一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法技术

本发明专利技术公开了一种提高LED芯片出光效率的方法，将纳米图形化透明电极和蓝宝石衬底结合起来，即在一个LED芯片上先纳米图形化蓝宝石衬底，然后生长LED芯片，最后在纳米图形化透明电极ITO层。本发明专利技术是把最底层的蓝宝石衬底和芯片最外层的透明电极同时纳米图形化，可以有效地提高LED芯片的发光效率。本发明专利技术利用纳米球掩膜刻蚀的方法制备纳米结构，适合批量大面积地生产，价格低廉。

Preparation method for improving light efficiency of LED chip

The invention discloses a method for improving LED chip light efficiency, the nano patterning of transparent electrode and the sapphire substrate together in a LED chip first nano patterned sapphire substrate, then the growth of LED chip, finally ITO transparent electrode layer on the nano pattern. In the invention, the transparent electrode of the outermost sapphire substrate and the outermost surface of the chip is simultaneously patterned with nanometer, so that the luminous efficiency of the LED chip can be effectively improved. The invention adopts nanometer ball mask etching method to prepare nanometer structure, and is suitable for producing in large quantity and large area, and the price is low.

【技术实现步骤摘要】
一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法
本专利技术涉及一种发光二极管，特别是涉及一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法。
技术介绍
作为传统灯具的替代产品，发光二极管(LED)照明发展前景广阔，被誉为新一代的光源。LED光源是直接将电能转化为光能，能量转换效率相当高，理论上它只需要白炽灯１０％的能耗或者是荧光灯５０％的能耗。但是,目前LED的发光效率依然较低，严重制约了LED的应用与发展。究其原因是半导体材料与周围空气存在较大的折射率差，根据Snell定律，大多数光子在界面会发生全反射，被材料再吸收或者形成波导模，最终只有少数的光子能出射到空气中。为了解决上述问题,人们发展了许多方法来解决上述问题，从而提高LED芯片的出光效率。例如常见的方法有芯片形状的变化（2006Appl.Phys.Lett.89071109），纳米图形化表面技术（2012IEEEJ.Sel.Top.QuantumElectron.48891；2012App.Phys.Express5,022101；2008Displays29254），利用电极反射（2006Appl.Phys.Lett.88013501）和制作光子晶体（2009Appl.Phys.Lett.94123106；2007Appl.Phys.Lett.91181109）等等。一般而言，为了极大效率地提高LED的出光效率，往往可以把多种纳米结构结合起来，从而可以极大效率地提高LED的出光效率。对于目前常见的商业化LED芯片，其衬底一般是蓝宝石衬底，而其出光面一般是铟锡氧化物（indiumtinoxide，ITO）透明电极，因此本专利技术主要是把一个常规的LED芯片同时纳米图形化蓝宝石衬底层和透明电极出光层，从而极大地提高LED的出光效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，先在蓝宝石衬底上制备纳米结构，然后按照普通的工艺生长LED结构，制备厚金电极，最后再在透明电极上制备纳米结构，从而极大地提高LED的出光效率。本专利技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本专利技术提出一种同时纳米图形化蓝宝石衬底层和透明电极出光层的制备工艺方法，包括以下步骤：1）在蓝宝石护衬底上制备单层的二氧化硅纳米球，利用ICP刻蚀，在蓝宝石衬底上刻蚀出周期性的纳米结构。2）在蓝宝石衬底上进行常规的芯片生长过程，先生长非掺杂GaN层，再生长n掺杂GaN层，然后生长3-5层量子阱层，接着生长p掺杂GaN层，制作成为常规的平面结构LED芯片。3）在LED基片上沉积一定厚度的ITO（约200-400nm）作为透明电极，然后再进行常规的厚金电极制备工艺，包括涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶；第二次曝光，镀厚金等，从而完成制作厚金电极的制作。4）在已经制备好厚金电极的LED芯片上制作单层密排的聚苯乙烯（PS）纳米球，然后利用氧离子刻蚀PS纳米球，可以有效地控制其直径，再进行ICP刻蚀，可以将透明电极ITO表面刻蚀处周期性的纳米柱阵列；通过改变氧离子刻蚀和ICP刻蚀时间可以有效地控制ITO纳米柱阵列的尺寸和高度，从而使样品具有较好的电学和光学特性。本专利技术的制备工艺，利用干刻法进行刻蚀，刻蚀时使用的气体选自BCl3、Cl2、Ar之一或者几种的组合。借由上述技术方案，本专利技术具有的优点是：1、本专利技术是把最底层的蓝宝石衬底和芯片最外层的透明电极同时纳米图形化，可以有效地提高LED芯片的发光效率。2、本专利技术利用纳米球掩膜刻蚀的方法制备纳米结构，适合批量大面积地生产，价格低廉。2、本专利技术的制备方法巧妙，是一种新型微纳结构LED的设计和制备工艺。附图说明以下结合附图及实施例对本制备工艺做进一步说明：图中标示如下：101-蓝宝石衬底；102-蓝宝石衬底的纳米柱阵列；103-非掺杂GaN；104-n掺杂GaN；105-多量子阱；106-p掺杂GaN；107-ITO透明电极；108-p厚金属电极；109-纳米小球；110-n厚金属电极；111-ITO纳米柱阵列结构。图1为在蓝宝石衬底制备纳米柱阵列结构示意图。图2为纳米图形化蓝宝石衬底后的LED芯片结构示意图。图3为在LED芯片透明电极制备单层密排PS纳米球示意图。图4为在LED芯片透明电极制备单层密排PS纳米球，然后利用氧等离子刻蚀PS纳米球示意图。图5为进行感应耦合等离子（ICP）刻蚀，将LED基片的ITO层刻蚀出周期性的纳米柱阵列示意图。图6为同时纳米图形化蓝宝石衬底和ITO透明电极示意图。图7是本专利技术的制备工艺方法流程图。图8为数值模拟纳米图形化ITO透明电极时表面结构图。图9为数值模拟纳米图形化ITO透明电极时截面结构图。图10为数值模拟纳米图形化蓝宝石衬底表面结构图。图11为数值模拟纳米图形化蓝宝石衬底截面结构图。图12为数值模拟同时纳米图形化蓝宝石衬底表面和ITO透明电极时表面结构图。图13为数值模拟同时纳米图形化蓝宝石衬底表面和ITO透明电极时截面结构图。图14为在LED透明电极表面制备周期450nm纳米柱时与参考样品的出光强度的比值，其中x轴为发光波长，y轴为增强倍数。图15为在蓝宝石衬底表面制备周期450nm纳米柱时与参考样品的出光强度的比值，其中x轴为发光波长，y轴为增强倍数。图16为同时纳米图形化蓝宝石衬底表面和ITO透明电极表面结构时与参考样品的出光强度的比值，其中x轴为发光波长，y轴为增强倍数。具体实施方式下面结合附图和实施例对一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法进一步说明。本专利技术的制备工艺方法其步骤如下：（1）图1为在蓝宝石衬底制备纳米柱阵列结构示意图。在蓝宝石101基片上制备单层密排的PS纳米球，然后利用ICP刻蚀，ICP刻蚀可以选择BCl3和Ar气，ICP功率为1200Ｗ，偏压功率为325Ｗ。在氯仿溶液中去掉剩余的PS纳米球，最后获得如图1所示结构。102为周期性的蓝宝石纳米结构。（2）图2为纳米图形化蓝宝石衬底后的LED芯片结构示意图。LED芯片的完整生长工艺如下：在蓝宝石衬底102上沉积一层非掺杂GaN103，再生长一层n掺杂GaN104，然后生长多量子阱105，最后生长p掺杂GaN106。沉积一定厚度的铟锡金属氧化物（ITO）107作为透明电极，然后再进行常规的加电极处理，例如涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶，第二次曝光，镀p厚金108和n厚金110等,如图2所示。（3）图3为在LED芯片透明电极制备单层密排PS纳米球示意图。图4为在LED芯片透明电极制备单层密排PS纳米球，然后利用氧等离子刻蚀PS纳米球示意图。图5为进行感应耦合等离子（ICP）刻蚀，将LED基片的ITO层刻蚀出周期性的纳米柱阵列示意图。图6为同时纳米图形化蓝宝石衬底和ITO透明电极示意图。在LED芯片上制备ITO纳米结构的工艺如下：首先利用单层密排的聚苯乙烯（PS）纳米球108分布在LED基片的表面，如图3所示；然后利用氧离子刻蚀PS纳米球，可以有效地控制其直径，如图4所示；再进行感应耦合等离子（ICP）刻蚀，可以将LED基片的ITO层刻蚀出周期性的纳米柱阵列,如图5所示;去掉PS小球，可以在ITO层得到周期性的圆台形的纳米柱阵列，如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，其特征在于：将纳米图形化透明电极和蓝宝石衬底结合起来，即在一个LED芯片上先纳米图形化蓝宝石衬底，然后生长LED芯片，最后在纳米图形化透明电极ITO层。

