CN110620169A - 一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，属于半导体电子领域。从上而下包括上电极、上布拉格反射镜、谐振腔、下布拉格反射镜、衬底、下电极。其中上电极由压焊上电极与电流扩展上电极组成；上、下布拉格反射镜由低折射率材料层与高折射率材料层交替构成，其底部一层为上DBR易氧化材料层；有源区位于谐振腔中间，其顶部一层为下DBR易氧化材料层；包括上、下扩展电极侧向氧化层、上、下压焊电极侧向氧化层，扩展电极侧向氧化层、以及扩展电极电介质层、压焊电极电介质层。本发明利用侧向氧化层限制电流的横向流动，避免载流子注入到顶电极正下方的有源区中，再结合垂直方向的共振腔结构，可实现效率高、热性能好、辐射波长稳定的二极管发光。
Description
技术领域
本发明涉及一种共振腔发光二极管(Resonant Cavity Light Emitting Diode，RCLED)，具体地说是一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，属于半导体电子技术领域。
背景技术
目前，发光二极管作为一种新型光源在汽车尾灯，照明显示，以及光纤通信等领域有着巨大的市场。LED的发光强度由发光效率决定，而发光效率由内量子效率和外量子提取效率所决定。其中内量子效率由于当前各种外延技术与控制技术的进步已经可以被提高至90％甚至接近100％，而外量子提取效率由于受电极吸收及内部全反射的影响仍然较低。上世纪90年代初，将共振腔技术应用于LED的RCLED，使LED的亮度大为提高，并且光谱质量和单色性更好，但RCLED的外量子效率仍然较低，这极大地限制了RCLED的发展与应用。
对于普通结构的RCLED，简易结构如图1所示，从上往下看依次包括：上电极(100)、上布拉格反射镜(200)、谐振腔(300)、下布拉格反射镜(400)、衬底(500)、下电极(600)。造成其外部量子效率较低的原因有以下：首先，当电流通过上电极(100)时，电流主要集中在电极下方的部分区域，由于上布拉格反射镜(200)的反射率较低，总的厚度较小，从上电极注入的电流来不及扩展就到达了有源区并发生辐射复合，因此发光区域主要集中在上电极下方的有源区范围内；其次，在电极下方有源区发出的光会被电极阻挡或吸收而不能被提取到器件外部，这不但会产生焦耳热，而且会降低光提取率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，以达到同时解决上述普通RCLED所存在的两个问题的目的，从而实现高效率，高亮度的RCLED发光。
本发明的基于共振腔的高效率横向电流限制的发光二极管，参见图2，从上而下包括上电极(100)、上布拉格反射镜(200)、谐振腔(300)、下布拉格反射镜(400)、衬底(500)、下电极(600)。其中上电极(100)由压焊上电极(101)与电流扩展上电极(102)组成；上布拉格反射镜(200)由低折射率材料层(202)与高折射率材料层(203)交替构成，有源区(301)位于谐振腔(300)中间，下布拉格反射镜(400)由低折射率材料层(402)与高折射率材料层(403)交替构成。所述上布拉格反射镜(200)的底部一层材料层为上DBR易氧化材料层(201)；所述下布拉格反射镜(400)的底部一层材料层为下DBR易氧化材料层(401)。包括上扩展电极侧向氧化层(2012)、上压焊电极侧向氧化层(2011)，下扩展电极侧向氧化层(4012)、下压焊电极侧向氧化层(4011)以及扩展电极电介质层(702)、压焊电极电介质层(701)。所述压焊电极电介质层(701)位于压焊上电极(101)下方，与压焊上电极呈T型，其底端伸入到下布拉格反射镜的上部；所述扩展电极电介质层(702)位于电流扩展上电极(102)下方，与电流扩展上电极一起呈T型，其顶端伸入到下布拉格反射镜的上部。
本发明中上电极(100)的形状为网格形，其俯视图参见图3。
本发明所述的基于共振腔的高效率横向电流限制的发光二极管与常规的RCLED器件结构(如图1所示)相比，有着一些重要的优越性，表现在：
1.高光提取效率及高光功率输出
