发光二极管表面金属周期性亚波长结构制造技术

本实用新型专利技术涉及发光二极管表面金属周期性亚波长结构。发光二极管表面金属周期性亚波长结构，在半导体发光二极管的P型GaN层和N型GaN层上裸露的并且未被N电极和P电极覆盖的区域设置一层金属周期性亚波长结构，所述金属周期性亚波长结构从下到上依次包括了隔离层、纳米金属点阵层和保护层，所述隔离层贴附在P型GaN层之上，所述隔离层SiNx增透膜，所述保护层为SiO2或SiNx或ZnO保护膜，所述纳米金属点阵层为金属纳米点阵，所述纳米点的直径为50～100nm，纳米点间距为250～500nm，点阵周期为350～500nm，纳米点的厚度为100～300nm。本实用新型专利技术的有益效果是：通过表面非光滑结构减少全反射，可大幅度提高外量子效率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于发光二极管技术(LED)领域，具体涉及基于表面金属周期性亚波长结构激发的表面等离子体激元(SPPs, Surface Plasmon Polaritons)增强的发光二极管

技术介绍
用LED取代传统光源是各国寻找节能、低耗及环保照明的一个有效途径。目前在InGaN (氮化铟镓)基量子阱基础上已开发出可发射紫外、蓝光、绿光和红光的明亮LED光源，开始广泛应用于LCD背光源、照明和交通灯。但是由于受到诸如发光效率不高等因素的制约，导致目前照明用LED以流明为单位记的制造成本尚远高于荧光灯。另外，发光效率越高，发热就越少，提升发光效率的同时也就缓解了大功率LED散热的难题。因此为了 LED照明的市场化推广，必须尽量提高LED的发光效率和发光亮度，降低每流明光通量LED的制造成本。人们一直不断努力提升LED的发光效率，如在衬底和有源层之间加入分布布拉格反射层(DBR);或者将管芯结构从GaAs (砷化镓)衬底上剥离下来然后粘接在蓝宝石衬底上等，但目前基于此类方案的研究成果大多不甚理想。与此同时，近年来对表面等离子体激元(SPPs)的研究进展很快。SPPs是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式，或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近，沿表面传播，并能在特定微纳结构条件下形成光场增强。目前为止，将SPPs效应应用于LED效率增强的研究已经初见成效。如申请号为200880126069. I的中国专利技术专利申请中提到在LED发光层表面加入了金属结构，沿着界面形成的表面等离子体激元偏振扩展到该至少一个量子阱，这增加了从该至少一个量子阱发射的电磁辐射的横向磁场分量的自发发射速率。但是该专利申请没有公开金属结构的具体尺寸以及具体制备方法，以至于本领域的普通技术人员难以实施。又如申请号为201120030792.9的中国技术专利申请中将SPPs应用于光致发光材料(PL)，该方案公开了金属结构以及该金属结构的制备方法，但是该方法主要用于光致发光材料，LED主要是电致发光，因此方法难以直接应用于LED，该专利公开的金属结构的制备方法的难题在于对于金属亚波长周期性结构，发光增强效果明显但是制备工艺复杂、成本太高；而用相对简单的方法制备出非周期性的粗糙结构，其增强效果相比前者难以令人满意。
技术实现思路
本技术的目的是为了采用简便的工艺提高现有的半导体发光二极管(LED)的发光效率，提出了发光二极管表面金属周期性亚波长结构。本技术的技术方案是发光二极管表面金属周期性亚波长结构，其特征在于，在半导体发光二极管的P型GaN层和N型GaN层上裸露的并且未被N电极和P电极覆盖的区域设置一层金属周期性亚波长结构，所述金属周期性亚波长结构从下到上依次包括了隔离层、纳米金属点阵层和保护层，所述隔离层贴附在P型GaN层之上，所述隔离层为厚度为20 30nm的SiNx增透膜，所述保护层为厚度为15 25nm的SiO2或SiNx或ZnO保护膜，所述纳米金属点阵层为金属纳米点阵，所述纳米点的直径为50 lOOnm，纳米点间距为250 500nm，点阵周期为350 500nm，纳米点的厚度为100 300nm。本技术的有益效果是本技术利用金属亚波长周期结构与有源区及光出射层端面的光波耦合作用，可同时提升LED的内量子效率和外量子效率，进而增强LED的发光效率。通过金属表面等离子体激元与量子阱发光层耦合增强量子阱的自发辐射率，增强光发射，可大幅度提高内量子效率；通过金属表面等离子体激元与出射光波耦合增强光出射，同时通过表面非光滑结构减少全反射，可大幅度提高外量子效率。