一种制备单芯片超宽带白光LED的方法与流程

本发明涉及一种LED照明技术，特别涉及一种制备单芯片超宽带白光LED的方法。

背景技术：

白光发光二极管（LED ）因其节能、环保、长寿命等优点作为新一代光源而被广泛使用在照明、显示器和车灯等领域。目前，商业用白光LED 光源封装，主要采用在蓝光LED 芯片上覆盖荧光粉。这种蓝光芯片发射带较窄，通过复合LED 基板产生的短波长蓝光和荧光粉发射的长波长黄光，从而得到宽带白光发射。封装工艺为硅胶混合荧光粉粘接在蓝光芯片上。然而, 硅胶为有机物，Tg（玻璃化转变温度）只有150℃左右且热导率低，在光源使用过程中极易出现老化而变黄。硅胶老化会造成封装结构不稳定，荧光粉和芯片粘接不牢，也易出现压断焊接金线而造成死灯现象，硅胶变黄会造成光源色温漂移，以上不稳定因素都极大影响了LED 光源可靠性和使用寿命，限制了大功率LED 的发展。

另一种实现白光LED 的方法是采用多种LED 晶粒复合发白光，每种LED 晶粒可以发射不同波长的光。例如，通过改变InGaN/GaN 基LED 中铟的含量，一个LED 晶粒可以实现蓝光，蓝/绿光和紫外光/琥珀光发射。近年来，有研究表明通过控制InGaN/GaN 纳米柱状阵列的直径来改变铟成分含量，可以实现可调节波长发射。然而，多晶粒的使用很大程度上会增加LED 发光的复杂性带来的成本，阻碍了这一技术的更广泛使用。

技术实现要素：

本发明是针对LED制备存在的问题，提出了一种制备单芯片超宽带白光LED的方法，该芯片不需要表面涂敷荧光粉，仅靠单芯片本身的发光即能实现白光发射，解决单芯片超宽带白光发射稳定性、发光效率等核心问题。

本发明的技术方案为：一种制备单芯片超宽带白光LED的方法，采用飞秒激光器在蓝宝石衬底上分区域刻蚀出纳米尺寸的凹槽形成图形化纳米结构，每个区域刻蚀出具有不同深度的凹槽，然后在此结构上生长InGaN/GaN量子阱，不同区域LED 晶粒可发射出不同波长的光，这些光的复合产生白色光。

所述制备单芯片超宽带白光LED的方法，具体包括如下步骤：

1）图形化蓝宝石衬底的制备：

A: 制备装置包括飞秒激光器，蓝宝石衬底，一个聚焦透镜，一个计算机可控的移动平台；飞秒激光器发射出的激光经过聚焦透镜聚焦后在蓝宝石衬底上进行刻蚀，再通过计算机自动控制蓝宝石衬底按照预定的方向移动使之刻出所要的形状；

B:采用钛宝石飞秒激光器，其峰值波长为780nm，重复频率为1000Hz，脉冲持续时间为150fs，且刻蚀光源的单位脉冲能量为2mJ；

C:采用强刻蚀激光对蓝宝石进行图案化刻蚀，强刻蚀激光即为激光的能量密度超过4.8J/cm²；

D:在一块蓝宝石衬底上分四个不同区域，每个区域刻蚀出具有相同宽度和深度的凹槽阵列,且相邻凹槽之间的距离都一致，各个区域刻蚀深度按设计要求不同；

2）基于刻蚀后的蓝宝石衬底制备单芯片白光InGaN/GaN LED：

采用金属有机化学气相沉淀法MOCVD在激光刻蚀后的蓝宝石衬底上生长外延层，得到InGaN/GaN 基LED，其从激光刻蚀后的蓝宝石衬底向上，整个覆盖非掺杂GaN层，然后非掺杂GaN层一边依次向上包括同面积的： N型GaN层、7个周期的多InGaN/GaN量子阱层和p型GaN层，在p型GaN层和非掺杂GaN层另一边上分别有电极P和N；7个周期的多InGaN/GaN量子阱层即由GaN层和InGaN层相互交替叠加形成的七个周期的量子阱层。

本发明的有益效果在于：本发明制备单芯片超宽带白光LED的方法，单芯片LED，不需要在表面涂敷荧光粉，仅靠单芯片本身的发光就能实现白光发射；通过向量子阱中掺杂铟元素，可以制造出超宽带的LED；在不产生斯托克位移下发光效率会更高；在不需要荧光粉的转换条件下可以大大降低成本。推动无荧光粉单芯片超宽带白光LED 器件科学与技术的发展。

