一種與等離子體激元耦合的高效GaN基LED的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微電子與光電子技術領域，特別涉及一種高光電轉換效率的GaN基LED。本實用新型利用二維金屬Ag光子晶體的等離子體激元(Surface PlasmonPolariton, SPP)模式耦合增強GaN基發光二極管的發光效率。
【背景技術】
[0002]II1-V族化合物半導體材料廣泛應用在發光領域，GaN已經被認定是制作高效發光二極管的最佳材料之一。隨著半導體照明產業的快速發展，高光效LED芯片需求持續增長，進一步提高GaN-LED的發光效率仍然是科學界研究的熱點問題。在眾多的增強LED發光效率的方法中，利用表面等離子體激元耦合提高發光器件發光效率是增強器件發光的有效途徑。
[0003]表面等離子體激元，是在金屬與介質交界面振蕩的一種電磁波，能夠在金屬表面形成強烈的局域場。在LED器件中，當表面等離子體激元與GaN光輻射模式波矢量相近或完全相同時，且兩類波能量穿透深度范圍有交疊時，會產生能量耦合，可以通過這一方式提高GaN量子阱光子態密度，提高GaN-LED增強內量子效率。同時讓更多的光子能量轉移為表面等離子體波，然后再由表面微結構破壞SPP傳輸模式，使其轉化為輻射模式，被有效提取，從而提高GaN-LED的發光效率。
[0004]2006年，Koichi Okamoto的研究小組提出了 LED量子阱和金屬薄膜的SPP耦合的結構，通過背向散射光泵浦方式觀察到LED發光強度最高增強14倍(Ag薄膜增強)。但該結構與實際應用器件存在較大差距，金屬薄膜和量子阱之間的GaN隔離層厚度為10nm，在電注入發光器件結構中不能提供足夠的載流子在有源區復合.且該結構中不能完全排除金屬反射對發光增強的影響。
[0005]2012年，Lee-ffoon Jang等人在距離InGaN/GaN量子講1nm的位置制作了以Ag為核、Si02為殼的納米顆粒。實驗結果表明，帶有Ag/Si02納米顆粒的GaN-LED樣晶可增強內量子效率30.5%。但是，利用金屬納米顆粒增強GaN-LED發光效率的缺陷在于該方法受到金屬納米顆粒尺寸、顆粒分布、顆粒形狀、顆粒體積分數等因素的影響。相比于金屬納米顆粒結構，金屬周期性結構更容易控制LED光輻射和SPP的調制。
[0006]綜合所述，二維金屬光子晶體產生的表面等離子體激元能夠高效耦合GaN基LED光輻射，表現在兩方面:二維金屬光子晶體表面形成的強局域場，有利于提高LED內量子效率；同時光子晶體周期和占空比可以調制使表面等離子體波與GaN光輻射傳播常數相近，從而耦合出光能量，并且金屬表面等離子體波被有效提取，進而增強GaN基LED的出光效率。
【發明內容】
[0007]本實用新型的目的是提出一種GaN基高效電致發光LED。本實用新型利用金屬光子晶體的SPP泄露模式和近場局域耦合增強器件發光效率。本實用新型的技術方案如下:
[0008]一種與等離子體激元耦合的高效GaN基LED，由下向上依次包括藍寶石襯底，GaN成核層一層，GaN無慘雜層一層，η型GaN —層，InGaN/GaN多星子講，ρ型GaN歐姆接觸層一層，Ag光子晶體一層，ρ型GaN填充Ag光子晶體的空隙，ρ型GaN摻雜層一層，P電極和N電極各一個。
[0009]作為本實用新型的優選實施方式,所述的ρ型GaN歐姆接觸層的厚度在27nm_33nm之間，隔離金屬Ag光子晶體和多量子阱發光區域，避免SPP波金屬淬滅。
[0010]作為本實用新型的優選實施方式，把Ag層蝕刻成周期為300nm，直徑為10nm的正方形晶格金屬光子晶體。
[0011]一種制備與等離子體激元耦合的高效GaN基LED的方法，包括以下步驟:
[0012](I)在550°C的環境下，在藍寶石襯底上生長厚度為23nm-27nm之間的GaN成核層；
[0013](2)將溫度升高到1020°C，分別生長厚度為1900nm-2100nm之間的GaN無摻雜層和η型GaN層；
[0014](3)將溫度降低至770°C，再生長InGaN/GaN多量子阱，周期數為4_6 ；
[0015](4)將溫度升高到970°C，再生長ρ型GaN歐姆接觸層一層，其厚度在27nm_33nm之間；
[0016](5)在ρ型GaN上,利用電子束蒸發工藝,制備Ag層,其厚度在48nm-52nm之間；
[0017](6)利用電子束曝光技術,蝕刻金屬光子晶體；
[0018](7)在800°C的環境下，生長P型GaN填充光子晶體的空隙；
[0019](8)將溫度升高至970°C，生長ρ型GaN摻雜層，其厚度在140nm_160nm之間；
[0020](9)制作ρ-電極和η-電極。
[0021]本實用新型具有下面優點:
[0022](I)利用微納加工手段制作金屬Ag光子晶體，調制金屬Ag的SPP波，金屬光子晶體的SPP耦合結構可以避免以往研究工作中金屬膜顆粒結構的尺寸、分布、形狀等不規則情況對SPP波有效激發的影響，具有更好的SPP波長激發一致性和可控性。
[0023](2)利用金屬光子晶體SPP泄露模式與GaN基光輻射模式耦合，利用SPP泄露模式提高GaN基發光器件外量子光效率。
