一种GaN基LED及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN基LED，通过在普通的LED出光面上镀上一层ZnO薄膜，因为ZnO的折射率在2.0左右，处于空气与GaN折射率之间，使有源层发出的光更易出射，本发明专利技术同时结合表面粗化和制备周期性结构排布的微孔图案来实现LED光提取效率的显著提高。本发明专利技术还公开了上述GaN基LED结构的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体、激光微加工和光信息
，具体是一种在发光二极管(LED)出光面上镀上一层ZnO薄膜，并对其表面采用等离子体粗化和飞秒激光制备周期性结构排布的微孔图案，以实现LED光提取效率的提高。
技术介绍
发光二极管(LED)是一种新型固态光源，具有绿色、高效、节能等优势，被认为是下一代的照明光源。目前已在手机、相机、显示、指示灯等方面得到了广泛应用，且在汽车灯、LCD背光源及夜景照明等方面也开始崭露头角。随着全球化城市化进程的加快和节能减排的深入人心，LED将在未来的照明产业展现出巨大的发展空间。目前，市场上的LED主要是基于GaN材料的LED，在世界范围内获得了广泛的关注和快速的发展，但是GaN基LED也面临着一系列问题，其中最重要的问题是怎样进一步提高其发光效率。随着半导体工艺进步及结构优化，GaN基LED的内量子效率已达到80%以上，而外量子效率仅有20% -30%左右。因此，低水平的外量子效率是高功率GaN基LED发展的主要技术瓶颈。通过提高外量子效率来提高输出功率成为半导体照明LED关键技术之一。可以看出在内量子效率上已没有太大的提升空间，而外量子效率低的主要原因在于LED光提取效率很低，提升光提取效率将是未来提高LED外量子效率的主要途径。造成光提取效率很低的原因是:GaN的折射率(η&Ν= 2.5)与空气(n air= 1)中的折射率相差较大，对应于临界全反射角Θ =23°，当有源区产生的光子在出射过程中从光密介质GaN入射到光疏介质空气中，使得超过该角度的出射光子将在界面处发生全反射现象而不能逃逸出去，反射回来的光子又被材料吸收产生热导致LED器件的发光效率进一步降低。因此如何采取有效的方式使这部分光逃逸出来，是提高GaN基LED输出功率的出发点，也是LED固态照明光源得到推广应用的关键所在。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种提高GaN基LED光提取效率的方法，在LED出光面上镀上一层ZnO薄膜，并同时结合表面粗化和制备周期性结构排布的微孔图案来实现LED光提取效率的显著提高。本专利技术还提供了上述出光面表面粗化和周期性结构排布的微孔图案的制作方法。为达到上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案:一种GaN基LED，所述LED包括依次叠放的蓝宝石基底、缓冲层GaN、n型GaN半导体层、多量子阱活性层、P型GaN半导体层，电连接到缓冲层η型GaN上的η型电极焊盘，电连接到Ρ型GaN半导体层上的ρ型电极焊盘，所述LED还包括ZnO薄膜结构，所述ZnO薄膜通过旋涂法镀在P型GaN半导体层上。优选的，所述ZnO薄膜厚度为10?15nm。所述GaN基LED的制备方法，具体步骤如下:1)在已经制备好的GaN基LED的ρ-型出光面上旋涂一层透明的ZnO薄膜；2)采用氩气和氢气混合形成的等离子体轰击ZnO薄膜的表面，在高能量粒子的作用下，ZnO薄膜表面形成毛绒状的粗化结构； 3)将粗化后的GaN基LED芯片放在飞秒激光系统的三维机械移动平台上，计算机控制聚焦物镜的移动使激光焦点在GaN基LED芯片出光面上扫描，改变飞秒激光的聚焦能量控制在出光面上形成直径在1.5?2 μ m，深度在40?45nm的微孔。优选的，所述步骤1)采用旋涂仪进行旋涂，旋转效率为8000r/s，旋转时间是50s。优选的，所述步骤2)等离子体的工作电压为80-100伏、等离子体所处腔室的真空度为1X10 3?7X10 3帕。优选的，步骤3)所述激光扫描按如下方法进行:利用20倍显微物镜将波长为800nm的飞秒激光聚焦在GaN基LED芯片的出光面上，入射激光能量5.8?20.2J/cm2，脉宽100?120fs,重复频率lkHzo优选的，所述步骤2)氩气与氢气的体积比例为3:1。本专利技术的有益效果在于:本专利技术提供了一种在LED出光面上镀上一层ZnO薄膜的GaN基LED，因为ZnO的折射率在2.0左右，处于空气与GaN折射率之间，使有源层发出的光更易出射，并同时结合表面粗化和制备周期性结构排布的微孔图案实现了 LED光提取效率的显著提高。【附图说明】为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图:图1表示在制备好的GaN基LED的ρ-型出光面上旋涂ZnO薄膜的工艺图；图2表示经过表面粗化和微孔图形化结构的GaN基LED芯片的电镜图；图3表示普通LED和新结构LED的光输出功率和注入电流的关系图； 图4表示普通LED和新结构LED的电致发光光谱图。【具体实施方式】下面将结合附图对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。实施例11、在已经制备好的GaN基LED(如图la所示)的ρ-型出光面上，采用旋涂法，旋涂一层透明的ZnO薄膜(如图lb所示)，旋涂仪的旋转效率为8000r/s，旋转时间是50s，ZnO的旋涂厚度为15nm ;2、在镀有ZnO薄膜的GaN基LED上，采用氩气和氢气混合(氩气:氢气=3:1)形成的等离子体，直接轰击ZnO薄膜的表面，在高能量粒子的作用，ZnO薄膜表面可以形成毛绒状的粗化结构(如图lc所示)；采用等离体子的具体参数为:产生等离子体的工作电压为80-100伏、等离子体所处腔室的真空度为IX 10 3?7X10 3帕；3、将粗化后的GaN基LED芯片放在飞秒激光系统的三维机械移动平台上，计算机控制聚焦物镜的移动使激光焦点在GaN基LED芯片出光面上扫描，具体参数:利用20倍显微物镜将波长为800nm的飞秒激光聚焦在GaN基LED芯片的出光面上，入射激光能量20.2J/cm2，脉宽 120fs,重复频率 1kHz ；4、通过改变飞秒激光的聚焦能量，控制在出光面上形成直径在1.5?2 μπι，深度在40?45nm的微孔(如图1d所示)。对经过表面粗化和微孔图形化结构的GaN基LED芯片的出光面进行电镜扫描，得到如图2所示的电镜扫描图。将实施例1制备的新结构LED与普通LED进行光输出功率和注入电流对比，得到如图3所示的关系图，由图3可明显看出新结构LED的输出功率相比于普通LED有显著提尚，提尚幅度大于50%。将实施例1制备的新结构LED与普通LED进行电致发光对比得到如图4所示的电致发光光谱图(在相同注入电流下，注入电流大小为120mA)，从图可以看出，发光谱的中心波长没有漂移，同时，新结构LED的光谱强度也有大幅度的提升。最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本专利技术的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本专利技术进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本专利技术权利要求书所限定的范围。【主权项】1.一种GaN基LED，所述LED包括依次叠放的蓝宝石基底、缓冲层GaN、n型GaN半导体层、多量子阱活性层、P型GaN半导体层，电连接到缓冲层η型GaN上的η型电极焊盘，电连接到Ρ型GaN半导体层上的P型电极焊盘，其特征在于，所述LED还包括ZnO薄膜结构，所述ZnO薄膜通过旋涂法镀在ρ型GaN半导体层上。2.根据权利要求1所述GaN基LED，其特征在于，所述ZnO薄膜厚度为10?15nm。3.权利要求1或2所述GaN基LED的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN基LED，所述LED包括依次叠放的蓝宝石基底、缓冲层GaN、n型GaN半导体层、多量子阱活性层、p型GaN半导体层，电连接到缓冲层n型GaN上的n型电极焊盘，电连接到p型GaN半导体层上的p型电极焊盘，其特征在于，所述LED还包括ZnO薄膜结构，所述ZnO薄膜通过旋涂法镀在p型GaN半导体层上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：唐孝生，臧志刚，魏靖，叶颖，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85