CN100530712C - 发光二极管结构 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个方面，包括有源芯层和具有第一折射率的至少一个基板层的发光二极管(LED)结构，在结构内包括二维光子准晶体。该光子准晶体包括具有第二折射率的区域阵列，该阵列表现出长程有序性而短程无序性。该长程有序性与该结构的衍射特性有关，且产生从LED射出的均匀的远场衍射图案。本发明具有的益处是，可以提高从LED提取的光提取效率而不会导致不理想的远场照明图案。

Description

发光二极管结构
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)，尤其涉及具有改进效率的LED。
背景技术
LED具有许多潜在应用。例如，LED可以用于诸如LCD的显示器以及需要高亮度和密集型照明的投影、娱乐、一般照明及汽车应用中。LED相对于传统白炽灯和卤素灯的益处在于亮度高、寿命长、瞬时操作、节能、环保、耐用和紧凑。
尽管具有这些益处，传统LED内部产生的大部分光线不能有效地从有源层中提取。LED中产生的几乎80％的光线都处于结构的出射锥(escape cone)之外。大部分光线要么在中心(core)受引导，要么在高折射率基板层内被完全内部反射。
很久以来就已经认识到提高LED的效率(尤其是光提取效率)方面的潜力。例如，高折射率基板(n～3.5)的折射率与用于封装LED的环氧树脂(n～1.5)的折射率之间的差别很大，从而导致用于全内反射的临界角相对较小。这进而又相对于内量子效率而显著地限制了外量子效率。已经认识到，使用透光传导层和具有低折射率的覆层以及具有低折射率的发射基板提高了提取效率。
图1示出用于提高从LED结构发出的光的方向性的方法。图1A示出了从LED的有源层发出的6个光线出射锥。图1B示出位于有源层下方的分布式布拉格反射镜104的使用，该反射镜将光线反射回(back up)并射出LED。使用布拉格反射镜用以引导更多的光线从在特定角锥内发光的LED结构的顶部射出。在美国专利US6,015,719中描述了这一技术。
可替换地或附加地，使用设置在LED结构上表面上的微透镜阵列可以提供提高的光提取(extraction)。这在美国专利US5,087,949中首次提出。S Moller等人在应用物理学报91，3324中建议，将微透镜阵列附在有机LED(OLED)玻璃基板上可以提供与在半导体LED中所发现的益处相类似的益处，在半导体LED中观察到了在整个观看半空间(viewing half space)中的外耦合率(external coupling efficiency)提高了2.3倍。
图2中示出在LED结构的表面上使用微透镜阵列的示例。数字201示出光线的平面外耦合(out of plane coupling of light)。微透镜阵列202设置在玻璃基板203的顶部，该玻璃基板覆盖传统LED的有源层。
图3示出使用斜面(angled facet)，该斜面优选地用来将结合在有源层中的光线反射出结构的上表面之外。有源层302和其上覆盖的覆层具有渐缩形(tapered)侧壁305。上表面上示出了金属接触303。有源层中产生的光线从壁305反射，并射出结构顶部。这描述在美国专利US 6,015,719中。
使用视觉上看得很清晰的高折射率聚合物可以显著减少半导体基板/空气的界面上的反射损失。这在图4中示出。图4a示出LED上的传统低折射率凝胶401。从有源层404开始的出射锥角被示出为402。基本波导模式角(waveguide mode angle)403位于出射锥之外。图4b示出高折射率凝胶的使用。使用高折射率凝胶406提供减小的折射率对比度，且因此为全内反射光线提供较大的出射锥角407。基本波导模式角405此时位于出射锥内。通过折射率从1.46到1.60的变动，可以获得大约20％的输出光的增量。
Schnitzer等人在应用物理杂志(Applied Physics Letters)63，2174(1993)中讲授了用来提高LED提取效率的另一方法。这篇论文描述了半导体LED表面的随机纹理(texturing)或粗糙(roughening)的使用，如图5所示。参照图5，LED表面上的粗糙503提供具有不同出射角的多重微型域。当从有源层502发出的全内反射光线入射到那些表面之一上时，与全平表面相比，光线落入那些表面的出射角内的可能性增加。这提供了提高的提取效率。虽然由于LED内存在吸收区使得这种方法在提取经历多重全内反射的光线时很有效，但是光线迅速被削弱，因此在光提取量的大小及其改进方面没有帮助。
