利用表面等离激元增强LED光通信器件及其制备方法与流程
本发明涉及一种利用表面等离激元增强led光通信器件及其制备方法，属于可见光通信领域。
背景技术：
随着智能设备的日益增长，数据传输的需求将会呈爆炸式增长，然而接入网的传输速率仍然是“瓶颈”问题。基于射频和蜂窝网的传统无线网络的传输效率低，建设与维护成本高，将无法满足未来庞大的通信需求。面对日益增长的通信需求，基于led的可见光无线通信技术(visiblelightcommunication,vlc技术)具备得天独厚的优势。作为一种新型无线通信方式，vlc技术具有高速率、抗干扰、节能、安全性高等优点。该技术利用室内照明的白光led作为通信基站担载数据传输功能，实现信息从服务器到客户终端的高速传输，能够为终端用户提供便捷的高速无线通信服务，从而解决高速信息网中的“最后一百米”问题。而且该技术的部署成本和维护成本也比传统无线基站要低很多。因此vlc技术已然成为下一代通信领域中不可或缺的技术之一。
作为vlc光源的led是光信号产生的基础，也是制约数据传输速率与质量的核心因素。中科院半导体所的陈雄斌教授基于1瓦的荧光led实现了双向100m的无线上网传输系统。南京邮电大学的王永进教授采用基于gan自支撑衬底的led实现了芯片与波导一体化，提高了信号的传输质量。但是目前常规的荧光led受制于荧光粉材料的响应速率慢，其调制带宽(f3db)只有几兆赫兹(mhz)，滤掉黄光波段后的蓝光的调制带宽也只有十几mhz，复旦大学郭睿倩教授通过黄光量子点材料将调制带宽提高至42mhz。目前在led调制带宽受限的情况下要提高通信速率需要依靠调制技术、信道模型和编译码算法等。例如：德国的海因里希-赫兹研究所的jelena
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有的光通信中led光源效率低，低调制带宽不足等问题，提供一种利用金属表面等离激元效应提高光源效率、增强光通信的调制宽带的光通信led。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种利用表面等离激元增强led光通信器件，其结构自下而上包括：
一衬底；
一生长在衬底上的n型gan层；
一生长在n型gan层上的inxga1-xn/gan量子阱有源层；
一生长在量子阱有源层上的电子阻挡层；
一生长在电子阻挡层上的p型gan层；
一生长在p型gan层上的介质层；
其特征在于：所述led刻蚀形成贯穿介质层、p型gan层，深至电子阻挡层的阵列式纳米柱结构，所述纳米柱之间填充有金属纳米颗粒或纳米柱侧壁上镀有金属膜；
还包括一设置在p型gan层上的p型电极和一设置在n型gan层上的n型电极。
优选的，所述金属的共振波长与led器件相匹配。金属共振波长属于宽谱，半峰宽约60nm；led发光波长相对于金属共振波长偏窄，半峰宽约20nm；相匹配是指金属共振波长覆盖led发光波长。
优选的，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在纳米柱侧壁上。
优选的，所述阵列式纳米柱结构的直径为50～200nm，高度为100～400nm。
优选的，所述inxga1-xn/gan量子阱有源层的周期数为10～15个，所述x范围：0≤x≤0.8，发光波长在365～600nm范围内，p型gan层的厚度300～500nm，n型gan层的厚度1.5～3μm。
优选的，所述电子阻挡层所用材料为p型al0.35ga0.65n层，厚度为10～30nm。
优选的，所述介质层为sio2、al2o3或sic，厚度为50～300nm。
优选的，所述绝缘层为sio2，厚度为10nm。
本发明还提供了上述的利用表面等离激元增强led光通信器件的制备方法，其步骤包括：
1)利用pecvd技术在inxga1-xn/gan量子阱led外延片上生长一层介质层；
2)利用电子束蒸发技术，在介质层上蒸镀一层金属膜；
3)对上述金属蒸镀后的外延片进行高温热处理，在高温高纯度氮气环境下进行退火，形成金属纳米颗粒，在外延片表面形成纳米图形；
4)采用rie技术，以金属纳米颗粒为掩膜，通入chf3和o2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将金属纳米图形转移至介质层薄膜上；
5)采用icp技术，以介质层纳米图形为掩模，通入cl2和ar的混合气体，各向异性刻蚀部分p型gan层，形成深至p型gan层的纳米柱阵列，残留的介质层能减少纳米柱毛刺，确保侧壁光滑，起到优化纳米柱结构的作用，该过程中介质层上残留的金属颗粒被刻蚀去除；
6)利用pecvd技术在外延片表面以及纳米柱侧壁生长一绝缘层；
7)利用电子束蒸发技术，在外延片表面以及纳米柱侧壁蒸镀一层金属膜，绝缘层起到保护纳米柱侧壁，钝化刻蚀损伤，同时保证本步骤中的第二次金属膜不与纳米柱发光材料接触，避免漏电；
8)制备p/n型电极，获得利用表面等离激元增强led光通信器件。