由于上压焊电极侧向氧化层(2011)和上扩展电极侧向氧化层(2012)以及下压焊电极侧向氧化层(4011)和下扩展电极侧向氧化层(4012)是不导电的材料，因此从上电极注入的电流被迫发生横向流动，从而避免载流子注入到顶电极正下方的有源区中，而是将注入的载流子强迫限制到上电极正下方以外的有源区中。另外，由于RCLED改变了有源区自发辐射的空间分布，其优选方向为沿图2的水平面的垂直方向，因此上电极不会对有源区发出的光遮挡并吸收。综上，相对于普通RCLED，本发明提出的图2所示RCLED结构的光提取效率高，相同电流下光输出功率更高。对比于普通LED，本发明提出的RCLED的光提取率更高，效率更是普通LED效率的三倍以上，实现了真正意义上的高效率。
2.优良的热特性和可靠性
由于上压焊电极侧向氧化层(2011)和上扩展电极侧向氧化层(2012)及下压焊电极侧向氧化层(4011)和下扩展电极侧向氧化层(4012)的宽度不小于对应的上电极的宽度，这导致上电极正下方的有源区将不会产生光子，也就不会存在光子被上电极所阻挡、反射、吸收而产生焦耳热的现象。基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，大大减少了注入电流在体内的损耗和无效光子的产生，也减少了热的产生，这更有利于RCLED的发光，同时也保证了器件的热特性、波长稳定性及可靠性。
附图说明
图1：常规结构RCLED的结构示意图
图2：本发明中的基于共振腔的高效率横向电流限制的发光二极管的结构示意图
图3：本发明中的基于共振腔的高效率横向电流限制的发光二极管的上电极示意图
图中：100为上电极，其中101为压焊上电极、102为电流扩展上电极，200为上布拉格反射镜，其中202为低折射率材料层、203为高折射率材料层、201为上DBR易氧化材料层、2011为上压焊电极侧向氧化层、2012为上扩展电极侧向氧化层，300为谐振腔，301为有源区，400为下布拉格反射镜，其中402为低折射率材料层、403为高折射率材料层、401为下DBR易氧化材料层、4011为下压焊电极侧向氧化层、4012为下扩展电极侧向氧化层，500为衬底，600为下电极，701为压焊电极电介质层、702为扩展电极电介质层。
具体实施方式
1、一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，从上而下包括上电极(100)、上布拉格反射镜(200)、谐振腔(300)、下布拉格反射镜(400)、衬底(500)、下电极(600)。其中上电极(100)由压焊上电极(101)与电流扩展上电极(102)组成；上布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector Mirror，DBR)(200)由低折射率材料层(202)与高折射率材料层(203)交替构成，有源区(301)位于谐振腔(300)中间，下布拉格反射镜(400)由低折射率材料层(402)与高折射率材料层(403)交替构成。所述上布拉格反射镜(200)的底部一层材料层为上DBR易氧化材料层(201)；所述下布拉格反射镜(400)的顶部一层材料层为下DBR易氧化材料层(401)。从左往右依次包括上扩展电极侧向氧化层(2012)、上压焊电极侧向氧化层(2011)，下扩展电极侧向氧化层(4012)、下压焊电极侧向氧化层(4011)以及扩展电极电介质层(702)、压焊电极电介质层(701)。所述压焊电极电介质层(701)位于压焊上电极(101)下方，与压焊上电极呈T型，其底端伸入到下布拉格反射镜的上部；所述扩展电极电介质层(702)位于电流扩展上电极(102)下方，与电流扩展上电极一起呈T型，其顶端伸入到下布拉格反射镜的上部。
2、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：压焊电极电介质层(701)和扩展电极(702)的材料是本征半导体或不导电树脂或绝缘材料。
3、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：扩展电极电介质层(702)位于压焊电极电介质层(701)的两边，关于压焊电极电介质层对称，其数量视LED的发光面积而定。
4、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：上压焊电极侧向氧化层(2011)和上扩展电极侧向氧化层(2012)处于上DBR易氧化层(201)内，其中，上压焊电极侧向氧化层(2011)呈环状环绕压焊电极电介质层(701)，上扩展电极侧向氧化层(2012)呈条状在扩展电极电介质层(702)两侧。
5、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：下压焊电极侧向氧化层(4011)和下扩展电极(4012)处于下DBR易氧化层(401)内，其中，下压焊电极侧向氧化层(4011)呈环状环绕压焊电极电介质层(701)，下扩展电极侧向氧化层(4012)呈条状在扩展电极电介质层(702)两侧。
