一種含左手材料的led反光鏡晶體及制備方法

專利名稱：一種含左手材料的led 反光鏡晶體及制備方法
技術領域：
本發明屬于光電子器件制備技術，特別涉及一種作為反光鏡的LED外延芯片結構及制備方法。
背景技術：
半導體發光二極管(Light Emitting Diode, LED)在信號顯示、背光源和固態照明領域有著極其廣泛的應用，尤其以III一V族化合物氮化鎵(GaN)材料為基礎的LED應用較多，具有高亮度、低能耗、長壽命、響應速度快等特點。垂直結構LED (Vertical LightEmitting Diode，VLED)相對于水平結構LED，具有散熱性能好，發光效率高，壽命長等優勢，因此是LED重要的發展方向。自John和Yabolonivitchl987年提出光子晶體的概念以來，光子晶體不僅成為微納光電子學和量子光學的重要研究領域，而且在信息光學以及其他多個學科中得到廣泛應用。光子晶體的典型特點是具有光子帶隙，能夠有效的控制光子(電磁波)傳播的頻率和方向，并且具有低損耗的優勢。1967年，前蘇聯物理學家Veselago提出了一種左手材料(Left-handedmaterial，簡稱LHM)的概念，這種材料的介電常數ε和磁導率μ均為負值，電場、磁場和波矢之間構成左手關系，折射率為負值，所以也稱為負折射率材料(negative index ofrefraction material,簡稱 NIM)。2001 年,美國加州大學 San Diego 分校的 David Smith等物理學家利用以銅為主的復合材料首次制造出微波波段的左手材料，之后左手材料吸引了越來越多的關注，發展迅猛。2003年與2006年，美國《科學》雜志兩次評選左手材料為年度全球十大科學進展之一。左手材料作為一種特殊的材料可以在微波器件，完美透鏡、軍事隱身以及信息通訊等領域發揮巨大的作用。由右 手材料制備的光子晶體存在帶寬窄的缺點，限制了光子晶體的性能和應用。浙江大學(Wang ZY, Chen XM, et al.Photonic crystal narrow filterswithnegative refractive index structuraldefects.Progress in ElectromagneticsResearch, PIER, 2008, 80，421)提出含左手材料的光子晶體的帶隙要比傳統的光子晶體要大得多，并具有狹窄的透射帶。美國Purdue大學(Shumin Xiao, VladimirP.Drachevjet al.Loss-free and active optical negative-1ndexmetamaterials.Nature.2010，466，735)提出在左手材料中加入增益材料有利于減少光強損耗，加強諧振效應，提高左手材料的性能。Gunnar Dolling(Gunnar Dolling, Christian Enkrich.Simultaneous Negative Phaseand Group Velocity of Lightin a Metamaterial.Science.2006,312,892)提出納米量級的漁網型結構可以產生左手材料的特性，可代替傳統的金屬開口諧振環陣列(SRRs)結構，簡化工藝流程。以上文獻涉及的是對左手材料以及由左右手材料構成的光子晶體特性的研究，并不涉及其在LED中的應用。以往的專利中涉及的是左手材料的制備工藝，并不涉及含左右手材料的光子晶體結構的設計和制備，也不涉及在LED中的應用。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種含左手材料的LED反光鏡晶體結構及制備工藝，以降低光強損耗，提高反射效率，從而提高LED的發光效率。