CN101304058A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管，其包括一基底、反射层、有源层、透明电极、第一光子晶体结构以及第二光子晶体结构。所述反射层形成在基底上，所述有源层形成在反射层上，且所述透明电极形成在有源层上。所述透明电极包括一上表面及一下表面，该透明电极的下表面与有源层相结合。所述第一光子晶体结构设置于透明电极的上表面，且所述第二光子晶体结构形成于有源层中。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及具有较高光提取效率的发光二极管。
背景技术
由氮化镓基(GaN)半导体材料制成的高效蓝光、绿光和白光发光二极管(LED)具有寿命长、节能、绿色环保等显著特点，已被广泛应用于大屏幕彩色显示、汽车照明、交通信号、多媒体显示和光通讯等领域，特别是在照明领域具有广阔的发展潜力。
传统的LED通常包括N型半导体层、P型半导体层、设置在N型半导体层与P型半导体层之间的活性层、设置在P型半导体层上的正极(通常为透明电极)以及设置在N型半导体层上的负极。LED处于工作状态时，在P型半导体层与N型半导体层上分别施加正、负电压，这样，存在于P型半导体层中的空穴与存在于N型半导体层中的电子相互靠近而进入到活性层中；并在活性层中发生复合而产生光波，该光波透过透明电极从LED中发射出。
然而，现有的LED提取效率(提取效率通常指活性层中所产生的光波从LED内部释放出效率)较低，这主要是由于全反射现象与材料对光波的吸收引起的。全反射现象的产生是由于半导体的折射率大于空气的折射率。来自活性层的光波在半导体与空气的界面处发生全反射，从而大部分光波被限制在LED的内部，直至被LED内的材料完全吸收。
有鉴于此，提供一种具有较高提取效率的LED是必要的。
发明内容
以下以实施例说明一种发光二极管。
一种发光二极管，其包括一基底、反射层、有源层、透明电极、第一光子晶体结构以及第二光子晶体结构。所述反射层形成在上述基底上，所述有源层形成在上述反射层上，且所述透明电极形成在上述有源层上。所述透明电极包括一上表面及一下表面，该透明电极的下表面与上述有源层相结合。所述第一光子晶体结构设置于上述透明电极的上表面，且所述第二光子晶体结构形成于上述有源层中。
一种发光二极管，其包括基底、反射层、第一半导体层、活性层、第二半导体层、透明电极、第一光子晶体结构以及第二光子晶体结构。所述反射层设置于上述基底上，所述第一半导体层设置于上述反射层上，所述第二半导体层设置于上述第一半导体层上，所述活性层设置于上述第一半导体层与第二半导体层之间，所述透明电极设置于上述第二半导体层上。所述活性层包括一底面与上述第一半导体层相结合，所述第二光子晶体结构形成于上述活性层的底面。所述透明电极包括一上表面及一下表面，该透明电极的下表面与上述第二半导体层相结合，所述第一光子晶体结构设置于上述透明电极的上表面。
与现有技术相比，上述发光二极管具有第一光子晶体结构与第二光子晶体结构，发光二极管工作过程产生光波，对于入射角较小的光波，第一光子晶体结构可将其衍射至发光二极管的外部空间；而入射角较大的光波会被反射回有源层中，第二光子晶体结构可将其衍射为入射角较小的光波而再经第一光子晶体结构衍射至发光二极管的外部空间。这样，第二光子晶体结构结合第一光子晶体结构对光波进行衍射，从而使光波较快出射至外部空间，这样可大大减少反射光在有源层中进行多次反射，因而避免有源层材料以及反射层材料等对光波的吸收，从而使得发光二极管具有较高的光提取效率。
附图说明
图1是本技术方案实施例发光二极管的剖面示意图。
图2是本技术方案施例发光二极管的立体示意图。
图3是利用时域有限差分法对上述实施例的发光二极管进行模拟计算所得到发光效率随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本技术方案的发光二极管作进一步的详细说明。
请参阅图1，本技术方案实施例提供一种发光二极管100，其包括基底110、反射层120以及形成在反射层120上的发光二极管基体10。所述发光二极管基体10包括有源层11以及形成在有源层11上的透明电极160。所述有源层11包括第一半导体层130、活性层140以及第二半导体层150，且该第一半导体层130、活性层140以及第二半导体层150依次形成在反射层120上。
