CN114583031A - 一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro‑LED，包括有源区、p型AlGaN层和金属纳米颗粒结构；所述有源区设置于p型AlGaN层下方；所述p型AlGaN层包括基材和多个栅柱，各栅柱等距设置在基材上，相邻的栅柱之间形成光栅槽；所述金属纳米颗粒结构设置于光栅槽内，所述金属纳米颗粒结构的高度为50nm‑90nm。本发明能够实现有源区的共振耦合，当金属纳米颗粒的高度为90nm时，有源区附近电场强度增强相对值为1.7，相比于现有的紫外Micro‑LED，具备更高的内量子效率，因而可以提升本申请的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管技术领域，具体涉及一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED。
背景技术
微型发光二极管(Micro-LED)与传统LED的发光原理相同，都是在正向偏压的作用下，空穴和电子运动至有源区辐射复合发光。Micro-LED器件的尺寸为微米级，即对传统LED器件进行了微小化与阵列化，因此Micro-LED具备了体积小、节能性好、高发光效率等优良特性。除了在可见光通信、生物医学等领域有着广泛的应用，Micro-LED显示技术在各界也受到了高度重视，利用紫外LED加上量子点材料进行光转换可以实现全彩化技术，因此对于紫外Micro-LED来说，具备较高的发光效率对于显示功能具有重要作用。
目前，高效率的蓝/绿光Micro-LED器件在工艺上已经可以实现，但是Micro-LED在紫外波段的发光效率仍不能得到很好的提高。
AlGaN材料作为第三代半导体材料的一员，通过调节其铝组分，禁带宽度可从3.4eV调节至6.2eV，这意味着AlGaN基LED的发光波长可覆盖紫外波段，是制作紫外Micro-LED 的理想材料。然而AlGaN基紫外LED面临着高铝组分带来的外延层高位错密度等问题，这导致了紫外LED的量子效率得不到很好的提升，不能满足器件在高发光效率方面的应用。
因此，本申请利用局域表面等离激元(Localized Surface Plasmons，LSPs)的特性，提出一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，以解决目前存在的一些问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，一定程度上提高了该类型Micro-LED的发光效率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，包括有源区、p型AlGaN层和金属纳米颗粒结构；
所述有源区设置于p型AlGaN层下方；
所述p型AlGaN层包括基材和多个栅柱，各栅柱等距设置在基材上，相邻的栅柱之间形成光栅槽；
所述金属纳米颗粒结构设置于光栅槽内；
所述金属纳米颗粒结构的高度为50nm-90nm
进一步地，所述金属纳米颗粒结构的高度为90nm。
进一步地，所述金属纳米颗粒的材料为铝。
进一步地，所述金属纳米颗粒设置为三棱柱形状，三棱柱宽度为150nm。
进一步地，所述p型AlGaN层折射率为2.5。
进一步地，所述p型AlGaN层设置为周期性光栅结构，所述周期性光栅结构的周期长度为300nm。
进一步地，所述光栅槽槽深为40nm，各光栅槽的底面积之和与各栅柱的底面积之和相等。
进一步地，所述基材的高度为15nm；所述栅柱的高度为40nm。
进一步地，所述有源区底面设置为正方形，所述正方形尺寸为3μm×3μm。
本发明具备的有益效果：
本发明基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED的发光效率与内量子效率有关，通过设置有源区、p型AlGaN层和金属纳米颗粒结构，当有源区产生的光子通过p型AlGaN层发射到外界时，若该发光频率与金属纳米颗粒结构中金属的等离子体共振频率一致，则会激发金属纳米颗粒结构中的金属产生等离子体共振现象，从而增强金属周围的电场强度，若有源区位于电场增强区域内，则将提高本发明紫外Micro-LED的内量子效率。
本发明通过调节金属纳米颗粒结构的高度，使其等离子体共振波长移至紫外波段，实现与有源区的共振耦合，从而使有源区附近电场强度增强相对值最高达到1.7,从而使本发明紫外Micro-LED具备较高的内量子效率，从而提升发光效率。
附图说明
图1为本发明基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED的一种实施例二维结构示意图；
图2为本发明具有不同高度的金属纳米颗粒结构的紫外Micro-LED中不同波长入射光的归一化的光吸收率关系的一种实施例曲线图；
图3为本发明金属纳米颗粒结构为90nm时，紫外Micro-LED中电场强度的一种实施例空间分布图；
图4为本发明不同高度的金属纳米颗粒结构的紫外Micro-LED中有源区电场强度增强相对值的一种实施例折线图；
图5为本发明具有不同高度的金属纳米颗粒结构的紫外Micro-LED中不同波长入射光的归一化的光吸收率关系的一种实施例曲线图；
图6为本发明不同高度的金属纳米颗粒结构的紫外Micro-LED中有源区电场强度增强相对值的一种实施例折线图；
图7为本发明金属纳米颗粒结构为15nm时，紫外Micro-LED中电场强度空间分布的一种实施例折线图；
1、有源区，2、p型AlGaN层，3、金属纳米颗粒结构，21、基材，22、栅柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种基于局域表面等离激元(Localized Surface Plasmons，LSPs)耦合增强的紫外Micro-LED，参考图1，包括有源区1、p型AlGaN层2和金属纳米颗粒结构3。有源区1设置于p型AlGaN层2下方；p型AlGaN层2包括基材21和多个栅柱22，各栅柱22 等距设置在基材上21，相邻的栅柱22之间形成光栅槽；金属纳米颗粒结构3设置于光栅槽内。
应用中，所述金属纳米颗粒结构的高度为50nm-90nm，此时有源区附近电场强度增强相对值最大，为1.7。
本发明通过调节金属纳米颗粒结构的高度，使其等离子体共振波长移至紫外波段，实现与有源区的共振耦合，从而使有源区附近电场强度增强相对值最高达到1.7，相比于现有的紫外Micro-LED，本发明的紫外Micro-LED具备更高的内量子效率，从而提升发光效率。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供的基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED的p型AlGaN层2折射率为2.5，p型AlGaN层2设置为周期性光栅结构，所述周期性光栅结构的周期长度为300nm。
此外，p型AlGaN层2的高度为55nm，其中基材的高度为15nm，栅柱的高度为40nm。各光栅槽槽深为40nm，各光栅槽的底面积之和与各栅柱的底面积之和相等。有源区1底面设置为正方形，正方形尺寸为3μm×3μm。
应用中，金属纳米颗粒3的材料为铝。银和金的局域等离子体共振频率一般位于可见光区域，而铝的局域等离子体共振频率位于紫外和可见光区域，能够与紫外波段的光发生共振耦合，因此本实施例只能选用铝。
本实施例应用时，金属纳米颗粒3设置为三棱柱形状，宽度为150nm，相比于立方体金属纳米颗粒，三棱柱形状的金属纳米颗粒更有利于将吸收的能量转为光能发散到空气中，从而提高本实施例的光提取效率。
应用时，金属纳米颗粒结构的高度为90nm，此时有源区附近电场强度增强相对值最高达到1.7。
实施例3
在实施例1或2的基础上，本实施例提供的基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED的发光效率与内量子效率(Internal Quantum Efficiency,IQE)和光提取效率有关，其中光提取效率与发光材料的外部结构有关。根据费米黄金定则，由于局域表面等离激元(LSPs)与有源区的耦合产生强电场，使得电场强度增强，从而提高了能量耦合局域表面等离激元的速率，进而提高了紫外Micro-LED的内量子效率，具体参考(1)-(2)式：
其中，IQE为基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED内量子效率，klsp为能量耦合进表面等离激元的速率，krad为辐射复合速率，knon为非辐射复合速率，d为电子空穴对的动量，a为金属与介质层的交界面相对于有源区的距离，ρlsp(hν)为局域表面等离激元的光子态密度， E(a)为局域表面等离激元在有源区附近的电场强度。
应用中，利用仿真软件，设置金属纳米颗粒结构3的高度依次从30nm增加到90nm，在 p型AlGaN层2的底部设置散射边界条件，模拟有源区1发出的入射光，且入射光的波长依次从270nm变化到350nm，以观察金属纳米颗粒结构3的高度、入射光的波长以及归一化光吸收率之间的关系。参考图2可知，随着金属纳米颗粒结构3的高度逐渐增大，入射光的吸收峰逐渐蓝移。例如，在金属纳米颗粒结构3的高度为50nm时，吸收峰由UVA波段(波长 320～400nm)蓝移至UVB波段(波长280～320nm)，由此可知，通过调节金属纳米颗粒结构3的高度能够有效调控LSPs的共振波长。