【技术特征摘要】
1.一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，其特征在于：将纳米图形化透明电极和蓝宝石衬底结合起来，即在一个LED芯片上先纳米图形化蓝宝石衬底，然后生长LED芯片，最后在纳米图形化透明电极ITO层。2.根据权利要求1所述的提高LED芯片出光效率的制备工艺方法，其特征在于：具体包括以下步骤：a、首先纳米图形化LED的蓝宝石衬底，刻蚀出周期性的纳米柱陈列，然后生长非掺杂GaN层，再生长n掺杂GaN层，然后生长3-5层量子阱层，接着生长p掺杂GaN层，沉积ITO透明电极，最后利用传统工艺制备厚金电极；b、在制作好厚金电极的LED芯片上制备周期性的ITO纳米柱阵列，在制作好厚金电极的LED芯片上制备单层的纳米球掩膜，先用氧离子刻蚀微球，控制微球的尺寸，而LED表面并未被刻蚀；然后以此微球为模板，来获得不同的占空比的纳米球掩膜，接着再利用干刻法来刻蚀LED样品，将LED基片的透明电极ITO层刻蚀出周期性的纳米柱阵列；将残余的PS纳米球去掉。3.根据权利要求2所述的提高LED芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈湛旭，万巍，陈泳竹，何影记，
申请(专利权)人：广东技术师范学院，
类型：发明
国别省市：广东,44