CN103928579A - 一种紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外发光二极管，包括由下至上依次设置的衬底、AlN缓冲层、n型AlGaN层、第一金属层、多重量子阱层、第二金属层、电子阻挡层和p型层，在p型层的上表面的一部分区域设置一个p型金属电极，第一金属层设置在n型AlGaN层的上表面的一部分区域，在n型AlGaN层的上表面的另一部分区域设置一个n型金属电极。本发明采用将金属纳米粒子层制备于LED有源区的多量子阱两侧的独特结构，得以充分地利用等离子体激元效应，从而可以有效地增强深紫外LED的内量子效率，对制备高功率深紫外LED具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外发光二极管，属于发光二极管(LED)芯片制备技术。
背景技术
LED是一种新型固体光源，与传统荧光灯、白炽灯相比，它具有节能、环保、寿命长、体积小等优点。近年来，波长在220～350nm的深紫外LED，因其在空气净化、信息安全、生物医疗等领域的广泛应用潜力，受到世界的普遍关注。
与可见光LED相比，深紫外LED本身及其制备技术还存在许多问题。近年来，有研究者利用金属表面等离子激元技术来增强可见光LED的内量子效率，得到了很显著的效果，但由于下述原因，尚未在紫外LED上得到应用。
表面等离子体激元效应(surface plasmon resonance，SPR)是指当特定波长的光照射到金属时，金属中的电子将在电场的作用下发生集体振荡。如果将金属制备成纳米颗粒，当特定波长的光照射到金属纳米颗粒上时，金属纳米颗粒中的电子将产生集体振荡，而这种振荡将被局限在相应的纳米颗粒中，称之为局域表面等离子体振荡(local surfaceplasmon resonance，LSPR)效应。相比于SPR效应，由于金属纳米颗粒的表面曲率半径极小，LSPR效应可以使得金属纳米颗粒表面附近空间中的局域电磁场得到极大地增强，这种效应最显著的光学表现就是增强光散射和光吸收，从而使金属纳米颗粒的吸收谱中产生强烈的共振吸收峰。LSPR共振吸收峰的峰值对应波长对于纳米颗粒的大小、形状、颗粒间的间距、介电环境和介电特性非常的敏感。
目前表面等离子体在LED领域应用比较广泛的金属是金和银，它们与量子阱耦合的范围均为可见光波段，对紫外光的增强效果不明显。对于深紫外LED，有报道称在p型GaN上镀一层铝膜可以有效地提高出光效率，但由于p型GaN的厚度远远大于金属与量子阱的耦合厚度，所以作者将这种增强归结于对外量子效率的增强。为了利用表面等离子效率增强内量子效率，必须使金属与量子阱的耦合厚度小于p型GaN的厚度，但为了得到良好的欧姆接触，p型GaN的厚度又不能太薄，这就要求我们对现有的深紫外LED结构加以改进。
当表面等离子体激元靠近量子阱时(100nm以内)，会与量子阱中的电子空穴对产生振荡耦合，从而加快量子阱中电子与空穴的辐射复合速率，据推算可以达到原来的数十倍之多，从而能大大提高LED的内量子效率(IQE)。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种紫外发光二极管，以了提高紫外LED的内量子效率，从而增强紫外LED的发光亮度；本发明为了充分利用表面等离子激元效应，采用在多重量子阱的上下两侧分别制备金属纳米颗粒构成的等离子激元层的独特结构，一方面可以克服现有技术中金属等离子激元与量子阱有源区相距较远，导致耦合效应较弱的缺点；另一方面，采用上下对称的金属等离子激元结构比现有的单侧金属等离子激元结构，能更加有效地与量子阱中的电子空穴对产生振荡耦合，从而大幅提高紫外LED的内量子效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种紫外发光二极管，包括由下至上依次设置的衬底、AlN缓冲层、n型AlGaN层、第一金属层、多重量子阱层、第二金属层、电子阻挡层和p型层，在p型层的上表面的一部分区域设置一个p型金属电极，第一金属层设置在n型AlGaN层的上表面的一部分区域，在n型AlGaN层的上表面的另一部分区域设置一个n型金属电极。
所述第一金属层和第二金属层由金属纳米颗粒结构构成；可以是铝或其他金属的纳米颗粒结构，也可以是合金的纳米颗粒结构。所述金属纳米颗粒结构按阵列排布形成第一金属层和第二金属层，金属纳米颗粒结构阵列可以是周期性分布或非周期性分布的，也可以是图形化阵列或其他一些形状。通过调节金属纳米颗粒结构的尺寸、金属纳米颗粒结构阵列的排列密度和形状尺寸，可以对不同发光波长的深紫外发光二极管的内量子效率进行优化。
优选的，所述第一金属层和第二金属层通过真空电子束蒸镀方法分别制备在n型AlGaN层和多重量子阱层的上表面上。
优选的，所述多重量子阱层(5)的第一层垒的厚度为10～100nm。
优选的，所述p型层(8)为p型AlGaN、p型GaN、p型InAlGaN或其他。
优选的，所述电子阻挡层(7)为AlGaN、InAlGaN及其超晶格结构或其他。
