CN111261764A - 一种蓝光/红光双色led芯片封装结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓝光/红光双色LED芯片封装结构及制备方法，其中封装结构包括：衬底；LED外延片，生成于所述衬底的表面；MoS2发光涂层，沉积于所述LED外延片表面或LED发光窗口上，所述MoS2发光涂层用于将蓝光转换成红光。本发明在LED外延片表面或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层，利用MoS2发光涂层将部分LED外延片发出的蓝光转换为红光，由于MoS2材料特定的禁带宽度以及良好的透光性，极大的降低了光子在吸收转换过程中的损失，使器件发光全部处于植物高效吸收范围内，节省能源。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种蓝光/红光双色LED芯片封装结构及制备方法。
背景技术
室内种植农业具有生长环境可控、无农药、土地利用效率高等等优点，是未来农业发展的重要趋势。然而由于室内农业本身的特性，植物难以得到大量的自然光照，这使得光照条件的控制成为制约室内农业向大规模产业化发展的重要因素，发展可以高效率实现电能-光能-生物能转化的光源是其中的重中之重。研究显示，波长为400～520nm(蓝光)以及610～720nm(红光)的光线对于光合作用贡献最大，对于其他波段的光则吸收较少。因此，结合二者的优势，设计一种基于半导体材料的红光/蓝光LED照明器件将大大降低室内种植农业的成本，提高农作物光合作用效率，有助于推动室内种植农业进一步推广。现有技术中的多色发光器件主要靠在半导体蓝光LED器件封装过程中涂覆荧光粉实现，然而荧光粉透光系数低，蓝光几乎完全被荧光粉吸收并再转化为荧光粉发光，在这个转化过程中会大大增加能量的损耗。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的半导体发光器件使用荧光粉，增大能量损耗的缺陷，从而提供一种蓝光/红光双色LED芯片封装结构及制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种蓝光/红光双色LED芯片封装结构，包括：衬底；LED外延片，生成于衬底的表面；MoS2发光涂层，沉积于LED外延片表面或LED发光窗口上，MoS2发光涂层用于将蓝光转换成红光。
在一实施例中，根据MoS2发光涂层的厚度，确定蓝光与红光的转换比例。
在一实施例中，LED外延片结构包括：缓冲层、n型掺杂层、有源层及p型掺杂层，依次形成于衬底表面。
在一实施例中，n型掺杂层为n型掺杂GaN层，用于提供电子载流子。
在一实施例中，有源层为量子阱结构层，量子阱结构为InGaN/GaN量子阱结构。
在一实施例中，p型掺杂层为p型掺杂GaN层，用于提供空穴载流子。
第二方面，本发明实施例提供一种蓝光/红光双色LED芯片的制备方法，包括如下步骤：在衬底上外延生长LED外延片；在LED外延片或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层，MoS2发光涂层用于将蓝光转换成红光。
在一实施例中，利用化学气相沉积法、涂覆法或旋涂法，在LED外延片或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的蓝光/红光双色LED芯片封装结构及制备方法，在LED外延片表面或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层，利用MoS2发光涂层将部分LED外延片发出的蓝光转换为红光，由于MoS2材料特定的禁带宽度以及良好的透光性，极大的降低了光子在吸收转换过程中的损失，使器件发光全部处于植物高效吸收范围内，节省能源。
2.本发明提供的蓝光/红光双色LED芯片封装结构及制备方法，通过调节MoS2发光涂层厚度，确定蓝光与红光的转换比例，可适用于不同植物的吸收强度特性；基于MoS2材料的发光涂层具有良好的透光性、可弯曲性和易制备性，提高了LED芯片的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的LED芯片封装结构的一个具体示例的示意图；
图2为本发明实施例提供的LED芯片封装结构的另一个具体示例的示意图；
图3为本发明实施例提供的MoS2发光涂层工作原理图；
图4为本发明实施例提供的LED外延片的一个具体示例的示意图；
图5为本发明实施例提供的LED芯片封装结构的另一个具体示例的示意图；
