專利名稱：一種含左手材料的led 光子晶體及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子器件制備技術(shù)，特別涉及一種LED外延芯片的結(jié)構(gòu)及制備方法。
背景技術(shù)：
大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,以下簡稱LED)作為第四代電光源具有體積小、安全低電壓、壽命長、光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)良特性，因而被稱為“綠色照明光源”。有望取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光等而成為21世紀(jì)的新一代光源，具有很大經(jīng)濟(jì)和社會意義。目前大功率LED應(yīng)用范圍不廣泛，其發(fā)光效率低、光通量低是主要原因之一。垂直結(jié)構(gòu)LED (Vertical Light Emitting Diode,以下簡稱VLED)具有散熱性能好，發(fā)光效率高，壽命長等優(yōu)勢，是解決LED技術(shù)瓶頸重要的方向。1987年，John和Yabolonivitch借鑒了半導(dǎo)體晶體和電子帶隙的概念，首次提出了光子晶體(Photonic crystal)的概念。光子晶體是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間呈周期排布的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為量子光學(xué)、微納光電子學(xué)、信息光學(xué)等領(lǐng)域的重要研究方向。光子晶體結(jié)構(gòu)能夠形成光子帶隙，有效的控制發(fā)光波長、出光角度，提高半導(dǎo)體材料的發(fā)光效率和性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。左手材料(Left-handed materials,簡稱LHM)是一種介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的人工電磁材料，具有一些超常的電磁特性，這些特性包括反向傳播現(xiàn)象、負(fù)折射現(xiàn)象、反多普勒現(xiàn)象、反古斯-漢森位移現(xiàn)象、零反射現(xiàn)象以及著名的超級透鏡特性等。這種材料的電場、磁場和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系，折射率為負(fù)值，所以也稱為負(fù)折射率材料(Negative index of refraction materials,簡稱 NIM)。左手材料概念在 1967 年由前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago提出，David Smith等物理學(xué)家于2001年首次制造出微波波段的左手材料，之后該領(lǐng)域發(fā)展迅猛。2003年與2006年，美國《科學(xué)》雜志兩次評選左手材料為年度全球十大科學(xué)進(jìn)展之一。目前，左手材料的應(yīng)用主要集中在天線、濾波器、功分器以及相移器等傳統(tǒng)微波領(lǐng)域，左手材料在可見光波段的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)重要的研究方向。由右手材料制備的光子晶體存在帶寬窄的缺點(diǎn)，限制了光子晶體的性能和應(yīng)用。Jensen Li 提出(Jensen Li, Lei Zhou, C.T.Chan, et al.Photonic Band Gap from aStack of Positive and Negative Index Materials.Phys.Rev.Lett., 2003, 90, 083901)由左右手材料組成的光子晶體的帶隙要比傳統(tǒng)光子晶體要寬得多，并且不僅具有布拉格光子帶隙(Bragg gap),而且還能產(chǎn)生零平均光子帶隙(Zero_n gap)。HenriJ.Lezec(Henri J.Lezec, Jennifer A.Dionne, Harry A.Atwater.Negative RefractionatVisible Frequencies.Science.2007, 316, 430)提出左手材料采用“金屬-絕緣體-金屬”(Metal-1nsulator-metal, MIM)結(jié)構(gòu)能夠有效的在可見光波段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率特性,有利于左手材料向可 見光波段推廣。