CN109980058A - 一种具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，包括自下而上依次连接的蓝宝石衬底，缓冲层，N型半导体层，多量子阱层，P型半导体层；所述P型半导体层上设有空气孔光子晶体阵列，所述空气孔光子晶体阵列包括多个空气孔；所述空气孔的深度从P型半导体层的上表面向下延伸至多量子阱层内。本发明所述空气孔光子晶体结构LED的出光效率为38.56％，而普通LED的出光效率为3.26％，本发明空气孔光子晶体结构LED出光效率相对于普通LED大约提高11.8倍左右，而且结构简单。
Description
技术领域
本发明属于LED技术领域，具体涉及一种具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管。
背景技术
发光二级管是一种可以直接通过电光转换而进行发光的器件，其发光机理是利用半导体材料所形成的PN结中的电子空穴对进行复合辐射发光。目前LED照明光源与传统的照明光源相比，具有效率高、寿命长、安全以及绿色环保等优点，使其成为了人类的第四代照明光源，LED在汽车、交通讯号、显示屏、电子设备和照明方面具有广泛的应用。由于制备的发光二极管的半导体材料与空气的折射率相差比较大，光线在二者界面上会发生全内反射而返回到半导体中，从而使得大部分光能量被束缚在半导体内部；并且光线在穿透界面时发生菲涅耳反射，也不可避免地造成能量的损失。对于没有任何表面结构的GaN基蓝光LED，其顶端光提取效率LEE仅4％左右。鉴于GaN(n≈2.5)和空气的折射率，光逃逸锥面的临界角大约为23，只有小于临界角的光能够从LED中出逃。因此，减少全反射，增大逃逸光锥的临界角，成为提高提取效率的有效手段。通过表面的表面织构化，可以抑制内部光的反射并使光向上散射。自1987年E.Yablonovitch提出光子晶体(PC)以来，光子晶体就引起了不同研究人员的兴趣。周期性分布的高低折射率电介质的特殊结构使光子晶体可用来增强自发辐射或提高固态光源的出光效率。近年来，在表面增加光子晶体来提高LED的出光效率得到广泛的关注。
光子晶体是由不同折射率的电介质材料周期性排列而形成的人造晶体。光子晶体应用到LED，由于其特有的光子禁带效应，一方面可以使落入到禁带的导波模式直接被耦合成为辐射模式，穿透而进入空气；另一方面，如果发光频率位于光子晶体禁带之上，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，达到提升出光效率的目的。因此，光子晶体的制备对提升的出光效率具有重要的意义。中国专利CN101916805A公开的《增加发光二极管外发光效率的同心光子晶体结构》，提出了一种空气或低折射率材料与覆层或层介质ITO构成的封闭环为圆形或矩形结构来提高LED的出光效率，是没有光子晶体的3倍。中国专利CN107464866A公开的《一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管》，在出光表面P型GaN上阵列复周期光子晶体结构来提高LED的光提取效率，出光效率虽然有所提高，但并不是很高，因此需要进一步提高二极管的出光率。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，利用空气孔光子晶体结构来增强发光二极管的出光效率。为了提高出光效率，本发明主要是在出光表面刻蚀圆柱型空气孔光子晶体，通过时域有限差分法建立模型进行计算，然后进行参数优化，选择合适的结构参数来提高LED出光率。具体说来，本发明设计的芯片结构，其自下而上依次为蓝宝石衬底，缓冲层，n型半导体层，MQW多量子阱层，P型半导体层。除底端边界条件为金属反射镜PEC，其他另外五个面边界条件为完美匹配层PML。其中，P型半导体层内部表面刻蚀圆柱型空气孔光子晶体。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，包括自下而上依次连接的蓝宝石衬底，缓冲层，N型半导体层，多量子阱层，P型半导体层；
所述P型半导体层上设有空气孔光子晶体阵列，所述空气孔光子晶体阵列包括多个空气孔；
