CN101814562A - 一种具有二维光子晶体的发光二极管 - Google Patents

Abstract

一种具有二维光子晶体的发光二极管，它涉及具有光子晶体的发光二极管。本发明解决现有发光二极管出光效率低，及利用传统刻蚀、光刻或者压印技术对半导体有源层具有损伤，导致非辐射复合增加的问题。本发明发光二极管，包括衬底、缓冲层、N型掺杂半导体层、有源层、P型掺杂半导体层、电流扩散层、P型电极和N型电极，其中在N型掺杂半导体层与空气的界面上，以及P型掺杂半导体层与空气的界面上覆盖二维光子晶体层，二维光子晶体层为单层微球有序排列结构，微球粒径50nm～5μm。二维光子晶体层改善半导体层与外界的折射律差值，利用弱光子晶体效应，提高了出光率，较传统发光二极管提高了10%~20%。适宜于大面积和工业化生产。

Description

一种具有二维光子晶体的发光二极管

技术领域

本发明涉及一种具有光子晶体的发光二极管。

背景技术

发光二极管是一种绿色环保、节能、安全耐用、寿命长的半导体照明器件，逐渐取代白炽灯、电灯泡成为主流照明产品，并且在显示屏，背光源，汽车车灯，室内装潢和景观照明方面的应用日益增加。

发光二极管的内量子效率和外量子效率决定了发光二极管的出光效率和器件亮度。发光二极管的内效率的理论值可达100％，目前GaN发光二极管的内量子效率基本在90％左右，由于半导体外延技术的瓶颈，内量子效率很难在有所提升，并且本身提升的空间也是有限的。而传统发光二极管的外量子效率只有5％，因此提高外量子效率成为提高出光率和器件亮度的主要途径。由于GaN等半导体材料的折射率大（相对空气折射率，GaN的折射率约为2.5），本身是一种很好的波导，由于Snell定律，大于临界角的光线在半导体层和环境的界面发生全反射，而不能出射，在传输中被半导体层吸收消耗，转换为热能。为了改善半导体层与空气界面的折射率差，最早的方法是用环氧树脂封装芯片，但是提取效率不高，仍有90％以上的光波陷在半导体层。另一种办法是用透明的窗口层和衬底，使发光二极管五个面甚至六个面都发光；进而把衬底设计成倒金字塔形状，但是提高了加工难度，还需要收集光线的配套结构，增加了制造成本。

近年来，光子晶体在发光二极管中的应用使出光效率发生革命性的飞跃。这些通过刻蚀，压印法在LED出光面制备的二维光子晶体结构，对半导体活性层具有损伤，同时增加了非辐射复合，减少了电流的注入。另外光刻，粒子刻蚀，压印设备昂贵，工艺复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有发光二极管出光效率低，及利用传统刻蚀、光刻或者压印技术对半导体有源层具有损伤，导致非辐射复合增加的问题，本发明提供了一种具有二维光子晶体的发光二极管。

本发明具有二维光子晶体的发光二极管，包括衬底、缓冲层、N型掺杂半导体层、有源层、P型掺杂半导体层、电流扩散层、P型电极和N型电极，P型电极通过电流扩散层与P型掺杂半导体层相接，N型电极直接与N型掺杂半导体层相接，其中还在N型掺杂半导体层与空气的界面上，以及P型掺杂半导体层与空气的界面上覆盖有二维光子晶体层，二维光子晶体层为单层微球有序排列结构，微球的粒径为0.05μm～5μm。

本发明具有二维光子晶体的发光二极管依据现有技术在衬底上依次制备得到缓冲层、N型掺杂半导体层、有源层、P型掺杂半导体层、电流扩散层、P型电极和N型电极，二维光子晶体层的制备采用化学自组装的方法，例如提拉法、旋涂法或者喷雾法，制备各种不同结构的有序排列的微球。化学自组装微球的排列方式有六方排列、四方排列或者嵌入式排列，微球尺寸可调。

