一种LED结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种LED结构及其制备方法，属于光电器件领域。该LED结构包括n-GaN层、多量子阱层和p-GaN层，n-GaN层为出光面，本发明专利技术在非出光面的p-GaN层或与p-GaN层接触的透明电极表面上制备出周期性微纳结构。由于周期性微纳结构在非出光面p-GaN层表面或与p-GaN层接触的透明电极上可表现出独特的光学性质，可大幅改善LED器件的背向反射率；另外，通过改变微纳结构的参数(如结构单元形状、周期、孔径及孔洞深度等)还可实现对材料光学性质的调制，从而有效提高LED器件的出光效率；进一步，对实现金属反射层的工艺兼容性有帮助。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电器件领域，具体涉及一种氮化镓基发光二极管(LED)结构及其制备方法。
技术介绍
LED具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快等特点，是一种绿色环保型的固体光源，在照明、显示等领域有广泛的应用前景。垂直结构LED具有竖直电学结构，因而在大功率器件的热管理、出光面积、电流扩展等方面具有明显优势。制备垂直结构LED的主要工艺过程包括外延生长、键合、激光剥离、电极蒸镀等。为了提高LED出光效率，常用的技术是粗化出光面，并在反射光面制备反射镜结构，使得不同方向的光尽量多地通过出光面出射。通常的反射层是高反射率的金属如Ag，Al层或多层金属复合结构，然而Ag、Al等的金属特性决定了反射层制备工艺与键合工艺兼容性差，导致垂直结构LED成品率低而不能够实现量产，限制了垂直结构LED的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种有周期性微纳结构的LED器件及其制备方法，可提高 LED的出光效率。本专利技术提供的LED结构为出光面为n-GaN层，p_GaN层为反射光面，在p_GaN层或与P-GaN层接触的透明电极(ΙΤ0或Ni/Au等)表面上制备出周期性微纳结构，利用这一周期性结构反射光，实现出光面的高效率出光，达到提高LED发光效率的目的。本专利技术还可在上述透明电极表面上的周期性微纳结构上蒸镀一高反射率金属层。针对LED发光波长经过理论计算和优化，所述周期性微纳结构的孔径为大于 200nm的数百纳米尺度。本专利技术上述LED结构的制备方法，包括如下步骤1.设计并制备周期性的MO模板。采用时域有限差分法(finite difference time domain FDTD)，严格耦合波分析(RCWA，Rigorous Coupled-Wave Analysis)等方法，针对 LED工作波长设计周期性结构的参数，利用二次阳极氧化法制备出AAO模板。根据LED芯片的波长，周期性微纳结构的形状、孔径和孔间距等可通过调控电解液浓度、氧化电压、温度和时间等参数得到一个最优条件，即此条件的周期性微纳结构，能有效提高此波长发光的 LED经η型GaN面(垂直结构)或生长衬底(普通倒装结构)出光时在非出光面上的反射率。将铝基底用饱和氯化铜溶液去除，即获得了具有周期性微纳结构的AAO模板。2.以AAO模板为掩膜，用干法刻蚀技术刻蚀LED结构中的p-GaN层或透明电极(如 ITO等)表面，然后去除AAO模板，即可获得与AAO模板具有相同周期性的微纳结构，该周期性微纳结构对于LED光具有反射功能。本专利技术具有以下几个方面的优点(1)本专利技术利用阳极氧化铝(Anodic aluminum oxide, AA0)模板，该AAO模板具有孔洞排列规则，孔径大小均勻，孔径和孔间距灵活可控以及良好的热稳定性和化学稳定性等优点，把AAO模板上的周期性微纳结构转移到LED器件的透明电极或p-GaN层表面上可表现出独特的光学性质。AAO模板制备工艺简单，价格低廉。通过简单的电化学常温制备方法即可获得大面积均勻的具有周期性微纳结构的AAO膜。(2)无论在垂直结构或普通倒装结构LED芯片上将AAO模板上的周期性微纳结构复制到非出光面，都可大幅改善LED器件的背向反射率，从而提高了 LED器件的出光效率。由于微纳结构的某一周期对不同的光波长有不同的反射率，因此针对LED芯片的发光波长，需要有最优参数的周期性微纳结构以利于光的反射。而在AAO模板制备过程中，通过优化阳极氧化条件(包括酸溶液的种类和浓度，氧化时间和温度等条件)可实现孔形状、孔径、孔间距和膜厚灵活可控，从而可得到最优的周期性微纳结构。(3)本专利技术透明电极表面上的周期性微纳结构和高反射率金属构成具有某一周期微纳结构的高反射率电极接触金属反射层，共同对光的反射发挥作用，更有利于对垂直结构LED器件对某一波长光高反射率的实现。此方法还可以结合LED芯片出光面无规粗糙化或周期性微纳结构(如光子晶体)制作进一步提高器件的光提取效率，特别是可以设计高透光率的周期性微纳结构参数的AAO模板，并转移至LED出光面，如实施例一中，在大功率垂直结构LED中n-GaN表面制备出周期性微纳结构。