在发光二极管芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法

摘要

本发明公开了一种在发光二极管芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法。该工艺方法主要是：先利用纳米球掩膜刻蚀技术，在P‑GaN层刻蚀出相应的纳米凹槽，然后沉积金属和电流隔离层，最后去掉相关的纳米球掩膜，这样金属纳米颗粒和电流隔离层可以填在纳米凹槽内，最后利用常规的工艺制作电极。结果表明，本发明的方法能有效的在LED芯片的量子阱附近制备金属纳米结构，为研究表面等离子体LED提供一种有效而简便的方法。

说明书

技术领域

本发明属于涉及一种在发光二极管(LED)芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法，其工艺可以制作成为具有表面等离子体增强效应的LED。

背景技术

利用表面等离子体(surface plasmons,SPs)技术提高LED的出光效率也是当前研究的热点问题。主要是由于SPs具有特殊的性质，一方面，它可以用于提高LED的萃取效率，其原理是通过合适的金属微纳结构，使大于全内反射角而不能辐射出去的光激发SPs，然后使SPs再转化为光把能量辐射出去。另一方面，由于SPs具有很强的局域场特性，在共振时SPs有很高的态密度，这能够影响发光中心的辐射速率，从而提高发光中心的内量子效率，这非常合适用于提高一些内量子效率较低的芯片，例如绿光LED芯片。

局域等离子体(localized surface plasmon,LSP)往往具有更高的增强效率，因此纳米金属颗粒常常被应用于增强LED光发射效率。Park等人设计了一个与通常多量子阱LED略有不同的样品，他们把用于产生SPs效应的银粒子沉积于n-GaN和多量子阱之间，这样可以有效地解决p-GaN的厚度与SPs有效耦合距离的问题(Adv Mater.,2008,20:1253)。实验结果显示，与没有沉积银粒子的样品相比，有银粒子的样品的时间分辨光谱技术表明了其自发辐射速率得到了较大的提高。但是由于生产半导体材料的温度环境问题，大部分的银粒子会被蒸发掉，所以最后只获得1.3倍左右的蓝光增强。Park研究小组同样把这个技术应用于p-GaN上，他们也尝试了把用于产生SPs效应的银粒子沉积于p-GaN和多量子阱之间，实验上获得38％的光输出增强(Nanotechnology,2010,21：205201)。

利用SPs效应提高LED的发光效率引起了当前许多研究小组的兴趣，并且取得了许多引人注目的成果。SPs效应提高发光效率涉及比较多的研究内容，这主要包括如何设计金属纳米结构，使得它与量子阱的发光频率共振并且具有高的散射效率；还包括如何在量子阱的附近制备该金属纳米结构。特别是后者，由于SPs效应的有效作用距离仅为几十个纳米，因此许多研究小组要获得比较好的结果一般需要使用比较复杂的生长工 艺(Nanotechnology,2008,19:345201)。

因此，如何使用低成本的纳米技术在发光量子阱附近制备合适的金属纳米结构，从而利用SPs效应提高LED的发光效率，仍是一个值得研究科研问题。本

发明内容

本发明的目的在于提供一种在发光二极管(LED)芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法，主要使用的是纳米球掩膜刻蚀沉积技术，能够在量子阱附近制备合适的金属纳米结构，从而避免复杂的生长工艺。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。一种在发光二极管(LED)芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法，首先，利用纳米球掩膜刻蚀技术，在P-GaN层刻蚀出相应的纳米凹槽，然后沉积金属和电流隔离层，最后去掉相关的纳米球掩膜，这样金属纳米颗粒和电流隔离层可以填在纳米凹槽内，最后利用常规的工艺制作电极。

本发明提出一种在发光二极管(LED)芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法，具体包括以下步骤：

1)首先，在平面结构的LED芯片的P-GaN层制备单层密排的纳米球，可以先利用氧等离子体刻蚀PS纳米球，控制纳米柱的间隙，接着利用ICP进行刻蚀，刻蚀出周期性的P-GaN纳米柱阵列，那么纳米柱之间就有间隙结构；

2)在去掉纳米球掩膜前，利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积金属，沉积厚度大约为10-20nm，然后再利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积电流隔离层，沉积厚度大约为10-20nm；

