CN114361315A - 一种无机材料封装的白光led芯片、器件及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无机材料封装的白光LED芯片、器件及其制作方法和应用。所述白光LED芯片包括：LED芯片晶元和无机材料封装层；所述白光LED芯片还进一步包括单晶衬底；所述LED芯片晶元至少包括一个倒装LED芯片；所述无机材料封装层封装所述LED芯片晶元，所述无机材料封装层包括荧光透明陶瓷片或荧光晶体片。本发明的倒装LED器件，提高了出光效率、光色一致性和散热性，避免了繁琐的布线设置，降低了生产成本，适用于制造高光效大功率LED灯具。

Description

一种无机材料封装的白光LED芯片、器件及其制备方法与应用
本申请要求申请人于2020年10月13日向中国国家知识产权局提交的专利申请号为202011092334.8，发明名称为“一种无机材料封装的白光LED芯片、器件及其制备方法与应用”的在先申请的优先权。所述在先申请的全文通过引用的方式结合于本申请中。
技术领域
本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种无机材料封装的白光LED芯片、器件及其制备方法与应用。
背景技术
LED作为第四代光源，与传统光源相比具有光效高、节能环保、寿命长等优异性能，其被广泛应用于户外照明、场馆照明、室内照明等领域。传统LED光源是将Y3Al5O12:Ce(YAG:Ce)荧光粉封装在环氧树脂或硅胶等有机物中，这些有机封装材料散热性差，LED芯片在工作过程中产生的热量不易散发，导致光源温度上升，长时间工作会造成有机封装材料老化分解，出现光衰、色偏移及工作寿命降低等问题。YAG:Ce荧光透明陶瓷具有更高的热导率和热稳定性，用作LED封装材料有效解决了有机封装材料因散热性差引起的光衰、色偏移、寿命降低等问题。
作为LED产业链中承上启下的LED封装在整个产业链中起着关键作用。对于封装而言，关键在于如何在有限的成本范围内尽可能多地提取芯片发出的光，同时降低封装热阻，提高可靠性。LED封装过程中，封装材料和封装方式占主要影响因素。随着LED产品往高光效、高功率密度、高可靠性等高性能方向发展，对封装提出越来越高的要求。一方面LED产品封装在兼顾发光角度、光色均匀性等方面时必须满足具有足够高的取光效率和光通量；另一方面，封装必须满足芯片的散热要求。因此，芯片、荧光材料、基板等不同材料以及相应的封装方式需要不断发展创新，以提高LED产品的散热能力和出光效率。
随着LED技术的迅速发展，LED产品的封装形式也从单芯片封装方式发展到多芯片封装方式，封装结构从Lamp封装到SMD封装再到COB封装等技术。其中COB(Chip on Board)封装结构是将多个LED芯片直接贴在镜面金属基板上，无支架，无电镀、无回流焊等工序，但要用导线连接各个芯片，难保证多次荧光粉点胶完全一致。COB的优点在于结构紧凑、工艺较简单等，但存在断线的可能性、光色一致性差等不足。
申请号为201510900839.5的专利文献公开了一种晶元级封装的倒装LED，包括LED芯片晶元/阵列、导电基板和荧光粉透明基板，采用化学方法剥离LED芯片的生长衬底，荧光粉透明基板与上述LED芯片出光面结合，提高了其出光效率，避免了繁琐的布线等设计，降低了封装成本。但其需要剥离衬底，同时荧光粉透明基板采用SiO2基玻璃和有机透明材料，仍用硅胶等有机物结合其与芯片出光面，造成工艺复杂，结合界面耐热性差。
申请号为201410299430.8的专利文献公开了一种GaN基LED外延结构及其制造方法，在含光致发光荧光材料的衬底上外延生长GaN基LED外延结构，衬底为Re3Al5O12陶瓷或单晶或热键合，可实现直接白光发射，简化白光LED光源的制备工序。其采用陶瓷衬底生长LED外延结构，因为Re3Al5O12陶瓷为多晶结构，陶瓷衬底生长的LED芯片缺陷多，无法实际使用；Re3Al5O12多晶衬底与GaN材料失配度大，没有实际应用的报道；Al2O3单晶与Re3Al5O12陶瓷片通过热键合，因为热膨胀系数不同，热键合过程的升温降温会造成热键合失败，不具实际可操作性。
申请号为201810843269.4的专利文献公开了一种倒装LED芯片，使用衬底为分布有荧光颗粒的荧光陶瓷衬底，在衬底第一表面生长N型外延层等LED外延结构，并形成倒装LED芯片，避免了使用荧光胶，提高了芯片耐热性和LED器件可靠性。但也存在因为陶瓷衬底生长的芯片缺陷多，无法实际使用的难题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种无机材料封装的白光LED芯片、器件及其制备方法和应用。
本发明提供一种白光LED芯片，包括：LED芯片晶元和无机材料封装层；所述白光LED芯片还还进一步包括单晶衬底；