在美国专利US 5,779,924中，描述了在结构的至少一个界面上使用周期性纹理，并建议使用这种周期性纹理来改进光线从有源芯层603的出射量。这在图6中示出。周期性纹理602引导更多光线从结构射出而不在结构内对光线进行使得光线大大削弱的全内反射。
取代周期性纹理，已经使用光子晶体来获得提高光提取效率的相同效果。在美国专利US 5,955,749中对此进行了描述。
表面粗糙，周期性纹理和规则的光子晶体都通过相同机理提高从LED中提取的光提取效率，修改表面轮廓的机理是提高如下可能性，即有源层中产生的入射到表面上的光线使得光线以能够从结构中射出的角度入射在表面上的可能性。
规则光子晶体(PC)还可以通过其它机理获得更大的光提取量。众所周知，由于载流子表面复合增强，其影响有源层的整体光致发光量子效率，因而在有源层内进行蚀刻通常不被人们所希望。然而，如果PC非常接近有源层，就有可能通过珀塞尔效应提高自发发射率。在珀塞尔效率中，一种建议是，当与整体结构相比时，设置在波长尺寸大小的微腔内的原子的自发发射可以提高。规则光子晶体704(如图7中所示)可以根据有源层705内某光学模式所得到的有效折射率对比度而在“腔体”707内限定这种光学模式。
Erchak等人在应用物理杂志(Applied Physics Letters)2001年1月29日第78卷No.5的第563-565页中报道了由于通过使用嵌入LED中的PC所提高的提取效率和发射率(radiation)而产生了6倍的光增量。
在被提议的可替换设计中，建议使用光栅型PC结构。在这种结构中，建议直接发射模式只消耗(drain)总光子的20％，而50％的光线被限定在高折射率引导模式。高折射率引导模式非常有效地结合到外部模式中并从结构中发射出去。
然而，由于规则光子晶体的高衍射性质，从LED结构顶部开始的远场发射(far field emission)局限于布拉格点(这遵循PC结构的周期性栅格性质)，如图8所示。图8示出具有有源层804的LED结构(如图7所示)中的规则光子晶体802的横截面。还从上方示出了该结构。平面外耦合光线801形成由大量布拉格点组成的远场照明图案805。在多数应用场合中，在远场内获得更多的均匀照明是理想的。
本发明的目的是提供改进的从LED中提取光的方案，同时获得理想的远场照明。
发明内容
根据本发明的第一个方面，一种包括有源芯层和具有第一折射率的至少一个基板层的发光二极管(LED)结构，包括位于该结构内的二维光子准晶体(PQC)，该光子准晶体包括具有第二折射率的区域阵列，该阵列表现出长程有序性和短程无序性。长程有序性与结构的衍射特性有关，并且使得能够耦合输出从所述LED结构发出的位于限定锥角内的自发发射光，所述锥角从所述光子准晶体所在平面的法线开始。
准晶体是非周期性结构，这种结构具有称之为准周期性的一种长程平移有序性的类型。在“物理基础”2003年12月第33卷第12期中的Ron Lifshitz的“准晶体的定义”中发现了对准晶体的详细阐述，且此阐述包括对准周期的数学定义。在本说明书中，准晶体应该被认为包括除规则周期性结构之外的所有准周期性结构。
优选地，阵列的傅立叶变换具有旋转对称度n，其中n＞6。这种类型的光子准晶体的高对称度使得光子带隙具有高度各向同性。即使具有低折射率对比度时也能够获得完整的带隙。
带隙可以(通过改变最近相邻区域的间距，及区域的直径、深度和折射率(index))设计为使衰减带(stopband)与LED内的有源层的发射光谱交叠(overlap)。用于规则光子晶体的这种方式的带隙设计是众所周知的。优选地，带隙处于各个方向上并且用于各种偏振。
根据本发明的结合有光子准晶体的LED相对于传统LED及结合有规则光子晶体的LED具有提高的提取效率。准晶体结构提供了许多益处。例如，光子准晶体中发现的更多同向性带隙使得模式限制更高，且因此提取效率更高。注意到，普通光子晶体受到各向异性带隙(这种带隙不交叠，因此可具有不同传播方向，但高折射率对比度的情况除外)的影响，且因此不会在所有方向上限制具有相同透深的单一波长光。此外，具有准晶体特性的长程有序性使得远场衍射图案更均匀。准晶体结构中区域紧密排列的可能性使得光子可以从中通过并逸出该结构的表面积更大，且因此获得更高的提取效率。
