CN102097568A - 一种具有氧化物纳米阵列结构的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有氧化物纳米阵列结构的发光二极管及其制备方法。所述发光二极管包括沉积在所述发光二极管表面的透明导电层，和覆盖于该透明导电层表面或者掩埋在其中的呈阵列分布的氧化物颗粒。该发光二极管的制备方法包括旋涂、压模、UV照射、脱模、RIE、沉积、和lift-off步骤，在RIE和沉积步骤之间还可有刻蚀步骤。本发明的发光二极管的呈阵列分布的氧化物颗粒结构能够造成光的散射，破坏原本应该被全内反射的光，而允许更多的光子逃逸出发光二极管，从而降低了发光二极管的全反射影响，提高发光二极管的出光率。该制备方法在提高发光二极管光提取效率的同时不涉及有源层和p型GaN的等离子体刻蚀，因而不会造成等离子损伤进而影响发光二极管的电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制备方法，更明确的说，涉及一种具有氧化物纳米阵列结构的发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）具有节能、环保、寿命长等特点，广泛应用于背光、交通灯和照明领域。预计LED未来将取代白炽灯、荧光灯而成为新一代照明光源。但是LED照明市场的推广，仍然受到两个方面的制约：一是他的发光效率不高，一般为100 lm/W，相当于荧光灯的效率；二是他的成本很高，其价格为荧光灯的5～10倍。而前者是解决问题的关键。
LED的发光效率受限于外量子效率，而外量子效率是由内量子效率和光提取效率共同决定的。外量子效率取决于晶格缺陷，掺杂效率和欧姆接触性能，随着MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor DePosition，金属有机化合物化学气相淀积）工艺的不断发展，内量子效率已经达到80%～90%。另一方面，由于GaN的折射率（n＝2.4）大于空气的折射率（n＝1）或者环氧树脂的折射率（n＝1.5），从有源层发出的光由于全反射以导光模式在LED内部传输，严重降低LED的光提取效率。
为了降低全反射影响，图形衬底，表面粗化，光子晶体等技术被广泛研究。通常情况下，在做表面粗化处理或表面周期化图形时不可避免的使用等离子体刻蚀，由于等离子体的损伤，活性发光层的性能和p型GaN的欧姆接触性能降低，尽管光提取效率有所提升，但要复合相同数量的电子和空穴产生光子就必须加大注入电流。迄今为止关于等离子体刻蚀损伤修复有很多报道，但要实现完全修复还很困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有氧化物纳米阵列结构的发光二极管，以提高光提取效率。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有氧化物纳米阵列结构的发光二极管，包括依次设有的衬底、缓冲层、第一半导体层、有源层、第二半导体层和透明导电层，所述第一半导体层上设有第一电极，所述第二半导体层上设有第二电极，还包括呈阵列分布的氧化物颗粒，所述呈阵列分布的氧化物颗粒覆盖于所述透明导电层表面，或者嵌入所述透明导电层并部分暴露于透明导电层表面，或者沉积于所述透明导电层与第二半导体层之间。
本发明的有益效果是：呈阵列分布的氧化物颗粒，并且其覆盖于所述透明导电层表面，或者嵌入所述透明导电层并部分暴露于透明导电层表面，或者沉积于所述透明导电层与第二半导体层之间，该结构能够造成光的散射，破坏原本应该被全内反射的光，而允许更多的光子逃逸出发光二极管，从而降低了发光二极管的全反射影响，提高发光二极管的出光率；同时，沉积于所述透明导电层与第二半导体层之间的呈阵列分布的氧化物颗粒，还可以降低电流聚集效应。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述氧化物颗粒材料为Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2中的一种或者一种以上的组合。
采用上述进一步方案的有益效果是，有利于提高发光二极管的出光率。
进一步，所述氧化物颗粒的折射率为1.5～2.4。
采用上述进一步方案的有益效果是，提高了发光二极管的出光率。
进一步，所述氧化物颗粒的形状为圆柱、圆锥或者正方体等形状。
采用上述进一步方案的有益效果是，有利于提高发光二极管的出光率。
进一步，所述氧化物颗粒的晶格直径或者边长为100nm～500nm，周期为300nm～900nm。
采用上述进一步方案的有益效果是，有利于提高发光二极管的出光率。
进一步，所述氧化物颗粒的高度为50nm～200nm。
本发明中，所述氧化物颗粒是通过电子束蒸发或溅射技术沉积的氧化物薄膜所制备而成，上述氧化物颗粒的高度即为所述氧化物薄膜的厚度。
