CN111466034B - 具有集成纳米光子结构以增强eqe的led发射器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于产生增强的外量子效率（EQE）LED发射的装置、系统和方法。该装置、系统和方法包括被配置成将表面模式转换成定向辐射的图案化层、被形成为Ⅲ/Ⅴ直接带隙半导体以产生辐射的半导体层、以及被配置成反射入射辐射的金属背部反射器层。图案化层可以是一维、二维或三维的。图案化层可以浸没在半导体层内或电介质层内。半导体层是p型氮化镓（GaN）。图案化层可以是双曲超材料（HMM）层，并且可以包括光子超晶体（PhHc），或者可以是低或高折射率材料，或者可以是金属。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年6月11日提交的美国临时申请第62/683,410号、2017年10月17日提交的美国临时申请第62/573,383号和2018年10月15日提交的美国非临时申请第16/160,738号的权益，其标题为“具有集成纳米光子结构以增强EQE的LED发射器”，以及2018年2月27日提交的欧洲专利申请第18158917.7号，以上所有申请通过引用而被并入，如同被完全阐述一样。
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED）发射器，并且更具体地，涉及具有集成纳米光子结构以增强外量子效率（EQE）的LED发射器。
背景技术
多量子阱（MQW）发光二极管（LED）的内量子效率（IQE）受到下降（droop）相关机制的限制。因此，在高电流密度和高温下，泵浦IQE是高发光功效的主要限制因素之一。此外，有源区辐射的能量通常以表面波的形式被捕获，并最终由于欧姆损耗而耗散。这两种机制都导致较低的EQE。因此，需要解决这些问题并为LED发射器腔提供集成解决方案的增强LED发射器。
发明内容
公开了一种用于产生增强的外量子效率（EQE）LED发射的装置、系统和方法。该装置、系统和方法包括被配置成将表面模式转换成定向辐射的图案化层、被形成为Ⅲ/Ⅴ直接带隙半导体以产生辐射的半导体层、以及被配置成反射入射辐射的金属背部反射器层。图案化层可以是一维、二维或三维的。图案化层可以浸没在半导体层内。半导体层是p型氮化镓（GaN）。图案化层可以是双曲超材料（HMM）层，并且可以包括光子超晶体（PhHc），或者可以是低或高折射率材料，或者金属纳米天线/散射体阵列、电介质纳米天线/散射体阵列、金属电介质散射体阵列、金属或电介质格栅结构。
该装置、系统和方法可以包括位于半导体层和金属背部反射器层之间的氧化铟锡（ITO）层，以减少场限制，从而提高金属反射器附近的载流子的动能，同时仍然提供高Purcell因子（Purcell factor, PF）和导电性。
该装置、系统和方法可以包括位于金属背部反射器层附近的低折射率层，以与金属层相组合操作，来降低损害损耗层附近的场限制的欧姆损耗，以将辐射耦合成辐射发射。图案化层可以嵌入在低折射率层中。
附图说明
可以从以下结合附图通过示例的方式给出的描述中获得更详细的理解，其中：
图1示出了具有嵌入双曲超材料（HMM）层的图案化p型氮化镓（pGaN）层和金属背部反射器的发光二极管（LED）腔；
图2示出了具有嵌入低或高折射率（各向同性）材料的图案化pGaN层和金属背部反射器的LED腔；
图3示出了具有嵌入HMM的图案化pGaN层和具有金属背部反射器的复合氧化铟锡（ITO）层的LED腔；
图4示出了具有嵌入低或高折射率（各向同性）材料的图案化pGaN层和具有金属背部反射器的复合ITO的LED腔；
图5示出了具有嵌入HMM层的图案化pGaN层和具有ITO层和金属背部反射器的复合电介质层的LED腔；
图6示出了具有嵌入低或高折射率（各向同性）材料的图案化pGaN层和具有ITO层和金属背部反射器的复合电介质层的LED腔；
图7示出了具有复合电介质层、ITO层和金属背部反射器的LED腔，其中电介质层嵌入图案化HMM层；
图8示出了具有复合电介质层、ITO层和金属背部反射器的LED腔，其中电介质层嵌入位于ITO层表面附近的金属纳米天线；
图9示出了具有复合电介质层、ITO层和金属背部反射器的LED腔，其中电介质层嵌入ITO层表面附近的电介质纳米天线阵列；
图10示出了具有复合电介质层、ITO层和金属背部反射器的LED腔，其中电介质层嵌入ITO层表面处的电介质或金属纳米天线阵列；
图11示出了具有复合电介质层、ITO层和金属背部反射器的LED腔，其中电介质层嵌入与ITO层邻接的相变HMM；并且
图12示出了用于产生增强的外量子效率（EQE）LED发射的方法。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节，诸如特定结构、部件、材料、尺寸、工艺步骤和技术，以便提供对本实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些实施例。在其他情况下，为了避免模糊实施例，没有详细描述公知的结构或工艺步骤。将理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在另一个元件上”或“在另一个元件之上”时，它可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接在另一个元件之上”时，则不存在中间元件。还将理解，当元件被称为在另一个元件“下面”、“下方”或“之下”时，它可以直接在另一个元件下面或之下，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一个元件下面”或“直接在另一个元件之下”时，则不存在中间元件。
为了在以下详细描述中不模糊实施例的呈现，本领域中已知的一些结构、部件、材料、尺寸、工艺步骤和技术可能为了呈现和说明的目的而被组合在一起，并且在一些情况下可能没有被详细描述。在其他情况下，本领域中已知的一些结构、部件、材料、尺寸、工艺步骤和技术可能根本没有被描述。应当理解，以下描述相当集中于本文描述的各种实施例的区别性特征或元件。
多量子阱（MQW）发光二极管（LED）中的内量子效率（IQE）受到下降相关机制的限制。当电光功率转换效率随着更高的输入电流而急剧下降时，出现下降。因此，在高电流密度和高温下，泵浦IQE是高发光功效的主要限制因素之一。具有集成纳米光子结构以增强外量子效率（EQE）的LED发射器通过将来自MQW的近场辐射耦合到由等离子体结构和/或双曲超材料（HMM）支持的携带高动量的模式中来解决这个问题。虽然这些结构和/或超材料可能导致高Purcell因子（PF），但是由有源区辐射的能量可以以表面波的形式被捕获，并且最终由于欧姆损耗而耗散。被设计为增强外量子效率（EQE）的具有集成纳米光子结构的LED发射器还通过将表面波耦合到发射中来解决这一问题，同时为LED发射器腔提供集成的解决方案。
图1示出了具有嵌入双曲超材料（HMM）层130的图案化p型氮化镓（pGaN）层110和金属背部反射器120的发光二极管（LED）100腔。图案化pGaN层110在图1中被示为半导体层110。pGaN层110可以具有大约100 nm的厚度。HMM层130被描绘为嵌入在半导体层110内的层中示出的正方形。金属背部反射器120可以在远离半导体层110处邻近HMM层130。如图1中可以看到的，金属背部反射器120也可以在没有HMM层130存在的区域中或者在HMM层130与金属背部反射器120间隔开的配置中（即，HMM层130完全嵌入在半导体层110内）邻近半导体层110。例如，HMM层130可以被图案化为一维图案，诸如图中的条带，例如二维图案，诸如棋盘图案，以及例如三维图案，诸如在另一图案上包含图案的图案（即，堆叠图案）。
