CN103296160B - 一种降低有源区工作温度的led结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低有源区工作温度的LED结构，包括衬底层、本征GaN层、n‑GaN限制层、有源区发光层、p‑GaN限制层、p面电极和n面电极，其中：在所述p‑GaN限制层的上表面或下表面上设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2‑20μm，孔洞的直径1‑5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30‑50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1‑10nm的银薄膜。本发明由于非辐射复合的载流子寿命较长，需声子耦合后才可复合，等离激元震荡产生的强局域场可以对载流子的波矢进行补偿，为长寿命载流子的复合提供新的通道，从而降低声子辅助的复合几率，达到降低器件发热的目的。

Description

一种降低有源区工作温度的LED结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种降低有源区工作温度的LED结构及其制备方法，属于发光二极管制造技术领域。

背景技术

上世纪50年代，在IBM Thomas J.Watson Research Center为代表的诸多知名研究机构的努力下，以GaAs为代表的III–V族半导体在半导体发光领域迅速崛起。之后随着金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术的出现，使得高质量的III–V族半导体的生长突破了技术势垒，各种波长的半导体发光二极管器件相继涌入市场。由于半导体发光二极管相对于目前的发光器件具有理论效率高、寿命长、抗力学冲击等特质，在世界范围内被看作新一代照明器件。虽然目前的LED芯片内量子效率普遍达到了较高的水平，但是在量子阱中，由于半导体材料生长过程中引入的各种缺陷，载流子的非辐射复合仍然占有一定的比例。非辐射复合过程中需要释放出声子实现复合过程中的动量、能量守恒，并且在直接带隙化合物半导体材料中载流子的激发态寿命短至几个皮秒，因此，很小的非辐射复合几率就可以产生大量的热。由于化合物半导体材料热导率较低，产生的热无法及时传至器件外部，有源区的工作温度会急剧升高，导致内量子效率下降、器件寿命下降以及封装材料的老化。

由于有源区在LED芯片的内部，因此无法使用直接测量的手段得到有源区的工作温度。Todoroki，Abdelkader，Murata等课题组分别在1985、1992、1992年使用微曲拉曼光谱、阈值电压法、热阻法测量出LED有源区的工作温度。GaN基蓝光LED芯片在20mA以及100mA的工作电流下，其有源区工作温度分别为221℃与415℃，Chhajed J.Appl.Phys.2005。因此，降低LED有源区工作温度的方法对于LED的大功率化以及延长寿命非常关键。目前给LED降温的手段主要集中在芯片外围，比如附加高导热率的热沉等常规手段，还没有一种可以从有源区直接调控载流子复合过程的降温手段。

中国专利CN201715469U公开一种LED散热装置，该装置包括散热罩和压块，所述散热罩呈杯状结构，在所述散热罩内底面贴合固定散热板，散热板另一面连接LED封装模块，所述压块一侧设有凹槽，另一侧设有通孔，所述通孔贯通至所述凹槽，所述压板设有凹槽的一侧贴合固定在所述散热板上，所述LED封装模块位于所述凹槽内且正对所述通孔。在原有LED封装模块与散热板配合的基础上，增加散热罩和压块，使用压块将散热板固定贴合在散热罩的底部，使其与散热罩充分接触，这样增加了散热面积，散热效果更佳。此实用新型的劣势在于：不利于LED光源向小型化发展。LED光源的一大优势在于可以显著减少光源的体积，如果外加散热模块，则这一优势将不存在。

中国专利CN201661493U涉及一种LED散热风扇,包括风扇框体、风扇定子以及扇叶转子，风扇框体上具有贯通的气流通孔，并在气流通孔内设有定子座，而风扇定子则设于定子座上，并使扇叶转子能旋转地与风扇定子枢接接合；其中，风扇框体在气流通孔内缘处增设壁厚，壁厚上凹设有围绕在气流通孔周围的沟槽，而所述沟槽内则设有LED发光组件。本实用新型的LED散热风扇，不仅能产生更为绚丽的视觉效果，还能为防止人手误触旋转的扇叶受到伤害而起到警示作用。此实用新型的劣势在于：增加了LED光源的整体能耗。LED光源最主要的优势在于可以显著降低能耗，如果外加风扇散热模块，引入额外能耗。则这一优势将不存在。

