[发明专利]具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件，其特征在于：在LED有源层上设置一层AlN电子阻挡层，在AlN电子阻挡层上覆盖一层p型AlGaN层，在所述p型AlGaN层上刻蚀出AlGaN圆台纳米三角阵列，在AlGaN圆台顶部或间隙内填充有金属纳米阵列。并公开了其制备方法。本发明的纳米圆台阵列相对纳米圆柱阵列而言，由于此时纳米结构的侧面不再垂直于底面，更有利于光的出射，设置于纳米圆台阵列顶部或者间隙的金属薄膜，能通过表面等离激元(SPP)的方式更进一步增强光的出射。相较于传统的常规结构和单一的垂直纳米结构，本发明能更好的增强紫外LED的发光效率，同时将几种不同的工艺结合起来，控制圆台斜面倾角，简化制备过程。

技术领域

本发明专利涉及微电子与光电子技术领域，具体涉及一种具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件及其制备方法。

背景技术

III-V族化合物半导体材料在发光领域有广泛的应用，通过改变组分，其发光波长可以覆盖从紫外到红外波段的各种波长区段。其中GaN的应用十分普遍，是半导体照明产业应用极其广泛的材料之一。目前高亮度蓝绿光LED已经商业化，在景观照明、大屏幕背光源、光通讯等领域都显示了强大的潜力。随着LED芯片需求持续增长，器件工艺和材料的各项进展在产业界开始逐渐成熟运用。

同时伴随着可见光领域的研究日趋成熟,研究人员把研究重点逐渐向短波长的紫外光转移。紫外LED具有光子能量高、波长短等特点，在高显色指数白光照明、高密度光学数据存贮、平版印刷、空气净化环保等领域具有广泛的应用。虽然调节AlGaN有源区发光层的Al组分，可以获得不同发光波长的深紫外LED，但是其发光效率依然很低，其原因一方面是高Al组分AlGaN材料在外延生长以及器件制作的过程中，容易出现薄膜缺陷密度高、极性混杂、难以制备欧姆接触等诸多问题，而且AlGaN材料带隙较宽，存在p型掺杂和激活效率都比较低，量子效率和功率都普遍偏低，成为其走向产业化的瓶颈；另一方面是传统的GaN材料在紫外波段的消光系数很强，有源层产生的紫外光出射效率较低。除此之外，在LED中普遍存在一种较为效率陡降问题，当LED工在小电流下时，效率随着电流的增加很快就会变得饱和，进一步增大注入电流，其发光效率会急剧下降。

在当前研究增强LED发光效率的方法中，利用表面等离激元耦合和纳米柱结构可以很好的增强LED器件的发光效率。表面等离极化激元可以通过光场调控从而提高LED的出光效率，降低光在界面发生的全反射导致的光损失。自从Okamoto观察到金属覆盖的InGaN量子阱(QW)有一个较大的光致发光增强以来，对于表面等离激元(SP)增强的发光二极管(LED)的研究已取得了很大的进步。

半导体纳米柱同常规平面薄膜材料不同，具有独特的光电性质，这使其在超小型的光电子器件制备方面有巨大的潜力。在紫外LED器件中，TM偏振光占据主导地位，这导致了大部分的光出射处于平面结构LED的逸出角度范围之外，因此平面紫外LED器件很难将光线从有源层抽取出来。半导体纳米柱结构具有相异于常规平面结构的独特光电性质，可以有效改善由于缺乏合适的外延衬底而导致的高缺陷密度，同时还可以用来改善器件的光抽取效率。

自从20世纪80年代以来许多纳米光刻技术陆续出现，其中最先进的电子束光刻技术已被广泛应用，在计算机软件控制下，具有高分辨率、高可靠性、高精度且图案高度灵活等优势。目前，EBL的分辨率达到已经可以达到10nm以下，这足以满足大多数对尺寸精度的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种具有表面等离激元圆台纳米阵列的AlGaN基紫外LED器件，在LED有源层上设置一层AlN电子阻挡层，在AlN电子阻挡层上覆盖一层p型AlGaN层，在所述p型AlGaN层上刻蚀出AlGaN圆台纳米三角阵列，在AlGaN圆台顶部或间隙内填充有金属纳米阵列。

优选的，其结构包括：

一蓝宝石衬底；

一生长在蓝宝石衬底上的AlN外延层；