表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法
【專利摘要】一種表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，包括如下步驟：步驟1：在襯底上依次生長n型InAlGaN層、非摻雜或摻雜的多量子阱層、p型InAlGaN層和電流擴(kuò)展層；步驟2：利用光刻和干法刻蝕工藝在電流擴(kuò)展層上向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)n型InAlGaN層內(nèi)，使其形成GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列；步驟3：在電流擴(kuò)展層上面、在GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的一側(cè)的一部分向下刻蝕，刻蝕深度大于GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的納米孔的深度，形成臺(tái)面；步驟4：利用光刻、蒸發(fā)和帶膠剝離工藝，在電流擴(kuò)展層的一部分上表面制作p電極；步驟5：在臺(tái)面上制作n電極；步驟6：在GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的納米孔中填入多個(gè)外表面包覆有非導(dǎo)電膜的球形金屬納米顆粒，形成核殼金屬納米球?qū)?，完成制備?br> 【專利說明】表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，特別涉及一種表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔 LED的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于發(fā)光二極管具有節(jié)能、環(huán)保，壽命長，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在未來幾年后，發(fā)光 二極管有可能取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明燈具，而進(jìn)入千家萬戶。然而發(fā)光二極管較低 的發(fā)光效率成為了其發(fā)展的主要瓶頸，特別是綠光，紫外波段的發(fā)光二極管。
[0003] 提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率，目前通常采用的主要方法有：襯底圖形化，有源層結(jié) 構(gòu)優(yōu)化，表面粗化，光子晶體等。表面等離激元共振增強(qiáng)技術(shù)能夠提高發(fā)光二極管的自發(fā)輻 射速率和內(nèi)量子效率，是提高其發(fā)光效率的另一有效辦法。其原理是通過金屬-半導(dǎo)體界 面的等離激元與量子肼電子空穴對(duì)的能量耦合，以表面等離激元的模式實(shí)現(xiàn)有效輻射，增 加了光的輻射，從而提高發(fā)光效率。
[0004] 目前利用表面等離激元增強(qiáng)LED電注入發(fā)光效率的方法主要有兩種。第一種方 法，在外延片生長的時(shí)候，在量子肼上幾十納米的位置沉積一層金屬膜或者金屬顆粒，用于 產(chǎn)生表面等離激元耦合，這種方法材料生長質(zhì)量不高，特別是難以避免金屬向量子肼擴(kuò)散； 第二種，通過減小p-GaN厚度來達(dá)到表面等離激元耦合距離，如制備納米柱陣列后沉積金 屬膜或金屬顆粒，這種方法工藝步驟繁瑣，得到的LED開啟電壓大，表面等離激元耦合后的 損耗大，難以實(shí)現(xiàn)發(fā)光效率的大幅提1?。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，提供一種表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，其 可避免和克服上述方法的缺陷，增強(qiáng)表面等離激元有效耦合，減小耦合后的非輻射損耗，實(shí) 現(xiàn)發(fā)光二極管的發(fā)光效率增加。
[0006] 本發(fā)明提供一種表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，包括如下步 驟：
[0007] 步驟1 :在襯底上依次生長η型InAlGaN層、非摻雜或摻雜的多量子阱層、p型 InAlGaN層和電流擴(kuò)展層；
[0008] 步驟2 :利用光刻和干法刻蝕工藝在電流擴(kuò)展層上向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)η型 InAlGaN層內(nèi)，使其形成GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列；
[0009] 步驟3 :在電流擴(kuò)展層上面、在GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的一側(cè)的一部分向下刻 蝕，刻蝕深度大于GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的納米孔的深度，形成臺(tái)面；
[0010] 步驟4 :利用光刻、蒸發(fā)和帶膠剝離工藝，在電流擴(kuò)展層的一部分上表面制作p電 極；
[0011] 步驟5 :在臺(tái)面上制作η電極；
[0012] 步驟6 :在GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的納米孔中填入多個(gè)外表面包覆有非導(dǎo)電 膜的球形金屬納米顆粒，形成核殼金屬納米球?qū)?，完成制備?br> [0013] 本發(fā)明的有益效果是，具有表面等離激元-量子肼耦合距離近，耦合后能量損失 少，工藝步驟少，發(fā)光二極管電學(xué)特性好，發(fā)光效率大大增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說 明，其中：
[0015] 圖1是本發(fā)明的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 請(qǐng)參閱圖1及圖2,本發(fā)明提供一種表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方 法，包括如下步驟：
[0018] 步驟1 :在襯底11上依次生長η型In/lyGazNmO)彡X，y，Z彡1)層15、非摻 雜或摻雜的多量子阱層16、p型InxAlyGaJhuO)彡X，y，z彡1)層17和電流擴(kuò)展層18， 所述的襯底11的材料為藍(lán)寶石、硅、碳化硅、GaN或者玻璃，所述的多量子阱層16的材料為 InAlGaN/InAlGaN，周期為2-10,所述的電流擴(kuò)展層18的材料為ITO、單層或者多層的石墨 烯；
[0019] 步驟2 :利用光刻和干法刻蝕工藝在電流擴(kuò)展層18上向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)η 型In/lyGazNm (0彡X，y，ζ彡1)層15內(nèi)，使其形成GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列12,所述 的GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列12的納米孔深度為0. 2-2 μ m，納米孔的直徑為50nm-700nm， 所述的納米孔相對(duì)納米孔陣列區(qū)域的面積占空比為15% -45%，較大的占空比能夠保證更 多的金屬顆粒填充到孔中，提高增強(qiáng)有效能量耦合；
[0020] 步驟3 :在電流擴(kuò)展層18上面、在GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列12的一側(cè)一部分向 下刻蝕，刻蝕深度大于GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列12的納米孔的深度，形成臺(tái)面14,所述的 臺(tái)面14的形狀為矩形、扇形或叉指形；
[0021] 步驟4 :利用、蒸發(fā)和帶膠剝離工藝，在電流擴(kuò)展層18的一部分13的上表面制作p 電極22,用于LED的空穴注入。在電流擴(kuò)展層18上預(yù)留一部分13再制作p電極能夠保證 P電極平整，滿足電極與半導(dǎo)體較好的歐姆接觸；
[0022] 步驟5 :在臺(tái)面14上制作η電極23,用于LED的電子注入；
[0023] 步驟6 :在GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列12的納米孔中填入多個(gè)外表面包覆有非導(dǎo) 電膜21的球形金屬納米顆粒20,形成核殼金屬納米球?qū)?9,所述的核殼金屬納米球?qū)?9 填充高度至少超過所述的多量子阱層16的高度。發(fā)光二極管在電致發(fā)光時(shí)，通常發(fā)光的是 靠近P型IraiyGaAmO) < X，y，z < 1)層17的量子肼，也就是非摻雜或摻雜的多量子 阱層16的偏上的幾個(gè)量子肼。表面等離激元耦合距離很近，只有在幾十納米范圍內(nèi)才有強(qiáng) 的耦合。因此所述的核殼金屬納米球?qū)?9填充高度必須至少超過所述的多量子阱層16的 高度，以滿足強(qiáng)的表面等離激元耦合效果，實(shí)現(xiàn)發(fā)光增強(qiáng)。所述的金屬納米顆粒20的直徑 為10nm-200nm，金屬納米顆粒20的尺寸大小和形貌影響表面等離激元稱合時(shí)的共振波長， 通過金屬納米顆粒20直徑的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光波長增強(qiáng)峰位的調(diào)節(jié)。所述的金屬納米顆 粒20的外表面包覆的非導(dǎo)電膜21厚度為5nm-30nm，非導(dǎo)電膜21的作用是起到表面鈍化的 作用。非摻雜或摻雜的多量子阱層16耦合到金屬納米顆粒20的能量除了釋放發(fā)出，還會(huì) 損耗掉，非導(dǎo)電膜21能減少這種損耗。非導(dǎo)電膜21還起到絕緣的作用，防止發(fā)光二極管因 p 型 IrixAlyGa^-x-y-JO < X，y，z < 1)層 17 和 η 型 IrixAlyGazNh-y-JO < X，y，z < 1)層 15 電互聯(lián)而短路。另外，非導(dǎo)電膜21厚度的調(diào)節(jié)還能控制能量耦合距離。所述的金屬納米顆 粒20的材料為金、銀或者鋁中的一種或者幾種合金；所述的金屬納米顆粒20的外表面包覆 的非導(dǎo)電膜21材料為氮化硅、氧化硅、氧化鋁或者氧化鉿，完成制備。
[0024] 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，包括如下步驟： 步驟1 :在襯底上依次生長η型InAlGaN層、非摻雜或摻雜的多量子阱層、p型InAlGaN 層和電流擴(kuò)展層； 步驟2:利用光刻和干法刻蝕工藝在電流擴(kuò)展層上向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)η型 InAlGaN層內(nèi)，使其形成GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列； 步驟3 :在電流擴(kuò)展層上面、在GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的一側(cè)的一部分向下刻蝕， 刻蝕深度大于GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的納米孔的深度，形成臺(tái)面； 步驟4 :利用光刻、蒸發(fā)和帶膠剝離工藝，在電流擴(kuò)展層的一部分上表面制作p電極； 步驟5:在臺(tái)面上制作η電極； 步驟6 :在GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的納米孔中填入多個(gè)外表面包覆有非導(dǎo)電膜的 球形金屬納米顆粒，形成核殼金屬納米球?qū)?，完成制備?br> 2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，其中所述 的襯底的材料為藍(lán)寶石、硅、碳化硅、GaN或者玻璃。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，其中所述 的多量子阱層的材料為InAlGaN/InAlGaN，周期為2-10。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，其中所述 的GaN基LED結(jié)構(gòu)納米孔陣列的納米孔深度為0. 2-2 μ m，納米孔的直徑為50nm-700nm，所 述的納米孔相對(duì)納米孔陣列區(qū)域的面積占空比為15% -45%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，其中所述 的電流擴(kuò)展層的材料為ITO、單層或者多層的石墨烯。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，其中所述 的核殼金屬納米球?qū)犹畛涓叨戎辽俪^所述的多量子阱層的高度，所述的金屬納米顆粒的 直徑為10nm-200nm，所述的金屬納米顆粒的外表面包覆的非導(dǎo)電膜厚度為5nm-30nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，其中所述 的金屬納米顆粒的材料為金、銀或者鋁中的一種或者幾種合金；所述的金屬納米顆粒的外 表面包覆的非導(dǎo)電膜的材料為氮化硅、氧化硅、氧化鋁或者氧化鉿。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元增強(qiáng)GaN基納米孔LED的制備方法，其中所述 的臺(tái)面的形狀為矩形、扇形或叉指形。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK104051587SQ201410276182
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】朱石超, 趙麗霞, 于治國, 孫雪嬌, 王軍喜, 李晉閩 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所