CN102969423A

CN102969423A - 银耦合增强GaN基发光二极管的器件结构及制备方法

Info

Publication number: CN102969423A
Application number: CN2012105264774A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Taiyuan University of Technology; Yangtze Normal University
Current assignee: Taiyuan University of Technology; Yangtze Normal University
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2013-03-13

Abstract

一种Ag耦合增强GaN基发光二极管结构，包括：一蓝宝石衬底层；一n型GaN层，该n型GaN层制作在蓝宝石衬底层上；第一Ag光栅结构，该Ag光栅结构制作在蓝宝石衬底层内靠近n型GaN层与蓝宝石衬底层间界面一侧，利用表面等离子体耦合导出局限在器件内部波导模，减少全反射提高光取出效率；一多量子阱有源层，该多量子阱有源层制作在n型GaN层上；一p型GaN层,该p型GaN层制作在多量子阱有源层上；第二Ag光栅结构，该Ag光栅结构制作在p型GaN层内靠近多量子阱有源层一侧，利用Ag表面等离子体高局域场特性，来提高材料的辐射跃迁几率；一金属Al薄膜层，该Al薄膜层制作在第二Ag光栅结构上。

Description

银耦合增强GaN基发光二极管的器件结构及制备方法

技术领域

本发明用于半导体光电子器件制造技术领域，具体涉及到一种新型的银耦合增强倒装结构GaN基发光二极管的器件结构及制备方法。

背景技术

GaN基半导体是新型的宽帯隙半导体材料，具有优异的物理、化学性质。基于InGaN 量子阱结构的大功率LED是当前半导体光电研究领域的热点和相关产业发展龙头。发光二极管(LED)因其小体积、高效能、长寿命以及绿色环保等特点，日益成为吸引人的传统光源替代品。但目前发光二极管要取代传统灯泡等照明设备还有一定的挑战。首先，其发光效率还需进一步的提高，其次，在此基础上其成本需要降低。对于LED的发光效率可以表示为:

η_ext= C_ext ×η_int= C_ext×k _rad/( k _rad+ k _non)

其中C_ext和η_int分别为器件的光提取效率和内量子效率，k _rad和k _non分别为辐射跃迁和非辐射跃迁几率。由上式可知，为了提高器件的发光效率，必须提高器件的辐射跃迁几率，降低非辐射跃迁几率，并且提高器件的光取出效率。其中辐射和非辐射跃迁分别由材料的能带结构和晶体质量决定，光提取效率由器件的结构决定。

提高材料的辐射跃迁几率是提高器件效率的途径之一，但由于材料本身能带结构等的限制，其辐射跃迁几率的提高非常困难。降低材料的非辐射跃迁几率的方法主要是改进半导体发光材料的质量，其受材料生长技术的影响，同时晶体的质量对衬底的要求也很高，研究人员已经在这方面做了很多工作，但达到一定程度后晶体质量的提高非常有限。另外，LED器件光取出效率低的原因是芯片材料折射率远大于空气折射率，从芯片内有源层发出的光线到达两种介质的界面时，会发生全反射现象。全反射引起的后果是光线会在芯片内部不停的震荡，大部分光不仅不能从 LED 中发射出来, 而是被金属电极、基底或有源层吸收后产生热能或引起电子与空穴的无辐射复合。本发明之前，有研究者尝试利用金属表面等离子体耦合效应分别来提高材料的辐射跃迁几率或器件的光提取效率，但效果都不理想。本发明提供一种新型GaN基发光二极管器件结构，利用金属表面等离子体耦合同时提高材料的辐射跃迁几率和光提取效率。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种新型银耦合增强GaN基发光二极管器件结构的制备方法。该结构通过银（Ag）光栅结构，利用金属Ag表面等离子体耦合增强GaN基发光二极管发光效率。位于多量子阱有源层附近的Ag光栅结构利用金属表面等离子体耦合高局域场特性，来提高发光中心的光子态密度，进而提高材料的辐射跃迁几率。同时，位于n型GaN层与蓝宝石衬底层间界面附近的Ag光栅结构使局限在器件内部波导模耦合被金属吸收后再发射出去，提高光取出效率。本发明为提高GaN基发光二极管的发光效率，制备高效能经济的固态光源提供了一条有效途径。

本发明的技术方案如下：

本发明的目的在于提供了一种新型银耦合增强GaN基发光二极管器件结构，包括:

