金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列及制造方法技术

本发明专利技术公开了一种金属光子晶体耦合增强nano‑LED阵列及制造方法，自下而上包括：Si衬底、Ni/Au金属阵列和p电极连接线、nano‑LED阵列、n型GaN层、Ti/Au金属层；nano‑LED阵列结构自下而上包括：Ni/Au金属层、Ag金属层、p型GaN层、量子阱层、量子阱层上的n型GaN层；每个nano‑LED单体有单独的p接触，所有nano‑LED单体共用一个n接触；Ag金属层在阵列中构成Ag金属光子晶体，利用光子禁带和金属表面等离激元的性质增强发光效率，表面等离激元由Ag金属层产生；中间部分为倒装结构，利用Ag金属光子晶体的反射镜作用减少了底部衬底的吸收。该专利大幅度提高发光效率。

【技术实现步骤摘要】
金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列及制造方法
本专利技术涉及LED
，特别是涉及一种金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列及制造方法。
技术介绍
LED，即LightEmittingDiode的缩写，译为发光二极管。LED与普通二极管一样，都存在PN结。存在InGaN/GaN量子阱结构的LED，当在两端加上正向电压后，从P区注入向N区运动的空穴和由N区注入向P区运动的电子，在量子阱结构处相遇并复合发光。基于GaN基LED的照明产品，已经逐步取代了白炽灯和荧光灯，成为新一代的照明光源。LED具有节能、环保以及寿命长、发光效率高等特点。LED芯片的典型尺寸在毫米量级，通过进一步缩小LED芯片，在纳米量级的范围内制造成百上千个nano-LED阵列。通过尺寸的缩小，nano-LED会呈现发光局域化、饱和电流密度更高、输出光功率密度更高的特点，从而进一步提高LED的发光效率。金属光子晶体是将光子晶体中周期排列的电介质换成为金属的介质。金属光子晶体不仅拥有一般光子晶体的光子禁带和光学反射镜的性质，而且具有金属表面等离激元的特性，而因此，设计开发一种新型金属光子晶体耦合增强纳米级别LED的结构，使其能够进一步提高出光效率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列及制造方法；该专利技术结合金属光子晶体，利用金属表面等离激元的特性、光学反射镜、光子禁带的特性，提高氮化镓基LED器件的发光效率；利用纳米尺寸级别LED的高发光功率，使发光效率进一步提高。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列，包括：Si衬底、位于Si衬底上的Ni/Au金属阵列和p电极连接线、位于Ni/Au金属阵列上的nano-LED阵列、位于nano-LED阵列上的n型GaN层、位于n型GaN层上的Ti/Au金属层；其中nano-LED阵列自下而上包括：Ni/Au金属层、位于Ni/Au金属层上的Ag金属层、位于Ag金属层上的p型GaN层、位于p型GaN层上的InGaN/GaN量子阱层、位于InGaN/GaN量子阱层上的n型GaN层；所述Ni/Au金属阵列包括下方的Ni金属阵列和上方的Au金属阵列；所述Ti/Au金属层包括下方的Ti金属阵列和上方的Au金属阵列；每个nano-LED单体有单独的p接触，所有nano-LED单体共用一个n接触；所述Ag金属层在阵列中构成Ag金属光子晶体，利用光子禁带和金属表面等离激元的性质增强发光效率，Ag金属阵列的直径为140nm、周期为800nm，其中表面等离激元由Ag金属层产生；中间部分为倒装结构，利用Ag金属光子晶体的反射镜作用减少了底部衬底的吸收；所述nano-LED阵列与Ag金属光子晶体周期保持一致、且两者的直径相同；所述nano-LED阵列与Si衬底上的Ni/Au金属阵列周期保持一致、且直径相同。一种金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列的制造方法，包括如下步骤：步骤101、在Si衬底上利用金属有机化合物化学气相沉淀技术相继生长Ni金属层和Au金属层，通过等离子体刻蚀技术形成Ni/Au阵列和p电极连接线；步骤102、在蓝宝石衬底上利用金属有机化合物化学气相沉淀技术相继生长n型GaN层、量子阱层、p型GaN层、Ag金属层、Ni金属层、Au金属层；所述量子阱层为InGaN和GaN的交替结构；步骤103、通过等离子体刻蚀法刻蚀Au金属层至n型GaN层厚度的1/3位置，形成nano-LED阵列；步骤104、利用倒装技术和金属键合技术将nano-LED阵列与Si衬底上的Ni/Au金属阵列一对一键合；步骤105、剥离此时位于最上面位置的蓝宝石衬底，利用金属有机化合物化学气相沉淀技术在n型GaN层上相继生长Ti金属层和Au金属层，形成n电极。进一步：所述步骤103中，制备含有金属光子晶体的nano-LED阵列的具体步骤为：步骤1031、在Au金属层上表面旋涂光刻胶；步骤1032、以光刻胶做掩膜版，通入刻蚀气体，其中刻蚀气体体积比：BCl3:Cl2:Ar＝6:3:20，刻蚀时长为220秒；步骤1033、利用等离子体刻蚀法刻蚀周期为800nm、直径为140nm的阵列；步骤1034、去胶。进一步：所述步骤101具体为：步骤1011、在Si衬底上利用金属有机化合物化学气相沉淀技术生长8nm的Ni层；步骤1012、在Ni金属层上利用金属有机化合物化学气相沉淀技术生长2nm的Au层；步骤1013、在Au层上旋涂光刻胶；步骤1014、利用光刻胶制作掩膜版，通入刻蚀气体，其中刻蚀气体体积比：BCl3:Cl2:Ar＝6:3:20，刻蚀时长为10秒；步骤1015、通过等离子体刻蚀技术刻蚀出周期为800nm、直径为140nm的Ni/Au阵列和宽为70nm的p电极连接线。本专利技术具有的优点和积极效果是：(1)制备金属光子晶体，利用金属表面等离激元耦合增强LED内量子效率；(2)利用金属光子晶体的光学反射镜性质，使向下方发射的光被极大的反射，从而减少衬底对光的吸收；(3)利用金属光子晶体的光子禁带性质，破坏了LED内部的光波导模式，增加了光提取效率；(4)采用了倒装结构的LED，具有更好的抗大电流冲击稳定性和光输出性能。(5)nano-LED阵列可寻址，每个nano-LED有单独的p接触，所有nano-LED共用一个n接触。(6)纳米尺寸级别的LED具有更高的饱和电流密度，更高的输出光功率密度，从而进一步提高发光效率。附图说明图1是本专利技术优选实施例的整体结构图；图2是本专利技术优选实施例中衬底的俯视图；图3是本专利技术优选实施例与传统技术效果的对比图。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：请参阅图1至图2，一种金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列，结构可分为上、中、下三个部分，其中下面的部分为p型金属接触区域，包括：Si衬底、位于Si衬底上的Ni/Au金属阵列和p电极连接线；中间部分为倒装结构的nano-LED阵列，阵列中的每个单元自下而上包括：Ni/Au金属层、位于Ni/Au金属层上的Ag金属层、位于Ag金属层上的p型GaN层、位于p型GaN层上的InGaN/GaN量子阱层、位于InGaN/GaN量子阱层上的n型GaN层；上面的部分为n型金属接触区域，自下而上包括：n型GaN层、Ti/Au金属层。一种金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列的制造方法：包括如下步骤：步骤101、在Si衬底上利用金属有机化合物化学气相沉淀技术(MOCVD)相继生长Ni金属层和Au金属层，通过等离子体(ICP)刻蚀技术形成Ni/Au阵列和p电极连接线；步骤102、在蓝宝石衬底上利用MOCVD技术相继生长n型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、p型GaN层、Ag金属层、Ni金属层、Au金属层；步骤103、通过ICP刻蚀法刻蚀Au金属层至n型GaN层厚度的1/3位置，形成nano-LED阵列；步骤104、利用倒装技术和金属键合技术将nano-LED阵列与Si衬底上的Ni/Au阵列一对一键合；步骤105、剥离此时位于最上面位置的蓝宝石衬底，利用MOCVD技术在n型GaN层上相继生长Ti金属层和Au本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属光子晶体耦合增强nano‑LED阵列，其特征在于：包括：Si衬底、位于Si衬底上的Ni/Au金属阵列和p电极连接线、位于Ni/Au金属阵列上的nano‑LED阵列、位于nano‑LED阵列上的n型GaN层、位于n型GaN层上的Ti/Au金属层；其中nano‑LED阵列自下而上包括：Ni/Au金属层、位于Ni/Au金属层上的Ag金属层、位于Ag金属层上的p型GaN层、位于p型GaN层上的InGaN/GaN量子阱层、位于InGaN/GaN量子阱层上的n型GaN层；所述Ni/Au金属阵列包括下方的Ni金属阵列和上方的Au金属阵列；所述Ti/Au金属层包括下方的Ti金属阵列和上方的Au金属阵列；每个nano‑LED单体有单独的p接触，所有nano‑LED单体共用一个n接触；所述Ag金属层在阵列中构成Ag金属光子晶体，利用光子禁带和金属表面等离激元的性质增强发光效率，Ag金属阵列的直径为140nm、周期为800nm，其中表面等离激元由Ag金属层产生；中间部分为倒装结构，利用Ag金属光子晶体的反射镜作用减少了底部衬底的吸收；所述nano‑LED阵列与Ag金属光子晶体周期保持一致、且两者的直径相同；所述nano‑LED阵列与Si衬底上的Ni/Au金属阵列周期保持一致、且直径相同。...

