CN102104101A - 一种表面等离子体发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种表面等离子体发光二极管及其制作方法是对基底层氢化处理，生长N-GaN层、活性发光层和P-GaN层；利用刻蚀技术刻蚀，使部分N-GaN层露出；利用蒸镀技术在N-GaN层和P-GaN层上分别蒸镀n电极和p电极；利用光刻技术在金属电子束蒸发台内，在P-GaN层上沉积第一金属薄膜；利用光刻技术在金属电子束蒸发台内，在第一金属薄膜上沉积第二金属薄膜；将结构整体置入真空炉内热处理，形成第一和第二金属薄膜转变成金属合金层，即构成由衬底层、半导体层和金属合金层的发光二极管。本发明通过金属合金化手段，使合金化结构和GaN薄膜界面间产生的SP共振频率的能量与InGaN量子阱偶极子能量相一致；提高了SP的光发射作用，有效避地免了出射光峰值波长偏离量子阱能级对应波长的弊端。

Description

一种表面等离子体发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种表面等离子体发光二极管及其制作方法，特别是一种能够应用于半导体发光二极管的铟镓氮基蓝、绿光发光二极管及其制作方法。

背景技术

发光二极管(Light emitting diode：LED)是一种低功耗、长寿命固态光源。现有白光LED采用InGaN基半导体材料发出的蓝光激发荧光粉的方式产生。荧光粉及封装用硅胶的使用而引发高成本、低效率、不耐用、环保等缺点的暴露，已经促使无荧光粉、单片全半导体的高效白光(蓝-绿-红三基色)LED的研究。尽管蓝光InGaN基LED的内量子效率已经达到70-80％，但在绿-红光区，其内量子效率仅在20％以下。利用表面等离子体(Surface Plasmon：SP)将有助于解决这一核心问题。

SP是在金属表面传播的电磁波。与偶极子激发能被缺陷捕获速率相比，SP能较快地接收来自发光偶极子的能量，并辐射出光子，因此，这种光发射加强方式对低内量子效率或高缺陷密度的发光器件更为有效。

在已有的研究中用表面等离子体提高发光二极管的发光效率时，都是用纯金属Ag、Au或Al与GaN材料构成的金属-半导体材料界面体系。而其三者与GaN材料构成的金属-半导体材料界面产生SP共振的能量分别为：Ag/GaN约3eV(≈410nm)，Au/GaN约2.2eV(≈560nm)，Al/GaN约5eV(≈250nm)。因此，也就是说只有量子阱在发射峰值波长为以上三个值时，与之对应的金属-氮化镓界面才能发生有效的SP共振。而事实上，根据使用的需要蓝光、绿光及红光峰值波长可分别设计为450nm-470nm、515nm-550nm及620nm-750nm间的任意值。

因而在已有的利用SP提高LED发光效率的研究中普遍存在量子阱发光波长能量和金属SP发生共振频率能量不一致的情况。这不仅使SP提高LED发光效率的作用受到限制，还使的出射光峰值波长偏离最初量子阱设计能级的对应波长。由此使二者的能量相吻合，是SP的光发射加强作用能否得到最大限度利用的关键问题，也是亟需解决的重点问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是采取合金结构，获得与量子阱偶极子的能量完全一致的金属/GaN界面体系，使SP的光发射加强作用得到提高，并提供一种合金结构表面等离子体加强发光二极管的制作方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术措施是通过金属合金化方式，使合金结构/GaN界面产生表面等离子体的能量(波长)与量子阱偶极子的能量(波长)相一致。