(4)在周期性微纳结构的透明电极(如ITO或Ni/Au等)表面再蒸镀金属可以有效提高金属层与芯片结构之间的粘附性，可以防止粘附性较差的高反射率金属Ag脱落在芯片制备过程的脱落，从而提升在制作金属反射层过程中的工艺兼容性和器件性能的稳定性。附图说明图1是一种利用二次阳极氧化法制备的AAO模板；图2 (a)是制备透明电极具有周期性微纳结构的大功率垂直结构GaN基LED芯片的示意图；图2(b)是制备P-GaN层具有周期性微纳结构的大功率垂直结构GaN基LED芯片的示意图；图2(c)是制备透明电极具有周期性微纳结构的普通倒装结构GaN基LED芯片的示意图；图2(d)是制备P-GaN层具有周期性微纳结构的普通倒装结构GaN基LED芯片的示意图。其中1-蓝宝石衬底；2-n-GaN层；3-InGaN/GaN多量子阱；4-p-GaN层；5-透明电极； 6-使用AAO模板制备的周期性微纳结构；7-支撑衬底；8-加厚电极。具体实施例方式以下结合附图，通过具体的实施例对本专利技术做进一步描述。实施例一透明电极表面具有周期性微纳结构的大功率垂直结构(或普通倒装结构)GaN基蓝光LED芯片1.将电抛光后的铝箔放入磷酸溶液中，用二次阳极氧化法制备出周期约为460nm 的周期性微纳结构AAO膜。用饱和的氯化铜溶液除去铝基底，再用5%的磷酸溶液扩孔，即可获得孔径约为270nm的周期性微纳结构AAO模板，如图1所示。 2.在蓝宝石衬底上生长发光波长约为460nm的GaN基蓝光LED结构，并实施常规 LED工艺，获得在p-GaN上具有透明电极层(ΙΤ0或Ni/Au等)的LED wafer,将步骤1制备得到的具有周期性微纳结构的AAO膜均勻严密地贴合在LED结构最上方的透明电极层表3.以AAO模板为掩膜，用干法刻蚀技术(ICP或RIE)刻蚀透明电极层(ΙΤ0电极层或M/Au等)，待刻蚀结束后，去除芯片表面的AAO模板，即可获得带有周期性微纳结构的透明电极层(ΙΤ0或Ni/Au等)，该结构使透明电极层对蓝光波段的光具有较高的反射率。4.为了制备垂直结构LED，如图2(a)所示，在制备好的具有周期性微纳结构的透明电极ITO或Ni/Au等表面制备加厚电极如Cr/Pt/Au，再通过键合的方式将LED芯片键合到硅或其他衬底上，或通过电镀形成支撑衬底，最后利用激光剥离技术去除蓝宝石衬底并在垂直结构LED芯片出光面n-GaN上制作透明电极(如ΙΤ0)和η型加厚电极(如Ti/Al/ M/Au)，之后进行分割芯片工艺，即可得到带有周期性微纳结构反射层的大功率垂直结构 GaN基LED芯片。5.为了制备普通倒装结构LED，在制备好的具有周期性微纳结构的透明电极ITO 或Ni/Au等表面制备加厚电极如Cr/Pt/Au，在台面刻蚀的n-GaN上制作η型电极如Ti/Al/ Ni/Au和加厚电极，之后进行分割芯片工艺，即可得到带有周期性微纳结构反射层的普通倒装结构GaN基LED芯片，如图2 (c)所示。实施例二 φ-GaN表面具有周期性微纳结构的大功率垂直结构(或普通倒装结构) GaN基蓝光LED本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ＬＥＤ结构，包括ｎ－ＧａＮ层、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱层和ｐ－ＧａＮ层，该ＬＥＤ结构的出光面为ｎ－ＧａＮ层，其特征在于，在ｐ－ＧａＮ层或与ｐ－ＧａＮ层接触的透明电极表面上制备出周期性微纳结构。

【技术特征摘要】
1.一种LED结构，包括n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和ρ-GaN层，该LED结构的出光面为n-GaN层，其特征在于，在ρ-GaN层或与ρ-GaN层接触的透明电极表面上制备出周期性微纳结构。2.如权利要求1所述的LED结构，其特征在于，所述周期性微纳结构的孔径大于 200nm。3.如权利要求1所述的LED结构，其特征在于，在所述与P-GaN层接触的透明电极上周期性微纳结构的表面蒸镀一层高反射率金属层，构成高反射率电极接触金属反射层。4.一种LED结构的制备方法，包括如下步骤1)制备周期性的AAO模板；2)在蓝宝石衬底上生长GaN基蓝光LED结构，该LED结构，包括n_GaN层、InGaN/GaN 多量子阱层和P-GaN层；3)以AAO模板为掩膜，用干法刻蚀技术刻蚀上述LED结构中的p-GaN层表面，然后去除 AAO模板，在p-GaN层表面上制备出周期性微纳结构。5.一种LED结构的制备方法，包括如下步骤1)制备周期性的AAO模板；2)在蓝宝石衬底上生长G...

【专利技术属性】
技术研发人员：于彤军，吴超，付星星，陈志忠，康香宁，张国义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11