CN110600598A - 一种双层纳米阵列结构的倒装紫外led及制备方法 - Google Patents

一种双层纳米阵列结构的倒装紫外led及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED及制备方法，该紫外LED包括支架、LED芯片、有机聚合物层和透镜，其中：所述透镜设置于所述支架顶部，且所述LED芯片和有机聚合物层均位于所述支架与透镜所围成的封闭空间中；所述LED芯片设置于所述支架底部，包括具有第一纳米阵列结构的蓝宝石层，所述蓝宝石层位于远离所述支架底部一侧，所述LED芯片由所述有机聚合物层所包覆，所述有机聚合物层远离所述蓝宝石层的一侧设置有第二纳米阵列结构。本发明通过由高紫外透过率有机聚合物材料和蓝宝石所构成的双层纳米阵列结构，且两层之间保持真空，大幅降低由蓝宝石/空气界面的紫外光全反射对光提取效率的限制，使紫外LED的出光功率显著提高。

Description

一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED及制备方法
技术领域
本发明涉及紫外LED制备领域，特别是一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED及制备方法。
背景技术
目前，紫外LED已经被广泛的应用在消毒，杀菌，空气净化，食品保鲜等领域。从紫外LED的性能上来说，现有的紫外LED器件仍维持在较低的光效水平，通常光效小于20％且随波长变化，特别是光提取效率的限制，一方面距离成熟商用的蓝光LED的性能还有较大的差距，另一方面在使用的过程中LED产生大量的热会对其寿命和稳定性造成影响。对于不同波段的紫外LED，光提取效率的限制也有所不同，在365纳米波长之上，紫外LED的光损失主要来自芯片内部的全反射和金属电极材料的吸收；而对波长更短的紫外LED来说，除了以上两点之外，制备LED的材料本身就存在着极大的吸收，甚至最终的光提取效率不超过10％；因此如果能引入一些提高紫外LED提取效率的方法，即可有效改善紫外LED的性能和和寿命。虽然存在多种因素限制着紫外LED的光提取效率，但现有技术中限制紫外LED的光提取效率的主要因素在于蓝宝石/空气界面的紫外光的全反射，故需要提出一种新的紫外LED设计方式是解决当前问题的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED及制备方法，用于解决现有技术中蓝宝石/空气界面的紫外光全反射抑制光提取效率的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的第一解决方案为：一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED包括支架、LED芯片、有机聚合物层和透镜；透镜设置于支架顶部，且LED芯片和有机聚合物层均位于支架与透镜所围成的封闭空间中；LED芯片设置于支架底部，包括具有第一纳米阵列结构的蓝宝石层，蓝宝石层位于远离支架底部一侧，LED芯片由有机聚合物层所包覆，有机聚合物层远离蓝宝石层的一侧设置有第二纳米阵列结构。
优选的，第一纳米阵列结构为具有若干圆锥状凹槽的阵列结构，第二纳米结构为若干圆锥状凸起的阵列结构，且第一纳米阵列结构与第二纳米阵列结构相锲合。
优选的，有机聚合物层为高紫外透过率有机材料。
优选的，LED芯片还包括缓冲层、N型AlGaN层、N型电极层、量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN接触层和P型电极层；缓冲层和N型AlGaN层依次沉积于蓝宝石层远离第一纳米阵列结构一侧上，N型AlGaN层远离缓冲层一侧为阶梯状结构，N型AlGaN层的阶梯状突起部上依次沉积量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN接触层和P型电极层，N型AlGaN层的阶梯状下凹部上设置有N型电极。
为解决上述技术问题，本发明提出的第二解决方案为：一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法，其步骤包括制备纳米结构蓝宝石、制备纳米结构有机聚合物薄膜、制备LED芯片和反向覆膜并封装；双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法用于制备前述第一解决方案中任一双层纳米阵列结构的倒装紫外LED。
其中，制备纳米结构蓝宝石的具体步骤包括：采用有机试剂对蓝宝石进行超声清洗，并烘干；旋涂紫外光刻胶，曝光显影后得到具有第一纳米阵列结构图形的蓝宝石；采用干法刻蚀对具有第一纳米阵列结构图形的蓝宝石片进行刻蚀，得到纳米结构蓝宝石。