Costas M.Soukoulis (Costas Μ.Soukoulis, StefanLinden, Martin Wegener.Negative Refractive Index at Optical Wavelengths.Science.2007, 315，47)指出納米量級的漁網(wǎng)型結(jié)構(gòu)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬開口諧振環(huán)陣列(SRRs)結(jié)構(gòu)，在可見光波段產(chǎn)生左手材料的特性，同時(shí)指出Ag在可見光波段表現(xiàn)出的光強(qiáng)損失最小。以往的文獻(xiàn)涉及的是對左手材料以及由左右手材料構(gòu)成的光子晶體特性的研究，并不涉及其在LED中的應(yīng)用。以往的專利中涉及的是左手材料的制備工藝，并不涉及含左右手材料的光子晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備，也不涉及在LED中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種含左手材料的光子晶體及制備工藝，將左右手材料構(gòu)成的光子晶體應(yīng)用于LED出光面,在可見光波段產(chǎn)生全向光子帶隙，以控制發(fā)光波長、出光角度，提高LED的發(fā)光效率和性能。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:一種含左手材料的LED光子晶體，其特征在于，從上至下依次包括n-GaN層、導(dǎo)電金屬基底、多量子阱有源層、P-GaN層、鍵合金屬層，其中，導(dǎo)電金屬基底與多量子阱有源層之間設(shè)有量子壘GaN;所述導(dǎo)電金屬基底下表面向上刻蝕有深度不小于IOOnm的“瑞士十字”空隙陣列，該“瑞士十字”空隙陣列平面上矩形分布或三角形分布，在每個(gè)十字空隙中交替填充弱導(dǎo)電材料和與導(dǎo)電金屬基底同質(zhì)的導(dǎo)電金屬材料，每層弱導(dǎo)電材料形成平面上的左手材料區(qū)域；每層導(dǎo)電金屬材料形成平面上的右手材料區(qū)域，左手材料區(qū)域至少三層。上述方案中，所述弱導(dǎo)電材料為Si02、Mg0、MgF2或Si3N4 ;所述導(dǎo)電金屬基底為Ag、Au或Cu。所述十字空隙的隙長為150 300nm ;十字空隙的隙寬為30 80nm ;十字空隙陣列的單位距離為200nm 500nm。所述量子魚GaN的厚度<40nm。前述含左手材料的LED光子晶體的制備方法，其特征在于，包括下述步驟:(I)在藍(lán)寶石襯底上沉積一層3 4 μ m厚的η-GaN ；(2)在n-GaN表面沉積一層厚度IOOnm 200nm導(dǎo)電金屬基底；(3)在導(dǎo)電金屬層表面刻蝕平面上呈矩形分布或三角形分布的“瑞士十字”空隙陣列，深度不小于IOOnm ；(4)在刻蝕“瑞士十字”空隙陣列的導(dǎo)電金屬基底表面沉積一層厚度為10 30nm的弱導(dǎo)電材料；(5)在弱導(dǎo)電材料表面沉積一層厚度為10 30nm的導(dǎo)電金屬,其材質(zhì)與導(dǎo)電金屬基底材質(zhì)一致；(6)重復(fù)步驟(4)、(5)，弱導(dǎo)電材料與導(dǎo)電金屬交替沉積使弱導(dǎo)電材料達(dá)到三層以上，最頂層沉積導(dǎo)電金屬，并超出導(dǎo)電金屬基底表面；(7)清洗導(dǎo)電金屬基底表面，然后將導(dǎo)電金屬基底表面修平；并沉積厚度<40nm的量子魚GaN ；(8)在量子壘層上生長LED外延結(jié)構(gòu):多量子阱有源層、P-GaN層，然后進(jìn)行鍵合，并進(jìn)行鍵合；(9)將芯片倒置，將藍(lán)寶石襯底剝離。 上述方法 中，步驟(I) n-GaN層及步驟(7 )量子壘GaN用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝。步驟(2)導(dǎo)電金屬基底采用電子束蒸鍍工藝；材質(zhì)采用Ag、Au或Cu ;步驟(4)弱導(dǎo)電材料采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，弱導(dǎo)電材料為Si02、Mg0、MgF2或Si3N4。步驟(3)刻蝕采用電子束刻蝕的方式。步驟(7)導(dǎo)電金屬基底表面修平采用干法刻蝕的方式。步驟
