專利名稱：一種白光發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種白光發(fā)光二極管，及其制備方法。
背景技術(shù)：
白光發(fā)光二極管作為白光光源具有發(fā)光效率高、響應(yīng)時間短、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)決定了它將部分取代現(xiàn)有白光光源的趨勢。目前普遍認(rèn)同的白光發(fā)光二極管的制作方法有以下三種(1)由三個單獨(dú)制作的或是單片集成的紅光、綠光和藍(lán)光發(fā)光二極管同時發(fā)光，從而混合得到白光，(2)由紫外或紫光發(fā)光二極管作為發(fā)光光源激發(fā)外層包裹的紅綠藍(lán)三色混合熒光粉，三色熒光粉的發(fā)光混合得到白光，(3)由藍(lán)光發(fā)光二極管作為發(fā)光光源，部分地激發(fā)外層包裹的黃光熒光粉發(fā)出黃光，內(nèi)部發(fā)光二極管所發(fā)藍(lán)光和激發(fā)熒光粉得到的黃光混合得到白光。
其中，方法(1)由于成本和技術(shù)方面的原因還沒有得到應(yīng)用。方法(2)是制作比較簡單也是最被看好的一種白光發(fā)光二極管的制作方法，但由于至今沒有找到合適的耐紫外輻照的封裝樹脂以及缺乏高效的紅色熒光粉，因而也沒有得到普遍應(yīng)用。方法(3)是目前已經(jīng)被商業(yè)化的一種白光發(fā)光二極管制作方法，但是也存在缺乏合適的紅光熒光粉的難題而使得制備的白光發(fā)光二極管的發(fā)光品質(zhì)受到了限制；而且由兩色光混合得到的白光光譜比較單一，此方法制備的白光發(fā)光二極管的光譜在長波波段(紅光波段)嚴(yán)重缺失，所發(fā)的白光偏黃或是偏藍(lán)(色溫偏高)，且顯色指數(shù)比較低，導(dǎo)致這些白光發(fā)光二極管作為白光光源的應(yīng)用范圍比較狹窄，不能適應(yīng)對發(fā)光質(zhì)量要求較高的照明需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)制備的白光發(fā)光二極管的光譜在長波波段嚴(yán)重缺失，色溫偏高且顯色指數(shù)比較低的缺陷，從而提供一種可以提高紅光波段的光強(qiáng)度、有效地降低了白光的色溫并提高了白光的顯色指數(shù)的白光發(fā)光二極管，及其制備方法。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的白光發(fā)光二極管，如圖3所示，其包括一背出光的發(fā)光二極管，及在其襯底1的背面上的熒光粉層8，和其外部封裝用的樹脂殼9。
所述的背出光的發(fā)光二極管包括一紅寶石襯底1，其上依次為GaN緩沖層2、n型GaN層3、發(fā)光層4、p型GaN層5，以及分別從n型GaN層和p型GaN層引出的n型電極6和p型電極7；所述的紅寶石襯底為摻雜了0.01～5wt％過渡族金屬元素的Al2O3；厚度為0.05～0.2mm；所述的過渡族金屬元素包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等；所述的GaN緩沖層為在異質(zhì)襯底上外延的過渡層，此過渡層的材料可為GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或這幾種合金的組合，其厚度為100nm～10μm；所述的n型GaN層為制備n型歐姆接觸的接觸層，此層可為GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或這幾種合金的組合，厚度為50nm～3μm；所述的發(fā)光層為發(fā)光二極管的有源層，此層為由勢壘層GaN或InyGa1-yN以及量子阱層InxGa1-xN組成的多量子阱(其中y＜x)，量子阱的周期數(shù)為1～20，其中勢壘層厚度為5～20nm，量子阱層厚度為1～10nm；所述的p型GaN層為制備p型歐姆接觸的接觸層，此層可為GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或這幾種合金的組合，厚度為20nm～3μm；所述的n型電極由多層金屬組合而成，常用的電極材料和結(jié)構(gòu)為Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au，厚度分別為1～10nm/10～500nm/1～10nm/200nm～2μm；所述的p型電極由多層金屬組合而成，常用的電極材料和結(jié)構(gòu)為Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為1～100nm/200nm～2μm；所述的熒光粉層優(yōu)選為藍(lán)光、綠光或黃光熒光粉的混合物涂層，通常的熒光粉材料為稀土鋁酸鹽，其厚度為10nm～10μm；所述的樹脂殼由常規(guī)的、透光性好的環(huán)氧樹脂材料制成。
本發(fā)明提供一種上述白光發(fā)光二極管的制備方法，包括如下的步驟1)采用紅寶石作為襯底，使用常規(guī)的半導(dǎo)體器件的沉積技術(shù)在其上依次生長GaN緩沖層、n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層，得到發(fā)光波長為300～600nm的發(fā)光二極管；所述的紅寶石襯底為摻雜了0.01～5wt％過渡族金屬元素的Al2O3；厚度為0.4～0.5mm；所述的過渡族金屬元素包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等；
所述的GaN緩沖層為GaN、AlGaN、InAiN、InAlGaN或這幾種合金的組合，其厚度為100nm～10μm；所述的n型GaN層為GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或這幾種合金的組合，厚度為50nm～3μm；所述的發(fā)光層為發(fā)光二極管的有源層，此層為由勢壘層GaN或InyGa1-yN以及量子阱層InxGa1-xN組成的多量子阱(其中y＜x)，量子阱的周期數(shù)為1～20，其中勢壘層厚度為5～20nm，量子阱層厚度為1～10nm；所述的p型GaN層為GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或這幾種合金的組合，厚度為20nm～3μm；2)將步驟1)得到的發(fā)光二極管利用常規(guī)的SiO2掩膜及光刻技術(shù)，從n型GaN層和p型GaN層分別引出n型電極6和p型電極7，得到背出光的發(fā)光二極管；然后將紅寶石襯底用機(jī)械研磨的方法減薄到0.05～0.2mm；所述的n型電極由多層金屬組合而成，常用的電極材料和結(jié)構(gòu)為Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au，厚度分別為1～10nm/10～500nm/1～10nm/200nm～2μm；所述的p型電極由多層金屬組合而成，常用的電極材料和結(jié)構(gòu)為Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為1～100nm/200nm～2μm；3)將步驟2)得到的背出光的發(fā)光二極管的襯底背面涂布各色熒光粉，以得到所需的綠光、藍(lán)光或黃光發(fā)光成分；再用樹脂按照常規(guī)方法封裝，得到本發(fā)明的白光發(fā)光二極管；所述的熒光粉層優(yōu)選為藍(lán)光、綠光或黃光熒光粉的混合物涂層，通常的熒光粉材料為稀土鋁酸鹽，其厚度為1μm～1mm；所述的樹脂殼由常規(guī)的、透光性好的環(huán)氧樹脂材料制成。
本發(fā)明是針對目前缺乏有效的紅光熒光粉而造成白光發(fā)光二極管在紅光波段缺失的實(shí)際情況而提出的新方法。本發(fā)明以摻雜的紅寶石作為襯底生長紫外、紫光以及藍(lán)光發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，作為激發(fā)白光發(fā)光二極管外層包裹熒光粉的激發(fā)光源，結(jié)合背出光的器件封裝結(jié)構(gòu)，來改進(jìn)白光發(fā)光二極管的色溫和顯色指數(shù)。
本發(fā)明提供的白光發(fā)光二極管根據(jù)所選擇的發(fā)光二極管的發(fā)光波長，通過對紅寶石襯底的減薄，來調(diào)節(jié)紅寶石襯底對光的吸收比例；并通過采用不同的熒光粉來得到白光，例如，用紫外光激發(fā)的白光發(fā)光二極管需要選用藍(lán)光、綠光熒光粉，而用藍(lán)光激發(fā)的白光發(fā)光二極管則需要選用黃光熒光粉。
不同的紅寶石襯底，其摻雜濃度、晶向、和厚度不同，其對不同波長光的吸收系數(shù)也不同。本發(fā)明使用的典型的紅寶石的吸收曲線如圖2所示。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的白光發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明通過選用一摻雜了過渡族金屬元素的紅寶石作為襯底，進(jìn)行外延生長GaN基發(fā)光二極管材料，在優(yōu)化的發(fā)光二極管的外延生長條件下，有效地提高紅光波段的光強(qiáng)度，降低了白光的色溫并提高了白光的顯色指數(shù)，即提高了白光發(fā)光二極管的發(fā)光質(zhì)量；2、本發(fā)明的方法保留了現(xiàn)有的背出光發(fā)光二極管器件工藝、熒光粉涂布工藝以及樹脂封裝流程，在不增加器件復(fù)雜性的前提下，從根本上提高了白光發(fā)光二極管的性能。


