CN209947852U - 基于Tamm等离激元的氮化物绿光器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及基于Tamm等离激元的氮化物绿光器件，该绿光器件利用Tamm等离激元来提高绿光器件的发光效率，在器件结构上通过在有源区下方采用分布布拉格反射镜(DBR)，并在有源区的上面设置p型接触层，并通过控制p型接触层的厚度以及p型接触层与DBR间的距离，使p型接触层与DBR之间形成谐振腔并与产生的Tamm等离激元耦合，设置p型接触层位于Tamm等离激元谐振模式的波节处，有源层位于Tamm等离激元谐振模式的波腹处，从而提高了内量子效率，大幅减小p型接触层对光的吸收，以及提高绿光器件中有源层发射光子与谐振腔光场的耦合效率从而提高器件的光萃取效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种基于Tamm等离激元的氮化物绿光器件。
背景技术
随着氮化物半导体材料生长技术的成熟以及LED制造工艺的稳定，铟镓氮(InGaN)可见光LED的发光效率和寿命都得到了大幅提高。目前，InGaN蓝光LED的最大内量子效率已超过90％。绿光器件在大屏幕显示、指示和装饰等领域有很大的市场需求。同时，高效的绿光LED也是避免stoke损耗最终实现流明效率突破300lm/W的高显指纯半导体白光LED的关键。然而，当提高InGaN中铟组分使波长达到500-570nm的绿光波段时，绿光器件的内量子效率发生显著下降，从而降低发光效率。目前提高绿光器件的发光效率，主要从提高内量子效率或者提高光萃取效率两方面入手。
利用金属层或金属微纳结构产生的表面等离激元可提高绿光器件的发光效率，其原理一个是利用表面等离激元与InGaN有源区中激子耦合提高器件的内量子效率，另一个是利用表面等离激元与产生的光子间的耦合作用来提高光子的出射，即提高光萃取。然而，在绿光器件上采用的金属层对量子阱的发光存在着较大的吸收，而采用纳米金属颗粒可以降低对发光的吸收，但是纳米金属颗粒的大小和分布的均匀性很难保证，这大大影响了表面等离激元的作用波长与绿光器件中产生光子的发射波长的匹配，因此很难有效提高绿光器件的发光效率。
实用新型内容
针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的首要目的是提供基于Tamm等离激元谐振模式的氮化物绿光器件。本申请提出利用Tamm等离激元来提高绿光器件的发光效率，在结构上通过在有源区下方采用分布布拉格反射镜(DBR)，在器件的表面采用金属层作为p型接触层，并通过控制金属层的厚度以及金属层与DBR间的距离，使金属层与DBR之间形成谐振腔并与产生的Tamm等离激元耦合。与单纯的表面等离激元不同，本发明的结构可以将金属层置于谐振腔模式的波节处，从而将金属层对发光的吸收降到最低。该结构提高绿光器件的发光效率原理一是利用Tamm等离激元与绿光器件有源区中激子的耦合，提高有源区的内量子效率；二是通过控制金属层的厚度以及金属层与DBR间的距离，将金属层置于Tamm等离激元谐振模式的波节处，同时，将有源区置于Tamm等离激元谐振模式的波腹处，从而大幅减小金属层对光的吸收，以及提高绿光器件中有源区发射光子与谐振腔光场的耦合效率从而提高器件的光萃取效率。
基于上述目的，本实用新型至少包括如下技术方案：
基于Tamm等离激元的氮化物绿光器件，其包括依次层叠的衬底、氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、氮化物DBR、绿光有源层、p型氮化镓层以及p型接触层；其中，所述p型氮化镓层的厚度为5～50nm，所述p型接触层位于Tamm等离激元谐振模式的波节处，所述绿光有源层位于所述Tamm等离激元谐振模式的波腹处。
进一步的，所述氮化物DBR与所述p型接触层之间的距离满足：
