基于3d打印铁磁层增强led发光效率的方法
【专利摘要】本发明属于光电子器件领域，具体是基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其采用MOCVD或MBE生长的具有成核层、非故意掺杂层、n型层、多周期的量子阱有源层及p型层的外延片，并刻蚀出n型层台面，3D打印欧姆接触反光镜、n型电极、p型电极、铁磁材料层及铁磁材料保护层。本发明采用3D打印铁磁层来增强LED的发光效率，铁磁材料层产生的磁场作用于多量子阱有源区，能够将载流子局域在富In的区域，提高载流子的辐射复合率，从而提高发光效率。而且3D打印生产工艺简单，能够有效的提高生产效率。
【专利说明】
基于3D打印铁磁层増强LED发光效率的方法
技术领域
[0001]本发明属于光电子器件领域，具体是基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(Light Emitting D1de，LED)具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。
[0003]目前蓝光GaN基LED的内量子效率可达80%以上，绿光LED的内量子效率仅为40%。但大功率蓝光LED芯片的外量子效率通常只有40%左右，而绿光更低。制约外量子效率提高的主要因素是GaN界面与空气界面发生全内反射造成光的提取效率较低，这是因为GaN材料的折射率2.5，空气的折射率I，GaN与空气界面发生全反射的临界角是23.6°，即有源区产生的光只有少数能够逃逸出体材料。目前国内外主要采用分布布喇格反射层(DBR)、图形化衬底(PSS)、表面粗化和光子晶体等技术来提高芯片的光提取效率。PSS对图形的规则度要求很高，加之蓝宝石衬底比较坚硬，无论是干法刻蚀还是湿法刻蚀工艺，在整片图形的一致性和均匀性上都有一定的难度，且制作过程对设备和工艺要求很高，导致成本偏高。DBR和光子晶体制作工艺相对复杂、成本较高，而表面粗化技术采用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺，也存在很大挑战。
[0004]3D打印技术具有工艺步骤简单、成型速度快、精密度高的特点。将这一理想工艺技术应用于LED器件的制备工艺中能够简化生产工艺，提高生产效率。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决传统技术在提高蓝绿光LED光提取效率方面存在的问题，提供了一种基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，步骤一:采用MOCVD或mE生长具有低温成核层、非故意掺杂层、n-GaN层、多周期的
InGaN/GaN有源层及p_GaN层的外延片；
步骤二:于外延片上刻蚀出η型层台面，刻蚀深度达到n-GaN层；
步骤三:根据结构设计编写各3D打印头的运动路径程序，将清洁好的外延片作为基片放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D反光镜材料打印头在p-GaN层上打印欧姆接触反光镜；
利用单个或阵列式3D η型电极材料打印头在η型层台面上打印η型电极；
利用单个或阵列式3D P型电极材料打印头在欧姆接触反光镜上打印P型电极，且P型电极占据欧姆接触反光镜的三分之一；
利用单个或阵列式3D铁磁材料打印头在除P型电极外的其他欧姆接触反光镜上打印铁磁材料层；
利用单个或阵列式3D铁磁保护材料打印头在铁磁材料层上打印铁磁材料保护层； 步骤四:将打印好铁磁材料保护层的基片置于外磁场中进行磁化，磁化强度为0.5T-1.5Τ，温度为 100-300°C，时间为30-120min。
[0007]本发明采用3D打印铁磁层来增强LED的发光效率，铁磁材料层产生的磁场作用于多量子阱有源区，能够将载流子局域在富In的区域，提高载流子的辐射复合率，从而提高发光效率。而且3D打印生产工艺简单，能够有效的提高生产效率。
【附图说明】
[0008]图1为本发明一种LED的制备流程图。
[0009]图2为按照图1流程制备获得的LED结构示意图。
[0010]图3为铁磁材料层打印完成后LED的俯视图。
【具体实施方式】
[0011]本发明在实现3D打印增强LED发光效率的过程中，采用的3D打印形式为熔融、激光烧结中的一种。采用熔融形式的3D打印时，各种打印材料实施步骤如下:
欧姆接触反光镜
将金属镍粉末加入到3D打印机的金属镍熔融腔中进行速熔，控制温度在1453°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜;将金属银粉末加入到3D打印机的金属银熔融腔中进行速熔，控制温度在961°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成金属银膜;将金属镍粉末加入到3D打印机的金属镍熔融腔中进行速熔，控制温度在1453°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜。为防止金属氧化将打印头和基片置于惰性气体氛围中。为了和P型层形成良好的欧姆接触，在Ni/Ag/Ni薄膜打印完成后在空气中退火处理，温度为400-600 °C( 400 °C、500 °C或600 °C)。η型电极
将金属铬粉末加入到3D打印机的金属铬熔融腔中进行速熔，控制温度在1890°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成金属铬膜。将金属金粉末加入到3D打印机的金属金熔融腔中进行速熔，控制温度在1062°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜。为防止金属氧化将打印头和基片置于惰性气体氛围中。
[0012]型电极
将金属铬粉末加入到3D打印机的金属铬熔融腔中进行速熔，控制温度在1890°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成金属铬膜。将金属金粉末加入到3D打印机的金属金熔融腔中进行速熔，控制温度在1062°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜。为防止金属氧化将打印头和基片置于惰性气体氛围中。
[0013]铁磁材料层
所采用的铁磁材料为CoFe、NiFe、CoCr、CoPt或FeSi合金，或者是Co、Fe或Ni单质元素。以铁磁材料CoFe为例，将金属钴铁粉末加入到3D打印机的金属钴铁熔融腔中进行速熔，控制温度在1495°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成钴铁薄膜。为防止金属氧化将打印头和基片置于惰性气体氛围中。
[0014]铁磁材料保护层
将金属钽粉末加入到3D打印机的金属钽熔融腔中进行速熔，控制温度在2996°C使其处于半固化状态，从3D打印头挤出后迅速固化，形成金属钽膜。为防止金属氧化将打印头和基片置于惰性气体氛围中。
[0015]实施例1
基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，
步骤一:提供蓝宝石衬底，在衬底上依次生长生长低温GaN成核层、非故意掺杂GaN层、n-GaN、InGaN/GaN MQW、p_GaN的外延片；
步骤二:于外延片上刻蚀出η型层台面，刻蚀深度达到n-GaN层；
步骤三:根据结构设计编写各3D打印头的运动路径程序，将清洁好的外延片作为基片放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D反光镜材料打印头在p-GaN层上打印厚度为10nm的欧姆接触反光镜；
利用单个或阵列式3D η型电极材料打印头在η型层台面上打印厚度为220nm的η型电极；
利用单个或阵列式3D P型电极材料打印头在欧姆接触反光镜上打印厚度为300nm的P型电极，且P型电极占据欧姆接触反光镜的三分之一；
利用单个或阵列式3D铁磁材料打印头在除P型电极外的其他欧姆接触反光镜上打印厚度为300nm铁磁材料层；
利用单个或阵列式3D铁磁保护材料打印头在铁磁材料层上打印厚度为20nm的铁磁材料保护层；
步骤四:将打印好铁磁材料保护层的基片置于外磁场中进行磁化，磁化强度为0.5T，温度为300°C，时间为120min。
[0016]实施例2
基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，
步骤一:提供蓝宝石衬底，在衬底上依次生长生长低温GaN成核层、非故意掺杂GaN层、n-GaN、InGaN/GaN MQW、p_GaN的外延片；
步骤二:于外延片上刻蚀出η型层台面，刻蚀深度达到n-GaN层；
步骤三:根据结构设计编写各3D打印头的运动路径程序，将清洁好的外延片作为基片放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D反光镜材料打印头在p-GaN层上打印厚度为150nm的欧姆接触反光镜；
利用单个或阵列式3D η型电极材料打印头在η型层台面上打印厚度为300nm的η型电极；
利用单个或阵列式3D P型电极材料打印头在欧姆接触反光镜上打印厚度为150nm的P型电极，且P型电极占据欧姆接触反光镜的三分之一；
利用单个或阵列式3D铁磁材料打印头在除P型电极外的其他欧姆接触反光镜上打印厚度为500nm铁磁材料层；
利用单个或阵列式3D铁磁保护材料打印头在铁磁材料层上打印厚度为60nm的铁磁材料保护层；
步骤四:将打印好铁磁材料保护层的基片置于外磁场中进行磁化，磁化强度为1.5T，温度为100°C，时间为30min。
[0017]实施例3 基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，
步骤一:提供蓝宝石衬底，在衬底上依次生长生长低温GaN成核层、非故意掺杂GaN层、n-GaN、InGaN/GaN MQW、p_GaN的外延片；
步骤二:于外延片上刻蚀出η型层台面，刻蚀深度达到n-GaN层；
步骤三:根据结构设计编写各3D打印头的运动路径程序，将清洁好的外延片作为基片放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D反光镜材料打印头在p-GaN层上打印厚度为200nm的欧姆接触反光镜；
利用单个或阵列式3D η型电极材料打印头在η型层台面上打印厚度为150nm的η型电极；
利用单个或阵列式3D P型电极材料打印头在欧姆接触反光镜上打印厚度为220nm的P型电极，且P型电极占据欧姆接触反光镜的三分之一；
利用单个或阵列式3D铁磁材料打印头在除P型电极外的其他欧姆接触反光镜上打印厚度为I OOnm铁磁材料层；
利用单个或阵列式3D铁磁保护材料打印头在铁磁材料层上打印厚度为10nm的铁磁材料保护层；
步骤四:将打印好铁磁材料保护层的基片置于外磁场中进行磁化，磁化强度为1.0T，温度为200°C，时间为70min。
【主权项】
1.基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于， 步骤一:采用MOCVD或MBE生长具有低温成核层、非故意掺杂层、n-GaN层、多周期的InGaN/GaN有源层及p_GaN层的外延片； 步骤二:于外延片上刻蚀出η型层台面，刻蚀深度达到n-GaN层； 步骤三:根据结构设计编写各3D打印头的运动路径程序，将清洁好的外延片作为基片放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D反光镜材料打印头在p-GaN层上打印欧姆接触反光镜； 利用单个或阵列式3D η型电极材料打印头在η型层台面上打印η型电极； 利用单个或阵列式3D P型电极材料打印头在欧姆接触反光镜上打印P型电极，且P型电极占据欧姆接触反光镜的三分之一； 利用单个或阵列式3D铁磁材料打印头在除P型电极外的其他欧姆接触反光镜上打印铁磁材料层； 利用单个或阵列式3D铁磁保护材料打印头在铁磁材料层上打印铁磁材料保护层； 步骤四:将打印好铁磁材料保护层的基片置于外磁场中进行磁化，磁化强度为0.5Τ-1.5Τ，温度为 100-300°C，时间为30-120min。2.根据权利要求1所述的基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于，所述欧姆接触反光镜的厚度为100-200nm，所采用的反光镜材料是Ni/Ag/Ni。3.根据权利要求1所述的基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于，所述η型电极的厚度为150nm~300nm，所采用的η型电极材料是Cr/Au。4.根据权利要求1所述的基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于，所述P型电极的厚度为150nm~300nm，所采用的p型电极材料是Cr/Au。5.根据权利要求1所述的基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于，所述铁磁材料层的厚度为100]1111~50011111，所采用的铁磁材料为&^6、附？6、(:00、(:0?1:或?63;[合金，或者是Co、Fe或Ni单质元素。6.根据权利要求1所述的基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于，所述铁磁材料保护层的厚度为20nm?I OOnm，所采用的铁磁保护材料为Ta。7.根据权利要求1至6任一权利要求所述基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于，3D打印采用的形式是熔融或激光烧结。8.根据权利要求7所述的基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于，熔融形式的3D打印为:将所需打印的材料加入到3D打印机内的熔融腔内进行速熔，控制温度使得材料处于半固化状态，然后从3D打印头挤出后迅速固化形成膜。9.根据权利要求8所述的基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法，其特征在于，当所需打印的材料为金属时，3D打印头和基片需置于惰性气体氛围中。
【文档编号】H01L33/00GK105977348SQ201610324296
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】卢太平, 朱亚丹, 赵广洲, 许并社
【申请人】太原理工大学