中国专利CN 101482257涉及一种LED灯的散热方法、散热结构及LED灯，设置一由金属材料制成的敞口散热杯，LED灯珠和电路板设置在该散热杯内底面上，在该散热杯外底面和外侧环面涂覆具有转换热能和电磁辐射为远红外波的陶瓷层。所述散热杯可以做成灯罩形状，将聚光透镜罩盖于LED灯珠之上并将散热杯敞口盖合，这样散热杯直接作为灯罩使用。所述散热杯也可以设置于玻璃灯杯之内，仅仅作为散热器使用。此发明的劣势在于：散热效果差，仍然没有从根本上解决LED发热的问题。

中国专利CN 201503871U涉及一种散热快的高功率LED结构。一种散热快的高功率LED结构，主要由三只相隔并排的接脚、镶固于接脚导接发光体一端的LED晶体、及包裹接脚导接发光体一端并与LED晶体的透光封装构成，排在中央的接脚是用以固定LED晶体，并向外延伸其宽度足以在其导接光体另端板面开设固接孔，通过固接孔钉固到其它散热板上搭接，加快本身散热；该固定孔为螺孔。本实用新型达到散热快的高功率LED效用，使高功率发光二极管加上散热块的整灯头得以更缩小减轻重量，便利高效率发光二极管灯具能往更小巧化发展。此实用新型的劣势在于：散热效果差，仍然没有从根本上解决LED发热的问题。

综上所述，现有技术均是在LED的外部对LED进行降温，不但降温效果不佳，而且所采用的降温手段耗能复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于金属-介质纳米异质结构局域耦合效应降低有源区工作温度的LED结构。

本发明所述的LED优选是GaN基同面电极结构的LED或GaN基垂直电极结构的LED。

本发明还提供一种上述降低有源区工作温度的LED结构的制备方法。

术语解释

正性光刻胶：为曝光部位可以去除的光刻胶，利用正性光刻胶制备图形的技术就是利用正性光刻胶制备图形。

ICP干法刻蚀：感应耦合等离子(Inductive Coupled Plasma)干法刻蚀。

LED(Light Emitting Diode)：发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。

占空比：孔洞直径与孔洞周期的比值。

本发明的技术方案如下：

一种降低有源区工作温度的LED结构，包括衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、p面电极和n面电极，其中：在所述p-GaN限制层的上表面或下表面上设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜。

根据本发明，优选方案之一：

所述的LED结构是GaN基同面电极结构的LED，包括由下而上设置的衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、电流扩展层和p面电极，在n-GaN限制层上设置有n面电极；在所述p-GaN限制层的上表面上制有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜。

根据本发明，优选方案之一：

所述的LED结构是GaN基垂直电极结构的LED，包括由下而上设置的p面电极、衬底层、金属反射镜、p-GaN限制层、有源区发光层、n-GaN限制层、本征GaN层和n面电极；在所述的p-GaN限制层的下表面设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜。

所述的孔洞阵列为孔洞呈六次对称排列、孔洞呈四次对称排列或孔洞随机排列。

所述孔洞在p-GaN限制层表面的占空比为10％-80％。

所述银薄膜包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒的形状为半椭球形，并且其短轴与长轴比例范围为0.6-1.0，长轴尺寸范围为5-50nm。

所述衬底层为蓝宝石衬底层或碳化硅衬底层。

根据本发明，一种降低有源区工作温度的LED的制备方法，包括步骤如下：

1)按现有技术制备外延片至p-GaN限制层，在p-GaN限制层表面上涂正性光刻胶，后续利用ICP干法刻蚀在p-GaN限制层涂有正性光刻胶的表面制备孔洞，形成孔洞阵列；刻蚀制备孔洞阵列后不去胶，制成刻蚀后的外延片；所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；

