一种高发光效率氮化物LED器件

摘要

本发明公开了一种高发光效率氮化物LED器件，LED材料为蓝宝石基底，在蓝宝石基底上依次逐层生长GaN外延缓冲层、N‑GaN层、InGaN/GaN MQWs、P‑GaN层和、ITO层；在p‑GaN层刻蚀周期性等腰三角形光栅结构，在p‑GaN光栅结构上沉积一层ITO作为过渡层；在ITO层的表层刻蚀周期性等腰三角形结构，在ITO表层的等腰三角形光栅之间制作20nm厚的Ag光栅以激发SP；在ITO层表面蒸镀金属制作P型电极，在n‑GaN层制作N型电极。本发明能够提高LED的内量子效率和光提取率，还能降低器件载流子寿命，提高发光效率。

权利要求

1.一种高发光效率氮化物LED器件，其特征在于：所述LED材料为蓝宝石基底，在蓝宝石基底上依次逐层生长GaN外延缓冲层、N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、P-GaN层和、ITO层；

在p-GaN层刻蚀周期性等腰三角形光栅结构，在p-GaN光栅结构上沉积一层ITO作为过渡层；

在ITO层的表层刻蚀周期性等腰三角形结构且相邻三角形底部存在固定距离的间隔，在ITO表层的等腰三角形光栅之间制作20nm厚的Ag光栅以激发SP，Ag光栅的宽度和间隔的距离相等；在ITO层表面蒸镀金属制作P型电极，在n-GaN层制作N型电极。

2.根据权利要求1所述的一种高发光效率氮化物LED器件，其特征在于：在所述周期性银纳米光栅上，金属与量子阱的距离为90nm。

3.根据权利要求1所述的一种高发光效率氮化物LED器件，其特征在于：所述周期性银纳米光栅的尺寸经优化使表面等离子激元频率与量子阱发射频率一致，纳米柱周期经优化使表面晶格共振出射方向与LED发光方向一致。

说明书

一种高发光效率氮化物LED器件

技术领域

[0001] 本发明涉及LED技术领域，尤其是一种氮化物LED器件。

背景技术

[0002] 氮化物LED以其体积小、耗能小、寿命长和可靠性高等优点已被广泛应用于照明、显示、光通信等领域。但现行LED的发光效率较低，致使LED产业的发展受到限制，改善LED发光性能成为LED制作及应用的研究热点。

[0003] LED的发光效率由外量子效率决定，外量子效率主要取决于光提取率和内量子效率，一方面，由于GaN的折射率远远高于空气折射率，光线在GaN与空气界面上发生全反射，使大部分的光反射回GaN中，产生热能，只有少部分的光能辐射到空气中。这不仅使得LED光提取率降低，而且使LED长期处于高温工作状态，寿命缩短。借助于表面粗化，可以增加出光面积，并使本应发生全反射的光线从不同表面射出，放大逃逸角，从而提高光提取率。另一方面在室温下GaN基LED的内量子效率比较低，要增加内量子效率通常依靠提高GaN材料生长品质等方法，但这一类方法一般成本较高。近年来，利用金属表面局域等离子体特性提高LED性能的研究受到广泛关注，主要包括利用SPP和LSP提高LED内量子效率、光提取效率及改进光出射特性等方面。当金属表面的SPP的谐振频率与GaN量子阱的发光频率重叠时，SPP模式中所耦合的能量显著增加，因此其内量子效率提高。为使SPP的谐振频率与LED的发射峰值频率覆盖重合，取得到更大的内量子效率，各种金属纳米结构得到广泛应用，包括金属纳米光栅，纳米金属离子、纳米天线，纳米阵列结构等。利用金属纳米光栅可以使GaN的逃逸角得到有效放大，从而更加利于LED的光提取。由于p-GaN的掺杂浓度较低，电阻值较大，通常在p-GaN表面沉积一层ITO薄膜作为电流扩展层，ITO具有高透射性，能够减少反射回LED内部的光。本发明基于上面的原理，可以使LED的发光效率提高50倍。

发明内容

[0004] 本发明目的在于提供一种提高LED光提取率和内量子效率、全面增强LED发光效率的高发光效率氮化物LED器件。

[0005] 为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明包括LED材料，所述LED材料为蓝宝石基底，在蓝宝石基底上依次逐层生长GaN外延缓冲层、N-GaN层、InGaN/GaN MQWs、P-GaN层和、ITO层；在p-GaN层刻蚀周期性等腰三角形光栅结构，在p-GaN光栅结构上沉积一层ITO作为过渡层；在ITO层的表层刻蚀周期性等腰三角形结构，在ITO表层的等腰三角形光栅之间制作20nm厚的Ag光栅以激发SP；在ITO层表面蒸镀金属制作P型电极，在n-GaN层制作N型电极。

[0006] 进一步的，在所述周期性银纳米光栅上，金属与量子阱的距离为90nm。

[0007] 进一步的，所述周期性银纳米光栅的尺寸经优化使表面等离子激元频率与量子阱发射频率一致，纳米柱周期经优化使表面晶格共振出射方向与LED发光方向一致。

[0008] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0009] 1、能够大幅度提高器件的内量子效率和发光效率。

[0010] 2、采用周期性银纳米光栅结构与量子阱耦合，降低器件载流子寿命，提高其发光效率。

[0011] 3、采用双重周期性等腰三角形光栅结构，能够增加出光面积，放大逃逸角，从而提高光提取率。

附图说明

[0012] 图1是本发明的结构示意图。

[0013] 附图标号：1为蓝宝石基底、2为GaN外延缓冲层、3为n-GaN层、4为MQWs、5为p-GaN层、6为ITO层、7为P型电极、8为Ag、9为N型电极。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图对本发明做进一步说明：

[0015] 如图1所示，本发明包括LED材料，所述LED材料为蓝宝石基底1，在蓝宝石基底上依次逐层生长GaN外延缓冲层2、N-GaN层3、InGaN/GaN MQWs4、P-GaN层5和、ITO层6；在p-GaN层刻蚀周期性等腰三角形光栅结构，在p-GaN光栅结构上沉积一层ITO作为过渡层；在ITO层的表层刻蚀周期性等腰三角形结构，在ITO表层的等腰三角形光栅之间制作20nm厚的Ag8光栅以激发SP；在ITO层表面蒸镀金属制作P型电极7，在n-GaN层制作N型电极9。

[0016] 本发明采用双重周期性等腰三角形光栅结构使p-GaN和ITO的表面粗化，能够增加出光面积，并使本应发生全反射的光线从不同表面射出，放大逃逸角，从而提高光提取率。采用此设计可以使LED的出光效率提高到1.5倍。

[0017] 当ITO上面制作有金属纳米粒子时，如果InGaN有源层的带隙能量接近金属/半导体界面SP频率的能量时，电子-空穴复合能量通过量子阱-SP耦合路径迅速的转化为等离子体激元，在金属和GaN交界面形成局域性很强的LSP。这意味着，电子-空穴复合为热耗散的相对几率减小，其提高了器件的内量子效率与发光效率。同时这也意味着单位时间的电子-空穴复合几率增加，即载流子寿命降低。

[0018] 要实现LSP与量子阱耦合，一方面，银纳米柱尺寸和形状决定的LSP频率要与量子阱能带匹配，另一方面金属与量子阱要有合适的距离以实现合适的耦合强度，本发明设计的金属与量子阱距离为90nm。该效应使LED的出光效率提高到50倍。

[0019] 本设计中，银纳米柱构成周期性纳米光栅，该结构具有表面晶格共振效应(“纳米天线”)，可以增强LSP转化为特定方向的光子再发射的能力，设计选择合适的光栅周期，可以使再发射增强的方向与器件出光方向一致。

[0020] 纳米天线的大部分色散特征与周期性金属结构电磁表面模式相关联，表现为存在遵循瑞利异常规律的高消光的窄频带，即，辐射能量集中在阵列平面的一个衍射级中，这些频带被叫做表面晶格共振(SLRs)。因此，SLRs是各个颗粒在面内衍射级下局域表面等离子体激元耦合致使辐射增强的结果。

[0021] 由于阵列表面上波矢的平行分量的保持不变，我们有±kd＝±ki±G,其中，kd和ki分别是衍射的平行分量和入射光波矢；G＝(Gx,Gy)＝[(2π/a)p,(2π/a)q,]为倒格矢，p和q是定义衍射级的整数。在颗粒的方形阵列结构中，光衍射瑞利异常对应的起始位置为(±1，0)和(0，±1)衍射级。

[0022] 因为混合的等离子—光子特征，SLRs可以非常有效地进行辐射耦合。在阵列附近激发的发射光可以衰变成SLRs，SLRs辐射到自由空间，从而控制自发发射。通过改变纳米颗粒的形状和尺寸、晶格结构和阵列的周期性以调节散射特性，可以实现光发射的定向增强。金属粒子周期结构对CSPP有很好的可控性。

[0023] 本发明采用周期性银纳米光栅直接与量子阱耦合，保证了载流子复合产生的LSP有效地再发射能力，这一方面提高器件的光提取效率，另一方面降低了光子转化为热的几率，降低了器件发热，进一步有利于提高器件电流密度。

[0024] 作为实施方案的一种提供一例周期性纳米粒子阵列制作工艺。

[0025] 制作纳米粒子的方法有：通过溅射或电子束蒸发进行真空沉积后热加工[PTP]，电子束光刻[EBL]，纳米球光刻[NSL]，纳米压印，化学合成等。但不是所有这些工艺都可以用在LEDs纳米阵列制作中，比如许多化学处理过程会损坏LED的结构，真空沉积法可以制作小尺寸分布粒子(1.5nm～30nm)，却不能控制粒子的周期性排列，纳米球刻蚀技术用量少成本低，但是难以制造柱形等非球形结构，而纳米压印技术的设备成本太高。本发明利用纳米压印技术和感应耦合等离子体刻蚀技术在p-GaN层和ITO电流扩展层分别刻蚀周期性等腰三角形光栅结构。

[0026] 为了控制纳米粒子的尺寸和粒子间隔，本发明选用了电子束光刻法(EBL)，EBL经常用于制作1～100nm的单分散金属纳米粒子，目前最先进的光刻具有<10nm的分辨率，因此采用EBL技术在GaN基LED出光面制作精度较高的局域表面等离子谐振(LSPR)阵列结构。然后ITO电流扩展层作衬底，在其表面上制作柱状银纳米粒子，首先通过旋涂法在衬底上涂一层60nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate(PMMA))，在170℃温度下烘烤8小时，之后使用高平行电子束通过设计好的程序在PMMA层刻写，曝光后用PMMA-显影剂和异丙醇比例为1:2的混合剂对样品进行正显影，然后使用热蒸发技术在样品表面涂一层厚度(50nm)的Ag,最后通过剥离工艺使用丙酮溶液把剩余的PMMA及其上面的Ag移除，被电子束曝光区域的银粒子留在p-型GaN表面，形成周期阵列。

[0027] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。