CN102299224A - 一种发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发光二极管，提供一衬底，在衬底的下表面具有第一电极，在衬底的上表面依次有分布布拉格反射层、第一型外延层、有源层、第二型外延层、电流扩展层，第二电极形成于电流扩展层之上；分布布拉格反射层是由N(1≤N≤100)对高折射率和低折射率的反射层依次周期性叠加而成，每一层高折射率反射层或每一层低折射率反射层的内部包含一个折射率渐变层。本发明使得分布布拉格反射层的反射率和反射带宽得到提高，从而提高发光二极管的光提取效率。

Description

一种发光二极管

技术领域

本发明涉及一种具有渐变式折射率分布布拉格反射层的发光二极管。

技术背景

半导体发光二极管(LED)由于其高效、节能和环保的特性而越来越广泛地受到关注，并开始逐渐应用到日常生活中，譬如交通信号灯、户外显示屏、夜景照明、手机和液晶电视的背光源等。近年来发光二极管的应用领域正在迅速的扩展，因此对发光二极管的发光效率提出了更高的要求。

目前提高发光二极管的发光效率主要通过提高其内量子效率和光提取效率两种方法来实现。为了提高内量子效率，可以通过提高外延材料的质量，改善电流分布，增强有源层对电子和空穴的限制等方法来实现。而为了提高光提取效率，则可以通过表面粗化或者在有源层与衬底之间插入分布布拉格反射层的方法来实现。对某些波段的发光二极管，其所发出的光可能被衬底所吸收。尤其是在有源层发光波长较短时，衬底对有源层发出的光吸收更严重。为了减小衬底的光吸收，可以在有源层与衬底之间插入分布布拉格反射层。从有源层发出的射向衬底的光被分布布拉格反射层反射并从顶部射出，发光二极管的光提取效率因此得到极大的提高。

一个由N(1≤N≤100)对高折射率和低折射率的反射层依次周期性叠加而成的分布布拉格反射层的反射率可由公式(1)计算得到：

$R={\left[\frac{1-{(n_2/n_1)}^{2N}}{1+{(n_2/n_1)}^{2N}}\right]}^2,---\left(1\right)$

其中n₁为高折射率反射层的平均折射率，n₂为低折射率反射层的平均折射率。由公式(1)可见，组成分布布拉格反射层的两种材料之间的折射率之差越大，则分布布拉格反射层的反射率也越大。

分布布拉格反射层的反射带宽可由公式(2)得到：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{4\mathrm{\λ}(n_1-n_2)}{n_1+n_2},---\left(2\right)$

由公式(2)可见，组成分布布拉格反射层的两种材料之间的折射率之差越大，则分布布拉格反射层的反射带宽也越大。

在理想状态下，组成分布布拉格反射层的材料对有源层发出的光来说应该是透明的，但是实际上有时候不得不使用一些吸光材料组成分布布拉格反射层。在这种情况下，即使无限增加反射层的对数N，这种由吸光材料组成的分布布拉格反射层的最大反射率仍小于100％。以铝镓铟磷发光二极管常用的两种分布布拉格反射层为例。如图1所示，若采用35对吸光的AlAs/GaAs作为分布布拉格反射层的材料，则其反射带宽约为200nm，对630nm入射光的反射率约为50％。若采用透明的(Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P/Al_0.5In_0.5P作为分布布拉格反射层的材料，则其反射带宽约为70nm，对630nm入射光的反射率约为100％。由此可见，反射带宽很宽的AlAs/GaAs分布布拉格反射层，由于其组成材料之一的GaAs在630nm处吸光导致反射率较低。而在630nm处不吸光的(Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P/Al_0.5In_0.5P分布布拉格反射层，反射率虽然很高，但由于两种材料的折射率差较小，导致反射带宽偏窄。因此需要设计一种新颖的分布布拉格反射层，使其同时满足高反射率和大反射带宽的要求。

发明内容

本发明旨在提出一种发光二极管，使得分布布拉格反射层具有渐变式折射率，反射率和反射带宽得到提高，从而提高发光二极管的光提取效率。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种发光二极管，提供一衬底，在衬底的下表面具有第一电极，在衬底的上表面依次有分布布拉格反射层、第一型外延层、有源层、第二型外延层、电流扩展层，第二电极形成于电流扩展层之上；分布布拉格反射层是由N对高折射率和低折射率的反射层依次周期性叠加而成，1≤N≤100；在其每一层高折射率反射层或每一层低折射率反射层的内部包含一个折射率渐变层，从而提高分布布拉格反射层的反射率和反射带宽。

