CN111769182B - 表面等离激元GaN基LED外延结构及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种表面等离激元GaN基LED外延结构及其制备方法和应用，该表面等离激元GaN基LED外延结构包括一衬底；一缓冲层；一n型GaN层；一InGaN/GaN多量子阱有源区；‑介质隔离层；‑金属颗粒层；‑介质盖层；一电子阻挡层；以及一p型GaN层。本发明的表面等离激元GaN基LED外延结构包含不多于三对量子阱，由于等离激元与距离其最近的量子阱也即最靠近pgan的量子阱耦合效率最高，因而减小量子阱数目可实现载流子与等离激元耦合的最大化耦合，减小了量子阱增多带来的无效耦合，极大提高辐射复合速率。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明及可见光通信领域，具体涉及一种表面等离激元GaN基LED外延结构及其制备方法和应用。
背景技术
随着可见光通信技术的不断发展，等离激元成为提高LED发光与调制特性的重要手段。该种器件改善调制特性的机理为当表面等离激元材料，如金属Al、Ag、Au等，靠近有源区时，有源区中的激子或者电子空穴对与表面等离激元产生强的耦合作用，使得激子或者电子空穴对以极快的速率将能量首先传递给具有很高态密度的表面等离激元，然后表面等离激元再将能量转化为光子辐射出去。当有源区与表面等离激元耦合距离足够近时，能量耦合速率将远远超过激子的自发辐射速率，因而可以大大降低载流子寿命，提高调制带宽。如何使得等离激元和量子阱中的载流子实现更有效的耦合已成为进一步提升器见性能的关键问题，然而尚未有针对此的优化结构。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种表面等离激元GaN基LED外延结构及其制备方法和应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种表面等离激元GaN基LED外延结构，包括：
一衬底；
一缓冲层，其设置在衬底上，用于改善外延的晶体质量；
一n型GaN层，其设置在缓冲层上，用于提供电子；
一InGaN/GaN多量子阱有源区，其设置在n型GaN层上，用于提供有效的辐射复合；
-介质隔离层，其设置在InGaN/GaN多量子阱有源区上，用于调控金属颗粒与所述有源区的耦合距离；
-金属颗粒层，其制作在介质隔离层上，用于产生等离激元；
-介质盖层，其制作在金属颗粒层上，用于保护金属颗粒；
一电子阻挡层，其设置在介质盖层上，用于阻挡电子过冲，提高量子阱辐射复合的均匀性；以及
一p型GaN层，其设置在电子阻挡层上，用于提供空穴。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种表面等离激元GaN基LED外延结构的制备方法，包括：
在衬底上生长缓冲层；
在缓冲层上生长n型GaN层；
在n型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱有源区；
在InGaN/GaN多量子阱有源区上生长介质隔离层；
在介质隔离层上沉积金属层然后对其热退火，使得金属层转变成金属颗粒层；
在金属颗粒层上沉积介质盖层，去除部分介质层，暴露出InGaN/GaN多量子阱有源区的上表面；
在介质盖层上生长电子阻挡层；
在电子阻挡层上生长p型GaN层，即得到所述表面等离激元GaN基LED外延结构。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种如上所述的表面等离激元GaN基LED外延结构或如上所述制备方法得到的表面等离激元GaN基LED外延结构在半导体照明及可见光通信领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的表面等离激元GaN基LED外延结构及其制备方法和应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明的表面等离激元GaN基LED外延结构包含不多于三对量子阱，由于等离激元与距离其最近的量子阱也即最靠近pgan(p型掺杂GaN)的量子阱耦合效率最高，因而减小量子阱数目可实现载流子与等离激元耦合的最大化耦合，减小了量子阱增多带来的无效耦合，极大提高辐射复合速率；
2、本发明的表面等离激元GaN基LED外延结构，可通过调控介质隔离层的厚度调控等离激元与载流子耦合的距离；
3、本发明的表面等离激元GaN基LED外延结构，可通过调控介质隔离层的材料及金属层的厚度与退火温度、时间来调节等离激元的共振波长实现与量子阱的高效耦合。
附图说明
图1为本发明一实施例的适用于可见光通信的GaN基LED外延结构的示意图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种表面等离激元GaN基LED外延结构，包括：
一衬底；
一缓冲层，其设置在衬底上，用于改善外延的晶体质量；
一n型GaN层，其设置在缓冲层上，用于提供电子；
一InGaN/GaN多量子阱有源区，其设置在n型GaN层上，用于提供有效的辐射复合；
-介质隔离层，其设置在InGaN/GaN多量子阱有源区上，用于调控金属颗粒与所述有源区的耦合距离；
-金属颗粒层，其制作在介质隔离层上，用于产生等离激元；
-介质盖层，其制作在金属颗粒层上，用于保护金属颗粒；
一电子阻挡层，其设置在介质盖层上，用于阻挡电子过冲，提高量子阱辐射复合的均匀性；以及
一p型GaN层，其设置在电子阻挡层上，用于提供空穴。
在本发明的一些实施例中，所述衬底为平面衬底或图形衬底；
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括蓝宝石、硅、氮化镓、氧化镓或碳化硅中的任一种；
在本发明的一些实施例中，所述缓冲层包括GaN形核层和非故意掺杂GaN层；
在本发明的一些实施例中，所述缓冲层的厚度为2至3微米；
在本发明的一些实施例中，所述n型GaN层的厚度为1.5至3.5；
在本发明的一些实施例中，所述n型GaN层的掺杂剂包括硅烷。
在本发明的一些实施例中，所述InGaN/GaN多量子阱有源区包含量子阱的数目不超过3对；
在本发明的一些实施例中，所述InGaN/GaN多量子阱有源区的发射波长为蓝光或绿光；
在本发明的一些实施例中，所述介质隔离层采用的材料包括氧化铪、氧化硅、氧化铝中的任一种；
在本发明的一些实施例中，所述介质隔离层的厚度为10至60nm；
在本发明的一些实施例中，所述金属颗粒层采用的材料包括金属Ag。
在本发明的一些实施例中，所述介质盖层需经光刻及刻蚀，暴露出InGaN/GaN多量子阱有源区上表面；
在本发明的一些实施例中，所述介质盖层采用的材料包括氧化铪、氧化硅、氧化铝中的任一种；
在本发明的一些实施例中，所述介质盖层的厚度小于100纳米。
在本发明的一些实施例中，所述电子阻挡层包括AlGaN/GaN超晶格电子阻挡层和AlGaN单层电子阻挡层；
在本发明的一些实施例中，所述p型AlGaN层的掺杂剂包括二茂镁；
在本发明的一些实施例中，所述p型AlGaN层的厚度为100至250nm。
本发明公开了一种如上所述表面等离激元GaN基LED外延结构的制备方法，包括：
在衬底上生长缓冲层；
在缓冲层上生长n型GaN层；
在n型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱有源区；
在InGaN/GaN多量子阱有源区上生长介质隔离层；
在介质隔离层上沉积金属层然后对其热退火，使得金属层转变成金属颗粒层；
在金属颗粒层上沉积介质盖层，去除部分介质层，暴露出InGaN/GaN多量子阱有源区的上表面；
在介质盖层上生长电子阻挡层；
在电子阻挡层上生长p型GaN层，即得到所述表面等离激元GaN基LED外延结构。
在本发明的一些实施例中，所述缓冲层的生长方法包括第一次生长和第二次生长；
在本发明的一些实施例中，所述第一次生长的温度为700至800℃；
在本发明的一些实施例中，所述第一次生长的温度为900至1100℃。
在本发明的一些实施例中，所述n型GaN层的生长温度为1000至1200℃；n型GaN层的掺杂剂包括硅烷；
在本发明的一些实施例中，所述InGaN/GaN多量子阱有源区中垒层GaN生长温度为800至850℃，阱层InGaN生长温度为700至750℃。
在本发明的一些实施例中，制备所述金属颗粒层中退火温度为200至550℃，退火时间为10至35min；
在本发明的一些实施例中，所述电子阻挡层的生长温度为900至1000℃。
