一种白光发光二极管及其制备方法

文档序号:6853025阅读:149来源:国知局
专利名称:一种白光发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及到一种白光发光二极管,及其制备方法。
背景技术
白光发光二极管作为白光光源具有发光效率高、响应时间短、寿命长等诸多优点,这些优点决定了它将部分取代现有白光光源的趋势。目前普遍认同的白光发光二极管的制作方法有以下三种(1)由三个单独制作的或是单片集成的红光、绿光和蓝光发光二极管同时发光,从而混合得到白光,(2)由紫外或紫光发光二极管作为发光光源激发外层包裹的红绿蓝三色混合荧光粉,三色荧光粉的发光混合得到白光,(3)由蓝光发光二极管作为发光光源,部分地激发外层包裹的黄光荧光粉发出黄光,内部发光二极管所发蓝光和激发荧光粉得到的黄光混合得到白光。
其中,方法(1)由于成本和技术方面的原因还没有得到应用。方法(2)是制作比较简单也是最被看好的一种白光发光二极管的制作方法,但由于至今没有找到合适的耐紫外辐照的封装树脂以及缺乏高效的红色荧光粉,因而也没有得到普遍应用。方法(3)是目前已经被商业化的一种白光发光二极管制作方法,但是也存在缺乏合适的红光荧光粉的难题而使得制备的白光发光二极管的发光品质受到了限制;而且由两色光混合得到的白光光谱比较单一,此方法制备的白光发光二极管的光谱在长波波段(红光波段)严重缺失,所发的白光偏黄或是偏蓝(色温偏高),且显色指数比较低,导致这些白光发光二极管作为白光光源的应用范围比较狭窄,不能适应对发光质量要求较高的照明需求。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术制备的白光发光二极管的光谱在长波波段严重缺失,色温偏高且显色指数比较低的缺陷,从而提供一种可以提高红光波段的光强度、有效地降低了白光的色温并提高了白光的显色指数的白光发光二极管,及其制备方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的白光发光二极管,如图3所示,其包括一背出光的发光二极管,及在其衬底1的背面上的荧光粉层8,和其外部封装用的树脂壳9。
所述的背出光的发光二极管包括一红宝石衬底1,其上依次为GaN缓冲层2、n型GaN层3、发光层4、p型GaN层5,以及分别从n型GaN层和p型GaN层引出的n型电极6和p型电极7;所述的红宝石衬底为掺杂了0.01~5wt%过渡族金属元素的Al2O3;厚度为0.05~0.2mm;所述的过渡族金属元素包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等;所述的GaN缓冲层为在异质衬底上外延的过渡层,此过渡层的材料可为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合,其厚度为100nm~10μm;所述的n型GaN层为制备n型欧姆接触的接触层,此层可为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合,厚度为50nm~3μm;所述的发光层为发光二极管的有源层,此层为由势垒层GaN或InyGa1-yN以及量子阱层InxGa1-xN组成的多量子阱(其中y<x),量子阱的周期数为1~20,其中势垒层厚度为5~20nm,量子阱层厚度为1~10nm;所述的p型GaN层为制备p型欧姆接触的接触层,此层可为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合,厚度为20nm~3μm;所述的n型电极由多层金属组合而成,常用的电极材料和结构为Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au,厚度分别为1~10nm/10~500nm/1~10nm/200nm~2μm;所述的p型电极由多层金属组合而成,常用的电极材料和结构为Ni/Au或Pt/Au,厚度分别为1~100nm/200nm~2μm;所述的荧光粉层优选为蓝光、绿光或黄光荧光粉的混合物涂层,通常的荧光粉材料为稀土铝酸盐,其厚度为10nm~10μm;所述的树脂壳由常规的、透光性好的环氧树脂材料制成。
本发明提供一种上述白光发光二极管的制备方法,包括如下的步骤1)采用红宝石作为衬底,使用常规的半导体器件的沉积技术在其上依次生长GaN缓冲层、n型GaN层、发光层、p型GaN层,得到发光波长为300~600nm的发光二极管;所述的红宝石衬底为掺杂了0.01~5wt%过渡族金属元素的Al2O3;厚度为0.4~0.5mm;所述的过渡族金属元素包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等;
所述的GaN缓冲层为GaN、AlGaN、InAiN、InAlGaN或这几种合金的组合,其厚度为100nm~10μm;所述的n型GaN层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合,厚度为50nm~3μm;所述的发光层为发光二极管的有源层,此层为由势垒层GaN或InyGa1-yN以及量子阱层InxGa1-xN组成的多量子阱(其中y<x),量子阱的周期数为1~20,其中势垒层厚度为5~20nm,量子阱层厚度为1~10nm;所述的p型GaN层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合,厚度为20nm~3μm;2)将步骤1)得到的发光二极管利用常规的SiO2掩膜及光刻技术,从n型GaN层和p型GaN层分别引出n型电极6和p型电极7,得到背出光的发光二极管;然后将红宝石衬底用机械研磨的方法减薄到0.05~0.2mm;所述的n型电极由多层金属组合而成,常用的电极材料和结构为Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au,厚度分别为1~10nm/10~500nm/1~10nm/200nm~2μm;所述的p型电极由多层金属组合而成,常用的电极材料和结构为Ni/Au或Pt/Au,厚度分别为1~100nm/200nm~2μm;3)将步骤2)得到的背出光的发光二极管的衬底背面涂布各色荧光粉,以得到所需的绿光、蓝光或黄光发光成分;再用树脂按照常规方法封装,得到本发明的白光发光二极管;所述的荧光粉层优选为蓝光、绿光或黄光荧光粉的混合物涂层,通常的荧光粉材料为稀土铝酸盐,其厚度为1μm~1mm;所述的树脂壳由常规的、透光性好的环氧树脂材料制成。
本发明是针对目前缺乏有效的红光荧光粉而造成白光发光二极管在红光波段缺失的实际情况而提出的新方法。本发明以掺杂的红宝石作为衬底生长紫外、紫光以及蓝光发光二极管结构,作为激发白光发光二极管外层包裹荧光粉的激发光源,结合背出光的器件封装结构,来改进白光发光二极管的色温和显色指数。
本发明提供的白光发光二极管根据所选择的发光二极管的发光波长,通过对红宝石衬底的减薄,来调节红宝石衬底对光的吸收比例;并通过采用不同的荧光粉来得到白光,例如,用紫外光激发的白光发光二极管需要选用蓝光、绿光荧光粉,而用蓝光激发的白光发光二极管则需要选用黄光荧光粉。
不同的红宝石衬底,其掺杂浓度、晶向、和厚度不同,其对不同波长光的吸收系数也不同。本发明使用的典型的红宝石的吸收曲线如图2所示。
与现有技术相比,本发明提供的白光发光二极管的优点在于1、本发明通过选用一掺杂了过渡族金属元素的红宝石作为衬底,进行外延生长GaN基发光二极管材料,在优化的发光二极管的外延生长条件下,有效地提高红光波段的光强度,降低了白光的色温并提高了白光的显色指数,即提高了白光发光二极管的发光质量;2、本发明的方法保留了现有的背出光发光二极管器件工艺、荧光粉涂布工艺以及树脂封装流程,在不增加器件复杂性的前提下,从根本上提高了白光发光二极管的性能。


图1是GaN基发光二极管的示意图;图2是本发明使用的红宝石的光吸收曲线图;图3是本发明提供的白光发光二极管的示意图;其中,1衬底,2GaN缓冲层,3n型GaN层,4发光层,5p型GaN层,6n型电极,7p型电极,8荧光粉层,9树脂壳。
具体实施例方式
实施例1、1)采用0.4mm厚的红宝石(其为掺杂了0.01wt%过渡族金属元素Cr的Al2O3,其光吸收曲线图如图2所示)作为衬底1,使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD)在其上依次生长2μm的GaN缓冲层(由GaN组成)2、500nm的n型GaN层(由GaN组成)3、发光层(由势垒层GaN和量子阱层In0.1Ga0.9N组成的5个周期的多量子阱,其中势垒层GaN的厚度为10nm,量子阱层In0.1Ga0.9N的厚度为3nm)4、200nm的p型GaN层(由GaN组成)5,得到发光波长为430nm的蓝紫光GaN发光二极管,如图1所示;2)将步骤1)得到的发光二极管利用常规的SiO2掩膜及光刻技术,从n型GaN层和p型GaN层引出n型电极6和p型电极7,得到背出光的发光二极管;然后将红宝石衬底用机械研磨的方法减薄到0.1mm;
所述的n型电极的材料和结构为Ti/Al/Ti/Au、其厚度分别为2nm/200nm/2nm/1μm;所述的p型电极的材料和结构为Ni/Au、其厚度分别为100nm/1μm;3)将步骤2)得到的背出光的发光二极管的衬底背面涂布30μm的黄光和绿光荧光粉(比例为2∶1)8,以得到所需色温的白光发光;再用环氧树脂9按照常规方法封装,得到本发明的白光发光二极管。
与由常规工艺制备的普通白光发光二极管相比,该白光发光二极管是在红宝石衬底上制备的,其红光波段的光谱明显加强,从而色温从18400°K降低到17900°K,显色指数也从76改善到85,得到了明显的提高。
实施例2、1)采用0.5mm厚的红宝石(其为掺杂了5wt%过渡族金属元素Fe的Al2O3)作为衬底1,使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD)在其上依次生长500nm的AlGaN缓冲层2、3μm的n型GaN层3、发光层(由势垒层In0.01Ga0.99N和量子阱层In0.12Ga0.88N组成的10个周期的多量子阱,其中势垒层In0.01Ga0.99N的厚度为12nm,量子阱层In0.12Ga0.88N的厚度为2nm)4、1μm的p型InAlGaN和GaN的组合p型层5,得到发光波长为470nm的蓝光GaN发光二极管,如图1所示;2)将步骤1)得到的发光二极管利用常规的SiO2掩膜及光刻技术,从n型GaN层和p型GaN层引出n型电极6和p型电极7,得到背出光的发光二极管;然后将红宝石衬底用机械研磨的方法减薄到0.15mm;所述的n型电极的材料和结构为Ti/Al/Ni/Au、其厚度分别为2nm/200nm/20nm/1μm;所述的p型电极的材料和结构为Pt/Au、其厚度分别为100nm/2μm;3)将步骤2)得到的背出光的发光二极管的衬底背面涂布50μm的黄光荧光粉8,以得到所需色温的白光发光;再用环氧树脂9按照常规方法封装,得到本发明的白光发光二极管。
