CN101257077A - 具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，包括衬底及沉积于衬底上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层自下而上包括N型层、发光层及P型层，P型层的上表面设置有P型电极，部分半导体外延叠层被刻蚀并露出部分N型层，露出的部分N型层上设置有N型电极，该半导体发光二极管器件内设有提高出光面出光效率的高反射层，且该高反射层包括由高折射率材料与低折射率材料周期性排列而成的光子晶体层及位于光子晶体层背面的低折射率材料层。本发明能有效地提高器件的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管器件，更具体地涉及一种具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件。
背景技术
在半导体发光器件系统中，有时会根据需要，制作一些尺寸很小的结构或界面，用于改善光子传播的行径，使器件的出光性能得到改善和改变。这些特殊的光学结构一个特点就是其尺寸处于可见光量级，也就是在亚微米甚至纳米量级，因此也称作纳微光子物理器件。目前，反应离子刻蚀和电子束刻蚀等加工工艺，可制作尺寸小于100纳米的微细结构，被广泛用于纳微结构的制作。近几十年来，特别是光子晶体提出之后，纳微结构的理论设计和模拟发展很快，提出了很多新型的器件，发现了许多新的光学性质。纳微光学波导，光子晶体光纤，光子晶体发光二极管和激光器，纳微天线等都是近年来研究的热点。将纳微结构引入到半导体发光器件中，可有效的改善其发光特性。通常来讲，发光二极管芯片结构是通过在外延片衬底上自下到上分别沉积生长N型层，单量子井/多量子井，P型层半导体材料获得，另外还可以有选择的包含缓冲层和加厚电极层等。在发光二极管芯片内部结构中制作纳微结构，比如高反射层，全反射层，高透层，全透层，频率选择层，偏振选择层等，将有助于操控发光二极管内部光线的传播，从而获得满足出光设计要求的发光二极管芯片。例如，在发光二极管表面进行粗化或制作二维光子晶体，可以破坏光线从光密介质到光疏介质的全反射角，从而提高出光面的出光功率；利用亚波长光栅(subwavelength grating)作为半导体激光器的共振腔窗口，可以有效减小激光器的厚度[3]；从公开的专利来看，在发光二极管和激光器中普遍使用DBR的结构，可作为宽谱的反射镜，反射率可达到99％。在激光器中制作二维的光子晶体，同样可以作为反射镜面；在激光器中制作一维或二维的光子晶体选择层，可以对器件进行滤波。
高反射层是纳微半导体发光器件中的一个重要的部分。在早期，为了使底部的光能反射回芯片的正面，多在衬底底面蒸镀一层铝或铜的高反金属膜，这种做法可以得到较高的反射率，但增加了额外的工艺，且光线在较厚的衬底中传播，部分光将被衬底吸收。激光器或发光二极管中的DBR结构，它是利用了一维光子晶体的带隙作用，因此具有很好的反射效果，但由于其所需要的层数较多，外延层比较厚，增加了生长的成本，增大了芯片的工作电压，而且不适合用于异质衬底外延生长过程。利用二维光子晶体的带隙，也可以制作高反射的结构，但它同样存在结构较厚等问题。而利用一维或二维光子的晶体对波导内模式的共振现象，可以制作很薄的反射层或模式过滤层，但这种薄层往往只对于某种模式存在共振，也就意味着它仅对于某个很窄的频率内很小的角度范围存在高反射或高透过，使得它的目前的应用仅局限在激光器上面。在发光二极管中，发光层的发光是沿着各个方向的，这就要求反射层应该做到全角度高反射，各角度的平均反射率应该做到80％以上。在芯片结构内部，制作具有全角度高反射的薄层结构是半导体发光器件研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能有效提高器件出光效率的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，包括衬底及沉积于衬底上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层自下而上包括N型层、发光层及P型层，P型层的上表面设置有P型电极，部分半导体外延叠层被刻蚀并露出部分N型层，露出的部分N型层上设置有N型电极，该半导体发光二极管器件内设有提高出光面出光效率的高反射层，且该高反射层包括由高折射率材料与低折射率材料周期性排列而成的光子晶体层及位于光子晶体层上的低折射率材料层。