圖1是GaN基發(fā)光二極管的示意圖；圖2是本發(fā)明使用的紅寶石的光吸收曲線圖；圖3是本發(fā)明提供的白光發(fā)光二極管的示意圖；其中，1襯底，2GaN緩沖層，3n型GaN層，4發(fā)光層，5p型GaN層，6n型電極，7p型電極，8熒光粉層，9樹脂殼。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1、1)采用0.4mm厚的紅寶石(其為摻雜了0.01wt％過渡族金屬元素Cr的Al2O3，其光吸收曲線圖如圖2所示)作為襯底1，使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù)(MOCVD)在其上依次生長2μm的GaN緩沖層(由GaN組成)2、500nm的n型GaN層(由GaN組成)3、發(fā)光層(由勢壘層GaN和量子阱層In0.1Ga0.9N組成的5個周期的多量子阱，其中勢壘層GaN的厚度為10nm，量子阱層In0.1Ga0.9N的厚度為3nm)4、200nm的p型GaN層(由GaN組成)5，得到發(fā)光波長為430nm的藍(lán)紫光GaN發(fā)光二極管，如圖1所示；2)將步驟1)得到的發(fā)光二極管利用常規(guī)的SiO2掩膜及光刻技術(shù)，從n型GaN層和p型GaN層引出n型電極6和p型電極7，得到背出光的發(fā)光二極管；然后將紅寶石襯底用機(jī)械研磨的方法減薄到0.1mm；
所述的n型電極的材料和結(jié)構(gòu)為Ti/Al/Ti/Au、其厚度分別為2nm/200nm/2nm/1μm；所述的p型電極的材料和結(jié)構(gòu)為Ni/Au、其厚度分別為100nm/1μm；3)將步驟2)得到的背出光的發(fā)光二極管的襯底背面涂布30μm的黃光和綠光熒光粉(比例為2∶1)8，以得到所需色溫的白光發(fā)光；再用環(huán)氧樹脂9按照常規(guī)方法封裝，得到本發(fā)明的白光發(fā)光二極管。
與由常規(guī)工藝制備的普通白光發(fā)光二極管相比，該白光發(fā)光二極管是在紅寶石襯底上制備的，其紅光波段的光譜明顯加強(qiáng)，從而色溫從18400°K降低到17900°K，顯色指數(shù)也從76改善到85，得到了明顯的提高。
實(shí)施例2、1)采用0.5mm厚的紅寶石(其為摻雜了5wt％過渡族金屬元素Fe的Al2O3)作為襯底1，使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù)(MOCVD)在其上依次生長500nm的AlGaN緩沖層2、3μm的n型GaN層3、發(fā)光層(由勢壘層In0.01Ga0.99N和量子阱層In0.12Ga0.88N組成的10個周期的多量子阱，其中勢壘層In0.01Ga0.99N的厚度為12nm，量子阱層In0.12Ga0.88N的厚度為2nm)4、1μm的p型InAlGaN和GaN的組合p型層5，得到發(fā)光波長為470nm的藍(lán)光GaN發(fā)光二極管，如圖1所示；2)將步驟1)得到的發(fā)光二極管利用常規(guī)的SiO2掩膜及光刻技術(shù)，從n型GaN層和p型GaN層引出n型電極6和p型電極7，得到背出光的發(fā)光二極管；然后將紅寶石襯底用機(jī)械研磨的方法減薄到0.15mm；所述的n型電極的材料和結(jié)構(gòu)為Ti/Al/Ni/Au、其厚度分別為2nm/200nm/20nm/1μm；所述的p型電極的材料和結(jié)構(gòu)為Pt/Au、其厚度分別為100nm/2μm；3)將步驟2)得到的背出光的發(fā)光二極管的襯底背面涂布50μm的黃光熒光粉8，以得到所需色溫的白光發(fā)光；再用環(huán)氧樹脂9按照常規(guī)方法封裝，得到本發(fā)明的白光發(fā)光二極管。
與由普通常規(guī)工藝得到的白光發(fā)光二極管相比，該白光發(fā)光二極管是在紅寶石作襯底上制備的，其紅光波段的光譜明顯加強(qiáng)，從而色溫從18200°K降低到17800°K，顯色指數(shù)也從73改善到84，得到了明顯的提高。
權(quán)利要求
1.一種白光發(fā)光二極管，其包括一背出光的發(fā)光二極管，及在其襯底的背面上的熒光粉層，和其外部封裝用的樹脂殼，其特征在于所述的背出光的發(fā)光二極管包括一紅寶石襯底，其上依次為GaN緩沖層、n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層，以及分別從n型GaN層和p型GaN層引出的的n型電極和p型電極。
2.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述的紅寶石襯底為摻雜了0.01～5wt％過渡族金屬元素的Al2O3；厚度為0.05～0.2mm。
3.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述的GaN緩沖層為在異質(zhì)襯底上外延的過渡層，此過渡層的材料為GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或這幾種合金的組合，其厚度為100nm～10μm。
4.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述的n型GaN層為制備n型歐姆接觸的接觸層，此層為GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或這幾種合金的組合，厚度為50nm～3μm。