其中，nDBR是氮化物DBR的有效折射率，LDBR是光在氮化物DBR中的穿透深度，nmed是p型接触层与DBR之间的层的有效折射率，dmed是p型接触层与氮化物DBR间的距离，dmetal是光在p型接触层中的穿透深度，λ是发光的波长。
进一步的，所述氮化物DBR由氮化物DBR对构成，所述氮化物DBR对由氮化铝和氮化镓对或者铝镓氮和氮化镓对构成，所述氮化物DBR的对数范围为20～40。
进一步的，所述氮化物DBR对中每一层的厚度为四分之一的光学波长厚度，形成的高反射带中心波长范围为500-570nm。
进一步的，所述绿光有源层是异质结、量子阱或量子点中的一种，所述绿光有源区的发光中心波长范围为500～570nm。
进一步的，Tamm等离激元谐振模式波长与绿光有源层发光的中心波长相差15nm以内，所述绿光有源层的发光中心波长与所述氮化物DBR的高反射带中心波长相差小于等于30nm。
进一步的，所述p型接触层为Ag、Ni/Ag以及ITO/Ag中的一种，所述p型接触层为Ag时，Ag的厚度为10～40nm；所述p型接触层为Ni/Ag时，Ni的厚度为0.1～5nm，Ag的厚度为10～40nm；所述p型接触层为ITO/Ag时，ITO的厚度为0.1～10nm，Ag的厚度为10～40nm。
进一步的，所述氮化物绿光器件为mesa结构，所述mesa结构暴露部分所述n型GaN层。
进一步的，还包括电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述mesa结构的表面，覆盖所述p型接触层以及部分所述n型GaN层。
进一步的，所述p型氮化镓层的厚度为20nm；所述绿光有源层从下到上为GaN1、InGaN以及GaN2，所述GaN1、InGaN以及GaN2的厚度分别为109nm、2nm以及21nm，或者所述所述GaN1、InGaN以及GaN2的厚度分别为109nm、2nm以及125nm。
与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：
(1)本发明采用的p型接触层除了与p型氮化镓层可形成接触外，该p型接触层与氮化物DBR间相互作用形成Tamm等离激元模式，该Tamm等离激元模式会影响绿光有源区的发光，可大幅提高绿光有源区的内量子效率。
(2)本发明通过控制绿光有源区和p型氮化镓层的厚度，即p型接触层与氮化物DBR层间的距离，将p型接触层置于Tamm等离激元谐振模式的波节处，同时将有源区置于Tamm等离激元谐振模式的波腹处，使Tamm等离激元模式波长与绿光有源区中发光的中心波长相差15nm以内时，可提高绿光有源区中发出的光子从器件中的出射。
附图说明
图1是本实用新型氮化物绿光器件的结构示意图。
图2是本实用新型氮化物绿光器件的制备流程示意图。
图3是本实用新型产生Tamm等离激元的氮化物绿光器件的发光效率随金属Ag层厚度的变化情况。
图4是本实用新型产生Tamm等离激元的氮化物绿光器件的发光效率随DBR与金属Ag层间距离的变化情况。
具体实施方式
为使本实用新型的内容更加清晰，下面结合附图对本实用新型的内容作进一步说明。本实用新型不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。
本实用新型基于Tamm等离激元谐振模式的氮化物绿光器件的结构如图1所示，其包括依次层叠的衬底101、GaN缓冲层102、n型GaN层103、氮化物DBR104、绿光有源层105、p型GaN层106以及p型接触层201，衬底101可以是蓝宝石衬底。该氮化物绿光器件具有mesa结构，电流阻挡层401位于mesa结构的表面覆盖部分p型接触层、mesa结构侧壁以及部分n型氮化镓层103，电流阻挡层401中具有第一开口以及第二开口，第一开口以及第二开口中分别设置金属电极402，设置p型接触层位于Tamm等离激元谐振模式的波节处，从而将金属层对发光的吸收降到最低，绿光有源层位于Tamm等离激元谐振模式的波腹处，从而使p型接触层与氮化物DBR间相互作用，形成Tamm等离激元模式，该Tamm等离激元模式会影响绿光有源区的发光，大幅提高绿光有源区的内量子效率。