為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的:一種含左手材料的LED反光鏡晶體:從上至下依次包括n-GaN層、多量子阱有源層、P-GaN層，其特征在于，在p-GaN層下面設置一電流擴散層，該電流擴散層下面設置不少于三層的導電金屬層，最后一層導電金屬層的下面設置一鍵合金屬層，其中，各導電金屬層結合面上設置有矩形腔排布的陣列，所有矩形腔中填充固態增益材料，形成左手材料區域A，同一導電金屬層中沒有矩形腔陣列的平面區域為右手材料區域B，左手材料區域A與右手材料區域B交替疊落；所述各矩形腔周長為120 600nm ;陣列的單位距離U、L2不超過250nmo上述方案中，所述矩形腔的周長為160 320nm ;陣列的單位距離L1=L2,均取120nm 180nm。所述電流擴散層由ITO或石墨烯制成。所述導電金屬層由Ag、Al、Au或Cu制成。所述鍵合金屬層由Cu或Cu/W合金制成。所述固態增益材料為環氧樹脂。前述含左手材料的LED反光鏡晶體的制備方法，其特征在于:包括下述步驟:(I)在LED外延芯片的p-GaN層表面沉積一層厚度在10 20nm的電流擴散層；(2)在電流擴散層上沉積 一層厚度在20 60nm的導電金屬層；(3)在導電金屬層上表面刻蝕深度為15 25nm、周長為120 600nm的矩形腔陣列，陣列的單位距離Lp L2不超過250nm ；(4)在導電金屬層表面沉積一層固態增益材料，填滿刻蝕的矩形腔陣列；(5)米用干法刻蝕的方法將導電金屬層表面修平；(6)重復步驟(2) (5)至少3次，使導電金屬層的總厚度不超過300nm ；(7 )在最后一層導電金屬層上進行鍵合，最后將LED外延芯片的藍寶石襯底剝離。上述方法中，所述步驟(I)中電流擴散層的沉積采用熱蒸發的方式。所述步驟(2 )中導電金屬層的沉積采用電子束蒸鍍方式，導電金屬為Al、Ag、Au、或Cu。所述步驟(3)中矩形腔陣列刻蝕采用電子束刻蝕方式。本發明含左手材料的LED反光鏡晶體制備工藝的優點如下:1、采用干法刻蝕以及電子束蒸鍍的方式，相對于其他的制備工藝，具有更高的精度。到目前為止，電子束刻蝕的精度可以控制在IOnm之內，電子束沉積工藝可以控制在Inm范圍內。制備精度的提聞，有利于分析、控制和提聞LED反光鏡的性能；2、在p-GaN表面制備反光鏡，不會破壞LED芯片的外延結構，保證了 LED芯片的質量。3、將金屬層分成多次沉積，便于調控左手材料的結構與性能。采用本發明方法制備的LED反光鏡晶體的結構優點是:1、底部為一層電流擴散層，可防止電流擁堵，且工藝成熟。2、反光鏡的基底材質為導電金屬(Al、Ag、Au、Cu)，減少了對LED的電學性能的影響，而且便于左手材料的制備。3、該反光鏡晶體結構為一層右手材料和一層左手材料交替排列,其光子帶隙比傳統的光子晶體寬，使光的反射率明顯提聞。4、左手材料區域為漁網結構，并且填充固態增益材料，可以減小損耗，增強左手材料的性能。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。圖1是本發明含左手材料的LED反光鏡晶體結構示意圖。圖2是圖1左手材料區域A表面的平面俯視圖。圖3是圖1結構的制備工藝流程圖。圖4是按本發明制備工藝的外延晶體結構狀態變化圖。其中:a圖為原始LED的外延芯片；b圖為沉積一層ITO的結構；c圖為沉積一層Ag后的結構；d圖為電子束刻蝕后的結構；e圖為增益材料填充后的結構；f圖為左手材料表面修平后的結構；g圖為沉積多層左右手材料的結構；h圖為鍵合后的結構；i圖為芯片倒置后的結構；j圖為激光剝離后的結構。圖5是本發明提供的Re (η)曲線和FOM曲線。圖中:實線(Re (η))—有效折射率的實部；虛線(FOM)—品質因數。圖6是本發明提供的透射譜。圖7是本發明提供的LED光輸出功率曲線。
