CN108767073A - 一种表面等离激元增强半导体有源器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种表面等离激元增强半导体有源器件及其制造方法，该有源器件包括基体和形成于基体上的多层半导体结构；多层半导体结构包括依次形成于基体上的第一半导体层、有源层、第二半导体层和表面等离激元耦合层，以及分别与第一半导体层和第二半导体层直接或间接电连接的第一电极和第二电极。该方法包括步骤：制作外延结构；在第二半导体层的多量子阱层表面制作表面等离激元层；在表面等离激元层上制作第二电极；暴露出全部或部分第一半导体层，作为制作第一电极的接触层；暴露的第一半导体层的电接触层位置上制作第一电极；在第一半导体层表面非电极区域制作波长配比选择膜层。本发明实现了宽光谱或多光谱辐射，以及无荧光粉单芯片白光辐射。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种表面等离激元增强半导体有源器件及其制造方法。
背景技术
半导体光辐射器件技术近些年得到了快速发展，对科技、工业及日常生活起到了重大的影响。其中，以三五族化合物半导体材料体系的半导体光辐射器件最为突出，典型代表材料为AlN、GaN、InN及组合的三元或四元化合物，理论禁带宽度范围从6.2eV至0.7eV，光辐射波长可覆盖深紫外至红外波段。目前，InGaN/GaN系列的蓝绿光LED，掀起了一场照明技术的革命。AlGaN材料为主体的紫光及紫外LED，在紫外光固化、紫外杀菌及医学等领域发挥巨大作用。蓝绿光及紫外LD在科技及工业上也显示出了巨大应用前景。
半导体光辐射器件的一个重要指标是内量子效率，由于材料及工艺等因素影响，对于部分波段如蓝光波段，目前已获得较高的内量子效率，但对于大部分波段，内量子效率仍处在较低的水平，如深紫外波段、黄绿光波段，以及尚未能采用InGaN材料有效实现的红光及红外波段。
表面等离激元增强技术，利用表面等离激元与有源区内电子空穴对的有效耦合增强，有望提高半导体光辐射器件的内量子效率。影响表面等离激元效果的主要因素除对于不同的辐射波长，存在相互匹配的耦合材料外，等离激元耦合材料表面形貌及与有源层的距离都是关键因素。研究人员采用了多种方法，减小表面等离激元材料与有源层的距离，期望提高内量子效率。例如，通过P型半导体刻蚀的方式，表面等离激元材料靠有源区，提高内量子效率，J.Zhu et al.Optics Communications 385(2017)238-245。此类方法普遍存在的问题，一是，只能使得部分表面等离激元材料靠近部分有源区，限制了耦合比例。二是，采用蚀刻等方法，存在严重的漏电等电性问题及可靠性隐患，很难做成电驱动器件。
发明内容
本发明为解决采用表面等离激元技术提高半导体有源器件的内量子效率，尤其对于目前发光效率较低的黄绿光波段，深紫外波段以及可能用于尚未能采用InGaN材料有效实现的红光及红外波段，提供了一种表面等离激元增强半导体有源器件及其制造方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种表面等离激元增强半导体有源器件，包括基体和形成于基体上的多层半导体结构；其中，多层半导体结构包括依次形成于基体上的第一半导体层、有源层、第二半导体层和表面等离激元耦合层，以及分别与第一半导体层和第二半导体层直接或间接电连接的第一电极和第二电极。
本发明进一步的改进在于，第一半导体层为N型半导体，第二半导体层为P型半导体。
本发明进一步的改进在于，有源层包含有多量子阱结构，有源区的多量子阱结构能带宽度大于或等于第二半导体层中的多量子阱结构能带宽度。
本发明进一步的改进在于，第二半导体包含结合在一起的第二半导体层主体部分和多量子阱层，且第二半导体层主体部分与有源层结合，多量子阱层与表面等离激元耦合层结合。
本发明进一步的改进在于，多量子阱层的导电类型与第二半导体层主体部分的导电类型相同或不同；多量子阱层靠近第二半导体层表面位置，距离表面0nm～100nm，或以多量子阱层作为第二半导体层表面。
本发明进一步的改进在于，多量子阱层的结构为多量子阱结构或量子点结构
本发明进一步的改进在于，表面等离激元耦合层为金属材料Ag、Al或Au制作的膜层或微纳米颗粒；膜层的厚度范围5nm～300nm，微纳米颗粒直径范围5nm～100nm。
本发明进一步的改进在于，该半导体有源器件出光区域具有波长配比选择膜层；波长配比选择膜层为高低折射率透明介质交替组成的多层膜，低折射率介质为SiO2或MgF2，高折射率介质为TiO2或Ti2O5，用于对输出的光谱中不同波长的强度进行调控。
一种表面等离激元增强半导体有源器件的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1，制作外延结构
外延衬底为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD或MBE外延技术，在所述衬底上外延生长所需外延结构；第一半导体层厚度为2um～10um、有源层为多量子阱结构，多量子阱周期数目为5～20个，第二半导体层主体部分厚度为50nm～500nm，多量子阱层量子阱周期数目为1～20个；
步骤S2，在第二半导体层的多量子阱层表面制作表面等离激元层
通过纳米压印方法、光刻方法或旋涂方法，在多量子阱层表面制作金属膜层或微纳米颗粒；膜层的厚度范围5nm～300nm，微纳米颗粒直径范围5nm～100nm；或者通过干法蚀刻方法，在多量子阱层表面刻蚀预设的形貌，以缩短表面等离激元材料与多量子阱层中各层量子阱之间的耦合距离；
步骤S3，在表面等离激元层上制作第二电极
第二电极包含反光镜和键合衬底，反光镜为对辐射波长具有较高反射率的材料制成，键合衬底为导热和导电性能良好的金属衬底或Si衬底；
步骤S4，暴露出全部或部分第一半导体层，作为制作第一电极的接触层；
步骤S5，在暴露的第一半导体层的电接触层位置上制作第一电极
采用电子束蒸镀或热蒸发方法，制作第一电极，第一电极结构选择Al/Au或者Ti/Au，其中Al的厚度为10nm～2um，Ti的厚度为2nm～100nm，Au的厚度为0.5um～2.5um，第一电极整体厚度为1～3um；
步骤S6，在第一半导体层表面非电极区域制作波长配比选择膜层，采用高低折射率材料交替沉积方法，制作波长配比选择膜层，各层的厚度与材料的折射率和输出波长相关，层数为1～30层，总体厚度为50nm～1um。
本发明具有如下有益的技术效果：
1、黄绿光波段以及深紫外等波段内量子效率较低。本发明采用表面等离激元方法，可以有效提高该波段量子效率。
2、本发明不需要深刻蚀破坏半导体材料，与传统表面等离激元方法比较，可以制作成电驱动器件，且不存在漏电及可靠性隐患。
3、本发明可以提高内量子效率，实现宽光谱或多光谱辐射，以及无荧光粉单芯片白光辐射。
附图说明
图1为本发明的表面等离激元增强半导体有源器件结构示意图；
图中：100-第一半导体层，201-第二半导体层主体部分，202-多量子阱层，300-有源层，400-表面等离激元耦合层，500-第一电极，600-第二电极。
图2为本发明的表面等离激元增强半导体有源器件制造流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明提供的实施例的一种表面等离激元增强半导体有源器件包括第一半导体层100，第二半导体层主体部分201和多量子阱层202，有源层300，表面等离激元层400，以及对于的第一电极500和第二电极600。半导体层及相应等离激元匹配层材料根据实际需求而定，下面以Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料为例进行说明。
实施例一
本发明实施例的表面等离激元半导体有源器件制造方法具体如下：
步骤S1，制作本发明所需的外延结构。外延衬底为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD技术或MBE技术等外延技术，在所述衬底上外延生长本发明所需外延结构。本实施例选择在蓝宝石衬底上MOCVD外延生长GaN材料。第一半导体层100厚度为3um～6um、有源层300为多量子阱结构，多量子阱周期数目为10～15个，辐射波长为450nm～460nm，第二半导体层主体部分201厚度为100nm～200nm，多量子阱层202量子阱周期数目为5～10个，量子阱层内包含量子点结构，对应的辐射波长为550nm～580nm。
步骤S2，在本发明的第二半导体层的多量子阱层202表面制作表面等离激元层。通过纳米压印技术、光刻技术、旋涂等方式，在多量子阱层202表面制作金属膜层或微纳米颗粒。本实施例采用金属Au的微纳米颗粒方式，直径范围30nm～50nm。
步骤S3，在表面等离激元层400上制作第二电极600。第二电极600包含反光镜和键合衬底。本实施例采用金属Ag作为反光镜，厚度为150nm～300nm，键合衬底为铜钨金属衬底，厚度为100um～300um。
步骤S4，暴露出全部或部分第一半导体层，作为制作第一电极500的接触层。本实施例采用248nm波长的准分子激光剥离技术，去除蓝宝石衬底。
步骤S5，在暴露的第一半导体层100的电接触层位置上制作第一电极500。采用热蒸发方法，制作第一电极500。第一电极结构Al/Au、其中Al的厚度为50nm～1um，Au的厚度为0.5um～1.5um。
步骤S6，在第一半导体层100表面非电极区域制作波长配比选择膜层。采用高低折射率材料交替沉积方式，制作波长配比选择膜层。各层的厚度与材料的折射率和输出波长相关，本实施例层数为9层，第一层与第一半导体层100相邻，膜层结构和厚度参数如下表一，可以实现对有源层300的多量子阱辐射波长为450nm～460nm的60％反射和对多量子阱层202辐射波长为550nm～580nm的全透过。
表一：波长配比选择膜层各层材料及厚度
| 膜层 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 材料 | TIO2 | SIO2 | TIO2 | SIO2 | TIO2 | SIO2 | TIO2 |
| 厚度(nm) | 29 | 32 | 57 | 143 | 57 | 32 | 29 |
实施例二
本发明实施例的表面等离激元半导体有源器件制造方法具体如下：
步骤S1，制作本发明所需的外延结构。外延衬底为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD技术或MBE技术等外延技术，在所述衬底上外延生长本发明所需外延结构。本实施例选择在蓝宝石衬底上MOCVD外延生长GaN材料。第一半导体层100厚度为3um～6um、有源层300为多量子阱结构，多量子阱周期数目为10～15个，辐射波长为450nm～460nm，第二半导体层主体部分201厚度为100nm～200nm，多量子阱层202量子阱周期数目为10个，量子阱层内包含量子点结构，其中5个对应的辐射波长为530nm～540nm，其中5个对应的辐射波长为570nm～580nm。
步骤S2，在本发明的第二半导体层的多量子阱层202表面制作表面等离激元层。通过纳米压印技术、光刻技术、旋涂等方式，在多量子阱层202表面制作金属膜层或微纳米颗粒。本实施例采用金属Au的微纳米颗粒方式，直径范围30nm～100nm。
步骤S3，在表面等离激元层400上制作第二电极600。第二电极600包含反光镜和键合衬底。本实施例采用金属Ag作为反光镜，厚度为150nm～300nm，键合衬底为铜钨金属衬底，厚度为100um～300um。
步骤S4，暴露出全部或部分第一半导体层，作为制作第一电极500的接触层。本实施例采用248nm波长的准分子激光剥离技术，去除蓝宝石衬底。
步骤S5，在暴露的第一半导体层100的电接触层位置上制作第一电极500。采用热蒸发方法，制作第一电极500。第一电极结构Al/Au、其中Al的厚度为50nm～1um，Au的厚度为0.5um～1.5um。
步骤S6，在第一半导体层100表面非电极区域制作波长配比选择膜层。采用高低折射率材料交替沉积方式，制作波长配比选择膜层。各层的厚度与材料的折射率和输出波长相关，本实施例层数为9层，第一层与第一半导体层100相邻，膜层结构和厚度参数如下表二，可以实现对有源层300的多量子阱辐射波长为450nm～460nm的80％反射和对多量子阱层202辐射波长530nm～540nm和570nm～580nm的全透过。
表二：波长配比选择膜层各层材料及厚度
| 膜层 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 材料 | TIO2 | SIO2 | TIO2 | SIO2 | TIO2 | SIO2 | TIO2 |
| 厚度(nm) | 39 | 22 | 63 | 102 | 63 | 22 | 39 |
实施例三
本发明实施例的表面等离激元半导体有源器件制造方法具体如下：
步骤S1，制作本发明所需的外延结构。外延衬底为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD技术或MBE技术等外延技术，在所述衬底上外延生长本发明所需外延结构。本实施例选择在蓝宝石衬底上MOCVD外延生长AlGaN材料。第一半导体层100厚度为3um～6um、有源层300为多量子阱结构，多量子阱周期数目为5～10个，辐射波长为280nm，第二半导体层主体部分201厚度为100nm～200nm，多量子阱层202量子阱周期数目为2～5个，对应的辐射波长为285nm。
步骤S2，在本发明的第二半导体层的多量子阱层202表面制作表面等离激元层。通过纳米压印技术、光刻技术、旋涂等方式，在多量子阱层202表面制作金属膜层或微纳米颗粒。本实施例采用金属Al的微纳米颗粒方式，直径范围30nm～100nm。
步骤S3，在表面等离激元层400上制作第二电极600。第二电极600包含反光镜和键合衬底。本实施例采用金属Al作为反光镜，厚度为150nm～300nm，键合衬底为铜钨金属衬底，厚度为100um～300um。
步骤S4，暴露出全部或部分第一半导体层，作为制作第一电极500的接触层。本实施例采用192nm波长的准分子激光剥离技术，去除蓝宝石衬底。
步骤S5，在暴露的第一半导体层100的电接触层位置上制作第一电极500。采用热蒸发方法，制作第一电极500。第一电极结构Al/Au、其中Al的厚度为50nm～1um，Au的厚度为0.5um～1.5um。
步骤S6，在第一半导体层100表面非电极区域制作波长配比选择膜层。本实施例中采用高低折射率材料交替沉积方式，形成增透膜层，最大程度增加两个相邻紫外波长的光输出。
表三：波长配比选择膜层各层材料及厚度
| 膜层 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 材料 | TIO2 | SIO2 | TIO2 | SIO2 | TIO2 | SIO2 | TIO2 | SIO2 |
| 厚度(nm) | 21 | 14 | 11 | 59 | 11 | 14 | 31 | 48 |
Claims (9)
1.一种表面等离激元增强半导体有源器件，其特征在于，包括基体和形成于基体上的多层半导体结构；其中，多层半导体结构包括依次形成于基体上的第一半导体层(100)、有源层(300)、第二半导体层和表面等离激元耦合层(400)，以及分别与第一半导体层(100)和第二半导体层直接或间接电连接的第一电极(500)和第二电极(600)。
2.根据权利要求1所述的一种表面等离激元增强半导体有源器件，其特征在于，第一半导体层(100)为N型半导体，第二半导体层为P型半导体。
3.根据权利要求1所述的一种表面等离激元增强半导体有源器件，其特征在于，有源层(300)包含有多量子阱结构，有源区(300)的多量子阱结构能带宽度大于或等于第二半导体层中的多量子阱结构能带宽度。
4.根据权利要求1所述的一种表面等离激元增强半导体有源器件，其特征在于，第二半导体包含结合在一起的第二半导体层主体部分(201)和多量子阱层(202)，且第二半导体层主体部分(201)与有源层(300)结合，多量子阱层(202)与表面等离激元耦合层(400)结合。
5.根据权利要求4所述的一种表面等离激元增强半导体有源器件，其特征在于，多量子阱层(202)的导电类型与第二半导体层主体部分(201)的导电类型相同或不同；多量子阱层(202)靠近第二半导体层表面位置，距离表面0nm～100nm，或以多量子阱层(202)作为第二半导体层表面。
6.根据权利要求4所述的一种表面等离激元增强半导体有源器件，其特征在于，多量子阱层(202)的结构为多量子阱结构或量子点结构。
7.根据权利要求1所述的一种表面等离激元增强半导体有源器件，其特征在于，表面等离激元耦合层(400)为金属材料Ag、Al或Au制作的膜层或微纳米颗粒；膜层的厚度范围5nm～300nm，微纳米颗粒直径范围5nm～100nm。
8.根据权利要求1所述的一种表面等离激元增强半导体有源器件，其特征在于，该半导体有源器件出光区域具有波长配比选择膜层；波长配比选择膜层为高低折射率透明介质交替组成的多层膜，低折射率介质为SiO2或MgF2等，高折射率介质为TiO2或Ti2O5等，用于对输出的光谱中不同波长的强度进行调控。
9.一种表面等离激元增强半导体有源器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，制作外延结构
外延衬底为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD或MBE外延技术，在所述衬底上外延生长所需外延结构；第一半导体层(100)厚度为2um～10um、有源层(300)为多量子阱结构，多量子阱周期数目为5～20个，第二半导体层主体部分(201)厚度为50nm～500nm，多量子阱层(202)量子阱周期数目为1～20个；
步骤S2，在第二半导体层的多量子阱层(202)表面制作表面等离激元层
通过纳米压印方法、光刻方法或旋涂方法，在多量子阱层(202)表面制作金属膜层或微纳米颗粒；膜层的厚度范围5nm～300nm，微纳米颗粒直径范围5nm～100nm；或者通过干法蚀刻方法，在多量子阱层(202)表面刻蚀预设的形貌，以缩短表面等离激元材料与多量子阱层(202)中各层量子阱之间的耦合距离；
步骤S3，在表面等离激元层(400)上制作第二电极(600)
第二电极(600)包含反光镜和键合衬底，反光镜为对辐射波长具有较高反射率的材料制成，键合衬底为导热和导电性能良好的金属衬底或Si衬底；
步骤S4，暴露出全部或部分第一半导体层，作为制作第一电极(500)的接触层；
步骤S5，在暴露的第一半导体层(100)的电接触层位置上制作第一电极(500)
采用电子束蒸镀或热蒸发方法，制作第一电极(500)，第一电极结构选择Al/Au或者Ti/Au，其中Al的厚度为10nm～2um，Ti的厚度为2nm～100nm，Au的厚度为0.5um～2.5um，第一电极(500)整体厚度为1～3um；
步骤S6，在第一半导体层(100)表面非电极区域制作波长配比选择膜层，采用高低折射率材料交替沉积方法，制作波长配比选择膜层，各层的厚度与材料的折射率和输出波长相关，层数为1～30层，总体厚度为50nm～1um。
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