本发明还公开了如上所述的表面等离激元GaN基LED外延结构或如上所述制备方法得到的表面等离激元GaN基LED外延结构在半导体照明及可见光通信领域的应用。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明提供一种表面等离激元GaN基LED外延结构，包括
一衬底1，所述衬底1的材料为蓝宝石、硅、氮化镓、氧化镓或碳化硅中的任一种；所述衬底为平面衬底或图形衬底；
一缓冲层2，其设置在所述衬底1上，用于改善外延的晶体质量，总厚度在2μm左右；
一n型GaN层3，其设置在所述缓冲层2上，用于提供电子，厚度在3μm左右，掺杂剂为硅烷；
一InGaN/GaN多量子阱有源区4，其设置在所述n型GaN层3上，用于提供有效的辐射复合，由于等离激元与载流子的耦合为近场耦合，往往只有靠近金属颗粒的量子阱中的载流子才能进行有效耦合，结合仿真结果，能够参与耦合的量子阱不多于3对；所述InGaN/GaN多量子阱有源区4的发射波长为蓝光或绿光；
-介质隔离层5，其设置在InGaN/GaN多量子阱有源区4上，用于调控金属颗粒与所述InGaN/GaN多量子阱有源区4的耦合距离，采用氧化硅、氧化铝或氧化铪，厚度控制在10-60nm；
-金属颗粒层6，其制作在介质隔离层5上，采用Ag作为金属材料，该层为生表面等离激元的物质层，通过改变金属颗粒的尺寸和形貌调节表面等离激元的能量，使其共振峰位与InGaN多量子阱层4中电子空穴对的能量匹配，发生共振时，InGaN多量子阱层4中的电子空穴对以极快的速率将能量传递给金属颗粒层6，然后金属颗粒层6作为光学天线将能量辐射出去，这个过程要远大于电子空穴对自发辐射速率，从而提高了GaN基LED的发光效率；
-介质盖层7，其制作在金属颗粒层6上，用于完全覆盖金属颗粒，使其在后续的二次外延中不再受到生长温度的影响产生形貌变化影响共振特性，同时也避免其扩散至GaN材料中，影响发光效率。其材料与介质隔离层5相同，包括氧化铪、氧化硅、氧化铝中的任一种；厚度小于100nm，需要经光刻及刻蚀，暴露出InGaN/GaN多量子阱有源区4上表面，为二次外延电子阻挡层的生长提供窗口；
一电子阻挡层8，其设置在介质盖层7上，用于阻挡电子过冲，提高量子阱辐射复合的均匀性，采用AlGaN/GaN的多量子阱；
一p型GaN层9，其设置在电子阻挡层8上，用于提供空穴，厚度在100-250nm；p型A1GaN层的掺杂剂包括二茂镁。
本发明还提供一种面等离激元GaN基LED外延结构的制备方法，包括：
步骤一：选用MOCVD系统(金属有机化学气相沉积)，在衬底上分两步生长缓冲层，第一步为低温生长(第一次生长)，温度大致在700-800℃、如1045℃，第二步为高温生长(第二次生长)，温度大致在900-1100℃，缓冲层的总厚度为3μm。
步骤二：在所述缓冲层上生长n型GaN层，生长温度为1045℃，厚度大约2μm，掺杂剂包括硅烷。
步骤三：在所述n型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱有源区4，InGaN/GaN多量子阱有源区4不多于3对InGaN/GaN多量子阱，其中垒层GaN生长温度为839℃，阱层InGaN生长温度为730℃，InGaN/GaN多量子阱的发光波长为蓝光或绿光。
步骤四：从MOCVD腔室中取出外延片，在所述InGaN/GaN多量子阱有源区利用PECVD沉积介质隔离层，介质材料为氧化硅、氧化铝、氧化铪，介质层厚度控制在10-60nm。
步骤五：在所述介质隔离层上利用蒸镀技术沉积金属Ag，其厚度在1-25nm，沉积金属Ag的温度为20℃，然后将其放置入退火炉中，对其进行快速热退火，使得金属薄膜团聚，转变成金属颗粒。其中，所述金属退火温度在200-550℃，退火时间在10-35min。
步骤六：在所述金属颗粒层上沉积介质盖层，其厚度在100nm以下，能够使得金属颗粒完全被覆盖，该层材料与介质隔离层一致。随后对其旋涂光刻胶，通过光刻与刻蚀技术，去除部分介质层，暴露出InGaN/GaN多量子阱有源区4的上表面。
步骤七：去除光刻胶，清洗外延片的表面，将洁净的外延片放入MOCVD腔室，进行二次外延，生长电子阻挡层，电子阻挡层会沿暴露的窗口(即步骤六中暴露出InGaN/GaN多量子阱有源区4的上表面)继续生长。
步骤八：在所述电子阻挡层上生长p型GaN，其厚度在100-250nm，生长温度为950℃。
