在發(fā)光二極管表面制備單層聚苯乙烯球的方法

張小英，王元樟，莊芹芹

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福建省光電技術(shù)與器件重點實驗室，福建 廈門 361024；3.臺灣大葉大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系，臺灣 彰化 51591)

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在發(fā)光二極管表面制備單層聚苯乙烯球的方法

張小英1，2,3，王元樟1，莊芹芹1

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福建省光電技術(shù)與器件重點實驗室，福建 廈門 361024；3.臺灣大葉大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系，臺灣 彰化 51591)

基于水面乳膠顆粒的自組裝特性，通過將稀釋的聚苯乙烯球鋪展在去離子水中，用表面活性劑加固后將其轉(zhuǎn)移到氮化鉀基發(fā)光二極管(簡稱GaN基LED)表面的方法制備較大面積的單層聚苯乙烯球顆粒．場發(fā)射掃描電子顯微鏡測試表明：該方法能在較短時間內(nèi)在GaN基LED表面形成六角緊湊的聚苯乙烯微球的二維陣列，微球平均直徑約為350nm．加入75μL表面活性劑，利于形成二維結(jié)晶．這為聚苯乙烯球做掩模版粗化GaN表面，提高大功率GaN基LED的光提取率提供了一種有效的途徑．

氮化鎵基發(fā)光二極管；聚苯乙烯球；制備方法；光提取率

在過去的十年里，氮化鎵基發(fā)光二極管(簡稱GaN基LED)引起了人們極大的重視，因為它有著廣泛的應(yīng)用，包括手機(jī)背光源、戶外顯示和汽車前照燈等[1]．但是，由于外量子效率較低，傳統(tǒng)GaN基LED面臨著巨大的挑戰(zhàn)．GaN基LED的外量子效率主要由光提取效率和內(nèi)量子效率決定，其內(nèi)量子效率已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，但是GaN的折射率(n=2.5)和空氣的折射率(n=1)相差較大，光在GaN和空氣界面處發(fā)生菲涅耳反射，使得光提取效率很低．

為了獲得更多的光，人們采用多種方法來提高GaN基LED的光提取率[2-4]，比如在p型GaN層沉積高穿透膜[5]，圖形藍(lán)寶石襯底[6-7]和織化或圖形化LED表面．織化或圖形化LED表面是一種有效的提高GaN基LED光提取率的方法，它包括離子束光刻[8]、納米壓印[9]或共聚物光刻，但是這些方法成本較高，進(jìn)一步阻礙了它在GaN基LED中的應(yīng)用．因此，尋找低成本、可操作性和大面積制備的方法以提高GaN基LED光提取率就成了人們研究的重點．近幾年，已有一些低成本的方法能提高GaN基LED的光提取率，比如利用自組裝的二氧化硅或聚苯乙烯(PS)微球做掩膜版進(jìn)行表面織化[10-16]．目前，做蝕刻用的PS微球主要利用旋轉(zhuǎn)涂布的方法布在器件的正面或背面，而這需要精確控制它的轉(zhuǎn)速．

本實驗將稀釋的PS微球鋪展在去離子水中，表面活性劑加固后將其轉(zhuǎn)移到GaN基LED表面的方法在GaN基LED表面形成二維緊密排列的PS微球單層膜，并研究了它的形成機(jī)理．用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對GaN基LED表面形貌進(jìn)行了表征．試驗表明這種方法是可行有效的，它能在較短的時間內(nèi)形成高質(zhì)量的六角緊湊二維結(jié)構(gòu)，這為提高GaN基LED的效率提供了一種新的途徑．

1 實驗步驟

實驗選用藍(lán)寶石襯底的GaN基LED外延片．外延片用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積生長，包括非摻雜的本征GaN層，重?fù)诫s的n型GaN層，InGaN-GaN多量子阱(MQWs)和p型GaN層．實驗所用的單分散性PS微球購自ThermalScientific，微球的直徑約為350nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，PS微球通過混合無水乙醇進(jìn)行稀釋．

圖1為實驗過程示意圖．如圖1(a)所示，首先將PS微球分散在酒精溶液中形成懸濁液，用移液器量取約10μL的PS微球懸濁液滴于親水的硅片襯底上．隨后，將硅片襯底緩慢浸入含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的十二烷基硫酸鈉(SDS)的去離子水的結(jié)晶皿中，硅片傾斜度約為30°，PS球擴(kuò)散到空氣-水界面，加入75μLSDS溶液進(jìn)行加固，如圖1(b)所示．最后，通過“撈”的方法，將PS微球轉(zhuǎn)移到GaN基LED的表面，形成如圖1(c)的單層膜陣列．

制備后的樣品用FE-SEM進(jìn)行表征，以觀察PS微球在GaN基LED表面的分布情況．通過分析PS球形成單層分布機(jī)理，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)．

2 實驗結(jié)果與討論

在制備PS微球的實驗過程中，表面活性劑SDS對PS微球的作用是形成二維結(jié)晶的關(guān)鍵[17]．在沒有SDS的去離子水中，PS微球膜的缺陷比例較高．這主要是由于沒有SDS的條件下，在空氣-水界面鋪展的PS球由于沒有外力的限制，可以擴(kuò)散到界面的每一個地方，而PS球的擴(kuò)散速度極快，導(dǎo)致局部的PS球濃度不足，因此很難形成緊密堆積．加入少量SDS如20μL時，PS球鋪展時會受到活性劑分子的擠壓力．?dāng)D壓力阻止PS球繼續(xù)擴(kuò)散到各個角落，降低PS球的擴(kuò)散速度，使得前面擴(kuò)散的PS球與后面擴(kuò)散的PS球之間的距離減小，局部PS球的濃度增大，從而使六角緊密堆積的面積增大，點缺陷相對減少．加入適量的SDS如75μL時，即表面活性劑對PS球的作用力與PS球的擴(kuò)散力合適時，在二維結(jié)晶過程中，先擴(kuò)散入空氣-水界面的PS球由于受到足量活性劑的擠壓，擴(kuò)散速度減小，與后續(xù)擴(kuò)散的PS球直接發(fā)生緊密堆積，形成二維結(jié)晶[18-19]．這種方法雖然還存在少數(shù)點缺陷，但卻能得到質(zhì)量較好的膜．實驗結(jié)果如圖2.

圖2是GaN基LED外延片上PS微球在不同放大倍率下的FE-SEM圖，圖2(a)和圖2(b)分別是放大10 000倍和放大30 000倍的FE-SEM圖．從圖中可以看出，PS微球在GaN基LED表面基本形成單層緊密排列．緊湊的PS微球的平均直徑約為350nm．PS球的排列整體上比較有序，局部區(qū)域存在一些空位．通過本方法制備的較為均勻的單層PS球區(qū)域約為100μm2，這比Rybczynski等[19]制備的面積約為50μm2的無缺陷樣品大了近一倍．掃描電鏡發(fā)現(xiàn)在樣品表面出現(xiàn)了裂紋，這主要是由于GaN基LED外延片上水分子蒸發(fā)過快，因此適當(dāng)控制水分子的蒸發(fā)速度能減少類似裂紋的出現(xiàn)．

從水面轉(zhuǎn)移到GaN基LED外延片上之后，緊湊排列的PS球可作為后續(xù)GaN基LED表面粗化的掩膜版，它將有望提高GaN基LED的光提取率．我們將進(jìn)一步優(yōu)化制備二維單層聚苯乙烯球的工藝，希望獲得更好的結(jié)果．

3 結(jié)語

采用液面鋪展法成功地將緊密排列的聚苯乙烯球分布于GaN基LED外延片上．場發(fā)射掃描電子顯微鏡測試表明，聚苯乙烯球在GaN基LED外延片上形成了六角排列的單層膜．這層單層膜可作為表面粗化GaN基LED的掩膜版，有望應(yīng)用于大功率LED的光效改進(jìn)．

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(責(zé)任編輯 宋 靜)

Fabrication of Monolayer Polystyrene Nanospheres on LED Surface

ZHANG Xiaoying1,2，3,WANG Yuanzhang1,ZHUANG Qinqin1

(1.SchoolofOptoelectronic&CommunicationEngineering，XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China;2.FujianProvincialKeyLaboratoryofOptoelectronicTechnology&Devices,Xiamen361024,China;3.DepartmentofElectricalEngineering,Da-YehUniversity,ChanghuaTaiwan51591,China)

Basedonself-assemblyoflatexparticlesonwatersurface,largecloselypackedmonolayerpolystyrene(PS)microspheresarrayswereperformedonthep-GaNsurfaceofathinGaN-basedlight-emittingdiode(LED)bytransferringdilutedPSmicrospheresfromdeionizedwatertothesurfaceofGaN-LEDwaferafterconsolidationofsurfactant.Fieldemissionscanningelectronmicroscopyshowedthatwell-orderedtwo-dimensionalarraysofhexagonallypackedPSnanospheresareobtainedinashorttimewithameandiameterat350nm,whichwhenaddedwith75μLsurfactantformtwo-dimensionalcrystallinearrayswithbetterresults.ItprovesaneffectiveapproachinusingthePSmicrospheresasamaskforfurthertexturingtoimprovethelightextractionefficiencyinthehighpowerGaN-basedlight-emittingdiode.

monolayerpolystyrenemicrospheres;GaN-basedLED;lightextractionefficiency

2016-03-10

2016-03-25

國家自然科學(xué)基金項目(61307115)；福建省教育廳科技計劃項目(JB12182,JB13150)

張小英(1981-)，女，實驗師，碩士，研究方向為GaN基發(fā)光器件．E-mail：xyzhang@xmut.edu.cn

TN

A

1673-4432(2016)05-0056-04