本发明专利技术公开了一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片及其制备方法，所述LED芯片包括芯片半导体层、与芯片半导体层连接的蓝宝石薄膜层、蓝宝石光栅和金属光栅，蓝宝石光栅为在蓝宝石上设置多个通孔形成的光栅微结构，蓝宝石光栅设置在蓝宝石薄膜层上，金属光栅设置在蓝宝石光栅通孔内的一端并与蓝宝石薄膜层连接，金属光栅的厚度为50-70nm。本发明专利技术的优点是：将金属微结构光栅置于倏逝波的衰减长度内，由于表面等离子效应和金属对光子的强散射特性，那些因全内反射而被限制在半导体层的光子能够更多地辐射出半导体层进入蓝宝石基底，从而增加了提升光子提取效率的可能；采用介质光栅与金属光栅组合的形式更加有效地提升了芯片的光提取效率。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片及其制备方法，所述LED芯片包括芯片半导体层、与芯片半导体层连接的蓝宝石薄膜层、蓝宝石光栅和金属光栅，蓝宝石光栅为在蓝宝石上设置多个通孔形成的光栅微结构，蓝宝石光栅设置在蓝宝石薄膜层上，金属光栅设置在蓝宝石光栅通孔内的一端并与蓝宝石薄膜层连接，金属光栅的厚度为50-70nm。本专利技术的优点是：将金属微结构光栅置于倏逝波的衰减长度内，由于表面等离子效应和金属对光子的强散射特性，那些因全内反射而被限制在半导体层的光子能够更多地辐射出半导体层进入蓝宝石基底，从而增加了提升光子提取效率的可能；采用介质光栅与金属光栅组合的形式更加有效地提升了芯片的光提取效率。【专利说明】具有金属介质组合光栅结构的LED芯片
本专利技术涉及一种可用于增强LED光提取效率的复合光栅结构，主要是基于金属材 料所具有的表面等离子效应和对光子的强散射特性。
技术介绍
发光二极管（LED)作为一种半导体固体发光元件，已被广泛地应用于各种器械和 设备的发光元件中，具有体积小、使用寿命长、响应速度快等优势，使其成为现今备受瞩目 的绿色新型光源。尽管在过去的几十年里LED的发光效率已得到了显著的提升，但是对用 于照明光源的白光来说其效率还很低，大概在10%左右，略高于白炽灯泡的效率而低于日 光灯泡的效率。因此为了更加高效地利用能源，需要LED芯片具有尽量高的外量子效率 (EQE)。LED的外量子效率是由内量子效率（IQE)和光提取效率（LEE)的乘积所构成，前者与 Lm)芯片外延层的晶格质量，参杂浓度以及外延层与基底的晶格匹配等因素相关，后者则与 芯片的微结构几何形状，以及LED的封装等因素相关。因此为了提高LED的发光效率，需要 增加其内量子效率以及光提取效率，本专利技术的核心主要集中在增强LED的光提取效率上。 在LED芯片内，由于全内反射的原因，电子空穴辐射复合后在有源区产生的光子 很难逃出芯片，特别是对于那些由折射率差别较大的材料所构成的芯片来说，其逃逸锥非 常小，从而将大部分光子限制在芯片内，使得芯片的光提取效率非常低，例如对于氮化镓 (GaN)半导体平板来说，其光提取效率大约为l/4n 2 (4%)，其中η为GaN的折射率，取2. 5。 这些不能逃逸出芯片的光子在芯片内形成近场倏逝波模式及各种波导模式，最终被芯片吸 收以热量的形式被耗散。微结构光谱控制方法可用于控制发光器件的光谱辐射特性，在器 件中引入微结构后，通过微结构改变辐射电磁波在器件内的近场特性，从而实现发光器件 的效率提升。在以往的研究中，已有多种引入微结构的方法提出用于增强LED的光提取效 率，例如文献 1 (Schnitzer，et al·，30% external quantum efficiency from surface textured, thin-film light-emitting diodes, Appl. Phys· Lett·, 1993)采用粗化芯 片表面的方法来提升芯片的光提取效率，从而可以使得芯片的外量子效率增大30%。在之后 的研究中光子晶体（PhCs)被广泛地应用于增强Lm)的光提取效率，其增强效果更好。基于 金属材料的微结构也被应用于LED芯片的发光增强。例如，在芯片内靠近多量子阱（MQWs) 的位置放置金属薄膜，由于激发的表面等离子（SPs)效应，可有效地增强LED的内量子效 率。同时，文献 2(Drezet，et al·，Opening the light extraction cone of high index substrates with plasmonic gratings: Light emitting diode applications, Appl. Phys. Lett.