半导体层110或腔可以采取pGaN层的形式。如相关领域的普通技术人员将理解的，GaN是发光二极管中常用的二元Ⅲ/Ⅴ直接带隙半导体。GaN具有有着3.4 eV的宽带隙的晶体结构，这使得该材料对于光电子、高功率和高频装置的应用是理想的。可以用硅（Si）或氧掺杂GaN以产生n型GaN，并且用镁（Mg）掺杂GaN以产生p型GaN，如在本示例中所使用的。
HMM层130可以是嵌入的图案化超材料。虽然上面描述了图案，但是超材料可以是光子超晶体（PhHc）以及关于这种超材料的附加信息，诸如在Galfsky的PNAS 1702683114中发现的信息。超材料结构具有双曲行为特性，这支持高阶模式（即高动量的表面状态），该模式局部增加状态的光子密度。这些高动量的表面状态为偶极发射提供了衰减通道，其增强辐射发射（即，经由Purcell效应的IQE增加）。Purcell效应是通过荧光分子的环境对荧光分子的自发发射率的增强。
偶极发射的近场被耦合到表面状态，并且然后在横向周期晶格的作用下以辐射的形式耦出。横向周期晶格将最初诱导的表面波转换成辐射。当表面波被转换成辐射时，辐射变得高度定向。这种方向性可以改善从半导体层的光提取以及增强亮度。HMM层130可以以多种不同的方式形成，比如，通过亚波长厚度的交替的金属/电介质层。产生HMM层130的其他方法可以在Evgenii E. Narimanov的题为光子超晶体（Phys. Rev X 4, 041014(2014)）的文章中找到。HMM层130的存在产生了表面模式，该表面模式可以被转换成所描述的定向辐射。HMM层130可以在半导体层110内邻近金属层120布置。
金属背部反射器120可以采取等离子体层的形式，包括平面金属镜、分布式布拉格反射器（DBR）和/或包括光子晶体和反射超表面的其他已知LED反射器。
图2示出了具有嵌入低或高折射率（各向同性）材料240的图案化pGaN层210和金属背部反射器220的LED腔200。图2的LED腔200包括半导体层210，诸如上面关于图1描述的半导体层110，以及金属背部反射器层220，诸如上面关于图1描述的金属背部反射器层120。代替图1中的HMM层130，图2的LED腔200包括低或高折射率材料层240。该低或高折射率层240可以如上面关于图1的HMM层130所描述的那样被图案化。低或高折射层240，结合金属背部反射器层220，可以组合以实现衰减率增强。集成在pGaN层210中的布拉格格栅可以将表面波转换成有用辐射。布拉格格栅可以用诸如SiO2的低折射率材料来实现，以向半导体提供高对比。
图3示出了具有嵌入HMM层330的图案化pGaN层310和具有金属背部反射器320的复合铟锡氧化物（ITO）层350的LED腔300。图3的LED腔300通过包括ITO层350而增加了图1中的示例。ITO层350可以如下所述地定位。图3的LED腔300包括半导体层310，诸如如上面关于图1描述的半导体层110，金属背部反射器层320，诸如上面关于图1描述的金属背部反射器层120，以及HMM层330，诸如上面关于图1描述的HMM层130。
此外，图3的LED腔300包括ITO层350，该ITO层350被示出为在HMM层330和金属背部反射器层320之间。可以基于ITO层350的导电性和光学透明度而使用该层。该ITO层350可以通过提高金属反射器层320附近载流子的动能来减少场限制，同时仍然提供高PF和导电性。例如，尽管被称为ITO，但ITO层350也可以被形成为氧化铟锌（IZO）层，诸如通过IZO/Al/GZO/ZnO。
图4示出了具有嵌入低或高折射率（各向同性）材料440的图案化pGaN层410和具有金属背部反射器420的复合ITO层450的LED腔400。图4的LED腔400通过包括ITO层450而增加了图2中的示例。图4的LED腔400包括半导体层410，诸如上面关于图2描述的半导体层210，金属背部反射器层420，诸如上面关于图2描述的金属背部反射器层220，以及低或高折射率材料层440，诸如上面关于图2描述的低或高折射率材料层240。这种ITO层450可以减少金属背部反射器中的欧姆损耗，以及提高诸如低或高折射率材料层440的图案化层的有效性。例如，在纳米天线阵列的情况下，所包括的ITO层450可以影响每个单独纳米天线的谐振行为。
