CN110165028A - 基于局域表面等离激元增强的mis结构紫外led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED及其制备方法，在MIS结构的紫外LED中引入银金属纳米颗粒以形成局域表面等离激元；所述MIS结构LED采用石墨烯膜作为导电层以增强电流扩展性，提高器件紫外光出射率；所述金属纳米颗粒设置于石墨烯层之上，利用局域表面等离激元增强效应，使出射光子与金属纳米颗粒之间发生共振耦合，从而提高器件的内量子效率，增强其发光强度。本发明提供的一种基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，结构简单，制备简便，易于生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED及其制备方法。
背景技术
半导体紫外光源在民生和军事领域具有潜在的应用价值，主要可用于照明、杀菌、医疗、生化检测及保密通信等领域，受到了国际上的广泛关注。相比于传统的p-n结构型紫外LED，MIS构型紫外LED的结构更加简单，可避免多量子阱等精细纳米结构的外延，极大地简化了制备工艺。同时，MIS结构紫外LED不依赖于p-n结工作，相当于扩展了材料制备的选择范围，即便是不易掺杂的半导体材料，也能够用于紫外LED的制备。
然而，由于MIS结构紫外LED缺乏量子阱，导致其内量子效率较低，器件的发光强度较弱。局域表面等离激元增强效应可以用来提高器件的内量子效率，当金属纳米结构呈曲面直径小于亚波长的纳米球体、纳米柱体等形状时，在入射光电场的驱动下，金属纳米结构附近将形成局域表面等离激元。局域表面等离激元会与入射光子发生耦合共振，可以达到提升内量子效率的目的，从而提升整体器件发光强度。
因此，采用局域表面等离激元增强的方法来提高MIS结构紫外LED的发光强度和效率，具有重要指导意义。
发明内容
本发明旨在克服现有MIS结构紫外LED存在的不足，提供了一种基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED及其制备方法，以此提高MIS结构紫外LED的内量子效率，从而提高其发光强度。
本发明采用如下技术方案：
基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：包括自下而上的衬底、缓冲层、氮化镓层、p型氮化镓层、二氧化硅膜层、石墨烯层和金属纳米颗粒结构；该金属纳米颗粒结构表面的局部设有延伸至p型氮化镓层表面的开口，使得p型氮化镓层表面形成外露区域，该外露区域的上表面设置p型欧姆接触电极；该金属纳米颗粒结构的上表面设置n型欧姆接触电极。
所述衬底为氮化镓或氮化铝单晶或蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅。
所述p型氮化镓层厚度为2-20nm。
所述p型氮化镓层采用镁杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
所述二氧化硅膜层厚度为5-20nm。
所述石墨烯层为单层或多层。
所述金属纳米颗粒为银、铝、金等金属中的一种。
所述金属纳米颗粒结构的金属纳米颗粒直径为20-60nm；金属纳米颗粒的间距为20-80nm。
所述n型欧姆接触电极为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au组合中的一种；所述p型欧姆接触电极为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au组合中的一种。
基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)运用金属有机物气相外延技术，在衬底表面上生长缓冲层；然后升温生长氮化镓层；
2)在氮化镓层上生长的p型氮化镓层；
3)利用等离子体增强化学气相沉积技术，在p型氮化镓上沉积二氧化硅膜层；
4)通过化学湿法腐蚀方法，在二氧化硅膜层表面转移石墨烯层；
5)利用物理气相沉积方法，在石墨烯层上蒸镀金属薄膜层；
6)运用标准光刻工艺，在外延片上进行光刻处理，光刻胶仅覆盖金属薄膜层的部分区域；
7)使用化学腐蚀方法逐步腐蚀光刻胶未覆盖的区域：依次使用硝酸、氧等离子体、氢氟酸分别腐蚀未被光刻胶覆盖的金属薄膜层和未被光刻胶遮挡的石墨烯层、二氧化硅膜层，暴露出p型氮化镓层，然后使用丙酮溶液将银金属薄膜层上的光刻胶剥离；
8)利用磁控溅射技术，在p型氮化镓层和银金属薄膜层上沉积电极；然后进行退火，以形成银金属纳米颗粒结构、n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
在MIS结构的紫外LED中引入银金属纳米颗粒以形成局域表面等离激元，表面等离激元会与出射光子发生耦合共振，增加其辐射复合比例，从而提高MIS结构紫外LED的内量子效率，大大增强了器件的发光强度。
本发明使用石墨烯膜作为导电层，不仅增强了电流扩展性，而且由于石墨烯在深紫外波段的透光性较强，因此可提高LED器件紫外光的出射率。
