CN105845802B - 高光萃取率的发光二极管、导电膜，及导电膜的制作方法 - Google Patents
高光萃取率的发光二极管、导电膜，及导电膜的制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明主要提供一种高光萃取率的发光二极管，包含一个基板、一个形成在该基板的发光单元、一个形成在该发光单元的导电膜，及两个分别接触连接该导电膜和该发光单元用以自外界提供电能的电极。该导电膜包括一个能导电且透光的膜本体，及一个形成于该膜本体的堆栈结构。该堆栈结构由多个纳米粒子周期性地排列堆栈，且所述纳米粒子其中的多个与该膜本体的组成结构形成多个堆栈物，借该堆栈结构或所述堆栈物，与该发光单元间引发表面电浆共振而大幅提升发光二极管整体的光萃取率。本发明还提供该导电膜的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，特别是涉及一种高光萃取率(High extractionefficiency)的发光二极管。
背景技术
参阅图1，传统发光二极管1主要包含一个蓝宝石基板11、一个设置于该蓝宝石基板11上的发光单元12、一个设置于该发光单元12上的透明导电膜13，及两个电极14。
该发光单元12包括一个形成有一个平台的第一型半导体层121、一个盖设于该第一型半导体层121且未覆盖该平台的主动层122、一个盖设于该主动层122的第二型半导体层123。该第一型半导体层121、该主动层122、该第二型半导体层123、该透明导电膜13，及所述电极14分别是以n型氮化镓(n-GaN)层、多重量子层(MQW)、p型氮化镓(p-GaN)层，氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)及金为主要构成元素做说明。所述电极14分别电连接该第一型半导体层121与该透明导电膜13。当自所述电极14通入一电流时，该透明导电膜13可使该电流横向地均匀分布，进而驱动该第二型半导体层123的多个空穴与该第一型半导体层121的多个电子于该主动层122内结合而发光。
传统发光二极管1虽然可以在提供电能时以电子、空穴复合产生光，然而，由于该透明导电膜13的折射率(refraction index)相较该第二型半导体层123低且相较于空气高，所以自该主动层122发出的光子在该发光单元12与该透明导电膜13间且该透明导电膜13与空气间产生极高比例的全反射现象而束缚于该发光单元12与该透明导电膜13中，只有少部份的光子可以辐射出该发光二极管1外，导致传统发光二极管1的光萃取率过低。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种高光萃取率的发光二极管。
本发明的另一目的在于提供一种导电膜的制作方法。
本发明的又一目的在于提供一种导电膜。
本发明高光萃取率的发光二极管包含一个基板、一个发光单元、一个导电膜，及两个电极。
该发光单元设置于该基板上并在提供电能时发光。该导电膜形成在该发光单元上，包括一个能导电且透光的膜本体，与一个形成于该膜本体并邻近该发光单元的堆栈结构。该堆栈结构由多个纳米粒子周期性地排列堆栈，且所述纳米粒子其中的多个与该膜本体的组成结构形成多个堆栈物，该堆栈结构或所述堆栈物能与该发光单元间引发表面电浆共振。
本发明高光萃取率的发光二极管，该两电极分别接触连接该导电膜和该发光单元，且可配合提供电能至该发光单元。
本发明高光萃取率的发光二极管，所述堆栈物的数量朝远离该发光单元的方向不规则递减。
本发明高光萃取率的发光二极管，该膜本体是选自氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌锗、氧化锌铝、氧化铟加氧化钛、加钼氧化铟、氧化锌镓铟、氧化镓锌、氧化锌铟、氧化镓铟，及所述的组合所构成。
本发明的高光萃取率的发光二极管，所述纳米粒子是选自金、银、铜、铁、铂、钯、铝、钛、钒、铬、镍、钽、钨、锡、镓、钴，及所述的组合所构成。
