CN102800771A

CN102800771A - 发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构及制备方法

Info

Publication number: CN102800771A
Application number: CN2012103283060A
Authority: CN
Inventors: 林祖伦; 宋科田; 祁康成; 曹贵川
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明涉及发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构及制备方法。位于包含衬底、n型层、发光层和p型层的LED芯片的p型层之上，其特征在于，所述金属亚波长嵌入式光栅结构包括隔离层、纳米金属体和保护层，所述隔离层嵌入到p型层上表面呈周期性分布的下凹的坑道中用于防止纳米金属体与p型层之间存在欧姆接触导致耦合到SPPs的能量被损耗；所述纳米金属体嵌入到隔离层，所述纳米金属体采用金属，所述纳米金属体的厚度为50~100nm，所述p型层下凹坑道的深度根据p型层的厚度而定；所述金属纳米体之上设有保护层。本发明的有益效果是：通过SPPs与多量子阱发光层耦合大幅提升自发辐射率进而大幅提高内量子效率。

Description

发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构及制备方法

技术领域

本发明属于发光二极管(LED)技术领域，具体涉及由金属亚波长嵌入式光栅激发的表面等离子体激元(SPPs，Surface Plasmon Polaritons)增强的发光二极管(LED)领域。

背景技术

SPPs是光和金属表面自由电子相互作用引起的一种电磁波模式。它局限于金属和介质界面附近，沿表面传播，在垂直界面方向呈指数衰减，其电磁能量被强烈束缚在界面附近，具有强大的近场增强效应。SPPs比空气中传播的光具有更高的波数，因此目前在近场光应用和纳米光子学方面被广泛采用，但同时也造成SPPs不能与光波直接耦合。因此需在金属与介质界面加入特殊结构以改变入射光波的波矢，才能使SPPs与入射光波耦合成为可能。常见的SPPs激发方式有棱镜耦合、光栅耦合和近场耦合(粗糙表面散射和NSOM探针激发)等。

SPPs效应为提升LED发光效率的研究提供了全新的思路并且具有极大的潜力。已经有这样的报道，当由SPPs产生的亚波长局部电磁场接近具有能带隙的增益介质(发光层)时，能带隙中的电子—空穴对的能量能转移到SPPs。例如：当介质为半导体量子阱时，发生“量子阱—表面等离子体激元紧耦合”(参考K.Okamoto,I.Nimi,A.Shvartser,Y.Narukawa,T.Mkaiand,A.Scherer,“Surface-Plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells.”Nature Mat.3,601(2004))。半导体量子阱激发电子—空穴对，并且电子—空穴对的能量被转移到SPPs。

从理论上讲，纳米金属体距发光层的距离应尽可能的接近以获得高的耦合效率。通过计算得知，当纳米金属体距发光层的距离大于200nm(约为SPPs波的穿透深度)时，SPPs的耦合效率将大幅降低。但在LED芯片的实际生产过程中会遇到阻碍：首先对于目前LED芯片生产中广泛采用的MOCVD法，将纳米金属体直接做在发光层之上是无法实现的，因为金属层之上无法继续生长P型层；而为了保证电流的横向扩散，P型层的厚度往往大于300nm。因此若将纳米金属体设置在表面，加上隔离层后，纳米金属体距发光层的距离无法满足上述要求。

发明内容

本发明的目的是在现有的LED芯片结构基础上不改变其原有基本结构参数的同时缩短纳米金属体距发光层的距离以提高SPPs的耦合效率，提出了发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构及制备方法。

本发明的技术方案之一是：发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构，位于包含衬底、n型层、发光层和p型层的LED芯片的p型层之上，其特征在于，所述金属亚波长嵌入式光栅结构包括隔离层、纳米金属体和保护层，所述隔离层嵌入到p型层上表面呈周期性分布的下凹的坑道中用于防止纳米金属体与p型层之间存在欧姆接触导致耦合到SPPs的能量被损耗，所述隔离层的材料是复折射率的虚部(反应光波在介质中传播的衰减情况)为0.1以下的绝缘膜，所述隔离层的的厚度优选为20~25nm；所述纳米金属体嵌入到隔离层，所述纳米金属体采用金属，所述纳米金属体的厚度为50~100nm，所述p型层下凹坑道的深度(p型层4刻蚀深度)根据p型层的厚度而定，应保证纳米金属体距发光层的距离为10~200nm；所述金属纳米体之上设有保护层，保护层的具体作用是保护纳米金属体使其避免因接触空气而被氧化或损伤，保护层的厚度优选为20~25nm，保护层的材料为物理、化学性质稳定的透明绝缘膜。

