[实用新型]一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片

说明书

技术领域

本实用新型涉及面向可见光通信的GaN基LED芯片领域，具体涉及一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片。

背景技术

可见光通信采用高速闪烁的LED作为信号源。当LED闪烁的频率超过人眼响应极限时，该信号源就可同时作为照明、显示、背光等领域的光源。随着LED在上述领域的广泛应用，兼具光源和信号源功能的高发光效率高调制带宽的LED芯片成为研究热点。

LED芯片的调制带宽主要受有源区少数载流子复合寿命和RC带宽的影响，其中R、C 分别为芯片的等效电阻和等效电容。已有文献提出在量子阱的垒层掺杂，使得空间电荷场可以屏蔽压电场，增强电子-空穴波函数耦合，降低少数载流子复合寿命。还有研究表明，增加空穴浓度、减小有源层厚度、增加注入电流密度都可以降低少数载流子复合寿命。但这些办法都将降低芯片的发光效率，而且还需要改变外延层的结构和生长工艺。从芯片制备的角度，为了提高LED的调制带宽，一种方案是减少芯片的有效发光面积。例如，使用电流限制孔将注入电流的路径限制在一定范围内，或者制备微尺寸芯片，从而减小等效电容。这种方案虽然保证了芯片的发光效率，但是由于减小了有效发光面积，降低了出光功率。

表面等离子体（SP）技术可显著增强少数载流子的自发辐射速率，同时增加器件的发光效率和调制带宽。LED 芯片通过电极注入电子和空穴，两种载流子在发光层复合产生激子。一部分激子能量经过辐射跃迁过程发射光子，另一部份激子能量经过晶格振动、深能级杂质跃迁等非辐射跃迁过程被损耗掉。若在量子阱附近（量子阱处于SP消逝场的范围内）存在金属薄膜或颗粒，则激子的辐射跃迁过程、非辐射跃迁过程和量子阱-SP耦合过程相互竞争。当激子的频率与SP的谐振频率匹配时，激子能量耦合到SP模式的速率远大于另外两种衰减过程，从而降低少数载流子的复合寿命、提高调制带宽。

实用新型内容

本实用新型针对面向可见光通信的GaN基LED芯片，提供一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片。

本实用新型一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片，是在LED芯片的p-GaN层的表面制备微米-纳米复合金属结构。

本实用新型通过如下技术方案实现。

一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片，为倒装结构，由下至上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n-GaN层、量子阱层、电子阻挡层、p-GaN层、金属反射镜层、钝化层、p-电极层、n-电极层；所述金属反射镜层的底面连接p-GaN层的表面处具有微米-纳米复合金属结构。

进一步地，所述微米-纳米复合金属结构包括微米金属结构和纳米金属结构；所述p-GaN层的表面具有与微米-纳米复合金属结构互补的微米-纳米复合结构。

更进一步地，所述微米金属结构和纳米金属结构均为交替出现的凸起和凹槽结构。

所述微米金属结构的凸起的外径和高度以及凹槽的内径和深度都大于表面等离子体的传播长度，在50nm~5μm之间。

更进一步地，所述纳米金属结构分布在微米金属结构与p-GaN层的分界面上。

更进一步地，所述微米金属结构的凸起部分延伸至距离p-GaN层的底部10nm~1μm处，靠近量子阱（MQW）层，实现高效SP-MQW 耦合；微米金属结构的凹槽部分覆盖p-GaN层（7）的表面，使p-GaN层具有足够的厚度注入空穴。

更进一步地，所述微米金属结构的凸起和凹槽部分在空间上呈随机分布、一维光栅分布或二维点阵分布中的一种，凸起的形状和凹槽的内凹形状均呈长方体、圆柱、圆台、棱柱或棱台中的一种。

更进一步地，所述纳米金属结构的凸起和凹槽部分在空间上呈随机分布、一维光栅分布或二维点阵分布中的一种，凸起的形状和凹槽的内凹形状均呈不规则形状、长方体、圆柱、圆台、棱柱或棱台中的一种。

进一步地，所述微米金属结构的凸起部分上的纳米金属结构与量子阱层（5）的距离小于表面等离子体在芯片介质中的穿透深度，在10 nm ~ 200 nm之间。

上述任一项所述的一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片的制备方法，包括如下步骤：

（1）依次在衬底上叠层制备缓冲层、非故意掺杂GaN层、n-GaN层、量子阱层、电子阻挡层和平整的p-GaN层；在平整的p-GaN层的表面制备尺寸为纳米数量级的掩模结构；

（2）通过刻蚀将纳米数量级的掩模结构的纳米尺寸图案复制到平整的p-GaN层的表面，制备成具有纳米尺寸结构的p-GaN层，并去除剩余的掩模材料；