[发明专利]一种无荧光粉高显色性能白光LED芯片

说明书

技术领域

本发明属于LED光源技术领域，具体涉及一种白光发光二极管(LED)芯片，更具体的说，涉及一种无荧光粉高显色性能的白光发光二极管芯片。

背景技术

自从1993年日本科学家中村修二发明商用氮化物蓝光发光二极管(LED)以来，氮化物LED的研究和应用获得爆炸性的扩展。蓝光发光二极管在很多领域具有巨大的应用，其中最重要的应用有RGB三基色显示和大功率白光LED半导体照明。以大功率白光LED技术为主的半导体固态照明，具有电光转换效率高、寿命长、安全、绿色环保备受世界各国政府青睐，此外，由于LED是电光源，体积小，将给照明设计提供极大自由性。国际上先后有美国能源部制定了固态照明计划 ，预计在2020年半导体照明全面取代传统照明；日本于1998年制定的“21世纪照明计划”；欧盟于2000年制定“ 彩虹计划”；韩国的“GaN半导体开发计划”以及我国成立了“半导体照明产业联盟”，积极推广半导体照明！大功率白光LED是半导体照明技术的前沿领域，利用LED照明将节省大量能源，减少二氧化碳排放量，对于环境发展具有重要意义。

目前实现大功率白光LED的方法主要集中在三种技术路线上，一是蓝光芯片加红黄光荧光粉；二是紫光芯片加红绿蓝荧光粉；三是红绿蓝芯片组合封装。其中，第一种技术相对成熟且成本较低；第二种技术仍处于早期研发阶段，一系列关键材料和工艺有待突破；第三种技术成本相对偏高，产品设计较复杂。因此，国际上主要LED厂商均致力于以高亮度大功率蓝光LED加荧光粉为核心技术的高亮白光LED照明的研发和产业化，其荧光粉主要是用钇铝石榴石黄光荧光粉(Y_1-aGd_a)₃(Al_1-bGa_b)₅O₁₂:Ce³⁺(YAG:Ce)。利用搅拌，把荧光粉颗粒分散在硅胶中，通过点胶工艺把含荧光粉颗粒的硅胶覆盖在LED芯片表面。荧光粉吸收LED芯片发出的蓝光，转换蓝光成为黄光，并与部分透过硅胶的LED芯片蓝光混合获得白光。这种蓝光LED加荧光粉技术的高亮白光LED具有一定缺点：首先，缺乏红光光谱，显色性能不佳；其次，荧光粉颗粒分散在硅胶中，容易造成一部分LED芯片发出的蓝光被颗粒散射回LED芯片，之后被芯片吸收，能量损失，封装效率不高；再次，荧光粉制备及点荧光粉工艺复杂，提高白光LED成本；最后，荧光粉在点胶工艺工程中容易沉淀，造成LED侧面发出的光被更多荧光粉吸收，黄光部分更多，显色具有空间角度的不均匀性。

为克服当前白光LED制备技术中的缺点，必须寻求新的荧光转换方法，获得高显色性能白光LED。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大功率、且具有高显色性能的白光LED芯片及其制备方法。

本发明提供的高显色性白光LED芯片，具有荧光层和发光芯片组合LED结构，由半导体外延技术在同一外延设备中在单晶衬底材料上外延形成；其中，荧光层材料为稀土元素掺杂的三族氮化物，发光芯片为N型氮化物薄膜-量子阱-P型氮化物薄膜组合；荧光层和发光芯片之间以低温生长的氮化物作为缓冲层。

本发明中，所述的半导体外延技术，包括：金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、液相外延(LPE)、分子束外延或氯化物气相外延(HVPE)等。 

本发明中，所述稀土元素选自：铕、珥、钆、铽等，即所述荧光层选自：铕掺杂III族氮化物、珥掺杂III族氮化物、钆掺杂III族氮化物或铽掺杂III族氮化物等。 

本发明中，所述稀土元素掺杂量是：原子摩尔比0.2- 5%之间范围。

本发明中，所述的三族氮化物选自：氮化镓、氮化铝、氮化铟、氮化镓和氮化铟合金半导体铟镓氮、氮化镓和氮化铝合金半导体铝镓氮等。

本发明中，所述的发光层材料选自：N型三族氮化物；P型三族氮化物；三族氮化物紫光量子阱，三族氮化物蓝光量子阱，三族氮化物绿光量子阱，三族族氮化物紫光、蓝光和绿光组合量子阱。

本发明中，所述缓冲层可选氮化镓（GaN）。

本发明中，所述低温是指温度在500-800 oC之间范围。

本发明中，所述单晶衬底材料选自：蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底。

本发明的荧光层和发光芯片组合LED结构，是利用发光芯片所发射光子激发荧光层获得长波长光子，此长波长光子通常为红光，与发光芯片所发射并透射过荧光层的蓝绿光光子混合生成白光。