TW201904086A - 發光二極體 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種發光二極體，其包括：一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置；一設置於所述第二半導體層遠離活性層的表面的金屬等離子體產生層；一與所述第一半導體層電連接的第一電極；一與所述第二半導體層電連接的的第二電極；其中，所述金屬等離子體產生層包括複數個三維奈米結構，所述三維奈米結構包括依次層疊設置的第一長方體結構、一第二長方體結構及一三棱柱結構，所述三棱柱結構底面的寬度等於第二長方體結構上表面的寬度且大於第一長方體結構上表面的寬度，所述第一長方體結構和三棱柱結構均為一金屬層。
Description
本發明涉及一種發光二極體。
在過去幾十年中，可見光波段的發光二極體技術（LED）得到了很大的發展。LED已經用於交通燈、儀錶指示燈、背投光源及通訊光源等場合，但由於LED的亮度有限，仍不能大規模應用於一般的室內照明。為了得到新一代高亮度的LED照明光源，使其應用於一些特殊場合，還必須提高LED的發光效率。由於半導體材料的折射率很高，LED產生的光能夠輻射到自由空間中只是小部分，大部分能量的光經過無數次全反射之後被電極或發光層吸收了，是以，就會造成LED的發光效率較低。
有鑒於此，本發明提供了一種松樹狀的金屬奈米光柵。
一種發光二極體，其包括：一第一半導體層、一活性層以及一第二半導體層依次層疊設置；一設置於所述第二半導體層遠離活性層的表面的金屬等離子體產生層；一與所述第一半導體層電連接的第一電極；一與所述第二半導體層電連接的的第二電極；其中，所述金屬等離子體產生層包括複數個三維奈米結構，所述三維奈米結構包括一第一長方體結構、一第二長方體結構及一三棱柱結構，所述第一長方體結構設置於所述第一區域，所述第二長方體結構設置於第一長方體結構遠離第二半導體層的表面，所述三棱柱結構設置於第二長方體結構遠離第一長方體結構的表面，所述三棱柱結構底面的寬度等於所述第二長方體結構上表面的寬度且大於所述第一長方體結構上表面的寬度，所述第一長方體結構和三棱柱結構均為一金屬層。
一種發光二極體，其包括：一第一半導體層、一活性層以及一第二半導體層依次層疊設置；一設置於所述第二半導體層遠離活性層的表面的金屬等離子體產生層；一與所述第一半導體層電連接的第一電極；一與所述第二半導體層電連接的的第二電極；其中，所述金屬等離子體產生層包括複數個三維奈米結構，所述三維奈米結構包括一長方體結構以及一三棱柱結構，所述長方體結構設置於所述第一區域，所述三棱柱結構設置於長方體結構遠離第二半導體層的表面，所述三棱柱結構底面的寬度大於長方體結構上表面的寬度，所述長方體結構和三棱柱結構為不同的金屬層。
與現有技術相比，本發明所述金屬等離子體產生層包括複數個三維奈米結構，所述相鄰三維奈米結構之間有間隙，增加了光的透過率；所述三維奈米結構由至少兩部分具有表面的等離子體激元的金屬組成，這三層結構級聯，實現場增強，由活性層產生的近場倏逝波到達金屬等離子體產生層後，在金屬等離子體產生層的作用下近場倏逝波被放大並轉換成為金屬等離子體，金屬等離子體被金屬等離子體產生層散射，從而向周圍傳播。
下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供的松樹狀金屬奈米光柵作進一步的詳細說明。
請參閱圖1和圖2，本發明第一實施例所提供的發光二極體10，其包括：一第一半導體層120、一活性層130以及一第二半導體層140依次層疊設置，所述第二半導體層140遠離活性層的表面包括第一區域1402和第二區域1404；一設置於所述第一區域1402的金屬等離子體產生層160；一與所述第一半導體層120電連接的第一電極180，一設置於所述第二區域1404的第二電極182，並與所述第二半導體層140電連接，所述金屬等離子體產生層160包括複數個三維奈米結構161，所述三維奈米結構161為一松樹狀結構。所述第一半導體層120、活性層130以及第二半導體層140構成發光二極體10的有源層。
所述第一半導體層120的厚度可以根據需要製備。具體地，所述第一半導體層120的生長的厚度可為1微米至15微米。所述第一半導體層120為一摻雜的半導體層，該摻雜的半導體層可為N型半導體層或P型半導體層兩種類型，所述N型半導體層的材料包括N型氮化鎵、N型砷化鎵及N型磷化銅等中的一種，所述P型半導體層的材料包括P型氮化鎵、P型砷化鎵及P型磷化銅等材料中的一種。本實施例中，所述第一半導體層120為Si摻雜的N型氮化鎵，其厚度為1460奈米。
所述活性層130的厚度為0.01微米至0.6微米。所述活性層130為包含一層或多層量子阱層的量子阱結構(Quantum Well)。量子阱層的材料為氮化銦鎵、氮化銦鎵鋁、砷化鎵、砷化鋁鎵、磷化銦鎵、磷化銦砷或砷化銦鎵中的一種或多種。本實施例中，所述活性層130為InGaN/GaN的複合結構，其厚度為10奈米。所述活性層130為光子激發層，為電子與空穴相結合產生光子的場所。工作時，給P型半導體層和N型半導體層施加一電壓，則P型半導體層產生的空穴和N型半導體層產生的電子在活性層130相結合產生光子。
所述第二半導體層140可為N型半導體層或P型半導體層兩種類型，並且所述第二半導體層140與第一半導體層120中的摻雜的半導體層分屬兩種不同類型的半導體層。所述第二半導體層140設置於金屬等離子體產生層160和活性層130之間。所述第二半導體層140的厚度可以根據需要製備。優選地，所述第二半導體層140的厚度為5奈米至30奈米。優選地，所述第二半導體層140的厚度為10奈米至20奈米。具體地，所述第二半導體層140的厚度可為12奈米、18奈米、22奈米。本實施例中，所述第二半導體層140為鎂(Mg)摻雜的P型氮化鎵，其厚度為10奈米。
