利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法

摘要

本发明公开了一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，其包括以下步骤：(1)清洁；(2)配置嵌段共聚物有机溶液；(3)涂覆；(4)配置前驱体溶液；(5)浸泡；(6)固化；本发明提供的方法利用PS‑b‑P4VP嵌段共聚物模板法在GaN基外延薄膜表面自组装高度有序的金属纳米颗粒，且所自组装的金属纳米颗粒，尺寸均一且排列高度有序，通过表面有序金属纳米结构产生等离子体基元提高光提取率，整个增强方法流程简单易行，具有较高的重复性，适合大规模工业化操作，且后续无酸、碱、高温等特殊环境，不会对GaN基外延薄膜结构产生不良影响，保证产品质量。

权利要求

1.一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)清洁：对GaN基LED外延片的表面进行清洁处理；

(2)配置嵌段共聚物有机溶液：将PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶于有机溶剂甲苯中，配置成嵌段共聚物质量分数为0.5％～5％的嵌段共聚物有机溶液；

(3)涂覆：将嵌段共聚物有机溶液涂覆于GaN基外延片表面；

(4)配置前驱体溶液：配置具有高度有序纳米结构的金属的前驱体溶液，浓度为0.1～

1mol/L；

(5)浸泡：将涂覆有嵌段共聚物有机溶液的GaN基外延片置于前驱体溶液中浸泡5～50分钟后取出然后洗净；

(6)固化：将洗净的GaN基外延片置于紫外灯中进行固化操作，固化结束后将GaN基外延片取出，得到表面具有高度有序化金属纳米颗粒的GaN外延薄膜制品；

其中所述步骤(1)和(2)不分先后顺序，所述步骤(4)和(1)、(2)、(3)不分先后顺序；

所述PS‑b‑P4VP嵌段共聚物中PS与P4VP嵌段摩尔质量比为25000:7000，22000:22000与

17000:49000三种其中的一种；

所述具有高度有序纳米结构的金属为Ag、Al或Pd。

2.根据权利要求1所述利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括以下步骤：将GaN基LED外延片置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干。

3.根据权利要求1所述利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，其特征在于：所述步骤(3)通过匀胶机将嵌段共聚物有机溶液旋涂于GaN基外延片表面。

4.根据权利要求1所述利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，其特征在于：所述前驱体溶液的溶剂为水与乙醇1:1的混合溶剂。

5.根据权利要求1所述利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的GaN基外延片在去离子水中浸泡洗净。

6.根据权利要求1所述利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，其特征在于：所述步骤(6)中的固化时间为5～20分钟。

说明书

利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及属于LED外延片技术领域，特别涉及一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法。

背景技术

[0002] GaN基外延薄膜已大规模用于可见光LED领域，特别是在蓝光发光方面具有不可替代的重要角色，也因此荣膺2014年物理学诺贝尔奖。此外，GaN具有的宽禁带特性(Eg～
3.2eV)、抗辐照强、抗击穿性强等优点使其成为第三代半导体中的重要一员，目前已被广泛
用于IGBT功率器件与激光通讯领域。日前，随着新型紫外LED的不断兴起，GaN基外延薄膜又
焕发出新的活力，以新型紫外LED为例，通过Al对Ga的替位掺杂，GaN禁带宽度逐渐增大，因
此相对应的LED发光器件所释放的光子波长也随之变短，从可见光波段逐渐进入紫外波段
应用于紫外LED领域。而十分可惜的是，随着Al掺杂量增多，发光波长进入深紫外区域时(λ<
280nm)，器件的发光模式从TE向TM发生模式转变，进而导致其c面光提取率大幅度降低，因
此严重限制了外量子发光效率，因此使得GaN基深紫外LED器件的外量子效率始终低于
10％，远低于蓝光LED的80％。除紫外LED外，如何增强可见光领域的LED发光效率也是该领
域中长久以来备受关注的重要问题。

[0003] 因此通过新方法实现提高GaN基LED的光提取效率，进而提升GaN基LED的外量子效率，始终是该领域的研究重点。研究表明，在GaN基LED的出光面构建不同形态的金属纳米结
构，可通过产生等离子体基元而大幅度提高光提取率。因此如何通过简单高重复性的方法
构建高度有序的金属纳米结构，是该领域十分值得探索的技术问题。

发明内容

[0004] 针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法。该方法利用PS‑b‑P4VP嵌段共聚物模板法在GaN基外延薄膜表面自组装高
度有序的金属纳米颗粒，通过表面有序金属纳米结构产生等离子体基元提高光提取率。

[0005] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

[0006] 一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，其包括以下步骤：

[0007] (1)清洁：对GaN基LED外延片的表面进行清洁处理；

[0008] (2)配置嵌段共聚物有机溶液：将PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶于有机溶剂甲苯中，配置成嵌段共聚物质量分数为0.5％～5％的嵌段共聚物有机溶液；

