一種利用周期性散射結構提高LED芯片出光效率的方法技術

本發明專利技術公開了一種利用周期性散射結構提高發光二極管(LED)芯片出光效率的方法，在LED的透明電極層氧化銦錫（ITO）層沉積導電的ITO或者氧化鋅(ZnO)納米顆粒，從而提高LED的出光效率，并且無損器件的電學特性。該工藝步驟為：1）在已經制作好厚金電極的LED芯片上制備單層密排的聚苯乙烯（PS）納米球；2）可以用氧等離子體刻蝕PS納米球的尺寸，控制掩膜球的大小；3）沉積ITO或ZnO薄膜；4）去掉掩膜，獲得周期性的ITO或ZnO納米結構。本發明專利技術是在ITO的表面制作附加的ITO或ZnO納米結構，可以有效地把ITO內部的波導模耦合出來，在整個過程沒有刻蝕到LED芯片，從而不會影響器件的電學特性。

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.

【技術實現步驟摘要】
一種利用周期性散射結構提高LED芯片出光效率的方法
本專利技術涉及一種發光二極管，特別是涉及一種利用周期性散射結構提高LED芯片出光效率的方法。
技術介紹
作為傳統燈具的替代產品，發光二極管(LED)作為一種環保的新型光源受到了廣泛的關注。LED光源是直接將電能轉化為光能，能量轉換效率相當高，理論上它只需要白熾燈１０％的能耗或者是熒光燈５０％的能耗。然而,由于LED中存在臨界全反射角，導致了LED的發光效率偏低。全反射使得LED產生的光子不能逃逸到空氣中，入射角超過臨界全反射角的光子會在LED內部來回反射，直至光子能量轉化為LED的內能，使LED過熱，壽命縮短，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義。由于GaN材料有較高的折射率，從而導致LED較低萃取效率，因此，利用微納米技術制備相關的微納米結構或者粗化表面,從而增大光輸出的臨界角，破壞LED材料界面的全反射，應該是最直接提高LED出光效率的方法。例如,Hao等人用光刻的方法在平面結構的p-GaN表面制作周期性的納米圓錐結構，具有該納米結構樣品的出光效率也能增加到參考樣品的2.2倍左右(App.Phys.Express2014,7:102101)。Hsieh等人則利用100nm的二氧化硅小球作為掩模，通過刻蝕獲得高度約為70nm的納米圓柱，他們分別納米圖形化p-GaN的表面和ITO的表面，獲得了38.5%和27.9%的光輸出增強(IEEEElectronDeviceLett.2008,29:658)。Hou等人則使用直徑為1.5微米的PS小球作為掩模，在p-GaN的表面制作六角納米孔陣，與傳統LED相比，其光輸出增加45%(Appl.Phys.Lett.2009,95:133105)。此外，納米圖形化并不局限于表面圖案化，通過增加刻蝕深度，將各外延層包括有源層均進行刻蝕，可以進一步提高LED的出光效率(Opt.Express2010,18:7664)。例如Huang等人利用100nm直徑的二氧化硅納米球作為掩模從p-GaN一直刻蝕到GaN多量子阱層，形成微納LED陣列結構，并注入旋布玻璃防止pn結短路，不但能增強出光，而且使出光更加集中于法線方向(IEEEJ.Sel.TopicsQuantumElectron.2009,15:1242)。Shin等人也采用類似的技術，從ITO層一直刻蝕到n-GaN層，刻蝕深度為500nm，獲得最大的增強倍數為普通LED的1.37倍(IEEEJ.QuantumElectron.2010,46:116)。在上述討論的提高LED出光效率的方法中，相關納米結構的制備需要刻蝕工藝，這些刻蝕工藝會一般影響器件的電學特性，從而導致器件有較高的漏電電流。并且現在LED的透明電極越做越薄，如果對ITO的透明電極再進行刻蝕，會嚴重影響LED的電學特性。為了解決上述問題，本專利技術設計了一種不需要刻蝕工藝來提高LED出光效率的方法，即在LED的透明電極層ITO層沉積ZnO或者ITO納米結構，從而提高LED的出光效率，并且無損器件的電學特性。
技術實現思路
本專利技術旨在提供一種利用周期性散射結構提高LED芯片出光效率的方法，其利用附加的納米結構提高LED芯片的出光效率，并且對LED的電學特性毫無影響。即在已經制備好厚金電極的LED芯片，在芯片的透明電極ITO層沉積ITO或ZnO周期性納米顆?；蛘呒{米孔陣結構，利用納米顆粒散射提高LED的出光效率。本專利技術的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本專利技術提出一種利用附加的周期性納米結構提高LED芯片的出光效率，即在LED的透明電極層ITO層沉積ITO或ZnO納米結構，本專利技術的方法包括以下步驟：1）在制備好厚金電極的常規LED芯片的表面制作單層的PS納米球，可以先用氧離子刻蝕微球，控制微球的尺寸，而LED表面并未被刻蝕；然后以此微球為模板，來獲得不同的占空比的納米球掩膜。