CN1921157A - 一种高效率深紫外发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发光二极管技术领域的一种深紫外发光二极管结构。该结构利用了等离激元效应，表面等离激元是光场在导体表面与载流子相互耦合形成的振荡波，表面等离激元的激发、耦合是通过具有周期性结构的金属薄膜来实现的，同时该金属薄膜又具有电极接触的功能。其基本结构是将一般MIS发光二极管的金属部分采用具有可以产生表面等离激元的周期性结构的。

Description

一种高效率深紫外发光二极管

技术领域

本发明涉及发光二极管技术领域，特别是一种利用等离激元效应来提高光发射的量子效率的MIS(金属-绝缘体-半导体结构)深紫外(UV)发光二极管(LED)结构。

背景技术

深紫外(UV)发光二极管(LED)在照明、高密度光存储、环境处理与检测、生物、医药领域的应用十分广泛。

深紫外发光二极管所利用的半导体材料最成熟的是AlGaN(3.4-6.2ev)、AlInGaN(能带范围0.7-6.2ev)体系，ZnMgO(能带范围3.3-7.8ev)体系还处于发展阶段。这两种材料(AlInGaN和AlGaN其实是一种材料体系，下面统称为AlGaN)都面临了P型掺杂极其困难的问题。GaN材料的P型掺杂已经不太容易，随着Al组分的增加，能带宽度增加，发光峰位向紫外移动，同时P型掺杂剂(一般的是镁(Mg)，ZnMgO中一般是氮(N))的空穴离化能增大，使其实现P型导电越来越困难。现在最好的结果是在Al组分为27％的AlGaN中实现了P型导电[8]。要想实现深紫外发光二极管，Al组分为60％左右是比较合适的。显然要实现如此高Al组分的AlGaN的P型导电是相当困难的。

相对来说，AlGaN的N型导电就容易多了。现在已经实现了Al_0.7Ga_0.3N(0.0075Ωcm)和AlN(40Ωcm)的N型导电。[9]

至于ZnMgO体系，由于氮(N)在ZnO中非常不稳定，因此ZnO的可靠有效的P型掺杂离实用还有相当的距离，就更不用说ZnMgO了。ZnO的N型掺杂同样比较容易实现。

4，William L.Barnes，Alain Dereux & Thomas W.Ebbesen，Surfaceplasmon subwavelength optics，Nature 424，824-830(2003).

9，M.L.Nakarmi，K.H.Kim，M.Khizar，Z.Y.Fan，J.Y.Lin，andH.X.Jiang，Electrical and optical properties of Mg-dopedAl0.7Ga0.3N alloys，Appl.Phys.Lett.86，092108(2005)

10，Neogi，A.et al.Enhancement of spontaneous recombination ratein a quantum well by resonant surface plasmon coupling.Phys.Rev.B 66，153305(2002).

发明内容

本发明所利用MIS(金属-绝缘体-半导体)结构不需要制备P型层结构。从而可以降低器件制作的难度，同时提高可靠性。但是传统的MIS(金属-绝缘体-半导体)结构的LED发光效率底下，一般无法与P-N结LED竞争。本发明利用等离激元来提高MIS结构的发光效率，从而为提高深紫外发光二极管发光效率提供了新的途径。

本发明中所涉及的等离激元指的是表面等离激元。表面等离激元是光场在导体表面(一般是金属)与载流子(一般是自由电子)相互耦合形成的振荡波。它可以看作是光场被导体表面所俘获而产生的。在这种情况下，自由电子以集体振荡的形式与光场发生共振。从而形成表面等离激元的独特性质。关于表面等离激元可以参考文献[4]。

本发明主要利用表面等离激元与发光的有源区的耦合减小自发辐射复合时间，从而提高发光复合量子效率。

根据费米黄金定律(Fermi’s golden rule)：[10]

$\frac{1}{\mathrm{\τ}}=\frac{2}{h}{|\⟨f|\stackrel{\→}{d}\·\stackrel{\→}{E}\left({\stackrel{\→}{r}}_e\right)|i\⟩|}^2\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{h\ω}\right)$

τ为自发辐射复合时间；

为复合矩阵元，

为光子态密度。本发明正是利用将表面等离激元与有源区的耦合来增大光子态密度，同时表面等离激元的近场增强效应将增大

(复合矩阵元)，从而减小自发辐射复合时间。

本发明同时利用金属薄膜周期性结构使耦合到表面等离激元中的能量以光的形式发出，而不是随着表面等离激元的衰减而损失，这才使器件的发光效率大大增加。

本发明利用金属薄膜主要是铝(Al)，利用铝(Al)是出于以下考虑：

由于铝(Al)的体等离激元的能量高达15.0ev，因此铝与GaN(ZnO)材料体系的界面表面等离激元能量最大值位与深紫外区域。而且铝是常用的研究表面等离激元的金属，研究比较透彻。金(Au)和银(Ag)由于体等离激元能量较底，不会产生能量在紫外区域的表面等离激元，因此对本发明中的器件的紫外发光没有促进作用。

