CN103840056A - 表面等离子体荧光增强的led光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面等离子体荧光增强的LED光源，包括LED外延芯片、荧光粉层、金属纳米结构层、P型电极和N型电极；所述LED外延芯片包括依次层叠的衬底层、缓冲层、n型半导体层、量子阱层、p型GaN层和导电层；所述荧光粉层涂覆在所述导电层上，所述金属纳米结构层位于所述荧光粉层上；所述P型电极和N型电极分别镀于所述LED外延芯片的导电层和n型半导体层的端部。本发明通过设计特定的金属纳米结构的大小和形状，使金属表面等离子体吸收共振频率与发光材料的发射频率相匹配，从而使金属表面自由电子振荡与荧光粉发光材料的相互作用产生共振，实现表面等离子体荧光增强LED发光效率及光萃取效率。
Description
技术领域
本发明属于LED技术领域，具体地说，本发明涉及一种表面等离子体荧光增强的LED光源。
背景技术
通常照明所用的白炽灯，荧光灯，钠灯，汞灯等传统照明设备由于能耗较大且废弃后造成较大的环境污染，而半导体照明由于在照明节能、环保方面有极大的应用前景，已成为各国制定经济政策的重点发展目标。随着研究的深入，半导体照明技术取得重大突破，并迅速促进了半导体照明产业的兴起，白光LED已经大规模走向产业化。虽然LED技术创新速度远远超过预期，但与400lm/W的理论光效相比，仍有巨大的发展空间。
提高LED照明光源的发光效率一直是近年来研究的热点。由于半导体材料的折射率高，LED发光层产生的光有相当大一部分在经过数次全内反射之后被电极或发光层吸收了，而辐射到自由空间中的只是很小的部分。目前常采用改变发光层形状、粗糙化LED半导体材料表面、利用光子晶体等方式来提高LED的发光效率。随着表面等离子体研究的兴起，近年来，很多研究小组利用表面等离子体特性增强LED发光效率，并且得到了明显的发光增强效果。
表面等离子体是一种沿金属和介质界面传播的波，其振幅随离开界面的距离而指数衰减。金属纳米结构的表面等离子体激发能够产生非常特殊的光学性质。通过有效利用金属纳米结构激发的表面等离子体激元，就能够提高发光材料的发光效率和光萃取效率。
发明内容
基于此，本发明提供了一种表面等离子体荧光增强的LED光源，其具有表面等离子体荧光增强的特性，能够增强发光效率。
一种表面等离子体荧光增强的LED光源，所述LED光源包括LED外延芯片、荧光粉层、金属纳米结构层、P型电极和N型电极；所述LED外延芯片包括依次层叠的衬底层、缓冲层、n型半导体层、量子阱层、p型半导体层和导电层；所述荧光粉层涂覆在所述导电层上，所述金属纳米结构层位于所述荧光粉层上，所述P型电极和N型电极分别镀于所述LED外延芯片的导电层和n型半导体层的端部。
在其中一些实施例中，所述金属纳米结构层为Ag纳米粒子层。
在其中一些实施例中，所述金属纳米结构层为立方体、三角锥或圆柱体中的一种或几种。
在其中一些实施例中，所述金属纳米结构层为三角锥形，所述三角锥底边长为80-130nm，高为40-60nm。
在其中一个实施例中，所述三角锥底边长为95nm，高为45nm。
在其中一些实施例中，所述量子阱层为InGaN/GaN多量子阱、AlGaN/GaN多量子阱或AlGaN单量子阱。
在其中一些实施例中，所述导电层为氧化铟锡ITO、Ni或Au。
在其中一个实施例中，所述导电层为氧化铟锡ITO，所述氧化铟锡ITO中mSn2O3∶mIn2O3＝1∶9。
在其中一些实施例中，所述氧化铟锡ITO的厚度为200-400nm。
在其中一些实施例中，所述衬底层的材料为蓝宝石、SiC、ZnO、MgO、LiAlO2、LiGaO2、石英，玻璃或金属。
在其中一些实施例中，所述缓冲层为GaN或AlN缓冲层。
本发明的表面等离子体荧光增强的LED光源是在LED外延芯片结构上涂覆荧光粉层，在荧光粉层上排布金属纳米结构层而获得，通过设计特定的金属纳米结构的大小和形状，使金属表面等离子体吸收共振频率与发光材料的发射频率相匹配，从而使金属表面自由电子振荡与荧光粉发光材料的相互作用产生共振，从而实现表面等离子体荧光增强LED发光效率及光萃取效率。
附图说明
图1是本发明实施例1的表面等离子体荧光增强的LED光源的纵向截面图；
图2是本发明实施例2的表面等离子体荧光增强的LED光源的纵向截面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明涉及的一种表面等离子体荧光增强的LED光源，包括：
