CN107731975B - 一种纳米管led及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米管LED及其制作方法，所述纳米管LED包括衬底和设置在衬底上的外延层，所述外延层垂直刻蚀有多个具有相同结构的纳米管，所述纳米管的内壁和/或外壁附着有金属纳米粒子。通过在外延层采用纳米管结构，通过纳米管间的间隙以及纳米管的空心结构形成大量的空间间隙，LED芯片中各个纳米管产生的热量就可以通过大量的空间间隙散发掉，提升了LED芯片的散热性能。同时还可以利用纳米管阵列的特殊光学特性，可以提高LED在垂直方向的出光效率；同时通过在纳米管上镀金属纳米粒子，利用表面等离子体增强效应，在小电流下实现高光效，而位于纳米管表面的金属纳米粒子由于具有高反射特性，可以将侧面的发光反射出去，提高了LED芯片的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED制备技术领域，特别涉及一种纳米管LED及其制作方法。
背景技术
发光二极管(LED)具有体积小、发光效率高、节能、环保等优点，目前已经在照明和显示领域占据主导地位，它已经成为21世纪照明和显示领域的发展趋势。随着社会和科技的发展进步，人们对LED的要求越来越高。高光效、大功率LED已经成为目前照明LED的主流发展趋势。
为了获得高光效、大功率LED，目前通常的做法是采用bonding(焊接)和激光剥离的方法将LED转移到导热性能优异的Cu、Si、陶瓷等基板。其中，bonding(焊接)是指利用焊接机将蓝宝石衬底LED外延片通过AuSn合金焊接到Cu、Si、陶瓷等基板上，然后，再使用激光剥离蓝宝石衬底。通过改善散热性能，提高LED在大电流下的工作效率。但是bonding的焊料为AuSn合金，价格昂贵，且容易造成虚焊、漏焊等缺陷，同时激光剥离成本也较高，还需要在较大的工作电流下才能获得高光效。并且现有的LED芯片由于发光层(P－GaN层、多量子阱层、n－GaN层)之间紧密连接，散热效果差，影响了LED的发光效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有可以取代bonding和激光剥离工艺并且在较小电流下也能获得高光效的、散热性质良好的纳米管结构LED，一种纳米管LED及其制作方法。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种纳米管LED，包括衬底和设置在衬底上的外延层，所述外延层垂直刻蚀有多个具有相同结构的纳米管，所述纳米管的内壁和/或外壁附着有金属纳米粒子。
进一步，所述的纳米管呈阵列式排布。
进一步，所述金属纳米粒子层为由Ag纳米粒子组成的Ag纳米粒子层。
进一步，所述纳米管包括从上至下依次设置的P－GaN层、多量子阱层和n－GaN层。
进一步，所述纳米管的外径范围为：100－990nm，内径范围为：50－600nm。
进一步，所述纳米管之间的间距范围为：200－2500nm。
进一步，所述纳米管和金属纳米粒子之间设置有SiO2层。
进一步，所述SiO2层的厚度范围为：5－10nm。
进一步，所述纳米管的截面为圆形、方形或正多边形。
进一步，还公开了以上所述纳米管LED的制作方法，包括以下步骤，
S1：采用MOCVD在蓝宝石衬底上外延LED，获得高质量LED外延片；
S2：旋涂光刻，使用提前制备好的金属掩膜板作为掩膜，曝光显影，获得需要刻蚀的纳米管截面图案；
S3：采用ICP刻蚀，刻蚀到n－GaN，获得纳米管阵列LED，纳米管的外径为100－990nm，内径为50－600nm，纳米管之间相距200－2500nm；
S4：采用PECVD在纳米管阵列LED外面包裹一层5－10nm的SiO2；之后，再蒸镀一层8－20nm的Ag膜；
