CN102945902B - 一种光子晶体结构的发光二极管及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光子晶体结构的发光二级管，该发光二级管自下至上顺序设置有衬底（101）、缓冲层（102）、n型GaN外延层（103）、InGaN/GaN多量子阱的有源发光层（105）、p型GaN外延层（106）、p型超晶格结构（107）、透明导电层（109）、钝化层（110），在n型GaN外延层（103）上还设有n型电极（104），在透明导电层（109）上还设有p型电极（111），在p型超晶格结构（107）中制备有光子晶体结构（108）。所述的发光二级管适用于GaN基LED，也适用于需要提高某一波段反射率的其它光电子器件。

Description

一种光子晶体结构的发光二极管及其应用

技术领域

本发明属于半导体光电器件制造技术领域，主要涉及一种在LED的超晶格中制作的光子晶体结构，是一种利用超晶格结构和光子晶体的禁带效应有效降低p型欧姆接触、提高LED光提取效率的制造技术。 

背景技术

LED是当前电子信息工业应用最为广泛的有源器件，而且高亮度LED在能量转换过程中仅释放少量的热量，具有高效、节能、环保和寿命长等优点，使其在动态显示、半导体照明领域有较好的应用前景。 

随着外延生长技术的提高，GaN基LED的亮度和效率得到了明显的改善。但为了实现高性能的LED器件，进一步提高p型GaN层的质量是十分关键的。研究者已经在实验上[1]验证了在GaN基LED的表面引入超晶格结构可以增加电子空穴的复合发光效率；并在理论和实验上[2~5]证实了光子晶体结构的引入能有效地提高LED的光提取效率。 

在将超晶格引入LED时，可置于LED中的p-GaN层之上或者之下，均会因超晶格产生的二维空穴气而增大电子空穴的复合发光效率。但是，本发明选择将超晶格置于p-GaN层之上，这样做不仅有利于发光效率的提升，还因为超晶格结构充当了欧姆接触层，使得空穴遂穿金属层和超晶格层的几率增加，从而可以降低p型层的欧姆接触电阻。 

而在利用光子晶体结构提高GaN基LED出光效率的研究中，光子晶体结构一般被制作在p型GaN的表层。但是在p型GaN层引入光子晶体结构会减弱p型GaN层和金属的欧姆接触特性，而且光子晶体的刻蚀工艺也可能导致对器件p型GaN层和LED有源区的损伤。因此，本发明选择在p型GaN上首先制备超晶格结构，然后在其上制作光子晶体。本发明提供的制作方法一方面可以保护p型GaN层不被损伤，另一方面可以克服因p型GaN层较薄不利于制作较大深度的光子晶体结构这一缺陷，从而可以有效地提高GaN基LED的出光效率。 

参考文献 

[1]C.Liu,T.Lu,L.Wu,H.Wang,Y.Yin,G.Xiao,Y.Zhou,and S.Li,“EnhancedPerformance of Blue Light-Emitting Diodes With InGaN/GaN Superlattice as HoleGathering Layer”,IEEE Photonics Technology Lett.Vol.24,NO.14,July 15,2012. 

[2]张雄，王璨璨，陈洪钧，张沛元，崔一平：“一种光子晶体结构发光二极管”.中国专利,申请号：CN102361053A，申请日期：2012-02-22。 

[3]J.Shakya,K.H.Kim,J.Y.Lin,and H.X.Jiang,“Enhanced light extraction inIII-nitride ultraviolet photonic crystal light-emitting diodes”,Appl.Phys.Lett.85,142(2004). 

[4]Jonathan J.Wierer,Jr,Aurelien David and Mischa M.Megens,“III-nitridephotonic-crystal light-emitting diodes with high extraction efficiency”,NaturePhotonics 3,163-169(2009). 

[5]S.Kawashima,_T.Kawashima,Y.Nagatomo,Y.Hori,H.Iwase,T.Uchida,K.Hoshino,A.Numata,and M.Uchida,“GaN-based surface-emitting laser withtwo-dimensional photonic crystal acting as distributed-feedback grating and opticalcladding”,Appl.Phys.Lett.97,251112(2010). 

发明内容

技术问题：针对上述现有具有光子晶体结构的GaN基LED及其制备方法中所存在的问题和不足，本发明所提供的一种光子晶体结构的发光二级管，既能够解决现有GaN基LED的复合发光效率和光提取效率低下的问题，又能够避免由于引入光子晶体可能会对p型GaN层和LED有源区所造成的损伤。而且，本发明在p-GaN层上生长超晶格结构既可以获得高的空穴浓度从而增加电子空穴的复合发光效率，又可以增大空穴遂穿金属层和超晶格层的几率以降低p层的欧姆接触电阻。另外，本发明通过在p型GaN之上的超晶格结构中制作光子晶体，一方面可以保护p型GaN层不被损伤，另一方面可以避免因p型GaN层较薄不利于制作较大深度的光子晶体结构这一缺陷，从而能够显著地提高LED的出光效率。 

技术方案：本发明提供一种光子晶体结构的发光二级管。该发光二级管自下至上顺序设置有衬底、缓冲层、n型GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱的有源发光层、p型GaN外延层、p型超晶格结构、透明导电层、钝化层，在n型GaN外延层上还设有n型电极，在透明导电层上还设有p型电极，在p型超晶格结构中制备有光子晶体结构。 

所述的p型超晶格结构为Mg掺杂的p型超晶格结构，该种p型超晶格结构为p-InGaN/GaN、p-AlGaN/GaN或p-InGaN/AlGaN中的任意一种，该种超晶格结 构的周期数即重复次数范围为1-20，每个周期的厚度为5-20nm。 

所述的光子晶体结构，该种光子晶体包括空气孔型和介质柱型两种结构：对于空气孔型光子晶体，晶格周期范围为100-1000nm，空气孔的直径为100-1000nm，空气孔的高度为10-400nm；对于介质柱型光子晶体，则晶格周期范围为100-1000nm，介质柱的直径为100-1000nm，介质柱的高度为10-400nm。 

所述的介质柱或空气孔的形状为锥形、柱形、棱锥形、棱台形或半球形中的任一种；制作于发光二级管LED中的光子晶体的类型为正方晶格、三角晶格、蜂窝晶格或光子准晶体中的任一种。 

本发明的光子晶体结构的发光二级管适用于GaN基LED，也适用于需要提高某一波段反射率的其它光电子器件。 

优选的情况下，所述光子晶体结构为介质柱型光子晶体，并且介质柱顶端的形状为半球形； 

优选的情况下，所述光子晶体结构的类型为三角晶格光子晶体或十二重对称的光子准晶结构。 

有益效果：根据本发明所提供的新型光子晶体结构的GaN基LED和制备方法，在GaN基LED的p-GaN层上生长超晶格结构既可以获得高的空穴浓度从而增加电子空穴的复合发光效率，又可以增大空穴遂穿金属层和超晶格层的几率来降低p层的欧姆接触电阻。其次，通过在p型GaN之上的超晶格结构中制作光子晶体，一方面可以保护p型GaN层不被损伤，另一方面可以避免因p型GaN层较薄不利于制作较大深度的光子晶体结构这一问题，从而能够显著地提高LED的出光效率。 

附图说明

图1为具有新型光子晶体结构的LED的侧视图； 

图2为现有技术制备的带有光子晶体结构的LED的侧视图； 

图3所示为本发明所制备的光子晶体结构的侧视图。 

图4（a）为LED中的正方晶格光子晶体的结构示意图； 

图4（b）为LED中的三角晶格光子晶体的结构示意图； 

图4（c）为LED中的蜂窝晶格光子晶体的结构示意图； 

图4（d）为LED中的十二重对称的光子准晶的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

如图1所示为本发明所提供的一种具有新型光子晶体结构的LED的侧视图。该LED的结构要素包括：衬底101，缓冲层102，n型GaN外延层103，n型电极104，InGaN/GaN多量子阱的有源发光层105，p型GaN外延层106，p型超晶格结构107，在p型超晶格结构107中制备的光子晶体结构108，透明导电层109，钝化层110，p型电极111。 

