CN102361053A - 一种光子晶体结构发光二极管 - Google Patents

一种光子晶体结构发光二极管 Download PDF

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本发明涉及一种光子晶体结构发光二极管，其特征在于该发光二极管包括：作为生长发光二极管衬底的n型硅衬底（1），在n型硅衬底（1）上设有AlN成核层（2），在AlN成核层（2）上生长有AlN/AlGaN多层缓冲层（3），在此多层缓冲层（3）表面制备有光子晶体结构（4），在此光子晶体结构（4）上生长n型GaN外延层（5），在n型GaN外延层（5）上生长有InGaN多量子阱有源发光层（6）。通过本发明的在多层缓冲层内刻蚀形成的周期性光子晶体微结构，能将沿不同方向传播的光子能量耦合至垂直于LED表面的方向，大幅度地提高LED的光提取效率。

Description

一种光子晶体结构发光二极管
技术领域
本发明涉及一种带有光子晶体结构的LED（发光二极管），具体地是一种利用光子晶体所特有的光子带隙效应来提高LED光提取效率的结构，属于半导体照明工程中提高LED发光效率的技术领域。
背景技术
LED作为固态半导体光源可应用于城市景观照明、室内照明等领域。随着第三代半导体材料氮化镓研究的突破和蓝、白光LED的问世，半导体照明技术必将引发了一场照明领域内的产业革命。实际上，目前LED正在逐步替代传统的白炽灯和荧光灯，成为新一代照明光源。
对于传统的单面水平结构的氮化镓基LED，由于半导体材料与空气界面的全内反射，理论上只有20％左右的光子能够逃逸出去，因而提高LED的光提取效率成为全球LED研究的前沿和热点。研究者已经在理论上和实验上验证了在氮化镓基LED的表面或内部引入光子晶体结构能够有效地提高LED的光提取效率。在利用光子晶体结构提高氮化镓基LED出光效率的研究中，光子晶体主要制备在p型氮化镓的表层，而在p型氮化镓层引入光子晶体会减弱p型氮化镓层和金属的欧姆接触特性，光子晶体的刻蚀工艺也可能导致对器件有源区的损伤。
目前大部分氮化镓基LED外延材料主要是在蓝宝石衬底上生长，但由于蓝宝石的导电性能差，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，普通的氮化镓基LED器件一般采用单面水平结构，即在不同的外延层表面分别制作n型和p型电极。电流在n型氮化镓层中横向流动不等的距离，存在电流堵塞现象，导致额外热量产生，而蓝宝石较差的导热性能使得大功率LED器件的应用受到限制。另外在外延层表面制作两个电极，会导致有效发光面积减少，同时还增加了LED器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程步骤，使得材料利用率和发光效率降低、成本增加。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了解决现有单面水平结构氮化镓基LED采用同侧电极所带来的电流分布不均、发热量高及光提取效率低下等问题。本发明提供一种增加光提取效率的光子晶体结构发光二极管。该结构中硅作为氮化镓异质外延生长的衬底，电极采取垂直接触(Vertical- Contact)方式，即p型和n型接触分别在制备于p型氮化镓与n型硅衬底背面，实现电流纵向分布。光子晶体制作在多层缓冲层上，利用光子晶体的光子带隙效应，实现具有高光提取效率的功率型氮化镓基蓝光及白光LED。
技术方案：一种光子晶体结构发光二极管，其包括：作为生长发光二极管衬底的n型硅衬底，在n型硅衬底上设有AlN成核层，在AlN成核层上生长有AlN/AlGaN多层缓冲层，在此多层缓冲层表面制备有光子晶体结构，在此光子晶体结构上生长n型GaN外延层，在n型GaN外延层上生长有InGaN多量子阱有源发光层；
AlN成核层和AlN/AlGaN多层缓冲层来作为n型硅衬底和n型GaN外延层之间的缓冲介质；
在AlN/AlGaN多层缓冲层内刻蚀形成光子晶体微结构；p型电极和n型电极分别制作在p型GaN外延层表面和n型硅衬底背面。
优选的，所述AlN成核层生长厚度为25-200nm。
优选的，所述AlN/AlGaN多层缓冲层厚度为100-200nm。
优选的，所述该光子晶体结构的晶格周期范围为200-600nm，刻蚀深度为100nm-200nm。
优选的，所述光子晶体结构发光二极管为垂直结构，电流垂直流过光子晶体结构发光二极管的n型GaN外延层。
优选的，光子晶体结构深入到AlN成核层内。
有益效果：通过本发明的在多层缓冲层内刻蚀形成的周期性光子晶体微结构，能将沿不同方向传播的光子能量耦合至垂直于LED表面的方向，大幅度地提高LED的光提取效率。
附图说明
图1是光子晶体LED层状结构示意图；
图2是光子晶体LED立体示意图。
其中，n型硅衬底1，AlN成核层2， AlN/AlGaN多层缓冲层3，光子晶体结构4，n型GaN外延层5，多重量子阱有源发光层6。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
参见图1－2，光子晶体结构发光二极管，其包括：作为生长发光二极管衬底的n型硅衬底1，在n型硅衬底1上设有AlN成核层2，在AlN成核层2上生长有AlN/AlGaN多层缓冲层3，在此多层缓冲层3表面制备有光子晶体结构4，在此光子晶体结构4上生长n型GaN外延层5，在n型GaN外延层5上生长有InGaN多量子阱有源发光层6；