附图说明

图1为本发明经过激光刻蚀后的蓝宝石的结构示意图；

图2为本发明超宽带单芯片InGaN/GaN LED的结构示意图；

图3为本发明在单芯片上分块构建发白光的LED结构示意图。

具体实施方式

本发明首先通过飞秒激光刻蚀工艺制备出图形化蓝宝石衬底，其次再利用MOCVD（中文名称）（金属有机化学气相沉淀法）方法在图形化衬底上生长多量子阱InGaN/GaN LED。

本实施例制备单芯片白光InGaN/GaNLED的方法包括以下步骤：

一、图形化蓝宝石衬底的制备，如图1所示：

1、制备装置包括飞秒激光器，蓝宝石衬底，一个聚焦透镜，一个计算机可控的移动平台；飞秒激光器发射出的激光经过聚焦透镜聚焦后在蓝宝石衬底上进行刻蚀，再通过计算机自动控制蓝宝石衬底按照预定的方向移动使之刻出所要的形状；

2、采用钛宝石飞秒激光器，其峰值波长为780nm，重复频率为1000Hz，脉冲持续时间为150fs，且刻蚀光源的单位脉冲能量为2mJ；

3、采用强刻蚀激光来对蓝宝石进行图案化，所述强刻蚀激光即为激光的能量密度需超过阈值，其刻蚀阈值为4.8J/cm²；

4、采用强刻蚀激光在蓝宝石衬底上进行刻蚀，其中刻蚀槽宽度为W，深度为H；

5、在一块蓝宝石衬底上四个不同区域，每个区域刻蚀出具有相同宽度和深度的凹槽阵列,且相邻凹槽之间的距离都一致，各个区域刻蚀深度按设计要求不同。

二、基于刻蚀后的蓝宝石衬底制备单芯片白光InGaN/GaN LED，如图2所示：

1、采用MOCVD方法在激光刻蚀后的蓝宝石衬底上生长外延层，得到InGaN/GaN 基LED，其从激光刻蚀后的蓝宝石衬底向上，整个覆盖非掺杂GaN层，然后非掺杂GaN层一边依次向上包括同面积的： N型GaN层、7个周期的多InGaN/GaN量子阱层（即由GaN层和InGaN层相互交替叠加形成的七个周期的量子阱层）和p型GaN层，在p型GaN层和非掺杂GaN层另一边上分别有电极P和N；

2、通过改变激光刻蚀的深度可以得到各种不同颜色的光，其发出光覆盖整个可见光光谱，选取其中发射出蓝光、红光、绿光、琥珀光所对应的刻蚀深度，并在单一芯片上四个不同区域刻蚀即可得到发白光的单芯片白光LED，不排除其他组合达到同样的效果。

如图3所示，在一块芯片的四个不同区域分别刻蚀出能过发出蓝光、红光、绿光、琥珀光的四种不同深度条纹状的凹槽，通过在同一芯片上四种光的混合来产生白光，以此实现单芯片白光LED发光。选取其中能分别发出蓝光、红光、绿光和琥珀色光的部分集中于单一芯片上。

采用飞秒激光器在蓝宝石衬底上刻蚀出纳米尺寸的凹槽形成图形化纳米结构，然后在此结构上生长InGaN/GaN量子阱。由于飞秒激光器刻蚀产生的纳米结构能够依据激光的不同能量，刻蚀出具有不同深度H的凹槽，并导致在微观局部区域内铟含量的不同。由于铟含量的不同，不同区域LED 晶粒可发射出不同波长的光。如图3，在red区域发出红光，在blue区域发出蓝光，在green区域发出绿光在amber区域发出琥珀色光，通过这些光的复合就产生出白光。

该芯片不需要表面涂敷荧光粉，仅靠单芯片本身的发光即能实现白光发射。这种LED 的实现将体现白光LED 发射的巨大技术进步，因为（1）它只需要单芯片LED 晶粒，（2）在不需要荧光粉下转换条件下可以大大地降低成本，以及（3）在不产生斯托克位移下更好地提高了发光效率。本项目的重点是探讨衬底图形化结构与单芯片宽放射波长之间的关系，解决单芯片超宽带白光发射稳定性、发光效率等核心问题。推动无荧光粉单芯片超宽带白光LED 器件科学与技术的发展。