专利名称：一种利用纳米级ZnO提高LED光提取效率的方法
技术领域：
本发明属于LED技术领域,尤其是涉及一种增强发光二极管(LED:Light EmittingDiode)光提取效率的表面粗化方法。
背景技术：
半导体LED以其高电光转化效率、寿命长、绿色环保等优点，成为21世纪的新一代照明光源。随着III-V族半导体工艺的日趋成熟，LED器件研制不断向高效高亮度方向发展。得益于外延生长技术MOCVD和多量子阱结构(MQW)的引入，LED的内量子效率(quantum efficiency)可以大于90%,甚至接近100%,提高的空间不大。但由于半导体材·质通常具有高介电系数，所以在发光层(active layer)所产生的光，受到全内反射(totalinternal reflection)的限制无法稱合(couple)到外部环境,使得发光二极管的光提取效率(extraction efficiency)通常在30%以下。因此,LED光提取效率的提高是当今LED研发的核心内容。过去针对光提取效率较低的解决途径，大致有五种不同方法，用以降低全反射的效应。其一，利用光学增透膜，减少被材料本身吸收的光线。其二，LED芯片倒装结构，使得光从透明的蓝宝石衬底上出射，同时电极倒装焊接在基板上也减少了电极对光的吸收。其三，改变LED几何形状，使得内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而以小于临界角的角度出射。其四，合理设计电极的形状可以提高LED的发光效率(电极太少，无法充分均匀地扩展电流；电极太多，会阻挡光的取出)。其五，表面粗化，降低LED内部光全反射的一个最常用、行之有效的方法就是在LED表面进行粗化，减少内反射，从而提高内出光率。早在1993年Schnitze等人在GaAs衬底LED芯片表面进行粗化，提出表面微小的粗化可以导致光线运动紊乱，从而就有更多的光线满足逃逸角。已有的成果表明，粗化的部位为ρ-GaN层、η-GaN层或透明电极层，粗化方法包括Κ0Η溶液湿法腐蚀、强酸溶液湿法腐蚀、ICP干法蚀刻、激光干法蚀刻等，掩膜的选择为金属Pt或Ni在高温下退火形成的金属小球、光刻胶、聚苯乙烯小球等。目前，主要存在以下几种进行纳米粗化的方法。第一，可以采用光刻技术进行纳米粗化，但由于分辨率的限制，传统的光刻技术很难制备纳米图形衬底，必须借助于分辨率极高的先进光刻技术，例如电子束光刻和极紫外光刻，进行纳米粗化，生产成本很高。第二，公开号为CN 101373714A的专利公开了一种采用金属自组装技术制备纳米级图形衬底的方法，但是需要淀积氧化硅、淀积金属、氮气高温退火等多步工艺，工艺过程比较复杂，此外高温退火工艺对LED外延层质量也会产生不利的影响。第三，可以用过旋涂纳米颗粒的方法制备纳米尺度硬掩膜，然后进行薄膜材料的粗化，但是这些材料本身可能对LED生产线造成污染。第四，公开号为C N101976712A的专利公开了一种利用等离子体刻蚀形成纳米尺寸胶点并以该胶点为掩膜刻蚀待粗化薄膜，但其中的蚀刻工艺会造成表面态等不良影响。总之，目前存在的纳米级粗化技术都存在某些问题，因此LED研发进程迫切需要一种低成本、低温和与传统LED工艺相兼容的纳米级表面粗化技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种新的增强LED光提取效率的方法，该方法是一种低成本、低温和与传统LED工艺相兼容的纳米级表面粗化技术。本发明提出了可以对LED的窗口层进行纳米级ZnO沉积，以实现表面粗化，从而达到ill文所述提闻LED光提取效率的目的。一种利用纳米级ZnO提高LED光提取效率的方法，其特征在于，包括以下步骤(I)准备反应溶液用去离子水稀释浓盐酸，浓度为1.72—3.01511101/1，优选浓度为L72m0l/L;室 温下将ZnO粉末加入稀盐酸搅拌直至饱和，过滤掉未溶解的ZnO粉末，得到氯化锌溶液；将H2O2稀释，浓度为I. 02X 10_3—5X Krtiol/L，优选浓度为I. 02 X 10_3mol/L，并加至氯化锌溶液中得到反应溶液，其中氯化锌溶液与H2O2溶液的体积比为I :1 一5 1，优选3 :1 ；(2)将步骤(I)的反应溶液放置于40°C的恒温水槽进行水浴；(3)将LED芯片出光面朝上放入反应溶液，经过O. 5_lh得到经过纳米级ZnO粗化的LED芯片；(4)光刻出电极图形，完成溅射P电极。上述方案中，所述LED为红光LED、蓝光LED或绿光LED等。上述方案中，步骤3中所述LED芯片为经过电子束蒸发ITO之后的LED芯片。步骤I中所述浓盐酸稀释浓度为I. 72mol/L, H2O2稀释浓度为I. 02 X 10^3mol/L其体积比为3 I时生长的纳米级ZnO可得到光提取效率最显著的提高。有益效果ZnO作为一种宽禁带半导体材料，具有光电导大、激子束缚能大、透明度高等特性。更重要的一点是，通过LPD生成的纳米氧化锌微颗粒的折射率约I. 8，恰恰处于半导体材料和空气的折射率之间。该方法利用纳米级ZnO在LED芯片表面形成纳米级ZnO层，其折射率介于空气和半导体材料折射率之间，所形成纳米级ZnO颗粒也实现了对出射光线的折射，减少全反射的概率，最终实现了对光提取效率的提高。该方法利用低温水热法，不会对LED芯片本身产生不利影响的工艺，反应溶液也尽量避免引入其它离子，为一种低成本、低温和与传统LED工艺相兼容的纳米级表面粗化技术。本发明提供的这种增强LED光提取效率的表面粗化方法，具有低温、低成本、低能耗、低污染和与传统的LED工艺相兼容等优点，在LED领域具有广阔的应用前景。
