CN113644169B - 一种红光led芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红光LED芯片及其制造方法，在芯片的氧化铝衬底上生长氮化镓外延片，衬底具备绝缘性；发光部分为GaN，其工作电压与蓝绿光的工作电压一致，便于红光LED与蓝绿光LED组合使用时进行电路设计；按照预设角度对外延缓冲层和外延片进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层，在衬底侧壁制备黑化层，能够减少侧面漏光比例，并且通过氮化镓聚焦层能够使蓝光聚焦，从而减少蓝光发射到侧壁黑化层的比例，提高出光效率；将红光转换物质涂覆在黑化层外以及衬底远离外延片的一端，能够将蓝光转换为红光，从而得到红光LED芯片，提高了红光LED的整体性能，且便于红光LED与蓝绿光LED组合使用。
Description
技术领域
本发明涉及LED制造技术领域，特别涉及一种红光LED芯片及其制造方法。
背景技术
目前红光LED的制造方法一般使用GaAs(砷化镓)衬底和AlInGaP(铝铟镓磷)四元结构的外延，而蓝绿光采用蓝宝石(氧化铝)衬底，GaN(氮化镓)为主体的化合物结构。
传统的红光制造技术存在启动电压低、反向截止电压低、衬底无绝缘性无法直接制作倒装芯片、材料本身机械性能不足、制造过程高污染以及使用原材料(砷烷)的高风险性等缺陷；并且现有的红光LED芯片与蓝绿光LED芯片在结构和使用的材料上差异较大，导致了红光LED芯片在一般使用时，尤其是在与蓝绿光LED组合使用时存在诸多不便，从而影响最终器件的整体性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种红光LED芯片及其制造方法，能够提高红光LED的整体性能，且便于红光LED与蓝绿光LED组合使用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种红光LED芯片制造方法，包括步骤：
在芯片的氧化铝衬底上生长氮化镓外延片；
按照预设角度对所述外延片以及位于所述衬底与所述外延片之间的外延缓冲层进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层；
分割所述芯片，并在所述衬底的侧壁制备黑化层；
将红光转换物质涂覆在所述黑化层外以及所述衬底远离所述外延片的一端，形成转换层，得到红光LED芯片。
为了解决上述技术问题，本发明采用另一种的技术方案为：
一种红光LED芯片，包括氧化铝衬底、氮化镓聚焦层、黑化层和转换层：
所述氮化镓聚焦层位于所述氧化铝衬底的一端，包括具有预设角度斜面的外延片和外延缓冲层，所述外延缓冲层位于所述外延片与所述衬底之间；
所述黑化层位于所述衬底的侧壁；
所述转换层位于所述黑化层外以及所述衬底远离所述氮化镓聚焦层的一端。
本发明的有益效果在于：在芯片的氧化铝衬底上生长氮化镓外延片，衬底具备绝缘性；发光部分为GaN，其工作电压与GaN蓝绿光的工作电压一致，便于红光LED与蓝绿光LED组合使用时进行电路设计；按照预设角度对外延缓冲层和外延片进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层，在衬底的侧壁制备黑化层，能够减少侧面蓝光漏光的比例，并且通过氮化镓聚焦层能够使蓝光聚焦，防止蓝光源向两侧散射，从而减少发射到侧壁黑化层的比例，提高出光效率；将红光转换物质涂覆在黑化层外以及衬底远离外延片的一端，能够将蓝光转换为红光，从而得到红光LED芯片，提高了红光LED的整体性能，且便于红光LED与蓝绿光LED组合使用。
附图说明
