專利名稱：帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種LED管芯，該管芯通過帶有ZnO微米圖形陣列以提高其發(fā)光效率，本發(fā)明還涉及到這種帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯的制備方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
LED在各種彩色顯示屏、LCD背光源、指示燈、白光照明燈等方面得到了廣泛的應(yīng)用。高效率、高功率一直是LED技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題。由于LED材料自身折射率高(GaN折射率n 2. 5)，全內(nèi)反射和菲涅爾損耗非常嚴(yán)重，只有少部分光從LED中提取出來，限制了LED的發(fā)光效率。針對這個問題，人們通過在LED表面構(gòu)造微結(jié)構(gòu)以提高光提取效率，有以下幾種思路中國專利文獻CN101110461公開的《利用衍射效應(yīng)的表面微柱陣列結(jié)構(gòu)高效率發(fā)光二極管》，是在P型GaN上等離子體耦合刻蝕(ICP)微米柱陣列結(jié)構(gòu)，通過微米柱衍射效應(yīng)提高LED發(fā)光效率Jeong等人在LED表面制作了ー圈高6um寬2微米ZnO墻，可以提 高 LED 光功率 30% (參考文獻 H. Jeong, Y. H. Kim, T. H. Seo, H. S. Lee, J. S. Kim, E. -K. Suh, andM. S. Jeong, Opt. Express, 20 (10), 10597-10604 (2012))。雖然前者能得到p型GaN微米柱，但是眾所周知p型GaN非常薄(通常在200nm左右)，ICP刻蝕后極易導(dǎo)致漏電或電壓升高，而且刻蝕深度很淺，光柵衍射效果非常不明顯，對于提高LED發(fā)光效率不明顯，再者ICP設(shè)備價格昂貴，成本高；后者只用了ー圈ZnO微米墻，相對LED出光面太小，對LED提取沒有充分發(fā)揮出來。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有提高LED光提取效率各種方法存在的缺陷和問題，本發(fā)明提供一種不會對LED管芯的電學(xué)性能造成破壞、能夠使發(fā)光效率得到明顯提高的帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯，同時提供ー種該LED管芯的制備方法。本發(fā)明的帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯，是在LED管芯的發(fā)光面上濺射有一層厚度為20nm-400nm的ZnO種子層，ZnO種子層上生長有ZnO微米圖形陣列。所述ZnO微米圖形陣列，可以是ー維光柵結(jié)構(gòu)，或者是ZnO微米網(wǎng)孔組成的ニ維光柵結(jié)構(gòu)，也可以是微米ZnO柱組成的周期陣列。微米網(wǎng)孔或微米柱是六方或四方周期排列。上述LED管芯利用ZnO微米圖形結(jié)構(gòu)的衍射和散射原理，高效率的導(dǎo)出發(fā)射光，不僅可以更高比例的提取發(fā)射光，也保證了發(fā)光二極管整個發(fā)光表面出光的均勻性。上述帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯的制備方法，包括以下步驟(I)用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法在襯底上外延生長完整的外延片結(jié)構(gòu)，制作完整LED管芯結(jié)構(gòu)；(2)在LED管芯的發(fā)光面上濺射ー層厚度為20nm-400nm的ZnO種子層；(3)在ZnO種子層上，通過掩膜光刻エ藝(甩膠、光刻、曝光和顯影)，得到光刻膠微米周期圖形；(4)以光刻膠微米周期圖形為模板生長ZnO微米圖形陣列把步驟(3)得到的LED管芯置入高濃度鋅源前軀體混合液中，鋅源前軀體混合液為硝酸鋅或醋酸鋅與氨水或六次甲基四胺溶液的混合液，硝酸鋅或醋酸鋅的濃度為0. 