技術領域

本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，特別是涉及一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法。

背景技術：

作為傳統(tǒng)燈具的替代產(chǎn)品，發(fā)光二極管(LED)照明發(fā)展前景廣闊，被譽為新一代的光源。LED光源是直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，能量轉(zhuǎn)換效率相當高，理論上它只需要白熾燈１０％的能耗或者是熒光燈５０％的能耗。但是,目前LED的發(fā)光效率依然較低，嚴重制約了LED的應用與發(fā)展。究其原因是半導體材料與周圍空氣存在較大的折射率差，根據(jù)Snell定律，大多數(shù)光子在界面會發(fā)生全反射，被材料再吸收或者形成波導模，最終只有少數(shù)的光子能出射到空氣中。為了解決上述問題,人們發(fā)展了許多方法來解決上述問題，從而提高LED芯片的出光效率。例如常見的方法有芯片形狀的變化（2006 Appl. Phys. Lett. 89 071109），納米圖形化表面技術（2012 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 48 891；2012 App. Phys. Express 5,022101；2008 Displays 29 254），利用電極反射（2006 Appl. Phys. Lett. 88 013501）和制作光子晶體（2009 Appl. Phys. Lett. 94 123106； 2007 Appl. Phys. Lett.91 181109）等等。

一般而言，為了極大效率地提高LED的出光效率，往往可以把多種納米結構結合起來，從而可以極大效率地提高LED的出光效率。對于目前常見的商業(yè)化LED芯片，其襯底一般是藍寶石襯底，而其出光面一般是銦錫氧化物（indium tin oxide，ITO）透明電極，因此本發(fā)明主要是把一個常規(guī)的LED芯片同時納米圖形化藍寶石襯底層和透明電極出光層，從而極大地提高LED的出光效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法，先在藍寶石襯底上制備納米結構，然后按照普通的工藝生長LED結構，制備厚金電極，最后再在透明電極上制備納米結構，從而極大地提高LED的出光效率。

本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出一種同時納米圖形化藍寶石襯底層和透明電極出光層的制備工藝方法，包括以下步驟：

1）在藍寶石護襯底上制備單層的二氧化硅納米球，利用ICP刻蝕，在藍寶石襯底上刻蝕出周期性的納米結構。

2）在藍寶石襯底上進行常規(guī)的芯片生長過程，先生長非摻雜GaN層，再生長n摻雜GaN層，然后生長3-5層量子阱層，接著生長p摻雜GaN層，制作成為常規(guī)的平面結構LED芯片。

3）在LED基片上沉積一定厚度的ITO（約200-400nm）作為透明電極，然后再進行常規(guī)的厚金電極制備工藝，包括涂光刻膠，第一次曝光，濕刻ITO，ICP刻GaN臺階，去膠，再涂光刻膠；第二次曝光，鍍厚金等，從而完成制作厚金電極的制作。

4）在已經(jīng)制備好厚金電極的LED芯片上制作單層密排的聚苯乙烯（PS）納米球，然后利用氧離子刻蝕PS納米球，可以有效地控制其直徑，再進行ICP刻蝕，可以將透明電極ITO表面刻蝕處周期性的納米柱陣列；通過改變氧離子刻蝕和ICP刻蝕時間可以有效地控制ITO納米柱陣列的尺寸和高度，從而使樣品具有較好的電學和光學特性。

本發(fā)明的制備工藝，利用干刻法進行刻蝕，刻蝕時使用的氣體選自BCl₃、Cl₂、Ar之一或者幾種的組合。

借由上述技術方案，本發(fā)明具有的優(yōu)點是：

1、本發(fā)明是把最底層的藍寶石襯底和芯片最外層的透明電極同時納米圖形化，可以有效地提高LED芯片的發(fā)光效率。

2、本發(fā)明利用納米球掩膜刻蝕的方法制備納米結構，適合批量大面積地生產(chǎn)，價格低廉。

2、本發(fā)明的制備方法巧妙，是一種新型微納結構LED的設計和制備工藝。

附圖說明

以下結合附圖及實施例對本制備工藝做進一步說明：

圖中標示如下：101-藍寶石襯底；102-藍寶石襯底的納米柱陣列；103-非摻雜GaN；104-n摻雜GaN；105-多量子阱；106-p摻雜GaN；107-ITO透明電極；108-p厚金屬電極；109-納米小球；110-n厚金屬電極；111-ITO納米柱陣列結構。

圖1為在藍寶石襯底制備納米柱陣列結構示意圖。

圖2為納米圖形化藍寶石襯底后的LED芯片結構示意圖。

圖3為在LED芯片透明電極制備單層密排PS納米球示意圖。

圖4為在LED芯片透明電極制備單層密排PS納米球，然后利用氧等離子刻蝕PS納米球示意圖。

圖5為進行感應耦合等離子（ICP）刻蝕，將LED基片的ITO層刻蝕出周期性的納米柱陣列示意圖。

圖6為同時納米圖形化藍寶石襯底和ITO透明電極示意圖。

圖7是本發(fā)明的制備工藝方法流程圖。

圖8為數(shù)值模擬納米圖形化ITO透明電極時表面結構圖。

圖9為數(shù)值模擬納米圖形化ITO透明電極時截面結構圖。

圖10為數(shù)值模擬納米圖形化藍寶石襯底表面結構圖。

圖11為數(shù)值模擬納米圖形化藍寶石襯底截面結構圖。

圖12為數(shù)值模擬同時納米圖形化藍寶石襯底表面和ITO透明電極時表面結構圖。

圖13為數(shù)值模擬同時納米圖形化藍寶石襯底表面和ITO透明電極時截面結構圖。

圖14為在LED透明電極表面制備周期450nm納米柱時與參考樣品的出光強度的比值，其中x軸為發(fā)光波長，y軸為增強倍數(shù)。

圖15為在藍寶石襯底表面制備周期450nm納米柱時與參考樣品的出光強度的比值，其中x軸為發(fā)光波長，y軸為增強倍數(shù)。

圖16為同時納米圖形化藍寶石襯底表面和ITO透明電極表面結構時與參考樣品的出光強度的比值，其中x軸為發(fā)光波長，y軸為增強倍數(shù)。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法進一步說明。

本發(fā)明的制備工藝方法其步驟如下：

（1）圖1為在藍寶石襯底制備納米柱陣列結構示意圖。在藍寶石101基片上制備單層密排的PS納米球，然后利用ICP刻蝕，ICP刻蝕可以選擇BCl₃和Ar氣，ICP功率為1200Ｗ，偏壓功率為325Ｗ。在氯仿溶液中去掉剩余的PS納米球，最后獲得如圖1所示結構。102為周期性的藍寶石納米結構。

（2）圖2為納米圖形化藍寶石襯底后的LED芯片結構示意圖。LED芯片的完整生長工藝如下：在藍寶石襯底102上沉積一層非摻雜GaN103，再生長一層n摻雜GaN104，然后生長多量子阱105，最后生長p摻雜GaN106。沉積一定厚度的銦錫金屬氧化物（ITO）107作為透明電極，然后再進行常規(guī)的加電極處理，例如涂光刻膠，第一次曝光，濕刻ITO，ICP刻GaN臺階，去膠，再涂光刻膠，第二次曝光，鍍p厚金108和n厚金110等, 如圖2所示。

（3）圖3為在LED芯片透明電極制備單層密排PS納米球示意圖。圖4為在LED芯片透明電極制備單層密排PS納米球，然后利用氧等離子刻蝕PS納米球示意圖。圖5為進行感應耦合等離子（ICP）刻蝕，將LED基片的ITO層刻蝕出周期性的納米柱陣列示意圖。圖6為同時納米圖形化藍寶石襯底和ITO透明電極示意圖。在LED芯片上制備ITO納米結構的工藝如下：首先利用單層密排的聚苯乙烯（PS）納米球108分布在LED基片的表面，如圖3所示；然后利用氧離子刻蝕PS納米球，可以有效地控制其直徑，如圖4所示；再進行感應耦合等離子（ICP）刻蝕，可以將LED基片的ITO層刻蝕出周期性的納米柱陣列, 如圖5所示;去掉PS小球，可以在ITO層得到周期性的圓臺形的納米柱陣列，如圖6所示。

圖7是本發(fā)明的制備工藝方法流程圖。

通過改變氧離子刻蝕和ICP刻蝕時間可以有效地控制ITO層納米柱陣列的尺寸和高度，從而使樣品具有較好的電學和光學特性。

本發(fā)明是在已經(jīng)納米圖形化p型GaN層的LED基片的基礎上將其透明電極也進行納米圖形化，可以進一步提高納米圖形化LED的出光效率。為了表明該方法的有效性，圖8-9數(shù)值模擬時納米圖形化ITO透明電極表面結構示意圖，圖10-11為納米圖形化藍寶石襯底表面結構示意圖，圖12-13為同時納米圖形化藍寶石襯底表面和ITO透明電極表面結構示意圖，圖14是在LED透明電極表面制備周期450nm納米柱時的增強倍數(shù)，圖15是在藍寶石襯底表面制備周期450nm納米柱時的增強倍數(shù)，圖16是同時納米圖形化藍寶石襯底表面和ITO透明電極表面結構時增強倍數(shù)。結果表明，同時納米圖形化藍寶石襯底表面和ITO透明電極表面結構的LED具有最大的萃取效率。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。