RU2472252C1

RU2472252C1 - Method of making semiconductor light source

Info

Publication number: RU2472252C1
Application number: RU2011125739/28A
Authority: RU
Inventors: Юлия Сергеевна Гончарова; Елена Владимировна Саврук; Серафим Всеволодович Смирнов
Original assignee: Юлия Сергеевна Гончарова; Елена Владимировна Саврук; Серафим Всеволодович Смирнов
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2013-01-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention can be used in making consumer semiconductor sources of white light, including street and home lighting devices, and can be used in the technology of producing light-emitting diode panels. When making a semiconductor light source using an existing method by assembling a crystal into a chassis and applying a phosphor layer on its surface, new operations and a new sequence for performing said operations are employed: applying an antireflection coating on the surface of the crystal, applying onto the antireflection coating a parting layer of polymer material with a low refraction index, e.g., an acrylate, and then applying a phosphor on that layer.

EFFECT: invention increases output of blue radiation from the semiconductor crystal, reduces the value of light entering the crystal, and reduces the value of green and red radiation absorbed therein, which is converted by the phosphor, and significantly increases overall quantum efficiency of the light source.

1 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к технологии изготовления полупроводниковых излучающих диодов, может быть использовано при изготовлении полупроводниковых источников белого света для осветительных приборов широкого потребления и может также использоваться в технологии производства светодиодных панелей и табло.The invention relates to semiconductor electronics, and in particular to a technology for manufacturing semiconductor emitting diodes, can be used in the manufacture of semiconductor white light sources for consumer lighting devices and can also be used in the production technology of LED panels and displays.

Известен способ изготовления полупроводниковых источников света (фиг.1), включающий посадку кристалла 1 излучающего диода в корпус, монтаж электрических выводов на контактные площадки кристалла и изолятора корпуса 5 и нанесение на поверхность кристалла слоя люминофора 4 [1].A known method of manufacturing a semiconductor light source (figure 1), including the landing of the crystal 1 of the emitting diode in the housing, the installation of electrical leads on the contact pads of the crystal and the insulator of the housing 5 and applying a layer of phosphor 4 to the crystal surface [1].

В этом способе используется преобразование излучения кристалла GaN синего цвета в излучение люминофора желтого цвета с последующим их смешиванием. В результате чего получают белый свет с цветовой температурой 3500-5000 К. Основным недостатком данного способа является низкая светоотдача кристалла за счет потерь синего света за счет отражения на границе раздела кристалл-люминофор. Внешняя квантовая эффективность источника в этом случае не превышает 25-30%.This method uses the conversion of the radiation of a blue GaN crystal into radiation of a yellow phosphor with their subsequent mixing. As a result, white light is obtained with a color temperature of 3500-5000 K. The main disadvantage of this method is the low light output of the crystal due to the loss of blue light due to reflection at the crystal-phosphor interface. The external quantum efficiency of the source in this case does not exceed 25-30%.

Известен также способ, в котором для уменьшения отражения на границе кристалл-люминофор на поверхность кристалла наносят просветляющее покрытие, при этом удается увеличить внешнюю квантовую эффективность до 30-32%.There is also known a method in which to reduce reflection at the crystal-phosphor interface, an antireflection coating is applied to the crystal surface, while it is possible to increase the external quantum efficiency to 30-32%.

Недостатком данного способа, как и ранее рассмотренного, являяются большие потери за счет поглощения преобразованного люминофором излучения желтого и красного цвета кристаллом, поскольку ни кристалл, ни контакты не обладают высокой отражающей поверхностью [2].The disadvantage of this method, as previously considered, are large losses due to absorption of the yellow and red radiation converted by the phosphor by the crystal, since neither the crystal nor the contacts have a high reflective surface [2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления полупроводникового источника света, в котором для уменьшения поглощения люминофор пространственно отделен от полупроводникового кристалла, то есть создается структура с удаленным расположением люминофора [3].The closest in technical essence to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor light source, in which to reduce the absorption of the phosphor is spatially separated from the semiconductor crystal, that is, a structure with a remote arrangement of the phosphor is created [3].

Способ позволяет уменьшить поглощение излучения люминофора кристаллом, но при этом уменьшается эффективность передачи синего света кристалла в люминофор за счет отражения на границе раздела воздух - люминофор.The method allows to reduce the absorption of radiation of the phosphor by the crystal, but this reduces the efficiency of transmission of blue light of the crystal into the phosphor due to reflection at the air-phosphor interface.