优选地，基板层是电介质层，且准晶体是就折射率方面来说的变体(variation)，该准晶体部分或完全延伸经过该层。可替换地，具有不同折射率或者由金属形成的附加层可以设置在基板层中或者介于芯层与基板层之间，该附加层包括以准晶体几何排列方式排列的阵列区域。
准晶体可以是斐波纳契(Fibonacci)螺旋图案的形式。可替换地，阵列可以形成为彭罗斯(penrose)点阵图案(tiling pattern)。其也可以是不均匀的欧几里得(Euclidean)点阵图案。
根据本发明的LED可以包括多于一层的光子准晶体。例如，有源层可以夹在一对光子准晶体层之间。LED可以包括多个不同光子准晶体或者光子准晶体和普通光子晶体的结合。
基板层可以包括光子准晶体的周期性重复的部分。
准晶体的区域可以具有任何形状和尺寸，且其在阵列中的几何或材料特性可以改变。准晶体可以包括可调材料区域，以供用于可调光学输出。
根据本发明的第二个方面，一种包括有源芯层以及具有第一折射率的至少一个基板层的发光二极管(LED)结构包括在该基板层内的二维光子带结构，该光子带结构包括具有第二折射率的区域阵列，其中每个区域具有距离至少一个其它区域的预定的恒定间距，且每个区域以预定最小间距与所有其它区域间隔开，但其中区域阵列是非晶形的。
根据本发明的第三个方面，一种从LED结构提取光的方法包括在LED结构中提供二维光子准晶体的步骤，该光子准晶体表现出长程有序性而短程无序性。
根据本发明的第四个方面，一种制造LED结构的方法包括以下步骤：
提供有源芯层；
提供至少一个基板层；以及
在该基板层上形成光子准晶体，该光子准晶体表现出长程有序性而短程无序性，以耦合输出从所述LED结构发出的位于限定锥角内的自发发射光，所述锥角从所述光子准晶体所在平面的法线开始。
根据本发明的第五个方面，一种制造LED结构的方法包括以下步骤：
提供有源芯层；
提供具有第一折射率的至少一个基板层；以及
在该基板层上形成光子带结构，该光子带结构包括具有第二折射率的区域阵列，其中每个区域具有与至少一个其它区域隔开的预定恒定间距，且每个区域以预定最小间距与所有其它区域间隔开，但其中区域阵列是非晶形的。
根据本发明的第一或第二方面的LED可以结合到大量光学系统中，能够想到的一些实例是，诸如车前大灯或仪表板显示器、投影系统或红绿灯。
附图说明
下面将参照附图详细描述本发明的实例，附图中：
图1是包括分布式布拉格反射镜的LED的示意性图示；
图2是一个表面上具有微透镜阵列的LED的示意性图示；
图3是具有渐缩形侧壁的LED的示意性图示；
图4示出在LED表面上使用不同折射率凝胶；
图5是具有粗糙表面的LED的示意性图示；
图6是一个表面上具有光栅结构的LED的示意性图示；
图7是在LED的一层内具有光子晶体的LED的示意性图示；
图8示出一层内具有光子晶体的LED的远场发射图案；
图9示出根据本发明的LED内的光子晶体的三个不同位置的横截面；
图10详细示出一种典型的LED设计；
图11示出根据本发明的LED设计；
图12示出LED的远场发射，其中12次对称准晶体被蚀刻到该结构中；
图13示出使用斐波纳契螺旋准晶体结构(Fibonacci spiralquasicrystal structure)的远场发射；
图14示出准晶体结构的变化及对于平面外耦合的影响；
图15示出可能的准晶体几何排列；
图16示出用于LED的重复的准晶体结构的形成；
图17示出LED内的波带片(zone plate)结构，本发明通过这种结构提供优点；
图18示出根据本发明的用于LED的非晶形光子带结构；以及
图19示出根据本发明的用于LED的可调准晶体。
具体实施方式
通过规则多边形(其使用了正方形、三角形或六变形)可以获得三种可能的均匀平面点阵。在1-均匀点阵中，仅具有一种类型，其顶点处于平面中。此外，使用1-均匀(阿基米德)点阵具有13个用于填充空间的不同方向。在本说明书中，这些点阵图案构成了所谓规则二维光子晶体的基础。规则二维光子晶体典型地形成在电介质材料中，且具有在折射率方面形成周期性变化的区域阵列，该周期以平面的均匀点阵之一为基础。这种类型的光子晶体的最简单实例是电介质板内的孔阵列，蚀刻的气柱位于均匀点阵图案的每个顶点上。
光子晶体为调整光线及电磁波(EM)的传播提供独特方式。通过与晶体中电子相似的方式，EM波在具有周期性调节的电介质常数的结构内的传播建立了形成光子带结构的布洛赫(Bloch)模式。由于电介质常数(contrast)和周期性，在不允许EM传播的地方形成光子带隙。
已经建议在LED中使用二维光子晶体以提高提取效率。有两种机理，通过这两种机理，光子晶体可以改善LED的光提取：