3)去掉纳米球掩膜，最终在p-GaN层获得周期性的纳米柱阵列结构，并且纳米柱的间隙有金属纳米颗粒和电流隔离层颗粒结构；

4)沉积约300-400nm的ITO作为透明电极，然后进行常规的厚金电极工艺处理，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。最终获得具有表面等离子体增强效应的LED成品。

本发明的制备工艺方法，步骤a中，在P-GaN层制备单层密排的纳米球，所述纳米球可以是单分散的聚苯乙烯微球(Polystyrene，PS)、单分散的二氧化硅微球，所述单分散的微球直径在200nm-2um之间。

本发明的制备工艺方法，先根据预设计的银纳米颗粒的尺寸，利用氧等离子体刻蚀 PS纳米球模板，接着利用反应耦合等离子体进行刻蚀，刻蚀出周期性的P-GaN纳米柱阵列，那么纳米柱之间就有间隙结构。根据p-GaN层的厚度，利用反应耦合等离子体进行刻蚀，如果p-GaN层的厚度为150nm，刻蚀深度大约为130-140nm左右。

本发明的制备工艺方法，利用干刻法进行刻蚀，刻蚀时使用的气体选自BCl₃、Cl₂、Ar之一或者几种的组合。

步骤2)中，利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积金属，对于发光波长属于蓝光区域的LED，可以沉积银，对于发光波长属于绿光的可以沉积金；然后再利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积电流隔离层，隔离层可以是二氧化硅或者是氮化硅或者是其他不导电的介质薄膜。

步骤2)中，在去掉PS掩膜前，进行沉积金属银纳米颗粒工艺处理，利用电子束蒸镀沉积银的厚度为10-20nm左右；接着沉积10-20nm左右的二氧化硅或者氮化硅或者其他的非导电物。

步骤3)中，当选择的纳米球掩膜为PS纳米球时，去掉纳米球掩膜，可以在氯仿中超声，去掉PS纳米球掩膜。

另外，本发明还提供了一种由上述在发光二极管芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法制备得到的发光二极管芯片。

借由上述技术方案，本发明具有的优点是：

1、本发明主要使用的是纳米球掩膜刻蚀沉积技术，能够在量子阱附近制备合适的金属纳米结构，从而避免复杂的生长工艺。

2、本发明的制备方法巧妙，成本廉价，可以大批量生产。

3、本发明的制备方法制备的产品有望提高LED芯片的出光效率。

附图说明

以下结合附图及实施例对本制备工艺做进一步说明：

图1中图1(a)～图1(f)显示的是本发明的制备工艺流程结构简图。

图2是工艺步骤框图。

图3是实施例1的LED芯片产品，其先氧等离子体刻蚀PS纳米球7秒，然后ICP刻蚀25s，蒸镀10nm银膜+30nm二氧化硅，所得样品的截面的电镜图。

图4是是实施例2的LED芯片产品，先氧等离子体刻蚀PS纳米球11秒，然后ICP刻蚀25s，蒸镀10nm银膜+30nm二氧化硅，所得样品的截面的电镜图。

图中标示如下：

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；108-n厚金属电极；1091-间隙中的银纳米颗粒；1092-间隙中的二氧化硅颗粒；111-ps纳米球。

具体实施方式

如图1-2所示，一种成本廉价、可以大批量生产具有表面等离子体效应的LED芯片的制备工艺方法，具体包括以下步骤：

1)在平面结构LED芯片的p-GaN层制备单层密排的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)纳米球作为掩膜；

2)利用氧等离子体先刻蚀PS球，控制PS纳米球的尺寸，从而控制纳米柱的间隙，可以控制银纳米颗粒的尺寸；

3)根据p-GaN层的厚度，利用反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)进行刻蚀，如果p-GaN层的厚度为150nm，刻蚀深度大约为130-140nm左右；

4)在去掉PS掩膜前，进行沉积金属银的工艺处理，沉积银的厚度为10-20nm左右；

5)接着沉积10-20nm左右的二氧化硅或者氮化硅或者其他的非导电物；

6)在氯仿中超声，去掉PS纳米球掩膜；

7)最终在p-GaN层获得周期性的纳米柱阵列结构，并且纳米柱的间隙有银纳米颗粒和二氧化硅纳米颗粒结构；

8)进行常规的厚金电极工艺处理，最终获得具有SP增强效应的LED成品。

以下通过具体较佳实施例结合附图对本发明的制备工艺方法作进一步向详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。

