一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片及其制备方法。该宽带高效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、p‑电极孔和n‑电极孔；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。微米金属结构包含交替出现的凸起部分和凹槽部分；凸起部分延伸至量子阱附近，实现高效SP‑MQW耦合；凹槽部分覆盖在p‑GaN表面，使p‑GaN层具有足够的厚度注入空穴；纳米金属结构分布在微米金属结构与p‑GaN的分界面上。

Broadband high-efficiency GaN based LED chip based on surface plasma effect and preparation method thereof

The invention discloses a wide-band high-efficiency GaN based LED chip based on surface plasma effect and a preparation method thereof. The efficient broadband GaN based LED chip flip structure, followed by the bottom comprises a substrate, a buffer layer, GaN layer, n nonintentionally doped GaN layer, a quantum well layer, electron barrier layer, GaN layer, P metal mirror layer, a passivation layer, p layer, N electrode electrode layer, p electrode and n electrode hole hole; surface layer GaN P surface is connected with the metal reflecting layer bottom with micro nano composite metal structure. Micron metal structure contains alternating convex part and the groove part; near convex part extends to the quantum well, to achieve efficient SP MQW coupling; groove part covered in P GaN P surface, GaN layer with enough thickness of hole injection; nano metal structure at the interface of micro meter metal structure and P GaN on.

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片及其制备方法
本专利技术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芯片及其制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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芯片及其制备方法。本专利技术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。本专利技术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10nm~200nm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；（3）在具有纳米尺寸结构的p-GaN层的表面制备尺寸为微米数量级的掩模结构；（4）通过刻蚀将微米数量级的掩模结构的微米尺寸图案复制到具有纳米尺寸结构的p-GaN层上，制备成整个表面上分布有微米-纳米复合结构的p-GaN层，并去除剩余的掩模材料；（5）在分布有微米-纳米复合结构的p-GaN层的表面制备金属反射镜层，且在金属反射镜层中分布有p-电极金属孔和n-电极金属孔；（6）在n-电极金属孔处，通过刻蚀延伸至n-GaN层，形成n-电极台阶；（7）在金属反射镜层的表面制备钝化层，且在钝化层中分布有p-电极介质孔和n-电极介质孔；（8）在钝化层的表面制备p-电极层和n-电极层。进一步地，步骤（1）、（2）、（3）、（4）中，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后，直接在纳米数量级的掩模结构的表面制备尺寸为微米数量级的掩模结构，通过一次性刻蚀，制备得到具有微米-纳米复合结构的p-GaN层，具有微米-纳米复合结构的p-GaN层的凸起表面上不具有微米结构。进一步地，步骤（1）、（2）、（3）、（4）中，先在平整的p-GaN层的表面上，通过刻蚀微米数量级的掩模结构制备具有微米尺寸结构的p-GaN层；再在具有微米尺寸结构的p-GaN层的表面通过刻蚀纳米数量级的掩模结构，制备成整个表面上分布有微米-纳米复合结构的p-GaN层。进一步地，步骤（1）、（2）、（3）、（4）中，先在平整的p-GaN层的表面上，通过刻蚀微米数量级的掩模结构制备具有微米尺寸结构的p-GaN层；再在具有微米尺寸结构的p-GaN层的表面制备尺寸为纳米数量级的掩模结构，在纳米数量级的掩模结构的表面直接制备金属反射镜层。进一步地，所述纳米数量级的掩模结构的制备包括如下步骤：（1）在p-GaN层的表面制备一层薄膜；（2）依次使用光刻技术和干法刻蚀技术，在薄膜上制备尺寸为纳米数量级的图案，得到纳米数量级的掩模结构。更进一步地，步骤（1）中，所述薄膜的材料为SiO2、SiN、Al2O3或金属中的一种。更进一步地，步骤（2）中，所述光刻技术包括投影式光刻技术、深紫外光刻技术、激光干涉光刻技术、纳米压印技术或电子束曝光技术中的一种。更进一步地，步骤（2）中，所述干法刻蚀技术包括反应离子刻蚀、感应耦合等离子体（ICP）刻蚀或聚焦离子束刻蚀中的一种。优选的，在平整的p-GaN层的表面或具有微米尺寸结构的p-GaN层的表面制备纳米数量级的掩模结构，包括如下步骤：（1）将尺寸为纳米数量级的微球加入溶剂，配置成质量分数为0.5%~10%的微球溶液，并使微球在溶液中均匀分散；（2）将微球溶液沿着容器的内壁缓慢滴加到液面平静的去离子水中，使液面上的微球完全扩散；在液面滴加表面活性剂，使得微球形成稳定漂浮在液面的单层紧凑的微球薄膜；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片，其特征在于，该宽带高效GaN基LED芯片为倒装结构，由下至上依次包括衬底（1）、缓冲层（2）、非故意掺杂GaN层（3）、n‑GaN层（4）、量子阱层（5）、电子阻挡层（6）、p‑GaN层（7）、金属反射镜层（8）、钝化层（9）、p‑电极层（10）、n‑电极层（11）；所述金属反射镜层（8）的底面与p‑GaN层（7）的表面接触部位具有微米‑纳米复合金属结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子体效应的宽带高效GaN基LED芯片，其特征在于，该宽带高效GaN基LED芯片为倒装结构，由下至上依次包括衬底（1）、缓冲层（2）、非故意掺杂GaN层（3）、n-GaN层（4）、量子阱层（5）、电子阻挡层（6）、p-GaN层（7）、金属反射镜层（8）、钝化层（9）、p-电极层（10）、n-电极层（11）；所述金属反射镜层（8）的底面与p-GaN层（7）的表面接触部位具有微米-纳米复合金属结构。2.根据权利要求1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，其特征在于，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，所述纳米金属结构分布在微米金属结构与p-GaN层（7）的分界面上；所述p-GaN层（7）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；所述微米金属结构的凸起部分延伸至距离p-GaN层（7）的底部10nm~1μm处，靠近量子阱层（5），微米金属结构的凹槽部分覆盖p-GaN层（7）的表面。3.根据权利要求2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，其特征在于，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；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。4.根据权利要求2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，其特征在于，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；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10nm~200nm之间。5.权利要求1~4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，其特征在于，包括如下步骤：（1）依次在衬底（1）上叠层制备缓冲层（2）、非故意掺杂GaN层（3）、n-GaN层（4）、量子阱层（5）、电子阻挡层（6）和平整的p-GaN层（7）；在平整的p-GaN层（7）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（7）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；（3）在具有纳米尺寸结构的p-GaN层的表面制备尺寸为微米数量级的掩模结构；（4）通过刻蚀将微米数量级的掩模结构的微米尺寸图案复制到具有纳米尺寸结构的p-GaN层上，制备成整个表面上分布有微米-纳米复合结构的p-GaN层，并去除剩余的掩模材料；（5）在分布有微米-纳米复合结构的p-GaN层的表面制备金属反射镜层（8），且在金属反射镜层（8）中分布有p-电极金属孔和n-电极金属孔；（6）在n-电极金属孔处，通过刻蚀延伸至n-GaN层（4），形成n-电极台阶；（7）在金属反射镜层（8）的表面制备钝化层（9），且在钝化...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄华茂，王洪，胡晓龙，杨倬波，文如莲，施伟，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44