表面等離子體熒光增強(qiáng)的led光源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，包括LED外延芯片、熒光粉層、金屬納米結(jié)構(gòu)層、P型電極和N型電極；所述LED外延芯片包括依次層疊的襯底層、緩沖層、n型半導(dǎo)體層、量子阱層、p型GaN層和導(dǎo)電層；所述熒光粉層涂覆在所述導(dǎo)電層上，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層位于所述熒光粉層上；所述P型電極和N型電極分別鍍于所述LED外延芯片的導(dǎo)電層和n型半導(dǎo)體層的端部。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)特定的金屬納米結(jié)構(gòu)的大小和形狀，使金屬表面等離子體吸收共振頻率與發(fā)光材料的發(fā)射頻率相匹配，從而使金屬表面自由電子振蕩與熒光粉發(fā)光材料的相互作用產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)表面等離子體熒光增強(qiáng)LED發(fā)光效率及光萃取效率。
【專利說明】表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于LED【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，本發(fā)明涉及一種表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源。
【背景技術(shù)】
[0002]通常照明所用的白熾燈，熒光燈，鈉燈，汞燈等傳統(tǒng)照明設(shè)備由于能耗較大且廢棄后造成較大的環(huán)境污染，而半導(dǎo)體照明由于在照明節(jié)能、環(huán)保方面有極大的應(yīng)用前景，已成為各國制定經(jīng)濟(jì)政策的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)。隨著研究的深入，半導(dǎo)體照明技術(shù)取得重大突破，并迅速促進(jìn)了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的興起，白光LED已經(jīng)大規(guī)模走向產(chǎn)業(yè)化。雖然LED技術(shù)創(chuàng)新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期，但與4001m/W的理論光效相比，仍有巨大的發(fā)展空間。
[0003]提高LED照明光源的發(fā)光效率一直是近年來研究的熱點(diǎn)。由于半導(dǎo)體材料的折射率高，LED發(fā)光層產(chǎn)生的光有相當(dāng)大一部分在經(jīng)過數(shù)次全內(nèi)反射之后被電極或發(fā)光層吸收了，而輻射到自由空間中的只是很小的部分。目前常采用改變發(fā)光層形狀、粗糙化LED半導(dǎo)體材料表面、利用光子晶體等方式來提高LED的發(fā)光效率。隨著表面等離子體研究的興起，近年來，很多研究小組利用表面等離子體特性增強(qiáng)LED發(fā)光效率，并且得到了明顯的發(fā)光增強(qiáng)效果。
[0004]表面等離子體是一種沿金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ牟ǎ湔穹S離開界面的距離而指數(shù)衰減。金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體激發(fā)能夠產(chǎn)生非常特殊的光學(xué)性質(zhì)。通過有效利用金屬納米結(jié)構(gòu)激發(fā)的表面等離子體激元，就能夠提高發(fā)光材料的發(fā)光效率和光萃取效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，本發(fā)明提供了一種表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其具有表面等離子體熒光增強(qiáng)的特性，能夠增強(qiáng)發(fā)光效率。
[0006]一種表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，所述LED光源包括LED外延芯片、熒光粉層、金屬納米結(jié)構(gòu)層、P型電極和N型電極；所述LED外延芯片包括依次層疊的襯底層、緩沖層、η型半導(dǎo)體層、量子阱層、P型半導(dǎo)體層和導(dǎo)電層；所述熒光粉層涂覆在所述導(dǎo)電層上，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層位于所述熒光粉層上，所述P型電極和N型電極分別鍍于所述LED外延芯片的導(dǎo)電層和η型半導(dǎo)體層的端部。
[0007]在其中一些實(shí)施例中，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層為Ag納米粒子層。
[0008]在其中一些實(shí)施例中，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層為立方體、三角錐或圓柱體中的一種或幾種。
[0009]在其中一些實(shí)施例中，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層為三角錐形，所述三角錐底邊長為80_130nm,高為 40_60nm。
[0010]在其中一個實(shí)施例中，所述三角錐底邊長為95nm，高為45nm。
[0011]在其中一些實(shí)施例中，所述量子阱層為InGaN/GaN多量子阱、AlGaN/GaN多量子阱或AlGaN單量子講。[0012]在其中一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電層為氧化銦錫IT0、Ni或Au。
[0013]在其中一個實(shí)施例中，所述導(dǎo)電層為氧化銦錫ΙΤ0，所述氧化銦錫ITO中mSn203: HiIn2O3 =1:9。
[0014]在其中一些實(shí)施例中，所述氧化銦錫ITO的厚度為200_400nm。
[0015]在其中一些實(shí)施例中，所述襯底層的材料為藍(lán)寶石、SiC、Zn0、Mg0、LiA102、LiGa02、
石英，玻璃或金屬。
[0016]在其中一些實(shí)施例中，所述緩沖層為GaN或AlN緩沖層。
[0017]本發(fā)明的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源是在LED外延芯片結(jié)構(gòu)上涂覆熒光粉層，在熒光粉層上排布金屬納米結(jié)構(gòu)層而獲得，通過設(shè)計(jì)特定的金屬納米結(jié)構(gòu)的大小和形狀，使金屬表面等離子體吸收共振頻率與發(fā)光材料的發(fā)射頻率相匹配，從而使金屬表面自由電子振蕩與熒光粉發(fā)光材料的相互作用產(chǎn)生共振，從而實(shí)現(xiàn)表面等離子體熒光增強(qiáng)LED發(fā)光效率及光萃取效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源的縱向截面圖；
[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源的縱向截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]本發(fā)明涉及的一種表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，包括:
[0022](I)LED外延芯片，包括依次層疊的襯底層、緩沖層、η型半導(dǎo)體層、量子阱層、P型半導(dǎo)體層和導(dǎo)電層；
[0023]a襯底層:是后續(xù)材料生長的基底，一般要求與后續(xù)生長的材料有好的晶格匹配和熱匹配；材料為藍(lán)寶石、SiC、ZnO、Mg0、LiA102、LiGaO2、石英,玻璃或金屬；
[0024]b緩沖層:在較低溫度下生長在襯底層上結(jié)晶質(zhì)量較差的成核層，可為GaN或AlN緩沖層；
[0025]cn型半導(dǎo)體層:一般與緩沖層材料相同，多數(shù)情況下要摻雜一定量的其它物質(zhì)，比如在GaN半導(dǎo)體中可以摻硅等實(shí)現(xiàn)；
[0026]d量子阱層:也叫有源層，電子空穴復(fù)合發(fā)光區(qū)；可為InGaN/GaN多量子阱或AlGaN/GaN多量子阱或AlGaN單量子阱；
[0027]ep型半導(dǎo)體層:在GaN半導(dǎo)體中可以摻鎂等實(shí)現(xiàn)；
[0028]f導(dǎo)電層:為氧化銦錫ΙΤ0、Ni或Au，優(yōu)選為氧化銦錫ΙΤ0，所述氧化銦錫ITO中HiSn2O3: HiIn2O3 = I: 9，厚度為 200_400nm，優(yōu)選為 260_280nm。
[0029](2)熒光粉層:涂覆在所述導(dǎo)電層上；
[0030](3)金屬納米結(jié)構(gòu)層:位于所述熒光粉層上；由易產(chǎn)生熒光增強(qiáng)效應(yīng)的金、銀等貴金屬納米結(jié)構(gòu)組成；形狀可為立方體、三角錐或圓柱體中的一種或幾種。當(dāng)為三角錐形，所述三角錐的底為邊長80-130nm的正三角形，高為40_60nm。優(yōu)選為底邊長為95nm，高為45nm。[0031](4)P型電極:鍍于所述LED外延芯片的導(dǎo)電層的一端；
[0032](5)N型電極:鍍于所述LED外延芯片的η型半導(dǎo)體層的一端。