优选的，干法刻蚀为等离子体干法刻蚀，刻蚀气体为氯气和三氯化硼，刻蚀时间为3～5min。
其中，制备纳米结构有机聚合物薄膜的具体步骤包括：于纳米结构蓝宝石具有第一纳米阵列结构一侧表面均匀旋涂有机聚合物，并烘烤定型；将有机聚合物与纳米结构蓝宝石剥离，得到纳米结构有机聚合物薄膜，且纳米结构有机聚合物薄膜一侧的表面结构为第二纳米阵列结构。
其中，制备LED芯片的具体步骤包括：取适宜大小的纳米结构蓝宝石，于远离第一纳米阵列结构一侧依次沉积缓冲层和N型AlGaN层，且N型AlGaN层远离缓冲层一侧为阶梯状结构；于N型AlGaN层的阶梯状突起部上依次沉积量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN接触层和P型电极层；于N型AlGaN层的阶梯状下凹部上设置有N型电极，得到LED芯片。
其中，反向覆膜并封装的具体步骤包括：将LED芯片反向设置于支架底部，纳米结构蓝宝石远离支架底部；取适宜大小的纳米结构有机聚合物薄膜将LED芯片包覆，且第二纳米阵列结构一侧远离纳米结构蓝宝石设置，抽真空后纳米结构有机聚合物薄膜紧密贴附于LED芯片四周表面；将透镜设置于支架顶部，使LED芯片和有机聚合物薄膜均位于支架与透镜所围成的封闭空间中，得到双层纳米阵列结构的倒装紫外LED。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED及制备方法，通过由高紫外透过率有机聚合物材料和蓝宝石所构成的双层纳米阵列结构，且两层之间保持真空，大幅降低由蓝宝石/空气界面的紫外光全反射对光提取效率的限制，使紫外LED的出光功率显著提高。
附图说明
图1是本发明的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED一实施方式的结构示意图；
图2是本发明的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED一实施方式中LED芯片的结构示意图；
图3是本发明中双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法一实施方式的工艺流程图；
图4是无纳米阵列结构紫外LED、单层纳米阵列结构紫外LED以及双层纳米阵列结构紫外LED三者的出光功率对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
对于本发明提出的第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED一实施方式的结构示意图。本发明中双层纳米阵列结构的倒装紫外LED包括支架1、LED芯片2、有机聚合物层3和透镜4；透镜4设置于支架1顶部，且LED芯片2和有机聚合物层3均位于支架1与透镜4所围成的封闭空间中；LED芯片2设置于支架1底部，包括具有第一纳米阵列结构的蓝宝石层21，蓝宝石层21位于远离支架1底部一侧，LED芯片2由有机聚合物层3所包覆，有机聚合物层3远离蓝宝石层21的一侧设置有第二纳米阵列结构。本实施方式中，有机聚合物层3为高紫外透过率有机材料，优选的硅胶或氟胶制作有机聚合物层3，以保证紫外光能够充分透过有机聚合物层；第一纳米阵列结构为具有若干圆锥状凹槽的阵列结构，第二纳米结构为若干圆锥状凸起的阵列结构，且第一纳米阵列结构与第二纳米阵列结构相锲合，同时LED芯片2与有机聚合物层3之间为真空结构，由此利用这种双层纳米阵列结构，有效的降低了蓝宝石/空气界面的紫外光全反射，使紫外LED的出光效率提高；在其他实施方式中，还可以根据实际情况对第一纳米结构和第二纳米结构的具体图形进行适应调整，在此不作限定。
具体地，对上述双层纳米阵列结构的倒装紫外LED的其他组分不封进行详述。请参阅图2，图2是本发明的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED一实施方式中LED芯片的结构示意图，本实施方式中，LED芯片2包括蓝宝石层21、缓冲层22、N型AlGaN层23、N型电极层24、量子阱层25、P型AlGaN层26、P型GaN接触层27和P型电极层28；缓冲层22和N型AlGaN层23依次沉积于蓝宝石层21远离第一纳米阵列结构一侧上，N型AlGaN层23远离缓冲层22一侧为阶梯状结构，N型AlGaN层的阶梯状突起部上依次沉积量子阱层25、P型AlGaN层26、P型GaN接触层27和P型电极层28，N型AlGaN层23的阶梯状下凹部上设置有N型电极24，由此便构成了LED芯片2的完整结构。
