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CN102867901B - 一种带荧光粉层的白光led器件及其制作方法 - Google Patents

一种带荧光粉层的白光led器件及其制作方法 Download PDF

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CN102867901B CN201210376488.9A CN201210376488A CN102867901B CN 102867901 B CN102867901 B CN 102867901B CN 201210376488 A CN201210376488 A CN 201210376488A CN 102867901 B CN102867901 B CN 102867901B
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Abstract

本发明涉及一种固体发光器件，具体公开了一种带荧光粉层的白光LED器件及其制作方法。该包括一LED芯片，在所述LED芯片的出光面设置有一钝化层，所述钝化层由荧光粉与胶体混合制备，所述胶体为可固化的透明绝缘介质液态胶体。该方法包括制作LED芯片和带荧光粉层步骤。采用本发明结构和方法，可以减少LED器件的制作工艺步骤，从而降低LED器件的总工艺成本。

Description

一种带荧光粉层的白光LED器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种固体发光器件，具体涉及一种带荧光粉层的白光LED器件及其制作方法。
背景技术
随着发光二极管（LED）的发光效率不断提高，LED无疑成为近几年来最受重视的光源之一。LED是一种具有节能和环保特性的照明光源，集高光效、低能耗、低维护成本等优良性能于一身。理论上预计，半导体LED照明灯具的发光效率可以达到甚至超过白炽灯的10倍，日光灯的2倍。目前LED技术发展的目标是高效率、全固态、环保型LED，推进LED在照明领域的应用。
如图1所示，传统白光LED器件是由基板201、芯片202、荧光粉203、金属线204、硅胶透镜205组成。其中，芯片202与荧光粉203是分立的，荧光粉203是通过喷涂、点胶等方法置于芯片202上方。以上结构的器件需要进行芯片固晶、打金属线、涂覆荧光粉、灌封胶水等工艺步骤。采用这种工艺方法，步骤较多。
为了解决以上的问题，美国专利US2010078667A1公告了一种带荧光粉层的发光器件（图2）。如图2所示，该发光器件包括发光二极管10，第一半导体层101，荧光粉层16。该发光二极管10包含两电极107及金属焊垫12。该器件先采用传统的工艺制作出发光二极管，再利用点胶、喷胶或灌胶的方法在二极管上方形成荧光粉层16，其中使用一个钢网遮挡金属焊垫12。该发明提供的发光器件即为一经过混光的芯片，可直接进行封装，不需要再涂覆荧光粉。其中荧光粉可以根据需要使用红色荧光粉、黄色荧光粉、绿色荧光粉或多种荧光粉混合。专利中可以通过对荧光粉层进行塑形，制作成正梯形或倒梯形，调节LED的光分布。这种发光器件减少荧光粉与灌封胶之间的应力问题，采用金属衬底提高了LED的散热能力。从实际结果看，这种设计本质上是将芯片进行一次封装制作成白光芯片，可以再进行二次封装制作成光源。这种设计是将封装步骤上的工艺转移到芯片制作上的时候进行，这需要新增一些工艺步骤，提高了整个光源的成本。而更复杂的工艺，也会降低整体的良率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种带荧光粉层的白光LED器件及其制作方法，以简化现有的白光LED器件的制作工艺。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种带荧光粉层的白光LED器件，包括一LED芯片，在所述LED芯片的出光面设置有一钝化层，所述钝化层由荧光粉与胶体混合制备，所述胶体为可固化的透明绝缘介质液态胶体。
