[發(fā)明專利]銀耦合增強GaN基發(fā)光二極管的器件結(jié)構(gòu)及制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210526477.4
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN102969423A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 不公告發(fā)明人
• 申請（專利權(quán)）人: 黨隨虎;長江師范學(xué)院;太原理工大學(xué)
• 主分類號: H01L33/20
• 分類號: H01L33/20;H01L33/04;H01L33/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明用于半導(dǎo)體光電子器件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種新型的銀耦合增強倒裝結(jié)構(gòu)GaN基發(fā)光二極管的器件結(jié)構(gòu)及制備方法。?

背景技術(shù)

GaN基半導(dǎo)體是新型的寬帯隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)。基于InGaN?量子阱結(jié)構(gòu)的大功率LED是當(dāng)前半導(dǎo)體光電研究領(lǐng)域的熱點和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展龍頭。發(fā)光二極管(LED)因其小體積、高效能、長壽命以及綠色環(huán)保等特點，日益成為吸引人的傳統(tǒng)光源替代品。但目前發(fā)光二極管要取代傳統(tǒng)燈泡等照明設(shè)備還有一定的挑戰(zhàn)。首先，其發(fā)光效率還需進一步的提高，其次，在此基礎(chǔ)上其成本需要降低。對于LED的發(fā)光效率可以表示為:?

η_ext?=?C_ext?×η_int=?C_ext×k_rad/(?k_rad+?k_non)

其中C_ext和η_int分別為器件的光提取效率和內(nèi)量子效率，k_rad和k_non分別為輻射躍遷和非輻射躍遷幾率。由上式可知，為了提高器件的發(fā)光效率，必須提高器件的輻射躍遷幾率，降低非輻射躍遷幾率，并且提高器件的光取出效率。其中輻射和非輻射躍遷分別由材料的能帶結(jié)構(gòu)和晶體質(zhì)量決定，光提取效率由器件的結(jié)構(gòu)決定。

提高材料的輻射躍遷幾率是提高器件效率的途徑之一，但由于材料本身能帶結(jié)構(gòu)等的限制，其輻射躍遷幾率的提高非常困難。降低材料的非輻射躍遷幾率的方法主要是改進半導(dǎo)體發(fā)光材料的質(zhì)量，其受材料生長技術(shù)的影響，同時晶體的質(zhì)量對襯底的要求也很高，研究人員已經(jīng)在這方面做了很多工作，但達到一定程度后晶體質(zhì)量的提高非常有限。另外，LED器件光取出效率低的原因是芯片材料折射率遠大于空氣折射率，從芯片內(nèi)有源層發(fā)出的光線到達兩種介質(zhì)的界面時，會發(fā)生全反射現(xiàn)象。全反射引起的后果是光線會在芯片內(nèi)部不停的震蕩，大部分光不僅不能從?LED?中發(fā)射出來,?而是被金屬電極、基底或有源層吸收后產(chǎn)生熱能或引起電子與空穴的無輻射復(fù)合。本發(fā)明之前，有研究者嘗試利用金屬表面等離子體耦合效應(yīng)分別來提高材料的輻射躍遷幾率或器件的光提取效率，但效果都不理想。本發(fā)明提供一種新型GaN基發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)，利用金屬表面等離子體耦合同時提高材料的輻射躍遷幾率和光提取效率。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供了一種新型銀耦合增強GaN基發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)的制備方法。該結(jié)構(gòu)通過銀（Ag）光柵結(jié)構(gòu)，利用金屬Ag表面等離子體耦合增強GaN基發(fā)光二極管發(fā)光效率。位于多量子阱有源層附近的Ag光柵結(jié)構(gòu)利用金屬表面等離子體耦合高局域場特性，來提高發(fā)光中心的光子態(tài)密度，進而提高材料的輻射躍遷幾率。同時，位于n型GaN層與藍寶石襯底層間界面附近的Ag光柵結(jié)構(gòu)使局限在器件內(nèi)部波導(dǎo)模耦合被金屬吸收后再發(fā)射出去，提高光取出效率。本發(fā)明為提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率，制備高效能經(jīng)濟的固態(tài)光源提供了一條有效途徑。?

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：?

本發(fā)明的目的在于提供了一種新型銀耦合增強GaN基發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)，包括:

一藍寶石襯底層；

一n型GaN,?該n型GaN層制作在藍寶石襯底上；

第一Ag光柵結(jié)構(gòu)制作在藍寶石襯底層內(nèi)，該Ag光柵結(jié)構(gòu)距離n型GaN層與藍寶石襯底層間界面5~10?nm；

其中第一Ag光柵結(jié)構(gòu)是平行于n型GaN層與藍寶石襯底層間界面以四方結(jié)構(gòu)排列的金屬Ag圓柱體，該圓柱體半徑為68?nm,?高為15?nm,?相鄰圓柱中心間距離為180~210?nm；

一多量子阱有源層，該多量子阱有源層制作在n型GaN層上；

一p型GaN層制作在多量子阱有源層上；

第二Ag光柵結(jié)構(gòu)制作在p型GaN層內(nèi)，該Ag光柵結(jié)構(gòu)距多量子阱有源層10~15nm；

其中第二Ag光柵結(jié)構(gòu)是平行于多量子阱有源層以四方結(jié)構(gòu)排列的金屬Ag圓柱體，該圓柱體半徑為50?nm,?高為5?nm,?相鄰圓柱中心間距離為160~180?nm；

一金屬Al薄膜層制作在p型GaN層上與第二Ag光柵結(jié)構(gòu)連接，該Al薄膜層厚度為15~30?nm。

本發(fā)明提供一種新型銀耦合增強GaN基發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其中包括如下步驟：?