所述金屬等離子體產生層160的材料為任何可在光子作用下產生金屬等離子體的材料。進一步，該金屬等離子體產生層160的材料滿足下述兩個條件：第一，金屬等離子體產生層160的材料的折射率為一複數，且該複數的虛部大於零或者小於零；第二，金屬等離子體產生層160的材料的介質常數為一複數，且該複數的實部為一個負數。具體地，所述金屬等離子體產生層160的材料的選擇依據活性層130中產生的光的波長而定，不同材料的金屬等離子體產生層160可與活性層130更好地相互作用。具體地，所述金屬等離子體產生層160的材料可為金屬材料，即純金屬或其合金。所述純金屬為金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）或者鋁（Al）等金屬。若活性層130產生的光為短波長的光，所述金屬等離子體產生層160的材料優選為銀。若活性層130產生的光為長波長的光，則所述金屬等離子體產生層160優選為金屬複合材料，例如，金屬陶瓷等。所述金屬陶瓷為包含金屬材料和電介質材料的複合材料。所述電介質材料即為不導電材料，所述電介質材料可為二氧化矽、矽或者陶瓷材料等。所述金屬材料可為純金屬或合金。所述金屬材料和電介質材料的比例不限，只需確保複合後的金屬複合材料可滿足前述兩個條件，即只需確保複合後的金屬複合材料在光學上仍為金屬性的材料即可。
所述金屬等離子體產生層160包括複數個平行且間隔設置的三維奈米結構161，即所述複數個三維奈米結構161成週期性排列，藉由合理設計光柵的週期可以提高等離子體與光的耦合效率，控制光的出射方向，可以顯著提高發光強度。另外，本實施例中所述三維奈米結構由兩層具有表面等離子激元的金屬層構成，金屬奈米結構的表面等離子體共振特性可以實現在奈米尺度上對光強和光傳導的操控，進一步增加產生等離子體的效率。
所述複數個三維奈米結構161以陣列形式在第二半導體層140遠離活性層130的表面，以直線、折線或曲線的形式並排延伸，且延伸的方向平行於所述第二半導體層140第二半導體層140的表面。參見圖3，所述“延伸方向”為平行於所述第二半導體層140第二半導體層140的表面的任意方向。所述“並排”是指所述相鄰的兩個三維奈米結構161在延伸方向上任意相對位置具有相同的間距，該間距範圍為0奈米～200奈米，所述複數個三維奈米結構161的延伸方向可以是固定的亦可以是變化的。所述延伸方向固定時，所述複數個三維奈米結構161以直線的形式並排延伸。所述三維奈米結構161在延伸方向上可以是連續的亦可以是間斷的。當所述三維奈米結構161在延伸方向上連續時，所述三維奈米結構161以條帶形方式並排延伸，且在垂直於該延伸方向上，所述複數個三維奈米結構161的橫截面均為形狀和麵積完全相同的松樹形狀。
所述三維奈米結構161為一松樹狀結構。所述松樹狀結構為從第二半導體層140的表面向外延伸的松樹狀凸起。具體地，所述松樹狀凸起包括一第一長方體結構163，一第二長方體結構165以及一三棱柱結構167。所述第一長方體結構163包括一第一上表面1632，所述第一上表面1632為第一長方體結構163遠離第二半導體層140的表面，所述第二長方體結構165設置於該第一上表面1632；所述第二長方體結構165包括一第二上表面1652，所述第二上表面1652為第二長方體結構165遠離第一長方體結構163的表面，所述三棱柱結構167設置於該第二上表面1652。三者的幾何中心在同一軸線上。所述第一長方體結構163和三棱柱結構167均為一金屬層，所述第二長方體結構165起到隔離第一長方體結構163和三棱柱結構147的作用。
參見圖4，所述三棱柱結構167包括相對的兩個大小和形狀相同的第一三角形端面1670和第二三角形端面1672，以及連接第一三角形端面1670和第二三角形端面1672的第一矩形側面1674，第二矩形側面1676以及第三矩形底面1678。所述第一三角形端面1670和第二三角形端面1672點對點相對設置，以及相同的邊相對設置。進一步的，所述第一三角形端面1670和第二三角形端面1672均為一等腰三角形結構。所述第三矩形底面1678貼合於第二長方體結構165的第二上表面1652設置。所述第一長方體結構163的側面垂直於第二半導體層140遠離活性層130的表面。所述第二長方體結構165的側面垂直於第一長方體結構163的第一上表面1632，即垂直於第二半導體層140遠離活性層130的表面。
在垂直於延伸方向上，所述第一長方體結構163的寬度d1
為5奈米~400奈米，高度h1
為20奈米~500奈米。優選地所述第一長方體結構163的寬度d1
為12奈米~320奈米，高度h1
為50~200奈米。本實施例中，所述第一長方體結構163的寬度d1
為50奈米，高度h1
為奈米。所述第二長方體結構165的寬度d2
為50奈米~450奈米，高度h2
為5奈米~100奈米。優選地，所述第二長方體結構165的寬度d2
為80奈米~380奈米，高度h2
為5奈米~60奈米。本實施例中，所述第二長方體結構165的寬度d2
為100奈米，高度h2
為10奈米。所述三棱柱結構167的寬度d3
為50奈米~450奈米，高度h3
為40奈米~800奈米，優選地，所述三棱柱結構167的寬度d3
為80奈米~380奈米，高度h3
為130奈米~400奈米。本實施例中，所述三棱柱結構167的寬度d3
為100奈米，高度h3
為200奈米。所述三棱柱結構167的寬度d3
是指三棱柱結構167中第三矩形底面1678的寬度。所述三棱柱結構167的寬度d3