2）利用磁控濺射的方法沉積一定厚度的ITO薄膜，在氯仿中超聲去掉PS掩膜和電極保護層，可以獲得周期性的ITO或ZnO納米結構。本專利技術中，可以根據LED芯片的發光波長的不同從而選擇不同尺寸的PS納米球、不同的刻蝕PS納米球時間和不同的ITO或ZnO沉積厚度。本專利技術的制備工藝，可以利用磁控濺射或者其他相關的方法來沉積ITO或ZnO薄膜，然后去掉掩膜從而獲得相關的納米結構。本專利技術的制備工藝中，所沉積的材料可以是ITO或者是ZnO材料，也可以是其他導電的光學透明的材料。在步驟1中，為了使樣品有更好的導電性，在制備單層的PS納米球之前，可以用光刻的方法制備厚金電極保護層，然后再制備單層的PS納米球掩膜，其他方法不變。借由上述技術方案，本專利技術具有的優點是：1、本專利技術是在LED芯片的透明電極表面制備附加的納米結構，無需用到刻蝕工藝，無損器件的電學特性，可以有效地提高LED的發光效率。2、本專利技術的設計原理簡單、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1是本專利技術的制備工藝方法流程圖。圖2為在制備好透明電極與厚金電極的LED表面制備單層密排PS納米球的示意圖。圖3為利用氧等離子體刻蝕PS納米球掩膜結構示意圖。圖4為在被刻蝕后的掩膜表面沉積一定厚度（20-300nm）的ZnO或者ITO結構。圖5為去掉掩膜，獲得周期性ZnO或者ITO納米結構示意圖。圖中標示如下：101-襯底；102-非摻雜GaN；103-n摻雜GaN；104-多量子阱；105-p摻雜GaN；106-ITO透明電極；107-p厚金屬電極；109-n厚金屬電極；108-PS納米球；110和111均為濺射的ZnO或者ITO顆粒。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術提出的一種利用附加的周期性納米結構提高LED芯片的出光效率的制備工藝方法做進一步說明。圖1為本專利技術的工藝流程圖,圖2-圖5顯示的是本專利技術的步驟示意圖。本專利技術的制備工藝方法步驟如下：（1）LED基片的結構如下：在藍寶石襯底101上沉積一層非摻雜GaN102，再生長一層n摻雜GaN103，然后生長多量子阱104，最后生長p摻雜GaN105。沉積一定厚度的銦錫金屬氧化物（ITO）106作為透明電極，然后再進行常規的加電極處理，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107和n厚金109等。利用單層密排的直徑為1000nm的聚苯乙烯（PS）納米球108分布在LED基片的表面，圖2為在制備好透明電極與厚金電極的LED表面制備單層密排PS納米球的示意圖。（2）利用氧等離子體刻蝕5秒左右,刻蝕PS納米球,可以有效地控制其直徑。圖3為利用氧等離子體刻蝕PS納米球掩膜后的結構示意圖。（3）利用磁控濺射沉積100nm的ITO，圖4為在被刻蝕后的掩膜表面沉積一定厚度100nm的ITO或ZnO結構。（4）在氯仿中超聲若干分鐘，去掉PS掩膜，獲得周期性的ITO納米結構。圖5為去掉掩膜，獲得周期性ZnO或者ITO納米結構示意圖。以上所述，僅是本專利技術的較佳實施例而已，并非對本專利技術作任何形式上的限制，故凡是未脫離本專利技術技術方案內容，依據本專利技術的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用周期性散射結構提高?LED芯片出光效率的方法，其特征在于：對于已經制備好厚金電極的LED芯片，在芯片的透明電極ITO層沉積周期性納米顆?；蛘呒{米孔陣結構，利用納米顆粒散射提高LED的出光效率，所述的納米結構材料是在可見光波段透過率較高的導電材料。

【技術特征摘要】
1.一種利用周期性散射結構提高LED芯片出光效率的方法，其特征在于：對于已經制備好厚金電極的LED芯片，在芯片的透明電極ITO層沉積周期性納米顆粒或者納米孔陣結構，利用納米顆粒散射提高LED的出光效率，所述的納米結構材料是在可見光波段透過率較高的導電材料。2.根據權利要求1所述的利用周期性散射結構提高LED芯片出光效率的方法，其特征在于：所述周期性納米顆粒結構為ITO材料或氧化鋅（ZnO）材料。3.根據權利要求1所述的利用周期性散射結構提高LED芯片出光效率的方法，其特征在于，包括以下步驟：a、在制備好厚金電極的LED芯片表面制備單層密排的聚苯乙烯（PS）納米球；先用氧離子刻蝕微球，控制微球的尺寸，然后以此微球為模板，來獲得不同的占空比的納米球掩膜；b、利用磁控濺射的方法沉積ITO或ZnO薄膜，在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳湛旭，萬巍，陳泳竹，何影記，
申請(專利權)人：廣東技術師范學院，
類型：發明
國別省市：廣東,44