利用自組裝掩膜技術(shù)提高發(fā)光二極管的出光效率.pdf

1、自誕生以來，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)作為一種新型的發(fā)光體就倍受關(guān)注。特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，世界面臨嚴(yán)重的能源、環(huán)境危機(jī)，而照明消耗了大量的電力資源，因此，有必要改進(jìn)現(xiàn)有的照明設(shè)備，提高其效率。半導(dǎo)體照明作為一種新興的照明技術(shù)，與傳統(tǒng)的白熾燈或熒光燈照明相比，它具有電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長、節(jié)能和安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外都非常關(guān)注這一領(lǐng)域的發(fā)展。 雖然在儀器狀態(tài)指示燈、交通信號(hào)指示燈、背光

2、源和景觀照明等領(lǐng)域，半導(dǎo)體照明技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但在傳統(tǒng)照明領(lǐng)域，由于LED的光提取效率問題、散熱問題和相對(duì)昂貴的價(jià)格，使得半導(dǎo)體照明的應(yīng)用受到局限。 本課題的工作在國家863項(xiàng)目和北京市人才強(qiáng)教計(jì)劃項(xiàng)目的支持下進(jìn)行，主要目的是提高LED的出光效率。首先，本文介紹了目前國內(nèi)外在這方面的研究進(jìn)展，分析了在LED表面制作微結(jié)構(gòu)對(duì)其出光效率的影響；其次，介紹了表面微結(jié)構(gòu)的制作方法，即半導(dǎo)體材料的蝕刻技術(shù)，分別采用ICP等離子刻蝕

3、技術(shù)和濕法腐蝕技術(shù)，進(jìn)行了GaP材料的蝕刻規(guī)律研究：本文還在研究分子自組裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，探索出一套制備高聚物可控自組裝新型納米掩膜的工藝方法；最后，采用濕法腐蝕技術(shù)，利用高聚物掩膜在紅光LED表面制作出微納米結(jié)構(gòu)，提高了LED的出光效率：為解決表面微結(jié)構(gòu)給LED制作工藝帶來的問題，對(duì)工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，最終使LED性能得到全面提升。主要開展工作如下： 1.高聚物可控自組裝納米掩膜的研究 研究了高聚物的自組裝機(jī)理和微相分離

4、原理，探索了高分子共混物及其單層薄膜的制備方法。以溶液共混和旋轉(zhuǎn)涂膜的加工方法為基礎(chǔ)，開發(fā)一套制備PS/PMMA自組裝薄膜的工藝方法。研究了影響薄膜形貌的因素，如共混物溶液濃度、共混物組分配、旋涂速度以及工藝流程等，通過對(duì)這些因素的控制，實(shí)現(xiàn)了薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)。當(dāng)PS和PMMA的質(zhì)量比為2：8時(shí)，PS呈微球狀分散相，PMMA呈連續(xù)相。當(dāng)溶液濃度為10m/ml時(shí)，以3000～4000rpm轉(zhuǎn)速旋涂，得到平均直徑在300～500nm左右均

5、勻分散的PS微球：當(dāng)溶液濃度為25mg/ml時(shí)，以4000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂，得到平均直徑在800nm左右均勻分散的PS微球。改變PS和PMMA質(zhì)量比，可以實(shí)現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)換。 利用環(huán)己烷對(duì)PS和PMMA的溶解度差異，對(duì)PS/PMMA共混物薄膜進(jìn)行再加工，得到了適用于半導(dǎo)體表面蝕刻的具有納米微孔的PMMA掩膜。 2.GaP表面形貌控制的研究 研究了濕法化學(xué)腐蝕和ICP干法刻蝕對(duì)GaP材料的蝕刻規(guī)律。具體地，在ICP刻蝕系

6、統(tǒng)中采用BCl3/Ar刻蝕氣體對(duì)GaP材料的刻蝕速率和刻蝕形貌進(jìn)行了研究；采用鹽酸和硝酸的混合水溶液(H2O：HCl：HNO3=2：3：1)作為腐蝕液，研究了常溫下腐蝕液放置時(shí)間對(duì)腐蝕速率即GaP表面形貌的影響，當(dāng)腐蝕液放置時(shí)間為40min，腐蝕時(shí)間為60s時(shí)，得到了與掩膜形貌基本相同的GaP表面。 3.利用可控自組裝掩膜技術(shù)提高LED性能 以高聚物自組裝形成的新型掩膜作保護(hù)，用濕法化學(xué)腐蝕的方法在紅光LED外延片表面上

7、制作微納米結(jié)構(gòu)。通過對(duì)具有不同表面形貌的LED進(jìn)行光功率、軸向光強(qiáng)和電流.電壓特性測(cè)試，研究表面微結(jié)構(gòu)對(duì)LED出光效率、電學(xué)性能和物理結(jié)構(gòu)性能等方面的影響。當(dāng)所用掩膜中的納米微孔直徑在500nm左右，腐蝕深度為140nm時(shí)，LED的出光效率平均提高了18％。 4.紅光LED制作工藝優(yōu)化 考慮到表面微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)降低LED電流擴(kuò)展層的作用，并對(duì)原有的歐姆接觸層造成一定破壞，增加后續(xù)工藝的難度，因此對(duì)工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，加入了一