一种GaN基纳米多孔结构Micro-LED器件

本发明涉及gan基光电器件领域，具体涉及一种gan基纳米多孔结构micro-led器件。

背景技术：

1、近年来，sic和gan材料作为第三代宽禁带半导体，十分适用于光电器件。其中的gan材料因其宽禁带、稳定性好、抗辐射和抗高温能力强等优点，在gan micro-led器件中被广泛关注。gan基micro-led晶体因具有较小的体积、更长的寿命、环保和低功耗等优势，在光互连、可见光通信、液晶显示以及新兴的虚拟/增强现实等相关领域应用广泛，但其发光效率低已成为制约其发展的主要因素。由于micro-led的发光效率等于其外量子效率和电压效率的乘积，而外量子效率又等于内量子效率和光提取效率的乘积，并且内量子效率已经能够达到一个较高的值，因此提高micro-led的发光效率的关键在于如何提高光提取效率。

2、purcell因子是指光学微腔中偶极子的辐射功率与半导体材料中偶极的发射功率的比值，其值也为微腔和半导体材料中的自发辐射载流子的寿命之比。另外，purcell因子也与光学中的局域态密度紧密相关，且由于purcell因子而形成的自发辐射增强效应是一种局部效应。辐射和非辐射复合载流子寿命对于micro-led器件的载流子寿命起着决定性的作用。光学微腔中purcell因子大小和辐射复合载流子寿命的比值成反比关系。自发辐射速率将随着purcell因子的增大而增大，辐射复合载流子寿命越低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，该micro-led器件引入周期性纳米多孔结构阵列，能够打破界面全反射，促进光子从逃逸锥中辐射出来，进而提高purcell因子和光提取效率。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，包括n-gan层、量子阱ingan层、p-gan层、si衬底、纳米多孔gan和偶极子源；

4、所述p-gan层、量子阱ingan层、n-gan层和纳米多孔gan由下到上依次设置在si衬底上；

5、所述偶极子源设置在量子阱ingan层内；

6、所述纳米多孔gan含有周期性纳米多孔结构阵列。

7、本发明利用gan纳米多孔的新型结构，gan基异质结构的激子结合能可以显著增强，电子与空穴的复合(激子复合)产生光子的几率增大；纳米多孔gan是一种周期性晶格排列结构，属于一种光栅结构，不仅能够产生光子带隙，还存在相关衍射效应，因此可以通过该效应打破micro-led芯片内的全反射，提高purcell因子和光提取效率。

8、进一步地，纳米多孔gan的纳米孔半径小于等于100nm。

9、进一步地，纳米多孔gan的纳米孔半径小于等于25nm。

10、进一步地，纳米多孔gan的周期小于等于160nm；纳米多孔gan的深度小于等于1000nm。

11、进一步地，纳米多孔gan的周期小于等于140nm；纳米多孔gan的深度小于等于1000nm。

12、进一步地，纳米多孔gan的纳米孔半径等于25nm，所述纳米多孔gan的周期等于140nm；纳米多孔gan)的深度等于600nm。

13、上述纳米孔半径，以及对应的周期和深度，不仅能够打破界面全反射，促进光子从逃逸锥中辐射出来，进而提高purcell因子和光提取效率；且能够是器件具备较好的出光方向性和光场强度。

14、进一步地，n-gan层、量子阱ingan层、p-gan层和si衬底(4)的厚度分别为2280nm、240nm、157nm和120μm。

15、进一步地，还包括pml边界和监视器；

16、所述n-gan层、量子阱ingan层、p-gan层、si衬底、监视器和纳米多孔gan置于pml边界内；

17、所述pml边界内在n-gan层上部和纳米多孔gan的内部间隙内均为空气；

18、所述监视器位于n-gan层(1)的上方以及量子阱ingan层(2)、p-gan层和si衬底(4)的外侧或内部。

19、进一步地，n-gan层、量子阱ingan层、p-gan层、si衬底和空气的折射率分别为2.47、2.7、2.47、4.58和1。

20、进一步地，监视器包含六个功率监视器、三个场分布监视器、一个折射率监视器和四个时间监视器。

21、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

22、1、本发明的器件工作在te模的偶极子源下，由于gan纳米多孔结构阵列，可打破界面全反射，促进光子从逃逸锥中辐射出来，更易激发载流子的自发辐射效应，达到提高purcell因子和光提取效率的目的。

23、2、本发明通过改变micro-led器件中n-gan纳米孔的周期和半径，得到一个较优的器件结构模型；通过对比不同纳米孔半径下的光场强度分布，在经过纳米孔结构内部复杂的光路叠加和耦合效应后，得到了一个出光方向性和光场强度更好的器件结构。

技术特征：

1.一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，包括n-gan层(1)、量子阱ingan层(2)、p-gan层(3)、si衬底(4)、纳米多孔gan(7)和偶极子源(8)；

2.根据权利要求1所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，所述纳米多孔gan(7)的纳米孔半径小于等于100nm。

3.根据权利要求2所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，所述纳米多孔gan(7)的纳米孔半径小于等于25nm。

4.根据权利要求2所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，所述纳米多孔gan(7)的周期小于等于160nm；纳米多孔gan(7)的深度小于等于1000nm。

5.根据权利要求4所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，所述纳米多孔gan(7)的周期小于等于140nm；纳米多孔gan(7)的深度小于等于1000nm。

6.根据权利要求5所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，所述纳米多孔gan(7)的纳米孔半径等于25nm，所述纳米多孔gan(7)的周期等于140nm；纳米多孔gan(7)的深度等于600nm。

7.根据权利要求1所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，所述n-gan层(1)、量子阱ingan层(2)、p-gan层(3)和si衬底(4)的厚度分别为2280nm、240nm、157nm和120μm。

8.根据权利要求1所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，还包括pml边界(9)和监视器(6)；

9.根据权利要求8所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，所述n-gan层(1)、量子阱ingan层(2)、p-gan层(3)、si衬底(4)和空气(5)的折射率分别为2.47、2.7、2.47、4.58和1。

10.根据权利要求8所述的一种gan基纳米多孔结构micro-led器件，其特征在于，所述监视器(6)包含六个功率监视器、三个场分布监视器、一个折射率监视器和四个时间监视器。

技术总结
本发明涉及GaN基光电器件领域，具体公开了一种GaN基纳米多孔结构Micro‑LED器件，包括n‑GaN层、量子阱InGaN层、p‑GaN层、Si衬底、纳米多孔GaN和偶极子源；所述p‑GaN层、量子阱InGaN层、n‑GaN层和纳米多孔GaN由下到上依次设置在Si衬底上；所述偶极子源设置在量子阱InGaN层内；所述纳米多孔GaN含有周期性纳米多孔结构阵列。本发明的器件工作在TE模的偶极子源下，由于GaN纳米多孔结构阵列，可打破界面全反射，促进光子从逃逸锥中辐射出来，更易激发载流子的自发辐射效应，达到提高Purcell因子和光提取效率的目的。

技术研发人员：黄义,杨稳,王琦
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13