所述LED芯片晶元至少包括一个倒装或垂直结构LED芯片；
所述无机材料封装层封装所述LED芯片晶元，所述无机材料封装层包括荧光透明陶瓷片或荧光晶体片。
根据本发明的实施方案，所述单晶衬底为蓝宝石(氧化铝)衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。
根据本发明的实施方案，所述无机材料封装层包括荧光透明陶瓷层和结合层，或者包括荧光晶体层和结合层。所述荧光透明陶瓷层的材质包括但不限于YAG基等荧光透明陶瓷，所述荧光晶体层的材质包括但不限于YAG基等荧光晶体(例如为荧光单晶、荧光多晶或荧光准晶)，所述结合层包括但不限于金属单质层、胶合层、烧结界面层、陶瓷结合层以及缓冲层中的至少一种。
优选地，所述荧光透明陶瓷层或荧光晶体层为无机材料封装层的出光面。
优选地，上述白光LED芯片中，所述陶瓷结合层与单晶衬底的单晶材料相同或不同，优选相同。例如，所述陶瓷结合层的材质选自氧化铝、碳化硅或氮化镓，优选为氧化铝。
优选地，所述YAG基荧光透明陶瓷包括但不限于YAG:Ce、YAG:Ce,Mn、LuAG:Ce等钇铝石榴石型荧光透明陶瓷。
优选地，所述YAG基荧光晶体包括但不限于YAG:Ce、LuAG:Ce等钇铝石榴石型荧光晶体。
根据本发明的实施方案，所述无机材料封装层由荧光透明陶瓷层和结合层构成，或者由荧光晶体层和结合层构成。优选地，所述荧光透明陶瓷层的非出光面和结合层结合。优选地，所述荧光晶体层的非出光面和结合层结合。
例如，所述结合层为金属单质层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置金属单质层，通过金属键合使荧光透明陶瓷层和LED芯片晶元结合。例如，所述结合层为金属单质层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置金属单质层，通过金属键合使荧光晶体层和LED芯片晶元结合。其中，所述金属单质包括但不限于Au、Ag、In、Sn、Pb等中的至少一种。例如，所述金属单质层的厚度不超过0.1毫米，例如不超过0.08毫米、又例如不超过0.05毫米。
例如，所述结合层为胶合层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置胶合层，通过胶合使荧光透明陶瓷层和LED芯片晶元结合。例如，所述结合层为胶合层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置胶合层，通过胶合使荧光晶体层和LED芯片晶元结合。其中，所述胶层中的胶可以为环氧树脂或硅胶。需要说明的是，胶的用量很少，所述胶合层的厚度不超过10微米，例如不超过8微米，又例如不超过5微米。
例如，所述结合层为烧结界面层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置烧结界面层，通过加热，形成烧结界面层使荧光透明陶瓷层和LED芯片晶元之间实现热键合。其中，所述烧结界面层为荧光透明陶瓷层与LED芯片晶元之间在一定温度下烧结而成，主要成分为无机化合物，所述无机化合物例如含Al、Y、Si、Ga、O、N等元素，元素间存在包括但不限于Al-O、Y-O、Si-O、Ga-O、Ga-N、Al-N等共价键中的至少一种。例如，所述烧结界面层的厚度不超过10微米，例如不超过8微米，又例如不超过5微米。
例如，所述结合层为烧结界面层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置烧结界面层，通过加热，形成烧结界面层使荧光晶体层和LED芯片晶元之间实现热键合。其中，所述烧结界面层为荧光晶体层与LED芯片晶元之间在一定温度下烧结而成，主要成分为无机化合物，所述无机化合物例如含Al、Y、Si、Ga、O、N等元素中的至少一种，元素间存在包括但不限于Al-O、Y-O、Si-O、Ga-O、Ga-N、Al-N等共价键中的至少一种。例如，所述烧结界面层的厚度不超过10微米，例如不超过8微米，又例如不超过5微米。
例如，所述结合层包括陶瓷结合层和烧结界面层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置陶瓷结合层和烧结界面层，所述陶瓷结合层和LED芯片晶元中的单晶衬底中的单晶材料相同；通过加热，使荧光透明陶瓷层、陶瓷结合层和LED芯片晶元的单晶衬底生成共价键实现结合。例如，所述陶瓷结合层的厚度为0.2-2.0毫米，例如为0.4-1.6毫米，又如为0.6-1.2毫米。
例如，所述结合层包括陶瓷结合层和烧结界面层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置陶瓷结合层和烧结界面层，所述陶瓷结合层和LED芯片晶元中的单晶衬底中的单晶材料相同；通过加热，使荧光晶体层、陶瓷结合层和LED芯片晶元的单晶衬底生成共价键实现结合。例如，所述陶瓷结合层的厚度为0.2-2.0毫米，例如为0.4-1.6毫米，又如为0.6-1.2毫米。
