可見光通信用單芯片白光led及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于照明光源領域，涉及一種可見光通信用單芯片白光LED及其制備方法，特別涉及一種高光效、高帶寬的可見光通信用表面等離激元增強白光LED及其制備方法。
【背景技術】
[0002]白光LED節(jié)能環(huán)保、壽命可靠，通過加載人眼無法感測的高速調制信號傳送數(shù)據，可以在兼顧照明的同時實現(xiàn)可見光無線通信的功能。不過，LED的頻率響應也直接決定了可見光通信系統(tǒng)的調制帶寬和傳輸速度。
[0003]目前廣泛采用藍光芯片與黃色稀土熒光粉結合而獲得白光LED，受熒光粉響應速度所限，LED的調制帶寬很低。盡管加入藍色濾光片可以改善調制特性，但卻直接影響了接收強度和傳輸距離。而使用紅綠藍(RGB)三色LE:D作為VLC系統(tǒng)光源，不僅成本上升而且三色芯片因光衰減不同易產生變色現(xiàn)象，相應的調制電路也更加復雜。單芯片白光LED由于調制速率不受熒光粉轉換的限制，可以滿足可見光通信用高光效、高帶寬的光源需求。
[0004]采用級聯(lián)藍、黃光量子阱的方式可以獲得單芯片白光LED，不過其缺點是黃光很弱且量子阱區(qū)存在較大應變難以獲得較高的內量子效率，因此，目前器件的白光顏色和發(fā)光效率都不好。表面等離激元共振增強技術能夠提高發(fā)光二極管的自發(fā)輻射速率和內量子效率，通過金屬納米顆粒與有源區(qū)內電子空穴對的有效耦合，可以增加載流子復合通道，從而顯著降低載流子的復合壽命，提高LED的調制帶寬。因此，利用表面等離激元選擇性地增強黃光發(fā)光區(qū)的輻射復合，并通過遂道結薄層級聯(lián)藍、黃光多量子阱提高藍光區(qū)的空穴注入能力，有望獲得一種高光效、高帶寬的雙波段復合型可見光通信用單芯片白光光源。

【發(fā)明內容】

[0005]為達到上述目的，本發(fā)明提供一種可見光通信用單芯片白光LED及其制備方法，本發(fā)明可以得到一種高光效、高帶寬的雙波段可見光通信用單芯片白光光源。
[0006]根據本發(fā)明的一方面，提供一種可見光通信用單芯片白光LED，所述LED包括:
[0007]襯底；
[0008]緩沖層，形成于所述襯底的上表面；
[0009]η型半導體層，形成于所述緩沖層的上表面，所述η型半導體層的一側向下形成有臺面，所述臺面的深度小于所述η型半導體層的厚度；
[0010]復合發(fā)光區(qū)，形成于所述η型半導體層除臺面外的上表面；
[0011]ρ型半導體層，形成于所述復合發(fā)光區(qū)的上表面；
[0012]透明導電層，形成于所述ρ型半導體層的上表面；
[0013]ρ電極和η電極，分別形成于所述透明導電層和η型半導體層的一側臺面上。
[0014]可選地，所述襯底為藍寶石、硅、碳化硅或玻璃。
[0015]可選地，所述緩沖層包括GaN形核層和形成于所述GaN形核層上表面的非故意摻雜GaN層。
[0016]可選地，所述復合發(fā)光區(qū)包括藍光、黃光雙波段有源區(qū)，兩有源區(qū)之間以遂道結串耳關。
[0017]可選地，所述ρ型半導體層為具有嵌入式表面等離激元結構的ρ型半導體層。
[0018]根據本發(fā)明的另一方面，還提供一種可見光通信用單芯片白光LED的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0019]步驟1，在襯底上形成緩沖層；
[0020]步驟2，在所述緩沖層上形成η型半導體層；
[0021]步驟3，在所述η型半導體層上表面上形成復合發(fā)光區(qū)；
[0022]步驟4，在所述復合發(fā)光區(qū)的上表面上形成ρ型半導體層，完成外延片制備；
[0023]步驟5，在所述外延片的一側向下刻蝕至η型半導體層形成臺面，其中，所述臺面的深度小于所述η型半導體層的厚度；
[0024]步驟6，通過光刻、ICP刻蝕工藝在所述ρ型半導體層內形成GaN基LED納米柱或納米孔陣列；
[0025]步驟7，在納米柱或納米孔的刻蝕間隙填充金屬納米顆粒；
[0026]步驟8，對納米柱間隙或納米孔陣列內壁旋涂絕緣介質形成絕緣填充層，并反刻蝕所述絕緣填充層，直至完全露出納米柱或納米孔陣列的頂端，形成具有嵌入式表面等離激元結構的P型半導體層；
[0027]步驟9，在所述具有嵌入式表面等離激元結構的ρ型半導體層的上表面形成透明導電層；
[0028]步驟10，在所述透明導電層和η型半導體層的一側臺面上分別形成ρ電極和η電極。
[0029]可選地，所述步驟1進一步包括:先在襯底上低溫生長GaN形核層，再高溫生長非故意摻雜GaN層的步驟。
[0030]可選地，所述步驟3進一步包括在所述η型半導體層的上表面上依次形成藍光發(fā)光區(qū)、串聯(lián)遂道結和黃光發(fā)光區(qū)的步驟。
[0031]可選地，所述步驟7中，填充金屬顆粒通過蒸鍍薄層金屬并退火或涂覆化學法制備的金屬顆粒溶液經干燥實現(xiàn)，金屬顆粒為金、銀、鋁或其合金，且在黃光區(qū)存在強烈共振吸收。
[0032]可選地，所述步驟8中，所述絕緣介質為S0G或ΡΜΜΑ。
[0033]本發(fā)明獨創(chuàng)性地將級聯(lián)藍、黃光量子阱技術和表面等離激元共振增強技術結合起來，在外延片中直接引入藍光、黃光雙波段量子阱以及串聯(lián)遂道結薄層來增強藍光區(qū)的空穴注入，并通過表面等離激元的近距離耦合提高黃光發(fā)光層的自發(fā)輻射效率，可以有效改善高In組分量子阱材料質量較差、發(fā)光微弱的情況，從而提升黃光出射比例獲得高品質白光。同時，該芯片的頻率響應和調制速率將不再受熒光粉轉換的限制，可以滿足可見光通信用高光效、高帶寬的光源需求。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明可見光通信用單芯片白光LED的縱剖面結構示意圖；
[0035]圖2為本發(fā)明可見光通信用單芯片白光LED的制備方法流程圖。
【具體實施方式】
[0036]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0037]根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供一種可見光通信用單芯片白光LED，其芯片結構包括依次層疊的襯底、緩沖層、η型半導體層、白光發(fā)光層和具有表面等離激元微納結構的ρ型半導體層，以及透明導電層和Ρ、η電極。所述白光發(fā)光層由黃、藍光兩發(fā)光區(qū)復合而成，其中每個發(fā)光區(qū)由相應波段的多量子阱(或量子點)構成，兩發(fā)光區(qū)之間以重摻雜的遂道結如n++InGaN/p++GaN隧道結串聯(lián)。所述ρ型半導體層，其位置靠近黃光發(fā)光區(qū)，為刻蝕深度接近有源區(qū)的納米孔或納米柱陣列，經填充金屬納米顆粒和旋涂絕緣介質構成嵌入式表面等離激元微納結構。
[0038]所述ρ型半導體層納米孔或納米柱陣列為通過電子束曝光、聚苯乙烯微球等方式獲得的掩膜經干法刻蝕或納米壓印制備，其深度典型值為距離黃光有源區(qū)10?50nm，其納米孔徑或柱子間隙的典型值為50?lOOOnm。所填充的金屬納米顆粒為金、銀、招或其合金，其在黃光區(qū)存在強烈共振吸收。所旋涂的絕緣介質為S0G或者PMMA。
[0039]圖1給出了根據本發(fā)明一實施例的基于表面等離激元實現(xiàn)單芯片白光的可見光通信用LED結構，如圖1所示，所述LED包括:
[0040]襯底10 ；
[0041]在本發(fā)明一實施例中，所述襯底10為(0001)向拋光藍寶石，可以使用圖形襯底技術制作，其它可用于外延襯底的還包括硅、碳化硅或玻璃等材料。
[0042]緩沖層11，形成于所述襯底10的上表面；
[0043]在本發(fā)明一實施例中，所述緩沖層11進一步包括GaN形核層和形成于所述GaN形核層上表面的非故意摻雜GaN層。
[0044]η型半導體層12，形成于所述緩沖層11的上表面，所述η型半導體層12的一側向下形成有臺面，所述臺面的深度小于所述η型半導體層12的厚度；
[0045]在本發(fā)明一實施例中，所述η型半導體層12為η型GaN，其η型摻雜劑為娃燒。
[0046]其中，所述臺面的形狀可以為矩形、扇形或者叉指形。
[0047]復合發(fā)光區(qū)13，形成于所述η型半導體層12除臺面外的上表面；
[0048]在本發(fā)明一實施例中，所述復合發(fā)光區(qū)13由下至上依次包括藍光發(fā)光區(qū)14、串聯(lián)遂道結15和黃光發(fā)光區(qū)16，也就是說，所述復合發(fā)光區(qū)13由藍光、黃光雙波段有源區(qū)組成，兩有源區(qū)之間以遂道結如n InGaN/p GaN險道結串聯(lián)，以提尚監(jiān)光區(qū)的空穴注入能力。其中，所述串聯(lián)遂道結15為高摻雜n++InGaN/p++GaN薄層，該層p++GaN部分生長在藍光發(fā)光區(qū)14上，而黃光發(fā)光區(qū)16則生長在n++InGaN部分上；每一發(fā)光區(qū)所包含的多量子講MQW為InGaN薄層和GaN薄層交互堆疊形成的3?8周期多量子講結構。
[0049]ρ型半導體層17，形成于所述復合發(fā)光區(qū)13的上表面；
[0050]在本發(fā)明一實施例中，所述ρ型半導體層17的ρ型摻雜劑為二茂鎂。所述ρ型半導體層17的結構是金屬顆粒能否有效發(fā)揮表面等離激共振增強效應的關鍵。在芯片一側制作完臺面后，通過