CN101859856B - 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；一第一半导体层、一活性层以及一第二半导体层依次层叠设置于所述基底的一侧，且所述第一半导体层靠近基底设置；一第一电极与所述第一半导体层电连接；一第二电极与所述第二半导体层电连接；其中，进一步包括多个三维纳米结构以阵列形式设置于第二半导体层的远离基底的表面，且所述三维纳米结构为阶梯状结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及一种具有三维纳米结构阵列的发光二极管。
背景技术
由氮化镓半导体材料制成的高效蓝光、绿光和白光发光二极管具有寿命长、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。
传统的发光二极管通常包括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P型电极(通常为透明电极)以及设置在N型半导体层上的N型电极。发光二极管处于工作状态时，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在活性层中发生复合而产生光子，且光子从发光二极管中射出。
然而，现有的发光二极管的光取出效率(光取出效率通常指活性层中所产生的光从发光二极管内部释放出的效率)较低，其主要原因是由于半导体(通常为氮化镓)的折射率大于空气的折射率，来自活性层的大角度光在半导体与空气的界面处发生全反射，从而大部分大角度光被限制在发光二极管的内部，直至以热等方式耗散。这对发光二极管而言非常不利。
为了解决上述问题，现有技术中通过控制氮化镓生长方式提高发光二极管的出光率。但是该方法工艺复杂，成本较高。现有技术中也有采用表面粗糙化或表面图形化发光二极管的出光面等方法改变光线的入射角度从而提高发光二极管的出光率的报道。但是这种方法只能在较小程度上改变光线的入射角，对于入射角较大的大角度光仍无法有效地提取，影响了发光二极管的出光率。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一光取出效率较高的发光二极管。
一种发光二极管，其包括：一基底；一第一半导体层、一活性层以及一第二半导体层依次层叠设置于所述基底的一侧，且所述第一半导体层靠近基底设置；一第一电极与所述第一半导体层电连接；一第二电极与所述第二半导体层电连接；其中，进一步包括多个三维纳米结构以阵列形式设置于第二半导体层的远离基底的表面，且所述三维纳米结构为一阶梯状凹陷结构，且所述三维纳米结构的形状为一双层圆台状空间，具体包括一第一圆台状空间以及一与该第一圆台状空间联通的第二圆台状空间。
一种发光二极管，其包括：一基底；一第一半导体层、一活性层以及一第二半导体层依次层叠设置于所述基底的一侧，且所述第一半导体层靠近基底设置；一第一电极与所述第一半导体层电连接；一第二电极与所述第二半导体层电连接；其中，进一步包括多个三维纳米结构以阵列形式设置于第一半导体层与基底接触的表面，且所述三维纳米结构为一阶梯状凹陷结构，且所述三维纳米结构的形状为一双层圆台状空间，具体包括一第一圆台状空间以及一与该第一圆台状空间联通的第二圆台状空间。
一种发光二极管，其包括：一基底；一第一半导体层、一活性层以及一第二半导体层依次层叠设置于所述基底的一侧，且所述第一半导体层靠近基底设置；一第一电极与所述第一半导体层电连接；一第二电极与所述第二半导体层电连接；其中，进一步包括多个三维纳米结构以阵列形式设置于基底与第一半导体层接触的表面，且所述三维纳米结构为一阶梯状凹陷结构，且所述三维纳米结构的形状为一双层圆台状空间，具体包括一第一圆台状空间以及一与该第一圆台状空间联通的第二圆台状空间。
与现有技术相比较，本发明的发光二极管中，多个三维纳米结构以阵列形式设置形成一三维纳米结构阵列。由于本发明的三维纳米结构为阶梯状凹陷结构，相当于包括至少两层三维纳米结构或两层光子晶体结构，所以可以更加有效的提高发光二极管的大角度光的取出效率。或者，当大角度光向基底传播过程中遇到三维纳米结构阵列，会经三维纳米结构阵列反射而变成小角度光。一方面，大角度光变成小角度光可以提高发光二极管的出光效率，另一方面，大角度光变成小角度光可以减小光线在发光二极管内部的传播路径，从而减小光线在传播过程中的损耗。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图2为图1的发光二极管沿II-II线的剖视图。
图3为本发明第一实施例提供的发光二极管的三维纳米结构阵列的扫描电镜照片。
图4为本发明第一实施例提供的发光二极管的光取出效率测试结果。
