CN106449929A - 一种提高led芯片出光效率的制备工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高LED芯片(发光二极管)出光效率的制备工艺方法，将纳米图形化透明电极和铺覆介质纳米球的方法结合起来，即在一个LED芯片上先纳米图形化透明电极，然后铺覆单层的介质纳米球。该工艺步骤为：1)首先纳米图形化LED基片的透明电极ITO层，刻蚀出周期性的纳米柱阵列；2)然后在上述ITO纳米柱阵列层表面制备单层密排的介质纳米球阵列。本发明的设计原理简单，制备方法巧妙，是在已经纳米图形化透明电极的基础上再铺覆一层介质纳米球阵列，从而进一步提高纳米图形化透明电极的LED的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，特别是涉及一种高效率纳米结构发光二极管的制备工艺方法。
背景技术
作为传统灯具的替代产品，发光二极管(LED)照明发展前景广阔，被誉为新一代的光源。LED光源是直接将电能转化为光能，能量转换效率相当高，理论上它只需要白炽灯10％的能耗或者是荧光灯50％的能耗。但是,目前LED的发光效率依然较低，严重制约了LED的应用与发展。究其原因是半导体材料与周围空气存在较大的折射率差，根据Snell定律，大多数光子在界面会发生全反射，被材料再吸收或者形成波导模，最终只有少数的光子能出射到空气中。为了解决上述问题，人们发展了许多方法来解决上述问题，从而提高LED芯片的出光效率。例如，常见的方法有芯片形状的变化(2006Appl.Phys.Lett.89 071109)，纳米图形化表面技术(2012IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.48 891；2012App.Phys.Express 5,022101；2008Displays 29 254)，利用电极反射(2006Appl.Phys.Lett.88 013501)和制作光子晶体(2009Appl.Phys.Lett.94 123106；2007Appl.Phys.Lett.91 181109)等等。
一般而言，破坏LED和空气界面的全反射条件是最直接提高LED出光效率的方法。常规LED芯片的最外层是电流扩展层，而铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)材料目前已经取代传统的镍金材料作为LED的电流扩展层。目前有报道利用纳米图形化ITO透明电极提高LED的出光效率，也有报道利用纳米球涂层提高LED的出光效率，但是尚没有出现将纳米图形化ITO透明电极与制备单层的纳米球结合起来，用于提高LED的发光效率的相关技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，是先将纳米图形化ITO透明电极，然后再在透明电极上制备单层的纳米球，从而进一步提高纳米图形化ITO的LED的发光效率。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，将纳米图形化透明电极和铺覆介质纳米球的方法结合起来，即在一个LED芯片上先纳米图形化透明电极，然后再铺覆单层的介质纳米球。
本发明的制备工艺方法，具体包括以下步骤：
1)在LED基片上沉积一定厚度的ITO(约200-400nm)作为透明电极，然后再进行常规的厚金电极制备工艺，包括涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶；第二次曝光，镀厚金等，从而完成制作厚金电极的制作；
2)在已经制备好厚金电极的LED芯片上制作单层密排的聚苯乙烯(PS)纳米球，然后利用氧离子刻蚀PS纳米球，可以有效地控制其直径，再进行ICP刻蚀，可以将透明电极ITO表面刻蚀出周期性的纳米柱阵列；通过改变氧离子刻蚀和ICP刻蚀时间可以有效地控制ITO纳米柱阵列的尺寸和高度，从而使样品具有较好的电学和光学特性；
3)通过光刻的办法，把厚金电极保护起来，例如涂光刻胶，曝光，在厚金电极处沉积二氧化硅、金属或者光刻胶，这样把电极保护起来。这时再在LED芯片表面制备单层的PS纳米球，然后把电极保护层去掉。可以获得在透明电极层有PS纳米球而在厚金电极处没有PS纳米球的LED芯片。
本发明中，可以根据LED芯片的发光波长的不同从而选择不同的PS纳米球，例如对于蓝光LED，可以选择直径约为450nm的小球；对于绿光LED，可以选择直径约为550nm的小球；对于红光LED，可以选择周期为650nm的小球。
本发明的制备工艺，方法是先将LED的ITO层纳米图形化，然后再根据发光波长的不同铺覆尺寸不同的PS纳米小球。
本发明的制备工艺，利用干刻法进行刻蚀，刻蚀时使用的气体选自BCl3、Cl2、Ar之一或者几种的组合。
借由上述技术方案，本发明具有的优点是：
1、本发明是在已经纳米图形化ITO层的LED基片的基础上再根据发光波长选择铺覆尺寸不同的PS纳米球，将纳米图形化透明电极ITO表面与铺覆纳米球技术结合起来，可以进一步提高纳米图形化LED的出光效率；
2、本发明的设计原理简单、制备方法巧妙，是一种新型微纳结构LED的设计和制备工艺。
附图说明
图1(a)～图1(f)显示的是本发明的制备工艺结构图。
图2是本发明的制备工艺方法流程图。
图3显示的是450nm直径聚苯乙烯微球作为掩膜，ICP刻蚀ITO透明电极100s，去掉PS微球的形貌图；
图4(a)～(c)分别为数值模拟时纳米图形化ITO结构示意图；其中，图4(a)为模拟时表面结构图，图4(b)为模拟时截面结构图，图4(c)为模拟时立体结构图。
图5为纳米图形化ITO表面再附上合适的PS纳米球的结构示意图；其中，图5(a)为模拟时表面结构图，图5(b)为模拟时截面结构图，图5(c)为模拟时立体结构图。
图6是在LED表面制备周期450nm纳米柱时与参考样品的出光强度的比值，其中x轴为发光波长，y轴为增强倍数。
图7是纳米图形化ITO表面再附上合适的PS纳米球时与参考样品的出光强度的比值，其中x轴为发光波长，y轴为增强倍数。
图8显示的是950nm直径聚苯乙烯微球作为掩膜，氧离子刻蚀0s，ICP刻蚀ITO透明电极150s，去掉PS微球的形貌图；
图9显示的是950nm直径聚苯乙烯微球作为掩膜，氧离子刻蚀10s，ICP刻蚀ITO透明电极150s，去掉PS微球的形貌图；
图10显示的是950nm直径聚苯乙烯微球作为掩膜，氧离子刻蚀20s，ICP刻蚀ITO透明电极150s，去掉PS微球的形貌图；
图11显示的是950nm直径聚苯乙烯微球作为掩膜，氧离子刻蚀30s，ICP刻蚀ITO透明电极150s，去掉PS微球的形貌图；
图中标示如下：
101-衬底；102-非掺杂GaN；103-n掺杂GaN；104-多量子阱；105-p掺杂GaN；106-ITO透明电极；107-p厚金属电极；108-PS纳米小球；109-ITO纳米柱结构；110-n厚金属电极。
具体实施方式
本发明公开了一种提高LED芯片(发光二极管)出光效率的方法，将纳米图形化透明电极和铺覆介质纳米球的方法结合起来，即在一个LED芯片上先纳米图形化透明电极，然后铺覆单层的介质纳米球。
该工艺步骤为：首先纳米图形化LED基片的透明电极ITO层，刻蚀出周期性的纳米柱阵列；然后在上述ITO纳米柱阵列层表面制备单层密排的介质纳米球阵列。
本发明的设计原理简单，制备方法巧妙，是在已经纳米图形化透明电极的基础上再铺覆一层介质纳米球阵列，从而进一步提高纳米图形化透明电极的LED的出光效率。
下面结合附图和较佳实施例对一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
实施例1
如图1(a)～图1(f)所示，LED基片的结构如下：
在蓝宝石衬底101上沉积一层非掺杂GaN102，再生长一层n掺杂GaN103，然后生长多量子阱104，最后生长p掺杂GaN105。沉积一定厚度的铟锡金属氧化物(ITO)106作为透明电极，然后再进行常规的加电极处理，例如涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶；第二次曝光，镀p厚金107和n厚金110等,如图1(a)所示。
如图2所示，本发明提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，包括以下步骤：
首先，利用单层密排的直径为450nm的聚苯乙烯(PS)纳米球108分布在LED基片的表面，如图1(b)所示；然后利用氧离子刻蚀PS纳米球，可以有效地控制其直径，如图1(c)所示；再进行感应耦合等离子(ICP)刻蚀，可以将LED基片的ITO层刻蚀出周期性的纳米柱阵列,如图1(d)所示；去掉PS小球，可以在p型GaN层得到周期性的圆台形的纳米柱阵列，如图1(e)所示。
通过改变氧离子刻蚀和ICP刻蚀时间可以有效地控制ITO层纳米柱阵列的尺寸和高度，从而使样品具有较好的电学和光学特性。本实验中选择直径为450nm的PS小球，因此无需氧等离子体刻蚀，可以直接ICP进行刻蚀，ICP刻蚀的时间为100s，去掉掩膜后结果，如图3所示。
