專利名稱：一種led三維光子晶體結(jié)構(gòu)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電子器件制備技術(shù)，特別涉及一種LED三維(3D)光子晶體結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,以下簡稱LED)在信號顯不、背光源和固態(tài)照明領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用，尤其以III一 V族化合物氮化鎵(GaN)材料為基礎(chǔ)的LED應(yīng)用較多，技術(shù)更為成熟。但是目前LED的發(fā)光效率仍然達(dá)不到理想的水平，所以采用光子晶體來提高LED的發(fā)光效率是一個重要的研究領(lǐng)域。自John和Yabolonivitchl987年提出光子晶體的概念以來，光子晶體不僅成為微納光電子學(xué)和量子光學(xué)的重要研究領(lǐng)域，而且在信息光學(xué)以及其他多個學(xué)科中得到廣泛應(yīng)用。光子晶體被認(rèn)為是控制光子(電磁波)傳播的行之有效的工具，光子晶體的典型特點是具有光子帶隙。當(dāng)物 質(zhì)的自發(fā)輻射頻率處在光子帶隙內(nèi)時，它可以用于抑制光子晶體內(nèi)的物質(zhì)的自發(fā)輻射。三維光子晶體結(jié)構(gòu)具有潛在的光學(xué)特性，最引人矚目的是可以獲得完全的光子帶隙，在該結(jié)構(gòu)中某一能量范圍，光子不能在任意方向傳播。有了這種特性，三維光子晶體允許我們抑制不需要的自發(fā)輻射，并且可以控制光流。所有這些特性在科學(xué)上都具有重要的應(yīng)用價值。由于光子晶體諸多的優(yōu)異特性，人們在光子晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制備工藝方面做了大量的研究工作。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提出“一種三維光子晶體的制備方法”(中國專利CN101724909A，2010.06.09)，即先用SiO2或SiN做出掩膜版，再將圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底上，接著外延單晶硅并平坦化外延層表面，沉積掩膜層、光刻刻蝕、氧離子注入并退火等形成第二層SiO2，重復(fù)上述步驟η次，直至構(gòu)建完成三維光子晶體結(jié)構(gòu)。常州大學(xué)提出的“一種三維光子晶體的制備方法”(中國專利CN102517551A，2012.06.27)，是采用濺射或原子層沉積的方法制備CuN/氮化物相間的多層膜，在多層膜上采用飛秒激光掃描，制備三維光子晶體。M.Notomi (M.Notomi, T.Tamamura, T.Kawashima, and S.Kawakam1.Drilledalternating-layer three-dimensional photonic crystals having a fullphotonicband gap.Applied Physics Letters.77，4256 (2000))也提出將 SiO2 與 Si 依次沉積，然后進(jìn)行干法刻蝕制備三維光子晶體。納米壓印(Nanoimprint Lithography, NIL)是一種全新微納圖形化的方法,該技術(shù)突破了傳統(tǒng)光刻在特征尺寸減小過程中的難題，具有高分辨率、低成本、高產(chǎn)率的特點。自1995年提出以來，獲得了很好的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。以往的文獻(xiàn)涉及的是將二維光子晶體應(yīng)用于LED，而上述專利僅涉及三維光子晶體制備方法，并沒有將三維光子晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于LED的報道以及與納米壓印技術(shù)相結(jié)合的制備工藝
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種三維光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案以及制備工藝，以提高LED的發(fā)光效率，并控制LED光的出射角度。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:一種LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括襯底、n-GaN層、有源層、p-GaN層，其特征在于，所述P-GaN層上表面刻蝕有多個直徑為200nm 800nm的圓柱孔洞形成3D光子晶體單元陣列，圓柱孔洞之間形成等邊三角形排布，邊長a的取值范圍為400nm 1800nm ;圓柱孔洞底部與有源層的距離h小于40nm，圓柱孔洞內(nèi)從底部往上交替沉積兩種折射率不同的材料至孔洞上部，其中下層材料為折射率小于I的導(dǎo)電金屬材料，上層材料為折射率大于4的單晶或半導(dǎo)體材料，最后由一層不與強(qiáng)酸堿反應(yīng)的導(dǎo)電金屬材料將孔洞封口。