例如，所述结合层为缓冲层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置缓冲层(例如通过化学气相沉积CVD等方式在非出光面上生长缓冲层)，在缓冲层上再进一步生长LED外延结构，制作倒装或垂直结构的含多个LED芯片的晶元。其中，所述缓冲层为在荧光透明陶瓷层非出光面沉积生长与外延结构兼容的缓冲层，优选包括但不限于SiC、Si、SiO2、In2O3、AlN、AlxGayN等材料中的至少一种。其中，AlxGayN为梯度材料(X+Y＝1.0,X、Y在0.00到1.00间变化)，例如从AlN、Al0.9Ga0.1N、Al0.5Ga0.5N、Al0.1Ga0.9N过渡到GaN。例如，所述缓冲层的厚度不超过10微米，例如不超过8微米，又例如不超过5微米。
例如，所述结合层为缓冲层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置缓冲层(例如通过化学气相沉积CVD等方式在非出光面上生长缓冲层)，在缓冲层上再进一步生长LED外延结构，制作倒装或垂直结构的含多个LED芯片的晶元。其中，所述缓冲层为在荧光晶体层非出光面沉积生长与外延结构兼容的缓冲层，优选包括但不限于SiC、Si、SiO2、In2O3、AlN、AlxGayN等材料中的至少一种。其中，AlxGayN为梯度材料(X+Y＝1.0,X、Y在0.00到1.00间变化)，例如从从AlN、Al0.9Ga0.1N、Al0.5Ga0.5N、Al0.1Ga0.9N过渡到GaN。例如，所述缓冲层的厚度不超过10微米，例如不超过8微米，又例如不超过5微米。
根据本发明的实施方案，所述LED芯片包括N型外延层、发光层和P型外延层。
根据本发明的实施方案，所述LED芯片设置在单晶衬底的非出光面或无机材料封装层的非出光面。
根据本发明的实施方案，所述LED芯片晶元可以包括一个、两个、三个或更多个倒装或垂直结构LED芯片。
根据本发明的实施方案，所述荧光透明陶瓷的透光率为5％-85％；例如30-85％；优选地，所述荧光透明陶瓷的透光率为75％-85％。
根据本发明示例性的方案，所述白光LED芯片包括：LED芯片晶元、无机材料封装层和单晶衬底；
所述LED芯片晶元包括至少一个倒装或垂直结构LED芯片；
所述无机材料封装层用于封装所述LED芯片晶元，其由荧光透明陶瓷层和结合层构成，所述荧光透明陶瓷层的材质包括但不限于YAG基等荧光透明陶瓷，所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层、陶瓷结合层以及缓冲层中的至少一种；
所述单晶衬底为蓝宝石(氧化铝)衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底；
所述陶瓷结合层的材质和单晶衬底中的单晶材料相同。
根据本发明示例性的方案，所述白光LED芯片包括：LED芯片晶元、无机材料封装层和单晶衬底；
所述LED芯片晶元包括至少一个倒装或垂直结构LED芯片；
所述无机材料封装层用于封装所述LED芯片晶元，其由荧光晶体层和结合层构成，所述荧光晶体层的材质包括但不限于YAG基等荧光晶体，所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层、陶瓷结合层以及缓冲层中的至少一种；
所述单晶衬底为蓝宝石(氧化铝)衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底；
所述陶瓷结合层的材质和单晶衬底中的单晶材料相同。
根据本发明示例性的方案，所述白光LED芯片包括：LED芯片晶元和无机材料封装层；
所述LED芯片晶元包括至少一个倒装或垂直结构LED芯片；
所述无机材料封装层用于封装所述LED芯片晶元，其由荧光透明陶瓷层和结合层构成，所述荧光透明陶瓷层的材质包括但不限于YAG基等荧光透明陶瓷，所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层以及缓冲层中的至少一种；
优选地，在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置金属单质层、烧结界面层、胶合层以及缓冲层中的至少一种，使荧光透明陶瓷片和LED芯片晶元之间结合。
根据本发明示例性的方案，所述白光LED芯片包括：LED芯片晶元和无机材料封装层；
所述LED芯片晶元包括至少一个倒装或垂直结构LED芯片；
所述无机材料封装层用于封装所述LED芯片晶元，其由荧光晶体层和结合层构成，所述荧光晶体层的材质包括但不限于YAG基等荧光晶体，所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层以及缓冲层中的至少一种；
优选地，在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置金属单质层、烧结界面层、胶合层以及缓冲层中的至少一种，使荧光晶体层和LED芯片晶元之间结合。
本发明还提供上述白光LED芯片的制备方法，包括如下步骤：使用包括荧光透明陶瓷层或荧光晶体层的无机材料封装层封装LED芯片晶元；
所述无机材料封装层、荧光透明陶瓷层、荧光晶体层和LED芯片晶元具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，所述白光LED芯片的制备方法包括如下步骤：
(1)基于单晶衬底生长外延结构，所述外延结构包括：N型外延层、发光层、P型外延层；
(2)在所述外延结构上制作倒装或垂直结构的包括至少一个LED芯片的LED芯片晶元；
(3)使用荧光透明陶瓷层和结合层封装所述LED芯片晶元，所述荧光透明陶瓷层作为出光面；或者，使用荧光晶体层和结合层封装所述LED芯片晶元，所述荧光晶体层作为出光面，得到所述白光LED芯片。
根据本发明的实施方案，所述荧光透明陶瓷层、荧光晶体层和单晶衬底具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，步骤(3)中，所述结合层具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，所述封装指通过键合(例如金属键合、热键合)和/或胶合等方式来实现。
根据本发明的实施方案，所述白光LED芯片的制备方法包括如下步骤：
(a)将荧光透明陶瓷层的非出光面通过结合层与单晶衬底结合；或者将荧光晶体层的非出光面通过结合层与单晶衬底结合；
(b)基于所述单晶衬底的另一面生长外延结构，包括：N型外延层、发光层、P型外延层；
(c)在所述外延结构上制作倒装或垂直结构的包括至少一个LED芯片的LED芯片晶元，得到所述白光LED芯片。
根据本发明的实施方案，所述荧光透明陶瓷层、荧光晶体层和单晶衬底具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，步骤(a)中，所述结合层具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，所述白光LED芯片的制备方法包括如下步骤：
(i)将荧光透明陶瓷层的非出光面通过化学气相沉积CVD等方式生长缓冲层；或者将荧光晶体层的非出光面通过化学气相沉积CVD等方式生长缓冲层；
(ii)在缓冲层上再进一步生长LED外延结构，包括：N型外延层、发光层、P型外延层；
(iii)在所述外延结构上制作倒装或垂直结构的包括至少一个LED芯片的LED芯片晶元，得到所述白光LED芯片。
根据本发明的实施方案，所述荧光透明陶瓷层、荧光晶体层具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，步骤(i)中，所述缓冲层为在荧光晶体层非出光面沉积生长与外延结构兼容的缓冲层，优选包括但不限于SiC、Si、SiO2、In2O3、AlN、AlxGayN等材料中的至少一种。
例如，当结合层为金属单质层时，荧光透明陶瓷层与单晶衬底的结合过程包括：在荧光透明陶瓷层的非出光面镀上金属单质膜(即金属单质层)，通过加热方式，金属熔融冷却实现荧光透明陶瓷层和LED芯片晶元金属键合。例如，所述金属键合的加热温度为500-1300℃，优选600-800℃。
例如，当结合层为金属单质层时，荧光晶体层与单晶衬底的结合过程包括：在荧光晶体层的非出光面镀上金属单质膜(即金属单质层)，通过加热方式，金属熔融冷却实现荧光晶体层和LED芯片晶元金属键合。例如，所述金属键合的加热温度为500-1300℃，优选600-800℃。
例如，当所述结合层为烧结界面层时，荧光透明陶瓷层与单晶衬底的结合过程包括：荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元的出光面通过加热方式，生成共价键实现结合。例如，热键合的温度为800-1900℃，优选900-1500℃。
例如，当所述结合层为烧结界面层时，荧光晶体层与单晶衬底的结合过程包括：荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元的出光面通过加热方式，生成共价键实现结合。例如，热键合的温度为800-1900℃，优选900-1500℃。
例如，当所述结合层为胶合层时，荧光透明陶瓷层与单晶衬底的结合过程包括：使用环氧树脂或硅胶将荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元结合。
