CN111092094A

CN111092094A - Uv-led和显示器

Info

Publication number: CN111092094A
Application number: CN201910629082.9A
Authority: CN
Inventors: 村本宜彦
Original assignee: Nitride Semiconductors Co Ltd
Current assignee: Nitride Semiconductors Co Ltd
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2020-05-01
Also published as: TWI745715B; JP2020057749A; KR20200035336A; TW202013765A; KR102604432B1

Abstract

本发明公开了UV‑LED和显示器。公开了一种UV‑LED。该UV‑LED包括：蓝宝石基板、形成在蓝宝石基板上的u‑GaN缓冲层、形成在u‑GaN缓冲层上的n‑GaN接触层、形成在n‑GaN接触层上的InGaN发光层，以及形成在InGaN发光层上的p‑GaN层。该UV‑LED具有方形平面形状，其中至少一侧具有50μm或更小的芯片大小。

Description

UV-LED和显示器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月24日提交的日本专利申请号2018-199891的优先权，所述日本专利申请号2018-199891通过引用以其整体（包括说明书、权利要求书、附图和摘要）被并入本文中。

技术领域

本公开涉及UV-LED和显示器。

背景技术

随着在紫外区发光的UV-LED的输出和效率方面的改善，UV-LED被用作UV灯的替代品，并且UV-LED的应用正在扩展到各种各样的领域。替代品的示例包括：高分辨率光源，诸如显微镜和曝光机；化学激发光源，其被用于树脂和医用生物学的光固化；光谱激发光源，其被用于银行票据识别、DNA芯片和环境测量；以及用于诸如杀菌和消毒之类的卫生目的的光源。除了这些示例之外，UV-LED还被用作磷光体激发光源，诸如照明和显示器。

特别地，在作为显示器的应用中，微LED显示器作为有机EL之后的下一代显示器正在引起关注，所述有机EL具有寿命和温度升高方面的缺点。目前，主要开发了以下三种技术：3 LED方法，对其应用了三种类型的LED芯片，即红色、蓝色和绿色；蓝色LED方法，其中红色和绿色磷光体被蓝色LED激发；以及UV-LED方法，其中红色、绿色和蓝色磷光体被UV-LED激发。

WO 2011/027511公开了一种液晶显示设备，其包括紫外LED；选自三价铈或铽激活的稀土硼化物磷光体的绿色磷光体；选自二价铕激活的卤磷酸盐磷光体或二价铕激活的铝酸盐磷光体的蓝色磷光体；以及选自铕激活的氧硫化镧磷光体或铕激活的氧硫化钇磷光体的红色磷光体。

在上述三种技术当中，UV-LED方法的优点在于该方法几乎不影响发射颜色、由于高激发效率而提供高颜色再现性，并且便于颜色平衡和同步，这使得易于控制。然而，UV-LED方法在发光效率方面仍然不令人满意。

发明内容

本公开的目的是提供一种用于UV-LED的技术，其能够实现发光效率方面的进一步改善并且在电流密度增加时减小功率输出降低的速率。

根据本公开的UV-LED包括：缓冲层、形成在缓冲层上的接触层、形成在接触层上的发光层，以及其上形成有缓冲层的图案化的蓝宝石基板。UV-LED具有方形平面形状，其中至少一侧具有50μm或更小的芯片大小。在本公开的实施例中，发光层可以是InGaN发光层。

根据本公开的显示器包括：UV-LED；由来自UV-LED的光激发的红色磷光体；由来自UV-LED的光激发的绿色磷光体；以及由来自UV-LED的光激发的蓝色磷光体。

