本发明专利技术揭示一种具有优化的光子晶体提取器(64)的高效且可能高度定向的发光二极管(LED)。所述LED由以下组成:衬底(28);生长在所述衬底上的缓冲层(30)(如果需要的话);包含发射物质的活性层(32);一个或一个以上光学限制层,其定制LED中所导引模式(40)的结构;和一个或一个以上衍射光栅,其中所述衍射光栅是二维光子晶体提取器。可去除所述衬底,且可在所述缓冲层、光子晶体和活性层上沉积金属层,其中所述金属层(42)可充当镜面、电触点和/或有效的衍射光栅。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及发光二极管(LED),且更明确地说,涉及具有优化的光子晶体提取器的 高效LED。
技术介绍
发光二极管(LED)是一种当在正向方向上被电偏置时以受激方式发光的半导体装 置。这种效应是电致发光的一种形式。LED包含由浸渍或掺杂有杂质以形成称为pn结的结构的半导体材料制成的芯片。当 被正向偏置时,电子从n型区被注入到所述结中,且从p型区注入空穴。当电子和空穴 复合时,其以光子形式释放能量。光的波长(且因而其色彩)取决于形成pn结的材料的 带隙能。随着半导体材料的改进,半导体装置的效率也得以改进,且已使用新的波长范围。 基于氮化镓(GaN)的发光器对于多种应用来说可能是最有前途的。举例来说,当GaN 与不同浓度的铟(In)熔合时,其提供在紫外线到棕黄光谱中的高效照明。遗憾的是,归因于半导体与空气界面处的全内反射,半导体LED材料内发射的大多 数光被损耗。典型的半导体材料具有较高的折射率,且因此,根据斯涅耳定律,大多数 光将被截留于材料中,进而降低了效率。通过为LED选择合适的几何形状,可实现较高 的提取效率。图1是同质发光材料10的横截面图,其说明材料14内发射的光的一部分12位于逃 离锥体16内,且可逃离材料10,而所发射光的大部分18被截留,且在材料10内发生 反射。在这种情况下,发射的光18被称作导光模式或导引模式,因为光18被限定在装 置10中,且在材料10内被横向引导。 一种用于减少全内反射的影响的方法是通过对装 置表面的随机纹理化来形成光散射或重新分布,这导致在装置的半导体与空气界面处的 多个可变角度的入射。由于非常高的内部效率和较低的内部损耗,己显示这种方法将发 射效率提高了 9-30%,这允许在光逃离装置之前有许多通路。图2是说明这样的原理的半导体LED 20的横截面图,其中LED 20的顶部表面22 经纹理化,LED 20的底部表面24包含反射器,空气的折射率11=1,且LED20的半导 体材料的折射率n = 3.5。 LED 20的带纹理顶部表面22用于以几何光学方法来随机化光 的轨道。另一种降低截留的光的百分比的方法是使用谐振腔LED (RCLED)或微腔LED (MCLED)。与使用传统LED的现有系统相比,MCLED提供形成具有更高效率的固 态发光系统的机会。由于在谐振腔内并入有增益介质,MCLED发射出十分致密且定向的 光束。这些装置的较高的提取效率和较大的亮度是这些技术优于常规LED的主要优点。提取效率是指由特定系统产生的光子实际上离开所述系统而作为有用辐射的能 力。然而,由于微腔结构还导致非常高效的发射进入导引模式和泄漏模式,所以这种较 高的提取效率限于40%范围中的值。因此,如果可提取这些导引模式,那么将会是有用 的。如上文所提及,导引模式是由于结构层之间的折射率差异而在装置平面上引导的模 式。泄漏模式是朝着空气或衬底而穿过层(例如,穿过DBR)进行辐射。当泄漏模式的 光在界面处经受多个全内反射,在装置内往返行进,直到其能量由于各种损耗机制(例 如,金属镜面损耗、自由载流子吸收、被活性层再吸收,其通过再发射而再循环能量, 尽管带有某些损耗,等等。)而耗散时,泄漏模式通常被损耗。图3是半导体LED26的横截面图,其说明辐射、导引和泄漏模式,其中LED26包 含衬底28、缓冲层30和包含量子势阱(QW) 34的活性层32。所发射光的一部分朝着 空气被提取36,并形成辐射模式36,所发射光的一部分泄漏38穿过装置26的各种层进 入衬底28,并形成泄漏模式38,且所发射光的一部分在活性层32中(或在活性层32和 缓冲层30两者中)反射40,并形成导引模式40。为获得高效LED,有必要优化结构外部的引导模式发射36,最小化泄漏模式发射(如 果这些模式存在的话)38,且如果可能的话,再发射导引模式发射40。本专利技术旨在以可 易于制造的结构来实现这个目标'。图4A-4B和5A-5B说明氮化镓(GaN)材料系统中的结构(图4A和图5A)和经由 底部金属或分布式布拉格反射器(DBR)镜面,以及在顶部与空气的单一界面的微腔发 射的模拟(图4B和图5B)。