CN109888082A - 一种白光发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种白光发光二极管芯片及其制备方法。包括倒装蓝光LED芯片，对所述倒装蓝光LED芯片的衬底减薄处理，在减薄处理后的衬底上刻蚀凹槽，在所述凹槽内加入红光量子点材料和绿光量子点材料，或者在所述凹槽内加入黄光量子点材料；采用透明封装材料进行封装，形成用于将量子点材料密封在所述凹槽内的透明封装层。量子点材料通过透明封装层密封，与外界空气、水蒸气隔绝，寿命得以延长，器件工作更加可靠。

Description

一种白光发光二极管芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种白光发光二极管芯片及其制备方法。

背景技术

半导体发光二极管具有可调范围广泛的波长范围、发光效率高、节能环保、可使用超过10万小时的长寿命、尺寸小、可设计性强等因素，已逐渐取代白炽灯和荧光灯，成为普通家庭照明的光源。并且半导体发光二极管具有广泛应用新的场景，如户内高分辨率显示屏、户外显屏、手机电视背光照明、路灯、车灯、手电筒等应用领域。

现有技术中，通常白光发光二极管采用氮化物半导体蓝光二极管激光激发荧光粉获得白光。但是，荧光粉大多为有毒物质，有些具有一定放射性危害，甚至可以致癌；并且激发荧光粉获得白光的发光二极管存在光色不纯、色域窄以及发光效率低等诸多问题。目前，一般红绿蓝RGB的白光采用GaAs红光芯片结合氮化物半导体的蓝光与绿光芯片形成RGB的白光，但该方法的成本较高，光色不纯、RGB的亮度不易控制匹配。

引入量子点材料具有发光效率高、发光色纯度高、透光率好等优点。目前现有技术中公开了一些技术方案利用量子点的发光特性，取代荧光粉，制作出白光发光二极管；如专利201810371709.0《一种白光发光二极管外延片及其制备方法》，通过在有源区上方生长本征的第一MoS2和掺氧的第二MoS2层，有源区发出蓝光、第一MoS2层受蓝光激发发出红光，第二MoS2层受激发发出绿光，共同发出白光的效果。但是该技术需要直接在外延片上生长出量子点发光层，技术难度较大，外延片成品率不高，p型注入受影响较大，而且大面积生长，色度控制难以保障。专利201810379202.X《一种半导体白光发光二极管》和专利201810379124.3《一种氮化物半导体白光发光二极管》，同样也是在有源区上方将不同激发颜色的量子点封入V-pits，同样利用蓝光激发量子点发出红和绿，两种颜色，共同混色成白色。但是，这两项技术均是在有源层上方进行刻蚀槽注入，会影响外延片质量。并且以上三个专利公开的发光二极管均采用正装结构，热量主要发生在P区，其散热性能有所制约，芯片功率不高。

专利201621300460.7《一种量子点白光LED器件》是在衬底位置刻蚀出整个凹槽，并设多个纹路，在凹槽内制作量子点发光层，并用透明介质封装；采用倒装结构，在外延衬底上制作凹槽用于装填量子点层。但是该技术方案中，量子点发光层属于大面积集中制作，会出现发光不均匀，发光色度不易控制等缺点。

专利CN201310699961《基于量子点的白光LED器件及其制作方法》在衬底位置设置图形窗口或凹槽，图形窗口采用正方形或长方形将红、绿、蓝、黄四种量子点材料周期性集成在LED衬底上，但该专利中没有设置透明封装层，未指出量子点在衬底上固定方式，若只依靠量子点自身粘附力，在器件工作时量子点受热挥发容易粘附在塑封管壳表面，导致器件工作效果变差，寿命减短。专利也未指明LED器件发光波长，不同波长对量子点激发效果不同，并且最后为量子点发光与透过量子点层的LED器件自身的发光混色，该专利忽略了LED透射光产生的效果。

