專利名稱：一種高白光光效氮化鎵led管芯結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有復(fù)合反射膜的氮化鎵LED芯片結(jié)構(gòu)，屬于發(fā)光二極管器件制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點(diǎn)，被稱為第四代照明光源或綠色光源，可廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。近年來，世界上一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家圍繞LED的研制展開了激烈的技術(shù)競賽。美國從2000年起投資5億美元實(shí)施“國家半導(dǎo)體照明計(jì)劃”，歐盟也在2000年7月宣布啟動(dòng)類似的“彩虹計(jì)劃”。我國科技部在“863”計(jì)劃的支持下，2003年6月提出發(fā)展半導(dǎo)體照明計(jì)劃。照明用白光LED多是以藍(lán)色LED為基礎(chǔ)光源，將藍(lán)色LED發(fā)出的一部分藍(lán)光用來激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出黃綠光或紅光和綠光，另一部分藍(lán)色光透射出來，與熒光粉發(fā)出的黃綠光或紅光和綠光組成白光。藍(lán)色LED發(fā)出的藍(lán)色光(發(fā)光峰值波長在430nm或470nm)可與黃綠色突光粉發(fā)出的黃綠光組成白光,也可與發(fā)出的發(fā)光峰值在650nm的紅光和發(fā)光峰值在540nm的綠光組成白光。目前，國內(nèi)外制作白光LED的方法是先將LED芯片放置在封裝的基片上，在芯片周圍涂敷YAG熒光粉，再用環(huán)氧樹脂包封。樹脂既起保護(hù)芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍(lán)色光射到熒光粉層內(nèi)經(jīng)多次散亂的反射、吸收，最后向外部發(fā)出。LED發(fā)出的部分藍(lán)色光激發(fā)黃色的YAG熒光粉層，使其發(fā)出黃色光(峰值為555nm)，一部分藍(lán)色光直接或反射后向外發(fā)出，藍(lán)色光與熒光粉激發(fā)的黃色光，根據(jù)補(bǔ)色關(guān)系，兩色光相混后即可得到白光。提高白光LED光效，最主要是增加其核心器件藍(lán)色LED的出光率，在盡可能多的藍(lán)色光范圍內(nèi)，使熒光粉相遇激發(fā)的藍(lán)色光和未激發(fā)藍(lán)色光混色比顯色指數(shù)和色坐標(biāo)為最佳的白光比。在實(shí)際器件中，這與激發(fā)黃光的熒光粉層涂覆均勻性和厚度有很大關(guān)系，熒光粉量少激發(fā)黃光少，白光顯色冷偏藍(lán)。熒光粉量過多，激發(fā)的黃光多混色白光偏綠，色純度不高。在藍(lán)光與黃光混合比列相當(dāng)?shù)那闆r下，盡可能的使其從器件中提取出來，不再損失掉也是提聞LED白光光效的很重要的關(guān)鍵點(diǎn)。在提高白光LED光效的諸多技術(shù)中，大多是關(guān)于高發(fā)光效率藍(lán)光LED、改良封裝工藝、優(yōu)化熒光粉配比等工藝技術(shù)，這些方法技術(shù)只是單純的從某一角度提高白光的效果，最終的結(jié)果是白光的顯色指數(shù)、色純度、色溫、光效等不能很好的結(jié)合。也有采用背面金屬反射鏡芯片工藝，但單一金屬材料往往對某一波段光強(qiáng)烈吸收或散射，很難有金屬反射鏡對整個(gè)波域高反射率，尤其是在藍(lán)光LED芯片中高反射藍(lán)光的金屬材料只有Al和Ag，而金屬Al反射率最高不過80%，金屬Ag反射率高但其受環(huán)境以及自身膨脹系數(shù)、表面狀態(tài)特點(diǎn)，很難粘附在藍(lán)寶石上面。因此，對GaN藍(lán)光背面反射鏡研究一直是應(yīng)用照明領(lǐng)域功率芯片的研究熱點(diǎn)。中國專利CN200810055710. 9公開了一種在減薄的芯片背面蒸鍍反射膜，提高發(fā)光二極管光取出效率的方法，其中反射膜包括介質(zhì)膜和金屬膜，介質(zhì)膜成分為氧化娃和氧化鈦結(jié)構(gòu)；該專利文件只是單純從提高二極管芯片背向反射出光，利用透明無吸收高低折射率介質(zhì)反射膜對LED芯片高反射，輔助金屬反射膜提高寬波范圍反射，以提高芯片整體反射率。該介質(zhì)金屬反射膜并沒有針對芯片應(yīng)用封裝白光光效提升研究設(shè)計(jì)。隨著LED照明應(yīng)用，在通用照明領(lǐng)域如何最大程度提高藍(lán)光轉(zhuǎn)換白光光效，成為外延、芯片、封裝整個(gè)工藝中研究的熱點(diǎn)，但在反射膜應(yīng)用領(lǐng)域尚未見提高藍(lán)光轉(zhuǎn)換白光光效的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了提聞監(jiān)光轉(zhuǎn)換白光光效，本發(fā)明提供一種聞白光光效的氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)。術(shù)語說明DBR,分布式布拉格反射鏡的常規(guī)簡稱。