本发明高光萃取率的发光二极管，该发光单元包括一个设置于该基板上第一型半导体层、一个设置于该第一型半导体层上的主动层，及一个设置于该主动层上的第二型半导体层。
本发明高光萃取率的发光二极管，该发光单元还包括一个位于该主动层与该第二型半导体层间的电流阻挡层。
本发明高光萃取率的发光二极管，该发光单元还包括一个位于该基板与该第一型半导体层间的缓冲层。
本发明导电膜的制作方法，包含一步骤(a)、一步骤(b)、一步骤(c)，及一步骤(d)。
该步骤(a)于一溶剂中加入多个纳米粒子成一所述纳米粒子呈过饱和状态的溶液。该步骤(b)将该溶液涂布于一个基材。
该步骤(c)去除附着于该基材的溶液的溶剂，得到一个由所述纳米粒子其中的多个附着于该基材的堆栈结构。
该步骤(d)将一导电材料自该基材镀覆于该堆栈结构而成一个膜本体，得到一个由该膜本体和该堆栈结构组成的导电膜。
本发明导电膜的制作方法，该步骤(b)是选自旋转涂布、喷涂、浸涂、刷涂、流动涂其中的至少一种涂布该基材。
本发明导电膜的制作方法，该步骤(d)是选自热蒸镀、溅镀、电子束蒸镀其中的至少一种镀制该膜本体。
本发明导电膜的制作方法，该步骤(d)于镀制该膜本体时还通入氧气。
本发明导电膜的制作方法，该步骤(d)还于镀制该膜本体后，将形成有该堆栈结构的该基材进行退火。
本发明导电膜的制作方法，该步骤(a)中的所述纳米粒子是选自金、银、铜、铁、铂、钯、铝、钛、钒、铬、镍、钽、钨、锡、镓、钴，及所述的组合所构成。
本发明导电膜的制作方法，该步骤(c)中的该导电材料是选自氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌锗、氧化锌铝、氧化铟加氧化钛、加钼氧化铟、氧化锌镓铟、氧化镓锌、氧化锌铟、氧化镓铟，及所述的组合所构成。
本发明导电膜包含一个能导电且透光的膜本体，及一个形成于该膜本体的一底面的堆栈结构。该堆栈结构由多个纳米粒子周期性地排列堆栈，且所述纳米粒子其中的多个与该膜本体的组成结构形成多个堆栈物。
本发明导电膜，所述堆栈物的数量朝相反于该膜本体的底面的方向不规则递减。
本发明导电膜，该膜本体是选自氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌锗、氧化锌铝、氧化铟加氧化钛、加钼氧化铟、氧化锌镓铟、氧化镓锌、氧化锌铟、氧化镓铟，及所述的组合所构成。
本发明导电膜，所述纳米粒子是选自金、银、铜、铁、铂、钯、铝、钛、钒、铬、镍、钽、钨、锡、镓、钴，及所述的组合所构成。
本发明的有益效果在于：通过由形成所述堆栈物，该导电膜的堆栈结构能嵌入该膜本体中，组成该导电膜；当该导电膜设置于该发光二极管的发光单元上时，能使光子与该导电膜的堆栈结构或堆栈物发生表面电浆共振，降低该发光二极管的全反射现象，以提升光萃取率。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是一示意图，说明一种传统发光二极管；
图2是一示意图，说明本发明高光萃取率的发光二极管的一实施例；
图3是一高解析穿隧式电子显微镜(HR-TEM)的剖面影像图，说明该实施例的一导电膜与一第二型半导体层；
图4是一自图3的区域Ⅰ(regionⅠ)取得的局部放大图，说明该导电膜的一膜本体、一堆栈结构，及多个堆栈物；
图5是一自图3的区域Ⅱ(regionⅡ)取得的局部放大图，说明该膜本体、该堆栈结构，及所述堆栈物；
图6是一自图3的区域Ⅲ(regionⅢ)取得的局部放大图，说明该膜本体、该堆栈结构，及所述堆栈物；
图7是一光致荧光(Photoluminescence,PL)讯号强度对波长关系图，说明本发明高光萃取率的发光二极管的该实施例与一传统发光二极管在波长为325nm的激光激活下的光致荧光讯号强度；
图8是一光输出功率对操作电流关系图，说明本发明高光萃取率的发光二极管的该实施例与该传统发光二极管在电能驱动下的光萃取率；
