一种渐变折射率纳米结构结合纳米透镜的LED结构的制备方法与流程

本发明涉及一种半导体电子元器件制备方法，特别是一种新型高效led结构的制备工艺。

背景技术：

作为传统灯具的替代产品，固态半导体照明光源发展前景广阔,被誉为新一代的光源[science308,1274-1278(2005)]。近年来，氮化物半导体器件特别是发光二极管(lightemittingdiode，led)照明器件取得了重大的进展(2014年诺贝尔奖)，已经广泛应用于白光照明、指示灯、信号和彩色显示等领域[photonicsresearch3,184(2015)]。然而，led要发展成为一种高质量的通用性的光源，完全替代其他光源,还需要解决提高光效,降低成本,降低芯片发热量,提高led使用寿命等问题,而这些问题全部都受到led外量子效率(externalquantumefficiency，eqe)比较低的制约[actamaterialia61,945-951(2013)]。led的eqe由内量子效率(internalquantumefficiency，iqe)和萃取效率(lightextractionefficiency，lee)决定，表示式为[physicsreports498,189-241(2011)]。近年来,通过改善有源区的结构与生长方式,iqe获得较大的提升,据报道，ingan/gan量子阱led的iqe可以达到90％以上[appliedphysicsletters94,023101(2009)]。然而，由于氮化物led材料与空气具有较大的折射率差，只有少数的光子能逃逸到空气中，大多数其他的光子在界面发生全反射，被材料再吸收或者形成波导模，导致led的lee依然较低，这限制了led的应用与发展。

由于gan材料有较高的折射率(n＝2.5)，从而导致led较低萃取效率，因此，利用微纳米技术制备相关的微纳米结构(或者粗化表面),从而增大光输出的临界角，应该是最直接提高led出光效率的方法。常规led芯片的最外层是电流扩展层，而铟锡氧化物(indiumtinoxide，ito)材料目前已经取代传统的镍金材料作为led的电流扩展层。ito的折射率大约为2,光从高折射率材料出射到低折射率材料，主要存在两方面的损耗：第一是由于全反射而使得光输出临界角比较小；第二是菲涅耳透射损耗。降低损耗的原理是采用渐变折射率介质减少菲涅耳透射损耗，设计微透镜阵列纳米结构增大光输出临界角，从而进一步提高led芯片的出光效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种渐变折射率纳米结构结合纳米透镜的led结构的制备方法。基本的思路是首先纳米图形化led出光面的ito透明电极，然后高温熔解残余的ps纳米球，接着再在上面制备单层的ps纳米球，低温加热形成半球结构，组成微透镜阵列。

本发明的技术方案如下。

一种渐变折射率纳米结构结合纳米透镜的led结构的制备方法，包括：在平面结构的led基片上沉积一定厚度的ito(约100-300nm)作为透明电极，然后再进行常规的厚金电极制备工艺，包括涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ito，icp刻gan台阶，去胶，再涂光刻胶；第二次曝光，镀厚金等，从而完成制作厚金电极的制作。

还包括以下步骤：

s1，通过光刻的办法，把厚金电极保护起来，例如涂光刻胶，曝光，在厚金电极处沉积二氧化硅或者金属，然后去胶，这样把电极保护起来。在已经制备好厚金电极的led芯片上制作单层密排的聚苯乙烯(ps)纳米球，然后利用氧离子刻蚀ps纳米球，可以有效地控制其直径，再进行icp刻蚀，可以将透明电极ito表面刻蚀处周期性的纳米柱阵列；通过改变氧离子刻蚀和icp刻蚀时间可以有效地控制ito纳米柱阵列的尺寸和高度，从而使样品具有较好的电学和光学特性。将残余的ps纳米球保留下来，不能去掉。

s2，将有残余ps纳米球的led芯片加热，高温加热熔解ps纳米球,使得ps渗入纳米柱缝隙,形成渐变折射率的纳米结构。例如可以高温加热到140°以上，利用匀胶机高速转动芯片，ps纳米球会熔解从而渗入纳米柱间隙。

s3，再根据led芯片的发光波长，选择合适的ps纳米球，在渐变折射率的纳米结构表面制备单层的ps纳米球。例如对于近紫外、蓝光led，可以选择直径约为450nm的小球；对于绿光的led，可以选择直径约为550nm的小球；对于红光的led，可以选择周期为650nm的小球。低温加热ps纳米球，使得纳米球在渐变折射率介质的表面形成半球状结构。例如可以选择在80°-100°加热ps纳米球，使得ps纳米球的下表面熔解掉，形成半球结构。

s4，最后利用酸洗掉二氧化硅或者金属保护层，从而使得厚金电极位置没有任何结构，而透明电极ito层有折射率渐变的纳米结构和半球状的微透镜阵列结构。

进一步地，步骤s1中，在已经制备好透明电极ito层和厚金电极的led芯片的透明电极ito层，制备单层密排的ps纳米球阵列做为掩膜，然后利用icp刻蚀ito层得到纳米柱阵列。