AlN成核层2和AlN/AlGaN多层缓冲层3来作为n型硅衬底1和n型GaN外延层5之间的缓冲介质；
在AlN/AlGaN多层缓冲层3内刻蚀形成光子晶体微结构；p型电极和n型电极分别制作在p型GaN外延层表面和n型硅衬底1背面。
所述AlN成核层2生长厚度为25-200nm。
所述AlN/AlGaN多层缓冲层3厚度为100-200nm。
所述该光子晶体结构4的晶格周期范围为200-600nm，刻蚀深度为100nm-200nm。
所述光子晶体结构发光二极管为垂直结构，电流垂直流过光子晶体结构发光二极管的n型GaN外延层5。
光子晶体结构4深入到AlN成核层2内。
具体而言，本发明提供一种光子晶体结构氮化镓基LED，其层结构特征包括：
1)        n型硅衬底；
2)        AlN成核层；
3)        AlN/AlGaN多层缓冲层；
4)        光子晶体结构：利用激光全息干涉技术在多层缓冲层表面刻蚀形成具有亚微米周期性微结构的光子晶体；
5)        生长于具有光子晶体结构的多层缓冲层上的n型氮化镓层；
6)        生长于n型氮化镓层上的多重量子阱有源发光层；
7)        生长于有源层上的p型氮化镓层；
8)        p型电极和n型电极，其中p型电极制作在p型氮化镓层上，n型电极制作在n型硅衬底背面。
本发明中的氮化镓基LED衬底采用n型硅衬底。硅的导电导热性能良好，可以明显改善器件的电流分布和散热性能，从而可延长器件的使用寿命。
本发明中的氮化镓基LED结构为垂直结构，p型和n型接触分别制备在p型氮化镓层和n型硅衬底背面，电流垂直流过LED外延层，可一举解决传统水平结构LED的电流分布不均问题，并显著增加LED的有效发光面积。
本发明中通过引入AlN成核层和AlN/AlGaN多层缓冲层，可极大地缓解硅衬底上外延生长氮化镓材料时所伴随的应力，提高外延层晶体质量，从而有效提高LED的内量子效率。
如图1所示，在n型硅衬底1上先后生长厚度为25-200nm的AlN成核层2和厚度为100-200nm的AlN/AlGaN多层缓冲层3。然后在此多层缓冲层表面以激光全息干涉法和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备光子晶体结构4。该光子晶体的晶格周期范围为200-600nm，刻蚀深度不超过AlN成核层和AlN/AlGaN多层缓冲层的总厚度，即一般为100nm-200nm范围。在制备完成光子晶体结构并经过彻底清洗之后，再在此光子晶体结构上生长n型GaN外延层5和InGaN多量子阱有源发光层6。本发明的光子晶体结构也可起到一般图形化衬底的作用，即一方面有助于减少GaN基LED外延层中的位错密度，获得高质量的外延薄膜，从而能够显著提高LED的内量子效率；另一方面可以改变LED内部光线的行进方向，使更多的光线能够满足LED出射条件，减少LED芯片和空气界面处的全反射现象，从而有效提高LED的光提取效率。
更重要的是，本发明所提供的光子晶体结构，通过改变光子晶体的晶格周期，能够使LED有源区发出的可见光或紫外光的中心波长恰好落在光子晶体的光子带隙中，从而由于光子晶体所特有的光子带隙效应，导致LED有源区所发出的光线被完全反射回LED的出光表面；并且光子晶体结构能将沿着不同方向传播的光子能量耦合至垂直于LED表面的方向，因此可以极大地提高LED的光提取效率和LED有效发光功率。同时，刻蚀出的光子晶体所形成的额外导电通路可实现比普通硅衬底垂直结构的GaN基LED更好的电流扩散效果，从而显著提高LED的电致发光效率。
本发明中通过在多层缓冲层内制备周期性光子晶体微结构，利用光子晶体带隙效应，可有效抑制内全反射现象，大幅度地提高LED的光提取效率。
以上所述仅为本发明中的较佳实施方式，本发明中的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1. 一种光子晶体结构发光二极管，其特征在于：其包括：作为生长发光二极管衬底的n型硅衬底（1），在n型硅衬底（1）上设有AlN成核层（2），在AlN成核层（2）上生长有AlN/AlGaN多层缓冲层（3），在此多层缓冲层（3）表面制备有光子晶体结构（4），在此光子晶体结构（4）上生长n型GaN外延层（5），在n型GaN外延层（5）上生长有InGaN多量子阱有源发光层（6）；
AlN成核层（2）和AlN/AlGaN多层缓冲层（3）来作为n型硅衬底（1）和n型GaN外延层（5）之间的缓冲介质；
在AlN/AlGaN多层缓冲层（3）内刻蚀形成光子晶体微结构；p型电极和n型电极分别制作在p型GaN外延层表面和n型硅衬底（1）背面。
2. 根据权利要求1所述的光子晶体结构发光二极管，其特征在于：所述AlN成核层（2）生长厚度为25-200nm。
3.根据权利要求1所述的光子晶体结构发光二极管，其特征在于：所述AlN/AlGaN多层缓冲层（3）厚度为100-200nm。
4.根据权利要求1所述的光子晶体结构发光二极管，其特征在于：所述该光子晶体结构（4）的晶格周期范围为200-600nm，刻蚀深度为100nm-200nm。
5.根据权利要求1所述的光子晶体结构发光二极管，其特征在于：所述光子晶体结构发光二极管为垂直结构，电流垂直流过光子晶体结构发光二极管的n型GaN外延层（5）。
6.根据权利要求1所述的光子晶体结构发光二极管，其特征在于：光子晶体结构（4）深入到AlN成核层（2）内。
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