实施例1

下面结合附图和实施例对一种提高LED芯片出光效率的制备工艺方法进一步说明。一种LED基片的结构如下：在蓝宝石衬底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。

在LED基片的基础上，本发明的制备工艺方法其步骤如下：

1)首先，在平面结构的LED芯片的P-GaN层105上制备单层密排的纳米球111，如图1(a)所示。可以先利用氧等离子体对PS纳米球掩膜进行刻蚀，如图1(b)所示，实例1中氧等离子体刻蚀PS纳米球7秒。接着利用ICP进行刻蚀，刻蚀出周期性的P-GaN纳米柱阵列，那么纳米柱之间就有间隙结构，如图1(c)所示。通过改变ICP刻蚀时间可以有效地控制p型GaN层纳米柱阵列的高度，我们实验样品的P-GaN的厚度约为 150nm，实例1中我们选择ICP刻蚀的时间为25S，所以我们ICP刻蚀的凹槽的深度约为130-140nm左右。

2)由于我们实验中使用的是蓝光LED芯片，所以我们选择银金属来实现SP增强LED的发光效率。在去掉纳米球掩膜前，利用电子束蒸发进行沉积金属银，沉积厚度大约为10nm，然后再利用磁控溅射进行沉积电流隔离层二氧化硅，沉积厚度大约为30nm，此时所得的结构如图1(d)所示。

3)在氯仿中超声去掉纳米球掩膜，最终在p-GaN层获得周期性的纳米柱阵列结构，并且纳米柱的间隙有金属纳米颗粒和电流隔离层颗粒结构，如图1(e)所示。

图2是先氧等离子体刻蚀PS纳米球7秒，然后ICP刻蚀25s，蒸镀10nm银膜+30nm二氧化硅，所得样品的截面的电镜图。

4)沉积约300-400nm的ITO106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，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108等，从而完成制作厚金电极的制作。

最终获得具有表面等离子体增强效应的LED成品，纳米凹槽内分别沉积有银纳米颗粒1091和二氧化硅1092，如图1(f)所示。

实施例2

在LED基片的基础上，本发明的制备工艺方法其步骤如下：

1)首先，在平面结构的LED芯片的P-GaN层105上制备单层密排的纳米球111，如图1(a)所示。可以先利用氧等离子体对PS纳米球掩膜进行刻蚀，如图1(b)所示，实例2中氧等离子体刻蚀PS纳米球11秒。。接着利用ICP进行刻蚀，刻蚀出周期性的P-GaN纳米柱阵列，那么纳米柱之间就有间隙结构，如图1(c)所示。通过改变ICP刻蚀时间可以有效地控制p型GaN层纳米柱阵列的高度，我们实验样品的P-GaN的厚度约为150nm，实例2中我们选择ICP刻蚀的时间为25S，所以我们ICP刻蚀的凹槽的深度约为130-140nm左右。

2)由于我们实验中使用的是蓝光LED芯片，所以我们选择银金属来实现SP增强LED的发光效率。在去掉纳米球掩膜前，利用电子束蒸发进行沉积金属银，沉积厚度大约为10nm，然后再利用磁控溅射进行沉积电流隔离层二氧化硅，沉积厚度大约为30nm，此时所得的结构如图1(d)所示。

3)在氯仿中超声去掉纳米球掩膜，最终在p-GaN层获得周期性的纳米柱阵列结构，并且纳米柱的间隙有金属纳米颗粒和电流隔离层颗粒结构，如图1(e)所示。

图3是先氧等离子体刻蚀PS纳米球11秒，然后ICP刻蚀25s，蒸镀10nm银膜+30nm二氧化硅，所得样品的截面的电镜图。

4)沉积约300-400nm的ITO106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，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108等，从而完成制作厚金电极的制作。最终获得具有表面等离子体增强效应的LED成品，纳米凹槽内分别沉积银纳米颗粒1091和二氧化硅1092，如图1(f)所示。

综上所述，本发明主要是开发一种能在LED芯片的量子阱附近制备金属纳米结构的有效而低成本的方法，从而避免了复杂昂贵的生长工艺。

为了表明该方法的有效性，图3和图4分别表示实验中所得的电镜图。图示结果表明，该方法有效的在量子阱附近制备金属纳米结构，为研究表面等离子体LED提供一种有效而简便的方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故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,均仍属于本发明技术方案的范围内。