CN105098000B - 磁场调控led发光亮度的复合结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁场调控LED发光亮度的复合结构及制作方法，该复合材料结构由磁致伸缩材料基底和LED叠层薄膜材料组成，以磁致伸缩材料为基底，通过中间接触层将两者形成统一整体，其中所述LED叠层薄膜材料依次为极性衬底、缓冲层、n型导电层、应变有源区、p型电子阻挡层和p型导电层。在外界磁场作用下，通过磁致伸缩材料基底的应力/应变来调控LED叠层薄膜材料中应变有源区的发光效率，从而实现LED发光亮度连续可调的功能。本发明提出的复合结构新颖，且制作方法简单易行，有利于新型磁‑力‑电‑光器件与系统集成，将应用于可调光显示、磁力传感成像、自驱动传感器网络、磁力电光一体化系统等领域。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，特别涉及一种磁场调控LED发
光亮度的复合结构及制作方法，旨在实现LED发光亮度的连续可调。
背景技术
新型半导体LED固态照明是21世纪最具发展前景的新技术之一，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃。作为第三代半导体材料，GaN基和ZnO基材料体系都具有大的禁带宽度，前者可从0.7eV到6.2eV连续可调，后者可从2.3eV到10.8eV连续可调，能够实现从红外到紫外全光谱范围的光显示，并且GaN基LED已经在蓝绿光显示、绿色固态照明、景观照明、汽车电子、个人移动设备显示等应用领域取得了举世瞩目的成果。与传统光源相比，LED发光器件具有体积小、绿色环保、波长可调谐、功耗小和寿命长等诸多优点。
但是，非极性GaN基材料结晶质量差、位错密度高且其外延生长更加困难，目前商用的蓝绿光GaN基LED仍然以(0001)面极性GaN基材料为主。作为非对称中心的纤锌矿结构，GaN基材料和ZnO基材料沿着[0001]方向具有很强的自发极化，同时LED异质外延生长中晶格失配和热失配带来的内应力/应变又产生了强烈的压电极化。综合来看，基于纤锌矿GaN基或者ZnO基LED叠层薄膜材料中存在强烈的极化效应，并且极化效应产生的内建电场会使能带弯曲、倾斜以及电子和空穴在空间上分离，降低了LED的发光效率，同时发光波长也会发现红移。
发明内容
本发明的目的旨在调控极性LED中应力/应变状态，进而实现LED发光亮度连续可调的功能，提出了一种磁场调控LED发光亮度的复合结构及制作方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁场调控LED发光亮度的复合结构，包括：
磁致伸缩材料的基底；
设置在所述基底上的中间接触层；
设置在所述中间接触层上的LED叠层薄膜材料。
优选的，所述磁致伸缩材料为铽-镝-铁系磁致伸缩材料、稀土-铁系超磁致伸缩材料或者铁-镓系磁致伸缩材料。
优选的，所述铽-镝-铁系磁致伸缩材料的化学成分为：Tb1-xDyxFe2-y，其中，x＝0.5～0.8、y＝0～0.1；
所述稀土-铁系超磁致伸缩材料的化学成分为：(Tb1-x-yDyxRy)(Fe1-zTiz)Q和(Tb1-x-yDyxRy)(Fe1-z-pTizMp)Q，R为Ho、Er、Sm或Pr元素，M为V、Cr、Si或Zr元素，其中，x＝0.65～0.80、y＝0.001～0.1、z＝0.002～0.1、p＝0～0.1、Q＝1.75～2.25；
所述铁-镓系磁致伸缩材料的化学成分为：GaxRyFe1-x-y，R为Al、Be、V、Cr、In、Cd、Mo或Ge元素，x＝0.15～0.25、y＝0.0005～0.05。
优选的，所述的LED叠层薄膜材料依次包括：极性衬底、缓冲层、n型导电层、应变有源区、p型电子阻挡层和p型导电层。
优选的，GaN基LED叠层薄膜材料中，所述应变有源区为InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN或者AlInGaN/GaN双层结构或者量子阱；