具體實施例方式參見圖1，一種含左手材料的LED反光鏡晶體結構，從上至下依次包括n-GaN層1、多量子阱有源層(MQW active layer) 2、p-GaN層3、電流擴散層4 (ΙΤ0或石墨烯)、三層導電金屬層5 (Ag、Al、Au或Cu)、鍵合金屬層7 (Cu/W)，其中，各導電金屬層結合面上設置有矩形腔排布的陣列，所有矩形腔中填充固態增益材料6 (環氧樹脂)，形成左手材料區域A，該左手材料區域A的這種類似漁網結構可以減小損耗，增強左手材料的性能；同一導電金屬層中沒有矩形腔陣列的區域為右手材料區域B，左手材料區域A與右手材料區域B交替疊落。參考圖2，左手材料區域中的矩形腔邊長屯=^，可在30nm 150nm之間選擇，本實施例選40nm 80nm。矩形腔圖案在平面內陣列，且布滿整個平面，陣列的單位距離L1=L2,取IOOnm 250nm,本實施例選120nm 180nm。參見圖3、圖4，本發明含左手材料的LED反光鏡晶體的制備方法包括:步驟一:提供一個LED的外延芯片，如圖4a。本發明應用的LED包括水平結構、垂直結構、量子點LED結構。步驟二:采用熱蒸發的方式在LED的p-GaN層3表面沉積一層IT0(Indium TinOxides)或石墨烯作為電流擴散層4,厚度可在IOnm> 15nm、20nm三個數據中選擇，見圖4b。步驟三:采用電子束蒸鍍的方式(Electron beam evaporation)沉積一層Ag (或Al、Au、Cu)作為導電金屬層5,厚度可在30nm、40nm、50nm、60nm四個數據中選擇，見圖4c。

步驟四:采用電子束刻蝕的方式在Ag層表面刻蝕矩形腔陣列圖案(圖2)，刻蝕深度取20nm,也可取15nm,25nm。矩形腔陣列圖案的邊長dl、d2均取50nm,也可分別取60nm、70nm、80nm,陣列的單位距離 L^L2 均取 150nm,也可取 120nm、140nm、160nm、180nm,見圖 4d。步驟五:采用旋涂(Spin-coating process)的方式在Ag層表面涂上一層固態增益層6，可采用摻有rhodamineSOO (RhSOO)的環氧樹脂，環氧樹脂必須填滿刻蝕的矩形腔空隙，見圖4e。步驟六:采用干法刻蝕的方法，這里采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)，或者反應離子刻蝕(RIE)將Ag層表面修平，見圖4f。步驟七:重復步驟2 6步驟3次，見圖4g。也可取4次、5次、6次，但是金屬層的總厚度<300nm。步驟八:在最后一層Ag上進行鍵合,鍵合材料為Cu/W合金,也可取Cu,鍵合金屬層7的厚度為100 μ m，也可為120 μ m，140 μ m，見圖4h。步驟九:將芯片倒置，然后采用激光剝離(Laser liftoff)的方式將藍寶石襯底8 (substrate)剝離，見圖 41、圖 4j。本實例中涉及的其他工藝流程和條件為常規工藝，屬于本領域所熟悉的范疇，在此不再贅述。以上描述對本發明內容進行的說明只是示例性的，并非構成對本發明保護范圍的限制，在本發明的技術方案的基礎上，所屬領域的技術人員不需付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明 的保護范圍之內。采用本發明方法所得LED反光鏡晶體經試驗后發現，左手材料結構(區域A)可以在可見光波段產生負折射率特性，且其品質因數(Figure of Merit，F0M)較高，參見圖5，圖中實線表示有效折射率的實部，虛線表示F0M，其中FOM=-Re (n)/Im(n)，Im(η)表示有效折射率的虛部。左手材料(區域Α)與右手材料(區域B)交替沉積構成特殊的光子晶體(作用表現為LED反光鏡)，其帶隙比傳統的光子晶體的帶隙寬，透射帶更狹窄，且透射強度衰減迅速，對光的反射效果明顯提高，參見圖6。該LED反光鏡結構應用于LED中，可有效的將射入底部的光反射，增加了出光面的光強，且降低了反射損耗，提高了 LED的輸出功率。
