CN110993754B - 具有仿生金属纳米岛状结构的led管芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有仿生金属纳米岛状结构的LED管芯，包括衬底，在衬底的下表面为仿生金属岛状纳米结构,在衬底上表面为N型GaN，在所述N型GaN的上表面设置有多量子阱有源层，在所述多量子阱有源层上表面设置P型GaN，在P型GaN的上表面设置有ITO扩展层，在ITO电流扩展层的上表面为P电极。本发明在LED的衬底另一侧面生长仿生金属纳米岛状结构，不会对LED管芯的电学性能造成破坏，能够明显提高LED的发光效率，发光效率可提升1‑3倍，该方法具有成本低、可控性高及均匀性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有仿生金属纳米岛状结构的LED管芯，属于光电材料、光电子技术领域。
背景技术
发光二极管(LED)的发展以其发光效率的提升为主要指标之一。LED应用广泛，包括在各种彩色显示行业、装饰照明、指示照明、白光照明灯等领域均得到了广泛的应用，而且未来前景更佳广阔。尽管如此，LED在电光转换效率方面尚有较大提升空间，特别是LED的光提取效率仍然很低，具有很大改进余地。LED的光电转换效率由其内量子效率和光提取效率共同决定。以GaN基LED为例，随着半导体制备技术的进步及LED外延生长技术的优化，GaN基LED的内量子效率已经取得了极大改善，几乎接近理论极限。然而一直以来，GaN基LED仍然面临出光效率低的困境，其主要原因是量子阱发光到达管芯与空气界面时大部分发生了全内反射损失。值得注意的是，就GaN基LED而言，由于GaN材料具有较大的折射率(n＝2.43)，因此只有约4％的光能够从LED管芯表面出射，大部分光因全内反射限制在管芯内部，最终转化为热量损耗掉。
已有大量研究表明，在LED管芯结构表面或内部植入微米或纳米尺度的光提取结构能够有效提升其出光效率。这些结构包括光子晶体、反射镜、微透镜阵列、等离激元纳米结构、纳米棒以及表面粗化的电流扩展层等。研究表明，这些结构能够有效提取限制在LED管芯内部的全内反射光从而增加LED的出光效率。应用最多的当属微米级的表面粗化手段，因其成本低廉、易于制备。例如，在电流扩展层ITO(indium tin oxide)表面制备周期性微米结构能够有效将LED出光效率提升46.4％。此外，在LED管芯表面制备微透镜阵列亦是提升出光功率行之有效的方法之一，其基本原理是微透镜阵列能够有效减小管芯-空气界面的菲涅尔损失同时可增大光子逃逸锥。然而，通常所采用的表面微米级织构技术经常涉及刻蚀等过程，无论湿法刻蚀抑或是干法刻蚀均会对LED本身的光电性能产生不良影响，主要表现在LED管芯发光光谱扭曲及工作电压升高等方面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的提高LED光提取效率的各种方法，光提取效率低，需要进一步提高。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有仿生金属纳米岛状结构的LED 管芯，包括衬底，在衬底的下表面为金属岛状纳米结构,在衬底上表面为N型GaN，在所述N型GaN上表面设置有多量子阱有源层，在所述多量子阱有源层的上表面设置有P型GaN，在P型GaN的上表面设置有ITO扩展层，在ITO扩展层的上表面为P电极，在所述N型GaN裸露的部分上表面设置有N电极。
一种LED管芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)在双面抛光的衬底一个表面生长金属纳米薄层；
(2)将生长有金属薄层的衬底置于设定温度下退火设定时间，形成金属岛状纳米结构；所述设定温度为300-700摄氏度；所述设定时间为10-60分钟；
(3)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD的方法在衬底的另一表面上依次外延生长N型GaN、多量子阱有源区和P型GaN，以形成外延片；
(4)在所述外延片表面的P型GaN上生长一层ITO电流扩展层；
(5)再在外延片的同一面制作P电极和N电极，P电极处于ITO扩展层表面，N 电极处于N型GaN表面，且P电极和N电极处于外延片的同一侧；
(6)将制备好的外延片划片、切割解离成单个管芯，制作成器件。所述步骤(1) 中的衬底为蓝宝石，GaN或者SiC。
所述步骤(1)中金属纳米薄层通过溅射法、蒸发法或者气相团簇沉积法制备。
所述步骤(1)中金属纳米薄层的厚度为5-30纳米。
所述步骤(2)不连续金属岛状纳米结构中单个结构单元与衬底接触角为80-175度。
所述步骤(1)和(2)中所述金属岛状纳米结构制备在LED衬底另一侧，意味着所述金属纳米岛状结构和P型层分别制备在了衬底的两个表面。
本发明所达到的有益效果：
本发明的LED管芯及制备方法，采用预先在衬底表面制备纳米结构，再在衬底另一表面依次外延生长LED管芯的方法，能够明显提高LED的发光效率，其光致发光强度可以提高1-3倍，本发明具有成本低、简单易行、可控性好、均匀性好的特点；同时，本发明的方法不会对LED管芯的电学性能造成破坏。
