CN103094436A

CN103094436A - 基于光子晶体的新型发光二极管

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Publication number: CN103094436A
Application number: CN2013100188919A
Authority: CN
Inventors: 李萍; 韩志中; 张兰兰; 梁高峰; 雷茂生; 赵新峰; 张霞; 赵彬; 姜婷; 宋霄薇; 蔺利峰; 乔晓岚
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: CN103094436B

Abstract

基于光子晶体的新型发光二极管，设有LED芯片，LED芯片括基材、第一表面层、第二表面层和发光晶体层，所述的发光晶体层由N型材料层，N型电极层，有源层，P型材料层和P型电极层组成，利用光子晶体的光子禁带特性，即当频率位于光子禁带频率范围内的光入射到光子晶体时，由于光子晶体没有与之相对应的传输模式，入射波就会完全地被反射回去。因此可以在普通LED中加入光子晶体，使在LED内部发生折射、吸收等不能传输出来的光完全反射，变为能够传输出灯体被人们利用的光，从而提高发光功率能源的利用效率。

Description

基于光子晶体的新型发光二极管

技术领域

本发明涉及一维光子晶体技术领域，具体涉及基于光子晶体的新型发光二极管。

背景技术

发光二极管（LED）是一种电致发光的光电器件，它的应用对社会的能源发展具有重要意义。它从最初发现生产到现在已经有30多年的历史了，是一种正逐步发展并已经得到广泛应用的固态光源。如今，各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及与LED配套的产品(如白光LED驱动器)发展迅速，新产品不断上市，已发展成不少新型产业。LED具有寿命长、可靠性高、环保、体积小等诸多优点，被称为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源。

虽然标准发光二极管的理论内量子效率接近100%，但由于在发光二极管内部有高折射率的半导体材料存在，光在二极管内部发生无数次内反射、内全反射后无法耦合到外部环境，使的发光二极管的光源外输出效率通常比较低。以前，由于LED的发光功率很低只能用于显示照明，主要的应用只有：信号灯和数字及字母显示。但是随着LED产业的进一步发展，LED的应用市场越来越广阔，在发展到一定阶段LED既可作为照明设备和短距离光纤通信的非相干光源，也可作为显示、检测、医学、化学与生物学等应用领域的潜在光源。所以提高LED的发光效率迫在眉睫。

传统的提高LED的方法有采用倒金字塔形结构、增加反射层和表面粗化的薄膜结构等，它们都能对LED的发光效率起到一定的改善作用，但是由于封装不严、工艺复杂、设计成本过高等问题，提高发光二极管光输出效果都不够理想，不适合低成本的大规模生产。

光子晶体的理论自从1987年由Yablonovitch和Jhon分别独立提出以来得到长足的发展。光子晶体是由周期性排布的不同介电常数的介质所组成的人工材料。现代研究认为光子晶体特性主要有三种：光子禁带、抑制自发辐射、光子局域化。光子晶体因其特性目前已有广泛的应用，如光子晶体光纤、光子晶体偏振器、高效率低损耗反射镜、光子晶体波导、光子晶体天线、光子晶体宽带带阻滤波器和超窄带滤波器、光子晶体密集波分复用器、光子晶体光开关、和光子晶体发光二极管等。美国专利第6,13,780号公开了一由全方向一维光子晶体所制成的全方向反射镜，当入射光的波长落在光子禁带内时，可全反射任何一入射角的光，此处所公开的全方向反射镜是多个成对出现的高低折射率层的介电材料构成且两介电材料的折射率需达到一定的折射率差。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种基于光子晶体的新型发光二极管，利用光子晶体的光子禁带特性，即当频率位于光子禁带频率范围内的光入射到光子晶体时，由于光子晶体没有与之相对应的传输模式，入射波就会完全地被反射回去。因此可以在普通LED中加入光子晶体，使在LED内部发生折射、吸收等不能传输出来的光完全反射，变为能够传输出灯体被人们利用的光，从而提高发光功率能源的利用效率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于光子晶体的新型发光二极管，设有LED芯片， LED芯片括基材、第一表面层、第二表面层和发光晶体层，所述的发光晶体层由N型材料层，N型电极层，有源层，P型材料层和P型电极层组成，第一表面层和第二表面层为光子晶体，基材上设有第一表面层，在第一表面层上依次增加N型材料层、N型电极层、有源层、P型材料层，P型电极层和第二表面层。