本实用新型氮化物绿光器件的制备流程如图2所示：
(1)提供一衬底101，该衬底可以是蓝宝石衬底，在该衬底上利用MOCVD技术生长氮化镓基外延层，氮化镓基外延层从下到上依次为氮化镓缓冲层102、n型氮化镓层103、氮化物DBR104、绿光有源层105、p型氮化镓层106。
(2)利用电子束沉积或磁控溅射技术在上述氮化镓基外延层上沉积p型接触层201，考虑欧姆接触的形成、p型接触层对光的吸收以及实现Tamm等离激元，选用Ag、Ni以及ITO中的至少一种作为p型接触层的材料；而对于绿光波段，Ag作为反射材料，在降低对光的吸收以及形成Tamm等离激元方面效果显著，优选Ag作为p型接触层的材料；依据该绿光器件对p型接触层的需求特点，p型接触层可以是Ag、Ni/Ag以及ITO/Ag中的一种。
(3)利用LED芯片工艺在上述沉积完p型接触层结构的基础上，利用湿法腐蚀对p型接触层201进行部分腐蚀，再通过干法刻蚀至n型氮化镓层103形成mesa结构。
(4)利用等离子体增强化学气相沉积方法在上述mesa结构的表面制备电流阻挡层401，电流阻挡层401中设置有第一开口以及第二开口，以覆盖部分p型接触层、mesa结构侧壁以及部分n型氮化镓层103，然后在第一开口以及第二开口中沉积金属电极402。电流阻挡层401优选SiO2绝缘层。
其中，氮化物DBR104由氮化物DBR对构成，优选氮化铝和氮化镓对或者铝镓氮和氮化镓对构成，氮化物DBR对中每一层的厚度为四分之一的光学波长厚度，氮化物DBR对数范围为20到40对，形成的高反射带中心波长范围为500-570nm。相比较于现有的介质膜DBR，在器件有源层的底部设置介质膜DBR，则需要通过去除衬底并对氮化物材料进行刻蚀及抛光，从而将介质膜DBR沉积于器件的底部，工艺复杂，且较难实现。而本发明氮化物DBR104选用氮化铝以及氮化镓材料，可以在外延生长器件的工艺中直接生长该氮化物DBR，制备工艺简单，不会对器件带来额外的损伤。另外，采用氮化物DBR能够很方便对有源区以及p型接触金属层在光场中的位置进行调控，而在氮化物发光器件中采用介质膜DBR则很难实现。
通过控制绿光有源区和p型氮化镓层的厚度使Tamm等离激元模式波长与绿光有源区的发光中心波长相差15nm以内，以提高绿光有源区中发出的光子从器件中的出射。设置P型氮化镓层106的厚度范围为5～50nm。
绿光有源层105可以是异质结、量子阱以及量子点中的一种，有源层的发光中心波长范围为500～570nm。且绿光有源区的发光中心波长与氮化物DBR的高反射带中心波长相差小于等于30nm，可提高绿光有源区中发出的光子从LED中出射。
P型接触层201选用金属Ag时，金属Ag的厚度范围为10nm到40nm；P型接触层201选用金属Ni/Ag双层结构时，金属Ni/Ag中Ni的厚度范围为0.1nm到5nm,Ag的厚度范围为10nm到40nm；P型接触层201选用ITO/Ag双层结构时，ITO的厚度范围为0.1nm到10nm，Ag的厚度范围为10nm到40nm。通过控制p型接触层的厚度以及p型接触层与氮化物DBR间的距离，将p型接触层置于Tamm等离激元谐振模式的波节处，同时，将有源区置于Tamm等离激元谐振模式的波腹处，从而大幅减小金属层对光的吸收，以及提高绿光器件中有源区发射光子与谐振腔光场的耦合效率从而提高器件的光萃取效率。
其中，氮化物DBR与p型接触层之间的距离、氮化物DBR各层厚度以及p型接触层厚度满足以下关系：
其中，nDBR是氮化物DBR的有效折射率，LDBR是光在氮化物DBR中的穿透深度，nmed是p型接触层与DBR之间的层的有效折射率，dmed是p型接触层与氮化物DBR间的距离，dmetal是光在p型接触层中的穿透深度，λ是发光的波长。
从而使p型接触层位于Tamm等离激元谐振模式的波节处，绿光有源层位于Tamm等离激元谐振模式的波腹处，p型接触层中的金属与氮化物DBR间相互作用形成了Tamm等离激元模式，该Tamm等离激元模式会影响绿光有源区的发光，可大幅提高绿光有源区的内量子效率。
