[發明專利]發光二極管表面金屬周期性亞波長結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201210076282.4
• 申請日: 2012-03-21
• 公開（公告）號: CN102593305A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 林祖倫;宋科田;祁康成;曹貴川
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L33/40
• 分類號: H01L33/40;H01L33/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 周永宏

技術領域

本發明屬于發光二極管技術(LED)領域，具體涉及基于表面金屬周期性亞波長結構激發的表面等離子體激元(SPPs，Surface?Plasmon?Polaritons)增強的發光二極管技術領域。

背景技術

用LED取代傳統光源是各國尋找節能、低耗及環保照明的一個有效途徑。目前在InGaN(氮化銦鎵)基量子阱基礎上已開發出可發射紫外、藍光、綠光和紅光的明亮LED光源，開始廣泛應用于LCD背光源、照明和交通燈。但是由于受到諸如發光效率不高等因素的制約，導致目前照明用LED以流明為單位記的制造成本尚遠高于熒光燈。另外，發光效率越高，發熱就越少，提升發光效率的同時也就緩解了大功率LED散熱的難題。因此為了LED照明的市場化推廣，必須盡量提高LED的發光效率和發光亮度，降低每流明光通量LED的制造成本。

人們一直不斷努力提升LED的發光效率，如在襯底和有源層之間加入分布布拉格反射層(DBR)；或者將管芯結構從GaAs(砷化鎵)襯底上剝離下來然后粘接在藍寶石襯底上等，但目前基于此類方案的研究成果大多不甚理想。

與此同時，近年來對表面等離子體激元(SPPs)的研究進展很快。SPPs是光和金屬表面的自由電子相互作用所引起的一種電磁波模式，或者說是在局域金屬表面的一種自由電子和光子相互作用形成的混合激發態。在這種相互作用中，自由電子在與其共振頻率相同的光波照射下發生集體振蕩。它局限于金屬與介質界面附近，沿表面傳播，并能在特定微納結構條件下形成光場增強。

目前為止，將SPPs效應應用于LED效率增強的研究已經初見成效。如申請號為200880126069.1的中國發明專利申請中提到在LED發光層表面加入了金屬結構，沿著界面形成的表面等離子體激元偏振擴展到該至少一個量子阱，這增加了從該至少一個量子阱發射的電磁輻射的橫向磁場分量的自發發射速率。但是該專利申請沒有公開金屬結構的具體尺寸以及具體制備方法，以至于本領域的普通技術人員難以實施。又如申請號為201120030792.9的中國實用新型專利申請中將SPPs應用于光致發光材料(PL)，該方案公開了金屬結構以及該金屬結構的制備方法，但是該方法主要用于光致發光材料，LED主要是電致發光，因此方法難以直接應用于LED，該專利公開的金屬結構的制備方法的難題在于：對于金屬亞波長周期性結構，發光增強效果明顯但是制備工藝復雜、成本太高；而用相對簡單的方法制備出非周期性的粗糙結構，其增強效果相比前者難以令人滿意。

發明內容

本發明的目的是為了采用簡便的工藝提高現有的半導體發光二極管(LED)的發光效率，提出了發光二極管表面金屬周期性亞波長結構及其制備方法。

本發明的技術方案是：發光二極管表面金屬周期性亞波長結構，其特征在于，在半導體發光二極管的P型GaN層和N型GaN層上裸露的并且未被N電極和P電極覆蓋的區域設置一層金屬周期性亞波長結構，所述金屬周期性亞波長結構從下到上依次包括了隔離層、納米金屬點陣層和保護層，所述隔離層貼附在P型GaN層之上，所述隔離層為厚度為20～30nm的SiN_x增透膜，所述保護層為厚度為15～25nm的SiO₂或SiN_x或ZnO保護膜，所述納米金屬點陣層為金屬納米點陣，所述納米點的直徑為50～100nm，納米點間距為250～500nm，點陣周期為350～500nm，納米點的厚度為100～300nm。

本發明的另一技術方案是：發光二極管表面金屬周期性亞波長結構的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：AAO薄膜的制備。具體過程如下：

步驟11：鋁片預處理：先后進行退火、除油、去除氧化層、電拋光過程；

步驟12：一次陽極氧化過程：以草酸作為電解質溶液，鉛為陰極，鋁為陽極，循環水冷卻，磁力攪拌，穩流控制，一次氧化后樣品表面能會生成一層較薄微孔性氧化膜，取出用去離子水洗凈、烘干、備用；

步驟13：除氧化膜：在40.0℃恒溫的6％H₃PO₄與1.8％H₂CrO₄的體積比為1∶1混合液中浸泡15h后，去除一次氧化膜，取出，洗凈，烘干，備用；

步驟14：二次陽極氧化過程：二次氧化是在一次氧化膜溶解后留下的凹坑基礎上進行的，因此會在凹坑處優先腐蝕，此時樣品表面缺陷和細紋已經基本消除，故二次氧化膜的膜孔分布更加均勻、有序，形成了高度有序的自組織模板；