本发明所述的基材上采用外延生长技术增加第一表面层。

本发明所述的第一表面层和第二表面层的光子禁带的范围为370nm—790nm。

本发明所述的第一表面层和第二表面层的复合光子晶体的结构为（AB）_n（AB）_m，其中n=m，n≥5。

本发明所述的A为氧化物，A为二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆、氧化锌、三氧化二钕或五氧化二铌中的一种。

本发明所述的B为氧化物或氟化物，B为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氟化锂、氟化镁或氟化钠中的一种。

本发明所述的A为氧化钛，B为二氧化硅，（AB）_n中A的晶格常数为a=0.0000000615;B的晶格常数为b=0.000000102724，（AB）_m中A的晶格常数为r=0.00000004;B的晶格常数为t=0.00000007724。

本发明所述的A和B的厚度为λ/4n，其中，λ为中心波长，n为折射率。

本发明的有益效果是：

1、与原有的工艺相比，光子晶体的镀膜过程出方法简便要求相对不高，减少了二极管在加工反制材料过程中出现损坏。

2、本申请利用光子晶体作为反射层，相比金属反射层和高分子聚合物，减少对光的吸收，更能提高发光二极管的发光效率。

3、本申请使用TiO2和SiO2作为光子晶体的第一第二介电层，两种材料的折射率差较大为1.25，达到光子晶体材料要求。这两种材料方便易得，易于加工，能够改变以往光子晶体不能低成本、大批量生产的缺陷，材料方便易得，加工方便，大大降低了成本。

3、本申请采用复合层提高了光子禁带，能够更多的提高反射率，更大的提高发光效率。

4、本申请光子禁带宽度在白光范围内，能够使发光二极管更多的发射白光，达到照明的目的。

5、普通发光二级管的外量子效率在2%左右，通过表面微粗化技术亮度提高了25％，芯片非极性面／半极性面生长技术发光效率为30％以上，倒装芯片技术，外量子效率达到21％等。通过理论分析，从仿真图可以看出光子晶体的反射率为5层以上95%，10层以上100%，对二极管的发光效率的提升均在80%以上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的(AB)_n单层反射率随波长的变化曲线；

图3 为本发明的(AB)_m单层反射率随波长的变化曲线；

图4为本发明的(AB)_n(AB)_m五层反射率随波长的变化曲线；

图5为本发明的(AB)_n(AB)_m八层反射率随波长的变化曲线；

图6为本发明的(AB)_n(AB)_m十层反射率随波长的变化曲线；

图7为本发明的(AB)_n(AB)_m十二层反射率随波长的变化曲线；

图8为本发明的(AB)_n(AB)_m二十层反射率随波长的变化曲线；

图中：1、基材，2、第一表面层，3、第二表面层，4、N型材料层，5、N型电极层，6、有源层，7、P型材料层，8、P型电极层。

具体实施方法

如图所示，基于光子晶体的新型发光二极管，设有LED芯片， LED芯片括基材1、第一表面层2、第二表面层3和发光晶体层，所述的发光晶体层由N型材料层4，N型电极层5，有源层6，P型材料层7和P型电极层8组成，第一表面层2和第二表面层3为光子晶体，两个表面层的光子晶体结构相同，基材1上设有第一表面层2，在第一表面层2上依次增加N型材料层4、N型电极层5、有源层6、P型材料层7，P型电极层8和第二表面层3，第二表面层3设置在P型电极层8的一侧，在P型电极层8和N型电极层5上设有多个用于连接电源的焊垫。

