CN108511572A - 一种具有光子晶体结构的发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有光子晶体结构的发光二极管，包括自下而上依次设置的纳米图形化蓝宝石衬底、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN欧姆接触层和ITO层，还包括在ITO层上引出的p型欧姆电极，在n型GaN层上引出n型欧姆电极，且在未掺杂GaN层上制备有反射光子晶体结构。本发明的优点在于：本发明采用纳米图形化蓝宝石衬底能够降低材料的位错和缺陷密度，提高发光二极管的内量子效率，同时由于图形尺寸缩小，还可进一步降低生产成本；同时，在未掺杂的GaN层制备反射光子晶体结构，能够将射向衬底的光反射回出光面，避免光的损失，提高光的利用率；进而能够有效地提高LED的发光效率和亮度。

Description

一种具有光子晶体结构的发光二极管
技术领域
本发明涉及一种半导体光电子器件领域，特别涉及一种具有光子晶体结构的发光二极管（LED），是一种利用光子晶体的禁带效应提高LED光提取效率的制造技术。
背景技术
LED具有亮度高、低功耗、寿命长、启动快，功率小、无频闪、不容易产生视视觉疲劳等优点，应用范围广，涵盖LED显示器、交通信号灯、汽车灯、LCD背光、闪光灯、装饰照明、路灯和普通照明等领域。
蓝宝石具有化学和物理性质稳定、透光性好、成本合适等优点，因此被广泛用做GaN基发光二极管外延衬底。但GaN外延薄膜与底部的蓝宝石衬底的晶格常数失配(16%)和热膨胀系数失配(34%)很大，导致在GaN外延薄膜产生高达109~1010cm-2的线位错密度。高的线位错密度将影响外延薄膜的光学和电学特性，从而使器件的可靠性和内量子效率降低。而采用图形化蓝宝石衬底（PSS）则可以引入侧向外延的生长特性，从而降低位错密度，使得内量子效率提高。但传统的PSS技术，图形的刻蚀深度一般达到数μm，将使材料生长掩埋的时间大大延长，使得生产成本升高。而纳米图形化蓝宝石衬底（NPSS）的发光功率相较于微米级别图形化蓝宝石衬底可再提高约20%，同时由于图形尺寸缩小，还可进一步降低生产成本。
传统的LED大多采用正装结构，光从LED的p区出射，但是由于LED有源区发出的光是向四面八方的，这就导致光的利用率不高。同时，向衬底方向发出的光由于不能有效地出射，会被材料吸收，造成LED芯片的温度升高，从而影响器件的使用寿命。研究表明制备光子晶体，发挥其光子禁带的作用，可以有效的提高LED的光提取效率。但传统的光子晶体大多制备在LED的出光面，利用其增透作用提高器件的光提取效率。而由于LED中向衬底方向发出的光并未得到有效利用，所以这种方法对提高LED的发光功率作用不明显。
因此，研发一种生产成本低，且能够有效提高器件发光功率的具有光子晶体结构的发光二极管是非常有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种生产成本低，且能够有效提高器件发光功率的具有光子晶体结构的发光二极管。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种具有光子晶体结构的发光二极管，其创新点在于：包括自下而上依次设置的纳米图形化蓝宝石衬底、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN欧姆接触层和ITO层，还包括在ITO层上引出的p型欧姆电极，在n型GaN层上引出n型欧姆电极，且在未掺杂GaN层上制备有反射光子晶体结构。
进一步地，所述反射光子晶体结构为二维或三维光子晶体，其结构形式为空气孔型或介质柱型，且光子晶体的晶格周期为100-1000 nm，高度为10-1000 nm，其形状为锥形、柱形、棱锥形或半球形中的任一种，排列方式为正方晶格、三角晶格或蜂窝晶格中的任一种。
进一步地，所述反射光子晶体结构的材料为二氧化硅、氧化钛或氧化镁中的一种。
进一步地，所述纳米图形化衬底的形状为圆锥形、三角形或半圆形中的一种，周期为100-1000 nm，高度为10-900 nm。
进一步地，所述纳米图形化蓝宝石衬底和反射光子晶体结构均采用纳米压印技术制备。
进一步地，所述纳米图形化蓝宝石衬底为极性、半极性或非极性取向的蓝宝石中的一种。
本发明的优点在于：