铝(Al)在半导体器件中是常用的电极材料，使用比较方便。器件基本原理：

电子注入量子阱有源区，发生复合。由于隔离层(spacer)厚度为几到几十纳米(nm)，表面等离激元的作用不可忽视。耦合电子复合将以3种形式发生：辐射复合，激发表面等离激元，非辐射复合。复合时间缩短，复合效率将增加。而非辐射复合将被大大削弱。

由于铝(Al)电极厚度为几到几十纳米，在铝(Al)电极下表面激发的表面等离激元将有一部分耦合到上表面。

如果电极上表面是光滑的，则表面等离激元将大部分被损耗掉。在本发明中，由于铝(Al)电极上表面有周期性的二维结构，上表面的表面等离激元将大部分转化为光发出。

由于表面等离激元使电子在量子阱有源区中复合几率增大，而且大大削弱了非辐射复合，而表面等离激元的能量又可以以光的形式发出。器件的发光效率将大大提高。

技术方案

一种利用等离激元效应来提高光发射的量子效率的MIS(金属-绝缘体-半导体结构)紫外(UV)发光二极管(LED)结构，表面等离激元是光场在导体表面(一般是金属)与载流子(一般是自由电子)相互耦合形成的振荡波，表面等离激元的激发、耦合是通过具有周期性结构的金属薄膜来实现的，同时该金属薄膜又具有电极接触的功能。

所述的周期性结构的金属薄膜是表面等离激元激发区的金属薄膜。

表面等离激元激发区的(见附图1)周期性结构的金属薄膜结构，在金属薄膜的二维平面上(包括金属薄膜与光吸收的有源区一侧的接触面，金属薄膜不于有源区接触的另一表面，或者同时包括两个平面)，存在高度的周期性的变化(即平面的凹凸变化)。

高度的周期性的变化，包括条纹状、环形、网格、周期性的岛等二维结构，该结构对表面等离激元的激发以及转化起决定性作用。

表面等离激元激发区的金属薄膜最薄处厚度应该介于几个纳米(nm)到几十纳米(nm)之间，此时一般才可以产生有效的表面等离激元耦合。

MIS(金属-绝缘体-半导体结构)紫外(UV)发光二极管(LED)结构的MIS中的绝缘体可以是量子阱，也可以是一般MIS发光二极管中的绝缘体(例如同组分的绝缘体)。

表面等离激元激发区的金属薄膜上如果存在ITO(即Indium TinOxide，中文为掺锡氧化铟)等透明氧化物电极，则可以改善电极的电流扩散、减小工作电压、减小器件的发热，从而改善器件性能。存在透明电极与否，都在权利要求之内。

如果，离有源区几到几十纳米(nm)附近有意存在金属结构，则在本发明权利要求之内。因为这与本发明中厚度为几到几十纳米(nm)厚的本征隔离层(spacer)作用相同。

本等离激元增强型深紫外发光二极管的材料体系不仅包括AlGaN体系，还包括ZnMgO体系和AlInGaN(AlGaN体系中添加了铟组分而形成的新的合金体系)体系。如果将本发明移植到ZnMgO体系上，也在权利要求之内。

以下给出本发明发光二极管结构、组成、具体实施方式，

附图说明

下面以AlGaN材料体系为例说明器件的制作、相关结构、功能。

本发明发光二极管的具体结构、组成见附图1，2。

图1为器件结构示意图。

图2为器件结构表面的俯视图。

具体实施方式

图1的器件结构制备的具体实施方法：(以AlGaN为例)

1)先在蓝宝石衬底上生长几个微米厚的n型AlGaN；

2)再在上面生长本征的量子阱有源区，(如Al_0.8Ga_0.2N/Al_0.18Ga_0.82N多量子阱)；

3)多量子阱上生长厚度为几到几十纳米(nm)厚的本征AlGaN的隔离层(spacer，主要作用是在后续工艺中保护量子阱有源区，同时将量子阱有源区中的电子复合耦合到周期性结构电极，以激发表面等离激元)；

4)将一部分AlGaN、量子阱刻蚀掉，直到露出底部n-AlGaN；

5)在露出的n-AlGaN表面上制作欧姆接触的电极；

6)在剩下AlGaN隔离层表面用铝(Al)制作如图2所示的栅状的电极(还可以是环形、网格、周期性的岛等二维结构，厚度为几到几十纳米，二维结构变化的周期一般为数百纳米)。

图1的结构：由下至上依次为：

(1)衬底：如常用的蓝宝石衬底，主要作用是对器件结构起支撑作用，材料的外延生长必须在衬底上才可以进行；

(2)n型区：对氮化物体系，指衬底上的n-AlGaN，它由AlGaN(氮化镓)n型掺杂(一般掺杂剂为硅元素)形成；

(3)有源区：由AlGaN量子阱组成(如Al_0.8Ga_0.2N/Al_0.18Ga_0.82N多量子阱)，是器件的发光区；

(4)隔离区(Spacer)：用于隔离表面等离激元激发区和有源区，由未掺杂的本征AlGaN(i-AlGaN)组成，其厚度为几到几十纳米(nm)，其作用为在后工艺中保护其下面的有源区，使有源区免受污染和破坏；同时，它也起电子势垒的作用，使电子不会过冲过有源区，从而使电子限制在有源区而复合发光，其厚度太厚，将导致有源区与表面等离激元激发区耦合减小，从而使发光效率降低，所以其厚度为几到几十纳米(nm)；

(5)表面等离激元激发区：是有特殊结构的金属铝(Al)薄膜，该金属银薄膜在探测器中起两个作用；首先是与i-AlGaN形成欧姆接触，其次是由于该金属铝层的厚度的设计(最薄处厚度应该介于几个纳米(nm)到几十纳米(nm)之间)，以及它的周期性凹凸结构(条纹状、网格、周期性的岛等二维结构，二维结构变化的周期一般为数百纳米)，这使它在光入射的时候能够激发表面等离激元，从而产生相关的近场光学效应；

(6)欧姆接触：位于n型区上的金属/半导体接触。它用做n型区的欧姆接触。

图2为器件结构表面的俯视图，为方便起见，这里只给出了一种栅状的表面周期性结构，还可以是环形、网格、周期性的岛等二维结构。

图中，深色表示银膜的凸起部分。浅色表示银膜的凹下起部分。

Claims (10)

1.一种深紫外发光二极管，其特征在于：利用等离激元效应来提高光发射的量子效率的MIS紫外发光二极管结构，表面等离激元是光场在导体表面与载流子相互耦合形成的振荡波，表面等离激元的激发、耦合是通过具有周期性结构的金属薄膜来实现的，同时该金属薄膜又具有电极接触的功能。

2，根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于：所述的周期性结构的金属薄膜是表面等离激元激发区的金属薄膜。

3，根据权利要求1或2所述的深紫外发光二极管，其特征在于：表面等离激元激发区的周期性结构的金属薄膜结构，在金属薄膜的二维平面上，存在高度的周期性的变化。

4，根据权利要求3所述的深紫外发光二极管，其特征在于，高度的周期性的变化，包括条纹状、环形、网格、周期性的岛二维结构，该结构对表面等离激元的激发以及转化起决定性作用。

5，根据权利要求1或2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，表面等离激元激发区的金属薄膜最薄处厚度应该介于几个纳米到几十纳米之间，此时一般才可以产生有效的表面等离激元耦合。

6，根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，金属-绝缘体-半导体结构紫外发光二极管结构的MIS中的发光区的绝缘体可以是量子阱，也可以是一般MIS发光二极管中的绝缘体。

7，根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，金属薄膜上如果存在ITO透明氧化物电极，则可以改善电极的电流扩散、减小工作电压、减小器件的发热，从而改善器件性能。

8，根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，如果，离有源区几到几十纳米附近有意存在金属结构，则在本发明权利要求之内，因为这与厚度为几到几十纳米厚的本征隔离层作用相同。

9，根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，等离激元增强型深紫外发光二极管的材料体系不仅包括AlGaN体系，还包括ZnMgO和AlInGaN体系。

10、根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征的主要结构在于，结构：由下至上依次为：

(1)衬底：如常用的蓝宝石衬底，主要作用是对器件结构起支撑作用，材料的外延生长必须在衬底上才可以进行；

(2)n型区：对氮化物体系，指衬底上的n-AlGaN，它由AlGaNn型掺杂形成；

(3)有源区：由AlGaN量子阱组成，是器件的发光区；

(4)隔离区：用于隔离表面等离激元激发区和有源区，由未掺杂的本征AlGaN组成，其厚度为几到几十纳米，其作用为在后工艺中保护其下面的有源区，使有源区免受污染和破坏；同时，它也起电子势垒的作用，使电子不会过冲过有源区，从而使电子限制在有源区而复合发光，其厚度太厚，将导致有源区与表面等离激元激发区耦合减小，从而使发光效率降低，所以其厚度为几到几十纳米；

(5)表面等离激元激发区：是有特殊结构的金属铝薄膜，该金属银薄膜在探测器中起两个作用；首先是与i-AlGaN形成欧姆接触，其次是由于该金属铝层的厚度的设计，以及它的周期性凹凸结构，这使它在光入射的时候能够激发表面等离激元，从而产生相关的近场光学效应；

(6)欧姆接触：位于n型区上的金属/半导体接触，它用做n型区的欧姆接触；

表面周期性结构，还可以是环形、网格、周期性的岛二维结构。