CN103489982B - 一种基于光子晶体-单层石墨烯结构的led - Google Patents
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Abstract
一种基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，属于LED技术领域，从上到下依次：二氧化硅保护层、单原子层石墨烯、接触层（可有可无）、LED芯片p-GaN层、LED芯片多量子井发光层、LED芯片n-GaN层、蓝宝石衬底，其中LED芯片p-GaN层为光子晶体结构，保护层覆盖了除了正电极和负电极以外的所有部分。本发明采用将光子晶体和单层石墨烯相结合的结构能够达到极大提高出光效率同时没有使用ITO的目的。
Description
技术领域
本发明是一种基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，涉及一种能极大提高出光效率的LED结构，属于LED技术领域。
技术背景
随着LED技术的不断发展，LED越来越多的应用在照明和显示领域。LED作为照明光源，与传统光源相比具有环保、节能等优点，LED取代白炽灯、荧光灯成为下一代照明光源的潜力和优势越来越明显。近年来，GaN-LED作为制作白光LED的核心部分，在高亮度和多色彩的LED需求中，具有极其重要的地位。LED是将来社会发展所需要的更高亮度、更低能耗的理想照明器件。由于环境和资源的限制性，发展低能环保的LED，越来越迫切。
LED要在照明领域完全替代其他光源，迫切需要提高出光效率。LED的出光效率取决于外量子效率和内量子效率的乘积。现在GaN-LED的内量子效率已经可以达到70％以上，而外量子效率还很低，主要由于LED表面与空气界面的全反射条件限制。有源层发出的光，因为GaN的折射率2.48远大于空气的折射率1，所以光在GaN和空气的分界面处被阻挡，导致出光效率不高，损失的能量最终转化为热能，损害发光器件，LED照明取代传统光源的关键之一就是提高出光效率，最迫切的就是提高外量子效率。
传统GaN-LED，氧化铟锡(ITO)作为透明导电层，是目前应用最广泛的透明电极材料，但是制备温度很高，并且昂贵，主要因其需要在表面生长稀缺的铟，铟的价格高昂且供应受限。ITO材料比较脆，缺乏柔韧性，使其不能满足一些新应用(例如可弯曲)的性能要求，并且制作电极工程中需要在真空中沉积而成本比较高，ITO的透光率仅为90％。ITO材料的这些局限性尤其是铟稀缺这一瓶颈，使得寻找能够替代ITO作为透明导电层的材料显得越来越迫切。
综上可知，提高外量子效率和寻找替代ITO作为透明导电层的材料，决定着LED能否完全替代传统光源,因此，开发一种能够提高出光效率且不使用ITO作为透明导电层的LED,显得越来越迫切。
发明内容
本发明的目的是针对传统GaN-LED的不足而设计一种基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，能够达到极大提高出光效率同时没有使用ITO的目的。有别于传统的GaN-LED的结构,本发明的结构在半导体芯片制造领域具有重要的应用意义。
本发明利用光子晶体-单层石墨烯结构，由于光子晶体的禁带带隙结构和布拉格散射，禁带带隙结构使得从LED内部出射的光在水平方向被禁止传播而在竖直方向穿透LED出射，如果光的频率在禁带之上，光子晶体的布拉格散射可以把这些光的模式耦合成辐射模式。设计的光子晶体，单位周期内空气孔占的面积比高达75％。
传统GaN-LED，由于GaN的折射率为2.48(比空气折射率1大的多)，使得有源层发出的光绝大部分在GaN和空气的分界面被阻挡而不能透射出去。本发明利用光子晶体-单层石墨烯结构，把光子晶体-单层石墨烯作为和空气接触的薄层，所设计的结构使薄层的折射率小于2.48，薄层和空气的折射率相匹配，是一种增透薄膜，使得有源层发出的光不会在分界面处被阻挡而是能够透射出去。
本发明中LED内部的光主要从光子晶体的空气孔射出，有别于传统GaN-LED。
传统的GaN-LED结构，有源层发出的光需要穿过几十到几百纳米厚的ITO。本发明结构中空气孔内是没有任何插入层的，这是本发明的最大优势。
单层石墨烯厚度为一个原子大小，透光很好，透光率高达97％，远远高于240nm厚ITO的平均透光率90％。单层石墨烯对光的反射也是很小的，小于0.1％。
石墨烯是由无处不在、价格低廉的碳所组成独特的二维晶体结构，具有优异的光学、热学、电学性能。石墨烯与ITO相比，除了成本较低外，它还有诸如重量轻、柔韧性佳、机械强度与化学稳定性高等优点。
本发明由于采用光子晶体-单层石墨烯结构，所以内部发出的光主要从空气孔仅仅是通过厚度为一个原子大小的单层石墨烯透射出，在空气孔内光没有穿过任何插入层，有别于传统GaN-LED结构，可以达到极大提高出光效率的目的。
基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，其特征在于：最上层为二氧化硅保护层(101)，二氧化硅保护层(101)下面是单层石墨烯(102)，二氧化硅保护层(101)覆盖了除了正电极(100)和负电极(108)以外的所有部分，单层石墨烯(102)下面依次为接触层(103)、LED芯片p-GaN层(104)；LED芯片p-GaN层(104)上方为正电极(100)，LED芯片p-GaN层(104)下面依次为LED芯片多量子井发光层(105)、LED芯片n-GaN层(106)，LED芯片n-GaN层(106)上有LED负电极(108)，整个LED芯片n-GaN层(106)的下面为蓝宝石衬底(107)；其中LED芯片p-GaN层(104)具有光子晶体结构，光子晶体的设计如下：空气圆孔六角形排列，相邻两个圆孔圆心间的距离A＝450nm-470nm，圆孔的半径r＝200nm-220nm，空气圆孔的深度为100nm-130nm；接触层(103)与LED芯片p-GaN层(104)表层相符。