采用上述进一步方案的有益效果是，有利于提高发光二极管的出光率。
进一步，所述氧化物颗粒呈正方形、三角形、六边形或者蜂窝状阵列分布。
采用上述进一步方案的有益效果是，有利于提高发光二极管的出光率。
进一步，所述发光二极管为横向结构发光二极管或者垂直结构发光二极管。
采用上述进一步方案的有益效果是，使得本发明二极管适合横向结构和垂直结构，使得两种结构的发光二极管均具有很好的出光率。
进一步，所述第一半导体层为N型层，第二半导体层为P型层，所述第一电极N电极，所述第二电极为P电极。
进一步，所述N型层为N型GaN层，所述P型层为P型GaN层。
本发明还提供了上述发光二极管的呈阵列分布的氧化物颗粒的制备方法，其中覆盖于所述透明导电层表面的呈阵列分布的氧化物颗粒的制备方法具体步骤如下：
步骤1：旋涂，在所述透明导电层上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3：紫外光照射（UV照射），使用紫外光照射所述光刻胶；
步骤4：脱模，使模板的图案复制到所述光刻胶上；
步骤5：反应离子刻蚀（RIE），通过O2等离子体反应离子刻蚀工艺去除残胶；
步骤6：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积氧化物薄膜；
步骤7：剥离（lift-off），用去膜剂去除所述光刻胶。
嵌入所述透明导电层并部分暴露于透明导电层表面的呈阵列分布的氧化物颗粒的制备方法具体步骤如下：
步骤1'：旋涂，在所述透明导电层上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2'：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3'：紫外光照射，使用紫外光照射所述光刻胶；
步骤4'：脱模，使模板的图案复制到所述光刻胶上；
步骤5'：反应离子刻蚀，通过O2等离子体反应离子刻蚀工艺去除残胶；
步骤6'：刻蚀透明导电层，使用湿法或干法刻蚀部分所述透明导电层；
步骤7'：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积氧化物薄膜；
步骤8'：剥离，用去膜剂去除所述光刻胶。
沉积于所述透明导电层与第二半导体层之间的呈阵列分布的氧化物颗粒的制备方法具体步骤如下：
步骤1''：旋涂，在所述第二半导体层上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2''：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3''：UV照射，使用紫外光照射所述光刻胶；
步骤4''：脱模，使模板的图案复制到所述光刻胶上；
步骤5''：反应离子刻蚀，通过O2等离子体反应离子刻蚀工艺去除残胶；
步骤6''：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积氧化物薄膜；
步骤7''：剥离，用去膜剂去除光刻胶；
步骤8''：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积透明导电薄膜。
采用上述制备方法，在提高发光二极管光提取效率的同时不涉及有源层和第二半导体层的等离子体刻蚀，因而不会造成等离子损伤进而影响发光二极管的电性能。
附图说明
图1为本发明发光二极管的第一实施例结构示意图；
图2为本发明发光二极管的第二实施例结构示意图；
图3为本发明发光二极管的第三实施例结构示意图；
图4为本发明发光二极管的第一实施例方法流程图；
图5为本发明发光二极管的第二实施例方法流程图；
图6为本发明发光二极管的第三实施例方法流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、衬底，2、缓冲层，3、N型层，4、有源层，5、P型层，6、透明导电层，7、N电极，8、P电极，9、氧化物颗粒。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明发光二极管的第一实施中，所述发光二极管包括依次设有的衬底1、缓冲层2、N型层3、有源层4、P型层5和设置于P型层5上的透明导电层6，N型层3上设有N电极7，P型层5上设有P电极8，N型层3为N型GaN层，P型层5为P型GaN层。在所述透明导电层6的表面上覆盖有呈阵列分布的氧化物颗粒9。其中，所述氧化物颗粒9的材料为Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2中的一种或者一种以上的组合，其折射率为1.5～2.4，形状为圆柱、圆锥或者正方体，晶格直径为100nm～500nm，周期为300mn～900nm，高度为50nm～200nm（本发明中，氧化物颗粒9是通过电子束蒸发或溅射技术沉积的氧化物薄膜所制备而成，该高度即为所述氧化物薄膜的厚度），所述氧化物颗粒9呈正方形、三角形、六边形或者蜂窝状阵列分布于透明导电层6上。
覆盖于透明导电层6表面呈阵列分布的氧化物颗粒9，降低了发光二极管的全反射影响，提高发光二极管的出光率。
如图2所示，本发明发光二极管的第二实施中，所述发光二极管包括依次设有的衬底1、缓冲层2、N型层3、有源层4、P型层5和设置于P型层5上的透明导电层6，N型层3上设有N电极7，P型层5上设有P电极8，N型层3为N型GaN层，P型层5为P型GaN层。在所述透明导电层6中嵌入有呈阵列分布的氧化物颗粒9，所述氧化物颗粒9部分暴露于透明导电层6表面。其中，所述氧化物颗粒9的材料为Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2中的一种或者一种以上的组合，其折射率为1.5～2.4，形状为圆柱、圆锥或者正方体，晶格直径为100nm～500nm，周期为300nm～900nm，高度为50nm～200nm，所述氧化物颗粒9呈正方形、三角形、六边形或者蜂窝状阵列分布。
嵌入于透明导电层6并部分暴露于透明导电层6表面并呈阵列分布的氧化物颗粒9，同样降低了发光二极管的全反射影响，提高发光二极管的出光率。
如图3所示，本发明发光二极管的第三实施中，所述发光二极管包括依次设有的衬底1、缓冲层2、N型层3、有源层4、P型层5和设置于P型层5上的透明导电层6，N型层3上设有N电极7，P型层5上设有P电极8，N型层3为N型GaN层，P型层5为P型GaN层。在所述透明导电层6与P型层5之间沉积有呈阵列分布的氧化物颗粒9。其中，所述氧化物颗粒9的材料为Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2中的一种或者一种以上的组合，其折射率为1.5～2.4，形状为圆柱、圆锥或者正方体，晶格直径为100nm～500nm，周期为300nm～900nm，高度为50nm～200nm，所述氧化物颗粒9呈正方形、三角形、六边形或者蜂窝状阵列分布。
沉积在所述透明导电层6与P型层5之间的呈阵列分布的氧化物颗粒9，同样可以降低发光二极管的全反射影响，提高发光二极管的出光率，同时还可以降低电流聚集效应。
本发明的发光二极管不仅局限于图1、图2和图3以及如上所述的横向结构发光二极管，同样也包括垂直结构发光二极管。
如图4所示，本发明中第一实施例发光二极管中的呈阵列分布的氧化物颗粒9的制备方法包括如下步骤：
步骤1：旋涂，在所述透明导电层6上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3：紫外光照射，使用紫外光照射所述光刻胶；
步骤4：脱模，使模板的图案复制到所述光刻胶上；
步骤5：反应离子刻蚀，通过O2等离子体反应离子刻蚀工艺去除残胶；
步骤6：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积氧化物薄膜；
步骤7：剥离，用去膜剂去除所述光刻胶。
如图5所示，本发明中第二实施例发光二极管中的呈阵列分布的氧化物颗粒9的制备方法包括如下步骤：
步骤1'：旋涂，在所述透明导电层6上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2'：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3'：紫外光照射，使用紫外光照射所述光刻胶；
步骤4'：脱模，使模板的图案复制到所述光刻胶上；
步骤5'：反应离子刻蚀，通过O2等离子体反应离子刻蚀工艺去除残胶；
步骤6'：刻蚀透明导电层，使用湿法或干法刻蚀部分所述透明导电层；
步骤7'：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积氧化物薄膜；
步骤8'：剥离，用去膜剂去除所述光刻胶。
如图6所示，本发明中第三实施例发光二极管中的呈阵列分布的氧化物颗粒9的制备方法包括如下步骤：
步骤1''：旋涂，在所述P型层5上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2''：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3''：UV照射，使用紫外光照射所述光刻胶；
步骤4''：脱模，使模板的图案复制到所述光刻胶上；
步骤5''：反应离子刻蚀，通过O2等离子体反应离子刻蚀工艺去除残胶；
步骤6''：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积氧化物薄膜；
步骤7''：剥离，用去膜剂去除光刻胶；
步骤8''：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积透明导电薄膜。