图1为本发明实施例的一种红光LED芯片制造方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种红光LED芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种红光LED芯片制造方法的氮化镓聚焦层示意图；
标号说明：
1、电极包覆防漏光层；2、反射膜聚焦层；3、氮化镓聚焦层；4、黑化层；5、隔离层；6、转换层；7、保护层；8、外延缓冲层；9、外延层；10、氧化铝衬底；11、第一角度斜面；12第二角度斜面。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1和图3，本发明实施例提供了一种红光LED芯片制造方法，包括步骤：
在芯片的氧化铝衬底上生长氮化镓外延片；
按照预设角度对所述外延片以及位于所述衬底与所述外延片之间的外延缓冲层进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层；
分割所述芯片，并在所述衬底的侧壁制备黑化层；
将红光转换物质涂覆在所述黑化层外以及所述衬底远离所述外延片的一端，形成转换层，得到红光LED芯片。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在芯片的氧化铝衬底上生长氮化镓外延片，衬底具备绝缘性；发光部分为GaN，其工作电压与GaN蓝绿光的工作电压一致，便于红光LED与蓝绿光LED组合使用时进行电路设计；按照预设角度对外延缓冲层和外延片进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层，在衬底的侧壁制备黑化层，能够减少侧面蓝光漏光的比例，并且通过氮化镓聚焦层能够使蓝光聚焦，防止蓝光源向两侧散射，从而减少发射到侧壁黑化层的比例，提高出光效率；将红光转换物质涂覆在黑化层外以及衬底远离外延片的一端，能够将蓝光转换为红光，从而得到红光LED芯片，提高了红光LED的整体性能，且便于红光LED与蓝绿光LED组合使用。
进一步地，所述按照预设角度对所述外延片以及位于所述衬底与所述外延片之间的外延缓冲层进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层，得到氮化镓聚焦层包括：
在所述外延缓冲层上刻蚀水平夹角为第一角度的斜面，在所述外延片上刻蚀水平夹角为第二角度的斜面，所述第一角度小于所述第二角度；
刻蚀后形成两个不同角度且连续的斜面，得到氮化镓聚焦层。
由上述描述可知，在外延缓冲层上刻蚀水平夹角为第一角度的斜面，在外延片上刻蚀水平夹角为第二角度的斜面，形成了不同角度坡面的连续组合，可以减少此部分的全反射；同时，两个不同角度坡面的组合形成了类似圆形聚光碗的效应，相比单一坡面，更有利于光的聚集。
进一步地，所述得到氮化镓聚焦层之后包括：
根据所述氮化镓聚焦层的形状，在所述氮化镓聚焦层远离所述衬底的一端进行涂胶、曝光、显影和蒸镀，得到反射聚焦层；
在所述反射聚焦层远离所述氮化镓聚焦层的一端，按照预设材料顺序进行蒸镀，得到电极包覆防漏光层，并将所述电极包覆防漏光层作为与基板焊接时的接触电极；
在所述衬底远离所述氮化镓聚焦层的一端的边缘进行光刻，得到隔离层。
由上述描述可知，反射聚焦层与氮化镓聚焦面结合，能够防止蓝光源向两侧散射；电极包覆层能够防止反射聚焦层漏光，同时具备与基板的焊接结合能力；隔离层能够防止蓝光从边缘散逸，只留中心部分可出光。
进一步地，分割所述芯片，并在所述衬底的侧壁制备黑化层包括：
使用激光将激光焦点由所述衬底靠近所述隔离层的一端向所述衬底靠近所述外延片的一端分割芯片，并在激光分割时在所述衬底的侧壁形成黑化层。