此外，图4的LED腔400包括ITO层450，其被示出为在低或高折射率材料层440和金属背部反射器层420之间。ITO层450可以类似于上面关于图3描述的ITO层350。
图5示出了具有嵌入HMM层530的图案化pGaN层510和具有ITO层550和金属背部反射器520的复合电介质层560的LED腔500。图5的LED腔500通过在ITO层550和金属层520之间包括低折射率层560，而增加了图3中的示例。图5的LED腔500包括半导体层510，诸如上面关于图1描述的半导体层110，ITO层550，诸如上面关于图3描述的ITO层350，金属背部反射器层520，诸如上面关于图1描述的金属背部反射器层120，以及HMM层530，诸如上面关于图1描述的HMM层130。该ITO层550允许横向电流扩散到电过孔中。隔开这种电过孔的距离比光子特征的分隔大得多。例如，纳米天线分隔几纳米或几十纳米，而电过孔可以分隔十分之几微米。
低折射率层560与金属层520组合可以形成复合镜结构，以通过帮助将辐射耦合到辐射发射中来减少损害损耗层附近的场限制的欧姆损耗。
图6示出了具有嵌入低或高折射率（各向同性）材料层640的图案化pGaN层610和具有ITO层650和金属背部反射器620的复合电介质层660的LED腔600。图6的LED腔600通过在ITO层650和金属层620之间包括低折射率层660，诸如上面关于图5描述的低折射率层560，而增加了图4中的示例。该低折射率层660可以用作图5的低折射率层560。图6的LED腔600包括半导体层610，诸如上面关于图2描述的半导体层210，金属背部反射器层620，诸如上面关于图2描述的金属背部反射器层220，以及低或高折射率材料层640，诸如上面关于图2描述的低或高折射率材料层240。
图7示出了具有复合电介质层760、ITO层750和金属背部反射器层720的LED腔700，其中电介质层760嵌入图案化HMM层730。图7的LED腔700通过包括嵌入在低折射率（电介质）层760中的图案化HMM层730，而增加了图5中的示例，这与图5的示例不同，在图5的示例中，HMM层530嵌入在如上所述的半导体层510中或者在ITO层550中。嵌入在低折射率层760中的HMM层730可以以损害光学性能为代价来简化LED腔700的实现。图7的LED腔700包括半导体层710，诸如上面关于图1描述的半导体层110，ITO层750，诸如上面关于图3描述的ITO层350，ITO层和金属层之间的低折射率层760，诸如图5的低折射率层560，金属背部反射器层720，诸如上面关于图1描述的金属背部反射器层120，以及HMM层730，诸如上面关于图1描述的HMM层130。
图8示出了具有复合电介质层860、ITO层850和金属背部反射器层820的LED腔800，其中电介质层860嵌入位于ITO层850表面附近的金属纳米天线阵列870。出于相同的目的，ITO层850可以是薄AZO层。金属纳米天线阵列870在ITO层850的表面附近的放置将金属纳米天线层870放置成尽可能靠近半导体层810的有源区，同时仍然将其保持在电介质层860内。与围绕纳米天线的其他材料相比，金属纳米天线阵列870可以产生辐射衰减率的强放大。如相关领域的普通技术人员将理解的，阵列870内的金属纳米颗粒通常具有高光学吸收，这可能损害光提取效率。在LED的应用中，金属和电介质之间的选择可以在IQE和ExE之间进行权衡。例如，要求高电流密度操作的应用可以由与固有下降相关联的低IQE支配。在这种应用中，以ExE为代价增加IQE可能导致净通量增益。