图6为本发明实施例提供的LED芯片制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种蓝光/红光双色LED芯片封装结构，应用于需要特定波长的光的场合，如图1所示，包括：
衬底1；LED外延片2，生成于衬底1的表面。
本发明实施例利用外延生长方法在衬底1的一侧表面形成LED外延片2，对LED外延片2施加正压后，发出蓝光。
MoS2发光涂层3，沉积于LED外延片2表面或LED发光窗口4上，MoS2发光涂层3用于将蓝光转换成红光。
本发明实施例使用MoS2发光涂层3，由于MoS2材料特定的禁带宽度以及良好的透光性，从而极大的降低了光子在吸收转换过程中的损失，使器件发光全部处于植物高效吸收范围内。图1及图2分别为MoS2发光涂层3沉积于LED外延片2表面或LED发光窗口4上。如图3所示，本发明实施例对LED外延片2施加正压，使空穴、电子注入到有源层23中；有源层23结构中的电子空穴发生辐射复合，发出蓝光，蓝光的光子传播至MoS2发光涂层3时，部分光子直接透过MoS2发光涂层3射出，部分光子被MoS2发光涂层3材料吸收并转化为红光。图3中，实心球代表电子，空心球代表空穴，实曲线代表蓝光的光子，虚曲线代表红光的光子，Ec为导带，Ev为价带。
本发明实施例提供的蓝光/红光双色LED芯片封装结构，在LED外延片表面或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层，利用MoS2发光涂层将部分LED外延片发出的蓝光转换为红光，由于MoS2材料特定的禁带宽度以及良好的透光性，极大的降低了光子在吸收转换过程中的损失，使器件发光全部处于植物高效吸收范围内，节省能源。
在一具体实施例中，根据MoS2发光涂层3的厚度，确定蓝光与红光的转换比例。
本发明实施例中的MoS2发光涂层3为MoS2材料，MoS2具有良好的透光性、可弯曲性和易制备性，可以根据实际应用来调节MoS2涂层厚度，决定其直接透射出的蓝光与红光转换比例，从而可以极大的降低光子在吸收转换过程中的损失，增大发光效率，节省能源。
在一具体实施例中，如图4所示，LED外延片2结构包括：缓冲层21、n型掺杂层22、有源层23及p型掺杂层24，依次形成于衬底1表面。
在一具体实施例中，缓冲层21为非掺杂GaN层，用于缓解LED外延片2与衬底1之间的热失配。本发明实施例选取合适衬底1，并在外延系统中外延生长非掺杂GaN层。
在一具体实施例中，n型掺杂层22为n型掺杂GaN层(n-GaN)，用于提供电子载流子。有源层23为量子阱结构层，量子阱结构为InGaN/GaN量子阱结构。p型掺杂层24为p型掺杂GaN层(p-GaN)，用于提供空穴载流子。
本发明实施例在非掺杂GaN层上外延生长n-GaN/(InGaN/GaN)量子阱/p-GaN结构，完成了蓝光LED外延片2结构。其中，n-GaN厚度需大于400nm，以方便刻蚀出n-GaN台面；由于厚度过薄会降低对载流子限制，过厚则难以有效地起到增大载流子态密度的目的，量子阱中的阱层InGaN材料厚度需大于5nm小于10nm；量子阱中GaN垒层厚度大于等于InGaN阱层厚度，且最厚不超过20nm；p-GaN层厚度应小于500nm，否则可能导致载流子不在量子阱区域内复合，影响发光波长以及发光效率。本发明实施例中Ga源可以采用三甲基镓(TMGa)，In源可以采用三甲基铟(TMIn)，N源可以为氨气(NH3)，n型掺杂源可以为硅烷(SiH4)，p型掺杂源可以为二茂镁(Cp2Mg)，GaN或InGaN材料的制备温度在400-1100℃之间。
为实现在半导体蓝光/红光的双色LED光源，本发明实施例利用InGaN/GaN半导体材料制备发光波段在400～520nm之间的蓝光LED外延片器件，并在LED外延片器件表面或者器件封装表面生长或涂覆一定厚度的MoS2材料。由于InGaN半导体材料的禁带宽度在0.7-3.4eV之间，其相应波段囊括了400～520nm，因此通过对LED外延片器件量子阱结构部分In组分调整，可以获得波长在400～520nm之间的蓝光；而MoS2材料的禁带宽度为1.8eV，其响应波段在680nm附近，正处于红光波长部分610～720nm之间。因此，利用InGaN/GaN量子阱结构为LED器件有源区，制备蓝光发光器件芯片；利用MoS2作为涂层，吸收部分蓝光并将其转化为红光发射，以此实现高效的半导体蓝光/红光的双色LED光源。
在一具体实施例中，如图5所示，本发明实施例可以利用刻蚀法，露出n型掺杂层材料台面，并分别在n-GaN以及p-GaN台面上制备欧姆接触电极5，用于对发光LED芯片施加电压。
