CN103325901B - 垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法 - Google Patents
垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103325901B CN103325901B CN201310193970.3A CN201310193970A CN103325901B CN 103325901 B CN103325901 B CN 103325901B CN 201310193970 A CN201310193970 A CN 201310193970A CN 103325901 B CN103325901 B CN 103325901B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nano
- gan base
- pillar
- layer
- led
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Abstract
本发明提供垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法，其中垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，包括：一衬底；一GaN基LED结构纳米柱阵列，其制作在衬底上；一纳米柱侧壁隔离层，其制作在GaN基LED结构纳米柱阵列的侧壁上；一三明治结构填充层，其制作在纳米柱侧壁隔离层外，且填满GaN基LED结构纳米柱阵列的间隙，形成基片；一p面电极，其制作在基片的上表面；一n面电极，其制作在衬底的背面。本发明可以独立于材料生长过程和干法刻蚀过程实现表面等离激元与GaN基LED的耦合。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管，特别涉及一种垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱发光二极管及制备方法。
背景技术
GaN基发光二极管作为新一代光源，可广泛用于照明、显示、生物医疗、国防等领域。然而，由于受到晶格结构、材料质量或者器件结构等因素的影响，GaN基LED除了在蓝紫光或浅紫外光谱区域具有较高的发光效率，其他深紫外、红外以及可见光的绿黄红光区域的发光效率都很低。
利用表面等离激元共振增强技术有望提高LED的自发辐射速率和内量子效率，从而提高发光效率。对于电学注入的表面等离激元共振增强GaN基LED，重要的是表面等离激元与有源区内电子空穴对的有效耦合。这是共振增强的必要条件，却也是其难点所在。为了实现有效的耦合，人们提出了各种各样的技术方案。这些技术方案主要集中在表面等离激元与平面结构的GaN基LED耦合。如通过降低p-GaN的厚度减小LED表面金属颗粒与量子阱的耦合距离[D.M.Yeh，C.F.Huang，C.Y.Chen，Y.C.LuandC.C.Yang，Localizedsurfaceplasmon-inducedemissionenhancementofagreenlight-emittingdiode，Nanotechnology，19，345201-1-345201-4(2008)]，这种耦合方式设计简单，但很难进一步通过减小p-GaN的厚度来增强耦合强度；另外一种方案是在材料生长过程中，将产生表面等离激元的金属颗粒嵌入在p型氮化镓层中靠近量子阱的区域内实现耦合[C.Y.Cho，K.S.Kim，S.J.Lee，M.K.Kwon，H.Ko，S.T.Kim，G.Y.Jung，andS.JPark，Surfaceplasmon-enhancedlight-emittingdiodeswithsilvernanoparticlesandSiO2nano-disksembeddedinp-GaN，Appl.Phys.Lett.，99，041107(2011)]，这种耦合方式可以实现任意的耦合距离，但是很难避免金属向有源区的扩散问题，以及金属对p-GaN材料质量的影响；近两年又出现了一种避开材料生长过程的耦合方式，在常规LED外延片的p-GaN层制备二维纳米孔阵列，并在孔底沉积可产生表面等离激元的金属颗粒[C.H.Lu，C.C.Lan，Y.L.Lai，Y.L.Li，andC.P.Liu，EnhancementofGreenEmissionfromInGaN/GaNMultipleQuantumWellsviaCouplingtoSurfacePlasmonsinaTwo-DimensionalSilverArray，Adv.Funct.Mater.，21，4719-4723(2011)]，这种耦合方式虽然不必考虑材料生长的诸多复杂因素，但是很难避免干法刻蚀损伤造成的孔底漏电，而且与量子阱的等效耦合距离较远。
发明内容
基于上述表面等离激元与平面GaN基LED耦合的缺陷，本发明提出了垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法，可以独立于材料生长过程和干法刻蚀过程实现表面等离激元与GaN基LED的耦合。
本发明提供一种垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，包括：
一衬底；
一GaN基LED结构纳米柱阵列，其制作在衬底上；
一纳米柱侧壁隔离层，其制作在GaN基LED结构纳米柱阵列的侧壁上；
