专利名称：光子晶体和织构化薄膜转印提高led出光效率的方法
技术领域：
本发明属于光电技术领域，涉及一种提高发光二极管(LED)出光效率的方法，尤其涉及一种织构化薄膜转印提高半导体发光二极管出光效率的方法。
背景技术：
发光二极管是(LED)是一种小型便捷、低成本长寿命的固态发光光源，特别是可见光波段的半导体发光二极管在室内照明、平板显示、短程通信到计算机内光互连等各方面具有广泛的应用，是节约能源、利于环保和实现人类固态照明革命的关键性光源。因此发展高效高亮度的发光二极管已列入各国的国家级研究发展计划。
近十年来，在改善发光二极管出光效率方面提出了各种办法，比如对器件进行出光表面粗糙化、管芯截面整形、倒装焊、透明衬底、光子再循环、相干散射、微腔与光子晶体等等，取得有效的改善和不同程度的提高。但是上述办法有的要在LED芯片研制工艺中进行微细加工，工艺技术复杂，不仅要增加工艺流程，有的还需要特殊的加工设备从而增加了成本。
半导体发光二极管是推动人类照明革命，实现固态照明的关键性光源，虽具有很高的电光转换和内部发光效率，但因发光材料的折射率高于空气，内部发出的大部分光因受光的全反射原理而被禁锢在器件管芯内部，成为人们面临的一个共同的难题和挑战。为此，本项目提出一种基于光子晶体和微结构光子学概念的新的而且简单易行的新方法，即采用一种微纳米图形转印与织构化薄膜转贴相结合的高新技术，成为用于改进发光二极管表面出光效率的一种有效的方法。使LED的出光效率在至少提高至原有发光二极管芯片的1.5倍。
本发明是在发光二极管芯片研制工艺完成的基础上的一种改进，因此克服了上述缺点又以简单可行的方法改进了性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种改进表面出光效率的新型发光二极管简单易行的制备方法。即以光子晶体和微结构光子学的概念为物理基础，提出一类将表面织构化、折射率过渡的封装一体化的新方法，以微纳米图形转印的高新技术为实施方法，实验证实本发明发光二极管的出光效率得到明显提高。
根据本发明的织构化薄膜转印提高半导体发光二极管出光效率的方法，具体包括以下步骤1)研制出传统的半导体发光二极管芯片；2)将半导体发光二极管管芯倒装焊；3)设计微纳米图形和制作织构化薄膜；织构化薄膜可以通过以下方法制作用设计好的版图制作微纳米图形的模板；选用和配制适当比例的一种预聚物，利用微纳米压印技术将模板上的微纳米图形压印到预聚物胶体上；使预聚物胶体固化为织构化的聚合物薄膜；固化方法根据预聚物胶性质的不同确定，可以通过加温或者光固化来实现；4)将织构化聚合物薄膜转印到发光二极管芯片或管芯上。可以通过步骤3)直接在LED管芯上压印得到织构化聚合物薄膜，也可以通过转贴技术来实现。
其中转贴织构化薄膜可通过以下步骤实现将透明的折射率匹配的粘合胶涂在发光二极管衬底上；小心地将步骤3)中形成微纳米图形的织构化聚合物薄膜从模板上剥离下来，将带图形的一面向上直接压贴在管芯上；使透明的粘合胶固化，从而完成本项发明全部制作过程。
其中步骤2)也可以在步骤4)后完成。
本发明的半导体发光二极管采用倒装焊型半导体发光二极管管芯或芯片。
本发明的半导体发光二极管芯片所用的外延结构为传统的异质结P-N结构，由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术生长而成。其发光的有源层由多量子阱组成，有源层依次夹在上下分别为P型和N型层的中间。通过常规的微加工工艺将金属电极与芯片的P型和N型区形成欧姆接触和倒装焊突点。
本发明的半导体发光二极管是用倒装焊的方法将管芯焊接在二极管管座上。
