способ изготовления полупроводникового источника света
Классы МПК: | H01L33/50 элементы преобразования длины волны B82B3/00 Изготовление или обработка наноструктур |
Автор(ы): | Гончарова Юлия Сергеевна (RU), Саврук Елена Владимировна (RU), Смирнов Серафим Всеволодович (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ГОУ ВПО ТУСУР) (RU), Гончарова Юлия Сергеевна (RU), Саврук Елена Владимировна (RU), Смирнов Серафим Всеволодович (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-06-22 публикация патента:
10.01.2013 |
Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к технологии изготовления полупроводниковых излучающих диодов, и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых источников белого света широкого потребления, в том числе осветительных приборов уличного и бытового освещения, а также может использоваться в технологии производства светодиодных панелей и табло. При изготовлении полупроводникового источника света известным способом путем сборки кристалла в корпус и последующего нанесения на его поверхность слоя люминофора вводятся новые операции и новая последовательность их выполнения: нанесение на поверхность кристалла антиотражающего покрытия, затем нанесение поверх антиотражающего покрытия разделительного слоя из полимерного материала с небольшим показателем преломления, например акрилата, а затем - нанесение на этот слой люминофора. Изобретение позволяет увеличить выход излучения синего цвета из полупроводникового кристалла, уменьшить величину входящего света в кристалл, а следовательно, и уменьшить величину поглощенного в нем излучения зеленого и красного цвета, преобразованного люминофором, и тем самым существенно повысить общую квантовую эффективность источника света. 1 табл., 2 ил.
Формула изобретения
Способ изготовления полупроводникового источника белого света на основе кристалла из нитрида галлия и люминофора, включающий операции посадки кристалла в корпус и нанесение на его поверхность слоя люминофора, отличающийся тем, что, с целью повышения внешней квантовой эффективности источника, на поверхность кристалла предварительно наносят тонкослойное покрытие с показателем преломления 1,9-2,0 толщиной 50-60 нм, затем слой полимерного покрытия с показателем преломления 1,3-1,4 толщиной 180-200 нм, поверх которого наносят слой люминофора.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к технологии изготовления полупроводниковых излучающих диодов, может быть использовано при изготовлении полупроводниковых источников белого света для осветительных приборов широкого потребления и может также использоваться в технологии производства светодиодных панелей и табло.
Известен способ изготовления полупроводниковых источников света (фиг.1), включающий посадку кристалла 1 излучающего диода в корпус, монтаж электрических выводов на контактные площадки кристалла и изолятора корпуса 5 и нанесение на поверхность кристалла слоя люминофора 4 [1].
В этом способе используется преобразование излучения кристалла GaN синего цвета в излучение люминофора желтого цвета с последующим их смешиванием. В результате чего получают белый свет с цветовой температурой 3500-5000 К. Основным недостатком данного способа является низкая светоотдача кристалла за счет потерь синего света за счет отражения на границе раздела кристалл-люминофор. Внешняя квантовая эффективность источника в этом случае не превышает 25-30%.
Известен также способ, в котором для уменьшения отражения на границе кристалл-люминофор на поверхность кристалла наносят просветляющее покрытие, при этом удается увеличить внешнюю квантовую эффективность до 30-32%.
Недостатком данного способа, как и ранее рассмотренного, являяются большие потери за счет поглощения преобразованного люминофором излучения желтого и красного цвета кристаллом, поскольку ни кристалл, ни контакты не обладают высокой отражающей поверхностью [2].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления полупроводникового источника света, в котором для уменьшения поглощения люминофор пространственно отделен от полупроводникового кристалла, то есть создается структура с удаленным расположением люминофора [3].
Способ позволяет уменьшить поглощение излучения люминофора кристаллом, но при этом уменьшается эффективность передачи синего света кристалла в люминофор за счет отражения на границе раздела воздух - люминофор.
Целью предлагаемого изобретения является повышение внешней квантовой эффективности полупроводникового источника света. Для достижения поставленной цели по предлагаемому способу на поверхность кристалла на основе GaN с показателем преломления ns=2,3 ионно-плазменным способом наносят слой материала с показателем преломления n1=1,9-2,0, например SiO и Ta2O5. Выбор этого типа покрытия объясняется его дешевизной и высокой степенью отработанности процесса получения. Известно, что для получения максимального эффекта просветления (в случае однослойного покрытия) должно выполняться следующее условие , где ns - показатель преломления материала кристалла. Одновременно должно выполняться условие, что толщина просветляющего покрытия d должна быть равна четверти длины волны, излучаемой кристаллом, то есть . Из этого соотношения следует, что эффект просветления в большей степени проявляется лишь в узкой области спектра, и оптическая толщина просветляющего покрытия на основе выбранных материалов на длине волны излучения ( ) кристалла GaN 450-460 нм должна составлять , что соответствует 50-60 нм. Затем наносится слой полимерного покрытия с показателем преломления 1,3-1,4 толщиной 180-200 нм, поверх которого наносят слой люминофора.
Материал кристалла из GaN обладает заметным поглощением (ks 0,018). При этом оптимальная толщина просветляющего покрытия определяется по формуле
Известно также, что эффект просветления для четвертьволновых покрытий с высоким показателем преломления в большей степени проявляется лишь в узкой области спектра, в остальной же области спектра коэффициент отражения резко возрастает. Таким образом, подобное просветляющее покрытие 2, нанесенное на поверхность кристалла 1, обладает высокой селективностью, приводя к повышению выхода синего цвета из кристалла и препятствующему проникновению желтого света из люминофора в кристалл. Однако, если люминофор 4 непосредственно контактирует с поверхностью кристалла, то эффект селективности существенно уменьшается, поэтому предлагается между просветляющим покрытием и люминофором разместить слой материала с низким показателем преломления, например акрилат 3 (n2=1,32) с оптической толщиной, равной половине длины волны максимума спектра излучения люминофора (620-650 нм) (фиг 2).
Пример реализации способа
В качестве базовой модели выбран кристалл и корпус фирмы «Semi LED» (Тайвань). Параметры кристалла на основе GaN следующие: геометрические размеры 1×1×0,5 мм; рабочий ток 0,35 А; прямое падение напряжения 2,0 В. После сборки в корпус источники света размещались в специальной кассете-держателе, с помощью которого и происходила их загрузка в установку высокочастотного магнетронного распыления Z-550 фирмы «Leibold». Напыление оксида тантала проводилось из компактной танталовой мишени в смеси газов аргона и кислорода. Контроль толщины покрытия осуществлялся встроенным в установку интерферометром. Затем на поверхность напыленного покрытия с помощью дозатора наносился тонкий слой акрилатуретановой смолы, который затем подвергался полимеризации с помощью источника УФ-излучения (ртутной лампы). Оптимальная оптическая толщина слоя подбиралась экспериментальным путем. Желтый люминофор на основе иттрийалюминиевого граната с церием с кремнийорганической связкой марки ФЛЖ-7 наносился также с помощью дозатора на поверхность полимерного покрытия толщиной 50 - 150 мкм. Для испытаний предложенного способа были изготовлены 3 образца источников света. Измерения внешнего квантового выхода изготовленных источников света проводили в интегрирующей сфере по стандартной методике. В качестве базового варианта был взят источник света, собранный по типовой технологии на комплектации фирмы «Semi LED» (Тайвань) в производственных условиях ОАО НИИПП (г.Томск). Результаты измерений представлены в таблице.
Ток, А | Световая отдача, лм/Вт | |
Базовый вариант | 0,35 | 85 |
Образец № 1 | 0,35 | 105 |
Образец № 2 | 0,35 | 96 |
Образец № 3 | 0,35 | 90 |
Из результатов испытаний следует, что экспериментальные образцы имеют внешнюю квантовую эффективность (световую отдачу) на 6-13% выше, чем базовый вариант полупроводникового источника света.
Источники информации
1. Nakamura S. and Fasol G. The blue laser diode // Springier, Berlin, 1997.
2. Патент «Luminescent diode provided with a reflection - reducing layer sequence», H01L 33/10, Номер заявки: DE 200410040968 20040824. Дата публикации: 2006.03.23.
3. Luo H., Kim J.K., Schubert E.F. et al. Appl. Phys. Lett. 86.243505. 2005.
Класс H01L33/50 элементы преобразования длины волны
Класс B82B3/00 Изготовление или обработка наноструктур