Целью предлагаемого изобретения является повышение внешней квантовой эффективности полупроводникового источника света. Для достижения поставленной цели по предлагаемому способу на поверхность кристалла на основе GaN с показателем преломления n_s=2,3 ионно-плазменным способом наносят слой материала с показателем преломления n₁=1,9-2,0, например SiO и Ta₂O₅. Выбор этого типа покрытия объясняется его дешевизной и высокой степенью отработанности процесса получения. Известно, что для получения максимального эффекта просветления (в случае однослойного покрытия) должно выполняться следующее условие

, где n_s - показатель преломления материала кристалла. Одновременно должно выполняться условие, что толщина просветляющего покрытия d должна быть равна четверти длины волны, излучаемой кристаллом, то есть

. Из этого соотношения следует, что эффект просветления в большей степени проявляется лишь в узкой области спектра, и оптическая толщина просветляющего покрытия на основе выбранных материалов на длине волны излучения (λ) кристалла GaN 450-460 нм должна составлять

, что соответствует 50-60 нм. Затем наносится слой полимерного покрытия с показателем преломления 1,3-1,4 толщиной 180-200 нм, поверх которого наносят слой люминофора.The aim of the invention is to increase the external quantum efficiency of a semiconductor light source. To achieve the goal of the proposed method, a layer of material with a refractive index of n ₁ = 1.9-2.0, for example SiO and Ta ₂ O _5, is applied to the surface of a GaN-based crystal with a refractive index n _s = 2.3 . The choice of this type of coating is explained by its low cost and a high degree of sophistication of the production process. It is known that to obtain the maximum effect of bleaching (in the case of a single-layer coating) the following condition must be fulfilled

where n _s is the refractive index of the crystal material. At the same time, the condition must be satisfied that the thickness of the antireflection coating d should be equal to a quarter of the wavelength emitted by the crystal, i.e.

. From this relation it follows that the bleaching effect is manifested to a greater extent only in a narrow spectral region, and the optical thickness of the antireflection coating based on the selected materials at the radiation wavelength (λ) of the GaN crystal 450-460 nm should be

that corresponds to 50-60 nm. Then a polymer coating layer is applied with a refractive index of 1.3-1.4 with a thickness of 180-200 nm, on top of which a phosphor layer is applied.

Материал кристалла из GaN обладает заметным поглощением (k_s≈0,018). При этом оптимальная толщина просветляющего покрытия определяется по формулеThe material of the GaN crystal has a noticeable absorption (k _s ≈ 0.018). The optimal thickness of the antireflection coating is determined by the formula

Известно также, что эффект просветления для четвертьволновых покрытий с высоким показателем преломления в большей степени проявляется лишь в узкой области спектра, в остальной же области спектра коэффициент отражения резко возрастает. Таким образом, подобное просветляющее покрытие 2, нанесенное на поверхность кристалла 1, обладает высокой селективностью, приводя к повышению выхода синего цвета из кристалла и препятствующему проникновению желтого света из люминофора в кристалл. Однако, если люминофор 4 непосредственно контактирует с поверхностью кристалла, то эффект селективности существенно уменьшается, поэтому предлагается между просветляющим покрытием и люминофором разместить слой материала с низким показателем преломления, например акрилат 3 (n₂=1,32) с оптической толщиной, равной половине длины волны максимума спектра излучения люминофора (620-650 нм) (фиг 2).It is also known that the bleaching effect for quarter-wave coatings with a high refractive index is manifested to a greater extent only in a narrow region of the spectrum, while in the rest of the spectrum, the reflection coefficient sharply increases. Thus, such an antireflection coating 2, deposited on the surface of the crystal 1, has a high selectivity, leading to an increase in the yield of blue from the crystal and preventing the penetration of yellow light from the phosphor into the crystal. However, if the phosphor 4 directly contacts the crystal surface, the selectivity effect is significantly reduced, therefore, it is proposed to place a layer of material with a low refractive index between the antireflection coating and the phosphor, for example acrylate 3 (n ₂ = 1.32) with an optical thickness equal to half the length waves of the maximum emission spectrum of the phosphor (620-650 nm) (Fig 2).