LED，發(fā)光二極管的簡稱。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種高白光光效的氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)，包括自上而下的P電極、P型電流擴(kuò)展層、量子阱有源區(qū)、N型層、N電極、襯底、反射膜；其中所述反射膜蒸鍍在減薄拋光的襯底背面，該反射膜是一種多重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，由兩種介質(zhì)膜材料組合、且膜系結(jié)構(gòu)是多波段光波反射；所述介質(zhì)膜材料選自Ti02、SiO2，每個(gè)周期各材料層交替，介質(zhì)膜周期數(shù)6-25，總層數(shù)12-50層。每個(gè)周期內(nèi)各層厚度根據(jù)所控反射的主波長而定，使各層介質(zhì)膜光學(xué)厚度為所控反射波長的四分之一倍。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案是所述襯底背面的反射膜是兩重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，所述兩重復(fù)合DBR介質(zhì)膜是藍(lán)光460nm高反射和黃光580nm高反射的復(fù)合膜；是在襯底背面依次蒸鍍Ti02、SiO2薄膜，其中前3-5周期薄膜厚度為460nm高反射膜系，后3_5周期薄膜厚度為580nm高反射膜系。整體膜系在藍(lán)光段和黃光段兩個(gè)波段有高反射峰。更為具體的技術(shù)方案是，利用介質(zhì)膜電子束蒸發(fā)臺(tái)，在真空KTtorr壓力下，蒸鍍Ti02、Si02介質(zhì)的折射率分別為2. 35和I. 46 ;蒸鍍Ti02、Si02交替薄膜，共6周期12層，其中前3周期膜厚度為460nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度115nm，后3周期膜厚度為580nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度分別為145nm。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選方案是所述襯底背面的反射膜是三重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，所述三重復(fù)合DBR介質(zhì)膜是460nm藍(lán)光高反射、5IOnm綠光高反射和580nm黃光高反射的復(fù)合膜；整個(gè)DBR結(jié)構(gòu)共有三個(gè)波段高反膜系。更為具體的技術(shù)方案是，利用介質(zhì)膜電子束蒸發(fā)臺(tái)，在真空KTtorr壓力下，蒸鍍TiO2' SiO2介質(zhì)的折射率分別為2. 35和I. 46 ;依次蒸鍍TiO2' SiO2交替薄膜，共6周期12層，其中前2周期膜厚度為460nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度115nm，依次接下來的2周期膜厚度為510nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度分別為127nm ;最后2個(gè)周期為 580nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度分別為145nm。依次類推，所述襯底背面的反射膜還還可以是四重復(fù)合、五重復(fù)合的DBR介質(zhì)膜，因?yàn)榉瓷淠ず穸扔蟹瓷洳ㄩL決定，膜系不是單一波高反射，因此出現(xiàn)不同厚度的周期結(jié)構(gòu)，所以本發(fā)明的DBR介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)為變周期交替。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述襯底是Al2O3襯底或SiC襯底。進(jìn)一步的，在本發(fā)明氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)的多重復(fù)合DBR介質(zhì)膜上蒸鍍金屬反射膜，按現(xiàn)有技術(shù)即可。本發(fā)明的高白光光效的氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟如下(I)按照常規(guī)工藝制備LED管芯，并將襯底減磨拋光到80-150 U m的厚度；(2)在上述減磨拋光后的芯片襯底背面蒸鍍多重復(fù)合DBR介質(zhì)膜；所述介質(zhì)膜材料選自Ti02、Si02，每個(gè)周期兩種材料交替，介質(zhì)膜總層數(shù)12-50層，每個(gè)周期內(nèi)各層厚度根據(jù)所控反射的波長而定，使各層介質(zhì)膜光學(xué)厚度為所控反射波長的四分之一倍；(3)在多重復(fù)合DBR介質(zhì)膜上，電子束蒸發(fā)上一層50nm_300nm厚的金屬薄膜；該金屬薄膜主要對DBR起到保護(hù)的作用，金屬薄膜材料是Al、Ag、Au 一種或者它們的合金。 (4)切割劃裂芯片。本發(fā)明的GaN LED管芯的DBR反射膜為多波段復(fù)合介質(zhì)膜，藍(lán)色光高反射和黃色光高反射的，整體膜系在藍(lán)光段和黃光段兩個(gè)波段有高反射峰。藍(lán)光高反射、綠光高反射和黃光高反射的復(fù)合膜，整個(gè)DBR結(jié)構(gòu)共有三個(gè)波段高反膜系。多重膜系還可以增加其他波段高反。一方面增加整個(gè)高反膜波寬；一方面藍(lán)色高反射使得量子阱有源區(qū)復(fù)合的藍(lán)光被該層反射會(huì)正向與熒光粉復(fù)合激發(fā)或正面發(fā)射，黃色高反射使得熒光粉已經(jīng)激發(fā)的黃光經(jīng)該高反層反射回正面出射面，這樣會(huì)有較多的藍(lán)光和黃光混色成白光。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)良效果現(xiàn)有的提高背面反射光芯片工藝，未見有反射鏡對整個(gè)波域高反射率，尤其是在藍(lán)光LED芯片熒光粉激發(fā)黃光混合白光芯片中，單一高反射藍(lán)光的背鍍鏡材料工藝非常普遍，但此類反射鏡反射率很難涵蓋藍(lán)黃寬波域。本發(fā)明多重復(fù)合介質(zhì)反射膜結(jié)構(gòu)高反波段可以涵蓋藍(lán)、黃光波段，對尤其整個(gè)藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉混封白光中，藍(lán)色和黃色均可設(shè)計(jì)高反，極大提高整體白光光效。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)具有反射鏡結(jié)構(gòu)的GaN LED管芯結(jié)構(gòu)不意圖；I、反射I旲,2、襯底，
3、N電極，4、P電極，24、^6&125、量子阱有源區(qū)，26、？-6&127、卩電流擴(kuò)展層；圖2是本發(fā)明實(shí)施例I中復(fù)合DBR介質(zhì)膜反射膜的GaN LED管芯示意圖；21、金屬反射鏡，22、黃光段高反射膜，23、藍(lán)光段高反射膜；圖中介質(zhì)反射膜黑白相間表示一個(gè)周期兩種材料組成膜系；圖3是應(yīng)用本發(fā)明GaN LED管芯結(jié)構(gòu)封裝白光結(jié)構(gòu)示意圖；5、芯片，6、負(fù)極，7、正極，8、黃光，9、藍(lán)光，10、黃光熒光粉，11、白光。圖中箭頭之間表示光出射。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例I、兩重復(fù)合DBR介質(zhì)膜的氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)具有復(fù)合DBR介質(zhì)反射膜的GaN基LED管芯結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括自上而下的P電極4、P型電流擴(kuò)展層27、量子阱有源區(qū)25、N型層24、N電極3、襯底2、反射膜I ;其中所述反射膜蒸鍍在減薄拋光的Al2O3襯底2背面，該反射膜是一種兩重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，由TiO2, SiO2兩種介質(zhì)膜材料交替組合，介質(zhì)膜總層數(shù)12層，共6對。其中前三對膜為460nm波段高反射膜23，每對膜光學(xué)厚度分別為115nm，后三對膜為580nm波段高反射膜22，每對膜光學(xué)厚度分別為145nm。