[发明专利]一种具有二维光子晶体的发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有光子晶体的发光二极管。

背景技术

发光二极管是一种绿色环保、节能、安全耐用、寿命长的半导体照明器件，逐渐取 代白炽灯、电灯泡成为主流照明产品，并且在显示屏，背光源，汽车车灯，室内装潢和景 观照明方面的应用日益增加。

发光二极管的内量子效率和外量子效率决定了发光二极管的出光效率和器件亮度。 发光二极管的内效率的理论值可达100％，目前GaN发光二极管的内量子效率基本在90 ％左右，由于半导体外延技术的瓶颈，内量子效率很难在有所提升，并且本身提升的空间 也是有限的。而传统发光二极管的外量子效率只有5％，因此提高外量子效率成为提高出 光率和器件亮度的主要途径。由于GaN等半导体材料的折射率大(相对空气折射率，GaN 的折射率约为2.5)，本身是一种很好的波导，由于Snell定律，大于临界角的光线在半导 体层和环境的界面发生全反射，而不能出射，在传输中被半导体层吸收消耗，转换为热能。 为了改善半导体层与空气界面的折射率差，最早的方法是用环氧树脂封装芯片，但是提取 效率不高，仍有90％以上的光波陷在半导体层。另一种办法是用透明的窗口层和衬底， 使发光二极管五个面甚至六个面都发光；进而把衬底设计成倒金字塔形状，但是提高了加 工难度，还需要收集光线的配套结构，增加了制造成本。

近年来，光子晶体在发光二极管中的应用使出光效率发生革命性的飞跃。这些通过刻 蚀，压印法在LED出光面制备的二维光子晶体结构，对半导体活性层具有损伤，同时增 加了非辐射复合，减少了电流的注入。另外光刻，粒子刻蚀，压印设备昂贵，工艺复杂。

美国专利US2009/0315012A1中公开了一种发光二极管，具有一层二维光子晶体层且 为单层微球有序排列结构，但是采用的微球实际是两层的，这导致其存在工艺复杂，成本 较高，不利于工业化生产，并且工艺对有源层有损伤，会削弱其在出光效率上的改进的问 题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有发光二极管生产成本高，及对半导体有源层具有损伤的 问题，本发明提供了一种具有二维光子晶体的发光二极管。

本发明具有二维光子晶体的发光二极管，包括衬底、缓冲层、N型掺杂半导体层、有 源层、P型掺杂半导体层、电流扩散层、P型电极和N型电极，P型电极通过电流扩散层与P 型掺杂半导体层相接，N型电极直接与N型掺杂半导体层相接，其中还在N型掺杂半导体层 与空气的界面上，以及P型掺杂半导体层与空气的界面上覆盖有二维光子晶体层，二维光子 晶体层为单层微球有序排列结构，微球的粒径为0.05μm～5μm。

本发明具有二维光子晶体的发光二极管依据现有技术在衬底上依次制备得到缓冲层、 N型掺杂半导体层、有源层、P型掺杂半导体层、电流扩散层、P型电极和N型电极，二维光 子晶体层的制备采用化学自组装的方法，例如提拉法、旋涂法或者喷雾法，制备各种不同 结构的有序排列的微球。化学自组装微球的排列方式有六方排列、四方排列或者嵌入式排 列，微球尺寸可调。

本发明中微球为二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或者聚甲基丙烯酸甲酯微球，或者是外 层包裹有金属的二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或者聚甲基丙烯酸甲酯微球，其中金属为Ag、 Pt、Au、Cu或者Al。

本发明在发光二极管的出光面上应用了由单层微球有序结构组成的二维光子晶体， 改善了半导体层与外界的折射律差值，打破了原有的界面状态，消除了发光二极管半导 体层的波导效应和Snell定律的临界出射角限制。该二维光子晶体层，利用弱光子晶体效 应，调制出光面的光学模态，提高了发光二极管的出光率，其出光率较传统发光二极管提 高了10％～20％。

本发明的二维光子晶体层通过化学自组装技术引入发光二极管的出光面表面位置， 避免了传统刻蚀、光刻或者压印等技术对半导体发光层(有源层)的损伤，减少了非辐射 复合，在几乎不增加成本的工艺条件下，提高了出光效率，增加光输出亮度。解决了光子 晶体生产成本昂贵的制约，达到了光子晶体出光面光子晶体化的作用。适宜于大面积和 工业化生产。

附图说明