附图说明·图I是现有正装InGaN发光二极管的管芯结构示意图。图2是本技术制备的AAO薄膜的俯视结构示意图。图3a是本技术制备的AAO薄膜的周期单元结构示意图。图3b是本技术制备的AAO薄膜的侧视结构示意图。图4是本技术利用AAO薄膜的周期结构制备Ag纳米点阵的形成过程示意图。图5是本技术制备的Ag纳米点阵的俯视结构示意图。图6是本技术制备的Ag纳米点阵的侧视结构示意图。图7是本技术制备的能够获得表面等离子体激元增强效应的LED芯片结构示意图。图8是本技术在现有LED表面制备的金属周期性亚波长结构示意图。附图标记说明衬底I、缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、发光层(InGaN量子阱)5、P型GaN层6、N电极7、P电极8、金属周期性亚波长结构9、AAO薄膜91、纳米金属点阵层92、隔尚层93、保护层94。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本技术做进一步的说明。本实施例在现有的正装InGaN发光二极管的基础上详细说明本技术的发光二极管表面金属周期性亚波长结构。常规InGaN发光二极管管芯结构如图I所示。自下而上依次包括衬底I、缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、发光层(InGaN量子阱)5、P型GaN层6，N型GaN层4上设有N电极7，在P型GaN层6上设有P电极8，衬底I材料为蓝宝石。在图I所示的现有的发光二极管的结构基础上，在在P型GaN层6和N型GaN层4上裸露的并且未被N电极7和P电极8覆盖的区域设置一层金属周期性亚波长结构9，如图7和图8所示，所述金属周期性亚波长结构9从下到上依次包括了隔离层93、纳米金属点阵层92和保护层94，所述隔离层93贴附在P型GaN层6之上，所述隔离层93为厚度为20 30nm的SiNx增透膜，所述保护层94为厚度为15 25nm的SiO2或SiNx或ZnO保护膜，所述纳米金属点阵层92为金属纳米点阵，所述纳米点的直径为50 lOOnm，纳米点间距为250 500nm，点阵周期为350 500nm，纳米点的厚度为100 300nm。上述的金属层选用的材料为Au或Ag，作为再优选，所述的金属层选用的材料为Ag。上述金属周期性亚波长结构9的设置能够产生表面等离子体激元(SPPs)增强的效果。研究表明，发光体所发的光可以激发金属层的表面等离子体，引起近场增强。SPPs增强LED发光的机理在于，存在SPPs时，电子空穴复合产生激子的能量除了通过辐射跃迁，非辐射跃迁的方式衰减外还会将能量直接耦合到SPPs中，这三种形式的能量衰减是一个竞争过程。当LED的发光波长中心与SPPs的共振波长匹配时，SPPs的态密度非常大，激子能量以远大于另外两种衰减方式的速率耦合到SPPs中，极大的提 高激子能量的衰减速率，力口快自发辐射速率，从而提高LED发光的内量子效率。对内量子效率比较低的半导体材料，如GaN等，提高发光内量子效率的效果更加明显。但通常自由空间波矢总小于SPPs波矢故光不能直接激励SPPs，须引入动量补偿，使得SPPs的波矢小于或等于同频率的自由空间中光的波矢。金属周期性亚波长结构可提供倒格矢，使SPPs波矢减小到两者能匹配。因此，金属周期性亚波长结构是激发SPPs的关键，虽然利用金属表面的粗糙结构也能为SPPs提供波矢补偿，但辐射效率没有前者高。而且，表面非光滑结构可使原本全反射的光线能够辐射出去，原本在介本文档来自技高网...

【技术保护点】
发光二极管表面金属周期性亚波长结构，其特征在于，在半导体发光二极管的P型GaN层和N型GaN层上裸露的并且未被N电极和P电极覆盖的区域设置一层金属周期性亚波长结构，所述金属周期性亚波长结构从下到上依次包括了隔离层、纳米金属点阵层和保护层，所述隔离层贴附在P型GaN层之上，所述隔离层为厚度为20～30nm的SiNx增透膜，所述保护层为厚度为15～25nm的SiO2或SiNx或ZnO保护膜，所述纳米金属点阵层为金属纳米点阵，所述纳米点的直径为50～100nm，纳米点间距为250～500nm，点阵周期为350～500nm，纳米点的厚度为100～300nm。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林祖伦，宋科田，祁康成，曹贵川，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：实用新型
国别省市：