CN108615797B - 具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,其特征在于:在LED有源层上设置一层AlN电子阻挡层,在AlN电子阻挡层上覆盖一层p型AlGaN层,在所述p型AlGaN层上刻蚀出AlGaN圆台纳米三角阵列,在AlGaN圆台顶部或间隙内填充有金属纳米阵列。并公开了其制备方法。本发明的纳米圆台阵列相对纳米圆柱阵列而言,由于此时纳米结构的侧面不再垂直于底面,更有利于光的出射,设置于纳米圆台阵列顶部或者间隙的金属薄膜,能通过表面等离激元(SPP)的方式更进一步增强光的出射。相较于传统的常规结构和单一的垂直纳米结构,本发明能更好的增强紫外LED的发光效率,同时将几种不同的工艺结合起来,控制圆台斜面倾角,简化制备过程。
Description
技术领域
本发明专利涉及微电子与光电子技术领域,具体涉及一种具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件及其制备方法。
背景技术
III-V族化合物半导体材料在发光领域有广泛的应用,通过改变组分,其发光波长可以覆盖从紫外到红外波段的各种波长区段。其中GaN的应用十分普遍,是半导体照明产业应用极其广泛的材料之一。目前高亮度蓝绿光LED已经商业化,在景观照明、大屏幕背光源、光通讯等领域都显示了强大的潜力。随着LED芯片需求持续增长,器件工艺和材料的各项进展在产业界开始逐渐成熟运用。
同时伴随着可见光领域的研究日趋成熟,研究人员把研究重点逐渐向短波长的紫外光转移。紫外LED具有光子能量高、波长短等特点,在高显色指数白光照明、高密度光学数据存贮、平版印刷、空气净化环保等领域具有广泛的应用。虽然调节AlGaN有源区发光层的Al组分,可以获得不同发光波长的深紫外LED,但是其发光效率依然很低,其原因一方面是高Al组分AlGaN材料在外延生长以及器件制作的过程中,容易出现薄膜缺陷密度高、极性混杂、难以制备欧姆接触等诸多问题,而且AlGaN材料带隙较宽,存在p型掺杂和激活效率都比较低,量子效率和功率都普遍偏低,成为其走向产业化的瓶颈;另一方面是传统的GaN材料在紫外波段的消光系数很强,有源层产生的紫外光出射效率较低。除此之外,在LED中普遍存在一种较为效率陡降问题,当LED工在小电流下时,效率随着电流的增加很快就会变得饱和,进一步增大注入电流,其发光效率会急剧下降。
在当前研究增强LED发光效率的方法中,利用表面等离激元耦合和纳米柱结构可以很好的增强LED器件的发光效率。表面等离极化激元可以通过光场调控从而提高LED的出光效率,降低光在界面发生的全反射导致的光损失。自从Okamoto观察到金属覆盖的InGaN量子阱(QW)有一个较大的光致发光增强以来,对于表面等离激元(SP)增强的发光二极管(LED)的研究已取得了很大的进步。
半导体纳米柱同常规平面薄膜材料不同,具有独特的光电性质,这使其在超小型的光电子器件制备方面有巨大的潜力。在紫外LED器件中,TM偏振光占据主导地位,这导致了大部分的光出射处于平面结构LED的逸出角度范围之外,因此平面紫外LED器件很难将光线从有源层抽取出来。半导体纳米柱结构具有相异于常规平面结构的独特光电性质,可以有效改善由于缺乏合适的外延衬底而导致的高缺陷密度,同时还可以用来改善器件的光抽取效率。
自从20世纪80年代以来许多纳米光刻技术陆续出现,其中最先进的电子束光刻技术已被广泛应用,在计算机软件控制下,具有高分辨率、高可靠性、高精度且图案高度灵活等优势。目前,EBL的分辨率达到已经可以达到10nm以下,这足以满足大多数对尺寸精度的要求。
发明内容
针对上述问题,本发明提供了一种具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,在LED有源层上设置一层AlN电子阻挡层,在AlN电子阻挡层上覆盖一层p型AlGaN层,在所述p型AlGaN层上刻蚀出AlGaN圆台纳米三角阵列,在AlGaN圆台顶部或间隙内填充有金属纳米阵列。
优选的,其结构包括:
一蓝宝石衬底;
一生长在蓝宝石衬底上的AlN外延层;
一生长在AlN外延层上的n型AlGaN层;
一生长在n型AlGaN层上的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层;
一生长在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层上的AlN电子阻挡层;
一生长在AlN电子阻挡层上的p型AlGaN层;
一在p型AlGaN层上刻蚀出的p型AlGaN圆台纳米三角阵列;
一生长在p型AlGaN圆台纳米阵列顶部或者间隙内的金属纳米阵列;
一导电膜层,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列间隙时,导电膜层生长在p型AlGaN圆台纳米阵列顶部,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列顶部时,导电膜层生长在金属纳米阵列顶部;
一p型电极Ni或Ti,制作在导电膜上;
一n型电极Ni或Ti,制作在n型AlGaN上。
优选的,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列间隙时,还包括SiO2阵列,所述SiO2阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列间隙内,金属纳米阵列之下。