如图2所示为现有技术制备的带有光子晶体结构的LED的侧视图。其构成要素包括：衬底201，缓冲层202，n型GaN外延层203，n电极204，InGaN/GaN多量子阱的有源发光层205，p型GaN外延层206，直接制备于p-GaN层中的光子晶体结构207，透明导电层208，钝化层209，p型电极210。 

图3所示为本发明所制备的光子晶体结构的侧视图。本发明的光子晶体结构可以为介质柱型或者空气孔型光子晶体； 

图4（a）、（b）、（c）、（d）分别为本发明的LED中所能采用的正方晶格光子晶体、三角晶格光子晶体、蜂窝晶格光子晶体、十二重对称的光子准晶体的结构示意图。其中光子准晶体结构可以是五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称四种结构中的任一种。而本发明所述新型光子晶体结构的介质柱或空气孔的形状可以为锥形、柱形、棱锥形、棱台形、半球形中的任一种。 

通过在p型GaN之上的超晶格结构中制作光子晶体，使得本发明提供的GaN基LED与现有技术制备的LED相比具备两方面的优势：首先，在p-GaN层上生长超晶格结构既可以获得高的空穴浓度从而增加电子空穴的复合发光效率，又可以增大空穴遂穿金属层和超晶格层的几率来降低p层的欧姆接触电阻；其次，通过在p型GaN层上的超晶格多层结构中制作光子晶体，一方面可以保护p型GaN层不被损伤，另一方面可以避免因p型GaN层较薄不利于制作较大深度的光子晶体结构这一问题，从而能够显著地提高LED的出光效率。 

本发明不仅适用于同侧结构的GaN基LED，对于垂直结构以及正、倒装的GaN基LED结构也同样适用。 

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明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做的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。 

Claims (3)

1.一种光子晶体结构的发光二极管，其特征在于该发光二极管自下至上顺序设置有衬底(101)、缓冲层(102)、n型GaN外延层(103)、InGaN/GaN多量子阱的有源发光层(105)、p型GaN外延层(106)、p型超晶格结构(107)、透明导电层(109)、钝化层(110)，在n型GaN外延层(103)上还设有n型电极(104)，在透明导电层(109)上还设有p型电极(111)，在p型超晶格结构(107)中制备有光子晶体结构(108)； 

所述的p型超晶格结构(107)为Mg掺杂的p型超晶格结构，该种p型超晶格结构为p-InGaN/GaN、p-AlGaN/GaN或p-InGaN/AlGaN中的任意一种，该种超晶格结构的周期数即重复次数范围为1-20，每个周期的厚度为5-20nm； 

所述的光子晶体结构(108)，该种光子晶体包括空气孔型和介质柱型两种结构：对于空气孔型光子晶体，晶格周期范围为100-1000nm，空气孔的直径为100-1000nm，空气孔的高度为10-400nm；对于介质柱型光子晶体，则晶格周期范围为100-1000nm，介质柱的直径为100-1000nm，介质柱的高度为10-400nm。 

2.根据权利要求1所述的光子晶体结构的发光二极管，其特征在于所述的介质柱或空气孔的形状为锥形、柱形、棱锥形、棱台形或半球形中的任一种；制作于发光二极管LED中的光子晶体的类型为正方晶格、三角晶格、蜂窝晶格或光子准晶体中的任一种。 

3.一种如权利要求1所述的光子晶体结构的发光二极管的应用，其特征在于所述的发光二极管适用于GaN基LED，也适用于需要提高某一波段反射率的其它光电子器件。