CN107492586A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管，其可增加正向有效的光输出和/或通过组合式DBR结构将斜入射光最大效果反射。根据本发明的一个实施例，发光二极管，包括发光外延叠层，其具有相对的第一表面和第二表面，包含N型限制层、有源层和P型限制层，其中第一表面为出光面，所述外延叠层的下表面设为组合式DBR结构，其由N组DBR子层组合成，所述N组DBR子层从邻近有源层的第一对DBR子层起算，每组DBR子层的中心反射波长为分别为λ，λ+λ0，λ+2λ0……λ+(N‑1)*λ0，其中λ为所述有源层的发光波长，(N‑1)*λ0为有源层斜入射产生的最大蓝移量，λ0＞0。

Description

发光二极管
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种发光二级管。
背景技术
AlGaInP材料由于和GaAs衬底有良好的晶格匹配，其生长的高亮度LED内量子效率可以达到90%以上，但是其光萃取效率很低（只有20%-30%），现有很多在芯片端进行提高光萃取效率的手段，如生长DBR层，镀膜，粗化，外形设计等，其中采用DBR反射层常用手段之一，但是反射层从最下面反射出的光要经过多个界面，在界面处将发生再次反射，以大角度入射光的横向扩展增强，削弱了出光效率。
如图1为常规AlGaInP系LED外延结构，其中波导层AlGaInP与上下限制层AlInP之间、P限制层AlInP与窗口层GaP之间有较大的折射率差，有源区发光可视为点光源发光的组合，有各种角度的入射，随着入射角度的增大将会有很多入射光线通过介质界面层形成的横向波导，导向侧向出光或被晶体本身吸收。
发明内容
针对前述问题，本发明提出一种发光二极管，可采用渐变折射率界面减少斜入射光线的横向传播，增加正向有效的光输出，还可搭配组合式DBR结构将斜入射光最大效果反射。
根据本发明的第一个方面：发光二极管，包括发光外延叠层，其具有相对的第一表面和第二表面，包含N型限制层、有源层和P型限制层，其中第一表面为出光面，所述外延叠层的下表面设为组合式DBR结构，其由N对DBR子层组合成，所述N对DBR子层从邻近有源层的第一对DBR子层起算，每对DBR子层的中心反射波长分别为λ，λ+λ0，λ+2λ0……λ+(N-1)*λ0，其中λ为所述有源层的发光波长，(N-1)*λ0为有源层入射至DBR子层时产生的最大蓝移量，λ0＞0。
所述λ0取值可通过下面公式确定：
其中nh 、nl分别为每对DBR子层的高折射率层和低折射率层分别对λ波长光的折射率。
优选地，所述N≥3。
优选地，所述N的取值根据下面公式确定：
N=[(λ-λc)/ λ0+1]
其中λc为有源层斜入射至DBR子层时的最大蓝移波长。
优选地，每对DBR子层的材料可以为AlAs/ AlGaAs、AlAs/ AlGaInP、AlAs/ AlInP、lAs/InGaP、AlGaAs/ AlGaInP、AlGaAs/ AlInP、AlGaAs/ InGaP、AlGaInP/AlInP、AlGaInP/InGaP 、AlInP/InGaP等，且低折射率层与高折射率层的铝组分之差≧0.2。
优选地，所述N对DBR子层从邻近有源层的第一对DBR子层起算，每对DBR子层的厚度分别为λ/4n，(λ+λ0)/4n，(λ+2λ0)/4n……[λ+(N-1)*λ0]/4n，其中n为DBR子层的材料平均折射率。
优选地，在所述N型限制层与所述有源层之间还依次设有AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层和AlxGa(1-x)InP波导层，其中y由x渐变到1。
优选地，在所述P型限制层与所述有源层之间还依次设有AlxGa(1-x)InP波导层和AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层，其中y由x渐变到1。
优选地，所述AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层的厚度为1~100nm。
优选地，在所述p型限制层之远离所述有源层的一侧还设有AlaGa(1-a)InbP渐变层和GaP窗口层。
优选地，所述a的变化范围为1到0.1，b的变化范围为0.5至0.2。
优选地，所述AlaGa(1-a)InbP渐变层的厚度为10~50nm。
根据本发明的第二个方面，发光二极管，包括发光外延叠层，其具有相对的第一表面和第二表面，包含N型限制层、AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层、AlxGa(1-x)InP波导层、有源层、AlxGa(1-x)InP波导层、AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层和P型限制层，其中y由x渐变到1。
