[发明专利]一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法及应用，属于发光二极管制造的技术领域。

背景技术

发光二极管(LED)是一类可直接将电能转化为光能的发光器件，具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、光响应时间短、光色纯等优点，在日常生活中得到了广泛的应用，如固态照明、大型户外显示屏、液晶显示背光灯、交通信号灯等领域。对于LED的各项性能指标来说，发光效率是其最重要的参数之一。根据LED结构特征及发光效率的定义可知，提高LED发光效率的决定性因素有两个，即内量子效率和外量子效率。对于内量子效率的提高，主要是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实现。随着多量子阱结构的应用和薄膜生长技术的不断改进，LED外延结构的质量得到了很大提高，红光LED的内量子效率已经达到99％。因此，从提高内量子效率的角度来增加LED的发光效率的发展空间不大。因此，目前现有的研究主要集中在提高LED的光提取效率来提高其外量子效率，进而提高LED的发光效率。

以AlGaInP基红光LED为例，虽然其内量子效率可达到99％，但其发光效率却不足10％，这是由于LED和空气界面处的全反射造成的。由于其最上层的电流扩展层和窗口层为GaP，折射率n≈3.4，而空气的折射率为n＝1，根据菲涅尔公式计算可知全反射临界角仅为17°。也就是说，由于界面处的全反射现象，仅有不足4％的光可以逃逸出LED表面，其余的光则被反射回LED内部，经过多次反射后最终被量子阱等吸收掉。因此，减少全反射，增大逃逸光锥的临界角，成为提高光LED提取效率的有效手段。目前较为常见、有效的方法就是在LED表面进行微结构图形化处理，如湿法腐蚀、干法刻蚀等技术。

2003年，Fujii等人(Appl.Phys.Lett.,84,855,2004)以KOH溶液为电解液，采用光电化学方法对GaN基LED进行了腐蚀，实现了GaN基LED的表面粗化，使得光提取效率增加了将近一倍。然而，这种利用湿法腐蚀技术对LED表面进行粗化的技术存在致命的缺点：1)湿法腐蚀具有各向异性，重复性差；2)难以精确控制腐蚀的速率和深度；3)腐蚀得到的表面图形结构单一，难以对光提取效果进行优化。

2010年Jing等人(Journal of Semiconductors,31,64008,2010)采用等离子体刻蚀的方法对红光LED的窗口层p-GaP进行了图形化处理，其过程包括：1)窗口层p-GaP表面SiO₂层的制备；2)利用等离子体溅射技术在SiO₂表面溅射相应厚度的贵金属层；3)氮气气氛中400-500℃温度下的热处理；4)利用SiCl₄和Ar气组成的的混合腐蚀气体对p-GaP进行等离子体刻蚀；5)最后分别用稀释的KI和HF溶液去除LED外延片表面的金属覆盖层和SiO₂保护层。显而易见，该方法制备过程及其复杂，而且成本很高，无法实现大规模应用。另外，等离子体刻蚀会对LED窗口层结构造成损伤，影响LED的电学性能。

国际专利文献W02012119286A1公布了一种光辅助红光LED磷化镓窗口层的湿法腐蚀方法。该专利中公布了一种利用光辅助的湿法腐蚀技术对对红光发光二极管出光表面进行表面粗化的技术，实现了对p-GaP窗口层的随机腐蚀，提高了LED的光提取效率。但此种方法重复性差，腐蚀图形结构取决于表面缺陷，不能精确控制腐蚀图形的结构和深度，因此也无法对表面粗化结构进行优化控制。

发明内容

针对以上技术的不足，本发明提出了一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法。

本发明还提供了上述方法的应用方法。

发明概述：

一种基于纳米划痕技术提高LED光提取效率的方法是在纳米压痕仪的基础上，通过控制施加在样品表面的载荷大小或图形的深宽比等参数，采用划痕技术手段对LED芯片外延结构进行图形化处理，进而提高LED的光提取效率。本发明可应用于各种结构的GaAs基LED、GaN基LED及OLED表面的粗化及刻蚀，具有适用材料范围广、加工面积大、图形的深度和宽度等加工参数严格可控、对材料损伤小、精度高、效果好等优点，适合大规模批量性生产，在高亮度LED生产中具有很大的应用潜力。

发明详述：