專利名稱：一種高效率深紫外發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用等離激元效應(yīng)來提高光發(fā)射的量子效率的MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu))深紫外(UV)發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
深紫外(UV)發(fā)光二極管(LED)在照明、高密度光存儲(chǔ)、環(huán)境處理與檢測、生物、醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。
深紫外發(fā)光二極管所利用的半導(dǎo)體材料最成熟的是AlGaN(3.4-6.2ev)、AlInGaN(能帶范圍0.7-6.2ev)體系，ZnMgO(能帶范圍3.3-7.8ev)體系還處于發(fā)展階段。這兩種材料(AlInGaN和AlGaN其實(shí)是一種材料體系，下面統(tǒng)稱為AlGaN)都面臨了P型摻雜極其困難的問題。GaN材料的P型摻雜已經(jīng)不太容易，隨著Al組分的增加，能帶寬度增加，發(fā)光峰位向紫外移動(dòng)，同時(shí)P型摻雜劑(一般的是鎂(Mg)，ZnMgO中一般是氮(N))的空穴離化能增大，使其實(shí)現(xiàn)P型導(dǎo)電越來越困難。現(xiàn)在最好的結(jié)果是在Al組分為27％的AlGaN中實(shí)現(xiàn)了P型導(dǎo)電[8]。要想實(shí)現(xiàn)深紫外發(fā)光二極管，Al組分為60％左右是比較合適的。顯然要實(shí)現(xiàn)如此高Al組分的AlGaN的P型導(dǎo)電是相當(dāng)困難的。
相對(duì)來說，AlGaN的N型導(dǎo)電就容易多了?，F(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Al0.7Ga0.3N(0.0075Ωcm)和AlN(40Ωcm)的N型導(dǎo)電。[9]至于ZnMgO體系，由于氮(N)在ZnO中非常不穩(wěn)定，因此ZnO的可靠有效的P型摻雜離實(shí)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x，就更不用說ZnMgO了。ZnO的N型摻雜同樣比較容易實(shí)現(xiàn)。
4，William L.Barnes，Alain Dereux & Thomas W.Ebbesen，Surfaceplasmon subwavelength optics，Nature 424，824-830(2003).
9，M.L.Nakarmi，K.H.Kim，M.Khizar，Z.Y.Fan，J.Y.Lin，andH.X.Jiang，Electrical and optical properties of Mg-dopedAl0.7Ga0.3N alloys，Appl.Phys.Lett.86，092108(2005)10，Neogi，A.et al.Enhancement of spontaneous recombination ratein a quantum well by resonant surface plasmon coupling.Phys.Rev.B 66，153305(2002).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所利用MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)不需要制備P型層結(jié)構(gòu)。從而可以降低器件制作的難度，同時(shí)提高可靠性。但是傳統(tǒng)的MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的LED發(fā)光效率底下，一般無法與P-N結(jié)LED競爭。本發(fā)明利用等離激元來提高M(jìn)IS結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率，從而為提高深紫外發(fā)光二極管發(fā)光效率提供了新的途徑。
本發(fā)明中所涉及的等離激元指的是表面等離激元。表面等離激元是光場在導(dǎo)體表面(一般是金屬)與載流子(一般是自由電子)相互耦合形成的振蕩波。它可以看作是光場被導(dǎo)體表面所俘獲而產(chǎn)生的。在這種情況下，自由電子以集體振蕩的形式與光場發(fā)生共振。從而形成表面等離激元的獨(dú)特性質(zhì)。關(guān)于表面等離激元可以參考文獻(xiàn)[4]。
本發(fā)明主要利用表面等離激元與發(fā)光的有源區(qū)的耦合減小自發(fā)輻射復(fù)合時(shí)間，從而提高發(fā)光復(fù)合量子效率。
