基于3d打印鐵磁層增強(qiáng)led發(fā)光效率的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，具體是基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其采用MOCVD或MBE生長的具有成核層、非故意摻雜層、n型層、多周期的量子阱有源層及p型層的外延片，并刻蝕出n型層臺面，3D打印歐姆接觸反光鏡、n型電極、p型電極、鐵磁材料層及鐵磁材料保護(hù)層。本發(fā)明采用3D打印鐵磁層來增強(qiáng)LED的發(fā)光效率，鐵磁材料層產(chǎn)生的磁場作用于多量子阱有源區(qū)，能夠?qū)⑤d流子局域在富In的區(qū)域，提高載流子的輻射復(fù)合率，從而提高發(fā)光效率。而且3D打印生產(chǎn)工藝簡單，能夠有效的提高生產(chǎn)效率。
【專利說明】
基于3D打印鐵磁層増強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，具體是基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(Light Emitting D1de，LED)具有高亮度、低能耗、長壽命、響應(yīng)速度快及環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)及路燈照明、交通信號以及戶外顯示、汽車車燈照明、液晶背光源等多個(gè)領(lǐng)域。
[0003]目前藍(lán)光GaN基LED的內(nèi)量子效率可達(dá)80%以上，綠光LED的內(nèi)量子效率僅為40%。但大功率藍(lán)光LED芯片的外量子效率通常只有40%左右，而綠光更低。制約外量子效率提高的主要因素是GaN界面與空氣界面發(fā)生全內(nèi)反射造成光的提取效率較低，這是因?yàn)镚aN材料的折射率2.5，空氣的折射率I，GaN與空氣界面發(fā)生全反射的臨界角是23.6°，即有源區(qū)產(chǎn)生的光只有少數(shù)能夠逃逸出體材料。目前國內(nèi)外主要采用分布布喇格反射層(DBR)、圖形化襯底(PSS)、表面粗化和光子晶體等技術(shù)來提高芯片的光提取效率。PSS對圖形的規(guī)則度要求很高，加之藍(lán)寶石襯底比較堅(jiān)硬，無論是干法刻蝕還是濕法刻蝕工藝，在整片圖形的一致性和均勻性上都有一定的難度，且制作過程對設(shè)備和工藝要求很高，導(dǎo)致成本偏高。DBR和光子晶體制作工藝相對復(fù)雜、成本較高，而表面粗化技術(shù)采用干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝，也存在很大挑戰(zhàn)。
[0004]3D打印技術(shù)具有工藝步驟簡單、成型速度快、精密度高的特點(diǎn)。將這一理想工藝技術(shù)應(yīng)用于LED器件的制備工藝中能夠簡化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)技術(shù)在提高藍(lán)綠光LED光提取效率方面存在的問題，提供了一種基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，步驟一:采用MOCVD或mE生長具有低溫成核層、非故意摻雜層、n-GaN層、多周期的
InGaN/GaN有源層及p_GaN層的外延片；
步驟二:于外延片上刻蝕出η型層臺面，刻蝕深度達(dá)到n-GaN層；
步驟三:根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)編寫各3D打印頭的運(yùn)動路徑程序，將清潔好的外延片作為基片放入3D打印機(jī)中，利用單個(gè)或陣列式3D反光鏡材料打印頭在p-GaN層上打印歐姆接觸反光鏡；
利用單個(gè)或陣列式3D η型電極材料打印頭在η型層臺面上打印η型電極；
利用單個(gè)或陣列式3D P型電極材料打印頭在歐姆接觸反光鏡上打印P型電極，且P型電極占據(jù)歐姆接觸反光鏡的三分之一；
利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁材料打印頭在除P型電極外的其他歐姆接觸反光鏡上打印鐵磁材料層；
利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁保護(hù)材料打印頭在鐵磁材料層上打印鐵磁材料保護(hù)層； 步驟四:將打印好鐵磁材料保護(hù)層的基片置于外磁場中進(jìn)行磁化，磁化強(qiáng)度為0.5T-1.5Τ，溫度為 100-300°C，時(shí)間為30-120min。
[0007]本發(fā)明采用3D打印鐵磁層來增強(qiáng)LED的發(fā)光效率，鐵磁材料層產(chǎn)生的磁場作用于多量子阱有源區(qū)，能夠?qū)⑤d流子局域在富In的區(qū)域，提高載流子的輻射復(fù)合率，從而提高發(fā)光效率。而且3D打印生產(chǎn)工藝簡單，能夠有效的提高生產(chǎn)效率。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明一種LED的制備流程圖。
[0009]圖2為按照圖1流程制備獲得的LED結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖3為鐵磁材料層打印完成后LED的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)3D打印增強(qiáng)LED發(fā)光效率的過程中，采用的3D打印形式為熔融、激光燒結(jié)中的一種。采用熔融形式的3D打印時(shí)，各種打印材料實(shí)施步驟如下:
歐姆接觸反光鏡
