CN215527747U - 一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的led芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出的一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的LED芯片，其特征是，包括依次设置的荧光材料与蓝宝石复合衬底，在复合衬底的蓝宝石一侧的GaN过渡层，n‑GaN层，多层量子井结构的发光层GaN/InGaN，p‑GaN层，以及阳极和阴极。由于芯片直接生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底之上，而具有良好导热性和优异耐热性的陶瓷荧光材料层直接与芯片发光面无缝隙接触，芯片和荧光材料的导热和散热环境都得到显著的改善，从而提高芯片整体的发光性能和使用寿命。同时也实现了在晶圆制造过程中完成荧光膜的封装，显著降低了后期的封装成本，提高了同一晶圆中每颗芯片品质的一致性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种LED芯片的设计，应用于LED照明和显示领域。
背景技术
LED将电能转换成光能，已经广泛地应用于照明、显示、传感、通讯等众多领域。在其应用范围和规模不断扩大的同时，人们对其性能和成本的要求也越来越高。为了满足这些需求，LED芯片技术正朝着微型化、高功率、低成本的方向发展。随着单颗LED芯片的尺寸越来越小、功率密度越来越大，如何保证芯片在工作状态下产生更小的热量、更有效地及时地散发所产生的热量以保证其电光转换效率和可靠性，成为越来越严重的挑战。
典型的LED芯片，例如蓝光LED芯片，其结构如图1所示。在蓝宝石衬底101上依次生长GaN过渡层102，N-GaN层103、多层量子井结构的发光层GaN/GaInN 104、p-GaN层105、以及阳极层106和阴极层107。芯片从晶圆是切割成单颗后转移到散热衬底(submount)108上，芯片与衬底的电连接依靠引线结合(wire bonding)。为了让从LED芯片发出的蓝光转换成白光，由荧光粉和树脂混合而成的荧光胶涂覆于LED芯片出光面105。
图1所示的这种上面发光的LED芯片结构需要通过引线结合把芯片的电极连接到散热衬底上，不仅工序复杂，而且也会引起长期使用过程中的可靠性问题。芯片与散热衬底的导热问题也严重影响到芯片在工作状态下产生的热量得到及时的导出。p-电极设计在发光面上也导致总的光输出受到一部分损失。上面这些问题对大功率芯片尤其严重。为解决上述这些问题，如图2所示的倒装LED芯片设计被提出并开始得到越来越广泛的采用。如图2所示，这种结构的芯片，出光面是与蓝宝石衬底直接接触的n-GaN的表面，通过透明的蓝宝石衬底向外输出。而芯片的电极与散热衬底的电接触不再采用引线结合，而采用直接焊接的方法，解决了由于引线结合引起的可靠性问题。
但是，发光面荧光薄膜仍然由荧光粉和有机树脂混合而成。由于树脂极差的导热性和耐热性，荧光薄膜的散热不良、转换效率衰减和长期使用过程中的可靠性等问题依然存在。尽管开始采用用由荧光材料单独或其与玻璃混合直接烧结的荧光片代替荧光粉和树脂制成的荧光膜，旨在改善芯片和荧光薄膜的散热和耐热，但由于荧光片与芯片发光面的粘结是通过有机透明胶实现的，上面的问题仍然存在。而且，与荧光粉/树脂荧光膜一样，荧光膜片的粘贴仍然是在晶圆切割成单科芯片以后，一颗一颗芯片进行的，不仅费时费工，也难以保证每颗芯片的一致性。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的问题，提出了一种直接生长在荧光材料蓝宝石复合衬底上的LED 芯片。
本实用新型是通过以下技术方案得以实现的：
本实用新型提出的LED芯片，如图3所示意，包括依次设置的荧光材料与蓝宝石复合衬底301，复合衬底的蓝宝石一侧的GaN过渡层302，n-GaN层303，多层量子井结构的发光层GaN/InGaN 304，p-GaN 层305，以及阳极306和阴极307。由于芯片直接生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底301之上，而具有良好导热性和优异耐热性的陶瓷荧光材料层直接与芯片发光面无缝隙接触，芯片和荧光材料的导热和散热环境都得到显著的改善，从而提高芯片整体的发光性能和使用寿命。同时也实现了在晶圆制造过程中完成荧光膜的封装，显著降低了后期的封装成本，提高了同一晶圆中每颗芯片品质的一致性。
作为优选，所述荧光材料与蓝宝石复合衬底，其中一部分是荧光材料，另一部分是蓝宝石；荧光材料以薄层形态与蓝宝石片直接无间隙接触并连接。GaN薄膜从蓝宝石面开始生长，荧光材料面作为出光面。
作为优选，所述荧光材料与蓝宝石复合衬底具体实现的方法包括将荧光陶瓷层和蓝宝石片紧密结合后在高温下共烧结以形成坚强的化学结合，或用物理气相沉积的技术将荧光材料直接沉积于蓝宝石表面，或用化学气相沉积的技术将荧光材料直接沉积于蓝宝石表面。
作为优选，所述荧光材料与蓝宝石复合衬底中，蓝宝石基片的厚度在0.10mm-1.00mm之间，荧光材料的厚度在0.01mm-0.30mm之间。
作为优选，所述荧光材料与蓝宝石复合衬底中，根据具体需要，荧光材料可以是黄色荧光材料，能有效地吸收入射光并高效地转换成黄色光，如YAG：Ce系列，硅酸盐系列如Sr3SiO5：Eu。荧光材料还可以是绿色荧光材料，能有效地吸收入射光并高效地转换成绿色光，如LuAG：Ce，GaAG：Ce，SrSiO4：Eu， CaMgSi2O6：Eu。荧光材料还可以是红色荧光材料，能有效地吸收入射光并高效地转换成红色光，如 Sr2Si7Al3ON13：Eu。
作为优选，GaN过渡层厚度在2-10nm之间，n-GaN的厚度在2nm-6nm之间；发光层多层量子井GaN/InGaN的层数在4-6层之间，总厚度在60-80nm之间；p-GaN层的厚度在110-130nm之间。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)由于芯片直接生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底之上，具有良好导热性和优异耐热性的陶瓷荧光材料直接与芯片发光面无缝隙接触，显著改善芯片的导热散热环境，从而将极大地提高其发光性能和稳定性。(2)荧光材料也同时具有更好的导热散热性能和耐热性能，因此荧光材料的转换效率和可靠性也得到极大的提高。(3)芯片直接生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底还事实使得芯片荧光膜的封装在晶圆制造过程中同时完成，省去了后期封装过程中的单颗芯片的荧光膜点胶或贴片工序，减少了后期的封装成本。(4)荧光材料与蓝宝石衬底中荧光材料微观组织结构和厚度均匀一致，保证了同一晶圆中每颗芯片发光品质的一致性。
附图说明
图1为普通LED芯片的结构示意图。其中，101为蓝宝石衬底，102为GaN过渡层，103为n-GaN层， 104为GaN/InGaN发光层，105为p-GaN层，106为阳极电极层，107为阴极电极层，108为导热基板，109 为正极金线，110为负极金线。
图2为倒装LED芯片的结构示意图。其中，201为蓝宝石衬底，202为GaN过渡层，203为n-GaN层， 204为GaN/InGaN发光层，205为p-GaN层，206为阳极电极层，207为阴极电极层，208为导热基板。
图3为本实用新型的结构示意图。其中301为蓝宝石衬底，302为GaN过渡层，303为n-GaN层， 304为GaN/InGaN发光层，305为p-GaN层，306为阳极电极层，307为阴极电极层，308为导热基板。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图3，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
具体实施方法如下：
首先，选用厚度为0.15mm、直径为100mm、双面抛光的蓝宝石(单晶Al2O3)片，在其中一面形成陶瓷荧光薄膜，制备成荧光材料/蓝宝石的复合衬底301。荧光材料膜的厚度根据具体需求选择在0.01 mm-0.30mm之间，荧光材料膜的材料为YAG：Ce。
将荧光材料制成浆料的形式涂覆在蓝宝石的一面，并将其置于1700℃高温炉中保温4小时，使荧光材料薄层与蓝宝石表面形成无间隙紧密接触。
采用MOCVD的方法，在荧光材料与蓝宝石复合衬底的蓝宝石一面形成厚度为2nm-10nm之间的GaN 过渡层302。
采用MOCVD的方法，在GaN过渡层302之上形成厚度在2nm-6nm之间的n型GaN层303。
采用MOCVD的方法，在n型GaN层303上形成多层量子井结构的发光层GaN/InGaN的304，量子井层数在4-6层之间，发光层304总厚度在60-80nm之间。
采用MOCVD的方法，在发光层204上形成厚度在2nm-6nm之间的p型GaN层305。
分别在n-GaN层303和p-GaN层上形成阴极和阳极电接触。
至此，本实用新型所述的LED芯片晶圆已经形成。进一步对晶圆进行切割可以形成尺寸较小的LED 芯片。每颗芯片无需进一步覆盖荧光薄膜。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (8)
1.一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的LED芯片，其特征在于，包括依次设置的荧光材料/蓝宝石复合衬底(301)，GaN过渡层(302)，n-GaN层(303)，多层量子井发光层GaN/InGaN(304)，p-GaN层(305)，以及阳极(306)和阴极(307)。
2.根据权利要求1所述的一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的LED芯片，其特征在于，所述荧光材料/蓝宝石复合衬底，其中一部分是荧光材料，另一部分是蓝宝石，荧光材料以薄层形态与蓝宝石片直接无间隙接触紧密结合，GaN薄膜从蓝宝石面开始生长，荧光材料面作为出光面。
3.根据权利要求1所述的一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的LED芯片，其特征在于所述荧光材料与蓝宝石复合衬底中，荧光材料与蓝宝石衬底之间是无其它材料的直接的紧密结合。
4.根据权利要求1所述的一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的LED芯片，其特征在于，荧光材料与蓝宝石复合衬底中，蓝宝石基片的厚度在0.10mm-1.00mm之间，荧光材料层的厚度在0.01mm-0.30mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的LED芯片，其特征在于，所述荧光材料与蓝宝石复合衬底中，根据具体需要，荧光材料可以是黄色荧光材料，能有效地吸收入射光并高效地将其转换成为黄色光。
6.根据权利要求1所述的一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的LED芯片，其特征在于，所述荧光材料与蓝宝石复合衬底中，根据具体需要，荧光材料可以是绿色荧光材料，能有效地吸收入射光并高效地将其转换成为绿色光。
7.根据权利要求1所述的一种生长在荧光材料与蓝宝石复合衬底上的LED芯片，其特征在于，所述荧光材料与蓝宝石复合衬底中，根据具体需要，荧光材料可以是红色色荧光材料，能有效地吸收入射光并高效地将其转换成为红色光。
8.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，GaN过渡层厚度在2-10nm之间，n-GaN的厚度在2nm-6nm之间，多层量子井反光层GaN/InGaN的层数在4-6层之间，总厚度在60-80nm之间，p-GaN层的厚度在110-130nm之间。
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