S5：快速升温为750－950℃，退火30－120s，即可在SiO2表面形成均匀分布的Ag纳米粒子；
S6：套刻，除去纳米管LED上方的SiO2；
S7：采用热蒸发镀膜机在纳米管LED上方沉积一层厚度为200nm的ITO薄膜；
S8：按标准工艺制备电极，即可获得结构完整的纳米管阵列LED。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种纳米管LED，通过在外延层采用纳米管结构，通过纳米管间的间隙以及纳米管的空心结构形成大量的空间间隙，LED芯片中各个纳米管产生的热量就可以通过大量的空间间隙散发掉，提升了LED芯片的散热性能。同时还可以利用纳米管阵列的特殊光学特性，可以提高LED在垂直方向的出光效率；同时通过在纳米管上镀金属纳米粒子，利用局域表面等离子体增强效应，在小电流下实现高光效，而位于纳米管表面的金属纳米粒子由于具有高反射特性，还可以将侧面的发光反射出去，提高了LED芯片的出光效率。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明刻蚀纳米管的掩膜结构示意图；
图2是本发明的纳米管LED结构俯视图；
图3是本发明的纳米管LED结构的简单结构示意图；
图4是本发明的纳米管LED完整结构的侧面视图；
图5是本发明纳米管LED实现方法的流程图；
图中，1－纳米管、2－Ag纳米粒子层、3－衬底、4－N电极、5－u－GaN层、6－n－GaN层、7－多量子阱层、8－P－GaN层、9－SiO2层、10－ITO层、11－P电极。
具体实施方式
参照图2－图4，本发明的一种纳米管LED。
一种纳米管LED，包括衬底3和设置在衬底3上的外延层，所述外延层从下往上依次为缓冲层、u－GaN层5、n－GaN层6、多量子阱层7、P－GaN层8、ITO层10，包括多个结构相同的纳米管1，所述纳米管1整体从上到下刻蚀在所述P－GaN层8、多量子阱层7、n－GaN层6中，所述纳米管1的内壁和/或外壁附着有金属纳米粒子层。通过在LED芯片的P－GaN层8、多量子阱层7、n－GaN层6中引入纳米管1结构，优化了LED芯片的散热结构，消除了LED芯片工作时产生的大量热量对芯片能耗、寿命以及发光效率的影响。同时所述纳米管1上附着有金属纳米粒子层，充分利用金属纳米粒子的局域表面等离子体增强效应、高反射特性，实现在小电流下即可实现高光效，有利于降低使用成本。而纳米管1外壁上的金属纳米粒子还利用其高反射特性提高LED芯片的侧面出光效率。通过在纳米管1内壁和外壁上均附着上金属纳米粒子层，效果优于只在纳米管1外壁附着金属纳米粒子层，进一步提升了LED芯片的光效。
优选地，所述金属纳米粒子层为由Ag纳米粒子组成的Ag纳米粒子层2。Ag纳米粒子层2相较于其他的金属纳米粒子，具有更良好的表面等离子体增强效应，同时其又拥有一个很高的反射率，因此使用Ag可以同时兼容二者，通过二者的协同效应进一步提升LED芯片的性能。
对于上述实施例，所述的纳米管呈阵列式排布。阵列式的排布不仅便于刻蚀掩膜的绘制，提高生产效率；而且阵列式排布的纳米管之间的间距相等，使得散热结构更好，同时LED芯片的结构也更加稳定。
对于上述实施例，所述纳米管1的外径范围为：100－990nm，内径范围为：50－600nm。经发明人的多次实验以及结合实际生产中总结出来的经验，得到纳米管1内径和外径的最优范围，在该范围内的纳米管1在保证其光学效率的同时，还具有更稳定的力学结构和电学结构，使LED芯片的性能更加优越。
对于上述实施例，所述纳米管1之间的间距范围为：200－2500nm。经发明人的多次实验以及结合实际生产中总结出来的经验，得到纳米管1之间间距的最优范围，该范围内的纳米管1保证了散热特性的同时，也考虑了发光的效率，使LED各项参数达到一个最优的平衡。