本实施方式中，支架1优选碗状结构，并与适宜大小的圆形的透镜4配合连接，使LED芯片2与有机聚合物层3安装于由支架1和透镜4所围成的封闭环境中，在其他实施方式中，可以根据实际情况对支架1和透镜4的形状大小进行适应性设置，在此不作限定。
对于本发明提出的第二解决方案，请参阅图3，图3是本发明中双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法一实施方式的工艺流程图，该双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法步骤包括：
S1：制备纳米结构蓝宝石。本步骤具体为：采用如丙酮、异丙醇等有机试剂对蓝宝石表面进行超声清洗，清洗洁净后烘干，以保证后续可是效果的良好；旋涂如AZ5214等紫外光刻胶，曝光显影后得到具有第一纳米阵列结构图形的蓝宝石；采用干法刻蚀对具有第一纳米阵列结构图形的蓝宝石片进行刻蚀，得到纳米结构蓝宝石，本实施方式中，干法刻蚀优选等离子体干法刻蚀，刻蚀气体为氯气和三氯化硼，刻蚀时间为3～5min，优选干法刻蚀的目的在于保证刻蚀图形的完整性，避免侧壁剖面的浸蚀。本实施方式中，优选第一纳米阵列结构为具有若干圆锥状凹槽的阵列结构，其目的在于该种结构具有较大的表面倾角，更有利于避免紫外光在界面处发生全发射，从而提高紫外光的透射，而对于第一纳米阵列结构中圆锥状凹槽的具体数目和大小尺寸，可根据实际情况进行适应性设置，在此不作限定。
S2：制备纳米结构有机聚合物薄膜。本步骤具体为：于纳米结构蓝宝石具有第一纳米阵列结构一侧表面均匀旋涂有机聚合物，并放入烘箱中以150度条件烘烤30min定型，本实施方式中采用硅胶作为有机聚合物，以适应365nm的紫外光透射，若需适应365nm波长以下的紫外光，可选用氟胶作为有机聚合物，在此不作限定；将定型后的有机聚合物与纳米结构蓝宝石剥离，得到纳米结构有机聚合物薄膜，且纳米结构有机聚合物薄膜一侧的表面结构为第二纳米阵列结构；由于本步骤中所用的纳米结构蓝宝石为S1步骤所制，则本步骤中第二纳米阵列结构为若干圆锥状凸起的阵列结构，并与第一纳米阵列结构相锲合，且S1步骤所制的纳米结构蓝宝石既可用于制备有机聚合物薄膜，又可用于作后续LED芯片的基片，有效节省了工艺步骤，提高了制备效率。
S3：制备LED芯片。本步骤具体为：将S1所制取纳米结构蓝宝石裂片成适宜大小的片体，于远离第一纳米阵列结构一侧依次沉积缓冲层和N型AlGaN层，且N型AlGaN层远离缓冲层一侧为阶梯状结构；于N型AlGaN层的阶梯状突起部上依次沉积量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN接触层和P型电极层；于N型AlGaN层的阶梯状下凹部上设置有N型电极，得到LED芯片。
S4：反向覆膜并封装。本步骤具体为：将由S3步骤所制的LED芯片反向倒装设置于支架底部，使纳米结构蓝宝石远离支架底部，而电极靠近支架底部设置；将由S2步骤所制的纳米结构有机聚合物薄膜切分成适宜大小，并将LED芯片四周均包覆起来，且该纳米结构有机聚合物薄膜的第二纳米阵列结构一侧远离纳米结构蓝宝石设置，抽真空后纳米结构有机聚合物薄膜紧密贴附于LED芯片四周表面，即LED芯片除电极一侧以外，其他面均被纳米结构有机聚合物薄膜所包覆，这种有机聚合物与蓝宝石构成的双层纳米阵列结构且两层之间保持真空，这种设置方式有效解决了蓝宝石/空气界面的紫外光全反射对光提取效率限制的问题；将透镜设置于支架顶部，使LED芯片和有机聚合物薄膜均位于支架与透镜所围成的封闭空间中，得到双层纳米阵列结构的倒装紫外LED。
由于本发明第二解决方案中双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法用于制备本发明第一解决方案中双层纳米阵列结构的倒装紫外LED，故两个解决方案中紫外LED的结构和功能应保持一致。此外，对前述双层纳米阵列结构的倒装紫外LED进行出光功率测试，请参阅图4，图4是无纳米阵列结构紫外LED、单层纳米阵列结构紫外LED以及双层纳米阵列结构紫外LED三者的出光功率对比图，可看出较无纳米阵列结构紫外LED和单层纳米阵列结构紫外LED来说，本发明中双层纳米结构的紫外LED的出光功率有显著的提高，即证明本发明方案大幅降低由蓝宝石/空气界面的紫外光全反射对光提取效率的限制。
区别于现有技术的情况，本发明通过由高紫外透过率有机聚合物材料和蓝宝石所构成的双层纳米阵列结构，且两层之间保持真空，大幅降低由蓝宝石/空气界面的紫外光全反射对光提取效率的限制，使紫外LED的出光功率显著提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED，其特征在于，包括支架、LED芯片、有机聚合物层和透镜，其中：
所述透镜设置于所述支架顶部，且所述LED芯片和有机聚合物层均位于所述支架与透镜所围成的封闭空间中；