图5为本发明第二实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图6为本发明第三实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图7为本发明第四实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图8为图7的发光二极管沿VIII-VIII线的剖视图。
主要元件符号说明
发光二极管10，20，30，40
第二电极11，21，31，41
基底12，22，32，42
第一电极13，23，33，43
第一半导体层14，24，34，44
三维纳米结构15，45
第一圆台152
第二圆台154
活性层16，26，36，46
三维纳米结构阵列17，27，37，47
第二半导体层18，28，38，48
第一圆台状空间452
第二圆台状空间454
具体实施方式
为了对本发明作更进一步的说明，举以下具体实施例并配合附图详细描述如下。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种发光二极管10，其包括：一基底12、一第一半导体层14、一活性层16、一第二半导体层18、一第一电极13、一第二电极11以及一三维纳米结构阵列17。
所述第一半导体层14、活性层16以及第二半导体层18依次层叠设置于基底12的一侧。所述第一电极13与所述第一半导体层14电连接。所述第二电极11与所述第二半导体层18电连接。所述三维纳米结构阵列17可以设置于第二半导体层18的远离基底12的表面，或/和第一半导体层14与基底12接触的表面，或/和基底12与第一半导体层14接触的表面。本实施例中，所述三维纳米结构阵列17设置于所述第二半导体层18的远离基底12的表面。
所述基底12具有支撑的作用。所述基底12的厚度为300至500微米，其材料包括蓝宝石、砷化镓、磷化铟、偏铝酸锂、镓酸锂、氮化铝、硅、碳化硅及氮化硅等材料中的一种或几种。本实施例中，所述基底12的厚度为400微米，其材料为蓝宝石。
可选择地，一缓冲层(图未示)可以设置于基底12和第一半导体层14之间，并与基底12和第一半导体层14分别接触，此时第一半导体层14靠近基底12的表面与缓冲层接触。所述缓冲层有利于提高材料的外延生长质量，减少晶格失配。所述缓冲层的厚度为10纳米至300纳米，其材料可以为氮化镓或氮化铝等。
所述第一半导体层14为一个台阶结构。所述第一半导体层14包括一第一表面、一第二表面和一第三表面。该三个表面相互平行。第二表面和第三表面均与第一表面相对设置。该第一半导体层14的第二表面与第三表面具有不同的高度，从而使第一半导体层14具有一台阶。第二表面是该台阶的高度较低的表面，第三表面是该台阶的高度较高的表面。相比于第三表面，第二表面与第一表面的距离较小。将第一半导体层14设置于基底12的一侧时，第一半导体层14的第一表面靠近基底12设置。活性层16和第二半导体层18依次设置于第一半导体层14的第三表面。优选地，活性层16和第一半导体层14的第三表面的接触面积与第一半导体层14的第三表面的面积相等。第二半导体层18完全覆盖活性层16的远离基底12的表面。可选择地，所述第一半导体层14的第三表面与第二表面可位于一个平面即第二表面和第三表面高度相同，此时，所述活性层16与第二半导体层18依次层叠设置于所述第一半导体层14的部分表面，从而形成台阶结构。所述第一电极13设置于第一半导体层14的第二表面。
所述第一半导体层14、第二半导体层18分别为N型半导体层和P型半导体层两种类型中的一种。具体地，当该第一半导体层14为N型半导体层时，第二半导体层18为P型半导体层；当该第一半导体层14为P型半导体层时，第二半导体层18为N型半导体层。所述N型半导体层起到提供电子的作用，所述P型半导体层起到提供空穴的作用。N型半导体层的材料包括N型氮化镓、N型砷化镓及N型磷化铜等材料中的一种或几种。P型半导体层的材料包括P型氮化镓、P型砷化镓及P型磷化铜等材料中的一种或几种。所述第一半导体层14的厚度为1微米至5微米。所述第二半导体层18的厚度为0.1微米至3微米。本实施例中，所述第一半导体层14为N型半导体层，该第一半导体层14的第一表面和第三表面的距离为0.3微米，第一表面和第二表面的距离为0.1微米。第一半导体层14的材料为N型氮化镓。所述第二半导体层18为P型半导体层，该第二半导体层18的厚度为0.3微米，材料为P型氮化镓。
活性层16设置于第一半导体层14的第三表面。所述活性层16为包含一层或多层量子阱层的量子阱结构(QuantumWell)。所述活性层16用于提供光子。所述活性层16的材料为氮化镓、氮化铟镓、氮化铟镓铝、砷化稼、砷化铝稼、磷化铟镓、磷化铟砷或砷化铟镓中的一种或几种，其厚度为0.01微米至0.6微米。本实施例中，所述活性层16为两层结构，包括一氮化铟镓层及一氮化镓层，其厚度为0.03微米。所述第一半导体层14的第二表面与第二半导体层18的远离基底12的表面的距离是0.8微米。
