CN101478025A - 大功率半导体微腔发光二极管 - Google Patents

Abstract

大功率半导体微腔发光二极管，涉及一种发光管。提供一种可提高发光功率的大功率半导体微腔发光二极管。从下至上设有底部分布布拉格反射镜和腔区。分布布拉格反射镜是由两种折射率不同的材料以层厚为四分之一中心波长交替生长形成的。在腔区上可设有顶部分布布拉格反射镜，或顶部金属反射镜。提出一种用较少周期数(两种折射率不同的半导体材料层厚各为四分之一中心波长叠加后厚度为二分之一中心波长定为一个周期)的DBR得到较高反射率的方法，两种折射率不同的半导体材料由于晶格失配和热膨胀系数失配导致构成的DBR表面出现裂痕影响随后腔区晶体质量的可能性减少。

Description

大功率半导体微腔发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光管，尤其是涉及一种高效率的半导体微腔发光二极管(MCLED)。

背景技术

分布布拉格反射镜(DBR)是由两种折射率不同的半导体材料以层厚为四分之一中心波长交替生长形成。应用分布布拉格反射镜的垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于其不用通过解理就能获得反射率极高的的反射镜和高密度排列二维列阵等优点而引起广泛关注。DBR对于提高发光二极管的出光效率也同样有效。与没有应用微腔的传统发光二极管光相比，利用DBR形成微腔的发光二极管(MCLED)具有以下明显的优点：第一、采用微腔结构后，光致发光强度增强，自发辐射寿命减少(1、H.Yokoyama，K.Nishi，T.Anan，et al.Enhancedspontaneous emission from GaAs quantum wells in monolithic microcavities[J].Appl Phys Lett，1990，57(26)：2814-2816.)。第二、传统的发光二极管发出的光的传播方向在不同方向几乎是相同的，然而利用微腔，可以使出光方向比较集中，因而增加在出光方向的光功率(2、SchubertEF，Wany Y H，Cho A Y，et al.Resonant cavity light-emitting diode[J].Appl Phys Lett，1992，60(8)：921-923.)。如果只用一个反射镜放在发光二极管出光面的反面，也可以明显减少光损失(3、N.Nakada，M.Nakaji，H.Ishikawa，et al.Improved characteristics of InGaN multiple-quantum-well light-emitting diode by GaN/AlGaN distributed Bragg reflector grown on sapphire[J].ApplPhys Lett，2000，76(14)：1804-1806.)。

由于两种折射率不同的半导体材料通常会出现晶格常数和热膨胀系数不匹配的情况，当DBR生长的层数越多时，反射镜表面越容易出现裂痕和粗糙(4、Takehiko Tawara，Hideki Gotoh，Tetsuya Akasaka，et al.Low-threshold lasing of InGaN vertical-cavity surface-emitting lasers withdielectric distributed Bragg reflectors[J].Appl Phys Lett，2003，83(5)：830-832.)。严重影响随后生长的有源层晶体质量，影响器件性能。所以DBR的最佳情况是利用尽可能少的周期数(两种折射率不同的半导体材料层厚各为四分之一中心波长叠加后厚度为二分之一中心波长定为一个周期)来达到尽可能高的反射率。

发明内容

本发明旨在提供一种可提高发光功率的大功率半导体微腔发光二极管。

本发明从下至上设有底部分布布拉格反射镜(分布布拉格反射镜记为DBR)和腔区。

分布布拉格反射镜是由两种折射率不同的材料以层厚为四分之一中心波长交替生长形成的。

在腔区上可设有顶部分布布拉格反射镜，或顶部金属反射镜。所述顶部分布布拉格反射镜可为n型分布布拉格反射镜，所述底部分布布拉格反射镜可为p型分布布拉格反射镜。所述顶部金属反射镜可为顶部金反射镜，顶部银反射镜或顶部铝反射镜等。

n型分布布拉格反射镜、腔层、p型分布布拉格反射镜均为在衬底上通过金属有机物化学气相淀积法或分子束外延法生长而成。

当有源区的折射率n₀大于构成DBR的高折射率材料的折射率n_H时，DBR生长顺序为HL...HL+腔区。

当有源区的折射率n₀小于构成DBR的低折射率材料的折射率n_L时，DBR生长顺序为LH...LH+腔区。

本发明提出一种用较少周期数(两种折射率不同的半导体材料层厚各为四分之一中心波长叠加后厚度为二分之一中心波长定为一个周期)的DBR得到较高反射率的方法，两种折射率不同的半导体材料由于晶格失配和热膨胀系数失配导致构成的DBR表面出现裂痕影响随后腔区晶体质量的可能性减少。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4为生长顺序为LH...LH+腔区的分布布拉格反射镜(DBR)反射率与周期数(两种折射率不同的半导体材料层厚各为四分之一中心波长叠加后厚度为二分之一中心波长定为一个周期)的关系。在图4中，横坐标为周期数，纵坐标为反射率；……n_o＝0.4，——n_o＝1，--·n_o＝3，

n_o＝7；构成DBR的高折射率材料层的折射率n_H取2.52，低折射率材料层的折射率n_L取2.36，n₀是腔区的折射率。

图5为生长顺序为HL...HL+腔区的分布布拉格反射镜(DBR)反射率与周期数(两种折射率不同的半导体材料层厚各为四分之一中心波长叠加后厚度为二分之一中心波长定为一个周期)的关系。在图5中，横坐标为周期数，纵坐标为反射率；……n_o＝0.4，——n_o＝1，--·n_o＝3，

n_o＝7；构成DBR的高折射率材料层的折射率n_H取2.52，低折射率材料层的折射率n_L取2.36，n₀是腔区的折射率。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，从下至上设有底部DBR 1和腔区2。

实施例2

如图2所示，从下至上设有底部DBR 1、腔区2和顶部DBR3。

实施例3

如图3所示，从下至上设有底部DBR 1、腔区2和顶部金反射镜4。

顶部金反射镜4可采用顶部银反射镜或顶部铝反射镜等替换。

当腔区中有源层发光入射到DBR时，模拟显示腔层的折射率(模拟中腔层的折射率符号为n₀)影响DBR的反射率，DBR的生长顺序不同，反射率也不同。下面说明中高折射率半导体材料层简称H(模拟中高折射率半导体材料层的折射率n_H取2.52)；低折射率层半导体材料层简称L(模拟中低折射率半导体材料层的折射率n_L取2.36)。

1)如图4所示，当DBR各层生长顺序为LH...LH+腔层结构，且n₀大于n_H时，前几个周期的反射率会先下降，而且折射率差(n₀-n_H)越大，下降的周期数会越多；如果腔层的折射率n₀小于n_H，反射率呈现单调递增。这是因为生长顺序为LH...LH结构，且n₀小于n_H时，腔层材料和DBR各层正好构成折射率高低变化的膜系，每个界面反射回腔的光相位相同，相干相长；否则第一个界面的反射光相位与其它各界面反射光相位相反，会相消一部分光。

2)如图5所示，当DBR生长顺序为HL...HL+腔层结构，且n₀小于n_L时，前几个周期的反射率会先下降，而且折射率差(n_L-n₀)越大，下降的周期数会越多；在n₀大于n_L时，反射率呈现单调递增。

3)腔层的折射率介于DBR的半导体材料层的高低折射率之间时，取与腔层折射率差较大的半导体材料层靠近腔层，反射镜反射率较高。所以要获得高反射率DBR，应注意腔层折射率与DBR中最靠近腔层的材料的折射率之间的关系。

若腔层的折射率比DBR的低折射率层还小，DBR生长顺序应当设计为LH...LH+腔层。若腔层的折射率比n_H还大，则采用HL...HL+腔层。

腔层的折射率介于构成DBR的两种材料的折射率之间时，取与腔层折射率差较大的材料层靠近腔层。

Claims (9)

1.大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于从下至上设有底部分布布拉格反射镜和腔区。

2.如权利要求1所述的大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于分布布拉格反射镜是由两种折射率不同的材料以层厚为四分之一中心波长交替生长形成的。

3.如权利要求1所述的大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于在腔区上设有顶部分布布拉格反射镜，或顶部金属反射镜。

4.如权利要求1所述的大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于所述顶部分布布拉格反射镜为n型分布布拉格反射镜。

5.如权利要求1所述的大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于所述底部分布布拉格反射镜为p型分布布拉格反射镜。

6.如权利要求1所述的大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于所述顶部金属反射镜为顶部金反射镜，顶部银反射镜或顶部铝反射镜。

7.如权利要求1所述的大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于n型分布布拉格反射镜、腔层、p型分布布拉格反射镜均为在衬底上通过金属有机物化学气相淀积法或分子束外延法生长而成。

8.如权利要求1所述的大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于当有源区的折射率n₀大于构成DBR的高折射率材料的折射率n_H时，DBR生长顺序为HL...HL+腔区。

9.如权利要求1所述的大功率半导体微腔发光二极管，其特征在于当有源区的折射率n₀小于构成DBR的低折射率材料的折射率n_L时，DBR生长顺序为LH...LH+腔区。

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