1M-0. 5M，混合液PH值為6-8，在600C _100°C水溫下水熱反應(yīng)I小時-12小時,然后降至室溫,取出后用去離子水沖洗,用氮氣吹干；ZnO在光刻膠的間隙中生長合并外延,緊密排列填滿光刻膠的間隙；(5)用去膠液去除光刻膠，即得到光刻膠反圖形的ZnO微米圖形陣列；(6)通過減薄，解離成單個LED管芯。所述步驟(5)中的ZnO微米圖形陣列的周期排列方式(微米網(wǎng)孔或微米柱是六方或四方排列，ー維光柵是平行的條狀排列)、周期為(0. 5 u m-20 u m)、圖形占空比(0. 2-0. 8)和圖形形狀(圓形、正方形、六角形或三角形等)可由光刻エ藝制作的光刻膠模板調(diào)節(jié)，圖形高度(0. 5 u m-10 ii m)可由ZnO水熱生長時間(I小時-12小時)調(diào)節(jié)。本發(fā)明提出用圖形光刻膠作模板，用水熱法在LED管芯表面生長出ZnO微米圖形結(jié)構(gòu)，(高濃度鋅源前軀體溶液中生長的ZnO是緊密排列的整體，而非低濃度生成的分離的 ZnO納米棒，ZnO微米圖形結(jié)構(gòu)(網(wǎng)格或柱)有明顯的光波導(dǎo)效應(yīng)，能夠高效的導(dǎo)出發(fā)射光，同時ZnO微米圖形結(jié)構(gòu)也是ー種微米級的光子晶體或衍射光柵，)利用ZnO微米圖形結(jié)構(gòu)的衍射和散射原理，高效率的導(dǎo)出發(fā)射光，不僅可以更高比例的提取發(fā)射光，也保證了發(fā)光ニ極管整個發(fā)光表面出光的均勻性，制作簡單，成本低，并且只在LED的出光面生長ZnO微米圖形陣列，不會對LED管芯的電學(xué)性能造成破壞，能夠提高平板GaN基LED的發(fā)光效率約40%。


圖I是生長有ZnO微米圖形陣列的同面電極GaN基LED管芯的截面示意圖。圖2是生長有ZnO微米圖形陣列的激光剝離垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED管芯的截面示意圖。圖3是在LED表面制作的5. 5 ii m周期的四方ZnO微米網(wǎng)孔光柵結(jié)構(gòu)的掃面電子顯微鏡(SEM)圖片。圖4是本發(fā)明制備的四方ZnO微米網(wǎng)孔光柵結(jié)構(gòu)LED(MM-LED)和傳統(tǒng)LED (C-LED)的電流-光輸出功率曲線對比圖。圖5是本發(fā)明制備的MM-LED和傳統(tǒng)C-LED的電壓-電流(V-I)曲線對比圖。其中1、襯底，2、u型GaN緩沖層，3、n型GaN層，4、多量子阱有源區(qū)，5、P型GaN層，6、電流擴展層,7、ZnO種子層，8、p電極，9、n電極，10、ZnO微米圖形陣列，11、金屬電極，12、導(dǎo)電硅片，13、鍵合金屬層，14、反射層，15,P型GaN層，16、多量子阱有源區(qū)，17、n型GaN層，18、n電極，19、ZnO種子層，20、ZnO微米圖形陣列。
具體實施例方式本發(fā)明的帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯，如圖I或圖2所示，其結(jié)構(gòu)是在LED管芯的發(fā)光面(圖I所示同面電極GaN基LED管芯的電流擴展層6，圖2所示激光剝離垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED管芯的n型GaN層17)上濺射有ZnO種子層7，ZnO種子層7上生長有ZnO微米圖形陣列10。以下以圖I所示的同面電極GaN基LED為例說明帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯的生長過程，具體包括如下步驟