实验证明采用A＝470nm，r＝220nm，h＝130nm的光子晶体和单层石墨烯结合的LED，出光效率提高了40％；采用A＝460nm，r＝210nm，h＝120nm的光子晶体和单层石墨烯结合的LED,出光效率提高了45％。
p-GaN层上方有接触层，用于石墨烯和p-GaN的接触。
光子晶体结构上方是厚度为一个原子大小的单层石墨烯(102)。
本发明的特点：
(a)采用光子晶体和单层石墨烯相结合的结构。
(b)光子晶体的设计如下：空气圆孔六角形排列，相邻两个圆孔圆心间的距离A＝460nm，圆孔的半径r＝210nm，空气圆孔的深度为120nm,即空气孔占单位周期的面积比为75％。
(c)包括有接触层和无接触层两种结构。
(d)采用的石墨烯是单层的。
(e)光子晶体的空气孔内没有任何插入层。
(f)LED内部的光穿过空气孔不经过任何插入层，只是通过单层石墨烯透射出去。
(g)把光子晶体-单层石墨烯结构当作一薄层，薄层的等效折射率和空气的折射率匹配，薄层是一种增透膜。
(h)随着技术的进步，将来石墨烯和p-GaN接触不需要接触层时，结构如图2。
本发明采用光子晶体和单层石墨烯相结合的结构。相对传统GaN-LED，降低使用ITO的高昂成本，克服了使用ITO的现存缺点。由于LED内部透射出去的光增多，转化为热能的光减少，所以提高了LED的散热性能。
本发明与传统GaN-LED结构相比，具有以下显而易见的突出优点和显著进步:极大提高出光效率，同时没有使用ITO。
附图说明
图1是LED芯片结构示意图(有接触层)；图1中100…正电极，101…二氧化硅保护层，102…单层石墨烯，103…接触层，104…LED芯片p-GaN层，105…LED芯片多量子井发光层，106…LED芯片n-GaN层，107…蓝宝石衬底层，108…负电极；
图2是LED芯片结构示意图(无接触层)；
图3是光子晶体结构示意图；
图4为制备过程示意图。
具体实施方式
基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED如图1所示，其中制备方法过程可参见图4。首先使用电子束蒸发，在p-GaN上淀积一层1nm厚的接触层。
用感应耦合等离子体刻蚀(ICP),将负电极部分刻饰出来，深度1.2um。
在p-GaN对应部分用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)将光子晶体结构制作出来，参见图3，相邻圆心距离A＝460nm，圆半径r＝210nm，圆孔深度h＝120nm。
将单层石墨烯转移到LED上。
溅射钛金电极(50nm)。
用PECVD淀积二氧化硅保护层(300nm)。
相对传统GaN-LED，本发明出光效率可以提高40％以上。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，其特征在于：最上层为二氧化硅保护层(101)，二氧化硅保护层(101)下面是单层石墨烯(102)，二氧化硅保护层(101)覆盖了除了正电极(100)和负电极(108)以外的所有部分，单层石墨烯(102)下面依次为接触层(103)、LED芯片p-GaN层(104)；LED芯片p-GaN层(104)上方为正电极(100)，LED芯片p-GaN层(104)下面依次为LED芯片多量子井发光层(105)、LED芯片n-GaN层(106)，LED芯片n-GaN层(106)上有LED负电极(108)，整个LED芯片n-GaN层(106)的下面为蓝宝石衬底(107)；其中LED芯片p-GaN层(104)具有光子晶体结构，光子晶体的设计如下：空气圆孔六角形排列，相邻两个圆孔圆心间的距离A＝450nm-470nm，圆孔的半径r＝200nm-220nm，空气圆孔的深度为100nm-130nm；接触层(103)与LED芯片p-GaN层(104)表层相符。
2.按照权利要求1的基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，其特征在于：不包括接触层(103)，采用光子晶体和单层石墨烯直接相结合的结构。
3.按照权利要求1或2的基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，其特征在于：光子晶体采用A＝470nm，r＝220nm，h＝130nm。
4.按照权利要求1或2的基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，其特征在于：光子晶体采用A＝460nm，r＝210nm，h＝120nm。
5.按照权利要求1或2的基于光子晶体-单层石墨烯结构的LED，其特征在于：光子晶体结构上方是厚度为一个原子大小的单层石墨烯(102)。
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