CN106997916A - 一种基于纳米划痕技术提高led光提取效率的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，包括：通过在LED芯片外延结构施加载荷、形成图形化，进而提高LED光提取效率。本发明控制施加在LED芯片外延结构的载荷大小或加工图形的深度、宽度等参数，对LED芯片外延结构进行图形化处理，进而提高LED光提取效率。本发明可应用于各种结构的GaAs基LED、GaN基LED和OLED表面的粗化及刻蚀，具有适用材料范围广、加工面积大、图形的深度和宽度等加工参数严格可控、对材料损伤小、精度高、效果好等优点，适合大规模批量性生产，在高亮度LED生产中具有很大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法及应用，属于发光二极管制造的技术领域。
背景技术
发光二极管(LED)是一类可直接将电能转化为光能的发光器件，具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、光响应时间短、光色纯等优点，在日常生活中得到了广泛的应用，如固态照明、大型户外显示屏、液晶显示背光灯、交通信号灯等领域。对于LED的各项性能指标来说，发光效率是其最重要的参数之一。根据LED结构特征及发光效率的定义可知，提高LED发光效率的决定性因素有两个，即内量子效率和外量子效率。对于内量子效率的提高，主要是通过改进外延片量子阱结构和提高外延结构的晶体质量来实现。随着多量子阱结构的应用和薄膜生长技术的不断改进，LED外延结构的质量得到了很大提高，红光LED的内量子效率已经达到99％。因此，从提高内量子效率的角度来增加LED的发光效率的发展空间不大。因此，目前现有的研究主要集中在提高LED的光提取效率来提高其外量子效率，进而提高LED的发光效率。
以AlGaInP基红光LED为例，虽然其内量子效率可达到99％，但其发光效率却不足10％，这是由于LED和空气界面处的全反射造成的。由于其最上层的电流扩展层和窗口层为GaP，折射率n≈3.4，而空气的折射率为n＝1，根据菲涅尔公式计算可知全反射临界角仅为17°。也就是说，由于界面处的全反射现象，仅有不足4％的光可以逃逸出LED表面，其余的光则被反射回LED内部，经过多次反射后最终被量子阱等吸收掉。因此，减少全反射，增大逃逸光锥的临界角，成为提高光LED提取效率的有效手段。目前较为常见、有效的方法就是在LED表面进行微结构图形化处理，如湿法腐蚀、干法刻蚀等技术。
2003年，Fujii等人(Appl.Phys.Lett.,84,855,2004)以KOH溶液为电解液，采用光电化学方法对GaN基LED进行了腐蚀，实现了GaN基LED的表面粗化，使得光提取效率增加了将近一倍。然而，这种利用湿法腐蚀技术对LED表面进行粗化的技术存在致命的缺点：1)湿法腐蚀具有各向异性，重复性差；2)难以精确控制腐蚀的速率和深度；3)腐蚀得到的表面图形结构单一，难以对光提取效果进行优化。
2010年Jing等人(Journal of Semiconductors,31,64008,2010)采用等离子体刻蚀的方法对红光LED的窗口层p-GaP进行了图形化处理，其过程包括：1)窗口层p-GaP表面SiO2层的制备；2)利用等离子体溅射技术在SiO2表面溅射相应厚度的贵金属层；3)氮气气氛中400-500℃温度下的热处理；4)利用SiCl4和Ar气组成的的混合腐蚀气体对p-GaP进行等离子体刻蚀；5)最后分别用稀释的KI和HF溶液去除LED外延片表面的金属覆盖层和SiO2保护层。显而易见，该方法制备过程及其复杂，而且成本很高，无法实现大规模应用。另外，等离子体刻蚀会对LED窗口层结构造成损伤，影响LED的电学性能。
国际专利文献W02012119286A1公布了一种光辅助红光LED磷化镓窗口层的湿法腐蚀方法。该专利中公布了一种利用光辅助的湿法腐蚀技术对对红光发光二极管出光表面进行表面粗化的技术，实现了对p-GaP窗口层的随机腐蚀，提高了LED的光提取效率。但此种方法重复性差，腐蚀图形结构取决于表面缺陷，不能精确控制腐蚀图形的结构和深度，因此也无法对表面粗化结构进行优化控制。
发明内容
针对以上技术的不足，本发明提出了一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法。
本发明还提供了上述方法的应用方法。
发明概述：
一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法是在纳米压痕仪的基础上，通过控制施加在样品表面的载荷大小或图形的深宽比等参数，采用划痕技术手段对LED芯片外延结构进行图形化处理，进而提高LED的光提取效率。本发明可应用于各种结构的GaAs基LED、GaN基LED及OLED表面的粗化及刻蚀，具有适用材料范围广、加工面积大、图形的深度和宽度等加工参数严格可控、对材料损伤小、精度高、效果好等优点，适合大规模批量性生产，在高亮度LED生产中具有很大的应用潜力。
发明详述：
一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，包括：通过在LED芯片外延结构施加载荷、形成图形化，进而提高LED光提取效率。本发明通过控制施加在LED芯片外延结构的载荷大小或加工图形的深度、宽度等参数，对LED芯片外延结构进行图形化处理，进而提高LED光提取效率。
