CN220526941U - 一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及发光二极管，具体涉及一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管。所述发光二极管包括依次层叠设置的n型电极、衬底、n型限制层、多量子阱有源层、p型限制层、p型磷化镓窗口层和p型电极，所述p型电极部分覆盖于所述p型磷化镓窗口层的表面，其中，所述发光二极管还包括倾斜光栅出光层，所述倾斜光栅出光层倾斜设置于所述p型磷化镓窗口层所述p型电极未覆盖的表面。本实用新型通过在p型磷化镓窗口层上设置一倾斜光栅出光层，将发光二极管内因大于全内反射角而不能辐射出去的光，通过与倾斜光栅的耦合转化而辐射出去，这样不仅提高了发光二极管内部的光提取效率，还可以通过改变倾斜光栅结构来调控光的出射方向。
Description
技术领域
本实用新型涉及发光二极管，具体涉及一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管。
背景技术
发光二极管（lighting emitting diode，LED）具有体积小，寿命长，响应速度快，可靠性高等优点，在现代社会生活中大量应用于显示屏，交通指示灯，信号灯，汽车灯等诸多方面。
磷化铝镓铟（InAlGaP）四元系材料适合制造红、橙、黄和黄绿光发光二极管，拥有晶格匹配的砷化镓（GaAs）外延生长衬底，具有很高的内量子效率。然而由于光萃取效率低下，导致外量子效率很低。
现有的磷化铝镓铟（InAlGaP）四元系红光发光二极管，采用砷化镓（GaAs）作为衬底，并在砷化镓（GaAs）衬底上由下至上依次设有布拉格反射层（DBRs），n型限制层，多量子阱有源层，p型限制层和p型磷化镓（GaP）窗口层。该发光二极管，其最常用的出光窗口层材料是GaP，GaP具有良好的电流扩展性和优异的透明度，是窗口层的良好选择。但是，由于其折射率高达3以上，表面临界反射角较小，使得有源层发射的光线大部分都在表面全反射回来，这不仅导致出光效率低，全反射光还会导致发光二极管温度升高，影响产品可靠性。
为了提高发光二极管的光提取效率，人们进行了多方面的研究，例如采用表面粗化处理、利用光子晶体等方法。表面粗化技术可以通过提高光在界面处的散射来提高光的提取效率，但是其作用不是很明显，而且具有一定的随机性；光子晶体具有更高的光提取效率，但是制备成本较高，大多数出射光是偏振相关的。
因此，现有技术仍有待改进与发展。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管，旨在解决现有提高光提取效率的方法，存在效果不明显，或制备成本较高的问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
本实用新型提供一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管，所述发光二极管包括依次层叠设置的n型电极、衬底、n型限制层、多量子阱有源层、p型限制层、p型磷化镓窗口层和p型电极，所述p型电极部分覆盖于所述p型磷化镓窗口层的表面，其中，所述发光二极管还包括倾斜光栅出光层，所述倾斜光栅出光层倾斜设置于所述p型磷化镓窗口层所述p型电极未覆盖的表面。
可选地，所述倾斜光栅出光层与所述p型磷化镓窗口层的夹角为5-85°。
进一步可选地，所述倾斜光栅出光层与所述p型磷化镓窗口层的夹角为30-70°。
可选地，所述倾斜光栅出光层由多个等间隔分布的倾斜光栅单元构成，每个倾斜光栅单元与所述p型磷化镓窗口层的夹角均为5-85°，且每个倾斜光栅单元在所述p型磷化镓窗口层上的倾斜角度一致。
可选地，所述倾斜光栅出光层的厚度为100-1000nm，每个倾斜光栅单元沿倾斜方向的长度均为100-1000nm，且每个倾斜光栅单元沿倾斜方向的长度一致。
可选地，所述倾斜光栅出光层的周期为100-1000nm，所述倾斜光栅出光层的占空比为0.2-0.8。
可选地，所述发光二极管还包括布拉格反射层，所述布拉格反射层设置于所述衬底和n型限制层之间。
可选地，所述布拉格反射层为磷化铝镓铟层或者砷化铝镓层。
可选地，所述衬底为砷化镓衬底；
所述n型限制层为n型磷化铝镓铟限制层；
所述多量子阱有源层为磷化铝镓铟有源层；
所述p型限制层为p型磷化铝镓铟限制层。
可选地，所述p型磷化镓窗口层的厚度为1-20μm。
有益效果：本实用新型提供一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管，通过在p型磷化镓窗口层上设置一倾斜光栅出光层，将发光二极管内因大于全内反射角而不能辐射出去的光，通过与倾斜光栅的耦合转化而辐射出去，不仅提高了发光二极管内部的光提取效率，还可以通过改变倾斜光栅结构来调控光的出射方向。相比于现有表面粗化处理、利用光子晶体等方法，本实用新型通过在p型磷化镓窗口层上设置一倾斜光栅出光层，可以明显提高光提取效率，且制备成本低。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种不含两端电极和倾斜光栅出光层的发光二极管的截面示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种含两端电极和倾斜光栅出光层的发光二极管的截面示意图；