进一步的，所述LED芯片为正装结构的LED芯片，该LED芯片包括外延衬底、N型氮化镓层、有源层、P型氮化镓层、透明导电层、P电极、N电极以及钝化层；所述N型氮化镓层设置在所述外延衬底上，该N型氮化镓层的上表面呈现高低不同的两个平台面；所述有源层设置在所述N型氮化镓层的高平台面上；所述P型氮化镓层设置在所述有源层上；所述透明导电层设置在所述P型氮化镓层上；所述P电极设置在所述透明导电层上；所述N电极设置在所述N型氮化镓层的低平台面上；所述钝化层设置在所述LED芯片的出光面，具体是：所述钝化层设置在所述P电极和N电极之间的Z形台面上。
进一步的，所述LED芯片为垂直结构的LED芯片，该LED芯片包括N型氮化镓层、有源层、P型氮化镓层、金属基底、透明导电层、N电极、钝化层、以及金属反射层；所述金属反射层设置在所述金属基底上；所述P型氮化镓层设置在所述金属反射层上；所述有源层设置在所述P型氮化镓层上；所述N型氮化镓层设置在所述有源层上；所述透明导电层设置在所述N型氮化镓层上；所述N电极设置在所述透明导电层上；所述钝化层设置在所述LED芯片的出光面，具体是：所述钝化层设置在所述透明导电层上除所述N电极覆盖区域以外的位置。
进一步的，所述可固化的透明绝缘介质液态胶体为旋涂式玻璃（Spin on glass，SOG）或者聚酰亚胺（Polyimide，PI）。
进一步的，所述荧光粉可以为黄色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉的其中一种或多种荧光粉混合的混合物。
进一步的，在所述钝化层上光刻有提高LED出光性能的芯片图形。
进一步的，在所述钝化层上包裹设置有保护层，所述保护层为二氧化硅层或氮化硅层。
一种带荧光粉层的白光LED器件的制备方法，包括以下步骤：
（1）、在外延衬底上依次外延生长N型氮化镓层、有源层、以及P型氮化镓层；
（2）、通过蚀刻P型氮化镓层、有源层、以及N型氮化镓层，部分露出N型氮化镓层；
（3）、在所述P型氮化镓层上制作透明导电层；
（4）、将混合有荧光粉的透明绝缘介质液态胶体涂覆在所述透明导电层和露出部分的N型氮化镓层上，并经过固化形成Z型钝化层；
（5）、通过光刻在P型氮化镓层上露出P电极连接区域，在所述露出部分的N型氮化镓层上露出N电极连接区域；
（6）、在所述P电极连接区域上连接P电极，在所述N电极连接区域连接N电极。
进一步的，在第（5）步光刻露出P电极连接区域和N电极连接区域的同时，在所述钝化层上光刻出提高LED出光性能的芯片图形。
进一步的，在所述步骤（3）和步骤（4）之间，还包括在所述钝化层下方沉积一保护层；在所述步骤（4）和步骤（5）之间，还包括在所述钝化层上方沉积一保护层；所述保护层选用二氧化硅或者氮化硅材料制备。
进一步的，所述胶体为旋涂式玻璃（Spin on glass，SOG）或者聚酰亚胺（Polyimide，PI）。
采用本发明结构和方法与现有技术相比，其荧光粉是在制作钝化层时同时制作的，不需要后续进行喷粉、点粉等工艺步骤。因此，本发明省去了封装工艺上的喷粉或点粉等工艺，减少了工艺步骤，降低了工艺成本。
附图说明
图1是现有技术中陶瓷基板LED发光器件的结构图；
图2是现有技术中白光LED芯片的结构图；
图3是本发明实施例1的LED芯片结构示意图；
图4是本发明实施例2的LED芯片结构示意图；
图5是本发明实施例3的LED芯片结构示意图；
图6是本发明实施例4的LED芯片结构示意图；
图7是本发明实施例5的LED芯片结构示意图；
图8是本发明实施例6的LED芯片结构示意图。
图中：
10—LED芯片、101—第一半导体层、103—发光层、105—第二半导体层、107—电极、12—金属焊垫、16—荧光粉层；
201—基板、202-LED芯片、203—荧光粉层、204-金属线、205-透镜；