有益效果：本发明提供的紫外发光二极管，由于采用在有源区多重量子阱上下两侧同时加入金属纳米颗粒层的独特结构，且金属纳米颗粒层与量子阱的距离很近，使得金属表面等离子激元与多重量子阱之间的耦合效应较强，从而能够更有效地提高紫外LED的内量子效率。
附图说明
图1为现有技术的紫外LED结构示意图；
图2为本发明的紫外LED结构示意图；
图3为本发明中，当上下两侧金属表面等离子激元接近量子阱时，与量子阱中的电子空穴对产生振荡耦合的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种紫外发光二极管，包括由下至上依次设置的衬底1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、第一金属层4、多重量子阱层5、第二金属层6、电子阻挡层7和p型层8，在p型层8的上表面的一部分区域设置一个p型金属电极9，第一金属层4设置在n型AlGaN层3的上表面的一部分区域，在n型AlGaN层3的上表面的另一部分区域设置一个n型金属电极10；所述第一金属层4和第二金属层6由金属纳米颗粒结构构成，通过调节金属纳米颗粒结构的尺寸、金属纳米颗粒结构阵列的排列密度和形状尺寸，对不同发光波长的深紫外发光二极管的内量子效率进行优化。
下面就本案的制备过程加以说明。
1)首先采用MOCVD制备紫外LED外延片：选择蓝宝石，碳化硅或硅作为衬底1在其上依次制备AlN缓冲层2和n型AlGaN层3，然后采用真空电子束蒸镀的方法，在n型AlGaN层3上沉积铝纳米颗粒阵列。沉积铝纳米颗粒阵列工艺步骤如下：首先进行编程，将所要沉积的铝膜厚度设为5-10nm，然后通过电子枪轰击对应的铝靶，使其受热蒸发并吸附在n型AlGaN层3上，形成金属铝膜，即第一金属层4。然后在真空电子束蒸发系统反应腔内直接进行原位退火形成铝纳米颗粒阵列，退火温度为300摄氏度，退火时间为5min。
2)在第一金属层4上再用MOCVD法生长多重量子阱5，多重量子阱5的第一层垒厚度为20～100nm，目的是为了以氮化物完全覆盖并抹平铝纳米颗粒阵列层，从而在其上形成适合量子阱生长的平台。多重量子阱层5生长完成后，接着再采用真空电子束蒸镀的方法，按照与上述的第一金属层4同样的工艺步骤，在多重量子阱5上生长相同的铝纳米颗粒阵列层，即第二金属层6，最后，再用MOCVD法生长电子阻挡层7和p型层8。
3)在经步骤1)和2)得到的产物的基础上制作电极，具体步骤为：
采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术刻蚀出n型AlGaN台面，并通过光刻、真空电子束蒸镀及快速热退火等工艺技术分别在n型AlGaN和p型GaN上形成欧姆接触，从而完成整个紫外LED芯片的制备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种紫外发光二极管，其特征在于：包括由下至上依次设置的衬底(1)、AlN缓冲层(2)、n型AlGaN层(3)、第一金属层(4)、多重量子阱层(5)、第二金属层(6)、电子阻挡层(7)和p型层(8)，在p型层(8)的上表面的一部分区域设置一个p型金属电极(9)，第一金属层(4)设置在n型AlGaN层(3)的上表面的一部分区域，在n型AlGaN层(3)的上表面的另一部分区域设置一个n型金属电极(10)。
2.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述第一金属层(4)和第二金属层(6)由金属纳米颗粒结构构成。
3.根据权利要求2所述的紫外发光二极管，其特征在于：通过调节金属纳米颗粒结构的尺寸、金属纳米颗粒结构阵列的排列密度和形状尺寸，对不同发光波长的深紫外发光二极管的内量子效率进行优化。
4.根据权利要求2所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述第一金属层(4)和第二金属层(6)为周期性分布或非周期性分布的金属纳米球。
5.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述第一金属层(4)和第二金属层(6)通过真空电子束蒸镀方法分别制备在n型AlGaN层(3)和多重量子阱层(5)的上表面上。
6.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述多重量子阱层(5)的第一层垒的厚度为10～100nm。
7.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述p型层(8)为p型AlGaN、p型GaN或p型InAlGaN。
8.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于：所述电子阻挡层(7)为AlGaN、InAlGaN或超晶格结构。
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