鉴于以上的困难与不足，有必要提出一种在芯片上直接形成红绿蓝光混合的量子点白光发光二极管。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种白光发光二极管芯片及其制备方法，能够直接在传统的LED工艺上进行增加工序，工艺简单；且本发明所提供的白光二极管发光更均匀，色度更容易调节，芯片采用倒装的形式，散热性好，LED的可靠性和使用寿命得到大幅提高。并且，本发明将量子点材料集成到普通蓝光LED上，实现晶圆级封装，更加节约成本，寿命和工作可靠性更佳。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种白光发光二极管芯片，括倒装蓝光LED芯片，对所述倒装蓝光LED芯片的衬底减薄处理，在减薄处理后的衬底上刻蚀凹槽，在所述凹槽内加入红光量子点材料和绿光量子点材料，或者在所述凹槽内加入黄光量子点材料；采用透明封装材料进行封装，形成用于将量子点材料密封在所述凹槽内的透明封装层。

进一步地，所述倒装蓝光LED芯片的衬底采用蓝宝石、氮化硅或硅制备；减薄处理后的衬底的厚度为50-200微米，减薄处理后的衬底的厚度大于凹槽深度的3倍；在衬底上刻蚀凹糟之前，对衬底进行减薄处理，能够增加光线从衬底透射率。

进一步地，所述凹槽在减薄处理后的衬底上的分布具有一定排列规律；所述凹槽的刻蚀深度为2-15微米，能够通过控制所述凹槽的刻蚀深度调节色度。

进一步地，凹槽为三角锥型或圆形；在本发明中，凹槽形状并不限制于三角锥型或圆形，也可以采用其他形状，凹槽形状对效果有一定影响，各种形状变化均在本专利保护范围之内。

进一步地，在凹槽内加入的量子点材料尺寸小于10纳米；加入凹槽内的量子点材料为Ⅱ-Ⅵ族和/或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的半导体化合物中的一种或几种；

所述Ⅱ-Ⅵ族元素元素组成的半导体化合物包括CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgSe、HgTe、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、HgZnTe、CdZnSeS、CdZnSeTe、CdZnSTe、CdHgSeS、CdHgSeTe、CdHgSTe、HgZnSeS、HgZnSeTe、HgZnSTe；

所述Ⅲ-Ⅴ族元素组成的半导体化合物包括GaN、GaP、GaAs、AlN、AlP、AlAs、InN、InP、InAs、GaNP、GaNAs、GaPAs、AlNP、AlNAs、AlPAs、InNP、InNAs、InPAs、GaAlNP、GaAlNAs、GaAlPAs、GaInNP、GaInNAs、GaInPAs、InAlNP、InAlNAs、InAlPAs。

进一步地，所述透明封装材料采用硅胶，通过旋涂工艺形成透明封装层，所述透明封装层的厚度为10um以内。采用透明封装层将量子点固定在衬底凹槽内，量子点不宜挥发，并且与外界空气隔绝，寿命较长，器件可靠性较高。

一种白光发光二极管芯片的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)对倒装蓝光LED芯片外延片进行衬底减薄处理，减薄处理后的衬底的厚度为50-200微米，在减薄处理后的衬底上刻蚀凹槽，凹槽的刻蚀深度为2-15微米；

2)将量子点材料涂覆到凹槽内；

3)用透明封装材料，均匀旋涂在外延片表面，将整个外延片底部包裹，然后固化；

4)切割各发光单位，按正常倒装结构封装。

进一步地，步骤2)具体为：采用利用丝网印刷工艺或直接用刮板，将量子点材料涂覆到凹槽内；加入凹槽内的量子点材料由红色量子点材料和绿色量子点材料事先按照一定比例混合制得；或者将红色量子点材料和绿色量子点材料两种材料分别注入不同凹槽内。

进一步地，当加入凹槽内的量子点材料由红色量子点材料和绿色量子点材料事先按照一定比例混合制得时，绿光量子点与红光量子点的质量比约为(1.5～1.2):1；

当将红色量子点材料和绿色量子点材料两种材料分别注入不同凹槽内，绿光量子点与红光量子点质量比约为(1.2～0.9):1。

进一步地，步骤2)具体为：采用利用丝网印刷工艺或直接用刮板，将黄光量子点材料涂覆到凹槽内。

对比现有技术，本发明的有益技术效果：

(1)本发明提供的白光发光二极管芯片中，量子点材料封装属于晶圆级封装，与现有技术中管壳注入荧光粉的白光LED相比，该封装更加节约制备成本；

(2)本发明提供的白光发光二极管芯片中，量子点用透明封装材料密封，从而避免了水汽、氧气等对量子点材料的侵蚀，并且量子点材料不会蒸发，提高了二极管芯片的使用寿命和可靠性；

(3)本发明提供的白光发光二极管芯片中，量子点凹槽均匀的分布在发光单元的衬底位置，量子点材料在器件凹槽内，增加了蓝光激发的面积，使得绿色和红色量子点材料受激发更加充分，并且发光区域更加均匀。并通过透明封装材料，发光比RGB型白光LED更加均匀；RGB型采用三种颜色芯片同时发光，各种颜色发光强度不一，而且各色光发光面积较大，混色会出现不均匀的情况。

(4)本发明提供的白光发光二极管芯片中，量子点可分别均匀设置在凹槽内，可以通过刻蚀工艺调节凹槽的大小及深度，进而控制量子点填入量，作为控制白光色度的调节手段；

(5)本发明提供的白光发光二极管芯片制备方法，能够直接集成于传统的蓝光LED外延片制作中，工艺成熟，简单易行；

(6)本发明提供的白光发光二极管芯片采用倒装形式芯片，光线从衬底发出，倒装形式芯片散热效果更好，芯片寿命、可靠性更好。

(7)本发明提供的白光发光二极管芯片中，采用倒装蓝光LED芯片的发光波长445～470nm，采用该波段的蓝色LED器件能够充分激发红、绿色量子点材料，并混色形成质量较好的白光。

附图说明

图1为本发明实施例中一种白光发光二极管芯片结构示意图；

图2为本发明实施例中一种白光发光二极管芯片制备方法流程图；

附图标记：

10.倒装蓝光LED芯片；20.凹槽；30.量子点材料；40.透明封装层；101.p电极；102.p-GaN区；103.量子阱有源区；104.n-GaN区；105.缓冲层；106.衬底；107.N型电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

一种白光发光二极管芯片，包括倒装蓝光LED芯片，对所述倒装蓝光LED芯片的衬底减薄处理，在减薄处理后的衬底上刻蚀凹槽，在所述凹槽内加入红光量子点材料和绿光量子点材料，或者在所述凹槽内加入黄光量子点材料；采用透明封装材料进行封装，形成用于将量子点材料密封在所述凹槽内的透明封装层。

在本实施例中，倒装蓝光LED芯片为现有技术中常规蓝光LED芯片；所述倒装蓝光LED芯片的衬底材料一般为蓝宝石、碳化硅或硅材料，一般包括p电极101、p-GaN区102，量子阱有源区103，n-GaN区104，缓冲层105，衬底106，N型电极107。倒装芯片不局限于上述结构，部分蓝光的倒装芯片可以有其他功能层，如电子阻挡层等。并且，在其他实施例中甚至可以采用VCSEL等半导体激光器件，即针对底部出光的VCSEL，在衬底底部设置量子点及透明封装层，VCSEL发出蓝色激光，激发量子点产生强烈的白光，达到激光照明的效果。目前蓝色VCSEL尚处于研发阶段，产品化较少。

在本实施例中，所述衬底采用蓝宝石、氮化硅或硅制备；减薄处理后的衬底的厚度为50-200微米；在衬底上刻蚀凹糟之前，对衬底进行减薄处理，能够增加光线从衬底透射率，保证厚度大于3倍的凹槽深度。

在本实施例中，所述凹槽在减薄处理后的衬底上的分布具有一定排列规律；所述凹槽的刻蚀深度为2-15微米；通过控制所述凹槽的刻蚀深度调节色度。原因为：刻蚀越深，凹槽能够承载的量子点材料越多，量子点材料受激发射光亮度越大，因此能够通过控制凹槽刻蚀深度来调节色度。

在本实施例中，所述的凹槽的刻蚀是采用各种图形衬底工艺制备，如利用干法或湿法刻蚀出来，也可以利用激光全息光刻工艺、胶体球掩模板法或其他刻蚀工艺制得，工艺方法的选择与所采用的衬底材料有关，譬如蓝宝石衬底可以采用湿法刻蚀工艺制备。

