[發(fā)明專利]一種LED外延片表面制備TiO2納米柱陣列的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110107701.1
• 申請日: 2011-04-28
• 公開（公告）號: CN102214738A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝霄鵬;劉曉燕;吳擁中;尹正茂;周偉家;徐現(xiàn)剛
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/44;B82Y40/00
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 于冠軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在LED(發(fā)光二極管)外延片表面制備二氧化鈦(TiO₂)納米柱陣列的方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

二十世紀(jì)九十年代初，以氮化物為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料獲得了歷史性突破，在GaN基材料上成功地制備出綠色、藍(lán)色和紫色LED，使得LED白光照明成為可能。隨著GaN基LED性能的不斷提高，用短波長LED加熒光粉制備的白光LED發(fā)光效率得到大幅度的提高，現(xiàn)已被業(yè)界公認(rèn)為是可以替代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明燈具的所謂綠色照明光源。目前已被廣泛應(yīng)用于景觀亮化、路燈照明、室內(nèi)照明和以礦燈為代表的特種照明領(lǐng)域。

LED發(fā)光效率由LED內(nèi)量子效率(η_int)和光提取效率(η_extr)決定(可參考文獻(xiàn)M.K.Kwon，J.Y.Kim，K.S.II.Kyu?Park，G.Y.Kim，S.J.Jung，J.W.Park，Kim，Y.C.Kim，Appl.Phys.Lett.92(2008)251110)。提高LED發(fā)光效率的途徑一般有兩種，一種是提高LED的內(nèi)量子效率，這與外延片的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)有關(guān)；第二種途徑是提高光的提取效率。發(fā)光二極管內(nèi)量子效率比較高，藍(lán)光LED的內(nèi)量子效率可以達(dá)到為60％-70％，而紅光LED的內(nèi)量子效率可以高達(dá)99％。因此要想提高LED的發(fā)光效率，比較有效的方法是提高光的提取效率。

影響LED光的提取效率的主要原因是，發(fā)光二極管半導(dǎo)體材料與空氣的折射率相差很大(GaN折射率n≈2.5，空氣折射率n≈1)，全內(nèi)反射和斯涅爾損耗導(dǎo)致量子阱產(chǎn)生光的出射角度小且界面反射率高，有源區(qū)產(chǎn)生的光大部分由于空氣與半導(dǎo)體界面的全內(nèi)反射而被限制在半導(dǎo)體中無法提取出來，對于GaN材料，逃逸錐面的臨界角大約為23°，逃逸錐面之外的光因全反射被襯底或活性層或電極重復(fù)反射或者吸收。粗略估計，只有1/4n²的光能夠被提取出來，對于藍(lán)光LED而言僅有4％的光可以被提取出來。

因此，減少全反射，增大逃逸光錐的臨界角，成為提高提取效率的有效手段。表面粗化是一種常用的方法。利用特殊外延生長(可參考文獻(xiàn)W.Lee，J.Limb，J.H.Ryou，D.Yoo，T.Chung，R.D.Dupuis，Influence?of?growth?temperature?and?growth?rate?of?p-GaNlayers?on?the?characteristics?of?green?light?emitting?diodes，J.Electron.Mater.，2006，35，587-591.)、干法刻蝕P-GaN(可參考中國專利文獻(xiàn)CN101494272A公開的《能使LED的P-GaN層表面粗化的制作方法》)、濕法腐蝕P-GaN(可參考文獻(xiàn)C.Huh，K.S.Lee，E.J.Kang，S.J.Park，Improved?light-output?and?electrical?performance?of?InGaN-basedlight-emitting?diode?by?microroughening?of?the?p-GaN?surface，J.Appl.Phys.，2003，93，9383-9385)等獲得表面粗化的方法均可提高LED光提取效率。但由于外延生長粗糙的P-GaN表面需要額外的外延生長時間，因此成本也比較高；干法刻蝕外延層，可能會對有源區(qū)造成損傷，從而降低甚至抵消對發(fā)光增強的效果；濕法腐蝕法由于GaN化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，濕法腐蝕通常要用到強酸強堿等腐蝕性溶液，對操作非常不便，并且由于濕法腐蝕的各向同性，很容易產(chǎn)生鉆蝕和過蝕，粗化的尺寸和深度受到一定的限制(通常小于100nm)。Kyung-MinYoon等通過納米壓印的方法在藍(lán)光LED表面制備了TiO₂的納米柱陣列，有效地提高了LED的出光(可參考文獻(xiàn)Kyung-Min?Yoon，Ki-Yeon?Yang，Kyeong-Jae?Byeon，Heon?Lee，F(xiàn)fficientGaN?slab?vertical?light-emitting?diode?covered?wth?a?patterned?high-index?layer，APPLIED?PHYSICS?LETTERS?92，241118(2008))，但是這種方法成本較大，并且具有單一性，一塊壓印模板對應(yīng)一種納米柱陣列，不容易制備不同形狀的納米柱陣列。

發(fā)明內(nèi)容