CN103227262B - 一种含左手材料的led反光镜晶体及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含左手材料的LED反光镜晶体及制备方法。结构特点包括：（1）反光镜底部为一层电流扩散层；（2）反光镜结构为一层右手材料和一层左手材料交替排列；（3）左手材料层中的空隙为渔网结构，并且填充固态增益材料，以减小损耗，增强左手材料的性能；（4）反光镜的基底材质为导电金属。制备工艺方面将电子束刻蚀、电子束蒸镀、干法刻蚀（ICP、RIE）这些精度较高的工艺结合起来制备该LED反光镜，以提高反光镜的性能。本发明LED反光镜晶体由于是左手材料和右手材料交替叠落的光子晶体结构，可以降低光强损耗，提高反射效率，从而提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件制备技术，特别涉及一种作为反光镜的LED外延芯片结构及制备方法。
背景技术
半导体发光二极管（Light Emitting Diode，LED）在信号显示、背光源和固态照明领域有着极其广泛的应用，尤其以Ⅲ—Ⅴ族化合物氮化镓（GaN）材料为基础的LED应用较多，具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快等特点。垂直结构LED（Vertical Light Emitting Diode，VLED）相对于水平结构LED，具有散热性能好，发光效率高，寿命长等优势，因此是LED重要的发展方向。
自John和Yabolonivitch1987年提出光子晶体的概念以来，光子晶体不仅成为微纳光电子学和量子光学的重要研究领域，而且在信息光学以及其他多个学科中得到广泛应用。光子晶体的典型特点是具有光子带隙，能够有效的控制光子(电磁波)传播的频率和方向，并且具有低损耗的优势。
1967年，前苏联物理学家Veselago提出了一种左手材料(Left-handed material，简称LHM)的概念，这种材料的介电常数ε和磁导率μ均为负值，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 material,简称NIM)。2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家利用以铜为主的复合材料首次制造出微波波段的左手材料，之后左手材料吸引了越来越多的关注，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。左手材料作为一种特殊的材料可以在微波器件，完美透镜、军事隐身以及信息通讯等领域发挥巨大的作用。
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。浙江大学（Wang ZY,Chen XM,et al.Photonic crystal narrow filters withnegative refractive index structuraldefects.Progress in Electromagnetics Research,PIER,2008,80,421）提出含左手材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多，并具有狭窄的透射带。美国Purdue大学(Shumin Xiao, Vladimir P.Drachev,et al.Loss-free and active optical negative-indexmetamaterials.Nature.2010,466,735)提出在左手材料中加入增益材料有利于减少光强损耗，加强谐振效应，提高左手材料的性能。Gunnar Dolling(Gunnar Dolling,Christian Enkrich.Simultaneous Negative Phaseand Group Velocity of Lightin a Metamaterial.Science.2006,312,892)提出纳米量级的渔网型结构可以产生左手材料的特性，可代替传统的金属开口谐振环阵列(SRRs)结构，简化工艺流程。
以上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结构的设计和制备，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LED反光镜晶体结构及制备工艺，以降低光强损耗，提高反射效率，从而提高LED的发光效率。
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反光镜晶体：从上至下依次包括n-GaN层、多量子阱有源层、p-GaN层，其特征在于，在p-GaN层下面设置一电流扩散层，该电流扩散层下面设置不少于三层的导电金属层，最后一层导电金属层的下面设置一键合金属层，其中，各导电金属层结合面上设置有矩形腔排布的阵列，所有矩形腔中填充固态增益材料，形成左手材料区域A，同一导电金属层中没有矩形腔阵列的平面区域为右手材料区域B，左手材料区域A与右手材料区域B交替叠落；所述各矩形腔周长为120～600nm；阵列的单位距离L1、L2不超过250nm。
