[发明专利]一种嵌入TiO2纳米棒图形阵列提高LED发光效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用嵌入在ITO和p-GaN之间的周期性图形化分布的二氧化钛(TiO₂)纳米棒阵列提高发光二极管(LED)发光效率的方法，属于光电子技术领域。

背景技术

随着光电子技术的发展，LED发光效率不断提高。LED发光范围覆盖整个可见光区，而且短波长紫外LED和长波长红外LED不断发展。LED以其自身独特的优点成为新一代绿色照明光源。LED已广泛应用于白光照明、彩色显示屏、背光源、彩灯装饰等领域。但是LED的实际发光效率与其理论最大效率还有很大差距，许多提高LED发光效率的研究正在进行。

LED发光效率由LED内量子效率（η_int）和光提取效率（η_extr）决定（可参考文献M.K.Kwon,J.Y.Kim,K.S.II.Kyu Park,G.Y.Kim,S.J.Jung,J.W.Park,Kim,Y.C.Kim,Appl.Phys.Lett.92(2008)251110）。提高LED发光效率的途径一般有两种，一种是提高LED的内量子效率，这与外延片的质量和结构有关；第二种途径是提高光的提取效率。发光二极管内量子效率比较高，蓝光LED的内量子效率达到70%以上，而红光LED的内量子效率可以高达99%。因此目前提高LED的发光效率的方法主要是LED的光提取效率。

影响LED光的提取效率的主要原因是，发光二极管半导体材料与空气的折射率相差很大（GaN折射率n≈2.5，空气折射率n=1），全内反射和菲涅尔损耗导致量子阱产生光的出射角度小且界面反射率高，有源区产生的光大部分由于空气与半导体界面的全内反射而被限制在半导体中无法提取出来，对于GaN材料，逃逸光锥的临界角大约为23°，逃逸光锥之外的光被反射回芯片，被衬底、有源区和电极等吸收。粗略估计，只有1/4n²的光能够被提取出来，对于蓝光LED而言仅有4%的光可以被提取出来。

因此，破坏全反射条件，增大逃逸光锥角，并减小菲涅尔损耗，成为提高提取效率的有效手段。表面粗化是一种非常有效的提高光提取效率的方法，其中在LED出光面生长高折射率的微米或纳米结构的方法提高LED光提取效率高，受到很大关注，研究价值很高。其中在LED外延片表面制备二氧化钛（TiO₂）纳米柱阵列是一种良好的提高LED发光的方法（参考中国专利文献CN102214738A《一种LED外延片表面制备TiO₂纳米柱阵列的方法》，文献Xiaoyan Liu,Weijia Zhou,Zhengmao Yin,Xiaopeng Hao,Yongzhong Wu and Xiangang Xu,“Growth of single-crystalline rutile TiO₂nanorod arrays on GaN light-emitting diodes with enhanced light extraction,”J.Mater.Chem.22,3916-3921(2012)）。TiO₂折射率可以调控在2.5-2.7之间，从LED有源区发出的光经过p-GaN几乎无损失地进入TiO₂纳米棒阵列，通过TiO₂纳米棒的散射作用把光提取出芯片。虽然这种粗化方式避免了对LED的p-GaN层的损伤，但是此方法也存在严重缺点，即电流扩展层的缺失导致LED管芯的电学性能很差。传统GaN基LED由于p-GaN层很薄（通常200nm左右）且横向导电性很差，通常p-GaN上会生长一层100-400nm厚的透明氧化铟锡即ITO作为电流扩展层。当p-GaN表面除电极之外的区域被不导电的TiO₂纳米棒完全覆盖时，即使将ITO生长在TiO₂纳米棒阵列上也起不到电流扩展的作用，此时p电极附近局部电流密度极高，其它区域电流密度很低，导致LED电流注入不均匀，有源区量子阱的发光效率降低，LED电学性能变差，LED的发光寿命也会缩短。陈淼等人利用具有浮凸结构的硅橡胶弹性印章，以TiO₂溶胶作为墨水，利用微接触印刷技术在各种平面的基片上直接压印制得具有图案化微结构的TiO₂薄膜(可参考中国专利文献CN1785683A《图案化二氧化钛微结构的制备方法》)。此方法是制作的图案化TiO₂薄膜，表面平整，几乎不能增加表面粗糙度，如果涂在LED表面，对LED的光提取基本没有增强作用。而且此方法是在常温下空气中自然干燥得到的图案化TiO₂薄膜，粘附性差，与LED工艺不兼容。