出光面进行粗化或制作有周期性排列的光子晶体结构。
该高反射层位于衬底与半导体外延叠层之间，且P型层的上表面为出光面。该高反射层也可位于P型层之上，且衬底的下表面为出光面。除此之外，还有另一种情况，即P型层之上及衬底与半导体外延叠层之间均设有高反射层，且半导体外延叠层的侧面为出光面。
光子晶体层的结构为一维光栅或二维光子晶体，且其周期在亚微米量级，为50～900nm。二维光子晶体层由高折射率的材料作为背景材料，低折射率材料作为散射体材料，或由低折射率材料作为背景材料，高折射率材料作为散射体材料。光子晶体层晶格的形态为三角晶格、正方晶格、长方晶格、六角晶格或超晶格。
半导体外延叠层与衬底之间还设置有一缓冲层，P型层与P型电极之间还设有一层加厚电极。
衬底为硅、蓝宝石、碳化硅或氮化镓基材料，半导体外延叠层为铝镓铟氮材料；或者，衬底为磷化镓基材料，半导体外延叠层为铟镓铝磷或砷化镓材料。
与现有技术相比较，本发明通过于发光二极管器件内设置提高出光面出光效率的高反射层，使器件出光面的出光效率大大提供；且根据高反射层位置的变化来改变器件的出光方向，并于对出光面进行粗化处理或于出光面制作周期的光子晶体结构来增加出光面的出光效率。
另外，本发明高反射层的结构主要包括两层亚微米量级的薄层结构，结构简单且可有效地提高反射率，可用于制作各种出光要求的发光二极管器件。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是一维光栅的光子晶体层的正面示意图；
图3是二维光子晶体的光子晶体层的正面示意图；
图4是高反射层的侧面示意图；
图5是本发明实施例2的结构示意图；
图6是本发明实施例3的结构示意图；
图7是本发明实施例4的结构示意图；
图8是本发明实施例5的结构示意图；
图9是本发明实施例6的结构示意图；
图10a及10b是理论计算所涉及的体系1的结构示意图；
图11a及11b是理论计算所涉及的体系2的结构示意图；
图12是一维光子晶体高反射层提高体系1结构的反射率的曲线示意图；
图13是二维光子晶体高反射层提高体系1结构的反射率的曲线示意图；
图14是一维光子晶体高反射层提高体系2结构的反射率的曲线示意图；
图15是二维光子晶体高反射层提高体系2结构的反射率的曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本发明提供的具有光子晶体高反射层的发光二极管器件主要是利用了一维或二维的光子晶体结构对内部局域光场模式的共振。其原理为：通过调节光子晶体层结构的参数，可以调节光场模式的共振行为，使某些有用的模式得到增强，并通过耦合，从某个设定的方向出去，最终得到全角度高反射的效果。
如图1至图4所示，一种具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，包括衬底1及沉积于衬底1上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层自下而上包括N型层3、发光层4及P型层5，P型层5的上表面设置有P型电极6，部分半导体外延叠层被刻蚀并露出部分N型层3，露出的部分N型层3上设置有N型电极7，该半导体发光二极管器件内设有提高出光面出光效率的高反射层2，且该高反射层2包括由高折射率材料12与低折射率材料13周期性排列而成的光子晶体层14及位于光子晶体层14背面的低折射率材料层15。
本实施例中，该高反射层2位于衬底1与半导体外延叠层之间，且P型层5的上表面为出光面。此发光二极管结构可以减少从衬底出去的光，使发光层的光尽可能从发光二极管的正面出去，提高了发光二极管正面的出光效率。
光子晶体层14的结构为如图2所示的一维光栅，也可为如图3所示的二维光子晶体。
当光子晶体层14是一维光子晶体结构时，则可获得最佳反射效果的光栅周期在亚微米量级，具体为50～900nm之间，当然，其具体数值与光波长，材料的折射率有关，而为了获得最佳反射效果，高、低折射率材料12、13的比例与光波长，材料的折射率有关。高、低折射率材料12、13的折射率差应尽量大，以期获得足够大的反射率。
能获得最佳反射效果的低折射率材料层14的最佳厚度在亚微米量级，具体为50～900nm之间，当然，其具体数值与光波长、材料的折射率有关，该低折射率材料层15的折射率应该尽量小，以期获得较理想的反射效果。