由上述描述可知，在使用激光分割芯片的时候，在衬底的侧壁形成黑化层，能够利用激光黑化减少侧面蓝光漏光，避免光色偏差。
进一步地，所述将红光转换物质涂覆在所述黑化层外以及所述衬底远离所述外延片的一端，形成转换层包括：
在硅胶基体中加入红色荧光粉，得到量子点形式的红光转换物质；
将所述红光转换物质涂覆在所述黑化层外以及所述衬底远离所述外延片的一端，形成转换层，并在所述转换层表面沉积保护层。
由上述描述可知，在衬底以上方及黑化层侧方位全包覆的形式涂覆红光转换物质，能够将蓝光转换为红光，避免蓝光漏光；并且转换层表面沉积保护层，能够将转换层全方位包裹住，减少转换层的衰减和老化。
请参照图2，本发明另一实施例提供了一种红光LED芯片，包括氧化铝衬底、氮化镓聚焦层、黑化层和转换层：
所述氮化镓聚焦层位于所述氧化铝衬底的一端，包括具有预设角度斜面的外延片和外延缓冲层，所述外延缓冲层位于所述外延片与所述衬底之间；
所述黑化层位于所述衬底的侧壁；
所述转换层位于所述黑化层外以及所述衬底远离所述氮化镓聚焦层的一端。
由上述描述可知，在芯片的氧化铝衬底上生长氮化镓外延片，衬底具备绝缘性；发光部分为GaN，其工作电压与GaN蓝绿光的工作电压一致，便于红光LED与蓝绿光LED组合使用时进行电路设计；通过具有预设角度斜面的外延缓冲层和外延片，得到氮化镓聚焦层，在衬底的侧壁具有黑化层，能够减少侧面蓝光漏光的比例，并且通过氮化镓聚焦层能够使蓝光聚焦，防止蓝光源向两侧散射，从而减少发射到侧壁黑化层的比例，提高出光效率；转换层位于在黑化层外以及衬底远离外延片的一端，能够将蓝光转换为红光，从而得到红光LED芯片，提高了红光LED的整体性能，且便于红光LED与蓝绿光LED组合使用。
进一步地，所述外延片具有第一角度斜面，所述外延缓冲层具有第二角度斜面，所述第一角度小于所述第二角度；
所述外延片和外延缓冲层组成两个不同角度且连续的斜面。
由上述描述可知，由于第一角度小于第二角度，且形成了不同角度坡面的连续组合，可以减少此部分的全反射；同时，两个不同角度坡面的组合形成了类似圆形聚光碗的效应，相比单一坡面，更有利于光的聚集。
进一步地，还包括反射聚焦层、电极包覆防漏光层和隔离层：
所述反射聚焦层位于所述氮化镓聚焦层远离所述衬底的一端；
所述电极包覆防漏光层位于所述反射聚焦层远离所述氮化镓聚焦层的一端；
所述隔离层位于所述衬底远离所述氮化镓聚焦层的一端的边缘。
由上述描述可知，反射聚焦层与氮化镓聚焦面结合，能够防止蓝光源向两侧散射；电极包覆层能够防止反射聚焦层漏光，同时具备与基板的焊接结合能力；隔离层能够防止蓝光从边缘散逸，只留中心部分可出光。
进一步地，所述转换层包括量子点形式的红光转换物质，所述红光转换物质包含硅胶基体和红色荧光粉。
由上述描述可知，转换层内的量子点能够吸收氮化镓发出的光后，受激发出红光，从而保证光色转换的准确性。
进一步地，还包括保护层，所述保护层位于所述转换层远离所述衬底的一端。
由上述描述可知，转换层表面沉积保护层，能够将转换层全方位包裹住，减少转换层的衰减和老化。
实施例一
请参照图1和图3，一种红光LED芯片制造方法，包括步骤：
S1、在芯片的氧化铝衬底10上生长氮化镓外延片9。
其中，氮化镓为发光主体。
S2、按照预设角度对所述外延片9以及位于所述衬底10与所述外延片9之间的外延缓冲层8进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层3(厚度为1～5um)。
具体的，在所述外延缓冲层上刻蚀水平夹角为第一角度的斜面11，在所述外延片上刻蚀水平夹角为第二角度的斜面12，所述第一角度小于所述第二角度；
刻蚀后形成两个不同角度且连续的斜面，得到氮化镓聚焦层。