所述第一电极13、第二电极11可以为N型电极或P型电极两种类型中的一种。所述第二电极11的类型与第二半导体层18的类型相同。第一电极13与第一半导体层14的类型相同。所述第二电极11、第一电极13至少为一层结构，它们的厚度为0.01微米至2微米。所述第一电极13、第二电极11的材料包括钛、铝、镍及金中的一种或其任意组合。优选地，所述第二电极11为N型电极，该第二电极11为两层结构，包括一厚度为150埃的钛层及一厚度为2000埃的金层。所述第一电极13为P型电极，该第一电极13为两层结构，包括一厚度为150埃的镍层及一厚度为1000埃的金层。本实施例中，第一电极13设置于所述第一半导体层14的第二表面，第二电极11设置于所述第二半导体层18的远离基底12的部分表面。
所述三维纳米结构阵列17包括多个三维纳米结构15。所述三维纳米结构15的材料或定义该三维纳米结构15的材料可以与第二半导体层18的材料相同以形成一一体结构，或与第二半导体层18的材料不同。所述多个三维纳米结构15在第二半导体层18表面以阵列形式设置。所述阵列形式设置指所述多个三维纳米结构15可以按照等间距行列式排布、同心圆环排布或六角形密堆排布等方式排列。而且，所述以阵列形式设置的多个三维纳米结构15可形成一个单一图案或多个图案。所述单一图案可以为三角形、平行四边形、体形、菱形、方形、矩形或圆形等。所述多个图案可以包括多个相同的或不同的上述单一图案所形成的图案化的阵列。所述相邻的两个三维纳米结构15之间的距离相等，即相邻的两个第一圆台152之间的距离相等，为10纳米～1000纳米，优选为10纳米～30纳米。本实施例中，所述多个三维纳米结构15呈六角形密堆排布形成一单一正方形图案，且相邻两个三维纳米结构15之间的距离约为30纳米。
所述三维纳米结构15为一阶梯状结构。所述三维纳米结构15可以为一阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构。所述阶梯状凸起结构为从所述第二半导体层18表面向外延伸出的阶梯状突起的实体。所述阶梯状凹陷结构为从第二半导体层18表面向第二半导体层18内凹陷形成的阶梯状凹陷的空间。所述阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构可以为一多层台状结构，如多层三棱台、多层四棱台、多层六棱台或多层圆台等。优选地，所述阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构为多层圆台结构。所谓阶梯状凹陷结构为多层圆台结构是指所述阶梯状凹陷的空间为多层圆台形状。所述阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构的最大尺度为小于等于1000纳米，即其长度、宽度和高度均小于等于1000纳米。优选地，所述阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构长度、宽度和高度范围为10纳米～500纳米。
请参阅图2和图3，本实施例中，所述三维纳米结构15为一阶梯状凸起的双层圆台结构。具体地，所述三维纳米结构15包括一第一圆台152以及一设置于该第一圆台152表面的第二圆台154。所述第一圆台152靠近第二半导体层18设置。所述第一圆台152的侧面垂直于第二半导体层18的表面。所述第二圆台154的侧面垂直于第一圆台152的低面。所述第一圆台152与第二圆台154形成一阶梯状凸起结构，所述第二圆台154设置在所述第一圆台152的范围内。优选地，所述第一圆台152与第二圆台154同轴设置。所述第一圆台152与第二圆台154为一体结构，即所述第二圆台154为第一圆台152的顶面延伸出的圆台状结构。
所述第一圆台152的底面直径大于第二圆台154的底面直径。所述第一圆台152的底面直径为30纳米～1000纳米，高度为50纳米～1000纳米。优选地，所述第一圆台152的底面直径为50纳米～200纳米，高度为100纳米～500纳米。所述第二圆台154的底面直径为10纳米～500纳米，高度为20纳米～500纳米。优选地，所述第二圆台154的底面直径为20纳米～200纳米，高度为100纳米～300纳米。本实施例中，所述第一圆台152与第二圆台154同轴设置。所述第一圆台152的底面直径为380纳米，高度为105纳米。所述第二圆台154的底面直径为280纳米，高度为55纳米。
可以理解，所述三维纳米结构15还可以包括一设置于该第二圆台154表面的第三圆台(图未示)。优选地，所述第三圆台与第一圆台152，第二圆台154同轴设置。
当由第二半导体层18发出的大角度光在出射过程中遇到三维纳米结构阵列17，会经三维纳米结构阵列17衍射而改变光子的出射方向，从而实现了发光二极管10的大角度光的取出，提高了发光二极管10的光取出效率。由于本发明的三维纳米结构阵列17的三维纳米结构15为阶梯状结构，相当于包括至少两层三维纳米结构或两层光子晶体结构，可以更加有效的提高发光二极管10的光取出效率。请参阅图4，本发明提供的发光二极管10的光取出效率为现有技术中没有设置三维纳米结构阵列的发光二极管的光取出效率的5倍。
请参阅图5，本发明第二实施例提供一种发光二极管20，其包括：一基底22、一第一半导体层24、一活性层26、一第二半导体层28、一第一电极23、一第二电极21以及一三维纳米结构阵列27。本发明第二实施例中的发光二极管20的结构同第一实施例中的发光二极管10的结构相似，其区别在于，所述三维纳米结构阵列27设置于第一半导体层24与基底22接触的表面。
请参阅图6，本发明第三实施例提供一种发光二极管30，其包括：一基底32、一第一半导体层34、一活性层36、一第二半导体层38、一第一电极33、一第二电极31以及一三维纳米结构阵列37。本发明第三实施例中的发光二极管30的结构同第一实施例中的发光二极管10的结构相似，其区别在于，所述三维纳米结构阵列37设置于基底32与第一半导体层34接触的表面。
可以理解，由于本发明第二实施例与第三实施例中分别将三维纳米结构阵列37，47设置于第一半导体层24与基底22接触的表面或基底32与第一半导体层34接触的表面，所以当大角度光向基底22，32传播过程中遇到三维纳米结构阵列37，47，会经三维纳米结构阵列37，47反射而变成小角度光。一方面，大角度光变成小角度光可以提高发光二极管20，30的出光效率，另一方面，大角度光变成小角度光可以减小光线在发光二极管20，30内部的传播路径，从而减小光线在传播过程中的损耗。当具有缓冲层设置于第一半导体层24，34与基底22，32之间时，本发明第二实施例与第三实施例中可以分别将三维纳米结构阵列37，47设置于第一半导体层24与缓冲层接触的表面或基底32与缓冲层接触的表面。
请参阅图7和图8，本发明第四实施例提供一种发光二极管40，其包括：一基底42、一第一半导体层44、一活性层46、一第二半导体层48、一第一电极43、一第二电极41以及一三维纳米结构阵列47。本发明第四实施例中的发光二极管40的结构同第一实施例中的发光二极管10的结构相似，其区别在于，所述三维纳米结构降列47包括多个三维纳米结构45，且该三维纳米结构45为一阶梯状凹陷结构，即由第二半导体层48定义的凹陷空间。所述三维纳米结构45的形状为一双层圆台状空间，具体包括一第一圆台状空间452，以及一于第一圆台状空间452联通的第二圆台状空间454。所述第一圆台状空间452与第二圆台状空间454同轴设置。所述第一圆台状空间452与第二圆台状空间454同轴设置。所述第二圆台状空间454靠近第二半导体层48表面设置。所述第二圆台状空间454的直径大于第一圆台状空间452的直径。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，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 (3)
1.一种发光二极管，其包括：
一基底；
一第一半导体层、一活性层以及一第二半导体层依次层叠设置于所述基底的一侧,且所述第一半导体层靠近基底设置；
一第一电极与所述第一半导体层电连接；
一第二电极与所述第二半导体层电连接；
其特征在于，进一步包括多个三维纳米结构以二维阵列形式设置于第二半导体层的远离基底的表面，所述三维纳米结构为一阶梯状凹陷结构，且所述三维纳米结构的形状为一双层圆台状空间，具体包括一第一圆台状空间以及一与该第一圆台状空间联通的第二圆台状空间；所述第二圆台状空间靠近第二半导体层表面设置，且所述第二圆台状空间的直径大于第一圆台状空间的直径；所述第一圆台状空间的底面直径为20纳米～200纳米，高度为100纳米～300纳米；所述第二圆台状空间的底面直径为50纳米～200纳米，高度为100纳米～500纳米；相邻的两个三维纳米结构之间的距离为10纳米～30纳米；进一步还包括多个三维纳米结构以阵列形式设置于第一半导体层与基底接触的表面，且该设置于第一半导体层与基底接触的表面的三维纳米结构为阶梯状凸起结构。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述多个三维纳米结构按照等间距行列式排布、同心圆环排布或六角形密堆排布的方式设置在第二半导体层表面。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，以阵列形式设置的多个三维纳米结构形成一个单一图案或多个图案。
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