CN111710766A - 一种具有折射率可调的复合增透膜的可见光led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子技术，特别公开了一种具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其结构包括衬底、缓冲层、N型层、量子阱层、P型层、ITO层以及覆盖在ITO层上的带有多孔微结构的复合增透膜层，所述复合增透膜层包括多孔Al2O3层和增透层。本发明能够通过调节ITO层厚度、多孔Al2O3层的孔径和厚度、增透层的材料和厚度，则可以将界面反射率降到最低来实现最佳增透作用，有效减少LED出光时的反射损耗，同时通过微结构复合增透膜减少由芯片到空气中的光线全反射，极大的提高LED芯片光强。
Description
技术领域
本发明涉及可见光LED芯片的技术领域，具体是一种具有折射率可调的复合增透膜的的可见光LED芯片。
背景技术
可见光LED被誉为未来的“理想光源”，可用于照明、显示、医疗、科研等等各种领域。Ⅲ族氮化物LED已经取得了相当惊人的成功，其蓝光LED的内量子效率高达70%以上，外量子效率也超过了56%，而且在器件的寿命、发光光谱等方面同时表现出较常规光源更优异的性能。但是，尽管如此，Ⅲ族氮化物LED在可见光光谱上会出现一个黄绿带的效率缺口。InGaN-LED在紫外以及蓝光部分表现出高的外量子效率，但是随着波长的增长，有源区中InGaN材料的In的组分增加，其外量子效率显著下降。先进的LED器件必须考虑有效地引出光子以提高芯片外量子效率。相对于周围的材料（环氧树脂n~1.3-1.5），GaN材料体系在可见光波段具有很高的折射率（n~2.35-2.71），因此从LED芯片产生的光子在到达空气界面的时候，由于折射率的变化，导致大量的光能量被反射回芯片内部最终化为热量散发出去，绝大部分光将被限制在芯片内不能辐射到外界。
目前，为了提高光抽取效率，常用的方法有表面微结构（表面粗化）、增加增透膜等。其中，增透膜的P电极、ITO层及ITO层上带有多孔微结构。其中，增透膜材料主要采用氮化硅（SiNx）、二氧化硅（SiO2）或氮氧化硅(SiONx)等，或者使用金属氧化膜。但是这些相应的增透膜材料，都存在一定的缺陷：
（1）单一的二氧化硅增透膜结构，较为疏松，针孔密度大，对芯片性能有很大影响，防潮抗金属离子玷污能力相对较差.
（2）氮化硅（一般为Si3N4）薄膜相比二氧化硅在抗杂质扩散和水汽渗透方面有明显的优势，但是氮化硅薄膜与芯片界面之间存在大量的界面电荷和缺陷，会导致对器件的电学性质产生严重的影响（参见刘宝峰，李洪峰， 金立国． 《半导体器件钝化层Si3N4薄膜的制备与特性研究》 [J]．哈尔滨理工大学学报，2003，8(6) ：10）。
（3）二氧化硅和氮化硅的折射率分别为1.45和2.0，而最好的增透膜材料的折射率应尽量接近1.58（基底折射率与空气折射率的算术平方根），因此二氧化硅和氮化硅不能作为优选的增透膜材料。
（4）SiON增透层的折射率虽然可以实现在1.58-1.71的范围内可调，但是SiON增透层生长条件要求较高，难以实现折射率精确可控。
因此，需要制备一种折射率可调的微纳结构复合增透膜的用于提高光抽取效率。
发明内容
为了克服可见光LED芯片的内全反射以及反射损耗，本发明提供了一种具有折射率可调增透膜的可见光LED芯片及其制备方法，制备得到的LED芯片通过复合增透膜能有效降低由折射率突变引起的反射损耗，复合增透膜的表面多孔微结构可以有效降低光线的全内反射，从而可以有效提高出光效率。
本发明的技术方案如下：
一种具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：从下至上依次包括衬底、缓冲层、N 型层、量子阱层、P 型层、ITO层和具有多孔微结构的复合增透膜层，N型层上设置有P电极，ITO层上设置有N电极；所述复合增透膜层包括增透层和多孔Al2O3层，多孔Al2O3层覆盖于ITO层上，增透层覆盖于多孔Al2O3层上；所述增透层为SiO2层或SiON层。
所述复合增透膜层对应的增透波长与可见光LED芯片有源层发光波长一致。
所述ITO层的厚度为可见光LED 发光波长的四分之一，ITO层的折射率为1.34～2.06。
所述可见光LED芯片为氮化镓LED芯片，波长覆盖范围为380～780nm。
目前可见光芯片均以蓝、绿光为主，发光波长主要在380～550nm，选用多孔Al2O3作为膜层材料时，其折射率在1.46～1.7 的范围内，因此可实现复合增透膜层的折射率可调。
进一步的，所述多孔Al2O3层的孔径为10nm～400nm，孔深度为50～400nm。
进一步的，所述多孔Al2O3层的孔间距为20nm～500nm。
进一步的，所述可见光LED芯片有且只有ITO层上方的复合增透膜层具有多孔微结构。
进一步的，所述复合增透膜层覆盖于ITO层的整个上表面。
进一步的，采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）沉积增透层：所述增透层为SiO2或者SiON形成增透层；或者利用SiH4和N2O、NH3反应沉积SiO2和SiON的叠层结构，该叠层结构为增透层。沉积形成的增透层的厚度为5～150nm，其中SiON膜的折射率为1.58 ～1.71。
本发明的有益效果如下：
本发明采用ITO层与表面多孔微结构复合增透膜相结合的先进光子设计，通过调节ITO层厚度、多孔Al2O3层的孔径和厚度及增透层的材料和厚度，将界面反射率降到最低来实现最佳增透作用，有效减少可见光LED出光时的反射损耗，同时通过微结构复合增透膜减少由芯片到空气中的光线全反射，可以极大的提高LED芯片光强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图标记为：1-衬底，2-缓冲层，3-N 型层，4-量子阱层，5-P 型层，6-ITO层，7-多孔Al2O3层，8-增透层，9-P电极，10-N电极。
具体实施方式
下面结合附图，进一步说明本发明的实施方式。
实施例1
如图1所示，一种具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，从下至上依次包括衬底1、缓冲层2、N 型层3、量子阱层4、P 型层5、ITO层6和具有多孔微结构的复合增透膜层，N型层上设置有P电极9，ITO层6上设置有N电极10；所述复合增透膜层包括增透层8和多孔Al2O3层7，多孔Al2O3层7覆盖于ITO层6上，增透层覆盖于多孔Al2O3层7上；所述增透层8为SiO2层或SiON层。
实施例2
基于实施例1中的可见光LED芯片，所述复合增透膜层对应的增透波长与可见光LED芯片有源层发光波长一致。
所述ITO层6的厚度为可见光LED 发光波长的四分之一，ITO层6的折射率为1.34～2.06。
所述可见光LED芯片为氮化镓LED芯片，波长覆盖范围为380～780nm。
目前可见光芯片均以蓝、绿光为主，发光波长主要在380～550nm，选用多孔Al2O3作为膜层材料时，其折射率在1.46～1.7 的范围内，因此可实现复合增透膜层的折射率可调。
实施例3
如图1所示，基于实施例1或2中的可见光LED芯片结构，进一步的设计多孔Al2O3层的结构。
其中，所述多孔Al2O3层7的孔的半径r为5nm～200nm，孔深度h为50～400nm。
进一步的，所述多孔Al2O3层7的孔间距d为20nm～500nm。
实施例4
基于实施例1-3任意结构，所述可见光LED芯片均有且只有ITO层6上方的复合增透膜层具有多孔微结构。
并且，所述复合增透膜层覆盖于ITO层6的整个上表面。
实施例5
为了实现实施例1-4中任意结构的可见光LED芯片，可以采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）沉积SiO2或者SiON形成增透层8，SiO2层或SiON的厚度t为5～100nm，SiON膜的折射率为1.58 ～1.71。
或者利用SiH4和N2O、NH3反应沉积SiO2和SiON的叠层结构，该叠层结构为增透层8。沉积形成的增透层8的厚度为5～150nm，其中SiON膜的折射率为1.58 ～1.71。
通过下述方式，可以通过调整d、r、h、t等参数，实现所述可见光LED芯片的折射率可调。
根据公式n=ε2，可得
然后令d=200 nm，h=140nm，通过调整不同的孔半径r和SiO2厚度的等效折射率，具体的对应的调整可见下表：
通过上述调整，可以最终调整，使得复合增透膜层的等效折射率约1.58。
Claims (10)
1.一种具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：从下至上依次包括衬底（1）、缓冲层（2）、N 型层（3）、量子阱层（4）、P 型层（5）、ITO层（6）和具有多孔微结构的复合增透膜层，N型层（3）上设置有P电极（9），ITO层上设置有N电极（10）；所述复合增透膜层包括增透层（8）和多孔Al2O3层（7），多孔Al2O3层（7）覆盖于ITO层（6）上，增透层（8）覆盖于多孔Al2O3层（7）上；所述增透层（8）为SiO2层，或SiON层，或者SiO2和SiON的叠层结构。
2.根据权利要求1所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：所述复合增透膜层对应的增透波长与可见光LED芯片有源层发光波长一致。
3.根据权利要求1所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：所述ITO层（6）的厚度为可见光LED 发光波长的四分之一。
4.根据权利要求2或3所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：所述可见光LED芯片为氮化镓LED芯片。
5.根据权利要求1所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：所述多孔Al2O3层（7）的孔径为10nm～400nm，孔深度为50～400nm。
6.根据权利要求1或5所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：所述多孔Al2O3层的孔间距为20nm～500nm。
7.根据权利要求1所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：所述可见光LED芯片有且只有ITO层（6）上方的复合增透膜层具有多孔微结构。
8.根据权利要求1所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：所述复合增透膜层覆盖于ITO层（6）的整个上表面。
9.根据权利要求1所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：采用PECVD法沉积SiO2或者SiON形成增透层（8），所述增透层（8）的厚度为5～150nm。
10.根据权利要求1所述的具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其特征在于：利用SiH4和N2O、NH3反应，通过PECVD法沉积SiO2和SiON的叠层结构，该叠层结构为增透层（8），所述增透层（8）的厚度为5～150nm。
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