此外，本发明提供的一种基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其结构简单，制备工艺简便，易于生产。
附图说明
图1为本发明未沉积金属电极时的结构图。
图2为本发明完整器件结构图。
其中1表示衬底；2表示缓冲层；3表示氮化镓层；4表示p型氮化镓层；5表示二氧化硅膜层；6表示石墨烯层；7表示银金属纳米颗粒结构；8表示n型欧姆接触电极；9表示p型欧姆接触电极，10表示银金属薄膜层；11表示将被腐蚀掉的银金属薄膜层；12表示将被腐蚀掉的石墨烯层；13表示将被腐蚀掉的二氧化硅膜层。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，对应的，以元件在上一面为正面、在下一面为背面以便于理解，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
本发明为了解决现有紫外LED技术领域存在的工艺复杂、内量子效率较低等问题，提供了一种基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED及其制备方法，通过利用银纳米颗粒形成的局域表面等离激元增强效应，提高了MIS结构紫外LED的内量子效率，达到增强紫外光出射强度的目的。
如图2所示，一种基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其器件结构自下而上包括：衬底1、缓冲层2、氮化镓层3、p型氮化镓层4、二氧化硅膜层5、石墨烯层6、银金属纳米颗粒结构7、n型欧姆接触电极8。其中该金属纳米颗粒结构表面的局部设有延伸至p型氮化镓层表面的开口，使得p型氮化镓层表面形成外露区域，p型欧姆接触电极9设置于p型氮化镓层4表面的外露区域上，n型欧姆接触电极8设置于银金属纳米颗粒结构7之上。
本发明所述的衬底1为同质衬底或异质衬底。本实施例中，当衬底1为同质衬底时，为氮化镓或氮化铝单晶；当衬底1为异质衬底时，为蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅。
本发明所述的p型氮化镓层4厚度为2-20nm。
本发明所述的p型氮化镓层4采用镁杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
本发明所述的二氧化硅膜层5厚度为5-20nm。
本发明所述的石墨烯层6可为单层或多层。
本发明所述的银金属纳米颗粒结构7，其中的银金属纳米颗粒的直径为40-50nm，银金属纳米颗粒之间的间距为20-80nm。
本发明所述的n型欧姆接触电极8为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au组合中的一种；所述的p型欧姆接触电极9为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au组合中的一种。
本实施例中衬底1为蓝宝石异质衬底，缓冲层2为氮化镓材料。
本实施例的一种基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED的制备方法如下：
1)生长缓冲层2和氮化镓层3，具体为：
1.1)运用金属有机物气相外延技术，将蓝宝石衬底1置于H2气氛中，在1100℃高温和100Torr反应室压强下，去除表面的沾污；降低温度至800℃后，在500Torr反应室压强下，通入TMGa和NH3，在蓝宝石衬底1上生长低温氮化镓缓冲层2；
1.2)在步骤1.1)得到的低温氮化镓缓冲层2上，升高温度至1000℃，在200Torr反应室压强下，继续通入TMGa和NH3，生长厚度为2微米左右的氮化镓层3。
2)在生长好的氮化镓层3上生长一层厚约2-20nm的p型氮化镓层4，以便于后期形成欧姆接触电极。
3)生长二氧化硅膜层5、转移石墨烯层6和银金属薄膜层10，具体为：
3.1)利用等离子体增强化学气相沉积技术，在p型氮化镓层4上制备5-20nm的二氧化硅膜层5；
3.2)在步骤3.1)得到的二氧化硅膜层5上利用化学湿法腐蚀工艺转移一层石墨烯层6；
3.3)在步骤3.2)得到的石墨烯层6上，用物理气相沉积磁控溅射的方法，镀上一层6纳米左右的银金属薄膜层10。
4)对生长好的外延片进行光刻处理，具体为：
4.1)进行有机清洗，依次在丙酮、乙醇及高纯度去离子水中分别超声清洗10分钟；然后用去离子水加强冲洗，去除有机物；再使用氮气烘干表面；
4.2)使用AZ5214E光刻胶进行涂胶，甩胶，前烘；然后使用德国Karl Suss MA6/BA6型双面对准光刻机进行对准和曝光，光刻胶仅覆盖银金属薄膜层10的部分区域。
5)使用化学腐蚀的方法，去除未被光刻胶遮挡的银金属薄膜层11、石墨烯层12和二氧化硅膜层13，具体为：
5.1)使用硝酸溶液腐蚀未被光刻胶覆盖的银金属薄膜层11；
5.2)运用氧等离子体刻蚀未被光刻胶遮挡的部分石墨烯层12；
5.3)使用氢氟酸溶液腐蚀未被光刻胶遮挡的部分二氧化硅膜层13，暴露出p型氮化镓层4；
5.4)用丙酮溶液将银金属薄膜层10上的光刻胶剥离。
6)沉积金属电极和形成银金属纳米颗粒结构7，具体为：
6.1)对上述操作后所得的外延片进行标准清洗，依次在丙酮、乙醇及高纯度去离子水中分别超声清洗10分钟；然后用去离子水加强冲洗，去除有机物；再使用氮气吹干表面；之后，使用AZ5214E光刻胶进行涂胶，甩胶和前烘，再使用德国Karl Suss MA6/BA6型双面对准光刻机进行对准和曝光，使光刻胶涂于银金属薄膜层10上方的部分区域以及暴露的p型氮化镓层4上方的部分区域；
6.2)采用物理气相沉积磁控溅射工艺，在p型氮化镓层4上和银金属薄膜层10上沉积Ni/Au电极；
6.3)使用丙酮溶液剥离光刻胶；
6.4)在氮气氛围下，400℃/60s条件下退火以形成银金属纳米颗粒结构7、n型欧姆接触Ni/Au电极8以及p型欧姆接触Ni/Au电极9。
本发明在MIS结构的紫外LED中引入银金属纳米颗粒以形成局域表面等离激元；MIS结构LED采用石墨烯膜作为导电层以增强电流扩展性，提高器件紫外光出射率；金属纳米颗粒设置于石墨烯层之上，利用局域表面等离激元增强效应，使出射光子与金属纳米颗粒之间发生共振耦合，从而提高器件的内量子效率，增强其发光强度。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：包括自下而上的衬底、缓冲层、氮化镓层、p型氮化镓层、二氧化硅膜层、石墨烯层和金属纳米颗粒结构；该金属纳米颗粒结构表面的局部设有延伸至p型氮化镓层表面的开口，使得p型氮化镓层表面形成外露区域，该外露区域的上表面设置p型欧姆接触电极；该金属纳米颗粒结构的上表面设置n型欧姆接触电极。
2.根据权利要求1所述的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：所述衬底为氮化镓或氮化铝单晶或蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅。
3.根据权利要求1所述的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：所述p型氮化镓层厚度为2-20nm。
4.根据权利要求1所述的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：所述p型氮化镓层采用镁杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：所述二氧化硅膜层厚度为5-20nm。
6.根据权利要求1所述的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：所述石墨烯层为单层或多层。
7.根据权利要求1所述的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：所述金属纳米颗粒为银、铝、金等金属中的一种。
8.根据权利要求7所述的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：所述金属纳米颗粒结构的金属纳米颗粒直径为20-60nm；金属纳米颗粒的间距为20-80nm。
9.根据权利要求1所述的基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED，其特征在于：所述n型欧姆接触电极为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au组合中的一种；所述p型欧姆接触电极为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au组合中的一种。
10.基于局域表面等离激元增强的MIS结构紫外LED的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)运用金属有机物气相外延技术，在衬底表面上生长缓冲层；然后升温生长氮化镓层；
2)在氮化镓层上生长的p型氮化镓层；
3)利用等离子体增强化学气相沉积技术，在p型氮化镓上沉积二氧化硅膜层；
4)通过化学湿法腐蚀方法，在二氧化硅膜层表面转移石墨烯层；
5)利用物理气相沉积方法，在石墨烯层上蒸镀金属薄膜层；
6)运用标准光刻工艺，在外延片上进行光刻处理，光刻胶仅覆盖金属薄膜层的部分区域；
7)使用化学腐蚀方法逐步腐蚀光刻胶未覆盖的区域：依次使用硝酸、氧等离子体、氢氟酸分别腐蚀未被光刻胶覆盖的金属薄膜层和未被光刻胶遮挡的石墨烯层、二氧化硅膜层，暴露出p型氮化镓层，然后使用丙酮溶液将银金属薄膜层上的光刻胶剥离；
8)利用磁控溅射技术，在p型氮化镓层和银金属薄膜层上沉积电极；然后进行退火，以形成银金属纳米颗粒结构、n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极。
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