[发明专利]一种光子晶体结构发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有光子晶体结构的LED（发光二极管），具体地是一种利用光子晶体所特有的光子带隙效应来提高LED光提取效率的结构，属于半导体照明工程中提高LED发光效率的技术领域。

背景技术

LED作为固态半导体光源可应用于城市景观照明、室内照明等领域。随着第三代半导体材料氮化镓研究的突破和蓝、白光LED的问世，半导体照明技术必将引发了一场照明领域内的产业革命。实际上，目前LED正在逐步替代传统的白炽灯和荧光灯，成为新一代照明光源。

对于传统的单面水平结构的氮化镓基LED，由于半导体材料与空气界面的全内反射，理论上只有20％左右的光子能够逃逸出去，因而提高LED的光提取效率成为全球LED研究的前沿和热点。研究者已经在理论上和实验上验证了在氮化镓基LED的表面或内部引入光子晶体结构能够有效地提高LED的光提取效率。在利用光子晶体结构提高氮化镓基LED出光效率的研究中，光子晶体主要制备在p型氮化镓的表层，而在p型氮化镓层引入光子晶体会减弱p型氮化镓层和金属的欧姆接触特性，光子晶体的刻蚀工艺也可能导致对器件有源区的损伤。

目前大部分氮化镓基LED外延材料主要是在蓝宝石衬底上生长，但由于蓝宝石的导电性能差，常温下的电阻率大于10¹¹Ω·cm，普通的氮化镓基LED器件一般采用单面水平结构，即在不同的外延层表面分别制作n型和p型电极。电流在n型氮化镓层中横向流动不等的距离，存在电流堵塞现象，导致额外热量产生，而蓝宝石较差的导热性能使得大功率LED器件的应用受到限制。另外在外延层表面制作两个电极，会导致有效发光面积减少，同时还增加了LED器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程步骤，使得材料利用率和发光效率降低、成本增加。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了解决现有单面水平结构氮化镓基LED采用同侧电极所带来的电流分布不均、发热量高及光提取效率低下等问题。本发明提供一种增加光提取效率的光子晶体结构发光二极管。该结构中硅作为氮化镓异质外延生长的衬底，电极采取垂直接触(Vertical- Contact)方式，即p型和n型接触分别在制备于p型氮化镓与n型硅衬底背面，实现电流纵向分布。光子晶体制作在多层缓冲层上，利用光子晶体的光子带隙效应，实现具有高光提取效率的功率型氮化镓基蓝光及白光LED。

技术方案：一种光子晶体结构发光二极管，其包括：作为生长发光二极管衬底的n型硅衬底，在n型硅衬底上设有AlN成核层，在AlN成核层上生长有AlN/AlGaN多层缓冲层，在此多层缓冲层表面制备有光子晶体结构，在此光子晶体结构上生长n型GaN外延层，在n型GaN外延层上生长有InGaN多量子阱有源发光层；

AlN成核层和AlN/AlGaN多层缓冲层来作为n型硅衬底和n型GaN外延层之间的缓冲介质；

在AlN/AlGaN多层缓冲层内刻蚀形成光子晶体微结构；p型电极和n型电极分别制作在p型GaN外延层表面和n型硅衬底背面。

优选的，所述AlN成核层生长厚度为25-200nm。

优选的，所述AlN/AlGaN多层缓冲层厚度为100-200nm。

优选的，所述该光子晶体结构的晶格周期范围为200-600nm，刻蚀深度为100nm-200nm。

优选的，所述光子晶体结构发光二极管为垂直结构，电流垂直流过光子晶体结构发光二极管的n型GaN外延层。

优选的，光子晶体结构深入到AlN成核层内。

有益效果：通过本发明的在多层缓冲层内刻蚀形成的周期性光子晶体微结构，能将沿不同方向传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。

附图说明

图1是光子晶体LED层状结构示意图；

图2是光子晶体LED立体示意图。

其中，n型硅衬底1，AlN成核层2， AlN/AlGaN多层缓冲层3，光子晶体结构4，n型GaN外延层5，多重量子阱有源发光层6。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

参见图1－2，光子晶体结构发光二极管，其包括：作为生长发光二极管衬底的n型硅衬底1，在n型硅衬底1上设有AlN成核层2，在AlN成核层2上生长有AlN/AlGaN多层缓冲层3，在此多层缓冲层3表面制备有光子晶体结构4，在此光子晶体结构4上生长n型GaN外延层5，在n型GaN外延层5上生长有InGaN多量子阱有源发光层6；