一种降低有源区工作温度的LED结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种降低有源区工作温度的LED结构，包括衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、p面电极和n面电极，其中：在所述p-GaN限制层的上表面或下表面上设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜。本发明专利技术由于非辐射复合的载流子寿命较长，需声子耦合后才可复合，等离激元震荡产生的强局域场可以对载流子的波矢进行补偿，为长寿命载流子的复合提供新的通道，从而降低声子辅助的复合几率，达到降低器件发热的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种降低有源区工作温度的LED结构及其制备方法
本专利技术涉及一种降低有源区工作温度的LED结构及其制备方法，属于发光二极管制造

技术介绍
上世纪50年代，在IBMThomasJ.WatsonResearchCenter为代表的诸多知名研究机构的努力下，以GaAs为代表的III–V族半导体在半导体发光领域迅速崛起。之后随着金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术的出现，使得高质量的III–V族半导体的生长突破了技术势垒，各种波长的半导体发光二极管器件相继涌入市场。由于半导体发光二极管相对于目前的发光器件具有理论效率高、寿命长、抗力学冲击等特质，在世界范围内被看作新一代照明器件。虽然目前的LED芯片内量子效率普遍达到了较高的水平，但是在量子阱中，由于半导体材料生长过程中引入的各种缺陷，载流子的非辐射复合仍然占有一定的比例。非辐射复合过程中需要释放出声子实现复合过程中的动量、能量守恒，并且在直接带隙化合物半导体材料中载流子的激发态寿命短至几个皮秒，因此，很小的非辐射复合几率就可以产生大量的热。由于化合物半导体材料热导率较低，产生的热无法及时传至器件外部，有源区的工作温度会急剧升高，导致内量子效率下降、器件寿命下降以及封装材料的老化。由于有源区在LED芯片的内部，因此无法使用直接测量的手段得到有源区的工作温度。Todoroki，Abdelkader，Murata等课题组分别在1985、1992、1992年使用微曲拉曼光谱、阈值电压法、热阻法测量出LED有源区的工作温度。GaN基蓝光LED芯片在20mA以及100mA的工作电流下，其有源区工作温度分别为221℃与415℃，ChhajedJ.Appl.Phys.2005。因此，降低LED有源区工作温度的方法对于LED的大功率化以及延长寿命非常关键。目前给LED降温的手段主要集中在芯片外围，比如附加高导热率的热沉等常规手段，还没有一种可以从有源区直接调控载流子复合过程的降温手段。中国专利CN201715469U公开一种LED散热装置，该装置包括散热罩和压块，所述散热罩呈杯状结构，在所述散热罩内底面贴合固定散热板，散热板另一面连接LED封装模块，所述压块一侧设有凹槽，另一侧设有通孔，所述通孔贯通至所述凹槽，所述压板设有凹槽的一侧贴合固定在所述散热板上，所述LED封装模块位于所述凹槽内且正对所述通孔。在原有LED封装模块与散热板配合的基础上，增加散热罩和压块，使用压块将散热板固定贴合在散热罩的底部，使其与散热罩充分接触，这样增加了散热面积，散热效果更佳。此技术的劣势在于：不利于LED光源向小型化发展。LED光源的一大优势在于可以显著减少光源的体积，如果外加散热模块，则这一优势将不存在。中国专利CN201661493U涉及一种LED散热风扇,包括风扇框体、风扇定子以及扇叶转子，风扇框体上具有贯通的气流通孔，并在气流通孔内设有定子座，而风扇定子则设于定子座上，并使扇叶转子能旋转地与风扇定子枢接接合；其中，风扇框体在气流通孔内缘处增设壁厚，壁厚上凹设有围绕在气流通孔周围的沟槽，而所述沟槽内则设有LED发光组件。本技术的LED散热风扇，不仅能产生更为绚丽的视觉效果，还能为防止人手误触旋转的扇叶受到伤害而起到警示作用。此技术的劣势在于：增加了LED光源的整体能耗。LED光源最主要的优势在于可以显著降低能耗，如果外加风扇散热模块，引入额外能耗。则这一优势将不存在。中国专利CN101482257涉及一种LED灯的散热方法、散热结构及LED灯，设置一由金属材料制成的敞口散热杯，LED灯珠和电路板设置在该散热杯内底面上，在该散热杯外底面和外侧环面涂覆具有转换热能和电磁辐射为远红外波的陶瓷层。所述散热杯可以做成灯罩形状，将聚光透镜罩盖于LED灯珠之上并将散热杯敞口盖合，这样散热杯直接作为灯罩使用。所述散热杯也可以设置于玻璃灯杯之内，仅仅作为散热器使用。此专利技术的劣势在于：散热效果差，仍然没有从根本上解决LED发热的问题。中国专利CN201503871U涉及一种散热快的高功率LED结构。一种散热快的高功率LED结构，主要由三只相隔并排的接脚、镶固于接脚导接发光体一端的LED晶体、及包裹接脚导接发光体一端并与LED晶体的透光封装构成，排在中央的接脚是用以固定LED晶体，并向外延伸其宽度足以在其导接光体另端板面开设固接孔，通过固接孔钉固到其它散热板上搭接，加快本身散热；该固定孔为螺孔。