等於第二長方體結構165的寬度d2
，即三棱柱結構167的第三矩形底面1678與第二長方體結構165的第二上表面1652完全重合。所述三棱柱結構167的寬度d3
大於第一長方體結構163的寬度d1
。
請參閱圖5，本發明第一實施例提供一種製備發光二極體的方法，包括以下步驟： S10：提供一基底100，該基底具有一外延生長面1002； S20：在所述基底100的外延生長面依次外延生長一緩衝層110、一第一半導體層120、一活性層130以及一第二半導體層140； S30：所述第二半導體層140遠離活性層130的表面包括第一區域1402和第二區域1404，在所述第一區域1402形成一金屬等離子體產生層160； S40：去除所述基底100，暴露出所述第一半導體層120遠離活性層130的表面；以及 S50：製備一第一電極180覆蓋所述第一半導體層120暴露的表面，製備一第二電極182與第二半導體層140電連接。
在步驟S10中，所述基底100為一透明材料，其提供了用於生長第一半導體層120的一外延生長面1002。所述基底100的外延生長面1002是分子平滑的表面，且去除了氧或碳等雜質。所述基底100可為單層或多層結構。當所述基底100為單層結構時，該基底100可為一單晶結構體，且具有一晶面作為第一半導體層120的外延生長面1002。所述單層結構的基底100的材料可以SOI(silicon on insulator，絕緣基底上的矽)、LiGaO2
、LiAlO2
、Al2
O3
、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP:Zn 或GaP:N等。當所述基底100為多層結構時，其需要包括至少一層前述單晶結構體，且該單晶結構體具有一晶面作為第一半導體層120的外延生長面1002。所述基底100的材料可以根據所要生長的第一半導體層120來選擇，優選地，使所述基底100與第一半導體層120具有相近的晶格常數以及熱膨脹係數。所述基底100的厚度、大小和形狀不限，可以根據實際需要選擇。所述基底100不限於前述列舉的材料，只要具有支持第一半導體層120生長的外延生長面1002的透明基底100均屬於本發明的保護範圍。本發明第一實施例中，基底100的材料為藍寶石。進一步對所述基底100採用標準工藝清洗。更進一步的，對所述基底100進行親水處理。
在步驟S20中，所述緩衝層110、第一半導體層120、活性層130以及第二半導體層140的生長方法不限，可以分別藉由分子束外延法（MBE）、化學束外延法（CBE）、減壓外延法、低溫外延法、選擇外延法、液相沉積外延法（LPE）、金屬有機氣相外延法（MOVPE）、超真空化學氣相沉積法（UHVCVD）、氫化物氣相外延法(HVPE)、以及金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD）等中的一種或多種實現。本實施例採用MOCVD工藝製備所述緩衝層110、第一半導體層120、活性層130以及第二半導體層140。
所述製備緩衝層110的過程中，以氨氣(NH3
)作為氮的源氣，採用氫氣(H2
)作載氣，採用三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)作為Ga源在一反應室中低溫生長GaN層，該低溫GaN層作為緩衝層110。
所述製備第一半導體層120的過程中，採用高純氨氣(NH3
)作為氮的源氣，採用氫氣(H2
)作載氣，採用三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)作為Ga源，採用矽烷(SiH4
)作為Si源在反應室中生長一N型氮化鎵層作為第一半導體層120。
所述活性層130的生長方法與第一半導體層120基本相同。在生長完第一半導體層120之後，緊接著生長所述活性層130。具體的，生長所述活性層130時採用三甲基銦作為銦源。
在生長完活性層130之後，採用二茂鎂作(Cp2
Mg)為鎂源生長第二半導體層140。藉由控制生長第二半導體層140的時間，使第二半導體層140的厚度為5奈米至60奈米。
本實施例中，所述緩衝層110的厚度為20奈米，所述第二半導體層140的厚度為10奈米，所述活性層130的厚度為10奈米，所述第一半導體層120的厚度為1460奈米，四者的一體厚度為1500奈米。
可選擇地，第二半導體層140的製備方法還可為先藉由MOCVD製備較厚的第二半導體層140，之後藉由蝕刻或研磨的方法蝕刻所述第二半導體層140，使第二半導體層140的厚度為5奈米至60奈米。
在步驟S30中，所述第二半導體層140遠離活性層130的表面包括一第一區域1402和一第二區域1404。在製備的過程中，可藉由使用光刻膠做掩模的方法使金屬等離子體產生層160僅形成於第二半導體層140的第一區域1402。所述第二半導體層140的第二區域1404暴露。如此，在步驟S50中，可使第二電極182直接形成於第二半導體層140的暴露的第二區域1404，從而與所述第二半導體層140電連接。
請參閱圖6，本發明第一實施例所述製備所述金屬等離子體產生層160的方法，包括以下步驟： S301：在所述第二半導體層140表面的第一區域1402設置一第一金屬層162，在所述第一金屬層162遠離活性層130的表面設置一隔離層164，在所述隔離層164遠離第一金屬層162的表面設置一第二金屬層166； S302：在所述第二金屬層166遠離隔離層164的表面設置一圖案化的掩模層169，所述圖案化的掩模層169覆蓋第二金屬層166的表面的部分區域，並暴露其餘區域； S303：以圖案化的掩模層169為掩模，同時蝕刻該圖案化的掩模層169和所述第二金屬層166，得到複數個三棱柱結構167； S304：以所述複數個三棱柱結構167為掩模，蝕刻所述隔離層164，得到複數個第二長方體結構165； S305：以所述複數個第二長方體結構165為掩模，蝕刻所述第一金屬層162，得到複數個第一長方體結構163； S306：去除剩餘的圖案化的掩模層169，得到三維奈米結構161。