根据本发明优选的，所述一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，具体包括：
对固定的LED芯片外延结构按照预设的载荷参数及图形形状尺寸施加载荷。
根据本发明优选的，所述固定的LED芯片外延结构是指对LED芯片进行固定制备：利用固化胶将所述LED芯片固定设置在样品台。本发明中优选硬度较大的固化胶将待加工的LED芯片粘在样品台上，避免产生基底效应、提高对LED芯片外延结构的加工精度。
根据本发明优选的，在对LED芯片外延结构施加载荷之前，调节所述样品台高度：使得待加工LED芯片成像清晰。
根据本发明优选的，在所述LED芯片外延结构上施加载荷且形成图形后，对所述LED芯片进行清洗并吹干。优选的，将所述LED芯片分别置于不同的洗涤剂中进行超声清洗，以去除表面污染物，清洗完毕后用N2吹干表面水分。
根据本发明优选的，所述LED芯片外延结构施加载荷形成的图形，包括周期性点阵图形和/或周期性划痕图形。但本发明所述加载荷形成的图形不限于：周期性点阵图形和/或周期性划痕图形。本发明还可以根据LED的结构、电极的形状等因素设计特定的图形结构，加工过程中可以对施加在样品表面的载荷大小或加工图形的深宽比进行控制，可控性强，适合大规模生产。
根据本发明优选的，利用压头对所述LED芯片外延结构施加载荷，所述压头包括：玻氏(Berkovich)压头、维氏(Vickers)压头、立方角(Cube-corner)压头、球形(Sphere)压头、锥形(Cone)压头。但本发明所述压头并不限于上述提及的压头。本发明还可以是单独设计的压头；或是上述多个压头的阵列式组合，以用于大批量加工生产。
根据本发明优选的，所述压头的材质包括：金刚石、Al2O3、碳化硅、氮化镓、氮化铝、高速钢、模具钢、合金钢。但本发明所述压头的材质并不限于于金刚石、Al2O3、碳化硅、氮化镓、氮化铝、高速钢、模具钢、合金钢。
如上述所述的方法的应用：该方法的适用对象包括：GaAs基和GaN基的三元、四元组分的LED芯片各层外延结构、有机发光二极管OLED。但本发明方法的适用对象并不限于：GaAs基和GaN基的三元、四元组分的LED芯片各层外延结构、有机发光二极管OLED。
如上述所述的方法的应用：该方法的适用对象包括：正装、倒装、垂直工艺或薄膜工艺的LED芯片和/或外延片。但本发明方法的适用对象并不限于：正装、倒装、垂直工艺或薄膜工艺的LED芯片和/或外延片。
本发明的优势在于：
本发明通过控制施加的载荷或加工图形的深度、宽度等参数，对LED芯片外延结构进行图形化处理，进而提高LED的发光效率。该方法可应用于各种结构的GaAs基LED、GaN基LED及OLED表面的粗化及刻蚀，具有适用材料范围广、加工面积大、图形的深度和宽度等加工参数严格可控、对材料损伤小、精度高、效果好等优点，适合大规模批量性生产，在高亮度LED生产中具有很大的应用潜力。
附图说明
图1为利用阵列式压头在LED芯片表面施加载荷形成阵列式划痕图案的示意图。
其中1、阵列式压头，2、LED芯片的表面电极，3、LED芯片。
图2为AlGaInP红光LED芯片表面未经本发明所述方法进行图形化处理的光学照片。
图3为AlGaInP红光LED芯片表面，在电极周围进行阵列式划痕图案处理后的光学照片，图中施加的载荷分别为30mN、40mN和50mN。
图4为AlGaInP红光LED芯片表面经本发明所述方法进行图案处理(施加的载荷为50mN)前、后角分辨的发光强度对比图，所述图中纵坐标为任意单位，是相对值，表示划痕处理前后LED发光强度的相对变化。
图5是未经本发明所述方法处理的LED光提取原理示意图。
图6为本发明增强LED光提取效率的原理示意图；
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1、
一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，包括：通过在LED芯片外延结构施加载荷、形成图形化，进而提高LED光提取效率。
上述一种基于纳米划痕提高LED光提取效率的方法，具体包括：
对固定的LED芯片外延结构按照预设的载荷参数及图形形状尺寸施加载荷。
所述固定的LED芯片外延结构是指对LED芯片进行固定制备：利用固化胶将所述LED芯片固定设置在样品台。
在对LED芯片外延结构施加载荷之前，调节所述样品台高度：使得待加工LED芯片成像清晰。
在所述LED芯片外延结构上施加载荷且形成图形后，对所述LED芯片进行清洗并吹干。
实施例2、
如实施例1所述的一种基于纳米划痕提高LED光提取效率的方法，其区别在于，所述LED芯片外延结构施加载荷形成的图形，包括周期性点阵图形和/或周期性划痕图形。但本发明所述加载荷形成的图形不限于：周期性点阵图形和/或周期性划痕图形。本发明还可以根据LED的结构、电极的形状等因素设计特定的图形结构，加工过程中可以对施加在样品表面的载荷大小或加工图形的深宽比进行控制，可控性强，适合大规模生产。