所述LED芯片设置于所述支架底部，包括具有第一纳米阵列结构的蓝宝石层，所述蓝宝石层位于远离所述支架底部一侧，所述LED芯片由所述有机聚合物层所包覆，所述有机聚合物层远离所述蓝宝石层的一侧设置有第二纳米阵列结构。
2.根据权利要求1中所述的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED，其特征在于，所述第一纳米阵列结构为具有若干圆锥状凹槽的阵列结构，所述第二纳米结构为若干圆锥状凸起的阵列结构，且所述第一纳米阵列结构与第二纳米阵列结构相锲合。
3.根据权利要求1中所述的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED，其特征在于，所述有机聚合物层为高紫外透过率有机材料。
4.根据权利要求1中所述的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED，其特征在于，所述LED芯片还包括缓冲层、N型AlGaN层、N型电极层、量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN接触层和P型电极层；
所述缓冲层和N型AlGaN层依次沉积于所述蓝宝石层远离所述第一纳米阵列结构一侧上，所述N型AlGaN层远离所述缓冲层一侧为阶梯状结构，所述N型AlGaN层的阶梯状突起部上依次沉积量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN接触层和P型电极层，所述N型AlGaN层的阶梯状下凹部上设置有N型电极。
5.一种双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法，其特征在于，步骤包括制备纳米结构蓝宝石、制备纳米结构有机聚合物薄膜、制备LED芯片和反向覆膜并封装；
所述双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法用于制备权利要求1～4中任一所述双层纳米阵列结构的倒装紫外LED。
6.根据权利要求5中所述的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法，其特征在于，所述制备纳米结构蓝宝石的具体步骤包括：
采用有机试剂对蓝宝石进行超声清洗，并烘干；
旋涂紫外光刻胶，曝光显影后得到具有第一纳米阵列结构图形的蓝宝石；
采用干法刻蚀对具有所述第一纳米阵列结构图形的蓝宝石片进行刻蚀，得到所述纳米结构蓝宝石。
7.根据权利要求6中所述的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀为等离子体干法刻蚀，刻蚀气体为氯气和三氯化硼，刻蚀时间为3～5min。
8.根据权利要求6中所述的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法，其特征在于，所述制备纳米结构有机聚合物薄膜的具体步骤包括：
于所述纳米结构蓝宝石具有所述第一纳米阵列结构一侧表面均匀旋涂有机聚合物，并烘烤定型；
将所述有机聚合物与所述纳米结构蓝宝石剥离，得到所述纳米结构有机聚合物薄膜，且所述纳米结构有机聚合物薄膜一侧的表面结构为第二纳米阵列结构。
9.根据权利要求8中所述的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法，其特征在于，所述制备LED芯片的具体步骤包括：
取适宜大小的所述纳米结构蓝宝石，于远离所述第一纳米阵列结构一侧依次沉积缓冲层和N型AlGaN层，且所述N型AlGaN层远离所述缓冲层一侧为阶梯状结构；
于所述N型AlGaN层的阶梯状突起部上依次沉积量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN接触层和P型电极层；
于所述N型AlGaN层的阶梯状下凹部上设置有N型电极，得到所述LED芯片。
10.根据权利要求9中所述的双层纳米阵列结构的倒装紫外LED制备方法，其特征在于，所述反向覆膜并封装的具体步骤包括：
将所述LED芯片反向设置于支架底部，所述纳米结构蓝宝石远离所述支架底部；
取适宜大小的所述纳米结构有机聚合物薄膜将所述LED芯片包覆，且所述第二纳米阵列结构一侧远离所述纳米结构蓝宝石设置，抽真空后所述纳米结构有机聚合物薄膜紧密贴附于所述LED芯片四周表面；
将透镜设置于所述支架顶部，使所述LED芯片和有机聚合物薄膜均位于所述支架与透镜所围成的封闭空间中，得到双层纳米阵列结构的倒装紫外LED。
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