所述的基材1上采用外延生长技术增加第一表面层2。

所述的第一表面层2和第二表面层3的光子禁带的范围为370nm—790nm。

所述的第一表面层2和第二表面层3的复合光子晶体的结构为（AB）_n（AB）_m，其中n=m，n≥5。

所述的A为氧化物，A为二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆、氧化锌、三氧化二钕或五氧化二铌中的一种。

所述的B为氧化物或氟化物，B为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氟化锂、氟化镁或氟化钠中的一种。

所述的A为氧化钛，B为二氧化硅，（AB）_n中A的晶格常数为a=0.0000000615;B的晶格常数为b=0.000000102724，（AB）_m中A的晶格常数为r=0.00000004;B的晶格常数为t=0.00000007724。

所述的A和B的厚度为λ/4n，其中，λ为中心波长，n为折射率。

基于光子晶体的新型发光二极管结构有基材，第一表面层，发光晶体，第二表面层和多个焊垫组成。其中发光晶体分别有N型材料层，N型电极层，有源层，P型材料层，P型电极层形成。第一表面层、第二表面层为光子晶体。其组成结构如图5所示。基于光子晶体的发光二极管具有材质为蓝宝石的基材，基材上采用外延生长技术增加第一表面层（为复合层光子晶体），再在第一表面层上依次增加N型材料层，N型电极层，有源层，P型材料层，P型电极层，第二表面层（同第一表面层相同的复合层光子晶体），多层焊垫。构成的发光二级光，有发光晶体发射光，向下照射的光照射到第一表面层时，遇到光子晶体将光全反射回光子晶体。向下照射的光照射到第二表面层时，遇到光子晶体将光全反射回光子晶体。以此来提高光子晶体的发光效率。多层焊垫为封装时连接电源所用。

第一表面层为第二表面层为复合光子晶体，光子晶体为复合层结构，材料采用TiO2和SiO2。na=2.7;nb=1.45;a=0.0000000615;b=0.000000102724;na为TiO2折射率，a为TiO2晶格常数，nb为SiO2折射率，b为SiO2晶格常数。通过MATLAB仿真，结果如图2所示，其禁带范围是520nm—790nm，将此作为光子晶体第一层。光子晶体为复合层结构，材料采用TiO2和SiO2。nr=2.7;nt=1.45;r=0.00000004;t=0.00000007724;nr为TiO2折射率，r为TiO2晶格常数，nt为SiO2折射率，t为SiO2晶格常数。通过MATLAB仿真，结果如图3所示，其禁带范围是370nm—540nm，将此作为光子晶体第二层。将两层材料复合后得到如图4所示的仿真图其禁带宽度为370nm—790nm，其宽度包含白光的波长范围，能够有效的全反射光子晶体发出的光，达到提高发光二极管效率的目的。

由图可知，随着介电层周期数的不断增加，反射率越趋近于1（发生全反射），其禁带宽度为370nm—790nm（例如周期n=m=10），在白光波长（390nm—780nm)范围内，符合设计的要求。图中当周期数n=m>12层之后光带隙宽度几乎没有变化，只是带隙两侧的振荡数逐渐增加。所以它的周期数决定了光子晶体的禁带的位置和宽度，但这个宽度在周期数达到某一周期数后，周期数逐渐增加时的带隙宽度几乎没有变化，只是带隙两侧的振荡数逐渐增加。对我们的设计要求也没有影响，且周期数增加使光子晶体的制作成本增加。因此在本设计中我们选择介电层周期数为10层是最佳介电层周期数。但是在实际的生产中随着镀膜材料每增加一层成本就会成倍的增加，由图所示的反射率图可以观察到其介电周期数在5层时反射率已达到95%以上了，在实际生产生活中已达到要求。

以氧化钛、二氧化硅构成光子晶体结构为（AB）5（AB）5镀膜的方法步骤：

a. 加工一个f36mm的平板玻璃，作为基板，将基板双面抛光，立边抛光，并有垂直度的要求，4边有工艺倒角，拼接后有0.1～0.5mm的拼缝。

b. 将加工好的基板表面进行清洁化处理，采用酸性清洗液和去离子水分别清洗基板，然后置于热板上烘干，温度65°，时间10分钟。准备在真空镀膜机里完成光子晶体的加工。

c. 采用DM-450型真空镀膜机，钟罩尺寸： Φ 450 mm×540 mm，极限真空： ≤6.5×10-4 Pa, 抽气时间：真空度达到1.3×10-3 Pa时， t≤50 min。

d. 首先将基板放入真空镀膜机中，进行A介质晶格常数为0.0000000615二氧化钛的镀膜，二氧化钛折射率na=2.7，中心波长取660nm时，其镀膜厚度为

Figure 2013100188919100002DEST_PATH_IMAGE002

，即61.11nm，镀膜后干燥冷却30分钟。

e. 然后对基板进行B介质，晶格常数为0.000000102724二氧化硅的镀膜，二氧化硅折射率na=1.45，中心波长取660nm时，其镀膜厚度为

Figure 2013100188919100002DEST_PATH_IMAGE004

，即113.79nm，镀膜后干燥冷却30分钟。

f. 按照上述步骤依次对介质A、B按照设计厚度进行镀膜10次，在基板上镀膜实现的光子晶体结构为（AB）5。

g. 再按照正常镀膜步骤依次对晶格常数为0.00000004介质A、晶格常数为0.00000007724的B介质按照设计厚度进行镀膜10次，在基板上镀膜实现的光子晶体结构为（AB）5（AB）5。

相对于抗反射层材料来说用氧化硅和二氧化钛制成的光子晶体设计成本低、反射率高、物化性质稳定，在发光二级管的封装过程中可以避免由于高温高压对镀膜材料产生的变形和破坏。并且由光子晶体的镀膜过程可以看出方法简便要求相对不高。

Claims

1.基于光子晶体的新型发光二极管，设有LED芯片，其特征在于：LED芯片括基材（1）、第一表面层（2）、第二表面层（3）和发光晶体层，所述的发光晶体层由N型材料层（4），N型电极层（5），有源层（6），P型材料层（7）和P型电极层（8）组成，第一表面层（2）和第二表面层（3）为光子晶体，基材（1）上设有第一表面层（2），在第一表面层（2）上依次增加N型材料层（4）、N型电极层（5）、有源层（6）、P型材料层（7），P型电极层（8）和第二表面层（3）。

2.如权利要求1所述的基于光子晶体的新型发光二极管，其特征在于：所述的基材（1）上采用外延生长技术增加第一表面层（2）。

3.如权利要求1所述的基于光子晶体的新型发光二极管，其特征在于：所述的第一表面层（2）和第二表面层（3）的光子禁带的范围为370nm—790nm。

4.如权利要求1所述的基于光子晶体的新型发光二极管，其特征在于：所述的第一表面层（2）和第二表面层（3）的复合光子晶体的结构为（AB）_n（AB）_m，其中n=m，n≥5。

5.如权利要求4所述的基于光子晶体的新型发光二极管，其特征在于：所述的A为氧化物，A为二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆、氧化锌、三氧化二钕或五氧化二铌中的一种。

6.如权利要求4所述的基于光子晶体的新型发光二极管，其特征在于：所述的B为氧化物或氟化物，B为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氟化锂、氟化镁或氟化钠中的一种。

7.如权利要求4所述的基于光子晶体的新型发光二极管，其特征在于：所述的A为氧化钛，B为二氧化硅，（AB）_n中A的晶格常数为a=0.0000000615;B的晶格常数为b=0.000000102724，（AB）_m中A的晶格常数为r=0.00000004;B的晶格常数为t=0.00000007724。

8.如权利要求4所述的基于光子晶体的新型发光二极管，其特征在于：所述的A和B的厚度为λ/4n，其中，λ为中心波长，n为折射率。