实施例1
本实施例的基于Tamm等离激元谐振模式的氮化物绿光器件的结构包括依次层叠的蓝宝石衬底、氮化镓缓冲层102、n型氮化镓层103、氮化物DBR104、绿光有源层105、p型氮化镓层106、p型接触层201的多层结构，该多层结构为mesa结构，在mesa结构的表面覆盖有电流阻挡层，电流阻挡层的中设置有第一开口以及第二开口，第一开口以及第二开口中分别设置有金属电极。
在该实施例中，氮化物DBR104由35对的氮化铝和氮化镓组成，其中每层氮化铝和氮化镓的厚度分别为56.3nm和69.2nm，对应的折射率分别为2.4和1.95。所述氮化物DBR的高反射中心波长为540nm；所述绿光有源层结构从下到上为GaN1和InGaN和GaN2，所述GaN1、InGaN和GaN2的厚度分别为109nm，2nm和21nm，其中GaN层和InGaN层的折射率分别为2.4和2.55，所述绿光有源区的发光中心波长为541.0nm。所述p型氮化镓层的厚度为20nm。
P型接触层选用金属Ag层，金属Ag层的厚度为30nm。如图3所示为本发明产生Tamm等离激元的氮化物绿光器件的发光效率随金属Ag层厚度的变化情况，可以看出实施例所采用的30nm厚的金属Ag层可以使器件的发光效率处于较大值。
上述氮化物DBR、选用Ag的p型接触层以及氮化物DBR与p型接触层之间的距离满足以下关系：
其中，nDBR是DBR的有效折射率，LDBR是光在DBR中的穿透深度，nmed是金属层与DBR之间的中间层的有效折射率，dmed是金属Ag层与DBR间的距离，dmetal是光在金属Ag层中的穿透深度，λ是发光的波长。实施例1所采用的结构中，根据构成DBR的对数和各层的折射率可以计算出DBR的有效折射率和DBR中的穿透深度；根据金属Ag层与DBR间的各层结构和对应的折射率可以计算出中间层的有效折射率；根据金属Ag层厚度和折射率可以计算出金属Ag层中的穿透深度。实施例1所给的各层结构的厚度和折射率可以使发光波长、金属层与DBR间的距离满足上述关系，从而使该结构产生Tamm等离激元，该Tamm等离激元与有源区的激子有很好的耦合效果。经过该耦合效果，绿光LED器件的内量子效率高达73.0％。此外，如图4所示为本发明产生Tamm等离激元的氮化物绿光器件的发光效率随DBR与金属Ag层间距离的变化情况。通过计算，当DBR与金属Ag层间距离满足图中所示震荡的波腹处时可实现高的器件发光效率。实施例1中氮化物DBR与实施例1中金属Ag层之间的距离为152nm，可以使绿光LED器件的发光效率接近于如图4所示的第一个震荡波腹，比无表层金属Ag和氮化物DBR结构的对比样品提高了2.12倍。
实施例2
本实施例的基于Tamm等离激元谐振模式的氮化物绿光器件的结构包括依次层叠的蓝宝石衬底、氮化镓缓冲层102、n型氮化镓层103、氮化物DBR104、绿光有源层105、p型氮化镓层106、p型接触层201的多层结构，该多层结构为mesa结构，在mesa结构的表面覆盖有电流阻挡层，电流阻挡层的中设置有第一开口以及第二开口，第一开口以及第二开口中分别设置有金属电极。
在该实施例中，氮化物DBR104由35对的氮化铝和氮化镓组成，其中每层氮化铝和氮化镓的厚度分别为56.3nm和69.2nm，对应的折射率分别为2.4和1.95。所述氮化物DBR的高反射中心波长为540nm；所述绿光有源层结构从下到上为GaN1和InGaN和GaN2，所述GaN1、InGaN和GaN2的厚度分别为109nm，2nm和125nm，其中GaN层和InGaN层的折射率分别为2.4和2.55，所述绿光有源区的发光中心波长为528.0nm。所述p型氮化镓层的厚度为20nm。
P型接触层选用金属Ag层，金属Ag层的厚度为30nm。氮化物DBR与金属Ag层之间的距离，氮化物DBR各层厚度、金属Ag层厚度满足以下关系：