其中，标号说明：1为n型电极，2为衬底，3为布拉格反射层，4为n型限制层，5为多量子阱有源层，6为p型限制层，7为p型磷化镓窗口层，8为p型电极，9为倾斜光栅出光层。
具体实施方式
本实用新型提供一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
磷化镓（GaP）材料具有良好的电流扩展性和优异的透明度，是发光二极管窗口层材料的良好选择。但是，由于其折射率高达3以上，表面临界反射角较小，使得有源层发射的光线大部分都在表面全反射回来，这不仅导致出光效率低，全反射光还会导致发光二极管温度升高，影响产品可靠性。
现有技术中，为了提高发光二极管的光提取效率，采用表面粗化处理、利用光子晶体等方法，但是这些技术存在效果不明显，或制备成本较高的问题。
基于此，本实用新型实施例提供一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管，如图1、图2所示，其依次层叠设有：n型电极1，n型电极1上设有衬底2，衬底2上设有布拉格反射层3，布拉格反射层3上设有n型限制层4，所述衬底2上可以不设置布拉格反射层3，直接在衬底2上设置n型限制层4；n型限制层4上设有多量子阱有源层5，该多量子阱有源层5构成发光二极管的核心发光区域，多量子阱有源层5上设有p型限制层6，p型限制层6上设有p型磷化镓窗口层7，p型磷化镓窗口层7上设有p型电极8和倾斜光栅出光层9，p型电极8部分覆盖于p型磷化镓窗口层7的表面，倾斜光栅出光层9倾斜设置于p型磷化镓窗口层7 p型电极8未覆盖的表面。
通过上述层结构的相互连接构成一发光二极管整体；可以对该发光二极管整体进行切割，经切割后的发光二极管成为所需尺寸的发光二极管。
在发光二极管表面设置直角光栅可以提高出光效率，但是其光耦合效率和对衍射效率的控制效果都远低于倾斜光栅。倾斜光栅目前被使用在增强现实（AR）眼镜上，因倾斜光栅具有很强的光耦合效率，因此被认为是AR眼镜光学结构核心部件。因此，本实施例利用倾斜光栅光耦合效率强的特点，提供一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其通过在p型磷化镓窗口层上设置一倾斜光栅出光层，可将发光二极管内因大于全内反射角而不能辐射出去的光通过与倾斜光栅的耦合转化而辐射出去，不仅提高了光提取效率，而且可以通过改变倾斜光栅结构来调控光的出射方向。
相比于现有表面粗化处理、利用光子晶体等方法，本实施例通过在p型磷化镓窗口层上设置一倾斜光栅出光层，可以明显提高光提取效率，且制备成本低。
在一种实施方式中，所述倾斜光栅出光层与所述p型磷化镓窗口层的夹角为5-85°。在该倾斜角度下，可以确保光提取效率的明显提高。
在一种优选的实施方式中，所述倾斜光栅出光层与所述p型磷化镓窗口层的夹角为30-70°。在该倾斜角度下，可以进一步提高光提取效率。
在一种实施方式中，所述倾斜光栅出光层由多个等间隔分布的倾斜光栅单元构成，每个倾斜光栅单元与所述p型磷化镓窗口层的夹角均为5-85°，且每个倾斜光栅单元在所述p型磷化镓窗口层上的倾斜角度一致。
在一种实施方式中，所述倾斜光栅出光层的厚度为100-1000nm，每个倾斜光栅单元沿倾斜方向的长度均为100-1000nm，且每个倾斜光栅单元沿倾斜方向的长度一致。
在一种实施方式中，所述倾斜光栅出光层的周期为100-1000nm，所述倾斜光栅出光层的占空比为0.2-0.8。其中，所述周期指的是相邻两个倾斜光栅单元之间的距离，所述占空比指的是每个倾斜光栅单元的宽度与光栅周期之间的比值。
在一种实施方式中，所述倾斜光栅出光层可由p型磷化镓窗口层直接通过微纳工艺制备得到，也可用其他光学材料（如SiO2、MgF2、环氧树脂等）预先制备成的倾斜光栅通过键合工艺与p型磷化镓窗口层连接在一起。
在一种实施方式中，所述布拉格反射层由不同组分的磷化铝镓铟组成，所述不同组分的磷化铝镓铟分别记为(AlxGa1-x)0.5In0.5P和(AlyGa1-y)0.5In0.5P，其中x为0-1，y为0-1，x与y取值不同；即，布拉格反射层由(AlxGa1-x)0.5In0.5P和(AlyGa1-y)0.5In0.5P组成。
在一种实施方式中，所述布拉格反射层由不同组分的砷化铝镓组成，所述不同组分的砷化铝镓分别记为AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs，其中x为0-1，y为0-1，x与y取值不同；即，布拉格反射层由AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs组成。