获得器件后可通过寿命谱测试结果修正调整金属颗粒周期、尺寸(直径)、金属种类等，具体为采用脉冲激光器作为激发光源，配合微区显微镜系统，将脉冲激光照射到纳米柱结构上，通过微区显微系统收集纳米柱发光，在脉冲光源的间隙时间收集纳米柱发光的光强随时间的衰减关系，调整金属颗粒周期、尺寸(直径)、金属种类的数据，可以得到不同的光强-时间曲线图，选择其中纳米柱发光的光强随时间衰减关系最弱的曲线，对应的金属颗粒周期、尺寸(直径)、金属种类即为最佳选择。
优选的，步骤7)中蒸镀金属膜后采用快速退火炉对外延片进行快速热处理，在高温高纯度氮气环境下进行退火，形成金属纳米颗粒。
优选的，所述步骤3)中形成金属纳米颗粒退火温度800-900℃、退火时间1-5min，氮气环境，通过调节退火温度、退火时间和金属膜厚度，控制金属纳米颗粒的直径在50-200nm。
优选的，所述步骤7)中形成金属纳米颗粒的退火温度500-550℃，氮气环境，退火时间30-120秒。
本发明利用金属表面等离激元效应提高gan基led光源效率、增强光通信的调制宽带，经由pvd蒸镀、高温热处理、rie、icp技术制备纳米结构，使得二次蒸镀金属共振波长与多量子阱的发光波长相匹配，配合寿命谱测试结果修正金属周期、种类、尺寸、浓度等，最终将等离激元耦合状态下的载流子降低至皮秒量级。金属颗粒填充进纳米柱之间能否最大程度的利用纳米柱间隙，以最接近的距离与纳米柱的发光区域进行耦合，有利于纳米柱中的激子与金属等离激元产生近场的强耦合作用，从而增强发光。本方法可有效提高gan基led光源效率、增强光通信的调制宽带，是一种工艺相对简单、成本低且可靠性高的方法。
附图说明
图1为实施例中步骤(1)得到的led外延片结构示意图。
图2为实施例中步骤(2)得到的led外延片上沉积氧化硅示意图。
图3为实施例中步骤(3)得到的led外延片上沉积氧化硅和蒸镀金属薄膜示意图。
图4为实施例中步骤(4)得到的ni纳米颗粒。
图5为实施例中步骤(5)得到sio2薄膜上纳米阵列示意图。
图6为实施例中步骤(6)得到在p型gan层形成纳米结构示意图。
图7为实施例中步骤(7)得到在上述外延片沉积氧化硅绝缘层。
图8为实施例中步骤(8)得到在上述外延片蒸镀ag金属膜示意图。
图9为是实例中步骤(9)得到的ag纳米颗粒示意图。
图10为实施例中步骤(10)得到的旋涂光刻胶后示意图。
图11为实施例中步骤(11)得到的溅射、剥离后ni/au金属电极示意图。
图12为实施例中步骤(13)得到的200mbps时发送和接收到的偏置电压为0的伪随机序列。
图13为实施例中步骤(13)得到的200mbps时测量到的眼图。
图中附图标记：1-n型gan层，2-多量子阱层，3-p型gan层，4-氧化物介质掩膜，5-金属ni掩膜，6-绝缘层，7-ag金属膜，8-经热退火后ag纳米颗粒球，9-光刻胶，10-金属电极。图中忽略衬底和电子阻挡层。
具体实施方式
以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本利用表面等离激元增强led光通信器件的制备方法，其步骤包括：
(1)选用绿光ingan外延片，n型gan层1的厚度为2um，电子阻挡层200nm，p型gan层3的厚度为500nm；inxga1-xn/gan量子阱有源层2的周期数为10个，in组分为0.3，发光波长为510nm，其中ingan阱层的厚度为3nm，gan垒层的厚度为12nm。
(2)采用pecvd技术在基片表面生长一介质层sio2，厚度为100nm。
(3)利用电子束蒸发技术，蒸镀30nm厚度的ni金属膜。
(4)对上述金属蒸镀后的基片进行高温热处理，在高温高纯度氮气环境下进行退火，形成金属纳米颗粒。针对上述金属膜，通过调节退火温度850℃、退火时间2min，氮气环境，通过调节退火温度、退火时间和金属膜厚度，控制金属纳米颗粒的直径在100nm，形成纳米图形层。
(5)采用rie技术，以金属ni纳米颗粒为掩膜，通入chf3和o2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将金属纳米结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的纳米柱直径周期等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：chf3和o2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2pa，刻蚀时间：5min。
(6)采用icp技术，以介质层纳米结构为掩模，通入cl2和ar的混合气体，各向异性刻蚀部分p型gan层，在p型gan层形成纳米结构，刻蚀参数：cl2和ar流量分别为18±8sccm和10±3sccm，腔体气压：10±5mtorr，dc偏压：300±60v，rf功率50±30w，icp功率：200±100w，频率13.56mhz，刻蚀时间：1min，刻蚀完成的纳米柱高度0.3um。
(7)利用pecvd技术在基片表面生长一绝缘层sio26，厚度为10nm，然后rie刻蚀掉纳米柱顶部的绝缘层。rie刻蚀条件如下：cf4/o2:30/10，功率：150w，气压：4pa，时间：5s-15s。
(8)利用电子束蒸发技术，蒸镀10nm厚度的ag金属膜7。
(9)采用快速退火炉进行高温快速热处理，在高温高纯度氮气环境下进行退火，退火温度520℃，氮气环境，退火时间80秒，形成ag金属纳米颗粒8，此时金属纳米颗粒与量子阱的距离较近，能够满足表面等离激元近场耦合要求。
(10)在上述基片上旋涂光刻胶9，光刻胶选用反转胶az5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
(11)金属电极层10采用pvd设备溅射ni\au膜(ni层厚10nm，au层厚200nm)，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡5分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的ni/au层随着光刻胶层一并去除。
(12)采用快速退火炉进行高温热处理，氧气环境下退火，退火温度为300度形成欧姆接触。最后获得等离激元增强led光通信器件。
将信号加载在发射端，实现电光转换，调制后的光经过波导传输，耦合至接收端进行光电转换，完成片内200mbps的可见光通信集成系统，实验结果可如图12-13所示，从图12-13中可以看出，设计的芯片能够在200mbps速率下完成高质量的数据传输任务。其中，图12表示200mbps时发送和接收到的偏置电压为0的伪随机序列，说明可以预先确定重复产生的，但又具有随机特性的序列；图13为眼图：在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，信号通过信道后，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间干扰的。在码间干扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果，而眼图正式表示这种干扰程度。图13中眼图表示开眼状态，也就表明制备的光传输器件串扰比较小，系统传输误差小。
实施例2
本利用表面等离激元增强led光通信器件的制备方法，其步骤包括：
(1)选用绿光ingan外延片，n型gan层1的厚度为2um，电子阻挡层200nm，p型gan层3的厚度为500nm；inxga1-xn/gan量子阱有源层2的周期数为10个，in组分为0.3，发光波长为510nm，其中ingan阱层的厚度为3nm，gan垒层的厚度为12nm。
(2)采用pecvd技术在基片表面生长一介质层sio2，厚度为100nm。
(3)利用电子束蒸发技术，蒸镀30nm厚度的ni金属膜。
(4)对上述金属蒸镀后的基片进行高温热处理，在高温高纯度氮气环境下进行退火，形成金属纳米颗粒。针对上述金属膜，通过调节退火温度800-900℃、退火时间1min，氮气环境，通过调节退火温度、退火时间和金属膜厚度，控制金属纳米颗粒的直径在50nm，形成纳米图形层。
(5)采用rie技术，以金属ni纳米颗粒为掩膜，通入chf3和o2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将金属纳米结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的纳米柱直径周期等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：chf3和o2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2pa，刻蚀时间：5min。
(6)采用icp技术，以介质层纳米结构为掩模，通入cl2和ar的混合气体，各向异性刻蚀部分p型gan层，在p型gan层形成纳米结构，刻蚀参数：cl2和ar流量分别为18±8sccm和10±3sccm，腔体气压：10±5mtorr，dc偏压：300±60v，rf功率50±30w，icp功率：200±100w，频率13.56mhz，刻蚀时间：1min，刻蚀完成的纳米柱高度0.3um。
(7)利用pecvd技术在基片表面生长一绝缘层sio26，厚度为10nm，然后rie刻蚀掉纳米柱顶部的绝缘层。rie刻蚀条件如下：cf4/o2:30/10，功率：150w，气压：4pa，时间：5s-15s。
(8)利用电子束蒸发技术，蒸镀10nm厚度的ag金属膜7。
(9)采用快速退火炉进行高温快速热处理，在高温高纯度氮气环境下进行退火，退火温度500℃，氮气环境，退火时间30秒，形成ag金属纳米颗粒8，此时金属纳米颗粒与量子阱的距离较近，能够满足表面等离激元近场耦合要求。
(10)在上述基片上旋涂光刻胶9，光刻胶选用反转胶az5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
(11)金属电极层10采用pvd设备溅射ni\au膜(ni层厚10nm，au层厚200nm)，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡5分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的ni/au层随着光刻胶层一并去除。
