利用自组装掩膜技术提高发光二极管的出光效率

摘要

自诞生以来，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为一种新型的发光体就倍受关注。特别是进入21世纪后，世界面临严重的能源、环境危机，而照明消耗了大量的电力资源，因此，有必要改进现有的照明设备，提高其效率。半导体照明作为一种新兴的照明技术，与传统的白炽灯或荧光灯照明相比，它具有电光转换效率高、体积小、寿命长、节能和安全环保等优点。国内外都非常关注这一领域的发展。 虽然在仪器状态指示灯、交通信号指示灯、背光源和景观照明等领域，半导体照明技术已经得到广泛的应用，但在传统照明领域，由于LED的光提取效率问题、散热问题和相对昂贵的价格，使得半导体照明的应用受到局限。 本课题的工作在国家863项目和北京市人才强教计划项目的支持下进行，主要目的是提高LED的出光效率。首先，本文介绍了目前国内外在这方面的研究进展，分析了在LED表面制作微结构对其出光效率的影响；其次，介绍了表面微结构的制作方法，即半导体材料的蚀刻技术，分别采用ICP等离子刻蚀技术和湿法腐蚀技术，进行了GaP材料的蚀刻规律研究：本文还在研究分子自组装技术的基础上，探索出一套制备高聚物可控自组装新型纳米掩膜的工艺方法；最后，采用湿法腐蚀技术，利用高聚物掩膜在红光LED表面制作出微纳米结构，提高了LED的出光效率：为解决表面微结构给LED制作工艺带来的问题，对工艺流程进行了优化，最终使LED性能得到全面提升。主要开展工作如下： 1.高聚物可控自组装纳米掩膜的研究 研究了高聚物的自组装机理和微相分离原理，探索了高分子共混物及其单层薄膜的制备方法。以溶液共混和旋转涂膜的加工方法为基础，开发一套制备PS/PMMA自组装薄膜的工艺方法。研究了影响薄膜形貌的因素，如共混物溶液浓度、共混物组分配、旋涂速度以及工艺流程等，通过对这些因素的控制，实现了薄膜结构参数的调节。当PS和PMMA的质量比为2：8时，PS呈微球状分散相，PMMA呈连续相。当溶液浓度为10m/ml时，以3000～4000rpm转速旋涂，得到平均直径在300～500nm左右均匀分散的PS微球：当溶液浓度为25mg/ml时，以4000rpm的转速旋涂，得到平均直径在800nm左右均匀分散的PS微球。改变PS和PMMA质量比，可以实现相态转换。 利用环己烷对PS和PMMA的溶解度差异，对PS/PMMA共混物薄膜进行再加工，得到了适用于半导体表面蚀刻的具有纳米微孔的PMMA掩膜。 2.GaP表面形貌控制的研究 研究了湿法化学腐蚀和ICP干法刻蚀对GaP材料的蚀刻规律。具体地，在ICP刻蚀系统中采用BCl3/Ar刻蚀气体对GaP材料的刻蚀速率和刻蚀形貌进行了研究；采用盐酸和硝酸的混合水溶液(H2O：HCl：HNO3=2：3：1)作为腐蚀液，研究了常温下腐蚀液放置时间对腐蚀速率即GaP表面形貌的影响，当腐蚀液放置时间为40min，腐蚀时间为60s时，得到了与掩膜形貌基本相同的GaP表面。 3.利用可控自组装掩膜技术提高LED性能 以高聚物自组装形成的新型掩膜作保护，用湿法化学腐蚀的方法在红光LED外延片表面上制作微纳米结构。通过对具有不同表面形貌的LED进行光功率、轴向光强和电流.电压特性测试，研究表面微结构对LED出光效率、电学性能和物理结构性能等方面的影响。当所用掩膜中的纳米微孔直径在500nm左右，腐蚀深度为140nm时，LED的出光效率平均提高了18％。 4.红光LED制作工艺优化 考虑到表面微结构结构降低LED电流扩展层的作用，并对原有的欧姆接触层造成一定破坏，增加后续工艺的难度，因此对工艺流程进行了优化，加入了一步生长ITO的工序。ITO层能同时起到欧姆接触和电流扩展的作用，与GaP层的表面微结构相配合，还能降低接触电阻，从而降低LED的工作电压，使其从原来的平均2.06V下降到平均2.01V。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1半导体LED的发展与应用

1.2半导体LED的原理和制造工艺

1.2.1发光原理

1.2.2常用材料

1.2.3芯片制造工艺

1.3半导体LED的优缺点及改进方案

1.3.1半导体照明的优势和存在的问题

1.3.2影响LED出光效率的因素及改进方案

1.4本文研究的目的、意义和主要内容

第2章LED的表面微结构

2.1表面微结构对LED出光效率的影响

2.1.1自然表面微结构

2.1.2蛾眼结构

2.1.3二维光子晶体

2.2制作方法

2.2.1湿法腐蚀

2.2.2干法刻蚀

2.2.3自然生长法

2.2.4自组装掩膜技术

2.3微结构的表征

2.3.1金相显微分析法

2.3.2扫描电镜分析法

2.3.3激光扫描共聚焦显微技术

本章小结

第3章GaP表面形貌控制的研究

3.1 ICP刻蚀GaP表面形貌的控制

3.1.1 ICP刻蚀系统及其原理

3.1.2 GaP干法刻蚀表面形貌控制

3.2湿法化学腐蚀GaP表面形貌的研究

本章小结

第4章自组装纳米掩膜技术的研究

4.1分子自组装原理

4.1.1影响分子自组装体系的因素

4.1.2高聚物的自组装

4.2高聚物的微相分离

4.3 PS/PMMA共混物薄膜的制备

4.3.1实验材料和设备

4.3.2实验原理和方法

4.3.3实验结果和讨论

4.4金属自组装掩膜的制备

本章小结

第5章利用自组装技术提高LED性能

5.1工艺开发

5.1.1实验材料和设备

5.1.2工艺过程

5.2实验结果和讨论

5.3工艺优化

本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