本发明的技术方案之二是：发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构的制备方法，首先，选用常规方法制造的LED芯片结构，所述LED芯片结构包括衬底、n型层、发光层和p型层，具体制备过程如下：

1.在p型层表面旋涂一层光刻胶并烘干；

2.根据预先设定的隔离层、纳米金属体和保护层构成的光栅结构的光栅周期、光栅占空比、金属亚波长嵌入式光栅结构的光栅阵列的尺寸和间隔参数，利用电子束光刻方法刻蚀使光刻胶形成光刻胶光栅结构；

3.利用常规的刻蚀方法对p型层刻蚀所需的深度形成下凹坑道，所述p型层下凹坑道的深度(p型层4刻蚀深度)根据p型层的厚度而定，应保证纳米金属体距发光层的距离为10~200nm；

4.利用PECVD法在下凹坑道表面沉积一层氮化硅隔离层，厚度为20~25nm；

5.采用磁控溅射的方法，于高纯氩气气氛中在基片表面沉积一层厚度约为50nm的金属膜，镀膜完成后，金属层均匀附着在刻蚀形成的坑道内形成纳米金属体及光刻胶表面形成金属层。

6.清洗除去光刻胶以及附着在光刻胶表面的金属层，形成光栅周期为100~600nm，光栅占空比为1:1~9:1的金属亚波长嵌入式光栅；

7.为保护纳米金属体不被氧化或损伤，金属亚波长嵌入式光栅结构的制备完成后，利用电子束蒸发法蒸镀一层厚度为20nm的SiO₂保护膜53。

本发明的有益效果是：本发明所述的发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构，从电子-空穴对获取能量产生SPPs；通过SPPs与多量子阱发光层耦合大幅提升自发辐射率进而大幅提高内量子效率。通过SPPs与出射光波耦合增强光出射，并通过亚波长光栅结构减小出射光发散角、控制出射光方向，在特定方向上极大提升LED的外量子效率。

附图说明

图1A是本发明的嵌入式光栅结构在LED芯片中俯视方向的结构示意图。

图1B是本发明的嵌入式光栅结构在LED芯片中侧视方向的结构示意图。

图2是图1B中的嵌入式光栅结构的放大结构示意图。

图3A是图2中嵌入式光栅结构的俯视图。

图3B是图2中嵌入式光栅结构的侧视图。

图4A和图4B是图3A中的嵌入式光栅结构的阵列结构示意图。

图5A至5F本发明嵌入式光栅结构的制备过程示意图。

附图标记说明：衬底1、n型层2、发光层3、p型层4、金属亚波长嵌入式光栅结构5、隔离层51、纳米金属体52、保护层53、金属层54、n电极6、p电极7、光刻胶8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1A和图1B所示的LED芯片结构，自下而上衬底1、n型层2、发光层3和p型层4依次叠放在衬底1之上。其中衬底1可采用蓝宝石；n型层2和p型层4可以根据具体要求为多层结构，例如n型层2可以包括缓冲层、电子注入层、电子传输层、空穴阻挡层等等；发光层3通常也可以是多层结构，例如多量子阱结构等；n型层2之上设有n电极6，p型层4之上设有p电极7。上述LED芯片结构为现有技术，因此不再详细介绍。

本发明所述的发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构5，位于包含衬底1、n型层2、发光层3和p型层4的LED芯片的p型层4之上，如图2所示，所述金属亚波长嵌入式光栅结构5包括隔离层51、纳米金属体52和保护层53，所述隔离层51嵌入到p型层4上表面呈周期性分布的下凹的坑道中用于防止纳米金属体51与p型层4之间存在欧姆接触导致耦合到SPPs的能量被损耗，所述隔离层51的材料是复折射率的虚部(反应光波在介质中传播的衰减情况)为0.1以下的绝缘膜，例如可以采用氧化锌(ZnO)、氮化硅(SiN)等，所述隔离层51的的厚度优选为20~25nm；所述纳米金属体52嵌入到隔离层51，所述纳米金属体52采用金属，优选银(Ag)或金(Au)，所述纳米金属体52的厚度为50~100nm，优选为50~60nm，所述p型层4下凹坑道的深度(p型层4刻蚀深度)根据p型层4的厚度而定，应保证纳米金属体52距发光层3的距离为10~200nm；所述金属纳米体51之上设有保护层53，保护层53的具体作用是保护纳米金属体52使其避免因接触空气而被氧化或损伤，保护层53的厚度优选为20~25nm，保护层53的材料为物理、化学性质稳定的透明绝缘膜如二氧化硅(SiO₂)等。