300-外延衬底、301-N型氮化镓层、302-有源层、303-P型氮化镓层、304-金属基底；
401—透明导电层、402-P电极、403-N电极、404-钝化层、405-芯片图形、406-保护层、407—金属反射层。
具体实施方式
为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图与具体实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明。
实施例1：
如图3所示，本实施例公开了一种带荧光粉层的白光LED器件，包括正装结构的LED芯片，在所述LED芯片的出光面设置有一钝化层404，钝化层404由荧光粉与胶体混合制备，所述胶体为可固化的透明绝缘介质液态胶体。
如图3所示，其具体结构包括外延衬底300、N型氮化镓层301、有源层302、P型氮化镓层303、透明导电层401、P电极402、N电极403以及钝化层404。其中，N型氮化镓层301设置在所述外延衬底300上，该N型氮化镓301的上表面呈现高低不同的两个平台面；其中，有源层302，设置在所述N型氮化镓层301的高平台面上；其中，P型氮化镓层303，设置在所述有源层302上；其中，透明导电层401，设置在所述P型氮化镓层303上；其中，P电极402，设置在所述透明导电层401上；其中，N电极403，设置在所述N型氮化镓层301的低平台面上；其中，钝化层404，设置在所述P电极402和N电极403之间的Z形台面上，该钝化层404由荧光粉与胶体混合制备，所述胶体为可固化的透明绝缘介质液态胶体，初始状态为透明绝缘的介质液体，这种胶体经过固化工艺后可以成为固体介质，对其下方的金属层起到保护作用。
其中，所述用于制作钝化层的胶体为旋涂式玻璃（Spin on glass，SOG）或者聚酰亚胺（Polyimide，PI），这些材料的特点是在没经任何处理前为可流动的胶体，经过高温烘烤固化后，胶体会转化成与二氧化硅（SiO2）相似的、具有一定机械强度的、高稳定性的材料。
其中，所述荧光粉可以为黄色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉的其中一种或多种荧光粉混合而成，比如：如果芯片为蓝光芯片，荧光粉为YAG黄色荧光粉，则经过混合后芯片发出的为白光。
本实施例还对应公开了上述LED器件的制备方法，包括以下步骤：
（1）、在外延衬底300上依次外延生长N型氮化镓层301、有源层302、以及P型氮化镓层303；
（2）、通过蚀刻P型氮化镓层303、有源层302、以及N型氮化镓层301，部分露出N型氮化镓层301，具体可以采用ICP或RIE设备进行干法刻蚀部分露出N型氮化镓层301；
（3）、在所述P型氮化镓层303上制作透明导电层401，具体可以采用蒸发或溅射的方法在P型氮化镓层303上制作透明导电层401；
（4）、将混合有荧光粉的透明绝缘介质液态胶体涂覆在所述透明导电层401和露出部分的N型氮化镓层301上形成Z型钝化层404，所述胶体为旋涂式玻璃（Spin on glass，SOG）或者聚酰亚胺（Polyimide，PI）。
（5）、通过光刻在P型氮化镓层303上露出P电极连接区域，在所述露出部分的N型氮化镓层301上露出N电极连接区域；
针对感光型旋涂式玻璃（Spin on glass，SOG）或者聚酰亚胺（Polyimide，PI），具体可以先涂覆混合有荧光粉的感光型的旋涂式玻璃（Spin on glass，SOG）或者聚酰亚胺（Polyimide，PI），然后通过光刻、显影露出P电极连接区域和N电极连接区域，并对其进行高温固化；
针对非感光型的SOG或PI，具体可以先涂覆混合有荧光粉的非感光型的SOG或PI，并进行固化；固化后再在其上涂覆光刻胶，并光刻出P/N电极连接区域图形，接着再以光刻胶为掩膜腐蚀露出P/N电极连接区域，最后去掉光刻胶；
（6）、在所述P电极连接区域上连接P电极402，在所述N电极连接区域连接N电极403，具体可以采用蒸发或溅射的方法在芯片上制作出金属P/N电极。