一三明治结构填充层，其制作在纳米柱侧壁隔离层外，且填满GaN基LED结构纳米柱阵列的间隙，形成基片；
一p面电极，其制作在基片的上表面；
一n面电极，其制作在衬底的背面。
本发明还提供一种垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制备GaN基LED结构纳米柱阵列；
步骤2：在GaN基LED结构纳米柱阵列的纳米柱周围生长一层纳米柱侧壁隔离层；
步骤3：在GaN基LED结构纳米柱阵列的间隙中旋涂一层电介质做为下层电介质层；
步骤4：在下层电介质层上制备一层中间金属层，调整中间金属层的形貌，使其表面等离激元共振频率与GaN基LED结构纳米柱阵列的发光频率匹配；
步骤5：在中间金属层上旋涂一层电介质做为上层电介质层，使其完全覆盖纳米柱阵列顶端，所述下层电介质层、中间金属层和上层电介质层组成三明治结构填充层；
步骤6：利用干法刻蚀或化学抛光反刻蚀上层电介质层，直至完全露出纳米柱阵列的顶端，形成基片；
步骤7：在基片的表面采用光刻、蒸发和带胶剥离工艺，制备p电极；在衬底的背面制备n电极，完成制备。
本发明提供了一种新型的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法，与传统基于平面结构的表面等离激元增强GaN基LED相比，可以在独立于材料生长过程的同时，实现任意近距离的耦合。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明的纵剖面结构示意图；
图2是本发明的制备方法流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，包括：
一衬底1，所述衬底1的材料为Si或SiC；
一GaN基LED结构纳米柱阵列2，其制作在衬底1上，所述GaN基LED结构纳米柱阵列2的纳米柱的直径为30nm-150nm，高度为0.5μm-3μm；所述GaN基LED结构纳米柱阵列2包括依次制作在衬底1上的n型InAlGaN层21、非掺杂或掺杂的InAlGaN多量子阱层22和p型InAlGaN层23，该InAlGaN多量子阱层22的周期数为2-9，该n型InAlGaN层21的高度为0.3μm-2.8μm；
一纳米柱侧壁隔离层3，其制作在GaN基LED结构纳米柱阵列2的侧壁上，所述纳米柱侧壁隔离层3的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，厚度为10nm-50nm，侧壁隔离层3不仅可以防止侧壁漏电，还可以调节可产生表面等离激元的中间金属层42与有源区内电子空穴对的横向耦合距离；
一三明治结构填充层4，其制作在纳米柱侧壁隔离层3外，且填满GaN基LED结构纳米柱阵列2的间隙，形成基片，所述三明治结构填充层4包括依次制作在衬底1上的下层电介质层41、中间金属层42和上层电介质层43；所述下层电介质层41为旋涂电介质倍硅氧烷、半硅氧烷或聚酰亚胺，其高度为0.3μm-2.8μm，其上表面与InAlGaN多量子阱层22上表面保持水平，主要作用是调节中间金属层42的高度，使之与InAlGaN多量子阱层22的距离缩短，实现最近距离的表面等离激元耦合；所述中间金属层42的材料为Au、Ag或Al中的一种或几种合金的薄膜或颗粒，其金属薄膜厚度为2nm-20nm、金属颗粒尺寸为10-100nm，中间金属层42是产生表面等离激元的物质层，通过改变中间金属层42中金属薄膜或颗粒的厚度和形貌调节表面等离激元的能量，使其共振能量与InAlGaN多量子阱层22中电子空穴对的能量匹配，发生共振时，InAlGaN多量子阱层22中的电子空穴对以极快的速率将能量传递给中间金属层42，然后中间金属层42作为光学天线将能量辐射出去，这个过程要远大于电子空穴对自发辐射速率，从而提高了GaN基LED结构纳米柱阵列2的发光效率；所述上层电介质层43的材料为旋涂电介质倍硅氧烷、半硅氧烷或聚酰亚胺，上层电介质层43的上表面与GaN基LED结构纳米柱阵列2的顶端水平，主要作用是隔离n型InAlGaN层21和p型InAlGaN层23，防止漏电，并起到平面化的效果，支撑p面电极5；
一p面电极5是透明电极、或金属电极，其制作在基片的上表面，并与p型InAlGaN层23上表面接触，用于LED的空穴注入，；
一n面电极6，其制作在衬底1的背面，用于LED的电子注入。
请参阅图2所示，本发明提供一种垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备或分子束外延(MBE)设备，利用金属催化生长技术、选择区域生长技术或高V/III比自下而上生长技术，或利用纳米模板自上而下刻蚀技术，在衬底1上制备GaN基LED结构纳米柱阵列2，所述衬底1的材料为Si或SiC；所述GaN基LED结构纳米柱阵列2的纳米柱的直径为30nm-150nm，高度为0.5μm-3μm；所述GaN基LED结构纳米柱阵列2包括依次制作在衬底1上的n型InAlGaN层21、非掺杂或掺杂的InAlGaN多量子阱层22和p型InAlGaN层23；该InAlGaN多量子阱层22的周期数为2-9，该n型InAlGaN层21的高度为0.3μm-2.8μm；
步骤2：利用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、或者原子层沉积方法在GaN基LED结构纳米柱阵列2的纳米柱周围生长一层纳米柱侧壁隔离层3，所述纳米柱侧壁隔离层3的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，厚度为10nm-50nm；