如图3A、图3B，金属亚波长嵌入式光栅结构5中的隔离层51、纳米金属体52和保护层53构成的光栅结构呈周期性分布，分布周期为100~600nm，具体视发光中心波长而定，所述一个周期内的光栅结构的纳米金属体52宽度与光栅结构的剩余宽度构成的光栅占空比为1:1～9:1。参考图4A、4B，金属亚波长嵌入式光栅结构5可以设置成阵列结构，阵列的重复性周期单元例如设置面积为1×1μm²~600×600μm²的正方形，也可以设置成在可能性允许范围内的其他任意形状和任意尺寸；阵列的重复性周期单元之间的间隔例如为1～600μm，根据LED芯片的不同规格也可以设定为其它值，可通过调节阵列的重复性周期单元之间的间隔来调节光栅结构在LED芯片表面的覆盖程度。换言之，芯片表面可以覆满一整块光栅区域如图4A所示，也可以分为多块光栅阵列区域如图4B所示。

本发明具有实用效果的原理是：根据上述的由金属亚波长嵌入式光栅激发的SPPs增强的LED结构，当电流通过p电极、p型层和n电极、n型层注入到发光层时，注入的电流能有效的形成电子—空穴对。在垂直方向上靠近发光层的纳米金属体从电子—空穴对获取能量并产生表面等离子体激元。研究表明，一旦SPPs被激发，电子—空穴对复合产生激子的能量除了通过辐射跃迁、非辐射跃迁的方式衰减外，会将能量直接耦合到SPPs中，这三种形式的能量衰减是一个竞争过程。当LED的发光波长中心与SPPs的共振波长匹配时，SPPs的态密度非常大，激子能量以远大于另外两种衰减方式的速率耦合到SPPs中，极大的提高激子能量的衰减速率，加快自发辐射速率，从而提高LED发光的内量子效率。

发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构的制备方法，首先，选用常规方法制造的LED芯片结构，所述LED芯片结构（简称基片）包括衬底1、n型层2、发光层3、p型层4、n电极6、p电极7，每一部分的厚度根据不同要求可为任意值，均不影响本发明的实施方案。如图5A至5F，在常规LED芯片结构的基础上，具体制备过程如下：

1.如图5A，在p型层4表面旋涂一层光刻胶8并烘干；本实施例的具体参数设置为：转速为7000rpm，预旋10s，旋涂40s；烘干后光刻胶厚度约为800nm。

2.如图5B，根据预先设定的隔离层51、纳米金属体52和保护层53构成的光栅结构的光栅周期、光栅占空比、金属亚波长嵌入式光栅结构5的光栅阵列的尺寸和间隔参数，利用电子束光刻方法刻蚀使光刻胶形成光刻胶光栅结构。

3.如图5C，利用常规的刻蚀方法，例如反应离子刻蚀(RIE)对p型层4刻蚀所需的深度形成下凹坑道，所述p型层4下凹坑道的深度(p型层4刻蚀深度)根据p型层4的厚度而定，应保证纳米金属体52距发光层3的距离为10~200nm；

4.如图5D，利用PECVD法在下凹坑道表面沉积一层氮化硅（SiN）隔离层51，厚度为20~25nm。沉积的工艺条件为：反应室预真空度为﹤2.0×10^-3Pa，以硅烷(SiH₄)和氨(NH₃)作等离子气源，沉积时气压为60~80Pa，温度为200℃~300℃(优选250℃)，射频电源频率为10~15MHz(优选13.56MHz)，输出功率为0.2W/cm²。

5.如图5E，采用磁控溅射的方法，于高纯氩气气氛中在基片表面沉积一层厚度约为50nm的金属膜（如Ag膜或Au膜，本实施例选择Ag膜）。磁控溅射工艺条件为：靶材选用纯度为99.99%的银靶，靶直径90mm，靶厚5mm；基片与靶材距离为150mm；本底真空度﹤5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3Pa；用直流溅射，电压为320V，电流为50mA，薄膜沉积速率约为2nm/min，沉积时间为25min。镀膜完成后，金属层均匀附着在刻蚀形成的坑道内形成纳米金属体52及光刻胶表面形成金属层54。

