本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，特別是涉及一種高效率納米結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備工藝方法。

背景技術(shù)：

作為傳統(tǒng)燈具的替代產(chǎn)品，發(fā)光二極管(LED)照明發(fā)展前景廣闊，被譽(yù)為新一代的光源。LED光源是直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，能量轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)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。但是,目前LED的發(fā)光效率依然較低，嚴(yán)重制約了LED的應(yīng)用與發(fā)展。究其原因是半導(dǎo)體材料與周圍空氣存在較大的折射率差，根據(jù)Snell定律，大多數(shù)光子在界面會(huì)發(fā)生全反射，被材料再吸收或者形成波導(dǎo)模，最終只有少數(shù)的光子能出射到空氣中。為了解決上述問(wèn)題，人們發(fā)展了許多方法來(lái)解決上述問(wèn)題，從而提高LED芯片的出光效率。例如，常見(jiàn)的方法有芯片形狀的變化(2006Appl.Phys.Lett.89 071109)，納米圖形化表面技術(shù)(2012IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.48 891；2012App.Phys.Express 5,022101；2008Displays 29 254)，利用電極反射(2006Appl.Phys.Lett.88 013501)和制作光子晶體(2009Appl.Phys.Lett.94 123106；2007Appl.Phys.Lett.91 181109)等等。

一般而言，破壞LED和空氣界面的全反射條件是最直接提高LED出光效率的方法。常規(guī)LED芯片的最外層是電流擴(kuò)展層，而銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)材料目前已經(jīng)取代傳統(tǒng)的鎳金材料作為L(zhǎng)ED的電流擴(kuò)展層。目前有報(bào)道利用納米圖形化ITO透明電極提高LED的出光效率，也有報(bào)道利用納米球涂層提高LED的出光效率，但是尚沒(méi)有出現(xiàn)將納米圖形化ITO透明電極與制備單層的納米球結(jié)合起來(lái)，用于提高LED的發(fā)光效率的相關(guān)技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法，是先將納米圖形化ITO透明電極，然后再在透明電極上制備單層的納米球，從而進(jìn)一步提高納米圖形化ITO的LED的發(fā)光效率。

本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法，將納米圖形化透明電極和鋪覆介質(zhì)納米球的方法結(jié)合起來(lái)，即在一個(gè)LED芯片上先納米圖形化透明電極，然后再鋪覆單層的介質(zhì)納米球。

本發(fā)明的制備工藝方法，具體包括以下步驟：

1)在LED基片上沉積一定厚度的ITO(約200-400nm)作為透明電極，然后再進(jìn)行常規(guī)的厚金電極制備工藝，包括涂光刻膠，第一次曝光，濕刻ITO，ICP刻GaN臺(tái)階，去膠，再涂光刻膠；第二次曝光，鍍厚金等，從而完成制作厚金電極的制作；

2)在已經(jīng)制備好厚金電極的LED芯片上制作單層密排的聚苯乙烯(PS)納米球，然后利用氧離子刻蝕PS納米球，可以有效地控制其直徑，再進(jìn)行ICP刻蝕，可以將透明電極ITO表面刻蝕出周期性的納米柱陣列；通過(guò)改變氧離子刻蝕和ICP刻蝕時(shí)間可以有效地控制ITO納米柱陣列的尺寸和高度，從而使樣品具有較好的電學(xué)和光學(xué)特性；

3)通過(guò)光刻的辦法，把厚金電極保護(hù)起來(lái)，例如涂光刻膠，曝光，在厚金電極處沉積二氧化硅、金屬或者光刻膠，這樣把電極保護(hù)起來(lái)。這時(shí)再在LED芯片表面制備單層的PS納米球，然后把電極保護(hù)層去掉?？梢垣@得在透明電極層有PS納米球而在厚金電極處沒(méi)有PS納米球的LED芯片。

本發(fā)明中，可以根據(jù)LED芯片的發(fā)光波長(zhǎng)的不同從而選擇不同的PS納米球，例如對(duì)于藍(lán)光LED，可以選擇直徑約為450nm的小球；對(duì)于綠光LED，可以選擇直徑約為550nm的小球；對(duì)于紅光LED，可以選擇周期為650nm的小球。

本發(fā)明的制備工藝，方法是先將LED的ITO層納米圖形化，然后再根據(jù)發(fā)光波長(zhǎng)的不同鋪覆尺寸不同的PS納米小球。

本發(fā)明的制備工藝，利用干刻法進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)使用的氣體選自BCl₃、Cl₂、Ar之一或者幾種的組合。

借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明是在已經(jīng)納米圖形化ITO層的LED基片的基礎(chǔ)上再根據(jù)發(fā)光波長(zhǎng)選擇鋪覆尺寸不同的PS納米球，將納米圖形化透明電極ITO表面與鋪覆納米球技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可以進(jìn)一步提高納米圖形化LED的出光效率；

2、本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單、制備方法巧妙，是一種新型微納結(jié)構(gòu)LED的設(shè)計(jì)和制備工藝。

附圖說(shuō)明

圖1(a)～圖1(f)顯示的是本發(fā)明的制備工藝結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的制備工藝方法流程圖。

圖3顯示的是450nm直徑聚苯乙烯微球作為掩膜，ICP刻蝕ITO透明電極100s，去掉PS微球的形貌圖；

圖4(a)～(c)分別為數(shù)值模擬時(shí)納米圖形化ITO結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖4(a)為模擬時(shí)表面結(jié)構(gòu)圖，圖4(b)為模擬時(shí)截面結(jié)構(gòu)圖，圖4(c)為模擬時(shí)立體結(jié)構(gòu)圖。

圖5為納米圖形化ITO表面再附上合適的PS納米球的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖5(a)為模擬時(shí)表面結(jié)構(gòu)圖，圖5(b)為模擬時(shí)截面結(jié)構(gòu)圖，圖5(c)為模擬時(shí)立體結(jié)構(gòu)圖。

圖6是在LED表面制備周期450nm納米柱時(shí)與參考樣品的出光強(qiáng)度的比值，其中x軸為發(fā)光波長(zhǎng)，y軸為增強(qiáng)倍數(shù)。

圖7是納米圖形化ITO表面再附上合適的PS納米球時(shí)與參考樣品的出光強(qiáng)度的比值，其中x軸為發(fā)光波長(zhǎng)，y軸為增強(qiáng)倍數(shù)。

圖8顯示的是950nm直徑聚苯乙烯微球作為掩膜，氧離子刻蝕0s，ICP刻蝕ITO透明電極150s，去掉PS微球的形貌圖；

圖9顯示的是950nm直徑聚苯乙烯微球作為掩膜，氧離子刻蝕10s，ICP刻蝕ITO透明電極150s，去掉PS微球的形貌圖；

圖10顯示的是950nm直徑聚苯乙烯微球作為掩膜，氧離子刻蝕20s，ICP刻蝕ITO透明電極150s，去掉PS微球的形貌圖；

圖11顯示的是950nm直徑聚苯乙烯微球作為掩膜，氧離子刻蝕30s，ICP刻蝕ITO透明電極150s，去掉PS微球的形貌圖；

圖中標(biāo)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；108-PS納米小球；109-ITO納米柱結(jié)構(gòu)；110-n厚金屬電極。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開(kāi)了一種提高LED芯片(發(fā)光二極管)出光效率的方法，將納米圖形化透明電極和鋪覆介質(zhì)納米球的方法結(jié)合起來(lái)，即在一個(gè)LED芯片上先納米圖形化透明電極，然后鋪覆單層的介質(zhì)納米球。

該工藝步驟為：首先納米圖形化LED基片的透明電極ITO層，刻蝕出周期性的納米柱陣列；然后在上述ITO納米柱陣列層表面制備單層密排的介質(zhì)納米球陣列。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，制備方法巧妙，是在已經(jīng)納米圖形化透明電極的基礎(chǔ)上再鋪覆一層介質(zhì)納米球陣列，從而進(jìn)一步提高納米圖形化透明電極的LED的出光效率。

下面結(jié)合附圖和較佳實(shí)施例對(duì)一種提高LED芯片出光效率的制備工藝方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不僅限于以下的實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖1(a)～圖1(f)所示，LED基片的結(jié)構(gòu)如下：