一种表面等离子体发光二极管，其包括

衬底层：其衬底层是蓝宝石衬底，该层位于发光二极管的底层；

半导体层：半导体层是GaN基，该层位于衬底层上方，包括N-GaN层、活性发光层及P-GaN层；N电极；P电极；

金属合金层：金属合金层是至少两种金属的化合物，该层位于P-GaN层之上，

其特征在于：所述金属合金层的材料至少由两种金属构成，呈岛状颗粒形态，其与P-GaN层的界面处形成表面等离子体。

其中，所述的金属合金层是由Au和Ag、Ag和Cu、Ag和Al中的一组金属构成，或是由Au、Ag和Cu三种中的一种金属构成。

所述的P-GaN层的厚度小于50nm，使金属合金层与P-GaN层构成的表面等离子体和发光层偶极子耦合。

所述的金属合金层与P-GaN层的界面构成的表面等离子体能量与发光层偶极子能量相同。

本发明一种用于上述表面等离子体发光二极管的制作方法，该方法包括以下步骤：

第一步，在金属化学有机气相沉积装置腔内，对基底层101进行氢化处理，生长N-GaN层102、活性发光层103和P-GaN层104，基底层101材料为蓝宝石；

第二步，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N-GaN层102露出；

第三步，利用光刻及蒸镀技术在N-GaN层102和P-GaN层104上分别蒸镀n电极105和p电极106；

第四步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，在P-GaN层上方沉积第一种金属材料的薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第五步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，在第一种金属材料薄膜上方沉积第二种金属的薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第六步，将上述的结构整体置入真空炉内于300℃热处理10分钟，使第四步和第五步形成的第一种金属薄膜和第二种金属薄膜转变成二者构成金属合金层107，且呈岛状颗粒形貌，两种金属在合金中的百分比例由第四步和第五步形成薄膜的厚度决定。

本发明的优点在于通过金属合金化手段，使合金化结构和GaN薄膜界面间产生的SP共振频率的能量与InGaN量子阱偶极子能量相一致；与纯金属和GaN薄膜界面间产生的SP相比，合金化结构和GaN薄膜界面间产生的SP不仅能使SP与量子阱发光层的耦合加强，SP的光发射加强作用得到最大程度的发挥，还能有效避免出射光峰值波长偏离量子阱设计能级对应波长的弊端。

附图说明

图1是本发明发光二极管100结构示意图

图中：101一基底；102-N-GaN层；103-活性发光层；104-P-GaN层；105-n电极；106-p电极；107-金属合金层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

具体实施方式1

实施本发明的一种合金结构表面等离子体加强发光二极管的制作方法是通过金属合金化方式，使合金结构/GaN界面产生表面等离子体的能量(波长)与量子阱偶极子的能量(波长)相一致，其具体理论计算可根据以下四个公式进行：

λ_emitter＝λ_sp                             (1)

λ_sp＝2π/κ_sp                              (2)

$k_{\mathrm{sp}}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{alloy}}\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{GaN}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{alloy}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{GaN}}}}---\left(3\right)$

ε_alloy(x，ω)＝xε₁(ω)+(1-x)ε₂(ω)       (4)

公式1表示，发光二极管的发射波长λ_emitter与合金/GaN界面发生SP的共振波长λ_sp相等；公式2是SP的共振波长λ_sp与波矢κ_sp的关系式；

公式3是SP的波矢κ_sp与频率的色散关系，ε_alloy是合金的介电常数，ε_GaN是氮化镓材料的介电常数；

公式4是金属1-金属2形成合金的介电函数，其中x是金属1在合金中的相对体积比例。

本发明一种用合金结构的表面等离子体加强发光效率的GaN基发光二极管的制备方法包括以下步骤：

第一步，在金属化学有机气相沉积装置腔内，对基底进行氢化处理，生长N-GaN层、活性发光层和P-GaN层。基底材料为蓝宝石，主要对器件结构起支撑作用。发光层为多量子阱结构，通过设计量子阱材料组份使其发出450nm波长的蓝光。P-GaN层的厚度为40nm，以使后续生成的金属合金层与P-GaN层形成的表面等离子体和发光层偶极子能进行有效耦合。

第二步，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N-GaN层露出；

第三步，利用光刻及蒸镀技术在N-GaN层和P-GaN层上分别蒸镀n电极和p电极；

第四步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，用Au靶作蒸发源材料，在p-GaN层上方沉积2.5nm厚度的Au薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第五步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，用Ag靶作蒸发源材料，在Au薄膜上方沉积7.5nm厚度的Ag薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第六步，将上述形成的结构整体放入真空炉内于300℃热处理10分钟，使第四步和第五步形成的Au和Ag薄膜转变成纳米岛状颗粒的合金化薄膜。

具体实施方式2

第一步，在金属化学有机气相沉积装置腔内，对基底进行氢化处理，生长N-GaN层、活性发光层和P-GaN层。基底材料为蓝宝石，主要对器件结构起支撑作用。发光层为多量子阱结构，通过设计量子阱材料组份使其发出540nm波长的绿光。P-GaN层的厚度为40nm，以使后续生成的金属合金层与P-GaN层形成的表面等离子体和发光层偶极子能进行有效耦合。

第二步，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N-GaN层露出；

第三步，利用光刻及蒸镀技术在N-GaN层和P-GaN层上分别蒸镀n电极和p电极；

第四步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，用Au靶作蒸发源材料，在P-GaN层上方沉积8.5nm厚度的Au薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第五步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，用Ag靶作蒸发源材料，在Au薄膜上方沉积1.5nm厚度的Ag薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第六步，将上述形成的结构整体放入真空炉内于300℃热处理10分钟，使第四步和第五步形成的Au和Ag薄膜转变成纳米岛状颗粒的合金化薄膜。