在步驟S301中，所述第一金屬層162和第二金屬層166可藉由電子束蒸發、離子濺射等方法分別沉積在所述第二半導體層140和隔離層164的表面。所述第一金屬層162和第二金屬層166的材料為金屬材料，尤其是具有表面等離子激元的金屬，如Au、Ag、Cu和Al等。本實施例中，所述第一金屬層162和第二金屬層166的材料均為Au。所述第一金屬層162的厚度為20奈米~500奈米，優選地，所述第一金屬層162的厚度為50~200奈米。本實施例中，所述第一金屬層162的厚度為100奈米。要使沉積的第二金屬層166在去除圖案化的掩模層169後仍具有自支撐性，需要所述第二金屬層166的厚度大於40奈米。優選地，所述第二金屬層166的厚度為40奈米~800奈米，更優選地，所述第二金屬層166的厚度為130奈米~400奈米。本實施例中，所述第二金屬層166的厚度為200奈米。
所述隔離層164起到隔離第一金屬層162和第二金屬層166的作用，為了保證在蝕刻所述第二金屬層166時，所述第一金屬層162不被破壞。是以當所述第一金屬層162和第二金屬層166的材料不同時，該隔離層164可以省略。所述隔離層164的材料可以為金屬、金屬氧化物或半導體材料等，如鉻（Cr）、鉭（Ta）、氧化鉭（Ta2
O5
）、二氧化鈦（TiO2
）、矽（Si）和二氧化矽（SiO2
）等，可以根據需要選擇。所述隔離層164的厚度為5奈米~100奈米，優選地，所述隔離層164的厚度為5奈米~60奈米。當隔離層164的材料為金屬時，其與所述第一金屬層162和第二金屬層166的材料均不同。本實施例中，所述隔離層164所用材料為Cr，厚度為10奈米。
在步驟S302中，所述圖案化的掩模層169可藉由光學蝕刻、等離子體蝕刻、電子束蝕刻、聚焦離子束蝕刻等方式製備獲得，亦可藉由熱壓印、奈米壓印等方式製備獲得。本實施例中，所述圖案化的掩模層169藉由奈米壓印的方式形成於第二金屬層166的表面。與其他製備方法相比，藉由奈米壓印的方式製備圖案化的掩模層169的方法，具有精度高、效率低、能耗低、可室溫操作、成本低等優點。所述圖案化的掩模層169包括圖案化的掩模層的本體1694，以及由圖案化的掩模層的本體1694定義的複數個平行且間隔設置的第四開口1692，所述第四開口1692可以為條形開口或方格形開口。本實施例中，所述第四開口1692為條形開口，呈週期性排列，優選地，所述第四開口1692的兩端沿同一直線方向分別延伸至所述圖案化的掩模層169相對的兩個邊緣。所述奈米圖形的週期為90奈米~1000奈米，優選地，所述奈米圖案的週期為121奈米~650奈米。所述第四開口1692的寬度和所述圖案化的掩模層的本體1694的寬度可以相等亦可以不等。具體地，所述第四開口1692的寬度為40奈米~450奈米，所述圖案化的掩模層的本體1694的寬度為奈米50奈米~450奈米。本實施例中，奈米圖案的週期為200奈米，所述第四開口1692的寬度為100奈米。所述圖案化的掩模層的本體1694的高度為10奈米~1000奈米，優選地，所述圖案化的掩模層的本體1694的高度為20奈米~800奈米，更優選地，所述圖案化的掩模層的本體1694的高度為30奈米~700奈米。本實施例中，所述圖案化的掩模層的本體1694的高度為200奈米。
步驟303中，將經過步驟S302後得到的結構放入一反應性等離子體系統中進行蝕刻，得到複數個平行且間隔設置的三棱柱結構167，即得到圖案化的第二金屬層。所述蝕刻系統中的蝕刻氣體為物理性蝕刻氣體和反應性蝕刻氣體的混合氣體。所述物理性蝕刻氣體包括氬氣（Ar）或氦氣（He）等，所述反應性蝕刻氣體包括氧氣（O2
）、氯氣（Cl2
）、三氯化硼（BCl3
）或四氯化碳（CCl4
）等。所述物理性蝕刻氣體和反應性蝕刻氣體可依據要進行蝕刻的第二金屬層166和圖案化的掩模層169的材料來選擇，以保證所述蝕刻氣體具有較高的蝕刻速率。比如，當所述第二金屬層166的材料為金、鉑或鈀時，所述物理性蝕刻氣體為Ar。當所述第二金屬層166的材料為銅時，所述物理性蝕刻氣體為He。當所述第二金屬層166的材料為鋁時，所述物理性蝕刻氣體為Ar。本實施例中，所述物理性蝕刻氣體為Ar，所述反應性蝕刻氣體為O2
。
具體地，在蝕刻系統中通入物理性蝕刻氣體和反應性蝕刻氣體，一方面所述圖案化的掩模層的本體1694藉由反應性蝕刻氣體逐步蝕刻，另一方面藉由圖案化的掩模層169的第四開口1692暴露出來的對應位置處的第二金屬層166亦被物理性蝕刻氣體逐步蝕刻。在蝕刻過程中，圖案化的掩模層169逐漸剪裁，則圖案化的掩模層169的第四開口1692的寬度逐漸變大，則對應位置處的第二金屬層166從下到上的蝕刻寬度逐漸變大。所述圖案化的掩模層169被反應性蝕刻氣體部分除去或全部除去，而藉由圖案化的掩模層169的第四開口1692暴露出來的第二金屬層166被物理性蝕刻氣體部分除去或全部除去。蝕刻過程中，藉由調整Ar和O2
的體積流量、壓強及功率之間的關係來調節橫向蝕刻速度和縱向蝕刻速度之間的比例，獲得三棱柱結構167。經過前述步驟，所述第二金屬層166形成複數個平行且間隔設置的第三開口1662和複數個相鄰第三開口1662之間的三棱柱結構167。隔離層164藉由第三開口1662暴露出來。