图I是本发明提供的增强LED光提取效率的表面粗化方法的流程图；图2是依照本发明实施例对AlGaInP LED窗口层粗化的制备流程示意图，其中图2 (a)为电子束溅射ITO后包含所有结构材料的LED芯片；图2(b)为图2(a)经过低温水热法得到的带有纳米氧化锌涂层的LED芯片；图2 (C)为最后经过常规工艺而得到的LED芯片成品；
图3样品SA-I和SA-2电流和光输出功率关系图；图4SA-1 (a)和SA-2 (b)远场发射光谱分布图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明确，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，但本发明并不限于以下实施例。纳米级ZnO粗糙度经由SEM和AFM测试。如图I所示，图I是本发明提供的增强LED光提取效率方法的流程图，通过这种方法可以对LED的窗口层上表面进行纳米级表面粗化，从而达到提高LED光提取效率的目的，对该方法包括步骤I :准备反应溶液——用去离子水把12mol/L (36-38%)的浓盐酸稀释为 I.72mol/L ;室温下将ZnO粉末(分析纯)加入经过稀释的盐酸后搅拌直至饱和；过滤掉未溶解的ZnO粉末；将H2O2稀释为I. 02X 10_3mol/L并加至ZnO-盐酸饱和溶液，氯化锌溶液与H2O2溶液的体积比为3 :1。步骤2 :把水温控制在40°C，放入盛有水热法反应溶液的烧杯，预热。步骤3 :将LED芯片出光面朝上放入反应溶液，经过一个小时得到经过纳米级ZnO粗化的LED芯片。步骤4 :光刻出电极图形，完成溅射P电极等传统工艺。以对AlGaInP红光LED芯片的表面粗化为例并结合附图对本发明作进一步说明，主要包括以下工艺步骤I)在衬底上生长LED的全部结构，包括缓冲层，η型GaN、多量子阱结构、P型GaN、ITO ；2)将LED芯片窗口层向上放入反应溶液中进行低温水热法成长纳米级ZnO层，完成对LED芯片表面的纳米级表面粗化(最适宜的平均粗糙度为300nm)。3 )清洗并采用常规工艺完成LED制备。I.实施例测试结果将用传统工艺制作完成的LED样品命名为SA-1，将使用了本专利中提及的光提取效率方法的LED样品命名为SA-2。如图3所示，电流为20mA时，测得SA-1和SA-2的光输出功率分别为2. 62mff和
3.2mff, SA-2的光输出功率比SA-1增加了 23%。如图4所示，与SA-I相比，SA-2在任何角度都具有更好的方向性和更高的发光强度。这可以归因于两点其一，纳米级ZnO令出光面表面粗糙，使得更多出射光线超过临界角，有效降低了全内反射；其二，纳米级氧化锌的反射率约为I. 8，介于半导体和空气的反射率之间，可以作为过渡层从而达到同样目的。以上所述的具体实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步阐述说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种利用纳米级ZnO提高LED光提取效率的方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)准备反应溶液 用去离子水稀释浓盐酸，浓度为I. 72—3. 015mol/L，室温下将ZnO粉末加入稀盐酸搅拌直至饱和，过滤掉未溶解的ZnO粉末，得到氯化锌溶液；将H2O2稀释，浓度为I. 02 X 10_3—5X 10_3mol/L，并加至氯化锌溶液中得到反应溶液，其中氯化锌溶液与H2O2溶液的体积比为I 1—5 I ； (2)将步骤(I)的反应溶液放置于40°C的恒温水槽进行水浴； (3)将LED芯片出光面朝上放入反应溶液，经过O.5-lh得到经过纳米级ZnO粗化的LED-H-* I I心片； (4)光刻出电极图形，完成溅射P电极。
2.按照权利要求I的方法，其特征在于，步骤I中所述浓盐酸稀释浓度为I.72mol/L,H2O2稀释浓度为1.02X10-3mol/L，其体积比为3 I。
3.按照权利要求I的方法，其特征在于，所述LED为红光LED、蓝光LED或绿光LED。
4.按照权利要求I的方法，其特征在于，步骤3中所述LED芯片为经过电子束蒸发ITO之后的LED芯片。
全文摘要
一种利用纳米级ZnO提高LED光提取效率的方法，属于LED技术领域。先将氧化锌加入到稀盐酸中，形成饱和溶液，然后将H2O2溶液加入到此饱和溶液中，置于40℃的恒温水浴中，将LED芯片出光面朝上放入反应溶液，经过0.5-1h得到经过纳米级ZnO粗化的LED芯片；光刻出电极图形，完成溅射p电极。本发明对LED的窗口层进行纳米级ZnO沉积，以实现表面粗化，从而达到提高LED光提取效率的目的。
文档编号H01L33/22GK102903816SQ20121041832
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者李建军, 马凌云, 李佳莼 申请人:北京工业大学