优选地，所述AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层的厚度为1~100nm。
优选地，在所述p型限制层之远离所述有源层的一侧还设有AlaGa(1-a)InbP渐变层和GaP窗口层。
优选地，所述a的变化范围为1到0.1，b的变化范围为0.5至0.2。
优选地，所述AlaGa(1-a)InbP渐变层的厚度为10~50nm。
优选地，所述外延叠层的下表面设为组合式DBR结构，其由N组DBR子层组合成，所述N组DBR子层从邻近有源层的第一组DBR子层起算，每对DBR子层的中心波长为分别为λ，λ+λ0，λ+2λ0……λ+(N-1)*λ0，其中λ为所述有源层的发光波长，(N-1)*λ0为有源层入射至DBR子层时产生的最大蓝移量，λ0＞0。
所述λ0取值可通过下面公式确定：
，
其中nh 、nl分别为每对DBR子层的高折射率层和低折射率层分别对λ波长光的折射率。
优选地，所述N的取值根据下面公式确定：
N=[(λ-λc)/ λ0+1]
其中λc为有源层斜入射至DBR子层时的最大蓝移波长。
优选地，所述N≥3。
优选地，所述N组DBR子层从邻近有源层的第一对DBR子层起算，每对DBR子层的厚度分别为λ/4n，(λ+λ0)/4n，(λ+2λ0)/4n……[λ+(N-1)*λ0]/4n，其中n为DBR子层的材料折射率。
本发明至少产生以下有益效果：
（1）在发光外延叠层的非出光面一侧设置组合式DBR结构，通过调节DBR的波长来反射相应波长的光，加长中心反射波长对有源区斜入射光进行有效反射；
（2）在波导层和限制层中加插入渐变介质波导层，形成渐变折射率界面，减少斜入射光线的横向传播，增加正向有效的光输出；
（3）加长p型限制层与窗口层中间的过渡组分跨度，使得折射率和晶格常数的变动更加趋于平缓。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为常规AlGaInP系LED外延结构示意图。
图2为本发明第一个实施例之一种发光二极管的结构示意图。
图3显示了图2所示发光二极管的正面出光临界角。
图4为入射角度与反射波长的关系。
图5为本发明第二个实施例之一种发光二极管的结构示意图。
图6为本发明第三个实施例之一种发光二极管的结构示意图。
图中标号表示如下：
100：衬底；110：常规AlAs/AlGaAs DBR结构；120：n型限制层；130：波导层；140：有源层；150：波导层；160：p型限制层；170：AlGaInP转换层；180：GaP窗口层；190：AlaGa(1-a)InbP渐变层；200，210：AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层；220：组合式DBR结构。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例一
请参看附图2，本发明第一个较佳实施例之四元系发光二极管，从上到下依次可以包括：衬底100、组合式DBR结构220、n型限制层120、波导层130、有源层140、波导层150、p型限制层160、AlaGa(1-a)InbP渐变层190、GaP窗口层180。
其中，衬底100可选用GaAs衬底。组合式DBR结构220由N组DBR子层组合成，其中N≥3为佳，较佳取值为3~5，调整每DBR子层的对应波长，以加长中心反射波长对有源区斜入射光进行有效反射。有源层140为多量子阱结构，其中垒层为Ala1Ga1-a1InP（0.1≤a1≤0.3），阱层为Ala2Ga1-a2 InP，其中a1＞a2，n型限制层120和、p型限制层160的材料根据有源层140的带隙进行选择，对于发光波长为670nm以上的有源层，其带隙较低，覆盖层可以直接选用AlGaAs或AlGaInP即可，对于发光波长为670nm以下，特别是640nm以下的有源层，其带隙较大，一般为1.9eV以上，则覆盖层需要采用高带隙材料，一般选用AlbIn1-bP材料(0＜b≤0.5)，在AlGaInP材料体系中，带隙最高的匹配材料为Al0.5In0.5P，因此在本实施例中，n型限制层120和p型限制层160均采用Al0.5In0.5P材料，因此可使得有源层140与p型限制层160之间带隙差最大化。在p型限制层160与窗口层180之间形成AlaGa(1-a)InbP渐变层190，厚度为10~50nm。其中Al组分a的变化范围为1到0.1 ，In组分b的变化范围为0.5至0.2，加长了过渡组分跨度，使得p型限制层160与窗口层180之间折射率和晶格常数的变动更加趋于平缓。
DBR结构位于外延结构的下表面（非出光面）一侧，主要用于反射有源区向下直射至DBR结构的光线。然而有源层为点光源的集合，斜入射光反射会出现蓝移，导致常规DBR结构无法反射。在本实施例中，采用组合式DBR结构，加长中心反射波长对有源区斜入射光进行有效反射。具体的，每对DBR子层的中心反射波长为分别为λ，λ+λ0，λ+2λ0……λ+(N-1)*λ0，其中λ为有源层的发光波长，(N-1)*λ0为有源层斜入射至DBR子层时产生的最大蓝移量，λ0＞0，参照下表面设置每对DBR子层。
组合式DBR结构 中心反射波长 厚度d
第一个DBR子层 Λ λ/4n
第二个DBR子层 λ+λ0 (λ+λ0)/4n
第N个DBR子层 λ+(N-1)*λ0 [λ+(N-1)*λ0]/4n
其中，每对DBR子层的材料可以为AlAs/ AlGaAs、AlAs/ AlGaInP、AlAs/ AlInP、lAs/InGaP、AlGaAs/ AlGaInP、AlGaAs/ AlInP、AlGaAs/ InGaP、AlGaInP/AlInP、AlGaInP/InGaP 、AlInP/InGaP等，且低折射率层与高折射率层的铝组分之差≧0.2。在本实施例中，选用AlAs/AlAaAs作为DBR子层的材料，第一个DBR子层的AlAs层和AlAaAs层的厚度分别为λ/4n1和λ/4n2，第二个DBR子层的AlAs层和AlAaAs层的厚度分别为(λ+λ0)/4n1和(λ+λ0)/4n2，第三个DBR子层的AlAs层和AlAaAs层的厚度分别为(λ+2λ0)/4n1和(λ+2λ0)/4n2，第N个DBR子层的AlAs层和AlAaAs层人厚度分别为[λ+(N-1)*λ0]/4n1和[λ+(N-1)*λ0]/4n2，其中n1为AlAs材料层的折射率，n2为AlAaAs材料层的折射率。
其中λ0取值可通过下面公式进行测算：
其中nh即为AlAaAs的折射率n2，nl即为AlAs的折射率n1，以有源层的发光波长λ取620nm，计算λ0 取值约为46.7。
关于组合式DBR220的对数N取值，主要与有源层的发光波长λ和LED芯片的正面出光的临界角θc相关。如图3所示，有源层的最边缘P点发出的光，经过反射后到达表面最边缘的C点，这时的入射角度θc为最大入射角，即θc为正面出光的临界角，其对应的反射波长为最大蓝移波长λc，大于这个角度的光经过反射后都会从侧面出去。忽略折射影响通过几何光学可求出θc。假设有源层斜入射至DBR子层时产生的最大蓝移量为Δλ，则Δλ=λ-λc，即 (N-1)*λ0=λ-λc。
图4显示了入射角度与反射波长的关系，随着入射角的增大，反射的峰值波长会变短，可从曲线中找到θc所对应的峰值波长为λc ，从而求出Δλ，确定N值。较佳的，N的取值范围为3-5。
本实施例根据蓝移现象，设计组合式DBR结构的各DBR子层不同的中心反射波长，从而加长中心反射波长对有源区斜入射光进行有效反射。
位于有源层140下方的DBR结构220用于反射有源层140射向下方的光，其主要是针对的是垂直入射的光。
实施例二
请参看附图5，本发明第二个较佳实施例之四元系发光二极管，从上到下依次可以包括：衬底100、DBR结构110、n型限制层120、AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层200、波导层130、有源层140、波导层150、AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层210、p型限制层160、AlaGa(1-a)InbP渐变层190、GaP窗口层180。
在本实施例中，根据需要选取常规的DBR结构110、n型限制层120、有源层140、p型限制层160的材料。在波导层130、150与上、下限制层AlInP之间分别形成AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层，p型限制层与窗口层中间形成AlaGa(1-a)InbP渐变层190，形成渐变折射率界面从而减少斜入射光线的横向传播，增加正向有效的光输出。
具体的，假设波导层130和150的材料为AlxGa(1-x)InP波导层，侧AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层200、210的Al组分y由x渐变到1，厚度为1~100nm。在一个具体实施例，有源层140的发光波长可为620nm，其中波导层130、150的材料选用Al0.7Ga0.3InP，而AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层200、210的Al组分y由0.7渐变到1。
进一步的，AlaGa(1-a)InbP渐变层190的In组分b的变化范围为0.5至0.2，加长了过渡组分跨度，使得p型限制层160与窗口层180之间折射率和晶格常数的变动更加趋于平缓。
实施例三
请参看附图6，本发明第三个较佳实施例之四元系发光二极管，从上到下依次可以包括：衬底100、组合式DBR结构220、n型限制层120、AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层200、波导层130、有源层140、波导层150、AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层210、p型限制层160、AlaGa(1-a)InbP渐变层190、GaP窗口层180。
其中组合式DBR结构220可参照实施例一公开的方法，根据具体的有源层的发光波长λ及DBR层的材料的折射层进行设置各DBR子层的中心反射波长。AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层200、210及AlaGa(1-a)InbP渐变层190可参照实施例二。
在本实施例中，采用渐变折射率界面减少斜入射光线的横向传播，增加正向有效的光输出，同时配合组合式DBR将斜入射光最大效果反射。通过以上设计组合，可提高正向光效5%-15%。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。

Claims (11)

1.发光二极管，包括发光外延叠层，其具有相对的第一表面和第二表面，包含N型限制层、有源层和P型限制层，其中第一表面为出光面，所述外延叠层的下表面设为组合式DBR结构，其由N组DBR子层组合成，其特征在于：所述N组DBR子层从邻近有源层的第一组DBR子层起算，每组DBR子层的中心反射波长分别为λ，λ+λ0，λ+2λ0……λ+(N-1)*λ0，其中λ为所述有源层的发光波长，(N-1)*λ0为有源层斜入射至DBR子层时产生的最大蓝移量，λ0＞0。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述λ0的取值根据下面公式确定：，其中nh 、nl分别为每对DBR子层的高折射率层和低折射率层分别对λ波长光的折射率。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述N≥3。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述N的取值根据下面公式确定，N=[(λ-λc)/ λ0+1]，其中λc为有源层斜入射至DBR子层时的最大蓝移波长。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述N对DBR子层从邻近有源层的第一对DBR子层起算，每对DBR子层的厚度分别为λ/4n，(λ+λ0)/4n，(λ+2λ0)/4n……[λ+(N-1)*λ0]/4n，其中n为DBR子层的材料平均折射率。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：在所述N型限制层与所述有源层之间还依次设有AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层和AlxGa(1-x)InP波导层，其中y由x渐变到1。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：在所述P型限制层与所述有源层之间还依次设有AlxGa(1-x)InP波导层和AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层，其中y由x渐变到1。
8.根据权利要求6或7所述的发光二极管，其特征在于：所述AlyGa(1-y)InP渐变介质波导层的厚度为1~100nm。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：在所述p型限制层之远离所述有源层的一侧还设有AlaGa(1-a)InbP渐变层和GaP窗口层。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于：所述a的变化范围为1到0.1 ，b的变化范围为0.5至0.2。
11.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于：所述AlaGa(1-a)InbP渐变层的厚度为10~50nm。
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