可見光通信用單芯片白光led及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于照明光源領(lǐng)域，涉及一種可見光通信用單芯片白光LED及其制備方法，特別涉及一種高光效、高帶寬的可見光通信用表面等離激元增強(qiáng)白光LED及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]白光LED節(jié)能環(huán)保、壽命可靠，通過加載人眼無法感測的高速調(diào)制信號(hào)傳送數(shù)據(jù)，可以在兼顧照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見光無線通信的功能。不過，LED的頻率響應(yīng)也直接決定了可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制帶寬和傳輸速度。
[0003]目前廣泛采用藍(lán)光芯片與黃色稀土熒光粉結(jié)合而獲得白光LED，受熒光粉響應(yīng)速度所限，LED的調(diào)制帶寬很低。盡管加入藍(lán)色濾光片可以改善調(diào)制特性，但卻直接影響了接收強(qiáng)度和傳輸距離。而使用紅綠藍(lán)(RGB)三色LE:D作為VLC系統(tǒng)光源，不僅成本上升而且三色芯片因光衰減不同易產(chǎn)生變色現(xiàn)象，相應(yīng)的調(diào)制電路也更加復(fù)雜。單芯片白光LED由于調(diào)制速率不受熒光粉轉(zhuǎn)換的限制，可以滿足可見光通信用高光效、高帶寬的光源需求。
[0004]采用級(jí)聯(lián)藍(lán)、黃光量子阱的方式可以獲得單芯片白光LED，不過其缺點(diǎn)是黃光很弱且量子阱區(qū)存在較大應(yīng)變難以獲得較高的內(nèi)量子效率，因此，目前器件的白光顏色和發(fā)光效率都不好。表面等離激元共振增強(qiáng)技術(shù)能夠提高發(fā)光二極管的自發(fā)輻射速率和內(nèi)量子效率，通過金屬納米顆粒與有源區(qū)內(nèi)電子空穴對(duì)的有效耦合，可以增加載流子復(fù)合通道，從而顯著降低載流子的復(fù)合壽命，提高LED的調(diào)制帶寬。因此，利用表面等離激元選擇性地增強(qiáng)黃光發(fā)光區(qū)的輻射復(fù)合，并通過遂道結(jié)薄層級(jí)聯(lián)藍(lán)、黃光多量子阱提高藍(lán)光區(qū)的空穴注入能力，有望獲得一種高光效、高帶寬的雙波段復(fù)合型可見光通信用單芯片白光光源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種可見光通信用單芯片白光LED及其制備方法，本發(fā)明可以得到一種高光效、高帶寬的雙波段可見光通信用單芯片白光光源。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種可見光通信用單芯片白光LED，所述LED包括:
[0007]襯底；
[0008]緩沖層，形成于所述襯底的上表面；
[0009]η型半導(dǎo)體層，形成于所述緩沖層的上表面，所述η型半導(dǎo)體層的一側(cè)向下形成有臺(tái)面，所述臺(tái)面的深度小于所述η型半導(dǎo)體層的厚度；
[0010]復(fù)合發(fā)光區(qū)，形成于所述η型半導(dǎo)體層除臺(tái)面外的上表面；
[0011]ρ型半導(dǎo)體層，形成于所述復(fù)合發(fā)光區(qū)的上表面；
[0012]透明導(dǎo)電層，形成于所述ρ型半導(dǎo)體層的上表面；
[0013]ρ電極和η電極，分別形成于所述透明導(dǎo)電層和η型半導(dǎo)體層的一側(cè)臺(tái)面上。
[0014]可選地，所述襯底為藍(lán)寶石、硅、碳化硅或玻璃。
[0015]可選地，所述緩沖層包括GaN形核層和形成于所述GaN形核層上表面的非故意摻雜GaN層。
[0016]可選地，所述復(fù)合發(fā)光區(qū)包括藍(lán)光、黃光雙波段有源區(qū)，兩有源區(qū)之間以遂道結(jié)串耳關(guān)。
[0017]可選地，所述ρ型半導(dǎo)體層為具有嵌入式表面等離激元結(jié)構(gòu)的ρ型半導(dǎo)體層。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種可見光通信用單芯片白光LED的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0019]步驟1，在襯底上形成緩沖層；
[0020]步驟2，在所述緩沖層上形成η型半導(dǎo)體層；
[0021]步驟3，在所述η型半導(dǎo)體層上表面上形成復(fù)合發(fā)光區(qū)；
[0022]步驟4，在所述復(fù)合發(fā)光區(qū)的上表面上形成ρ型半導(dǎo)體層，完成外延片制備；
[0023]步驟5，在所述外延片的一側(cè)向下刻蝕至η型半導(dǎo)體層形成臺(tái)面，其中，所述臺(tái)面的深度小于所述η型半導(dǎo)體層的厚度；
[0024]步驟6，通過光刻、ICP刻蝕工藝在所述ρ型半導(dǎo)體層內(nèi)形成GaN基LED納米柱或納米孔陣列；
[0025]步驟7，在納米柱或納米孔的刻蝕間隙填充金屬納米顆粒；
[0026]步驟8，對(duì)納米柱間隙或納米孔陣列內(nèi)壁旋涂絕緣介質(zhì)形成絕緣填充層，并反刻蝕所述絕緣填充層，直至完全露出納米柱或納米孔陣列的頂端，形成具有嵌入式表面等離激元結(jié)構(gòu)的P型半導(dǎo)體層；
[0027]步驟9，在所述具有嵌入式表面等離激元結(jié)構(gòu)的ρ型半導(dǎo)體層的上表面形成透明導(dǎo)電層；
[0028]步驟10，在所述透明導(dǎo)電層和η型半導(dǎo)體層的一側(cè)臺(tái)面上分別形成ρ電極和η電極。
[0029]可選地，所述步驟1進(jìn)一步包括:先在襯底上低溫生長GaN形核層，再高溫生長非故意摻雜GaN層的步驟。
[0030]可選地，所述步驟3進(jìn)一步包括在所述η型半導(dǎo)體層的上表面上依次形成藍(lán)光發(fā)光區(qū)、串聯(lián)遂道結(jié)和黃光發(fā)光區(qū)的步驟。
[0031]可選地，所述步驟7中，填充金屬顆粒通過蒸鍍薄層金屬并退火或涂覆化學(xué)法制備的金屬顆粒溶液經(jīng)干燥實(shí)現(xiàn)，金屬顆粒為金、銀、鋁或其合金，且在黃光區(qū)存在強(qiáng)烈共振吸收。
[0032]可選地，所述步驟8中，所述絕緣介質(zhì)為S0G或ΡΜΜΑ。
[0033]本發(fā)明獨(dú)創(chuàng)性地將級(jí)聯(lián)藍(lán)、黃光量子阱技術(shù)和表面等離激元共振增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合起來，在外延片中直接引入藍(lán)光、黃光雙波段量子阱以及串聯(lián)遂道結(jié)薄層來增強(qiáng)藍(lán)光區(qū)的空穴注入，并通過表面等離激元的近距離耦合提高黃光發(fā)光層的自發(fā)輻射效率，可以有效改善高In組分量子阱材料質(zhì)量較差、發(fā)光微弱的情況，從而提升黃光出射比例獲得高品質(zhì)白光。同時(shí)，該芯片的頻率響應(yīng)和調(diào)制速率將不再受熒光粉轉(zhuǎn)換的限制，可以滿足可見光通信用高光效、高帶寬的光源需求。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明可見光通信用單芯片白光LED的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2為本發(fā)明可見光通信用單芯片白光LED的制備方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，提供一種可見光通信用單芯片白光LED，其芯片結(jié)構(gòu)包括依次層疊的襯底、緩沖層、η型半導(dǎo)體層、白光發(fā)光層和具有表面等離激元微納結(jié)構(gòu)的ρ型半導(dǎo)體層，以及透明導(dǎo)電層和Ρ、η電極。所述白光發(fā)光層由黃、藍(lán)光兩發(fā)光區(qū)復(fù)合而成，其中每個(gè)發(fā)光區(qū)由相應(yīng)波段的多量子阱(或量子點(diǎn))構(gòu)成，兩發(fā)光區(qū)之間以重?fù)诫s的遂道結(jié)如n++InGaN/p++GaN隧道結(jié)串聯(lián)。所述ρ型半導(dǎo)體層，其位置靠近黃光發(fā)光區(qū)，為刻蝕深度接近有源區(qū)的納米孔或納米柱陣列，經(jīng)填充金屬納米顆粒和旋涂絕緣介質(zhì)構(gòu)成嵌入式表面等離激元微納結(jié)構(gòu)。
