[发明专利]基于表面等离子波导的新型发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体是一种基于表面等离子波导的新型发光二极管。

背景技术

表面等离子体激元(Surface plasmon polariton,简称SPP)是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波，从而传输光能量，且不受衍射极限的限制。砷化镓发光二极管（Light-emitting diode,简称LED）已经实现了很多领域的应用，但目前的发光LED的效率提高依然是研究主要方向。比较有代表性的是2004年，《Nature Materials》发表的Okamoto团队的“Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells”提出了在InGaN/GaN量子阱LED中引入SPs技术来提高LED的发光效率，在一定的条件下，激发产生高强度的SPs，能够提高LED发光中心的内量子效率。更人兴奋的是2010年，《Nanotechnology》发表的CHU团队的“Surface plasmon-enhanced light-emitting diodes using silver nanoparticles embedded in p-GaN” ，他们利用电子束蒸发技术将Ag薄膜覆盖到InGaN-GaN多量子阱(MQWs)上，再经过热退火处理，生成一层Ag纳米颗粒，使得LED的发光效率显著增强，声称外量子效率提高了38%。然而从目前研究成果来看，室温下的量子效率依然非常低，半导体材料的生长品质依然与晶体管器件相差甚远，这也严重制约了LED行业的发展。

目前对于发光二极管研究大都集中在工艺优化方面，对于新技术的结合研究较少。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于表面等离子波导的新型发光二极管。这种二极管能提高LED的光萃取效率、增加光的透射、能够增强LED的电学特性、实现LED的出光效率的增强,为制备高效LED芯片提供一种新的原型器件。

实现本发明目的的技术方案是：

基于表面等离子波导的新型发光二极管，包括自下而上顺序叠接的n-GaAs层、InGaN-GaAs多量子阱层、p-GaAs层和Ag金属光栅层，所述p-GaAs层刻蚀有光栅结构ITO缓冲层。

所述光栅结构为周期性楔形光栅结构。

所述Ag金属光栅层与光栅结构ITO缓冲层为典型的金属-介质结构。

在p-GaAs层刻蚀周期楔形光栅结构，通过对p-GaAs表面进行粗化处理，能够增加发光层辐射光的出光面积，使那些发生全反射的光线可以从不同面射出，增大光线出射的逃逸角，进而提高LED的光萃取效率；ITO缓冲层在可见光波段具有高透射性，能够增加光的透射，减少反射回LED内部的光，并且ITO缓冲层具有电流扩展的作用，能够增强LED的电学特性。

所述Ag金属光栅层与ITO缓冲层是典型的金属-介质结果，能够实现SPP光子局域化，当LED的发光波长与SPP光子共振波长一致时，会使得激子衰减速率大幅度提高，加快LED内电子-空穴对的复合辐射速率，提高LED的内量子效率。

所述周期性楔形光栅结构能够将电子-空穴复合产生激子的能量耦合到SPP模式中，

通过设计Ag光栅的周期结构，可以控制辐射光的出射方向，在特定的方向，光栅能够集中辐射能量的70%以上，极大的提高LED的外量子效率。

这种发光二极管对LED的出光效率有很强的增强作用，Ag金属光栅不仅可以激发产生SPP,促进激子的自发辐射速率，而且可以把限制在LED内部的光，转化成自由空间的光辐射出去，同时，可以控制辐射光的出射方向，周期性楔形光栅结构，相对于平面接触而言，增加了电流的注入面积，减少电流的拥堵，增加发光层辐射光的出光面积，使那些发生全反射的光线可以从不同面射出，增大光线出射的逃逸角，ITO缓冲层在可见光波段具有高透射性，能够增加光的透射，减少反射回LED内部的光，并且ITO缓冲层具有电流扩展的作用，能够增强LED的电学特性。

这种发光二极管对于制备高效LED芯片提供了新的原型结构。

这种二极管能提高LED的光萃取效率、增加光的透射、能够增强LED的电学特性、实现LED的出光效率的增强,为制备高效LED芯片提供一种新的原型器件。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。