權利要求
1.一種含左手材料的LED反光鏡晶體:從上至下依次包括n-GaN層、多量子阱有源層、P-GaN層，其特征在于，在p-GaN層下面設置一電流擴散層，該電流擴散層下面設置不少于三層的導電金屬層，最后一層導電金屬層的下面設置一鍵合金屬層，其中，各導電金屬層結合面上設置有矩形腔排布的陣列，所有矩形腔中填充固態增益材料，形成左手材料區域A，同一導電金屬層中沒有矩形腔陣列的平面區域為右手材料區域B，左手材料區域A與右手材料區域B交替疊落；所述各矩形腔周長為120 600nm ;陣列的單位距離U、L2不超過250nmo
2.如權利要求1所述的含左手材料的LED反光鏡晶體，其特征在于，所述矩形腔的周長為160 320nm ;陣列的單位距離L1=L2,均取120nm 180nm。
3.如權利要求1所述的含左手材料的LED反光鏡晶體，其特征在于，所述電流擴散層由ITO或石墨烯制成。
4.如權利要求1所述的含左手材料的LED反光鏡晶體，其特征在于，所述導電金屬層由Ag、Al、Au 或 Cu 制成ο
5.如權利要求1所述的含左手材料的LED反光鏡晶體，其特征在于，所述鍵合金屬層由Cu或Cu/W合金制成。
6.如權利要求1所述的含左手材料的LED反光鏡晶體，其特征在于，所述固態增益材料為環氧樹脂。
7.—種含左手材料的LED反光鏡晶體的制備方法，其特征在于:包括下述步驟: (1)在LED外延芯片的p-GaN層表面沉積一層厚度在10 20nm的電流擴散層； (2)在電流擴散層上沉積一層厚度在20 60nm的導電金屬層； (3)在導電金屬層上表面刻蝕深度為15` 25nm、周長為120 600nm的矩形腔陣列，陣列的單位距離Lp L2不超過250nm ； (4)在導電金屬層表面沉積一層固態增益材料，填滿刻蝕的矩形腔陣列； (5)采用干法刻蝕的方法將導電金屬層表面修平； (6)重復步驟(2) (5)至少3次，使導電金屬層的總厚度不超過300nm； (7)在最后一層導電金屬層上進行鍵合，最后將LED外延芯片的藍寶石襯底剝離。
8.如權利要求7所述的含左手材料的LED反光鏡晶體的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中電流擴散層的沉積采用熱蒸發的方式。
9.如權利要求7所述的含左手材料的LED反光鏡晶體的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中導電金屬層的沉積米用電子束蒸鍍方式，導電金屬為Al、Ag、Au、或Cu。
10.如權利要求7所述的含左手材料的LED反光鏡晶體的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中矩形腔陣列刻蝕采用電子束刻蝕方式。
全文摘要
本發明公開了一種含左手材料的LED反光鏡晶體及制備方法。結構特點包括(1)反光鏡底部為一層電流擴散層；(2)反光鏡結構為一層右手材料和一層左手材料交替排列;(3)左手材料層中的空隙為漁網結構，并且填充固態增益材料，以減小損耗，增強左手材料的性能；(4)反光鏡的基底材質為導電金屬。制備工藝方面將電子束刻蝕、電子束蒸鍍、干法刻蝕(ICP、RIE)這些精度較高的工藝結合起來制備該LED反光鏡，以提高反光鏡的性能。本發明LED反光鏡晶體由于是左手材料和右手材料交替疊落的光子晶體結構，可以降低光強損耗，提高反射效率，從而提高LED的發光效率。
文檔編號H01L33/00GK103227262SQ201310125820
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月11日 優先權日2013年4月11日
發明者云峰, 趙宇坤 申請人:西安交通大學