步骤3：在GaN基LED结构纳米柱阵列2的间隙中旋涂一层电介质做为下层电介质层41，所述下层电介质层41为旋涂电介质硅氧烷、倍半硅氧烷或聚酰亚胺，该下层电介质层41的高度为0.3μm-2.8μm，通过控制下层电介质41的旋涂速率和材料选用，调整其上表面高度使之与InAlGaN多量子阱层22上表面保持水平，主要作用是调节中间金属层42的高度，使之与InAlGaN多量子阱层22的距离缩短，实现最近距离的表面等离激元耦合；
步骤4：利用电子束蒸发、热蒸发或离子溅射技术在下层电介质层41上蒸镀一层金属作为中间金属层42，或先蒸镀蒸发一层金属薄膜，然后利用热退火的方法形成金属颗粒作为中间金属层42；所述中间金属层42的材料为Au、Ag或Al中的一种或几种合金，其金属薄膜厚度为2nm-20nm、金属颗粒尺寸为10-100nm；通过改变蒸镀厚度、退火温度、退火时间来调整中间金属层42的厚度、形貌，使其表面等离激元共振频率与GaN基LED结构纳米柱阵列2的发光频率匹配；
步骤5：在中间金属层42上旋涂一层电介质做为上层电介质层43，使其完全覆盖纳米柱阵列2顶端，并具有平整的上表面，所述下层电介质层41、中间金属层42和上层电介质层43组成三明治结构填充层4；
步骤6：利用干法刻蚀或化学抛光反刻蚀上层电介质层43，直至完全露出纳米柱阵列2的顶端，形成基片，所述干法刻蚀为F基或Cl基反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)或电子回旋共振反应离子刻蚀(ECR-RIE)系统；
步骤7：在基片的表面采用光刻、蒸发和带胶剥离工艺，制备p电极5；在衬底1的背面制备n电极6，完成制备。
以上所述的仅为用以解释本发明的最佳实施例，并非企图据以本发明做任何形式上的限制，所以，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明权利要求保护的范畴。
Claims (13)
1.一种垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，包括：
一衬底；
一GaN基LED结构纳米柱阵列，其制作在衬底上；
一纳米柱侧壁隔离层，其制作在GaN基LED结构纳米柱阵列的侧壁上；
一三明治结构填充层，其制作在纳米柱侧壁隔离层外，且填满GaN基LED结构纳米柱阵列的间隙，形成基片，该三明治结构填充层包括依次制作在衬底上的下层电介质层、中间金属层和上层电介质层；
一p面电极，其制作在基片的上表面；
一n面电极，其制作在衬底的背面。
2.根据权利要求1所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，其中衬底的材料为Si或SiC。
3.根据权利要求1所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，其中GaN基LED结构纳米柱阵列包括依次制作在衬底上的n型InAlGaN层、非掺杂或掺杂的InAlGaN多量子阱层和p型InAlGaN层；该InAlGaN多量子阱层的周期数为2-9，该n型InAlGaN层的高度为0.3μm-2.8μm。
4.根据权利要求3所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，其中所述GaN基LED结构纳米柱阵列的纳米柱的直径为30nm-150nm，高度为0.5μm-3μm。
5.根据权利要求1所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，其中下层电介质层和上层电介质层的材料均为旋涂电介质硅氧烷、倍半硅氧烷或聚酰亚胺；中间金属层的材料为Au、Ag或Al中的一种或几种合金的薄膜或颗粒，其金属薄膜厚度为2nm-20nm、金属颗粒尺寸为10-100nm；该下层电介质层的高度为0.3μm-2.8μm。
6.根据权利要求1所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED，其中所述纳米柱侧壁隔离层的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，厚度为10nm-50nm。
7.一种垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制备GaN基LED结构纳米柱阵列；
步骤2：在GaN基LED结构纳米柱阵列的纳米柱周围生长一层纳米柱侧壁隔离层；
步骤3：在GaN基LED结构纳米柱阵列的间隙中旋涂一层电介质做为下层电介质层；
步骤4：在下层电介质层上制备一层中间金属层，调整中间金属层的形貌，使其表面等离激元共振频率与GaN基LED结构纳米柱阵列的发光频率匹配；
步骤5：在中间金属层上旋涂一层电介质做为上层电介质层，使其完全覆盖纳米柱阵列顶端，所述下层电介质层、中间金属层和上层电介质层组成三明治结构填充层；
步骤6：利用干法刻蚀或化学抛光反刻蚀上层电介质层，直至完全露出纳米柱阵列的顶端，形成基片；
步骤7：在基片的表面采用光刻、蒸发和带胶剥离工艺，制备p电极；在衬底的背面制备n电极，完成制备。
8.根据权利要求7所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，其中衬底的材料为Si或SiC。