所述每对分布布拉格反射层的厚度满足以下关系：

每一层高折射率反射层的厚度为D₁＝(2k+1)·λ/(4n₁)；

每一层低折射率反射层的厚度为D₂＝(2k+1)·λ/(4n₂)；

其中，k为满足k≥0的整数，λ为所要反射的光的波长，n₁为高折射率反射层的平均折射率，n₂为低折射率反射层的平均折射率，且满足关系：n₁＞n₂。采用该厚度的分布布拉格反射层可以使所有反射波相干加强，从而达到将从有源层射向衬底的光反射回发光二极管上表面的目的。

所述高折射率反射层的厚度D₁与其中的折射率渐变层的厚度d₁₁满足关系：D₁≥d₁₁≥0。低折射率反射层的厚度D₂与其中的折射率渐变层的厚度d₂₁满足关系：D₂≥d₂₁≥0。

所述分布布拉格反射层由AlAs、GaAs、AlGaAs、AlInP、GaInP、AlGaInP、AlN、GaN、InN、AlGaN、GaInN、AlInN、AlGaInN、SiO₂、Ti_xO_y等各种不同折射率材料的组合构成。

采用上述方案后，本发明因为在每一层高折射率反射层或每一层低折射率反射层的内部包含一个折射率渐变层，使得分布布拉格反射层的反射率和反射带宽得到提高，从而提高发光二极管的光提取效率。

附图说明

图1是由35对(N＝35)AlAs/GaAs和(Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P/Al_0.5In_0.5P组成的分布布拉格反射层的反射谱；

图2是本发明的结构示意图；

图3是具有渐变式折射率的分布布拉格反射层的结构示意图；

图4是第一实施例中折射率渐变的AlAs/AlGaAs分布布拉格反射层的结构示意图；

图5是第一实施例中传统的和折射率渐变的AlAs/AlGaAs分布布拉格反射层(DBR)的反射谱对比图；

图6是第二实施例中折射率渐变的AlAs/AlGaAs分布布拉格反射层的结构示意图。

标号说明

第一电极 1          衬底 2

分布布拉格反射层 3  低折射率反射层 31

高折射率反射层 32   第一折射率渐变层 33

第二折射率渐变层 34 低折射率反射层 35

高折射率反射层 36   第一折射率不变层 37

第二折射率不变层 38 第一型外延层 4

有源层 5            第二型外延层 6

第二电极 7          有效发光区 8

电流扩展层 9

具体实施方式

如图2所示，本发明是在衬底2上依次生长分布布拉格反射层3、第一型外延层4、有源层5、第二型外延层6和电流扩展层9。分布布拉格反射层3由AlAs、GaAs、AlGaAs、AlInP、GaInP、AlGaInP、AlN、GaN、InN、AlGaN、GaInN、AlInN、AlGaInN、SiO₂、Ti_xO_y等各种不同折射率材料的组合构成，分布布拉格反射层3的折射率渐变(配合图3、图4和图6所示)。第一型外延层4由AlAs、GaAs、AlGaAs、Al InP、GaInP、AlGaInP、AlN、GaN、InN、AlGaN、GaInN、AlInN、AlGaInN组成，并且以第一型杂质作为掺杂。有源层5由AlAs、GaAs、AlGaAs、AlInP、GaInP、AlGaInP、AlN、GaN、InN、AlGaN、GaInN、AlInN、AlGaInN组成。第二型外延层6由AlAs、GaAs、AlGaAs、AlInP、GaInP、AlGaInP、AlN、GaN、InN、AlGaN、GaInN、AlInN、AlGaInN组成，并且以第二型杂质作为掺杂。在衬底2的下表面制作第一电极1，在电流扩展层9的上表面制作第二电极7。电子和空穴在有源层5复合产生光子。有源层5内能够产生光子的区域为有效发光区8。

如图3所示，具有渐变式折射率的分布布拉格反射层3由低折射率反射层31和高折射率反射层32依次周期性叠加而成。在低折射率反射层31的内部包含一个第一折射率渐变层33。第一折射率渐变层33的厚度可以小于低折射率反射层31的厚度，也可以等于低折射率反射层31的厚度。而在高折射率反射层32内部包含一个第二折射率渐变层34。第二折射率渐变层34的厚度可以小于高折射率反射层32的厚度，也可以等于高折射率反射层32的厚度。

