CN113161231B - 飞秒激光增强紫外led内量子效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞秒激光增强紫外LED内量子效率的方法,属于半导体光电子器件技术领域。本发明通过在GaN基LED表面利用飞秒激光光束进行加工,利用斜入射方式单点烧蚀得到Ga纳米颗粒,基于表面等离子体激元激发调控,实现了紫外波段GaN基LED内量子效率的提升。本发明简单易行,在不引入新金属杂质的情况下,通过飞秒激光斜入射进行单脉冲加工,利用飞秒激光的高峰值密度和GaN材料自身的高温分解特质,诱发材料产生库伦爆炸相变从而形成金属Ga纳米颗粒。可大面积高效加工,最终有效增强紫外波段的光致发光(PL)强度和内量子效率,可广泛应用于医疗杀菌、保密通信等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光增强紫外LED内量子效率的方法,属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)基紫外发光二极管(Light Emitting Diode,以下简称LED)因其宽的直接带隙、高热导率、高电子迁移率以及高化学稳定性等优点在民生和军事领域有着巨大的商业价值和应用前景,可用于杀菌、保密通信、医疗以及生化检测等相关领域。目前针对GaN基LED来说,对其蓝光发光效率的提升技术已经相对成熟,而紫外波段发光效率的提升仍是一个难点。对于LED性能的判定,一个重要参数就是内量子效率。为了实现GaN基紫外LED发光的内量子效率提升,有学者提出通过在LED表面生长纳米线阵列的方法来提高紫外发光效率[Lupan O.;Pauporté T.;Viana B.;Tiginyanu I.M.;Ursaki V.V.;CortèsR.Epitaxial Electrodeposition of ZnO Nanowire Arrays on P-GaN for EfficientUV-Light-Emitting Diode Fabrication.ACS Appl.Mater.Interfaces 2010,2,2083–2090];还有学者提出将氧化石墨烯钝化在GaN基LED表层上抑制自发极化从而增加紫外LED的光输出功率[Jeong H.;Jeong S.Y.;Park D.J.;Jeong H.J.;Jeong S.;Han J.T.;JeongH.J.;Yang S.;Kim H.Y.;Baeg K.J.;Park S.J.;Ahn Y.H.;Suh E.K.;Lee G.W.;LeeY.H.;Jeong M.S.Suppressing Spontaneous Polarization of P-GaN by GrapheneOxide Passivation:Augmented Light Output of GaN UV-LED.Sci.Rep.2015,5,1–6]。近年来,又有学者提出利用等离子体激元与平面结构的GaN基LED耦合的方法来实现内量子效率的提高。例如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[专利号:CN110165028 A],在MIS结构的紫外LED中通过蒸镀金属薄膜再退火的方式制备银金属纳米颗粒以形成局域表面等离激元,从而提高器件的内量子效率,增强其发光强度。但这些研究均是通过化学生长或合成的方法进行的,需要复杂的实验步骤和严格的实验环境,同时还引入了新的金属元素,在一定程度上会影响GaN基LED本身的性能。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题,提供一种飞秒激光增强紫外LED内量子效率的方法,该方法通过在GaN基LED表面利用飞秒激光光束进行加工,利用斜入射方式单点烧蚀得到Ga纳米颗粒,基于表面等离子体激元激发调控,实现了紫外波段GaN基LED内量子效率的提升。
为实现上述目的,本发明采用了下述技术方案:
飞秒激光增强紫外LED内量子效率的方法,采用外延生长法制作LED,利用电感耦合等离子体技术刻蚀使得LED的n区和p区均暴露出表面;采用激光斜入射辐照LED的n区和p区聚焦加工,利用激光的高峰值密度和非线性效应诱发材料电离相变,经热分解、熔化、气泡成核和相爆炸作用形成纳米尺寸的金属颗粒;通过表面等离子体激元激发调控,增强局域电磁场,提高紫外波段LED的内量子效率。
