CN108963040A - 一种高显色白光光源结构及其制作方法 - Google Patents

一种高显色白光光源结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种高显色白光光源结构，从下到上依次包括：白光外延结构，白光外延结构从下到上依次层叠设置有钻石衬底、GaBi过渡层、N‑GaN接触层、In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层、P‑GaN接触层、N‑GaN级联层、N‑GaN接触层、In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层、P‑GaN接触层，N‑GaN接触层上方设有N电极层，以及P电极层。本发明摆脱了荧光粉的束缚，其显色性好、稳定性好、发光质量好，提高了工作稳定性和使用寿命，省去了封装部分工序，可以使白光的晶体生长，同时整个产业链的生产工艺简化，生产效率大大提高，工业化大量生产易于实现；采用自制胶水模压一次成型，使白光光源结构的内应力低，且翘曲变形也很小，提高了光效，优化了工艺，机械性能较稳定，产品可靠性高，大幅度降低成本。

Description

一种高显色白光光源结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，尤其是一种高显色白光光源结构及其制作方法。
背景技术
白光光源具有节能、环保、寿命长、可以工作在高速状态等诸多优点， 其用途越来越广，正渗透了我们生活的各个环节。目前，通常采用蓝光激发黄色荧光粉来生产白光，由于用蓝光激发黄色荧光粉生产的白光，显色性差、稳定性差。
目前，生产中常见的实现白光 LED 的工艺方法有如下三种 ：在蓝光 LED芯片上激发 YAG 荧光粉，其所发出的黄绿光与蓝光合成白光，然而，使用这种技术发 出的白光的光谱中缺失红色部分，显色性较差，难以满足低色温的照明要求；使用 RGB 三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光，或者用蓝加 黄色双芯片补色产生白光，此种方法虽然可以通过选择合适的波长与强度来获得更好的显色指数，但是芯片性能的差异使 得驱动电路过于复杂且散热成为难题；在紫外光芯片上涂 RGB 荧光粉，利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光，然而由于目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低且成本昂贵，该技术仍未达到实用阶段。
如何提高现有的白光的显色性能和稳定性正成为当今大家最为关心的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种显色性好、稳定性好，该高光效白光芯片光源可生产线上进行大批量生产的高显色白光光源结构及其制作工艺。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：
一种高显色白光光源结构，从下到上依次包括：
白光外延结构，所述白光外延结构从下到上依次层叠设置有钻石衬底、GaBi过渡层、N-GaN接触层、In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层、P-GaN接触层、N-GaN级联层、N-GaN接触层、In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层、P-GaN接触层，所述N-GaN接触层上方设有N电极层；以及
P电极层。
在本具体实施例中，所述In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层掺杂锌、镉、硅、硒；所述In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层，掺杂锌、镉、硅、硒。
在本具体实施例中，所述 N-GaN接触层横截面的长度大于所述In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层横截面的长度。
在本具体实施例中，所述钻石衬底由钻石晶体掏棒制成，所述钻石衬底的厚度为45～180um。
在本具体实施例中，所述GaBi过渡层的厚度为9～90 nm；N-GaN接触层的厚度为180～900 nm；In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm；P-GaN接触层的厚度为72～540nm；N-GaN级联层的厚度为90～900 nm；In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm。
本发明还提供了一种高显色白光光源的制作工艺，包括如下步骤：