在一种实施方式中，所述n型限制层为n型磷化铝镓铟限制层，所述n型磷化铝镓铟的化学式为(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中，x为0.6-1，y为0.4-0.6。
在一种实施方式中，所述多量子阱有源层由不同组分的磷化铝镓铟组成，所述不同组分的磷化铝镓铟分别记为(AlxGa1-x)0.5In0.5P和(AlyGa1-y)0.5In0.5P，其中，x为0-0.5，y为0-1，x与y取值不同；即，多量子阱有源层由(AlxGa1-x)0.5In0.5P和(AlyGa1-y)0.5In0.5P组成。
在一种实施方式中，所述p型限制层6为p型磷化铝镓铟限制层，所述p型磷化铝镓铟的化学式为(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中，x为0.6-1，y为0.4-0.6。
在一种实施方式中，所述p型磷化镓窗口层的厚度为1-20μm。
本实用新型实施例提供一种发光二极管的制备方法，其中，包括以下步骤：
第一步：提供衬底（如砷化镓衬底）2；
第二步：在衬底2上外延生长布拉格反射层3；
第三步：在布拉格反射层3上外延生长n型限制层4；
第四步：在n型限制层4上生长多量子阱有源层5，以构成发光二极管的核心发光区域；
第五步：在多量子阱有源层5上生长p型限制层6；
第六步：在p型限制层6上生长p型磷化镓窗口层7；
第七步：在p型磷化镓窗口层7上制备倾斜光栅出光层9；
第八步：在p型磷化镓窗口层7所述倾斜光栅出光层9未覆盖的表面上制备p型电极8；
第九步：在衬底2背离布拉格反射层3的表面制备n型电极1，形成发光二极管。
本实施例中，可以将发光二极管进行切割，使发光二极管切割成为所需尺寸的发光二极管。
综上所述，本实用新型利用倾斜光栅光耦合效率强的特点，提供一种具有倾斜光栅发光层的发光二极管，其通过在磷化镓窗口层上制备一倾斜光栅出光层，可将LED内因大于全内反射角而不能辐射出去的光通过与倾斜光栅的耦合转化而辐射出去，不仅增加了光提取效率，而且可以通过改变倾斜光栅结构来调控光的出射方向。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有倾斜光栅出光层的发光二极管，所述发光二极管包括依次层叠设置的n型电极、衬底、n型限制层、多量子阱有源层、p型限制层、p型磷化镓窗口层和p型电极，所述p型电极部分覆盖于所述p型磷化镓窗口层的表面，其特征在于，所述发光二极管还包括倾斜光栅出光层，所述倾斜光栅出光层倾斜设置于所述p型磷化镓窗口层所述p型电极未覆盖的表面。
2.根据权利要求1所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述倾斜光栅出光层与所述p型磷化镓窗口层的夹角为5-85°。
3.根据权利要求2所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述倾斜光栅出光层与所述p型磷化镓窗口层的夹角为30-70°。
4.根据权利要求1所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述倾斜光栅出光层由多个等间隔分布的倾斜光栅单元构成，每个倾斜光栅单元与所述p型磷化镓窗口层的夹角均为5-85°，且每个倾斜光栅单元在所述p型磷化镓窗口层上的倾斜角度一致。
5.根据权利要求4所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述倾斜光栅出光层的厚度为100-1000nm，每个倾斜光栅单元沿倾斜方向的长度均为100-1000nm，且每个倾斜光栅单元沿倾斜方向的长度一致。
6.根据权利要求1所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述倾斜光栅出光层的周期为100-1000nm，所述倾斜光栅出光层的占空比为0.2-0.8。
7.根据权利要求1所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括布拉格反射层，所述布拉格反射层设置于所述衬底和n型限制层之间。
8.根据权利要求7所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述布拉格反射层为磷化铝镓铟层或者砷化铝镓层。
9.根据权利要求1所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述衬底为砷化镓衬底；
所述n型限制层为n型磷化铝镓铟限制层；
所述多量子阱有源层为磷化铝镓铟有源层；
所述p型限制层为p型磷化铝镓铟限制层。
10.根据权利要求1所述的具有倾斜光栅出光层的发光二极管，其特征在于，所述p型磷化镓窗口层的厚度为1-20μm。
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