[发明专利]AlGaN异质结纳米柱阵列发光器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种AlGaN异质结纳米柱阵列发光器件，其结构自下至上依次包括：一衬底；一生长在衬底上的GaN缓冲层；一生长在GaN缓冲层上的AlN插入层；一生长在AlN插入层上的Al_xGa_1‑xN层；并刻蚀形成贯穿Al_xGa_1‑xN层、AlN插入层，深至GaN缓冲层的纳米柱阵列；所述纳米柱阵列中，Al_xGa_1‑xN层的直径小于AlN插入层的直径。并公开了该AlGaN异质结纳米柱阵列发光器件的制备方法。本发明利用纳米柱结构，释放异质外延薄膜中的应力，提高器件发光效率；通过改变阵列结构参数，调控光场分布，提高紫外光的抽取效率。采用优化的三层胶紫外软压印技术，可克服AlGaN外延片表面粗糙带来的缺陷，压印图形边缘平滑无锯齿，可实现大面积制备，且纳米柱阵列形状、直径大小可调，结构可转移。

技术领域

本发明专利涉及一种AlGaN异质结纳米柱阵列发光器件及其制备方法，属于半导体照明及光电子器件领域。

背景技术

经过二十多年的发展，以GaN材料为基础的高效率、高亮度蓝光LED日趋成熟。随着波长进一步缩短，发光进入紫外区。紫外光可与生物分子或化学物质产生较强的作用，可用于气体传感、荧光激发、紫外固化、水净化、空气消毒和各种微生物相关设备。与传统汞灯相比，紫外LED更加坚固、结构紧凑，环境友好，寿命长，无需预热，可在纳秒时间内开关，优势显著。通过调节AlGaN材料中的Al组分，其发光波长几乎可完全覆盖UVA(400nm-320nm)，UVB(320-280nm)和UVC(280-200nm)波段。UVA可用于墨水、聚合物薄膜和各种高分子材料的固化成型，也可用于传感探测等。UVB常用于光治疗及植物生长照明等，UVC则可用于水净化、消毒杀菌及化学生物分子的检测、深紫外光刻和高密度光存储等。随着经济发展，公众对健康生活的关注和需求与日俱增。可以预见的是，在应用方面，紫外LED的市场潜力很大，近期的市场研究也表明紫外LED光源将会迎来迅猛发展。Yole Développement公司预测，紫外LED的全球市场份额年增长超过28％，到2019年总产值将达到5.2亿美元。

当前成品化的紫外LED器件基本集中在UVA波段，大部分UVB和UVC器件的输出功率只能到毫瓦级，外量子效率远低于蓝光LED，寿命大多小于1000小时。与可见光LED相比，基于AlGaN材料的紫外LED仍然存在诸多问题。在材料方面，外延生长缺陷密度高、应变失配严重，c面生长的极化效应还会产生量子限制斯塔克(QCSE)效应。器件方面，载流子注入和限制困难，内量子效率(IQE)很低，P型层阻值大且欧姆接触特性差，电流难以有效扩展。光抽取方面，缺乏对深紫外光高反射(透射)的电极材料，光的自吸收严重，占据主要地位的TM光也难以通过常规结构耦合到外部空间。

对于平面结构紫外LED，量子阱(MQW)中不同Al组分外延层间存在晶格失配，会在界面产生极化电荷使能带倾斜，造成有源区复合效率下降，降低了器件IQE并引起发光峰位的移动。纳米柱拥有大的侧壁面积，使得阵列结构有更好的光抽取效率。纳米柱阵列在轴向上相当于波导结构，使得出光有更好的方向性。有序结构有类光子晶体效果，还可实现对光子的调控。同时，薄膜中的应力得以释放，削弱了MQW中的应变诱导QCSE效应。由于一维纳米柱结构能更好的限制光场和载流子的输运，大的表面体积比会使低维结构表现出与体材料相异的光学和电学效应。对纳米柱结构进行二次外延，还可制备出核壳结构的纳米柱LED器件，能有效增加有源区的面积。采用转移方法对纳米柱结构进行分离，还可与微腔结构、等离激元结合起来，制备出新型微纳紫外光电器件。