表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED，其结构从下至上依次为：基底层、n型GaN层、InxGa1‑xN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层，其特征在于：所述p型GaN层被刻蚀成光栅结构，成为p型GaN光栅层，p型GaN光栅层上设有纳米双层金属光栅层。并公开了其制备方法。本发明专利技术通过在LED上布置复合光栅，包括p型GaN光栅和双层金属光栅，在p型GaN光栅和双层金属光栅之间会产生表面等离激元共振作用，直接加快复合过程，提高LED的内量子效率，从而从发光有源层直接发射强烈的偏振光。与传统的亚波长金属光栅只能实现偏振相比，本发明专利技术可以同时实现LED的发光效率增强和偏振出光，并且可以独立于材料生长过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利涉及到半导体发光二极管，具体涉及一种表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED及其制备方法。
技术介绍
近年来，Ⅲ族氮化物发光二极管(LED)受到广泛的关注并获得了巨大的成功，以其发光效率高、寿命长、以及节能环保的优势被广泛用于背光光源、照明、医疗、交通信号等领域。近年来，得益于氮化物材料生长技术的进步，氮化镓(GaN)基蓝绿光LED的发光效率等光电特性取得了长足的进步。然而，量子阱内存在很强的量子限制斯塔克效应，使得LED的内量子效率下降，这种效应在高In组分的发光二极管中尤为明显。同时由于GaN表面全内反射的限制，只有一小部分的光能够从LED内提取出来，LED的外量子效率一直低于理论预期值，随着半导体照明产业的快速发展，高发光效率LED芯片需求持续增长，进一步提高GaN基LED的发光效率仍然是学术界和产业界关注的热点问题之一。偏振LED由于在液晶显示、偏振成像、光通信和高分辨成像等领域有巨大的应用价值，探索和制备高偏振度、高亮度的GaN基LED成为氮化物领域的重点研究方向之一。目前，有很多种方法可以提高LED偏振度：一种是利用LED自发辐射偏振光，如利用非极性面或半极性面GaN衬底生长LED得到偏振光输出，但是相应的自支撑衬底材料存在成本高、尺寸小等缺点；另一种办法是在发射面采用某种技术产生偏振光，如通过设计反射面把边发射的偏振光反射出去，在光出射面制作金属纳米光栅或复合光栅结构，或者在出射面制作光子晶体结构得到偏振光。然而，由于增加了额外的光学元件，超过一半的光会被吸收或反射而消耗掉，或者降低LED的发光面积，使得LED的光输出功率被大大降低。在本专利技术前，中国专利技术专利(CN 202647533 U)“一种线偏振LED灯”公布了一种采用有分光作用的偏振分光膜和对可见光波段具有高反射性的宽带高反介质膜，将发光二极管LED发出的光完全转换成所需方向的线偏振光的技术，上述技术仅针对LED出光后产生偏振和调控方向，而本专利技术从LED量子阱中激子复合的内部过程入手，引入表面等离激元共振作用，直接加快复合过程，并产生强烈的偏振出光。在本专利技术前，中国专利技术专利(CN 103746057A)“一种线偏振出光发光二极管”公布采用在p型层和双层金属Al纳米光栅引入介质过渡层，介质层包括MgF等，但只能使得LED出光产生偏振度，跟本专利技术相对比功能单一，且专利技术中未见制作过程详述，未见实物结果；而本专利技术通过在LED上布置复合光栅，包括p型GaN光栅和双层金属光栅，既产生表面等离激元提高LED的内量子效率，又获得了出光偏振度。本专利技术前，美国专利技术专利(US2005008739)“Wire grid polarizer with double metal layers”公布了一种透射式的基于双金属层的线性网格栅偏振器结构，公开了双层金属层与介质膜组成线性网格栅直接置于透明衬底之上，衬底不具备发光特性，可见光波段470nm～610nm的连续光谱通过该偏振器，产生偏振光输出，而本专利技术是将双层金属纳米光栅结构置于GaN基LED结构表面，通过调节双层金属纳米光栅结构与发光有源层的距离，产生强烈的表面等离激元共振作用，直接加快复合过程，从而从发光有源层直接发射强烈的偏振光。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术公开了一种结构简单、便于制备的表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED，其结构从下至上依次为：基底层、n型GaN层、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层，所述p型GaN层被刻蚀成光栅结构，成为p型GaN光栅层，p型GaN光栅层上设有纳米双层金属光栅层。其中双层金属光栅层包括位于p型GaN光栅层顶部的上层金属光栅和位于p型GaN光栅层底部的下层金属光栅。进一步的，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层的周期数为5～15个，所述x范围：0.23≤x≤0.33，发光波长在495～575nm，刻蚀前的p型GaN层的厚度200～600nm，n型GaN层的厚度3～5μm。进一步的，p型GaN光栅层的周期为400～480nm，占空比为0.3～0.6，高度为100～400nm，下层金属光栅与InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层的距离为10～50nm。进一步的，所述纳米双层金属光栅层为双层铝光栅层，高度为10～50nm。进一步的，所述基底层为图形化蓝宝石。本专利技术还提供了上述表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED的制备方法，其步骤包括：(1)在基底层上依次生长n型GaN层、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层，制成InGaN/GaN多量子阱LED基片；(2)在InGaN/GaN多量子阱LED基片上生长一层SiO2介质薄膜层，(3)在SiO2介质薄膜层表面旋涂PMMA，形成PMMA层；(4)在PMMA层表面旋涂紫外固化胶，形成紫外固化胶层；(5)常压下利用紫外软压印技术，使用软模板在紫外固化胶层形成全面积的有序纳米光栅结构；(6)利用反应离子刻蚀(RIE)技术，通入CHF3和O2的混合气体刻蚀紫外固化胶层的残余部分；然后以紫外固化胶为掩膜，利用RIE技术，通入O2进行PMMA刻蚀，将纳米光栅结构转移至PMMA层；(7)采用电子束蒸发技术，在样品表面蒸镀Ni金属膜层，随后将样品放入丙酮溶液浸泡后再超声以剥离PMMA层，得到大面积有序金属Ni纳米光栅结构；(8)采用RIE技术，以金属Ni纳米光栅为掩模，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀SiO2介质层，将金属纳米光栅结构转移至SiO2介质薄膜层上；(9)采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术，通入Cl2和BCl3的混合气体，各向异性干法刻蚀p型GaN层，通过控制刻蚀时间控制GaN光栅深度，使用氢氟酸去除残余的SiO2介质层，得到大面积纳米光栅结构；(10)将样品在无机碱溶液中40-90℃水浴加热5-20min，去除表面的干法刻蚀损伤，使得光栅的侧壁从倾斜变为垂直，同时控制湿法腐蚀的时间，以控制光栅的宽度；(11)采用电子束蒸发技术，在p型GaN光栅层表面蒸镀Al金属层，厚度为10～50nm。进一步的，所述无机碱溶液为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液，浓度为1Mol/L。本专利技术通过在LED上布置复合光栅，包括p型GaN光栅和双层金属光栅，在p型GaN光栅和双层金属光栅之间会产生表面等离激元共振作用，直接加快复合过程，提高LED的内量子效率，从而从发光有源层直接发射强烈的偏振光。与与传统的亚波长金属光栅只能实现偏振相比，本专利技术可以同时实现LED的发光效率增强和偏振出光，并且可以独立于材料生长过程。附图说明图1为本专利技术步骤(1)中得到的InGaN/GaN多量子阱LED基片的结构示意图。图2为本专利技术步骤(2)中得到的InGaN/GaN多量子阱LED基片上沉积SiO2介质薄膜层的结构示意图。图3为本专利技术步骤(4)中得到的InGaN/GaN多量子阱LED上旋涂PMMA胶和紫外固化胶的结构示意图。图4为本专利技术步骤(5)中得到的紫外固化胶层上有序纳米光栅的结构示意图。图5为本专利技术步骤(6)中得到的PMMA层上有序纳米光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED，其结构从下至上依次为：基底层、n型GaN层、InxGa1‑xN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层，其特征在于：所述p型GaN层被刻蚀成光栅结构，成为p型GaN光栅层，p型GaN光栅层上设有纳米双层金属光栅层，所述纳米双层金属光栅层包括位于p型GaN光栅层顶部的上层金属光栅和位于p型GaN光栅层底部的下层金属光栅。

【技术特征摘要】
1.一种表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED，其结构从下至上依次为：基底层、n型GaN层、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层，其特征在于：所述p型GaN层被刻蚀成光栅结构，成为p型GaN光栅层，p型GaN光栅层上设有纳米双层金属光栅层，所述纳米双层金属光栅层包括位于p型GaN光栅层顶部的上层金属光栅和位于p型GaN光栅层底部的下层金属光栅。2.根据权利要求1所述的表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED，其特征在于：所述InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层的周期数为5～15个，所述x范围：0.23≤x≤0.33，发光波长在495～575nm，刻蚀前的p型GaN层的厚度200～600nm，n型GaN层的厚度3～5μm。3.根据权利要求1或2所述的表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED，其特征在于：p型GaN光栅层的周期为400～480nm，占空比为0.3～0.6，高度为100～400nm，下层金属光栅与InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层的距离为10～50nm。4.根据权利要求1或2所述的表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED，其特征在于：所述纳米双层金属光栅层为双层铝光栅层，高度为10～50nm。5.根据权利要求1或2所述的表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED，其特征在于：所述基底层为图形化蓝宝石。6.一种表面等离激元增强InGaN/GaN偏振出光LED的制备方法，其步骤包括：(1)在基底层上依次生长n型GaN层、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层、p型GaN层...

【专利技术属性】
技术研发人员：张荣，张国刚，刘斌，任芳芳，谢自力，陈鹏，郭旭，葛海雄，修向前，赵红，陈敦军，陆海，韩平，施毅，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32