例如，当所述结合层为胶合层时，荧光晶体层与单晶衬底的结合过程包括：使用环氧树脂或硅胶将荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元结合。
例如，当所述结合层为陶瓷结合层时，荧光透明陶瓷层与单晶衬底的结合的过程包括：含有荧光透明陶瓷层和陶瓷结合层的复合陶瓷通过加热方式，使复合陶瓷和LED芯片晶元的单晶衬底生成共价键实现结合；其中，所述陶瓷结合层的材质与单晶衬底的单晶材料相同。其中，所述含有荧光透明陶瓷层和陶瓷结合层的复合陶瓷可以通过(流延法、干压法等成型)高温烧制得到。例如，热键合的温度为800-1900℃，优选900-1500℃。
例如，当所述结合层为陶瓷结合层时，荧光晶体层与单晶衬底的结合的过程包括：含有荧光晶体层和陶瓷结合层的复合材料通过加热方式，使复合材料和LED芯片晶元的单晶衬底生成共价键实现结合；其中，所述陶瓷结合层的材质与单晶衬底的单晶材料相同。其中，所述含有荧光晶体层和陶瓷结合层的复合材料可以通过高温烧制得到。例如，热键合的温度为800-1900℃，优选900-1500℃。
根据本发明的实施方案，步骤(1)、步骤(b)和步骤(ii)中的外延结构可以通过本领域已知方法制备得到。
本发明还提供上述白光LED芯片在半导体照明领域中的应用，优选用于半导体照明器件，更优选为白光LED器件。
本发明还提供一种半导体照明器件，其包括所述白光LED芯片。
优选地，所述半导体照明器件包括所述白光LED芯片、电极和导电基板。
优选地，所述半导体照明器件为白光LED器件。
本发明还提供所述白光LED器件的制备方法，包括如下步骤：所述白光LED芯片、电极与导电基板通过COB封装，得到白光LED器件。
根据本发明的实施方案，在封装前，可以对所述白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的倒装LED芯片晶元，再与导电基板进行封装。
本发明的有益效果：
本发明克服了现有LED封装的不足，封装方式实现真正的无机封装，荧光透明陶瓷以及荧光晶体与荧光粉有机胶相比热稳定性好、光衰小；COB封装芯片密度高，同一荧光透明陶瓷片及荧光晶体片提高了相应LED光源光色一致性；倒装LED结构出光效率高，散热性好，适用于制造高光效大功率LED灯具。
附图说明
图1是实施例1中的荧光透明陶瓷层、陶瓷结合层照片；
图2是实施例1中的无机材料封装倒装LED示意图。
附图标记：1-电极，2-荧光透明陶瓷层，3-氧化铝陶瓷结合层，4-LED芯片晶元，5-导电基板。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1
步骤1：基于蓝宝石(氧化铝)单晶衬底生长外延结构，包括N型外延层、发光层、P型外延层。
步骤2：在外延结构上制作倒装结构的含多个LED芯片的晶元。
步骤3：采用流延法制作与芯片晶元相同尺寸的含YAG:Ce,Mn的荧光透明陶瓷层2和氧化铝陶瓷结合层3(见图1)，其氧化铝透明陶瓷结合层与蓝宝石单晶衬底出光面同为Al2O3材料，结合采用生成共价键Al-O层的热键合方式，热键合的温度为1300℃左右，此时白光LED芯片从下到上依次为LED芯片晶元和无机封装材料层(见图2)。
步骤4：将上述无机材料封装的白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的倒装LED芯片晶元4，再与电极1、导电基板5COB封装得到白光LED器件。
上述实施例的LED器件，采用积分球系统测试，光源光效超过180lm/W，与CN201510900839.5公开的传统倒装芯片相比(约150lm/W)，本发明的LED器件光效提升明显。
实施例2
步骤1：制作一定尺寸的YAG:Ce荧光透明陶瓷片，其与蓝宝石单晶衬底结合采用金Au单质层金属键合方式，金属键合的温度为700℃。
步骤2：以蓝宝石单晶衬底另一面为衬底生长外延结构，包括P型外延层、N型外延层以及发光层。
步骤3：在外延结构上制作倒装结构的含多个LED芯片的晶元，此时白光LED芯片从下到上依次为LED芯片晶元和荧光透明陶瓷片。
步骤5：将上述无机材料封装的白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的倒装LED芯片晶元，再与导电基板COB封装得到白光LED器件。
上述实施例的LED器件，采用积分球系统测试，光源光效超过185lm/W，与CN201510900839.5公开的传统倒装芯片相比(约150lm/W)，本发明的LED器件光效提升明显。
实施例3
步骤1：基于蓝宝石单晶衬底生长外延结构，包括N型外延层、发光层、P型外延层。
步骤2：在外延结构上制作倒装结构的含多个LED芯片的晶元。
步骤3：制作与芯片晶元相同尺寸的含LuAG:Ce荧光透明陶瓷结合层，结合采用银Ag单质层金属键合方式，金属键合的温度为600℃。