[0033]本發(fā)明的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源是在LED外延芯片結(jié)構(gòu)上涂覆熒光粉層，在熒光粉層上排布金屬納米結(jié)構(gòu)層而獲得，利用金屬表面自由電子振蕩與熒光粉發(fā)光材料的相互作用產(chǎn)生共振，從而實(shí)現(xiàn)表面等離子體熒光增強(qiáng)LED發(fā)光效率。通過設(shè)計(jì)特定的銀金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀、大小進(jìn)而調(diào)節(jié)其表面等離子共振波長，不同形狀大小的金屬納米粒子分別用來增強(qiáng)不同熒光粉發(fā)光材料的發(fā)光效率。
[0034]以下實(shí)施例有助于理解本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035]實(shí)施例1表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源
[0036]本實(shí)施例的LED光源通過藍(lán)光激發(fā)表面等離子體熒光增強(qiáng)LED發(fā)光效率，采用金屬有機(jī)氣相外延生長設(shè)備，包括:
[0037](I)LED外延芯片，包括依次層疊的襯底層10、緩沖層11、η型半導(dǎo)體層12、量子阱層14、P型半導(dǎo)體層15和導(dǎo)電層16 ；
[0038]a襯底層10:藍(lán)寶石襯底；
[0039]b緩沖層11:生長溫度為550°C的GaN低溫緩沖層(約35nm厚)；
[0040]c η型半導(dǎo)體層12:溫度為1030°C生長Iym的GaN層，再生長3μπι的η型GaN層(η型摻雜濃度為4 X IO18CnT3)；
[0041]d量子阱層14:5個周期的InGaN/GaN多量子阱層；其中每個周期中InGaN層厚度約為3nm，GaN壘層的厚度為Ilnm左右，InGaN層的In組分為8%，以控制量子阱層的發(fā)光波長在460nm左右的藍(lán)光波段，多量子阱的生長溫度控制在740 V -800 V ；
[0042]印型半導(dǎo)體層15:在980°C生長180nm的p型GaN層，生長完后在800°C氮?dú)庀峦嘶?0分鐘，以激活P型雜質(zhì)；
[0043]f導(dǎo)電層16:蒸度280nm厚的ITO導(dǎo)電層，其中控制ITO導(dǎo)電層中HiSn2O3: HiIn2O3=1: 9，280nm厚的ITO導(dǎo)電層藍(lán)光波段透過率較大為90% ;
[0044](2)熒光粉層17:通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)將YAG = Ce黃色熒光粉印制在外延芯片的ITO導(dǎo)電層16上；
[0045](3)金屬納米結(jié)構(gòu)層18:位于所述熒光粉層17上；為四面體(三角錐形)銀納米粒子，底面為邊長為95nm的正三角形，高為45nm ；
[0046](4) P型電極19:鍍于所述LED外延芯片的導(dǎo)電層16的一端；
[0047](5) N型電極13 ;鍍于所述LED外延芯片的η型半導(dǎo)體層12的一端。
[0048]本實(shí)施例的LED光源通過設(shè)計(jì)LED外延芯片結(jié)構(gòu)中各外延層的厚度以及量子阱層中銦組分等從而實(shí)現(xiàn)發(fā)藍(lán)光的外延芯片，設(shè)計(jì)ITO層的厚度為280nm，使得460nm左右藍(lán)光透過ITO導(dǎo)電層達(dá)到90%，設(shè)計(jì)黃色熒光粉層以實(shí)現(xiàn)藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉而發(fā)白光，設(shè)計(jì)Ag金屬納米結(jié)構(gòu)的大小和形狀，以控制金屬表面等離子體吸收共振頻率與發(fā)光材料黃光熒光粉相互作用產(chǎn)生共振，從而實(shí)現(xiàn)表面等離子體熒光增強(qiáng)LED發(fā)光效率及光萃取效率。
[0049]實(shí)施例2表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源
[0050]本實(shí)施例的LED光源通過紫外光激發(fā)表面等離子體熒光增強(qiáng)LED發(fā)光效率，采用金屬有機(jī)氣相外延生長設(shè)備，包括:
[0051](I)LED外延芯片，包括依次層疊的襯底層10'、緩沖層11'、n型半導(dǎo)體層12'、量子阱層14'、P型半導(dǎo)體層15'和導(dǎo)電層16'；
[0052]a襯底層10':藍(lán)寶石襯底；
[0053]b緩沖層11':生長溫度為550°C的GaN低溫緩沖層(約35nm厚)；
[0054]c η型半導(dǎo)體層12':溫度為1030°C生長I μ m的GaN層，再生長1.6 μ m的η型GaN層(η型摻雜濃度為I X IO19CnT3)；
[0055]d量子阱層14':厚度約為3.3nm的AlGaN量子阱層，AlGaN量子阱層的Al組分為15%，以控制量子阱層的發(fā)光波長在330nm左右的紫外光波段，多量子阱的生長溫度控制在 1050 0C ；
