CN104241492A

CN104241492A - 具有金属介质组合光栅结构的led芯片

Info

Publication number: CN104241492A
Application number: CN201310240559.7A
Authority: CN
Inventors: 宣益民; 李强; 韩玉阁; 苟于春
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明公开了一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片及其制备方法，所述LED芯片包括芯片半导体层、与芯片半导体层连接的蓝宝石薄膜层、蓝宝石光栅和金属光栅，蓝宝石光栅为在蓝宝石上设置多个通孔形成的光栅微结构，蓝宝石光栅设置在蓝宝石薄膜层上，金属光栅设置在蓝宝石光栅通孔内的一端并与蓝宝石薄膜层连接，金属光栅的厚度为50-70nm。本发明的优点是：将金属微结构光栅置于倏逝波的衰减长度内，由于表面等离子效应和金属对光子的强散射特性，那些因全内反射而被限制在半导体层的光子能够更多地辐射出半导体层进入蓝宝石基底，从而增加了提升光子提取效率的可能；采用介质光栅与金属光栅组合的形式更加有效地提升了芯片的光提取效率。

Description

具有金属介质组合光栅结构的LED芯片

技术领域

本发明涉及一种可用于增强LED光提取效率的复合光栅结构，主要是基于金属材料所具有的表面等离子效应和对光子的强散射特性。

背景技术

发光二极管（LED）作为一种半导体固体发光元件，已被广泛地应用于各种器械和设备的发光元件中，具有体积小、使用寿命长、响应速度快等优势，使其成为现今备受瞩目的绿色新型光源。尽管在过去的几十年里LED的发光效率已得到了显著的提升，但是对用于照明光源的白光来说其效率还很低，大概在10%左右，略高于白炽灯泡的效率而低于日光灯泡的效率。因此为了更加高效地利用能源，需要LED芯片具有尽量高的外量子效率（EQE）。LED的外量子效率是由内量子效率（IQE）和光提取效率（LEE）的乘积所构成，前者与LED芯片外延层的晶格质量，参杂浓度以及外延层与基底的晶格匹配等因素相关，后者则与芯片的微结构几何形状，以及LED的封装等因素相关。因此为了提高LED的发光效率，需要增加其内量子效率以及光提取效率，本发明的核心主要集中在增强LED的光提取效率上。

在LED芯片内，由于全内反射的原因，电子空穴辐射复合后在有源区产生的光子很难逃出芯片，特别是对于那些由折射率差别较大的材料所构成的芯片来说，其逃逸锥非常小，从而将大部分光子限制在芯片内，使得芯片的光提取效率非常低，例如对于氮化镓（GaN）半导体平板来说，其光提取效率大约为1/4n²（4%），其中n为GaN的折射率，取2.5。这些不能逃逸出芯片的光子在芯片内形成近场倏逝波模式及各种波导模式，最终被芯片吸收以热量的形式被耗散。微结构光谱控制方法可用于控制发光器件的光谱辐射特性，在器件中引入微结构后，通过微结构改变辐射电磁波在器件内的近场特性，从而实现发光器件的效率提升。在以往的研究中，已有多种引入微结构的方法提出用于增强LED的光提取效率，例如文献1（Schnitzer, et al., 30% external quantum efficiency from surface textured, thin-film light-emitting diodes, Appl. Phys. Lett., 1993）采用粗化芯片表面的方法来提升芯片的光提取效率，从而可以使得芯片的外量子效率增大30%。在之后的研究中光子晶体（PhCs）被广泛地应用于增强LED的光提取效率，其增强效果更好。基于金属材料的微结构也被应用于LED芯片的发光增强。例如，在芯片内靠近多量子阱（MQWs）的位置放置金属薄膜，由于激发的表面等离子（SPs）效应，可有效地增强LED的内量子效率。同时，文献2（Drezet, et al., Opening the lightextraction cone of high index substrates with plasmonic gratings: Light emitting diode applications, Appl.Phys. Lett., 2009）在高折射率磷化镓（GaP）基板上放置等离子金属微结构光栅可增大光子通过基板的逃逸锥。在现有的报道中都只是涉及到采用单独的介质光栅或者金属光栅用于LED光的提取，对于采用两者组合的结构来增强发光效率未见报道。本发明通过将金属介质组合微结构光栅引入LED芯片的光提取特性中，利用金属材料具有的表面等离子效应及光栅结构的散射特性，以使芯片的光提取效率得到更大的提升。