图9是一电流对电压图，说明该实施例在不同纳米银粒子浓度下制备的电阻值；
图10是一流程图，说明本发明导电膜的制作方法的一实施例；
图11是一薄膜穿透率对波长关系图，说明本发明导电膜的一实施例与一传统ITO导电膜在一蓝宝石基板上产生表面电浆共振；及
图12是一薄膜穿透率对波长关系图，说明该实施例与该传统ITO导电膜在一玻璃基板上产生表面电浆共振。
具体实施方式
在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。
参阅图2，本发明高光萃取率的发光二极管的一实施例包含一个基板2、一个设置于该基板2上并在提供电能时发光的发光单元3、一个形成在该发光单元3上的导电膜4，及两个分别接触连接该导电膜4和该发光单元3且能配合提供电能至该发光单元3的电极5。
该发光单元3包括一个设置于该基板2上第一型半导体层32、一个设置于该第一型半导体层32上的主动层33、一个设置于该主动层33上的第二型半导体层35、一个位于该主动层33与该第二型半导体层35间的电流阻挡层34，及一个位于该基板2与该第一型半导体层32间的缓冲层31。在本发明该实施例中，该基板2、该第一型半导体层32、该主动层33、该电流阻挡层34、该第二型半导体层35分别是蓝宝石基板、n型氮化镓层、InGaN/GaN多重量子井层、氮化铝镓(AlGaN)层、p型氮化镓层，且该主动层33的发光波长是460nm(即蓝光)。较佳的，该第二型半导体层35的厚度范围为80nm至250nm。
参阅图3至图6，该导电膜4包括一个能导电且透光的膜本体41，与一个形成于该膜本体41并邻近该发光单元3的堆栈结构42。该堆栈结构42由多个纳米粒子421周期性地排列堆栈，且所述纳米粒子421其中的多个与该膜本体41的组成结构形成多个堆栈物43。所述堆栈物43的数量是自该膜本体41的一底面朝该膜本体41的一顶面不规则地递减。
更具体地说，该膜本体41是选自氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌锗、氧化锌铝、氧化铟加氧化钛、加钼氧化铟、氧化锌镓铟、氧化镓锌、氧化锌铟、氧化镓铟，及所述的组合所构成。所述纳米粒子421是选自金、银、铜、铁、铂、钯、铝、钛、钒、铬、镍、钽、钨、锡、镓、钴，及所述的组合所构成。唯，该膜本体、所述纳米粒子421的选用需与该主动层33配合，以满足发生表面电浆共振的条件，较佳地，蓝光波段(400-450nm)是选用银、绿光波段(500-550nm)是选用金、紫外光(300nm-400nm)是选用铝。
在该实施例中，该导电膜4的厚度为200nm，且该膜本体41与所述纳米粒子421分别是氧化铟锡(ITO)与银(Ag)，该导电膜是在制备形成该发光单元后，先将纳米等级的银粒子规则排列附着于该发光单元后，再于通入氧气的制程条件下将氧化铟锡(ITO)镀覆后制得，所以所述堆栈物43以氧化银(Ag2O)与氧化银铟(AgInO2)等氧化物形式存在，也就是所述纳米粒子421间形成多个化学键结存在。
具体地说，当顺向偏压(forward bias)施于所述电极时，该第一、二型半导体层的电子、空穴于该主动层内结合而产生多个光子向外辐射，其中，特别容易发生全反射现象的横向偏振光(transverse mode)行至该导电膜4时，与该导电膜4的该堆栈结构42及所述堆栈物43产生表面电浆共振效应SPR(surface plasmon resonance)，得以将原本发生全反射的所述光子导出至该导电膜4外，提升该实施例的光萃取率。
参阅图7与图8，由光致荧光讯号强度对波长关系图与光输出功率对操作电流关系图显示证明，当多个自该主动层33发出的光子行至该导电膜4时，确实通过与所述光子与该导电膜4的该堆栈结构42或所述堆栈物43产生表面电浆共振效应，得以将原本发生全反射的所述光子导出至该导电膜4外，因而提升光萃取率而使得在激光激活下的光致荧光讯号(如图7所示)与电能驱动下的光输出功率(如图8所示)皆相较于传统发光二极管高。
