[发明专利]局域表面等离子体增强型垂直结构LED结构及制造方法

说明书

【技术领域】

本发明属于半导体发光二极管技术领域，具体涉及一种局域表面等离子体增强型垂直结构LED结构及制造方法。

【背景技术】

氮化镓（GaN）基发光二极管（Light Emitting Diode，以下简称LED）具有带隙宽、性能稳定、电子漂移饱和速率高等优点，在高亮度发光二极管领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景。

LED器件工作的基础是p-n结以及其间的多量子阱结构组成的电子和空穴发光区域。垂直结构LED器件的外延结构通常以蓝宝石（Al₂O₃）为基底，在蓝宝石（0001）面用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）法沉积依次生长低温缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、多层量子阱及P-GaN层。然后用ICP刻蚀或湿法腐蚀的办法切割沟道，将GaN芯片分割开来。在切割好的芯片P面上上蒸镀反射层、键合金属层，并在一定的温度和压力下与相应的金属沉底键合。用激光剥离蓝宝石衬底后制作正负电极等。

垂直结构LED使电流在芯片内均匀分布，从而很好地解决了散热问题，在一定程度上提高了光效，但影响发光的能量损耗（包括非辐射复合和全反射吸收）依然存在。为了进一步提高LED发光的内量子效率及外量子效率，需要结构设计及生产工艺的创新。

电子-空穴在有源层复合产生激子，激子能量衰减辐射光。激子自发辐射速率与态密度相关，当复合发光中心处于波长量级的微腔结构中时，光子的态密度会有所改变，进而引起激子自发辐射速率的改变。

表面等离子体（Surface plasmons，以下简称SPs）是一种存在于金属和介质表面的电磁波，在一定条件下，光会激励金属表面的自由电子发生集体相干振荡。利用SPs的空间局域性和局域场增强的特性，当LED量子阱中释放的光子与金属表面等离子体基元频率匹配时，表面等离子体与LED的量子阱发生耦合，这种复合的速率高于量子阱内非辐射复合的速率，从而减小了由缺陷导致的非辐射复合，降低了局域热效应，提高了内量子效率。利用SPs也可以减小大电流下载流子的溢出，从而减小外量子效率的Droop效应。

SPs有两种存在形式，第一种是在连续的金属层表面传播的SPs，第二种是局限于纳米粒子表面的，即局域表面等离子（Localized surface polaritons，以下简称LSPs）附图2，二者均有表面局域性。但由于色散关系不同，导致它们处于不同的激发态，SPs具有一维空间局域性，为一种传播模式，LSPs具有二位局域性，是一种非传播模式。

当光与尺寸远小于入射光波长的粒子相互作用时，纳米粒子周围的电子会以LSPs的共振频率局域振荡。纳米粒子曲面会受到驱动电子施加的有效恢复力，从而产生共振，这样，粒子内外区域场强都能得到增强，产生局域表面等离子共振（Localized Surface Plasmon Resonance，简称LSPR）。此外，粒子曲面可直接用光照激发，而不必通过相位匹配来激发。

在垂直结构LED的键合工艺中，由于衬底与芯片之间热膨胀系数的不匹配，会导致退火过程中芯片与衬底之间产生较大的热应力，当应力积累到某一临界值后，晶圆会出现裂纹，严重时能引起薄膜的破裂和脱落。为了减小应力，可以通过在平整的晶圆面上刻蚀沟槽，将连续的薄膜层分割为若干区域，增大两种材料的接触面积，在温度及载荷变化较大的情况下，能在一定程度上达到传热迅速、受热均匀的效果，进而减小应力。

Min-Ki等人提出了一种表面等离体增强型LED器件，他们在LED外延的过程中在N-GaN与量子阱之间制作了银纳米颗粒，形成LSP与发光区耦合模式（“Surface plasmon enhanced Light emitting diodes”,Advanced material,2008年20卷1253页）。但是，由于他们是在外延过程中引入的银颗粒，需要在外延N-GaN的过程中生长Ag颗粒，之后再继续外延生长N-GaN、量子阱和P-GaN。Ag颗粒极大的影响了后续材料生长的质量，整个器件中材料生长质量较低，缺陷态较高，不利于提高LED器件的发光效率。