具体实施方式3

第一步，在金属化学有机气相沉积装置腔内，对基底进行氢化处理，生长N-GaN层、活性发光层和P-GaN层。基底材料为蓝宝石，主要对器件结构起支撑作用。发光层为多量子阱结构，通过设计量子阱材料组份使其发出650nm波长的红光。P-GaN层的厚度为40nm，以使后续生成的金属合金层与P-GaN层形成的表面等离子体和发光层偶极子能进行有效耦合。

第二步，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N-GaN层露出；

第三步，利用光刻及蒸镀技术在N-GaN层和P-GaN层上分别蒸镀n电极和p电极；

第四步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，用Ag靶作蒸发源材料，在P-GaN层上方沉积9nm厚度的Ag薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第五步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，用Cu靶作蒸发源材料，在Ag薄膜上方沉积1nm厚度的Cu薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第六步，将上述形成的结构整体放入真空炉内于300℃热处理10分钟，使第四步和第五步形成的Ag和Cu薄膜转变成纳米岛状颗粒的合金化薄膜。

具体实施方式4

第一步，

在金属化学有机气相沉积装置腔内，对基底进行氢化处理，生长N-GaN层、活性发光层和P-GaN层。基底材料为蓝宝石，主要对器件结构起支撑作用。发光层为多量子阱结构，通过设计量子阱材料组份使其发出360nm波长的紫外光。P-GaN层的厚度为40nm，以使后续生成的金属合金层与P-GaN层形成的表面等离子体和发光层偶极子能进行有效耦合。

第二步，利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N-GaN层露出；

第三步，利用光刻及蒸镀技术在N-GaN层和P-GaN层上分别蒸镀n电极和p电极；

第四步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，用Ag靶作蒸发源材料，在P-GaN层上方沉积7nm厚度的Ag薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第五步，利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，用Cu靶作蒸发源材料，在Ag薄膜上方沉积3nm厚度的铝薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

第六步，将上述形成的结构整体放入真空炉内于300℃热处理10分钟，使第四步和第五步形成的Ag和Cu薄膜转变成纳米岛状颗粒的合金化薄膜。

Claims (5)

1.一种表面等离子体发光二极管，其包括

衬底层101：其衬底层101是蓝宝石衬底，该层位于发光二极管的底层；

半导体层：半导体层是GaN基，该层位于衬底层101上方，包括N-GaN层102、活性发光层103及P-GaN层104；N电极105；P电极106；

其特征在于：所述金属合金层107位于P-GaN层104上，由两种金属构成，呈岛状颗粒形态，其与P-GaN层的界面处形成表面等离子体。

2.如权利要求1所述的表面等离子体发光二极管，其特征在于：金属合金层是由Au和Ag、Ag和Cu、Ag和Al中的一组金属构成。

3.如权利要求1所述的表面等离子体发光二极管，其特征在于：P-GaN层的厚度小于50nm，使金属合金层与P-GaN层构成的表面等离子体和发光层偶极子耦合。

4.如权利要求1所述的表面等离子体发光二极管，其特征在于：金属合金层与P-GaN层的界面构成的表面等离子体能量与发光层偶极子能量相同。

5.一种用于权利要求1所述的一种表面等离子体发光二极管的制作方法，该方法包括以下步骤：

(1)在金属化学有机气相沉积装置腔内，对基底层101进行氢化处理，生长N-GaN层102、活性发光层103和P-GaN层104，基底层101材料为蓝宝石；

(2)利用光刻及刻蚀技术进行局部刻蚀，使部分N-GaN层102露出；

(3)利用光刻及蒸镀技术在N-GaN层102和P-GaN层104上分别蒸镀n电极105和p电极106；

(4)利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，在P-GaN层上方沉积第一种金属材料的薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

(5)利用光刻技术，在金属电子束蒸发台内，在第一种金属材料薄膜上方沉积第二种金属的薄膜，沉积过程中半导体外延层保持在室温，用石英晶体测厚仪测量薄膜的厚度；

(6)将上述的结构整体置入真空炉内于300℃热处理10分钟，使第四步和第五步形成的第一种金属薄膜和第二种金属薄膜转变成二者构成金属合金层107，且呈岛状颗粒形貌，两种金属在合金中的百分比例由第四步和第五步形成薄膜的厚度决定。

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