（1）本发明具有光子晶体结构的发光二极管，与传统发光二极管相比，衬底为采用纳米图形化蓝宝石衬底，采用纳米图形化蓝宝石衬底能够降低材料的位错和缺陷密度，提高发光二极管的内量子效率，同时由于图形尺寸缩小，还可进一步降低生产成本；同时，在未掺杂的GaN层制备反射光子晶体结构，能够将射向衬底的光反射回出光面，避免光的损失，提高光的利用率；进而通过反射光子晶体结构和纳米图形化蓝宝石衬底，能够有效地提高LED的发光效率和亮度；
（2）本发明具有光子晶体结构的发光二极管，其中，纳米图形化蓝宝石衬底和反射光子晶体结构均采用纳米压印技术制备，产量高，生产成本低，适于大规模工业化生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明具有光子晶体结构的发光二极管的断面结构示意图。其中数字的含义为：纳米图形化衬底101、未掺杂GaN层102、光子晶体结构103、n型欧姆电极104、n型GaN层105、多量子阱有源区106、p型AlGaN电子阻挡层107，p型GaN欧姆接触层108，ITO层109，p型欧姆电极110。
图2为实施例具有光子晶体结构的发光二极管中反射光子晶体结构断面图。
图3为实施例中正方晶格排列的反射光子晶体结构示意图。
图4为实施例中三角晶格排列的反射光子晶体结构示意图。
图5为实施例中蜂窝晶格排列的反射光子晶体结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例具有光子晶体结构的发光二极管，如图1所示，包括自下而上依次设置的纳米图形化蓝宝石衬底101、未掺杂GaN层102、n型GaN层105、多量子阱有源区106、p型AlGaN电子阻挡层107、p型GaN欧姆接触层108和ITO层109，还包括在ITO层109上引出的p型欧姆电极110，在n型GaN层105上引出n型欧姆电极104，且在未掺杂GaN层102上制备有反射光子晶体结构103。
作为实施例，更具体地实施方式为纳米图形化蓝宝石衬底101为c面蓝宝石；反射光子晶体结构103采用SiO2材料，形状为半球形，如图2所示，采用二维晶体和介质柱形结构，排列方式为正方晶格；n型GaN层105，厚度为1.5μm，n型掺杂使用Si元素进行掺杂，载流子浓度在1×1018~1×1021cm-3之间；多量子阱有源区106为GaN/AlGaN多量子阱，多量子阱的重复周期数设置为2～10，单周期厚度在2～15nm之间；p型AlGaN电子阻挡层107的总厚度为20nm；p型GaN欧姆接触层108的厚度为200nm，p型GaN层采用Mg进行掺杂，掺杂方式为均匀掺杂，掺杂浓度为1×1017～1×1020cm-3；n型欧姆电极104和p型欧姆电极110均采用Ag。
实施例中反射光子晶体结构103的排列方式，可以采用如图3所示的正方晶格排列方式，或采用如图4所示的三角晶格排列方式，也可采用如图5所示的蜂窝晶格排列方式。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种具有光子晶体结构的发光二极管，其特征在于：包括自下而上依次设置的纳米图形化蓝宝石衬底、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN欧姆接触层和ITO层，还包括在ITO层上引出的p型欧姆电极，在n型GaN层上引出n型欧姆电极，且在未掺杂GaN层上制备有反射光子晶体结构。
2.根据权利要求1所述的具有光子晶体结构的发光二极管，其特征在于：所述反射光子晶体结构为二维或三维光子晶体，其结构形式为空气孔型或介质柱型，且光子晶体的晶格周期为100-1000 nm，高度为10-1000 nm，其形状为锥形、柱形、棱锥形或半球形中的任一种，排列方式为正方晶格、三角晶格或蜂窝晶格中的任一种。
3.根据权利要求1所述的具有光子晶体结构的发光二极管，其特征在于：所述反射光子晶体结构的材料为二氧化硅、氧化钛或氧化镁中的一种。
4.根据权利要求1所述的具有光子晶体结构的发光二极管，其特征在于：所述纳米图形化衬底的形状为圆锥形、三角形或半圆形中的一种，周期为100-1000 nm，高度为10-900nm。
5.根据权利要求1所述的具有光子晶体结构的发光二极管，其特征在于：所述纳米图形化蓝宝石衬底和反射光子晶体结构均采用纳米压印技术制备。
6.根据权利要求1所述的具有光子晶体结构的发光二极管，其特征在于：所述纳米图形化蓝宝石衬底为极性、半极性或非极性取向的蓝宝石中的一种。
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