进一步，所述纳米管和金属纳米粒子层之间设置有SiO2层9。通过在纳米管1表面包裹一层SiO2层9，实现了将各个纳米管1区分为一个独立的发光单元，优化了发光和产生热量的结构。同时通过SiO2将纳米管1和附着在其表面的Ag纳米粒子层2电性绝缘开来，保证每一个纳米管都能具有独立的导电特性，避免了由于Ag纳米粒子层2的掉落，破坏各个独立的发光单元的问题，使得LED芯片的发光更稳定。
对于上述实施例，所述SiO2层9的厚度范围为：5－10nm。经发明人的多次实验以及结合实际生产中总结出来的经验，得到SiO2层9厚度的最优范围，合适的厚度保证了纳米管1的散热特性、电学特性和发光特性均获得一个最好的效果。
进一步，所述纳米管1的截面包括圆形、方形、正多边形等形状，但是不限于以上形状。纳米管1的形状具有多种选择，在制作过程中，可以根据LED芯片的应用条件选择合适的形状，由此来匹配相应的电学特性、光学特性和力学特性，达到最优的LED性能。
参照图5，本发明的一种纳米管LED的制作方法。
第一步是采用MOCVD在蓝宝石衬底3上外延LED，获得高质量LED外延片，具体的操作是：
LED芯片的制作的第一步需要通过磊晶获得外延层，本实施例中以蓝宝石作为衬底3，蓝宝石衬底3有许多的优点：首先，蓝宝石衬底3的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。然后使GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底3上。外延工艺主要使用化学气相淀积(CVD)实现，本实施例采用的是目前最成熟的金属氧化物化学气相淀积法(MOCVD)来实现外延工艺。采用MOCVD设备首先在蓝宝石衬底3上生长一层薄薄的缓冲层(GaN和AlN)，用于使蓝宝石衬底3表面光滑平整；然后在缓冲层上生长一层4um厚的N型GaN作为有源层提供辐射复合电子；紧接着又在N型GaN(包括u－GaN层5和n－GaN层6)上生长一层多量子阱层7，其成分是铟镓化合物和GaN，通过调节铟的组分达到调节波长的作用，提高发光效率；最后在多量子阱上生长一层P－GaN层8作为有源区提供辐射复合空穴。至此，外延工艺完成，获得了一个LED芯片的外延层。
第二步是旋涂光刻胶，如图1所示，使用提前制备好的金属掩膜板作为掩膜，曝光显影，获得需要刻蚀的纳米管图案。
第三步是本发明创新点和改进点，采用ICP刻蚀，刻蚀到n－GaN层6，获得纳米管1阵列LED，纳米管1的外径为100－990nm，内径为50－600nm，纳米管1之间相距200－2500nm。最优的选择是，纳米管1的外径为300nm，内径为100nm，纳米管1之间相距500nm。通过刻蚀，在光刻工艺之后，将想要的图形留在外延片上，刻蚀是最终的和最主要的图形转移工艺。在刻蚀过程中，有图形的光刻胶层(或掩膜层)将不受到腐蚀源显著的侵蚀或刻蚀，可作为掩蔽膜，保护外延片上的部分特殊区域，而未被光刻胶保护的区域，则被选择性的刻蚀掉。本实施例选择ICP刻蚀工艺，即感应耦合等离子体(ICP)刻蚀。ICP刻蚀采用侧壁钝化技术，沉积与刻蚀交替进行，各向异性刻蚀效果好，在精确控制线宽的下能刻蚀出高深宽比形貌。
第四步是采用PECVD在纳米管1阵列LED外面包裹一层5－10nm的SiO2；之后，再蒸镀一层8－20nm的Ag膜；最优的选择是，采用PECVD在纳米管1阵列LED外面包裹一层5nm的SiO2；之后，再蒸镀一层10nm的Ag膜。
第五步是快速升温为750－950℃，退火30－120s，即可在SiO2表面形成均匀分布的Ag纳米粒子层2；最优的选择是，快速升温为800℃，退火60s，即可在SiO2表面形成均匀分布的Ag纳米粒子层2，如图2－图4所示。
第六步是套刻，除去纳米管LED上方的SiO2层9；去除纳米管上方，即P－GaN层8顶端的绝缘层，使得纳米管可以导电。
第七步是采用热蒸发镀膜机在纳米管LED上方沉积一层厚度为200nm的氧化铟锡(ITO)薄膜；通过ITO薄膜将所有纳米管的P－GaN层8都电线连接，这样就可以只需要在ITO层10上做一个P电极11，便可以导通所有的纳米管，驱动其发光。
第八步是按标准工艺制备电极，即可获得结构完整的纳米管1阵列LED，具体操作是：
通过镀膜做电极，依次包括蒸发、剥离、合金等步骤，所述蒸发为在芯片表面镀上一层或多层金属(金、镍、铝等)，置于高温真空下，将熔化的金属蒸着在芯片上；所述剥离为去掉发光区域的金；所述合金是使蒸镀过程中的多层金属分子间更加紧密结合，减少接触电阻。这样就得到了两个电极，N电极4位于n－GaN层上，P电极11位于ITO层上。最后再通过退火减薄等工艺就得到了一个LED芯片的裸片，经过封装之后就可以得到市面上售卖的LED芯片。
当给本发明的纳米管LED的P电极11和N电极4加上正向电压之后，电流依次流过纳米管1的ITO层10、P－GaN层8、多量子阱层7和n－GaN层6，每个纳米管1都作为一个独立的发光体，由于纳米管1的光学结构特性，是发出的光在垂直结构上得到增强，同时每个纳米管1产生的热量可以迅速传递到纳米管1之间的空隙，不会因为热量的累积影响纳米管1的发光效率。同时由于附着在纳米管1上的Ag纳米粒子层2的局域表面等离子体增强效应和高反射特性，实现了在小电流下的高光效，提升了侧面的出光效率。通过以上技术特征的效果累加，在本发明纳米管LED芯片的使用中就可以得到一个很大的性能提升。
本发明的纳米管LED结构，根据电极位置不同和衬底3的材质的选择，可以适用于垂直结构、正装结构以及倒装结构的LED芯片。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种纳米管LED，包括衬底和设置在衬底上的外延层，其特征在于：所述外延层垂直刻蚀有多个具有相同结构的纳米管，所述纳米管的内壁附着有金属纳米粒子层或者所述纳米管的内壁和外壁附着有金属纳米粒子层；
所述的纳米管呈阵列式排布；
所述金属纳米粒子层为由Ag纳米粒子组成的Ag纳米粒子层；
所述纳米管包括从上至下依次设置的P-GaN层、多量子阱层和n-GaN层；
所述纳米管和金属纳米粒子层之间设置有层。
2.根据权利要求1所述的一种纳米管LED，其特征在于:所述纳米管的外径范围为：100-990 nm，内径范围为：50-600 nm。
3.根据权利要求1所述的一种纳米管LED，其特征在于:所述纳米管之间的间距范围为：200-2500 nm。
4.根据权利要求1所述的一种纳米管LED，其特征在于:所述层的厚度范围为：5-10nm。
5.根据权利要求1所述的一种纳米管LED，其特征在于:所述纳米管的截面为圆形、方形或正多边形。
6.一种权利要求1-5任一所述的纳米管LED的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：采用MOCVD在蓝宝石衬底上外延LED，获得高质量LED外延片；
S2：旋涂光刻，使用提前制备好的金属掩膜板作为掩膜，曝光显影，获得需要刻蚀的纳米管截面图案；
S3：采用ICP刻蚀，刻蚀到n-GaN，获得纳米管阵列LED，纳米管的外径为100-990 nm，内径为50-600 nm，纳米管之间相距200-2500 nm；
S4：采用PECVD在纳米管阵列LED外面包裹一层5-10 nm的Si；之后，再蒸镀一层8-20nm的Ag膜；
S5：快速升温为750-950℃，退火30-120 s，即可在Si表面形成均匀分布的Ag纳米粒子；
S6:套刻，除去纳米管LED上方的Si；
S7:采用热蒸发镀膜机在纳米管LED上方沉积一层厚度为200 nm的ITO薄膜;
S8：按标准工艺制备电极，即可获得结构完整的纳米管阵列LED。
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