本技术达到散热快的高功率LED效用，使高功率发光二极管加上散热块的整灯头得以更缩小减轻重量，便利高效率发光二极管灯具能往更小巧化发展。此技术的劣势在于：散热效果差，仍然没有从根本上解决LED发热的问题。综上所述，现有技术均是在LED的外部对LED进行降温，不但降温效果不佳，而且所采用的降温手段耗能复杂。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于金属-介质纳米异质结构局域耦合效应降低有源区工作温度的LED结构。本专利技术所述的LED优选是GaN基同面电极结构的LED或GaN基垂直电极结构的LED。本专利技术还提供一种上述降低有源区工作温度的LED结构的制备方法。术语解释正性光刻胶：为曝光部位可以去除的光刻胶，利用正性光刻胶制备图形的技术就是利用正性光刻胶制备图形。ICP干法刻蚀：感应耦合等离子(InductiveCoupledPlasma)干法刻蚀。LED(LightEmittingDiode)：发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。占空比：孔洞直径与孔洞周期的比值。本专利技术的技术方案如下：一种降低有源区工作温度的LED结构，包括衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、p面电极和n面电极，其中：在所述p-GaN限制层的上表面或下表面上设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜。根据本专利技术，优选方案之一：所述的LED结构是GaN基同面电极结构的LED，包括由下而上设置的衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、电流扩展层和p面电极，在n-GaN限制层上设置有n面电极；在所述p-GaN限制层的上表面上制有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜。根据本专利技术，优选方案之一：所述的LED结构是GaN基垂直电极结构的LED，包括由下而上设置的p面电极、衬底层、金属反射镜、p-GaN限制层、有源区发光层、n-GaN限制层、本征GaN层和n面电极；在所述的p-GaN限制层的下表面设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜。所述的孔洞阵列为孔洞呈六次对称排列、孔洞呈四次对称排列或孔洞随机排列。所述孔洞在p-GaN限制层表面的占空比为10％-80％。所述银薄膜包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒的形状为半椭球形，并且其短轴与长轴比例范围为0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低有源区工作温度的LED结构，包括衬底层、本征GaN层、n?GaN限制层、有源区发光层、p?GaN限制层、p面电极和n面电极，其特征在于，在所述p?GaN限制层的上表面或下表面上设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2?20μm，孔洞的直径1?5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30?50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1?10nm的银薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种降低有源区工作温度的LED结构，包括衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、p面电极和n面电极，其特征在于，在所述p-GaN限制层的上表面或下表面上设置有孔洞，形成孔洞阵列，所述孔洞的周期为2-20μm，孔洞的直径1-5μm，所述孔洞的底边与有源区发光层相距30-50nm；在孔洞的底部设置有厚度为1-10nm的银薄膜；所述的孔洞阵列为孔洞呈六次对称排列、孔洞呈四次对称排列或孔洞随机排列；所述孔洞在p-GaN限制层表面的占空比为10％-80％；所述衬底层为蓝宝石衬底层或碳化硅衬底层；所述银薄膜包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒的形状为半椭球形，并且其短轴与长轴比例范围为0.6-1.0，长轴尺寸范围为5-50nm；其中，所述的LED结构是GaN基同面电极结构的LED，包括由下而上设置的衬底层、本征GaN层、n-GaN限制层、有源区发光层、p-GaN限制层、电流扩展层和p面电极，在n-GaN限制层上设置有n面电极；在所述p-GaN限制层的上表面上制有孔洞，或者，所述的LED结构是GaN基垂直电极结构的LED，包括由下而上设置的p面电极、衬底层、金属反射镜、p-GaN限制层、有源区发光层、n-GaN限制层、本征GaN层和n...

【专利技术属性】
技术研发人员：左致远，夏伟，刘铎，苏建，徐现刚，
申请(专利权)人：山东华光光电子有限公司，山东大学，
类型：发明
国别省市：