一种表面等离激元耦合深紫外AlGaN基发光二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种倒装结构的表面等离激元耦合的深紫外AlGaN基发光二极管。所述深紫外LED器件至少包含：衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层、Al纳米光栅，其特征在于：位于所述有源层附近的金属Al纳米光栅结构，与有源层中电子

【技术实现步骤摘要】
一种表面等离激元耦合深紫外AlGaN基发光二极管


[0001]本专利技术涉及深紫外氮化物LED领域，特别是一种倒装结构的表面等离激元耦合的深紫外AlGaN基发光二极管。

技术介绍

[0002]与传统汞灯相比，AlGaN基深紫外（DUV）LED作为紫外光源具有许多优点，如无预热时间、电子调光、高温稳定性和长寿命。自21世纪初以来，AlGaN基深紫外LED取得了重大进展，并已应用于许多领域，如UV固化。然而，AlGaN基深紫外 LED仍然面临诸如低输出功率和低量子效率等问题，特别是在UVB和UVC波长范围内。尽管有报道称，发光波长为275nm的深紫外LED的外量子效率（EQE）可以达到20%，但商用深紫外LED的外量子效率通常低于10%。为了提高外量子效率，有必要提高LED的辐射复合效率、载流子注入效率和光提取效率（LEE）。文献中已经报道了许多改善这些参数的方法。例如，使用纳米图案化蓝宝石衬底生长AlGaN基多量子阱（MQW）不仅可以降低材料的穿透位错密度（从而提高辐射复合效率），还可以提高LEE；合理设计p
‑
AlGaN空穴注入层（HIL）或电子阻挡层（EBL）可以提高载流子注入效率；可以使用高透明度的p
‑
AlGaN和高反射率的p
‑
电极来改善光提取效率。
[0003]目前， 中国专利CN102969423A公开了一种Ag耦合增强GaN基LED器件，利用Ag 表面等离激元耦合增强GaN 基LED发光效率。尽管如此，在深紫外波段，不可能激发Ag/介质界面处的表面等离激元。Ag 表面等离激元的应用被限制在可见光波段的GaN基LED器件。此外，由于氮化物材料的折射率较高，发射光出射的临界角一般只有23
º
左右，大量发射光被限制在LED内部。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，通过设计一种具有粗糙衬底表面的金属Al纳米光栅结构，提出一种表面等离激元耦合深紫外AlGaN基发光二极管, 通过Al/介质界面处的表面等离激元与量子阱中电子
‑
空穴对相耦合，提高深紫外LED的辐射复合率；通过Al纳米光栅的散射，调控发射光的传播方向，增加光提取效率；再通过优化衬底下表面的粗糙度，增大发射光出射的临界角，进一步提高LED器件的光提取效率。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提出的表面等离激元耦合深紫外AlGaN基发光二极管，由下到上至少包括：衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层，其特征在于：p型半导体层的顶部具有金属Al纳米光栅，所述金属Al纳米光栅具有阵列排布的柱状体，所述柱状体插入p型半导体层并接近有源层，使Al/介质界面处的表面等离激元与有源层中电子
‑
空穴对相耦合；所述衬底具有用于增大发射光出射临界角的粗糙下表面。
[0006]本专利技术提出了一种具有粗糙衬底表面的Al纳米光栅结构的深紫外LED。通过控制Al纳米光栅与有源层之间的距离，Al/介质界面上的表面等离激元可以与量子阱中的电子
‑
空穴对形成较强的耦合，从而提高LED的TE/TM模自发辐射复合率；利用Al纳米光栅结构对发射光的散射，改变不同偏振光的传播方向，从而提高发射光的透射率；粗糙的衬底表面可
以增大发射光透射的临界角，从而进一步提高LED器件的光提取效率。有源层的最上面是一层势垒层，因此Al纳米光栅与阱层之间最小间隔了一个势垒层的厚度，表面等离激元与量子阱耦合，理论上它们之间的距离越近越好。
附图说明
[0007]下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。
