[發明專利]一種利用納米壓痕提高發光二極管光提取效率的方法

有效

• 申請號: 201410406995.1
• 申請日: 2014-08-18
• 公開（公告）號: CN104241462B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 劉鐸;林曉煜;林貫軍;張茜;趙東方;賈冉;高乃坤
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/22
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司37219
• 代理人: 呂利敏

技術領域

本發明涉及一種利用納米壓痕提高發光二極管光提取效率的方法，屬于半導體光電材料器件制備領域。

背景技術

近年來，發光二極管(LED)在大功率及室內固體照明，大面積顯示屏，汽車工業異界新型節能照明領域的市場得到快速地增長，全世界大量的科研機構加大對發光二極管的研究。由于當前社會對節能環保光源以及商業發展的要求，發光二極管(LED)技術的發展取得了長足的進步，被認為在接下來一個世紀中最為重要同時最具有發展前景的固體光源。

發光二極管利用多量子阱中電子與空穴對的復合發射光子發光，即在電流注入下部分電子得到激發，激發后的電子發生躍遷而發射光子。對發光二極管的各項技術指標來說，最關鍵的就是其發光效率。根據發光二極管結構特征，其發光效率曝光兩個部分：一是內量子效率，可以通過改進外延片量子阱結構和提高外延結構的晶體質量來提高內量子效率，由于隨著多量子阱結構的應用和博生生長技術的提高，紅光發光二極管的內量子效率已經接近99％，提高空間不大；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族半導體的折射率比較高，根據菲涅耳定律，只有很小一部分光能夠套逃逸出發光二極管外延片，以AlGaInP紅光發光二極管威力，只有約2.16％的光能夠射出表面的GaP層，其余部分均發生全反射，在外延片內多次吸收，轉化為熱，從而在一定程度上影響降低發光二極管的效率。所以提高發光二極管效率的研究主要集中于如何提高發光二極管的光提取效率。有多重不同的方法提高發光二極管的光提取效率，包括改變單個發光二極管外延片形狀，利用表面等離激元提高光提取效率，利用激光技術和化學腐蝕提高光提取效率，以及利用光子晶體提高光提取效率。

1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.首先提出利用刻蝕的方法對半導體材料出光表面進行粗化從而提高發光二極管的外量子效率的方法，得到了50％的光提取效率。表面粗化提高發光二極管光提取效率的原理是利用粗糙表面破壞發光二極管芯片內的全反射結構，使得原本可能發生全反射的光子直接射出，或通過多次反射后射出發光二極管芯片。表面粗化結構有效的提高了射出發光二極管表面的光線比例。利用刻蝕的方法對發光二極管表面進行粗化存在以下不足：1.等離子刻蝕中所使用的離子對半導體材料的摻雜比例產生影響，導致半導體量子特性發生改變，影響電學性能；2.等離子刻蝕設備昂貴，使用成本較高，大大提高了發光二極管的制造成本，3.刻蝕對半導體表面的粗化形貌及尺寸缺少控制，無法進行優化。4.加工時間長，不利于規模化生產。

PCT國際專利申請W02012119286A1題注一種光輔助紅果LED磷化鎵窗口成的是伐粗話方法中利用光輔助的方法，使用濕法腐蝕對紅光發光二極管出光表面進行表面粗化的技術。該技術實現了對p-GaP窗口層的隨機腐蝕，在p-GaP表面十倍出隨機的腐蝕結構。但此種方法依然無法對粗化結構進行控制和優化。

Alexei?A.Erchak等人在Appl.Phys.Lett.上發表文章利用二維光子晶體結構在GaAs為基底的InGaP/InGaAs發光二極管上實現了6倍的光提取效率的提高(Applied?Physics?Letters78,563(2001))。該方法中在InGaP表面使用SiO2作為掩膜利用電子束曝光技術在光子晶體區域做出所需的三角形二維光子晶體圖案，之后利用RIE刻蝕將一伙的的圖形傳遞到InGaP表面，最后還是利用RIE刻蝕去除表面的SiO₂，獲得光子晶體結構。K.McGroddy等人在Appl.Phys.Lett.上發表了利用光子晶體在GaN發光二極管上控制發射方向并實現光提取率提高(Applied?Physics?Letters93,103502(2008))。該方法中同樣先利用電子束曝光，然后再用RIE刻蝕在GaN藍光發光二極管的ITO層獲得晶格尺寸為185nm，深度為120nm，占空比為30％的光子晶體結構。通過這種方法光提取效率獲得了3.5倍的提高。以上兩種方法的不足之處在于：1.電子束曝光設備幾期昂貴，單次加工面積極為有限；2.需要在發光二極管表面生長一層SiO₂薄膜，并通過兩次RIE刻蝕，工序較為復雜；3.雖然所獲得的光子晶體結構可以得到控制，但占空比和光子晶體結構的深度有限，對光提取效率的提高較為有限。