[发明专利]一种利用纳米压痕提高发光二极管光提取效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用纳米压痕提高发光二极管光提取效率的方法，属于半导体光电材料器件制备领域。

背景技术

近年来，发光二极管(LED)在大功率及室内固体照明，大面积显示屏，汽车工业异界新型节能照明领域的市场得到快速地增长，全世界大量的科研机构加大对发光二极管的研究。由于当前社会对节能环保光源以及商业发展的要求，发光二极管(LED)技术的发展取得了长足的进步，被认为在接下来一个世纪中最为重要同时最具有发展前景的固体光源。

发光二极管利用多量子阱中电子与空穴对的复合发射光子发光，即在电流注入下部分电子得到激发，激发后的电子发生跃迁而发射光子。对发光二极管的各项技术指标来说，最关键的就是其发光效率。根据发光二极管结构特征，其发光效率曝光两个部分：一是内量子效率，可以通过改进外延片量子阱结构和提高外延结构的晶体质量来提高内量子效率，由于随着多量子阱结构的应用和博生生长技术的提高，红光发光二极管的内量子效率已经接近99％，提高空间不大；二是外量子效率，其中光提取率是外量子效率的最主要部分。由于III-V族半导体的折射率比较高，根据菲涅耳定律，只有很小一部分光能够套逃逸出发光二极管外延片，以AlGaInP红光发光二极管威力，只有约2.16％的光能够射出表面的GaP层，其余部分均发生全反射，在外延片内多次吸收，转化为热，从而在一定程度上影响降低发光二极管的效率。所以提高发光二极管效率的研究主要集中于如何提高发光二极管的光提取效率。有多重不同的方法提高发光二极管的光提取效率，包括改变单个发光二极管外延片形状，利用表面等离激元提高光提取效率，利用激光技术和化学腐蚀提高光提取效率，以及利用光子晶体提高光提取效率。

1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.首先提出利用刻蚀的方法对半导体材料出光表面进行粗化从而提高发光二极管的外量子效率的方法，得到了50％的光提取效率。表面粗化提高发光二极管光提取效率的原理是利用粗糙表面破坏发光二极管芯片内的全反射结构，使得原本可能发生全反射的光子直接射出，或通过多次反射后射出发光二极管芯片。表面粗化结构有效的提高了射出发光二极管表面的光线比例。利用刻蚀的方法对发光二极管表面进行粗化存在以下不足：1.等离子刻蚀中所使用的离子对半导体材料的掺杂比例产生影响，导致半导体量子特性发生改变，影响电学性能；2.等离子刻蚀设备昂贵，使用成本较高，大大提高了发光二极管的制造成本，3.刻蚀对半导体表面的粗化形貌及尺寸缺少控制，无法进行优化。4.加工时间长，不利于规模化生产。

PCT国际专利申请W02012119286A1题注一种光辅助红果LED磷化镓窗口成的是伐粗话方法中利用光辅助的方法，使用湿法腐蚀对红光发光二极管出光表面进行表面粗化的技术。该技术实现了对p-GaP窗口层的随机腐蚀，在p-GaP表面十倍出随机的腐蚀结构。但此种方法依然无法对粗化结构进行控制和优化。

Alexei A.Erchak等人在Appl.Phys.Lett.上发表文章利用二维光子晶体结构在GaAs为基底的InGaP/InGaAs发光二极管上实现了6倍的光提取效率的提高(Applied Physics Letters78,563(2001))。该方法中在InGaP表面使用SiO2作为掩膜利用电子束曝光技术在光子晶体区域做出所需的三角形二维光子晶体图案，之后利用RIE刻蚀将一伙的的图形传递到InGaP表面，最后还是利用RIE刻蚀去除表面的SiO₂，获得光子晶体结构。K.McGroddy等人在Appl.Phys.Lett.上发表了利用光子晶体在GaN发光二极管上控制发射方向并实现光提取率提高(Applied Physics Letters93,103502(2008))。该方法中同样先利用电子束曝光，然后再用RIE刻蚀在GaN蓝光发光二极管的ITO层获得晶格尺寸为185nm，深度为120nm，占空比为30％的光子晶体结构。通过这种方法光提取效率获得了3.5倍的提高。以上两种方法的不足之处在于：1.电子束曝光设备几期昂贵，单次加工面积极为有限；2.需要在发光二极管表面生长一层SiO₂薄膜，并通过两次RIE刻蚀，工序较为复杂；3.虽然所获得的光子晶体结构可以得到控制，但占空比和光子晶体结构的深度有限，对光提取效率的提高较为有限。