优选地，凹槽为三角锥型或圆形，但是并不限于三角锥型或圆形，也可以有其他形状变化，形状对效果有一定影响，各种形状变化均在本专利保护范围之内。

在本实施例中，在凹槽内加入的量子点材料尺寸小于10纳米；加入凹槽内的量子点材料为Ⅱ-Ⅵ族和/或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的半导体化合物中的一种或几种；

Ⅱ-Ⅵ族元素元素组成的半导体化合物包括CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgSe、HgTe、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、HgZnTe、CdZnSeS、CdZnSeTe、CdZnSTe、CdHgSeS、CdHgSeTe、CdHgSTe、HgZnSeS、HgZnSeTe、HgZnSTe；

Ⅲ-Ⅴ族元素组成的半导体化合物包括GaN、GaP、GaAs、AlN、AlP、AlAs、InN、InP、InAs、GaNP、GaNAs、GaPAs、AlNP、AlNAs、AlPAs、InNP、InNAs、InPAs、GaAlNP、GaAlNAs、GaAlPAs、GaInNP、GaInNAs、GaInPAs、InAlNP、InAlNAs、InAlPAs。

在本实施例中，所述透明封装材料采用硅胶，通过旋涂工艺形成透明封装层，所述透明封装层的厚度为10um以内；

在本实施例中，将硅胶采用旋涂工艺形成透明封装层，将量子点材料进一步密封，封装后需进行固化处理，使得量子点材料与空气隔绝，避免空气中水汽氧气对量子点材料工作和使用寿命的影响，器件工作更加可靠；并且通过控制透明封装层的厚度，使封装层在保证一定强度下不宜过厚，以保证出光率不受太大影响。

本发明还提供一种白光发光二极管芯片的制备方法实施例，如图2所示，所述方法包括以下步骤：

1)倒装蓝光LED芯片外延片完成衬底减薄处理后，在衬底上采用刻蚀凹槽，凹槽所述凹槽的刻蚀深度为2-15微米；在其他实施例中，如果衬底厚度合适，可以在外延工序前进行凹槽制作。

2)将量子点材料涂覆到凹槽内；

3)用透明封装材料，均匀旋涂在外延片表面，将整个外延片底部包裹，然后固化；

4)切割各发光单位，按正常倒装结构封装。

在本实施例中，步骤2)具体为：采用利用丝网印刷工艺或直接用刮板，将量子点材料涂覆到凹槽内；加入凹槽内的量子点材料由红色量子点材料和绿色量子点材料事先按照一定比例混合制得；或者将红色量子点材料和绿色量子点材料两种材料分别注入不同凹槽内。因此，量子点材料可以先混合后填充，也可以分别填充，保证每个发光单元均匀布置两种材料即可。红色量子点材料和绿色量子点材料混合比例，与量子点材料量子产率和红绿量子点材料相互影响有关系，一般考虑到红色量子点材料对绿光的吸收：当加入凹槽内的量子点材料由红色量子点材料和绿色量子点材料事先按照一定比例混合制得时，绿光量子点与红光量子点的质量比约为(1.5～1.2):1；当将红色量子点材料和绿色量子点材料两种材料分别注入不同凹槽内，绿光量子点与红光量子点质量比约为(1.2～0.9):1。

具体地，采用利用丝网印刷工艺时，可以通过制作不同的网版，将不同的量子点分次印刷到不同的凹槽中，将量子点材料混合后可通过丝网印刷或直接用刮板将材料置于衬底下方凹槽内；量子点材料一般需要溶于有机溶剂中得到混合浆料，混合浆料再采用印刷等工艺填充，量子点形成浆料后，可以利用自身黏附力与衬底相结合，也可掺入部分粘合剂保证两者可靠结合；印刷后一般需要在80～120℃下固化3～5分钟。其中，加入到凹槽中的量子点材料可以是红光量子点材料和绿光量子点材料两种，倒装蓝光LED芯片透色发出的蓝光以及量子点材料产生的红光和绿光，三种颜色混色形成白光；加入到凹槽中的量子点材料可以是黄光量子点材料一种，倒装蓝光LED芯片透色发出的蓝光以及量子点材料产生的黄光混色形成暖白光；加入到凹槽中的量子点材料还可以是红光量子点材料、绿光量子点材料、黄光量子点材料、橙光量子点材料混合后的量子点材料，倒装蓝光LED芯片透色发出的蓝光以及量子点材料产生的红光、绿光、黄光、橙光多种颜色光混色形成白光。