本发明中微球为二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或者聚甲基丙烯酸甲酯微球，或者是外层包裹有金属的二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或者聚甲基丙烯酸甲酯微球，其中金属为Ag、Pt、Au、Cu或者Al。

本发明在发光二极管的出光面上应用了由单层微球有序结构组成的二维光子晶体，改善了半导体层与外界的折射律差值，打破了原有的界面状态，消除了发光二极管半导体层的波导效应和Snell定律的临界出射角限制。该二维光子晶体层，利用弱光子晶体效应，调制出光面的光学模态，提高了发光二极管的出光率，其出光率较传统发光二极管提高了10%~20%。

本发明的二维光子晶体层通过化学自组装技术引入发光二极管的出光面表面位置，避免了传统刻蚀、光刻或者压印等技术对半导体发光层（有源层）的损伤，减少了非辐射复合，在几乎不增加成本的工艺条件下，提高了出光效率，增加光输出亮度。解决了光子晶体生产成本昂贵的制约，达到了光子晶体出光面光子晶体化的作用。适宜于大面积和工业化生产。

附图说明

图1是具体实施方式一的具有二维光子晶体的发光二极管的结构示意图；图2是具体实施方式四的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图3是具体实施方式七的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图4是具体实施方式十二的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图5是具体实施方式十四的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图6是具体实施方式十五的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图7是具体实施方式十六的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图8是具体实施方式二十九中发光二极管的俯视示意图；图9是具体实施方式三十三的二维光子晶体层9的扫描电子显微镜形貌图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式具有二维光子晶体的发光二极管，包括衬底1、缓冲层2、N型掺杂半导体层3、有源层4、P型掺杂半导体层5、电流扩散层6、P型电极7和N型电极8，P型电极7通过电流扩散层6与P型掺杂半导体层5相接，N型电极8直接与N型掺杂半导体层3相接，其中在N型掺杂半导体层3与空气的界面上，以及P型掺杂半导体层5与空气的界面上覆盖有二维光子晶体层9，二维光子晶体层9为单层微球有序排列结构，微球的粒径为0.05μm～5μm。

本实施方式的具有二维光子晶体的发光二极管的剖面示意图如图1所示。

本实施方式中二维光子晶体层9通过对出光面的光子晶体化效应，提高二极管的出光效率和外量子效率。工艺经济实用，解决了原有光子晶体制备方法的对半导体层的损伤和制备昂贵的弊端，有利于工业化批量化生产。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是二维光子晶体层9中的微球为二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或者聚甲基丙烯酸甲酯微球。其它参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是二维光子晶体层9中的微球为外层包裹有金属的二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或者聚甲基丙烯酸甲酯微球，其中金属为Ag、Pt、Au、Cu或者Al。其它参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是二维光子晶体层9为单层微球六方有序排列结构，微球粒径为0.5～5μm，微球粒径均一。其它参数与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式的二维光子晶体层9的排列结构示意图如图2所示。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是微球粒径为1～3μm。其它参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是微球粒径为2～2.5μm。其它参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是二维光子晶体层9为单层微球四方有序排列结构，微球粒径为0.5～5μm，微球粒径均一。其它参数与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式的二维光子晶体层9的排列结构示意图如图3所示。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是微球粒径为1～3μm。其它参数与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七不同的是微球粒径为2～2.5μm。其它参数与具体实施方式七相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是二维光子晶体层9为单层微球嵌入式有序排列结构，在粒径均一的0.8~5μm的有序排列的微球间的空隙中嵌入有序排列的粒径为50~500nm的微球。其它参数与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是粒径均一的0.8~5μm的有序排列的微球的排列方式为六方有序排列或者四方有序排列。其它参数与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是在粒径均一的0.8~5μm的六方有序排列的微球的空隙中嵌入1个粒径为50~500nm的微球。其它参数与具体实施方式十或十一相同。

本实施方式的二维光子晶体层9的排列结构示意图如图4所示。

本实施方式中六方有序排列的微球的粒径越大，空隙越大，嵌入的空隙中的微球的粒径可相应较大。本实施方式嵌入的微球的粒径可根据六方有序排列的微球的空隙的尺寸进行几何计算得到具体嵌入个数的有序排列的微球的最大尺寸，只要保证嵌入的微球的尺寸不大于此最大尺寸即可。

本实施方式中较佳的方案为在粒径均一的1μm的六方有序排列的微米级微球的空隙中嵌入1个粒径为100~200nm的微球。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是在粒径均一的0.8~5μm的四方有序排列的微球的空隙中嵌入1～5个粒径为50~500nm的微球。其它参数与具体实施方式十或十一相同。

 本实施方式嵌入的微球的粒径可根据四方有序排列的微球的空隙的尺寸进行几何计算得到具体嵌入个数的有序排列的微球的最大尺寸，只要保证嵌入的微球的尺寸不大于此最大尺寸即可。

 具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十三不同的是在粒径为3~5μm的四方有序排列的微米级微球的空隙中嵌入5个粒径为300~500nm的微球。其它参数与具体实施方式十三相同。

本实施方式的二维光子晶体层9的排列结构示意图如图5所示。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十三不同的还是粒径为1.5~3μm的四方有序排列的微米级微球的空隙中嵌入4个粒径为200~300nm的微球。其它参数与具体实施方式十三相同。

本实施方式的二维光子晶体层9的排列结构示意图如图6所示。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十三不同的还是粒径为0.8~1μm的四方有序排列的微米级微球的空隙中嵌入1个粒径为50~200nm的微球。其它参数与具体实施方式十三相同。

本实施方式的二维光子晶体层9的排列结构示意图如图7所示。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是二维光子晶体层9通过化学自组装的方法得到。其它参数与具体实施方式一至十六之一相同。

本实施方式二维光子晶体层通过化学自组装技术引入发光二极管的出光面表面位置，避免了传统刻蚀、光刻或者压印等技术对半导体发光层的损伤，减少了非辐射复合，在几乎不增加成本的工艺条件下，提高了出光效率，增加光输出亮度。解决了光子晶体生产成本昂贵的制约，达到了光子晶体出光面光子晶体化的作用。适宜于大面积和工业化生产。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十七不同的是化学自组装的方法为提拉法、旋涂法或者喷雾法。其它参数与具体实施方式十七相同。

 具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一至十八之一不同的是衬底1为蓝宝石、碳化硅、硅或者尖晶石。其它参数与具体实施方式一至十八之一相同。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式一至十九之一不同的是缓冲层2的材料为GaN。其它参数与具体实施方式一至十九之一相同。

 具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一至二十之一不同的是N型掺杂半导体层3、有源层4和P型掺杂半导体层5的材料为ⅢA~ⅤA族的化合物半导体材料。其它参数与具体实施方式一至二十之一相同。

具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式二十一不同的是N型掺杂半导体层3的材料为氮化镓、磷化镓或磷砷化镓。其它参数与具体实施方式二十一相同。

具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式二十一不同的是有源层4的材料为氮化镓、磷化镓或磷砷化镓。其它参数与具体实施方式二十一相同。

具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式二十一不同的是P型掺杂半导体层5的材料为氮化镓、磷化镓或磷砷化镓。其它参数与具体实施方式二十一相同。

具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式一至二十四之一不同的是电流扩散层6为透明导电薄膜。其它参数与具体实施方式一至二十四之一相同。

具体实施方式二十六：本实施方式与具体实施方式一至二十四之一不同的是电流扩散层6为纳米铟锡金属氧化物（ITO）导电薄膜或者掺铝氧化锌（AZO）导电薄膜。其它参数与具体实施方式一至二十四之一相同。

具体实施方式二十七：本实施方式与具体实施方式一至二十六之一不同的是采用金属氧化物气相沉积（MOCVD）在衬底1上依次沉积缓冲层2、N型掺杂半导体层3、有源层4和P型掺杂半导体层5，磁控溅射沉积制备ITO电流扩散层，并在透明导电层之上制备二氧化硅掩蔽层，厚度为700nm；然后通过光刻和等离子体刻蚀使部分N型掺杂半导体层3暴露于空气中，制备得到发光二极管的台面结构。其它参数与具体实施方式一至二十六之一相同。

本实施方式中可以使N型掺杂半导体层3的表面积的30%~50%暴露于空气中。

具体实施方式二十八：本实施方式与具体实施方式一至二十七之一不同的是电流扩散层6与P型掺杂半导体层5相接，可完全覆盖P型掺杂半导体层5；也可以部分覆盖P型掺杂半导体层5，例如覆盖面积为20%-50%。其它参数与具体实施方式一至二十七之一相同。

具体实施方式二十九：本实施方式与具体实施方式一至二十八之一不同的是P型电极7和N型电极8采用掩模方式相应地蒸镀在电流扩散层6和N型掺杂半导体层3之上。其它参数与具体实施方式一至二十八之一相同。

本实施方式中P型电极7可以完全覆盖电流扩散层6，也可以部分覆盖电流扩散层6，例如覆盖电流扩散层6表面积的20%~30%。

本实施方式中发光二极管的俯视示意图如图8所示。如图8中所示，电流扩散层6部分覆盖（30%）P型掺杂半导体层5，P型电极7部分覆盖（20%）电流扩散层6。

具体实施方式三十：本实施方式与具体实施方式一至二十九至一不同的是二维光子晶体层9采用提拉法制备，其中提拉法的具体操作为：采用提拉装置，将具体实施方式二十九得到的沉积有缓冲层2、N型掺杂半导体层3、有源层4、P型掺杂半导体层5、电流扩散层6、P型电极7和N型电极8的衬底1浸没在微球胶体溶液中，温度保持在60℃~100℃之间，提拉速度设定在10μm/s-100μm/s，提拉时间为5min~30min。

本实施方式中微球胶体溶液为二氧化硅微球溶液。配置方法依现有公开技术皆可得到。

具体实施方式三十一：本实施方式与具体实施方式一至二十九至一不同的是二维光子晶体层9采用旋涂法制备，其中旋涂法的具体操作为：采用匀胶机，设定参数：转速为500～1200转／分钟、时间为20～100s，然后将具体实施方式二十九得到的沉积有缓冲层2、N型掺杂半导体层3、有源层4、P型掺杂半导体层5、电流扩散层6、P型电极7和N型电极8的衬底1固定到匀胶机上，并滴加微球胶体溶液，然后开机进行旋涂，旋涂完毕后，静置挥发64～80h，得到二维光子晶体层9；其中滴加微球胶体溶液的用量为1～5滴/平方厘米。

本实施方式中微球胶体溶液为聚苯乙烯微球胶体溶液或者Pt包裹的聚甲基丙烯酸甲酯微球胶体溶液。配置方法依现有公开技术皆可得到。

具体实施方式三十二：本实施方式与具体实施方式一至二十九至一不同的是二维光子晶体层9采用喷雾法制备得到，其中喷雾法的具体操作为：利用喷枪，内腔充满微球胶体溶液，设定工艺参数，按照0°~90°的喷射角度，对准具体实施方式二十九得到的沉积有缓冲层2、N型掺杂半导体层3、有源层4、P型掺杂半导体层5、电流扩散层6、P型电极7和N型电极8的衬底1进行2~120s的喷射，即得。