进一步地，在步骤s1中，透明电极ito层制备单层密排的纳米球，ps纳米球为单分散的聚苯乙烯微球，单分散的聚苯乙烯微球直径在100nm-2um之间。

进一步地，在步骤s2中，加热温度在120°及以上。

进一步地，在步骤s3中，ps纳米球为单分散的聚苯乙烯微球，单分散的聚苯乙烯微球直径在100nm-2um之间。

进一步地，在步骤s3中，加热温度在80°-100°之间。

借由上述技术方案，本发明具有的优点是：

1、本发明提出的方法，能够制备一种渐变折射率介质、减少出射光从高折射率介质到低折射率介质的菲涅耳透射损耗、具有微透镜阵列纳米结构增大光输出临界角的新型led芯片。

2、本发明制备方法巧妙，原理简单，是一种新型微纳结构led制备工艺。

附图说明

图1为本发明方法制备流程图。

图2(a)～图2(f)显示的是本发明方法制备过程中led的结构变化图。

图2(a)为制备好透明电极ito层和厚金电极的led基片示意图；

图2(b)为增加了ps纳米球的led基片示意图；

图2(c)为加热ps纳米球中的结构示意图；

图2(d)为蚀刻出纳米柱阵列的结构示意图；

图2(e)为纳米柱间隙中填充了ps材料的结构示意图；

图2(f)为生成了微透镜阵列后的led结构示意图；

其中：101、衬底；102、非掺杂gan；103、n掺杂gan；104、多量子阱；105、p掺杂gan；106、ito透明电极；107、p厚金属电极；111、n厚金属电极；110、ito纳米柱结构；108、聚苯乙烯(ps)纳米球；109、渗到纳米柱结构的ps薄膜；112、半球状的ps纳米球。

图3是本方法制备出的led结构，在表面制备渐变折射率和表面为透镜阵列结构时，与无结构样品的出光强度的比值曲线表。其中x轴为发光波长，y轴为增强倍数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对一种渐变折射率纳米结构结合纳米透镜的led结构的制备方法进一步说明。led基片的结构如下：在衬底101上沉积一层非掺杂gan102，再生长一层n掺杂gan103，然后生长多量子阱104，最后生长p掺杂gan105。沉积一定厚度的ito透明电极106作为透明电极，然后再进行常规的加电极处理，例如涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ito透明电极106，icp刻gan台阶，去胶，再涂光刻胶，第二次曝光，镀p厚金107和n厚金111等,如图2(a)所示。

本发明方法的步骤如下：

首先通过光刻的办法，把厚金电极保护起来，例如涂光刻胶，曝光，在厚金电极处沉积二氧化硅或者金属，然后去胶，这样把电极保护起来。将单层密排的聚苯乙烯(ps)纳米球108分布在led基片的表面，如图2(b)所示；然后利用氧离子刻蚀聚苯乙烯ps纳米球，可以有效地控制其直径，如图2(c)所示；再进行感应耦合等离子(icp)刻蚀，可以将led基片的ito透明电极106刻蚀出周期性的ito纳米柱阵列110，如图2(d)所示；将有残余聚苯乙烯ps纳米球108的led芯片加热，高温加热到140°以上，聚苯乙烯ps纳米球108会熔解从而形成渗到纳米柱结构的ps薄膜109，如图2(e)所示；对于发光波长为450nm的蓝光led，选择直径约为450nm的聚苯乙烯ps纳米球，在渐变折射率的纳米结构表面制备单层的聚苯乙烯ps纳米球，低温加热聚苯乙烯ps纳米球，使得纳米球在渐变折射率介质的表面形成半球的ps纳米球112，如图2(f)所示。

通过改变氧离子刻蚀和icp刻蚀时间可以有效地控制ito层纳米柱阵列的尺寸和高度，从而使样品具有较好的电学和光学特性。根据led芯片的发光波长，选择合适的ps纳米球，我们设计的是蓝光led芯片，此时选择尺寸为450nm的ps纳米球，在渐变折射率介质的表面制备单层的ps纳米球，如图2(f)所示。

图3是在led表面制备渐变折射率和表面为透镜阵列结构时与无结构样品的出光强度的比值，其中x轴为发光波长，y轴为增强倍数。例如对于发光波长为400nm的近紫外led，图3的增强倍数为1.4，可以有效地提高led的出光效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作出的限制，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,仍属于本发明技术方案的范围内。