[发明专利]一种深紫外发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，尤其是涉及一种利用局域表面等离激元效应有效提高光抽取效率的深紫外发光二极管及其制备方法。

背景技术

发光二极管作为继白炽灯和荧光灯后的新一代光源，具有使用寿命长、发热量低、响应速度快、环保、安全、体积小等显著优点。其中，波长在220～350nm之间的深紫外发光二极管（Deep Ultraviolet Light Emitting Diode,DUV-LED）在生物医疗、防伪鉴定、水和空气净化、计算机数据存储和军事等领域有着重要的应用。然而，由于受到薄膜缺陷密度高、极性混杂、电极对光的吸收等因素的制约，造成光输出功率损失严重，从而制约了深紫外LED外量子效率的进一步提高。与蓝光LED相比，深紫外LED的外量子效率处在一个很低的水平。而相比于提高内量子效率，光抽取效率的提高是有效增强LED外量子效率的关键。

当特定波长的光照射到金属上时，金属中的电子将在电场的作用下发生集体振荡，这种效应就称之为表面等离子体激元效应（Surface Plasmon Resonance，SPR）。如果将金属制备成纳米颗粒，当特定波长的光照射到金属纳米颗粒上时，金属纳米颗粒中的电子将产生集体振荡，而这种振荡将被局域在相应的纳米颗粒中，称之为局域表面等离子体振荡(Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR)效应，相比于SPR效应，由于金属纳米颗粒的表面曲率半径极小，LSPR效应可以使得金属纳米颗粒表面附近空间中的局域电磁场得到极大的增强，这种效应最显著的光学表现就是增强光散射和光吸收，从而使金属纳米颗粒的吸收谱中产生强烈的共振吸收峰。LSPR共振吸收峰的峰位对于纳米颗粒的大小，形状、颗粒间的间距、介电环境和介电特性非常的敏感，所以通过改变金属纳米颗粒的大小、形状、成分以及介电环境可以很有效地控制LSPR效应。

制备表面等离激元的材料一般有金、银、铝等金属。金和银的表面等离激元共振峰一般位于近紫外-可见光波段（K.Okamoto,I.Niki,A.Shvartser,et al.Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells[J].Nature materials,2004,3:601-605）而铝的表面等离激元共振峰可达250nm的深紫外波段，是目前所知与深紫外光耦合产生表面等离激元最有效的一种金属，为提高深紫外发光二极管外量子效率提供了理想的来源。现已有工作通过在完整的深紫外LED上蒸镀一层铝薄膜来有效提高深紫外LED的光抽取效率（N.Gao,K.Huang,J.C.Li,et al.Surface-plasmon-enhanced deep-UV light emitting diodes based on AlGaN multi-quantum wells[J].Scientific Repoets,2012,2:816；中国专利CN102544298A）。但薄膜结构并非最有利于增强出光的结构，一方面薄膜无法和TE波进行耦合，原有沿出射光锥出射的TE波在穿透铝薄膜时将会发生很强的反射和吸收，从而只有很小部分能穿透铝膜而出射；另一方面虽然TM薄可以与薄膜进行耦合，但其耦合后在Al/半导体界面处所产生的表面等离激元在穿透铝膜时将发生衰减。相比于沉积铝薄膜，在深紫外LED上覆盖一层铝纳米颗粒可以更好地与多种波导模式（TM和TE模式）的光之间发生耦合，并且在LSP复合时，也不会发生穿透金属时所产生的衰减，更有利于深紫外LED光抽取效率的提高，从而提高外量子效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的深紫外发光二极管存在的光抽取效率不高等问题，提供新型的利用局域表面等离激元效应有效提高光抽取效率的一种深紫外发光二极管及其制备方法。

所述深紫外发光二极管设有衬底，在衬底上依次生长AlN缓冲层、n-AlGaN层、有源层、p-AlGaN层和p-GaN盖层，在p-GaN盖层上沉积铝纳米颗粒阵列，在n-AlGaN层上设有n型电极，在p-GaN盖层上设有p型电极。

所述衬底可以采用c面蓝宝石衬底等。所述p-GaN盖层的厚度可小于20nm，其主要原因是为了减少该p-GaN盖层对正面出射光的吸收。

所述深紫外发光二极管的制备方法包括以下步骤：

（1）在衬底上依次生长AlN缓冲层、n-AlGaN层、有源层、p-AlGaN层和p-GaN盖层；