优选的,所述AlN外延层的厚度在1μm-2μm之间,所述n型AlGaN层的厚度在2μm-2.5μm之间,AlN电子阻挡层的厚度在2nm-8nm之间,导电膜层为镓酸锌导电膜层,厚度在500nm-800nm之间,发光波长在250nm-300nm之间。
优选的,所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层周期排布,其中x在0.5-0.8之间,y在0.3-0.6之间,量子阱周期数为5-9。
优选的,所述的圆台纳米阵列的圆台具有上窄下宽的结构,周期在500nm-600nm之间,单个纳米圆台的高度在400nm-600nm之间,上表面直径在200nm-300nm之间,下表面直径在450nm-550nm之间,p型AlGaN层的Al组分在0.5-0.8之间。
优选的,所述金属纳米阵列的金属为Al、Pd或者Al-Pd合金,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列顶部时,圆台顶部的金属呈圆柱状,其直径与纳米圆台上表面直径相同,厚度在20nm-50nm之间,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列间隙时,金属厚度在20nm-50nm之间。
本发明还公开了上述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,其步骤包括:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长AlN外延层;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝源,以SiH4作为n型掺杂,生长n型AlGaN层;
(3)在n型AlGaN层上生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,周期数为5-9;
(4)在多量子阱层上生长AlN电子阻挡层;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN电子阻挡层上生长p型AlGaN层;
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜,具体如下:
a)使用作图软件设计出所需的曝光图形,即周期半径一定的三角阵列;
b)在p型AlGaN层上旋涂一层copolymer光刻胶;
c)再旋涂一层PMMA光刻胶;
d)在电子束光刻系统中设置曝光图形参数及曝光剂量;
e)将样品送入真空腔室曝光;
f)样品曝光完成后取出显影;
g)用磁控溅射在样品表面溅射一层金属薄膜;
h)用PVD在金属薄膜表面蒸镀一层SiO2,在接下来的ICP刻蚀中用作掩膜;
i)丙酮超声浸泡,将电子束光刻胶上的金属薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡,用去离子水冲洗,N2吹干,获得图形化金属薄膜;
(7)利用ICP刻蚀AlGaN层,通过控制三种气体比例,得到圆台纳米阵列,其中圆台侧面倾角的控制遵循下述规则:倾角在80°-60°之间时,随着倾角变小,Cl2在总气体流量中的比例从80%逐渐变小到60%,倾角小于60°时,Cl2流量比例在50%-60%之间调控,BCl3和Ar的比例在1.5:1到2:1之间;
(8)利用MOCVD法制备导电膜层;
(9)在导电膜层上制作p-电极,在n型AlGaN上制作n-电极,材料为Ni/Au。
本发明还公开了上述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,其步骤包括:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长AlN外延层;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝源,以SiH4作为n型掺杂,生长n型AlGaN层;
(3)在n型AlGaN层上生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,周期数为5-9;
(4)在多量子阱层上生长AlN电子阻挡层;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN电子阻挡层上生长p型AlGaN层;
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜,具体如下:
a)使用作图软件设计出所需的曝光图形,即周期半径一定的三角阵列;
b)在p型AlGaN层上旋涂一层copolymer光刻胶;
c)再旋涂一层PMMA光刻胶;
d)在电子束光刻系统中设置曝光图形参数及曝光剂量;
e)将样品送入真空腔室曝光;
f)样品曝光完成后取出显影;
g)用PVD在样品表面蒸镀一层SiO2;
h)以SiO2做为掩膜,利用ICP刻蚀,刻蚀AlGaN层,得到圆柱纳米阵列;
i)用磁控溅射在样品表面溅射一层金属薄膜;
j)丙酮超声浸泡,将电子束光刻胶上的金属薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡,用去离子水冲洗,N2吹干,获得圆柱纳米阵列间隙内的金属纳米阵列;
(7)利用ICP刻蚀AlGaN层,通过控制三种气体比例,得到圆台纳米阵列;
(8)利用MOCVD法制备导电膜层;
(9)在导电膜层上制作p-电极,在n型AlGaN上制作n-电极,材料为Ni/Au。
本发明还公开了上述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,其步骤包括:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长AlN外延层;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝源,以SiH4作为n型掺杂,生长n型AlGaN层;
(3)在n型AlGaN层上生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,周期数为5-9;
(4)在多量子阱层上生长AlN电子阻挡层;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN电子阻挡层上生长p型AlGaN层;
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜,具体如下:
a)使用作图软件设计出所需的曝光图形,即周期半径一定的三角阵列;
b)在p型AlGaN层上旋涂一层copolymer光刻胶;
c)再旋涂一层PMMA光刻胶;
d)在电子束光刻系统中设置曝光图形参数及曝光剂量;
e)将样品送入真空腔室曝光;
f)样品曝光完成后取出显影;
g)用PVD在样品表面蒸镀一层SiO2;
h)以SiO2做为掩膜,利用ICP刻蚀,刻蚀AlGaN层,控制时间直到刻蚀至多量子阱层,得到圆柱纳米阵列;
i)用PVD在样品表面蒸镀一层SiO2;
j)用磁控溅射在样品表面溅射一层金属薄膜;
k)丙酮超声浸泡,将电子束光刻胶上的金属薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡,用去离子水冲洗,N2吹干,获得圆柱纳米阵列间隙内的SiO2阵列以及SiO2阵列上的金属纳米阵列;
(7)利用ICP刻蚀AlGaN层,通过控制三种气体比例,得到圆台纳米阵列;
(8)利用MOCVD法制备导电膜层;
(9)在导电膜层上制作p-电极,在n型AlGaN上制作n-电极,材料为Ni/Au。
有益效果:
传统紫外LED的出光以TM偏振为主,光更多的从侧面逸出,圆台纳米阵列结能够有效调控出射光长的分布,将TM偏振光更多的集中于顶部,光的增强作用明显。且斜面结构在尺度上与波长接近,可以在圆台内部或间隙对一定范围内的光形成驻波,有共振增强作用。设置于纳米圆台阵列顶部或者间隙的金属薄膜,能通过金属与有源区的出射光进行耦合,这种表面等离激元效应产生的波与自发辐辐射波共振,更进一步增强光的出射。在制备此紫外LED器件时,同时将几种不同的工艺结合起来,通过控制ICP气体流量参数可以得到不同斜面倾角的圆台,简化了制备过程。
附图说明
图1为实施例1中步骤(7)得到的紫外LED器件结构SEM俯视图。
图2为实施例1中紫外LED的截面示意图。
图中1-蓝宝石衬底2-AlN缓冲层3-n型AlGaN层4-多量子阱5-AlN电子阻挡层6-p型AlGaN层7-p型AlGaN圆台纳米阵列8-Al纳米阵列9-导电膜10-p电极11-n电极
图3为实施例2中紫外LED的截面示意图。
图中1-蓝宝石衬底2-AlN缓冲层3-n型AlGaN层4-多量子阱5-AlN电子阻挡层6-p型AlGaN层7-p型AlGaN圆台纳米阵列8-Al纳米阵列9-导电膜10-p电极11-n电极
图4为实施例3中紫外LED的截面示意图。
图中1-蓝宝石衬底2-AlN缓冲层3-n型AlGaN层4-多量子阱5-AlN电子阻挡层6-p型AlGaN纳米圆台阵列7-p型AlGaN 8-金属纳米阵列9-导电膜10-p电极11-n电极12-SiO2
图5为纳米圆台阵列下表面横切面示意图。
图6分别为常规紫外LED和三种实例下LED的PL谱。
图7分别为常规紫外LED和三种实例下LED的I-V特性曲线。
图8为常规紫外LED的TM模、TE模和总电场远场图。
图9为实例1紫外LED的TM模、TE模和总电场远场图。
图10为实例2紫外LED的TM模、TE模和总电场远场图。
图11为实例3紫外LED的TM模、TE模和总电场远场图。
图12为实例1紫外LED的侧面电场分布图。
图13为实例2紫外LED的侧面电场分布图。
图14为实例3紫外LED的侧面电场分布图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
具体实施方式
实施例1
本具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,具体包括下面步骤:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长厚度为1μm的AlN外延层,保持温度在1000℃,三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别为Al和N的前驱体,氢气(H2)为载气;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝(TMAl)源,以SiH4作为n型掺杂,控制三甲基镓(TMGa)的流量为30sccm,三甲基铝(TMAl)的流量为200sccm,生长厚度为2.5μm的n型AlGaN层,Al组分为0.5;
(3)保持温度在1200℃,生长周期排布的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,其中x=0.6,y=0.5,量子阱周期数为5;
(4)保持温度在1200℃,生长AlN电子阻挡层,三甲基铝(TMAl)的流量为30sccm,生长厚度为2nm;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN阻挡层样品上生长p型AlGaN层,控制生长温度为1200℃,三甲基镓(TMGa)的流量为30sccm,三甲基铝(TMAl)的流量为200sccm,控制其厚度为500nm,Al组分为0.5。
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜。具体步骤如下:
a)使用作图软件L-EDIT设计出对应的曝光图形,在本专利中即三角阵列,周期500nm,直径450nm。
b)旋涂一层copolymer光刻胶(包含8%的甲基丙烯酸甲酯和92%的甲基丙烯酸),甩胶转速2000r/min,厚度200nm,并前烘固胶,温度150℃,时间15min。
c)再旋涂一层PMMA光刻胶,甩胶转速2000r/min,胶厚100nm,并前烘固胶,温度180℃,时间10min。
d)在电子束光刻系统中曝光图形参数设置及曝光剂量等条件设置,束流大小200pA,图形分辨率设置为5nm,曝光剂量500uc/cm2。
e)将样品送入真空腔室曝光。
f)样品曝光完成后取出显影,显影条件:显影液MIBK:IPA=4:1,时间90s,定影:IPA,30s。
g)用磁控溅射溅射30nm的金属Al薄膜。
h)用PVD蒸镀一层SiO2,在接下来的ICP刻蚀中用作掩膜。
i)丙酮超声浸泡1分钟,将电子束光刻胶上的金属Al薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡30s,用去离子水冲洗30s,N2吹干,获得图形化金属Al薄膜。
(7)利用ICP刻蚀AlGaN层,通入Cl2、BCl3和Ar的混合气体进行刻蚀,ICP刻蚀功率为1000W,RF射频功率控制为60W,Cl2气体流量为20sccm,BCl3气体流量为8sccm,Ar气体流量为5sccm,腔室压力为900mPa,温度保持在20℃,合理控制时间,保证刻蚀出的圆台高度为400nm,圆台上表面直径为200nm。
(8)利用MOCVD制备镓酸锌(ZnGa2O4)导电膜层,厚度为500nm,发光波长为250nm。
(9)制作p-电极和n-电极,材料为Ni/Au。
附图6、图9、图12表明相较于常规紫外LED,新型结构对紫外LED出光效率的增强作用明显。
实施例2
本具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,具体包括下面步骤:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长厚度为1.5μm的AlN外延层,保持温度在1000℃,三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别为Al和N的前驱体,氢气(H2)为载气;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝(TMAl)源,以SiH4作为n型掺杂,控制三甲基镓(TMGa)的流量为30sccm,三甲基铝(TMAl)的流量为220sccm,生长厚度为2.2μm的n型AlGaN层,Al组分为0.6;
(3)保持温度在1200℃,生长周期排布的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,其中x=0.5,y=0.3,量子阱周期数为7;
(4)保持温度在1200℃,生长AlN电子阻挡层,三甲基铝(TMAl)的流量为30sccm,生长厚度为8nm;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN阻挡层样品上生长p型AlGaN层,控制生长温度为1200℃,三甲基镓(TMGa)的流量为30sccm,三甲基铝(TMAl)的流量为220sccm,控制其厚度为500nm,Al组分为0.6。
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜。具体步骤如下:
a)使用作图软件L-EDIT设计出对应的曝光图形,在本专利中即三角阵列,周期550nm,直径500nm。
b)旋涂一层copolymer光刻胶(包含8%的甲基丙烯酸甲酯和92%的甲基丙烯酸),甩胶转速2000r/min,厚度200nm,并前烘固胶,温度150℃,时间15min。
c)再旋涂一层PMMA光刻胶,甩胶转速2000r/min,胶厚100nm,并前烘固胶,温度180℃,时间10min。
d)在电子束光刻系统中曝光图形参数设置及曝光剂量等条件设置,束流大小200pA,图形分辨率设置为5nm,曝光剂量500uc/cm2。
e)将样品送入真空腔室曝光。
f)样品曝光完成后取出显影,显影条件:显影液MIBK:IPA=4:1,时间90s,定影:IPA,30s。
g)使用PVD蒸镀一层SiO2。
h)利用ICP刻蚀,以SiO2做掩膜,刻蚀AlGaN层,通入Cl2、BCl3和Ar的混合气体进行刻蚀,ICP刻蚀功率为1000W,RF射频功率控制为60W,Cl2气体流量为40sccm,BCl3气体流量为8sccm,Ar气体流量为5sccm,腔室压力为900mPa,温度保持在20℃,得到圆柱纳米阵列。
i)用磁控溅射溅射50nm的Al-Pb合金薄膜。
j)丙酮超声浸泡1分钟,将电子束光刻胶上的金属Al薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡30s,用去离子水冲洗30s,N2吹干,获得纳米圆台阵列间隙的金属Al薄膜。
(7)利用ICP刻蚀,刻蚀AlGaN层,通入Cl2、BCl3和Ar的混合气体进行刻蚀,ICP刻蚀功率为1000W,RF射频功率控制为60W,Cl2气体流量为20sccm,BCl3气体流量为8sccm,Ar气体流量为5sccm,腔室压力为900mPa,温度保持在20℃,合理控制时间,保证刻蚀出的圆台高度为500nm,圆台上表面直径为250nm。
(8)利用MOCVD制备镓酸锌(ZnGa2O4)导电膜层,厚度为600nm,发光波长为280nm。
(9)制作p-电极和n-电极,材料为Ni/Au。
附图6、图10、图13表明相较于常规紫外LED,新型结构对紫外LED出光效率的增强作用明显。
实施例3
本具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,具体包括下面步骤:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长厚度为2μm的AlN外延层,保持温度在1000℃,三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别为Al和N的前驱体,氢气(H2)为载气;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝(TMAl)源,以SiH4作为n型掺杂,控制三甲基镓(TMGa)的流量为30sccm,三甲基铝(TMAl)的流量为250sccm,生长厚度为2μm的n型AlGaN层,Al组分为0.8;
(3)保持温度在1200℃,生长周期排布的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,其中x=0.8,y=0.6,量子阱周期数为9;
(4)保持温度在1200℃,生长AlN电子阻挡层,三甲基铝(TMAl)的流量为30sccm,生长厚度为5nm;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN阻挡层样品上生长p型AlGaN层,控制生长温度为1200℃,三甲基镓(TMGa)的流量为30sccm,三甲基铝(TMAl)的流量为250sccm,控制其厚度为500nm,Al组分为0.8。
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜。具体步骤如下:
a)使用作图软件L-EDIT设计出对应的曝光图形,在本专利中即三角阵列,周期600nm,直径550nm。
b)旋涂一层copolymer光刻胶(包含8%的甲基丙烯酸甲酯和92%的甲基丙烯酸),甩胶转速2000r/min,厚度200nm,并前烘固胶,温度150℃,时间15min。
c)再旋涂一层PMMA光刻胶,甩胶转速2000r/min,胶厚100nm,并前烘固胶,温度180℃,时间10min。
d)在电子束光刻系统中曝光图形参数设置及曝光剂量等条件设置,束流大小200pA,图形分辨率设置为5nm,曝光剂量500uc/cm2。
e)将样品送入真空腔室曝光。
f)样品曝光完成后取出显影,显影条件:显影液MIBK:IPA=4:1,时间90s,定影:IPA,30s。
g)使用PVD蒸镀一层SiO2。
h)利用ICP刻蚀,以SiO2做掩膜,刻蚀AlGaN层,通入Cl2和BCl3的混合气体进行刻蚀,ICP刻蚀功率为1000W,RF射频功率控制为60W,Cl2气体流量为20sccm,BCl3气体流量为8sccm,Ar气体流量为5sccm,腔室压力为900mPa,温度保持在20℃,温度保持在20℃,控制时间直到刻蚀至多量子阱层,得到圆柱纳米阵列。
i)使用PVD蒸镀一层SiO2,厚度20nm。
j)用磁控溅射溅射20nm的金属Pb薄膜。
k)丙酮超声浸泡1分钟,将电子束光刻胶上的金属Al薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡30s,用去离子水冲洗30s,N2吹干,获得纳米圆台阵列间隙的金属Al薄膜。
(7)利用ICP刻蚀,刻蚀AlGaN层,通入Cl2、BCl3和Ar的混合气体进行刻蚀,ICP刻蚀功率为1000W,RF射频功率控制为60W,Cl2气体流量为20sccm,BCl3气体流量为8sccm,Ar气体流量为5sccm,腔室压力为900mPa,温度保持在20℃,合理控制时间,保证刻蚀出的圆台高度为600nm,圆台上表面直径为300nm。
(8)利用MOCVD制备镓酸锌(ZnGa2O4)导电膜层,厚度为800nm,发光波长为300nm。
(9)制作p-电极和n-电极,材料为Ni/Au。
附图6、图10、图13表明相较于常规紫外LED,新型结构对紫外LED出光效率的增强作用明显。
本发明的保护内容不局限于以上实施例,在不背离发明构思的精神和范围下,本领域的技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中,并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (10)
1.一种具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,其特征在于:在LED有源层上设置一层AlN电子阻挡层,在AlN电子阻挡层上覆盖一层p型AlGaN层,在所述p型AlGaN层上刻蚀出AlGaN圆台纳米三角阵列,所述的圆台纳米阵列的圆台具有上窄下宽的结构,在AlGaN圆台顶部或间隙内填充有金属纳米阵列。
2.根据权利要求1所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,其结构包括:
一蓝宝石衬底;
一生长在蓝宝石衬底上的AlN外延层;
一生长在AlN外延层上的n型AlGaN层;
一生长在n型AlGaN层上的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层;
一生长在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层上的AlN电子阻挡层;
一生长在AlN电子阻挡层上的p型AlGaN层;
一在p型AlGaN层上刻蚀出的p型AlGaN圆台纳米三角阵列;
一生长在p型AlGaN圆台纳米阵列顶部或者间隙内的金属纳米阵列;
一导电膜层,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列间隙时,导电膜层生长在p型AlGaN圆台纳米阵列顶部,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列顶部时,导电膜层生长在金属纳米阵列顶部;
一p型电极Ni或Ti,制作在导电膜上;
一n型电极Ni或Ti,制作在n型AlGaN上。
3.根据权利要求2所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,其特征在于:当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列间隙时,还包括SiO2阵列,所述SiO2阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列间隙内,金属纳米阵列之下。
4.根据权利要求2或3所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,其特征在于:所述AlN外延层的厚度在1μm-2μm之间,所述n型AlGaN层的厚度在2μm-2.5μm之间,AlN电子阻挡层的厚度在2nm-8nm之间,导电膜层为镓酸锌导电膜层,厚度在500nm-800nm之间,发光波长在250nm-300nm之间。
5.根据权利要求4所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,其特征在于:所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层周期排布,其中x在0.5-0.8之间,y在0.3-0.6之间,量子阱周期数为5-9。
6.根据权利要求5所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,其特征在于:所述的圆台纳米阵列的圆台具有上窄下宽的结构,周期在400nm-600nm之间,单个纳米圆台的高度在400nm-600nm之间,上表面直径在200nm-300nm之间,下表面直径在450nm-550nm之间,p型AlGaN层的Al组分在0.5-0.8之间。
7.根据权利要求6所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件,其特征在于:所述金属纳米阵列的金属为Al、Al的合金、Pd或者Pd的合金,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列顶部时,圆台顶部的金属呈圆柱状,其直径与纳米圆台上表面直径相同,厚度在20nm-50nm之间,当金属纳米阵列位于p型AlGaN圆台纳米阵列间隙时,金属厚度在20nm-50nm之间。
8.权利要求2-7中任一项所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,其步骤包括:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长AlN外延层;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝源,以SiH4作为n型掺杂,生长n型AlGaN层;
(3)在n型AlGaN层上生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,周期数为5-9;
(4)在多量子阱层上生长AlN电子阻挡层;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN电子阻挡层上生长p型AlGaN层;
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜,具体如下:
a)使用作图软件设计出所需的曝光图形,即周期半径一定的三角阵列;
b)在p型AlGaN层上旋涂一层copolymer光刻胶;
c)再旋涂一层PMMA光刻胶;
d)在电子束光刻系统中设置曝光图形参数及曝光剂量;
e)将样品送入真空腔室曝光;
f)样品曝光完成后取出显影;
g)用磁控溅射在样品表面溅射一层金属薄膜;
h)用PVD在金属薄膜表面蒸镀一层SiO2,在接下来的ICP刻蚀中用作掩膜;
i)丙酮超声浸泡,将电子束光刻胶上的金属薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡,用去离子水冲洗,N2吹干,获得图形化金属薄膜;
(7)利用ICP刻蚀AlGaN层,通过控制三种气体比例,得到圆台纳米阵列;
(8)利用MOCVD法制备导电膜层;
(9)在导电膜层上制作p-电极,在n型AlGaN上制作n-电极,材料为Ni/Au。
9.权利要求2-7中任一项所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,其步骤包括:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长AlN外延层;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝源,以SiH4作为n型掺杂,生长n型AlGaN层;
(3)在n型AlGaN层上生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,周期数为5-9;
(4)在多量子阱层上生长AlN电子阻挡层;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN电子阻挡层上生长p型AlGaN层;
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜,具体如下:
a)使用作图软件设计出所需的曝光图形,即周期半径一定的三角阵列;
b)在p型AlGaN层上旋涂一层copolymer光刻胶;
c)再旋涂一层PMMA光刻胶;
d)在电子束光刻系统中设置曝光图形参数及曝光剂量;
e)将样品送入真空腔室曝光;
f)样品曝光完成后取出显影;
g)用PVD在样品表面蒸镀一层SiO2;
h)以SiO2做为掩膜,利用ICP刻蚀,刻蚀AlGaN层,得到圆柱纳米阵列;
i)用磁控溅射在样品表面溅射一层金属薄膜;
j)丙酮超声浸泡,将电子束光刻胶上的金属薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡,用去离子水冲洗,N2吹干,获得圆柱纳米阵列间隙内的金属纳米阵列;
(7)利用ICP刻蚀AlGaN层,通过控制三种气体比例,得到圆台纳米阵列;
(8)利用MOCVD法制备导电膜层;
(9)在导电膜层上制作p-电极,在n型AlGaN上制作n-电极,材料为Ni/Au。
10.权利要求3-7中任一项所述的具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件的制备方法,其步骤包括:
(1)用MOCVD在蓝宝石衬底c面上生长AlN外延层;
(2)在AlN外延层上,通入三甲基铝源,以SiH4作为n型掺杂,生长n型AlGaN层;
(3)在n型AlGaN层上生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层,周期数为5-9;
(4)在多量子阱层上生长AlN电子阻挡层;
(5)以Cp2Mg作为p型掺杂,用MOCVD在AlN电子阻挡层上生长p型AlGaN层;
(6)利用电子束光刻制备图形化电子束光刻胶,接着采用金属剥离技术,获得图形化金属薄膜,具体如下:
a)使用作图软件设计出所需的曝光图形,即周期半径一定的三角阵列;
b)在p型AlGaN层上旋涂一层copolymer光刻胶;
c)再旋涂一层PMMA光刻胶;
d)在电子束光刻系统中设置曝光图形参数及曝光剂量;
e)将样品送入真空腔室曝光;
f)样品曝光完成后取出显影;
g)用PVD在样品表面蒸镀一层SiO2;
h)以SiO2做为掩膜,利用ICP刻蚀,刻蚀AlGaN层,控制时间直到刻蚀至多量子阱层,得到圆柱纳米阵列;
i)用PVD在样品表面蒸镀一层SiO2;
j)用磁控溅射在样品表面溅射一层金属薄膜;
k)丙酮超声浸泡,将电子束光刻胶上的金属薄膜剥离掉,接着在酒精溶剂中超声浸泡,用去离子水冲洗,N2吹干,获得圆柱纳米阵列间隙内的SiO2阵列以及SiO2阵列上的金属纳米阵列;
(7)利用ICP刻蚀AlGaN层,通过控制三种气体比例,得到圆台纳米阵列;
(8)利用MOCVD法制备导电膜层;
(9)在导电膜层上制作p-电极,在n型AlGaN上制作n-电极,材料为Ni/Au。
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