CN104051587A - 表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上依次生长n型InAlGaN层、非掺杂或掺杂的多量子阱层、p型InAlGaN层和电流扩展层；步骤2：利用光刻和干法刻蚀工艺在电流扩展层上向下刻蚀，刻蚀深度到达n型InAlGaN层内，使其形成GaN基LED结构纳米孔阵列；步骤3：在电流扩展层上面、在GaN基LED结构纳米孔阵列的一侧的一部分向下刻蚀，刻蚀深度大于GaN基LED结构纳米孔阵列的纳米孔的深度，形成台面；步骤4：利用光刻、蒸发和带胶剥离工艺，在电流扩展层的一部分上表面制作p电极；步骤5：在台面上制作n电极；步骤6：在GaN基LED结构纳米孔阵列的纳米孔中填入多个外表面包覆有非导电膜的球形金属纳米颗粒，形成核壳金属纳米球层，完成制备。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件领域，特别涉及一种表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法。
背景技术
由于发光二极管具有节能、环保，寿命长，响应速度快等优点，在未来几年后，发光二极管有可能取代白炽灯、荧光灯等传统照明灯具，而进入千家万户。然而发光二极管较低的发光效率成为了其发展的主要瓶颈，特别是绿光，紫外波段的发光二极管。
提高发光二极管的发光效率，目前通常采用的主要方法有：衬底图形化，有源层结构优化，表面粗化，光子晶体等。表面等离激元共振增强技术能够提高发光二极管的自发辐射速率和内量子效率，是提高其发光效率的另一有效办法。其原理是通过金属-半导体界面的等离激元与量子肼电子空穴对的能量耦合，以表面等离激元的模式实现有效辐射，增加了光的辐射，从而提高发光效率。
目前利用表面等离激元增强LED电注入发光效率的方法主要有两种。第一种方法，在外延片生长的时候，在量子肼上几十纳米的位置沉积一层金属膜或者金属颗粒，用于产生表面等离激元耦合，这种方法材料生长质量不高，特别是难以避免金属向量子肼扩散；第二种，通过减小p-GaN厚度来达到表面等离激元耦合距离，如制备纳米柱阵列后沉积金属膜或金属颗粒，这种方法工艺步骤繁琐，得到的LED开启电压大，表面等离激元耦合后的损耗大，难以实现发光效率的大幅提高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，其可避免和克服上述方法的缺陷，增强表面等离激元有效耦合，减小耦合后的非辐射损耗，实现发光二极管的发光效率增加。
本发明提供一种表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次生长n型InAlGaN层、非掺杂或掺杂的多量子阱层、p型InAlGaN层和电流扩展层；
步骤2：利用光刻和干法刻蚀工艺在电流扩展层上向下刻蚀，刻蚀深度到达n型InAlGaN层内，使其形成GaN基LED结构纳米孔阵列；
步骤3：在电流扩展层上面、在GaN基LED结构纳米孔阵列的一侧的一部分向下刻蚀，刻蚀深度大于GaN基LED结构纳米孔阵列的纳米孔的深度，形成台面；
步骤4：利用光刻、蒸发和带胶剥离工艺，在电流扩展层的一部分上表面制作p电极；
步骤5：在台面上制作n电极；
步骤6：在GaN基LED结构纳米孔阵列的纳米孔中填入多个外表面包覆有非导电膜的球形金属纳米颗粒，形成核壳金属纳米球层，完成制备。
本发明的有益效果是，具有表面等离激元-量子肼耦合距离近，耦合后能量损失少，工艺步骤少，发光二极管电学特性好，发光效率大大增强等优势。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1是本发明的纵剖面结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明提供一种表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底11上依次生长n型InxAlyGazN1-x-y-z(0≤x，y，z≤1)层15、非掺杂或掺杂的多量子阱层16、p型InxAlyGazN1-x-y-z(0≤x，y，z≤1)层17和电流扩展层18，所述的衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、GaN或者玻璃，所述的多量子阱层16的材料为InAlGaN/InAlGaN，周期为2-10，所述的电流扩展层18的材料为ITO、单层或者多层的石墨烯；
步骤2：利用光刻和干法刻蚀工艺在电流扩展层18上向下刻蚀，刻蚀深度到达n型InxAlyGazN1-x-y-z(0≤x，y，z≤1)层15内，使其形成GaN基LED结构纳米孔阵列12，所述的GaN基LED结构纳米孔阵列12的纳米孔深度为0.2-2μm，纳米孔的直径为50nm-700nm，所述的纳米孔相对纳米孔阵列区域的面积占空比为15％-45％，较大的占空比能够保证更多的金属颗粒填充到孔中，提高增强有效能量耦合；
步骤3：在电流扩展层18上面、在GaN基LED结构纳米孔阵列12的一侧一部分向下刻蚀，刻蚀深度大于GaN基LED结构纳米孔阵列12的纳米孔的深度，形成台面14，所述的台面14的形状为矩形、扇形或叉指形；
步骤4：利用、蒸发和带胶剥离工艺，在电流扩展层18的一部分13的上表面制作p电极22，用于LED的空穴注入。在电流扩展层18上预留一部分13再制作p电极能够保证p电极平整，满足电极与半导体较好的欧姆接触；
步骤5：在台面14上制作n电极23，用于LED的电子注入；
步骤6：在GaN基LED结构纳米孔阵列12的纳米孔中填入多个外表面包覆有非导电膜21的球形金属纳米颗粒20，形成核壳金属纳米球层19，所述的核壳金属纳米球层19填充高度至少超过所述的多量子阱层16的高度。发光二极管在电致发光时，通常发光的是靠近p型InxAlyGazN1-x-y-z(0≤x，y，z≤1)层17的量子肼，也就是非掺杂或掺杂的多量子阱层16的偏上的几个量子肼。表面等离激元耦合距离很近，只有在几十纳米范围内才有强的耦合。因此所述的核壳金属纳米球层19填充高度必须至少超过所述的多量子阱层16的高度，以满足强的表面等离激元耦合效果，实现发光增强。所述的金属纳米颗粒20的直径为10nm-200nm，金属纳米颗粒20的尺寸大小和形貌影响表面等离激元耦合时的共振波长，通过金属纳米颗粒20直径的控制，能够实现发光波长增强峰位的调节。所述的金属纳米颗粒20的外表面包覆的非导电膜21厚度为5nm-30nm，非导电膜21的作用是起到表面钝化的作用。非掺杂或掺杂的多量子阱层16耦合到金属纳米颗粒20的能量除了释放发出，还会损耗掉，非导电膜21能减少这种损耗。非导电膜21还起到绝缘的作用，防止发光二极管因p型InxAlyGazN1-x-y-z(0≤x，y，z≤1)层17和n型InxAlyGazN1-x-y-z(0≤x，y，z≤1)层15电互联而短路。另外，非导电膜21厚度的调节还能控制能量耦合距离。所述的金属纳米颗粒20的材料为金、银或者铝中的一种或者几种合金；所述的金属纳米颗粒20的外表面包覆的非导电膜21材料为氮化硅、氧化硅、氧化铝或者氧化铪，完成制备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次生长n型InAlGaN层、非掺杂或掺杂的多量子阱层、p型InAlGaN层和电流扩展层；
步骤2：利用光刻和干法刻蚀工艺在电流扩展层上向下刻蚀，刻蚀深度到达n型InAlGaN层内，使其形成GaN基LED结构纳米孔阵列；
步骤3：在电流扩展层上面、在GaN基LED结构纳米孔阵列的一侧的一部分向下刻蚀，刻蚀深度大于GaN基LED结构纳米孔阵列的纳米孔的深度，形成台面；
步骤4：利用光刻、蒸发和带胶剥离工艺，在电流扩展层的一部分上表面制作p电极；
步骤5：在台面上制作n电极；
步骤6：在GaN基LED结构纳米孔阵列的纳米孔中填入多个外表面包覆有非导电膜的球形金属纳米颗粒，形成核壳金属纳米球层，完成制备。
2.根据权利要求1所述的表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，其中所述的衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、GaN或者玻璃。
3.根据权利要求1所述的表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，其中所述的多量子阱层的材料为InAlGaN/InAlGaN，周期为2-10。
4.根据权利要求1所述的表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，其中所述的GaN基LED结构纳米孔阵列的纳米孔深度为0.2-2μm，纳米孔的直径为50nm-700nm，所述的纳米孔相对纳米孔阵列区域的面积占空比为15％-45％。
5.根据权利要求1所述的表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，其中所述的电流扩展层的材料为ITO、单层或者多层的石墨烯。
6.根据权利要求1所述的表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，其中所述的核壳金属纳米球层填充高度至少超过所述的多量子阱层的高度，所述的金属纳米颗粒的直径为10nm-200nm，所述的金属纳米颗粒的外表面包覆的非导电膜厚度为5nm-30nm。
7.根据权利要求6所述的表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，其中所述的金属纳米颗粒的材料为金、银或者铝中的一种或者几种合金；所述的金属纳米颗粒的外表面包覆的非导电膜的材料为氮化硅、氧化硅、氧化铝或者氧化铪。
8.根据权利要求1所述的表面等离激元增强GaN基纳米孔LED的制备方法，其中所述的台面的形状为矩形、扇形或叉指形。
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