根據(jù)費(fèi)米黃金定律(Fermi’s golden rule)[10]1τ=2h|⟨f|d→·E→(r→e)|i⟩|2ρ(hω)]]>τ為自發(fā)輻射復(fù)合時(shí)間； 為復(fù)合矩陣元， 為光子態(tài)密度。本發(fā)明正是利用將表面等離激元與有源區(qū)的耦合來增大光子態(tài)密度，同時(shí)表面等離激元的近場增強(qiáng)效應(yīng)將增大 (復(fù)合矩陣元)，從而減小自發(fā)輻射復(fù)合時(shí)間。
本發(fā)明同時(shí)利用金屬薄膜周期性結(jié)構(gòu)使耦合到表面等離激元中的能量以光的形式發(fā)出，而不是隨著表面等離激元的衰減而損失，這才使器件的發(fā)光效率大大增加。
本發(fā)明利用金屬薄膜主要是鋁(Al)，利用鋁(Al)是出于以下考慮由于鋁(Al)的體等離激元的能量高達(dá)15.0ev，因此鋁與GaN(ZnO)材料體系的界面表面等離激元能量最大值位與深紫外區(qū)域。而且鋁是常用的研究表面等離激元的金屬，研究比較透徹。金(Au)和銀(Ag)由于體等離激元能量較底，不會(huì)產(chǎn)生能量在紫外區(qū)域的表面等離激元，因此對(duì)本發(fā)明中的器件的紫外發(fā)光沒有促進(jìn)作用。
鋁(Al)在半導(dǎo)體器件中是常用的電極材料，使用比較方便。器件基本原理電子注入量子阱有源區(qū)，發(fā)生復(fù)合。由于隔離層(spacer)厚度為幾到幾十納米(nm)，表面等離激元的作用不可忽視。耦合電子復(fù)合將以3種形式發(fā)生輻射復(fù)合，激發(fā)表面等離激元，非輻射復(fù)合。復(fù)合時(shí)間縮短，復(fù)合效率將增加。而非輻射復(fù)合將被大大削弱。
由于鋁(Al)電極厚度為幾到幾十納米，在鋁(Al)電極下表面激發(fā)的表面等離激元將有一部分耦合到上表面。
如果電極上表面是光滑的，則表面等離激元將大部分被損耗掉。在本發(fā)明中，由于鋁(Al)電極上表面有周期性的二維結(jié)構(gòu)，上表面的表面等離激元將大部分轉(zhuǎn)化為光發(fā)出。
由于表面等離激元使電子在量子阱有源區(qū)中復(fù)合幾率增大，而且大大削弱了非輻射復(fù)合，而表面等離激元的能量又可以以光的形式發(fā)出。器件的發(fā)光效率將大大提高。
技術(shù)方案一種利用等離激元效應(yīng)來提高光發(fā)射的量子效率的MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu))紫外(UV)發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)，表面等離激元是光場在導(dǎo)體表面(一般是金屬)與載流子(一般是自由電子)相互耦合形成的振蕩波，表面等離激元的激發(fā)、耦合是通過具有周期性結(jié)構(gòu)的金屬薄膜來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)該金屬薄膜又具有電極接觸的功能。
所述的周期性結(jié)構(gòu)的金屬薄膜是表面等離激元激發(fā)區(qū)的金屬薄膜。
表面等離激元激發(fā)區(qū)的(見附圖1)周期性結(jié)構(gòu)的金屬薄膜結(jié)構(gòu)，在金屬薄膜的二維平面上(包括金屬薄膜與光吸收的有源區(qū)一側(cè)的接觸面，金屬薄膜不于有源區(qū)接觸的另一表面，或者同時(shí)包括兩個(gè)平面)，存在高度的周期性的變化(即平面的凹凸變化)。
高度的周期性的變化，包括條紋狀、環(huán)形、網(wǎng)格、周期性的島等二維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)表面等離激元的激發(fā)以及轉(zhuǎn)化起決定性作用。
表面等離激元激發(fā)區(qū)的金屬薄膜最薄處厚度應(yīng)該介于幾個(gè)納米(nm)到幾十納米(nm)之間，此時(shí)一般才可以產(chǎn)生有效的表面等離激元耦合。
MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu))紫外(UV)發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)的MIS中的絕緣體可以是量子阱，也可以是一般MIS發(fā)光二極管中的絕緣體(例如同組分的絕緣體)。
表面等離激元激發(fā)區(qū)的金屬薄膜上如果存在ITO(即Indium TinOxide，中文為摻錫氧化銦)等透明氧化物電極，則可以改善電極的電流擴(kuò)散、減小工作電壓、減小器件的發(fā)熱，從而改善器件性能。存在透明電極與否，都在權(quán)利要求之內(nèi)。
如果，離有源區(qū)幾到幾十納米(nm)附近有意存在金屬結(jié)構(gòu)，則在本發(fā)明權(quán)利要求之內(nèi)。因?yàn)檫@與本發(fā)明中厚度為幾到幾十納米(nm)厚的本征隔離層(spacer)作用相同。
本等離激元增強(qiáng)型深紫外發(fā)光二極管的材料體系不僅包括AlGaN體系，還包括ZnMgO體系和AlInGaN(AlGaN體系中添加了銦組分而形成的新的合金體系)體系。如果將本發(fā)明移植到ZnMgO體系上，也在權(quán)利要求之內(nèi)。
