CN105957931A - 基于3d打印制备光子晶体结构led的方法 - Google Patents

基于3d打印制备光子晶体结构led的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法。一种基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，包括以下步骤：在具有的低温成核层、非故意掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层及P型GaN层的外延片上先刻蚀出n型层台面，然后在n型层台面上3D打印较薄的透明导电层，并在透明导电层上3D打印光子晶体，最后在n型层上3D打印n型电极，及在没有覆盖光子晶体的透明导电层上3D打印p型电极。本发明利用3D打印制备光子晶体结构LED，形成的光子晶体图形丰富，制备工艺简单，能够有效的提高生产效率。

Description

基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于3D打印制备光子晶体结构LED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 基的LED内量子效率可达80％以上， 但大功率LED芯片的外量子效率通常只有40％左右。制约外量子效率提高的主要因素是GaN界面和ITO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，ITO的折射率1.8，空气的折射率1，导致GaN与ITO界面以及ITO与空气界面发生全反射的临界角分别是70.1°和31.8°。可见，有源区产生的光只有少数能够逃逸出体材料。为了提高ITO与空气界面的光提取效率，可以在LED芯片上集成光子晶体结构，当LED中导光模的频率落在光子晶体的禁带以内时，光波将被耦合成在自由空间中的辐射模式，从而提高光的提取效率。光子晶体的衍射效应也能够提高光的提取效率。目前光子晶体纳米图形的实现方法主要包括电子束光刻技术、全息曝光技术和纳米压印技术。电子束光刻技术制作周期长，全息曝光技术比较难以制作高对称性的图形，纳米压印技术需要制作模压板，工序复杂了很多。
发明内容
本发明为了解决光子晶体纳米图形的实现方法复杂的问题，提供了基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，包括以下步骤：
步骤一：选择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型层的外延片作为基片；
步骤二：外延片经过涂覆光刻胶、曝光、显影、刻蚀、清洗工序形成N型层台面；
步骤三：编写3D 透明导电层打印头、3D 光子晶体打印头、3D N型电极打印头和3D P型电极打印头的运动路径程序，以满足结构设计需求为准；
步骤四：将外延片清洁好后作为基板放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D 透明导电层打印头在外延片P型层上打印透明导电层，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，透明导电层材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡 FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种；
步骤五:利用单个或阵列式3D 光子晶体打印头在透明导电层上打印光子晶体，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，所述光子晶体材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种；
步骤六:利用单个或阵列式3D N型电极打印头在N型层台面上打印N型电极，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，N型电极厚度为200nm~2000nm，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Pt/Au中的一种；
步骤七：在已经打印好n型电极材料的外延片上，在P型层所在部分，利用单个或阵列式P型电极材料3D打印头在透明导电层上打印P型电极，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，P型电极厚度为50nm~500nm，材料是Ni/Au。
3D打印技术可以将计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据，将特定原材料一层一层堆积成型直至完成整个实体的构建，具有工艺步骤简单、成型速度快、精密度高的特点，不仅能够减少光刻和刻蚀步骤，也能够直接形成光子晶体，提高器件的出光效率，因此可以作为制备光子晶体的理想工艺技术。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，透明导电层优选氧化铟锡ITO作为材料，3D 透明导电层打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其溶化后固化成型，形成透明导电层，厚度为50-200nm。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，光子晶体采用氧化铟锡ITO作为材料，3D 光子晶体打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其溶化后固化成型，最后将没有固化的多余粉末去除，得到ITO光子晶体。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，光子晶体为纳米图形结构，可以为空气孔型或者为介质柱型结构，光子晶体的形状为锥形、柱形、六棱柱形、碗型中的一种，光子晶体的光学厚度满足为发光波长的四分之一的奇数倍，光子晶体的晶格常数满足大于LED器件发光波长的三分之二，占空比为0.5-1。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，所述步骤六中，将金属钛粉末加入到3D N型电极打印头的金属钛熔融腔中进行速熔，控制温度在1675℃使其处于半固化状态，从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属钛膜；将金属铝粉末加入到3D N型电极打印头的金属铝熔融腔中进行速熔，控制温度在660℃使其处于半固化状态， 从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属铝膜；将金属镍粉末加入到3D N型电极打印头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 N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3D N型电极打印头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 N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，在步骤七所述中，将金属镍粉末加入到3D P型电极打印头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 P型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3D P型电极打印头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 P型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，P型电极材料是Ni/Au。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ti/Al/Ni/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ni/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。
本发明基于3D打印制备光子晶体结构LED，形成的光子晶体图形丰富，制备工艺简单，能够有效的提高生产效率。
附图说明
图1为基于3D 打印光子晶体结构LED的流程图。
图2为圆柱形光子晶体的俯视图。
图3为圆柱形光子晶体的侧视图。
图4为三角锥光子晶体的俯视图。
图5为三角锥光子晶体的侧视图。
图6为六棱柱形光子晶体的俯视图。
图7为六棱柱形光子晶体的侧视图。
图8为碗型光子晶体的俯视图。
图9为碗型光子晶体的侧视图。
图10为光子晶体结构LED的结构图。
图中：1-光子晶体，2-透明导电层，3-N型电极，4- N型层，5-非故意掺杂层，6-衬底，7-多周期的量子阱有源层，8-P型层，9-P型电极。
具体实施方式
基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，包括以下步骤：
步骤一：选择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型层的外延片作为基片；
步骤二：外延片经过涂覆光刻胶、曝光、显影、刻蚀、清洗工序形成N型层台面；
步骤三：编写3D 透明导电层打印头、3D 光子晶体打印头、3D N型电极打印头和3D P型电极打印头的运动路径程序，以满足结构设计需求为准；
步骤四：将外延片清洁好后作为基板放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D 透明导电层打印头在外延片P型层上打印透明导电层，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，透明导电层材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡 FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种；
步骤五:利用单个或阵列式3D 光子晶体打印头在透明导电层上打印光子晶体，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，所述光子晶体材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种；
步骤六:利用单个或阵列式3D N型电极打印头在N型层台面上打印N型电极，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，N型电极厚度为200nm~2000nm，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Pt/Au中的一种；
步骤七：在已经打印好n型电极材料的外延片上，在P型层所在部分，利用单个或阵列式P型电极材料3D打印头在透明导电层上打印P型电极，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，P型电极厚度为50nm~500nm，材料是Ni/Au。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，透明导电层优选氧化铟锡ITO作为材料，3D 透明导电层打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其溶化后固化成型，形成透明导电层，厚度为50-200nm。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，光子晶体采用氧化铟锡ITO作为材料，3D 光子晶体打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其溶化后固化成型，最后将没有固化的多余粉末去除，得到ITO光子晶体。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，光子晶体为纳米图形结构，可以为空气孔型或者为介质柱型结构，光子晶体的形状为锥形、柱形、六棱柱形、碗型中的一种，光子晶体的光学厚度满足为发光波长的四分之一的奇数倍，光子晶体的晶格常数满足大于LED器件发光波长的三分之二，占空比为0.5-1。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，所述步骤六中，将金属钛粉末加入到3D N型电极打印头的金属钛熔融腔中进行速熔，控制温度在1675℃使其处于半固化状态，从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属钛膜；将金属铝粉末加入到3D N型电极打印头的金属铝熔融腔中进行速熔，控制温度在660℃使其处于半固化状态，从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属铝膜；将金属镍粉末加入到3D N型电极打印头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 N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3D N型电极打印头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 N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，在步骤七所述中，将金属镍粉末加入到3D P型电极打印头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 P型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3D P型电极打印头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 P型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ti/Al/Ni/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。
上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ni/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。