【技术特征摘要】
1.一种金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列，其特征在于：包括：Si衬底、位于Si衬底上的Ni/Au金属阵列和p电极连接线、位于Ni/Au金属阵列上的nano-LED阵列、位于nano-LED阵列上的n型GaN层、位于n型GaN层上的Ti/Au金属层；其中nano-LED阵列自下而上包括：Ni/Au金属层、位于Ni/Au金属层上的Ag金属层、位于Ag金属层上的p型GaN层、位于p型GaN层上的InGaN/GaN量子阱层、位于InGaN/GaN量子阱层上的n型GaN层；所述Ni/Au金属阵列包括下方的Ni金属阵列和上方的Au金属阵列；所述Ti/Au金属层包括下方的Ti金属阵列和上方的Au金属阵列；每个nano-LED单体有单独的p接触，所有nano-LED单体共用一个n接触；所述Ag金属层在阵列中构成Ag金属光子晶体，利用光子禁带和金属表面等离激元的性质增强发光效率，Ag金属阵列的直径为140nm、周期为800nm，其中表面等离激元由Ag金属层产生；中间部分为倒装结构，利用Ag金属光子晶体的反射镜作用减少了底部衬底的吸收；所述nano-LED阵列与Ag金属光子晶体周期保持一致、且两者的直径相同；所述nano-LED阵列与Si衬底上的Ni/Au金属阵列周期保持一致、且直径相同。2.一种基于权利要求1所述金属光子晶体耦合增强nano-LED阵列的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤101、在Si衬底上利用金属有机化合物化学气相沉淀技术相继生长Ni金属层和Au金属层，通过等离子体刻蚀技术形成Ni/Au阵列和p电极连接线；步骤102、在蓝宝石衬底上利用金属有机化合物化学气相沉淀技术相继生长n型GaN层、量...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏伟，于丹丹，牛萍娟，王迪，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12