以下給出本發(fā)明發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)、組成具體實(shí)施方式
，


下面以AlGaN材料體系為例說明器件的制作、相關(guān)結(jié)構(gòu)、功能。
本發(fā)明發(fā)光二極管的具體結(jié)構(gòu)、組成見附圖1，2。
圖1為器件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為器件結(jié)構(gòu)表面的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1的器件結(jié)構(gòu)制備的具體實(shí)施方法(以AlGaN為例)1)先在藍(lán)寶石襯底上生長幾個(gè)微米厚的n型AlGaN；2)再在上面生長本征的量子阱有源區(qū)，(如Al0.8Ga0.2N/Al0.18Ga0.82N多量子阱)；3)多量子阱上生長厚度為幾到幾十納米(nm)厚的本征AlGaN的隔離層(spacer，主要作用是在后續(xù)工藝中保護(hù)量子阱有源區(qū)，同時(shí)將量子阱有源區(qū)中的電子復(fù)合耦合到周期性結(jié)構(gòu)電極，以激發(fā)表面等離激元)；4)將一部分AlGaN、量子阱刻蝕掉，直到露出底部n-AlGaN；5)在露出的n-AlGaN表面上制作歐姆接觸的電極；6)在剩下AlGaN隔離層表面用鋁(Al)制作如圖2所示的柵狀的電極(還可以是環(huán)形、網(wǎng)格、周期性的島等二維結(jié)構(gòu)，厚度為幾到幾十納米，二維結(jié)構(gòu)變化的周期一般為數(shù)百納米)。
圖1的結(jié)構(gòu)由下至上依次為(1)襯底如常用的藍(lán)寶石襯底，主要作用是對(duì)器件結(jié)構(gòu)起支撐作用，材料的外延生長必須在襯底上才可以進(jìn)行；(2)n型區(qū)對(duì)氮化物體系，指襯底上的n-AlGaN，它由AlGaN(氮化鎵)n型摻雜(一般摻雜劑為硅元素)形成；(3)有源區(qū)由AlGaN量子阱組成(如Al0.8Ga0.2N/Al0.18Ga0.82N多量子阱)，是器件的發(fā)光區(qū)；(4)隔離區(qū)(Spacer)用于隔離表面等離激元激發(fā)區(qū)和有源區(qū)，由未摻雜的本征AlGaN(i-AlGaN)組成，其厚度為幾到幾十納米(nm)，其作用為在后工藝中保護(hù)其下面的有源區(qū)，使有源區(qū)免受污染和破壞；同時(shí)，它也起電子勢壘的作用，使電子不會(huì)過沖過有源區(qū)，從而使電子限制在有源區(qū)而復(fù)合發(fā)光，其厚度太厚，將導(dǎo)致有源區(qū)與表面等離激元激發(fā)區(qū)耦合減小，從而使發(fā)光效率降低，所以其厚度為幾到幾十納米(nm)；(5)表面等離激元激發(fā)區(qū)是有特殊結(jié)構(gòu)的金屬鋁(Al)薄膜，該金屬銀薄膜在探測器中起兩個(gè)作用；首先是與i-AlGaN形成歐姆接觸，其次是由于該金屬鋁層的厚度的設(shè)計(jì)(最薄處厚度應(yīng)該介于幾個(gè)納米(nm)到幾十納米(nm)之間)，以及它的周期性凹凸結(jié)構(gòu)(條紋狀、網(wǎng)格、周期性的島等二維結(jié)構(gòu)，二維結(jié)構(gòu)變化的周期一般為數(shù)百納米)，這使它在光入射的時(shí)候能夠激發(fā)表面等離激元，從而產(chǎn)生相關(guān)的近場光學(xué)效應(yīng)；(6)歐姆接觸位于n型區(qū)上的金屬/半導(dǎo)體接觸。它用做n型區(qū)的歐姆接觸。
圖2為器件結(jié)構(gòu)表面的俯視圖，為方便起見，這里只給出了一種柵狀的表面周期性結(jié)構(gòu)，還可以是環(huán)形、網(wǎng)格、周期性的島等二維結(jié)構(gòu)。
圖中，深色表示銀膜的凸起部分。淺色表示銀膜的凹下起部分。
權(quán)利要求
1.一種深紫外發(fā)光二極管，其特征在于利用等離激元效應(yīng)來提高光發(fā)射的量子效率的MIS紫外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，表面等離激元是光場在導(dǎo)體表面與載流子相互耦合形成的振蕩波，表面等離激元的激發(fā)、耦合是通過具有周期性結(jié)構(gòu)的金屬薄膜來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)該金屬薄膜又具有電極接觸的功能。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的深紫外發(fā)光二極管，其特征在于所述的周期性結(jié)構(gòu)的金屬薄膜是表面等離激元激發(fā)區(qū)的金屬薄膜。
3，根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的深紫外發(fā)光二極管，其特征在于表面等離激元激發(fā)區(qū)的周期性結(jié)構(gòu)的金屬薄膜結(jié)構(gòu)，在金屬薄膜的二維平面上，存在高度的周期性的變化。