所述激光为飞秒激光,优选脉宽小于200fs的飞秒激光。
所述LED的n区和p区中至少有一层所采用材料需具备如下性能:经高温可分解出金属单质;该金属单质在飞秒激光作用下可相爆炸形成纳米尺寸的颗粒,从而增强紫外LED内量子效率。
所述LED的n区和p区可选材料包括GaN、InGaN、AlGaN。
所述的飞秒激光增强紫外LED内量子效率的方法,在激光辐照前于LED表面光刻网状电极以增强紫外光的透射率,即在n区和p区表面镀电极,优选Ti作为粘附层材料,Au作为电极材料。
所述网格状电极的图案为正六边形;
所述六边形网格的中心间距为300μm,线宽为10μm,所沉积的Ti厚度为5nm,Au厚度为2μm;
所述飞秒激光加工方式为单点加工,单脉冲能量为0.7-1.0J/cm2,聚焦前光斑大小为5mm,聚焦透镜为焦距f=150mm的平凸透镜,斜入射角度为45°。
有益效果
1、本发明采用的飞秒激光斜入射单点加工制备GaN基紫外LED的方法,可有效增强紫外波段的光致发光(PL)强度和内量子效率,广泛应用于医疗杀菌、保密通信等领域。
2、本发明所制备的Au网格结构电极对LED覆盖率低,不会影响对后续LED表面的任意选择性加工;且该电极在紫外波段具有高透明性,很好地解决了AZO、ITO等透明电极在紫外波段透射率低的问题,有效增强了LED紫外光的出射率。
3、本发明所述方法简单易行,在不引入新金属杂质的情况下,通过飞秒激光斜入射进行单脉冲加工,利用飞秒激光的高峰值密度和GaN材料自身的高温分解特质,诱发材料经熔化、气泡成核和相爆炸作用形成金属Ga纳米颗粒。该方法避免了其他种类的金属元素引入所带来的不良影响,单步加工即可制造出可产生等离子体激元场增强作用的纳米颗粒,制作工艺简便,可大面积高效加工,易于生产。
附图说明
图1为本发明所述方法加工示意图。
图2为本发明的飞秒激光单点加工后的LED表面形貌图,其中图(a)为显微镜和扫描电镜观测到的形貌图,图(b)为原子力显微镜观测到的形貌图和横切面高度图;
图3为本发明所述方法加工后得到的LED与原始样品的PL强度与内量子效率对比图,其中图(a)为激光加工前后LED样品的PL强度对比,图(b-c)为激光加工前后LED样品的变温PL强度图,图(d)为由图(b,c)提取得到的激光加工前后LED样品的内量子效率对比图。
其中,1-平凸透镜,2-加工结构,3-Au网格透明电极,4-p型GaN,5-InGaN多量子阱,6-n型GaN,7-AlN缓冲层,8-蓝宝石基底。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
飞秒激光增强紫外LED内量子效率的方法,如图1所示:
步骤一:用外延生长法在蓝宝石衬底上生长出GaN基多量子阱LED结构
(1)如图1所示,该LED从上至下依次为p型GaN 4,InGaN多量子阱5,n型GaN 6,AlN缓冲层7,蓝宝石基底8;
(2)使用电感耦合等离子体技术刻蚀暴露出n型GaN层,如图1中台阶型所示,其中p型GaN层的厚度为100nm,InGaN多量子阱的厚度为50nm,n型GaN层的厚度为2μm。
步骤二:金属网格透明电极制备
(1)在LED表面以4000rpm/min的旋涂转速旋涂AR 300-80new增附剂增加疏水性,使用热板以60℃的温度烘烤2分钟,从而避免GaN与光刻胶之间产生缝隙;
(2)旋涂MicroChem LOR 5B抗蚀剂,在热板上以120℃的温度烘烤8分钟;
(3)在一次旋涂的基础上二次旋涂光刻胶AZ 4210,旋涂厚度为2μm,进行热板软烘3分钟,烘烤温度为100℃;
(4)利用紫外光对光刻胶按照网格形状进行图案化激光直写并显影,对下层抗蚀剂层进行底切以便于剥离,为了使网格电极对紫外波段的光透射率最高,选取光刻图案为正六边形,按照线宽10μm、网格中心间距300μm进行图案化直写;
(5)使用电子束蒸发技术将钛薄层作为粘附层沉积到图案化的光刻胶上,沉积厚度5nm,随后进行Au沉积,厚度为2μm;
(6)在室温下使用显影剂超声去除光刻胶,得到Au纳米网格电极,如图1中3所示。
步骤三:飞秒激光加工微纳复合结构
(1)调节光阑大小,使得聚焦前飞秒激光的光斑大小为5mm;
(2)调节偏振片和半波片组合,使激光能量调节至0.7J/cm2;
(3)调节样品前的最后一个反射镜角度,使得飞秒激光与样品之间夹角为45°,以保证产生金属Ga纳米颗粒的区域足够大;