本发明实施例提供的蓝光/红光双色LED芯片封装结构，在LED外延片表面或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层，利用MoS2发光涂层将部分LED外延片发出的蓝光转换为红光，由于MoS2材料特定的禁带宽度以及良好的透光性，极大的降低了光子在吸收转换过程中的损失，使器件发光全部处于植物高效吸收范围内，节省能源；同时，通过调节MoS2发光涂层厚度，确定蓝光与红光的转换比例，可适用于不同植物的吸收强度特性；基于MoS2材料的发光涂层具有良好的透光性、可弯曲性和易制备性，提高了LED芯片的实用性。
实施例2
本发明实施例提供一种蓝光/红光双色LED芯片制备方法，如图6所示，包括如下步骤：
步骤S1：在衬底1上外延生长LED外延片2。
步骤S2：在LED外延片2或LED发光窗口4上沉积MoS2发光涂层3，MoS2发光涂层3用于将蓝光转换成红光。
本发明实施例利用外延生长方法在衬底1表面的一侧依次形成LED外延片2的缓冲层21、n型掺杂层22、有源层23及p型掺杂层24。利用刻蚀法露出n型掺杂层22台面，并在n型掺杂层22及p型掺杂层24上制备p型掺杂层24，在p型掺杂层24处对LED外延片2施加正压后，发出蓝光。在LED外延片2或LED发光窗口4上沉积MoS2发光涂层3，该MoS2发光涂层3可以吸收部分蓝光，并将其转换为红光，MoS2发光涂层3可以为多种材料，从而制备可以发出多种颜色光的LED芯片。
在一具体实施例中，如图1所示，可利用化学气相沉积(CVD)方法在外延结构的表面沉积MoS2发光涂层3或通过涂覆法及旋涂法向外延结构表面旋涂转移MoS2发光涂层3。如图2所示，在外延生长LED外延片2后，不在外延结构上生长或转移MoS2发光涂层3，而是在最终器件封装时，在发光窗口处通过旋涂等方法转移MoS2发光涂层3。
本发明实施例提供的蓝光/红光双色LED芯片制备方法，在LED外延片表面或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层，利用MoS2发光涂层将部分LED外延片发出的蓝光转换为红光，由于MoS2材料特定的禁带宽度以及良好的透光性，极大的降低了光子在吸收转换过程中的损失，使器件发光全部处于植物高效吸收范围内，节省能源；同时，通过调节MoS2发光涂层厚度，确定蓝光与红光的转换比例，可适用于不同植物的吸收强度特性；基于MoS2材料的发光涂层具有良好的透光性、可弯曲性和易制备性，提高了LED芯片的实用性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种蓝光/红光双色LED芯片封装结构，其特征在于，包括：
衬底；
LED外延片，生成于所述衬底的表面；
MoS2发光涂层，沉积于所述LED外延片表面或LED发光窗口上，所述MoS2发光涂层用于将蓝光转换成红光。
2.根据权利要求1所述的蓝光/红光双色LED芯片封装结构，其特征在于，根据MoS2发光涂层的厚度，确定蓝光与红光的转换比例。
3.根据权利要求1所述的蓝光/红光双色LED芯片封装结构，其特征在于，所述LED外延片包括：缓冲层、n型掺杂层、有源层及p型掺杂层，依次形成于衬底表面。
4.根据权利要求3所述的蓝光/红光双色LED芯片封装结构，其特征在于，所述缓冲层为非掺杂GaN层，用于缓解所述LED外延片与所述衬底之间的热失配。
5.根据权利要求3所述的蓝光/红光双色LED芯片封装结构，其特征在于，所述n型掺杂层为n型掺杂GaN层，用于提供电子载流子。
6.根据权利要求3所述的蓝光/红光双色LED芯片封装结构，其特征在于，所述有源层为量子阱结构层，所述量子阱结构为InGaN/GaN量子阱结构。
7.根据权利要求3所述的蓝光/红光双色LED芯片封装结构，其特征在于，所述p型掺杂层为p型掺杂GaN层，用于提供空穴载流子。
8.一种蓝光/红光双色LED芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上外延生长LED外延片；
在所述LED外延片或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层，所述MoS2发光涂层用于将蓝光转换成红光。
9.根据权利要求8所述的蓝光/红光双色LED芯片的制备方法，其特征在于，利用化学气相沉积法、涂覆法或旋涂法，在所述LED外延片或LED发光窗口上沉积MoS2发光涂层。
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