在步驟S304中，將經過S303步驟所得到結構置於一反應性等離子體系統中對隔離層164進行蝕刻，得到複數個平行且間隔設置的第二長方體結構165，即形成圖案化的隔離層。本實施例中，所述隔離層164的材料為Cr，所述蝕刻系統中的蝕刻氣體為O2
和Cl2
的混合氣體。
經過蝕刻，所述隔離層164形成複數個平行且間隔設置的第二開口1642和複數個相鄰第二開口1642之間的第二長方體結構165，所述第二開口1642的形狀為條帶狀。所述第二開口1642與圖案化的第二金屬層的第三開口1662相對應，所述第二長方體結構165與三棱柱結構167相對應。所述第一金屬層162藉由第二開口1642暴露出來。
在步驟S305中，將經過步驟S304得到結構置於反應性等離子體系統中，得到複數個平行且間隔設置的第一長方體結構163，即形成圖案化的第一金屬層。
在蝕刻系統中通入物理性蝕刻氣體和反應性蝕刻氣體，所述物理性蝕刻氣體為Ar，所述反應性蝕刻氣體為Cl2
和O2
。在蝕刻第一金屬層162的過程中，所述反應性蝕刻氣體和物理性蝕刻氣體同時作用於該第一金屬層162上。
在蝕刻過程中，與圖案化的隔離層中第二開口1642相對應的第一金屬層162逐漸被蝕刻出第一開口1622。另外，在蝕刻過程中會脫落產生一些金屬顆粒或粉末。如果沒有反應性蝕刻氣體的參與，該等金屬顆粒或粉末會自下而上沿著所述第一開口1622的側壁堆積，從而形成“泛邊”現象，還容易造成第一開口1622側壁的表面粗糙度大。此時，所述金屬顆粒或粉末沉積在第一金屬層162所形成的第一開口1622的底部，使該第一開口1622內各個方向上的蝕刻速度梯度趨於平緩，即，所述金屬顆粒或粉末在底部的堆積相當於減小了縱向蝕刻速度並增大了橫向蝕刻速度。藉由反應性蝕刻氣體和物理性蝕刻氣體，所述第一開口1622側壁沉積的多餘的金屬便可被逐漸蝕刻掉，最終形成結構規整且表面粗糙度小的第一長方體結構163。
步驟S305完成後，所述第一開口1622的形狀呈規整的矩形。所述第一開口1622的寬度為10奈米~350奈米，可以藉由調節蝕刻時間來控制第一開口1622的寬度，即所述第一長方體結構163的粗細可以藉由調節蝕刻時間來控制。本實施例中所述第一開口1622的寬度為160奈米。
在步驟S306中，去除經過步驟S305後得到的結構中剩餘的光刻膠，得到複數個三維奈米結構161。採用四氫呋喃（THF）、丙酮、丁酮、環己烷、正己烷、甲醇或無水乙醇等無毒或低毒環保容劑作為剝離劑，溶解剩餘的光刻膠。本實施例中，藉由在丙酮溶液中超聲清洗去掉光刻膠。請參閱圖7和圖8為本發明第一實施例製備的複數個三維奈米結構的掃描電鏡照片。
在步驟S40中，所述基底100的去除方法可為雷射照射法、腐蝕法或溫差自剝離法（利用基底與半導體層之間的膨脹係數不同進行剝離）。所述去除方法可根據基底100以及第一半導體層120材料的不同進行選擇。本實施例中，所述基底100的去除方法為雷射照射法。所述雷射的波長不限，可根據第一半導體層120以及基底100的材料選擇。具體的，所述雷射的能量小於基底100的帶隙能量，而大於第一半導體層120的帶隙能量，從而雷射能夠穿過基底100到達第一半導體層120，在第一半導體層120與基底100的介面處進行雷射剝離。所述介面處第一半導體層120的緩衝層110對雷射產生強烈的吸收，從而使得介面處的緩衝層110溫度快速升高而分解。
在步驟S50中，所述第一電極180可為N型電極或P型電極，其與第一半導體層120的類型相同。所述第二電極182可為N型電極或P型電極，其與第二半導體層140的類型相同。所述第二電極182設置於第二半導體層140表面的第二區域1404。所述第一電極180、第二電極182的材料包括鈦、鋁、鎳及其合金中的一種或其任意組合。本實施例中，所述第一電極180為N型電極，所述第二電極182為P型電極。
所述第一電極180覆蓋所述第一半導體層120遠離活性層的表面，從而使所述發光二極體10中的電流基本沿垂直於所述有源層的方向傳播，即所述發光二極體10形成一垂直結構的發光二極體。
所述發光二極體10在使用過程中，藉由第一電極180和第二電極182分別給第一半導體層120和第二半導體層140施加電壓，進而活性層130產生光子，由活性層130產生的近場倏逝波到達金屬等離子體產生層160後，在金屬等離子體產生層160的作用下轉化為金屬等離子體，金屬等離子體向周圍傳播，當金屬等離子體傳播到達活性層130之後，與活性層130中的量子阱相互作用，使活性層130雷射出更多的二次光子。同時，活性層130中產生的二次光子再次到達金屬等離子體產生層160，使金屬等離子體產生層160產生出更多的金屬等離子體。如此，在金屬等離子體產生層160和活性層130的相互作用下，活性層130可以產生出更多的光子，使發光二極體10的發光效率較高。
另外，當光子以大角度光入射到該三維奈米結構時，可改變所述光子的出射角度，而使之從出光面射出，進一步提高了所述發光二極體30的出光效率。所述三維奈米結構使得出光面積變大，進而使得金屬等離子體產生層160表面產生更多的散射，從而使得金屬等離子體產生層160中產生的金屬等離子體可以更容易地從金屬等離子體產生層160中釋放出來，從而提高了所述發光二極體10的發光效率。
請參閱圖9，本發明第二實施例提供的發光二極體20，其包括：一第一半導體層120、一活性層130以及一第二半導體層140依次層疊設置；一所述第一半導體層120電連接的第一電極180與；所述第二半導體層140遠離活性層130的表面包括第一區域1402和第二區域1404，一設置於所述第二區域1404的第二電極182，一設置於所述第一區域1402的金屬等離子體產生層260；其中，所述金屬等離子體產生層260包括複數個三維奈米結構261，所述三維奈米結構261包括一第一長方體結構163以及一三棱柱結構167，所述第一長方體結構163設置於所述第一區域1402，所述三棱柱結構167設置於第一長方體結構163遠離第二半導體層140的表面，所述三棱柱結構167底面的寬度大於第一長方體結構163上表面的寬度，所述第一長方體結構163和三棱柱結構167為不同的金屬層。
本發明第二實施例所提供的發光二極體20與第一實施例所提供的發光二極體10的結構基本相同，其區別在於本發明第二實施例所提供的金屬等離子體產生層260中的松樹狀結構由一第一長方體結構163和一三棱柱結構167組成。所述第一長方體結構163和三棱柱結構167的材料均為金屬材料，所述三棱柱結構167的材料與第一長方體結構163的材料不同。
參閱圖10，本發明第三實施例提供的發光二極體30，其包括一第一半導體層120、一活性層130以及一第二半導體層140依次層疊設置；一與所述第一半導體層120電連接的第一電極180；所述第二半導體層包括第一區域1402和第二區域1404，一設置於所述第二區域1404的第二電極182；一設置於所述第一區域1402的第一光學對稱層150；一設置於所述第一光學對稱層150遠離第二半導體層140的一側的金屬等離子體產生層160；一設置於所述金屬等離子體產生層160遠離第一光學對稱層150的一側的第二光學對稱層170；其中，所述金屬等離子體產生層160包括複數個三維奈米結構161，所述三維奈米結構161包括一第一長方體結構163、一第二長方體結構165及一三棱柱結構167，所述第一長方體結構163設置於第一光學對稱層150遠離第二半導體層140的一表面，所述第二長方體結構165設置於第一長方體結構163遠離第一光學對稱層150的表面，所述三棱柱結構167設置於第二長方體結構165遠離第一長方體結構163的表面，所述三棱柱結構167底面的寬度等於所述第二長方體結構165上表面的寬度且大於所述第一長方體結構163上表面的寬度，所述第一長方體結構163和三棱柱結構167均為一金屬層。
本發明第三實施例所提供的發光二極體30與第一實施例所提供的發光二極體10基本相同，其區別在於本發明第三實施例所提供的發光二極體30進一步包括第一光學對稱層150和第二光學對稱層170。可選擇地，所述發光二極體30亦可以只包括第一光學對稱層150。
所述第一光學對稱層150的材料的折射率與所述有源層一體的等效折射率的差小於等於0.3。
所述第二光學對稱層170的折射率，與第一半導體層120、活性層130、第二半導體層140、第一光學對稱層150的等效折射率相近。具體的，兩者之間的差值大於等於0小於等於0.5，則所述發光二極體20的出光率越高。
所述第一光學對稱層150的折射率與有源層的一體的等效折射率的差值小於等於0.3。所述發光二極體40以金屬等離子體產生層160為對稱中心，位於金屬等離子體產生層160兩側對稱位置的兩元件的折射率相近，故活性層130中產生的光由第一半導體層120和第一光學對稱層150兩個出光面均勻地出射。
參見圖11和圖12，本發明第四實施例提供的發光二極體40，一第一半導體層120、一活性層130以及一第二半導體層140依次層疊設置；一與所述第一半導體層120電連接的第一電極180；一設置於所述第二半導體層140遠離活性層130的表面的金屬等離子體產生層160；一設置於所述金屬等離子體產生層160遠離第二半導體層140的一側的第二電極，其中，所述金屬等離子體產生層160包括複數個三維奈米結構161，所述三維奈米結構161包括一第一長方體結構163、一第二長方體結構165以及一三棱柱結構167，所述第一長方體結構163設置於所述第二半導體層140遠離活性層130的表面，所述第二長方體結構165設置於所述第一長方體結構163遠離第二半導體層140的一側，所述三棱柱結構167設置於所述第一長方體結構163遠離第二半導體層140的表面，所述三棱柱結構167底面的寬度等於第二長方體結構165的上表面的寬度且大於第一長方體結構163上表面的寬度，所述第一長方體結構163和三棱柱結構167均為一金屬層。
本發明第四實施例所提供的發光二極體40與本發明第一實施例提供的發光二極體10基本相同，其區別在於，本發明第四實施例提供的發光二極體40，所述第二電極182設置於所述金屬等離子體產生層160遠離第二半導體層140的一側，相鄰三維奈米結構161之間的第二電極182懸空設置。所述第二電極182可以為具有自支撐性的金屬片或奈米碳管結構。如是可以藉由所述複數個三維奈米結構161向所述第二半導體層140注入電流，使注入的電流更均勻。當所述三維奈米結構161中所述第二長方體結構165的材料為金屬或半導體材料時，或所述三維奈米結構161不包含第二長方體結構165時，適用於本發明第四實施例。
所述第二電極182可以設置到所述金屬等離子體產生層160的一端，亦可以設置到金屬等離子體產生層160的中間區域，與所述金屬等離子體產生層160電連接。
參見圖13和圖14，本發明第五實施例提供的發光二極體50，一第一半導體層120、一活性層130以及一第二半導體層140依次層疊設置；一與所述第一半導體層120電連接的第一電極180；一設置於所述第二半導體層140遠離活性層130的表面的金屬等離子體產生層160；一與所述金屬等離子體產生層160電連接的第二電極182，其中，所述金屬等離子體產生層160包括複數個三維奈米結構161，所述三維奈米結構161包括一第一長方體結構163、一第二長方體結構165以及一三棱柱結構167，所述第一長方體結構163設置於所述第二半導體層140遠離活性層130的表面，所述第二長方體結構165設置於所述第一長方體結構163遠離第二半導體層140的一側，所述三棱柱結構167設置於所述第一長方體結構163遠離第二半導體層140的表面，所述三棱柱結構167底面的寬度等於第二長方體結構165的上表面的寬度且大於第一長方體結構163上表面的寬度，所述第一長方體結構163和三棱柱結構167均為一金屬層。
形成第二電極182的過程可以是但不限於以下三種方法。第一種方法，在所述金屬等離子體產生層160遠離第二半導體層140的一側沉積第二電極182，使得所述第二電極182覆蓋所述複數個三維奈米結構161的表面以及填充到相鄰三維奈米結構161之間的間隙，從而所述第二電極182將所述複數個三維奈米結構161電連接。
第二種方法，在第二半導體層140遠離活性層130的表面定義第三區域和第四區域，在第三區域形成金屬等離子體產生層160，在第四區域處形成第二電極182，所述第二電極182的延伸方向與所述複數個三維奈米結構161的延伸方向交叉設置且與所述複數個三維奈米結構161電連接。
第三種方法，請一併參見圖6和圖15，第二金屬層166遠離隔離層164的表面包括第五區域1664和第六區域1666。覆蓋第五區域1664，在第六區域1666製備金屬等離子體產生層160，在第五區域1664形成第二電極182。所述第二電極182的延伸方向與所述複數個三維奈米結構161的延伸方向交叉設置，並與所述複數個三維奈米結構161一體成型。所述覆蓋第六區域1666的物質與所述圖案化的掩模層169不同，以保證在蝕刻圖案化的掩模層169時，所述第六區域1666不被蝕刻。
所述第二電極182可以設置到所述金屬等離子體產生層160的一端，亦可以設置到金屬等離子體產生層160的中間區域，與所述金屬等離子體產生層160電連接。
當所述三維奈米結構161中所述第二長方體結構165的材料為絕緣材料時，適用於第一種方法和第二種方法製備第二電極182，當所述三維奈米結構161中所述第二長方體結構165的材料為金屬或半導體材料時，或所述三維奈米結構161不包含第二長方體結構165時，適用於第三種方法。
本發明第五實施例所提供的發光二極體50與本發明第一實施例所提供的發光二極體10基本相同，其區別在於，本發明第五實施例所提供的發光二極體50，所述第二電極182與所述複數個三維奈米結構161交叉設置，並與所述三維奈米結構161中的每一層接觸，從而將所述複數個三維奈米結構161電連接。如是可以藉由所述複數個三維奈米結構161向所述第二半導體層140注入電流，使注入的電流更均勻。
可以理解，所述第一電極180和第二電極182中的至少一個為透光層，從而使得靠近該透光電極的一側為發光二極體40的出光面。如果所述第一電極180為一透光層，而所述第二電極182為反光層，則所述靠近第一半導體層的一端為出光面。如果所述第一電極180為一反光層，而所述第二電極182為透光層。所述發光二極體的出光面具有複數個凹槽，從而使得出射光由於折射改變出射角度，提高了該發光二極體40的出光率。
參見圖16，本發明第六實施例提供一種橫向結構的發光二極體60，其包括：一緩衝層、一第一半導體層120、一活性層130以及一第二半導體層140依次層疊設置於所述基底100的表面，所述第二半導體層140遠離活性層130的表面包括第一區域1402和第二區域1404；一設置於所述第一區域1402的金屬等離子體產生層160；一與所述第一半導體層120電連接的第一電極180，一設置於所述第二區域1404的第二電極182，所述第一電極180與所述第二電極182設置於所述第一半導體層120的同一側；其中，所述金屬等離子體產生層160包括複數個三維奈米結構161，所述三維奈米結構包括第一長方體結構163、一第二長方體結構165及一三棱柱結構167，所述第一長方體結構163、一第二長方體結構165及一三棱柱結構167依次層疊設置於所述第二半導體層140的第一區域1402，所述三棱柱結構167底面的寬度等於所述第二長方體結構165上表面的寬度且大於所述第一長方體結構163上表面的寬度，所述第一長方體結構163和三棱柱結構167均為一金屬層。
本發明第六實施例提供的發光二極體60與本發明第一實施例提供的發光二極體10基本相同，其區別在於，本發明第一電極180和第二電極182設置於第一半導體層120的同一側，所述第一電極180和第二電極182產生的電流在具有高電阻的所述第二半導體層140中橫向傳導。所述發光二極體60中的緩衝層110為一可選結構。
相較於現有技術，本發明所提供的發光二極體具有以下優點：第一，本發明所述金屬等離子體產生層包括複數個三維奈米結構，所述相鄰三維奈米結構之間有間隙，增加了光的透過率；第二，所述三維奈米結構由至少兩部分具有表面的等離子體激元的金屬組成，這三層結構級聯，實現場增強，由活性層產生的近場倏逝波到達金屬等離子體產生層後，在金屬等離子體產生層的作用下近場倏逝波被放大並轉換成為金屬等離子體，金屬等離子體被金屬等離子體產生層散射，從而向周圍傳播；第三，進一步包括第一光學對稱層和第二光學對稱層，使得所述發光二極體以金屬等離子體產生層為對稱中心，金屬等離子體產生層兩側的位於對稱位置的兩元件的折射率或等效折射率基本相近，所述發光二極體在使用過程中活性層中產生的光由第二光學對稱層和第一半導體層兩個出光面均勻地出射。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10，20，30，40‧‧‧發光二極體
100‧‧‧基底
1002‧‧‧外延生長面
110‧‧‧緩衝層
120‧‧‧第一半導體層
130‧‧‧活性層
140‧‧‧第二半導體層
1402‧‧‧第一區域
1404‧‧‧第二區域
150‧‧‧第一光學對稱層
160，260‧‧‧金屬等離子體產生層
161，261‧‧‧三維奈米結構