9.根据权利要求7所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，其中GaN基LED结构纳米柱阵列包括依次制作在衬底上的n型InAlGaN层、非掺杂或掺杂的InAlGaN多量子阱层和p型InAlGaN层；该InAlGaN多量子阱层的周期数为2-9，该n型InAlGaN层的高度为0.3μm-2.8μm。
10.根据权利要求9所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，其中所述GaN基LED结构纳米柱阵列的纳米柱的直径为30nm-150nm，高度为0.5μm-3μm。
11.根据权利要求7所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，其中下层电介质层和上层电介质层的材料均为旋涂电介质硅氧烷、倍半硅氧烷或聚酰亚胺；中间金属层的材料为Au、Ag或Al中的一种或几种合金的薄膜或颗粒，其金属薄膜厚度为2nm-20nm、金属颗粒尺寸为10-100nm；该下层电介质层的高度为0.3μm-2.8μm。
12.根据权利要求11所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，其中中间金属层中的金属颗粒是通过先蒸发一层金属膜，然后利用退火形成。
13.根据权利要求7所述的垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED的制备方法，其中所述纳米柱侧壁隔离层的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，厚度为10nm-50nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310193970.3A CN103325901B (zh) | 2013-05-22 | 2013-05-22 | 垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310193970.3A CN103325901B (zh) | 2013-05-22 | 2013-05-22 | 垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103325901A CN103325901A (zh) | 2013-09-25 |
| CN103325901B true CN103325901B (zh) | 2016-03-09 |
Family
ID=49194546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310193970.3A Active CN103325901B (zh) | 2013-05-22 | 2013-05-22 | 垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103325901B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104465905A (zh) * | 2014-12-24 | 2015-03-25 | 中国科学院半导体研究所 | 采用侧壁等离激元技术提高紫外发光二极管效率的方法 |
| CN107731975B (zh) * | 2017-10-24 | 2023-10-31 | 江门市奥伦德光电有限公司 | 一种纳米管led及其制作方法 |
| CN109713058A (zh) * | 2017-10-25 | 2019-05-03 | 中国科学院物理研究所 | 表面等离激元增强的氧化镓紫外探测器及其制备方法和应用 |
| CN110311023A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-10-08 | 南京大学 | 利用表面等离激元增强led光通信器件及其制备方法 |
| CN111509126A (zh) * | 2019-07-19 | 2020-08-07 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构光敏场效应晶体管 |
| CN110690246B (zh) * | 2019-10-16 | 2022-03-25 | 福州大学 | 一种非直接电学接触取向有序nLED发光显示器件 |
| CN110835766B (zh) * | 2019-11-19 | 2021-03-23 | 南京集芯光电技术研究院有限公司 | 表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极及其制备方法 |
| CN111769182B (zh) * | 2020-07-10 | 2022-03-15 | 中国科学院半导体研究所 | 表面等离激元GaN基LED外延结构及其制备方法和应用 |
| CN112071967B (zh) * | 2020-11-16 | 2021-02-26 | 至芯半导体(杭州)有限公司 | 紫外led结构及其制备方法 |
| CN113594342B (zh) * | 2021-05-19 | 2022-09-02 | 西安电子科技大学芜湖研究院 | 嵌套金刚石散热层的纳米柱led结构及制备方法 |
