[发明专利]一种LED三维光子晶体结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电子器件制备技术，特别涉及一种LED三维（3D）光子晶体结构及其制备方法。

背景技术

半导体发光二极管（Light Emitting Diode，以下简称LED）在信号显示、背光源和固态照明领域有着极其广泛的应用，尤其以Ⅲ—Ⅴ族化合物氮化镓（GaN）材料为基础的LED应用较多，技术更为成熟。但是目前LED的发光效率仍然达不到理想的水平，所以采用光子晶体来提高LED的发光效率是一个重要的研究领域。

自John和Yabolonivitch1987年提出光子晶体的概念以来，光子晶体不仅成为微纳光电子学和量子光学的重要研究领域，而且在信息光学以及其他多个学科中得到广泛应用。光子晶体被认为是控制光子(电磁波)传播的行之有效的工具，光子晶体的典型特点是具有光子带隙。当物质的自发辐射频率处在光子带隙内时，它可以用于抑制光子晶体内的物质的自发辐射。三维光子晶体结构具有潜在的光学特性，最引人瞩目的是可以获得完全的光子带隙，在该结构中某一能量范围，光子不能在任意方向传播。有了这种特性，三维光子晶体允许我们抑制不需要的自发辐射，并且可以控制光流。所有这些特性在科学上都具有重要的应用价值。由于光子晶体诸多的优异特性,人们在光子晶体的结构设计以及制备工艺方面做了大量的研究工作。

中科院上海微系统与信息技术研究所提出“一种三维光子晶体的制备方法”（中国专利CN101724909A，2010.06.09），即先用SiO₂或SiN做出掩膜版，再将图形转移到硅衬底上，接着外延单晶硅并平坦化外延层表面，沉积掩膜层、光刻刻蚀、氧离子注入并退火等形成第二层SiO₂，重复上述步骤n次，直至构建完成三维光子晶体结构。常州大学提出的“一种三维光子晶体的制备方法”（中国专利CN102517551A，2012.06.27），是采用溅射或原子层沉积的方法制备CuN/氮化物相间的多层膜，在多层膜上采用飞秒激光扫描，制备三维光子晶体。M.Notomi（M.Notomi,T.Tamamura,T.Kawashima,and S.Kawakami.Drilled alternating-layer three-dimensional photonic crystals having a fullphotonic band gap.Applied Physics Letters.77,4256(2000)）也提出将SiO₂与Si依次沉积，然后进行干法刻蚀制备三维光子晶体。

纳米压印（Nanoimprint Lithography，NIL）是一种全新微纳图形化的方法，该技术突破了传统光刻在特征尺寸减小过程中的难题，具有高分辨率、低成本、高产率的特点。自1995年提出以来，获得了很好的发展，已经广泛应用于半导体制造、生物医学等领域。

以往的文献涉及的是将二维光子晶体应用于LED，而上述专利仅涉及三维光子晶体制备方法，并没有将三维光子晶体结构应用于LED的报道以及与纳米压印技术相结合的制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种三维光子晶体结构的设计方案以及制备工艺，以提高LED的发光效率，并控制LED光的出射角度。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种LED三维光子晶体结构，自下而上依次包括衬底、n-GaN层、有源层、p-GaN层，其特征在于，所述p-GaN层上表面刻蚀有多个直径为200nm～800nm的圆柱孔洞形成3D光子晶体单元阵列，圆柱孔洞之间形成等边三角形排布，边长a的取值范围为400nm～1800nm；圆柱孔洞底部与有源层的距离h小于40nm，圆柱孔洞内从底部往上交替沉积两种折射率不同的材料至孔洞上部，其中下层材料为折射率小于1的导电金属材料，上层材料为折射率大于4的单晶或半导体材料，最后由一层不与强酸碱反应的导电金属材料将孔洞封口。

上述方案中，所述圆柱孔洞底部与有源层的距离h为20nm。所述圆柱孔洞的直径为350nm～450nm；所述边长a为550nm～700nm。

所述折射率小于1的导电金属材料为Cu、Ag或Au；所述折射率大于4的单晶或半导体材料为Si、GaAs、Ge、InP或Sb₂S₃；所述用于孔洞封口不与强酸碱反应的导电金属材料为Ag或Au。

前述LED三维光子晶体结构的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤：