CN101110461A - 利用衍射效应的表面微柱阵列结构高效率发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种利用衍射效应的表面微柱阵列结构高效率发光二极管，其结构如下：在蓝宝石衬底的缓冲层上生长着N型GaN；在N型GaN层上生长着GaN有源层；在有源层上生长着P型GaN层；在P型GaN层上刻蚀出微柱阵列，该阵列可以是周期性排列的，也可以是非周期排列的二维结构；在P型GaN层上铺设有P型电极和P型焊盘；在N型GaN层上铺设有N型电极和N型焊盘。其优点是利用了光的衍射效应，通过微柱阵列使光充分导出，提高发光效率，并使发光面出光分布均匀；与采用二维光子晶体的发光二极管相比，该结构的制作工艺简单、生产成本低；与传统表面粗糙化处理的发光二极管相比，该结构的出光效率要高得多。

Description

利用衍射效应的表面微柱阵列结构高效率发光二极管
(一)技术领域
本发明涉及一种高亮度GaN基发光二极管，特别涉及利用衍射效应来提高发光效率的微柱阵列结构。
(二)背景技术
如何提高发光二极管的出光效率是发光二极管技术中的一个重要的研究方向。由于点光源通过一定距离的介质中传播并向空气出射时，由于光在界面处的全反射效应，只有小于一定角度的光才能出射，该出射角限制了发光二极管的出光效率。针对这个问题，人们利用微结构的方法改善出射光的出射方向，以提高出光几率的思路主要有：对发光二极管表面做粗糙化处理，增加出射界面面积来提高光在出射介质的界面面积，如授权公告号为CN1874012A的专利；利用二维光子晶体的禁带特性，作为反射壁垒限制光的出射方向，如授权公告号为CN1877872A的专利。虽然前者所采用方法在一定程度上能提高出光效率，但大于极限出射角的光由于界面处的全反射依然不能得到充分利用；后者也因二维光子晶体阱的原因，实际上通过一个二维光子晶体的光只有出光面中心微区的一束得以高效率导出，其余发光面上的点光源也不能充分导出，导致发光有效面积较小。
本发明提出微柱阵列的结构，利用衍射原理，根据发光二极管光源波长设计相应微柱阵列，使发射光获得高效率的导出，不仅可以使发射光得到更高比例的利用，也保证了发光二极管整个发光表面出光的均匀性。该结构的显著特点是，微柱的直径以及柱与柱之间的距离小于发射光波长，或者与发射光波长在同一个数量级上，而且对微柱的排列并不一定要求是周期性的，因而在一定程度上可降低工艺难度与生产成本。
由于微柱的直径与波长为同一数量级时，几何光学规律不再起主导作用，此时产生强烈的衍射效应，于是光可过微柱阵列通过衍射方式发射到空气中，从而会提高出光效率。
从光的干涉角度分析，如果发光二极管发出的光接近于相干光，则采用周期排列的结构可能会有利于提高出光效率。但是，由于一般的LED发出的光都是非相干光，微杆是否是周期排列的，并不影响出光效率。因此，在微柱的排列可以是非周期性的。
换个角度看，大量微孔的存在使得发射区的有效介电常数大大下降，这就会使得出光角大大增加，从而会减少光的反射，提高出光效率。
(三)发明内容
本发明的发光二极管含有微柱阵列，利用光在微柱阵列的衍射和光学隧道效应的高效率。
该发光二极管的基本结构见图1。其中2为蓝宝石衬底；3为缓冲层；4为N型GaN层，该N型GaN生长在蓝宝石衬底的缓冲层上；5为GaN有源层，该有源层生长在N型GaN层上；6为P型GaN层，该P型GaN层制作在有源层上，并在该层刻蚀出微柱阵列；7为P型透明电极和P型焊盘，该电极和焊盘铺设在P型GaN层上；8为N型透明电极和N型焊盘，该电极和焊盘铺设在N型GaN层上。
该发光二极管的平面结构如图2。其中实心圆表示介质柱，即构成微柱阵列6。
所说的微柱阵列6，其导光柱刻蚀的深度L可以完全贯穿N型GaN层，即柱与柱之间可以通过侧壁互相连通，如截面结构示意图1及平面结构示意图2。
所说的微柱阵列6，其导光柱刻蚀的深度可以不贯穿N型GaN层，其柱子与柱之间可以互相分离，通过基底互相连通，如截面结构示意图3及平面结构示意图4。
所说的微柱阵列6，其单个微柱的直径以及柱与柱之间的距离小于发射光波长，或者与发射光波长在同一个数量级上。
所说的微柱阵列6可用刻蚀的方法形成，其横截面可以是圆形行的、三角的、四方的、六边形或者其它任意多边形，如图4，图5，图6。
所说的微柱阵列6可以是周期性排列的，也可以是非周期排列的二维结构，如图6。
所说的微柱阵列结构可以应用于各种不同类型的发光二极管的光的高效率导出，例如，可以应用于蓝宝石衬底上镀有一维光子晶体多层膜或金属膜作为全反射层结构的发光二极管、有机发光二极管等当中。
本发明的优点是：
1.可以充分提高发光二极管的出光效率。由于该设计充分利用了光在微介质柱阵列中的衍射效应使发射光获得高效导出，使LED出射光源得到充分利用，可在一定程度上提高发光二极管的出光效率。与传统的采用表面粗糙化处理的发光二极管相比，该结构可获得高得多的光效率；
2.制作简单，在一定程度上降低了工艺难度。由于该设计对微导光柱的分布在周期性上无严格要求，只分布均匀即可。微柱的直径以及柱与柱之间的距离一般小于发射光波长，或者与发射光波长在同一个数量级上，且对导光柱的排列并不一定要求是周期性的，这相对于在LED表面制备二维光子晶体微结构来说，尤其在蓝光发光二极管的应用上，在一定程度上降低了工艺难度。
3.发光均匀，出光面积利用率高。由于整个上表面由分布均匀的微型导光柱构成，一方面提高了表面发光面积利用率，另一方面也保证了发光面均匀分布，使得LED的出射光更加均匀。与一般的二维光子晶体结构发光二极管相比，发光有效面积及平面出光均匀度可得到更大改善。
4.本发明不仅适用于GaN基蓝光发光二极管，还适用于其他波段、材料系的半导体发光二极管以及有机发光二极管的制作。
(四)附图说明
图1为本发明的含有微柱阵列发光二极管截面示意图，微柱阵列侧壁相连排列
图2为本发明的含有微柱阵列发光二极管平面示意图，微柱阵列侧壁相连排列
图3为本发明的含有微柱阵列发光二极管截面示意图，微柱阵列底部相连排列
图4为本发明的含有微柱阵列发光二极管平面示意图，微柱阵列底部相连排列
图5为本发明的微柱横截面为六边形的微柱阵列平面示意图
图6为本发明的非周期性排列的微柱阵列平面示意图
其中：1蓝宝石衬底，2缓冲层，3 N型GaN层，4有源层，5 P型GaN微柱阵列，6 P型电极，7 N型电极
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
1.参照图1，在蓝宝石衬底上先沉积GaN缓冲层，然后在上面生长LED外延片。
2.用掩膜法，采用光刻和干刻技术在P型GaN层上刻蚀出微柱阵列。
3.在N型GaN上制备电极，并在电极上制作N型焊盘；在P型GaN台面上制备电极，并在电极上制作P型焊盘。所铺设的电极可以为透明电极，该电极铺设在整个GaN层上；也可以采用普通的简单结构的金属电极。还可以采用具有复杂花样形状的普通金属材料电极。

Claims (7)

1.一种利用衍射效应的表面微柱阵列结构高效率发光二极管。其结构特征在于：在P型GaN层表面刻蚀有二维微柱阵列。
2.按权利要求1所述结构的发光二极管，其特征在于：含有二维微柱阵列。其中的每根微柱横截面可以为圆形，也可以为三角形、方型、六边型或其它多边形结构以及组合。
3.按权利要求1所述结构的发光二极管，其特征在于：所述的二维微柱阵列可以是周期性排列的，也可以是非周期性排列的。
4.按权利要求1所述结构的发光二极管，其特征在于：在微柱阵列中，微柱的直径以及柱与柱之间的距离小于发射光波长，或者与发射光波长在同一个数量级上。
5.按权利要求1所述结构的发光二极管，其特征在于：在微柱阵列中，微柱可以侧壁相连排列，如图2所示；在微柱阵列中微导光柱可以底部相连排列，如图4所示。
6.按权利要求1所述结构的发光二极管，其特征在于：其微柱结构可以应用于各种不同类型的发光二极管的光的高效率导出，例如，可以应用于蓝宝石衬底上镀有一维光子晶体多层膜或金属膜作为全反射层结构的发光二极管、有机发光二极管等当中。
7.按权利要求1所述结构的发光二极管，其特征在于：其中铺设的电极可以为透明电极，该电极铺设在整个GaN层上。也可以采用普通的简单结构的金属电极。还可以采用具有复杂花样形状的普通金属材料电极。
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