[发明专利]发光二极管表面金属周期性亚波长结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于发光二极管技术(LED)领域，具体涉及基于表面金属周期性亚波长结构激发的表面等离子体激元(SPPs，Surface Plasmon Polaritons)增强的发光二极管技术领域。

背景技术

用LED取代传统光源是各国寻找节能、低耗及环保照明的一个有效途径。目前在InGaN(氮化铟镓)基量子阱基础上已开发出可发射紫外、蓝光、绿光和红光的明亮LED光源，开始广泛应用于LCD背光源、照明和交通灯。但是由于受到诸如发光效率不高等因素的制约，导致目前照明用LED以流明为单位记的制造成本尚远高于荧光灯。另外，发光效率越高，发热就越少，提升发光效率的同时也就缓解了大功率LED散热的难题。因此为了LED照明的市场化推广，必须尽量提高LED的发光效率和发光亮度，降低每流明光通量LED的制造成本。

人们一直不断努力提升LED的发光效率，如在衬底和有源层之间加入分布布拉格反射层(DBR)；或者将管芯结构从GaAs(砷化镓)衬底上剥离下来然后粘接在蓝宝石衬底上等，但目前基于此类方案的研究成果大多不甚理想。

与此同时，近年来对表面等离子体激元(SPPs)的研究进展很快。SPPs是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式，或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近，沿表面传播，并能在特定微纳结构条件下形成光场增强。

目前为止，将SPPs效应应用于LED效率增强的研究已经初见成效。如申请号为200880126069.1的中国发明专利申请中提到在LED发光层表面加入了金属结构，沿着界面形成的表面等离子体激元偏振扩展到该至少一个量子阱，这增加了从该至少一个量子阱发射的电磁辐射的横向磁场分量的自发发射速率。但是该专利申请没有公开金属结构的具体尺寸以及具体制备方法，以至于本领域的普通技术人员难以实施。又如申请号为201120030792.9的中国实用新型专利申请中将SPPs应用于光致发光材料(PL)，该方案公开了金属结构以及该金属结构的制备方法，但是该方法主要用于光致发光材料，LED主要是电致发光，因此方法难以直接应用于LED，该专利公开的金属结构的制备方法的难题在于：对于金属亚波长周期性结构，发光增强效果明显但是制备工艺复杂、成本太高；而用相对简单的方法制备出非周期性的粗糙结构，其增强效果相比前者难以令人满意。

发明内容

本发明的目的是为了采用简便的工艺提高现有的半导体发光二极管(LED)的发光效率，提出了发光二极管表面金属周期性亚波长结构及其制备方法。

本发明的技术方案是：发光二极管表面金属周期性亚波长结构，其特征在于，在半导体发光二极管的P型GaN层和N型GaN层上裸露的并且未被N电极和P电极覆盖的区域设置一层金属周期性亚波长结构，所述金属周期性亚波长结构从下到上依次包括了隔离层、纳米金属点阵层和保护层，所述隔离层贴附在P型GaN层之上，所述隔离层为厚度为20～30nm的SiN_x增透膜，所述保护层为厚度为15～25nm的SiO₂或SiN_x或ZnO保护膜，所述纳米金属点阵层为金属纳米点阵，所述纳米点的直径为50～100nm，纳米点间距为250～500nm，点阵周期为350～500nm，纳米点的厚度为100～300nm。

本发明的另一技术方案是：发光二极管表面金属周期性亚波长结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：AAO薄膜的制备。具体过程如下：

步骤11：铝片预处理：先后进行退火、除油、去除氧化层、电抛光过程；

步骤12：一次阳极氧化过程：以草酸作为电解质溶液，铅为阴极，铝为阳极，循环水冷却，磁力搅拌，稳流控制，一次氧化后样品表面能会生成一层较薄微孔性氧化膜，取出用去离子水洗净、烘干、备用；

步骤13：除氧化膜：在40.0℃恒温的6％H₃PO₄与1.8％H₂CrO₄的体积比为1∶1混合液中浸泡15h后，去除一次氧化膜，取出，洗净，烘干，备用；

步骤14：二次阳极氧化过程：二次氧化是在一次氧化膜溶解后留下的凹坑基础上进行的，因此会在凹坑处优先腐蚀，此时样品表面缺陷和细纹已经基本消除，故二次氧化膜的膜孔分布更加均匀、有序，形成了高度有序的自组织模板；