步骤4：将上述无机材料封装的白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的倒装LED芯片晶元，再与导电基板COB封装得到白光LED器件。
上述实施例的LED器件，采用积分球系统测试，光源光效超过195lm/W，与CN201510900839.5公开的传统倒装芯片相比(约150lm/W)，本发明的LED器件光效提升明显。
实施例4
步骤1：基于蓝宝石单晶衬底生长外延结构，包括N型外延层、发光层、P型外延层。
步骤2：在外延结构上制作倒装结构的含多个LED芯片的晶元。
步骤3：制作与芯片晶元相同尺寸的含LuAG:Ce荧光透明陶瓷结合层，结合采用硅胶胶合层方式，胶合层厚0.5微米。
步骤4：将上述无机材料封装的白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的倒装LED芯片晶元，再与导电基板COB封装得到白光LED器件。
上述实施例的LED器件，采用积分球系统测试，光源光效超过180lm/W，与CN201510900839.5公开的传统倒装芯片相比(约150lm/W)，本发明的LED器件光效提升明显。
实施例5
步骤1：基于蓝宝石单晶衬底生长外延结构，包括N型外延层、发光层、P型外延层。
步骤2：在外延结构上制作倒装结构的含多个LED芯片的晶元。
步骤3：制作与芯片晶元相同尺寸的含YAG:Ce荧光透明陶瓷结合层，结合采用生成共价键Y-O层的热键合方式，热键合的温度为1500℃。
步骤4：将上述无机材料封装的白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的倒装LED芯片晶元，再与导电基板COB封装得到白光LED器件。
上述实施例的LED器件，采用积分球系统测试，光源光效超过175lm/W，与CN201510900839.5公开的传统倒装芯片相比(约150lm/W)，本发明的LED器件光效提升明显。
实施例6
步骤1：制作一定尺寸的YAG:Ce荧光单晶片，其与蓝宝石单晶衬底结合采用铟In单质层金属键合方式，金属键合的温度为500℃。
步骤2：以蓝宝石单晶衬底另一面为衬底生长外延结构，包括P型外延层、N型外延层以及发光层。
步骤3：在外延结构上制作垂直结构的含多个LED芯片的晶元，此时白光LED芯片从下到上依次为LED芯片晶元和荧光晶体片。
步骤4：将上述无机材料封装的白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的垂直结构LED芯片晶元，再与导电基板COB封装得到白光LED器件。
上述实施例的LED器件，采用积分球系统测试，光源光效超过180lm/W，与汪炼成博士学位论文(中国科学院半导体研究所)公开的传统垂直结构芯片相比(约150lm/W)，本发明的LED器件光效提升明显。
实施例7
步骤1：制作一定尺寸的YAG:Ce荧光晶体片，其与蓝宝石单晶衬底结合采用金Au单质层金属键合方式，金属键合的温度为700℃。
步骤2：以蓝宝石单晶衬底另一面为衬底生长外延结构，包括P型外延层、N型外延层以及发光层。
步骤3：在外延结构上制作倒装结构的含多个LED芯片的晶元，此时白光LED芯片从下到上依次为LED芯片晶元和荧光晶体片。
步骤4：将上述无机材料封装的白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的倒装LED芯片晶元，再与导电基板COB封装得到白光LED器件。
上述实施例的LED器件，采用积分球系统测试，光源光效超过186lm/W，与CN201510900839.5公开的传统倒装芯片相比(约150lm/W)，本发明的LED器件光效提升明显。
实施例8
步骤1：制作一定尺寸的YAG:Ce荧光晶体片。
步骤2：将荧光晶体片的非出光面通过化学气相沉积CVD方式依次生长SiC、AlN、AlxGayN材料，构成缓冲层；
步骤3：在缓冲层上进一步生长LED外延结构，包括：N型外延层、发光层、P型外延层；
步骤4：在外延结构上制作倒装结构的含多个LED芯片的晶元，此时白光LED芯片从下到上依次为LED芯片晶元和荧光晶体片。
步骤5：将上述无机材料封装的白光LED芯片晶元进行切割，形成所需芯片数的倒装结构LED芯片晶元，再与导电基板COB封装得到白光LED器件。
上述实施例的LED器件，采用积分球系统测试，光源光效超过190lm/W，与CN201510900839.5公开的传统倒装芯片相比(约150lm/W)，本发明的LED器件光效提升明显。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.白光LED芯片，其特征在于，所述白光LED芯片包括：LED芯片晶元和无机材料封装层；所述白光LED芯片还进一步包括单晶衬底；