(12)采用快速退火炉进行高温热处理，氧气环境下退火，退火温度为300度形成欧姆接触。最后获得等离激元增强led光通信器件。
实施例3
本利用表面等离激元增强led光通信器件的制备方法，其步骤包括：
(1)选用绿光ingan外延片，n型gan层1的厚度为2um，电子阻挡层200nm，p型gan层3的厚度为500nm；inxga1-xn/gan量子阱有源层2的周期数为10个，in组分为0.3，发光波长为510nm，其中ingan阱层的厚度为3nm，gan垒层的厚度为12nm。
(2)采用pecvd技术在基片表面生长一介质层sio2，厚度为100nm。
(3)利用电子束蒸发技术，蒸镀30nm厚度的ni金属膜。
(4)对上述金属蒸镀后的基片进行高温热处理，在高温高纯度氮气环境下进行退火，形成金属纳米颗粒。针对上述金属膜，通过调节退火温度800-900℃、退火时间5min，氮气环境，通过调节退火温度、退火时间和金属膜厚度，控制金属纳米颗粒的直径在200nm，形成纳米图形层。
(5)采用rie技术，以金属ni纳米颗粒为掩膜，通入chf3和o2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将金属纳米结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的纳米柱直径周期等与原有设计模板的规格一致，刻蚀参数：chf3和o2流量分别为35±10sccm和5±3sccm，功率：100±30w，压强：3±2pa，刻蚀时间：5min。
(6)采用icp技术，以介质层纳米结构为掩模，通入cl2和ar的混合气体，各向异性刻蚀部分p型gan层，在p型gan层形成纳米结构，刻蚀参数：cl2和ar流量分别为18±8sccm和10±3sccm，腔体气压：10±5mtorr，dc偏压：300±60v，rf功率50±30w，icp功率：200±100w，频率13.56mhz，刻蚀时间：1min，刻蚀完成的纳米柱高度0.3um。
(7)利用pecvd技术在基片表面生长一绝缘层sio26，厚度为10nm，然后rie刻蚀掉纳米柱顶部的绝缘层。rie刻蚀条件如下：cf4/o2:30/10，功率：150w，气压：4pa，时间：5s-15s。
(8)利用电子束蒸发技术，蒸镀10nm厚度的ag金属膜7。
(9)采用快速退火炉进行高温快速热处理，在高温高纯度氮气环境下进行退火，退火温度550℃，氮气环境，退火时间120秒，形成ag金属纳米颗粒8，此时金属纳米颗粒与量子阱的距离较近，能够满足表面等离激元近场耦合要求。
(10)在上述基片上旋涂光刻胶9，光刻胶选用反转胶az5214，旋涂转速为600rpm/8000rpm，时间为10s/40s，前烘采用90℃热板烘1分钟。因采用反转胶，故选用两步曝光法，先有图形区域曝光9秒，随后在110℃热板烘2分钟，泛曝12秒。显影采用碱性正胶显影液显影19秒，去离子水清洗30秒，再用干燥氮气吹干，后烘采用100℃热板烘1分钟。
(11)金属电极层10采用pvd设备溅射ni\au膜(ni层厚10nm，au层厚200nm)，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡5分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的ni/au层随着光刻胶层一并去除。
(12)采用快速退火炉进行高温热处理，氧气环境下退火，退火温度为300度形成欧姆接触。最后获得等离激元增强led光通信器件。
实施例4
一种利用表面等离激元增强led光通信器件，其结构自下而上包括：
一衬底，衬底为蓝宝石衬底或硅衬底；
一生长在衬底上的n型gan层，厚度为1.5～3μm；
一生长在n型gan层上的inxga1-xn/gan量子阱有源层，量子阱有源层的周期数为10～15个，所述x范围：0≤x≤0.8，发光波长在365～600nm范围内；
一生长在量子阱有源层上的电子阻挡层，所述电子阻挡层所用材料为p型algan层，厚度10nm-30nm；
一生长在电子阻挡层上的p型gan层，厚度300～500nm；
一生长在p型gan层上的介质层，所述介质层为sio2、al2o3或sic，厚度为50～300nm；
所述led刻蚀形成贯穿介质层、p型gan层，深至电子阻挡层的阵列式纳米柱结构，所述阵列式纳米柱结构的直径为50～200nm，高度为100～400nm，所述纳米柱之间填充有金属纳米颗粒或纳米柱侧壁上镀有金属膜，所述金属的共振波长与led器件相匹配；
还包括一设置在p型gan层上的p型电极和一设置在n型gan层上的n型电极。
实施例5
本实施例与实施例2基本一致，区别在于还包括绝缘层，纳米柱侧壁上先生长一层绝缘层，再镀上金属膜或填充金属纳米颗粒。所述绝缘层为sio2，厚度为10nm。
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。
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