利用压头对所述LED芯片外延结构施加载荷，所述压头包括：玻氏(Berkovich)压头、维氏(Vickers)压头、立方角(Cube-corner)压头、球形(Sphere)压头、锥形(Cone)压头。但本发明所述压头并不限于上述提及的压头。本发明还可以是单独设计的压头；或是上述多个压头的阵列式组合，以用于大批量加工生产。
所述压头的材质包括：金刚石、Al2O3、碳化硅、氮化镓、氮化铝、高速钢、模具钢、合金钢。但本发明所述压头的材质并不限于于金刚石、Al2O3、碳化硅、氮化镓、氮化铝、高速钢、模具钢、合金钢。
实施例3、
如实施例1-2所述的方法的应用：该方法的适用对象包括：GaAs基和GaN基的三元、四元组分的LED芯片各层外延结构、有机发光二极管OLED。但本发明方法的适用对象并不限于：GaAs基和GaN基的三元、四元组分的LED芯片各层外延结构、有机发光二极管(OLED)。
实施例4、
如实施例1-2所述的方法的应用：该方法的适用对象包括：正装、倒装、垂直工艺或薄膜工艺的LED芯片和/或外延片。但本发明方法的适用对象并不限于：正装、倒装、垂直工艺或薄膜工艺的LED芯片和/或外延片。
应用例、
以AlGaInP红光LED为加工对象，采用阵列式划痕技术进行图形化处理，步骤如下：
(1)样品制备：选用硬度较大的固化胶将待加工的LED芯片粘在样品台上，注意固化胶的硬度不宜过小，否则会产生基底效应，影响加工精度。
(2)高度调节：调节样品台高度于适当位置，使得待加工LED芯片成像清晰。
(3)参数设定：选择工作模式为划痕模式，确定图形化处理的起始位置坐标，在电极周围设定阵列式划痕的间距、个数、划痕深度或所施加载荷的大小等加工参数，然后点击开始按钮，对LED芯片外延结构进行阵列式划痕处理。图2中所选用的压头为立方角(Cube-corner)压头，设定的划痕的间距为80μm，施加的载荷分别为30mN、40mN及50mN。
(4)样品清洗：将加工完毕的AlGaInP红光LED芯片取下(用丙酮将固化胶溶解即可)，然后依次置于不同的洗涤剂中(丙酮、无水乙醇和去离子水)各超声清洗5min，以去除表面污染物，清洗完毕后用N2吹干表面水分。
(5)性能测试：对清洗完毕的AlGaInP红光LED进行电学性能测试，比较图形化处理前后的发光效率。图4为划痕处理(施加的载荷为50mN)前后发光强度的空间分布情况，输入电流为20mA，经计算得到其光提取效率增加一倍以上。
本发明增强LED光提取效率的原理：
对于一般的平面结构LED芯片，从有源区发射的光在芯片内表面经过多次反射，只有一部分的光线能够从LED表面射出，大多数光线由于界面处的全反射效应而又返回LED内部，被量子阱吸收。而采用本发明所述的在LED窗口层的表面制备划痕结构这一技术，能够有效破坏窗口层与外部媒介在界面处的全反射效应，利用折射率梯度或界面的散射使得更多的光线可以出射到器件之外，提高了LED的光提取效率，如图5、6所示。
Claims (9)
1.一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，其特征在于，该方法包括：通过在LED芯片外延结构施加载荷、形成图形化，进而提高LED光提取效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，其特征在于，所述一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，具体包括：对固定的LED芯片外延结构按照预设的载荷参数及图形形状尺寸施加载荷。
3.根据权利要求2所述的一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，其特征在于，所述固定的LED芯片外延结构是指对LED芯片进行固定制备：利用固化胶将所述LED芯片固定设置在样品台。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，其特征在于，在对LED芯片外延结构施加载荷之前，调节所述样品台高度：使得待加工LED芯片成像清晰。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，其特征在于，在所述LED芯片外延结构上施加载荷且形成图形后，对所述LED芯片进行清洗并吹干。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，其特征在于，所述LED芯片外延结构施加载荷形成的图形，包括周期性点阵图形和/或周期性划痕图形。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法，其特征在于，利用压头对所述LED芯片外延结构施加载荷，所述压头包括：玻氏压头、维氏压头、立方角压头、球形压头、锥形压头；所述压头的材质包括：金刚石、Al2O3、碳化硅、氮化镓、氮化铝、高速钢、模具钢、合金钢。
8.如权利要求1-7任意一项所述所述的方法的应用：该方法的适用对象包括：GaAs基和GaN基的三元、四元组分的LED芯片各层外延结构、有机发光二极管OLED。
9.如权利要求1-7任意一项所述所述的方法的应用：该方法的适用对象包括：正装、倒装、垂直工艺或薄膜工艺的LED芯片和/或外延片。
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