上述方案中，所述矩形腔的周长为160～320nm；阵列的单位距离L1=L2，均取120nm～180nm。所述电流扩散层由ITO或石墨烯制成。所述导电金属层由Ag、Al、Au或Cu制成。所述键合金属层由Cu或Cu/W合金制成。所述固态增益材料为环氧树脂。
前述含左手材料的LED反光镜晶体的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
（1）在LED外延芯片的p-GaN层表面沉积一层厚度在10～20nm的电流 扩散层；
（2）在电流扩散层上沉积一层厚度在20～60nm的导电金属层；
（3）在导电金属层上表面刻蚀深度为15～25nm、周长为120～600nm的矩形腔阵列，阵列的单位距离L1、L2不超过250nm；
（4）在导电金属层表面沉积一层固态增益材料，填满刻蚀的矩形腔阵列；
（5）采用干法刻蚀的方法将导电金属层表面修平；
（6）重复步骤（2）～（5）至少3次，使导电金属层的总厚度不超过300nm；
（7）在最后一层导电金属层上进行键合，最后将LED外延芯片的蓝宝石衬底剥离。
上述方法中，所述步骤（1）中电流扩散层的沉积采用热蒸发的方式。所述步骤（2）中导电金属层的沉积采用电子束蒸镀方式，导电金属为Al、Ag、Au、或Cu。所述步骤（3）中矩形腔阵列刻蚀采用电子束刻蚀方式。
本发明含左手材料的LED反光镜晶体制备工艺的优点如下：
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，电子束沉积工艺可以控制在1nm范围内。制备精度的提高，有利于分析、控制和提高LED反光镜的性能；
2、在p-GaN表面制备反光镜，不会破坏LED芯片的外延结构，保证了LED芯片的质量。
3、将金属层分成多次沉积，便于调控左手材料的结构与性能。
采用本发明方法制备的LED反光镜晶体的结构优点是：
1、底部为一层电流扩散层，可防止电流拥堵，且工艺成熟。
2、反光镜的基底材质为导电金属（Al、Ag、Au、Cu），减少了对LED的电学性能的影响，而且便于左手材料的制备。
3、该反光镜晶体结构为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，使光的反射率明显提高。
4、左手材料区域为渔网结构，并且填充固态增益材料，可以减小损耗，增强左手材料的性能。
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是本发明含左手材料的LED反光镜晶体结构示意图。
图2是图1左手材料区域A表面的平面俯视图。
图3是图1结构的制备工艺流程图。
图4是按本发明制备工艺的外延晶体结构状态变化图。其中：a图为原始LED的外延芯片；b图为沉积一层ITO的结构；c图为沉积一层Ag后的结构；d图为电子束刻蚀后的结构；e图为增益材料填充后的结构；f图为左手材料表面修平后的结构；g图为沉积多层左右手材料的结构；h图为键合后的结构；i图为芯片倒置后的结构；j图为激光剥离后的结构。
图5是本发明提供的Re(n)曲线和FOM曲线。图中：实线(Re(n))—有效折射率的实部；虚线(FOM)—品质因数。
图6是本发明提供的透射谱。
图7是本发明提供的LED光输出功率曲线。
具体实施方式
参见图1，一种含左手材料的LED反光镜晶体结构，从上至下依次包括n-GaN层1、多量子阱有源层(MQW active layer)2、p-GaN层3、电流扩散层4(ITO或石墨烯)、三层导电金属层5(Ag、Al、Au或Cu）、键合金属层7(Cu/W)，其中，各导电金属层结合面上设置有矩形腔排布的阵列，所有矩形腔中填充固态增益材料6(环氧树脂），形成左手材料区域A，该左手材料区域A的这种类似渔网结构可以减小损耗，增强左手材料的性能；同一导电金属层中没有矩形腔阵列的区域为右手材料区域B，左手材料区域A与右手材料区域B交替叠落。
参考图2，左手材料区域中的矩形腔边长d1=d2，可在30nm～150nm之间选择，本实施例选40nm～80nm。矩形腔图案在平面内阵列，且布满整个平面，阵列的单位距离L1=L2，取100nm～250nm，本实施例选120nm～180nm。
参见图3、图4，本发明含左手材料的LED反光镜晶体的制备方法包括：
步骤一：提供一个LED的外延芯片，如图4a。本发明应用的LED包括水平结构、垂直结构、量子点LED结构。
步骤二：采用热蒸发的方式在LED的p-GaN层3表面沉积一层ITO(Indium Tin Oxides)或石墨烯作为电流扩散层4，厚度可在10nm、15nm、20nm三个数据中选择，见图4b。
步骤三：采用电子束蒸镀的方式（Electron beam evaporation）沉积一层Ag（或Al、Au、Cu）作为导电金属层5，厚度可在30nm、40nm、50nm、60nm四个数据中选择，见图4c。
步骤四：采用电子束刻蚀的方式在Ag层表面刻蚀矩形腔阵列图案（图2），刻蚀深度取20nm，也可取15nm，25nm。矩形腔阵列图案的边长d1、d2均取50nm，也可分别取60nm、70nm、80nm，阵列的单位距离L1、L2均取150nm，也可取120nm、140nm、160nm、180nm，见图4d。
步骤五：采用旋涂（Spin-coating process）的方式在Ag层表面涂上一层固态增益层6，可采用掺有rhodamine800(Rh800)的环氧树脂，环氧树脂必须填满刻蚀的矩形腔空隙，见图4e。
