[发明专利]一种宽频高提取率的LED芯片结构及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于LED技术领域，具体涉及一种宽频高提取率的LED芯片结构及其设计方法。

背景技术

伴随半导体技术的飞速发展，LED作为一种新型固态能源（SSL），具有能耗低，驱动电压低，稳定适用性强，无污染,便于调光调色,寿命长等众多优点，使其具有广泛的应用前景，比如照明，医疗，以及可见光通信领域，尤其在白光照明领域，已经逐步开始取代传统光源。

由于发光效率不高，导致单位流明的成本难以降低，这已成为影响LED发展的瓶颈。进一步提高LED的发光效率已经成为炙手可热的问题。随着衬底技术的不断进步，晶格质量大幅度提升，辐射复合得到了显著提高，LED的内量子效率已经完全可以做到90%以上，但是，其外量子效率很低，一般在5%左右，LED 出光效率低主要原因是：LED 有源层的半导体材料折射率比空气的折射率高，光在LED 介质与空气的界面会发生全反射，除光锥以内的大部分光不仅不能从LED 中发射出来，而且被金属触点、基底或有源层吸收，或者引起电子与空穴的非辐射复合，导致出光效率受到很大的限制，进而使芯片温度急剧升高，导致led光衰，色漂移和寿命减短等负面影响。

为了提高出光效率，人们采用了各种方法，比如倒金字塔结构，在蓝宝石底层生长布拉格反射层（DBR）,透明电极（ITO），表面粗化等技术，在一定程度上提高了出光率，但是未能实现宽频范围都具有高的出光率而且在460nm左右蓝光波段未能取得非常好的提取率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种出光率高的LED芯片结构及其设计方法。

为了提高出光率，且在宽频都具有高的出光率，本发明设计出一种简单的锥形光子晶体结构LED，通过时域有限差分法建立LED模型进行计算，然后进行参数优化，选择合适的结构参数能够在宽频范围内提高出光率。具体说来，本发明设计的LED芯片结构，其自下而上依次为：DBR反射层1，蓝宝石衬底2，缓冲层3，n型半导体层4，MQW(多量子阱层)5，p型半导体层6，如图1所示。其中，p型半导体层6中设计了正方晶格的锥形光子晶体阵列。

本发明提出的宽频高出光率LED结构设计方法，具体步骤为：

（1）在时域有限差分方法的基础上，利用FDTD软件构建一个带有锥形光子晶体结构的LED模型，包括在p型半导体层上设计正方晶格的锥形光子晶体阵列；

（2）基于时域有限差分法计算光在LED结构里面的演化，通过记录出射的光强，得到最终的光提取率；

（3）通过对锥形光子晶体结构参数，包括锥底半径d，锥高h，正方晶格常数a等进行优化，实现不同可见光频段或者工程所需要的频段都有高的光提取率。

实验表明，锥形光子晶体结构中，直径在500±20nm，高度在300±10nm，正方晶格常数在400±25nm，（锥高/直径）β在0.5～0.7范围内，LED均有高的光提取率。

结果显示 ，LED上表面出光率相对于普通LED大约提高7倍以上，蓝光频段可达14倍；而且该结构简单，很容易通过现在的纳米压印或者化学蚀刻技术实现。如今绝大部分白光照明都是460nm蓝光芯片加黄色荧光粉合成，利用该结构通过优化后可使光提取率达到14倍。

本发明可广泛用于现在主流的蓝光芯片+黄色荧光粉的白光照明LED芯片领域。

附图说明

图1为本发明的LED结构示意图。

图2为LED结构中P型半导体层所采用的锥形光子晶体(侧视)示意图。 注：锥形结构与p型半导体层材料完全一致，黑色只是为了突出该结构。

图3为LED结构中P型半导体层所采用的锥形光子晶体(俯视)局部示意图。

图4为结构优化后的光子晶体LED与无光子晶体结构LED提取率相比增强的倍数图。由图可以看出在取锥形光子晶体直径500nm，锥高300nm的时候，该结构在可见光波段都有较高的提取率提升，尤其在460nm波段附近，效果非常显著，相对于一般LED，提高了14倍左右。

图中标号： 1-DBR反射层，2-蓝宝石衬底，3-缓冲层，4-n型半导体层，5-MQW(多量子阱层)，6-p型半导体层。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的最佳实施例。