本实施例中将透明绝缘介质液态胶体与荧光粉进行均匀混合后，均匀涂覆在芯片上方。然后进行高温烘烤固化处理，将混有荧光粉的胶体固化成某种介质材料，这层介质材料还能够起到原来芯片上钝化层类似的保护作用，介质层有一定的机械强度，能够承受后续固晶、绑定等工艺的操作；而且能够保护芯片上金属层，避免金属层受水汽、有机物等的污染、腐蚀。这层介质层中含有荧光粉，芯片发出的光可以通过荧光粉进行转换、混合，从而发出白光。
实施例2：
如图4所示，本实施例公开了一种带荧光粉层的白光LED器件，本实施例与实施例1的不同仅在于：在所述钝化层404上光刻有提高LED出光性能的芯片图形405。
这些提高出光性能的图形可以为圆孔、线条或其他不规则图形，在芯片上制作出的这些图形，可以提高芯片的出光效率，调节芯片的出光角度。而且，由于本发明中钝化层与荧光粉是一体的，这些图形的改变，还能够改变白光LED的色温。
本实施例方法与实施例1不同在于：在实施例1中的第（5）步光刻露出P电极连接区域和N电极连接区域的同时，在所述钝化层上光刻出提高LED出光性能的芯片图形405，具体可以是：
针对感光型旋涂式玻璃（Spin on glass，SOG）或者聚酰亚胺（Polyimide，PI），具体可以在光刻、显影露出P电极连接区域和N电极连接区域的同时，光刻、显影露出芯片图形405；
针对非感光型的SOG或PI，具体可以在光刻出P/N电极连接区域图形的同时，光刻出芯片图形405，接着再以光刻胶为掩膜腐蚀露出P/N电极连接区域和芯片图形405，最后去掉光刻胶；
本实施例在工序上芯片图形制作是与实施例1中所述的P、N电极连接区域制作同步进行的，只是采用光刻板不相同，在芯片的单元设计上，增加用于图形化的部分。
由于，本实施例在钝化层上的芯片图形是通过光刻工艺实现，芯片图形能够做到较高的精度，能够更好的对芯片的光学性能进行调节。而且这一步工艺是在制作电极连接区域时同时进行的，不会额外增加工艺步骤。
因此，本实施例在不增加工艺步骤的情况下，提升了LED器件的出光性能。
实施例3：
如图5所示，本实施例公开了一种带荧光粉层的白光LED器件，本实施例与实施例1的不同仅在于：在所述钝化层404上包裹设置有保护层406，所述保护层406为二氧化硅层或氮化硅层。
在实施例1的基础上，在钝化层上下可以制作一层保护层406将钝化层包覆起来，保护层的材料可以为SiO2（二氧化硅）或Si3N4（氮化硅），这层保护层是通过PECVD的方法制作上去。
本实施例方法与实施例1不同在于：
在所述步骤（3）和步骤（4）之间，还包括在所述钝化层404下方沉积一保护层406；
在所述步骤（4）和步骤（5）之间，还包括在所述钝化层404上方沉积一保护层406；所述保护层选用二氧化硅或者氮化硅材料制备。
其中，保护层的具体制造方法可以是等离子体增强化学气相沉积法，即PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition)。
本实施例在工序上，在实施例1的步骤（4）之前新增加1步骤：用PECVD制作SiO2或Si3N4。并在步骤（4）之后新增1步骤：用PECVD制作SiO2或Si3N4，再在上方进行光刻腐蚀，露出P、N电极连接区域。
由于混有荧光粉的钝化层暴露在空气上，有被氧化的风险。而且后续的固晶、打线等工艺有可能会对钝化层造成损伤或污染，而钝化层与金属层的接触也较差，有脱落的可能。因此，本实施例在钝化层404上下各增加一层保护层406，这层保护层能够防止出现以上的问题。
实施例4：
如图6所示，本实施例公开了一种带荧光粉层的白光LED器件，包括垂直结构的LED芯片，在所述LED芯片的出光面设置有一钝化层404，钝化层404由荧光粉与胶体混合制备，所述胶体为可固化的透明绝缘介质液态胶体。
如图6所示，其具体结构包括N型氮化镓层301、有源层302、P型氮化镓层303、金属基底304、透明导电层401、N电极403、金属反射层407以及钝化层404；其中，金属反射层407设置在所述金属基底304上；其中，P型氮化镓层303设置在所述金属反射层407上；其中，有源层302设置在所述P型氮化镓层303上；其中，N型氮化镓层301设置在所述有源层302上；其中，透明导电层401设置在所述N型氮化镓层301上；其中，N电极403设置在所述透明导电层401上；其中，钝化层404设置在所述LED芯片的出光面，具体是：钝化层404设置在所述透明导电层401上除所述N电极403覆盖区域以外的位置。
本实施例与实施例1不同在于：实施例1中描述的是正装结构的芯片，本实施例对应的是垂直结构的芯片。
本实施例方法与实施例1不同在于：将实施例1中的第（2）步替换为，（2）P型氮化镓上制作金属反射层407，再将其绑定到金属基板304上，最后通过激光剥离的方法将外延衬底300去除。
本实施例是对应于垂直结构的LED 芯片，本工艺结构及方案能更广泛的应用于LED上。而且这一工艺无论是用于垂直结构芯片还是正装结构芯片都不会对传统工艺有工艺步骤上的增加。
实施例5：
如图7所示，本实施例公开了一种带荧光粉层的白光LED器件，本实施例与实施例4的不同仅在于：在所述钝化层404上光刻有提高LED出光性能的芯片图形405。
这些提高出光性能的图形可以为圆孔、线条或其他不规则图形，在芯片上制作出的这些图形，可以提高芯片的出光效率，调节芯片的出光角度。而且，由于本发明中钝化层与荧光粉是一体的，这些图形的改变，还能够改变白光LED的色温。
实施例6：
如图8所示，本实施例公开了一种带荧光粉层的白光LED器件，本实施例与实施例4的不同仅在于：在所述钝化层404上包裹设置有保护层406，所述保护层406为二氧化硅层或氮化硅层。
由于混有荧光粉的钝化层暴露在空气上，有被氧化的风险。而且后续的固晶、打线等工艺有可能会对钝化层造成损伤或污染，而钝化层与金属层的接触也较差，有脱落的可能。因此，本实施例在钝化层404上下各增加一层保护层406，这层保护层能够防止出现以上的问题。
与现有的方案相比，以上实施例中的带荧光粉层是在钝化层制作时同时进行的，不需要后续进行喷粉、点粉的工艺。本发明省去了封装工艺上的喷粉或点粉的工艺，减少了工艺步骤，降低了工艺成本。而且这种钝化层为透明绝缘介质液态胶体经过固化而来，这种钝化层的机械性能、耐腐蚀性不输于传统的二氧化硅（SiO2）和氮化硅（Si3N4），对于整个器件来说，不会对芯片的性能及可靠性带有负面的影响。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种带荧光粉层的白光LED器件，包括一LED芯片，其特征在于：
所述LED芯片为正装结构的LED芯片，该LED芯片包括外延衬底(300)、N型氮化镓层(301)、有源层(302)、P型氮化镓层(303)、透明导电层(401)、P电极(402)、N电极(403)以及钝化层(404)；
所述N型氮化镓层(301)设置在所述外延衬底(300)上，该N型氮化镓层(301)的上表面呈现高低不同的两个平台面；
所述有源层(302)设置在所述N型氮化镓层(301)的高平台面上；
所述P型氮化镓层(303)设置在所述有源层(302)上；
所述透明导电层(401)设置在所述P型氮化镓层(303)上；
所述P电极(402)设置在所述透明导电层(401)上；
所述N电极(403)设置在所述N型氮化镓层(301)的低平台面上；
所述钝化层(404)设置在所述LED芯片的出光面，具体是：所述钝化层(404)设置在所述P电极(402)和N电极(403)之间的Z形台面上；
所述钝化层(404)由荧光粉与胶体混合制备，所述胶体为可固化的透明绝缘介质液态胶体；
在所述钝化层(404)上包裹设置有保护层(406)，所述保护层(406)为二氧化硅层或氮化硅层。
2.根据权利要求1所述的白光LED器件，其特征在于：
所述可固化的透明绝缘介质液态胶体为旋涂式玻璃(Spin on glass，SOG)或者聚酰亚胺(Polyimide，PI)。
