[发明专利]表面等离激元增强火山口型3D垂直结构LED结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种表面等离激元增强火山口型3D垂直结构LED结构及制备方法：通过在p‑GaN表面制作火山口型的表面等离激元耦合及三维量子阱发光阵列，在垂直结构LED器件中引入表面等离激元火山口型界面与量子阱发生耦合，不仅能够充分通过表面等离激元与量子阱的耦合提高垂直结构LED的内量子效率，而且能够利用火山口型耦合可以显著改善表面等离激元增强型LED器件的载流子注入效率。不仅如此，火山口型形貌和量子阱发光阵列三维排布设计，更有利于发光区激子能量耦合到表面等离激元后向外辐射出光子并从器件表面出射，因此，还能增强垂直结构LED器件的光提取效率。本发明所提出的3D多功能复合垂直结构LED结构，具有实际推广应用价值。

技术领域

本发明属于半导体发光二极管技术领域，具体涉及一种表面等离激元增强火山口型3D垂直结构LED结构及制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)基发光二极管(Light Emitting Diode，以下简称LED)具有带隙宽、性能稳定、电子漂移饱和速率高等优点，在高亮度发光二极管领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景。当前，垂直结构LED使电流在芯片内均匀分布，从而很好地解决了散热问题，在一定程度上提高了光效，但影响发光的能量损耗(包括非辐射复合和全反射吸收)依然存在。为了进一步提高LED发光的内量子效率及外量子效率，需要结构设计及生产工艺的创新。

利用表面等离激元共振耦合增强技术有望提高LED的自发辐射速率和内量子效率，从而提高发光效率。对于电学注入的表面等离激元共振增强GaN基LED，重要的是表面等离激元与有源区内电子空穴对的有效耦合。尤其很难同时兼顾载流子的注入效率。在不影响载流子注入效率的前提下，实现共振增强是目前的难点所在。

为了实现有效的耦合，人们提出了各种各样的技术方案。这些技术方案主要集中在表面等离激元与平面结构的GaN基LED耦合。如通过降低p-GaN的厚度减小LED表面金属颗粒与量子阱的耦合距离[D.M.Yeh，C.F.Huang，C.Y.Chen，Y.C.Lu andC.C.Yang，Localizedsurface plasmon-induced emission enhancement of a greenlight-emitting diode，Nanotechnology，19，345201-1-345201-4(2008)]，这种耦合方式设计简单，但很难进一步通过减小p-GaN的厚度来增强耦合强度；另外一种方案是在材料生长过程中，将产生表面等离激元的金属颗粒嵌入在p型氮化镓层中靠近量子阱的区域内实现耦合[C.Y.Cho，K.S.Kim，S.J.Lee，M.K.Kwon，H.Ko，S.T.Kim，G.Y.Jung，and S.J Park，Surface plasmon-enhanced light-emitting diodes with silver nanoparticles andSiO2nano-disksembedded in p-GaN，Appl.Phys.Lett.，99，041107(2011)]，这种耦合方式可以实现任意的耦合距离，但是很难避免金属向有源区的扩散问题，以及金属对p-GaN材料质量的影响；近两年又出现了一种避开材料生长过程的耦合方式，在常规LED外延片的p-GaN层制备二维纳米孔阵列，并在孔底沉积可产生表面等离激元的金属颗粒[专利号：CN 103219442 A]，这种耦合方式虽然不必考虑材料生长等诸多复杂因素，但是，该结构有耦合增强效应的纳米孔洞之下的发光区域的载流子注入效率很低，严重影响了表面等离激元共振耦合增强发光的效果。此外，上述提到的方法中器件的光提取效率仍然受到量子阱发光区二维平面化的限制，进而影响了器件的整体出光效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种表面等离激元增强火山口型3D垂直结构LED结构及制备方法，通过火山口型p-GaN表面实现表面等离激元与GaN基LED的耦合，可以同时提高器件的载流子注入效率和内量子效率，同时结合火山口形貌和发光区的三维阵列排布，有利于表面等离激元向外辐射光子并从器件表面出射，进而又能极大增强垂直结构LED器件的光提取效率。