| CN117080342B (zh) * | 2023-10-18 | 2024-01-19 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管芯片及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101740672A (zh) * | 2008-11-20 | 2010-06-16 | 晶元光电股份有限公司 | 光电元件、背光模块装置和照明装置 |
| CN101950785A (zh) * | 2010-07-28 | 2011-01-19 | 山东大学 | 一种GaN基LED管芯P型GaN层的结构 |
| WO2012107759A1 (en) * | 2011-02-08 | 2012-08-16 | Seren Photonics Limited | Method of manufacturing a light emitting diode |
-
2013
- 2013-05-22 CN CN201310193970.3A patent/CN103325901B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101740672A (zh) * | 2008-11-20 | 2010-06-16 | 晶元光电股份有限公司 | 光电元件、背光模块装置和照明装置 |
| CN101950785A (zh) * | 2010-07-28 | 2011-01-19 | 山东大学 | 一种GaN基LED管芯P型GaN层的结构 |
| WO2012107759A1 (en) * | 2011-02-08 | 2012-08-16 | Seren Photonics Limited | Method of manufacturing a light emitting diode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103325901A (zh) | 2013-09-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103325901B (zh) | 垂直结构表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法 | |
| CN103325900B (zh) | 表面等离激元增强GaN基纳米柱LED及制备方法 | |
| CN102916096B (zh) | 一种提高发光效率的外延结构及其制备方法 | |
| CN102157657A (zh) | 一种GaN基发光二极管以及制作方法 | |
| CN102064245A (zh) | 发光二极管制造方法 | |
| CN106711299B (zh) | 一种发光二极管的外延片及其制作方法 | |
| JP2011530164A (ja) | 半導体素子、発光素子及びその製造方法 | |
| CN105098004B (zh) | 一种发光二极管外延片的生长方法及外延片 | |
| CN105679910A (zh) | 一种高出光效率的深紫外发光二极管芯片及其制备方法 | |
| CN105405938A (zh) | 可见光通信用单芯片白光led及其制备方法 | |
| CN102024898B (zh) | 发光二极管及其制造方法 | |
| CN102623596A (zh) | 一种具有倾斜量子阱结构的氮化镓半导体发光二极管 | |
| CN103928579A (zh) | 一种紫外发光二极管 | |
| Wu et al. | Phosphor-free nanopyramid white light-emitting diodes grown on {101¯ 1} planes using nanospherical-lens photolithography | |
| CN103681996A (zh) | 一种紫外发光二极管及其制备方法 | |
| Zhao et al. | Progress and prospects of GaN-based LEDs using nanostructures | |
| CN103367577B (zh) | 一种高亮度GaN基发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN102255015B (zh) | 利用led芯片发射圆偏振光的方法及产品及其制备方法 | |
| CN109786530A (zh) | 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN108538973A (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN105048284B (zh) | 一种多重耦合的单光子发光体及其制作方法 | |
| CN100369280C (zh) | 发光半导体器件及其形成方法 | |
| CN202957284U (zh) | 用于制备led倒装芯片的图形化衬底 | |
| CN102244169A (zh) | 发光二极管及其制造方法 | |
| Rahman | Solid-state lighting with wide band gap semiconductors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |