CN102332514A - 一种发光二极管、电子设备及制造方法 - Google Patents

一种发光二极管、电子设备及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管、电子设备及制造方法，解决现有技术中存在的LED的流明效率还是较低的问题，其中，发光二极管的衬底上依次设置有第一导电类型半导体层、多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其中，在第二导电类型半导体层内邻近多量子阱结构的位置，内嵌有多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组，纳米颗粒组具有电介质的外表层，以及被外表层包裹的金属纳米颗粒内核，纳米颗粒组的间隙填充有第二导电类型半导体材料，由于紧邻多量子阱结构MQW插入金属内核-电介质外壳(core-shell)形式的纳米颗粒组，避免漏电或非辐射损失提高了IQE，从而增加LED的流明效率。

Description

一种发光二极管、电子设备及制造方法
技术领域
本发明涉及固体光源技术，尤其涉及一种发光二极管、电子设备及制造方法。
背景技术
现今，发光二极管(LED)在一般照明方面提供其应用。但是由于内量子效率IQE低，导致LED的流明效率较低，它还不能在照明方面获得适当的市场份额。为了推动白光LED的市场化进程，大幅提升LED的流明效率是迫在眉睫的工作。已经尝试了各种途径来提高IQE，但是要实现该目标还有很长的路。LED是这些尝试中的一种，用来提高常规LED的IQE，并且看起来在该领域中是有前途的。将金属纳米结构插入到紧邻量子阱(QW)，从而影响辐射复合率由此控制IQE。
现有技术中存在LED的流明效率还是较低的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的LED的流明效率较低的问题，本发明实施例提供一种发光二极管、电子设备及制造方法，发光二极管的衬底上依次设置有第一导电类型半导体层、多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其中，在第二导电类型半导体层内邻近多量子阱结构的位置，内嵌有多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组，纳米颗粒组具有电介质的外表层，以及被外表层包裹的金属纳米颗粒内核，纳米颗粒组的间隙填充有第二导电类型半导体材料。
进一步，第一导电类型半导体层为n型半导体层，第二导电类型半导体层为p型半导体层。
进一步，金属纳米颗粒的材料为银、铜或金，电介质的外表层的材料为二氧化硅或氮化硅。
进一步，第二导电类型半导体层上，紧邻第二导电类型半导体层设置有金属纳米颗粒。
进一步，纳米颗粒组的电介质外表层仅包裹一个金属纳米颗粒内核。
进一步，纳米颗粒组的形状为球体、盘状或三角瓣形。
进一步，金属纳米颗粒内核大小为5纳米到100纳米，电介质的外表层厚度为1纳米到20纳米。
本发明实施例还提供一种电子设备，电子设备的本体上设置有如前述的发光二极管。
本发明实施例还提供一种发光二极管制造方法，包括：
在发光二极管的衬底上依次设置第一导电类型半导体层和多量子阱结构；
在多量子阱结构上沉积多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组，纳米颗粒组具有电介质的外表层，以及被外表层包裹的金属纳米颗粒内核；
在多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组上沉积第二导电类型半导体层，第二导电类型半导体材料被填充在纳米颗粒组的间隙中。
进一步，在第二导电类型半导体层上沉积金属纳米颗粒。
进一步，
在发光二极管的衬底上依次设置第一导电类型半导体层和多量子阱结构具体为：
在发光二极管的衬底上依次设置n型半导体层和多量子阱结构；
在多量子阱结构上沉积多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组具体为：
在多量子阱结构上沉积金属纳米颗粒的材料为银、铜或金，电介质的外表层的材料为二氧化硅或氮化硅的纳米颗粒组；
在复合金属纳米颗粒层上沉积第二导电类型半导体层具体为：
在复合金属纳米颗粒层上沉积p型半导体层；
在第二导电类型半导体层上沉积金属纳米颗粒具体为：
在p型半导体层上沉积银纳米颗粒、铜纳米颗粒或金纳米颗粒。
进一步，纳米颗粒组的电介质外表层仅包裹一个金属纳米颗粒内核。
进一步，纳米颗粒组的形状为球体、盘状或三角瓣形。
进一步，金属纳米颗粒内核大小为5纳米到100纳米，电介质的外表层厚度为1纳米到20纳米。
进一步，纳米颗粒组通过旋转涂布、丝网印刷或自组装工艺形成。
由于邻近多量子阱结构MQW插入金属内核-电介质外壳(core-shell)形式的纳米颗粒组，避免漏电或非辐射损失提高了IQE，从而增加LED的流明效率。
附图说明
图1所示为本发明实施例的发光二极管剖面图结构示意图；
图2所示为本发明实施例的多内核纳米颗粒组俯视图；
图3所示为本发明实施例的单内核纳米颗粒组俯视图；
图4所示为本发明实施例的带有银纳米颗粒的发光二极管剖面图结构示意图；
图5所示为本发明实施例的电子设备结构示意图；
图6所示为本发明实施例的发光二极管制造方法流程图。
具体实施方式
图1为本发明发光二极管100实施例结构示意图，发光二极管100的衬底10上依次设置有第一导电类型半导体层20、多量子阱结构30和第二导电类型半导体层40，其中，在第二导电类型半导体层40内邻近MQW 30的位置，内嵌有多个相互之间具有间隙的有金属纳米组41，纳米颗粒组41具有电介质的外表层，以及被外表层包裹的金属纳米颗粒内核，纳米颗粒组41的间隙填充有第二导电类型半导体材料。
作为优选方案本实施例中，第一导电类型半导体层为n型半导体层，第二导电类型半导体层为p型半导体层，n型半导体层的材料可以采用n型氮化镓n-GaN，例如第一导电类型半导体层为n-GaN层，p型半导体层的材料可以采用p型氮化镓p-GaN，第二导电类型半导体层为p-GaN层。金属纳米颗粒的内核为银，外壳即电介质外表层为二氧化硅，当然也可以是氮化硅Si3N4。发光二极管100的衬底10采用蓝宝石衬底，如蓝宝石图形化衬底PSS。当然衬底还可以采用炭化硅(SiC)衬底或采用铜衬底。
在本实施例中，提出了一种新的设计，邻近MQW插入金属内核-电介质外壳(core-shell)形式的纳米颗粒组，由于金属纳米颗粒邻近到MQW，从而实现珀塞尔(Purcell)效应并且同时避免漏电(漏电即quenching，是指电子从MQW中漏出到金属纳米颗粒，由于漏出，电子和空穴的在MQW中的结合率将降低)或非辐射损失。以便提高IQE还可以提高EQE，从而增加LED的流明效率。在金属内核和外壳中使用的颗粒可以根据MQW和LED结构的类型来改变，例如，用铜纳米阵列，可增强紫外发光；用金纳米阵列，可在绿光至红光波段产生表面等离子体增强效应，采用银纳米阵列，是为了和蓝宝石衬底配合增强蓝色发光。本实施例中的金属纳米组41可以采用电介质外表层411包裹多个金属纳米颗粒内核412的结构，俯视图如图2所示，或者采用电介质外表层411仅包裹一个金属纳米颗粒内核412的结构，俯视图如图3所示，当然，单金属纳米颗粒内核结构的纳米颗粒组的形状也不限于此，也可以是多个单金属纳米颗粒内核结构的纳米颗粒组，形成网状结构。另外，可以为了共振条件优化内核的尺寸和外壳的厚度，例如金属纳米颗粒内核大小为5纳米到100纳米，电介质的外表层厚度为1纳米到20纳米，以提高IQE和抑制漏电。邻近多量子阱结构的金属纳米组的形状可以是球体、盘状或三角瓣形，即内核是球体包裹外壳，内核是盘状包裹外壳，或内核是三角瓣形包裹外壳。
作为本实施例的优选的方案，第二导电类型半导体层上，紧邻第二导电类型半导体层设置有金属纳米颗粒，如图4所示，在p-GaN层上，紧邻p-GaN层设置有银纳米颗粒50。该方案在p-GaN层的顶部引入另一金属纳米颗粒(例如，银)层，以通过利用金属纳米颗粒的散射特性来提高光提取效率。
在本实施例中，通过两个不同的纳米结构层利用了两个贡献。通过引入金属内核-电介质外壳的结构防止了漏电或非辐射损失。在另一方面，在顶部的金属纳米颗粒层只负责光提取效率。在外壳中，邻近着MQW的纳米颗粒组提高IQE，同时在p-GaN层的顶部的金属纳米颗粒提高EQE(外部量子效率)。从而使LED的流明效率得到提高。
本发明还提供一种电子设备，如图5所示该电子设备的本体200上设置有如前述的发光二极管100。
本发明实施例还提供一种发光二极管制造方法，如图6所示，包括如下步骤：
步骤101：在发光二极管的衬底上依次设置第一导电类型半导体层和多量子阱结构。
步骤102：在多量子阱结构上沉积多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组，纳米颗粒组具有电介质的外表层，以及被外表层包裹的金属纳米颗粒内核。
步骤103：在多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组上沉积第二导电类型半导体层，第二导电类型半导体材料被填充在纳米颗粒组的间隙中。
步骤104：在第二导电类型半导体层上沉积金属纳米颗粒。
在通过上述的工艺步骤后，形成两个不同的纳米结构层，一方面金属内核-电介质外壳的结构防止了漏电或非辐射损失，另一方面，在顶部的金属纳米颗粒层只负责光提取效率，从而使LED的流明效率得到提高。
其中，步骤101具体实施时可以是，在发光二极管的衬底上依次设置n型半导体层和多量子阱结构。
