一種紫外發(fā)光二極管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種紫外發(fā)光二極管，包括由下至上依次設(shè)置的襯底、AlN緩沖層、n型AlGaN層、第一金屬層、多重量子阱層、第二金屬層、電子阻擋層和p型層，在p型層的上表面的一部分區(qū)域設(shè)置一個p型金屬電極，第一金屬層設(shè)置在n型AlGaN層的上表面的一部分區(qū)域，在n型AlGaN層的上表面的另一部分區(qū)域設(shè)置一個n型金屬電極。本發(fā)明采用將金屬納米粒子層制備于LED有源區(qū)的多量子阱兩側(cè)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，得以充分地利用等離子體激元效應(yīng)，從而可以有效地增強(qiáng)深紫外LED的內(nèi)量子效率，對制備高功率深紫外LED具有重要的意義。
【專利說明】一種紫外發(fā)光二極管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紫外發(fā)光二極管，屬于發(fā)光二極管(LED)芯片制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]LED是一種新型固體光源，與傳統(tǒng)熒光燈、白熾燈相比，它具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點。近年來，波長在220?350nm的深紫外LED，因其在空氣凈化、信息安全、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力，受到世界的普遍關(guān)注。
[0003]與可見光LED相比，深紫外LED本身及其制備技術(shù)還存在許多問題。近年來，有研究者利用金屬表面等離子激元技術(shù)來增強(qiáng)可見光LED的內(nèi)量子效率，得到了很顯著的效果，但由于下述原因，尚未在紫外LED上得到應(yīng)用。
[0004]表面等離子體激元效應(yīng)(surface plasmon resonance, SPR)是指當(dāng)特定波長的光照射到金屬時，金屬中的電子將在電場的作用下發(fā)生集體振蕩。如果將金屬制備成納米顆粒，當(dāng)特定波長的光照射到金屬納米顆粒上時，金屬納米顆粒中的電子將產(chǎn)生集體振蕩，而這種振蕩將被局限在相應(yīng)的納米顆粒中，稱之為局域表面等離子體振蕩(local surfaceP lasmon resonance, LSPR)效應(yīng)。相比于SPR效應(yīng)，由于金屬納米顆粒的表面曲率半徑極小，LSPR效應(yīng)可以使得金屬納米顆粒表面附近空間中的局域電磁場得到極大地增強(qiáng)，這種效應(yīng)最顯著的光學(xué)表現(xiàn)就是增強(qiáng)光散射和光吸收，從而使金屬納米顆粒的吸收譜中產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收峰。LSPR共振吸收峰的峰值對應(yīng)波長對于納米顆粒的大小、形狀、顆粒間的間距、介電環(huán)境和介電特性非常的敏感。
[0005]目前表面等離子體在LED領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的金屬是金和銀，它們與量子阱耦合的范圍均為可見光波段，對紫外光的增強(qiáng)效果不明顯。對于深紫外LED，有報道稱在P型GaN上鍍一層鋁膜可以有效地提高出光效率，但由于P型GaN的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬與量子阱的耦合厚度，所以作者將這種增強(qiáng)歸結(jié)于對外量子效率的增強(qiáng)。為了利用表面等離子效率增強(qiáng)內(nèi)量子效率，必須使金屬與量子阱的耦合厚度小于P型GaN的厚度，但為了得到良好的歐姆接觸，P型GaN的厚度又不能太薄，這就要求我們對現(xiàn)有的深紫外LED結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)。
[0006]當(dāng)表面等離子體激元靠近量子阱時(IOOnm以內(nèi))，會與量子阱中的電子空穴對產(chǎn)生振蕩耦合，從而加快量子阱中電子與空穴的輻射復(fù)合速率，據(jù)推算可以達(dá)到原來的數(shù)十倍之多，從而能大大提高LED的內(nèi)量子效率(IQE)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種紫外發(fā)光二極管，以了提高紫外LED的內(nèi)量子效率，從而增強(qiáng)紫外LED的發(fā)光亮度；本發(fā)明為了充分利用表面等離子激元效應(yīng)，采用在多重量子阱的上下兩側(cè)分別制備金屬納米顆粒構(gòu)成的等離子激元層的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，一方面可以克服現(xiàn)有技術(shù)中金屬等離子激元與量子阱有源區(qū)相距較遠(yuǎn)，導(dǎo)致耦合效應(yīng)較弱的缺點；另一方面，采用上下對稱的金屬等離子激元結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有的單側(cè)金屬等離子激元結(jié)構(gòu)，能更加有效地與量子阱中的電子空穴對產(chǎn)生振蕩耦合，從而大幅提高紫外LED的內(nèi)量子效率。
[0008]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]一種紫外發(fā)光二極管，包括由下至上依次設(shè)置的襯底、AlN緩沖層、η型AlGaN層、第一金屬層、多重量子阱層、第二金屬層、電子阻擋層和P型層，在P型層的上表面的一部分區(qū)域設(shè)置一個P型金屬電極，第一金屬層設(shè)置在η型AlGaN層的上表面的一部分區(qū)域，在η型AlGaN層的上表面的另一部分區(qū)域設(shè)置一個η型金屬電極。
[0010]所述第一金屬層和第二金屬層由金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)構(gòu)成；可以是鋁或其他金屬的納米顆粒結(jié)構(gòu)，也可以是合金的納米顆粒結(jié)構(gòu)。所述金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)按陣列排布形成第一金屬層和第二金屬層，金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)陣列可以是周期性分布或非周期性分布的，也可以是圖形化陣列或其他一些形狀。通過調(diào)節(jié)金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)的尺寸、金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)陣列的排列密度和形狀尺寸，可以對不同發(fā)光波長的深紫外發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率進(jìn)行優(yōu)化。
[0011]優(yōu)選的，所述第一金屬層和第二金屬層通過真空電子束蒸鍍方法分別制備在η型AlGaN層和多重量子阱層的上表面上。
[0012]優(yōu)選的，所述多重量子阱層(5)的第一層壘的厚度為10?lOOnm。
[0013]優(yōu)選的，所述P型層⑶為P型AlGaN、P型GaN、P型InAlGaN或其他。
[0014]優(yōu)選的，所述電子阻擋層(7)為AlGaN、InAlGaN及其超晶格結(jié)構(gòu)或其他。
[0015]有益效果:本發(fā)明提供的紫外發(fā)光二極管，由于采用在有源區(qū)多重量子阱上下兩側(cè)同時加入金屬納米顆粒層的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，且金屬納米顆粒層與量子阱的距離很近，使得金屬表面等離子激元與多重量子阱之間的耦合效應(yīng)較強(qiáng)，從而能夠更有效地提高紫外LED的內(nèi)量子效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的紫外LED結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的紫外LED結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明中，當(dāng)上下兩側(cè)金屬表面等離子激元接近量子阱時，與量子阱中的電子空穴對產(chǎn)生振蕩耦合的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0020]如圖1所示為一種紫外發(fā)光二極管，包括由下至上依次設(shè)置的襯底1、AlN緩沖層
2、η型AlGaN層3、第一金屬層4、多重量子阱層5、第二金屬層6、電子阻擋層7和ρ型層8，在P型層8的上表面的一部分區(qū)域設(shè)置一個ρ型金屬電極9，第一金屬層4設(shè)置在η型AlGaN層3的上表面的一部分區(qū)域，在η型AlGaN層3的上表面的另一部分區(qū)域設(shè)置一個η型金屬電極10 ;所述第一金屬層4和第二金屬層6由金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)的尺寸、金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)陣列的排列密度和形狀尺寸，對不同發(fā)光波長的深紫外發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率進(jìn)行優(yōu)化。
[0021 ] 下面就本案的制備過程加以說明。
[0022]I)首先采用MOCVD制備紫外LED外延片:選擇藍(lán)寶石，碳化硅或硅作為襯底I在其上依次制備AlN緩沖層2和η型AlGaN層3，然后采用真空電子束蒸鍍的方法，在η型AlGaN層3上沉積鋁納米顆粒陣列。沉積鋁納米顆粒陣列工藝步驟如下:首先進(jìn)行編程，將所要沉積的鋁膜厚度設(shè)為5-10nm，然后通過電子槍轟擊對應(yīng)的鋁靶，使其受熱蒸發(fā)并吸附在η型AlGaN層3上，形成金屬鋁膜，即第一金屬層4。然后在真空電子束蒸發(fā)系統(tǒng)反應(yīng)腔內(nèi)直接進(jìn)行原位退火形成鋁納米顆粒陣列，退火溫度為300攝氏度，退火時間為5min。
[0023]2)在第一金屬層4上再用MOCVD法生長多重量子阱5，多重量子阱5的第一層壘厚度為20?lOOnm，目的是為了以氮化物完全覆蓋并抹平鋁納米顆粒陣列層，從而在其上形成適合量子阱生長的平臺。多重量子阱層5生長完成后，接著再采用真空電子束蒸鍍的方法，按照與上述的第一金屬層4同樣的工藝步驟，在多重量子阱5上生長相同的鋁納米顆粒陣列層，即第二金屬層6，最后，再用MOCVD法生長電子阻擋層7和ρ型層8。
[0024]3)在經(jīng)步驟I)和2)得到的產(chǎn)物的基礎(chǔ)上制作電極，具體步驟為:
[0025]采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)刻蝕出η型AlGaN臺面，并通過光刻、真空電子束蒸鍍及快速熱退火等工藝技術(shù)分別在η型AlGaN和ρ型GaN上形成歐姆接觸，從而完成整個紫外LED芯片的制備。
[0026]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種紫外發(fā)光二極管，其特征在于:包括由下至上依次設(shè)置的襯底(I)、AlN緩沖層(2)、n型AlGaN層(3)、第一金屬層(4)、多重量子阱層(5)、第二金屬層(6)、電子阻擋層(7)和P型層(8)，在P型層(8)的上表面的一部分區(qū)域設(shè)置一個P型金屬電極(9)，第一金屬層⑷設(shè)置在η型AlGaN層(3)的上表面的一部分區(qū)域，在η型AlGaN層(3)的上表面的另一部分區(qū)域設(shè)置一個η型金屬電極(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述第一金屬層(4)和第二金屬層(6)由金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:通過調(diào)節(jié)金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)的尺寸、金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)陣列的排列密度和形狀尺寸，對不同發(fā)光波長的深紫外發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率進(jìn)行優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述第一金屬層(4)和第二金屬層(6)為周期性分布或非周期性分布的金屬納米球。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述第一金屬層(4)和第二金屬層(6)通過真空電子束蒸鍍方法分別制備在η型AlGaN層(3)和多重量子阱層(5)的上表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述多重量子阱層(5)的第一層魚的厚度為10?lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述P型層(8)為P型AlGaN、P 型 GaN 或 P 型 InAlGaN0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述電子阻擋層(J)為AlGaN、InAlGaN或超晶格結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01L33/06GK103928579SQ201410163987
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】張 雄, 梁天慧, 崔一平 申請人:東南大學(xué)