Пример реализации способаAn example implementation of the method

В качестве базовой модели выбран кристалл и корпус фирмы «Semi LED» (Тайвань). Параметры кристалла на основе GaN следующие: геометрические размеры 1×1×0,5 мм; рабочий ток 0,35 А; прямое падение напряжения 2,0 В. После сборки в корпус источники света размещались в специальной кассете-держателе, с помощью которого и происходила их загрузка в установку высокочастотного магнетронного распыления Z-550 фирмы «Leibold». Напыление оксида тантала проводилось из компактной танталовой мишени в смеси газов аргона и кислорода. Контроль толщины покрытия осуществлялся встроенным в установку интерферометром. Затем на поверхность напыленного покрытия с помощью дозатора наносился тонкий слой акрилатуретановой смолы, который затем подвергался полимеризации с помощью источника УФ-излучения (ртутной лампы). Оптимальная оптическая толщина слоя подбиралась экспериментальным путем. Желтый люминофор на основе иттрийалюминиевого граната с церием с кремнийорганической связкой марки ФЛЖ-7 наносился также с помощью дозатора на поверхность полимерного покрытия толщиной 50 - 150 мкм. Для испытаний предложенного способа были изготовлены 3 образца источников света. Измерения внешнего квантового выхода изготовленных источников света проводили в интегрирующей сфере по стандартной методике. В качестве базового варианта был взят источник света, собранный по типовой технологии на комплектации фирмы «Semi LED» (Тайвань) в производственных условиях ОАО НИИПП (г.Томск). Результаты измерений представлены в таблице.As the base model, the crystal and case of the Semi LED company (Taiwan) were selected. The parameters of a GaN-based crystal are as follows: geometric dimensions 1 × 1 × 0.5 mm; operating current 0.35 A; a direct voltage drop of 2.0 V. After assembly into the housing, the light sources were placed in a special cassette holder, with the help of which they were loaded into the Leibold Z-550 high-frequency magnetron sputtering device. Tantalum oxide was sprayed from a compact tantalum target in a mixture of argon and oxygen gases. The coating thickness was controlled by an interferometer built into the installation. Then, a thin layer of acrylurethane resin was applied to the surface of the sprayed coating using a dispenser, which was then polymerized using a UV radiation source (mercury lamp). The optimal optical layer thickness was selected experimentally. A yellow phosphor based on yttrium aluminum garnet with cerium with an organosilicon binder of the FLZH-7 brand was also applied using a batcher to the surface of a polymer coating with a thickness of 50 - 150 μm. For testing the proposed method were made 3 samples of light sources. The measurements of the external quantum yield of the fabricated light sources were carried out in an integrating sphere using a standard technique. As a basic version, a light source was taken, assembled according to standard technology on a complete set of Semi LED (Taiwan) in the production conditions of the NIIPP OJSC (Tomsk). The measurement results are presented in the table.

Ток, АCurrent, A Световая отдача, лм/ВтLuminous efficiency, lm / W Базовый вариантBasic version 0,350.35 8585 Образец №1Sample No. 1 0,350.35 105105 Образец №2Sample No. 2 0,350.35 9696 Образец №3Sample No. 3 0,350.35 9090

Из результатов испытаний следует, что экспериментальные образцы имеют внешнюю квантовую эффективность (световую отдачу) на 6-13% выше, чем базовый вариант полупроводникового источника света.From the test results it follows that the experimental samples have an external quantum efficiency (luminous efficiency) of 6-13% higher than the basic version of a semiconductor light source.

Источники информацииInformation sources

1. Nakamura S. and Fasol G. The blue laser diode // Springier, Berlin, 1997.1. Nakamura S. and Fasol G. The blue laser diode // Springier, Berlin, 1997.

2. Патент «Luminescent diode provided with a reflection - reducing layer sequence», H01L 33/10, Номер заявки: DE 200410040968 20040824. Дата публикации: 2006.03.23.2. Patent "Luminescent diode provided with a reflection - reducing layer sequence", H01L 33/10, Application number: DE 200410040968 20040824. Date of publication: 2006.03.23.

3. Luo H., Kim J.K., Schubert E.F. et al. Appl. Phys. Lett. 86.243505. 2005.3. Luo H., Kim J.K., Schubert E.F. et al. Appl. Phys. Lett. 86.243505. 2005.

Claims

A method of manufacturing a semiconductor white light source based on a crystal from gallium nitride and a phosphor, including the steps of planting the crystal in the housing and applying a phosphor layer to its surface, characterized in that, in order to increase the external quantum efficiency of the source, a thin-layer coating is preliminarily applied to the crystal surface with a refractive index of 1.9-2.0 with a thickness of 50-60 nm, then a polymer coating layer with a refractive index of 1.3-1.4 with a thickness of 180-200 nm, on top of which a phosphor layer is applied.