技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，特別是涉及一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法。

背景技術(shù)：

作為傳統(tǒng)燈具的替代產(chǎn)品，發(fā)光二極管(LED)照明發(fā)展前景廣闊，被譽(yù)為新一代的光源。LED光源是直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，能量轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)高，理論上它只需要白熾燈１０％的能耗或者是熒光燈５０％的能耗。但是,目前LED的發(fā)光效率依然較低，嚴(yán)重制約了LED的應(yīng)用與發(fā)展。究其原因是半導(dǎo)體材料與周圍空氣存在較大的折射率差，根據(jù)Snell定律，大多數(shù)光子在界面會(huì)發(fā)生全反射，被材料再吸收或者形成波導(dǎo)模，最終只有少數(shù)的光子能出射到空氣中。為了解決上述問題,人們發(fā)展了許多方法來解決上述問題，從而提高LED芯片的出光效率。例如常見的方法有芯片形狀的變化（2006 Appl. Phys. Lett. 89 071109），納米圖形化表面技術(shù)（2012 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 48 891；2012 App. Phys. Express 5,022101；2008 Displays 29 254），利用電極反射（2006 Appl. Phys. Lett. 88 013501）和制作光子晶體（2009 Appl. Phys. Lett. 94 123106； 2007 Appl. Phys. Lett.91 181109）等等。

一般而言，為了極大效率地提高LED的出光效率，往往可以把多種納米結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，從而可以極大效率地提高LED的出光效率。對(duì)于目前常見的商業(yè)化LED芯片，其襯底一般是藍(lán)寶石襯底，而其出光面一般是銦錫氧化物（indium tin oxide，ITO）透明電極，因此本發(fā)明主要是把一個(gè)常規(guī)的LED芯片同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底層和透明電極出光層，從而極大地提高LED的出光效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法，先在藍(lán)寶石襯底上制備納米結(jié)構(gòu)，然后按照普通的工藝生長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu)，制備厚金電極，最后再在透明電極上制備納米結(jié)構(gòu)，從而極大地提高LED的出光效率。

本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出一種同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底層和透明電極出光層的制備工藝方法，包括以下步驟：

1）在藍(lán)寶石護(hù)襯底上制備單層的二氧化硅納米球，利用ICP刻蝕，在藍(lán)寶石襯底上刻蝕出周期性的納米結(jié)構(gòu)。

2）在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行常規(guī)的芯片生長(zhǎng)過程，先生長(zhǎng)非摻雜GaN層，再生長(zhǎng)n摻雜GaN層，然后生長(zhǎng)3-5層量子阱層，接著生長(zhǎng)p摻雜GaN層，制作成為常規(guī)的平面結(jié)構(gòu)LED芯片。

3）在LED基片上沉積一定厚度的ITO（約200-400nm）作為透明電極，然后再進(jìn)行常規(guī)的厚金電極制備工藝，包括涂光刻膠，第一次曝光，濕刻ITO，ICP刻GaN臺(tái)階，去膠，再涂光刻膠；第二次曝光，鍍厚金等，從而完成制作厚金電極的制作。

4）在已經(jīng)制備好厚金電極的LED芯片上制作單層密排的聚苯乙烯（PS）納米球，然后利用氧離子刻蝕PS納米球，可以有效地控制其直徑，再進(jìn)行ICP刻蝕，可以將透明電極ITO表面刻蝕處周期性的納米柱陣列；通過改變氧離子刻蝕和ICP刻蝕時(shí)間可以有效地控制ITO納米柱陣列的尺寸和高度，從而使樣品具有較好的電學(xué)和光學(xué)特性。

本發(fā)明的制備工藝，利用干刻法進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)使用的氣體選自BCl₃、Cl₂、Ar之一或者幾種的組合。

借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明是把最底層的藍(lán)寶石襯底和芯片最外層的透明電極同時(shí)納米圖形化，可以有效地提高LED芯片的發(fā)光效率。

2、本發(fā)明利用納米球掩膜刻蝕的方法制備納米結(jié)構(gòu)，適合批量大面積地生產(chǎn)，價(jià)格低廉。

2、本發(fā)明的制備方法巧妙，是一種新型微納結(jié)構(gòu)LED的設(shè)計(jì)和制備工藝。

附圖說明

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本制備工藝做進(jìn)一步說明：

圖中標(biāo)示如下：101-藍(lán)寶石襯底；102-藍(lán)寶石襯底的納米柱陣列；103-非摻雜GaN；104-n摻雜GaN；105-多量子阱；106-p摻雜GaN；107-ITO透明電極；108-p厚金屬電極；109-納米小球；110-n厚金屬電極；111-ITO納米柱陣列結(jié)構(gòu)。

圖1為在藍(lán)寶石襯底制備納米柱陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為納米圖形化藍(lán)寶石襯底后的LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為在LED芯片透明電極制備單層密排PS納米球示意圖。

圖4為在LED芯片透明電極制備單層密排PS納米球，然后利用氧等離子刻蝕PS納米球示意圖。

圖5為進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子（ICP）刻蝕，將LED基片的ITO層刻蝕出周期性的納米柱陣列示意圖。