根据LED芯片的发光波长，选择合适的PS纳米球，我们设计的是蓝光LED芯片，此时选择尺寸为450nm的PS纳米球，在已经被纳米图形化的ITO表面制备单层的PS纳米球，如图1(f)所示。
本发明是在已经纳米图形化p型GaN层的LED基片的基础上将其透明电极也进行纳米图形化，可以进一步提高纳米图形化LED的出光效率。
为了表明该方法的有效性，模拟如图4,5所示，结果如图6,7所示。例如，对于发光波长为470nm的蓝光LED，图6的增强倍数为1.14，而图7的增强倍数为1.16，由此可见在已经纳米图形化ITO表面再附上合适的PS纳米球可以有效地进一步提高LED的出光效率。
实施例2
如图2所示，本发明提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，包括以下步骤：
1)在LED基片上沉积一定厚度的ITO(约200-400nm)作为透明电极，然后再进行常规的厚金电极制备工艺，包括涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶；第二次曝光，镀厚金等，从而完成制作厚金电极的制作；如图1(a)所示。
2)在已经制备好厚金电极的LED芯片上制作单层密排的直接为950nm的PS纳米球，如图1(b)所示。然后利用氧离子刻蚀PS纳米球，如图1(c)所示,可以有效地控制其直径，刻蚀时间分布为0s,10s,20s和30s。
3)再进行ICP刻蚀，可以将透明电极ITO表面刻蚀处周期性的纳米柱阵列；ICP刻蚀的时间为150s，刻蚀深度大约为250nm。利用氯仿在超声浴中去除残余的PS小球。实验结果如图8,9,10和11所示。
3)通过光刻的办法，把厚金电极保护起来，例如涂光刻胶，曝光，在厚金电极处沉积二氧化硅，然后去胶，这样把电极保护起来。
这时再在LED芯片表面制备单层的PS纳米球，然后用酸把纳米球层去掉。可以获得在透明电极层有PS纳米球而在厚金电极处没有PS纳米球的LED芯片。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，其特征在于：将纳米图形化透明电极和铺覆介质纳米球的方法结合起来，即在一个LED芯片上先纳米图形化透明电极，然后铺覆单层的介质纳米球。
2.根据权利要求1所述的制备工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、首先，纳米图形化LED基片的透明电极ITO层，刻蚀出周期性的纳米柱阵列；在制作好厚金电极的LED芯片上制备单层的纳米球掩膜，可以先用氧离子刻蚀微球，控制微球的尺寸，而LED表面并未被刻蚀；然后以此微球为模板，来获得不同占空比的纳米球掩膜，然后再利用干刻法来刻蚀LED样品，将LED基片的透明电极ITO层刻蚀出周期性的纳米柱阵列；将残余的PS纳米球去掉；
b、利用光刻的方法，在厚金电极的位置制作保护层，然后在LED芯片上(ITO层有纳米柱结构)制备单层的纳米球阵列，最后洗掉保护层，从而使得厚金电极位置没有纳米球层，而透明电极ITO纳米阵列处有纳米球层。
3.根据权利要求2所述的制备工艺方法，其特征在于：步骤a中，在常规LED芯片的透明电极ITO层制备单层密排的纳米球阵列做为掩膜，然后刻蚀ITO层所得到纳米图形。
4.根据权利要求3所述的制备工艺方法，其特征在于：步骤a中，在LED基片的ITO层制备单层密排的纳米球，所述纳米球可以是单分散的聚苯乙烯微球、单分散的二氧化硅微球，所述单分散的微球直径在200nm-2um之间。
5.根据权利要求1所述的制备工艺方法，其特征在于：步骤b中，所述保护层的厚度可以是1-3微米，保护层可以是二氧化硅、金属或者光刻胶。
6.根据权利要求1所述的制备工艺方法，其特征在于：步骤b中，在LED芯片上(ITO层有纳米柱结构)制备单层的纳米球阵列，所述纳米球是单分散的聚苯乙烯微球，所述单分散的微球直径在200nm-2um之间。
7.根据权利要求6所述的制备工艺方法，其特征在于：在ITO层的纳米结构可以是周期性的纳米柱或纳米洞，或者是其他的周期性结构，或者是无序的纳米结构；而在ITO层纳米结构的纳米球层是周期性的。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170222 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |