CN102222748A - 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；一第一电极与所述第一半导体层电连接；一导电层设置于第二半导体层远离基底的表面；一第二电极与所述导电层电连接；其中，一金属光栅设置于所述导电层的远离基底的表面，该金属光栅为多个金属微结构排列而成的二维阵列。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及一种具有金属光栅的发光二极管。
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，光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，直至被发光二极管内的材料完全吸收。
为了解决上述问题，现有技术中采用表面粗糙化或表面图形化发光二极管的出光面的方法改变光线的入射角度从而提高发光二极管的出光率。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；一第一电极与所述第一半导体层电连接；一导电层设置于第二半导体层远离基底的表面；一第二电极与所述导电层电连接；其中，一金属光栅设置于所述导电层的远离基底的表面，该金属光栅为多个金属微结构排列而成的二维阵列。
与现有技术相比较，由第二半导体层发出的大角度光在出射过程中遇到金属光栅激发了表面等离子体激元的共振，从而改变了光子的出射方向，从而实现了发光二极管的大角度光的取出，提高了发光二极管的光取出效率。进一步地，所述金属光栅为阵列状，故，该金属光栅提高了发光二极管的出光均匀性。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图2是本发明第一实施例提供的发光二极管的俯视图。
主要元件符号说明
发光二极管 10
基底 11
缓冲层 12
第一半导体层 13
活性层 14
第二半导体层 15
第一电极 16
导电层 17
第二电极 18
周期性金属微结构阵列 19
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11、一第一半导体层13、一活性层14、一第二半导体层15、一第一电极16、一导电层17、一第二电极18以及一金属光栅19。所述第一半导体层13、活性层14以及第二半导体层15依次层叠设置于基底11的一侧。所述第一电极16与所述第一半导体层13电连接。所述导电层17设置于所述第二半导体层15的远离基底11的表面。所述金属光栅19设置于所述导电层17的远离基底11的表面。该金属光栅19为多个金属微结构排列而成的二维阵列。一第二电极18与所述导电层17电连接。
所述基底11具有支撑的作用。所述基底11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11的厚度为400微米，其材料为蓝宝石。
可选择地，一缓冲层12设置于基底11和第一半导体层13之间，并与基底11和第一半导体层13分别接触，此时第一半导体层13靠近基底11的表面与缓冲层12接触。可以理解，当没有缓冲层12存在时，第一半导体层13直接设置于基底11的表面。所述缓冲层12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12的厚度为10纳米至300纳米，其材料为氮化镓或氮化铝等。本实施例中，所述缓冲层12的厚度为20纳米至50纳米，材料为氮化镓。所述第一半导体层13设置于基底11的一侧。
所述第一半导体层13为一个台阶结构。所述第一半导体层13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13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13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13设置于基底11的一侧时，第一半导体层13的第一表面靠近基底11设置。活性层14和第二半导体层15依次设置于第一半导体层13的第三表面。优选地，活性层14和第一半导体层13的第三表面的接触面积与第一半导体层13的第三表面的面积相等。第二半导体层15完全覆盖活性层14的远离基底11的表面。可选择地，所述第一半导体层13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14与第二半导体层15依次层叠设置于所述第一半导体层13的部分表面，从而形成台阶结构。第一电极16设置于第一半导体层13的第二表面。
所述第一半导体层13、第二半导体层15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13为N型半导体层时，第二半导体层15为P型半导体层；当该第一半导体层13为P型半导体层时，第二半导体层15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13的厚度为1微米至5微米。所述第二半导体层15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13为N型半导体层，该第一半导体层13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13的材料为N型氮化镓。所述第二半导体层15为P型半导体层，该第二半导体层15的厚度为0.3微米，材料为P型氮化镓。
活性层14设置于第一半导体层13的第三表面。所述活性层14为包含一层或多层量子阱层的量子阱结构(Quantum Well)。所述活性层14用于提供光子。所述活性层14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14为两层结构，包括一氮化铟镓层及一氮化镓层，其厚度为0.3微米。所述第一半导体层13的第二表面与第二半导体层15的远离基底11的表面的距离是0.8微米。
所述导电层17至少包括一金层、一氧化铟锡层或一银层。当所述导电层17仅为金层时，所述导电层17的厚度范围为1纳米至10纳米。当所述导电层17包括一金层或银层时，可于所述金层和第二半导体层15之间设置一镍层。所述镍层的作用为增加金层和第二半导体层15之间的结合力，此时所述导电层17的厚度范围为1纳米至10纳米。当所述导电层17为氧化铟锡时，所述导电层17的厚度范围10纳米至200纳米。本实施例中，所述导电层17为两层结构，其包括一层厚度为5纳米的镍层和一层厚度为5纳米的金层，并且镍层直接铺设于第二半导体层15的表面，金层铺设于镍层的表面。所述导电层17的作用为提供均匀的电流给第二半导体层16。
请参阅图2，所述金属光栅19为多个金属微结构排列形成的二维阵列。所述多个金属微结构排列成多行和多列的二维阵列结构。沿着所述二维阵列的行和列的方向，所述多个金属微结构相互间隔设置，且沿着所述二维阵列的行和列的方向周期性排列。沿着所述二维阵列的行的方向上相邻的两个微结构之间的间距相等。沿着所述二维阵列的列的方向上相邻的两个微结构之间的间距相等。该金属微结构的形状为锥形、楔形或柱形。所述柱形可以为圆柱或棱柱。本实施例中，所述金属微结构为方柱。多个金属方柱形成周期性的金属方柱阵列。所述金属方柱阵列中的金属方柱的高度范围为20纳米至1020纳米，金属方柱的长和宽的范围为60纳米至120纳米。优选地，相邻的两个金属方柱的高度范围为20纳米至100纳米。相邻的两个金属方柱的中心线之间的距离为200纳米至1000纳米。所述的相邻的两个金属方柱的含义为沿着金属方柱阵列的行或列的方向上相邻的两个金属方柱。本实施例中，请参阅图2，相邻的两个金属方柱为沿着A方向或B方向相邻的两个金属方柱。所述金属光栅19的材料为金或银，优选地，采用银作为金属光栅19的材料。银作为金属光栅19的材料可以更有效地提高发光二极管的出光率。本实施例中所述多个金属方柱的材料为银，金属方柱中的每一个金属方柱的高度均为50纳米，长和宽均为85纳米。相邻的两个金属方柱的中心线之间的距离为680纳米。可在金属方柱的暴露的表面进一步地覆盖一层厚度为2纳米至20纳米的二氧化硅膜。金属方柱与导光层17相接触的表面未覆盖二氧化硅膜。本实施例中，该二氧化硅膜的厚度为3纳米至5纳米。该二氧化硅膜可以有效地防止银氧化，且不影响发光二极管的出光率。所述金属光栅19可通过一占空比描述。所述金属光栅19的占空比为沿着所述金属微结构形成的二维阵列的行或列的方向上分别计算的占空比。所述占空比的计算方法为沿二维阵列的行的方向上或列的方向上，金属微结构的边长与相邻的两个金属方柱的中心线之间的距离之比。本实施例中，请参阅图2，金属光栅19沿着行的方向上即A方向上的占空比的值的范围为0.06∶1至0.6∶1，金属光栅19沿着列的方向上即B方向上的占空比的值的范围为0.06∶1至0.6∶1，通过控制金属光栅19的占空比可以提高发光二极管10的出光率。
所述第一电极16、第二电极18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18的类型与第二半导体层15的类型相同。第一电极16与第一半导体层13的类型相同。所述第二电极18、第一电极16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16、第二电极18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18为N型电极，该第二电极18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16为P型电极，该第一电极16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16设置于所述第一半导体层13的第二表面，第二电极18和金属光栅19均设置于所述导电层17的远离基底11的表面。周期性排列的金属微结构和第二电极18覆盖导电层17的远离基底11的表面。
本发明第二实施例提供一种发光二极管。第二实施例中的发光二极管的结构同第一实施例中的发光二极管的结构相似，其区别在于，所述金属光栅中金属方柱的高度为45纳米，相邻的两个金属方柱的中心线之间的距离为270纳米，金属方柱的长和宽均为85纳米，导电层为两层结构，其包括一层厚度为5纳米的镍层和一层厚度为5纳米的金层，并且镍层直接铺设于第二半导体层15的远离基底11的表面，金层铺设于镍层的远离基底11的表面。所述金属方柱的材料为银。第二实施例中金属光栅的沿着行和列的方向上的占空比均为0.3148∶1。
本发明第三实施例提供一种发光二极管。第三实施例中的发光二极管的结构同第一实施例中的发光二极管的结构相似，其区别在于，所述导电层为单层结构，所述导电层为一氧化铟锡层，该氧化铟锡层的厚度为200纳米，所述金属光栅为方柱结构，相邻方柱的中心线之间的距离为260纳米，金属方柱的高度为55纳米，长和宽均为85纳米，所述金属方柱的材料为银。第三实施例中金属光栅的沿着行和列的方向上的占空比均为0.3269∶1。
本发明第四实施例提供一种发光二极管。第四实施例中的发光二极管的结构同第三实施例中的发光二极管的结构相似，其区别在于，所述金属光栅为方柱结构，相邻方柱的中心线之间的距离为680纳米，所述金属方柱的材料为银。所述导电层为单层结构，所述导电层为一氧化铟锡层，该氧化铟锡层的厚度为200纳米，金属方柱的高度为50纳米，长和宽均为85纳米。第四实施例中金属光栅的沿着行和列的方向上的占空比均为0.125∶1。
由第二半导体层发出的大角度光在出射过程中遇到金属光栅激发了表面等离子体的激元共振，从而改变了光子的出射方向，提高了大角度光的出光率。表面等离子体(surface plasmon)是沿金属表面传播的波，其本质是光子与导体中的自由电子相互作用而被表面俘获的光波。表面等离子体可以通过亚波长结构用来汇聚和导引光波，从而起到增强透射的作用。因此，于发光二极管的第二半导体层的表面设置周期性金属微结构阵列可以提高发光二极管的大角度光的取出率。进一步地，阵列状的金属光栅可以提高出光的均匀性。由于银是产生等离激元的最佳介质，故本发明采用银作为金属微结构的材料可以较好地提高发光二极管的出光率。
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 (18)
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；
一第一电极与所述第一半导体层电连接；
一导电层设置于第二半导体层远离基底的表面；
一第二电极与所述导电层电连接；
其特征在于，一金属光栅设置于所述导电层的远离基底的表面，该金属光栅为多个金属微结构排列而成的二维阵列。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述导电层至少包括一金层，所述金层的厚度为1纳米至10纳米。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述导电层包括一金层和一镍层，镍层设置在金层与第二半导体层之间，所述导电层的厚度为1纳米至10纳米。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述导电层至少包括一氧化铟锡层，所述氧化铟锡层的厚度范围为10纳米至200纳米。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属微结构的形状为锥形、楔形或柱形。
6.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述金属微结构为金属方柱。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述金属方柱阵列中的金属方柱的高度范围为20纳米至1020纳米。
8.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述金属方柱阵列中的金属方柱的长的范围为60纳米至120纳米，宽的范围为60纳米至120纳米。
9.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述金属方柱阵列中的相邻的两个金属方柱的中心线之间的距离为200纳米至1000纳米。
10.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属光栅为金属方柱阵列，每一个金属方柱的高度均为50纳米，长和宽均为85纳米，相邻的两个金属方柱的中心线之间的距离为680纳米，沿着金属方柱阵列的行和列的方向上的占空比均为0.125∶1。
11.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属光栅为金属方柱阵列，每一个金属方柱的高度为45纳米，长和宽均为85纳米，相邻的两个方柱的中心线之间的距离为270纳米，沿着金属方柱阵列的行和列的方向上的占空比均为0.3148∶1。
12.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属光栅为金属方柱阵列，每一个金属方柱的高度均为55纳米，长和宽均为85纳米，相邻的两个方柱的中心线之间的距离为260纳米，沿着金属方柱阵列的行和列的方向上的占空比均为0.3269∶1。
13.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属光栅为金属方柱阵列，每一个金属方柱的高度均为50纳米，长和宽均为85纳米，相邻的两个方柱的中心线之间的距离为680纳米，沿着金属方柱阵列的行和列的方向上的占空比均为0.125∶1。
14.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属光栅的材料为金。
15.如权利要求1所述的发光二机管，其特征在于，所述金属光栅的材料为银。
16.如权利要求15所述的发光二极管，其特征在于，所述金属光栅的暴露的表面覆盖一层二氧化硅薄膜。
17.如权利要求16所述的发光二极管，其特征在于，所述二氧化硅薄膜的厚度为2纳米至20纳米。
18.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述金属光栅沿着其行和列的方向上的占空比的值的范围均为0.06∶1至0.6∶1。
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