其中，nDBR是DBR的有效折射率，LDBR是光在DBR中的穿透深度，nmed是金属层与DBR之间的中间层的有效折射率，dmed是金属Ag层与DBR间的距离，dmetal是光在金属Ag层中的穿透深度，λ是发光的波长。实施例2所采用的结构中，根据构成DBR的对数和各层的折射率可以计算出DBR的有效折射率和DBR中的穿透深度；根据金属Ag层与DBR间的各层结构和对应的折射率可以计算出中间层的有效折射率；根据金属Ag层厚度和折射率可以计算出金属Ag层中的穿透深度。实施例2所给的各层结构的厚度和折射率可以使发光波长、金属层与DBR间的距离满足上述关系。经过该结构产生Tamm等离激元，并与有源区中激子发生耦合，使绿光LED器件的内量子效率可达60.1％。实施例2中氮化物DBR与实施例2中金属Ag层之间的距离为256nm，可以使绿光LED器件的发光效率接近于如图4所示的第二个震荡波腹，比无表层金属Ag和氮化物DBR结构的对比样品提高了2.51倍。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于Tamm等离激元的氮化物绿光器件，其特征在于，其包括依次层叠的衬底、氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、氮化物DBR、绿光有源层、p型氮化镓层以及p型接触层；其中，所述p型氮化镓层的厚度为5～50nm，所述p型接触层位于Tamm等离激元谐振模式的波节处，所述绿光有源层位于所述Tamm等离激元谐振模式的波腹处。
2.根据权利要求1的所述氮化物绿光器件，其特征在于，所述氮化物DBR与所述p型接触层之间的距离满足：
其中，nDBR是氮化物DBR的有效折射率，LDBR是光在氮化物DBR中的穿透深度，nmed是p型接触层与DBR之间的层的有效折射率，dmed是p型接触层与氮化物DBR间的距离，dmetal是光在p型接触层中的穿透深度，λ是发光的波长。
3.根据权利要求1或2的所述氮化物绿光器件，其特征在于，所述氮化物DBR由氮化物DBR对构成，所述氮化物DBR对由氮化铝和氮化镓对或者铝镓氮和氮化镓对构成，所述氮化物DBR的对数范围为20～40。
4.根据权利要求3的所述氮化物绿光器件，其特征在于，所述氮化物DBR对中每一层的厚度为四分之一的光学波长厚度，形成的高反射带中心波长范围为500-570nm。
5.根据权利要求1-2、4之一的所述氮化物绿光器件，其特征在于，所述绿光有源层是异质结、量子阱或量子点中的一种，所述绿光有源区的发光中心波长范围为500～570nm。
6.根据权利要求5的所述氮化物绿光器件，其特征在于，Tamm等离激元谐振模式波长与绿光有源层发光的中心波长相差15nm以内，所述绿光有源层的发光中心波长与所述氮化物DBR的高反射带中心波长相差小于等于30nm。
7.根据权利要求3的所述氮化物绿光器件，其特征在于，所述p型接触层为Ag、Ni/Ag以及ITO/Ag中的一种，所述p型接触层为Ag时，Ag的厚度为10～40nm；所述p型接触层为Ni/Ag时，Ni的厚度为0.1～5nm，Ag的厚度为10～40nm；所述p型接触层为ITO/Ag时，ITO的厚度为0.1～10nm，Ag的厚度为10～40nm。
8.根据权利要求1-2、4、6-7之一的所述氮化物绿光器件，其特征在于，所述氮化物绿光器件为mesa结构，所述mesa结构暴露部分所述n型GaN层。
9.根据权利要求8的所述氮化物绿光器件，其特征在于，还包括电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述mesa结构的表面，覆盖所述p型接触层以及部分所述n型GaN层。
10.根据权利要求5的所述氮化物绿光器件，其特征在于，所述p型氮化镓层的厚度为20nm；所述绿光有源层从下到上为GaN1、InGaN以及GaN2，所述GaN1、InGaN以及GaN2的厚度分别为109nm、2nm以及21nm，或者所述GaN1、InGaN以及GaN2的厚度分别为109nm、2nm以及125nm。
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