(1)表面图案化可以提高光在被全反射以及在LED的基板内被削弱之前逸出结构的可能性；
(2)通过珀塞尔效应提高有源层内的自发发射。
然而，LED内的规则二维光子晶体经常导致不理想的远场衍射图案。此外，由于光线限制不是同向性的，所以在LED结构内使用二维光子晶体的珀塞尔效应具有有限的效果。
在本发明的一个实施例中，二维准晶体被用在LED结构的层中而不是有源层中。光子准晶体(PQC)是光子带结构，其显示出短程平移无序性而长程准周期性。在“自然2000”的2000年4月13日第404卷中，Zoorob等人描述了一些实例，即使在低折射率材料中，这些实例也具有完整的带隙。光子准晶体具有同向性高的带隙。准晶体在由嵌入有准晶体的LED产生的输出光图案方面和珀塞尔效应方面都提供了益处。
光子准晶体以与规则光子晶体相同的方式而形成。二维准晶体可以由电介质材料柱阵列或电介质材料内的孔阵列形成。通常，在有具有第一折射率的背景材料中，二维准晶体可以被描述为具有第二折射率的柱阵列。在本发明中，光子准晶体通过选择最邻近的柱之间的间距以及柱的直径、深度和折射率(index)而设计，从而其与LED内的有源层的放射光谱交叠。这提供了波长选择性以及增强的模式限制。理想地，带隙处于所有方向并用于所有偏振。
下面将简要描述珀塞尔效应。珀塞尔效应所述的自发发射提高因子通过下面等式给出：
P = 3 4 π 2 ( λ n ) 3 Q V
其中，λ＝波长，n＝折射率，V＝腔体容积，Q＝限制因子(与光子限制在腔体内的时间成正比)。
从这个等式清楚知道，容积越小，提高因子越大。通过将适当设计的具有强光线限制的光子准晶体结构(理想地具有与有源层的放射光谱交叠的带隙)设置为靠近有源层，可以在整个准晶体结构中生成小的限制容积而没有缺陷。如果光线从光子带隙附近射出，则高Q因子在有源层内引起强局部效应，导致自发发射显著增加。光子准晶体具有这种同向性带隙的事实进一步增强该限制，且因此提高自发发射。在这方面应该注意到，规则二维光子晶体具有各向异性的带隙，这种带隙不会在所有的传播方向上交叠，因此不能在所有方向上充分限制光线。
在LED结构中，光子准晶体可以以多种方式设置在多层中的一层内。准晶体可以通过改变LED内多层或多个界面中的一层或者一个界面的高度而限定。可替换地，改变特定区域的折射率可以限定准晶体内一个元素的顶点。结构的折射率可以通过以扩散法或离子注入法给理想区域加入掺杂剂来改变，而特定层的高度可以通过蚀刻特定区域来限定。(离子注入法是公知技术，且在位于纽约的美国Elsevier出版公司1973年所出版的由Dearnaley，G.、Freeman，J.H.、Nelson，R.S.、和Stephen，J.发表的《离子注入》的802页中得以描述)。
图9示出根据本发明的四个不同实例。图9A示意性地示出LED的结构，其中光子准晶体901已被蚀刻在表面内。图9B示出嵌入在LED结构的一个层903内的光子准晶体902。这种类型的结构可以通过蚀刻到理想层内并随后生长(overgrowing)覆盖层来形成。图9C示出通过将掺杂剂扩散到预定位置内以在结构内局部改变折射率而形成的光子准晶体904。这可以通过以平板印刷方式定义掩模来获得，该掩模随后被蚀刻并用作用于离子注入或扩散的模板。电接触905和有源层906如图9A和9B所示。
图9D示出LED结构内的穿过有源层的光子准晶体908。这可以使用诸如GaN材料体系907的下表面复合材料体系，因为在GaN材料系统中，表面复合效应比较不明显，因此不像诸如GaAs的其它已知LED材料体系那么多地影响自发发射。在有源层内形成光子准晶体，这提供了更强的光学模式限制(由于有源层中的有效折射率增强了)以及与光子带结构的更强的相互作用。这种更强的限制使得能够形成更小的腔体和更高的Q因子。这显著地提高了珀塞尔效应。Shakya J.、Kim K.H.等人在APL(应用物理试验室)2004年7月5日第85卷第1期的142-144页中的“III-氮UV光子晶体发光二极管中的增强的提取效率”一文阐述了使用规则光子晶体的GaN内的珀塞尔效应。
图10详细示出了一种可能的设计，其用于使用发射波长大约为960nm的GaAs材料体系的高效率微腔LED。这种设计在IEEEJ.Select Top.In Quan.Elect.2002年3月第8卷第2期的238-247页中提出，且在有源层1002至1808下面结合高对比度DBR结构。DBR的每段(period)由折射率相对较低的AlOx(n～1.7)层和高折射率GaAs(n～3.5)层组成。这提供了大电介质对比率的反射镜，该反射镜使得92％的朝下发射光线被反射回去。
位于DBR顶部的是薄型p-n结。挤压在p-n结之间的是GRIN-SCH(分级折射率区分限制异型结构)，以将载流子和发射光限制在较小有源区中，引起较低的发射域值。
P型电接触1021和n型电接触1022分别沉积在层1019和1009上。层1002至1019使用MBE(分子束外延法)或MOCVD(有机金属化学汽相沉积法)而生长。这种制造包括六个照相平版印刷步骤。进行用来限定深槽的第一照相平版印刷工艺。使用湿法蚀刻(使用浓缩的H3PO4:H2O2)以形成深槽1024，用于AlGaAs DBR层的初始氧化(450℃下进行2小时)。接着进行用于限定1022接触位置的第二照相平版印刷工艺。使用用来去除顶部AlGaAs层1016至1018及顶部GaAs层1018至1019的选择性湿法蚀刻。使用第三照相平版印刷工艺，以蒸发由Ni(10nm)-Ge(25nm)-Au(50nm)-Ni(20nm)-Au(100nm)组成的n型接触。进行用来将惰性材料旋压(spin)入深槽(1824)内的第四平版印刷工艺。最后使用第五照相平版印刷工艺来蒸发Au(200nm)的p型接触。
为了清楚起见，层1011至1017以放大形式在图10中示出。下面的表A描述了图10中参考到的层及其厚度和材料。
  项目   组成   厚度   说明
  1001   GaAs   400mm   基板和缓冲器
  1002   氧化的Al<sub>0.98</sub>Ga<sub>0.02</sub>As   120nm   多层叠置的底部
  1003   GaAs   88nm
  1004   氧化的Al<sub>0.98</sub>Ga<sub>0.02</sub>As   120nm   DBR叠置的第二段(period)
  1005   GaAs   88nm
  1006   氧化的Al<sub>0.98</sub>Ga<sub>0.02</sub>As   120nm   DBR叠置的第三段
  1007   GaAs   88nm
  1008   Al<sub>0.98</sub>Ga<sub>0.02</sub>As   120nm   多层叠置的顶部
  1009   n型掺杂的GaAs   78nm   下部GRIN-SCH结构
  1010   n型掺杂的Al<sub>0.9</sub>Ga<sub>0.1</sub>As   20nm   下部GRIN-SCH结构
  1011   Al<sub>0.5</sub>Ga<sub>0.5</sub>As   20nm   下部GRIN-SCH结构
  1012   Al<sub>0.1</sub>Ga<sub>0.9</sub>As   15nm   下部GRIN-SCH结构
  1013   GaAs   10nm   下部GRIN-SCH结构
  1014   In<sub>0.04</sub>Ga<sub>0.96</sub>As   7.5nm   适合发射960nm至970nm的量子阱
  1015   GaAs   10nm   上部GRIN-SCH结构
  1016   Al<sub>0.1</sub>Ga<sub>0.9</sub>As   15nm   上部GRIN-SCH结构
  1017   Al<sub>0.5</sub>Ga<sub>0.5</sub>As   20nm   上部GRIN-SCH结构
  1018   p型掺杂的Al<sub>0.9</sub>Ga<sub>0.1</sub>As   20nm   上部GRIN-SCH结构
  1019   p型掺杂的GaAs   78nm   上部GRIN-SCH结构
  1020   空气
  1021   p电极
  1022   n电极
图11详细示出根据本发明的光子准晶体LED设计的实例，具有气柱1103的12次对称光子准晶体排列。为了清楚起见，各层的厚度不成比例。图11A是LED的透视图，而图11B是同一结构的横截面。
下面的表B示出了图11中参考到的各个层及其厚度和材料类型。
  项目   组成   厚度
  1101   p型接触
  1102   p型掺杂的材料   200nm
  1103   光子准晶体排列   最邻近的柱之间的间距约为350nm
  1104   n型接触
  1105   DBR镜像(mirror)多层叠置   5×(208nm)
