[发明专利]带有ZnO微米图形阵列的LED管芯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED管芯，该管芯通过带有ZnO微米图形阵列以提高其发光效率，本发明还涉及到这种带有ZnO微米图形阵列的LED管芯的制备方法，属于光电子技术领域。

背景技术

LED在各种彩色显示屏、LCD背光源、指示灯、白光照明灯等方面得到了广泛的应用。高效率、高功率一直是LED技术领域的前沿课题。由于LED材料自身折射率高（GaN折射率n≈2.5），全内反射和菲涅尔损耗非常严重，只有少部分光从LED中提取出来，限制了LED的发光效率。针对这个问题，人们通过在LED表面构造微结构以提高光提取效率，有以下几种思路：中国专利文献CN101110461公开的《利用衍射效应的表面微柱阵列结构高效率发光二极管》，是在p型GaN上等离子体耦合刻蚀（ICP）微米柱阵列结构，通过微米柱衍射效应提高LED发光效率；Jeong等人在LED表面制作了一圈高6um宽2微米ZnO墙，可以提高LED光功率30%（参考文献H.Jeong,Y.H.Kim,T.H.Seo,H.S.Lee,J.S.Kim,E.-K.Suh,and M.S.Jeong,Opt.Express,20(10),10597-10604(2012)）。

虽然前者能得到p型GaN微米柱，但是众所周知p型GaN非常薄（通常在200nm左右），ICP刻蚀后极易导致漏电或电压升高，而且刻蚀深度很浅，光栅衍射效果非常不明显，对于提高LED发光效率不明显，再者ICP设备价格昂贵，成本高；后者只用了一圈ZnO微米墙，相对LED出光面太小，对LED提取没有充分发挥出来。

发明内容

针对现有提高LED光提取效率各种方法存在的缺陷和问题，本发明提供一种不会对LED管芯的电学性能造成破坏、能够使发光效率得到明显提高的带有ZnO微米图形阵列的LED管芯，同时提供一种该LED管芯的制备方法。

本发明的带有ZnO微米图形阵列的LED管芯，是在LED管芯的发光面上溅射有一层厚度为20nm-400nm的ZnO种子层，ZnO种子层上生长有ZnO微米图形阵列。

所述ZnO微米图形阵列，可以是一维光栅结构，或者是ZnO微米网孔组成的二维光栅结构，也可以是微米ZnO柱组成的周期阵列。微米网孔或微米柱是六方或四方周期排列。

上述LED管芯利用ZnO微米图形结构的衍射和散射原理，高效率的导出发射光，不仅可以更高比例的提取发射光，也保证了发光二极管整个发光表面出光的均匀性。

上述带有ZnO微米图形阵列的LED管芯的制备方法，包括以下步骤：

（1）用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法在衬底上外延生长完整的外延片结构，制作完整LED管芯结构；

（2）在LED管芯的发光面上溅射一层厚度为20nm-400nm的ZnO种子层；

（3）在ZnO种子层上，通过掩膜光刻工艺（甩胶、光刻、曝光和显影），得到光刻胶微米周期图形；

（4）以光刻胶微米周期图形为模板生长ZnO微米图形阵列：把步骤（3）得到的LED管芯置入高浓度锌源前躯体混合液中，锌源前躯体混合液为硝酸锌或醋酸锌与氨水或六次甲基四胺溶液的混合液，硝酸锌或醋酸锌的浓度为0.1M-0.5M，混合液PH值为6-8，在60℃-100℃水温下水热反应1小时-12小时，然后降至室温，取出后用去离子水冲洗，用氮气吹干；ZnO在光刻胶的间隙中生长合并外延，紧密排列填满光刻胶的间隙；

（5）用去胶液去除光刻胶，即得到光刻胶反图形的ZnO微米图形阵列；

（6）通过减薄，解离成单个LED管芯。

所述步骤（5）中的ZnO微米图形阵列的周期排列方式(微米网孔或微米柱是六方或四方排列，一维光栅是平行的条状排列）、周期为（0.5μm-20μm)、图形占空比（0.2-0.8）和图形形状（圆形、正方形、六角形或三角形等）可由光刻工艺制作的光刻胶模板调节，图形高度（0.5μm-10μm）可由ZnO水热生长时间（1小时-12小时）调节。