步骤102具体实施时可以是，在多量子阱结构上沉积金属纳米颗粒的材料为银、铜或金，电介质的外表层的材料为二氧化硅或氮化硅的纳米颗粒组。
在纳米颗粒组上沉积第二导电类型半导体层具体为：
步骤103具体实施时可以是，在复合金属纳米颗粒层上沉积p型半导体层。
步骤104具体实施时可以是，在p型半导体层上沉积银纳米颗粒、铜纳米颗粒或金纳米颗粒。
作为优选方案，纳米颗粒组的电介质外表层仅包裹一个金属纳米颗粒内核。该单金属纳米颗粒内核在实现上具有工艺简单易于实现的优点。纳米颗粒组的形状为球体、盘状或三角瓣形。金属纳米颗粒内核大小为5纳米到100纳米，电介质的外表层厚度为1纳米到20纳米。
在具体的实施时，纳米颗粒组通过旋转涂布、丝网印刷或自组装工艺形成。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种发光二极管，其特征在于，发光二极管的衬底上依次设置有第一导电类型半导体层、多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其中，在第二导电类型半导体层内邻近多量子阱结构的位置，内嵌有多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组，纳米颗粒组具有电介质的外表层，以及被外表层包裹的金属纳米颗粒内核，纳米颗粒组的间隙填充有第二导电类型半导体材料。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，第一导电类型半导体层为n型半导体层，第二导电类型半导体层为p型半导体层。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，金属纳米颗粒的材料为银、铜或金，电介质的外表层的材料为二氧化硅或氮化硅。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，第二导电类型半导体层上，紧邻第二导电类型半导体层设置有金属纳米颗粒。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，纳米颗粒组的电介质外表层仅包裹一个金属纳米颗粒内核。
6.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，纳米颗粒组的形状为球体、盘状或三角瓣形。
7.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，金属纳米颗粒内核大小为5纳米到100纳米，电介质的外表层厚度为1纳米到20纳米。
8.一种电子设备，其特征在于，电子设备的本体上设置有如权利要求1-7任一权利要求所述的发光二极管。
9.一种发光二极管制造方法，其特征在于，包括：
在发光二极管的衬底上依次设置第一导电类型半导体层和多量子阱结构；
在多量子阱结构上沉积多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组，纳米颗粒组具有电介质的外表层，以及被外表层包裹的金属纳米颗粒内核；
在多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组上沉积第二导电类型半导体层，第二导电类型半导体材料被填充在纳米颗粒组的间隙中。
10.根据权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，在第二导电类型半导体层上沉积金属纳米颗粒。
11.根据权利要求10所述的发光二极管制造方法，其特征在于，
在发光二极管的衬底上依次设置第一导电类型半导体层和多量子阱结构具体为：
在发光二极管的衬底上依次设置n型半导体层和多量子阱结构；
在多量子阱结构上沉积多个相互之间具有间隙的纳米颗粒组具体为：
在多量子阱结构上沉积金属纳米颗粒的材料为银、铜或金，电介质的外表层的材料为二氧化硅或氮化硅的纳米颗粒组；
在复合金属纳米颗粒层上沉积第二导电类型半导体层具体为：
在复合金属纳米颗粒层上沉积p型半导体层；
在第二导电类型半导体层上沉积金属纳米颗粒具体为：
在p型半导体层上沉积银纳米颗粒、铜纳米颗粒或金纳米颗粒。
12.根据权利要求9所述的发光二极管制造方法，其特征在于，纳米颗粒组的电介质外表层仅包裹一个金属纳米颗粒内核。
13.根据权利要求12所述的发光二极管制造方法，其特征在于，纳米颗粒组的形状为球体、盘状或三角瓣形。
14.根据权利要求12所述的发光二极管制造方法，其特征在于，金属纳米颗粒内核大小为5纳米到100纳米，电介质的外表层厚度为1纳米到20纳米。
15.根据权利要求10所述的发光二极管制造方法，其特征在于，纳米颗粒组通过旋转涂布、丝网印刷或自组装工艺形成。
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