3.根据权利要求1所述的白光LED器件，其特征在于：
所述荧光粉可以为黄色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉的其中一种或多种荧光粉混合的混合物。
4.根据权利要求1所述的白光LED器件，其特征在于：
在所述钝化层(404)上光刻有提高LED出光性能的芯片图形(405)。
5.一种带荧光粉层的白光LED器件，包括一LED芯片，其特征在于：
所述LED芯片为垂直结构的LED芯片，该LED芯片包括N型氮化镓层(301)、有源层(302)、P型氮化镓层(303)、金属基底(304)、透明导电层(401)、N电极(403)、钝化层(404)、以及金属反射层(407)；
所述金属反射层(407)设置在所述金属基底(304)上；
所述P型氮化镓层(303)设置在所述金属反射层(407)上；
所述有源层(302)设置在所述P型氮化镓层(303)上；
所述N型氮化镓层(301)设置在所述有源层(302)上；
所述透明导电层(401)设置在所述N型氮化镓层(301)上；
所述N电极(403)设置在所述透明导电层(401)上；
所述钝化层(404)设置在所述LED芯片的出光面，具体是：所述钝化层(404)设置在所述透明导电层(401)上除所述N电极(403)覆盖区域以外的位置；
所述钝化层(404)由荧光粉与胶体混合制备，所述胶体为可固化的透明绝缘介质液态胶体；
在所述钝化层(404)上包裹设置有保护层(406)，所述保护层(406)为二氧化硅层或氮化硅层。
6.根据权利要求5所述的白光LED器件，其特征在于：
所述可固化的透明绝缘介质液态胶体为旋涂式玻璃(Spin on glass，SOG)或者聚酰亚胺(Polyimide，PI)。
7.根据权利要求5所述的白光LED器件，其特征在于：
所述荧光粉可以为黄色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉的其中一种或多种荧光粉混合的混合物。
8.根据权利要求5所述的白光LED器件，其特征在于：
在所述钝化层(404)上光刻有提高LED出光性能的芯片图形(405)。
9.一种带荧光粉层的白光LED器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、在外延衬底(300)上依次外延生长N型氮化镓层(301)、有源层(302)、以及P型氮化镓层(303)；
(2)、通过蚀刻P型氮化镓层(303)、有源层(302)、以及N型氮化镓层(301)，部分露出N型氮化镓层(301)；
(3)、在所述P型氮化镓层(303)上制作透明导电层(401)；
在所述透明导电层(401)和露出部分的N型氮化镓层(301)上沉积一层Z型的保护层(406)；
(4)、将混合有荧光粉的透明绝缘介质液态胶体涂覆在Z型的保护层(406)上，并经过固化形成Z型钝化层(404)；
(5)、通过光刻在P型氮化镓层(303)上露出P电极连接区域，在所述露出部分的N型氮化镓层(301)上露出N电极连接区域；
(6)、在所述P电极连接区域上连接P电极(402)，在所述N电极连接区域连接N电极(403)；
在所述步骤(4)和步骤(5)之间，还包括在所述钝化层(404)上方沉积一保护层(406)；
所述保护层选用二氧化硅或者氮化硅材料制备。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：
在第(5)步光刻露出P电极连接区域和N电极连接区域的同时，在所述钝化层(404)上光刻出提高LED出光性能的芯片图形(405)。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：
所述胶体为旋涂式玻璃(Spin on glass，SOG)或者聚酰亚胺(Polyimide，PI)。
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