上述方案中，所述圓柱孔洞底部與有源層的距離h為20nm。所述圓柱孔洞的直徑為350nm 450nm ;所述邊長a為550nm 700nm。所述折射率小于I的導(dǎo)電金屬材料為Cu、Ag或Au ;所述折射率大于4的單晶或半導(dǎo)體材料為S1、GaAs、Ge、InP或Sb2S3 ;所述用于孔洞封口不與強(qiáng)酸堿反應(yīng)的導(dǎo)電金屬材料為Ag或Au。 前述LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)的制備工藝，其特征在于，包括下述步驟:(I)在LED外延芯片的p-GaN上表面采用PECVD法沉積一層SiO2，再在其上涂上一層壓印膠；(2)制備3D光子晶體單元陣列壓印模版，在壓印膠上壓印出所需圖形；(3)先將3D光子晶體單元陣列刻蝕到SiO2上，然后刻蝕到P-GaN上，刻蝕形成的圓柱孔洞底部與有源層之間的距離h〈40nm ；(4)孔洞內(nèi)底部沉積一層折射率較小于I的導(dǎo)電金屬材料，然后在其上沉積一層折射率大于4的單晶或半導(dǎo)體材料；(5)重復(fù)步驟(4)，兩種材料從底部往上交替沉積至孔洞上部；最后由一層不與強(qiáng)酸堿反應(yīng)的導(dǎo)電金屬材料將孔洞封口；(6)用強(qiáng)酸堿溶液清洗LED的p-GaN表面，除去表面不需要的SiO2層。上述工藝中，所述的SiO2層的厚度為200nm。所述壓印膠厚度為500 700nm。所述步驟(5)兩種材料沉積的厚度分別為20 40nm。所述將孔洞封口的導(dǎo)電金屬材料的厚度為30 45nm。本發(fā)明LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:1、LED的GaN表面單元分布采用等邊三角形，每個單元形狀為圓柱孔洞的光子晶體結(jié)構(gòu)，相對于矩形、六角形的光子晶體對光的控制具有更加明顯的效果。2、光子晶體的圓柱孔洞底部與有源發(fā)光層(MQW等)之間的距離h〈40nm，并且底部沉積的物質(zhì)為折射率較小的金屬材料，這樣能使光子晶體耦合出有源層的能量，表現(xiàn)出表面等離子體的效果，從而提高LED的發(fā)光效率。3、光子晶體圓柱孔洞內(nèi)兩種不同折射率材料的交替沉積,是為了更易獲得全向光子帶隙，提高三維光子晶體對光的控制能力。本發(fā)明三維光子晶體結(jié)構(gòu)的制備工藝的優(yōu)點是:1、采用納米壓印、干法刻蝕以及氣相沉積的方式，相對于其他的三維光子晶體制備方法，具有更高的精度。到目前為止，納米壓印工藝的精度可以控制在IOnm之內(nèi)，電子束沉積工藝可以控制在Inm范圍內(nèi)。制備出的三維光子晶體結(jié)構(gòu)尺寸精度高，有利于分析、控制和提聞二維光子晶體的性能。2、光子晶體的圓柱孔洞的頂部沉積不活潑材料，可方便清洗GaN表面的沉積物，從而簡化了制備工藝，相對于其他的三維光子晶體的制備方法，有利于應(yīng)用推廣。


下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖1是本發(fā)明LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:I—p-GaN，2—刻蝕孔洞與有源層的距離h，3—有源層，4一n-GaN，5—襯底，6—頂層沉積的不活潑材料，7—上層材料，8 一下層材料，圖2是圖1的俯視圖。圖中:a_單兀間距，d_圓孔直徑。圖3是本發(fā)明三維光子晶體的制備工藝流程圖。圖4是按圖3工藝流程的光子晶體結(jié)構(gòu)變化示意圖。圖中:9一壓印膠，IO-SiO2層。其中:a圖為原始LED的外延芯片；b圖為壓印后的結(jié)構(gòu)示意圖；c圖為圖案刻蝕到SiO2層的不意圖；d圖為清洗掉壓印I父的結(jié)構(gòu)不意圖；e圖為圖案刻蝕到GaN層的不意圖；f圖為沉積了一層材料8的示意圖；g圖為沉積了一層材料7的示意圖；h圖為交替沉積材料7、8的不意圖；i圖為沉積了一層材料6的不意圖；j圖為清洗SiO2層后的結(jié)構(gòu)不意圖。圖5是本發(fā)明提供的光子能帶(a圖)和透射譜(b圖)。 圖6是本發(fā)明LED三維光子晶體的光輸出功率曲線。圖7是本發(fā)明LED三維光子晶體的內(nèi)量子效率曲線。
具體實施例方式參見圖1、圖2，一種LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括襯底5、n_GaN層4、有源層3、p-GaN層I。ρ-GaN層上表面刻蝕有多個直徑為200nm 800nm的圓柱孔洞形成3D光子晶體單元陣列，每個圓柱孔洞相互之間形成等邊三角形，邊長a的取值范圍為400nm 1800nm ;圓柱孔洞底部與有源層3的距離2為h〈40nm。h的取值計算公式如下:
