本發(fā)明涉及一種LED照明技術(shù)，特別涉及一種制備單芯片超寬帶白光LED的方法。

背景技術(shù)：

白光發(fā)光二極管（LED ）因其節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)作為新一代光源而被廣泛使用在照明、顯示器和車燈等領(lǐng)域。目前，商業(yè)用白光LED 光源封裝，主要采用在藍(lán)光LED 芯片上覆蓋熒光粉。這種藍(lán)光芯片發(fā)射帶較窄，通過(guò)復(fù)合LED 基板產(chǎn)生的短波長(zhǎng)藍(lán)光和熒光粉發(fā)射的長(zhǎng)波長(zhǎng)黃光，從而得到寬帶白光發(fā)射。封裝工藝為硅膠混合熒光粉粘接在藍(lán)光芯片上。然而, 硅膠為有機(jī)物，Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）只有150℃左右且熱導(dǎo)率低，在光源使用過(guò)程中極易出現(xiàn)老化而變黃。硅膠老化會(huì)造成封裝結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，熒光粉和芯片粘接不牢，也易出現(xiàn)壓斷焊接金線而造成死燈現(xiàn)象，硅膠變黃會(huì)造成光源色溫漂移，以上不穩(wěn)定因素都極大影響了LED 光源可靠性和使用壽命，限制了大功率LED 的發(fā)展。

另一種實(shí)現(xiàn)白光LED 的方法是采用多種LED 晶粒復(fù)合發(fā)白光，每種LED 晶?？梢园l(fā)射不同波長(zhǎng)的光。例如，通過(guò)改變InGaN/GaN 基LED 中銦的含量，一個(gè)LED 晶?？梢詫?shí)現(xiàn)藍(lán)光，藍(lán)/綠光和紫外光/琥珀光發(fā)射。近年來(lái)，有研究表明通過(guò)控制InGaN/GaN 納米柱狀陣列的直徑來(lái)改變銦成分含量，可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)波長(zhǎng)發(fā)射。然而，多晶粒的使用很大程度上會(huì)增加LED 發(fā)光的復(fù)雜性帶來(lái)的成本，阻礙了這一技術(shù)的更廣泛使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)LED制備存在的問題，提出了一種制備單芯片超寬帶白光LED的方法，該芯片不需要表面涂敷熒光粉，僅靠單芯片本身的發(fā)光即能實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射，解決單芯片超寬帶白光發(fā)射穩(wěn)定性、發(fā)光效率等核心問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種制備單芯片超寬帶白光LED的方法，采用飛秒激光器在藍(lán)寶石襯底上分區(qū)域刻蝕出納米尺寸的凹槽形成圖形化納米結(jié)構(gòu)，每個(gè)區(qū)域刻蝕出具有不同深度的凹槽，然后在此結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱，不同區(qū)域LED 晶?？砂l(fā)射出不同波長(zhǎng)的光，這些光的復(fù)合產(chǎn)生白色光。

所述制備單芯片超寬帶白光LED的方法，具體包括如下步驟：

1）圖形化藍(lán)寶石襯底的制備：

A: 制備裝置包括飛秒激光器，藍(lán)寶石襯底，一個(gè)聚焦透鏡，一個(gè)計(jì)算機(jī)可控的移動(dòng)平臺(tái)；飛秒激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡聚焦后在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行刻蝕，再通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制藍(lán)寶石襯底按照預(yù)定的方向移動(dòng)使之刻出所要的形狀；

B:采用鈦寶石飛秒激光器，其峰值波長(zhǎng)為780nm，重復(fù)頻率為1000Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為150fs，且刻蝕光源的單位脈沖能量為2mJ；

C:采用強(qiáng)刻蝕激光對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行圖案化刻蝕，強(qiáng)刻蝕激光即為激光的能量密度超過(guò)4.8J/cm²；

D:在一塊藍(lán)寶石襯底上分四個(gè)不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域刻蝕出具有相同寬度和深度的凹槽陣列,且相鄰凹槽之間的距離都一致，各個(gè)區(qū)域刻蝕深度按設(shè)計(jì)要求不同；

2）基于刻蝕后的藍(lán)寶石襯底制備單芯片白光InGaN/GaN LED：

采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀法MOCVD在激光刻蝕后的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)外延層，得到InGaN/GaN 基LED，其從激光刻蝕后的藍(lán)寶石襯底向上，整個(gè)覆蓋非摻雜GaN層，然后非摻雜GaN層一邊依次向上包括同面積的： N型GaN層、7個(gè)周期的多InGaN/GaN量子阱層和p型GaN層，在p型GaN層和非摻雜GaN層另一邊上分別有電極P和N；7個(gè)周期的多InGaN/GaN量子阱層即由GaN層和InGaN層相互交替疊加形成的七個(gè)周期的量子阱層。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明制備單芯片超寬帶白光LED的方法，單芯片LED，不需要在表面涂敷熒光粉，僅靠單芯片本身的發(fā)光就能實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射；通過(guò)向量子阱中摻雜銦元素，可以制造出超寬帶的LED；在不產(chǎn)生斯托克位移下發(fā)光效率會(huì)更高；在不需要熒光粉的轉(zhuǎn)換條件下可以大大降低成本。推動(dòng)無(wú)熒光粉單芯片超寬帶白光LED 器件科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明經(jīng)過(guò)激光刻蝕后的藍(lán)寶石的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明超寬帶單芯片InGaN/GaN LED的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明在單芯片上分塊構(gòu)建發(fā)白光的LED結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明首先通過(guò)飛秒激光刻蝕工藝制備出圖形化藍(lán)寶石襯底，其次再利用MOCVD（中文名稱）（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀法）方法在圖形化襯底上生長(zhǎng)多量子阱InGaN/GaN LED。

本實(shí)施例制備單芯片白光InGaN/GaNLED的方法包括以下步驟：

一、圖形化藍(lán)寶石襯底的制備，如圖1所示：

1、制備裝置包括飛秒激光器，藍(lán)寶石襯底，一個(gè)聚焦透鏡，一個(gè)計(jì)算機(jī)可控的移動(dòng)平臺(tái)；飛秒激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡聚焦后在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行刻蝕，再通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制藍(lán)寶石襯底按照預(yù)定的方向移動(dòng)使之刻出所要的形狀；

2、采用鈦寶石飛秒激光器，其峰值波長(zhǎng)為780nm，重復(fù)頻率為1000Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為150fs，且刻蝕光源的單位脈沖能量為2mJ；

3、采用強(qiáng)刻蝕激光來(lái)對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行圖案化，所述強(qiáng)刻蝕激光即為激光的能量密度需超過(guò)閾值，其刻蝕閾值為4.8J/cm²；

4、采用強(qiáng)刻蝕激光在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行刻蝕，其中刻蝕槽寬度為W，深度為H；

5、在一塊藍(lán)寶石襯底上四個(gè)不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域刻蝕出具有相同寬度和深度的凹槽陣列,且相鄰凹槽之間的距離都一致，各個(gè)區(qū)域刻蝕深度按設(shè)計(jì)要求不同。

二、基于刻蝕后的藍(lán)寶石襯底制備單芯片白光InGaN/GaN LED，如圖2所示：

1、采用MOCVD方法在激光刻蝕后的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)外延層，得到InGaN/GaN 基LED，其從激光刻蝕后的藍(lán)寶石襯底向上，整個(gè)覆蓋非摻雜GaN層，然后非摻雜GaN層一邊依次向上包括同面積的： N型GaN層、7個(gè)周期的多InGaN/GaN量子阱層（即由GaN層和InGaN層相互交替疊加形成的七個(gè)周期的量子阱層）和p型GaN層，在p型GaN層和非摻雜GaN層另一邊上分別有電極P和N；

2、通過(guò)改變激光刻蝕的深度可以得到各種不同顏色的光，其發(fā)出光覆蓋整個(gè)可見光光譜，選取其中發(fā)射出藍(lán)光、紅光、綠光、琥珀光所對(duì)應(yīng)的刻蝕深度，并在單一芯片上四個(gè)不同區(qū)域刻蝕即可得到發(fā)白光的單芯片白光LED，不排除其他組合達(dá)到同樣的效果。

如圖3所示，在一塊芯片的四個(gè)不同區(qū)域分別刻蝕出能過(guò)發(fā)出藍(lán)光、紅光、綠光、琥珀光的四種不同深度條紋狀的凹槽，通過(guò)在同一芯片上四種光的混合來(lái)產(chǎn)生白光，以此實(shí)現(xiàn)單芯片白光LED發(fā)光。選取其中能分別發(fā)出藍(lán)光、紅光、綠光和琥珀色光的部分集中于單一芯片上。

采用飛秒激光器在藍(lán)寶石襯底上刻蝕出納米尺寸的凹槽形成圖形化納米結(jié)構(gòu)，然后在此結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱。由于飛秒激光器刻蝕產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)能夠依據(jù)激光的不同能量，刻蝕出具有不同深度H的凹槽，并導(dǎo)致在微觀局部區(qū)域內(nèi)銦含量的不同。由于銦含量的不同，不同區(qū)域LED 晶?？砂l(fā)射出不同波長(zhǎng)的光。如圖3，在red區(qū)域發(fā)出紅光，在blue區(qū)域發(fā)出藍(lán)光，在green區(qū)域發(fā)出綠光在amber區(qū)域發(fā)出琥珀色光，通過(guò)這些光的復(fù)合就產(chǎn)生出白光。

該芯片不需要表面涂敷熒光粉，僅靠單芯片本身的發(fā)光即能實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射。這種LED 的實(shí)現(xiàn)將體現(xiàn)白光LED 發(fā)射的巨大技術(shù)進(jìn)步，因?yàn)椋?）它只需要單芯片LED 晶粒，（2）在不需要熒光粉下轉(zhuǎn)換條件下可以大大地降低成本，以及（3）在不產(chǎn)生斯托克位移下更好地提高了發(fā)光效率。本項(xiàng)目的重點(diǎn)是探討襯底圖形化結(jié)構(gòu)與單芯片寬放射波長(zhǎng)之間的關(guān)系，解決單芯片超寬帶白光發(fā)射穩(wěn)定性、發(fā)光效率等核心問題。推動(dòng)無(wú)熒光粉單芯片超寬帶白光LED 器件科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。