光子晶体发光二极管及其制作方法技术

一种光子晶体发光二极管及其制备方法是将一维光子晶体包裹在透明导电层、ｐ型掺杂半导体层和活性发光层的凸体部分，二维光子晶体置于ｎ型掺杂半导体层内上方靠近活性发光层的位置；通过对ｎ型掺杂半导体材料刻蚀并沉积低折射率材料将二维光子晶体置于ｎ型掺杂半导体层内，继续活性发光层和ｐ型掺杂半导体材料生长，刻蚀并裸露出ｎ型掺杂半导体层台面，在凸体表面蒸镀透明导电层，后将一维光子晶体包裹在透明导电层、ｐ型掺杂半导体层和活性发光层的凸体部分。本发明专利技术利用一维光子晶体的全方位反射特性和二维光子晶体的禁带效应，通过设计两者在发光二极管中的位置，改善出光的方向分布，使更多的发射光以垂直于基底的方向射出，提高了出光效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体发光二极管及其制作方法，具体地说，是一种利用光子晶体提高出光效率的。
技术介绍
在普通GaN基发光二极管结构中，由于空气、外延层材料(包含发光层)和衬底 材料之间的折射率差异，三者两两界面间均有全反射现象出现，因此，发光层发射的光可分 为三部分6%的光经上表面发射进入空气(假如在蓝宝石衬底背面放置一个反射镜，出光 量可再翻一番)；22%的光受全反射作用局限在蓝宝石衬底内传播，称这部分光为衬底光 (substrate light);受双重全反射的作用，66%的光滞留在GaN外延材料层中，称这部分 光为导光(guided light)。可以看出，发光二极管的绝大部分光以导波模形式在器件内部 传播，因此如何采取有效的方式使这部分光逃逸出来，是发光二极管固态照明光源得到推 广应用的关键所在。 光子晶体是折射率在光波长的尺度上成周期分布的一种结构材料，它不仅能够用 来大幅度提高发光二极管的出光效率，而且还能够很好地控制器件的空间发光分布，用于 投影显示器、背光模组及汽车头灯等对光强分布有着特殊需求的光源。根据其介电系数周 期性排列的不同，光子晶体可以分为一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)的结构。在光子晶 体中，由于介电常数在空间的周期性变化，也存在类似于半导体晶体那样的周期性势场。当 介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时，介质的布拉格散射也会产生 带隙。其作用主要表现在频率落在禁带范围内的光子被禁止传播。如果发光二极管上集 成了光子晶体结构，当发光二极管发光的频率落在光子晶体的禁带频率内时，导波模式将 被直接耦合成自由空间中的辐射模式，理论上提取光的效率可以接近100%。另一方面，如 果发光频率位于光子晶体禁带频率之上，光子晶体可以通过布拉格散射使这些模式耦合成 为辐射模式。 现有较高出光效率的GaN基发光二极管结构主要有以下三种，一种是表面粗化的 薄膜发光二极管结构；另外两种分别是光子晶体位于P型和n型GaN表层的发光二极管结 构。表面粗化的薄膜发光二极管结构的制作方法需要对衬底进行剥离和对P型GaN表层进 行粗化。同理光子晶体位于n型GaN表层的GaN基发光二极管结构，也需要对衬底进行剥 离，且主要基于利用光子晶体的布拉格散射效应来达到提高出光效率的目的。 在利用光子晶体结构提高GaN基发光二极管出光效率的研究中，光子晶体主要位 于p型GaN的表层。由于在p型GaN表层上形成的光子晶体，会退化p型GaN层和金属的 欧姆接触特性，此外，P型GaN层的厚度由于受结晶质量(掺杂难易程度)的控制，一般小 于200nm，而且为防止生成光子晶体时刻蚀引起的对活性发光层的伤害，光子晶体的厚度通 常小于p型GaN层的厚度，而光子晶体结构的最佳厚度应为作用光的一半波长(蓝光波长 为450nm-480nm)。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是通过设置一维光子晶体和二维光子晶体，改变出射光的方 向以达到提高出光效率的目的，并提供一种光子晶体发光二极管及其制备方法。 实现本专利技术的一种光子晶体发光二极管，包括基底；n型掺杂半导体层，在其上部 内含二维光子晶体；活性发光层，设置于n型掺杂半导体层上；P型掺杂半导体层，设置于该 活性发光层上；透明导电层设置于P型掺杂半导体层上；一维光子晶体设置于透明导电层 上；其特征在于一维光子晶体是包裹于透明导电层、P型掺杂半导体层和活性发光层的凸 体部分，二维光子晶体是位于n型掺杂半导体层内上方靠近活性发光层的位置。 本专利技术上述光子晶体发光二极管的技术方案中，所述二维光子晶体位于活性发光 层的距离是50-1000nm ;可以进一步选为100-300nm ;所述二维光子晶体由作为背景材料的 高折射率材料和作为散射体材料的低折射率材料构成，高折射率材料是n型掺杂半导体层 材料，低折射率材料是介电常数在0-2. 4之间的介电材料，其在n型掺杂半导体层中呈立方 形排列或六边形排列；所述二维光子晶体的低折射率材料立方形排列的参数是晶格常数 a :220-235nm，孔径d :118-127nm，深度100-250nm ;所述二维光子晶体的低折射率材料六 边形排列的参数是晶格常数a :168-200nm，孔径d :100-120nm，深度100-250nm ;所述一 维光子晶体是低折射率材料和高折射率材料交替镀膜构成，所述低折射率材料是Si02 ;所 述高折射率材料是T叫、TaA或Zi^ ;所述一维光子晶体的晶格常数a值是120-150nm ;所 述一维光子晶体的膜层周期数n是5-50间；所述基底是蓝宝石、碳化硅或氮化镓材料；n型 掺杂半导体层和P型掺杂半导体层的基体是氮化镓材料。 实施本专利技术上述一种光子晶体发光二极管的制备方法，其具体方法是按下列步骤 进行 (1)用金属化学有机气相沉积装置在基底材料上进行n型掺杂半导体层的生长； (2)在n型掺杂半导体层上采用掩膜法，用感应耦合等离子体装置、电子回旋共振装置或反应离子刻蚀装置，刻蚀出呈立方形或六方形排列的二维周期性分布的圆柱型结 构； (3)用等离子体加强化学气相沉积装置，在圆柱型结构内沉积不同低介电常数的 材料，完成二维光子晶体结构的制备； (4)将上述步骤所生成的结构再置入金属化学有机气相沉积装置内，继续n型掺 杂半导体层的生长； (5)在上述第(4)步的基础上，进行活性发光层和p型掺杂半导体层的生长； (6)采用感应耦合等离子体装置、电子回旋共振装置或反应离子刻蚀装置，刻蚀掉 部分活性发光层和部分P型掺杂半导体层，裸露出n型掺杂半导体层，形成台面结构； (7)采用掩膜法，用电子束蒸发台，在p型掺杂半导体层上蒸镀透明导电层； (8)采用掩膜法，用等离子体加强化学气相沉积装置，在透明导电层、p型掺杂半 导体层和活性发光层的凸体部分包裹一维光子晶体； (9)对一维光子晶体层采用掩膜法进行光刻和湿法刻蚀，裸露出透明导电层，并在 其上部用电子束蒸发台蒸镀P型电极； (10)在n型掺杂半导体层的台面上用光刻和电子束蒸发台蒸镀n型电极。 本专利技术上述发光二极管的技术方案具有一维光子晶体结构和二维光子晶体结构。5二维光子晶体位于n型GaN层内，与活性发光层保持较近的距离。活性发光层发出的射向 二维光子晶体的光波由于被禁止在二维光子晶体的平面内传播(光子禁带效应)，使光的 能量发生重新分布，更多的光波能量在通过二维光子晶体后以垂直于基底的方向射出，克 服了全反射现象的影响。向P型GaN层射去的活性发光层发出的光，受一维光子晶体的全 方位反射作用，发生全反射，向衬底方向射去，经二维光子晶体的禁带效应作用，以垂直于 基底的方向射出。因此该结构的光子晶体发光二极管能明显提高出光效率和改善出光的方 向分布。 本专利技术上述发光二极管的制备方法，通过将一维光子晶体包覆于透明导电层、p型 掺杂半导体层和活性发光层的凸体上；将二维光子晶体是设置于n型掺杂半导体层内上方 靠近活性发光层的位置，使的光子晶体改变了出射光的方向，达到并提高了出光的效率，而 且本专利技术方法步骤简捷，操作易实现。 与p型GaN表层上形成的光子晶体相比，该光子晶体发光二极管结构采用衬底方 向出光，有效增加了出光面积；与粗化的薄膜发光二极管结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子晶体发光二极管，其含有：－基底（１０１）；－ｎ型掺杂半导体层（１０２），在其上部内含二维光子晶体（１０３）；－活性发光层（１０４），设置于ｎ型掺杂半导体层（１０２）上；－ｐ型掺杂半导体层（１０５），设置于该活性发光层（１０４）上；－透明导电层（１０６）设置于ｐ型掺杂半导体层（１０５）上；－一维光子晶体（１０７）设置于透明导电层（１０６）上；－其特征在于：一维光子晶体（１０７）是包裹于透明导电层（１０６）、ｐ型掺杂半导体层（１０５）和活性发光层（１０４）的凸体部分，二维光子晶体（１０３）是位于ｎ型掺杂半导体层（１０２）内上方靠近活性发光层（１０４）的位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李天保，梁建，马淑芳，贾伟，余春燕，许并社，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]