本发明所述微纳米图形转印方法是利用预先设计和加工好的光子晶体或微结构的微纳米图形模板通过转印方法转移到有聚合物薄膜上，形成透明的织构化介质膜。
本发明所述织构化薄膜转贴技术是将已制成的透明的织构化介质膜有图形的一面向上，通过一种折射率匹配的粘合胶转贴到发光二极管管芯顶部。待粘合胶固化，即完成本项发明，使发光二极管的出光效率得到提高。
下面结合附图对本发明进一步详细地说明图1现有常规的倒装焊发光二极管结构截面示意图；图2是根据本发明的发光二极管结构截面示意图；图3为本发明微纳米图形转印与织构化薄膜转贴制造过程中结构示意图。
图中标记内容如下1-蓝宝石衬底；2-n-型GaN；3-多量子阱有源层；4-p-型GaN；5-p-型欧姆接触层；6-n-型欧姆接触层；7-倒装焊突点；8-连接金属；9高热导率衬底；10-粘合胶；11-织构化介质膜；12-模板。
具体实施例方式
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
本实施方式中优选本发明的最佳实施例。本实施例提出了一种改进表面出光效率的新型发光二极管结构的简单易行的制备方法。直接运用于提高氮化镓基发光二极管的表面出光效率。其具体步骤包括1)首先可先按常规半导体微加工技术研制出传统的半导体发光二极管芯片，其步骤包括a)生长出发光二极管外延基片；b)在基片上进行p电极欧姆接触多层膜淀积；c)按照光刻版图进行光刻；d)干法刻蚀P区台面；刻蚀深度达到n型区；e)SiO2薄膜淀积；f)n电极的光刻，开电极接触窗口；g)电极多层膜淀积，可根据需要进行n电极多层膜淀积或剥离法n电极多层膜淀积；h)合金化，形成欧姆接触，得到半导体发光二极管结构；i)分别在P和n电极上制作倒装焊突点，完成倒装焊用的半导体发光二极管的芯片制作全过程。
2)半导体发光二极管管芯的倒装焊。
a)将芯片进行常规的磨片减薄和分割，得到分立的半导体发光二极管管芯；b)将管芯倒装焊到管座上。
3)微纳米图形转印和织构化薄膜的制作。如图3所示，步骤如下a)用设计好的图形制作带有光子晶体或微结构的模板12(可用Si片做成模板)；b)选用和配制适当比例的一种预聚物，利用微纳米压印技术将模板12上的微纳米结构图形压印到预聚物胶体上；c)使预聚物胶体固化为织构化薄膜；固化方法根据预聚物胶性质的不同确定，可以通过加温或者光固化来实现；4)织构化薄膜的转印(以转贴技术为例)a)将透明粘合胶10涂在发光二极管衬底上；b)小心地将形成微纳米结构图形的聚合物织构化薄膜从模板上剥离下来；c)将剥离下来的织构化薄膜带图形11的一面向上直接压贴在管芯上(如图2所示)；d)使透明的粘合胶固化，从而完成本项发明全部制作过程。
本发明提出的制备新型发光二极管的方法，是一种将发光二极管倒装焊、过度透明介质膜和出光表面粗糙化相结合的提高出光效率的方案。采用了倒装焊封装，可使发光二极管发出的光不受高吸收性金属电极的遮档，从而出光表面得到最大程度的利用。“倒装焊”使出光表面与空气的折射率之差(Δn)较“正装”时为小，再加上一层转贴的透明介质膜，进一步减小Δn；而转贴的透明介质膜进一步通过图形转印技术实现表面织构化，使表面出光进一步提高。
因此上述方法和实施方案充分体现了本发明的先进性、新颖性和创造性1.在基本原理上具有前瞻性。它是基于光子晶体和微结构光子学的概念提出的一种创新的方法，用以解决发光二极管出光效率低下的固有难点；2.在工艺技术上具有先进性。国际上近几年刚发展起来的微米、纳米图形转印技术是一项前沿性高新技术，在国内尚处于刚刚起步阶段就运用于本项发明，更具有先进性和新颖性。并已经过大量实验，证实其可行性和重复性。
3.技术方法简单易行。尽管工艺加工的尺度可达亚微米或深亚微米数量级，但是只要根据要求设计加工好一定图形的转印模板，便可采用本项发明运用于已有的发光二极管管芯。