  1106   空气柱/填充柱   蚀刻深度约为200nm
  1107   p型掺杂的材料   78nm
  1108   有源层   140nm
  1109   n型掺杂的材料   78nm
  1110   p型接触
  1111   p型掺杂的材料   200nm
  1112   DBR镜像多层叠置   5×(208nm)
  1113   N型接触
  1114   n型掺杂的材料   78nm
  1115   基板   400nm
图11中示出的LED可以以参照图10所描述的相同方式来形成。使用附加的照相平版印刷蚀刻来形成光子准晶体。蚀刻的孔可以随后用另一种材料填充。
LED在光子准晶体区域的范围上发光。LED中使用的实际准晶体图案根据用途而确定。如上所述，一般的二维光子晶体产生不理想的远场衍射图案。规则的四次对称方形栅格光子晶体(PC)具有远场内的亮布拉格点的规则排列，如图8所示。如果对称性增加到6次，三角形栅格PC可以使用类似的栅格图案发出远场发射光。
为迅速预测由LED因为图案化的光子点阵印记所产生的远场发射图案，而计算了光子点阵的二维光学变换。如果从LED结构顶部射出的光线聚集在观察平面上的远场内，那么由变换形成的布拉格顶点的排列则代表产生了亮点。
为了得到合理均匀的远场照明，优选地，准晶体内区域阵列傅立叶变换的旋转对称级别大于6。
光子准晶体(PQC)可以设计成具有诸如图12所示的12次对称方形-三角形点阵的PQC高对称结构。图12A示出LED结构的横截面图，其中箭头1201表示结构外的耦合光线。光线在有源层1202内产生，并通过光子准晶体1203提取。LED的出射锥角被示出为1204。图12B示出图12A的LED的透视图，其更清楚地示出准晶体图案。也示出了在远场内得到的衍射图案。图12C是远场衍射图案的放大视图。与规则光子晶体相比，12次对称结构在傅立叶空间内提供了更多的布拉格顶点(图12C示出了实例中的围绕中心布拉格点的12个亮顶点)，且产生了比由规则PC栅格产生的亮布拉格点更圆的衍射图案。在给定区域内产生更多数量的远场点提供了更均匀的照明。
可替换地，为提供更远且均匀的照明，也可以使用可替换的更高级别的对称结构。
向日葵结构以斐波纳契螺旋图案为基准。优选地，在直角坐标系中，斐波纳契螺旋图案定义为
Figure C20058003201300211
且
Figure C20058003201300212
其中
Figure C20058003201300213
且其中n是用于表示图案中的点的整数指标(index)。为产生该图案，为每个n值绘制点。这些值可以是n＝1，2，3，4......等。可替换地，可以选择性地省略某特定n值以生成缺陷、环形图案或波带片。例如，n的奇数值可以省略，而保留n＝4，6，8，10......等。在光子准晶体内，在每个所产生的点上设置柱。
图13示出从向日葵光子准晶体结构发出的作为结果的远场发射。向日葵结构提供类似远场发射的均匀环。光线发射经过光子准晶体范围。圆对称带结构和带隙提供密集的微腔，其中发光量显著增加。此外，向日葵图案提供了柱的最佳封装，该最佳封装提高了光提取量。每个柱具有一组数量的光提取能力。在单位面积上放入更多数量的柱提供了增加的有效填充部分，且因此增加了光提取量。
为在特定远场发射锥内提供改进的光提取效率，可以改变不同参数。可以改变相邻光子准晶体柱之间的间距、蚀刻深度、柱直径和柱形状(如图14和图15所示)。图14示出改变LED内的光子准晶体中的柱直径和柱蚀刻深度的效果。从结合有光子准晶体1405的LED结构发出的光线表示为1401。出射光线的角度依从关系曲线插图1402所示的角度与密度关系。柱直径的减小由箭头1404表示。从改变的结构中射出的光线1403减少了，如插入曲线图1406所示。柱蚀刻深度的减小由箭头1408表示。从插图1409可以看出，通过减小蚀刻深度，光的出射角减小了。
图15示出两种不同的可能的柱形状。图15A示出具有方形横截面的柱1501，其设置在LED的有源层1502上方。柱1501由覆盖层覆盖。图15B示出与15A相类似的结构，其中柱1505设置在有源层1506上方。在此实例中，柱具有圆形横截面。
此外，还可以改变光子准晶体层相对于有源层的位置(在图15中以1504表示)来提供调整。光子准晶体同样还可以设置在有源层下方。这些改变将通过在不同角度方向上以不同效率提取光来改变发射特性，同时还影响远场发射轮廓。
