專利名稱：一種GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GaN基LED(發(fā)光二極管)的管芯結(jié)構(gòu)，屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
GaN基LED的管芯結(jié)構(gòu)一般是自上而下依次包括P電極、P面接觸電流擴(kuò)展層、 P-GaN層、量子阱有源區(qū)、N-GaN層、N電極和襯底，這種常規(guī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致LED存在著低輻射效 率的問題。如何提高LED的內(nèi)量子效率和光提取效率、增強(qiáng)光輻射，成為LED產(chǎn)品技術(shù)競爭 的熱點(diǎn)。目前，對LED工藝技術(shù)的研究往往集中在優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高外延膜生長質(zhì) 量、采用新型管芯工藝等方面以提高出光效率，用到的大多是半導(dǎo)體發(fā)光二極管最基本的 復(fù)合發(fā)光原理，因此該方面缺乏新的光輻射能力增強(qiáng)的創(chuàng)新原理，基于光輻射能力更好的 理論和新的器件的結(jié)構(gòu)研究很少被提及。表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons (SPPs))是指在金屬表面存在的自 由振動的電子與光子相互作用而產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?。在半?dǎo)體中，被 激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子和在價帶中的空穴由于庫侖相互作用，將形成一個束縛態(tài)，稱為激子。 激子效應(yīng)對半導(dǎo)體中的物理過程和光學(xué)性質(zhì)具有重要的影響，激子的產(chǎn)生和復(fù)合直接影響 半導(dǎo)體的光吸收和發(fā)光，而且激子作為固體中的一種元激發(fā)，其狀態(tài)與母體材料的電子能 帶結(jié)構(gòu)和外場的作用緊密相關(guān)。金屬介質(zhì)界面處產(chǎn)生的表面等離激元，其局域電場可能與 激子耦合，能改變電子與空穴的空間分布波函數(shù)，從而增加電子空穴的復(fù)合幾率，提高LED 的內(nèi)量子效率。同時，金屬介質(zhì)表面的等離子體波，還能夠與量子阱有源區(qū)發(fā)射的光波耦 合，達(dá)到共振態(tài)，使得光波輻射增強(qiáng)，從而提高光輻射外量子效率。目前，利用SPP耦合增強(qiáng)光輻射機(jī)理受到SPP作用距離的限制，SPP效應(yīng)只在幾十 納米量級的范圍內(nèi)作用強(qiáng)烈，距離越遠(yuǎn)共振增強(qiáng)效應(yīng)越小。SPP共振增強(qiáng)的輻射是一種倏逝 波，存在于金屬介質(zhì)的界面附近，傳播距離有限。真正把SPP理論應(yīng)用到LED器件中，有兩 個重要的關(guān)鍵點(diǎn)植入產(chǎn)生等離激元的介質(zhì)體系和解決等離激元耦合增強(qiáng)效應(yīng)距離受限的 問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有SPP耦合增強(qiáng)輻射技術(shù)在GaN基LED器件上應(yīng)用存在的植入等 離激元體系和耦合增強(qiáng)效應(yīng)距離受限問題，提供一種能夠有效利用SPP耦合增強(qiáng)輻射提高 GaN基LED發(fā)光效率的GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)采用以下技術(shù)方案該GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)，是在P型GaN層上設(shè)有孔洞，孔洞的底部距 離LED管芯的量子阱有源區(qū)的距離為10納米一100納米，孔洞內(nèi)填有金屬顆粒，孔洞的洞 口處填充有封堵金屬顆粒的透明介質(zhì)膜。孔洞的直徑為50納米一1000納米，孔洞的間距為0. 1微米一10微米。
金屬顆粒的粒徑為5納米一100納米?？锥磧?nèi)填有的金屬顆粒的厚度10納米一400納米。 金屬顆粒采用的金屬為Ag、Ni、Al或Au，可以通過熱蒸發(fā)或濺射等方式獲得。透明介質(zhì)膜采用SiO2或Si3N4等。本發(fā)明是在P型GaN層上帶有納米孔洞，使孔洞里面具有一個個的金屬顆粒，在納 米尺度范圍植入了金屬顆粒-有源層介質(zhì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成了納米金屬顆粒與量子阱有源層 耦合的介質(zhì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，SPP與激子的耦合提高了 GaN基LED的發(fā)光效率，這種LED結(jié)構(gòu)利用 了 SPP耦合機(jī)理，同時兼顧LED制作工藝，適合轉(zhuǎn)化成規(guī)模生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明在常規(guī)GaN基LED管芯上的P型GaN層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明在垂直倒裝結(jié)構(gòu)的GaN基LED的P型GaN層的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、P電極，2、P面接觸電流擴(kuò)展層，3、P_GaN層，4、量子阱有源區(qū)，5、N_GaN層， 6、N電極，7、襯底，8、孔洞，9、金屬顆粒，10、透明介質(zhì)膜。
具體實施例方式實施例1本發(fā)明在常規(guī)GaN基LED管芯上的P型GaN層的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。常規(guī)GaN基 LED的管芯結(jié)構(gòu)自上而下依次包括P電極1、P面接觸電流擴(kuò)展層2、P-GaN層3、量子阱有 源區(qū)4、N-GaN層5、N電極6和襯底7。本發(fā)明在P-GaN層3上設(shè)有直徑為50納米一1000 納米的孔洞8，孔洞之間的間距為0. 1微米一10微米?？锥?的底部距與P-GaN層3相鄰 的量子阱有源區(qū)4的距離為10納米一100納米?？锥?內(nèi)填有厚度為10納米一400納米 的金屬顆粒9，金屬顆粒9的粒徑為5納米一100納米。金屬顆粒9為金屬Ag、Al、Ni或Au 等金屬顆粒，可以通過熱蒸發(fā)或濺射等方式獲得。孔洞8的洞口處填充有封堵金屬顆粒9 的透明介質(zhì)膜10。上述結(jié)構(gòu)通過在P-GaN 3上制備出一系列的納米孔洞8，控制孔洞8的底部與量子 阱有源區(qū)4的距離，在孔洞8里面填上金屬顆粒，最后以透明的介質(zhì)膜填充納米孔洞8，使得 納米洞里面是一個個的金屬顆粒點(diǎn)。實施例2本實施例是應(yīng)用在垂直倒裝結(jié)構(gòu)的GaN基LED管芯結(jié)構(gòu)上，如圖2所示。其上 P-GaN層的結(jié)構(gòu)與實施例1中常規(guī)GaN基LED管芯上的P型GaN層的結(jié)構(gòu)一樣，采用倒裝技 術(shù)把外延層轉(zhuǎn)移到其他襯底上，可制作大功率垂直結(jié)構(gòu)芯片。
權(quán)利要求
一種GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)，其特征是該GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)，是在P型GaN層上設(shè)有孔洞，孔洞的底部距離LED管芯的量子阱有源區(qū)的距離為10納米 100納米，孔洞內(nèi)填有金屬顆粒，孔洞的洞口處填充有封堵金屬顆粒的透明介質(zhì)膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)，其特征是所述孔洞的 直徑為50納米一1000納米，孔洞的間距為0. 1微米一10微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)，其特征是所述金屬顆 粒的粒徑為5納米一100納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)，其特征是所述孔洞內(nèi) 填有的金屬顆粒的厚度10納米一400納米。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)，該GaN基LED管芯P型GaN層的結(jié)構(gòu)，是在P型GaN層上設(shè)有孔洞，孔洞的底部距離LED管芯的量子阱有源區(qū)的距離為10納米-100納米，孔洞內(nèi)填有金屬顆粒，孔洞的洞口處填充有封堵金屬顆粒的透明介質(zhì)膜。本發(fā)明是在P型GaN層上帶有納米孔洞，使孔洞里面具有一個個的金屬顆粒，在納米尺度范圍植入了金屬顆粒-有源層介質(zhì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成了納米金屬顆粒與量子阱有源層耦合的介質(zhì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，SPP與激子的耦合提高了GaN基LED的發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/02GK101950785SQ20101023852
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者徐現(xiàn)剛, 沈燕, 胡小波 申請人:山東大學(xué)