本实施方式中微球胶体溶液为聚苯乙烯微球胶体溶液、二氧化硅微球胶体溶液或者Ag包裹的二氧化硅微球胶体溶液。配置方法依现有公开技术皆可得到。

具体实施方式三十三：本实施方式具有二维光子晶体的发光二极管，其制备方法为：一、采用MOCVD方法在蓝宝石衬底1上依次沉积GaN缓冲层2、氮化镓N型掺杂半导体层3、氮化镓有源层4和磷化镓P型掺杂半导体层5，然后磁控溅射沉积制备ITO电流扩散层，并在透明导电层之上制备二氧化硅掩蔽层，厚度为700nm；二、通过光刻和等离子体刻蚀，剥离二氧化硅层，且使氮化镓N型掺杂半导体层3的表面积的部分面积暴露于空气中，制备得到发光二极管的台面结构；三、采用掩模蒸镀方式在电流扩散层6上蒸镀沉积Ni/Au复合P型电极7，在暴露于空气中的氮化镓N型掺杂半导体层3上掩模蒸镀沉积Ni/Au复合N型电极8；四、将Ni/Au复合P型电极7和Ni/Au复合N型电极8进行保护，然后采用提拉法制备Ag包裹的SiO₂微球六方有序排列的二维光子晶体层9，微球的粒径为1μm，其中具体操作步骤为：采用提拉装置，将将上述步骤一至步骤三处理后的衬底1浸没在Ag包裹的SiO₂微球胶体溶液中，温度为80℃，提拉速度设定在80μm/s，提拉时间为30min。

本实施方式的具有二维光子晶体的发光二极管的结构示意图与图1一样。本实施方式得到的二维光子晶体层9的扫描电子显微镜形貌图如图9所示。

本实施方式得到的具有二维光子晶体的发光二极管在出光面上采用提拉法自组装成六方排列的Ag包裹的SiO₂微球有序排列结构，利用二维光子晶体的弱光子晶体效应，调制出光面的光线模态，提高了发光二极管的出光率，其出光率较传统发光二极管提高了20%。

本实施方式二维光子晶体层的引入，避免了传统刻蚀、光刻或者压印等技术对半导体发光层的损伤，减少了非辐射复合，在几乎不增加成本的工艺条件下，提高了出光效率，增加光输出亮度。解决了光子晶体生产成本昂贵的制约，达到了光子晶体出光面光子晶体化的作用。适宜于大面积和工业化生产。

Claims (10)

1.一种具有二维光子晶体的发光二极管，包括衬底（1）、缓冲层（2）、N型掺杂半导体层（3）、有源层（4）、P型掺杂半导体层（5）、电流扩散层（6）、P型电极（7）和N型电极（8），P型电极（7）通过电流扩散层（6）与P型掺杂半导体层（5）相接，N型电极（8）直接与N型掺杂半导体层（3）相接，其特征在于在N型掺杂半导体层（3）与空气的界面上，以及P型掺杂半导体层（5）与空气的界面上覆盖有二维光子晶体层（9），二维光子晶体层（9）为单层微球有序排列结构，微球的粒径为0.05μm～5μm。

2.根据权利要求1所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于二维光子晶体层（9）中的微球为二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或者聚甲基丙烯酸甲酯微球。

3.根据权利要求1所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于二维光子晶体层（9）中的微球为外层包裹有金属的二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或者聚甲基丙烯酸甲酯微球，其中金属为Ag、Pt、Au、Cu或者Al。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于二维光子晶体层（9）为单层微球六方有序排列结构，微球粒径为0.5～5μm，微球粒径均一。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于二维光子晶体层（9）为单层微球四方有序排列结构，微球粒径为0.5～5μm，微球粒径均一。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于二维光子晶体层（9）为单层微球嵌入式有序排列结构，在粒径均一的0.8~5μm的有序排列的微球间的空隙中嵌入有序排列的粒径为50~500nm的微球。

7.根据权利要求6所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于粒径均一的0.8~5μm的有序排列的微球的排列方式为六方有序排列或者四方有序排列。

8.根据权利要求1、2、3或7所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于二维光子晶体层（9）通过化学自组装的方法得到。

9.根据权利要求8所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于衬底（1）为蓝宝石、碳化硅、硅或者尖晶石。

10.根据权利要求1、2、3、7或9所述的一种具有二维光子晶体的发光二极管，其特征在于N型掺杂半导体层（3）、有源层（4）和P型掺杂半导体层（5）的材料为ⅢA~ⅤA族的化合物半导体材料。

Images