[發明專利]一種具有半球光子晶體復周期結構的高出光效率二極管

在審

• 申請號: 201710614758.8
• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN107464866A
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 葛道晗;黃修康;張立強;張金花;盧樂;程廣貴;丁建寧
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于LED研究領域，涉及一種用光子晶體刻蝕在出光表面的光子晶體基發光二極管，特別是一種具有半球光子晶體復周期結構的高出光效率二極管。

背景技術

半導體發光二極管自發明以來，就因其壽命長、節能環保、可靠性高等優點，被廣泛的應用在指示燈、交通信號燈、顯示屏等照明方面，但其外量子出光效率低制約著發光二極管的發展。由于制備的發光二極管的半導體材料與空氣的折射率相差比較大，光線在二者界面上會發生全內反射而返回到半導體中，從而使得大部分光能量被束縛在半導體內部；并且光線在穿透界面時發生菲涅耳反射，也不可避免地造成能量的損失。對于沒有任何表面結構的GaN基藍光LED，其頂端光提取效率LEE僅4％左右。鑒于GaN(n≈2.5)和空氣的折射率，光逃逸錐面的臨界角大約為23，只有小于臨界角的光能夠從LED中出逃。因此，減少全反射，增大逃逸光錐的臨界角，成為提高提取效率的有效手段。通過表面的表面織構化，可以抑制內部光的反射并使光向上散射。自1987年E.Yablonovitch提出光子晶體(PC)以來，光子晶體就引起了不同研究人員的興趣。周期性分布的高低折射率電介質的特殊結構使光子晶體可用來增強自發輻射或提高固態光源的出光效率。近年來，在表面增加光子晶體來提高LED的出光效率得到廣泛的關注。

光子晶體是由不同折射率的電介質材料周期性排列而形成的人造晶體。光子晶體應用到LED，由于其特有的光子禁帶效應，一方面可以使落入到禁帶的導波模式直接被耦合成為輻射模式，穿透而進入空氣另一方面，如果發光頻率位于光子晶體禁帶之上，光子晶體可以通過布拉格散射使這些模式耦合成為輻射模式，達到提升出光效率的目的。因此，光子晶體的制備對提升的出光效率具有重要的意義。中國專利CN101916805A公開的《增加發光二極管外發光效率的同心光子晶體結構》，提出了一種空氣或低折射率材料與覆層或層介質ITO構成的封閉環為圓形或矩形結構來提高LED的出光效率，是沒有光子晶體的3倍。中國專利CN104966769A公開的《一種具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管》，上下兩層光子晶體分別有效地提高LED的光提取效率。

發明內容

本發明的目的是針對上述問題提供一種具有半球光子晶體復周期結構的高出光效率二極管，利用半球形復周期結構來增強發光二極管的出光效率。

本發明的技術方案是：一種具有半球光子晶體復周期結構的高出光效率二極管，包括至下而上依次連接的藍寶石襯底、緩沖層、N型半導體層、多量子阱層和P型半導體層；

所述P型半導體層上設有正方晶格的半球光子晶體復周期結構陣列；所述半球光子晶體復周期結構陣列包括若干大半球和小半球，所述大半球的直徑大于小半球的直徑；

所述大半球以晶格常數為a的正方排列，所述小半球也是以晶格常數為a的正方排列均勻布置在大半球的排列中，且所述相鄰的大半球和小半球間隔分布組成三角形排列。

上述方案中，在三角形排列中，兩個相鄰的大半球之間的邊為a，大半球與小半球之間的邊均為

上述方案中，所述大半球直徑為1200±50nm，所述小半球直徑為360±20nm。

進一步的，所述大半球直徑為1200nm，所述小半球直徑為360nm。

上述方案中，所述正方晶格常數a為1500士50nm。

進一步的，所述正方晶格常數為1500nm。

上述方案中，所述大半球和小半球的材質為半導體材料。

進一步的，所述大半球和小半球的材質為氧化鋅材料、氮化鎵材料或碳化硅材料中的任意一種。

進一步的，所述大半球和小半球的材質為氮化鎵材料。

本發明提高LED出光效率的結構設計方法，具體步驟為：

步驟1.在時域有限差分方法的基礎上，利用Rsoft軟件中FDTD構建一個帶有半球光子晶體復周期結構的LED模型，包括在P型半導體層上設計正方晶格的大小半球光子晶體復周期陣列。

步驟2.基于時域有限差分法計算光在LED結構里面的演化，通過記錄模型上端出射的光的強度，得到最終的光提取率；

步驟3.通過對半球光子晶體復周期結構參數，包括大、小半球半徑，正方晶格常數等進行優化，得到比較高的光提取效率。

模擬表明，半球光子晶體復周期結構中，大半球直徑在1200±50nm，小半球直徑360±20nm，正方晶格常數在1500±50nm，均有高的光提取率。