圖6為同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底和ITO透明電極示意圖。

圖7是本發(fā)明的制備工藝方法流程圖。

圖8為數(shù)值模擬納米圖形化ITO透明電極時(shí)表面結(jié)構(gòu)圖。

圖9為數(shù)值模擬納米圖形化ITO透明電極時(shí)截面結(jié)構(gòu)圖。

圖10為數(shù)值模擬納米圖形化藍(lán)寶石襯底表面結(jié)構(gòu)圖。

圖11為數(shù)值模擬納米圖形化藍(lán)寶石襯底截面結(jié)構(gòu)圖。

圖12為數(shù)值模擬同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底表面和ITO透明電極時(shí)表面結(jié)構(gòu)圖。

圖13為數(shù)值模擬同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底表面和ITO透明電極時(shí)截面結(jié)構(gòu)圖。

圖14為在LED透明電極表面制備周期450nm納米柱時(shí)與參考樣品的出光強(qiáng)度的比值，其中x軸為發(fā)光波長(zhǎng)，y軸為增強(qiáng)倍數(shù)。

圖15為在藍(lán)寶石襯底表面制備周期450nm納米柱時(shí)與參考樣品的出光強(qiáng)度的比值，其中x軸為發(fā)光波長(zhǎng)，y軸為增強(qiáng)倍數(shù)。

圖16為同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底表面和ITO透明電極表面結(jié)構(gòu)時(shí)與參考樣品的出光強(qiáng)度的比值，其中x軸為發(fā)光波長(zhǎng)，y軸為增強(qiáng)倍數(shù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的制備工藝方法其步驟如下：

（1）圖1為在藍(lán)寶石襯底制備納米柱陣列結(jié)構(gòu)示意圖。在藍(lán)寶石101基片上制備單層密排的PS納米球，然后利用ICP刻蝕，ICP刻蝕可以選擇BCl₃和Ar氣，ICP功率為1200Ｗ，偏壓功率為325Ｗ。在氯仿溶液中去掉剩余的PS納米球，最后獲得如圖1所示結(jié)構(gòu)。102為周期性的藍(lán)寶石納米結(jié)構(gòu)。

（2）圖2為納米圖形化藍(lán)寶石襯底后的LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。LED芯片的完整生長(zhǎng)工藝如下：在藍(lán)寶石襯底102上沉積一層非摻雜GaN103，再生長(zhǎng)一層n摻雜GaN104，然后生長(zhǎng)多量子阱105，最后生長(zhǎng)p摻雜GaN106。沉積一定厚度的銦錫金屬氧化物（ITO）107作為透明電極，然后再進(jìn)行常規(guī)的加電極處理，例如涂光刻膠，第一次曝光，濕刻ITO，ICP刻GaN臺(tái)階，去膠，再涂光刻膠，第二次曝光，鍍p厚金108和n厚金110等, 如圖2所示。

（3）圖3為在LED芯片透明電極制備單層密排PS納米球示意圖。圖4為在LED芯片透明電極制備單層密排PS納米球，然后利用氧等離子刻蝕PS納米球示意圖。圖5為進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子（ICP）刻蝕，將LED基片的ITO層刻蝕出周期性的納米柱陣列示意圖。圖6為同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底和ITO透明電極示意圖。在LED芯片上制備ITO納米結(jié)構(gòu)的工藝如下：首先利用單層密排的聚苯乙烯（PS）納米球108分布在LED基片的表面，如圖3所示；然后利用氧離子刻蝕PS納米球，可以有效地控制其直徑，如圖4所示；再進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子（ICP）刻蝕，可以將LED基片的ITO層刻蝕出周期性的納米柱陣列, 如圖5所示;去掉PS小球，可以在ITO層得到周期性的圓臺(tái)形的納米柱陣列，如圖6所示。

圖7是本發(fā)明的制備工藝方法流程圖。

通過改變氧離子刻蝕和ICP刻蝕時(shí)間可以有效地控制ITO層納米柱陣列的尺寸和高度，從而使樣品具有較好的電學(xué)和光學(xué)特性。

本發(fā)明是在已經(jīng)納米圖形化p型GaN層的LED基片的基礎(chǔ)上將其透明電極也進(jìn)行納米圖形化，可以進(jìn)一步提高納米圖形化LED的出光效率。為了表明該方法的有效性，圖8-9數(shù)值模擬時(shí)納米圖形化ITO透明電極表面結(jié)構(gòu)示意圖，圖10-11為納米圖形化藍(lán)寶石襯底表面結(jié)構(gòu)示意圖，圖12-13為同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底表面和ITO透明電極表面結(jié)構(gòu)示意圖，圖14是在LED透明電極表面制備周期450nm納米柱時(shí)的增強(qiáng)倍數(shù)，圖15是在藍(lán)寶石襯底表面制備周期450nm納米柱時(shí)的增強(qiáng)倍數(shù)，圖16是同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底表面和ITO透明電極表面結(jié)構(gòu)時(shí)增強(qiáng)倍數(shù)。結(jié)果表明，同時(shí)納米圖形化藍(lán)寶石襯底表面和ITO透明電極表面結(jié)構(gòu)的LED具有最大的萃取效率。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。