權(quán)利要求
1.一種LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括襯底、n-GaN層、有源層、P-GaN層，其特征在于，所述P-GaN層上表面刻蝕有多個直徑為200nm 800nm的圓柱孔洞形成3D光子晶體單元陣列，圓柱孔洞之間形成等邊三角形排布，邊長a的取值范圍為400nm 1800nm ；圓柱孔洞底部與有源層的距離h小于40nm，圓柱孔洞內(nèi)從底部往上交替沉積兩種折射率不同的材料至孔洞上部,其中下層材料為折射率小于I的導(dǎo)電金屬材料,上層材料為折射率大于4的單晶或半導(dǎo)體材料，最后由一層不與強(qiáng)酸堿反應(yīng)的導(dǎo)電金屬材料將孔洞封口。
2.如權(quán)利要求1所述的LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓柱孔洞底部與有源層的距尚h為20nm。
3.如權(quán)利要求1所述的LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓柱孔洞的直徑為350nm 450nm ;所述邊長 a 為 550nm 700nm。
4.如權(quán)利要求1所述的LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述折射率小于I的導(dǎo)電金屬材料為Cu、Ag或Au ;所述折射率大于4的單晶或半導(dǎo)體材料為S1、GaAs、Ge、InP或Sb2S3 ;所述用于孔洞封口不與強(qiáng)酸堿反應(yīng)的導(dǎo)電金屬材料為Ag或Au。
5.一種權(quán)利要求1所述LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)的制備工藝，其特征在于，包括下述步 驟: (1)在LED外延芯片的ρ-GaN上表面采用PECVD法沉積一層SiO2,再在其上涂上一層壓印膠； (2)制備3D光子晶體單元陣列壓印模版，在壓印膠上壓印出所需圖形； (3)先將3D光子晶體單元陣列刻蝕到SiO2上，然后刻蝕到ρ-GaN上，刻蝕形成的圓柱孔洞底部與有源層之間的距離h〈40nm ； (4)孔洞內(nèi)底部沉積一層折射率較小于I的導(dǎo)電金屬材料，然后在其上沉積一層折射率大于4的單晶或半導(dǎo)體材料； (5)重復(fù)步驟(4)，兩種材料從底部往上交替沉積至孔洞上部；最后由一層不與強(qiáng)酸堿反應(yīng)的導(dǎo)電金屬材料將孔洞封口； (6)用強(qiáng)酸堿溶液清洗LED的p-GaN表面，除去表面不需要的SiO2層。
6.如權(quán)利要求5所述的LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)的制備工藝，其特征在于，所述的SiO2層的厚度為200nm。
7.如權(quán)利要求5所述的LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)的制備工藝，其特征在于，所述壓印膠厚度為500 700nm。
8.如權(quán)利要求5所述的LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)的制備工藝，其特征在于，所述步驟(5)兩種材料沉積的厚度分別為20 40nm。
9.如權(quán)利要求5所述的LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)的制備工藝，其特征在于，所述將孔洞封口的導(dǎo)電金屬材料的厚度為30 45nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種LED三維光子晶體結(jié)構(gòu)及制備方法，其特征在于，采用納米壓印技術(shù)、蒸鍍技術(shù)以及氣相沉積技術(shù)等相結(jié)合的工藝制備，p-GaN層上表面刻蝕有多個圓柱孔洞形成3D光子晶體單元陣列，圓柱孔洞相互之間形成等邊三角形排布，圓柱孔洞底部與有源層的距離h小于40nm，圓柱孔洞內(nèi)從底部往上交替沉積兩種折射率不同的材料至孔洞上部，最后由一層不活潑固體材料將孔洞封口。該三維光子晶體不僅能耦合出有源層中的能量，提高LED的發(fā)光效率，而且能夠產(chǎn)生更好的光子帶隙，增強(qiáng)對光出射的波長和方向的控制能力，全面提高LED的光學(xué)性能。
文檔編號H01L33/26GK103219443SQ201310104850
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者云峰, 趙宇坤 申請人:西安交通大學(xué)