S3、根据所述氮化镓聚焦层3的形状，在所述氮化镓聚焦层远离所述衬底的一端进行涂胶、曝光、显影和蒸镀，得到反射聚焦层2(厚度为1～10um)。
S4、在所述反射聚焦层2远离所述氮化镓聚焦层3的一端，按照预设材料顺序进行蒸镀，得到电极包覆防漏光层1(厚度为1～10um)，并将所述电极包覆防漏光层1作为与基板焊接时的接触电极。
S5、在所述衬底10远离所述氮化镓聚焦层3的一端的边缘进行光刻，得到隔离层5(厚度为2～7um)。
S6、分割所述芯片，并在所述衬底10的侧壁制备黑化层4(厚度为1～10um)。
具体的，使用激光将激光焦点由所述衬底靠近所述隔离层的一端向所述衬底靠近所述外延片的一端分割芯片，并在激光分割时在所述衬底的侧壁形成黑化层。
S7、将红光转换物质涂覆在所述黑化层4外表面以及所述衬底10远离所述外延片9的一端，形成转换层6(厚度为2～10000um)，得到红光LED芯片。
具体的，在硅胶基体中加入红色荧光粉，得到量子点形式的红光转换物质；
将所述红光转换物质涂覆在所述黑化层外表面以及所述衬底远离所述外延片的一端，形成转换层，并在所述转换层表面沉积保护层7(厚度为0.05～3um)。
因此本实施例中，以GaN蓝光芯片为光源，经过多层光学结构和保护结构即电极层包覆防漏光层、反射膜聚焦层、GaN聚焦层、黑化层、隔离层、转换层和保护层，将光完全引导到红光转换物质内，通过红光转换物质，将蓝光转换为红光。此集成结构具备与蓝光LED芯片一致的物理结构和电学特性，方便与蓝绿光LED混合使用。
实施例二
请参照图1至图3，本实施例提供了一种红光LED芯片的具体制造方法：
1.1、使用氧化铝衬底生长氮化镓基外延片作为基底，在此基础上制作电流扩展层和电流注入层。
2.1、使用ICP等离子刻蚀机制作氮化镓聚焦层，分两次光刻雕刻出具备一定角度的聚焦层。第一次在外延缓冲层上刻蚀水平夹角为30°～40°的斜面，第二次在包含N层、量子阱层和P层的外延片上刻蚀水平夹角为40°～50°的斜面，共同组成具备碗杯聚焦效果的形状。
3.1、沿着步骤2.1的碗杯形状表面制备反射聚焦层，先涂胶、曝光、显影，再依次蒸镀银、镍、钛钨、镍、钛钨金属，去除剩余光刻胶后，留下与步骤2.1设计的角度一致的高反射率膜层，即为反射聚焦层。
4.1、制备图2中的电极包覆防漏光层，此层同时作为焊接时与基板接触的电极，电极的材料按照铬(0.1～1nm)、铝(100～500nm)、钛(10～300nm)、铝(100～500nm)、钛(10～300nm)、铝(100～500nm)、铬(10～200nm)、钛(10～300nm)、镍(10～900nm)、金(10～500nm)顺序蒸镀。
5.1、在氧化铝衬底面进行减薄及抛光，保留厚度为150um，抛光后表面粗糙度Ra＝0.3um。
6.1、通过背对位按照图2的隔离层的位置使用光刻胶进行光刻，图中有隔离层部分显影后无光刻胶，蒸镀银、镍、钛钨、镍、钛钨金属，去除剩余光刻胶后，保留下来的金属结构即为光学隔离层。
7.1、使用波长为355nm的激光将激光焦点由氧化铝层表面逐渐向下加工，分割芯片后在芯片侧壁上形成黑化层，黑化层可以减少光从芯片侧面发出，从侧面发出的光会导致出光面发光减少，也可能导致光色偏差。
8.1、使用硅胶为基体加入化合物K2SiF6:Mn4+作为量子点形式的光色转换物质，按照图2的形状涂覆在芯片蓝宝石侧壁的黑化层外和蓝宝石的上方，形成转换层；转换层内的量子点吸收GaN发出的445～460nm光后受激发出红光。
9.1、使用ALD沉积SiO2在转换层表面，作为保护层。
实施例三
请参照图1至图3，本实施例提供了另一种红光LED芯片的具体制造方法：
1.2、使用氧化铝衬底生长氮化镓基外延片作为基底，在此基础上制作电流扩展层和电流注入层。
2.2、使用ICP等离子刻蚀机制作GaN聚焦层，分两次光刻雕刻出具备一定角度的聚焦层。第一次在外延缓冲层上刻蚀水平夹角为35°的斜面，第二次在外延P、量子阱、N层刻蚀水平夹角为45°的斜面，共同组成具备碗杯聚焦效果的形状。
3.2、沿着步骤2.2的碗杯形状表面制备反射聚焦层，蒸镀SiO2和氧化钛交替组成的分布式布拉格反射镜，此反射镜对GaN发出的蓝光反射率可以达到99％以上，将向下发射的光线完全反射向出光面，同时此形状产生的聚焦作用也需要高反射率物质减少反射时候的光损耗。按照氮化镓聚焦层的形状，先涂胶、曝光、显影，使用ICP刻蚀去除图形中不需要的部分，留下与步骤二设计的角度一致的高反射率膜层，即为反射聚焦层。
4.2、制备图2中的电极包覆防漏光层，此层同时作为焊接时与基板接触的电极，电极的材料按照铬(0.1～1nm)、铝(100～500nm)、钛(10～300nm)、铝(100～500nm)、钛(10～300nm)、铝(100～500nm)、铬(10～200nm)、钛(10～300nm)、镍(10～900nm)、金(10～500nm)顺序蒸镀。
5.2、在氧化铝衬底面进行减薄及抛光，保留厚度为120um，抛光后表面粗糙度Ra＝0.5um。
6.2、蒸镀SiO2和氧化钛交替组成的分布式布拉格反射镜，通过背对位按照图2的隔离层形状使用光刻胶进行光刻，图中有隔离层部分显影后有光刻胶，使用ICP刻蚀去除图形中不需要的部分，保留下来的反射层物质即为光学隔离层。
7.2、使用波长为1064nm的激光将激光焦点由氧化铝层表面逐渐向下加工，分割芯片后在芯片侧壁上形成黑化层。
8.2、使用硅胶为基体加入CaAlSiN3:Eu2+荧光物质作为光色转换物质，按照图2形状涂覆在芯片蓝宝石侧壁的黑化层外和蓝宝石的上方，形成转换层；转换层内的荧光物质可以是正装散布也可以是形成量子点散布，吸收GaN发出的445～460nm光后受激发出红光。
9.2、使用ALD沉积Al2O3在转换层表面，作为保护层。
实施例四
请参照图2和图3，一种红光LED芯片，包括氧化铝衬底、氮化镓聚焦层、黑化层、转换层、反射聚焦层、电极包覆防漏光层、隔离层和保护层；
氮化镓聚焦层位于氧化铝衬底的一端，包括具有第一角度斜面的外延片和具有第二角度斜面的外延缓冲层，外延缓冲层位于所述外延片与所述衬底之间；
黑化层位于衬底的侧壁；
转换层位于黑化层外以及衬底远离氮化镓聚焦层的一端；
反射聚焦层位于氮化镓聚焦层远离衬底的一端；
电极包覆防漏光层位于反射聚焦层远离氮化镓聚焦层的一端；
隔离层位于衬底远离氮化镓聚焦层的一端的边缘；
保护层位于所述转换层远离所述衬底的一端。
在本实施例中，第一角度小于第二角度，具有第一角度斜面的外延片和具有第二角度斜面的外延缓冲层，组成两个不同角度且连续的斜面。
其中，转换层包括量子点形式的红光转换物质，红光转换物质包含硅胶基体和红色荧光粉，在其他等同实施例，也可以包括其他能够实现红光转换的物质。
综上所述，本发明提供的一种红光LED芯片及其制造方法，在芯片的氧化铝衬底上生长氮化镓外延片，其中使用蓝宝石衬底，衬底本身具备绝缘性，方便固精焊接。发光部分为GaN，其工作电压与蓝绿光的工作电压一致，便于红光LED与蓝绿光LED组合使用时进行电路设计；按照第一角度对外延缓冲层进行刻蚀，按照第二角度对外延片进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层，在衬底侧壁制备黑化层，可以将量子阱发射出的光线聚集到出光面，减少发射到侧壁黑化层的比例。隔离层为不透光物质，可将GaN发射出的蓝光约束在正面，减少侧面散逸漏蓝光。转换层为光色转换工作层，将正面蓝光通过量子点转换为红光，在隔离层的协助下，起转换的红光更为彻底，漏蓝光更少。保护层可以有效隔绝空气及水汽，防止量子点氧化衰减，可以长时间维持光转化效率。因此本发明的红光LED芯片及其制造方法，提高了红光LED的整体性能，且便于红光LED与蓝绿光LED组合使用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种红光LED芯片制造方法，其特征在于，包括步骤：
