[發明專利]基于表面等離子波導的新型發光二極管

在審

• 申請號: 201710371326.9
• 申請日: 2017-05-24
• 公開（公告）號: CN107086259A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 朱君;徐汶菊
• 申請（專利權）人: 廣西師范大學
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/10;H01L33/12
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司45112
• 代理人: 劉梅芳

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，具體是一種基于表面等離子波導的新型發光二極管。

背景技術

表面等離子體激元(Surface plasmon polariton,簡稱SPP)是通過改變金屬表面的亞波長結構實現的一種光波與可遷移的表面電荷之間電磁模，可以支持金屬與介質界面傳輸的表面等離子波，從而傳輸光能量，且不受衍射極限的限制。砷化鎵發光二極管（Light-emitting diode,簡稱LED）已經實現了很多領域的應用，但目前的發光LED的效率提高依然是研究主要方向。比較有代表性的是2004年，《Nature Materials》發表的Okamoto團隊的“Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells”提出了在InGaN/GaN量子阱LED中引入SPs技術來提高LED的發光效率，在一定的條件下，激發產生高強度的SPs，能夠提高LED發光中心的內量子效率。更人興奮的是2010年，《Nanotechnology》發表的CHU團隊的“Surface plasmon-enhanced light-emitting diodes using silver nanoparticles embedded in p-GaN” ，他們利用電子束蒸發技術將Ag薄膜覆蓋到InGaN-GaN多量子阱(MQWs)上，再經過熱退火處理，生成一層Ag納米顆粒，使得LED的發光效率顯著增強，聲稱外量子效率提高了38%。然而從目前研究成果來看，室溫下的量子效率依然非常低，半導體材料的生長品質依然與晶體管器件相差甚遠，這也嚴重制約了LED行業的發展。

目前對于發光二極管研究大都集中在工藝優化方面，對于新技術的結合研究較少。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，而提供一種基于表面等離子波導的新型發光二極管。這種二極管能提高LED的光萃取效率、增加光的透射、能夠增強LED的電學特性、實現LED的出光效率的增強,為制備高效LED芯片提供一種新的原型器件。

實現本發明目的的技術方案是：

基于表面等離子波導的新型發光二極管，包括自下而上順序疊接的n-GaAs層、InGaN-GaAs多量子阱層、p-GaAs層和Ag金屬光柵層，所述p-GaAs層刻蝕有光柵結構ITO緩沖層。

所述光柵結構為周期性楔形光柵結構。

所述Ag金屬光柵層與光柵結構ITO緩沖層為典型的金屬-介質結構。

在p-GaAs層刻蝕周期楔形光柵結構，通過對p-GaAs表面進行粗化處理，能夠增加發光層輻射光的出光面積，使那些發生全反射的光線可以從不同面射出，增大光線出射的逃逸角，進而提高LED的光萃取效率；ITO緩沖層在可見光波段具有高透射性，能夠增加光的透射，減少反射回LED內部的光，并且ITO緩沖層具有電流擴展的作用，能夠增強LED的電學特性。

所述Ag金屬光柵層與ITO緩沖層是典型的金屬-介質結果，能夠實現SPP光子局域化，當LED的發光波長與SPP光子共振波長一致時，會使得激子衰減速率大幅度提高，加快LED內電子-空穴對的復合輻射速率，提高LED的內量子效率。

所述周期性楔形光柵結構能夠將電子-空穴復合產生激子的能量耦合到SPP模式中，

通過設計Ag光柵的周期結構，可以控制輻射光的出射方向，在特定的方向，光柵能夠集中輻射能量的70%以上，極大的提高LED的外量子效率。

這種發光二極管對LED的出光效率有很強的增強作用，Ag金屬光柵不僅可以激發產生SPP,促進激子的自發輻射速率，而且可以把限制在LED內部的光，轉化成自由空間的光輻射出去，同時，可以控制輻射光的出射方向，周期性楔形光柵結構，相對于平面接觸而言，增加了電流的注入面積，減少電流的擁堵，增加發光層輻射光的出光面積，使那些發生全反射的光線可以從不同面射出，增大光線出射的逃逸角，ITO緩沖層在可見光波段具有高透射性，能夠增加光的透射，減少反射回LED內部的光，并且ITO緩沖層具有電流擴展的作用，能夠增強LED的電學特性。

這種發光二極管對于制備高效LED芯片提供了新的原型結構。

這種二極管能提高LED的光萃取效率、增加光的透射、能夠增強LED的電學特性、實現LED的出光效率的增強,為制備高效LED芯片提供一種新的原型器件。

附圖說明

圖1為實施例的結構示意圖。