[發明專利]一種光子晶體結構發光二極管

有效

• 申請號: 201110338574.6
• 申請日: 2011-11-01
• 公開（公告）號: CN102361053A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 張雄;王璨璨;陳洪鈞;張沛元;崔一平
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L33/04
• 分類號: H01L33/04;H01L33/06;H01L33/12
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種帶有光子晶體結構的LED（發光二極管），具體地是一種利用光子晶體所特有的光子帶隙效應來提高LED光提取效率的結構，屬于半導體照明工程中提高LED發光效率的技術領域。

背景技術

LED作為固態半導體光源可應用于城市景觀照明、室內照明等領域。隨著第三代半導體材料氮化鎵研究的突破和藍、白光LED的問世，半導體照明技術必將引發了一場照明領域內的產業革命。實際上，目前LED正在逐步替代傳統的白熾燈和熒光燈，成為新一代照明光源。

對于傳統的單面水平結構的氮化鎵基LED，由于半導體材料與空氣界面的全內反射，理論上只有20％左右的光子能夠逃逸出去，因而提高LED的光提取效率成為全球LED研究的前沿和熱點。研究者已經在理論上和實驗上驗證了在氮化鎵基LED的表面或內部引入光子晶體結構能夠有效地提高LED的光提取效率。在利用光子晶體結構提高氮化鎵基LED出光效率的研究中，光子晶體主要制備在p型氮化鎵的表層，而在p型氮化鎵層引入光子晶體會減弱p型氮化鎵層和金屬的歐姆接觸特性，光子晶體的刻蝕工藝也可能導致對器件有源區的損傷。

目前大部分氮化鎵基LED外延材料主要是在藍寶石襯底上生長，但由于藍寶石的導電性能差，常溫下的電阻率大于10¹¹Ω·cm，普通的氮化鎵基LED器件一般采用單面水平結構，即在不同的外延層表面分別制作n型和p型電極。電流在n型氮化鎵層中橫向流動不等的距離，存在電流堵塞現象，導致額外熱量產生，而藍寶石較差的導熱性能使得大功率LED器件的應用受到限制。另外在外延層表面制作兩個電極，會導致有效發光面積減少，同時還增加了LED器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程步驟，使得材料利用率和發光效率降低、成本增加。

發明內容

技術問題：本發明的目的是為了解決現有單面水平結構氮化鎵基LED采用同側電極所帶來的電流分布不均、發熱量高及光提取效率低下等問題。本發明提供一種增加光提取效率的光子晶體結構發光二極管。該結構中硅作為氮化鎵異質外延生長的襯底，電極采取垂直接觸(Vertical-?Contact)方式，即p型和n型接觸分別在制備于p型氮化鎵與n型硅襯底背面，實現電流縱向分布。光子晶體制作在多層緩沖層上，利用光子晶體的光子帶隙效應，實現具有高光提取效率的功率型氮化鎵基藍光及白光LED。

技術方案：一種光子晶體結構發光二極管，其包括：作為生長發光二極管襯底的n型硅襯底，在n型硅襯底上設有AlN成核層，在AlN成核層上生長有AlN/AlGaN多層緩沖層，在此多層緩沖層表面制備有光子晶體結構，在此光子晶體結構上生長n型GaN外延層，在n型GaN外延層上生長有InGaN多量子阱有源發光層；

AlN成核層和AlN/AlGaN多層緩沖層來作為n型硅襯底和n型GaN外延層之間的緩沖介質；

在AlN/AlGaN多層緩沖層內刻蝕形成光子晶體微結構；p型電極和n型電極分別制作在p型GaN外延層表面和n型硅襯底背面。

優選的，所述AlN成核層生長厚度為25-200nm。

優選的，所述AlN/AlGaN多層緩沖層厚度為100-200nm。

優選的，所述該光子晶體結構的晶格周期范圍為200-600nm，刻蝕深度為100nm-200nm。

優選的，所述光子晶體結構發光二極管為垂直結構，電流垂直流過光子晶體結構發光二極管的n型GaN外延層。

優選的，光子晶體結構深入到AlN成核層內。

有益效果：通過本發明的在多層緩沖層內刻蝕形成的周期性光子晶體微結構，能將沿不同方向傳播的光子能量耦合至垂直于LED表面的方向，大幅度地提高LED的光提取效率。

附圖說明

圖1是光子晶體LED層狀結構示意圖；

圖2是光子晶體LED立體示意圖。

其中，n型硅襯底1，AlN成核層2，?AlN/AlGaN多層緩沖層3，光子晶體結構4，n型GaN外延層5，多重量子阱有源發光層6。

具體實施方式

下面將參照附圖對本發明進行說明。

參見圖1－2，光子晶體結構發光二極管，其包括：作為生長發光二極管襯底的n型硅襯底1，在n型硅襯底1上設有AlN成核層2，在AlN成核層2上生長有AlN/AlGaN多層緩沖層3，在此多層緩沖層3表面制備有光子晶體結構4，在此光子晶體結構4上生長n型GaN外延層5，在n型GaN外延層5上生長有InGaN多量子阱有源發光層6；