(I)如圖I所不,用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法在襯底I上外延生長完整的外延片結(jié)構(gòu)，襯底I上自下至上依次設(shè)有u型GaN緩沖層2、n型GaN層3、多量子阱有源區(qū)4和P型GaN層5 ;在P型GaN層5上用電子束蒸鍍ー層ITO (摻錫氧化銦)電流擴展層6 ;在電流擴展層6上設(shè)置p電極8，在n型GaN3上設(shè)置n電極9，得到完整的同面電極GaN基LED管芯結(jié)構(gòu)；(2)用磁控濺射儀在LED管芯表面的電流擴展層6上濺射ー層致密結(jié)晶性好的IOOnm厚的ZnO種子層7，參見圖I。(3)在ZnO種子層上，通過掩膜光刻エ藝(光刻模板四方周期結(jié)構(gòu)，周期5. 5 y m，甩膠、光刻、曝光和顯影)，得到周期5. 5 四方光刻膠微米周期圖形。(4)以光刻膠微米周期圖形為模板生長ZnO微米圖形陣列10 :把LED管芯置入鋅源前軀體混合液中，鋅源前軀體混合液為硝酸鋅或醋酸鋅與氨水或六次甲基四肢溶液的混合液，硝酸鋅或醋酸鋅的濃度為0. 1M-0. 5M，混合液PH值為6-8，60°C _100°C水溫下水熱反應(yīng)I小時-12小時，然后降至室溫，取出后用去離子水沖洗，用氮氣吹干，ZnO在光刻膠的間 隙中生長合并外延，緊密排列填滿光刻膠的間隙。(5)用去膠液去除光刻膠，即得到光刻膠反圖形的ZnO微米圖形陣列，周期5. 5 y m(周期可通過光刻模板在0. 5 ii m-20 u m內(nèi)調(diào)節(jié))。圖3給出了在LED表面制作的5. 5 y m周期的四方ZnO微米網(wǎng)孔光柵結(jié)構(gòu)的掃面電子顯微鏡(SEM)圖。ZnO微米圖形陣列10的具體圖形占空比(0. 2_0. 8)和圖形形狀(圓形、正方形、六角形或三角形等)可由光刻エ藝制作的光刻膠模板圖形調(diào)節(jié)。得到的ZnO微米圖形陣列10可以是ZnO微米網(wǎng)孔或網(wǎng)格組成的ニ維光柵結(jié)構(gòu)(光刻膠模板用周期微米柱結(jié)構(gòu)，反圖形即是微米網(wǎng)孔或網(wǎng)格)，也可以是微米ZnO柱組成的周期陣列(光刻膠模板用周期微米網(wǎng)孔或網(wǎng)格，反圖形即是微米柱)。ZnO微米圖形陣列10的形狀可以是六方或四方周期結(jié)構(gòu)，或者是ー維光柵結(jié)構(gòu)。ZnO微米圖形陣列10的具體圖形高度(0. 5 u m-10 u m)可由ZnO水熱生長時間調(diào)節(jié)。(6)通過減薄，解離成單個管芯，制作成器件。 圖2給出了生長有ZnO微米圖形陣列的激光剝離垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED的截面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電硅片12之上依次設(shè)有鍵合金屬層13、反射層14、P型GaN層15、多量子阱有源區(qū)16、n型GaN層17、Zn0種子層19和ZnO微米圖形陣列20，n型GaN層17上設(shè)置有n電極18，導(dǎo)電硅片12的底面設(shè)有金屬電極11。其中制備ZnO種子層19和ZnO微米圖形陣列20的過程與上述步驟(2)、(3)、(4)和(5)是ー樣的。本發(fā)明制備的ZnO微米圖形陣列同面電極GaN基LED (MM-LED)和傳統(tǒng)同面電極GaN基LED (C-LED)的電流一光輸出功率曲線對比如圖4所示，在20mA電流下ZnO微米圖形陣列可以提高LED光功率42. 1%，在IOOmA電流下ZnO微米圖形陣列可以提高LED光功率39. 5% ;電壓一電流(V-I)曲線對比如圖5所示，ZnO微米圖形陣列LED和傳統(tǒng)LED電流電壓曲線重合。由圖4和圖5可知，本發(fā)明制備的ZnO微米圖形陣列對GaN基LED的發(fā)光效率有顯著提高，并且對LED的電學(xué)性能沒有明顯影響。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(I)充分提高發(fā)光二極管的出光效率。ZnO折射率(n ^ 2.0)介于空氣和LED材料(GaNnた2. 5，GaP n 3. 2)之間，起到折射率漸變的作用，且該設(shè)計充分利用了光在ZnO微米周期網(wǎng)孔或微米柱中的光波導(dǎo)效應(yīng)和衍射效應(yīng)使發(fā)射光高效導(dǎo)出，從而提高LED的出光效率。與傳統(tǒng)的采用表面粗糙化處理的LED相比，該結(jié)構(gòu)可獲得更高的光效率。(2)制作簡單，成本低。