S1、将钻石晶体按要求掏棒，掏好后，经过固定、切片、退火、倒角、分档检测、研磨、清洗等过程，做成钻石衬底；
S2、制作外延片，将钻石衬底送入外延炉，在1050～1070摄氏度下生长N-GaN接触层；
S3、以氮气为载体，在682～698摄氏度下生长In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层；
S4、在外延炉997～1007摄氏度下生长P-GaN接触层，在907～1007摄氏度下生长N-GaN级联层；
S5、以氮气为载体，在682～698摄氏度下生长In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层，在997～1007摄氏度下生长P-GaN接触层，外延片制作完成；
S6、进行芯片加工，在P-GaN接触层上方设置P电极层，在N-GaN接触层接触层的上方设置N电极层；
S7、芯片加工加工完成后，经固晶、烘烤、焊线，用自制胶水模压一次成型，最后分选、包装。
在本具体实施例中，在S2生长N-GaN接触层前，可先在608～618摄氏度下生长GaBi过渡层。
在本具体实施例中，所述钻石衬底的厚度为45～180um；所述GaBi过渡层的厚度为9～90 nm；N-GaN接触层的厚度为180～900 nm；In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm；P-GaN接触层的厚度为72～540nm；N-GaN级联层的厚度为90～900 nm；In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm。
在本具体实施例中，在S6中，所述芯片加工工艺包括如下步骤：
S61、将外延片清洗，镀透明电极层，进行透明电极图形光刻，再将其进行腐蚀和去胶；
S62、将去胶后的所述外延片进行平台图形光刻、干法刻蚀、去胶、退火、SiO2 沉积、窗口图形光刻、SiO2 腐蚀、去胶、N电极层进行图形光刻；
S63、最后进行预清洗、镀膜、剥离、退火、P电极层进行图形光刻、镀膜、剥离、研磨以及切割，制作成芯片，并对芯片进行成品测试，其中， P电极层先镀铝再镀钛, N电极层依次蒸镀钛铝钛金。
在本具体实施例中，所述自制胶水的质量比为环氧树脂：甲基六氢苯酐：AGE3四丁基溴化胺：蓝色染料色浆：抗氧剂：BYK-A530消泡剂：甘油：FIN脱模剂：蓝色染料色浆=9630:9584:135:35:149:6:149:6:1。
在本具体实施例中，所述模压一次成型包括如下步骤：
S71、往模具中加入上述质量比的材料，预热温度135±15℃，时间30±5分钟；
S72、闭模：加料完后即时将阳模和阴模相闭合；
S73、排气：在模腔内塑料反应进行至适当时间后，可卸压松模排气2±0.1分钟；
S74、固化：在模压温度下保持3±0.1分钟；
S75、脱模；
S76、脱模后，用压缩空气吹洗模腔和模具的模面；
S77、在较高温度下进行后处理。
本发明的有益效果为：1、摆脱了荧光粉的束缚，其显色性好、稳定性好、发光质量好，提高了工作稳定性和使用寿命，省去了封装部分工序，可以使白光的晶体生长，同时将钻石衬底加工、外延、芯片加工、封装、应用整个产业链的生产工艺简化，生产效率大大提高，工业化大量生产易于实现；
2、用自制胶水模压一次成型，使白光光源结构的内应力低，且翘曲变形也很小，提高了光效，优化了工艺，机械性能较稳定，产品可靠性高，大幅度降低成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的白光光源结构示意图；
图2是本发明白光光源结构制作工艺流程图；
图3是芯片加工工艺流程图；
图4是模压一次成型工艺流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图1-4对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅附图1，一种高显色白光光源结构，从下到上依次包括：白光外延结构100，所述白光外延结构100从下到上依次层叠设置有钻石衬底110、GaBi过渡层120、N-GaN接触层130、In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层140、P-GaN接触层150、N-GaN级联层160、N-GaN接触层170、In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层180、P-GaN接触层190。
在本具体实施例中，所述In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层140掺杂锌、镉、硅、硒；所述In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层180，掺杂锌、镉、硅、硒。