一蓝宝石衬底层；

一n型GaN, 该n型GaN层制作在蓝宝石衬底上；

第一Ag光栅结构制作在蓝宝石衬底层内，该Ag光栅结构距离n型GaN层与蓝宝石衬底层间界面5~10 nm；

其中第一Ag光栅结构是平行于n型GaN层与蓝宝石衬底层间界面以四方结构排列的金属Ag圆柱体，该圆柱体半径为68 nm, 高为15 nm, 相邻圆柱中心间距离为180~210 nm；

一多量子阱有源层，该多量子阱有源层制作在n型GaN层上；

一p型GaN层制作在多量子阱有源层上；

第二Ag光栅结构制作在p型GaN层内，该Ag光栅结构距多量子阱有源层10~15nm；

其中第二Ag光栅结构是平行于多量子阱有源层以四方结构排列的金属Ag圆柱体，该圆柱体半径为50 nm, 高为5 nm, 相邻圆柱中心间距离为160~180 nm；

一金属Al薄膜层制作在p型GaN层上与第二Ag光栅结构连接，该Al薄膜层厚度为15~30 nm。

本发明提供一种新型银耦合增强GaN基发光二极管器件结构的制备方法，其中包括如下步骤：

步骤1：采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掩膜结合电子束刻蚀在蓝宝石衬底层内制备第一Ag光栅结构；

其中第一Ag光栅结构为平行于表面以四方结构排列于蓝宝石衬底层内的圆柱体；

步骤2：在包含第一Ag光栅结构蓝宝石衬底层表面上制备5~10 nm 蓝宝石薄层；

步骤3：在蓝宝石薄层上依次生长n型GaN层、多量子阱有源层和p型GaN层，

其中p型GaN层厚度控制在15~20 nm;

步骤4：采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掩膜结合电子束刻蚀在p型GaN层内制备第二Ag光栅结构；

其中第二Ag光栅结构为平行于多量子阱有源层以四方结构排列于p型GaN层内的圆柱体；

步骤5：在包含第二Ag光栅结构p型GaN层表面上通过溅射制备15~30 nm厚的金属Al薄层。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合具体的实施方式对本发明具体实施方式对发明做详细的描述，其中：

图1 是在蓝宝石衬底层上旋涂一层PMMA掩膜的示意图；

图2 是用电子束曝光刻蚀图1的PMMA掩膜层形成圆形光栅掩模板图形；

图3 PMMA掩膜层刻蚀成圆形光栅掩模板的俯视图；

图4 在刻蚀的图2光栅掩模板图形位置继续用紫外光刻蚀蓝宝石衬底层示意图；

图5 使用电子束蒸镀技术，在图3刻蚀的光栅模板表面沉淀金属Ag薄膜；

图6 去除PMMA掩膜层，得到第一Ag光栅结构；

图7 在图6去除PMMA掩膜层后的蓝宝石衬底层上生长蓝宝石薄膜；

图8 在图7生长的蓝宝石薄膜上生长n型GaN层, 有源层，p型GaN层；

图9 在p型GaN层用以上制作第二Ag光栅结构，并溅射一层薄的Ag膜。

具体实施方式

请参阅附图所示，本发明提供一种新型银耦合增强GaN基发光二极管器件结构，包括：

一蓝宝石衬底1；

一PMMA掩膜层10，该PMMA掩膜层10旋涂在蓝宝石衬底1上，该PMMA掩膜层10的厚度为20~30 nm；

在PMMA掩膜层10上采用电子束曝光刻蚀得到四方结构排列的圆孔11，圆孔11的深度与PMMA掩膜层10的厚度相同，圆孔11半径为68 nm, 圆孔中心间的距离为180~210 nm；

在圆孔11位置继续用紫外光刻蚀蓝宝石衬底层1，刻蚀的深度为15 nm，刻蚀完后清除圆孔11内部残留的杂质；

一金属Ag薄膜12，该金属Ag薄膜12蒸镀在PMMA掩膜层10上和圆孔11内,如图5所示，该金属Ag薄膜12厚度与刻蚀蓝宝石衬底层圆孔深度相同均为15 nm；

去除PMMA掩膜层10后得到镶嵌于蓝宝石衬底层1内的第一Ag光栅结构5，该光栅结构5由一系列四方结构排列的Ag圆柱体构成，构成第一Ag光栅结构5的圆柱体的高度为15 nm；