由于采用傳統(tǒng)的光刻エ藝制作光刻膠模板，用傳統(tǒng)的水熱反映生長ZnO微米圖形陣列，相對傳統(tǒng)ICP刻蝕制作光子晶體或光柵結(jié)構(gòu)，制作步驟簡単，設(shè)備成本低，且所用材料ZnO成本低廉。(3)對LED電學(xué)性能無影響。ZnO微米圖形陣列是長在LED發(fā)光面上，LED管芯結(jié)構(gòu)本身無改變，避免了 ICP、腐蝕對LED結(jié)構(gòu)的破壞，結(jié)構(gòu)制作前后LED電學(xué)性能非常穩(wěn)定，對LED電學(xué)性能無任何不良影響。(4)本發(fā)明不僅適用于GaN基平板LED、PSS襯底LED、垂直結(jié)構(gòu)LED、倒裝結(jié)構(gòu)LED，還適用于其他可見光波段、材料系的半導(dǎo)體LED以及有機發(fā)光二極管的制作。 ·
權(quán)利要求
1.一種帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯，其特征是在LED管芯的發(fā)光面上濺射有ー層厚度為20nm-400nm的ZnO種子層，ZnO種子層上生長有ZnO微米圖形陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯，其特征是所述ZnO微米圖形陣列是ー維光柵結(jié)構(gòu)，或者是ZnO微米網(wǎng)孔組成的ニ維光柵結(jié)構(gòu)，或者是是微米ZnO柱組成的周期陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯，其特征是所述微米網(wǎng)孔或微米柱是六方或四方周期排列。
4.一種權(quán)利要求I所述帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯的制備方法，其特征是包括以下步驟 (1)用金屬有機化學(xué)氣相沉積的方法在襯底上外延生長完整的外延片結(jié)構(gòu)，制作完整LED管芯結(jié)構(gòu)； (2)在LED管芯的發(fā)光面上濺射ー層厚度為20nm-400nm的ZnO種子層； (3)在ZnO種子層上，通過掩膜光刻エ藝得到光刻膠微米周期圖形； (4)以光刻膠微米周期圖形為模板生長ZnO微米圖形陣列把步驟(3)得到的LED管芯置入高濃度鋅源前軀體混合液中，鋅源前軀體混合液為硝酸鋅或醋酸鋅與氨水或六次甲基四胺溶液的混合液，硝酸鋅或醋酸鋅的濃度為0. 1M-0. 5M，混合液PH值為6-8，在600C _100°C水溫下水熱反應(yīng)I小時-12小時,然后降至室溫,取出后用去離子水沖洗,用氮氣吹干；ZnO在光刻膠的間隙中生長合并外延,緊密排列填滿光刻膠的間隙； (5)用去膠液去除光刻膠，即得到光刻膠反圖形的ZnO微米圖形陣列； (6)通過減薄，解離成單個LED管芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯的制備方法，其特征是，所述步驟(5)中的ZnO微米圖形陣列的周期、圖形占空比和圖形形狀由光刻エ藝制作的光刻膠模板調(diào)節(jié)，圖形高度由ZnO水熱生長時間調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有ZnO微米圖形陣列的LED管芯及其制備方法，該LED管芯是在LED管芯的發(fā)光面上濺射有一層的ZnO種子層，ZnO種子層上生長有ZnO微米圖形陣列，其制備包括以下步驟(1)生長LED外延片，制作完整結(jié)構(gòu)的LED管芯；(2)在LED發(fā)光面濺射一層ZnO種子層；(3)在LED表面制作光刻膠微米周期圖形；(4)以光刻膠微米周期圖形為模板生長ZnO微米圖形陣列；(5)用去膠液去除光刻膠，即得到ZnO微米圖形陣列的LED。本發(fā)明不僅可以更高比例的提取發(fā)射光，也保證了發(fā)光二極管整個發(fā)光表面出光的均勻性，制作簡單，成本低，不會對LED管芯的電學(xué)性能造成破壞，能夠提高平板GaN基LED的發(fā)光效率約40%。
文檔編號H01L33/00GK102751417SQ20121025759
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者劉曉燕, 吳擁中, 尹正茂, 徐現(xiàn)剛, 郝霄鵬 申請人:山東大學(xué)