附图说明
图1本发明的LED管芯的制备方法流程图；
图2本发明的金属纳米岛状结构优化的LED器件示意图；
图3本发明中仿生金属纳米岛状结构的SEM图；
图4本发明中传统LED和金属纳米岛状结构优化LED的发光强度对比图。
图中，1.衬底；2.金属岛状纳米结构；3.N型GaN；4.多量子阱有源层5.P 型GaN；6.ITO扩展层；7.P电极；8.N电极。
具体实施方式
实施例1
本发明提供一种具有仿生金属纳米岛状结构的LED管芯，包括衬底1，在衬底的下表面为金属岛状纳米结构2,在衬底上表面为N型GaN3，在所述N型GaN3 上表面为多量子阱有源层4，在所述多量子阱有源层4的上表面设置有P型GaN5，在P型GaN5的上表面设置有ITO扩展层6，在ITO扩展层6的上表面为P电极 7，在所述N型GaN裸露的部分上表面设置有N电极8。
以GaN基蓝光LED为例，本发明的LED管芯的制备方法，具体实施步骤包括，参见图1：
(1)在双面抛光的蓝宝石衬底1表面采用溅射法、蒸发法或气相团簇沉积法制备金属纳米薄层5-30纳米；
(2)将生长有金属薄层的衬底置于高温下退火10-60分钟以形成金属岛状纳米结构2；退火温度为300-700摄氏度，金属岛状纳米结构2中单个结构单元与衬底接触角为80-175度，参见图2。
(3)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在所述生长有金属岛状纳米结构2衬底1表面相对的另一表面上依次外延生长N型GaN 3、多量子阱有源区4 和P型GaN 5，以形成外延片，参见图3；
(4)在所述外延片表面的P型层上生长一层ITO电流扩展层6；
(5)再在外延片的同一面蒸镀或溅射P电极和N电极，P电极7处于ITO扩展层6表面，N电极8处于N型GaN 3表面，且P电极7和N电极8处于外延片的同一侧，参见图3；
(6)将制备好的外延片划片、切割解离成单个管芯，制作成器件。
本发明制备的带有仿生金属纳米岛状结构的LED与传统LED发光性能对比，如图4所示，可以看出，与传统LED相比，金属纳米岛状结构有优化的LED的发光效率得到了显著提升。由于本发明采用预先在衬底表面制备纳米结构，再依次外延生长LED管芯的方法，该方法并不会对LED光电性能产生破坏。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照实施例对本发明的内容作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可对前述各实施例记载的方案进行修改，或者对其中技术部分特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种具有仿生金属纳米岛状结构的LED管芯，包括衬底(1)，其特征在于：在衬底的下表面为金属岛状纳米结构(2),不连续的金属岛状纳米结构中单个结构单元与衬底接触角为80-175度；在衬底上表面为N型GaN(3)，在所述N型GaN(3)的上表面设置有多量子阱有源层(4)，在所述多量子阱有源层上表面设置有P型GaN(5)，在P型GaN(5)的上表面设置有ITO扩展层(6)，在ITO扩展层(6)的上表面为P电极(7)，在所述N型GaN(3)裸露部分的上表面设置N电极(8)。
2.一种LED管芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在双面抛光的衬底一个表面生长金属纳米薄层；
(2)将生长有金属薄层的衬底置于设定温度下退火设定时间，形成金属岛状纳米结构，不连续的金属岛状纳米结构中单个结构单元与衬底接触角为80-175度；
(3)采用金属有机化学气相沉积的方法在衬底的另一表面上依次外延生长N型GaN、多量子阱有源区和P型GaN，以形成外延片；
(4)在所述外延片表面的P型GaN上生长一层ITO扩展层；
(5)再在外延片的同一面制作P电极和N电极，P电极处于ITO扩展层表面，N电极处于N型GaN表面，且P电极和N电极处于外延片的同一侧；
(6)将制备好的外延片划片、并切割解离成单个管芯，制作成器件。
3.根据权利要求2所述的LED管芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的衬底为蓝宝石，GaN或者SiC。
4.根据权利要求2所述的LED管芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，金属纳米薄层通过溅射法、蒸发法或者气相团簇沉积法制备。
5.根据权利要求2所述的LED管芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(1) 中金属纳米薄层的厚度为5-30纳米。
6.根据权利要求2所述的LED管芯的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述设定温度为300-700摄氏度；所述设定时间为10-60分钟。
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