参阅图9，由电流对电压关系图显示可知，所述纳米粒子421通过嵌入该膜本体41中并形成所述堆栈物43，使该实施例的电阻并未因所述纳米粒子421而过度增加，而优化奥姆接触(Ohmic contact)以避免产生巨幅的热效应。在该实施例中，由1至20ppm浓度的所述纳米粒子421所制成的发光二极管的电阻约为10奥姆。
另外需说明的是，所述纳米粒子421在该导电膜4的堆栈方式只须符合规则且周期性的排列即以满足发生表面电浆共振的条件，并不限于化学键结方式。
参阅图10，再补充说明的是，上述导电膜的制作，是在基板上制作完该发光单元后，依序进行一步骤(a)、一步骤(b)、一步骤(c)，及一步骤(d)制作得到。
该步骤(a)于一溶剂6中加入多个纳米粒子421成一所述纳米粒子421呈过饱和状态的溶液7，该溶剂6是一单相的有机溶剂，如异丙酮。
该步骤(b)将该溶液7涂布于一基材8，并选自旋转涂布、喷涂、浸涂、刷涂、流动涂(flow coating)其中的至少一涂布方式涂布该基材，在本发明该实施例中是以旋转涂布为例说明。
该步骤(c)烘烤方式去除溶剂6而得到一个由所述纳米粒子421其中的多个附着于该基材8的堆栈结构42。
该步骤(d)于通入有氧气的环境下将一导电材料9，自该基材8镀覆于该堆栈结构42而成一个膜本体41，并于镀覆的过程，所述纳米粒子421其中的多个与该膜本体41的组成结构形成多个堆栈物43，得到一个由该膜本体41、该堆栈结构42，及所述堆栈物43组成的导电膜4，且于镀制该膜本体41后，将形成有该堆栈结构42的基材8进行一个高温退火过程，以使该膜本体41与该基材8紧密结合并优化奥姆接触。其中，镀制该膜本体的方式是选自热蒸镀、溅镀、电子束蒸镀其中的至少一种方式。此处值得进一步说明的是，该步骤(a)的该溶液7的浓度、该步骤(b)旋转涂布的转速，及该步骤(c)去除该溶剂6的方式皆会影响表面电浆共振的特性。较佳的，该溶液7的浓度为10ppm、该步骤(b)的转速为3000rpm，且该步骤(c)是以100°C-300℃烘烤。
再者，上述导电膜4不限于设置于该发光单元3上，其他例如蓝宝石基板、石英、玻璃、氧化铟锡、陶瓷或金属上皆能设置，而于光子行至该导电膜4和蓝宝石基板、石英、玻璃、氧化铟锡、陶瓷或金属等物连接的界面时因产生表面电浆共振效应，而得以降低原本发生全反射的机率。如图11与图12所示，将该导电膜4分别设置于蓝宝石基板与玻璃基板上时，由薄膜穿透率对波长关系图显示可知，在波长为390nm处具有一穿透谷(transmissiondip)，恰与该导电膜4能发生表面电浆共振效应的波长吻合，也就是说，当该导电膜4设置于该蓝宝石基板与该玻璃基板时也有表面电浆共振效应的产生，进而可以证得光子行至所述界面确实因产生表面电浆共振效应，而得以降低发生全反射的机率。
综上所述，本发明高光萃取率的发光二极管、本发明导电膜的制作方法及其制品，于各实施例中该导电膜4的堆栈结构42与该膜本体41间通过形成所述堆栈物43，使该堆栈结构42能嵌入该膜本体41且周期性地排列堆栈以组成该导电膜4。当该导电膜4设置于该高光萃取率的发光二极管的发光单元3上时，能使光子与该导电膜4的堆栈结构42或所述堆栈物43发生表面电浆共振，降低该高光萃取率的发光二极管的全反射现象，以提升光萃取率，所以确实能达成本发明的目的。
Claims (18)
1.一种高光萃取率的发光二极管，包含一个基板、一个设置于该基板上并在提供电能时发光的发光单元，及两个能配合提供电能至该发光单元的电极；其特征在于：
该高光萃取率的发光二极管还包含一个导电膜，形成在该发光单元上并包括一个能导电且透光的膜本体，及一个形成于该膜本体并邻近该发光单元的堆栈结构，该堆栈结构由多个纳米粒子周期性地排列堆栈，所述纳米粒子其中的多个与该膜本体的组成结构形成多个堆栈物，该堆栈结构或所述堆栈物能与该发光单元间引发表面电浆共振，所述电极分别接触连接该导电膜和该发光单元；
其中，该导电膜中的所述堆栈物是由结晶态的金属氧化物所构成。
