厚度为2-5μm，P型GaN层的厚度为68-75nm；电子屏蔽层的厚度为25-30nm；缓冲层的材质为GaN，厚度为28-35nm。
优选的，N型GaN层的厚度为2μm，P型GaN层的厚度为70nm；电子屏蔽层的厚度为25nm；缓冲层的材质为GaN，厚度为30nm；刻蚀后的凹槽的宽度为37μm；刻蚀后的凹槽间的距离为250μm。
优选的，所述P电极为Ni/Au，N电极为Ti/Al。
本发明采用以上技术后与传统技术相比具有以下有益效果：本发明采用的是铝酸锂衬底，在铝酸锂衬底生长出的是非极性的GaN，其发光效率比极性GaN高，且具有更高的量子效率和硬度，耐高温，耐酸碱等特性；其制备单芯片白光LED的方法，不需要在表面涂敷荧光粉，仅靠单芯片本身的发光就能实现白光发射；通过向量子阱中掺杂铟元素，制造出的LED，在不产生斯托克位移下发光效率会更高；在不需要荧光粉的转换条件下可以大大降低成本。推动无荧光粉单芯片白光LED器件科学与技术的发展。
附图说明
图1为本发明经过激光刻蚀后的铝酸锂的结构示意图；
图2为本发明单芯片InGaN/GaN LED的结构示意图；
图3为本发明在单芯片上分块构建发白光的LED结构示意图。
标号说明：
1-铝酸锂衬底；2-GaN缓冲层；3-N型GaN层；4-量子阱层；
5-电子屏蔽层；6‐P型GaN层；7‐P电极；8‐N电极。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚，需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且非精准的比率，仅用以方便明晰的辅助说明本实施例的目的。
本发明首先通过飞秒激光刻蚀工艺制备出图形化铝酸锂衬底，其次再利用MOCVD(金属有机化学气相沉淀法)方法在图形化衬底上生长多量子阱InGaN/GaN LED。
本实施例制备基于铝酸锂衬底单芯片白光InGaN/GaNLED的方法包括以下步骤：
一、图形化铝酸锂衬底的制备，如图1所示：
1、制备装置包括飞秒激光器，铝酸锂衬底1，一个聚焦透镜，一个计算机可控的移动平台；飞秒激光器发射出的激光经过聚焦透镜聚焦后在铝酸锂衬底上进行刻蚀，再通过计算机自动控制铝酸锂衬底按照预定的方向移动使之刻出所要的形状；
2、采用钛宝石飞秒激光器，其峰值波长为780nm，重复频率为1000Hz，脉冲持续时间为150fs，且刻蚀光源的单位脉冲能量为2mJ；
3、采用强刻蚀激光来对铝酸锂进行图案化，所述强刻蚀激光即为激光的能量密度需超过阈值，其刻蚀阈值为4.8J/cm2；
4、采用强刻蚀激光在铝酸锂衬底1上进行刻蚀，其中刻蚀槽宽度为W，深度为H；
5、在一块铝酸锂衬底上四个不同区域，每个区域刻蚀出具有相同宽度和深度的凹槽阵列,且相邻凹槽之间的距离都一致，各个区域刻蚀深度按要求设计成不同深度。
如图2所示：
1、采用MOCVD方法在激光刻蚀后的铝酸锂衬底上生长外延层，得到InGaN/GaN基LED，其从激光刻蚀后的铝酸锂衬底1向上，整个覆盖GaN缓冲层2，然后GaN缓冲层一边依次向上包括同面积的：N型GaN层3、5-7个周期的多InGaN/GaN量子阱层4(即由GaN层和InGaN层相互交替叠加形成的五到七个周期的量子阱层)、电子屏蔽层5和p型GaN层6，在p型GaN层6和GaN缓冲层2另一边上分别有电极P7和N8；GaN缓冲层上分为两个区域，一个区域用于设置N电极，在其余的区域生长N型GaN层、多周期的InGaN/GaN量子阱层、电子屏蔽层和P型GaN层，P电极在P型GaN层上其中，P型GaN层上设置有P电极，GaN缓冲层上设置有N电极，P电极为Ni/Au，N电极为Ti/Al；所述电子屏蔽层用于阻止P-GaN中的空穴过多的跑到多量子阱中。
2、通过改变激光刻蚀的深度可以得到各种不同颜色的光，其发出光覆盖整个可见光光谱，选取其中发射出蓝光、红光、绿光、琥珀光所对应的刻蚀深度，并在单一芯片上四个不同区域刻蚀即可得到发白光的单芯片白光LED，不排除其他组合达到同样的效果。
如图3所示，在一块芯片的四个不同区域分别刻蚀出能过发出蓝光、红光、绿光、琥珀光的四种不同深度条纹状的凹槽，通过在同一芯片上四种光的混合来产生白光，以此实现单芯片白光LED发光。选取其中能分别发出蓝光、红光、绿光和琥珀色光的部分集中于单一芯片上。
采用飞秒激光器在铝酸锂衬底上刻蚀出纳米尺寸的凹槽形成图形化纳米结构，然后在此结构上生长InGaN/GaN量子阱。由于飞秒激光器刻蚀产生的纳米结构能够依据激光的不同能量，刻蚀出具有不同深度H的凹槽，并导致在微观局部区域内铟含量的不同。由于铟含量的不同，不同区域LED晶粒可发射出不同波长的光。如图3，在red区域发出红光，在blue区域发出蓝光，在green区域发出绿光在amber区域发出琥珀色光，通过这些光的复合就产生出白光。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求所确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，制备装置包括飞秒激光器、铝酸锂衬底、聚焦透镜以及计算机可控的移动平台，该方法包括以下步骤：
a.飞秒激光器发射出的激光经过聚焦透镜聚焦后在铝酸锂衬底上进行刻蚀，再通过计算机自动控制铝酸锂衬底按照预定的方向移动使之刻出所要的形状；其中，刻蚀后的凹槽的宽度为35-40μm；刻蚀后的凹槽间的距离为245-255μm；
b.采用金属有机化学气相沉淀法在激光刻蚀后的铝酸锂衬底上生长外延层，得到InGaN/GaN基LED；其中，其从激光刻蚀后的铝酸锂衬底向上，整个覆盖有GaN缓冲层，然后依次向上的各层包括：N型GaN层、多周期的InGaN/GaN量子阱层、电子屏蔽层和P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，其特征在于，所述步骤a中，在所述铝酸锂衬底上刻蚀四个区域，各个区域刻蚀深度按要求设计成不同深度，单独的区域内通过激光刻蚀出具有相同宽度和深度的凹槽阵列,且凹槽之间的距离相同；其中，每个区域发射不同波长的光，四个区域的光复合产生白色光。
3.根据权利要求1所述的一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，其特征在于，所述InGaN/GaN量子阱层由GaN层和InGaN层相互交替叠加形成，且InGaN/GaN量子阱层为5至7层。
4.根据权利要求1所述的一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，其特征在于，N型GaN层的厚度控制在2-5μm之间，P型GaN层的厚度控制在68-75nm之间；电子屏蔽层的厚度控制在25-30nm之间；缓冲层的材质为GaN，厚度控制在28-35nm之间。
5.根据权利要求4所述的一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，其中，N型GaN层的厚度为2μm，P型GaN层的厚度为70nm；电子屏蔽层的厚度为25nm；缓冲层的材质为GaN，厚度为30nm；刻蚀后的凹槽的宽度为37μm；刻蚀后的凹槽间的距离为250μm。
6.根据权利要求1所述的一种制备基于铝酸锂衬底单芯片白光LED的方法，其特征在于，所述P型GaN层上设置有P电极，GaN缓冲层上设置有N电极。
7.一种基于铝酸锂衬底的单芯片白光LED，其特征在于，所述LED包括利用飞秒激光进行刻蚀的铝酸锂衬底，所述铝酸锂衬底按照预定图形进行刻蚀；其中，刻蚀后的凹槽的宽度为35-40μm；刻蚀后的凹槽间的距离为245-255μm；激光刻蚀后的所述铝酸锂衬底上生长有外延层，得到InGaN/GaN基LED；其中，其从激光刻蚀后的铝酸锂衬底向上，整个覆盖有GaN缓冲层，然后依次向上的各层包括：N型GaN层、多周期的InGaN/GaN量子阱层、电子屏蔽层和P型GaN层，其中，所述P型GaN层上设置有P电极，GaN缓冲层上设置有N电极。
8.根据权利要求7所述的一种基于铝酸锂衬底的单芯片白光LED，其特征在于，所述铝酸锂衬底上设置有四个不同区域，各个区域刻蚀深度按要求设计成不同深度，单独的区域内通过激光刻蚀出具有相同宽度和深度的凹槽阵列,且所述凹槽之间的距离相同；其中，每个区域可发射不同波长的光，四个区域的光复合产生白色光。
9.根据权利要求7所述的一种基于铝酸锂衬底的单芯片白光LED，其特征在于，所述InGaN/GaN量子阱层由GaN层和InGaN层相互交替叠加形成，且所述InGaN/GaN量子阱层为5至7层。
10.根据权利要求7所述的一种基于铝酸锂衬底的单芯片白光LED，其中，N型GaN层的厚度为2-5μm，P型GaN层的厚度为68-75nm；电子屏蔽层的厚度为25-30nm；缓冲层的材质为GaN，厚度为28-35nm。
11.根据权利要求10所述的一种基于铝酸锂衬底的单芯片白光LED，其中，N型GaN层的厚度为2μm，P型GaN层的厚度为70nm；电子屏蔽层的厚度为25nm；缓冲层的材质为GaN，厚度为30nm；刻蚀后的凹槽的宽度为37μm；刻蚀后的凹槽间的距离为250μm。
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