(8)鍵合材料為Cu/W合金，鍵合金屬層厚度為100 140 μ m.。本發(fā)明方法的工藝優(yōu)點(diǎn)如下:1、采用干法刻蝕以及電子束蒸鍍的方式，相對于其他的制備工藝，具有更高的精度。到目前為止，電子束刻蝕的精度可以控制在IOnm之內(nèi)，電子束沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝可以控制在Inm范圍內(nèi)。制備精度的提聞，有利于提聞和調(diào)節(jié)光子晶體的性倉泛;2、電子束一次性刻蝕十字形圖案，簡化了工藝步驟。3、在生長有源層前修平金屬表面，減小后續(xù)外延結(jié)構(gòu)的缺陷密度，提高外延結(jié)構(gòu)質(zhì)量。本發(fā)明含左手材料的光子晶體的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)如下:1、光子晶體由一層右手材料和一層左手材料交替排列，其光子帶隙比傳統(tǒng)的光子晶體寬，增強(qiáng)光子晶體對光的控制能力。

2、左手材料層為矩形或三角形排列的“瑞士十字”(Swiss cross)結(jié)構(gòu)，并且填充弱導(dǎo)電材料，將左手材料的負(fù)折射率特性在短波段(可見光波段)實(shí)現(xiàn)；3、基底材質(zhì)為導(dǎo)電金屬(Ag、Au、Cu)，不僅可以減少對LED的電學(xué)性能的影響，而且可以產(chǎn)生表面等離激元增強(qiáng)效應(yīng)，將有源層中的消逝波(Leaky wave)耦合出來，提高LED光提取效率。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明LED光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1左手材料表面(區(qū)域A)的兩個(gè)不同圖案(a、b)的平面俯視圖。圖3是本發(fā)明LED光子晶體的制備工藝流程圖。圖4是按本發(fā)明制備工藝的LED光子晶體的外延結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化示意圖。其中:a圖為生長n-GaN后的結(jié)構(gòu)圖；b圖為沉積一金屬層的結(jié)構(gòu)圖；c圖為電子束刻蝕后的結(jié)構(gòu)圖；d圖為沉積一層SiO2的示意圖；e圖為沉積一層Ag的結(jié)構(gòu)示意圖；f圖為重復(fù)多次沉積SiO2和Ag的示意圖；g圖為溶液清洗和干法刻蝕修平后的示意圖；h圖為生長其余外延結(jié)構(gòu)并鍵合的示意為芯片倒置并剝離襯底后的示意圖。圖1至圖4中:I一n-GaN層，2—導(dǎo)電金屬基底(Ag、Au、Cu)，3—弱導(dǎo)電材料SiO2(MgO、MgF2 或 Si3N4), 4—多量子講有源層(MQW active layer),5—ρ-GaN 層,6—鍵合金屬層(Cu/W), A一左手材料區(qū)域，B一右手材料區(qū)域。圖5是本發(fā)明LED光子晶體的光子能帶圖。圖中:Bragg gap一布拉格全向光子帶隙；Zero-n gap一零平均光子帶隙。圖6是本發(fā)明LED光子晶體的透射譜。圖7是本發(fā)明LED光輸出功率曲線。
具體實(shí)施例方式參見圖1圖2，一種含左手材料的LED光子晶體，其特征在于，從上至下依次包括n-GaN層1、導(dǎo)電金屬基底2、多量子講有源層4、p-GaN層5、鍵合金屬層6,其中，導(dǎo)電金屬基底與多量子阱有源層之間設(shè)有量子壘GaN;導(dǎo)電金屬基底下表面向上刻蝕有深度大于IOOnm的“瑞士十字”空隙陣列，該“瑞士十字”空隙陣列平面上矩形分布或三角形分布，在每個(gè)十字空隙中交替填充弱導(dǎo)電材料3和與導(dǎo)電金屬基底同質(zhì)的導(dǎo)電金屬材料，每層弱導(dǎo)電材料形成平面上的左手材料區(qū)域A ;每層導(dǎo)電金屬材料形成平面上的右手材料區(qū)域B，左手材料區(qū)域?yàn)槿龑?。弱?dǎo)電材料可選Si02、Mg0、MgF2*Si3N4。導(dǎo)電金屬基底為Ag、Au或Cu。導(dǎo)電金屬基底與多量子阱有源層之間的量子壘GaN的厚度<40nm。十字空隙隙長d2、W2為150 300nm,最好200nm 260nm。十字空隙的隙寬屯、W1為30 80nm,最好40nm 60nm。十字空隙陣列的單位距離L1' L2為200nm 500nm,最好300nm 400nm。