6、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：下压焊电极侧向氧化层(4011)和上压焊电极侧向氧化层(2011)关于谐振腔(300)对称，下扩展电极侧向氧化层(4012)和上扩展电极侧向氧化层(2012)关于谐振腔(300)对称。
7、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：压焊上电极(101)的宽度不大于上压焊电极侧向氧化层(2011)及下压焊电极侧向氧化层(4011)的宽度，电流扩展上电极(102)的宽度不大于上扩展电极侧向氧化层(2012)与下扩展电极侧向氧化层(4012)的宽度。
8、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：上电极(100)的材料是不透明金属或金属合金材料。
9、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：上布拉格反射镜(200)的反射率在50％～80％，其底部为上DBR易氧化材料层(201)以利于通过侧向氧化技术形成上压焊电极侧向氧化层(2011)和上扩展电极侧向氧化层(2012)。。例：易氧化材料层可以为Al0.9Ga0.1As。
10、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：下布拉格反射镜(400)的反射率在90％以上，其顶部为下DBR易氧化材料层(401)以利于通过侧向氧化技术形成下压焊电极侧向氧化层(4011)和下扩展电极侧向氧化层(4012)。例：易氧化材料层可以为Al0.9Ga0.1As。
11、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：有源区(301)结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结，或单量子阱结构，或多量子阱结构，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的组合结构。
12、所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：有源区(301)的辐射峰值波长、上布拉格反射镜(200)的峰值反射波长、下布拉格反射镜(400)的峰值反射波长以及谐振腔(300)的谐振波长，这四个波长彼此相等。
如图2所示，基于共振腔的高效率横向电流限制的发光二极管的实现方法如下：
1、外延片的生长：在GaAs等能够与AlGaAs形成匹配材料的衬底500上，利用金属有机化学气相淀积(MOCVD)的方法依次外延生长N掺杂下布拉格反射镜400，谐振腔300，P掺杂上布拉格反射镜200，这样就得到了AlGaAs共振腔发光二极管的外延片。布拉格反射镜的每层材料层的光学厚度均为1/4λ(λ为入射波长)，材料层的折射率差在0.5左右。
2、器件的制备，具体的工艺步骤是：
a.将生长好的外延片清洗并吹干后，在上布拉格反射镜200上光刻，带胶进行湿法或干法(例如：耦合等离子体刻蚀，ICP)刻蚀，得到所需要的凹槽式形状，其底部伸入到下布拉格反射镜400的顶部。
b.将外延片放入氧化炉中，进行湿法氧化，形成上压焊电极侧向氧化层2011和上扩展电极侧向氧化层2012，及下压焊电极侧向氧化层4011和上扩展电极侧向氧化层4012。
c.利用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)在槽内淀积SiO2或Si3N4等材料，形成压焊电极电介质层702和扩展电极电介质层701。
d.利用溅射或电子束蒸发的方法形成Ti/Pt/Au上电极层。
e.光刻出上电极(100)的形状。
f.衬底减薄。
g.利用溅射或电子束蒸发的方法形成AuGeNi下电极。
h.合金退火。430℃下退火40s，以实现良好的欧姆接触。
i.划片、解理，得到单个的管芯，压焊在管座上并封装，完成了RCLED的制作。通过上、下电极注入电流，就可以实现效率高、热性能好、辐射波长稳定的二极管发光。
Claims (10)
1.一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：从上而下包括上电极(100)、上布拉格反射镜(200)、谐振腔(300)、下布拉格反射镜(400)、衬底(500)、下电极(600)；其中上电极(100)由压焊上电极(101)与电流扩展上电极(102)组成；上布拉格反射镜(200)由低折射率材料层(202)与高折射率材料层(203)交替构成，有源区(301)位于谐振腔(300)中间，下布拉格反射镜(400)由低折射率材料层(402)与高折射率材料层(403)交替构成；所述上布拉格反射镜(200)的底部一层材料层为上DBR易氧化材料层(201)；所述下布拉格反射镜(400)的顶部一层材料层为下DBR易氧化材料层(401)；还包括上扩展电极侧向氧化层(2012)、上压焊电极侧向氧化层(2011)，下扩展电极侧向氧化层(4012)、下压焊电极侧向氧化层(4011)以及扩展电极电介质层(702)、压焊电极电介质层(701)；所述压焊电极电介质层(701)位于压焊上电极(101)下方，与压焊上电极呈T型，其底端伸入到下布拉格反射镜的上部；所述扩展电极电介质层(702)位于电流扩展上电极(102)下方，与电流扩展上电极一起呈T型，其顶端伸入到下布拉格反射镜的上部。
2.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：扩展电极电介质层(702)位于压焊电极电介质层(701)的两边，关于压焊电极电介质层对称，其数量视LED的发光面积而定。
3.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：上压焊电极侧向氧化层(2011)和上扩展电极侧向氧化层(2012)处于上DBR易氧化层(201)内，其中，上压焊电极侧向氧化层(2011)呈环状环绕压焊电极电介质层(701)，上扩展电极侧向氧化层(2012)呈条状在扩展电极电介质层(702)两侧。
4.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：下压焊电极侧向氧化层(4011)和下扩展电极(4012)处于下DBR易氧化层(401)内，其中，下压焊电极侧向氧化层(4011)呈环状环绕压焊电极电介质层(701)，下扩展电极侧向氧化层(4012)呈条状在扩展电极电介质层(702)两侧。
5.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：下压焊电极侧向氧化层(4011)和上压焊电极侧向氧化层(2011)关于谐振腔(300)对称，下扩展电极侧向氧化层(4012)和上扩展电极侧向氧化层(2012)关于谐振腔(300)对称。
6.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：压焊上电极(101)的宽度不大于上压焊电极侧向氧化层(2011)及下压焊电极侧向氧化层(4011)的宽度，电流扩展上电极(102)的宽度不大于上扩展电极侧向氧化层(2012)与下扩展电极侧向氧化层(4012)的宽度。
7.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：上布拉格反射镜(200)的反射率在50％～80％，其底部为上DBR易氧化材料层(201)以利于通过侧向氧化技术形成上压焊电极侧向氧化层(2011)和上扩展电极侧向氧化层(2012)。
8.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：下布拉格反射镜(400)的反射率在90％以上，其顶部为下DBR易氧化材料层(401)以利于通过侧向氧化技术形成下压焊电极侧向氧化层(4011)和下扩展电极侧向氧化层(4012)。
9.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：有源区(301)结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结，或单量子阱结构，或多量子阱结构，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的组合结构。
10.根据权利要求1所述的一种基于共振腔的横向电流限制高效率发光二极管，其特征在于：有源区(301)的辐射峰值波长、上布拉格反射镜(200)的峰值反射波长、下布拉格反射镜(400)的峰值反射波长以及谐振腔(300)的谐振波长，这四个波长彼此相等。
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