或者，ZnO基LED叠层薄膜材料中，所述应变有源区为BeZnO/ZnO、MgZnO/ZnO、ZnCdO/ZnO或者BeMgZnCdO/ZnO双层结构或者量子阱。
优选的，所述极性衬底为(0001)面蓝宝石、(0001)面碳化硅、极性面氮化镓或(111)面硅。
优选的，所述基底的厚度为50μm-5mm。
优选的，所述极性衬底的厚度为10μm-500μm。
优选的，所述的中间接触层为金属键合材料或者有机粘接材料。
相应的，本发明还提供一种磁场调控LED发光亮度的复合结构制作方法，包括以下步骤：
制备LED叠层薄膜材料；
在所述LED叠层薄膜材料上制备n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极；
提供磁致伸缩材料的基底；
在所述基底表面和所述极性衬底下表面涂覆中间接触层材料；
将所述基底与所述LED叠层薄膜材料的衬底粘接，并将所述中间接触层材料固化。
优选的，所述制备LED叠层薄膜材料步骤具体为：
在极性衬底上依次外延生长缓冲层、n型导电层、应变有源区、p型电子阻挡层和p型导电层。
优选的，采用施加压力、加热和/或光照等方法使所述中间接触层材料固化。
本发明提供的磁场调控LED发光亮度的复合结构及其制作方法具有下列优点：
1、本发明采用的磁致伸缩基底对材料纯度要求低，其原材料来源丰富且成本低。另外，本发明提供的复合结构，制作方法简单易行，与现有的LED器件制备工艺兼容，具有广阔的市场应用前景。
2、本发明的复合结构，在外界磁场作用下，通过磁致伸缩材料基底的应力/应变来调控LED叠层薄膜材料中应变有源区的发光效率，从而实现LED发光亮度连续可调的功能。所述的磁致伸缩材料在很低的磁场下具有大伸缩形变，并且机械强度高，非常适用于实际应用。
3、本发明提出的复合结构新颖，利用磁力作用调控LED发光亮度，实现LED发光亮度的连续可调，有利于新型磁-力-电-光器件与系统集成，将应用于可调光显示、磁力传感成像、自驱动传感器网络、磁力电光一体化系统等领域。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明的磁场调控LED发光亮度的复合结构示意图；
图2为本发明的磁场调控LED发光亮度的复合结构制作流程图；
图3为实施例1中磁场调控蓝光LED发光亮度的复合结构的发光强度随着磁场的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
极性LED材料和器件的发光特性在不同应力/应变作用下会发生改变，其新颖的压电-光电耦合效应将影响LED载流子输运、复合过程和发光机制。本发明提出了高强度超磁致伸缩材料来给极性LED器件施加外界应力/应变，该铁磁性材料在很低磁场强度下将发生磁致伸缩形变，具有机械强度高、磁致伸缩量大且转换磁场低等优点，可用于LED应变有源区中应力/应变精确调控，从而实现LED发光亮度连续可调的功能，这将在可调光显示、磁力传感成像、自驱动传感器网络、磁力电光一体化系统领域具有广泛的应用前景。
本发明提供的磁场调控LED发光亮度的复合结构，参见图1，包括磁致伸缩材料的基底1、设置在基底1上的中间接触层2、设置在中间接触层2上的LED叠层薄膜材料3。其中，LED叠层薄膜材料3从下至上包括极性衬底31、缓冲层32、n型导电层33、应变有源区34、p型电子阻挡层35和p型导电层36，其中，极性衬底31通过中间接触层2与磁致伸缩材料的基底1粘接在一起。基底1采用磁致伸缩材料，在磁场作用下可以发生磁滞伸缩形变，对复合结构中的应变有源区34施加应力/应变作用，从而调控LED的发光强度。
基底1可以采用的磁致伸缩材料可以为现有的磁致伸缩材料，优选为下列材料：铽-镝-铁系磁致伸缩材料，优选的，化学成分：Tb1-xDyxFe2-y、x＝0.5～0.8、y＝0～0.1；稀土-铁系超磁致伸缩材料，优选的，化学成分：(Tb1-x-yDyxRy)(Fe1-zTiz)Q和(Tb1-x-yDyxRy)(Fe1-z-pTizMp)Q，R可为Ho、Er、Sm或Pr元素，M可为V、Cr、Si或Zr元素，其中，x＝0.65～0.80、y＝0.001～0.1、z＝0.002～0.1、p＝0～0.1、Q＝1.75～2.25；或者，铁-镓系磁致伸缩材料，优选的，化学成分：GaxRyFe1-x-y，R可为Al、Be、V、Cr、In、Cd、Mo或Ge元素，其中，x＝0.15～0.25、y＝0.0005～0.05。
基底1的厚度优选为50μm-5mm，在磁场作用下的伸缩方向与LED叠层薄膜材料3的叠层堆叠方向垂直，例如沿着基底1表面延伸的方向伸缩，本领域的技术人员根据磁致伸缩材料的选择可以选择基底1的合适伸缩方向，使基底1在磁场作用下伸缩时可以对LED叠层薄膜材料3中的应变有源区34施加应力/应变作用。
中间接触层2可以为金属键合材料(如金锡AuSn或金锗AuGe共晶合金)或者有机粘接材料(如环氧树脂)。
LED叠层薄膜材料3为在极性衬底31上依次外延生长缓冲层32、n型导电层33、应变有源区34、p型电子阻挡层35和p型导电层36形成。其中，极性衬底31可以为(0001)面蓝宝石、(0001)面碳化硅、极性面氮化镓、(111)面硅等衬底材料。磁致伸缩基底1在磁场作用下的伸缩产生的应变需要通过极性衬底31传递到应变有源区34，极性衬底31的厚度会影响应变有源区34的实际形变量，优选的，极性衬底31的厚度范围为10μm～500μm。极性衬底优选为杨氏模量在100GPa以上的衬底。
在基于纤锌矿型压电半导体材料的LED叠层薄膜材料中，按照LED的种类，应变有源区34的材料有多种选择。例如，GaN基LED叠层薄膜材料中，应变有源区的材料可以为InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN或者AlInGaN/GaN；同样对于ZnO基LED叠层薄膜材料中，应变有源区材料可以为BeZnO/ZnO、MgZnO/ZnO、ZnCdO/ZnO或者BeMgZnCdO/ZnO。
在本发明中，应变有源区为InGaN/GaN，代表存在晶格失配的InGaN层与GaN层双层结构，该双层结构共同形成所述的应变有源区。
应变有源区34，除了可以为上述的双层结构外，还可以为量子阱应变有源区，周期性的上述双层结构堆叠，形成量子阱应变有源区。例如5个MgZnO/ZnO量子阱应变有源区，具体为，5个MgZnO层与ZnO层双层结构堆叠在一起形成应变有源区。与双层结构应变有源区相比，采用量子阱应变有源区的LED叠层薄膜材料，发光强度较高。
下面具体结合附图详细介绍本发明提供的磁场调控LED发光亮度的复合结构的制作方法，图2为对应图1的制作方法流程图，包括下列步骤：
步骤S1：制备LED叠层薄膜材料3；
参见图1，具体为在极性衬底31上表面依次外延生长缓冲层32、n型导电层33、应变有源区34、p型电子阻挡层35和p型导电层36。
在基于纤锌矿型压电半导体材料的LED中，应变有源区可以为InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN或者AlInGaN/GaN，同样也适用于BeZnO/ZnO、MgZnO/ZnO、ZnCdO/ZnO或者BeMgZnCdO/ZnO。
步骤S2：在所述LED叠层薄膜材料上制备n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极；
参见图1，具体过程可以为：利用微加工光刻技术，在上述制备的LED叠层薄膜材料3的p型导电层36上制作台面刻蚀图形；对图形化的LED叠层薄膜材料3基片进行干法刻蚀，刻蚀深度到达n型导电层33，形成露出部分n型导电层33的刻蚀台面；在所述刻蚀台面上制作n型欧姆接触电极37；在未刻蚀的LED叠层薄膜材料3基片表面上制作p型欧姆接触电极38，完成LED器件制作。
步骤S3：提供磁致伸缩材料的基底1；
在外加磁场作用下，磁致伸缩材料的基底1的伸缩方向沿着基底1表面的延伸方向。
步骤S4：在所述基底表面和所述极性衬底下表面涂覆中间接触层材料；
中间接触层材料可以为金属键合材料(如金锡AuSn或金锗AuGe共晶合金)或者有机粘接材料(如环氧树脂)。
步骤S5：将所述基底与所述LED叠层薄膜材料的衬底粘接，并将所述中间接触层材料固化。
根据所选择的中间接触层材料的不同，可以采用施加压力、加热和/或光照等方法使上述的中间接触层材料固化，形成本发明的复合结构。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。
实施例1
按照图2所示的流程图制作磁场调控蓝光LED发光亮度的复合结构，依次进行下列步骤：
(a)在(0001)面蓝宝石衬底上表面从下至上依次外延生长2μm厚GaN缓冲层、3μm厚n型GaN导电层(掺杂Si，n型掺杂浓度为3*1018/cm3)、5个2nm厚In0.15Ga0.85N/15nm厚GaN量子阱应变有源区、50nm厚p型Al0.1Ga0.9N电子阻挡层和100nm厚p型GaN导电层，得到蓝光LED叠层薄膜材料；
(b)利用微加工光刻手段，在所述蓝光LED叠层薄膜材料基片上制作台面刻蚀图形；
对所述图形化的蓝光LED叠层薄膜材料基片进行干法刻蚀，刻蚀深度到达n-GaN导电层，n-GaN导电层被刻蚀500nm，形成刻蚀台面；
在所述刻蚀台面上制作n-GaN欧姆接触电极Ti/Al/Ni/Au；在未刻蚀的基片的p型GaN导电层上制作p-GaN欧姆接触电极ITO，完成蓝光LED器件制作；
(c)在Tb0.45Dy0.55Fe1.9磁致伸缩材料基底表面和(0001)面蓝宝石衬底背面上涂覆有机环氧树脂材料作为中间接触层材料；
(d)将Tb0.45Dy0.55Fe1.9磁致伸缩材料基底与蓝光LED叠层薄膜材料粘接，并在80℃下将有机环氧树脂材料固化，完成磁场调控蓝光LED发光亮度的复合结构制作。
图3为本实施例的复合结构，随着磁场强度从0-350mT变化时蓝光LED发光亮度(光强度)的变化曲线，从图中可以看出，磁场变化350mT可以增强蓝光LED的发光强度约11％。
实施例2
按照图2所示的流程图制作磁场调控绿光LED发光亮度的复合结构，依次进行下列步骤：
(a)在(111)面硅衬底上表面从下至上依次外延生长2μm厚GaN缓冲层、3μm厚n型GaN导电层(掺杂Si，n型掺杂浓度为3*1018/cm3)、7个2nm厚In0.3Ga0.7N/12nm厚GaN量子阱应变有源区、50nm厚p型Al0.05Ga0.95N电子阻挡层和100nm厚p型GaN导电层，得到绿光LED叠层薄膜材料；
(b)利用微加工光刻手段，在所述绿光LED叠层薄膜材料基片上制作台面刻蚀图形；对所述图形化的绿光LED叠层薄膜材料基片进行干法刻蚀，刻蚀深度到达n-GaN导电层，n-GaN导电层被刻蚀500nm，形成刻蚀台面；在所述刻蚀台面上制作n-GaN欧姆接触电极Ti/Al/Ni/Au；在未刻蚀的基片的p型GaN导电层上制作p-GaN欧姆接触电极Ni/Au，完成绿光LED器件制作；
(c)在Tb0.45Dy0.55Fe1.9磁致伸缩材料基底表面和(111)面硅衬底背面(下表面)上涂覆AuSn合金材料作为中间接触层材料；
(d)将Tb0.45Dy0.55Fe1.9磁致伸缩材料基底与绿光LED叠层薄膜材料粘接，在280℃下将AuSn合金材料固化，完成磁场调控绿光LED发光亮度的复合结构制作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (12)
1.一种磁场调控LED发光亮度的复合结构，其特征在于，包括：
磁致伸缩材料的基底；
设置在所述基底上的中间接触层；
设置在所述中间接触层上的LED叠层薄膜材料；
其中，在磁场作用下，所述基底发生磁致伸缩形变，对所述LED叠层薄膜材料的应变有源区施加应力/应变作用，从而调控LED的发光强度。
2.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述磁致伸缩材料为铽-镝-铁系磁致伸缩材料、稀土-铁系超磁致伸缩材料或者铁-镓系磁致伸缩材料。
3.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述铽-镝-铁系磁致伸缩材料的化学成分为：Tb1-xDyxFe2-y，其中，x＝0.5～0.8、y＝0～0.1；
所述稀土-铁系超磁致伸缩材料的化学成分为：(Tb1-x-yDyxRy)(Fe1-zTiz)Q和(Tb1-x- yDyxRy)(Fe1-z-pTizMp)Q，R为Ho、Er、Sm或Pr元素，M为V、Cr、Si或Zr元素，其中，x＝0.65～0.80、y＝0.001～0.1、z＝0.002～0.1、p＝0～0.1、Q＝1.75～2.25；
所述铁-镓系磁致伸缩材料的化学成分为：GaxRyFe1-x-y，R为Al、Be、V、Cr、In、Cd、Mo或Ge元素，x＝0.15～0.25、y＝0.0005～0.05。
4.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述的LED叠层薄膜材料从下到上依次包括：极性衬底、缓冲层、n型导电层、应变有源区、p型电子阻挡层和p型导电层。
5.根据权利要求4所述的复合结构，其特征在于，GaN基LED叠层薄膜材料中，所述应变有源区为InGaN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN或者AlInGaN/GaN双层结构或者量子阱；
或者，ZnO基LED叠层薄膜材料中，所述应变有源区为BeZnO/ZnO、MgZnO/ZnO、ZnCdO/ZnO或者BeMgZnCdO/ZnO双层结构或者量子阱。
6.根据权利要求4所述的复合结构，其特征在于，所述极性衬底为(0001)面蓝宝石、(0001)面碳化硅、极性面氮化镓或(111)面硅。
7.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述基底的厚度为50μm-5mm。
8.根据权利要求4所述的复合结构，其特征在于，所述极性衬底的厚度为10μm-500μm。
9.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述的中间接触层为金属键合材料或者有机粘接材料。
10.一种磁场调控和增强LED发光亮度的复合结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备LED叠层薄膜材料，其中，所述的LED叠层薄膜材料从下到上依次包括：极性衬底、缓冲层、n型导电层、应变有源区、p型电子阻挡层和p型导电层；
在所述LED叠层薄膜材料上制备n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极；
提供磁致伸缩材料的基底；
在所述基底表面和所述极性衬底的下表面涂覆中间接触层材料；
将所述基底与所述LED叠层薄膜材料的衬底粘接，并将所述中间接触层材料固化；
其中，在磁场作用下，所述基底发生磁致伸缩形变，对所述LED叠层薄膜材料的应变有源区施加应力/应变作用，从而调控LED的发光强度。
11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述制备LED叠层薄膜材料步骤具体为：
在极性衬底上依次外延生长缓冲层、n型导电层、应变有源区、p型电子阻挡层和p型导电层。
12.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，采用施加压力、加热和/或光照方法使所述中间接触层材料固化。
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