所述空气孔的深度从P型半导体层的上表面向下延伸至多量子阱层内。
上述方案中，所述空气孔为三角排列的圆柱形空气孔。
进一步的，所述空气孔光子晶体阵列的空气孔半径为312±20nm，深度为300±10nm，晶格常数为1040士50nm。
进一步的，所述空气孔半径为312nm，深度为300nm，晶格常数为1040nm。
上述方案中，所述P型半导体层的材质为氮化稼材料。
上述方案中，所述二极管的底端边界条件为金属反射镜，其余五个面边界条件为完美匹配层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明自下而上依次为蓝宝石衬底、缓冲层、N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层，本发明为了提高出光效率，在出光表面刻蚀圆柱型空气孔光子晶体，所述空气孔的深度从P型半导体层的上表面向下延伸至多量子阱层内。空气孔光子晶体结构中，半径在312±20nm，深度300±10nm，晶格常数在1040士50nm，均有高的光提取率。所述空气孔半径为312nm，深度为300nm，晶格常数为1040nm，空气孔光子晶体结构LED的出光效率为38.56％，而普通LED的出光效率为3.26％，本发明空气孔光子晶体结构LED出光效率相对于普通LED大约提高11.8倍左右，而且该结构简单。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的剖视图。
图3为图1的俯视图。
图中：1-蓝宝石衬底，2-缓冲层，3-N型半导体层，4-多量子阱层，5-P型半导体层，6-空气孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1、2和3所示为本发明所述具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管包括自下而上依次连接的蓝宝石衬底1，缓冲层2，N型半导体层3，多量子阱层4，P型半导体层5。
所述P型半导体层5上设有空气孔光子晶体阵列，所述空气孔光子晶体阵列包括多个空气孔6；所述空气孔6的深度从P型半导体层5的上表面向下延伸至多量子阱层4内。
所述空气孔6为三角排列的圆柱形空气孔。
本发明的目的是提高发光二极管的出光效率，通过以时域有限差分理论为基础建立空气孔光子晶体结构模型，设计了三角晶格排列的空气孔光子晶体结构，利用FDTD算法对不同晶格常数、不同刻蚀深度、不同半径大小进行计算LED提取率，选择最优的光子晶体结构，设计出最佳提取率芯片的光子晶体结构参数，包括如下步骤：
基于时域有限差分法建立LED结构模型；
设计P型半导体层空气孔光子晶体结构初始参数，进行初步计算；
1)用FDTD算法进行优化处理，获得最优结构参数；
2)按照传统晶片生长方法，依次生长蓝宝石衬底1、缓冲层2、N型半导体层3、MQW多量子阱层4、P型半导体层5；P型半导体层为氮化稼材料，在该层上表面内设计简单的圆柱型空气孔光子晶体结构，并让其刻蚀到多量子阱层内。所述二极管的底端边界条件为金属反射镜，其余五个面边界条件为完美匹配层。
为了更好地说明该结构的效果，本发明采用了优化后的结果参数，空气孔6半径在310±20nm，深度300±10nm，晶格常数在1000士50nm，这样优化的结构算出的结果有很好的效果。
实施例一
本发明的目的是提高发光二极管的出光效率，通过以时域有限差分理论为基础建立空气孔光子晶体结构模型，设计了三角晶格排列的空气孔光子晶体结构，利用FDTD算法对不同晶格常数、不同刻蚀深度、不同半径大小进行计算LED提取率，选择最优的光子晶体结构，设计出最佳提取率芯片的光子晶体结构参数，包括如下步骤：
基于时域有限差分法建立LED结构模型；
设计P型半导体层空气孔光子晶体结构初始参数，进行初步计算；
1)用FDTD算法进行优化处理，获得最优结构参数；
2)按照传统晶片生长方法，依次生长蓝宝石衬底1、缓冲层2、N型半导体层3、MQW多量子阱层4、P型半导体层5；P型半导体层为氮化稼材料，在该层上表面内设计简单的圆柱型空气孔光子晶体结构，并让其刻蚀到多量子阱层内。所述二极管的底端边界条件为金属反射镜，其余五个面边界条件为完美匹配层。