[0056]ep型半導(dǎo)體層15':在980°C生長IOOnm的p型GaN層，生長完后在800°C氮?dú)庀峦嘶?0分鐘，以激活P型雜質(zhì)；
[0057]f導(dǎo)電層16':蒸度260nm厚的ITO導(dǎo)電層，其中控制ITO導(dǎo)電層中HiSn2O3: HiIn2O3=1: 9，260nm厚的ITO導(dǎo)電層紫外光波段透過率較大為90% ;
[0058](2)熒光粉層17':通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)將Y2SiO5 = Ce藍(lán)色熒光粉與YAG = Ce黃色熒光粉印制在外延芯片的ITO導(dǎo)電層16'上；
[0059](3)金屬納米結(jié)構(gòu)層18':位于所述熒光粉層17'上；為四面體(三角錐形)與立方體銀納米粒子，其中四面體底面為邊長95nm的正三角形，高為45nm ;立方體納米粒子的邊長為58nm ；
[0060](4)P型電極19':鍍于所述LED外延芯片的導(dǎo)電層16'的一端；
[0061](5)N型電極13';鍍于所述LED外延芯片的η型半導(dǎo)體層12'的一端。
[0062]本實(shí)施例的LED光源通過設(shè)計(jì)LED外延芯片結(jié)構(gòu)中各外延層的厚度以及單量子阱層AlGaN中Al組分等從而實(shí)現(xiàn)發(fā)紫外光的外延芯片，設(shè)計(jì)ITO層的厚度為260nm，使得紫外光透過ITO導(dǎo)電層達(dá)到90%，設(shè)計(jì)藍(lán)色和黃色熒光粉層以實(shí)現(xiàn)紫外光激發(fā)藍(lán)色和黃色熒光粉而發(fā)白光，設(shè)計(jì)四面體與立方體兩種Ag金屬納米結(jié)構(gòu)，以控制金屬表面等離子體與發(fā)光材料藍(lán)光和黃光熒光粉的發(fā)射頻率相匹配，從而實(shí)現(xiàn)表面等離子體熒光增強(qiáng)LED發(fā)光效率及光萃取效率。
[0063]所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述LED光源包括LED外延芯片、熒光粉層、金屬納米結(jié)構(gòu)層、P型電極和N型電極； 所述LED外延芯片包括依次層疊的襯底層、緩沖層、η型半導(dǎo)體層、量子阱層、P型半導(dǎo)體層和導(dǎo)電層； 所述熒光粉層涂覆在所述導(dǎo)電層上，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層排布于所述熒光粉層上； 所述P型電極和N型電極分別鍍于所述LED外延芯片的導(dǎo)電層和η型半導(dǎo)體層的端部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層為Ag納米粒子層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層為立方體、三角錐或圓柱體中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層為三角錐形，所述三角錐底邊長為80-130nm，高為40_60nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述三角錐底邊長為95nm,高為45nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述量子阱層為InGaN/GaN多量子阱、AlGaN/GaN多量子阱或AlGaN單量子阱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述導(dǎo)電層為氧化銦錫ITO、Ni或Au。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述導(dǎo)電層為氧化銦錫ITO，所述氧化銦錫ITO中HiSn2O3: HiIn2O3=I: 9，所述氧化銦錫ITO的厚度為 200_400nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述襯底層的材料為藍(lán)寶石、SiC、ZnO、MgO> LiA102、LiGaO2、石英,玻璃或金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體熒光增強(qiáng)的LED光源，其特征在于，所述緩沖層為GaN或AlN緩沖層。
【文檔編號】H01L33/44GK103840056SQ201210479081
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月22日
【發(fā)明者】周明杰, 王國彪, 陳貴堂 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司