基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法与流程

文档序号:13109077
技术领域本发明属于光电子器件领域,具体涉及一种基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法。

背景技术:
发光二极管(LightEmittingDiode,LED)具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点,广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。目前蓝光GaN基的LED内量子效率可达80%以上,但大功率LED芯片的外量子效率通常只有40%左右。制约外量子效率提高的主要因素是GaN界面和ITO界面与空气界面发生全内反射造成光的提取效率较低,这是因为GaN材料的折射率2.5,ITO的折射率1.8,空气的折射率1,导致GaN与ITO界面以及ITO与空气界面发生全反射的临界角分别是70.1°和31.8°。可见,有源区产生的光只有少数能够逃逸出体材料。为了提高ITO与空气界面的光提取效率,可以在LED芯片上集成光子晶体结构,当LED中导光模的频率落在光子晶体的禁带以内时,光波将被耦合成在自由空间中的辐射模式,从而提高光的提取效率。光子晶体的衍射效应也能够提高光的提取效率。目前光子晶体纳米图形的实现方法主要包括电子束光刻技术、全息曝光技术和纳米压印技术。电子束光刻技术制作周期长,全息曝光技术比较难以制作高对称性的图形,纳米压印技术需要制作模压板,工序复杂了很多。

技术实现要素:
本发明为了解决光子晶体纳米图形的实现方法复杂的问题,提供了基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法。本发明是采用如下的技术方案实现的:基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,包括以下步骤:步骤一:选择MOCVD或MBE生长的具有成核层、非故意掺杂层、N型层、多周期的量子阱有源层及P型层的外延片作为基片;步骤二:外延片经过涂覆光刻胶、曝光、显影、刻蚀、清洗工序形成N型层台面;步骤三:编写3D透明导电层打印头、3D光子晶体打印头、3DN型电极打印头和3DP型电极打印头的运动路径程序,以满足结构设计需求为准;步骤四:将外延片清洁好后作为基板放入3D打印机中,利用单个或阵列式3D透明导电层打印头在外延片P型层上打印透明导电层,所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种,透明导电层材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种;步骤五:利用单个或阵列式3D光子晶体打印头在透明导电层上打印光子晶体,所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种,所述光子晶体材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种;步骤六:利用单个或阵列式3DN型电极打印头在N型层台面上打印N型电极,所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种,N型电极厚度为200nm~2000nm,N型电极材料是Ti\/Al\/Ni\/Au、Ti\/Al\/Ti\/Au、Ti\/Al\/Pt\/Au中的一种;步骤七:在已经打印好n型电极材料的外延片上,在P型层所在部分,利用单个或阵列式P型电极材料3D打印头在透明导电层上打印P型电极,所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种,P型电极厚度为50nm~500nm,材料是Ni\/Au。3D打印技术可以将计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据,将特定原材料一层一层堆积成型直至完成整个实体的构建,具有工艺步骤简单、成型速度快、精密度高的特点,不仅能够减少光刻和刻蚀步骤,也能够直接形成光子晶体,提高器件的出光效率,因此可以作为制备光子晶体的理想工艺技术。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,透明导电层优选氧化铟锡ITO作为材料,3D透明导电层打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水,氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后,用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末,使其溶化后固化成型,形成透明导电层,厚度为50-200nm。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,光子晶体采用氧化铟锡ITO作为材料,3D光子晶体打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水,氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后,用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末,使其溶化后固化成型,最后将没有固化的多余粉末去除,得到ITO光子晶体。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,光子晶体为纳米图形结构,可以为空气孔型或者为介质柱型结构,光子晶体的形状为锥形、柱形、六棱柱形、碗型中的一种,光子晶体的光学厚度满足为发光波长的四分之一的奇数倍,光子晶体的晶格常数满足大于LED器件发光波长的三分之二,占空比为0.5-1。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,所述步骤六中,将金属钛粉末加入到3DN型电极打印头的金属钛熔融腔中进行速熔,控制温度在1675℃使其处于半固化状态,从3DN型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属钛膜;将金属铝粉末加入到3DN型电极打印头的金属铝熔融腔中进行速熔,控制温度在660℃使其处于半固化状态,从3DN型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属铝膜;将金属镍粉末加入到3DN型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔,控制温度在1453℃使其处于半固化状态,从3DN型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属镍膜;将金属金粉末加入到3DN型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔,控制温度在1062℃使其处于半固化状态,从3DN型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属金膜,N型电极材料是Ti\/Al\/Ni\/Au。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,在步骤七所述中,将金属镍粉末加入到3DP型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔,控制温度在1453℃使其处于半固化状态,从3DP型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属镍膜;将金属金粉末加入到3DP型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔,控制温度在1062℃使其处于半固化状态,从3DP型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属金膜,P型电极材料是Ni\/Au。