在芯片的氧化铝衬底上生长氮化镓外延片；
按照预设角度对所述外延片以及位于所述衬底与所述外延片之间的外延缓冲层进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层；
分割所述芯片，并在所述衬底的侧壁制备黑化层；
将红光转换物质涂覆在所述黑化层外以及所述衬底远离所述外延片的一端，形成转换层，得到红光LED芯片；
所述按照预设角度对所述外延片以及位于所述衬底与所述外延片之间的外延缓冲层进行刻蚀，得到氮化镓聚焦层包括：
在所述外延缓冲层上刻蚀水平夹角为第一角度的斜面，在所述外延片上刻蚀水平夹角为第二角度的斜面，所述第一角度小于所述第二角度；
刻蚀后形成两个不同角度且连续的斜面，得到氮化镓聚焦层。
2.根据权利要求1所述的一种红光LED芯片制造方法，其特征在于，所述得到氮化镓聚焦层之后包括：
根据所述氮化镓聚焦层的形状，在所述氮化镓聚焦层远离所述衬底的一端进行涂胶、曝光、显影和蒸镀，得到反射聚焦层；
在所述反射聚焦层远离所述氮化镓聚焦层的一端，按照预设材料顺序进行蒸镀，得到电极包覆防漏光层，并将所述电极包覆防漏光层作为与基板焊接时的接触电极；
在所述衬底远离所述氮化镓聚焦层的一端的边缘进行光刻，得到隔离层。
3.根据权利要求2所述的一种红光LED芯片制造方法，其特征在于，分割所述芯片，并在所述衬底的侧壁制备黑化层包括：
使用激光将激光焦点由所述衬底靠近所述隔离层的一端向所述衬底靠近所述外延片的一端分割芯片，并在激光分割时在所述衬底的侧壁形成黑化层。
4.根据权利要求1所述的一种红光LED芯片制造方法，其特征在于，所述将红光转换物质涂覆在所述黑化层外以及所述衬底远离所述外延片的一端，形成转换层包括：
在硅胶基体中加入红色荧光粉，得到量子点形式的红光转换物质；
将所述红光转换物质涂覆在所述黑化层外表面以及所述衬底远离所述外延片的一端，形成转换层，并在所述转换层表面沉积保护层。
5.一种红光LED芯片，其特征在于，包括氧化铝衬底、氮化镓聚焦层、黑化层和转换层：
所述氮化镓聚焦层位于所述氧化铝衬底的一端，包括具有预设角度斜面的外延片和外延缓冲层，所述外延缓冲层位于所述外延片与所述衬底之间；
所述黑化层位于所述衬底的侧壁；
所述转换层位于所述黑化层外以及所述衬底远离所述氮化镓聚焦层的一端；
所述外延片具有第一角度斜面，所述外延缓冲层具有第二角度斜面，所述第一角度小于所述第二角度；
所述外延片和外延缓冲层组成两个不同角度且连续的斜面。
6.根据权利要求5所述的一种红光LED芯片，其特征在于，还包括反射聚焦层、电极包覆防漏光层和隔离层：
所述反射聚焦层位于所述氮化镓聚焦层远离所述衬底的一端；
所述电极包覆防漏光层位于所述反射聚焦层远离所述氮化镓聚焦层的一端；
所述隔离层位于所述衬底远离所述氮化镓聚焦层的一端的边缘。
7.根据权利要求5所述的一种红光LED芯片，其特征在于，所述转换层包括量子点形式的红光转换物质，所述红光转换物质包含硅胶基体和红色荧光粉。
8.根据权利要求5所述的一种红光LED芯片，其特征在于，还包括保护层，所述保护层位于所述转换层远离所述衬底的一端。
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