一种GaN基LED管芯P型GaN层的结构

摘要

本发明提供了一种GaN基LED管芯P型GaN层的结构，该GaN基LED管芯P型GaN层的结构，是在P型GaN层上设有孔洞，孔洞的底部距离LED管芯的量子阱有源区的距离为10纳米-100纳米，孔洞内填有金属颗粒，孔洞的洞口处填充有封堵金属颗粒的透明介质膜。本发明是在P型GaN层上带有纳米孔洞，使孔洞里面具有一个个的金属颗粒，在纳米尺度范围植入了金属颗粒-有源层介质异质结构，形成了纳米金属颗粒与量子阱有源层耦合的介质异质结构，SPP与激子的耦合提高了GaN基LED的发光效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN基LED(发光二极管)的管芯结构，属于光电子器件技术领域。

背景技术

GaN基LED的管芯结构一般是自上而下依次包括P电极、P面接触电流扩展层、P-GaN层、量子阱有源区、N-GaN层、N电极和衬底，这种常规结构导致LED存在着低辐射效率的问题。如何提高LED的内量子效率和光提取效率、增强光辐射，成为LED产品技术竞争的热点。目前，对LED工艺技术的研究往往集中在优化量子阱结构设计、提高外延膜生长质量、采用新型管芯工艺等方面以提高出光效率，用到的大多是半导体发光二极管最基本的复合发光原理，因此该方面缺乏新的光辐射能力增强的创新原理，基于光辐射能力更好的理论和新的器件的结构研究很少被提及。

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons(SPPs))是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用而产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。在半导体中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响，激子的产生和复合直接影响半导体的光吸收和发光，而且激子作为固体中的一种元激发，其状态与母体材料的电子能带结构和外场的作用紧密相关。金属介质界面处产生的表面等离激元，其局域电场可能与激子耦合，能改变电子与空穴的空间分布波函数，从而增加电子空穴的复合几率，提高LED的内量子效率。同时，金属介质表面的等离子体波，还能够与量子阱有源区发射的光波耦合，达到共振态，使得光波辐射增强，从而提高光辐射外量子效率。

目前，利用SPP耦合增强光辐射机理受到SPP作用距离的限制，SPP效应只在几十纳米量级的范围内作用强烈，距离越远共振增强效应越小。SPP共振增强的辐射是一种倏逝波，存在于金属介质的界面附近，传播距离有限。真正把SPP理论应用到LED器件中，有两个重要的关键点：植入产生等离激元的介质体系和解决等离激元耦合增强效应距离受限的问题。

发明内容

本发明针对现有SPP耦合增强辐射技术在GaN基LED器件上应用存在的植入等离激元体系和耦合增强效应距离受限问题，提供一种能够有效利用SPP耦合增强辐射提高GaN基LED发光效率的GaN基LED管芯P型GaN层的结构。

本发明的GaN基LED管芯P型GaN层的结构采用以下技术方案：

该GaN基LED管芯P型GaN层的结构，是在P型GaN层上设有孔洞，孔洞的底部距离LED管芯的量子阱有源区的距离为10纳米--100纳米，孔洞内填有金属颗粒，孔洞的洞口处填充有封堵金属颗粒的透明介质膜。

孔洞的直径为50纳米--1000纳米，孔洞的间距为0.1微米--10微米。

金属颗粒的粒径为5纳米--100纳米。

孔洞内填有的金属颗粒的厚度10纳米--400纳米。

金属颗粒采用的金属为Ag、Ni、Al或Au，可以通过热蒸发或溅射等方式获得。

透明介质膜采用SiO₂或Si₃N₄等。

本发明是在P型GaN层上带有纳米孔洞，使孔洞里面具有一个个的金属颗粒，在纳米尺度范围植入了金属颗粒-有源层介质异质结构，形成了纳米金属颗粒与量子阱有源层耦合的介质异质结构，SPP与激子的耦合提高了GaN基LED的发光效率，这种LED结构利用了SPP耦合机理，同时兼顾LED制作工艺，适合转化成规模生产。

附图说明

图1是本发明在常规GaN基LED管芯上的P型GaN层的结构示意图。

图2是本发明在垂直倒装结构的GaN基LED的P型GaN层的结构示意图。

其中：1、P电极，2、P面接触电流扩展层，3、P-GaN层，4、量子阱有源区，5、N-GaN层，6、N电极，7、衬底，8、孔洞，9、金属颗粒，10、透明介质膜。

具体实施方式

实施例1

本发明在常规GaN基LED管芯上的P型GaN层的结构，如图1所示。常规GaN基LED的管芯结构自上而下依次包括P电极1、P面接触电流扩展层2、P-GaN层3、量子阱有源区4、N-GaN层5、N电极6和衬底7。本发明在P-GaN层3上设有直径为50纳米--1000纳米的孔洞8，孔洞之间的间距为0.1微米--10微米。孔洞8的底部距与P-GaN层3相邻的量子阱有源区4的距离为10纳米--100纳米。孔洞8内填有厚度为10纳米--400纳米的金属颗粒9，金属颗粒9的粒径为5纳米--100纳米。金属颗粒9为金属Ag、Al、Ni或Au等金属颗粒，可以通过热蒸发或溅射等方式获得。孔洞8的洞口处填充有封堵金属颗粒9的透明介质膜10。

上述结构通过在P-GaN 3上制备出一系列的纳米孔洞8，控制孔洞8的底部与量子阱有源区4的距离，在孔洞8里面填上金属颗粒，最后以透明的介质膜填充纳米孔洞8，使得纳米洞里面是一个个的金属颗粒点。

实施例2

本实施例是应用在垂直倒装结构的GaN基LED管芯结构上，如图2所示。其上P-GaN层的结构与实施例1中常规GaN基LED管芯上的P型GaN层的结构一样，采用倒装技术把外延层转移到其他衬底上，可制作大功率垂直结构芯片。