[發明專利]局域表面等離子體增強型垂直結構LED結構及制造方法

有效

• 申請號: 201310130342.0
• 申請日: 2013-04-15
• 公開（公告）號: CN103219442A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 云峰;黃亞平;王越;田振寰;王宏
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L33/20
• 分類號: H01L33/20;H01L33/06;H01L33/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

【技術領域】

本發明屬于半導體發光二極管技術領域，具體涉及一種局域表面等離子體增強型垂直結構LED結構及制造方法。

【背景技術】

氮化鎵（GaN）基發光二極管（Light?Emitting?Diode，以下簡稱LED）具有帶隙寬、性能穩定、電子漂移飽和速率高等優點，在高亮度發光二極管領域有著巨大的應用潛力和廣闊的市場前景。

LED器件工作的基礎是p-n結以及其間的多量子阱結構組成的電子和空穴發光區域。垂直結構LED器件的外延結構通常以藍寶石（Al₂O₃）為基底，在藍寶石（0001）面用金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）法沉積依次生長低溫緩沖層、u-GaN層、n-GaN層、多層量子阱及P-GaN層。然后用ICP刻蝕或濕法腐蝕的辦法切割溝道，將GaN芯片分割開來。在切割好的芯片P面上上蒸鍍反射層、鍵合金屬層，并在一定的溫度和壓力下與相應的金屬沉底鍵合。用激光剝離藍寶石襯底后制作正負電極等。

垂直結構LED使電流在芯片內均勻分布，從而很好地解決了散熱問題，在一定程度上提高了光效，但影響發光的能量損耗（包括非輻射復合和全反射吸收）依然存在。為了進一步提高LED發光的內量子效率及外量子效率，需要結構設計及生產工藝的創新。

電子-空穴在有源層復合產生激子，激子能量衰減輻射光。激子自發輻射速率與態密度相關，當復合發光中心處于波長量級的微腔結構中時，光子的態密度會有所改變，進而引起激子自發輻射速率的改變。

表面等離子體（Surface?plasmons，以下簡稱SPs）是一種存在于金屬和介質表面的電磁波，在一定條件下，光會激勵金屬表面的自由電子發生集體相干振蕩。利用SPs的空間局域性和局域場增強的特性，當LED量子阱中釋放的光子與金屬表面等離子體基元頻率匹配時，表面等離子體與LED的量子阱發生耦合，這種復合的速率高于量子阱內非輻射復合的速率，從而減小了由缺陷導致的非輻射復合，降低了局域熱效應，提高了內量子效率。利用SPs也可以減小大電流下載流子的溢出，從而減小外量子效率的Droop效應。

SPs有兩種存在形式，第一種是在連續的金屬層表面傳播的SPs，第二種是局限于納米粒子表面的，即局域表面等離子（Localized?surface?polaritons，以下簡稱LSPs）附圖2，二者均有表面局域性。但由于色散關系不同，導致它們處于不同的激發態，SPs具有一維空間局域性，為一種傳播模式，LSPs具有二位局域性，是一種非傳播模式。

當光與尺寸遠小于入射光波長的粒子相互作用時，納米粒子周圍的電子會以LSPs的共振頻率局域振蕩。納米粒子曲面會受到驅動電子施加的有效恢復力，從而產生共振，這樣，粒子內外區域場強都能得到增強，產生局域表面等離子共振（Localized?Surface?Plasmon?Resonance，簡稱LSPR）。此外，粒子曲面可直接用光照激發，而不必通過相位匹配來激發。

在垂直結構LED的鍵合工藝中，由于襯底與芯片之間熱膨脹系數的不匹配，會導致退火過程中芯片與襯底之間產生較大的熱應力，當應力積累到某一臨界值后，晶圓會出現裂紋，嚴重時能引起薄膜的破裂和脫落。為了減小應力，可以通過在平整的晶圓面上刻蝕溝槽，將連續的薄膜層分割為若干區域，增大兩種材料的接觸面積，在溫度及載荷變化較大的情況下，能在一定程度上達到傳熱迅速、受熱均勻的效果，進而減小應力。

Min-Ki等人提出了一種表面等離體增強型LED器件，他們在LED外延的過程中在N-GaN與量子阱之間制作了銀納米顆粒，形成LSP與發光區耦合模式（“Surface?plasmon?enhanced?Light?emitting?diodes”,Advanced?material,2008年20卷1253頁）。但是，由于他們是在外延過程中引入的銀顆粒，需要在外延N-GaN的過程中生長Ag顆粒，之后再繼續外延生長N-GaN、量子阱和P-GaN。Ag顆粒極大的影響了后續材料生長的質量，整個器件中材料生長質量較低，缺陷態較高，不利于提高LED器件的發光效率。