Способ изготовления полупроводникового источника света

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.

 

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 n_s=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 n_s - 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 (λ) 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 (k_s≈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.

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.