根据本公开，有可能进一步改善发光效率并且在电流密度增加时减小功率输出降低的速率。

附图说明

将参考以下附图描述本公开的（一个或多个）实施例，在附图中：

图1A是图示了根据实施例的显示器的原理的视图；

图1B图示了根据实施例的磷光体的发射光谱；

图2图示了根据实施例的385 nm UV-LED芯片的布置；

图3图示了根据实施例的400 nm UV-LED芯片的布置；

图4图示了根据实施例的正方形倒装芯片；

图5图示了根据实施例的矩形倒装芯片；

图6图示了根据实施例的385 nm芯片的发射光谱；

图7图示了根据实施例的400 nm芯片的发射光谱；

图8图示了根据实施例的385 nm芯片和400 nm芯片的发光强度；

图9图示了根据实施例的385 nm芯片的I-L特性；

图10图示了根据实施例的400 nm芯片的I-L特性；

图11图示了根据实施例的385 nm芯片的I-V特性；

图12图示了根据实施例的400 nm芯片的I-V特性；

图13图示了根据实施例的385 nm芯片和400 nm芯片的VF特性；

图14图示了根据实施例的385 nm芯片的每个芯片大小的光谱；

图15图示了根据实施例的400 nm芯片的每个芯片大小的光谱；

图16图示了根据实施例的每个芯片大小的实收率（yield）；

图17A和图17B均图示了根据实施例的PSS的布置；

图18图示了根据实施例的每个基板的发光强度；以及

图19图示了根据实施例的每个基板的发光强度以及没有SLS层的每个样品的发光强度。

具体实施方式

现在将参照附图描述本公开的（一个或多个）实施例。

图1A图示了根据这个实施例的UV-LED显示器的原理。在基底10上形成多个UV-LED芯片12，并且在UV-LED芯片12上堆叠红色磷光体14、绿色磷光体16和蓝色磷光体18。红色磷光体14例如是LOS:Eu；绿色磷光体16例如是BAM:Eu，Mn；以及蓝色磷光体18例如是BAM:Eu，但是本公开不限于此。在本文中，LOS表示La₂O₂S，并且BAM表示（Ba, Mg）Al₁₀O₁₇。

图1B图示了红色磷光体14、绿色磷光体16和蓝色磷光体18的发射光谱。在图1B中，（a）图示了蓝色磷光体18的发射光谱，（b）图示了绿色磷光体16的发射光谱，并且（c）图示了红色磷光体的发射光谱。注意，每条虚线表示激发光的光谱，并且每条实线表示发射光谱。

实际使用的UV-LED芯片12具有约250μm至2 mm的芯片大小。UV-LED芯片12被安装在CAN封装、表面安装器件（SMD）封装上，或被直接安装在基板上。额定电流约为约20 mA至1A，并且发光效率在365 nm处超过50％，但仍然不令人满意。

因此，发明人关注于UV-LED芯片12的波长和芯片大小。在该实施例中，UV-LED的波长和芯片大小被优化以实现UV-LED的发光效率方面的进一步改善，并且在电流密度增加时减小功率输出降低的速率。

图2和图3均图示了该实施例中的UV-LED芯片的布置。图2图示了具有385 nm的发射波长的UV-LED芯片1，并且图3图示了具有400 nm的发射波长的UV-LED芯片2。

在图2中，通过在蓝宝石基板20上堆叠u-GaN缓冲层22和（GaN;Si）n接触层24，并且通过在其上堆叠InGaN发光层来获得具有385 nm的发射波长的UV-LED芯片。具体地，

使用MOCVD装置按次序堆叠

（AlInGaN）/（InGaN;Si）n超晶格结构（SLS）层26，

（InGaN/AlGaN）多量子阱（MQW）发光层28，

p-AlGaN;Mg层30，

（AlGaN;Mg/GaN;Mg）p-SLS层32，以及

p-GaN（GaN;Mg）层34。在本文中，例如，（GaN;Si）表示Si掺杂的GaN。此外，通过远程等离子体沉积（RPD）来气相沉积ITO 36，通过电子束（EB）来气相沉积n衬垫层40和下面的阻挡金属（UBM）42，并且通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来气相沉积SiO₂层38。更具体地，u-GaN缓冲层22包括低温u-GaN层和高温u-GaN层，并且u-GaN缓冲层22也被称为底层或缓冲涂层（coat）。

同时，在图3中，通过在蓝宝石基板20上堆叠u-GaN缓冲层22和（GaN;Si）n接触层24来获得具有400 nm的发射波长的UV-LED芯片，并且在得到的层压件上使用MOCVD装置按次序堆叠