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，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)
1.一种表面等离激元GaN基LED外延结构，包括：
一衬底；
一缓冲层，其设置在衬底上，用于改善外延的晶体质量；
一n型GaN层，其设置在缓冲层上，用于提供电子；
一InGaN/GaN多量子阱有源区，其设置在n型GaN层上，用于提供有效的辐射复合；
—介质隔离层，其设置在InGaN/GaN多量子阱有源区上，用于调控金属颗粒与所述有源区的耦合距离；
—金属颗粒层，其制作在介质隔离层上，用于产生等离激元；
—介质盖层，其制作在金属颗粒层上，用于保护金属颗粒；
一电子阻挡层，其设置在介质盖层上，用于阻挡电子过冲，提高量子阱辐射复合的均匀性；以及
一p型GaN层，其设置在电子阻挡层上，用于提供空穴；
其中，所述InGaN/GaN多量子阱有源区包含量子阱的数目不超过3对。
2.根据权利要求1所述的表面等离激元GaN基LED外延结构，其特征在于，
所述衬底为平面衬底或图形衬底；
所述衬底采用的材料包括蓝宝石、硅、氮化镓、氧化镓或碳化硅中的任一种；
所述缓冲层包括GaN形核层和非故意掺杂 GaN层；
所述缓冲层的厚度为2至3微米；
所述n型GaN层的厚度为1.5至3.5微米；
所述n型GaN层的掺杂剂包括硅烷。
3.根据权利要求1所述的表面等离激元GaN基LED外延结构，其特征在于，
所述InGaN/GaN多量子阱有源区的发射波长为蓝光或绿光；
所述介质隔离层采用的材料包括氧化铪、氧化硅、氧化铝中的任一种；
所述介质隔离层的厚度为10至60 nm；
所述金属颗粒层采用的材料包括金属Ag。
4.根据权利要求1所述的表面等离激元GaN基LED外延结构，其特征在于，
所述介质盖层需经光刻及刻蚀，暴露出InGaN/GaN多量子阱有源区上表面；
所述介质盖层采用的材料包括氧化铪、氧化硅、氧化铝中的任一种；
所述介质盖层的厚度小于100 纳米。
5.根据权利要求1所述的表面等离激元GaN基LED外延结构，其特征在于，
所述电子阻挡层包括AlGaN/GaN超晶格电子阻挡层和AlGaN单层电子阻挡层。
6.一种如权利要求1至5任一项所述表面等离激元GaN基LED外延结构的制备方法，包括：
在衬底上生长缓冲层；
在缓冲层上生长n型GaN层；
在n型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱有源区；
在InGaN/GaN多量子阱有源区上生长介质隔离层；
在介质隔离层上沉积金属层然后对其热退火，使得金属层转变成金属颗粒层；
在金属颗粒层上沉积介质盖层，去除部分介质层，暴露出InGaN/GaN多量子阱有源区的上表面；
在介质盖层上生长电子阻挡层；
在电子阻挡层上生长p型GaN层，即得到所述表面等离激元GaN基LED外延结构；
其中，所述InGaN/GaN多量子阱有源区包含量子阱的数目不超过3对。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述缓冲层的生长方法包括第一次生长和第二次生长；
其中，所述第一次生长的温度为700至800℃；
其中，所述第一次生长的温度为900至1100℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述n型GaN层的生长温度为1000至1200℃；n型GaN层的掺杂剂包括硅烷；
所述InGaN/GaN多量子阱有源区中垒层GaN生长温度为800至850 ℃，阱层InGaN生长温度为700至750℃。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
制备所述金属颗粒层中退火温度为200至550℃，退火时间为10至35min；
所述电子阻挡层的生长温度为900至1000℃。
10.如权利要求1至5任一项所述的表面等离激元GaN基LED外延结构或如权利要求6至9任一项所述制备方法得到的表面等离激元GaN基LED外延结构在半导体照明及可见光通信领域的应用。
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