CN102983236A - 一种led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露了一种LED芯片及其制造方法，所述LED芯片在有源层与其相邻层的界面上形成有第一金属纳米颗粒阵列。第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒受到有源层的发出的光的激发，为有源层提供了额外的量子阱局域态，因此减少了电子通过缺陷能级与空穴发生无辐射复合的概率，提高了内量子效应，从而提高了LED芯片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED制造技术领域，尤其涉及一种LED芯片及其制作方法。
背景技术
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的电子和空穴发生复合，将过剩的能量以光子的形式释放出来。LED具有寿命长，功耗低的优点，随着技术的日渐成熟，LED的运用领域也越来越多元化，对LED芯片的功率和亮度的要求也越来越高，如何提高LED芯片的功率是LED发展中遇到的难题之一。LED的功率与LED的内量子效率（IQE，Internal Quantum Efficiency)、光析出率(LEE，Light ExtractionEfficiency)与外量子效率(EQE，External Quantum Efficiency)息息相关，简单地说，IQE是注入电子与空穴复合发光的效率的体现，LEE是这些光逸出LED效率的体现，EQE为IQE与LEE之积，即注入电子转化为能逸出LED光的效率的体现。
研究表明，注入电流密度超过一定值时，内量子效率并没有随注入电流的上升而上升。这是由于量子阱局域态被填满，电子只能通过缺陷能级与空穴无辐射复合。并且，LED的PN结作为杂质半导体，存在着材料品质、位错因素以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、激发散射和晶格散射等问题，使电子从导带跃迁到价带时与晶格原子或离子交换能量时发生无辐射跃迁，也就是不产生光子，这部分能量不转换成光能而转换成热能损耗在PN结内，影响LED的内量子效应。
而对LED的LEE限制因素是材料的折射率和封装结构。当光线从高折射率的物质向低折射率的物质入射时，部分光会在界面上发生反射，并且当入射角大于全反射角时，会发生全反射。发生全反射时，光线无法进入低折射率的物质，只有入射角度小于全反射临界角的光线才能低折射率的物质而发射出去时。因此，LED芯片内部产生的光线只有一部分能发射出去，大大降低了LED的效率。
虽然目前各种方法被运用到LED的制造上以提高IQE和LEE，比如有源层采用多量子阱结构、图形化衬底、外延缓冲层等方法，并取得了一定的进展。但是持续提高LED的发光效率仍是不断探索和努力改进的方向。
发明内容
本发明提供一种LED芯片及其制作方法，用以提高LED芯片的发光效率。
为解决以上问题，本发明提供一种LED芯片，包括衬底以及依次于所述衬底上的N型GaN层、有源层和P型GaN层，在所述有源层与其相邻层的界面上形成有第一金属纳米颗粒阵列。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒包括金属芯和电介质外壳。
可选的，所述金属芯材质为Au或Ag。
可选的，所述电介质外壳材质为SiO2。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的形状为球形、椭球形或三角锥形中的一种。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的形状为球形。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒之间的间距大于等于所述金属纳米颗粒的直径。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列形成于所述有源层与P型GaN层的界面上。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列形成于所述有源层与N型GaN层的界面上。
可选的，在所述P型GaN层表面形成有第二金属纳米颗粒阵列。
可选的，所述衬底是经过图形化处理的蓝宝石衬底。
本发明还提供上述的LED芯片的制造方法，包括：
提供衬底，在所述衬底上形成N型GaN层；
在所述N型GaN层上形成有源层和第一金属纳米颗粒阵列；
在所述N型GaN层上形成P型GaN层。
可选的，先在N型GaN层上形成第一金属纳米颗粒阵列，然后形成有源层。
可选的，先在N型GaN层上成有源层，然后在有源层上形成第一金属纳米颗粒阵列。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒包括金属芯和电介质外壳。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的形状为球形、椭球形或三角锥形中的一种。
可选的，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒之间的间距大于等于所述金属纳米颗粒的尺寸。
可选的，在形成P型GaN层之后在所述P型GaN层表面形成第二金属纳米颗粒阵列。
可选的，在形成所述N型GaN层前对所述衬底进行图形化处理。
本发明提供一种LED芯片及其制作方法，所述LED芯片在有源层与其相邻层的界面上形成有第一金属纳米颗粒阵列，能提高LED的内量子效率，从而提高LED的发光效率。
进一步的，在P型GaN层表面形成有第二金属纳米颗粒阵列，使LED内部发生的光在所述第二金属纳米颗粒阵列上发生散射，提高LED的光析出率，进一步提高LED发光效率。
附图说明
图1为本发明实施例的LED芯片的制造方法的流程图；
图2A~2C为本发明实施例的LED芯片的制造方法的各步骤的剖面结构示意图。
具体实施方式
