CN113066909B - 超材料增强发光效率的蓝光发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超材料增强发光效率的蓝光发光二极管，其包括依次层叠于衬底上的缓冲层、n型GaN层、多重量子阱层、超材料层和p型层，其中，超材料层由双曲超材料单元结构阵列和GaN覆盖层构成，GaN覆盖层与多重量子阱层接触，双曲超材料单元结构阵列由Au和Si层叠而成的双曲超材料单元结构排列而成。由于采用Au和Si按照Thue‑Morse序列交替堆叠构成准周期双曲超材料的独特结构，并且由于准周期双曲超材料结构和量子阱的距离比较近，使得表面等离子激元和多重量子阱之间的耦合效应较强，进而实现蓝光LED的内量子效率的提高。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片领域，具体涉及一种超材料增强发光效率的蓝光发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管作为第三代照明光源，具有节能，环保，响应速度块，寿命长，体积小等优点，在显示，交通信号，汽车照明，温室补光等方面得到了广泛的应用，具有开阔的发展前景。
表面等离子耦合是指当自由电子与光相互作用时，这些电子的集体振荡会在金属表面附近发生并引起共振吸收和光散射。这种集体共振只会发生在特定的电磁场频率下。只有当电子的振荡频率与激子发出的光的频率重叠时，才会产生共振。在共振状态下，电磁场的能量有效地转换为金属表面上自由电子的集体振动能。这种耦合作为新的复合路径，可以提高自发发射率并最终提高内量子效率。
但是，并非自然界中的所有金属都可以用于表面等离激元耦合，这意味着不可能在表面等离激元共振频率和发射频率之间实现高度对准，从而导致较低的辐射增强和较窄的工作波长范围。并且，表面等离子激元耦合的共振峰值对应的波长受金属本身的大小，形状，间距和介电特性的影响。如何在现有表面等离子耦合的基础上提高发光器件的自发发射率最终提高内量子效率是本发明解决的问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种超材料增强发光效率的蓝光发光二极管及其制备方法，以提高蓝光发光二极管的内量子效率，从而增强蓝光发光二极管的发光强度。本发明通过蓝光发光二极管和根据Thue-Morse(TM)顺序(A→AB，B→BA)排列的准周期Au-Si多层双曲超材料结构的结合实现自发发射强度增强。蓝光发光二极管中双曲超材料结构激发的表面等离子体激元会沿着Au/Si界面传播并产生显著的耦合效应和巨大的局部电磁波，在蓝光发光二极管的发光波长范围内，对激子发射提供了强大的反馈，实现表面等离激元共振频率和发射频率之间高度对准，在不衰减的情况下限制能量，减少传播损失，克服了低辐射增强幅度和窄工作范围，大幅提高蓝光发光二极管的内量子效率。为了实现上述目的，本发明至少提供如下技术方案：
超材料增强发光效率的蓝光发光二极管，其包括，依次层叠于衬底上的缓冲层、n型GaN层、多重量子阱层、超材料层和p型层，第一金属电极设置于所述n型GaN层上，第二金属电极设置于所述p型层上，
其中，所述超材料层由双曲超材料单元结构阵列和GaN覆盖层构成，所述GaN覆盖层与所述多重量子阱层接触，所述双曲超材料单元结构阵列由金属金层和电介质硅层层叠而成的双曲超材料单元结构排列而成。
所述金属金层和所述电介质硅层按照Thue-Morse序列交替层叠构成准周期双曲超材料单元结构。
在一具体实施方式中，所述双曲超材料单元结构呈圆柱型。
在一具体实施方式中，所述双曲超材料结构阵列的厚度为100nm左右。
在一具体实施方式中，所述准周期双曲超材料单元结构的Thue-Morse序列代数为四代。
所述GaN覆盖层的厚度约为5nm。
在一具体实施方式中，所述准周期双曲超材料单元结构中，单个准周期的金属金层和电介质硅层的周期厚度为10nm。
本发明还提供一种超材料增强发光效率的蓝光发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长缓冲层、n型GaN层和多重量子阱层；在所述多重量子阱层的表面外延一厚度约为5nm的GaN覆盖层；通过电子束蒸镀法在所述GaN覆盖层上制备准周期多层双曲超材料金属金层和电介质硅层；通过聚焦离子束***刻蚀所述准周期多层双曲超材料以形成阵列排布的圆柱型纳米图案；在所述圆柱型纳米图案上外延生长p型层；采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀形成n型GaN台面，在所述n型GaN台面上沉积第一金属电极，在所述p型层上沉积第二金属电极。
所述准周期多层双曲超材料中的金属金层和电介质硅层按照Thue-Morse序列交替层叠构成准周期双曲超材料单元，所述准周期双曲超材料单元的Thue-Morse序列代数为四代。
所述准周期双曲超材料单元中，单个准周期的金属金层和电介质硅层的周期厚度为10nm。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的蓝光发光二极管，由于采用Au和Si按照Thue-Morse序列交替堆叠构成准周期双曲超材料的独特结构，并且由于准周期双曲超材料结构和量子阱的距离比较近，使得表面等离子激元和多重量子阱之间的耦合效应较强，进而实现蓝光LED的内量子效率的提高。
附图说明
图1是本发明超材料增强发光效率的蓝光发光二极管结构示意图。
图2是本发明实施例中Thue-Morse序列的Au-Si多层准周期结构的结构示意图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。
下面来对本发明做进一步详细的说明。如图1所示，本发明涉及一种超材料增强发光效率的蓝光发光二极管，其由下至上依次设置为衬底1、缓冲层2、n型GaN层3、多重量子阱层4、超材料层5和p型层6，n型GaN层3的表面设置有第一金属电极7，p型层6的表面设置第二金属电极8。超材料层5由双曲超材料单元结构阵列和GaN覆盖层构成，GaN覆盖层与多重量子阱层4接触。在一优选具体实施方式中，GaN覆盖层的厚度为5nm。衬底1优选蓝宝石衬底。
本发明的双曲超材料单元结构阵列由金属金层和电介质硅层层叠而成的双曲超材料单元结构排列而成。通过Thue-Morse序列叠加亚波长Au和Si，使得每个等离激元界面的电磁场相互耦合并产生集体响应，这种双曲超材料结构中的波矢量状态更大，并且具有更高的结构，光子态密度也高于等频率轮廓中具有圆形色散的单金属结构。如图2所示，金属Au层和电介质Si层按照Thue-Morse序列(A→AB，B→BA)交替层叠构成准周期双曲超材料单元结构。和规律性和周期性地叠加亚波长金属和介电层的结构相比，这种准周期结构的偶极子和耦合表面等离子激元极化模式之间的相互作用更强，从而实现更高的辐射增强。在一具体实施方式中，该双曲超材料单元结构呈圆柱型。
另一方面，为了最大化实现等离子体响应，选择合适的金属和电介质尤为重要，本发明选择Au来激发表面等离激元，是因为金属Au表面等离激元的共振频率与蓝光发光材料的发射频率相似，并且Au的低光学损耗有利于最大化辐射增强。在选择电介质时，不仅需要高折射率，而且需要高通量以满足电磁响应。本发明选用在可见光谱中具有高介电常数的Si。
在一优选实施方式中，双曲超材料结构阵列的厚度为100nm左右。准周期双曲超材料单元结构的Thue-Morse序列代数为四代。采用Thue-Morse序列堆叠Au-Si的多层准周期结构，其拥有独特的双曲色散曲线和更强的局域电子态密度。其偶极子和耦合表面等离子激元极化模式之间相互作用更强，能够大幅的提高蓝光LED的内量子效率。准周期双曲超材料单元结构中，单个准周期的金属金层和电介质硅层的周期厚度为10nm。在本发明上述具体实施方式的基础上，可以通过调节超材料结构的堆叠层数，金属层和电介质层的排列形状和尺寸，周期厚度和金属占空比，对不同发光波长的蓝光二极管的内量子效率进行优化。
本发明通过整合蓝光发光二极管和根据Thue-Morse(TM)顺序(A→AB，B→BA)排列的准周期Au-Si多层双曲超材料结构阵列实现自发发射强度增强。蓝光发光二极管中双曲超材料结构激发的表面等离子体激元会沿着Au/Si界面传播并产生显著的耦合效应和巨大的局部电磁波，在蓝光发光二极管的发光波长范围内，对激子发射提供了强大的反馈，实现表面等离激元共振频率和发射频率之间高度对准，在不衰减的情况下限制能量，减少传播损失，克服了低辐射增强幅度和窄工作范围，大幅提高蓝光发光二极管的内量子效率。
