CN105405938A - 可见光通信用单芯片白光led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光通信用单芯片白光LED，所述LED包括：衬底；缓冲层，形成于所述衬底的上表面；n型半导体层，形成于所述缓冲层的上表面，所述n型半导体层的一侧向下形成有台面，所述台面的深度小于所述n型半导体层的厚度；复合发光区，形成于所述n型半导体层除台面外的上表面；p型半导体层，形成于所述复合发光区的上表面；透明导电层，形成于所述p型半导体层的上表面；p电极和n电极，分别形成于所述透明导电层和n型半导体层的一侧台面上。本发明还提供一种可见光通信用单芯片白光LED的制备方法。根据本发明可以得到一种高光效、高带宽的双波段可见光通信用单芯片白光光源。
Description
技术领域
本发明属于照明光源领域，涉及一种可见光通信用单芯片白光LED及其制备方法，特别涉及一种高光效、高带宽的可见光通信用表面等离激元增强白光LED及其制备方法。
背景技术
白光LED节能环保、寿命可靠，通过加载人眼无法感测的高速调制信号传送数据，可以在兼顾照明的同时实现可见光无线通信的功能。不过，LED的频率响应也直接决定了可见光通信系统的调制带宽和传输速度。
目前广泛采用蓝光芯片与黄色稀土荧光粉结合而获得白光LED，受荧光粉响应速度所限，LED的调制带宽很低。尽管加入蓝色滤光片可以改善调制特性，但却直接影响了接收强度和传输距离。而使用红绿蓝(RGB)三色LED作为VLC系统光源，不仅成本上升而且三色芯片因光衰减不同易产生变色现象，相应的调制电路也更加复杂。单芯片白光LED由于调制速率不受荧光粉转换的限制，可以满足可见光通信用高光效、高带宽的光源需求。
采用级联蓝、黄光量子阱的方式可以获得单芯片白光LED，不过其缺点是黄光很弱且量子阱区存在较大应变难以获得较高的内量子效率，因此，目前器件的白光颜色和发光效率都不好。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，通过金属纳米颗粒与有源区内电子空穴对的有效耦合，可以增加载流子复合通道，从而显著降低载流子的复合寿命，提高LED的调制带宽。因此，利用表面等离激元选择性地增强黄光发光区的辐射复合，并通过遂道结薄层级联蓝、黄光多量子阱提高蓝光区的空穴注入能力，有望获得一种高光效、高带宽的双波段复合型可见光通信用单芯片白光光源。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供一种可见光通信用单芯片白光LED及其制备方法，本发明可以得到一种高光效、高带宽的双波段可见光通信用单芯片白光光源。
根据本发明的一方面，提供一种可见光通信用单芯片白光LED，所述LED包括：
衬底；
缓冲层，形成于所述衬底的上表面；
n型半导体层，形成于所述缓冲层的上表面，所述n型半导体层的一侧向下形成有台面，所述台面的深度小于所述n型半导体层的厚度；
复合发光区，形成于所述n型半导体层除台面外的上表面；
p型半导体层，形成于所述复合发光区的上表面；
透明导电层，形成于所述p型半导体层的上表面；
p电极和n电极，分别形成于所述透明导电层和n型半导体层的一侧台面上。
可选地，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅或玻璃。
可选地，所述缓冲层包括GaN形核层和形成于所述GaN形核层上表面的非故意掺杂GaN层。
可选地，所述复合发光区包括蓝光、黄光双波段有源区，两有源区之间以遂道结串联。
可选地，所述p型半导体层为具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层。
根据本发明的另一方面，还提供一种可见光通信用单芯片白光LED的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，在衬底上形成缓冲层；
步骤2，在所述缓冲层上形成n型半导体层；
步骤3，在所述n型半导体层上表面上形成复合发光区；
步骤4，在所述复合发光区的上表面上形成p型半导体层，完成外延片制备；