本发明提供的白光发光二极管芯片的制备方法可以直接使用在相对成熟的LED制造工艺技术上，工艺简单易型，制备效率较高。

Claims (10)

1.一种白光发光二极管芯片，其特征在于，包括倒装蓝光LED芯片，对所述倒装蓝光LED芯片的衬底减薄处理，在减薄处理后的衬底上刻蚀凹槽，在所述凹槽内加入红光量子点材料和绿光量子点材料，或者在所述凹槽内加入黄光量子点材料；采用透明封装材料进行封装，形成用于将量子点材料密封在所述凹槽内的透明封装层。

2.根据权利要求1所述一种白光发光二极管芯片，其特征在于，所述倒装蓝光LED芯片的衬底采用蓝宝石、氮化硅或硅制备；减薄处理后的衬底的厚度为50-200微米，减薄处理后的衬底的厚度大于所述凹槽深度的3倍。

3.根据权利要求1所述一种白光发光二极管芯片，其特征在于，所述凹槽在减薄处理后的衬底上的分布具有一定排列规律；所述凹槽的刻蚀深度为2-15微米，能够通过控制所述凹槽的刻蚀深度调节色度。

4.根据权利要求1或3所述一种白光发光二极管芯片，其特征在于，凹槽为三角锥型或圆形。

5.根据权利要求1所述一种白光发光二极管芯片，其特征在于，在凹槽内加入的量子点材料尺寸小于10纳米；加入凹槽内的量子点材料为Ⅱ-Ⅵ族和/或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的半导体化合物中的一种或几种；

所述Ⅱ-Ⅵ族元素元素组成的半导体化合物包括CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgSe、HgTe、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、HgZnTe、CdZnSeS、CdZnSeTe、CdZnSTe、CdHgSeS、CdHgSeTe、CdHgSTe、HgZnSeS、HgZnSeTe、HgZnSTe；

所述Ⅲ-Ⅴ族元素组成的半导体化合物包括GaN、GaP、GaAs、AlN、AlP、AlAs、InN、InP、InAs、GaNP、GaNAs、GaPAs、AlNP、AlNAs、AlPAs、InNP、InNAs、InPAs、GaAlNP、GaAlNAs、GaAlPAs、GaInNP、GaInNAs、GaInPAs、InAlNP、InAlNAs、InAlPAs。

6.根据权利要求1所述一种白光发光二极管芯片，其特征在于，所述透明封装材料采用硅胶，通过旋涂工艺形成透明封装层，所述透明封装层的厚度为10um以内。

7.一种白光发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)对倒装蓝光LED芯片外延片进行衬底减薄处理，减薄处理后的衬底的厚度为50-200微米，在减薄处理后的衬底上刻蚀凹槽，凹槽的刻蚀深度为2-15微米；

2)将量子点材料涂覆到凹槽内；

3)用透明封装材料，均匀旋涂在外延片表面，将整个外延片底部包裹，然后固化；

4)切割各发光单位，按正常倒装结构封装。

8.根据权利要求7所述一种白光发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤2)具体为：采用利用丝网印刷工艺或直接用刮板，将量子点材料涂覆到凹槽内；加入凹槽内的量子点材料由红色量子点材料和绿色量子点材料事先按照一定比例混合制得；或者将红色量子点材料和绿色量子点材料两种材料分别注入不同凹槽内。

9.根据权利要求8所述一种白光发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，当加入凹槽内的量子点材料由红色量子点材料和绿色量子点材料事先按照一定比例混合制得时，绿光量子点与红光量子点的质量比约为(1.5～1.2):1；

当将红色量子点材料和绿色量子点材料两种材料分别注入不同凹槽内，绿光量子点与红光量子点质量比约为(1.2～0.9):1。

10.根据权利要求7所述一种白光发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，步骤2)具体为：采用利用丝网印刷工艺或直接用刮板，将黄光量子点材料涂覆到凹槽内。