2)在刻蚀后的外延片具有孔洞的一面制备一层厚度范围为1-10nm的银薄膜；

3)将经步骤2)处理后的外延片置于氮气气氛下退火0.5-2h，退火的温度范围:80-150℃；

4)将经步骤3)处理后的外延片去胶；

5)在去胶后的外延片上按现有技术制成LED管芯。

优选的，步骤5)为在去胶后的外延片上继续制作电流扩展层，按照LED芯片同面电极工艺制成GaN基同面电极结构的LED；或

在去胶后的外延片上继续制作金属反射镜，利用LED芯片换衬底垂直电极工艺制成GaN基垂直电极结构的LED。

步骤1)所述正性光刻胶的厚度范围为0.8-1.2mm。

步骤1)所述孔洞呈六次对称排列、孔洞呈四次对称排列或孔洞随机排列。

步骤1)所述孔洞在p-GaN限制层的表面的占空比为10％-80％。

步骤2)所述银薄膜包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒的形状为半椭球形，并且其短轴与长轴比例范围为0.6-1.0，长轴尺寸范围为5-50nm。

步骤2)所述制备银薄膜的方法为溅射法、热蒸镀法或电子束蒸发法。

步骤4)所述将外延片置于丙酮中超声10-20min去胶。

上述方法用于制备GaN基同面电极结构的LED或GaN基垂直电极结构的LED。

本发明是基于金属-介质纳米异质结构局域耦合效应降低LED有源区工作温度，其原理在于，辐射复合的载流子寿命较短，在10pS以内，由于非辐射复合的载流子复合过程中波矢不匹配，也就是动量不守恒，因此需声子耦合对波矢差异进行补偿后才可复合,激发态寿命较长。任何形式的声子震荡最终都会以热的形式耗散，这就是为什么非辐射复合会产生大量的热。金属半导体纳米异质结构作用于LED量子阱区域时可以通过以下两个途径降低其发热概率：1.金属半导体纳米异质结构引入的等离激元震荡产生的强局域场可以使得量子阱的能带结构发生偏移，使得原来在波矢空间不能匹配的载流子实现波矢匹配，发生辐射复合；2.金属半导体纳米异质结构引入的等离激元可以看做一种准粒子，寿命较长的非辐射复合载流子可以先将能量耦合至等离激元震荡，然后间接发生辐射复合，等离激元为长寿命载流子的复合提供了新的通道。以上两点有利于降低声子辅助的非复合几率，达到降低器件发热的目的。

本发明的有益效果：

1.本发明可以有效降低LED有源区的工作温度，降温幅度超过20％，减缓芯片的老化速度，延长LED芯片寿命。

2.本发明降低有源区工作温度的同时，可以利用金属-介质纳米异质结构局域耦合效应增加有源区的辐射复合比例，对于器件量子效率的提升有一定的积极作用。

3.本发明技术方案中沉积银纳米颗粒的孔洞阵列结构可以有效降低出光层的有效折射率，提高LED芯片的光提取效率。

4.本发明可以在不外加热沉的情况下降低LED芯片有源区的工作温度，可以显著减小功率LED芯片的封装尺寸。

5.本发明基于金属-介质纳米异质结构局域耦合效应降低LED有源区工作温度的方法，易于LED芯片的集成制备。

附图说明

图1为本发明的GaN基同面电极结构LED的示意图；其中，1、p面电极，2、电流扩展层，3、p-GaN限制层，4、有源区发光层，5、n-GaN限制层，6、本征GaN层，7、衬底层，8、银纳米颗粒，9、n面电极,19、孔洞；

图2为本发明的GaN基垂直电极结构LED的示意图；其中，10、n面电极，11、本征GaN层，12、n-GaN限制层，13、有源区发光层，14、p-GaN限制层，15、银纳米颗粒，16、金属反射镜，17、衬底层，18、p面电极。20、孔洞；

图3为孔洞呈六次对称排列的示意图；

图4为孔洞呈四次对称排列的示意图；在图3-4中带箭头所指代的尺寸为本发明中所述的孔洞周期；

图5是图1的局部放大图，其中s1为孔洞19底边与有源区发光层4之间的距离；

图6是图2的局部放大图，其中s2为孔洞20底边与有源区发光层13之间的距离。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、制备2英寸蓝宝石衬底GaN基同面电极结构的LED