2.根据权利要求1所述的高光萃取率的发光二极管，其特征在于：所述堆栈物的数量朝远离该发光单元的方向不规则递减。
3.根据权利要求2所述的高光萃取率的发光二极管，其特征在于：该膜本体是选自氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌锗、氧化锌铝、氧化铟加氧化钛、加钼氧化铟、氧化锌镓铟、氧化镓锌、氧化锌铟、氧化镓铟，及所述的组合所构成。
4.根据权利要求3所述的高光萃取率的发光二极管，其特征在于：所述纳米粒子是选自金、银、铜、铁、铂、钯、铝、钛、钒、铬、镍、钽、钨、锡、镓、钴，及所述的组合所构成。
5.根据权利要求4所述的高光萃取率的发光二极管，其特征在于：该发光单元包括一个设置于该基板上第一型半导体层、一个设置于该第一型半导体层上的主动层，及一个设置于该主动层上的第二型半导体层。
6.根据权利要求5所述的高光萃取率的发光二极管，其特征在于：该发光单元还包括一个位于该主动层与该第二型半导体层间的电流阻挡层。
7.根据权利要求6所述的高光萃取率的发光二极管，其特征在于：该发光单元还包括一个位于该基板与该第一型半导体层间的缓冲层。
8.一种导电膜的制作方法；其特征在于：该导电膜的制作方法包含以下步骤
(a)于一溶剂中加入多个纳米粒子成一所述纳米粒子呈过饱和状态的溶液，
(b)将该溶液涂布于一个基材，
(c)去除附着于该基材的溶液的溶剂，得到一个由所述纳米粒子其中的多个附着于该基材的堆栈结构，及
(d)将一导电材料自该基材镀覆于该堆栈结构而成一个膜本体，得到一个该由该膜本体和该堆栈结构组成的导电膜；
其中，该步骤(d)的该堆栈结构中的所述纳米粒子其中的多个与该膜本体的组成结构形成多个堆栈物，且所述堆栈物是由结晶态的金属氧化物所构成。
9.根据权利要求8所述的导电膜的制作方法，其特征在于：该步骤(b)是选自旋转涂布、喷涂、浸涂、刷涂、流动涂其中的至少一种涂布该基材。
10.根据权利要求9所述的导电膜的制作方法，其特征在于：该步骤(d)是选自热蒸镀、溅镀、电子束蒸镀其中的至少一种镀制该膜本体。
11.根据权利要求10所述的导电膜的制作方法，其特征在于：该步骤(d)于镀制该膜本体时还通入氧气。
12.根据权利要求11所述的导电膜的制作方法，其特征在于：该步骤(d)还于镀制该膜本体后，将形成有该堆栈结构的该基材进行退火。
13.根据权利要求12所述的导电膜的制作方法，其特征在于：该步骤(a)中的所述纳米粒子是选自金、银、铜、铁、铂、钯、铝、钛、钒、铬、镍、钽、钨、锡、镓、钴，及所述的组合所构成。
14.根据权利要求13所述的导电膜的制作方法，其特征在于：该步骤(d)中的该导电材料是选自氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌锗、氧化锌铝、氧化铟加氧化钛、加钼氧化铟、氧化锌镓铟、氧化镓锌、氧化锌铟、氧化镓铟，及所述的组合所构成。
15.一种具有表面电浆共振效应的导电膜，包含一个能导电且透光的膜本体；其特征在于：
该具有表面电浆共振效应的导电膜还包含一个堆栈结构，由多个纳米粒子周期性地自该膜本体的一底面排列堆栈于该膜本体中，且所述纳米粒子其中的多个与该膜本体的组成结构形成多个堆栈物；
其中，所述堆栈物是由结晶态的金属氧化物所构成。
16.根据权利要求15所述的导电膜，其特征在于：所述堆栈物的数量朝相反于该膜本体的底面的方向不规则递减。
17.根据权利要求16所述的导电膜，其特征在于：该膜本体是选自氧化铟锡、氧化锌锡、氧化锌锗、氧化锌铝、氧化铟加氧化钛、加钼氧化铟、氧化锌镓铟、氧化镓锌、氧化锌铟、氧化镓铟，及所述的组合所构成。
18.根据权利要求17所述的导电膜，其特征在于：所述纳米粒子是选自金、银、铜、铁、铂、钯、铝、钛、钒、铬、镍、钽、钨、锡、镓、钴，及所述的组合所构成。
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