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,其特征在于为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中,为了形成良好的欧姆接触,在Ti\/Al\/Ni\/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中,为了形成良好的欧姆接触,在Ni\/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。本发明基于3D打印制备光子晶体结构LED,形成的光子晶体图形丰富,制备工艺简单,能够有效的提高生产效率。附图说明图1为基于3D打印光子晶体结构LED的流程图。图2为圆柱形光子晶体的俯视图。图3为圆柱形光子晶体的侧视图。图4为三角锥光子晶体的俯视图。图5为三角锥光子晶体的侧视图。图6为六棱柱形光子晶体的俯视图。图7为六棱柱形光子晶体的侧视图。图8为碗型光子晶体的俯视图。图9为碗型光子晶体的侧视图。图10为光子晶体结构LED的结构图。图中:1-光子晶体,2-透明导电层,3-N型电极,4-N型层,5-非故意掺杂层,6-衬底,7-多周期的量子阱有源层,8-P型层,9-P型电极。具体实施方式基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,包括以下步骤:步骤一:选择MOCVD或MBE生长的具有成核层、非故意掺杂层、N型层、多周期的量子阱有源层及P型层的外延片作为基片;步骤二:外延片经过涂覆光刻胶、曝光、显影、刻蚀、清洗工序形成N型层台面;步骤三:编写3D透明导电层打印头、3D光子晶体打印头、3DN型电极打印头和3DP型电极打印头的运动路径程序,以满足结构设计需求为准;步骤四:将外延片清洁好后作为基板放入3D打印机中,利用单个或阵列式3D透明导电层打印头在外延片P型层上打印透明导电层,所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种,透明导电层材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种;步骤五:利用单个或阵列式3D光子晶体打印头在透明导电层上打印光子晶体,所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种,所述光子晶体材料可选自氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、AZO、掺氟氧化锡FTO、钼氧化铟IMO、石墨烯中的一种;步骤六:利用单个或阵列式3DN型电极打印头在N型层台面上打印N型电极,所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种,N型电极厚度为200nm~2000nm,N型电极材料是Ti\/Al\/Ni\/Au、Ti\/Al\/Ti\/Au、Ti\/Al\/Pt\/Au中的一种;步骤七:在已经打印好n型电极材料的外延片上,在P型层所在部分,利用单个或阵列式P型电极材料3D打印头在透明导电层上打印P型电极,所采用的3D打印形式为熔融或者激光烧结中的一种,P型电极厚度为50nm~500nm,材料是Ni\/Au。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,透明导电层优选氧化铟锡ITO作为材料,3D透明导电层打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水,氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后,用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末,使其溶化后固化成型,形成透明导电层,厚度为50-200nm。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,光子晶体采用氧化铟锡ITO作为材料,3D光子晶体打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水,氧化铟锡粉末从氧化铟锡粉腔中流出后,用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末,使其溶化后固化成型,最后将没有固化的多余粉末去除,得到ITO光子晶体。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,光子晶体为纳米图形结构,可以为空气孔型或者为介质柱型结构,光子晶体的形状为锥形、柱形、六棱柱形、碗型中的一种,光子晶体的光学厚度满足为发光波长的四分之一的奇数倍,光子晶体的晶格常数满足大于LED器件发光波长的三分之二,占空比为0.5-1。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,所述步骤六中,将金属钛粉末加入到3DN型电极打印头的金属钛熔融腔中进行速熔,控制温度在1675℃使其处于半固化状态,从3DN型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属钛膜;将金属铝粉末加入到3DN型电极打印头的金属铝熔融腔中进行速熔,控制温度在660℃使其处于半固化状态,从3DN型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属铝膜;将金属镍粉末加入到3DN型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔,控制温度在1453℃使其处于半固化状态,从3DN型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属镍膜;将金属金粉末加入到3DN型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔,控制温度在1062℃使其处于半固化状态,从3DN型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属金膜,N型电极材料是Ti\/Al\/Ni\/Au。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,在步骤七所述中,将金属镍粉末加入到3DP型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔,控制温度在1453℃使其处于半固化状态,从3DP型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属镍膜;将金属金粉末加入到3DP型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔,控制温度在1062℃使其处于半固化状态,从3DP型电极打印头挤出后迅速固化,形成金属金膜。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中,为了形成良好的欧姆接触,在Ti\/Al\/Ni\/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。上述的基于3D打印制备光子晶体结构LED的方法,为防止金属氧化将喷嘴和基板置于惰性气体氛围中,为了形成良好的欧姆接触,在Ni\/Au薄膜打印完成后进行金属的退火处理。...
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