图9示出了具有复合电介质层960、ITO层950和金属背部反射器层920的LED腔900，其中电介质层960嵌入ITO层950的表面附近的电介质纳米天线阵列980。图9表示类似于图8的结构，使用电介质纳米天线980代替图8中的金属纳米结构870。同样，出于相同的目的，ITO层950可以是薄AZO层。电介质纳米天线阵列980在ITO层950的表面附近的放置将电介质纳米天线阵列980放置成尽可能靠近半导体层910的有源区，同时仍然将其保持在电介质层960内。在这种配置中，辐射可以被成形为使得除了增加Purcell因子之外，由量子阱发射的辐射图案也被修改，以修改整个结构的辐射图案。在LED的应用中，金属和电介质之间的选择可以在IQE和ExE之间进行权衡。此外，权衡可以包括整体辐射图案和EXE之间的折衷。例如，要求高电流密度操作的应用可以由与固有下降相关联的低IQE支配。在这种应用中，以ExE为代价增加IQE可能导致净通量增益。
图10示出了具有复合电介质层1060、ITO层1050和金属背部反射器层1020的LED腔1000，其中电介质层1060在ITO层1050的表面处嵌入电介质或金属纳米天线阵列1075。在纳米天线阵列1075的位置处部分蚀刻掉可替代地可以为AZO层的ITO层1050，使得纳米天线阵列1075的纳米颗粒接近或接触半导体层1010的表面（pGaN层1010的表面）。这允许纳米天线阵列1075尽可能靠近半导体层1010的MQW有源区。这种配置可以增强在不图案化半导体pGaN层1010的情况下最大化PF的预期效果。
图11示出了具有复合电介质层1160、ITO层1150和金属背部反射器层1120的LED腔1100，其中电介质层1160嵌入与ITO层1150邻接的相变HMM层1190。同样，出于相同的目的，ITO层1150可以是薄AZO层。相变HMM层1190可以位于靠近电介质层1160和ITO层1150之间的界面处，代替本文上面所述的周期性纳米天线阵列层1075。相变HMM层1190可以包括梯度阻抗等离子体或电介质超表面。相变HMM层1190可以允许对反射场的相位的控制，来定制镜和MQW之间的驻波场图案。通过适当地调整干涉图案，可以增加PF，并且MQW发射的角辐射被修改以最大化光提取效率。
图12示出了用于产生增强的外量子效率（EQE）LED发射的方法1200。在步骤1210，方法1200通过图案化层将表面模式转换成定向辐射。图案化层可以是一维、二维或三维的。图案化层可以是双曲超材料（HMM）层，并且可以包括光子超晶体（PhHc），或者可以是低或高折射率材料，或者可以是金属。方法1200包括，在步骤1220，在半导体层中产生辐射。半导体层是p型氮化镓（GaN）。方法1200包括，在步骤1230，在金属背部反射器处反射入射光。例如，图案化层的放置可以在半导体层内，或者在电介质层内。
方法1200还可以包括，在步骤1240，减少场限制，同时提高金属反射器附近的载流子的动能，同时仍然在位于半导体层和金属背部反射器层之间的ITO层中提供高PF和导电性。
方法1200还可以包括，在步骤1250，使用与金属层相组合操作的位于金属背部反射器层附近的低折射率层来减少损害损耗层附近的场限制的欧姆损耗，以将辐射耦合成辐射发射。
方法1200还可以包括，将图案化结构定位在多量子阱附近，以将来自LED的消散波耦合成表面模式或激励该结构的其他模式。这在步骤1260增强了由源产生的能量的耦入。HMM层可以利用这种耦入能量。
本装置、系统和方法在下降限制的发射器解决方案中通过PF增强来提高IQE，减少用于LED解决方案的等离子体和HMM结构中的光学损耗，提高LED腔中的ExE，并改善定向发射。