[0008]图1为一种倒装结构的表面等离激元耦合的深紫外AlGaN基发光二极管的结构示意图。
[0009]图2为RMS为150nm,相关长度为100nm时粗糙表面形貌。
[0010]图3为 Al纳米光栅结构与Al平面结构的性能比较图，(a)峰值辐射复合率的提高率; (b)在波长为280nm时的输出强度。
[0011]图4为s
‑
/p
‑
偏振光提取效率与输出强度随RMS的变化。
[0012]图5为s
‑
/p
‑
偏振光提取效率与输出强度随相关长度的变化。
[0013]图6为衬底为蓝宝石的LED的输出强度随波长的变化。
[0014]图7为衬底为AlN的LED的输出强度随波长的变化。
[0015]图8为具有倾斜角度的Al纳米光栅结构图。
[0016]图9为Al纳米光栅的倾斜角度为80
º
的LED的输出强度。
[0017]附图标注：10
‑
衬底；20
‑
AlN外延层；30
‑
n型半导体层；40
‑
有源层；41
‑
势阱层；42
‑
势垒层；50
‑
p型电子阻挡层；60
‑ꢀ
p型半导体层；70
‑ꢀ
p型欧姆接触层；80
‑
Al纳米光栅。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。
[0019]本专利技术提出一种倒装结构的表面等离激元耦合的深紫外AlGaN基发光二极管，如图1所示，由下至上依次包括衬底10，AlN外延层20，n型半导体30，有源层40，p型电子阻挡层50，p型半导体60，p型欧姆接触层70，Al纳米光栅80。其中，衬底10为蓝宝石，n型半导体20为n
‑
Al
0.65
Ga
0.35
N，有源层40为由势垒层42和势阱层41周期交叠构成的多量子阱结构，势垒层42为Al
x
Ga1‑
x
N层，势阱层41为Al
y
Ga1‑
y
N层，其中x取值范围0.5
‑
0.8；y取值范围0.3
‑
0.6。本例中，有源层40为3周期的2.5nm
‑
Al
0.4
Ga
0.6
N/8nm
‑
Al
0.55
Ga
0.45
N多量子阱。p型电子阻挡层50为6nm厚Al
0.8
Ga
0.2
N，p型半导体60为150nm厚的p
‑
Al
0.65
Ga
0.35
N，p型欧姆接触层70为5nm厚的GaN。通过刻蚀，在LED上方形成纳米光栅结构，再通过淀积一层金属Al，从而形成Al纳米光栅结构80。
[0020]所述蓝宝石衬底10下表面为粗糙表面，RMS取值范围为50
‑
200nm，相关长度（相关长度指表面高度偏差的自相关函数的半高宽，相关长度越大，表面的高度变化越平缓）取值范围为100
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面等离激元耦合深紫外AlGaN基发光二极管，由下到上至少包括：衬底（10）、n型半导体层（30）、有源层（40）、p型半导体层（60），其特征在于：p型半导体层（60）的顶部具有金属Al纳米光栅，所述金属Al纳米光栅具有阵列排布的柱状体，所述柱状体插入p型半导体层（60）并接近有源层（40），使Al/介质界面处的表面等离激元与有源层（40）中电子
‑
空穴对相耦合；所述衬底（10）具有用于增大发射光出射临界角的粗糙下表面。2.根据权利要求1所述的一种表面等离激元耦合深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于: 所述金属Al纳米光栅的周期为200
‑
800nm，占空比为0.4
‑
0.6，倾斜角度α为70
º‑
90
º
，光栅底部与有源层距离为0
‑
20nm。3.根据权利要求1所述的一种表面等离激元耦合深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于：所述有源层（40）为由势垒层（42）和势阱层（41）周期交叠构成的多量子阱结构，势垒层（42）为Al
x
Ga1‑
x
N层，势阱层（41）为Al
y
Ga1‑
y
N层，其中，x取值范围0.5
‑
0.8；y取值范围0.3
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毅，朱友华，王美玉，葛梅，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：