采用上述三种方法，在提高发光二极管光提取效率的同时不涉及有源层和p型GaN的等离子体刻蚀，不会造成等离子损伤进而影响发光二极管的电性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种具有氧化物纳米阵列结构的发光二极管，包括依次设有的衬底、缓冲层、第一半导体层、有源层、第二半导体层和透明导电层，所述第一半导体层上设有第一电极，所述第二半导体层上设有第二电极，其特征在于：还包括呈阵列分布的氧化物颗粒，所述呈阵列分布的氧化物颗粒覆盖于所述透明导电层表面，或者嵌入所述透明导电层并部分暴露于透明导电层表面，或者沉积于所述透明导电层与第二半导体层之间。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述氧化物颗粒材料为Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2中的一种或者一种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述氧化物颗粒的折射率为1.5～2.4。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述氧化物颗粒的形状为圆柱、圆锥或者正方体。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述氧化物颗粒的晶格直径或者边长为100nm～500nm，周期为300nm～900nm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述氧化物颗粒的高度为50nm～200nm。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述氧化物颗粒呈正方形、三角形、六边形或者蜂窝状阵列分布。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管为横向结构发光二极管或者垂直结构发光二极管。
9.根据权利要求1至8任一项所述的发光二极管，其特征在于：所述第一半导体层为N型层，第二半导体层为P型层，所述第一电极N电极，所述第二电极为P电极。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于：所述N型层为N型GaN层，所述P型层为P型GaN层。
11.根据权利要求1至10任一项所述的发光二极管中的呈阵列分布的氧化物颗粒的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：旋涂，在所述透明导电层上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3：紫外光照射，使用紫外光照射所述光刻胶；
步骤4：脱模，使模板的图案复制到所述光刻胶上；
步骤5：反应离子刻蚀，通过O2等离子体反应离子刻蚀工艺去除残胶；
步骤6：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积氧化物薄膜；
步骤7：剥离，用去膜剂去除所述光刻胶。
12.根据权利要求1至10任一项所述的发光二极管中的呈阵列分布的氧化物颗粒的制备方法，包括如下步骤：
步骤1'：旋涂，在所述透明导电层上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2'：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3'：紫外光照射，使用紫外光照射所述光刻胶；
步骤4'：脱模，使模板的图案复制到所述光刻胶上；
步骤5'：反应离子刻蚀，通过O2等离子体反应离子刻蚀工艺去除残胶；
步骤6'：刻蚀透明导电层，使用湿法或干法刻蚀部分所述透明导电层；
步骤7'：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积氧化物薄膜；
步骤8'：剥离，用去膜剂去除所述光刻胶。
13.根据权利要求1至10任一项所述的发光二极管中的呈阵列分布的氧化物颗粒的制备方法，包括如下步骤：
步骤1''：旋涂，在所述第二半导体层上旋涂一层低粘度紫外固化光刻胶；
步骤2''：压模，使具有凹凸微结构模板与所述光刻胶物理接触；
步骤3''：UV照射，使用紫外光照射所述光刻胶；
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步骤7''：剥离，用去膜剂去除光刻胶；
步骤8''：沉积，使用电子束蒸发或溅射技术沉积透明导电薄膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110615 |