当光子晶体层14是二维光子晶体结构时，则在一个晶格原胞内，其中一种折射率材料的形状，也即散射体的形状可以是圆形，三角形，正方形，长方形和其它规则的形状，散射体的形状也可以是无规则的形状。光子晶体层晶格的形态为三角晶格、正方晶格、长方晶格、六角晶格或超晶格。
二维光子晶体层由高折射率的材料作为背景材料，低折射率材料作为散射体材料，也可以由低折射率材料作为背景材料，高折射率材料作为散射体材料。
当光子晶体层是二维光子晶体结构时，则可获得最佳反射效果的晶格常数在亚微米量级，具体为50～900nm之间，当然，具体数值与光波长，材料的折射率有关。为了获得最佳反射效果，高、低折射率材料12、13的比例与光波长，材料的折射率有关。高、低折射率材料12、13的折射率差应尽量大，以期获得足够大的反射率。
半导体外延叠层与高反射层2之间还设置有一缓冲层，而P型层5与P型电极6之间还设有一层加厚电极。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1相似，其区别在于：高反射层位置不同，该高反射层8位于P型层5之上，且衬底1的下表面为出光面。此种发光二极管器件结构，可以减少从芯片正面出去的光，使发光层的发光尽可能从发光二极管器件的衬底下表面发射出去，提高了发光二极管器件背面的出光效率。
实施例3
如图6所示，本实施例与实施例1相似，其区别在于：在P型层5之上增加了一层高反射层8。此种发光二极管器件结构，可以减少从发光二极管器件正面和背面出去的光，使发光层的发光尽可能从发光二极管器件的侧面发射出去，提高了发光二极管器件侧面的出光效率。
实施例4
如图7所示，本实施例与实施例1相似，其区别在于：在发光二极管器件的正面出光面进行粗化或制作周期的光子晶体结构，形成经粗化或刻蚀了光子晶体图案的正面出光面，此发光二极管器件结构可在实施例1的基础上，进一步提高了器件的正面出光效率。
实施例5
如图8所示，本实施例与实施例2相似，其区别在于：在发光二极管器件的衬底1背面进行粗化或制作周期的光子晶体结构，形成经粗化或刻蚀了光子晶体图案的背面出光面，此发光二极管器件结构在实施例2的基础上，进一步提高了器件的背面出光效率。
实施例6
如图9所示，本实施例与实施例3相似，其区别在于：在发光二极管器件的侧面进行粗化或制作周期的光子晶体结构，形成经粗化或刻蚀了光子晶体图案的侧面出光面， 此发光二极管器件结构在实施例3的基础上，进一步提高了器件的侧面出光效率。
为了体现本发明提供的高反射层对发光二极管器件内部光线反射效果的增强，考虑以下两个体系：如图10a所示，体系1，光线从折射率相对较低的外延层，假定其折射率为2.5，进入折射率相对较高的介质，假定其折射率为4.7，即光疏介质16到光密介质17，比如光线从GaN外延层进入硅衬底层；如图11a所示，体系2，光线从折射率相对较高的外延层，假定其折射率为2.5，进入折射率相对较低的介质，假定其折射率为1.0，即光密介质17到光疏介质16，比如光线从GaN外延层进入到空气。
在体系1中加入一维的或二维的光子晶体高反射层，如图10b，其中，光子晶体层内的高反射材料折射率为4.7，低折射率材料折射率为1.47，低折射率材料层的折射率为1.47。一维的情况下，反射率随入射角度θ的分布如图12所示，二维的情况下，反射率随入射角度θ的分布如图13所示。这里采用的一维和二维的光子晶体的结构参数已经过优化。结果显示，无论是对TM波还是TE波，其反射效果由原来的平均反射率约为10％~20％，提高到80％~95％。通过计算，我们看到，具有光子晶体高反射层的结构，光从光疏介质16进入光密介质17，其反射效果有明显的改善。
在体系2中加入一维的或二维的光子晶体高反射层，如图11b，其中，光子晶体层内的高反射材料折射率为4.7，低折射率材料折射率为1.0，低折射率材料层的折射率为1.0。一维的情况下，反射率随入射角度θ的分布如图14所示，二维的情况下，反射率随入射角度θ的分布如图15所示。这里采用的一维和二维的光子晶体的结构参数已经过优化。由于光密介质进入到光疏介质，存在着全反射角，平面结构的反射率本身就很高，所以光子晶体高反射层使其反射效果略有提高，结果显示，对于TE波，其反射率由原来的约为70％，提高到80％左右，对于TM波，其反射率由原来的约60％，提高到75％。通过计算，我们看到，具有光子晶体高反射层的结构，光从光密介质进入光疏介质，其反射效果也有了改善。
以上原理计算证明，利用光子晶体高反射层对波导内光场模式的共振现象，这种高反射层在不同的体系下面可以都可以使器件的反射效果得到提高。当然，具体应用到器件当中，会由于外延、衬底和外部介质的折射率不同，而产生不同的反射效果，具体的数值要通过计算或实验得到。
综上所述，本发明所涉及的高反射层2(背面反射)和8(正面反射)，为光子晶体层14和低折射材料层15构成的双层结构，利用光子晶体层14对发光二极管层结构中的散射模式的共振调制，可对某一波长的光线，在较宽的入射角范围内得到较高的反射率。通过对周期，高、低折射率材料12、13所占比例，层厚度等结构参数的优化，可以得到各个入射角度下平均反射率大于80％，甚至90％以上的反射率。利用这种厚度较薄，同时在全角度下具有良好反射效果的层结构，可以对发光二极管芯片内部光线进行限制和调节，制作出提高正面出光的发光二极管结构，或制作提高反面出光的发光二极管结构，或提高侧面出光的发光二极管结构等。
上述高反射层2可应用于以下发光二极管：由硅、蓝宝石、碳化硅或氮化镓基为衬底材料，半导体外延叠层为铝镓铟氮材料；或者，衬底为磷化镓基衬底材料，半导体外延叠层为铟镓铝磷或砷化镓材料；或者，硅作为衬底和外延材料。
同时，本发明还可以应用到有极发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管(PLED)等面发光器件。
Claims (10)
1、一种具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，包括衬底(1)及沉积于衬底(1)上的半导体外延叠层，该半导体外延叠层自下而上包括N型层(3)、发光层(4)及P型层(5)，P型层(5)的上表面设置有P型电极(6)，部分半导体外延叠层被刻蚀并露出部分N型层(3)，露出的部分N型层(3)上设置有N型电极(7)，其特征在于：该半导体发光二极管器件内设有提高出光面出光效率的高反射层(2)，且该高反射层(2)包括由高折射率材料(12)与低折射率材料(13)周期性排列而成的光子晶体层(14)及位于光子晶体层(14)背面的低折射率材料层(15)。
2、根据权利要求1所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：出光面进行粗化或制作有周期性排列的光子晶体结构。
3、根据权利要求1所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：该高反射层(2)位于衬底(1)与半导体外延叠层之间，且P型层(5)的上表面为出光面。
4、根据权利要求1所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：该高反射层(2)位于P型层(5)之上，且衬底(1)的下表面为出光面。
5、根据权利要求1所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：P型层(5)之上及衬底(1)与半导体外延叠层之间均设有高反射层(2)，且半导体外延叠层的侧面为出光面。
6、根据权利要求1至5任一项所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：光子晶体层(14)的结构为一维光栅或二维光子晶体，且其周期在亚微米量级，为50～900nm。
7、根据权利要求6所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：二维光子晶体层由高折射率的材料作为背景材料，低折射率材料作为散射体材料，或由低折射率材料作为背景材料，高折射率材料作为散射体材料。
8、根据权利要求7所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：光子晶体层晶格的形态为三角晶格、正方晶格、长方晶格、六角晶格或超晶格。
9、根据权利要求1所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：半导体外延叠层与衬底(1)之间还设置有一缓冲层，P型层(5)与P型电极(6)之间还设有一层加厚电极。
10、根据权利要求1所述的具有光子晶体高反射层的半导体发光二极管器件，其特征在于：衬底(1)为硅、蓝宝石、碳化硅或氮化镓基材料，半导体外延叠层为铝镓铟氮材料；或者，衬底(1)为磷化镓基材料，半导体外延叠层为铟镓铝磷或砷化镓材料。
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