[0009] (3)涂覆：将嵌段共聚物有机溶液涂覆于GaN基外延片表面；

[0010] (4)配置前驱体溶液：配置具有高度有序纳米结构的金属的前驱体溶液，浓度为0.1～1mol/L；

[0011] (5)浸泡：将涂覆有嵌段共聚物有机溶液的GaN基外延片置于前驱体溶液中浸泡5～50分钟后取出然后洗净；

[0012] (6)固化：将洗净的GaN基外延片置于紫外灯中进行固化操作，固化结束后将GaN基外延片取出，得到表面具有高度有序化金属纳米颗粒的GaN外延薄膜制品；

[0013] 其中所述步骤(1)和(2)不分先后顺序，所述步骤(4)可以在步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中任一步骤之前或之后，即前驱体溶液可以提前配置好，也可以当场配置。

[0014] 作为本发明的一种优选方案，所述步骤(1)具体包括以下步骤：将GaN基LED外延片置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干。

[0015] 作为本发明的一种优选方案，所述PS‑b‑P4VP嵌段共聚物中PS与P4VP嵌段摩尔质量比为25000:7000，22000:22000与17000:49000三种其中的一种。

[0016] 作为本发明的一种优选方案，所述步骤(3)通过匀胶机将嵌段共聚物有机溶液旋涂于GaN基外延片表面。

[0017] 作为本发明的一种优选方案，所述具有高度有序纳米结构的金属为Ag、Al或Pd。

[0018] 作为本发明的一种优选方案，所述前驱体溶液的溶剂为水与乙醇1:1的混合溶剂。

[0019] 作为本发明的一种优选方案，所述步骤(5)中的GaN基外延片在去离子水中浸泡洗净。

[0020] 作为本发明的一种优选方案，所述步骤(6)中的固化时间为5～20分钟。

[0021] 本发明的有益效果为：本发明提供的方法利用PS‑b‑P4VP嵌段共聚物模板法在GaN基外延薄膜表面自组装高度有序的金属纳米颗粒，且所自组装的金属纳米颗粒，尺寸均一
且排列高度有序，通过表面有序金属纳米结构产生等离子体基元提高光提取率，即应用有
本发明GaN外延薄膜制品的LED器件在发光过程中表面金属纳米颗能产生表面等离子体基
元，进而实现提升发光效率的目的；整个增强方法流程简单易行，具有较高的重复性，适合
大规模工业化操作，且后续无酸、碱、高温等特殊环境，不会对GaN基外延薄膜结构产生不良
影响，保证产品质量。

[0022] 下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

[0023] 图1为发明的工艺流程图。

[0024] 图2为发明实施例1的自组装Ag纳米颗粒的原子力显微镜图。

[0025] 图3为发明实施例1的自组装Ag纳米颗粒的XPS特征峰谱。

具体实施方式

[0026] 实施例1：

[0027] 本实施例提供的一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，所利用的嵌段共聚物PS‑b‑P4VP嵌段比为25000:7000,所组装的Ag具备高度有序化，且纳米颗粒
尺寸均一，具体的，包括以下步骤：

[0028] (1)将GaN基LED外延片置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；

[0029] (2)将嵌段比为25000:7000的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶于有机溶剂甲苯中，配置成嵌段共聚物质量分数为0.6％的嵌段共聚物有机溶液；

[0030] (3)将配置好的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶液利用匀胶机旋涂于GaN基外延片表面；

[0031] (4)配置Ag的前驱体溶液AgNO3，溶剂为水与乙醇1:1的混合溶剂，浓度为0.5mol/L；

[0032] (5)将旋涂PS‑b‑P4VP嵌段共聚物的GaN基LED外延片置于配置好的AgNO3前驱体中，浸泡20分钟后取出，在去离子水中浸泡洗净；

[0033] (6)将洗净的GaN基LED外延片置于紫外灯中进行照射，时间为10分钟，结束后将外延片取出，得到表面具有高度有序化Ag纳米颗粒的GaN基蓝光LED外延片制品。

[0034] 实施例2：

[0035] 本实施例提供的一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，所利用的嵌段共聚物PS‑b‑P4VP嵌段比为22000:22000,所组装的Ag具备高度有序化，且纳米颗
粒尺寸均一，具体的，包括以下步骤：

[0036] (1)将GaN基LED外延片置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；

[0037] (2)将嵌段比为22000:22000的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶于有机溶剂甲苯中，配置成嵌段共聚物质量分数为0.5％的嵌段共聚物有机溶液；

[0038] (3)将配置好的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶液利用匀胶机旋涂于GaN基外延片表面；

[0039] (4)配置Ag的前驱体溶液AgNO3，溶剂为水与乙醇1:1的混合溶剂，浓度为0.6mol/L；

[0040] (5)将旋涂PS‑b‑P4VP嵌段共聚物的GaN基LED外延片置于配置好的AgNO3前驱体中，浸泡50分钟后取出，在去离子水中浸泡洗净；

[0041] (6)将洗净的GaN基LED外延片置于紫外灯中进行照射，时间为20分钟，结束后将外延片取出，得到表面具有高度有序化Ag纳米颗粒的GaN基蓝光LED外延片制品。

[0042] 实施例3：

[0043] 本实施例提供的一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，所利用的嵌段共聚物PS‑b‑P4VP嵌段比为17000:49000,所组装的Ag具备高度有序化，且纳米颗
粒尺寸均一，具体的，包括以下步骤：

[0044] (1)将GaN基LED外延片置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；

[0045] (2)将嵌段比为17000:49000的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶于有机溶剂甲苯中，配置成嵌段共聚物质量分数为5％的嵌段共聚物有机溶液；

[0046] (3)将配置好的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶液利用匀胶机旋涂于GaN基外延片表面；

[0047] (4)配置Ag的前驱体溶液AgNO3，溶剂为水与乙醇1:1的混合溶剂，浓度为0.1mol/L；

[0048] (5)将旋涂PS‑b‑P4VP嵌段共聚物的GaN基LED外延片置于配置好的AgNO3前驱体中，浸泡5分钟后取出，在去离子水中浸泡洗净；

[0049] (6)将洗净的GaN基LED外延片置于紫外灯中进行照射，时间为5分钟，结束后将外延片取出，得到表面具有高度有序化Ag纳米颗粒的GaN基蓝光LED外延片制品。

[0050] 实施例4：

[0051] 本实施例提供的一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，所利用的嵌段共聚物PS‑b‑P4VP嵌段比为25000:7000,所组装的Pd具备高度有序化，且纳米颗粒
尺寸均一，具体的，包括以下步骤：

[0052] (1)将GaN基LED外延片置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；

[0053] (2)将嵌段比为25000:7000的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶于有机溶剂甲苯中，配置成嵌段共聚物质量分数为0.8％的嵌段共聚物有机溶液；

[0054] (3)将配置好的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶液利用匀胶机旋涂于GaN基外延片表面；

[0055] (4)配置Pd的前驱体溶液PdCl2，将PdCl2溶液与HCl溶液以1:2比例混合，并用蒸馏水稀释浓度至0.1mol/L；

[0056] (5)将旋涂PS‑b‑P4VP嵌段共聚物的GaN基LED外延片置于配置好的PdCl2前驱体中，浸泡18分钟后取出，在去离子水中浸泡洗净；

[0057] (6)将洗净的GaN基LED外延片置于紫外灯中进行照射，时间为12分钟，结束后将外延片取出，得到表面具有高度有序化Pd纳米颗粒的GaN基蓝光LED外延片制品。

[0058] 实施例5：

[0059] 本实施例提供的一种利用金属纳米颗粒增强氮化物基LED发光效率的方法，所利用的嵌段共聚物PS‑b‑P4VP嵌段比为25000:7000,所组装的Al具备高度有序化，且纳米颗粒
尺寸均一，具体的，包括以下步骤：

[0060] (1)将GaN基LED外延片置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；

[0061] (2)将嵌段比为25000:7000的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶于有机溶剂甲苯中，配置成嵌段共聚物质量分数为0.8％的嵌段共聚物有机溶液；

[0062] (3)将配置好的PS‑b‑P4VP嵌段共聚物溶液利用匀胶机旋涂于GaN基外延片表面；

[0063] (4)配置Al的前驱体溶液AlCl3，将AlCl3溶液与HCl溶液以1:2比例混合，并用蒸馏水稀释浓度至0.1mol/L；

[0064] (5)将旋涂PS‑b‑P4VP嵌段共聚物的GaN基LED外延片置于配置好的PdCl2前驱体中，浸泡30分钟后取出，在去离子水中浸泡洗净；

[0065] (6)将洗净的GaN基LED外延片置于紫外灯中进行照射，时间为20分钟，结束后将外延片取出，得到表面具有高度有序化Al纳米颗粒的GaN基蓝光LED外延片制品。

[0066] 以上所述，仅是本发明的一较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制。本发明利用PS‑b‑P4VP嵌段共聚物为模板，参见图2，在GaN基外延片表面制备尺寸均一且高度
有序的Ag金属纳米颗粒。本发明GaN外延薄膜制品可以应用于蓝光LED、绿光LED或紫外LED，
应用有本发明GaN外延薄膜制品的LED器件在发光过程中表面金属纳米颗能产生表面等离
子体基元，有效有实现提升发光效率的目的。

[0067] 根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的
一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用
了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明
上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤而得到的其它方法，均在本发明保护范围内。