本发明的第一实施例如图4所示，分布布拉格反射层由15对(N＝15)低折射率反射层35和高折射率反射层36依次周期性叠加而成。低折射率反射层35由一种单一折射率材料AlAs构成，其中AlAs在620nm波长处的折射率为3.149。而高折射率反射层36则由渐变式折射率材料构成。在低折射率反射层35和高折射率反射层36的界面处为Al_0.01Ga_0.99As，其在620nm处的折射率为3.878。然后铝组分在法线方向上逐渐线性增加，在高折射率反射层36的上表面铝组分由0.01升高至0.45，即为Al_0.45Ga_0.55As，其在620nm处的折射率为3.664。因此随着铝组分的线性增加，高折射率反射层36的折射率在法线方向上也随之线性减小。在本实施例中，第一折射率渐变层的厚度为零，而第二折射率渐变层的厚度等于高折射率反射层的厚度，约为40nm。这种渐变式折射率分布布拉格反射层(DBR)的反射带宽可达到100nm(如图5所示)。与之相比，传统的分布布拉格反射层由单一折射率的AlAs和Al_0.45Ga_0.55As作为低折射率反射层35和高折射率反射层36的材料，其反射带宽只有80nm。因此采用这种渐变式折射率分布布拉格反射层的反射带宽比传统分布布拉格反射层的反射带宽提高了25％。

本发明的第二实施例如图6所示。具有渐变式折射率的分布布拉格反射层由低折射率反射层31和高折射率反射层32依次周期性叠加而成。在低折射率反射层31的内部包含一个第一折射率不变层37和一个第一折射率渐变层33。第一折射率不变层37由一种单一折射率材料AlAs构成，其中AlAs在620nm波长处的折射率为3.149。第一折射率渐变层33由Al_xGa_1-xAs构成，且铝组分x在法线方向上从1线性递减至0.45，即第一折射率渐变层33是由AlAs线性渐变至Al_0.45Ga_0.55As所构成，其在620nm波长处的折射率也由3.149逐渐升高至3.664。第一折射率不变层37和第一折射率渐变层33的厚度分别为45nm和5nm，因此低折射率反射层31的厚度为50nm。在高折射率反射层32的内部包含一个第二折射率不变层38和一个第二折射率渐变层34。第二折射率渐变层34由Al_yGa_1-yAs构成，且铝组分y在法线方向上从0.01线性递增至0.45，即第二折射率渐变层34是由Al_0.01Ga_0.99As线性渐变至Al_0.45Ga_0.55As所构成，其在620nm波长处的折射率也由3.878逐渐减小至3.664。第二折射率不变层38由一种单一折射率材料Al_0.45Ga_0.55As构成，其在620nm波长处的折射率为3.664。第二折射率不变层38和第二折射率渐变层34的厚度分别为35nm和5nm，因此高折射率反射层32的厚度为40nm。本实施例仅在低折射率反射层31和高折射率反射层32的界面处±5nm厚度范围内包含折射率渐变层。虽然本实施例所述的组成第二折射率渐变层34的材料在620nm处会吸光，但由于其厚度很薄，因此本实施例所述的分布布拉格反射层仍具有高反射率和大反射带宽。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制。本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴。

Claims (5)

1.一种发光二极管，提供一衬底，在衬底的下表面具有第一电极，在衬底的上表面依次有分布布拉格反射层、第一型外延层、有源层、第二型外延层、电流扩展层，第二电极形成于电流扩展层之上；分布布拉格反射层是由N对高折射率和低折射率的反射层依次周期性叠加而成，1≤N≤100，其特征在于：每一层高折射率反射层或每一层低折射率反射层的内部包含一个折射率渐变层。

2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：每对分布布拉格反射层的厚度满足以下关系：

每一层高折射率反射层的厚度为D₁＝(2k+1)·λ/(4n₁)；

每一层低折射率反射层的厚度为D₂＝(2k+1)·λ/(4n₂)；

其中，k为满足k≥0的整数，λ为所要反射的光的波长，n₁为高折射率反射层的平均折射率，n₂为低折射率反射层的平均折射率，且满足关系：n₁＞n₂。

3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：高折射率反射层的厚度D₁与其中的折射率渐变层的厚度d₁₁满足关系：D₁≥d₁₁≥0。

4.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：低折射率反射层的厚度D₂与其中的折射率渐变层的厚度d₂₁满足关系：D₂≥d₂₁≥0。

5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：分布布拉格反射层由AlAs、GaAs、AlGaAs、AlInP、GaInP、AlGaInP、AlN、GaN、InN、AlGaN、GaInN、AlInN、AlGaInN、SiO₂和Ti_xO_y组合构成。

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