(1)LED外延芯片，包括依次层叠的衬底层、缓冲层、n型半导体层、量子阱层、p型半导体层和导电层；
a衬底层：是后续材料生长的基底，一般要求与后续生长的材料有好的晶格匹配和热匹配；材料为蓝宝石、SiC、ZnO、MgO、LiAlO2、LiGaO2、石英，玻璃或金属；
b缓冲层：在较低温度下生长在衬底层上结晶质量较差的成核层，可为GaN或AlN缓冲层；
cn型半导体层：一般与缓冲层材料相同，多数情况下要掺杂一定量的其它物质，比如在GaN半导体中可以掺硅等实现；
d量子阱层：也叫有源层，电子空穴复合发光区；可为InGaN/GaN多量子阱或AlGaN/GaN多量子阱或AlGaN单量子阱；
ep型半导体层：在GaN半导体中可以掺镁等实现；
f导电层：为氧化铟锡ITO、Ni或Au，优选为氧化铟锡ITO，所述氧化铟锡ITO中mSn2O3∶mIn2O3＝1∶9，厚度为200-400nm，优选为260-280nm。
(2)荧光粉层：涂覆在所述导电层上；
(3)金属纳米结构层：位于所述荧光粉层上；由易产生荧光增强效应的金、银等贵金属纳米结构组成；形状可为立方体、三角锥或圆柱体中的一种或几种。当为三角锥形，所述三角锥的底为边长80-130nm的正三角形，高为40-60nm。优选为底边长为95nm，高为45nm。
(4)P型电极：镀于所述LED外延芯片的导电层的一端；
(5)N型电极：镀于所述LED外延芯片的n型半导体层的一端。
本发明的表面等离子体荧光增强的LED光源是在LED外延芯片结构上涂覆荧光粉层，在荧光粉层上排布金属纳米结构层而获得，利用金属表面自由电子振荡与荧光粉发光材料的相互作用产生共振，从而实现表面等离子体荧光增强LED发光效率。通过设计特定的银金属纳米结构的形状、大小进而调节其表面等离子共振波长，不同形状大小的金属纳米粒子分别用来增强不同荧光粉发光材料的发光效率。
以下实施例有助于理解本发明，但不限制本发明的保护范围。
实施例1表面等离子体荧光增强的LED光源
本实施例的LED光源通过蓝光激发表面等离子体荧光增强LED发光效率，采用金属有机气相外延生长设备，包括：
(1)LED外延芯片，包括依次层叠的衬底层10、缓冲层11、n型半导体层12、量子阱层14、p型半导体层15和导电层16；
a衬底层10：蓝宝石衬底；
b缓冲层11：生长温度为550℃的GaN低温缓冲层(约35nm厚)；
c n型半导体层12：温度为1030℃生长1μm的GaN层，再生长3μm的n型GaN层(n型掺杂浓度为4×1018cm-3)；
d量子阱层14：5个周期的InGaN/GaN多量子阱层；其中每个周期中InGaN层厚度约为3nm，GaN垒层的厚度为11nm左右，InGaN层的In组分为8％，以控制量子阱层的发光波长在460nm左右的蓝光波段，多量子阱的生长温度控制在740℃-800℃；
ep型半导体层15：在980℃生长180nm的p型GaN层，生长完后在800℃氮气下退火10分钟，以激活p型杂质；
f导电层16：蒸度280nm厚的ITO导电层，其中控制ITO导电层中mSn2O3∶mIn2O3＝1∶9，280nm厚的ITO导电层蓝光波段透过率较大为90％；
(2)荧光粉层17：通过丝网印刷技术将YAG:Ce黄色荧光粉印制在外延芯片的ITO导电层16上；
(3)金属纳米结构层18：位于所述荧光粉层17上；为四面体(三角锥形)银纳米粒子，底面为边长为95nm的正三角形，高为45nm；
(4)P型电极19：镀于所述LED外延芯片的导电层16的一端；
(5)N型电极13；镀于所述LED外延芯片的n型半导体层12的一端。
本实施例的LED光源通过设计LED外延芯片结构中各外延层的厚度以及量子阱层中铟组分等从而实现发蓝光的外延芯片，设计ITO层的厚度为280nm，使得460nm左右蓝光透过ITO导电层达到90％，设计黄色荧光粉层以实现蓝光激发黄色荧光粉而发白光，设计Ag金属纳米结构的大小和形状，以控制金属表面等离子体吸收共振频率与发光材料黄光荧光粉相互作用产生共振，从而实现表面等离子体荧光增强LED发光效率及光萃取效率。
实施例2表面等离子体荧光增强的LED光源
本实施例的LED光源通过紫外光激发表面等离子体荧光增强LED发光效率，采用金属有机气相外延生长设备，包括：
(1)LED外延芯片，包括依次层叠的衬底层10′、缓冲层11′、n型半导体层12′、量子阱层14′、p型半导体层15′和导电层16′；
a衬底层10′：蓝宝石衬底；
b缓冲层11′：生长温度为550℃的GaN低温缓冲层(约35nm厚)；
c n型半导体层12′：温度为1030℃生长1μm的GaN层，再生长1.6μm的n型GaN层(n型掺杂浓度为1×1019cm-3)；
d量子阱层14′：厚度约为3.3nm的AlGaN量子阱层，AlGaN量子阱层的Al组分为15％，以控制量子阱层的发光波长在330nm左右的紫外光波段，多量子阱的生长温度控制在1050℃；
e p型半导体层15′：在980℃生长100nm的p型GaN层，生长完后在800℃氮气下退火10分钟，以激活p型杂质；
f导电层16′：蒸度260nm厚的ITO导电层，其中控制ITO导电层中mSn2O3∶mIn2O3＝1∶9，260nm厚的ITO导电层紫外光波段透过率较大为90％；
(2)荧光粉层17′：通过丝网印刷技术将Y2SiO5:Ce蓝色荧光粉与YAG:Ce黄色荧光粉印制在外延芯片的ITO导电层16′上；
(3)金属纳米结构层18′：位于所述荧光粉层17′上；为四面体(三角锥形)与立方体银纳米粒子，其中四面体底面为边长95nm的正三角形，高为45nm；立方体纳米粒子的边长为58nm；
(4)P型电极19′：镀于所述LED外延芯片的导电层16′的一端；
(5)N型电极13′；镀于所述LED外延芯片的n型半导体层12′的一端。
本实施例的LED光源通过设计LED外延芯片结构中各外延层的厚度以及单量子阱层AlGaN中Al组分等从而实现发紫外光的外延芯片，设计ITO层的厚度为260nm，使得紫外光透过ITO导电层达到90％，设计蓝色和黄色荧光粉层以实现紫外光激发蓝色和黄色荧光粉而发白光，设计四面体与立方体两种Ag金属纳米结构，以控制金属表面等离子体与发光材料蓝光和黄光荧光粉的发射频率相匹配，从而实现表面等离子体荧光增强LED发光效率及光萃取效率。
所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述LED光源包括LED外延芯片、荧光粉层、金属纳米结构层、P型电极和N型电极；
所述LED外延芯片包括依次层叠的衬底层、缓冲层、n型半导体层、量子阱层、p型半导体层和导电层；
所述荧光粉层涂覆在所述导电层上，所述金属纳米结构层排布于所述荧光粉层上；
所述P型电极和N型电极分别镀于所述LED外延芯片的导电层和n型半导体层的端部。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述金属纳米结构层为Ag纳米粒子层。
3.根据权利要求1或2所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述金属纳米结构层为立方体、三角锥或圆柱体中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述金属纳米结构层为三角锥形，所述三角锥底边长为80-130nm，高为40-60nm。
5.根据权利要求4所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述三角锥底边长为95nm，高为45nm。
6.根据权利要求1所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述量子阱层为InGaN/GaN多量子阱、AlGaN/GaN多量子阱或AlGaN单量子阱。
7.根据权利要求1所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述导电层为氧化铟锡ITO、Ni或Au。
8.根据权利要求7所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述导电层为氧化铟锡ITO，所述氧化铟锡ITO中mSn2O3∶mIn2O3＝1∶9，所述氧化铟锡ITO的厚度为200-400nm。
9.根据权利要求1所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述衬底层的材料为蓝宝石、SiC、ZnO、MgO、LiAlO2、LiGaO2、石英，玻璃或金属。
10.根据权利要求1所述的表面等离子体荧光增强的LED光源，其特征在于，所述缓冲层为GaN或AlN缓冲层。
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| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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