一蓝宝石薄膜13，该蓝宝石薄膜13制作在第一Ag光栅结构上，该薄膜厚度为5~10 nm；

一n型GaN层2，该n型GaN层2制作在蓝宝石薄膜13上，电子和空穴复合得到的光子，在蓝宝石薄膜13与n型GaN层2之间界面处散射，由于距第一光栅结构5只有5~10 nm, 这些散射的光子被金属Ag耦合吸收后再发射出去，减少此处全反射损失，提高了光取出效率；

一多量子阱有源层3，该多量子阱有源层3制作在n型GaN层2上面，电子和空穴就在多量子有源层3内复合；

一p型GaN层4,该p型GaN层4制作在多量子阱有源层3上，该p型GaN层的厚度为10~15 nm；

第二Ag光栅结构6制作在p型GaN层4远离多量子阱层3的一侧，该光栅结构6由一系列四方结构排列的Ag圆柱体构成，构成第二Ag光栅结构6的圆柱体的高度为5 nm;由于第二光栅结构6与多量子阱3之间距离为5~10 nm, 多量子阱有源层3处在Ag表面等离子体高局域场范围内，利用金属Ag表面等离子体高局域场特性，增加发光中心的光子态密度，进而提高材料的辐射跃迁几率；

一金属Al薄膜7，该金属Al薄膜制作在第二Ag光栅结构6上，该金属Al薄膜7的厚度为15~30 nm, 金属Al薄膜可以增加反射提高光的取出效率。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围以权力要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种新型银耦合增强GaN基发光二极管器件结构，包括:

一蓝宝石衬底层；

第一Ag光栅结构，该Ag光栅结构制作于蓝宝石衬底层内，该Ag光栅结构到n型GaN层与蓝宝石衬底层间界面距离为5~10 nm；

一n型GaN层，该n型GaN层制作在蓝宝石衬底层上；

一多量子阱有源层，该多量子阱有源层制作在n型GaN层上；

一p型GaN层，该p型GaN层制作在多量子阱有源层上，该p型GaN层的厚度是10~15 nm；

第二Ag光栅结构，该Ag光栅结构制作于p型GaN层内，该Ag光栅结构到多量子阱有源层的距离为5~10 nm；

一金属Al薄膜层，该Al薄膜层制作在第二Ag光栅结构上，该Al薄膜层的厚度为15 ~30 nm。

2.根据权利要求1所述的银耦合增强GaN基发光二极管器件结构，其中第一Ag光栅结构由一系列四方结构排列的Ag圆柱体构成，这些圆柱体的半径为68 nm,高度为15 nm，相邻圆柱中心间距离为180~210 nm，圆柱体顶端到n型GaN层与蓝宝石衬底层之间界面距离为5~10 nm，第一Ag光栅结构使得局限在器件内部波导模耦合被金属吸收后再发射出去，提高光取出效率。

3.根据权利要求1所述的银耦合增强GaN基发光二极管器件结构，其中第二Ag光栅结构由一系列四方结构排列的Ag圆柱体构成，这些圆柱体的半径为50 nm,高度为5 nm，相邻圆柱中心间距离为160~180 nm，圆柱体顶端到多量子阱有源层的距离为5~10 nm，第二Ag光栅结构利用金属表面等离子体高局域场特性，增强发光中心的光子态密度，进而提高材料的辐射跃迁几率。

4.一种新型银耦合增强GaN基发光二极管器件结构的制备方法，其中包括如下步骤:

步骤1：采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掩膜结合电子束刻蚀在蓝宝石衬底层内制作第一Ag光栅结构；

步骤2：在包含第一Ag光栅结构蓝宝石衬底层表面上通过沉淀或溅射制备5~10 nm 蓝宝石薄层；

步骤3：在蓝宝石薄层上依次生长n型GaN层、多量子阱有源层和p型GaN层；

步骤4：采用PMMA掩膜结合电子束刻蚀在p型GaN层内制作第二Ag光栅结构；

步骤5：在包含第二Ag光栅结构p型GaN层表面上通过溅射制备15 nm厚的金属Al薄层。

5.根据权利要求4所述的银耦合增强GaN基发光二极管器件结构制备方法，其中第一Ag光栅结构和第二Ag光栅结构是采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掩膜结合电子束刻蚀制备。

6.根据权利要求4所述的银耦合增强GaN基发光二极管器件结构制备方法，其中p型GaN层的厚度为10~15 nm，Al薄膜层的厚度为15 ~30 nm。

7.根据权利要求4所述的银耦合增强GaN基发光二极管器件结构制备方法，其中第一光栅结构到n型GaN层与蓝宝石衬底层之间界面距离为5~10 nm，第二光栅结构到多量子阱有源层的距离为5~10 nm。