在背景技术中已经提及，提高LED芯片的发光效率是业内不断探索和努力改进的方向。
为此，本发明提供一种LED芯片及其制作方法，所述LED芯片在有源层与其相邻层的界面上形成有第一金属纳米颗粒阵列，能提高LED的内量子效率，从而提高LED的发光效率。
下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应所述理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图2C，所述LED芯片包括：包括衬底110、N型GaN层111、有源层112和P型GaN层114，在有源层112与其相邻层的界面上形成有第一金属纳米颗粒阵列。第一金属纳米颗粒阵列可以形成于有源层112与P型GaN层114之间的界面上，也可以形成于有源层112与N型GaN层111之间的界面上。本实施例中，将第一金属纳米颗粒阵列设置于有源层112与P型GaN层114之间的界面上。
优选的，为提高LED芯片的光析出率，衬底110优选为经过图形化处理的衬底，例如是经过图形化处理的蓝宝石衬底，即，衬底110与N型GaN层111相接触的表面使经过图形化处理的，其表面并非是平坦表面，而是具有突起的表面，所述突起例如是半圆柱形突起、锥形突起等。
优选的，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒113包括金属芯121和电介质外壳122。所述金属芯121材质为Au或Ag，所述电介质外壳122材质为SiO2。第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒113的形状优选为球形，当然也可以是椭球形或三角锥形等形状。第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒113之间的间距大于等于金属纳米颗粒113的直径。
采用本实施例提供的结构，当有源层112发出的光到达第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒113时，金属芯121的中的自由电子受光（电磁波）的电场的影响发生震荡，产生与光频率一致的激发电场，其与有源层中发出的光发生耦合，即，金属芯的激发电场与电磁波发生谐振，释放出更强的光。其机理可解释为，金属纳米颗粒受到有源层的发出的光的激发，为有源层提供了额外的量子阱局域态，因此减少了电子通过缺陷能级与空穴发生无辐射复合的概率，从而提高了内量子效应。
其中，电介质外壳122用以将金属芯121和有源层112隔开，避免金属芯121和有源层112直接电接触；并且，在LED工艺过程中的一些高温步骤中，电介质外壳112可以保护金属芯121不会熔化变形或扩散到其他层中去。金属纳米颗粒113之间的间距大于等于金属纳米颗粒113的直径，这样可以避免金属纳米颗粒的激发电场相互产生影响。第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的尺寸根据有源层发光的波长和金属芯的材质与形状来决定，即，在LED类型和金属芯材质与形状已定的情况下，第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的尺寸决定了谐振的效果，这一数据可以根据有限次的实验得出。假如，LED设计为发出波长446nm的绿光，金属纳米颗粒为球形，Ag材质，经过实验得到金属纳米颗粒直径在150nm时得到最好的谐振效果，那么该LED结构中第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的直径为150nm。
更优选的，在P型GaN层114表面还形成有第二金属纳米颗粒阵列115。这样光在第二金属纳米颗粒阵列115上发生散射，减小光在射出面发生全反射的比率，从而提高光析出率。
需知悉的是，本实施例只描述了对LED芯片中与本发明相关部分的结构，对于本发明没有做出改进的公知部分，比如缓冲层、电流扩展层、电极层等并没有做相关描述和图示，但并不意味着本发明的LED结构中不包括这些结构，本领域技术人员可以根据公知常识将这些结构添加到LED芯片相应的结构中去。
请参考图1，其为本发明实施例的LED芯片制作方法的流程图，所述方法包括如下步骤：
步骤S101，提供衬底，在所述衬底上形成N型GaN层；
步骤S102，在所述N型GaN层上形成有源层和第一金属纳米颗粒阵列；
步骤S103，在所述N型GaN层上形成P型GaN层。
参照图2A，执行步骤S101，提供衬底110，在衬底110上形成N型GaN层111。通常可以使用MOCVD方式来形成N型GaN层111。本实例中，所述衬底110为蓝宝石（Al2O3）衬底。当然，根据工艺需要，也可以选用其他适用于LED芯片制造的衬底，例如尖晶石（MgAl2O4）、SiC、ZnS、ZnO或GaAs衬底。优选的，衬底110经过图形化处理，这样可以提高LED光析出率。
参照图2B，执行步骤S102，形成有源层112和第一金属纳米颗粒阵列。可以选择在N型GaN层111上形成第一金属纳米颗粒阵列，然后形成有源层112；也可以先在N型GaN层111上成有源层112，然后在有源层112上形成第一金属纳米颗粒阵列。本实施例中，先在N型GaN层111上成有源层112，然后在有源层112上形成第一金属纳米颗粒阵列。
具体的，有源层112优选为多量子阱有源层，所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒113包括金属芯121和电介质外壳122。所述金属芯121材质为Au或Ag，所述电介质外壳122材质为SiO2。第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒113的形状优选为球体，当然也可以是椭球或三角锥等形状。第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒之间的间距大于等于金属纳米颗粒的直径。