（InGaN/AlGaN）MQW发光层28，

p-AlGaN;Mg层30，以及

p-GaN（GaN;Mg）层34。通过远程等离子体沉积（RPD）来气相沉积ITO 36，通过电子束（EB）来气相沉积n衬垫层40和下面的阻挡金属（UBM）42，并且通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来气相沉积SiO₂层38。

385 nm和400 nm芯片在基本外延结构上相似，但是关于385 nm芯片中的（InGaN/AlGaN）MQW发光层28，根据带隙能量的关系，与400 nm芯片中的（InGaN/AlGaN）MQW发光层28的那些相比，Al含量更高并且In含量更小。此外，（InGaN/AlGaN）MQW发光层28的In成分在具有385 nm的发射波长的芯片中约为8％，并且在具有400 nm的发射波长的芯片中约为15％。为了增加n和p载流子，具有385 nm的发射波长的芯片被设有超晶格结构（SLS）层26和32。以下值是在具有385 nm或400 nm的发射波长的UV-LED芯片中的每个层的成分比和膜厚度。

<385 nm>

u-GaN层：3.2μm

（GaN;Si）n接触层：2.7μm

（Al_0.20In_0.01Ga_0.79N）/（In_0.01Ga_0.99N;Si）n超晶格结构（SLS）层：1.5 nm/1.5 nm×50对

（In_0.08Ga_0.92N/Al_0.20Ga_0.80N）多量子阱（MQW）发光层1.8 nm/15 nm×3对

p-Al_0.25Ga_0.75N层：20 nm

（Al_0.20Ga_0.80N;Mg）/（GaN;Mg层）p超晶格结构（SLS）层：0.8 nm/0.8 nm×30对

p-GaN层：25 nm

ITO层：100 nm

SiO₂层：500 nm

<400 nm>

u-GaN层：3.2μm

（GaN;Si）n接触层：2.7μm

（In_0.15Ga_0.85N/Al_0.10Ga_0.90N）多量子阱（MQW）发光层：2.0 nm/15 nm 3对

p-Al_0.20Ga_0.80N层：20 nm

p-GaN层25 nm

ITO层：100 nm

SiO₂层：500 nm

在该实施例中，考虑到芯片大小的影响，制造八个完全不同大小的倒装芯片以优化这样的外延结构中的芯片大小。在本文中，通过经历分离步骤来制造每个倒装芯片，在该分离步骤中形成MQW发光层28和p-GaN层34，然后蚀刻蓝宝石基板20。然后，每个倒装芯片经历MESA、n衬垫层40的形成、SiO₂钝化层38的形成以及下面的阻挡金属（UBM）42的形成。

图4和5是在平面视图中的倒装芯片的照片。图4图示了具有正方形平面形状的倒装芯片，并且图5图示了具有矩形平面形状的倒装芯片。关于具有正方形平面形状的倒装芯片，

<正方形>

24μm×24μm

48μm×48μm

72μm×72μm

144μm×144μm

288μm×288μm

制造这五种不同大小的倒装芯片。关于具有矩形平面形状的倒装芯片，

<矩形>

12μm×48μm

24μm×48μm

24μm×72μm

制造这三种不同大小的倒装芯片。

关于为385 nm和400 nm芯片中的每一个制造的八种不同大小的倒装芯片，利用探测器来测量发射光谱和强度，并且还测量电压相对于注入电流的移位（I-V特性）以及发光强度相对于注入电流的移位（I-L特性）。

图6图示了当IF（正向电流）：278μA被施加于385 nm芯片的24μm×24μm芯片或最小面积时的发射光谱。发射波长为384.72 nm，并且半值宽度为10.25 nm，这指示正常光谱波形。

图7图示了当IF（正向电流）：278μA被施加于400 nm芯片的24μm×24μm芯片或最小面积时的发射光谱。发射波长为400.7 nm，并且半值宽度为12.26 nm，这也指示正常光谱波形。

图8图示了以25.5（A/cm²）的额定电流密度测量的385 nm芯片和400 nm芯片的发光强度的结果。在该图中，芯片大小是沿水平轴获得的，并且发光强度（任意单位）是沿垂直轴获得的。

在所有芯片大小中，385 nm芯片中的发光强度和发光效率高于在400 nm芯片中的。另外，在具有385 nm或400 nm的波长的两种芯片中，发光强度趋于随着芯片大小的减小而增加。特别地，关于385 nm芯片，在24μm×72μm或更小的芯片大小的情况下，发光强度显著改善，而关于400 nm芯片，在48μm×48μm或更小的芯片大小的情况下，发光强度显著改善。如以上所描述的，相关技术中的芯片大小为约250μm至2 mm。因此，上述芯片大小显著小于相关技术中的芯片大小，这允许我们将它们称为微芯片大小。发光强度和发光效率在微大小芯片中显著改善的原因在于带有较小大小的芯片具有较短的扩散电流距离，并且引起发射复合的增加和内部量子效率的改善。

此外，带有较小大小的芯片具有较短的距离，通过该距离，由于发射复合而从发光层发射的光被带到外部，并且产生了提取效率方面的改善。

图9和10图示了当将电流施加于为385 nm和400 nm芯片中的每一个制造的八种不同大小的芯片时的I-L特性。图9图示了当电流密度从25.5（A/cm²）增加到357.1（A/cm²）时385 nm芯片的I-L特性。图10图示了当电流密度从25.5（A/cm²）增加到357.1（A/cm²）时400nm芯片的I-L特性。

尽管在这些I-L特性中发现了下垂现象，但是所有芯片都示出了良好的特性结果。在下垂现象中，发光效率在高电流密度处降低。此外，当比较385 nm芯片和400 nm芯片时，400 nm芯片中的I-L特性低于385 nm芯片中的I-L特性。这是因为发光层（InGaN）中的In成分在400 nm芯片中比385 nm芯片中的高，并且400 nm芯片在发光层的结晶度方面不如385nm芯片。当电流密度为低时，400 nm芯片由于In成分的不均匀性而提供高发光效率，但是当载流子浓度随着电流密度的增加而增加时，400 nm芯片容易受到发光层内部的晶体缺陷和没有发射复合的区的增加的影响。因此，具有较低In成分的芯片具有相对于电流密度的较低的功率输出降低的速率。

图9和10示出了具有正方形平面形状的芯片在I-L特性方面优于具有矩形形状的芯片。此外，所述图示出了在385 nm芯片中，I-L特性比在400 nm芯片中更线性地增加。

图11和12图示了当将电流施加于为385 nm和400 nm芯片中的每一个制造的八种不同大小的芯片时的I-V特性。图11图示了385 nm芯片的I-V特性，并且图12图示了400 nm芯片的I-V特性。在任一类型的芯片中都没有发现低电流区中的泄漏，并且每个芯片都展现出正常的I-V特性。在两种类型的芯片中，相对小的芯片（即，24μm×24μm和12μm×48μm）与相对大的芯片（即，288μm×288μm）进行比较。该比较示出了：相对较小的芯片的电压在相对小的电流处升高。另外，该比较示出了具有正方形平面形状的芯片在I-V特性方面优于具有矩形形状的芯片。

图13图示了为385 nm和400 nm芯片中的每一个制造的八种不同大小的芯片中的在25.5（A/cm²）处的VF（正向电压）。每个芯片的VF为3.4至3.5 V。

以这种方式，在具有385 nm的发射波长的UV-LED芯片和具有400 nm的发射波长的UV-LED芯片中，使芯片大小为小，具体地，将芯片形成为具有方形平面形状（其中至少一侧具有50μm或更小的芯片大小）显著地改善发光强度和发光效率。更具体地，在具有385 nm的发射波长的UV-LED芯片中，至少一侧优选地为30μm或更小，并且在具有400 nm的发射波长的UV-LED芯片中，至少一侧优选地为50μm或更小。

此外，在UV-LED中，In成分越低，相对于电流密度的功率输出降低的速率越低。因此，与具有400 nm的发射波长的芯片相比，具有385 nm的发射波长的芯片具有相对于电流密度的较低的功率输出降低的速率。该事实指示：带有较低In成分和比385 nm芯片更短的发射波长的UV-LED，例如，具有365 nm的发射波长的UV-LED，具有相对于电流密度的低得多的功率输出降低的速率，并且芯片大小方面的减小越大，发光强度和发光效率方面的改善越大。简而言之，带有较低In成分和较短发射波长的UV-LED具有作为显示器的优点。