[0038]所述ρ型半導(dǎo)體層納米孔或納米柱陣列為通過電子束曝光、聚苯乙烯微球等方式獲得的掩膜經(jīng)干法刻蝕或納米壓印制備，其深度典型值為距離黃光有源區(qū)10?50nm，其納米孔徑或柱子間隙的典型值為50?lOOOnm。所填充的金屬納米顆粒為金、銀、招或其合金，其在黃光區(qū)存在強(qiáng)烈共振吸收。所旋涂的絕緣介質(zhì)為S0G或者PMMA。
[0039]圖1給出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的基于表面等離激元實(shí)現(xiàn)單芯片白光的可見光通信用LED結(jié)構(gòu)，如圖1所示，所述LED包括:
[0040]襯底10 ；
[0041]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述襯底10為(0001)向拋光藍(lán)寶石，可以使用圖形襯底技術(shù)制作，其它可用于外延襯底的還包括硅、碳化硅或玻璃等材料。
[0042]緩沖層11，形成于所述襯底10的上表面；
[0043]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述緩沖層11進(jìn)一步包括GaN形核層和形成于所述GaN形核層上表面的非故意摻雜GaN層。
[0044]η型半導(dǎo)體層12，形成于所述緩沖層11的上表面，所述η型半導(dǎo)體層12的一側(cè)向下形成有臺(tái)面，所述臺(tái)面的深度小于所述η型半導(dǎo)體層12的厚度；
[0045]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述η型半導(dǎo)體層12為η型GaN，其η型摻雜劑為娃燒。
[0046]其中，所述臺(tái)面的形狀可以為矩形、扇形或者叉指形。
[0047]復(fù)合發(fā)光區(qū)13，形成于所述η型半導(dǎo)體層12除臺(tái)面外的上表面；
[0048]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述復(fù)合發(fā)光區(qū)13由下至上依次包括藍(lán)光發(fā)光區(qū)14、串聯(lián)遂道結(jié)15和黃光發(fā)光區(qū)16，也就是說，所述復(fù)合發(fā)光區(qū)13由藍(lán)光、黃光雙波段有源區(qū)組成，兩有源區(qū)之間以遂道結(jié)如n InGaN/p GaN險(xiǎn)道結(jié)串聯(lián)，以提尚監(jiān)光區(qū)的空穴注入能力。其中，所述串聯(lián)遂道結(jié)15為高摻雜n++InGaN/p++GaN薄層，該層p++GaN部分生長在藍(lán)光發(fā)光區(qū)14上，而黃光發(fā)光區(qū)16則生長在n++InGaN部分上；每一發(fā)光區(qū)所包含的多量子講MQW為InGaN薄層和GaN薄層交互堆疊形成的3?8周期多量子講結(jié)構(gòu)。
[0049]ρ型半導(dǎo)體層17，形成于所述復(fù)合發(fā)光區(qū)13的上表面；
[0050]在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述ρ型半導(dǎo)體層17的ρ型摻雜劑為二茂鎂。所述ρ型半導(dǎo)體層17的結(jié)構(gòu)是金屬顆粒能否有效發(fā)揮表面等離激共振增強(qiáng)效應(yīng)的關(guān)鍵。在芯片一側(cè)制作完臺(tái)面后，通過