CN103227254B

CN103227254B - 一种含左手材料的led光子晶体及制备方法

Info

Publication number: CN103227254B
Application number: CN201310125819.6A
Authority: CN
Inventors: 云峰; 赵宇坤
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: CN103227254A

Abstract

本发明涉及一种含左手材料的LED光子晶体及制备方法，其特征在于：（1）光子晶体为一层右手材料和一层左手材料交替排列;（2）左手材料层中的空隙为“瑞士十字”结构，可以矩形排列或三角形排列，并且填充弱导电材料；（3）光子晶体的基底材质为导电金属；（4）光子晶体与有源层之间的量子垒GaN厚度<40nm。本发明将电子束刻蚀、电子束蒸镀、PECVD、干法刻蚀这些精度较高的工艺结合起来制备LED光子晶体，不仅可以产生表面等离激元增强效应，将有源层中的消逝波耦合出来，而且可以产生更宽的光子带隙，从而更好的控制发光波长、出光角度，提高LED的发光效率和出光功率。

Description

一种含左手材料的LED光子晶体及制备方法

技术领域

本发明涉及光电子器件制备技术，特别涉及一种LED外延芯片的结构及制备方法。

背景技术

大功率半导体发光二极管（Light Emitting Diode，以下简称LED）作为第四代电光源具有体积小、安全低电压、寿命长、光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，因而被称为“绿色照明光源”。有望取代传统的白炽灯、荧光等而成为21世纪的新一代光源，具有很大经济和社会意义。目前大功率LED应用范围不广泛，其发光效率低、光通量低是主要原因之一。垂直结构LED（Vertical Light Emitting Diode，以下简称VLED）具有散热性能好，发光效率高，寿命长等优势，是解决LED技术瓶颈重要的方向。

1987年，John和Yabolonivitch借鉴了半导体晶体和电子带隙的概念，首次提出了光子晶体(Photonic crystal)的概念。光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，已经成为量子光学、微纳光电子学、信息光学等领域的重要研究方向。光子晶体结构能够形成光子带隙，有效的控制发光波长、出光角度，提高半导体材料的发光效率和性能，具有广阔的应用前景。

左手材料(Left-handed materials，简称LHM)是一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工电磁材料，具有一些超常的电磁特性，这些特性包括反向传播现象、负折射现象、反多普勒现象、反古斯-汉森位移现象、零反射现象以及著名的超级透镜特性等。这种材料的电场、磁场和波矢之间构成左手关系，折射率为负值，所以也称为负折射率材料(Negative index of refraction materials,简称NIM)。左手材料概念在1967年由前苏联物理学家Veselago提出，DavidSmith等物理学家于2001年首次制造出微波波段的左手材料，之后该领域发展迅猛。2003年与2006年，美国《科学》杂志两次评选左手材料为年度全球十大科学进展之一。目前，左手材料的应用主要集中在天线、滤波器、功分器以及相移器等传统微波领域，左手材料在可见光波段的实现是一个重要的研究方向。

由右手材料制备的光子晶体存在带宽窄的缺点，限制了光子晶体的性能和应用。Jensen Li提出（Jensen Li,Lei Zhou,C.T.Chan,et al.Photonic Band Gapfrom a Stack of Positive and Negative Index Materials.Phys.Rev.Lett.,2003,90,083901）由左右手材料组成的光子晶体的带隙要比传统光子晶体要宽得多，并且不仅具有布拉格光子带隙(Bragg gap)，而且还能产生零平均光子带隙(Zero-n gap)。Henri J.Lezec(Henri J.Lezec,Jennifer A.Dionne,Harry A.Atwater.Negative Refraction atVisible Frequencies.Science.2007,316,430)提出左手材料采用“金属-绝缘体-金属”(Metal-insulator-metal,MIM)结构能够有效的在可见光波段实现负折射率特性，有利于左手材料向可见光波段推广。Costas M.Soukoulis(Costas M.Soukoulis,Stefan Linden,Martin Wegener.NegativeRefractive Index at Optical Wavelengths.Science.2007,315,47)指出纳米量级的渔网型结构可以代替传统的金属开口谐振环阵列(SRRs)结构，在可见光波段产生左手材料的特性，同时指出Ag在可见光波段表现出的光强损失最小。

以往的文献涉及的是对左手材料以及由左右手材料构成的光子晶体特性的研究，并不涉及其在LED中的应用。以往的专利中涉及的是左手材料的制备工艺，并不涉及含左右手材料的光子晶体的结构设计和制备，也不涉及在LED中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含左手材料的光子晶体及制备工艺，将左右手材料构成的光子晶体应用于LED出光面，在可见光波段产生全向光子带隙，以控制发光波长、出光角度，提高LED的发光效率和性能。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种含左手材料的LED光子晶体，其特征在于，从上至下依次包括n-GaN层、导电金属基底、多量子阱有源层、p-GaN层、键合金属层，其中，导电金属基底与多量子阱有源层之间设有量子垒GaN；所述导电金属基底下表面向上刻蚀有深度不小于100nm的“瑞士十字”空隙阵列，该“瑞士十字”空隙阵列平面上矩形分布或三角形分布，在每个十字空隙中交替填充弱导电材料和与导电金属基底同质的导电金属材料，每层弱导电材料形成平面上的左手材料区域；每层导电金属材料形成平面上的右手材料区域，左手材料区域至少三层。

上述方案中，所述弱导电材料为SiO₂、MgO、MgF₂或Si₃N₄；所述导电金属基底为Ag、Au或Cu。所述十字空隙的隙长为150～300nm；十字空隙的隙宽为30～80nm；十字空隙阵列的单位距离为200nm～500nm。所述量子垒GaN的厚度<40nm。

前述含左手材料的LED光子晶体的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）在蓝宝石衬底上沉积一层3～4μm厚的n-GaN；

（2）在n-GaN表面沉积一层厚度100nm～200nm导电金属基底；

（3）在导电金属层表面刻蚀平面上呈矩形分布或三角形分布的“瑞士十字”空隙阵列，深度不小于100nm；

（4）在刻蚀“瑞士十字”空隙阵列的导电金属基底表面沉积一层厚度为10～30nm的弱导电材料；

（5）在弱导电材料表面沉积一层厚度为10～30nm的导电金属，其材质与导电金属基底材质一致；

（6）重复步骤（4）、（5），弱导电材料与导电金属交替沉积使弱导电材料达到三层以上，最顶层沉积导电金属，并超出导电金属基底表面；

（7）清洗导电金属基底表面，然后将导电金属基底表面修平；并沉积厚度<40nm的量子垒GaN；

（8）在量子垒层上生长LED外延结构：多量子阱有源层、p-GaN层，然后进行键合，并进行键合；

（9）将芯片倒置，将蓝宝石衬底剥离。

上述方法中，步骤（1）n-GaN层及步骤（7）量子垒GaN用金属有机化学气相沉积工艺。步骤（2）导电金属基底采用电子束蒸镀工艺；材质采用Ag、Au或Cu；步骤（4）弱导电材料采用等离子体增强化学气相沉积工艺，弱导电材料为SiO₂、MgO、MgF₂或Si₃N₄。步骤（3）刻蚀采用电子束刻蚀的方式。步骤（7）导电金属基底表面修平采用干法刻蚀的方式。步骤（8）键合材料为Cu/W合金，键合金属层厚度为100～140μm.。

本发明方法的工艺优点如下：

1、采用干法刻蚀以及电子束蒸镀的方式，相对于其他的制备工艺，具有更高的精度。到目前为止，电子束刻蚀的精度可以控制在10nm之内，电子束沉积、等离子体增强化学气相沉积工艺可以控制在1nm范围内。制备精度的提高，有利于提高和调节光子晶体的性能；

2、电子束一次性刻蚀十字形图案，简化了工艺步骤。

3、在生长有源层前修平金属表面，减小后续外延结构的缺陷密度，提高外延结构质量。

本发明含左手材料的光子晶体的结构优点如下：

1、光子晶体由一层右手材料和一层左手材料交替排列，其光子带隙比传统的光子晶体宽，增强光子晶体对光的控制能力。

2、左手材料层为矩形或三角形排列的“瑞士十字”（Swiss cross）结构，并且填充弱导电材料，将左手材料的负折射率特性在短波段（可见光波段）实现；

3、基底材质为导电金属（Ag、Au、Cu），不仅可以减少对LED的电学性能的影响，而且可以产生表面等离激元增强效应，将有源层中的消逝波（Leaky wave）耦合出来，提高LED光提取效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明LED光子晶体的结构示意图。

图2是图1左手材料表面(区域A)的两个不同图案（a、b）的平面俯视图。

图3是本发明LED光子晶体的制备工艺流程图。

图4是按本发明制备工艺的LED光子晶体的外延结构状态变化示意图。其中：a图为生长n-GaN后的结构图；b图为沉积一金属层的结构图；c图为电子束刻蚀后的结构图；d图为沉积一层SiO₂的示意图；e图为沉积一层Ag的结构示意图；f图为重复多次沉积SiO₂和Ag的示意图；g图为溶液清洗和干法刻蚀修平后的示意图；h图为生长其余外延结构并键合的示意图；i图为芯片倒置并剥离衬底后的示意图。

图1至图4中：1—n-GaN层，2—导电金属基底(Ag、Au、Cu），3—弱导电材料SiO₂（MgO、MgF₂或Si₃N₄），4—多量子阱有源层(MQW active layer)，5—p-GaN层，6—键合金属层(Cu/W)，A—左手材料区域，B—右手材料区域。

图5是本发明LED光子晶体的光子能带图。图中：Bragg gap—布拉格全向光子带隙；Zero-n gap—零平均光子带隙。

图6是本发明LED光子晶体的透射谱。

图7是本发明LED光输出功率曲线。

具体实施方式

参见图1图2，一种含左手材料的LED光子晶体，其特征在于，从上至下依次包括n-GaN层1、导电金属基底2、多量子阱有源层4、p-GaN层5、键合金属层6，其中，导电金属基底与多量子阱有源层之间设有量子垒GaN；导电金属基底下表面向上刻蚀有深度大于100nm的“瑞士十字”空隙阵列，该“瑞士十字”空隙阵列平面上矩形分布或三角形分布，在每个十字空隙中交替填充弱导电材料3和与导电金属基底同质的导电金属材料，每层弱导电材料形成平面上的左手材料区域A；每层导电金属材料形成平面上的右手材料区域B，左手材料区域为三层。弱导电材料可选SiO₂、MgO、MgF₂或Si₃N₄。导电金属基底为Ag、Au或Cu。导电金属基底与多量子阱有源层之间的量子垒GaN的厚度<40nm。十字空隙隙长d₂、W₂为150～300nm，最好200nm～260nm。十字空隙的隙宽d₁、W₁为30～80nm，最好40nm～60nm。十字空隙阵列的单位距离L₁、L₂为200nm～500nm，最好300nm～400nm。

参见图3、图4，一种含左手材料的LED光子晶体的制备方法，包括下述步骤：

步骤一：提供一个蓝宝石衬底(substrate)，用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法沉积一层n-GaN层1，厚度为4μm，也可取3.5μm，4.5μm，如图4a。

步骤二：采用电子束蒸镀的方式（Electron beam evaporation）沉积一层Ag（也可为Au、Cu）形成导电金属基底2，厚度为150nm，也可取120nm、140nm、160nm，见图4b。

步骤三：采用电子束刻蚀的方式在Ag层表面刻蚀十字图案（图2），刻蚀深度取130nm，也可取120nm，100nm，见图4c。十字图案的d₁、W₁均取50nm，也可分别取40nm、60nm、70nm，d₂、W₂均取200nm，也可分别取220nm、240nm、260nm，阵列的单位距离L₁、L₂均取300nm，也可取320nm、340nm、360nm。

步骤四：采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方式在Ag层上沉积一层SiO₂材料（也可取MgO、MgF₂、Si₃N₄材料），其中，十字腔底部Ag面上沉积SiO₂构成左手材料区域A，SiO₂材料厚度取20nm（也可取25nm，30nm），见图4d。