步骤5，在所述外延片的一侧向下刻蚀至n型半导体层形成台面，其中，所述台面的深度小于所述n型半导体层的厚度；
步骤6，通过光刻、ICP刻蚀工艺在所述p型半导体层内形成GaN基LED纳米柱或纳米孔阵列；
步骤7，在纳米柱或纳米孔的刻蚀间隙填充金属纳米颗粒；
步骤8，对纳米柱间隙或纳米孔阵列内壁旋涂绝缘介质形成绝缘填充层，并反刻蚀所述绝缘填充层，直至完全露出纳米柱或纳米孔阵列的顶端，形成具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层；
步骤9，在所述具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层的上表面形成透明导电层；
步骤10，在所述透明导电层和n型半导体层的一侧台面上分别形成p电极和n电极。
可选地，所述步骤1进一步包括：先在衬底上低温生长GaN形核层，再高温生长非故意掺杂GaN层的步骤。
可选地，所述步骤3进一步包括在所述n型半导体层的上表面上依次形成蓝光发光区、串联遂道结和黄光发光区的步骤。
可选地，所述步骤7中，填充金属颗粒通过蒸镀薄层金属并退火或涂覆化学法制备的金属颗粒溶液经干燥实现，金属颗粒为金、银、铝或其合金，且在黄光区存在强烈共振吸收。
可选地，所述步骤8中，所述绝缘介质为SOG或PMMA。
本发明独创性地将级联蓝、黄光量子阱技术和表面等离激元共振增强技术结合起来，在外延片中直接引入蓝光、黄光双波段量子阱以及串联遂道结薄层来增强蓝光区的空穴注入，并通过表面等离激元的近距离耦合提高黄光发光层的自发辐射效率，可以有效改善高In组分量子阱材料质量较差、发光微弱的情况，从而提升黄光出射比例获得高品质白光。同时，该芯片的频率响应和调制速率将不再受荧光粉转换的限制，可以满足可见光通信用高光效、高带宽的光源需求。
附图说明
图1为本发明可见光通信用单芯片白光LED的纵剖面结构示意图；
图2为本发明可见光通信用单芯片白光LED的制备方法流程图。
具体实施方式
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。
根据本发明的优选实施例，提供一种可见光通信用单芯片白光LED，其芯片结构包括依次层叠的衬底、缓冲层、n型半导体层、白光发光层和具有表面等离激元微纳结构的p型半导体层，以及透明导电层和p、n电极。所述白光发光层由黄、蓝光两发光区复合而成，其中每个发光区由相应波段的多量子阱(或量子点)构成，两发光区之间以重掺杂的遂道结如n++InGaN/p++GaN隧道结串联。所述p型半导体层，其位置靠近黄光发光区，为刻蚀深度接近有源区的纳米孔或纳米柱阵列，经填充金属纳米颗粒和旋涂绝缘介质构成嵌入式表面等离激元微纳结构。
所述p型半导体层纳米孔或纳米柱阵列为通过电子束曝光、聚苯乙烯微球等方式获得的掩膜经干法刻蚀或纳米压印制备，其深度典型值为距离黄光有源区10～50nm，其纳米孔径或柱子间隙的典型值为50～1000nm。所填充的金属纳米颗粒为金、银、铝或其合金，其在黄光区存在强烈共振吸收。所旋涂的绝缘介质为SOG或者PMMA。
图1给出了根据本发明一实施例的基于表面等离激元实现单芯片白光的可见光通信用LED结构，如图1所示，所述LED包括：
衬底10；
在本发明一实施例中，所述衬底10为(0001)向抛光蓝宝石，可以使用图形衬底技术制作，其它可用于外延衬底的还包括硅、碳化硅或玻璃等材料。
缓冲层11，形成于所述衬底10的上表面；
在本发明一实施例中，所述缓冲层11进一步包括GaN形核层和形成于所述GaN形核层上表面的非故意掺杂GaN层。
n型半导体层12，形成于所述缓冲层11的上表面，所述n型半导体层12的一侧向下形成有台面，所述台面的深度小于所述n型半导体层12的厚度；
在本发明一实施例中，所述n型半导体层12为n型GaN，其n型掺杂剂为硅烷。
其中，所述台面的形状可以为矩形、扇形或者叉指形。
复合发光区13，形成于所述n型半导体层12除台面外的上表面；
在本发明一实施例中，所述复合发光区13由下至上依次包括蓝光发光区14、串联遂道结15和黄光发光区16，也就是说，所述复合发光区13由蓝光、黄光双波段有源区组成，两有源区之间以遂道结如n++InGaN/p++GaN隧道结串联，以提高蓝光区的空穴注入能力。其中，所述串联遂道结15为高掺杂n++InGaN/p++GaN薄层，该层p++GaN部分生长在蓝光发光区14上，而黄光发光区16则生长在n++InGaN部分上；每一发光区所包含的多量子阱MQW为InGaN薄层和GaN薄层交互堆叠形成的3～8周期多量子阱结构。
p型半导体层17，形成于所述复合发光区13的上表面；
在本发明一实施例中，所述p型半导体层17的p型掺杂剂为二茂镁。所述p型半导体层17的结构是金属颗粒能否有效发挥表面等离激共振增强效应的关键。在芯片一侧制作完台面后，通过光刻、ICP刻蚀在该p型半导体层17内形成GaN基LED纳米柱或纳米孔阵列，其刻蚀深度距离黄光有源区10～50nm，纳米孔径或纳米柱间隙为50～1000nm。随后蒸镀薄层金属并退火，以便在刻蚀间隙形成金属纳米颗粒18，所蒸金属为金、银、铝或其合金，形成的金属纳米颗粒18在黄光区存在强烈共振吸收，可以通过控制金属层厚度来调节粒径大小从而调节其吸收峰位置。为避免器件漏电保证电学性能，还需要在纳米柱间隙或纳米孔阵列内壁旋涂绝缘介质19即SOG或PMMA对金属颗粒和孔柱侧壁钝化，最后利用干法刻蚀或化学抛光反刻蚀绝缘填充层，直至完全露出纳米柱或纳米孔阵列的顶端，形成具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层。
透明导电层20，形成于所述p型半导体层17的上表面；
在本发明一实施例中，所述透明导电层20为ITO层，也可以用石墨烯或ZnO薄膜代替，形成基片。
p电极21和n电极22，分别形成于所述透明导电层20和n型半导体层12的一侧台面上。
所述p电极21和n电极22所用金属体系为CrPtAu或CrAlTiAu。
根据本发明的另一优选实施例，还提供一种可见光通信用单芯片白光LED的制备方法，图2为该单芯片白光LED的制备流程，如图2所示，所述LED的制备方法包括以下步骤：
步骤1，在衬底10上形成缓冲层11；
其中，所述衬底10为(0001)向抛光蓝宝石，可以使用图形衬底技术制作，其它可用于外延衬底的还包括硅、碳化硅或玻璃等材料。
所述步骤1进一步包括：以高纯NH3作为N源，三甲基镓或三乙基镓作为Ga源，先在衬底10上低温生长GaN形核层，再高温生长非故意掺杂GaN层的步骤。
步骤2，在所述缓冲层11上形成n型半导体层12；
在本发明一实施例中，所述n型半导体层12为n型GaN，其n型掺杂剂为硅烷。
步骤3，在所述n型半导体层12上表面上形成复合发光区13；
所述步骤3进一步包括在所述n型半导体层12上表面上依次形成蓝光发光区14、串联遂道结15和黄光发光区16的步骤，也就是说，所述复合发光区13由蓝光、黄光双波段有源区组成，两有源区之间以遂道结如n++InGaN/p++GaN隧道结串联，以提高蓝光区的空穴注入能力。其中，所述串联遂道结15为高掺杂n++InGaN/p++GaN薄层，该层p++GaN部分生长在蓝光发光区14上，而黄光发光区16则生长在n++InGaN部分上；每一发光区所包含的多量子阱MQW为InGaN薄层和GaN薄层交互堆叠形成的3～8周期多量子阱结构。
步骤4，在所述复合发光区13的上表面上形成p型半导体层17，完成外延片制备；
在本发明一实施例中，所述p型半导体层17的p型掺杂剂为二茂镁。
步骤5，在上述外延片的一侧向下刻蚀至n型半导体层12形成台面，其中，所述台面的深度小于所述n型半导体层12的厚度，所述台面的形状可以为矩形、扇形或者叉指形。
步骤6，通过光刻、ICP刻蚀工艺在所述p型半导体层17内形成GaN基LED纳米柱或纳米孔阵列；
其中，刻蚀深度距离黄光有源区10～50nm，纳米孔径或纳米柱间隙为50～1000nm。
步骤7，通过蒸镀薄层金属并退火，在刻蚀间隙形成金属纳米颗粒18；
其中，所蒸金属为金、银、铝或其合金，形成的金属纳米颗粒18在黄光区存在强烈共振吸收，可以通过控制金属层厚度来调节粒径大小从而调节其吸收峰位置。
步骤8，为了避免器件漏电保证电学性能，本发明还需在纳米柱间隙或纳米孔阵列内壁旋涂绝缘介质，比如SOG或PMMA，形成绝缘填充层19以对金属颗粒和孔柱侧壁钝化，并利用干法刻蚀或化学抛光反刻蚀所述绝缘填充层19，直至完全露出纳米柱或纳米孔阵列的顶端，形成具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层；
步骤9，在所述具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层17的上表面形成透明导电层20；
在本发明一实施例中，所述透明导电层20为ITO层，也可以用石墨烯或ZnO薄膜代替，形成基片。
步骤10，在所述透明导电层20和n型半导体层12的一侧台面上分别形成p电极21和n电极22。
其中，所述p电极21和n电极22所用金属体系为CrPtAu或CrAlTiAu。
至此完成可见光通信用表面等离激元增强白光LED的制作。
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 (10)
1.一种可见光通信用单芯片白光LED，其特征在于，所述LED包括：
衬底；
缓冲层，形成于所述衬底的上表面；
n型半导体层，形成于所述缓冲层的上表面，所述n型半导体层的一侧向下形成有台面，所述台面的深度小于所述n型半导体层的厚度；
复合发光区，形成于所述n型半导体层除台面外的上表面；
p型半导体层，形成于所述复合发光区的上表面；
透明导电层，形成于所述p型半导体层的上表面；
p电极和n电极，分别形成于所述透明导电层和n型半导体层的一侧台面上。
2.根据权利要求1所述的LED，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅或玻璃。
3.根据权利要求1所述的LED，其特征在于，所述缓冲层包括GaN形核层和形成于所述GaN形核层上表面的非故意掺杂GaN层。
4.根据权利要求1所述的LED，其特征在于，所述复合发光区包括蓝光、黄光双波段有源区，两有源区之间以遂道结串联。
5.根据权利要求1所述的LED，其特征在于，所述p型半导体层为具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层。
6.一种可见光通信用单芯片白光LED的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，在衬底上形成缓冲层；
步骤2，在所述缓冲层上形成n型半导体层；
步骤3，在所述n型半导体层上表面上形成复合发光区；
步骤4，在所述复合发光区的上表面上形成p型半导体层，完成外延片制备；
步骤5，在所述外延片的一侧向下刻蚀至n型半导体层形成台面，其中，所述台面的深度小于所述n型半导体层的厚度；
步骤6，通过光刻、ICP刻蚀工艺在所述p型半导体层内形成GaN基LED纳米柱或纳米孔阵列；
步骤7，在纳米柱或纳米孔的刻蚀间隙填充金属纳米颗粒；
步骤8，对纳米柱间隙或纳米孔阵列内壁旋涂绝缘介质形成绝缘填充层，并反刻蚀所述绝缘填充层，直至完全露出纳米柱或纳米孔阵列的顶端，形成具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层；
步骤9，在所述具有嵌入式表面等离激元结构的p型半导体层的上表面形成透明导电层；
步骤10，在所述透明导电层和n型半导体层的一侧台面上分别形成p电极和n电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：先在衬底上低温生长GaN形核层，再高温生长非故意掺杂GaN层的步骤。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括在所述n型半导体层的上表面上依次形成蓝光发光区、串联遂道结和黄光发光区的步骤。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤7中，填充金属颗粒通过蒸镀薄层金属并退火或涂覆化学法制备的金属颗粒溶液经干燥实现，金属颗粒为金、银、铝或其合金，且在黄光区存在强烈共振吸收。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤8中，所述绝缘介质为SOG或PMMA。
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