在藍(lán)寶石襯底101上沉積一層非摻雜GaN102，再生長(zhǎng)一層n摻雜GaN103，然后生長(zhǎng)多量子阱104，最后生長(zhǎng)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(jìn)行常規(guī)的加電極處理，例如涂光刻膠，第一次曝光，濕刻ITO，ICP刻GaN臺(tái)階，去膠，再涂光刻膠；第二次曝光，鍍p厚金107和n厚金110等,如圖1(a)所示。

如圖2所示，本發(fā)明提高LED芯片出光效率的制備工藝方法，包括以下步驟：

首先，利用單層密排的直徑為450nm的聚苯乙烯(PS)納米球108分布在LED基片的表面，如圖1(b)所示；然后利用氧離子刻蝕PS納米球，可以有效地控制其直徑，如圖1(c)所示；再進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕，可以將LED基片的ITO層刻蝕出周期性的納米柱陣列,如圖1(d)所示；去掉PS小球，可以在p型GaN層得到周期性的圓臺(tái)形的納米柱陣列，如圖1(e)所示。

通過(guò)改變氧離子刻蝕和ICP刻蝕時(shí)間可以有效地控制ITO層納米柱陣列的尺寸和高度，從而使樣品具有較好的電學(xué)和光學(xué)特性。本實(shí)驗(yàn)中選擇直徑為450nm的PS小球，因此無(wú)需氧等離子體刻蝕，可以直接ICP進(jìn)行刻蝕，ICP刻蝕的時(shí)間為100s，去掉掩膜后結(jié)果，如圖3所示。

根據(jù)LED芯片的發(fā)光波長(zhǎng)，選擇合適的PS納米球，我們?cè)O(shè)計(jì)的是藍(lán)光LED芯片，此時(shí)選擇尺寸為450nm的PS納米球，在已經(jīng)被納米圖形化的ITO表面制備單層的PS納米球，如圖1(f)所示。

本發(fā)明是在已經(jīng)納米圖形化p型GaN層的LED基片的基礎(chǔ)上將其透明電極也進(jìn)行納米圖形化，可以進(jìn)一步提高納米圖形化LED的出光效率。

為了表明該方法的有效性，模擬如圖4,5所示，結(jié)果如圖6,7所示。例如，對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)為470nm的藍(lán)光LED，圖6的增強(qiáng)倍數(shù)為1.14，而圖7的增強(qiáng)倍數(shù)為1.16，由此可見(jiàn)在已經(jīng)納米圖形化ITO表面再附上合適的PS納米球可以有效地進(jìn)一步提高LED的出光效率。

實(shí)施例2

如圖2所示，本發(fā)明提高LED芯片出光效率的制備工藝方法，包括以下步驟：

1)在LED基片上沉積一定厚度的ITO(約200-400nm)作為透明電極，然后再進(jìn)行常規(guī)的厚金電極制備工藝，包括涂光刻膠，第一次曝光，濕刻ITO，ICP刻GaN臺(tái)階，去膠，再涂光刻膠；第二次曝光，鍍厚金等，從而完成制作厚金電極的制作；如圖1(a)所示。

2)在已經(jīng)制備好厚金電極的LED芯片上制作單層密排的直接為950nm的PS納米球，如圖1(b)所示。然后利用氧離子刻蝕PS納米球，如圖1(c)所示,可以有效地控制其直徑，刻蝕時(shí)間分布為0s,10s,20s和30s。

3)再進(jìn)行ICP刻蝕，可以將透明電極ITO表面刻蝕處周期性的納米柱陣列；ICP刻蝕的時(shí)間為150s，刻蝕深度大約為250nm。利用氯仿在超聲浴中去除殘余的PS小球。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8,9,10和11所示。

3)通過(guò)光刻的辦法，把厚金電極保護(hù)起來(lái)，例如涂光刻膠，曝光，在厚金電極處沉積二氧化硅，然后去膠，這樣把電極保護(hù)起來(lái)。

這時(shí)再在LED芯片表面制備單層的PS納米球，然后用酸把納米球?qū)尤サ??？梢垣@得在透明電極層有PS納米球而在厚金電極處沒(méi)有PS納米球的LED芯片。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。