结构如图1、图3所示，所述GaN基同面电极结构的LED从底部至顶部的结构依次为蓝宝石衬底层7、本征GaN层6、n-GaN限制层5、有源区发光层4、p-GaN限制层3、电流扩展层2和p面电极1；在p-GaN限制层3的上表面在制有孔洞19，形成孔洞阵列，所述孔洞19呈六次对称排列；孔洞19的周期为2μm，孔洞的直径1μm，所述孔洞在p-GaN限制层的下表面的占空比为50％；孔洞19的底边与有源区发光层4相距s1为30nm；在孔洞的底部有厚度为3nm的银薄膜。

制备方法步骤如下：

1)按现有技术制备外延片至p-GaN限制层，在p-GaN限制层3的上表面上涂厚度为1mm的正性光刻胶，后续利用ICP干法刻蚀在p-GaN限制层3上表面制备孔洞19，形成孔洞阵列，所述孔洞19呈六次对称排列；刻蚀制备孔洞阵列后不去胶，制成刻蚀后的外延片；所述孔洞的周期为2μm，孔洞的直径1μm，所述孔洞19在p-GaN限制层3的上表面的占空比为50％；所述孔洞19的底边与有源区发光层4相距s1为30nm；

2)在刻蚀后的外延片具有孔洞的一面采用电子束蒸发法制备一层厚度为3nm的银薄膜；所述银薄膜包括银纳米颗粒8，所述银纳米颗粒的形状为半椭球形，并且其短轴与长轴比例范围为0.6-1.0，长轴尺寸范围为5-50nm；本步骤中所述的在外延片具有孔洞的一面采用电子束蒸发法制备一层厚度为3nm的银薄膜是指：在外延片具有孔洞的表面上制备有3nm厚度的银薄膜，而且在所述孔洞的底部制备有3nm厚度的银薄膜；

3)将经步骤2)处理后的外延片置于氮气气氛下退火0.5h，退火的温度为:80℃；

4)将经步骤3)处理后的外延片置于丙酮中超声15min去胶；

5)在去胶后的外延片上继续制作电流扩展层，利用LED芯片同面电极工艺制成GaN基同面电极结构的LED。

实施例2、制备2英寸蓝宝石衬底GaN基垂直电极结构的LED

结构如图2和图4，该LED包括由下而上设置的p面电极18、蓝宝石衬底层17、金属反射镜16、p-GaN限制层14、有源区发光层13、n-GaN限制层12、本征GaN层11和n面电极10；在p-GaN限制层14下表面制有孔洞20，形成孔洞阵列，所述孔洞呈四次对称排列；孔洞的周期为10μm，孔洞的直径2.5μm，所述孔洞在p-GaN限制层的下表面的占空比为25％；孔洞20的底边与有源区发光层13相距s2为40nm；在孔洞20的底部有厚度为5nm的银薄膜。

制备方法步骤如下：

1)按现有技术制备外延片至p-GaN限制层，在p-GaN限制层14的下表面上涂厚度为1.2mm的正性光刻胶，后续利用ICP干法刻蚀在p-GaN限制层14下表面制备孔洞20，形成孔洞阵列，所述孔洞呈四次对称排列；刻蚀制备孔洞阵列后不去胶，制成刻蚀后的外延片；所述孔洞的周期为10μm，孔洞的直径2.5μm，所述孔洞在p-GaN限制层的下表面的占空比为25％；所述孔洞20的底边与有源区发光层13相距s2为40nm；

2)在刻蚀后的外延片具有孔洞的一面采用电子束蒸发法制备一层厚度为5nm的银薄膜；所述银薄膜包括银纳米颗粒15，所述银纳米颗粒的形状为半椭球形，并且其短轴与长轴比例范围为0.6-1.0，长轴尺寸范围为5-50nm；本步骤中所述的在外延片具有孔洞的一面采用电子束蒸发法制备一层厚度为5nm的银薄膜是指：在外延片具有孔洞的表面上制备有5nm厚度的银薄膜，而且在所述孔洞20的底部制备有5nm厚度的银薄膜；

3)将经步骤2)处理后的外延片置于氮气气氛下退火1h，退火的温度为:120℃；

4)将经步骤3)处理后的外延片置于丙酮中超声15min去胶；

5)在去胶后的外延片上继续制作金属反射层16，利用LED芯片换衬底垂直电极工艺制成GaN基垂直电极结构的LED。

实施例3、制备2英寸碳化硅衬底GaN基同面电极结构的LED

结构如图1和图4，如实施例1所述的GaN基同面电极结构的LED，所述GaN基同面电极结构的LED从底部至顶部的结构依次为碳化硅衬底层7、本征GaN层6、n-GaN限制层5、有源区发光层4、p-GaN限制层3、电流扩展层2和p面电极1；所述孔洞19呈四次对称排列；孔洞的周期为20μm，孔洞的直径5μm，所述孔洞19在p-GaN限制层3的上表面的占空比为25％；孔洞19的底边与有源区发光层4相距s1为50nm；在孔洞的底部有厚度为10nm的银薄膜。

制备方法如实施例1所述，不同之处在于：

步骤1)所述孔洞呈四次对称排列；所述孔洞的周期为20μm，孔洞的直径5μm，所述孔洞19的底边与有源区发光层4相距s1为50nm；

步骤2)在刻蚀后的外延片具有孔洞的一面采用电子束蒸发法制备一层厚度为10nm的银薄膜；

步骤3)将经步骤2)处理后的外延片置于氮气气氛下退火2h，退火的温度为:150℃。

实施例4、制备2英寸蓝宝石衬底GaN基垂直电极结构的LED

如图2，如实施例2所述，该LED包括由下而上设置的p面电极18、蓝宝石衬底层17、金属反射镜16、p-GaN限制层14、有源区发光层13、n-GaN限制层12、本征GaN层11和n面电极10；制备方法如实施例2所述，不同之处在于：

步骤1)所述孔洞20随机排列；孔洞的直径2.5μm；

步骤2)在刻蚀后的外延片具有孔洞的一面采用溅射法制备一层厚度为5nm的银薄膜；

步骤3)将经步骤2)处理后的外延片置于氮气气氛下退火1.5h，退火的温度为:120℃。

Claims (4)

1.一种降低有源区工作温度的LED结构，包括衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、p面电极和n面电极，其特征在于，在所述p-GaN限制层的上表面或下表面上设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜；

所述的孔洞阵列为孔洞呈六次对称排列、孔洞呈四次对称排列或孔洞随机排列；所述孔洞在p-GaN限制层表面的占空比为10％-80％；所述衬底层为蓝宝石衬底层或碳化硅衬底层；

所述银薄膜包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒的形状为半椭球形，并且其短轴与长轴比例范围为0.6-1.0，长轴尺寸范围为5-50nm；

其中，所述的LED结构是GaN基同面电极结构的LED，包括由下而上设置的衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、电流扩展层和p面电极，在n-GaN限制层上设置有n面电极；在所述p-GaN限制层的上表面上制有孔洞，

或者，所述的LED结构是GaN基垂直电极结构的LED，包括由下而上设置的p面电极、衬底层、金属反射镜、p-GaN限制层、有源区发光层、n-GaN限制层、本征GaN层和n面电极；在所述的p-GaN限制层的下表面设置有孔洞。

2.如权利要求1所述降低有源区工作温度的LED结构的制备方法，包括步骤如下：

1)制备外延片至p-GaN限制层，在p-GaN限制层表面上涂正性光刻胶，后续利用ICP干法刻蚀在p-GaN限制层涂有正性光刻胶的表面制备孔洞，形成孔洞阵列；刻蚀制备孔洞阵列后不去胶，制成刻蚀后的外延片；

2)在刻蚀后的外延片具有孔洞的一面制备一层厚度范围为1-10nm的银薄膜；

3)将经步骤2)处理后的外延片置于氮气气氛下退火0.5-2h，退火的温度范围:80-150℃；

4)将经步骤3)处理后的外延片去胶；

5)在去胶后的外延片上制成LED管芯。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)为在去胶后的外延片上继续制作电流扩展层，按照LED芯片同面电极工艺制成GaN基同面电极结构的LED；或

在去胶后的外延片上继续制作金属反射镜，利用LED芯片换衬底垂直电极工艺制成GaN基垂直电极结构的LED。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述正性光刻胶的厚度范围为0.8-1.2mm；步骤2)所述制备银薄膜的方法为溅射法、热蒸镀法或电子束蒸发法；步骤4)所述外延片去胶是将外延片置于丙酮中超声10-20min去胶。