在兩重復(fù)合DBR介質(zhì)膜上還蒸鍍有200nm厚的金屬Al薄膜作為金屬反射鏡21。按如下步驟制備(I)按照常規(guī)工藝在Al2O3襯底或SiC襯底上依次外延生長GaN成核層、N_GaN、量子阱有源區(qū)、P-GaN等結(jié)構(gòu)；表面處理后，經(jīng)過蒸鍍P面電流擴(kuò)展層，ICP刻蝕N-GaN臺(tái)階，PN焊盤電極工藝，制備出圖形大小合適的LED管芯，并減磨拋光到100 u m的厚度；(2)在上述減磨拋光后的芯片背面蒸鍍兩重復(fù)合D BR介質(zhì)膜；其中蒸鍍介質(zhì)膜電子束蒸發(fā)臺(tái)，在真空10_7torr壓力下，TiO2> SiO2介質(zhì)的折射率分別為2. 35和I. 46 ;依次蒸鍍Ti02、SiO2交替薄膜，共6對12層，其中前三對膜厚度為460nm波段高反膜，每對膜光學(xué)厚度分別115nm，后三對膜厚度為580nm波段高反，每對膜光學(xué)厚度分別為145nm。(3)在鍍完DBR介質(zhì)膜上，電子束蒸發(fā)上一層200nm厚的金屬Al薄膜。(4)切割劃裂芯片。實(shí)施例2 :三重復(fù)合DBR介質(zhì)膜的氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)所述襯底背面的反射膜是三重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，所述三重復(fù)合DBR介質(zhì)膜是460nm藍(lán)光高反射、510nm綠光高反射和580nm黃光高反射的復(fù)合膜；整個(gè)DBR結(jié)構(gòu)共有三個(gè)波段高反膜系。利用介質(zhì)膜電子束蒸發(fā)臺(tái)，在真空10_7torr壓力下,蒸鍍Ti02、Si02介質(zhì)的折射率分別為2. 35和I. 46 ;依次蒸鍍TiO2、SiO2交替薄膜，共6周期12層，其中前2周期膜厚度為460nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度115nm，依次接下來的2周期膜厚度為510nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度分別為127nm ;最后2個(gè)周期為580nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度分別為145nm。 實(shí)施例3 實(shí)施例I氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用如圖3所示，具有復(fù)合DBR介質(zhì)反射膜的GaN基LED芯片白光封裝應(yīng)用示例將上述實(shí)施例I的GaN LED管芯，按照芯片封裝工藝將芯粒固晶在碗杯里并焊線連通底座正極7、負(fù)極6，涂覆黃色熒光粉10，并封膠蓋帽。芯片5多重復(fù)合反射膜藍(lán)色高反射使得量子阱有源區(qū)復(fù)合的藍(lán)光9被該層反射會(huì)正向與熒光粉復(fù)合激發(fā)或正面發(fā)射，黃色高反射使得熒光粉已經(jīng)激發(fā)的黃光8經(jīng)該高反層反射回正面出射面，這樣較多的藍(lán)光和黃光混色成白光11，從而達(dá)到聞白光光效。實(shí)驗(yàn)測得白光光效801m/w,相比正常工藝提聞10%。
權(quán)利要求
1.一種高白光光效的氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)，包括自上而下的P電極、P型電流擴(kuò)展層、量子阱有源區(qū)、N型層、N電極、襯底、反射膜；其中所述反射膜蒸鍍在減薄拋光的襯底背面，該反射膜是一種多重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，由兩種介質(zhì)膜材料組合、且膜系結(jié)構(gòu)是多波段光波反射；所述介質(zhì)膜材料選自Ti02、SiO2，每個(gè)周期各材料層交替，介質(zhì)膜周期數(shù)6-25，總層數(shù)12-50 層。
2.如權(quán)利要求I中所述氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)，其特征在于所述襯底背面的反射膜是兩重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，所述兩重復(fù)合DBR介質(zhì)膜是藍(lán)光460nm高反射和黃光580nm高反射的復(fù)合膜；是在襯底背面依次蒸鍍Ti02、Si02薄膜，其中前3-5周期薄膜厚度為460nm高反射膜系，后3-5周期薄膜厚度為580nm高反射膜系；整體膜系在藍(lán)光段和黃光段兩個(gè)波段有高反射峰。
