[发明专利]一种利用周期性散射结构提高LED芯片出光效率的方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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. Express 2014, 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(IEEE Electron Device Lett. 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. Express 2010, 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(IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 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(IEEE J. Quantum Electron. 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，本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明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，本发明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。

本发明中，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。

本发明的制备工艺，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。