步骤五：采用电子束蒸镀的方式在SiO₂上沉积一层Ag（沉积物质与金属基底一致），厚度为20nm，也可取25nm、30nm、160nm，见图4e。

步骤六：重复四、五步骤3次（也可取4次、5次、6次），沉积的最后一层为Ag，且要填满刻蚀的十字腔空隙，见图4f。

步骤七：用化学溶剂(HF酸)清洗金属层表面，然后采用干法刻蚀的方法，这里采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）或者反应离子刻蚀（RIE）的方法将最后一层Ag表面修平，见图4g。

步骤八：在修平的金属层上用MOCVD法沉积量子垒层（GaN）厚度取30nm，也可取25nm、35nm。

步骤九：继续在量子垒层上生长LED外延结构：多量子阱有源层4、p-GaN层5，然后进行键合，键合材料为Cu/W合金，键合金属层6厚度为100μm（也可为120μm，140μm），见图4h。

步骤十：将芯片倒置，然后采用激光剥离的方式(Laser liftoff)的方式将蓝宝石衬底剥离，见图4i。

本实例中涉及的其他工艺流程和条件为常规工艺，属于本领域所熟悉的范畴，在此不再赘述。

本发明含左手材料的LED光子晶体，左手材料结构（区域A）可以在可见光波段产生负折射率特性，使得光子晶体可以在可见光波段产生布拉格全向光子带隙（Bragg gap）和零平均光子带隙（Zero-n gap），见图5，对应的透射谱见图6。

左手材料（区域A）与右手材料（区域B）交替沉积构成特殊的光子晶体，其带隙比传统的光子晶体的带隙宽。该光子晶体结构应用于LED中，能够更有效的控制发光波长、出光角度，提高LED的发光效率和出光功率，见图7。

上述结合附图的实施方式只是示意性的，并非构成对本发明保护范围的限制，所属领域的研究人员在本发明光子晶体的结构及制备工艺技术方案的基础上，不需付出创造性劳动而做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种含左手材料的LED光子晶体，其特征在于，从上至下依次包括n-GaN层、导电金属基底、多量子阱有源层、p-GaN层、键合金属层，其中，导电金属基底与多量子阱有源层之间设有量子垒GaN；所述导电金属基底下表面向上刻蚀有深度不小于100nm的“瑞士十字”空隙阵列，该“瑞士十字”空隙阵列平面上矩形分布或三角形分布，在每个十字空隙中交替填充弱导电材料和与导电金属基底同质的导电金属材料，每层弱导电材料形成平面上的左手材料区域A；每层导电金属材料形成平面上的右手材料区域B，左手材料区域至少三层。

2.如权利要求1所述的含左手材料的LED光子晶体，其特征在于，所述弱导电材料为SiO₂、MgO、MgF₂或Si₃N₄；所述导电金属基底为Ag、Au或Cu。

3.如权利要求1所述的含左手材料的LED光子晶体，其特征在于，所述十字空隙的隙长为150～300nm；十字空隙的隙宽为30～80nm；十字空隙阵列的单位距离为200nm～500nm。

4.如权利要求1所述的含左手材料的LED光子晶体，其特征在于，所述导电金属基底与多量子阱有源层之间的量子垒GaN的厚度<40nm。

5.一种含左手材料的LED光子晶体的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）在蓝宝石衬底上沉积一层3～4μm厚的n-GaN；

（2）在n-GaN表面沉积一层厚度100nm～200nm导电金属基底；

（8）在量子垒层上生长LED外延结构：多量子阱有源层、p-GaN层，然后进行键合；

（9）将芯片倒置，将蓝宝石衬底剥离。

6.如权利要求5所述的含左手材料的LED光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤（1）n-GaN层及步骤（7）量子垒GaN用金属有机化学气相沉积工艺。

7.如权利要求5所述的含左手材料的LED光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤（2）导电金属基底采用电子束蒸镀工艺；材质采用Ag、Au或Cu；步骤（4）弱导电材料采用等离子体增强化学气相沉积工艺，弱导电材料为SiO₂、MgO、MgF₂或Si₃N₄。

8.如权利要求5所述的含左手材料的LED光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤（3）刻蚀采用电子束刻蚀的方式。

9.如权利要求5所述的含左手材料的LED光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤（7）导电金属基底表面修平采用干法刻蚀的方式。

10.如权利要求5所述的含左手材料的LED光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤（8）键合材料为Cu/W合金，键合金属层厚度为100～140μm。