6.如图5F，清洗除去光刻胶8以及附着在光刻胶表面的金属层54；具体过程为：将样品置入丙酮中超声清洗10min~20min，除去光刻胶8以及附着在光刻胶表面的金属层54，形成光栅周期为100~600nm，光栅占空比为1:1~9:1的金属亚波长嵌入式光栅；所述光栅周期应略小于所对应的LED发光的中心波长。

7.为保护纳米金属体52不被氧化或损伤，金属亚波长嵌入式光栅结构的制备完成后，利用电子束蒸发法蒸镀一层厚度为20nm的SiO₂保护膜53。电子束蒸发工艺为：蒸发室的真空度为﹤5.0×10^-4Pa，基片架离蒸发源的距离为30cm，基片架温度约为300~400℃，蒸发源为纯度为99.98%的块状SiO₂，电子束加热时SiO₂置于内衬石墨层的坩埚内。蒸镀SiO₂保护膜53后即能够获得金属亚波长嵌入式光栅激发的SPPs增强的LED芯片。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构，位于包含衬底、n型层、发光层和p型层的LED芯片的p型层之上，其特征在于，所述金属亚波长嵌入式光栅结构包括隔离层、纳米金属体和保护层，所述隔离层嵌入到p型层上表面呈周期性分布的下凹的坑道中用于防止纳米金属体与p型层之间存在欧姆接触导致耦合到SPPs的能量被损耗，所述隔离层的材料是复折射率的虚部(反应光波在介质中传播的衰减情况)为0.1以下的绝缘膜，所述隔离层的的厚度优选为20~25nm；所述纳米金属体嵌入到隔离层，所述纳米金属体采用金属，所述纳米金属体的厚度为50~100nm，所述p型层下凹坑道的深度(p型层4刻蚀深度)根据p型层的厚度而定，应保证纳米金属体距发光层的距离为10~200nm；所述金属纳米体之上设有保护层，保护层的具体作用是保护纳米金属体使其避免因接触空气而被氧化或损伤，保护层的厚度优选为20~25nm，保护层的材料为物理、化学性质稳定的透明绝缘膜。

2.根据权利要求1所述的发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构，其特征在于，所述金属亚波长嵌入式光栅结构中的隔离层、纳米金属体和保护层构成的光栅结构呈周期性分布，分布周期为100~600nm，具体视发光中心波长而定，所述一个周期内的光栅结构的纳米金属体52宽度与光栅结构的剩余宽度构成的光栅占空比为1:1~9:1。

3.发光二极管表面金属亚波长嵌入式光栅结构的制备方法，首先，选用常规方法制造的LED芯片结构，所述LED 芯片结构包括衬底、n型层、发光层和p型层，具体制备过程如下：

步骤1.在p型层表面旋涂一层光刻胶并烘干；

步骤2.根据预先设定的隔离层、纳米金属体和保护层构成的光栅结构的光栅周期、光栅占空比、金属亚波长嵌入式光栅结构的光栅阵列的尺寸和间隔参数，利用电子束光刻方法刻蚀使光刻胶形成光刻胶光栅结构；

步骤3.利用常规的刻蚀方法对p型层刻蚀所需的深度形成下凹坑道，所述p型层下凹坑道的深度(p型层4刻蚀深度)根据p型层的厚度而定，应保证纳米金属体距发光层的距离为10~200nm；

步骤4.利用PECVD法在下凹坑道表面沉积一层氮化硅隔离层，厚度为20~25nm；

步骤5.采用磁控溅射的方法，于高纯氩气气氛中在基片表面沉积一层厚度约为50nm的金属膜，镀膜完成后，金属层均匀附着在刻蚀形成的坑道内形成纳米金属体及光刻胶表面形成金属层。

步骤6.清洗除去光刻胶以及附着在光刻胶表面的金属层，形成光栅周期为100~600nm，光栅占空比为1:1~9:1的金属亚波长嵌入式光栅；

步骤7.为保护纳米金属体不被氧化或损伤，金属亚波长嵌入式光栅结构的制备完成后，利用电子束蒸发法蒸镀一层厚度为20nm的SiO₂保护膜53。