[发明专利]带有ZnO微米和纳米复合结构的LED管芯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED管芯，该管芯通过带有ZnO微米周期图形和纳米棒复合结构以提高其发光效率，本发明还涉及到这种带有ZnO微米图形阵列和纳米棒复合结构的LED管芯的制备方法，属于光电子技术领域。

背景技术

LED由于节能、环保等优点在日常生活中得到广泛的应用，如各种彩色显示屏、LCD背光源、指示灯、白光照明灯等领域。高效率、高功率LED已成为研究的热点。由于LED材料自身折射率高（GaN折射率n≈2.5），全内反射和菲涅尔损耗非常严重，只有少部分光从LED中提取出来，限制了LED的发光效率。针对这个问题，人们对LED出光面进行微米结构或纳米结构处理的方法以提高光提取效率，中国专利文献CN101110461公开的《利用衍射效应的表面微柱阵列结构高效率发光二极管》，在p型GaN上等离子体耦合刻蚀（ICP）微米柱阵列结构，通过微米柱衍射效应提高LED发光效率。最近有研究人员用在微米结构上制作纳米结构的方式增强LED光的提取：Song等人以光刻胶为模板在AlGaInP红光LED的GaP出光面ICP刻蚀出六方周期的微米台阵列，再用退火Ag颗粒为模板ICP刻蚀出亚微米锥尖，微米台阵列能提高LED光功率35%，亚微米尖结构能提高LED光功率32%，微米台和亚微米尖的复合结构提高LED的光功率72%（参考文献Y.M.Song,G.C.Park,S.J.Jang,J.H.Ha,J.S.Yu,and Y.T.Lee,Opt.Express,19(S2),A157-A165(2011)）。Lee等人在GaN基LED的ITO层上纳米压印制作聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)六方周期微米金字塔图形（周期5um），再通过高密度等离子体轰击得到纳米级PMMA粗化表面，PMMA金字塔图形能够提高LED光功率33%，纳米粗化PMMA能提高LED光功率8%，PMMA的微/纳复合结构可以提高LED光功率37%（参考文献Y.-C.Lee,C.-H.Ni,and C.-Y.Chen,Opt.Express,18(S4),A489-A498(2010)）。

虽然Song等人在AlGaInP红光LED的GaP进行ICP刻蚀微/纳复合结构取得较好的效果，但是LED管芯的电压有一定升高，对LED管芯造成了一定的破坏，此方法对于外延层薄的LED（GaN基LED的p型GaN非常薄，通常在200nm左右），ICP刻蚀后极易导致漏电或死管，这种方法不具有普适性，而且刻蚀深度很浅，粗化效果不明显，对于提高LED发光效率不明显，再者ICP设备价格昂贵，成本高；Lee等人试验在LED表面制作了PMMA的微/纳复合结构，但是封装材料也是PMMA，这就导致原来的微/纳复合结构被淹没，起不到增强光提取的作用。

发明内容

针对现有提高LED光提取效率各种方法存在的缺陷和问题，本发明提供一种对LED电学性能无影响、能够明显提高LED发光效率的带有ZnO微米和纳米复合结构的LED管芯，同时提供一种该LED管芯的制备方法。

本发明的带有ZnO微米和纳米复合结构的LED管芯，是在LED管芯的发光面上生长有ZnO微米图形阵列，在ZnO微米图形阵列上垂直生长有纳米棒。

所述ZnO微米图形阵列，可以是一维光栅结构，或者是ZnO微米网孔组成的二维光栅结构，也可以是微米ZnO柱组成的周期阵列。微米网孔或微米柱是六方或四方周期排列。

所述ZnO纳米棒的直径为50nm-300nm，高度为200nm-1.5μm，

上述LED管芯通过通过ZnO微米周期图形和ZnO纳米棒复合结构提高LED发光效率。

上述带有ZnO微米和纳米复合结构的LED管芯的制备方法，包括以下步骤：

（1）用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法在衬底上外延生长完整的外延片结构，制作完整的LED管芯结构；

（2）在LED管芯的发光面溅射厚度为20nm-400nm的第一ZnO种子层；

（3）在第一ZnO种子层上，通过掩膜光刻工艺（甩胶、光刻、曝光和显影），得到光刻胶微米周期图形；

（4）以光刻胶微米周期图形为模板生长ZnO微米图形阵列：把步骤（3）得到的LED管芯置入高浓度锌源前躯体混合液中水热反应，锌源前躯体混合液为硝酸锌或醋酸锌与氨水或六次甲基四胺溶液的混合液，硝酸锌或醋酸锌的浓度为0.1M-0.5M，混合液PH值为6-8，在60℃-100℃水温下水热反应1小时-12小时，然后降至室温，取出后用去离子水冲洗，用氮气吹干；ZnO在光刻胶的间隙中生长合并外延，紧密排列填满光刻胶的间隙；