与由普通常规工艺得到的白光发光二极管相比,该白光发光二极管是在红宝石作衬底上制备的,其红光波段的光谱明显加强,从而色温从18200°K降低到17800°K,显色指数也从73改善到84,得到了明显的提高。
权利要求
1.一种白光发光二极管,其包括一背出光的发光二极管,及在其衬底的背面上的荧光粉层,和其外部封装用的树脂壳,其特征在于所述的背出光的发光二极管包括一红宝石衬底,其上依次为GaN缓冲层、n型GaN层、发光层、p型GaN层,以及分别从n型GaN层和p型GaN层引出的的n型电极和p型电极。
2.如权利要求1所述的白光发光二极管,其特征在于所述的红宝石衬底为掺杂了0.01~5wt%过渡族金属元素的Al2O3;厚度为0.05~0.2mm。
3.如权利要求1所述的白光发光二极管,其特征在于所述的GaN缓冲层为在异质衬底上外延的过渡层,此过渡层的材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合,其厚度为100nm~10μm。
4.如权利要求1所述的白光发光二极管,其特征在于所述的n型GaN层为制备n型欧姆接触的接触层,此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合,厚度为50nm~3μm。
5.如权利要求1所述的白光发光二极管,其特征在于所述的发光层为发光二极管的有源层,此层为由势垒层GaN或InyGa1-yN以及量子阱层InxGa1-xN组成的多量子阱,其中y<x,量子阱的周期数为1~20,其中势垒层厚度为5~20nm,量子阱层厚度为1~10nm。
6.如权利要求1所述的白光发光二极管,其特征在于所述的p型GaN层为制备p型欧姆接触的接触层,此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合,厚度为20nm~3μm。
7.如权利要求1所述的白光发光二极管,其特征在于所述的n型电极为Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au,厚度分别为1~10nm/10~500nm/1~10nm/200nm~2μm;所述的p型电极为Ni/Au或Pt/Au,厚度分别为1~100nm/200nm~2μm。
8.如权利要求1所述的白光发光二极管,其特征在于所述的荧光粉层为蓝光、绿光或黄光荧光粉的混合物涂层,其厚度为1μm~1mm。
9.如权利要求1所述的白光发光二极管,其特征在于所述的树脂壳为环氧树脂材料制成的壳。
10.一种权利要求1所述的白光发光二极管的制备方法,包括如下的步骤1)采用红宝石作为衬底,使用常规的半导体器件的沉积技术在其上依次生长GaN缓冲层、n型GaN层、发光层、p型GaN层,得到发光波长为300~600nm的发光二极管;所述的红宝石衬底为掺杂了0.01~5wt%过渡族金属元素的Al2O3;厚度为0.4~0.5mm;所述的GaN缓冲层为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合,其厚度为100nm~10μm;所述的n型GaN层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合,厚度为50nm~3μm;所述的发光层为发光二极管的有源层,此层为由势垒层GaN或InyGa1-yN以及量子阱层InxGa1-xN组成的多量子阱,其中y<x,量子阱的周期数为1~20,势垒层厚度为5~20nm,量子阱层厚度为1~10nm;所述的p型GaN层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合,厚度为20nm~3μm;2)将步骤1)得到的发光二极管利用常规的SiO2掩膜及光刻技术,从n型GaN层和p型GaN层分别引出n型电极和p型电极,得到背出光的发光二极管;然后将红宝石衬底用机械研磨的方法减薄到0.05~0.2mm;所述的n型电极为Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au,厚度分别为1~10nm/10~500nm/1~10nm/200nm~2μm;所述的p型电极为Ni/Au或Pt/Au,厚度分别为1~100nm/200nm~2μm;3)将步骤2)得到的背出光的发光二极管的衬底背面涂布各色荧光粉,以得到所需的绿光、蓝光或黄光发光成分;再用树脂按照常规方法封装,得到本发明的白光发光二极管。
全文摘要
本发明涉及到一种白光发光二极管,其包括一背出光的发光二极管,及在其衬底的背面上的荧光粉层,和其外部封装用的树脂壳,所述的背出光的发光二极管包括一红宝石衬底,其上依次为GaN缓冲层、n型GaN层、发光层、p型GaN层,以及引出的电极。该白光发光二极管是采用红宝石作为衬底,使用常规的半导体器件的沉积技术在其上依次生长各层,得到的发光二极管利用SiO
文档编号H01L33/00GK1937264SQ200510086450
公开日2007年3月28日 申请日期2005年9月21日 优先权日2005年9月21日
发明者周均铭, 陈弘, 郭丽伟, 邢志刚, 王晓辉, 汪洋 申请人:中国科学院物理研究所
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1