一种利用周期性散射结构提高LED芯片出光效率的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用周期性散射结构提高发光二极管(LED)芯片出光效率的方法，在LED的透明电极层氧化铟锡（ITO）层沉积导电的ITO或者氧化锌(ZnO)纳米颗粒，从而提高LED的出光效率，并且无损器件的电学特性。该工艺步骤为：1）在已经制作好厚金电极的LED芯片上制备单层密排的聚苯乙烯（PS）纳米球；2）可以用氧等离子体刻蚀PS纳米球的尺寸，控制掩膜球的大小；3）沉积ITO或ZnO薄膜；4）去掉掩膜，获得周期性的ITO或ZnO纳米结构。本发明专利技术是在ITO的表面制作附加的ITO或ZnO纳米结构，可以有效地把ITO内部的波导模耦合出来，在整个过程没有刻蚀到LED芯片，从而不会影响器件的电学特性。

Method for improving light efficiency of LED chip by using periodic scattering structure

The invention discloses a method using periodic scattering structure to improve the light emitting diode (LED) chip optical efficiency, the transparent electrode layer of indium tin oxide LED (ITO) layer deposition of conductive ITO or Zinc Oxide (ZnO) LED nano particles, so as to improve the light efficiency, electrical properties and non-destructive device. The process comprises the following steps: 1) the preparation of close packed monolayer of polystyrene in LED chip has been produced on the thick gold electrode (PS) nanoparticles; 2) with oxygen plasma etching of PS nano ball size, ball control mask size; 3) deposition of ITO or ZnO film; 4) to remove the mask. To obtain a periodic ITO or ZnO nano structure. The present invention is in the production of additional ITO or ZnO nano structure on the surface of ITO, can effectively put out the ITO internal coupling waveguide mode, no etching to the LED chip in the whole process, which does not affect the electrical properties of devices.

【技术实现步骤摘要】
一种利用周期性散射结构提高LED芯片出光效率的方法
本专利技术涉及一种发光二极管，特别是涉及一种利用周期性散射结构提高LED芯片出光效率的方法。
技术介绍
作为传统灯具的替代产品，发光二极管(LED)作为一种环保的新型光源受到了广泛的关注。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。然而,由于LED中存在临界全反射角，导致了LED的发光效率偏低。全反射使得LED产生的光子不能逃逸到空气中，入射角超过临界全反射角的光子会在LED内部来回反射，直至光子能量转化为LED的内能，使LED过热，寿命缩短，光提取效率大大下降。因此，提高LED光提取效率的研究具有一定的意义。由于GaN材料有较高的折射率，从而导致LED较低萃取效率，因此，利用微纳米技术制备相关的微纳米结构或者粗化表面,从而增大光输出的临界角，破坏LED材料界面的全反射，应该是最直接提高LED出光效率的方法。例如,Hao等人用光刻的方法在平面结构的p-GaN表面制作周期性的纳米圆锥结构，具有该纳米结构样品的出光效率也能增加到参考样品的2.2倍左右(App.Phys.Express2014,7:102101)。Hsieh等人则利用100nm的二氧化硅小球作为掩模，通过刻蚀获得高度约为70nm的纳米圆柱，他们分别纳米图形化p-GaN的表面和ITO的表面，获得了38.5%和27.9%的光输出增强(IEEEElectronDeviceLett.2008,29:658)。Hou等人则使用直径为1.5微米的PS小球作为掩模，在p-GaN的表面制作六角纳米孔阵，与传统LED相比，其光输出增加45%(Appl.Phys.Lett.2009,95:133105)。此外，纳米图形化并不局限于表面图案化，通过增加刻蚀深度，将各外延层包括有源层均进行刻蚀，可以进一步提高LED的出光效率(Opt.Express2010,18:7664)。例如Huang等人利用100nm直径的二氧化硅纳米球作为掩模从p-GaN一直刻蚀到GaN多量子阱层，形成微纳LED阵列结构，并注入旋布玻璃防止pn结短路，不但能增强出光，而且使出光更加集中于法线方向(IEEEJ.Sel.TopicsQuantumElectron.2009,15:1242)。Shin等人也采用类似的技术，从ITO层一直刻蚀到n-GaN层，刻蚀深度为500nm，获得最大的增强倍数为普通LED的1.37倍(IEEEJ.QuantumElectron.2010,46:116)。在上述讨论的提高LED出光效率的方法中，相关纳米结构的制备需要刻蚀工艺，这些刻蚀工艺会一般影响器件的电学特性，从而导致器件有较高的漏电电流。并且现在LED的透明电极越做越薄，如果对ITO的透明电极再进行刻蚀，会严重影响LED的电学特性。为了解决上述问题，本专利技术设计了一种不需要刻蚀工艺来提高LED出光效率的方法，即在LED的透明电极层ITO层沉积ZnO或者ITO纳米结构，从而提高LED的出光效率，并且无损器件的电学特性。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种利用周期性散射结构提高LED芯片出光效率的方法，其利用附加的纳米结构提高LED芯片的出光效率，并且对LED的电学特性毫无影响。即在已经制备好厚金电极的LED芯片，在芯片的透明电极ITO层沉积ITO或ZnO周期性纳米颗粒或者纳米孔阵结构，利用纳米颗粒散射提高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利用附加的周期性纳米结构提高LED芯片的出光效率，即在LED的透明电极层ITO层沉积ITO或ZnO纳米结构，本专利技术的方法包括以下步骤：1）在制备好厚金电极的常规LED芯片的表面制作单层的PS纳米球，可以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。2）利用磁控溅射的方法沉积一定厚度的ITO薄膜，在氯仿中超声去掉PS掩膜和电极保护层，可以获得周期性的ITO或ZnO纳米结构。本专利技术中，可以根据LED芯片的发光波长的不同从而选择不同尺寸的PS纳米球、不同的刻蚀PS纳米球时间和不同的ITO或ZnO沉积厚度。本专利技术的制备工艺，可以利用磁控溅射或者其他相关的方法来沉积ITO或ZnO薄膜，然后去掉掩膜从而获得相关的纳米结构。本专利技术的制备工艺中，所沉积的材料可以是ITO或者是ZnO材料，也可以是其他导电的光学透明的材料。在步骤1中，为了使样品有更好的导电性，在制备单层的PS纳米球之前，可以用光刻的方法制备厚金电极保护层，然后再制备单层的PS纳米球掩膜，其他方法不变。借由上述技术方案，本专利技术具有的优点是：1、本专利技术是在LED芯片的透明电极表面制备附加的纳米结构，无需用到刻蚀工艺，无损器件的电学特性，可以有效地提高LED的发光效率。2、本专利技术的设计原理简单、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1是本专利技术的制备工艺方法流程图。图2为在制备好透明电极与厚金电极的LED表面制备单层密排PS纳米球的示意图。图3为利用氧等离子体刻蚀PS纳米球掩膜结构示意图。图4为在被刻蚀后的掩膜表面沉积一定厚度（20-300nm）的ZnO或者ITO结构。图5为去掉掩膜，获得周期性ZnO或者ITO纳米结构示意图。图中标示如下：101-衬底；102-非掺杂GaN；103-n掺杂GaN；104-多量子阱；105-p掺杂GaN；106-ITO透明电极；107-p厚金属电极；109-n厚金属电极；108-PS纳米球；110和111均为溅射的ZnO或者ITO颗粒。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术提出的一种利用附加的周期性纳米结构提高LED芯片的出光效率的制备工艺方法做进一步说明。图1为本专利技术的工艺流程图,图2-图5显示的是本专利技术的步骤示意图。本专利技术的制备工艺方法步骤如下：（1）LED基片的结构如下：在蓝宝石衬底101上沉积一层非掺杂GaN102，再生长一层n掺杂GaN103，然后生长多量子阱104，最后生长p掺杂GaN105。沉积一定厚度的铟锡金属氧化物（ITO）106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107和n厚金109等。利用单层密排的直径为1000nm的聚苯乙烯（PS）纳米球108分布在LED基片的表面，图2为在制备好透明电极与厚金电极的LED表面制备单层密排PS纳米球的示意图。（2）利用氧等离子体刻蚀5秒左右,刻蚀PS纳米球,可以有效地控制其直径。图3为利用氧等离子体刻蚀PS纳米球掩膜后的结构示意图。（3）利用磁控溅射沉积100nm的ITO，图4为在被刻蚀后的掩膜表面沉积一定厚度100nm的ITO或ZnO结构。（4）在氯仿中超声若干分钟，去掉PS掩膜，获得周期性的ITO纳米结构。图5为去掉掩膜，获得周期性ZnO或者ITO纳米结构示意图。以上所述，仅是本专利技术的较佳实施例而已，并非对本专利技术作任何形式上的限制，故凡是未脱离本专利技术技术方案内容，依据本专利技术的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用周期性散射结构提高 LED芯片出光效率的方法，其特征在于：对于已经制备好厚金电极的LED芯片，在芯片的透明电极ITO层沉积周期性纳米颗粒或者纳米孔阵结构，利用纳米颗粒散射提高LED的出光效率，所述的纳米结构材料是在可见光波段透过率较高的导电材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用周期性散射结构提高LED芯片出光效率的方法，其特征在于：对于已经制备好厚金电极的LED芯片，在芯片的透明电极ITO层沉积周期性纳米颗粒或者纳米孔阵结构，利用纳米颗粒散射提高LED的出光效率，所述的纳米结构材料是在可见光波段透过率较高的导电材料。2.根据权利要求1所述的利用周期性散射结构提高LED芯片出光效率的方法，其特征在于：所述周期性纳米颗粒结构为ITO材料或氧化锌（ZnO）材料。3.根据权利要求1所述的利用周期性散射结构提高LED芯片出光效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：a、在制备好厚金电极的LED芯片表面制备单层密排的聚苯乙烯（PS）纳米球；先用氧离子刻蚀微球，控制微球的尺寸，然后以此微球为模板，来获得不同的占空比的纳米球掩膜；b、利用磁控溅射的方法沉积ITO或ZnO薄膜，在...

【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