(4)利用焦距f=150mm的平凸透镜1对飞秒激光进行聚焦,调节被加工样品的上下位置使得激光被聚焦于GaN表面;
(5)设置激光器为单点触发模式,移动样品平移台,每触发一次更换新的位置,使得每一个脉冲激光均加工在金属网格电极空隙中的GaN表面,得到中心带有Ga纳米颗粒的微纳复合结构2,该结构在光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜下测得的形貌如图2(a-b)所示。
针对未被飞秒激光加工过的区域和飞秒激光加工过的区域进行常温PL谱(图3(a))和变温PL谱测试(图3(b,c)),利用不同温度下的PL谱积分与低温(5K)时的PL谱积分作比值计算得到了内量子效率,绘图如图3(d)所示。可以发现,经过本发明所述方法加工后的LED在紫外波段的PL强度和内量子效率均显著提高,且避免了其他种类的金属元素引入所带来的不良影响,单步加工即可制造出可产生等离子体激元场增强作用的纳米颗粒,制作工艺简便,可大面积高效加工,易于生产。
本说明书所述的具体实例,对发明的目的、实施方法和有益效果进行了进一步详细说明。但本领域技术人员所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,如LED结构并不局限于文中所述结构,因本方法主要针对样品表面进行加工制备,对于其他内部结构如改变量子阱结构等的GaN基LED,若表面处理方法与本发明雷同,也属于本发明的保护范围。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 (2)
1.飞秒激光增强紫外LED内量子效率的方法,其特征在于:采用外延生长法制作LED,利用电感耦合等离子体技术刻蚀使得LED的n区和p区均暴露出表面;采用激光斜入射辐照LED的n区和p区聚焦加工,利用激光的高峰值密度和非线性效应诱发材料电离相变,经热分解、熔化、气泡成核和相爆炸作用形成纳米尺寸的金属颗粒;通过表面等离子体激元激发调控,增强局域电磁场,提高紫外波段LED的内量子效率;
具体制备方法如下:
步骤一:用外延生长法在蓝宝石衬底上生长出GaN基多量子阱LED结构
(1)该LED从上至下依次为p型GaN,InGaN多量子阱,n型GaN,AlN缓冲层,蓝宝石基底;
(2)使用电感耦合等离子体技术刻蚀暴露出n型GaN,其中p型GaN的厚度为100nm,InGaN多量子阱的厚度为50nm,n型GaN的厚度为2μm;
步骤二:金属网格透明电极制备
(1)在LED表面以4000rpm/min的旋涂转速旋涂AR 300-80new增附剂增加疏水性,使用热板以60℃的温度烘烤2分钟,从而避免GaN与光刻胶之间产生缝隙;
(2)旋涂MicroChem LOR 5B抗蚀剂,在热板上以120℃的温度烘烤8分钟;
(3)在一次旋涂的基础上二次旋涂光刻胶AZ 4210,旋涂厚度为2μm,进行热板软烘3分钟,烘烤温度为100℃;
(4)利用紫外光对光刻胶按照网格形状进行图案化激光直写并显影,对下层抗蚀剂层进行底切以便于剥离,为了使网格电极对紫外波段的光透射率最高,选取光刻图案为正六边形,按照线宽10μm、网格中心间距300μm进行图案化直写;
(5)使用电子束蒸发技术将钛薄层作为粘附层沉积到图案化的光刻胶上,沉积厚度5nm,随后进行Au沉积,厚度为2μm;
(6)在室温下使用显影剂超声去除光刻胶,得到Au纳米网格电极;
步骤三:飞秒激光加工微纳复合结构
(1)调节光阑大小,使得聚焦前飞秒激光的光斑大小为5mm;
(2)调节偏振片和半波片组合,使激光能量调节至0.7J/cm2;
(3)调节样品前的最后一个反射镜角度,使得飞秒激光与样品之间夹角为45°,以保证产生金属Ga纳米颗粒的区域足够大;
(4)利用焦距f=150mm的平凸透镜对飞秒激光进行聚焦,调节被加工样品的上下位置使得激光被聚焦于GaN表面;
(5)设置激光器为单点触发模式,移动样品平移台,每触发一次更换新的位置,使得每一个脉冲激光均加工在金属网格透明电极空隙中的GaN表面,得到中心带有Ga纳米颗粒的微纳复合结构。
2.如权利要求1所述的飞秒激光增强紫外LED内量子效率的方法,其特征在于:所述LED的n区和p区中至少有一层所采用材料需具备如下性能:经高温可分解出金属单质;该金属单质在飞秒激光作用下可相爆炸形成纳米尺寸的颗粒,从而增强紫外LED内量子效率。
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