尽管以上以特定的组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可以单独使用，或者在存在其他特征和元件或不存在其他特征和元件的情况下以任何组合使用。此外，本文描述的方法可以在计算机程序、软件或固件中实现，所述计算机程序、软件或固件包含在计算机可读介质中，来由计算机或处理器执行。计算机可读介质的示例包括电子信号（通过有线或无线连接传输）和计算机可读存储介质。计算机可读存储介质的示例包括但不限于只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储装置、磁介质（诸如内部硬盘和可移除盘）、磁光介质和光学介质（诸如CD-ROM盘和数字多功能盘（DVD））。
Claims (15)
1.一种发光装置，包括：
发光半导体结构，包括多个量子阱；和
a)双曲超材料结构，被布置成将来自所述多个量子阱的近场辐射耦合成所述双曲超材料结构的表面电子状态，并将来自所述双曲超材料结构的所述表面电子状态的辐射耦出，以形成来自所述发光装置的光输出；或者
b)等离子体结构，包括反射金属层和图案化层，所述反射金属层被配置成反射入射辐射，所述图案化层被设置在所述反射金属层和所述量子阱之间，并且被配置成将表面模式转换成定向辐射，所述图案化层：
设置在所述发光半导体结构中，并由一种或多种电介质材料形成；或者
设置在所述发光半导体结构的外部，嵌入在电介质材料中，并通过所述电介质材料与所述反射金属层间隔开。
2.根据权利要求1所述的发光装置，包括所述双曲超材料结构，所述双曲超材料结构被布置成将来自所述多个量子阱的近场辐射耦合成所述双曲超材料结构的表面电子状态，并将来自所述双曲超材料结构的所述表面电子状态的辐射耦出，以形成来自所述发光装置的光输出。
3.根据权利要求2所述的发光装置，其中所述双曲超材料结构设置在所述发光半导体结构中。
4.根据权利要求3所述的发光装置，还包括位于所述双曲超材料结构附近的与所述多个量子阱相对的反射表面。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其中所述反射表面是反射金属表面。
6.根据权利要求5所述的发光装置，还包括位于所述反射金属表面和所述双曲超材料结构之间的导电透明金属氧化物层。
7.根据权利要求6所述的发光装置，还包括位于所述导电透明金属氧化物层和所述反射金属表面之间的电介质材料层。
8.根据权利要求2所述的发光装置，还包括：
反射金属表面；
导电透明金属氧化物层，位于所述反射金属表面和所述发光半导体结构之间；和
电介质层，位于所述导电透明金属氧化物层和所述反射金属表面之间；
其中所述双曲超材料结构设置在所述电介质层中。
9.根据权利要求1所述的发光装置，包括：
等离子体结构，包括反射金属层，所述反射金属层被配置成反射入射辐射；和
图案化层，由一种或多种电介质材料形成，设置在所述发光半导体结构中且位于所述反射金属层和所述量子阱之间，并被配置成将表面模式转换成定向辐射。
10.根据权利要求9所述的发光装置，还包括在所述图案化层和所述反射金属层之间的导电透明金属氧化物层。
11.根据权利要求10所述的发光装置，还包括在所述导电透明金属氧化物层和所述反射金属层之间的电介质层。
12.根据权利要求1所述的发光装置，包括：
等离子体结构，包括反射金属层，所述反射金属层被配置成反射入射辐射；和
图案化层，设置在所述发光半导体结构的外部且位于所述反射金属层和所述量子阱之间，嵌入在电介质材料中，通过所述电介质材料与所述反射金属层间隔开，并且被配置成将表面模式转换成定向辐射。
13.根据权利要求12所述的发光装置，其中所述图案化层由不同于嵌入所述图案化层的所述电介质材料的一种或多种电介质材料形成。
14.根据权利要求12所述的发光装置，其中所述图案化层由一种或多种金属形成。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的发光装置，还包括设置在所述发光半导体结构和嵌入所述图案化层的所述电介质材料之间的导电金属氧化物层。
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