在本具体实施例中，所述 N-GaN接触层130横截面的长度大于所述In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层140横截面的长度。
在本具体实施例中，所述钻石衬底110由钻石晶体掏棒制成，将钻石晶体按要求掏棒，将掏好的2英寸或者4英寸棒，经过固定、切片、退火、倒角、分档检测、研磨、清洗等过程，做成合格的2英寸或者4英寸钻石衬底，优选地，钻石衬底110的厚度为45～180um。
在本具体实施例中，所述GaBi过渡层120的厚度为9～90 nm；N-GaN接触层130的厚度为180～900 nm；In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层140的厚度为900～9000nm；P-GaN接触层150的厚度为72～540nm；N-GaN级联层160的厚度为90～900 nm；In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层180的厚度为900～9000nm。
进一步地，由于所述N-GaN接触层130横截面的长度大于In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层140横截面的长度，在N-GaN接触层130上方设有N电极层200，N电极层200依次蒸镀钛铝、钛金。
进一步地，所述P-GaN接触层190上设有P电极层300，P电极层300先镀铝再镀钛。
由于本发明的技术方案是在同一块钻石衬底上分别生长，且通过In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层140和In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层180来得到白光光源，这种白光光源是用锌（Zn）、镉（Cd）、硅（Si）、硒（Se）对InGaN进行同时掺杂。将锌（Zn）、镉（Cd）、硅（Si）、硒（Se）掺杂的InxGa1-xN-GaN多量子阱发光层也可以采用金属有机化学气相沉积（MOVPE）的方法进行生长。在500~560nm之间，可以得到宽带波长的施主-受主对。锌、镉、硅、硒会发生施主-受主对相关的宽带辐射，而InGaN多量子阱发光层发生带边辐射，二者结合就会产生白光光源。这种锌、镉、硅、硒掺杂的InxGa1-xN-GaN多量子阱发光层的场致发光光谱与荧光粉转换得到的白光光源。经过测量，白光光源的色温为5000K-7000K,显色指数90-95。如此一来，从根本上摆脱了荧光粉的束缚，其显色性好、稳定性好、发光质量好，提高了工作稳定性和使用寿命，同时，提高了光效，优化了工艺，可以使白光光源整个产业链的生产工艺简化，生产效率高，适于大批量生产。
具体说明，上述中的施主-受主对,指的是半导体内部杂质原子的核外电子最外层电子数多于4还是少于4。因为原子核最外层电子数目为4时最稳定。如果最外层电子数少于4个,那么它容易吸引一个自由电子进入最外层绕核旋转,形成饱和状态；相反最外层电子数目大于4个，则越容易失去电子。举个例子,半导体内部如果有杂质原子最外层电子数少于4，比如3个,那么它核内正电子容易吸引外界的一个电子进入最外电子层，形成饱和状态，这个杂质原子因为得到电子被叫做受主。电子从施主到受主的跃迁所发出的光。施主及受主的浓度要足够高才能形成对。施主-受主对(以下简称D-A对)的电子跃迁能量E(r)为：
式中Eg在带隙宽度，ED和 EA分别表示孤立的施主和受主（对于相应带边）的电离能。q2/εr是在介电常数为ε的介质中的库仑能，其中q 为电子电量，r表示施主和受主之间的距离。
请再参阅图2~4，本发明还提供了一种高显色白光光源的制作工艺，包括如下步骤：
S1、将钻石晶体按要求掏棒，将掏好的2英寸或者4英寸棒，经过固定、切片、退火、倒角、分档检测、研磨、清洗等过程，做成合格的2英寸或者4英寸钻石衬底，钻石衬底的厚度为45～180um。
S2、制作外延片，将钻石衬底送入外延炉，可先在608～618摄氏度下生长GaBi过渡层，再在1050～1070摄氏度下生长N-GaN接触层。
S3、以氮气为载体，在682～698摄氏度下生长In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层。
S4、在外延炉997～1007摄氏度下生长P-GaN接触层，在907～1007摄氏度下生长N-GaN级联层。
S5、以氮气为载体，在682～698摄氏度下生长In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层，在997～1007摄氏度下生长P-GaN接触层，外延片制作完成。
在本具体实施例中，所述GaBi过渡层的厚度为9～90 nm；N-GaN接触层的厚度为180～900 nm；In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm；P-GaN接触层的厚度为72～540nm；N-GaN级联层的厚度为90～900 nm；In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm。
S6、进行芯片加工，在P-GaN接触层上方设置P电极层，在N-GaN接触层接触层的上方设置N电极层。
进一步地，在S6中，所述芯片加工工艺包括如下步骤：
S61、将外延片清洗，镀透明电极层，进行透明电极图形光刻，再将其进行腐蚀和去胶；
S62、将去胶后的外延片进行平台图形光刻、干法刻蚀、去胶、退火、SiO2 沉积、窗口图形光刻、SiO2 腐蚀、去胶、N电极层进行图形光刻；
S63、最后进行预清洗、镀膜、剥离、退火、P电极层进行图形光刻、镀膜、剥离、研磨以及切割，制作成芯片，并对芯片进行成品测试，其中， P电极层先镀铝再镀钛, N电极层依次蒸镀钛铝钛金。
S7、芯片加工完成后，经固晶、烘烤、焊线，用自制胶水模压一次成型，最后分选、包装。
在本具体实施例中，所述自制胶水的质量比为环氧树脂：甲基六氢苯酐：AGE3四丁基溴化胺：蓝色染料色浆：抗氧剂：BYK-A530消泡剂：甘油：FIN脱模剂：蓝色染料色浆=9630:9584:135:35:149:6:149:6:1。
具体地，上述所说的环氧树脂为昆山南亚牌，环氧树脂型号为127，该环氧树脂粘度：8000～11000 mPas，优选地，环氧树脂为低分子量环氧树脂（液态）。该环氧树脂具有流动性及易脱气泡性，对黏度需求则是愈低较佳。
进一步地，所述模压一次成型包括如下步骤：
S71、往模具中加入上述质量比的材料，预热温度135±15℃，时间30±5分钟。
S72、闭模：加料完后即时将阳模和阴模相闭合。
S73、排气：模压热固性塑料时，常有水分和低分子物放出，为了排除这些低分子物、挥发物及模内空气等，在模腔内塑料反应进行至适当时间后，可卸压松模排气2±0.1分钟。
S74、固化：在模压温度下保持3±0.1分钟，使自制胶水的缩聚反应达到要求的交联程度，使制品具有所要求的物理机械性能为准。
S75、脱模，通常是靠顶出杆来完成的，带有成型杆或者某些嵌件的制品应先用专门工具将成型杆等拧脱，然后进行脱模。
S76、脱模后，用压缩空气吹洗模腔和模具的模面。
S77、为了进一步提高制品的质量，在较高温度下进行后处理。
封装时，通过用自制胶水模压一次成型，使白光光源结构的内应力低，且翘曲变形也很小，提高了光效，优化了工艺，机械性能较稳定，产品可靠性高，大幅度降低成本。
实施例一
将钻石晶体按要求掏棒，将掏好的2英寸或者4英寸棒，经过固定、切片、退火、倒角、分档检测、研磨、清洗等过程，做成合格的2英寸或者4英寸钻石衬底，钻石衬底的厚度为150um。
将钻石衬底放在托盘里送入K465i MOCVD外延炉，在610摄氏度下生长GaBi过渡层，在1050摄氏度下生长N-GaN接触层；接下来以氮气为载体，在680摄氏度下生长In0.19Ga0.81N/GaN（掺杂锌、镉、硅、硒）多量子阱发光层，之后在990摄氏度下生长P-GaN接触层，在950摄氏度下生长N-GaN级联层，在1050摄氏度下生长N-GaN接触层，在680摄氏度下生长In0.48Ga0.52N/GaN（掺杂锌、镉、硅、硒）多量子阱发光层，在990摄氏度下生长P-GaN接触层，外延片制作完成。
再进行芯片加工，将外延片清洗，镀透明电极层，进行透明电极图形光刻，再将其进行腐蚀和去胶；将去胶后的外延片进行平台图形光刻、干法刻蚀、去胶、退火、SiO2 沉积、窗口图形光刻、SiO2 腐蚀、去胶、N电极层进行图形光刻；最后进行预清洗、镀膜、剥离、退火、P电极层进行图形光刻、镀膜、剥离、研磨以及切割，制作成芯片，并对芯片进行成品测试，其中， P电极层先镀铝再镀钛, N电极层依次蒸镀钛铝钛金。
由此生产出的白光光源显色性好、稳定性好、发光质量好，提高了工作稳定性和使用寿命，省去了封装部分工序，可以使白光的晶体生长，整个产业链的生产工艺简化，生产效率大大提高，工业化大量生产易于实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“上部”、“中部”、“侧面”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的单元或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种高显色白光光源结构，其特征在于，从下到上依次包括：
白光外延结构，所述白光外延结构从下到上依次层叠设置有钻石衬底、GaBi过渡层、N-GaN接触层、In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层、P-GaN接触层、N-GaN级联层、N-GaN接触层、In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层、P-GaN接触层，所述N-GaN接触层上方设有N电极层；以及
P电极层。
2.如权利要求1所述的高显色白光光源结构及其工艺，其特征在于，所述In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层掺杂锌、镉、硅、硒；所述In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层，掺杂锌、镉、硅、硒。
3.如权利要求1所述的高显色白光光源结构及其工艺，其特征在于，所述 N-GaN接触层横截面的长度大于所述In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层横截面的长度。
4.如权利要求1所述的高显色白光光源结构及其工艺，其特征在于，所述钻石衬底由钻石晶体掏棒制成，所述钻石衬底的厚度为45～180um。
5.如权利要求1所述的高显色白光光源结构及其工艺，其特征在于，所述GaBi过渡层的厚度为9～90 nm；N-GaN接触层的厚度为180～900 nm；In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm；P-GaN接触层的厚度为72～540nm；N-GaN级联层的厚度为90～900 nm；In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm。
6.一种高显色白光光源的制作工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将钻石晶体按要求掏棒，掏好后，经过固定、切片、退火、倒角、分档检测、研磨、清洗等过程，做成钻石衬底；
S2、制作外延片，将钻石衬底送入外延炉，在1050～1070摄氏度下生长N-GaN接触层；
S3、以氮气为载体，在682～698摄氏度下生长In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层；
S4、在外延炉997～1007摄氏度下生长P-GaN接触层，在907～1007摄氏度下生长N-GaN级联层；
S5、以氮气为载体，在682～698摄氏度下生长In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层，在997～1007摄氏度下生长P-GaN接触层，外延片制作完成；
S6、进行芯片加工，在P-GaN接触层上方设置P电极层，在N-GaN接触层接触层的上方设置N电极层；
S7、芯片加工完成后，经固晶、烘烤、焊线，用自制胶水模压一次成型，最后分选、包装。
7.如权利要求6所述的高显色白光光源的制作工艺，其特征在于，在S2生长N-GaN接触层前，可先在608～618摄氏度下生长GaBi过渡层。
8.如权利要求7所述的高显色白光光源的制作工艺，其特征在于，所述钻石衬底的厚度为45～180um；所述GaBi过渡层的厚度为9～90 nm；N-GaN接触层的厚度为180～900 nm；In0.19Ga0.81N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm；P-GaN接触层的厚度为72～540nm；N-GaN级联层的厚度为90～900 nm；In0.48Ga0.52N/GaN多量子阱发光层的厚度为900～9000nm。
9.如权利要求6所述的高显色白光光源的制作工艺，其特征在于，在S6中，所述芯片加工工艺包括如下步骤：
S61、将所述外延片清洗，镀透明电极层，进行透明电极图形光刻，再将其进行腐蚀和去胶；
S62、将去胶后的所述外延片进行平台图形光刻、干法刻蚀、去胶、退火、SiO2 沉积、窗口图形光刻、SiO2 腐蚀、去胶、N电极层进行图形光刻；
S63、最后进行预清洗、镀膜、剥离、退火、P电极层进行图形光刻、镀膜、剥离、研磨以及切割，制作成芯片，并对芯片进行成品测试，其中，所述P电极层先镀铝再镀钛, 所述N电极层依次蒸镀钛铝钛金。
10.如权利要求6所述的高显色白光光源的制作工艺，其特征在于，在S7中，所述自制胶水的质量比为环氧树脂：甲基六氢苯酐：AGE3四丁基溴化胺：蓝色染料色浆：抗氧剂：BYK-A530消泡剂：甘油：FIN脱模剂：蓝色染料色浆=9630:9584:135:35:149:6:149:6:1。
11.如权利要求10所述的高显色白光光源的制作工艺，其特征在于，在S7中，所述模压一次成型包括如下步骤：
S71、往模具中加入上述质量比的材料，预热温度135±15℃，时间30±5分钟；
S72、闭模：加料完后即时将阳模和阴模相闭合；
S73、排气：在模腔内塑料反应进行至适当时间后，可卸压松模排气2±0.1分钟；
S74、固化：在模压温度下保持3±0.1分钟；
S75、脱模；
S76、脱模后，用压缩空气吹洗模腔和模具的模面；
S77、在较高温度下进行后处理。
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