所述透明电极160具有一上表面161及一下表面162，该下表面162与上述第二半导体层150相结合，该上表面161上形成有一第一光子晶体结构170。
所述有源层11中形成有一第二光子晶体结构180，可选地，该第二光子晶体结构180可形成在活性层140与第一半导体层130的界面处，具体可形成在活性层140的下表面(活性层140与第一半导体层130接触的表面)上，也可形成在第一半导体层130的上表面(第一半导体层130与活性层140接触的表面)上。另外，第二光子晶体结构180也可形成在第一半导体层130的底面(第一半导体层130靠近反射层120的表面)。本实施例中，第二光子晶体结构180形成在第一半导体层130的底面上，也就是有源层11的底面上。
优选地，所述第一半导体层130与反射层120之间可设置一粘结层190，用于将底面具有第二光子晶体结构180的有源层11与反射层120结合起来。
如图2所示，光子晶体的结构特征通常可通过以下三个参数来表征，即，晶格常数(a)、孔径(d)、孔深(h)。所述a是指光子晶体结构中相邻孔的中心距。第一光子晶体结构170与第二光子晶体结构180的a、d、h取值范围相同，即，a大约为0.5～2.0微米，d大约为0.5a～0.9a，h大于零且小于或等于0.5微米。当第一光子晶体结构170与第二光子晶体结构180的a、d、h均相同时，第一光子晶体结构170与第二光子晶体结构180的结构相同。当然，第一光子晶体结构170与第二光子晶体结构180的结构也可以不同，即其两者的a、d、h的取值不同。
基底110的材料为蓝宝石，还可为砷化镓、磷化铟、硅、碳化硅、氮化硅等材料。反射层120由金属材料形成，例如金属银或铝。第一半导体层130为N型半导体层，其材料为N型氮化镓(GaN)，也可以为N型砷化镓或N型磷化铜。活性层140的材料为氮化铟镓(InGaN)。第二半导体层150为P型半导体层，其材料为P型GaN，还可为P型砷化镓或P型磷化铜。透明电极层160的材料为氧化铟锡(ITO)。粘结层190可以为环氧树脂胶粘剂、紫外固化胶等。
下面对上述发光二极管100的制作方法进行详细描述。
第一步，提供一形成于基底110上的发光二极管基体10。所述发光二极管基体10包括第一半导体层130、活性层140、第二半导体层150以及透明电极160。且活性层140设置于第一半导体层130与第二半导体层150之间，透明电极160形成在第二半导体层150上。
发光二极管基体10是现有技术中最简易的发光二极管结构，其通常通过一系列的物理或化学沉积法形成于基底110上。本实施例中基底110为蓝宝石材质，第一半导体层130为N型氮化镓材质，第二半导体层150为P型氮化镓材质，活性层140为氮化铟镓材质，透明电极160为氧化铟锡材质。
第二步，将基底110与发光二极管基体10进行分离。利用现有的技术手段如激光剥离等方法将基底110和发光二极管基体10沿基底110和第一半导体层130的界面分开。这样便得到单独的基底110，以及由第一半导体层130、活性层140、第二半导体层150以及透明电极160所组成的发光二极管基体10。
第三步，在第一半导体层130上制作第二光子晶体结构180。
首先，在具体制作前依次用丙酮、异丙醇、去离子水并结合超声波对发光二极管基体10的第一半导体层130进行清洗，然后用氮气吹干。
其次，利用电浆辅助化学气相沉积法在第一半导体层130上形成一层抗蚀刻能力较强的薄膜，如二氧化硅薄膜。由于后续待形成的电子阻剂抗蚀刻能力不佳，因而此步骤所形成的二氧化硅薄膜可以在电浆刻蚀过程中保护第一半导体层130不被破坏。
再次，在二氧化硅薄膜上形成电子阻剂层，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在形成PMMA层之前，需要对完成第二步后所得到结构，特别是二氧化硅薄膜层的表面进行清洗，并用氮气吹干。由于二氧化硅层表面存在水分会影响PMMA与二氧化硅层的结合效果，因此，为确保二氧化硅层表面无水可对其进行低温加热。然后，利用旋转涂覆法在二氧化硅层上形成PMMA层。最后，利用电子束微影技术将第二光子晶体结构180的预设图案形成在PMMA层上。
再次，以活性离子反应法以干刻蚀的方式将PMMA的图案转移到二氧化硅层中。刻蚀深度为二氧化硅层的厚度，以使图案露出第一半导体层130的表面。随后，依次用丙酮、异丙醇、去离子水并结合超声波清洗一段时间，如约5分钟，然后利用紫外光臭氧清洗机清洗除去PMMA层。
最后，以活性离子反应法刻蚀第一半导体层130将二氧化硅层中的图案转移到第一半导体层130中。活性离子反应中，可以使用三氯化硼(BCl3)气体，待第一半导体层130被蚀刻形成图案后，然后利用氢氟酸与去离子水除去二氧化硅层，从而在第一半导体层130上得到所需的第二光子晶体结构180。
第四步，同上述在第一半导体层130上制作第二光子晶体结构180类似的方法，在透明电极160上制作第一光子晶体结构170。
第五步，在基底110的表面利用物理或化学气相沉积法形成金属反射层120。
第六步，将上述具有金属反射层120的基底110和具有第一光子晶体结构170和第二光子晶体结构180的发光二极管基体10组装起来，使得第一半导体层130与金属反射层120通过粘胶层190结合在一起，从而得到本技术方案所述的发光二极管100。具体组装方法可采用胶粘型材料将两者胶合起来，或采用现有的、可行的方法。
上述制备的发光二极管100工作时，可在基底110上设置一负电极，并分别在透明电极160(通常为正极)与基底110的负电极上施加正电压与负电压，这样在电场作用下，第二半导体层150中的空穴载流子会向第一半导体层130移动，同时第一半导体层130中的电子载流体会向第二半导体层150移动，这样，空穴载流子与电子载流子在活性层140中将会发生复合并释放出能量，而该释放出的能量将会以光能的形式释放出来，即，产生光波。所产生的光波会经透明电极160从发光二极管100内部发射出来。
活性层140中产生的光波会以不同角度入射至透明电极160中，对于形成在透明电极160上的第一光子晶体结构170来说，其会对入射角较小的光波产生较好的衍射作用，即，入射角较小的光波经第一光子晶体结构170衍射后可进入外部自由空间中。而入射角较大的光波会在透明电极160与第二半导体层150的界面发生反射，重新回到有源层11中。当回到有源层11中的反射光入射至第二光子晶体结构180时，第二光子晶体结构180会将反射光衍射为入射角较小的光波至反射层120，此入射角较小的光波经反射层120反射后重新到达第二光子晶体结构180，然后再由第二光子晶体结构180衍射到透明电极160。此过程可将入射角较大的光波变为符合第一光子晶体结构170衍射条件的入射角较小的光波而到达透明电极160中，然后经第一光子晶体结构170的再次衍射而进入发光二极管100的外部空间中。本实施例中，设置在有源层11中的第二光子晶体结构180结合设置在透明电极160上的第一光子晶体结构170对光波的衍射作用，可大大减少反射光在有源层11中进行多次反射，因而避免有源层11材料以及反射层120材料等对光波的吸收，从而使得本实施例的发光二极管100具有较高的光提取效率。
下面通过实验对上述实施例的发光二极管100的发光效果进行验证。以波长450纳米的氮化镓材料作为发光二极管100的有源层11材料，建立发光二极管100模型：反射层120、粘胶层190、有源层11、透明电极160的平均厚度依次为0.1微米、0.1微米、2.5微米、0.3微米；透明电极160与粘胶层190的折射率分别为2.0与1.5左右；有源层11与反射层120的复折射率分别为2.5+i0.02与0.1+i5.6；第一光子晶体结构170与第二光子晶体结构180具有相同的a与d，具体地，a等于0.8微米，d等于0.8a；第一光子晶体结构170的孔深计为h1，且h1等于0.2微米；第二光子晶体结构180的孔深计为h2，且h2从零微米变化至0.5微米。
根据上述发光二极管100的参数，利用时域有限差分法对发光二极管100的发光效率进行模拟计算，各种参数结构的归一化发光效率随时间的变化如图3所示，图3中的横坐标表示模拟时间；纵坐标表示随第二光子晶体结构180孔深的变化，发光二极管100的发光效率和未设置第一光子晶体结构170与第二光子晶体结构的发光二极管发光效率的比值。如图3所示，曲线A表示当发光二极管100未设置第一光子晶体结构170与第二光子晶体结构时，此时的发光二极管称作M-LED，其发光效率归一化为1，作为参考曲线；当h2取零微米时，也就是说，发光二极管100只设置第一光子晶体结构170，此时的发光二极管通常称作SPC-LED，从图3可看出SPC-LED的发光效率约为M-LED的两倍多；当h2等于0.3微米时，发光二极管100的发光效率为M-LED发光效率的3.2倍。因此，试验结果表明，本实施例的发光二极管100相对于无光子晶体结构的发光二极管来说具有较高的光提取效率，较具有一个光子晶体结构的发光二极管来说，可进一步提高光提取效率。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种发光二极管，其包括：
一基底；
一反射层设置于上述基底上；
一第一半导体层设置于上述反射层上；
一第二半导体层设置于上述第一半导体层上；
一活性层设置于上述第一半导体层与第二半导体层之间，该活性层包括一底面与上述第一半导体层相结合；以及
一透明电极设置于上述第二半导体层上，该透明电极包括一上表面及一下表面，该透明电极的下表面与上述第二半导体层相结合；
其特征在于：所述发光二极管进一步包括第一光子晶体结构与第二光子晶体结构，该第一光子晶体结构设置于上述透明电极的上表面，该第二光子晶体结构形成于上述活性层的底面。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一光子晶体结构的晶格常数为0.5～2.0微米，孔径为0.5～0.9倍的晶格常数，孔深小于或等于0.5微米。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述第二光子晶体结构的晶格常数为0.5～2.0微米，孔径为0.5～0.9倍的晶格常数，孔深小于或等于0.5微米。
4.如权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述第一光子晶体结构的晶格常数、孔径以及孔深等于第二光子晶体结构的晶格常数、孔径以及孔深。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管进一步包括一粘结层，该粘结层形成于所述第一半导体层与所述反射层之间。
6.一种发光二极管，其包括：
一基底；
一反射层形成在上述基底上；
一有源层形成在上述反射层上；以及
一透明电极形成在上述有源层上，该透明电极包括一上表面及一下表面，该透明电极的下表面与上述有源层相结合；
其特征在于：所述发光二极管进一步包括第一光子晶体结构与第二光子晶体结构，该第一光子晶体结构设置于上述透明电极的上表面，该第二光子晶体结构形成于上述有源层中。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述有源层包括一第一半导体层、一第二半导体层以及形成在第一半导体层与第二半导体层之间的活性层，所述活性层具有一下底面与所述第一半导体层相接触，所述第一半导体层具有一上底面与所述活性层的下底面相结合。
8.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述第二光子晶体结构形成于活性层的下底面。
9.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述第二光子晶体结构形成于第一半导体层的上底面。
10.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层具有一下底面，用于与反射层相结合，所述第二光子晶体结构形成于第一半导体层的下底面。
11.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管进一步包括一粘结层，该粘结层形成于第一半导体层与反射层之间。
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