4.本发明所用的织构化转贴膜可直接替代传统二极管管芯封装中的环氧树酯封装工艺。不仅简化了工艺，还改善了发光二极管的热导特性，使发光二极管在光功率输出的效率和饱和工作点得到进一步提高。
因此本发明为研制发展半导体发光二极管开辟了新的思路，提出了一种工艺步骤简单的改善发光二极管的新方法，可应用于各种发光二极管，促进基于发光二极管的固态照明工程的发展。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1.一种光子晶体和织构化薄膜转印提高LED出光效率的方法，具体包括以下步骤1)研制出传统的半导体发光二极管芯片；2)将半导体发光二极管管芯倒装焊；3)设计微纳米图形和制作织构化薄膜；4)将织构化薄膜转印到发光二极管芯片或管芯上；其中步骤2)也可以在步骤4)后完成。
2.根据权利要求1所述的光子晶体和织构化薄膜转印提高LED出光效率的方法，其特征在于，用设计好的微纳米图形转印织构化薄膜具体步骤如下1)用设计好的光子晶体或微结构的版图制作微纳米图形的模板；2)选用和配制适当比例的一种预聚物，利用微纳米压印技术将模板上的微纳米结构图形压印到预聚物胶体上；3)使预聚物胶体固化为织构化的聚合物薄膜；固化方法根据预聚物胶性质的不同确定，可以通过加温或者光固化来实现。
3.根据权利要求1所述的光子晶体和织构化薄膜转印提高LED出光效率的方法，其特征在于，转贴织构化薄膜通过以下步骤实现1)将透明的粘合胶涂在发光二极管衬底上；2)将织构化的聚合物薄膜从模板上剥离下来；3)将剥离下来的织构化薄膜带图形的一面向上直接压贴在管芯上；4)使透明的粘合胶固化，从而完成本项发明全部制作过程。
4.根据权利要求1所述的光子晶体和织构化薄膜转印提高LED出光效率的方法，其特征在于，将半导体发光二极管管芯倒装焊的步骤为1)将芯片进行常规的磨片减薄和分割，得到分立的半导体发光二极管管芯；2)将管芯倒装焊到管座上。
5.根据权利要求1所述的光子晶体和织构化薄膜转印提高LED出光效率的方法，其特征在于所述的半导体发光二极管芯片所用的外延结构为传统的异质结P-N结构，由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术生长而成。
6.根据权利要求1所述的光子晶体和织构化薄膜转印提高LED出光效率的方法，其特征在于所述半导体发光二极管发光的有源层由多量子阱组成，有源层依次夹在上下分别为P型和N型层的中间。
7.根据权利要求1所述的光子晶体和织构化薄膜转印提高LED出光效率的方法，其特征在于将织构化薄膜转印到发光二极管芯片或管芯上的方法，包括直接压印和转贴技术。
全文摘要
本发明提出一种织构化薄膜转印提高半导体发光二极管出光效率的方法，具体包括以下步骤研制出传统的半导体发光二极管；将半导体发光二极管管芯倒装焊；制作微纳米图形转印和织构化薄膜用设计好的光刻版图制作微纳米图形的模板；选用和配制适当比例的一种预聚物，利用微纳米压印技术将模板上的微结构图形压印到预聚物胶体上；使预聚物胶体膜固化；小心地将形成微结构图形的聚合物薄膜从模板上剥离下来即成织构化介质膜。转贴织构化薄膜将透明的PMMA胶涂在发光二极管衬底上；将织构化薄膜带图形的一面向上直接压贴在管芯上；将剥离下来的织构化薄膜带图形的一面向上直接压贴在管芯上；适当加温使透明的粘合胶固化。
文档编号H01L21/50GK1983649SQ200510126470
公开日2007年6月20日 申请日期2005年12月13日 优先权日2005年12月13日
发明者章蓓, 包魁, 罗春雄, 陈志忠, 季航, 陈勇 申请人:北京大学