发明内容

本发明的目的在于增强LED的发光效率，提出一种能更加有效提升LED芯片光提取效率的微结构组合。

本发明原理：

在蓝宝石基底上刻蚀贯穿基底的多个通孔，制成蓝宝石光栅，在位于通孔一端的蓝宝石表面上镀金属薄膜，进入蓝宝石光栅通孔内的金属膜层厚度达到一定厚度时，再通过湿法化学刻蚀技术刻蚀掉通孔外蓝宝石表面的金属薄膜，通孔内剩余金属形成金属光栅，然后再在金属光栅和蓝宝石光栅表面镀一层致密的蓝宝石薄膜以覆盖住整个金属及蓝宝石光栅表面，最后在蓝宝石薄膜上生长LED半导体层，制成倒装芯片（flip-chip）的LED结构。基于此结构的LED芯片，当电子空穴在活性层因辐射复合辐射出光子后，产生的光子到达蓝宝石薄膜和半导体层分界面时因为折射率差异较大的原因，会有大部分的光子在界面发生全内反射，从而在界面两侧存在大量的近场倏逝波模式。由于在金属光栅表面所镀的蓝宝石层很薄，这样使得金属光栅尽量都处于倏逝波的衰减长度内，从而更加有利于在金属光栅表面激发表面等离子效应以及增强光栅结构对光子的散射作用，以此增大芯片的光提取效率。同时，蓝宝石基底光栅结构对进入蓝宝石层的光子也起到降低光子形成波导模式的机率，增强对光子的散射作用，进一步提升芯片的光提取效率。

实现本发明目的的技术方案是：一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片，所述LED芯片包括芯片半导体层、与芯片半导体层连接的蓝宝石薄膜层、蓝宝石光栅和金属光栅，所述的蓝宝石光栅为在蓝宝石上设置多个通孔形成的光栅微结构，所述蓝宝石光栅设置在蓝宝石薄膜层上，所述的金属光栅设置在蓝宝石光栅通孔内的一端并与蓝宝石薄膜层连接，所述的金属光栅的厚度为50-70nm。

所述的蓝宝石光栅的最小重复单元为菱形或方形结构。

所述的蓝宝石光栅的周期为500nm，蓝宝石光栅的周期是指相邻两个通孔之间的距离。

所述的蓝宝石光栅的填充率为30%，填充率是指通孔的面积占蓝宝石表面积的比值。

所述金属光栅的材质为银或铝。

所述的蓝宝石薄膜层厚度为10-20nm。

所述的蓝宝石光栅的厚度为60μm。

一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)在蓝宝石基底上刻蚀贯穿基底的多个通孔，制成蓝宝石光栅；

(2)在位于通孔一端的蓝宝石表面上镀金属薄膜直至进入蓝宝石通孔内的金属薄膜厚度达50-70nm，再刻蚀掉蓝宝石表面即通孔外的金属，在通孔内一端形成金属光栅；

(3)在金属光栅和蓝宝石光栅表面镀蓝宝石薄膜层；

(4)在蓝宝石薄膜层上生长芯片半导体层。

步骤（1）中所述的蓝宝石基底厚60μm，所述的刻蚀采用电子束刻蚀法。

步骤（2）中所述金属薄膜为银薄膜或铝薄膜，所述的金属薄膜采用磁控溅射法制备；所述的刻蚀采用湿法化学刻蚀法。

步骤(3)中所述的蓝宝石薄膜层采用磁控溅射法制备；所述的蓝宝石薄膜层厚度为10-20nm。

本发明和现有技术相比，其显著优点是：1、将金属微结构光栅置于倏逝波的衰减长度内，由于表面等离子效应和金属对光子的强散射特性，那些因全内反射而被限制在半导体层的光子能够更多地辐射出半导体层进入蓝宝石基底，从而增加了提升光子提取效率的可能。2、采用介质光栅与金属光栅组合的形式更加有效地提升了芯片的光提取效率。因为，蓝宝石基底被刻蚀为光栅结构后，进入基底的光子形成波导模式的几率就会大大地降低，同时也大量减少了光子在基地与空气接触面上的全内反射，综合的结果就是更多的光子能辐射出芯片。

附图说明

图1是将不同的微结构组合引入芯片的示意图，其中（a）现有技术没有引入微结构，（b）在蓝宝石和半导体层交界面附近只引入金属微结构光栅，（c）现有技术只引入介质光栅微结构，（d）引入金属介质组合微结构光栅。

图2为光栅孔排列示意图，其中（a）最小重复单元为菱形的光栅，（b）最小重复单元为方形的光栅。

图3是引入不同微结构光栅后四种芯片的光提取效率。对应的图（a）为金属材料Ag，图（b）为金属材料Al。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例1

结合图1，图1(d)为本发明引入金属介质组合光栅微结构的芯片。首先以蓝宝石为基底，通过电子束刻蚀法刻蚀贯穿基底的多个通孔，制成蓝宝石光栅，在位于通孔一端的蓝宝石表面采用磁控溅射的方法镀上一层金属材料Ag或Al薄膜，控制镀膜时间，使进入蓝宝石光栅通孔内的Ag或Al膜厚度控制在50-70nm范围内，采用湿法化学刻蚀技术刻蚀掉蓝宝石光栅表面的Ag或Al薄膜，剩余通孔内的金属Ag或Al形成金属光栅，然后再在金属光栅和蓝宝石光栅表面上采用磁控溅射的方法镀上一层致密的蓝宝石薄膜以覆盖住整个金属光栅及蓝宝石光栅表面，最后在蓝宝石薄膜层上生长LED半导体层，制成倒装芯片（flip-chip）的LED结构。其中在金属微结构光栅上镀制的蓝宝石薄膜层的厚度应尽量薄，控制在10-20nm的范围内。这样可以达到在一定程度上减小因晶格不匹配（mismatch）而降低芯片生长质量的不利影响，同时使得金属光栅尽量处于倏逝波的衰减长度内。在倏逝波衰减长度内，电磁波以倏逝波的形式存在，其水平波矢相对较低折射率侧介质（即蓝宝石）内的波矢要大，此时根据表面等离子色散关系可知，在金属表面可以激发表面等离子，使得高折射率半导体一侧内的全反射倏逝波被大量提取到低折射率基底侧，此构造为增大芯片的光提取效率起到了很重要的作用。同时微结构金属光栅又起到散射光子的作用，根据光栅方程k_sp=k₀sin(θ)+e_x2mπ/Λ_x+e_y2nπ/Λ_y可知，微结构光栅可以将表面等离子耦合为在煤质中的传播波。总的效果即达到了将因全内反射而产生的进场倏逝波耦合为在基底中传播的传播波，从而完成了对大量倏逝波的提取。进入基底的光子再经过介质光栅的散射作用，避免大量在基底形成波导模式，以此更加增大芯片的光提取效率。

实施例1

例如，采用的金属材料为Ag，其中蓝宝石光栅采用菱形光栅，如图2(a)所示，蓝宝石光栅的最小重复单元（unit cell，通孔排列的最小重复单元）为菱形时，光栅的周期Λ=500nm，填充因子定义为光栅上通孔的面积占光栅整个表面积的比值，金属光栅的厚度为70 nm，蓝宝石薄膜厚度为10 nm。图3（a）为引入不同微结构光栅后四种芯片的光提取效率对比，图3（a）中可以很明显的看到，在大部分的可见光波段内，组合光栅对光的提取效率是最高的。图2(b)中，当蓝宝石光栅的最小重复单元（unit cell，通孔排列的最小重复单元）为方形（正方形）时，组合光栅对光的提取效率与菱形光栅对光的提取效率相近。

实施例2

如图3（b）所示，为引入不同微结构光栅后四种芯片的光提取效率对比，采用的金属材料为Al，其它结构参数和图3（a）一样。从图3（b）中可以看出金属材料Al和Ag在增强LED的光提取上具有相似的特点。在长波段采用金属Al的组合微结构光栅光提取性能稍逊于金属Ag。

Claims

1.一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片，其特征在于所述LED芯片包括芯片半导体层、与芯片半导体层连接的蓝宝石薄膜层、蓝宝石光栅和金属光栅，所述的蓝宝石光栅为在蓝宝石上设置多个通孔形成的光栅微结构，所述蓝宝石光栅设置在蓝宝石薄膜层上，所述的金属光栅设置在蓝宝石光栅通孔内的一端并与蓝宝石薄膜层连接，所述的金属光栅的厚度为50-70nm。

2.根据权利要求1所述的具有金属介质组合光栅结构的LED芯片，其特征在于所述的蓝宝石光栅的最小重复单元为菱形或方形。

3.根据权利要求1所述的具有金属介质组合光栅结构的LED芯片，其特征在于所述的蓝宝石光栅的周期即相邻两个通孔之间的距离为500nm。

4.根据权利要求1所述的具有金属介质组合光栅结构的LED芯片，其特征在于所述的蓝宝石光栅的填充率即通孔的面积占蓝宝石表面积的比值为30%。

5.根据权利要求1所述的具有金属介质组合光栅结构的LED芯片，其特征在于所述金属光栅的材质为银或铝；所述的蓝宝石光栅的厚度为60μm。

6.根据权利要求1所述的具有金属介质组合光栅结构的LED芯片，其特征在于所述的蓝宝石薄膜层厚度为10-20nm。

7.一种具有金属介质组合光栅结构的LED芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在蓝宝石基底上刻蚀贯穿基底的多个通孔，制成蓝宝石光栅；

（2）在位于通孔一端的蓝宝石表面上镀金属薄膜直至进入蓝宝石通孔内的金属薄膜厚度达50-70nm，再刻蚀掉蓝宝石表面即通孔外的金属，在通孔内一端形成金属光栅；

（3）在金属光栅和蓝宝石光栅表面镀蓝宝石薄膜层；

（4）在蓝宝石薄膜层上生长芯片半导体层。

8.根据权利要求7所述的具有金属介质组合光栅结构的LED芯片的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的蓝宝石基底厚60μm，所述的刻蚀采用电子束刻蚀法；所述的蓝宝石光栅的最小重复单元为菱形或方形；所述的蓝宝石光栅的周期即相邻两个通孔之间的距离为500nm；所述的蓝宝石光栅的填充率即通孔的面积占蓝宝石表面积的比值为30%。

9.根据权利要求7所述的具有金属介质组合光栅结构的LED芯片的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述金属薄膜为银薄膜或铝薄膜，所述的金属薄膜采用磁控溅射法制备；所述的刻蚀采用湿法化学刻蚀法。

10.根据权利要求7所述的具有金属介质组合光栅结构的LED芯片的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的蓝宝石薄膜层采用磁控溅射法制备；所述的蓝宝石薄膜层厚度为10-20nm。