5.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述的發(fā)光層為發(fā)光二極管的有源層，此層為由勢壘層GaN或InyGa1-yN以及量子阱層InxGa1-xN組成的多量子阱，其中y＜x，量子阱的周期數(shù)為1～20，其中勢壘層厚度為5～20nm，量子阱層厚度為1～10nm。
6.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述的p型GaN層為制備p型歐姆接觸的接觸層，此層為GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或這幾種合金的組合，厚度為20nm～3μm。
7.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述的n型電極為Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au，厚度分別為1～10nm/10～500nm/1～10nm/200nm～2μm；所述的p型電極為Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為1～100nm/200nm～2μm。
8.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述的熒光粉層為藍(lán)光、綠光或黃光熒光粉的混合物涂層，其厚度為1μm～1mm。
9.如權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管，其特征在于所述的樹脂殼為環(huán)氧樹脂材料制成的殼。
10.一種權(quán)利要求1所述的白光發(fā)光二極管的制備方法，包括如下的步驟1)采用紅寶石作為襯底，使用常規(guī)的半導(dǎo)體器件的沉積技術(shù)在其上依次生長GaN緩沖層、n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層，得到發(fā)光波長為300～600nm的發(fā)光二極管；所述的紅寶石襯底為摻雜了0.01～5wt％過渡族金屬元素的Al2O3；厚度為0.4～0.5mm；所述的GaN緩沖層為GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或這幾種合金的組合，其厚度為100nm～10μm；所述的n型GaN層為GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或這幾種合金的組合，厚度為50nm～3μm；所述的發(fā)光層為發(fā)光二極管的有源層，此層為由勢壘層GaN或InyGa1-yN以及量子阱層InxGa1-xN組成的多量子阱，其中y＜x，量子阱的周期數(shù)為1～20，勢壘層厚度為5～20nm，量子阱層厚度為1～10nm；所述的p型GaN層為GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或這幾種合金的組合，厚度為20nm～3μm；2)將步驟1)得到的發(fā)光二極管利用常規(guī)的SiO2掩膜及光刻技術(shù)，從n型GaN層和p型GaN層分別引出n型電極和p型電極，得到背出光的發(fā)光二極管；然后將紅寶石襯底用機(jī)械研磨的方法減薄到0.05～0.2mm；所述的n型電極為Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au，厚度分別為1～10nm/10～500nm/1～10nm/200nm～2μm；所述的p型電極為Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為1～100nm/200nm～2μm；3)將步驟2)得到的背出光的發(fā)光二極管的襯底背面涂布各色熒光粉，以得到所需的綠光、藍(lán)光或黃光發(fā)光成分；再用樹脂按照常規(guī)方法封裝，得到本發(fā)明的白光發(fā)光二極管。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種白光發(fā)光二極管，其包括一背出光的發(fā)光二極管，及在其襯底的背面上的熒光粉層，和其外部封裝用的樹脂殼，所述的背出光的發(fā)光二極管包括一紅寶石襯底，其上依次為GaN緩沖層、n型GaN層、發(fā)光層、p型GaN層，以及引出的電極。該白光發(fā)光二極管是采用紅寶石作為襯底，使用常規(guī)的半導(dǎo)體器件的沉積技術(shù)在其上依次生長各層，得到的發(fā)光二極管利用SiO
文檔編號H01L33/00GK1937264SQ200510086450
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月21日
發(fā)明者周均銘, 陳弘, 郭麗偉, 邢志剛, 王曉輝, 汪洋 申請人:中國科學(xué)院物理研究所