所述LED芯片晶元至少包括一个倒装或垂直结构LED芯片；
所述无机材料封装层封装所述LED芯片晶元，所述无机材料封装层包括荧光透明陶瓷片或荧光晶体片。
2.根据权利要求1所述的白光LED芯片，其特征在于，所述单晶衬底为蓝宝石(氧化铝)衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底。
优选地，所述无机材料封装层包括荧光透明陶瓷层和结合层。
优选地，所述无机材料封装层包括荧光晶体层和结合层。
优选地，所述荧光透明陶瓷层的材质包括但不限于YAG基等荧光透明陶瓷；
优选地，所述荧光晶体层的材质包括但不限于YAG基等荧光晶体；
优选地，所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层、陶瓷结合层以及缓冲层中的至少一种。
优选地，所述荧光透明陶瓷层或荧光晶体层为无机材料封装层的出光面。
优选地，上述白光LED芯片中，所述陶瓷结合层与单晶衬底的单晶材料相同或不同，优选相同。
优选地，上述白光LED芯片中，所述荧光晶体层与单晶衬底的单晶材料相同或不同，优选相同。
3.根据权利要求1-2任一项所述的白光LED芯片，其特征在于，所述无机材料封装层由荧光透明陶瓷层和结合层构成，或者由荧光晶体层和结合层构成。优选地，所述荧光透明陶瓷层的非出光面和结合层结合。优选地，所述荧光晶体层的非出光面和结合层结合。
优选地，所述结合层为金属单质层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置金属单质层，通过金属键合使荧光透明陶瓷层和LED芯片晶元结合。优选地，所述结合层为金属单质层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置金属单质层，通过金属键合使荧光晶体层和LED芯片晶元结合。优选地，所述金属单质包括但不限于Au、Ag、In、Sn、Pb等中的至少一种。
优选地，所述结合层为胶合层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置胶合层，通过胶合使荧光透明陶瓷层和LED芯片晶元结合。优选地，所述结合层为胶合层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置胶合层，通过胶合使荧光晶体层和LED芯片晶元结合。
优选地，所述结合层为烧结界面层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置烧结界面层，通过加热，形成烧结界面层使荧光透明陶瓷层和LED芯片晶元之间实现热键合。优选地，所述结合层为烧结界面层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置烧结界面层，通过加热，形成烧结界面层使荧光晶体层和LED芯片晶元之间实现热键合。其中，所述烧结界面层主要为无机化合物，例如含Al、Y、Si、Ga、O、N等元素中的至少一种，元素间存在包括但不限于Al-O、Y-O、Si-O、Ga-O、Ga-N、Al-N等共价键中的至少一种。
优选地，所述结合层包括陶瓷结合层和烧结界面层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置陶瓷结合层和烧结界面层，所述陶瓷结合层和LED芯片晶元中的单晶衬底中的单晶材料相同；通过加热，使荧光透明陶瓷层、陶瓷结合层和LED芯片晶元的单晶衬底生成共价键实现结合。
优选地，所述结合层包括荧光晶体层和烧结界面层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置陶瓷结合层和烧结界面层，所述陶瓷结合层和LED芯片晶元中的单晶衬底中的单晶材料相同；通过加热，使荧光晶体层、陶瓷结合层和LED芯片晶元的单晶衬底生成共价键实现结合。
优选地，所述结合层为缓冲层，即在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置缓冲层，在缓冲层上再进一步生长LED外延结构，制作倒装或垂直结构的含多个LED芯片的晶元。优选地，所述缓冲层为在荧光透明陶瓷层非出光面沉积生长与外延结构兼容的缓冲层，优选包括但不限于SiC、Si、SiO2、In2O3、AlN、AlxGayN等材料中的至少一种。
优选地，所述结合层为缓冲层，即在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置缓冲层，在缓冲层上再进一步生长LED外延结构，制作倒装或垂直结构的含多个LED芯片的晶元。优选地，所述缓冲层为在荧光晶体层非出光面沉积生长与外延结构兼容的缓冲层，优选包括但不限于SiC、Si、SiO2、In2O3、AlN、AlxGayN等材料中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的白光LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括N型外延层、发光层和P型外延层。