Claims (8)

1.基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：选择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型层的外延片作为基片；
步骤二：外延片经过涂覆光刻胶、曝光、显影、刻蚀、清洗工序形成N型层台面；
步骤三：编写3D 透明导电层打印头、3D 光子晶体打印头、3D N型电极打印头和3D P型电极打印头的运动路径程序，以满足结构设计需求为准；
步骤四：将外延片清洁好后作为基板放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D 透明导电层打印头在外延片P型层上打印透明导电层，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，透明导电层材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡 FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种；
步骤五:利用单个或阵列式3D 光子晶体打印头在透明导电层上打印光子晶体，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，所述光子晶体材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种；
步骤六:利用单个或阵列式3D N型电极打印头在N型层台面上打印N型电极，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，N型电极厚度为200nm~2000nm，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Pt/Au中的一种；
步骤七：在已经打印好n型电极材料的外延片上，在P型层所在部分，利用单个或阵列式P型电极材料3D打印头在透明导电层上打印P型电极，所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种，P型电极厚度为50nm~500nm，材料是Ni/Au。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于透明导电层优选氧化铟锡ITO作为材料，3D 透明导电层打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其溶化后固化成型，形成透明导电层，厚度为50-200nm。
3.根据权利要求1或2所述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于光子晶体采用氧化铟锡ITO作为材料，3D 光子晶体打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其溶化后固化成型，最后将没有固化的多余粉末去除，得到ITO光子晶体。
4.根据权利要求1或2所述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于光子晶体为纳米图形结构，可以为空气孔型或者为介质柱型结构，光子晶体的形状为锥形、柱形、六棱柱形、碗型中的一种，光子晶体的光学厚度满足为发光波长的四分之一的奇数倍，光子晶体的晶格常数满足大于LED器件发光波长的三分之二，占空比为0.5-1。
5.根据权利要求1或2所述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于所述步骤六中，将金属钛粉末加入到3D N型电极打印头的金属钛熔融腔中进行速熔，控制温度在1675℃使其处于半固化状态，从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属钛膜；将金属铝粉末加入到3D N型电极打印头的金属铝熔融腔中进行速熔，控制温度在660℃使其处于半固化状态，从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属铝膜；将金属镍粉末加入到3D N型电极打印头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 N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3D N型电极打印头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 N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au。
6.根据权利要求1或2所述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于在步骤七所述中，将金属镍粉末加入到3D P型电极打印头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 P型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3D P型电极打印头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 P型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜。
7.根据权利要求5所述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ti/Al/Ni/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。
8.根据权利要求6所述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法，其特征在于为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ni/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。
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