图14图示了对于具有385 nm的发射波长的UV-LED的每个芯片大小的光谱。图15图示了对于具有400 nm的发射波长的UV-LED的每个芯片大小的光谱。即使在改变芯片大小的情况下，在任何具有385 nm或400 nm的发射波长的UV-LED中，没有发现波形中的差异，并且没有发现每个大约500 nm至500 nm的GaN层的深层次的发光强度方面的差异。这个结果示出了发射光谱取决于外延生长层的结晶度，并且几乎不依赖于芯片大小，并且即使当减小芯片大小时，具体地，即使当将芯片形成为具有方形平面形状（其中至少一侧具有50μm或更小的芯片大小）时，芯片也没有问题地正常发光。

图16图示了对于具有385 nm或400 nm的发射波长的UV-LED的每个芯片大小的实收率。制备五种不同大小——24μm×24μm、48μm×48μm、72μm×72μm、144μm×144μm和288μm×288μm——的芯片，作为具有正方形形状的芯片。在这些芯片当中，对具有良好电气特性和外观的产品的数量进行计数。图16图示了良好产品相对于所有芯片的比率。如图中所示出的，实收率随着芯片大小的减小而改善。针对这种结果的可能原因是表面上的灰尘以及非凡的外延生长最大约为50μm，但是它们中的大多数为50μm或更小，并且晶体缺陷比50μm小得多，这减少了被确定为相对于芯片总数有缺陷的较小大小的芯片的数量。从实收率的角度来看，采用具有方形平面形状（其中至少一侧具有50μm或更小的芯片大小）的UV-LED是合期望的。

在以上实施例中，平坦蓝宝石基板20被用作具有385 nm或400 nm的发射波长的UV-LED，但是也可以采用图案化的蓝宝石基板（PSS）而不是平坦蓝宝石基板20。

图17A和图17B均图示了PSS的布置。图17A是顶视图，并且图17B是侧视图。在每个视图中，锥形图案被形成在蓝宝石基板的表面上。每个图案具有高度a=2.0μm、直径b=3.75μm、间距c=4.0μm以及间隔d=0.25μm，但不必限于此。被施加于蓝宝石基板的图案减少在其上生长的GaN晶体的缺陷密度，并且改善了发光层的发光效率。此外，设计最佳图案形状能够实现从发光层向元件中发射的光到元件的外部的有效反射，这减少光的内部损失（光变成热的比率）。通过在平坦蓝宝石基板上形成光致抗蚀剂掩模并且实行ICP干法蚀刻来处理PSS。

图18图示了当平坦蓝宝石基板和PSS被用于具有385 nm或400 nm的发射波长的UV-LED时，每个芯片大小的发光强度。该图图示了当将额定电流密度25.5A/cm²施加到UV-LED时的发光强度，并且“平坦”表示平坦蓝宝石基板，而“PSS”表示图案化的蓝宝石基板。关注于具有385 nm的发射波长的UV-LED，带有较小大小的芯片具有较高的发光强度，并且发光强度在所有芯片大小中、在“PSS”中比“平坦”中增加。类似地，在具有400 nm的发射波长的UV-LED中，带有较小大小的芯片具有较高的发光强度，并且发光强度在所有芯片大小中、在“PSS”中比“平坦”中增加。因此，使用PSS并且将芯片大小设置成50μm或更小引起发光效率方面更显著的改善。

在该实施例中，举例说明具有385 nm或400 nm的发射波长的UV-LED。然而，可以通过改变发光层的成分比来改变发射波长，并且改变的发射波长适用于具有从约385 nm至400 nm的发射波长的UV-LED。尽管在该实施例中的每个UV-LED的最小芯片大小是24μm×24μm，但是取决于制造条件每个UV-LED可以具有大约10μm×10μm的芯片大小，并且这样的UV-LED同样提供改善的发光效率。

虽然用作显示器的微LED显示器作为下一代显示器正在引起关注，但是它们的发光效率不是足够的。特别地，尚未关于包括InGaN发光层的微LED的特性进行足够的研究；现在正在积极研究芯片大小与发光效率之间的关系。