，2009)在高折射率磷化镓（GaP)基板上放置等离子金属微结构光栅可增大光 子通过基板的逃逸锥。在现有的报道中都只是涉及到采用单独的介质光栅或者金属光栅用 于LH)光的提取，对于采用两者组合的结构来增强发光效率未见报道。本专利技术通过将金属 介质组合微结构光栅引入芯片的光提取特性中，利用金属材料具有的表面等离子效应 及光栅结构的散射特性，以使芯片的光提取效率得到更大的提升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于增强LED的发光效率，提出一种能更加有效提升LED芯片光提 取效率的微结构组合。 本专利技术原理： 在蓝宝石基底上刻蚀贯穿基底的多个通孔，制成蓝宝石光栅，在位于通孔一端的 蓝宝石表面上镀金属薄膜，进入蓝宝石光栅通孔内的金属膜层厚度达到一定厚度时，再通 过湿法化学刻蚀技术刻蚀掉通孔外蓝宝石表面的金属薄膜，通孔内剩余金属形成金属光 栅，然后再在金属光栅和蓝宝石光栅表面镀一层致密的蓝宝石薄膜以覆盖住整个金属及蓝 宝石光栅表面，最后在蓝宝石薄膜上生长LED半导体层，制成倒装芯片（flip-chip)的LED 结构。基于此结构的LED芯片，当电子空穴在活性层因辐射复合辐射出光子后，产生的光子 到达蓝宝石薄膜和半导体层分界面时因为折射率差异较大的原因，会有大部分的光子在界 面发生全内反射，从而在界面两侧存在大量的近场倏逝波模式。由于在金属光栅表面所镀 的蓝宝石层很薄，这样使得金属光栅尽量都处于倏逝波的衰减长度内，从而更加有利于在 金属光栅表面激发表面等离子效应以及增强光栅结构对光子的散射作用，以此增大芯片的 光提取效率。同时，蓝宝石基底光栅结构对进入蓝宝石层的光子也起到降低光子形成波导 模式的机率，增强对光子的散射作用，进一步提升芯片的光提取效率。 实现本专利技术目的的技术方案是：一种具有金属介质组合光栅结构的LH)芯片，所 述LED芯片包括芯片半导体层、与芯片半导体层连接的蓝宝石薄膜层、蓝宝石光栅和金属 光栅，所述的蓝宝石光栅为在蓝宝石上设置多个通孔形成的光栅微结构，所述蓝宝石光栅 设置在蓝宝石薄膜层上，所述的金属光栅设置在蓝宝石光栅通孔内的一端并与蓝宝石薄膜 层连接，所述的金属光栅的厚度为50-70nm。 所述的蓝宝石光栅的最小重复单元为菱形或方形结构。 所述的蓝宝石光栅的周期为500nm，蓝宝石光栅的周期是指相邻两个通孔之间的 距离。 所述的蓝宝石光栅的填充率为30%，填充率是指通孔的面积占蓝宝石表面积的比 值。 所述金属光栅的材质为银或错。 所述的蓝宝石薄膜层厚度为10-20nm。 所述的蓝宝石光栅的厚度为60 μ m。 一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片的制备方法，包括以下步骤： (1)在蓝宝石基底上刻蚀贯穿基底的多个通孔，制成蓝宝石光栅； (2)在位于通孔一端的蓝宝石表面上镀金属薄膜直至进入蓝宝石通孔内的金属薄 膜厚度达50-70nm，再刻蚀掉蓝宝石表面即通孔外的金属，在通孔内一端形成金属光栅； (3)在金属光栅和蓝宝石光栅表面镀蓝宝石薄膜层； (4)在蓝宝石薄膜层上生长芯片半导体层。 步骤（1)中所述的蓝宝石基底厚60 μ m，所述的刻蚀采用电子束刻蚀法。 步骤（2)中所述金属薄膜为银薄膜或铝薄膜，所述的金属薄膜采用磁控溅射法制 备；所述的刻蚀采用湿法化学刻蚀法。 步骤（3)中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片，其特征在于所述LED芯片包括芯片半导体层、与芯片半导体层连接的蓝宝石薄膜层、蓝宝石光栅和金属光栅，所述的蓝宝石光栅为在蓝宝石上设置多个通孔形成的光栅微结构，所述蓝宝石光栅设置在蓝宝石薄膜层上，所述的金属光栅设置在蓝宝石光栅通孔内的一端并与蓝宝石薄膜层连接，所述的金属光栅的厚度为50‑70nm。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宣益民，李强，韩玉阁，苟于春，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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