4，根據(jù)權(quán)利要求3所述的深紫外發(fā)光二極管，其特征在于，高度的周期性的變化，包括條紋狀、環(huán)形、網(wǎng)格、周期性的島二維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)表面等離激元的激發(fā)以及轉(zhuǎn)化起決定性作用。
5，根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的深紫外發(fā)光二極管，其特征在于，表面等離激元激發(fā)區(qū)的金屬薄膜最薄處厚度應(yīng)該介于幾個(gè)納米到幾十納米之間，此時(shí)一般才可以產(chǎn)生有效的表面等離激元耦合。
6，根據(jù)權(quán)利要求1所述的深紫外發(fā)光二極管，其特征在于，金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)紫外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的MIS中的發(fā)光區(qū)的絕緣體可以是量子阱，也可以是一般MIS發(fā)光二極管中的絕緣體。
7，根據(jù)權(quán)利要求1所述的深紫外發(fā)光二極管，其特征在于，金屬薄膜上如果存在ITO透明氧化物電極，則可以改善電極的電流擴(kuò)散、減小工作電壓、減小器件的發(fā)熱，從而改善器件性能。
8，根據(jù)權(quán)利要求1所述的深紫外發(fā)光二極管，其特征在于，如果，離有源區(qū)幾到幾十納米附近有意存在金屬結(jié)構(gòu)，則在本發(fā)明權(quán)利要求之內(nèi)，因?yàn)檫@與厚度為幾到幾十納米厚的本征隔離層作用相同。
9，根據(jù)權(quán)利要求1所述的深紫外發(fā)光二極管，其特征在于，等離激元增強(qiáng)型深紫外發(fā)光二極管的材料體系不僅包括AlGaN體系，還包括ZnMgO和AlInGaN體系。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外發(fā)光二極管，其特征的主要結(jié)構(gòu)在于，結(jié)構(gòu)由下至上依次為(1)襯底如常用的藍(lán)寶石襯底，主要作用是對(duì)器件結(jié)構(gòu)起支撐作用，材料的外延生長必須在襯底上才可以進(jìn)行；(2)n型區(qū)對(duì)氮化物體系，指襯底上的n-AlGaN，它由AlGaNn型摻雜形成；(3)有源區(qū)由AlGaN量子阱組成，是器件的發(fā)光區(qū)；(4)隔離區(qū)用于隔離表面等離激元激發(fā)區(qū)和有源區(qū)，由未摻雜的本征AlGaN組成，其厚度為幾到幾十納米，其作用為在后工藝中保護(hù)其下面的有源區(qū)，使有源區(qū)免受污染和破壞；同時(shí)，它也起電子勢壘的作用，使電子不會(huì)過沖過有源區(qū)，從而使電子限制在有源區(qū)而復(fù)合發(fā)光，其厚度太厚，將導(dǎo)致有源區(qū)與表面等離激元激發(fā)區(qū)耦合減小，從而使發(fā)光效率降低，所以其厚度為幾到幾十納米；(5)表面等離激元激發(fā)區(qū)是有特殊結(jié)構(gòu)的金屬鋁薄膜，該金屬銀薄膜在探測器中起兩個(gè)作用；首先是與i-AlGaN形成歐姆接觸，其次是由于該金屬鋁層的厚度的設(shè)計(jì)，以及它的周期性凹凸結(jié)構(gòu)，這使它在光入射的時(shí)候能夠激發(fā)表面等離激元，從而產(chǎn)生相關(guān)的近場光學(xué)效應(yīng)；(6)歐姆接觸位于n型區(qū)上的金屬/半導(dǎo)體接觸，它用做n型區(qū)的歐姆接觸；表面周期性結(jié)構(gòu)，還可以是環(huán)形、網(wǎng)格、周期性的島二維結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管技術(shù)領(lǐng)域的一種深紫外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用了等離激元效應(yīng)，表面等離激元是光場在導(dǎo)體表面與載流子相互耦合形成的振蕩波，表面等離激元的激發(fā)、耦合是通過具有周期性結(jié)構(gòu)的金屬薄膜來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)該金屬薄膜又具有電極接觸的功能。其基本結(jié)構(gòu)是將一般MIS發(fā)光二極管的金屬部分采用具有可以產(chǎn)生表面等離激元的周期性結(jié)構(gòu)的。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1921157SQ20051009336
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月26日
發(fā)明者康亭亭, 劉祥林 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所