应当特别注意的是，包括InGaN发光层的微LED的芯片大小与发光效率之间的关系是复杂的；为了实现较高分辨率显示器，芯片大小的简单减小将不足够。例如，Anis Daami等人的题为“Electro-optical size-dependence investigation in GaN micro-LEDdevice”的论文（790/SID 2018 DIGEST）描述如下：

·当大小降低时，最大外部量子效率以不可忽略的方式下降。

·当大小降低时，光学电流密度阈值朝向高电流电平移位。

·当大小逼近亚微米尺寸时，认识到μLED大小减小对外部量子效率的剧烈影响。

·下垂需要尽可能低以增强在高电流电平处的μLED光发射。

·当电流密度为10A/cm²时，例如，发光强度随着芯片大小从500μm、50μm降低到5μm而降低，

·μLED大小对亮度和效率的影响是要解决的重要规范，及要理解和优化的问题。

如该论文中所描述的，芯片大小的简单减小导致外部量子效率的降低和发光强度的降低。因此理解的是，用以实现较高的分辨率的芯片大小的简单减小降低发光强度并且使光学电流密度朝向高电流电平移位，这使得难以获得足够的亮度。发明人已经发现，不仅芯片大小的简单减小，而且SLS层的引入也可以调节发光强度的降低，并且还可以实现随着芯片大小的降低的发光强度的增加。虽然已知SLS层（其自身是已知的）增加了LED的外部量子效率，但是尚未认识到SLS层对芯片大小的影响。本实施例首先揭示了SLS层对芯片大小（特别是50μm或更小的芯片大小）的影响。

图19图示了芯片（包括没有SLS层的芯片）的发光强度与芯片大小之间的关系。

在图19中，“385 nm（平坦/无SLS）”是如下样品：具有385的发射波长，并且包括平坦的蓝宝石基板和设置在不是SLS的单层n型覆层（Al_0.1Ga_0.9N;Si 195 nm）与不是SLS的单层p型覆层（Al_0.1Ga_0.9N;Mg 22 nm）之间的InGaN发光层。其余的样品与图18中示出的那些相同。电流密度为25.5 A/cm²。

包括n型覆层和p型覆层但不具有SLS结构的样品倾向于示出随着芯片大小降低而降低或基本上恒定的发光强度。特别地，在比较不具有SLS层的芯片大小为72μm×72μm和48μm×48μm的样品与具有SLS层的那些样品时，在没有SLS层的前者样品中，发光强度随着大小的降低而下降。相比之下，具有SLS层的芯片大小为50μm或更小的芯片具有增加的发光强度，并且示出本领域技术人员无法预料的优异特性。

在SLS层的存在与不存在之间的50μm或更小的芯片大小中的剧烈差异的原因未必清楚。一种可能的解释如下：在不存在SLS层的情况下，载流子密度减小，并且带有较小大小的芯片具有较短的扩散电流的距离，并且因此更容易受到载流子密度的减小的影响，从而引起发射复合中的降低以使发光强度下降，而SLS层的存在可以有效地调节这些缺点。

在没有SLS层的情况下，随着芯片大小降低，发光强度下降；因此，不能获得具有足够发光效率的微LED器件。同时，形成其间插入有InGaN发光层的n型SLS层和p型SLS层并将芯片大小设定成50μm或更小增加发光效率。因此，本实施例的UV-LED芯片实现了本领域技术人员无法预料的显著优点。

Claims

1.一种UV-LED，其包括：

缓冲层；

形成在所述缓冲层上的接触层；

形成在所述接触层上的n型SLS层；

形成在所述n型SLS层上的InGaN发光层；以及

形成在发光层上的p型SLS层，

图案化的蓝宝石基板，在其上形成有所述缓冲层，

其中所述UV-LED具有方形平面形状，其中至少一侧具有50μm或更小的芯片大小。

2.根据权利要求1所述的UV-LED，

其中所述UV-LED具有385 nm至400 nm的发射波长。

3.一种显示器，其包括：

根据权利要求1或2所述的UV-LED，

由来自所述UV-LED的光激发的红色磷光体；

由来自所述UV-LED的光激发的绿色磷光体；以及

由来自所述UV-LED的光激发的蓝色磷光体。