3.如權(quán)利要求2中所述氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)，其特征在于利用介質(zhì)膜電子束蒸發(fā)臺(tái)，在真空10_7torr壓力下，蒸鍍Ti02、Si02介質(zhì)的折射率分別為2. 35和I. 46 ;蒸鍍Ti02、Si02交替薄膜，共6周期12層，其中前3周期膜厚度為460nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度115nm，后3周期膜厚度為580nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度分別為145nm。
4.如權(quán)利要求I中所述氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)，其特征在于所述襯底背面的反射膜是三重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，所述三重復(fù)合DBR介質(zhì)膜是460nm藍(lán)光高反射、5IOnm綠光高反射和580nm黃光高反射的復(fù)合膜；整個(gè)DBR結(jié)構(gòu)共有三個(gè)波段高反膜系。
5.如權(quán)利要求4中所述氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)，其特征在于利用介質(zhì)膜電子束蒸發(fā)臺(tái)，在真空10_7torr壓力下，蒸鍍Ti02、Si02介質(zhì)的折射率分別為2. 35和I. 46 ;依次蒸鍍Ti02、SiO2交替薄膜，共6周期12層，其中前2周期膜厚度為460nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度115nm，依次接下來的2周期膜厚度為510nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度分別為127nm ;最后2個(gè)周期為580nm波段高反射膜系，每周期膜光學(xué)厚度分別為145nm。
6.如權(quán)利要求I中所述氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)，其特征在于所述襯底是Al2O3襯底或SiC襯底。
7.權(quán)利要求I所述高白光光效的氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟如下 (1)按照常規(guī)工藝制備LED管芯，并將襯底減磨拋光到80-150u m的厚度； (2)在上述減磨拋光后的芯片襯底背面蒸鍍多重復(fù)合DBR介質(zhì)膜；所述介質(zhì)膜材料選自Ti02、Si02，每個(gè)周期兩種材料交替，介質(zhì)膜總層數(shù)12-50層，每個(gè)周期內(nèi)各層厚度根據(jù)所控反射的波長而定，使各層介質(zhì)膜光學(xué)厚度為所控反射波長的四分之一倍； (3)在多重復(fù)合DBR介質(zhì)膜上，電子束蒸發(fā)上一層50nm-300nm厚的金屬薄膜；該金屬薄膜主要對DBR起到保護(hù)的作用，金屬薄膜材料是Al、Ag、Au —種或者它們的合金； (4)切割劃裂芯片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高白光光效的氮化鎵LED管芯結(jié)構(gòu)，該GaN LED管芯的DBR反射膜蒸鍍在減薄拋光的襯底背面，該反射膜是一種多重復(fù)合DBR介質(zhì)膜，由兩種介質(zhì)膜材料組合、且膜系結(jié)構(gòu)是多波段光波反射；所述介質(zhì)膜材料選自TiO2、SiO2，每個(gè)周期各材料層交替，介質(zhì)膜周期數(shù)6-25，總層數(shù)12-50層。一方面增加整個(gè)高反膜波寬，另一方面藍(lán)色高反射使得量子阱有源區(qū)復(fù)合的藍(lán)光被該層反射會(huì)正向與熒光粉復(fù)合激發(fā)或正面發(fā)射，黃色高反射使得熒光粉已經(jīng)激發(fā)的黃光經(jīng)該高反層反射回正面出射面，這樣有較多的藍(lán)光和黃光混色成白光。對GaN藍(lán)光LED封裝白光光效提升明顯。
文檔編號(hào)H01L33/10GK102738330SQ201110082400
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者馮健, 李樹強(qiáng), 沈燕, 王成新, 藺福合 申請人:山東華光光電子有限公司