光子准晶体层相对于有源层的位置由如图15所示的1504突出显示。这个变量在提高来自有源层的自发发射方面尤其关键。光子准晶体越靠近有源层，出射光与光子准晶体带结构的相互作用越强。为使相互作用最强，光子准晶体以被设为0的间距1504形成在有源区域的上方或下方，并且如果表面复合不重要(诸如在参考图9d所阐述的GaN材料体系中)，优选地将光子准晶体设置在有源层内。
任何情况下，光子准晶体必须足够靠近有源层，从而有源层内光学模式的瞬时场与光子准晶体相互作用，以形成腔体模式。在腔体模式中，该模式被限制在有源层的平面中，且最终逸出平面。
光子准晶体还可以形成在金属薄层(诸如50nm厚的银)内。这个层可以沉积在有源芯层的顶部。金属光子准晶体(其能够形成准周期性表面等离振子模式)与自发发射之间的相互作用使得光线很强程度地限制在有源层中，并在自发发射中引起一定数量级的数增量。
在LED内为了光提取而使用光子准晶体点阵的关键点在于避免短程有序性(其消除亮布拉格顶点)以及避免使用长程有序性来在远场内提供光滑环状的干涉。
在可替换的排列中，由大量柱1603形成的光子准晶体的重复部分可以用在LED结构内。从准晶体点阵中选出有限数量的单位(element)作为超晶胞1602。然后，超晶胞1602以周期性方式重复，以提供具有高对称衍射性质的大面积光子带结构1601，如图16所示。
应该注意到，通过使用蚀刻的波带片结构有可能产生类似于远场发射的锥。这些锥由同轴蚀刻环组成，其中中心区域设计为有源(active)的。
本发明的结构因结构和光学两个方面的原因而优选为波带片型结构。在结构上，蚀刻(更快且更可靠的制造方法)较少的材料将提供结构上更牢固的并具有更连贯(connected)的图案的设计。
从光学角度上讲，益处也更大。在使用波带片的情况中，有源区域被限制在结构中心，其中大发射区域被波带片包围。这产生不具有发射能力的大中心区域，因此在这个区域，光线只能在狭小的出射锥中进行发射，且还只能进行全内反射。全内反射光线被严重削弱，因此只能获得极少量的光提取增量。这在图17中示出。图17A示出波带片结构1702，其在LED内产生环状发射1701。图17B示出图17A的结构的横截面。如1703所示，来自有源区1704的光线在波带片中心被严重削弱。
该结构只是围绕中心盘对称的，因此如果光线在盘边界或者在波带片之间发射，则光线不能以相同锥角提取，从而在远场发射中产生重影(ghostig)效应。
此外，这些结构不能受益于珀塞尔型提高，因为它们不能在有源层内形成腔体或局部模式。
在使用光子准晶体的情况中，高衍射结构不能由径向对称结构限定，因此如果光线在该结构内的任何位置内发射，它将与带结构相互作用并在结构外耦合，且产生适当的远场发射锥。这提供了以限制得非常好的锥角度进行大面积发射的能力。
在本发明的另一方面，在LED结构内使用非晶形光子类型结构以提供单一中心布拉格点。在这种点阵中，柱之间的间距是固定的，且围绕每个柱的随机转动决定下一个柱的位置。由于Mie散射行为，这些结构可能具有带隙。然而，这些结构具有特点的强光子局部性。光学模式可以随机散射，从一个散射中心(在具有柱的情况下)到另一散射中心地穿过该结构，最终形成非常强大的安德森(Anderson)局部性。通过局部性形成的该模式可以具有非常高的Q因子(～10000)。
此外，非晶形图案结构在远场内不提供相干(coherent)干涉的形式，且甚至可以看到均匀照明，如图18所示。柱的非晶形图案由1801表示。结合有这种类型图案的LED结构1802在远场内产生可预测的均匀照明1803。
LED具有许多应用，例如，红绿灯、车前灯、用于感测的IR发光体、投影和家庭照明。本发明通过提高的效率且通过光输出的形式来提供用于所有这些应用的改进的LED。
在本发明的又一方面，LED结构可以具有填充有可调材料的蚀刻的光子准晶体柱。这可以是一种电可调的材料或液晶。这种材料将通过改变柱的折射率来进行响应，并改变光子准晶体的带结构。在这种排列中，可以对光的限制等级以及绝对波长进行调节。这进而又可以通过优先以略微不同的波长或不同的密度从LED发光，该LED可以具有宽波长射程。在LED用以为投影机产生光线的应用中，这可以提供一种方法，用来提供不同气氛设置(用于电影的暖色调，或者用于演示的最大亮度)。图19示出了这种设置的实例。具有有源层1906的LED结构从具有前述光子准晶体结构1905的区域的上表面发射光线。光子准晶体的柱被填充以一种材料，这种材料的折射率能够通过使用电场来调节。从电压源1907施加电场于整个结构。从结构射出的出射光1904示出在图1902中，该图是出射光与波长的关系曲线图。虚线表示有源层1906的出射光特征。由于光子准晶体的光子带结构，波带的一小部分从该结构的顶部射出。通过调节柱1905的折射率，可以选择出射的波带。