本实施例应用时，利用仿真软件，设置金属纳米颗粒结构3的高度为90nm，在p型AlGaN 层2的底部设置散射边界条件，模拟有源区1发出的入射光，以观察本实施例基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED的电场强度的空间分布。参考图3可知，在金属纳米颗粒结构3的底部电场强度明显增强，且有源区1附近的电场强度也存在增强现象，由此可知，金属纳米颗粒结构3的高度为90nm时，本实施例能够激发LSPs耦合。
应用时，利用仿真软件，设置金属纳米颗粒结构3为铝纳米颗粒结构，铝纳米颗粒结构形状设置为三棱柱，三棱柱底边长150nm，且将金属纳米颗粒结构3的高度依次从30nm增加到90nm，在p型AlGaN层2的底部设置散射边界条件，模拟有源区1发出的入射光，以观察有源区附近的增强相对值与金属纳米颗粒结构3的高度之间的关系。参考图4可知，金属纳米颗粒结构3的高度从30nm增加到90nm时，有源区1附近电场强度增强相对值从1 增加到1.7，由此可见，铝纳米颗粒结构中激发产生的LSPs能够与有源区产生共振耦合，从而增强有源区附近的电场强度，从而增强本实施例的内量子效率。
本实施例应用时，利用仿真软件，设置金属纳米颗粒结构3为铝纳米颗粒结构，铝纳米颗粒结构形状设置为立方体，立方体底边长150nm，且将金属纳米颗粒结构3的高度依次从 10nm增加到25nm，在p型AlGaN层2的底部设置散射边界条件，模拟有源区1发出的入射光，以观察立方体形状的金属纳米颗粒结构3与本实施例的内量子效率的关系。参考图5可知，金属纳米颗粒结构3的高度从10nm变化到25nm时，吸收峰逐渐蓝移。参考图6可知，金属纳米颗粒结构3的高度从10nm变化到25nm时，有源区1附近电场强度增强相对值呈先增加后降低的趋势；例如，当金属纳米颗粒结构3的高度为15nm时，有源区1附近电场强度增强相对值达到1.4。参考图7可知，金属纳米颗粒结构3的高度为15nm时，有源区1附近区域有明显的电场增强现象。
综上实施例，本发明可见金属纳米颗粒结构的形状为三棱柱时，三棱柱高度为90nm时，有源区附近电场强度增强相对值能够具有较大值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。且在本发明的附图中，填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。
Claims (9)
1.一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，包括有源区（1）、p型AlGaN层（2）和金属纳米颗粒结构（3）；
所述有源区（1）设置于p型AlGaN层（2）下方；
所述p型AlGaN层（2）包括基材（21）和多个栅柱（22），各栅柱（22）等距设置在基材上（21），相邻的栅柱（22）之间形成光栅槽；
所述金属纳米颗粒结构（3）设置于光栅槽内；
所述金属纳米颗粒结构（3）的高度为50nm-90nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，所述金属纳米颗粒结构（3）的高度为90nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，所述金属纳米颗粒（3）的材料为铝。
4.根据权利要求1所述的一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，所述金属纳米颗粒设置为三棱柱形状，三棱柱宽度为150nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，所述p型AlGaN层（2）折射率为2.5。
6.根据权利要求1所述的一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，所述p型AlGaN层（2）设置为周期性光栅结构，所述周期性光栅结构的周期长度为300nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，所述光栅槽槽深为40nm，各光栅槽的底面积之和与各栅柱的底面积之和相等。
8.根据权利要求1所述的一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，所述基材（21）的高度为15nm；所述栅柱（22）的高度为40nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于LSPs耦合增强的紫外Micro-LED，其特征在于，所述有源区（1）底面设置为正方形，所述正方形尺寸为3μm×3μm。
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