步骤六：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）将Ag层表面修平，见图4f。
步骤七：重复步骤2～6步骤3次，见图4g。也可取4次、5次、6次，但是金属层的总厚度<300nm。
步骤八：在最后一层Ag上进行键合，键合材料为Cu/W合金，也可取Cu，键合金属层7的厚度为100μm，也可为120μm，140μm，见图4h。
步骤九：将芯片倒置，然后采用激光剥离(Laser liftoff)的方式将蓝宝石衬底8(substrate)剥离，见图4i、图4j。
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。
以上描述对本发明内容进行的说明只是示例性的，并非构成对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，所属领域的技术人员不需付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。
采用本发明方法所得LED反光镜晶体经试验后发现，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，且其品质因数(Figure of Merit,FOM)较高，参见图5，图中实线表示有效折射率的实部，虚线表示FOM，其中FOM=-Re(n)/Im(n)，Im(n)表示有效折射率的虚部。
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（作用表现为LED反光镜），其带隙比传统的光子晶体的带隙宽，透射带更狭窄，且透射强度衰减迅速，对光的反射效果明显提高，参见图6。
该LED反光镜结构应用于LED中，可有效的将射入底部的光反射，增加 了出光面的光强，且降低了反射损耗，提高了LED的输出功率。
Claims (10)
1.一种含左手材料的LED反光镜晶体：从上至下依次包括n-GaN层、多量子阱有源层、p-GaN层，其特征在于，在p-GaN层下面设置一电流扩散层，该电流扩散层下面设置不少于三层的导电金属层，最后一层导电金属层的下面设置一键合金属层，其中，各导电金属层结合面上设置有矩形腔排布的阵列，所有矩形腔中填充固态增益材料，形成左手材料区域A，同一导电金属层中没有矩形腔阵列的平面区域为右手材料区域B，左手材料区域A与右手材料区域B交替叠落；所述各矩形腔周长为120～600nm；阵列的单位距离L1、L2不超过250nm。
2.如权利要求1所述的含左手材料的LED反光镜晶体，其特征在于，所述矩形腔的周长为160～320nm；阵列的单位距离L1=L2，均取120nm～180nm。
3.如权利要求1所述的含左手材料的LED反光镜晶体，其特征在于，所述电流扩散层由ITO或石墨烯制成。
4.如权利要求1所述的含左手材料的LED反光镜晶体，其特征在于，所述导电金属层由Ag、Al、Au或Cu制成。
5.如权利要求1所述的含左手材料的LED反光镜晶体，其特征在于，所述键合金属层由Cu或Cu/W合金制成。
6.如权利要求1所述的含左手材料的LED反光镜晶体，其特征在于，所述固态增益材料为环氧树脂。
7.一种含左手材料的LED反光镜晶体的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
（1）在LED外延芯片的p-GaN层表面沉积一层厚度在10～20nm的电流扩散层；
（2）在电流扩散层上沉积一层厚度在20～60nm的导电金属层；
（3）在导电金属层上表面刻蚀深度为15～25nm、周长为120～600nm的矩形腔阵列，阵列的单位距离L1、L2不超过250nm；
（4）在导电金属层表面沉积一层固态增益材料，填满刻蚀的矩形腔阵列；
（5）采用干法刻蚀的方法将导电金属层表面修平；
（6）重复步骤（2）～（5）至少3次，使导电金属层的总厚度不超过300nm；
（7）在最后一层导电金属层上进行键合，最后将LED外延芯片的蓝宝石衬底剥离。
8.如权利要求7所述的含左手材料的LED反光镜晶体的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中电流扩散层的沉积采用热蒸发的方式。
9.如权利要求7所述的含左手材料的LED反光镜晶体的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中导电金属层的沉积采用电子束蒸镀方式，导电金属为Al、Ag、Au、或Cu。
10.如权利要求7所述的含左手材料的LED反光镜晶体的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中矩形腔阵列刻蚀采用电子束刻蚀方式。
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| CN103035797A (zh) * | 2012-12-11 | 2013-04-10 | 东南大学 | 完全禁带光子晶体结构、其制备方法及一种发光二极管 |
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