为了更好地说明该结构的效果，本实施例1采用了优化后的结果参数，空气孔6半径在280nm，深度270nm，晶格常数在900nm，出光效率为25.53％。
实施例二
本发明的目的是提高发光二极管的出光效率，通过以时域有限差分理论为基础建立空气孔光子晶体结构模型，设计了三角晶格排列的空气孔光子晶体结构，利用FDTD算法对不同晶格常数、不同刻蚀深度、不同半径大小进行计算LED提取率，选择最优的光子晶体结构，设计出最佳提取率芯片的光子晶体结构参数，包括如下步骤：
基于时域有限差分法建立LED结构模型；
设计P型半导体层空气孔光子晶体结构初始参数，进行初步计算；
1)用FDTD算法进行优化处理，获得最优结构参数；
2)按照传统晶片生长方法，依次生长蓝宝石衬底1、缓冲层2、N型半导体层3、MQW多量子阱层4、P型半导体层5；P型半导体层为氮化稼材料，在该层上表面内设计简单的圆柱型空气孔光子晶体结构，并让其刻蚀到多量子阱层内。所述二极管的底端边界条件为金属反射镜，其余五个面边界条件为完美匹配层。
为了更好地说明该结构的效果，本实施例2采用了优化后的结果参数，半径在312nm，深度300nm，晶格常数在1040nm，出光效率为38.56％。
实施例三
本发明的目的是提高发光二极管的出光效率，通过以时域有限差分理论为基础建立空气孔光子晶体结构模型，设计了三角晶格排列的空气孔光子晶体结构，利用FDTD算法对不同晶格常数、不同刻蚀深度、不同半径大小进行计算LED提取率，选择最优的光子晶体结构，设计出最佳提取率芯片的光子晶体结构参数，包括如下步骤：
基于时域有限差分法建立LED结构模型；
设计P型半导体层空气孔光子晶体结构初始参数，进行初步计算；
1)用FDTD算法进行优化处理，获得最优结构参数；
2)按照传统晶片生长方法，依次生长蓝宝石衬底1、缓冲层2、N型半导体层3、MQW多量子阱层4、P型半导体层5；P型半导体层为氮化稼材料，在该层上表面内设计简单的圆柱型空气孔光子晶体结构，并让其刻蚀到多量子阱层内。所述二极管的底端边界条件为金属反射镜，其余五个面边界条件为完美匹配层。
为了更好地说明该结构的效果，本实施例3采用了优化后的结果参数，半径在350nm，深度330nm，晶格常数在1100nm，出光效率为37.54％。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，其特征在于，包括自下而上依次连接的蓝宝石衬底(1)，缓冲层(2)，N型半导体层(3)，多量子阱层(4)，P型半导体层(5)；
所述P型半导体层(5)上设有空气孔光子晶体阵列，所述空气孔光子晶体阵列包括多个空气孔(6)；
所述空气孔(6)的深度从P型半导体层(5)的上表面向下延伸至多量子阱层(4)内。
2.根据权利要求1所述的具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，其特征在于，所述空气孔(6)为三角排列的圆柱形空气孔。
3.根据权利要求2所述的具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，其特征在于，所述空气孔光子晶体阵列的空气孔(6)半径为312±20nm，深度为300±10nm，晶格常数为1040士50nm。
4.根据权利要求3所述的具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，其特征在于，所述空气孔(6)半径为312nm，深度为300nm，晶格常数为1040nm。
5.根据权利要求1所述的具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，其特征在于，所述P型半导体层(5)的材质为氮化稼材料。
6.根据权利要求1所述的具有空气孔光子晶体结构的高出光效率二极管，其特征在于，所述二极管的底端边界条件为金属反射镜，其余五个面边界条件为完美匹配层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190705 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |