CN110828624A - 一种具有局域等离子体增强效应的led的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有局域等离子体增强效应的发光二极管(LED)的制备方法。该工艺方法主要是：先利用纳米球掩膜刻蚀技术，在LED的P‑GaN层刻蚀出相应的纳米凹槽，然后在P‑GaN层表面滴上匹配LED发光波长的金属纳米颗粒溶液，让溶液在P‑GaN层表面均匀分布，烘干后金属颗粒会沉积在纳米凹槽内，然后沉积电流隔离层，最后去掉相关的纳米球掩膜，这样金属纳米纳米颗粒和电流隔离层可以填在纳米凹槽内，最后利用常规的工艺制作电极。结果表明，本发明的方法能有效地在LED芯片的量子阱附近制备匹配LED发光波长的金属纳米颗粒，为制备具有局域表面等离子体增强效应的LED提供一种有效的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体电子元器件制备方法，特别是一种具有局域等离子体增强效应的LED的制备方法。
背景技术
近年来，表面等离子体(surface plasmons，SPs)技术被用来提高LED的出光效率，其原理是SPs可以用于提高LED的萃取效率，通过合适的金属微纳结构，使大于全内反射角而不能辐射出去的光激发SPs，然后使SPs再转化为光把能量辐射出去。另一方面，由于SPs具有很强的局域场特性，在共振时SPs有很高的态密度，这能够影响发光中心的辐射速率，从而提高发光中心的内量子效率。例如，John等人在近绿光LED的表面制备了共振波长可以调节的金属纳米颗粒，通过调节金属纳米结构与发光波长匹配，获得了3.15倍的峰值增强[Optics Express，2010，18，21322]。Cho等人在绿光LED的p-GaN表面制备金纳米颗粒，获得了86％的光输出增强，并且无损器件的电学特性[Applied Physics Letters，2011，98，051106]。Hong等人在实验上证实了局域等离体子体增强近紫外的发光效率，他们在ITO与p-GaN层制备Pt和Ag纳米颗粒，在输入电流为20毫安时，分别获得了57.9％和20.1％的光输出增强。时间分辨光谱表明，该光输出增强主要来源于局域表面等离体子共振增强内量子效率[Optics Express，2013，21，3138]。Hong等人也在发光波长为397nm的近紫外LED的ITO与p-GaN层制备了银胶体颗粒，获得了48.7％的光输出增强，他们证明了该光输出增强主要是来源于表面等离子体与量子阱的共振耦合从而提高LED的内量子效率[Nanotechnology，2015，26，385204]。
研究结果表明，在提高LED的内量子效率方面，局域等离子体(localized surfaceplasmon，LSP)往往具有更高的增强效率。而如何在量子阱附近制备匹配LED发光波长的金属纳米颗粒依然没有解决，这涉及到两方面的问题，第一是制备与LED发光波长匹配的金属纳米颗粒，第二是将金属纳米颗粒制备在LED的量子阱附近，本发明主要为了解决上述问题而提出来的方法。
发明内容
本发明的目的
本发明的目的在于提供一种新型具有局域等离子体增强效应的LED的制备方法。基本的思路是使用的是纳米球掩膜刻蚀技术，在量子阱附近制备匹配LED发光波长的金属纳米颗粒，制备具有局域等离子体增强效应的LED芯片。
本发明的技术方案如下。一种具有局域等离子体增强效应的LED的制备方法，首先利用纳米球掩膜刻蚀技术，在P-GaN层刻蚀出相应的纳米凹槽，然后在纳米凹槽制备匹配LED发光波长的金属纳米颗粒和电流隔离层，最后去掉的纳米球掩膜，这样金属纳米颗粒和电流隔离层可以填在纳米凹槽内，最后利用常规的工艺制作电极。
本发明提出一种在LED芯片的量子阱附近制备匹配LED发光波长的金属纳米颗粒的方法，具体包括以下步骤：
S1，在平面结构的LED芯片的P-GaN层制备单层密排的纳米球，可以先利用氧等离子体刻蚀PS纳米球，控制纳米柱的间隙，接着利用ICP进行刻蚀，刻蚀出周期性的P-GaN纳米柱阵列，那么纳米柱之间就有间隙结构；
S2，在去掉纳米球掩膜前，将匹配LED发光波长的金属纳米颗粒溶液滴在LED芯片的表面，利用匀胶机使得金属纳米颗粒溶液在LED表面均匀分布，待溶液晾干，然后再利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积电流隔离层，沉积厚度大约为20nm；
S3，去掉纳米球掩膜，最终在p-GaN层获得周期性的纳米柱阵列结构，并且纳米柱的间隙有匹配LED发光波长的金属纳米颗粒和电流隔离层颗粒结构；
S4，沉积约150nm的ITO作为透明电极，然后进行常规的厚金电极工艺处理，包括涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶；第二次曝光，镀厚金等，从而完成制作厚金电极的制作。最终获得具有局域等离子体增强效应的LED成品。
进一步地，步骤S1中，在P-GaN层制备单层密排的纳米球，所述纳米球可以是单分散的聚苯乙烯微球(Polystyrene，PS)、单分散的二氧化硅微球，所述单分散的微球直径在200nm-2um之间。
进一步地，步骤S1中，根据p-GaN层的厚度，利用反应耦合等离子体进行刻蚀，如果p-GaN层的厚度为140nm，刻蚀深度大约为120nm左右。
进一步地，步骤S1中，利用干刻法进行刻蚀，刻蚀时使用的气体选自BCl3、Cl2、Ar之一或者几种的组合。
进一步地，步骤S2中，将匹配发光波长的金属纳米颗粒溶液滴在LED芯片的表面，对于发光波长属于蓝光区域的LED，可以使用银纳米颗粒，对于发光波长属于绿光的可以使用金纳米颗粒；然后再利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积电流隔离层，隔离层可以是二氧化硅或者是氮化硅或者是其他不导电的介质薄膜。
进一步地，步骤S3中，当选择的纳米球掩膜为PS纳米球时，去掉纳米球掩膜，可以在氯仿中超声，去掉PS纳米球掩膜。
另外，本发明还提供了一种由上述在发光二极管芯片的量子阱附近制备纳米金属结构的方法制备得到的发光二极管芯片。
借由上述技术方案，本发明具有的优点是：
1、本发明主要使用的是纳米球掩膜刻蚀沉积技术，能够在量子阱附近制备匹配发光波长的金属纳米颗粒，从而避免复杂的生长工艺。
2、本发明的制备方法巧妙，成本廉价，可以大批量生产。
3、本发明的制备方法由于金属纳米颗粒的局域等离子体共振波长与LED发光量子阱波长匹配，有望显著提高LED芯片的发光效率。
附图说明
图1为本发明方法制备流程图。
图2(a)～图2(d)显示的是本发明方法制备过程中LED的结构变化图。
图2(a)为在LED基片上制备单层PS纳米球示意图；
图2(b)为蚀刻出纳米柱阵列的结构示意图；
图2(c)为制备金属纳米颗粒和沉积电流隔离层示意图；
图2(d)去掉掩膜，在纳米柱的间隙有匹配LED发光波长的金属纳米颗粒和电流隔离层颗粒结构示意图；
图2(e)为制备厚金电极，最终获得具有局域等离子体增强效应的LED成品示意图；
其中：101-衬底；102-非掺杂GaN；103-n掺杂GaN；104-多量子阱；105-p掺杂GaN；106-ITO透明电极；107-p厚金属电极；108-n厚金属电极；1091-间隙中的金属纳米颗粒；1092-间隙中的电流隔离层；110-ps纳米球。
图3是实施例制备的金纳米颗粒的消光光谱图。
图4是是实施例的LED芯片电镜图图，在P-GaN层的纳米柱间隙有匹配绿光发光波长的纳米金颗粒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对一种新型具有局域等离子体增强效应的LED的制备方法进一步说明。LED基片的结构如下：在蓝宝石衬底101上沉积一层非掺杂GaN102，再生长一层n掺杂GaN103，然后生长多量子阱104，最后生长p掺杂GaN105。
在LED基片的基础上，本发明的制备工艺方法其步骤如下：
1)首先，在平面结构的LED芯片的P-GaN层105上制备单层密排的纳米球111，如图2(a)所示。利用ICP进行刻蚀，刻蚀出周期性的P-GaN纳米柱阵列，那么纳米柱之间就有间隙结构，如图2(b)所示。通过改变ICP刻蚀时间可以有效地控制p型GaN层纳米柱阵列的高度，我们实验样品的P-GaN的厚度约为140nm，所以我们ICP刻蚀的凹槽的深度约为120nm左右。
2)由于我们实验中使用的发光波长在530nm的绿光LED芯片，所以我们选纳米金颗粒(金球、金立方)金属来实现SP增强LED的发光效率。在去掉纳米球掩膜前，将匹配发光波长的金属纳米颗粒溶液滴在LED芯片的表面，利用匀胶机使得金属纳米颗粒溶液在LED表面均匀分布，待溶液晾干，再利用磁控溅射进行沉积电流隔离层二氧化硅，沉积厚度大约为30nm，此时所得的结构如图2(c)所示。
3)在氯仿中超声去掉纳米球掩膜，最终在p-GaN层获得周期性的纳米柱阵列结构，并且纳米柱的间隙有金属纳米颗粒和电流隔离层颗粒结构，如图2(d)所示。
4)沉积约150nm的ITO106作为透明电极，然后再进行常规的加电极处理，例如涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶，第二次曝光，镀p厚金107和n厚金108等，从而完成制作厚金电极的制作。
最终获得具有表面等离子体增强效应的LED成品，纳米凹槽内分别沉积有银纳米颗粒1091和二氧化硅1092，如图2(e)所示。
综上所述，本发明主要是开发一种能在LED芯片的量子阱附近制备金属纳米结构的有效而低成本的方法，从而避免了复杂昂贵的生长工艺。
为了表明该方法的有效性，图3是实验制备的金纳米颗粒的消光光谱图，结果表明我们制备的金属颗粒的表面等离子体公众波长在530nm左右。图4是在P-GaN层刻蚀120nm的纳米凹槽，在纳米柱的凹槽内沉积金纳米颗粒的电镜图。图示结果表明，该方法有效的在纳米柱的间隙沉积金纳米颗粒，为制备具有局域等离子体增强效应的LED提供一种有效而简便的方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种具有局域等离子体增强效应的LED的制备方法，其特征在于：先利用纳米球掩膜刻蚀技术，在p-GaN层刻蚀出相应的纳米凹槽，然后在p-GaN层表面滴上匹配LED发光波长的纳米金属颗粒溶液，让溶液在p-GaN层表面均匀分布，然后沉积电流隔离层，最后去掉相关的纳米球掩膜，这样金属纳米纳米颗粒和电流隔离层可以填在纳米凹槽内，最后利用常规的工艺制作电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在平面结构LED芯片的p-GaN层制备单层密排的纳米球作为掩膜；
b、利用ICP刻蚀具有纳米球掩膜的p-GaN层，在p-GaN层刻蚀出纳米凹槽；
c、制备匹配LED发光波长的纳米金属纳米颗粒溶液；
d、在去掉纳米球掩膜前，将匹配LED发光波长的纳米金属颗粒溶液在p-GaN层表面均匀分布，让纳米金属颗粒尽可能地均匀地填在纳米凹槽内，然后再利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积电流隔离层，沉积厚度大约为20nm；
e、去掉纳米球掩膜，最终在p-GaN层获得周期性的纳米柱阵列结构，并且纳米柱的间隙有金属纳米颗粒和电流隔离层颗粒结构；
f、进行常规的厚金电极工艺处理，最终获得具有局域表面等离子体增强效应的LED成品。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤a中，在p-GaN层制备单层密排的纳米球，所述纳米球可以是单分散的聚苯乙烯微球(Polystyrene，PS)、单分散的二氧化硅微球，所述单分散的微球直径在100nm-2um之间。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤b中，根据p-GaN层的厚度，利用反应耦合等离子体进行刻蚀，如果p-GaN层的厚度为140nm，刻蚀深度为120nm左右。利用干刻法进行刻蚀，刻蚀时使用的气体选自BCl3、Cl2、Ar之一或者几种的组合。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤d中，将金属纳米颗粒溶液滴在有纳米凹槽的P-GaN表面，然后利用匀胶机使得纳米金属颗粒溶液在P-GaN层表面均匀分布。待溶液晾干，然后再利用电子束蒸发或者是磁控溅射进行沉积电流隔离层，隔离层可以是二氧化硅或者是氮化硅或者是其他不导电的介质薄膜。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：对于发光波长属于紫外区域的LED，可以使用铝金属纳米颗粒溶液，对于发光波长属于蓝光区域的LED，使用银金属纳米颗粒溶液，对于发光波长属于绿光的可以使用金金属纳米颗粒溶液。上述的纳米颗粒可以是纳米球、纳米立方或者纳米棒。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在去掉PS掩膜前，在表面制备金属纳米溶液，使得金属纳米球沉积在纳米凹槽间隙；接着沉积20nm左右的二氧化硅或者氮化硅或者其他的非导电物。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤e中，当选择的纳米球掩膜为PS纳米球时，去掉纳米球掩膜，可以在氯仿中超声，去掉PS纳米球掩膜。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤f中，沉积约150nm的ITO作为透明电极，然后进行常规的厚金电极工艺处理，包括涂光刻胶，第一次曝光，湿刻ITO，ICP刻GaN台阶，去胶，再涂光刻胶；第二次曝光，镀厚金等，从而完成制作厚金电极的制作。
10.权利要求1-9中任一项所述的在LED芯片的量子阱附近制备匹配LED发光波长的金属纳米颗粒的方法制备得到的LED芯片。
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| CN201911289812.1A CN110828624A (zh) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | 一种具有局域等离子体增强效应的led的制备方法 |
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| WO2023226222A1 (zh) * | 2022-05-26 | 2023-11-30 | 京东方科技集团股份有限公司 | 发光器件及其制备方法、显示装置 |
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2019
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| WO2023226222A1 (zh) * | 2022-05-26 | 2023-11-30 | 京东方科技集团股份有限公司 | 发光器件及其制备方法、显示装置 |
| CN117080342A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-17 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管芯片及其制备方法 |
| CN117080342B (zh) * | 2023-10-18 | 2024-01-19 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管芯片及其制备方法 |
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