形成第一金属纳米颗粒阵列排布的方法，比如，将原厂含有金属纳米颗粒的溶液按需求稀释到一定溶度，旋涂到有源层112上，待溶液蒸发后，金属纳米颗粒自助装成阵列排布。这种方法工艺简单，但自组装的金属纳米颗粒之间的间距和金属纳米颗粒的尺寸和溶液相关，得到的为非规则排列的第一金属纳米颗粒阵列。要形成间距可控的规则分布的第一金属纳米颗粒阵列，可以选择使用多孔阳极氧化铝薄膜，不同型号的多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞间距分布不同。先将多孔阳极氧化铝薄膜贴合在有源层112上，在多孔阳极氧化铝薄膜上旋涂一定溶度的含有金属纳米颗粒的溶液，这样金属纳米颗粒嵌入在多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞中，然后利用刻蚀的方法去除多孔阳极氧化铝薄膜即可得到规则分布的第一金属纳米颗粒阵列。
参照图2C，执行步骤S103，形成P型GaN层114。通常可以使用MOCVD方式来形成P型GaN层114。优选的，在形成P型GaN层114之后在所述P型GaN层表面形成第二金属纳米颗粒阵列115，可以采用形成第一金属纳米颗粒阵列的相同的方法来形成第二金属纳米颗粒阵列115。这样从有源层112发出的光在第二金属纳米颗粒阵列115上发生散射，减小光在射出面发生全反射的比率，来提高光析出率，得到更好的发光效率。
同样的，本实施例的步骤只描述了对LED芯片中与本发明相关部分的步骤，对于本发明没有做出改进的公知部分并没有做相关描述，但并不意味着形成LED过程中不包括这些步骤，比如形成缓冲层的步骤等，本领域技术人员可以根据公知常识将这些步骤添加到相应的步骤中去。
综上所述，本发明所提供一种LED芯片的结构及其制造方法，所述LED芯片在有源层与其相邻层的界面上形成有第一金属纳米颗粒阵列，能提高LED的内量子效率，从而提高LED的发光效率。。
进一步的，在P型GaN层表面形成有第二金属纳米颗粒阵列，时LED内部发生的光在所述第二金属纳米颗粒阵列上发生散射，提高LED的光析出率，进一步提高LED发光效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (19)
1.一种LED芯片，包括衬底以及依次于所述衬底上的N型GaN层、有源层和P型GaN层，其特征在于：在所述有源层与其相邻层的界面上形成有第一金属纳米颗粒阵列。
2.如权利要求1所述的LED芯片，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒包括金属芯和电介质外壳。
3.如权利要求2所述的LED芯片，其特征在于：所述金属芯材质为Au或Ag。
4.如权利要求2所述的LED芯片，其特征在于：所述电介质外壳材质为SiO2。
5.如权利要求2所述的LED芯片，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的形状为球形、椭球形或三角锥形中的一种。
6.如权利要求5所述的LED芯片，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的形状为球形。
7.如权利要求6所述的LED芯片，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒之间的间距大于等于所述金属纳米颗粒的直径。
8.如权利要求1所述的LED芯片，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列形成于所述有源层与P型GaN层的界面上。
9.如权利要求1所述的LED芯片，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列形成于所述有源层与N型GaN层的界面上。
10.如权利要求1所述的LED芯片，其特征在于：在所述P型GaN层表面形成有第二金属纳米颗粒阵列。
11.如权利要求1至10中任一项所述的LED芯片，其特征在于：所述衬底是经过图形化处理的蓝宝石衬底。
12.一种如权利要求1所述的LED芯片的制造方法，包括：
提供衬底，在所述衬底上形成N型GaN层；
在所述N型GaN层上形成有源层和第一金属纳米颗粒阵列；
在所述N型GaN层上形成P型GaN层。
13.如权利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：先在N型GaN层上形成第一金属纳米颗粒阵列，然后形成有源层。
14.如权利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：先在N型GaN层上成有源层，然后在有源层上形成第一金属纳米颗粒阵列。
15.如权利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒包括金属芯和电介质外壳。
16.如权利要求15所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的形状为球形、椭球形或三角锥形中的一种。
17.如权利要求16所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述第一金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒之间的间距大于等于所述金属纳米颗粒的尺寸。
18.如权利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：在形成P型GaN层之后在所述P型GaN层表面形成第二金属纳米颗粒阵列。
19.如权利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：在形成所述N型GaN层前对所述衬底进行图形化处理。
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