优选地，所述LED芯片设置在单晶衬底的非出光面或无机材料封装层的非出光面。
优选地，所述LED芯片晶元包括一个、两个、三个或更多个倒装或垂直结构LED芯片。
优选地，所述荧光透明陶瓷的透光率为5％-85％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的白光LED芯片，其特征在于，所述白光LED芯片包括：LED芯片晶元、无机材料封装层和单晶衬底；
所述LED芯片晶元包括至少一个倒装或垂直结构LED芯片；
所述无机材料封装层封装所述LED芯片晶元，其由荧光透明陶瓷层和结合层构成或者由荧光晶体层和结合层构成，所述荧光透明陶瓷层的材质包括但不限于YAG基等荧光透明陶瓷，所述荧光晶体层的材质包括但不限于YAG基等荧光晶体，所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层以及陶瓷结合层中的至少一种；
所述单晶衬底为蓝宝石(氧化铝)衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底；
所述陶瓷结合层的材质和单晶衬底中的单晶材料相同。
6.根据权利要求1-4任一项所述的白光LED芯片，其特征在于，所述白光LED芯片包括：LED芯片晶元和无机材料封装层；
所述LED芯片晶元包括至少一个倒装或垂直结构LED芯片；
所述无机材料封装层封装所述LED芯片晶元，其由荧光透明陶瓷层和结合层构成或者由荧光晶体层和结合层构成，所述荧光透明陶瓷层的材质包括但不限于YAG基等荧光透明陶瓷，所述荧光晶体层的材质包括但不限于YAG基等荧光晶体，所述结合层包括但不限于金属单质层、烧结界面层、胶合层以及缓冲层中的至少一种；
优选地，在所述荧光透明陶瓷层的非出光面和LED芯片晶元之间设置金属单质层、烧结界面层、胶合层以及缓冲层中的至少一种，使荧光透明陶瓷片和LED芯片晶元之间结合；
或者，在所述荧光晶体层的非出光面和LED芯片晶元之间设置金属单质层、烧结界面层、胶合层以及缓冲层中的至少一种，使荧光晶体层和LED芯片晶元之间结合。
7.权利要求1-6任一项所述白光LED芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：使用包括荧光透明陶瓷层或荧光晶体层的无机材料封装层封装LED芯片晶元。
优选地，所述白光LED芯片的制备方法包括如下步骤：
(1)基于单晶衬底生长外延结构，所述外延结构包括：N型外延层、发光层、P型外延层；
(2)在所述外延结构上制作倒装或垂直结构的包括至少一个LED芯片的LED芯片晶元；
(3)使用荧光透明陶瓷层和结合层封装所述LED芯片晶元，所述荧光透明陶瓷层作为出光面；或者，使用荧光晶体层和结合层封装所述LED芯片晶元，所述荧光晶体层作为出光面。
优选地，所述白光LED芯片的制备方法包括如下步骤：
(a)将荧光透明陶瓷层的非出光面通过结合层与单晶衬底结合；或者将荧光晶体层的非出光面通过结合层与单晶衬底结合；
(b)基于所述单晶衬底的另一面生长外延结构，包括：N型外延层、发光层、P型外延层；
(c)在所述外延结构上制作倒装或垂直结构的包括至少一个LED芯片的LED芯片晶元，得到所述白光LED芯片。
优选地，所述白光LED芯片的制备方法包括如下步骤：
(i)将荧光透明陶瓷层的非出光面生长缓冲层；或者将荧光晶体层的非出光面生长缓冲层；
(ii)在缓冲层上再进一步生长LED外延结构，包括：N型外延层、发光层、P型外延层；
(iii)在所述外延结构上制作倒装或垂直结构的包括至少一个LED芯片的LED芯片晶元，得到所述白光LED芯片。
优选地，所述缓冲层为在荧光晶体层非出光面沉积生长与外延结构兼容的缓冲层，优选包括但不限于SiC、Si、SiO2、In2O3、AlN、AlxGayN等材料中的至少一种。
8.权利要求1-6任一项所述白光LED芯片在半导体照明领域中的应用，优选用于半导体照明器件，更优选为白光LED器件。
9.一种半导体照明器件，其特征在于，所述半导体照明器件包括权利要求1-6任一项所述白光LED芯片。
优选地，所述半导体照明器件包括权利要求1-6任一项所述白光LED芯片和导电基板。
优选地，所述半导体照明器件为白光LED器件。
10.权利要求9所述白光LED器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：所述白光LED芯片与导电基板通过COB封装，得到白光LED器件。
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