基于本发明的超材料增强发光效率的蓝光发光二极管，接下来进一步介绍该蓝光发光二极管的制备方法，该制备方法包含以下步骤：
选用蓝宝石衬底作为生长衬底，在蓝宝石衬底上采用MOCVD制备蓝光LED外延片：在蓝宝石衬底上依次外延生长缓冲层、n型GaN层和多重量子阱层。
然后继续采用MOCVD在外延片的表面，也就是多重量子阱层的表面生长一薄层GaN覆盖层，该薄层的厚度约为5nm。GaN覆盖层用来防止后续金属金层的氧化。
在覆盖层上通过电子束蒸镀法制备准周期多层双曲超材料金属金层和电介质硅层。单个准周期的Au层和Si层的周期厚度固定在10nm。准周期多层双曲超材料中的金层和硅层按照Thue-Morse序列交替层叠成准周期双曲超材料单元，如图2所示，准周期双曲超材料单元的Thue-Morse序列代数为四代。
通过聚焦离子束***刻蚀该准周期多层双曲超材料以形成阵列排布的圆柱型纳米图案，其圆柱型结构如图2所示。
继续采用MOCVD在圆柱型纳米图案上外延生长p型层。
最后制备电极：采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀形成n型GaN台面，并通过光刻，真空电子束蒸镀以及快速退火工艺，分别在n型GaN台面和p型层上形成欧姆接触的第一金属电极和第二金属电极。至此完成整个蓝光发光二极管芯片的制备。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.超材料增强发光效率的蓝光发光二极管，其特征在于，其包括，依次层叠于衬底（1）上的缓冲层（2）、n型GaN层（3）、多重量子阱层（4）、超材料层（5）和p型层（6），第一金属电极（7）设置于所述n型GaN层（3）上，第二金属电极（8）设置于所述p型层（6）上，
其中，所述超材料层（5）由双曲超材料单元结构阵列和GaN覆盖层构成，所述GaN覆盖层与所述多重量子阱层接触，所述双曲超材料单元结构阵列由金属金层和电介质硅层层叠而成的双曲超材料单元结构排列而成，所述金属金层和所述电介质硅层按照Thue-Morse序列交替层叠构成准周期双曲超材料单元结构；所述准周期双曲超材料单元结构的Thue-Morse序列代数为四代，所述GaN覆盖层的厚度为5nm。
2.根据权利要求1的所述蓝光发光二极管，其特征在于，所述双曲超材料单元结构呈圆柱型。
3.根据权利要求1或2的所述蓝光发光二极管，其特征在于，所述双曲超材料结构阵列的厚度为100nm。
4.根据权利要求1或2的所述蓝光发光二极管，其特征在于，所述准周期双曲超材料单元结构中，单个准周期的金属金层和电介质硅层的周期厚度为10nm。
5.超材料增强发光效率的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长缓冲层、n型GaN层和多重量子阱层；
在所述多重量子阱层的表面外延一厚度为5nm的GaN覆盖层；
通过电子束蒸镀法在所述GaN覆盖层上制备准周期多层双曲超材料金属金层和电介质硅层；
通过聚焦离子束***刻蚀所述准周期多层双曲超材料以形成阵列排布的圆柱型纳米图案；
在所述圆柱型纳米图案上外延生长p型层；
采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀形成n型GaN台面，在所述n型GaN台面上沉积第一金属电极，在所述p型层上沉积第二金属电极；
其中，所述准周期多层双曲超材料中的金属金层和电介质硅层按照Thue-Morse序列交替层叠构成准周期双曲超材料单元，所述准周期双曲超材料单元的Thue-Morse序列代数为四代。
6.根据权利要求5的所述制备方法，其特征在于，所述准周期双曲超材料单元中，单个准周期的金属金层和电介质硅层的周期厚度为10nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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