162‧‧‧第一金屬層
163‧‧‧第一長方體結構
1632‧‧‧第一上表面
164‧‧‧隔離層
165‧‧‧第二長方體結構
1652‧‧‧第二上表面
166‧‧‧第二金屬層
1664‧‧‧第五區域
1666‧‧‧第六區域
167‧‧‧三棱柱結構
1670‧‧‧第一三角形端面
1672‧‧‧第二三角形端面
1674‧‧‧第一矩形側面
1676‧‧‧第二矩形側面
1678‧‧‧第三矩形底面
169‧‧‧圖案化的掩模層
1692‧‧‧第四開口
1694‧‧‧圖案化的掩模層的本體
1662‧‧‧第三開口
1642‧‧‧第二開口
1622‧‧‧第一開口
170‧‧‧第二光學對稱層
180‧‧‧第一電極
182‧‧‧第二電極
圖1為本發明第一實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖2為圖1的發光二極體沿線II-II的剖視圖。
圖3為在第二半導體層上實施複數個圖案的金屬等離子體產生層的結構示意圖。
圖4為本發明第一實施例製備的三維奈米結構的分解圖。
圖5為本發明第一實施例製備發光二極體的工藝流程圖。
圖6為本發明第一實施例製備金屬等離子體產生層的工藝流程圖。
圖7為本發明第一實施例製備的金屬等離子體產生層的低倍掃描電鏡照片。
圖8為本發明第一實施例製備的金屬等離子體產生層的高倍掃描電鏡照片。
圖9為本發明第二實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖10為本發明第三實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖11為本發明第四實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖12為圖11的發光二極體沿線II-II的剖視圖。
圖13為本發明第五實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖14為圖13的發光二極體沿線II-II的剖視圖。
圖15為本發明第五實施例中第三種方法製備金屬等離子體產生層和第二電極的第二金屬層表面的結構示意圖。
圖16為本發明第六實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
無
Claims (13)
- 一種發光二極體，其包括： 一第一半導體層、一活性層以及一第二半導體層依次層疊設置； 一設置於所述第二半導體層遠離活性層的表面的金屬等離子體產生層； 一與所述第一半導體層電連接的第一電極； 一與所述第二半導體層電連接的的第二電極； 其改良在於，所述金屬等離子體產生層包括複數個三維奈米結構，所述三維奈米結構包括一第一長方體結構、一第二長方體結構及一三棱柱結構，所述第一長方體結構設置於所述第一區域，所述第二長方體結構設置於第一長方體結構遠離第二半導體層的表面，所述三棱柱結構設置於第二長方體結構遠離第一長方體結構的表面，所述三棱柱結構底面的寬度等於所述第二長方體結構上表面的寬度且大於所述第一長方體結構上表面的寬度，所述第一長方體結構和三棱柱結構均為一金屬層。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，所述金屬材料為Au、Ag、Cu和Al中的一種或多種，所述第二長方體結構的材料為Cr、Ta、Ta2 O5 、TiO2 、Si、SiO2 中的一種或多種。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，所述相鄰三維奈米結構之間的間距為40奈米～450奈米，所述第一長方體結構的厚度為20奈米～500奈米，所述第二長方體結構的厚度為5奈米～100奈米，所述三棱柱結構的厚度為40奈米～800奈米。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，所述第二電極與所述複數個三維奈米結構交叉設置，將所述複數個三維奈米結構電連接。
- 如請求項4所述的發光二極體，其中，所述第二電極設置於所述複數個三維奈米結構遠離第二半導體層的一側。
- 如請求項5所述的發光二極體，其中，所述第二電極進一步填充到相鄰三維奈米結構之間的間隙。
- 如請求項6所述的發光二極體，其中，所述第二電極與所述三維奈米結構一體成型。
- 一種發光二極體，其包括： 一第一半導體層、一活性層以及一第二半導體層依次層疊設置； 一設置於所述第二半導體層遠離活性層的表面的金屬等離子體產生層； 一與所述第一半導體層電連接的第一電極； 一與所述第二半導體層電連接的的第二電極； 其改良在於，所述金屬等離子體產生層包括複數個三維奈米結構，所述三維奈米結構包括一長方體結構以及一三棱柱結構，所述長方體結構設置於所述第一區域，所述三棱柱結構設置於長方體結構遠離第二半導體層的表面，所述三棱柱結構底面的寬度大於長方體結構上表面的寬度，所述長方體結構和三棱柱結構為不同的金屬層。
- 如請求項8所述的發光二極體，其中，所述金屬材料為Au、Ag、Cu和Al中的一種或多種。
- 如請求項8所述的發光二極體，其中，所述第二電極與所述複數個三維奈米結構交叉設置，將所述複數個三維奈米結構電連接。
- 如請求項10所述的發光二極體，其中，所述第二電極設置於所述複數個三維奈米結構遠離第二半導體層的一側。
- 如請求項11所述的發光二極體，其中，所述第二電極進一步填充到相鄰三維奈米結構之間的間隙。
- 如請求項12所述的發光二極體，其中，所述第二電極與所述三維奈米結構一體成型。
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