CN111969085A - 一种基于图形化衬底的led及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图形化衬底的LED及其制备方法，所述基于图形化衬底的LED从底部到顶部的结构依次包括双面抛光的蓝宝石衬底，3对InGaN/GaN层量子阱，GaN材质的阻挡层，5对Ag/Si层双曲超材料以及表面保护层Si层。在传统LED的基础上，加上多层双曲超材料，使得所述图形化衬底的LED发光效率高达180倍，远高于传统的LED，且工艺流程简单，成本低、加工工艺稳定，易于批量生产。因此，本发明对于LED的研究具有很大的应用前景。

Description

一种基于图形化衬底的LED及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，具体涉及一种基于图形化衬底的LED及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)被称为第四代光源，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点。随着LED性能的不断提高，LED已被广泛应用于各个领域，如汽车用灯、液晶屏背光源、照明光源等等。但是，LED的发光效率非常低，这限制了它的发展，因此许多研究人员一直在努力改善这种问题。近年来，通过使用表面等离子体共振(SPR)来提高LED发射效率的研究引起了人们的极大兴趣，这是因为随着入射波的频率等于表面等离子体的共振频率，LED的发光效率得到提高。
双曲超材料是表面等离子体超材料的重要分支。操纵近场的特殊电磁特性引起了极大的关注。使用双曲超材料有两个好处，一是负折射率金属与周围的介质匹配，因此在表面上没有反射。另外一个是，通过改变双曲线超材料的结构元素的尺寸和排列，可以调节双曲线超材料中的表面等离子体激元的激发强度和方向，从而使超材料呈现独特的双曲线分散特性。双曲线色散导致高光子态密度，因此我们通常使用purcell效应来描述发射极发射效率的提高。为了提高衰减率，发射波长的频率必须与等离激元共振频率对齐，该频率由金属的固有材料特性决定。
发明内容
本发明的目的在于解决现有LED发光效率低的问题，提出一种基于图形化衬底的LED及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于图形化衬底的LED，从底部到顶部的结构依次包括蓝宝石衬底，InGaN/GaN量子阱，Ag/Si双曲超材料。
进一步的，所述量子阱与多层双曲超材料间有厚度为10nm的阻挡层，阻挡层材质为GaN。
进一步的，所述双曲超材料的顶部有厚度为5nm的Si作为表面保护层。
进一步的，所述蓝宝石衬底的长为600nm，宽为600nm，厚度为100nm。
进一步的，所述InGaN/GaN多量子阱为交替的InGaN和GaN薄膜层。
进一步的，所述薄膜层具有3对InGaN/GaN层的重复结构，其中InGaN层的长为600nm，宽为600nm，厚度为2nm，GaN层的长为600nm，宽为600nm，厚度为10nm。
进一步的，所述Ag/Si双曲超材料为交替的Ag和Si薄膜层。
进一步的，所述薄膜层具有5对Ag/Si层的重复结构。
进一步的，所述双曲超材料为圆柱形，横截面直径为180nm，Ag层的厚度为20nm，Si层的厚度为3nm。
一种基于图形化衬底的LED的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过计算机软件设计出具有纳米图案多层结构的LED；
(2)淀积一层蓝宝石衬底，并将其双面抛光；
(3)利用金属有机物化学气相淀积工艺在蓝宝石衬底上生长InGaN/GaN多量子阱；
(4)采用分子束外延生长方法，在量子阱表面制备有序的Ag和Si的二维结构，并刻蚀出图形化多层双曲超材料。
有益效果：在这项工作中，我们使用InGaN/GaN量子阱作为光源，基于量子阱的LED覆盖从紫外到红外的各种发射波长。由于纳米级材料对其性能产生很大的影响，因此，通过调整金属薄膜、介质薄膜的厚度以及量子阱与多层超材料之间的距离，能够调节LED的发射效率。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：
1、工艺流程简单，只需简单的淀积、刻蚀、封装即可。
2、发光效率高达180倍，远高于传统的LED。
3、成本低、加工工艺稳定，易于批量生产。
附图说明
图1是本发明的一种基于图形化衬底的LED结构示意图。
图2是本发明的图形化衬底的LED二维结构示意图，其中标注了偶极子光源的位置，阻挡层的厚度为d，圆柱形多层双曲超材料的直径为L，Ag层和Si层的厚度分别为dAg、dSi。
图3是本发明的不同金属材料组成的多层双曲超材料的荧光发射图。
图4是本发明的不同形状的多层双曲超材料的荧光发射图。
图5是本发明的purcell factor随Si薄膜厚度dSi的变化示意图。
图6是本发明的辐射增强随阻挡层厚度d的变化示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
一种基于图形化衬底的LED的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过计算机软件设计出具有纳米图案多层结构的LED；
(2)淀积一层蓝宝石衬底，并将其双面抛光；
(3)利用金属有机物化学气相淀积工艺在蓝宝石衬底上生长InGaN/GaN多量子阱；
(4)采用分子束外延生长方法，在量子阱表面制备有序的Ag和Si的二维结构，并刻蚀出图形化多层双曲超材料。
实施例：
图1为本发明的一种基于图形化衬底的LED结构示意图。如图所示，本发明从底部到顶部的结构包括厚度为100nm的蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上叠加3层InGaN/GaN层，其中，每层InGaN/GaN层由位于下层的2nm厚的InGaN层和位于上层的10nm厚的GaN层组成；接着在最上层GaN层上叠加一层10nm厚的GaN阻挡层；然后在阻挡层上叠加5层Ag/Si层，其中，每层Ag/Si层由位于下层的3nm厚的Si层和位于上层的20nm厚的Ag层组成；最后在最上层Ag层的顶部叠加一层5nm的Si层作为表面保护层。
图2为本发明的二维LED结构示意图。随着发射波长接近双曲超材料的等离子体共振，InGaN/GaN量子阱与纳米图案双曲超材料之间实现了强大的相互作用，从而增加了量子阱的发射。另外，表面等离子体激元共振被限制在小的金属结构中，并且不能在界面上传播，因此逐渐远离金属表面的电场分布变得越来越弱。为了理解这种相互作用，通过将量子阱自发辐射建模为单个偶极子，基于偶极子和金属膜之间相互作用的purcell理论对结构进行了模拟。
图3为本发明的不同金属材料组成的多层双曲超材料的荧光发射图。如图所示，本发明的金属材料为Ag时，发光效率最好。在可见光范围内，Ag的折射率是大于Au和Cu的，Ag的折射率灵敏度大约是Au折射率灵敏度的两倍，这是因为Ag比Au具有更大的真实介电函数和更小的虚介电函数。因此Ag与Si形成的折射率边界最大，这种折射率边界会抑制光的反射。
图4为本发明的不同形状的多层双曲超材料的荧光发射图。衬底的图案是图形化衬底技术的关键，对LED的出光效率起着决定性作用。如图所示，本发明的多层形状为圆形时，发光效率最好。这是因为方形只有在四个角处的电场强度是最强的，其余地方电场强度相对较弱，也就是说方形在四个角处产生共振。同理，三角形在三个角处的电场强度最强。而圆形在整个外部圆弧处的电场最强，很明显，圆形的透光性比方形及三角形要好。
图5为本发明的purcell factor随Si薄膜厚度dSi的变化示意图。如图所示，本发明的Si薄膜厚度为3nm时，发光效率最好。这是因为表面等离子体共振是由金属表面上的自由振动电子与量子阱中的光子之间的相互作用产生的，而与介质无关。因此，介质层越厚，purcell因子越小。
图6为本发明的辐射增强随阻挡层厚度d的变化示意图。如图所示，本发明的阻挡层厚度d为10nm时，发光效率最好。这是因为表面等离子体激元是通过自由振动存在于金属表面和光子上的电子而产生的沿金属表面传播的电子的密集波。原理如下：在两个半无限各向同性的介质的界面处，介质的介电常数为正实数，金属的介电常数为具有负实数的复数。通常，当在除金属表面以外的介质中传播时，表面等离子体激元呈指数衰减。因此，当使用光源和多层之间的距离来调节光辐射过程时，选择合适的d特别重要。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，从底部到顶部的结构依次包括蓝宝石衬底，InGaN/GaN量子阱，Ag/Si双曲超材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，所述量子阱与多层双曲超材料间有厚度为10nm的阻挡层，阻挡层材质为GaN。
3.根据权利要求1所述的一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，所述双曲超材料的顶部有厚度为5nm的Si层作为表面保护层。
4.根据权利要求1所述的一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，所述蓝宝石衬底的长为600nm，宽为600nm，厚度为100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱为交替的InGaN和GaN薄膜层。
6.根据权利要求5所述的一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，所述薄膜层具有3对InGaN/GaN层的重复结构，其中InGaN层的长为600nm，宽为600nm，厚度为2nm，GaN层的长为600nm，宽为600nm，厚度为10nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，所述Ag/Si双曲超材料为交替的Ag和Si薄膜层。
8.根据权利要求7所述的一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，所述薄膜层具有5对Ag/Si层的重复结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于图形化衬底的LED，其特征在于，所述双曲超材料为圆柱形，横截面直径为180nm，Ag层的厚度为20nm，Si层的厚度为3nm。
10.一种权利要求1所述的基于图形化衬底的LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过计算机软件设计出具有纳米图案多层结构的LED；
(2)淀积一层蓝宝石衬底，并将其双面抛光；
(3)利用金属有机物化学气相淀积工艺在蓝宝石衬底上生长InGaN/GaN多量子阱；
(4)采用分子束外延生长方法，在量子阱表面制备有序的Ag和Si的二维结构，并刻蚀出图形化多层双曲超材料。
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