Claims (17)

1.一种发光二极管结构，包括用于在激发时产生自发发射光的有源芯层和具有第一折射率的至少一个基板层，所述结构包括在所述基板层内的二维光子晶体，所述光子晶体包括具有第二折射率的区域阵列，
其特征在于，所述光子晶体是光子准晶体，并且所述区域阵列表现出长程有序性以及短程无序性，以耦合输出从所述发光二极管结构发出的位于限定锥角内的自发发射光，所述锥角从所述光子准晶体所在平面的法线开始。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述阵列的傅立叶变换具有旋转对称度n，其中n＞6。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管结构，其中，所述光子准晶体设计为具有与所述发光二极管内的所述有源芯层的发射光谱交叠的带隙。
4.根据权利要求3所述的发光二极管结构，其中，所述带隙在穿过所述二维光子晶体的所有光传播方向上延伸且用于所有光偏振。
5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述基板层是电介质层，且所述准晶体是部分或完全在所述电介质层分布延伸的在折射率方面的变体。
6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述基板层包括具有准晶体几何排列的金属层。
7.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述阵列具有斐波纳契螺旋图案的形式。
8.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述阵列是彭罗斯点阵图案。
9.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述光子准晶体处于所述发光二极管结构的发光表面层内。
10.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述光子准晶体位于所述发光二极管结构的所述有源芯层和发光表面之间。
11.根据权利要求1所述的发光二极管结构，进一步包括位于所述发光二极管结构中的除所述基板层之外的至少一层中的光子准晶体。
12.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述基板层包括周期性重复的光子准晶体部分。
13.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述光子准晶体包括用于提供可调光学输出的可调材料的区域。
14.一种发光二极管结构，包括有源芯层和具有第一折射率的至少一个基板层，所述结构包括在所述基板层内的二维光子带结构，所述二维光子带结构包括具有第二折射率的区域阵列，其中，每个所述区域距离至少一个其它区域具有预定的恒定间距，且每个所述区域以预定的最小距离与所有其它区域间隔开，但其中所述区域阵列是非晶形的。
15.一种从发光二极管结构提取光的方法，所述方法包括在所述发光二极管结构的除用于在激发时产生自发发射光的有源芯层之外的层内提供光子准晶体的步骤，所述光子准晶体表现出长程有序性以及短程无序性。
16.一种制造发光二极管结构的方法，包括以下步骤：
提供具有第一折射率的至少一个基板层；
提供用于在激发时产生自发发射光的有源芯层；以及
在所述基板层内形成光子晶体，所述光子晶体包括具有第二折射率的区域阵列，
其特征在于，所述光子晶体是光子准晶体，所述区域阵列表现出长程有序性以及短程无序性，以耦合输出从所述发光二极管结构发出的位于限定锥角内的自发发射光，所述锥角从所述光子准晶体所在平面的法线开始。
17.一种制造发光二极管结构的方法，包括以下步骤：
提供具有第一折射率的至少一个基板层；
提供用于在激发时产生自发发射光的有源芯层；以及
在所述基板层内形成二维光子带结构，所述二维光子带结构包括具有第二折射率的区域阵列，其中，每个区域距离至少一个其它区域具有预定的恒定间距，且每个区域以预定的最小距离与所有其它区域隔开，但其中，所述区域阵列是非晶形的。
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