參見圖3、圖4，一種含左手材料的LED光子晶體的制備方法，包括下述步驟:步驟一:提供一個(gè)藍(lán)寶石襯底(substrate),用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法沉積一層n-GaN層I,厚度為4 μ m,也可取3.5 μ m, 4.5 μ m,如圖4a。步驟二:采用電子束蒸鍍的方式(Electron beam evaporation)沉積一層Ag (也可為Au、Cu)形成導(dǎo)電金屬基底2,厚度為150nm,也可取120nm、140nm、160nm,見圖4b。步驟三:采用電子束刻蝕的方式在Ag層表面刻蝕十字圖案(圖2)，刻蝕深度取130nm,也可取120nm, IOOnm,見圖4c。十字圖案的ClpW1均取50nm,也可分別取40nm、60nm、70nm, d2、W2均取200nm,也可分別取220nm、240nm、260nm,陣列的單位距離LpL2均取300nm,也可取 320nm、340nm、360nm。步驟四:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方式在Ag層上沉積一層SiO2材料(也可取MgO、MgF2、Si3N4材料)，其中，十字腔底部Ag面上沉積SiO2構(gòu)成左手材料區(qū)域A, SiO2材料厚度取20nm (也可取25nm, 30nm)，見圖4d。步驟五:米用電子束蒸鍍的方式在SiO2上沉積一層Ag (沉積物質(zhì)與金屬基底一致)，厚度為20nm,也可取25nm、30nm、160nm,見圖4e。步驟六:重復(fù)四、五步驟3次(也可取4次、5次、6次)，沉積的最后一層為Ag，且要填滿刻蝕的十字腔空隙，見圖4f。步驟七:用化學(xué)溶劑(HF酸)清洗金屬層表面，然后采用干法刻蝕的方法，這里采用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)或者反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法將最后一層Ag表面修平，見圖4g。步驟八:在修平的金屬層上用MOCVD法沉積量子壘層(GaN)厚度取30nm，也可取25nm、35nm。步驟九:繼續(xù)在量子壘層上生長LED外延結(jié)構(gòu):多量子阱有源層4、p-GaN層5，然后進(jìn)行鍵合，鍵合材料為Cu/W合金，鍵合金屬層6厚度為100 μ m(也可為120 μ m, 140 μ m),見圖4h。步驟十:將芯片倒置，然后采用激光剝離的方式(Laser liftoff)的方式將藍(lán)寶石襯底剝離，見圖4i。本實(shí)例中涉及的其他工藝流程和條件為常規(guī)工藝，屬于本領(lǐng)域所熟悉的范疇，在此不再贅述。

本發(fā)明含左手材料的LED光子晶體，左手材料結(jié)構(gòu)(區(qū)域A)可以在可見光波段產(chǎn)生負(fù)折射率特性，使得光子晶體可以在可見光波段產(chǎn)生布拉格全向光子帶隙(Bragg gap)和零平均光子帶隙(Zero-n gap),見圖5,對應(yīng)的透射譜見圖6。左手材料(區(qū)域A)與右手材料(區(qū)域B)交替沉積構(gòu)成特殊的光子晶體，其帶隙比傳統(tǒng)的光子晶體的帶隙寬。該光子晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于LED中，能夠更有效的控制發(fā)光波長、出光角度，提高LED的發(fā)光效率和出光功率，見圖7。上述結(jié)合附圖的實(shí)施方式只是示意性的，并非構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域的研究人員在本發(fā)明光子晶體的結(jié)構(gòu)及制備工藝技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，不需付出創(chuàng)造性勞動(dòng)而做出的各種修改或 變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種含左手材料的LED光子晶體,其特征在于,從上至下依次包括n-GaN層、導(dǎo)電金屬基底、多量子阱有源層、P-GaN層、鍵合金屬層，其中，導(dǎo)電金屬基底與多量子阱有源層之間設(shè)有量子壘GaN ;所述導(dǎo)電金屬基底下表面向上刻蝕有深度不小于IOOnm的“瑞士十字”空隙陣列，該“瑞士十字”空隙陣列平面上矩形分布或三角形分布，在每個(gè)十字空隙中交替填充弱導(dǎo)電材料和與導(dǎo)電金屬基底同質(zhì)的導(dǎo)電金屬材料，每層弱導(dǎo)電材料形成平面上的左手材料區(qū)域A ;每層導(dǎo)電金屬材料形成平面上的右手材料區(qū)域B，左手材料區(qū)域至少三層。
2.如權(quán)利要求1所述的含左手材料的LED光子晶體，其特征在于，所述弱導(dǎo)電材料為SiO2, MgO, MgF2或Si3N4 ;所述導(dǎo)電金屬基底為Ag、Au或Cu。
3.如權(quán)利要求1所述的含左手材料的LED光子晶體，其特征在于，所述十字空隙的隙長為150 300nm ;十字空隙的隙寬為30 80nm ;十字空隙陣列的單位距離為200nm 500nm。
4.如權(quán)利要求1所述的含左手材料的LED光子晶體，其特征在于，所述導(dǎo)電金屬基底與多量子阱有源層之間的量子壘GaN的厚度<40nm。
5.一種含左手材料的LED光子晶體的制備方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)在藍(lán)寶石襯底上沉積一層3 4μ m厚的n-GaN ； (2)在n-GaN表面沉積一層厚度IOOnm 200nm導(dǎo)電金屬基底； (3)在導(dǎo)電金屬層表面刻蝕平面上呈矩形分布或三角形分布的“瑞士十字”空隙陣列，深度不小于IOOnm ； (4)在刻蝕“瑞士十字”空隙陣列的導(dǎo)電金屬基底表面沉積一層厚度為10 30nm的弱導(dǎo)電材料；(5)在弱導(dǎo)電材料表面沉積一層厚度為10 30nm的導(dǎo)電金屬,其材質(zhì)與導(dǎo)電金屬基底材質(zhì)一致； (6)重復(fù)步驟(4)、(5)，弱導(dǎo)電材料與導(dǎo)電金屬交替沉積使弱導(dǎo)電材料達(dá)到三層以上，最頂層沉積導(dǎo)電金屬，并超出導(dǎo)電金屬基底表面； (7)清洗導(dǎo)電金屬基底表面，然后將導(dǎo)電金屬基底表面修平；并沉積厚度<40nm的量子壘 GaN ； (8)在量子壘層上生長LED外延結(jié)構(gòu):多量子阱有源層、P-GaN層，然后進(jìn)行鍵合； (9)將芯片倒置，將藍(lán)寶石襯底剝離。
6.如權(quán)利要求5所述的含左手材料的LED光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟(I)n-GaN層及步驟(7)量子壘GaN用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝。
7.如權(quán)利要求5所述的含左手材料的LED光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟(2)導(dǎo)電金屬基底采用電子束蒸鍍工藝；材質(zhì)采用Ag、Au或Cu ;步驟(4)弱導(dǎo)電材料采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，弱導(dǎo)電材料為Si02、MgO、MgF2或Si3N4。
8.如權(quán)利要求5所述的含左手材料的LED光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟(3)刻蝕采用電子束刻蝕的方式。
9.如權(quán)利要求5所述的含左手材料的LED光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟(7)導(dǎo)電金屬基底表面修平采用干法刻蝕的方式。
10.如權(quán)利要求5所述的含左手材料的LED光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟(8)鍵合材料為Cu/W合金，鍵合金屬層厚度為100 140 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含左手材料的LED光子晶體及制備方法，其特征在于(1)光子晶體為一層右手材料和一層左手材料交替排列；(2)左手材料層中的空隙為“瑞士十字”結(jié)構(gòu)，可以矩形排列或三角形排列，并且填充弱導(dǎo)電材料；(3)光子晶體的基底材質(zhì)為導(dǎo)電金屬；(4)光子晶體與有源層之間的量子壘GaN厚度<40nm。本發(fā)明將電子束刻蝕、電子束蒸鍍、PECVD、干法刻蝕這些精度較高的工藝結(jié)合起來制備LED光子晶體，不僅可以產(chǎn)生表面等離激元增強(qiáng)效應(yīng)，將有源層中的消逝波耦合出來，而且可以產(chǎn)生更寬的光子帶隙，從而更好的控制發(fā)光波長、出光角度，提高LED的發(fā)光效率和出光功率。
文檔編號H01L33/00GK103227254SQ201310125819
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者云峰, 趙宇坤 申請人:西安交通大學(xué)