基于3D打印铁磁层增强LED发光效率的方法

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。

说明书

技术领域

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

发光二极管（Light Emitting Diode，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。

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1，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。

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

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。

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n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 n型电极材料打印头在n型层台面上打印n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-1.5T，温度为100-300℃，时间为30-120min。

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

图1为本发明一种LED的制备流程图。

图2为按照图1流程制备获得的LED结构示意图。

图3为铁磁材料层打印完成后LED的俯视图。

具体实施方式

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℃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℃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℃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℃（400℃、500℃或600℃）。

n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℃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℃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。

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℃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℃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。

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℃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。

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℃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。

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n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100nm的欧姆接触反光镜；

利用单个或阵列式3D n型电极材料打印头在n型层台面上打印厚度为220nm的n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℃，时间为120min。

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n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 n型电极材料打印头在n型层台面上打印厚度为300nm的n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℃，时间为30min。

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n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 n型电极材料打印头在n型层台面上打印厚度为150nm的n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100nm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100nm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℃，时间为70min。