將金屬鎳粉末加入到3D打印機(jī)的金屬鎳熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在1453°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成金屬鎳膜;將金屬銀粉末加入到3D打印機(jī)的金屬銀熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在961°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成金屬銀膜;將金屬鎳粉末加入到3D打印機(jī)的金屬鎳熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在1453°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成金屬鎳膜。為防止金屬氧化將打印頭和基片置于惰性氣體氛圍中。為了和P型層形成良好的歐姆接觸，在Ni/Ag/Ni薄膜打印完成后在空氣中退火處理，溫度為400-600 °C( 400 °C、500 °C或600 °C)。η型電極
將金屬鉻粉末加入到3D打印機(jī)的金屬鉻熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在1890°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成金屬鉻膜。將金屬金粉末加入到3D打印機(jī)的金屬金熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在1062°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成金屬金膜。為防止金屬氧化將打印頭和基片置于惰性氣體氛圍中。
[0012]型電極
將金屬鉻粉末加入到3D打印機(jī)的金屬鉻熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在1890°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成金屬鉻膜。將金屬金粉末加入到3D打印機(jī)的金屬金熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在1062°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成金屬金膜。為防止金屬氧化將打印頭和基片置于惰性氣體氛圍中。
[0013]鐵磁材料層
所采用的鐵磁材料為CoFe、NiFe、CoCr、CoPt或FeSi合金，或者是Co、Fe或Ni單質(zhì)元素。以鐵磁材料CoFe為例，將金屬鈷鐵粉末加入到3D打印機(jī)的金屬鈷鐵熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在1495°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成鈷鐵薄膜。為防止金屬氧化將打印頭和基片置于惰性氣體氛圍中。
[0014]鐵磁材料保護(hù)層
將金屬鉭粉末加入到3D打印機(jī)的金屬鉭熔融腔中進(jìn)行速熔，控制溫度在2996°C使其處于半固化狀態(tài)，從3D打印頭擠出后迅速固化，形成金屬鉭膜。為防止金屬氧化將打印頭和基片置于惰性氣體氛圍中。
[0015]實(shí)施例1
基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，
步驟一:提供藍(lán)寶石襯底，在襯底上依次生長生長低溫GaN成核層、非故意摻雜GaN層、n-GaN、InGaN/GaN MQW、p_GaN的外延片；
步驟二:于外延片上刻蝕出η型層臺面，刻蝕深度達(dá)到n-GaN層；
步驟三:根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)編寫各3D打印頭的運(yùn)動路徑程序，將清潔好的外延片作為基片放入3D打印機(jī)中，利用單個(gè)或陣列式3D反光鏡材料打印頭在p-GaN層上打印厚度為10nm的歐姆接觸反光鏡；
利用單個(gè)或陣列式3D η型電極材料打印頭在η型層臺面上打印厚度為220nm的η型電極；
利用單個(gè)或陣列式3D P型電極材料打印頭在歐姆接觸反光鏡上打印厚度為300nm的P型電極，且P型電極占據(jù)歐姆接觸反光鏡的三分之一；
利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁材料打印頭在除P型電極外的其他歐姆接觸反光鏡上打印厚度為300nm鐵磁材料層；
利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁保護(hù)材料打印頭在鐵磁材料層上打印厚度為20nm的鐵磁材料保護(hù)層；
步驟四:將打印好鐵磁材料保護(hù)層的基片置于外磁場中進(jìn)行磁化，磁化強(qiáng)度為0.5T，溫度為300°C，時(shí)間為120min。
[0016]實(shí)施例2
基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，
步驟一:提供藍(lán)寶石襯底，在襯底上依次生長生長低溫GaN成核層、非故意摻雜GaN層、n-GaN、InGaN/GaN MQW、p_GaN的外延片；
步驟二:于外延片上刻蝕出η型層臺面，刻蝕深度達(dá)到n-GaN層；
步驟三:根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)編寫各3D打印頭的運(yùn)動路徑程序，將清潔好的外延片作為基片放入3D打印機(jī)中，利用單個(gè)或陣列式3D反光鏡材料打印頭在p-GaN層上打印厚度為150nm的歐姆接觸反光鏡；
利用單個(gè)或陣列式3D η型電極材料打印頭在η型層臺面上打印厚度為300nm的η型電極；
利用單個(gè)或陣列式3D P型電極材料打印頭在歐姆接觸反光鏡上打印厚度為150nm的P型電極，且P型電極占據(jù)歐姆接觸反光鏡的三分之一；
利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁材料打印頭在除P型電極外的其他歐姆接觸反光鏡上打印厚度為500nm鐵磁材料層；
利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁保護(hù)材料打印頭在鐵磁材料層上打印厚度為60nm的鐵磁材料保護(hù)層；
步驟四:將打印好鐵磁材料保護(hù)層的基片置于外磁場中進(jìn)行磁化，磁化強(qiáng)度為1.5T，溫度為100°C，時(shí)間為30min。
[0017]實(shí)施例3 基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，
步驟一:提供藍(lán)寶石襯底，在襯底上依次生長生長低溫GaN成核層、非故意摻雜GaN層、n-GaN、InGaN/GaN MQW、p_GaN的外延片；
步驟二:于外延片上刻蝕出η型層臺面，刻蝕深度達(dá)到n-GaN層；
步驟三:根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)編寫各3D打印頭的運(yùn)動路徑程序，將清潔好的外延片作為基片放入3D打印機(jī)中，利用單個(gè)或陣列式3D反光鏡材料打印頭在p-GaN層上打印厚度為200nm的歐姆接觸反光鏡；
利用單個(gè)或陣列式3D η型電極材料打印頭在η型層臺面上打印厚度為150nm的η型電極；
利用單個(gè)或陣列式3D P型電極材料打印頭在歐姆接觸反光鏡上打印厚度為220nm的P型電極，且P型電極占據(jù)歐姆接觸反光鏡的三分之一；
利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁材料打印頭在除P型電極外的其他歐姆接觸反光鏡上打印厚度為I OOnm鐵磁材料層；
利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁保護(hù)材料打印頭在鐵磁材料層上打印厚度為10nm的鐵磁材料保護(hù)層；
步驟四:將打印好鐵磁材料保護(hù)層的基片置于外磁場中進(jìn)行磁化，磁化強(qiáng)度為1.0T，溫度為200°C，時(shí)間為70min。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于， 步驟一:采用MOCVD或MBE生長具有低溫成核層、非故意摻雜層、n-GaN層、多周期的InGaN/GaN有源層及p_GaN層的外延片； 步驟二:于外延片上刻蝕出η型層臺面，刻蝕深度達(dá)到n-GaN層； 步驟三:根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)編寫各3D打印頭的運(yùn)動路徑程序，將清潔好的外延片作為基片放入3D打印機(jī)中，利用單個(gè)或陣列式3D反光鏡材料打印頭在p-GaN層上打印歐姆接觸反光鏡； 利用單個(gè)或陣列式3D η型電極材料打印頭在η型層臺面上打印η型電極； 利用單個(gè)或陣列式3D P型電極材料打印頭在歐姆接觸反光鏡上打印P型電極，且P型電極占據(jù)歐姆接觸反光鏡的三分之一； 利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁材料打印頭在除P型電極外的其他歐姆接觸反光鏡上打印鐵磁材料層； 利用單個(gè)或陣列式3D鐵磁保護(hù)材料打印頭在鐵磁材料層上打印鐵磁材料保護(hù)層； 步驟四:將打印好鐵磁材料保護(hù)層的基片置于外磁場中進(jìn)行磁化，磁化強(qiáng)度為0.5Τ-1.5Τ，溫度為 100-300°C，時(shí)間為30-120min。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，所述歐姆接觸反光鏡的厚度為100-200nm，所采用的反光鏡材料是Ni/Ag/Ni。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，所述η型電極的厚度為150nm~300nm，所采用的η型電極材料是Cr/Au。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，所述P型電極的厚度為150nm~300nm，所采用的p型電極材料是Cr/Au。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，所述鐵磁材料層的厚度為100]1111~50011111，所采用的鐵磁材料為&^6、附？6、(:00、(:0?1:或?63;[合金，或者是Co、Fe或Ni單質(zhì)元素。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，所述鐵磁材料保護(hù)層的厚度為20nm?I OOnm，所采用的鐵磁保護(hù)材料為Ta。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一權(quán)利要求所述基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，3D打印采用的形式是熔融或激光燒結(jié)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，熔融形式的3D打印為:將所需打印的材料加入到3D打印機(jī)內(nèi)的熔融腔內(nèi)進(jìn)行速熔，控制溫度使得材料處于半固化狀態(tài)，然后從3D打印頭擠出后迅速固化形成膜。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于3D打印鐵磁層增強(qiáng)LED發(fā)光效率的方法，其特征在于，當(dāng)所需打印的材料為金屬時(shí)，3D打印頭和基片需置于惰性氣體氛圍中。
【文檔編號】H01L33/00GK105977348SQ201610324296
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】盧太平, 朱亞丹, 趙廣洲, 許并社
【申請人】太原理工大學(xué)