[发明专利]在发光二极管芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于涉及一种在发光二极管(LED)芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法，其工艺可以制作成为具有表面等离子体增强效应的LED。

背景技术

利用表面等离子体(surface plasmons,SPs)技术提高LED的出光效率也是当前研究的热点问题。主要是由于SPs具有特殊的性质，一方面，它可以用于提高LED的萃取效率，其原理是通过合适的金属微纳结构，使大于全内反射角而不能辐射出去的光激发SPs，然后使SPs再转化为光把能量辐射出去。另一方面，由于SPs具有很强的局域场特性，在共振时SPs有很高的态密度，这能够影响发光中心的辐射速率，从而提高发光中心的内量子效率，这非常合适用于提高一些内量子效率较低的芯片，例如绿光LED芯片。

局域等离子体(localized surface plasmon,LSP)往往具有更高的增强效率，因此纳米金属颗粒常常被应用于增强LED光发射效率。Park等人设计了一个与通常多量子阱LED略有不同的样品，他们把用于产生SPs效应的银粒子沉积于n-GaN和多量子阱之间，这样可以有效地解决p-GaN的厚度与SPs有效耦合距离的问题(Adv Mater.,2008,20:1253)。实验结果显示，与没有沉积银粒子的样品相比，有银粒子的样品的时间分辨光谱技术表明了其自发辐射速率得到了较大的提高。但是由于生产半导体材料的温度环境问题，大部分的银粒子会被蒸发掉，所以最后只获得1.3倍左右的蓝光增强。Park研究小组同样把这个技术应用于p-GaN上，他们也尝试了把用于产生SPs效应的银粒子沉积于p-GaN和多量子阱之间，实验上获得38％的光输出增强(Nanotechnology,2010,21：205201)。

利用SPs效应提高LED的发光效率引起了当前许多研究小组的兴趣，并且取得了许多引人注目的成果。SPs效应提高发光效率涉及比较多的研究内容，这主要包括如何设计金属纳米结构，使得它与量子阱的发光频率共振并且具有高的散射效率；还包括如何在量子阱的附近制备该金属纳米结构。特别是后者，由于SPs效应的有效作用距离仅为几十个纳米，因此许多研究小组要获得比较好的结果一般需要使用比较复杂的生长工艺(Nanotechnology,2008,19:345201)。

因此，如何使用低成本的纳米技术在发光量子阱附近制备合适的金属纳米结构，从而利用SPs效应提高LED的发光效率，仍是一个值得研究科研问题。本

发明内容

本发明的目的在于提供一种在发光二极管(LED)芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法，主要使用的是纳米球掩膜刻蚀沉积技术，能够在量子阱附近制备合适的金属纳米结构，从而避免复杂的生长工艺。

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。一种在发光二极管(LED)芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法，首先，利用纳米球掩膜刻蚀技术，在P-GaN层刻蚀出相应的纳米凹槽，然后沉积金属和电流隔离层，最后去掉相关的纳米球掩膜，这样金属纳米颗粒和电流隔离层可以填在纳米凹槽内，最后利用常规的工艺制作电极。

本发明提出一种在发光二极管(LED)芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法，具体包括以下步骤：

1)首先，在平面结构的LED芯片的P-GaN层制备单层密排的纳米球，可以先利用氧等离子体刻蚀PS纳米球，控制纳米柱的间隙，接着利用ICP进行刻蚀，刻蚀出周期性的P-GaN纳米柱阵列，那么纳米柱之间就有间隙结构；

2)在去掉纳米球掩膜前，利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积金属，沉积厚度大约为10-20nm，然后再利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积电流隔离层，沉积厚度大约为10-20nm；

3)去掉纳米球掩膜，最终在p-GaN层获得周期性的纳米柱阵列结构，并且纳米柱的间隙有金属纳米颗粒和电流隔离层颗粒结构；

4)沉积约300-400nm的ITO作为透明电极，然后进行常规的厚金电极工艺处理，包括涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶；第二次曝光，镀厚金等，从而完成制作厚金电极的制作。最终获得具有表面等离子体增强效应的LED成品。

本发明的制备工艺方法，步骤a中，在P-GaN层制备单层密排的纳米球，所述纳米球可以是单分散的聚苯乙烯微球(Polystyrene，PS)、单分散的二氧化硅微球，所述单分散的微球直径在200nm-2um之间。