[0024](3)利用光子晶體倒格矢降低金屬等離子體激元頻率，實現與GaN基發光器件光輻射波長的匹配，提高金屬SPP波近場耦合效率，進而提高器件內量子效率。
[0025](4)在PN結和金屬光子晶體之間生長了 P型GaN，隔離金屬光子晶體和發光區域，避免了 SPP波金屬淬滅。
【附圖說明】
[0026]附圖1為與等離子體激元耦合的高效GaN基LED側切面示意圖。
[0027]圖中1-藍寶石襯底2-GaN成核層3_GaN無摻雜層4_n型GaN 5-1nGaN/GaN多量子阱6-p型GaN歐姆接觸層7-金屬Ag光子晶體8_p型GaN填充Ag光子晶體9_p型GaN摻雜層10-p-電極ll-η-電極
[0028]附圖2為金屬Ag光子晶體俯視示意圖。
【具體實施方式】
[0029]為了達到上述目的，本實用新型采用的技術方案為:
[0030]一種與等離子體激元耦合的高效GaN基LED (如附圖1所示)，其制作方法具體包括下面步驟:
[0031](I)該GaN基LED利用金屬有機化學氣相沉積生長在藍寶石襯底上；
[0032](2)在550°C的環境下，在藍寶石襯底上生長厚度為23nm-27nm之間的GaN成核層；
[0033](3)將溫度升高到1020°C，分別生長厚度為1900nm-2100nm之間的GaN無摻雜層和η型GaN層；
[0034](4)將溫度降低至770V，再生長InGaN/GaN多量子阱，周期數為4-6 ；
[0035](5)將溫度升高到970°C，再生長ρ型GaN歐姆接觸層一層，其厚度在27nm_33nm之間；
[0036](6)在ρ型GaN上,利用電子束蒸發工藝,制備Ag層,其厚度在48nm-52nm之間；
[0037](7)依次進行如下的操作，蝕刻金屬Ag光子晶體(金屬Ag光子晶體如附圖2所示):
[0038]I)在Ag的表面，利用等離子體增強化學氣相沉積工藝制備S12—層；
[0039]2)在S1Jf的表面，涂覆光刻膠(Zip520或者PMMA)；
[0040]3)光刻光子晶體掩膜板，采用氧等離子體打膠30秒，制備周期為300nm，直徑為10nm的正方晶格光子晶體光刻膠掩膜；
[0041]4)以光刻膠光子晶體為掩膜，利用反應離子刻蝕工藝刻蝕S12掩膜，刻蝕時間3+3+3 = 9分鐘，每刻蝕三分鐘停頓20分鐘，待刻蝕樣晶降溫后重新刻蝕；
[0042]5)利用丙酮超聲去膠；
[0043]6)以S12為掩膜，利用感應耦合等離子體刻蝕法刻蝕Ag光子晶體圖形，刻蝕氣體比可以為 BCl3: Cl 2: Ar = 6: 3: 20 ；
[0044]7)用 BOE 溶液去除 S1^ ;
[0045](8)在800°C的環境下，生長P型GaN填充光子晶體的空隙；
[0046](9)將溫度升高至970°C，生長ρ型GaN摻雜層，其厚度在140nm_160nm之間；
[0047](10)利用干法刻蝕技術，腐蝕LED的一個角，為制作n_電極提供空間；
[0048](11)制作ρ-電極和η-電極。
【主權項】
1.一種與等離子體激元耦合的高效GaN基LED，由下向上依次包括藍寶石襯底，GaN成核層一層，GaN無摻雜層一層，η型GaN —層，InGaN/GaN多量子講，p型GaN歐姆接觸層一層，Ag光子晶體一層，P型GaN填充Ag光子晶體的空隙，p型GaN摻雜層一層，P電極和N電極各一個。
2.根據權利要求1所述的LED，其特征在于:所述的GaN成核層的厚度在23nm_27nm之間，所述的GaN無摻雜層的厚度在1900nm-2100nm之間，所述的η型GaN層的厚度在1900nm-2100nm之間，所述的InGaN/GaN多量子阱，周期數為4_6，所述的p型GaN歐姆接觸層的厚度在27nm-33nm之間,所述的Ag光子晶體的厚度在48nm_52nm之間,所述的p型GaN摻雜層的厚度在140nm-160nm之間。
3.根據權利要求1所述的LED，其特征在于:所述的Ag光子晶體是若干個10nm為直徑的Ag圓柱以300nm為周期排列的陣列。
【專利摘要】本實用新型屬于微電子與光電子技術領域，涉及一種與等離子體激元耦合的高效GaN基LED，該LED由下向上依次包括藍寶石襯底，GaN成核層一層，GaN無摻雜層一層，n型GaN一層，InGaN/GaN多量子阱，p型GaN歐姆接觸層一層，Ag光子晶體一層，p型GaN填充Ag光子晶體的空隙，p型GaN摻雜層一層，P電極和N電極各一個。本實用新型利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術和微納加工技術制備，還利用金屬光子晶體的SPP泄露模式和近場局域耦合增強器件發光效率。
【IPC分類】H01L33-20, H01L33-06, H01L33-32
【公開號】CN204289497
【申請號】CN201420508140
【發明人】劉春影, 劉宏偉, 楊華, 楊廣華, 闞強, 陳弘達
【申請人】天津工業大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年9月1日