图4B和图5B是以对数标度的半导体内的角度发射图,其 中图4B展示图4A的结构的发射,且图5B展示图5A的结构的发射。对于图4B和图5B 来说,图的左半部分展示横向磁性(TM)发射,且其右半部分展示横向电(TE)极化发 射。仅假设了面内单色偶极。在图4A中,所述结构包含金属镜面42和包含量子势阱46的活性层44,其中所述 结构是3V4的腔,量子势阱46被放置在金属镜面42的X/4 (48)处。在图4B中,箭头 50展示朝着空气的发射,而箭头52展示朝着衬底的发射。同样在图4B中,大括弧36 指示被提取的光,且大括弧40指示导引模式。在图5A中,结构包含缓冲器54、 7个周期的DBR镜面56和包含量子势阱60的活 性层58,其中所述结构是X腔,量子势阱60被放置在7个周期DBR镜面56的XZ2 (62) 处。在图5B中,箭头64展示朝着空气的发射,而箭头66展示朝着衬底的发射。同样在 图5B中,大括弧36指示被提取的光,大括弧38指示泄漏模式,且大括弧40指示导引 模式。这些结构的提取效率分别在图4A中是31%和24% (在空气中)及在图5A中是44 %和27% (在环氧树脂中)。 当试图获得LED的较大的微腔提取改进时,在大多数系统中会遇到困难。图4B和 图5B展示从中提取优化的GaN微腔LED的预期效率的发射图,且说明以下问题(i) 外延生长的材料的折射率对比非常有限,对于非常重要的氮化物材料尤其如此。 这是为什么在图5A的DBR镜面56结构中看到进入许多泄漏模式的发射的缘故,这使得 图5A的DBR镜面56结构比图4A的金属镜面42低效。(ii) 所显示的效率仅因为考虑到非常薄的结构才是可能的,从而导致低阶腔(如下 文参考IO所描述)。难以获得这样薄的活性层。举例来说,常常有必要在生长良好品质 的用于活性层的材料之前在衬底上生长较厚(数微米)的氮化物缓冲层。虽然从衬底剥 离氮化物材料(缓冲层和活性层)已经是精密的操作,除此之外,还极难以获得导致图 4A中所示的薄金属镜面结构的优良性能的由良好的金属镜面定界的较薄的层(即,进一步去除缓冲层的一部分或全部)。因此,所属领域中需要一种提供增加的光提取效率的改进的LED结构。另外,所属领域中需要一种优化结构外部的引导发射,'最小化泄漏模式发射,并再发射导引模式发 射的改进的LED结构。此外,需要在保留平坦结构的同时提供此类改进的LED,以便使 此类结构易于制造。本专利技术满足这些需要,且尤其针对支持许多导引模式的LED的情况 (例如,厚度不易于制造得足够薄以使LED仅支持一种或少数几种模式的LED)。最终, 本专利技术可增强光发射的定向性,这对于某些应用来说(例如,LCD显示器)是非常需要 的性质。
技术实现思路
本专利技术揭示一种具有优化的光子晶体提取器的高效且可能为高度定向的发光二极管 (LED)。所述LED包含衬底;生长在所述衬底上的缓冲层(如果此类层是必要的话); 一个或一个以上光学限制层;包含发射物质的活性层;和一个或一个以上衍射光栅,其 中所述衍射光栅是二维光子晶体提取器。可去除本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种发光二极管(LED),其包括: (a)衬底; (b)活性层,其形成在所述衬底上,其中所述活性层包含一个或一个以上发光物质; (c)一个或一个以上光学限制层,其形成在所述活性层下方或周围,其中所述光学限制层定制所述LED内的导引模式的结构;以及 (d)一个或一个以上衍射光栅,其形成在所述光学限制层上,其中所述衍射光栅是从所述LED提取光的二维光子晶体。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-2-28 11/067,9561.一种发光二极管(LED),其包括(a)衬底;(b)活性层,其形成在所述衬底上,其中所述活性层包含一个或一个以上发光物质;(c)一个或一个以上光学限制层,其形成在所述活性层下方或周围,其中所述光学限制层定制所述LED内的导引模式的结构;以及(d)一个或一个以上衍射光栅,其形成在所述光学限制层上,其中所述衍射光栅是从所述LED提取光的二维光子晶体。2. 根据权利要求1所述的LED,其进一步包括形成在所述衬底上的缓冲层,其中所述 活性层形成在所述缓冲层上。3. 根据权利要求1所述的.LED,其中所述衍射光栅将发射引导到所述LED外部,且 将导引模式转换为提取的光。4. 根据权利要求1所述的LED,其进一步包括沉积在所述LED的一侧或两侧上的一 个或一个以上层,其中所述层充当镜面、电触点和/或衍射光栅。5. 根据权利要求1所述的LED,其中所述光学限制层增强由所述光子晶体进行的光提 取。6. 根据权利要求5所述的LED,其中所述光学限制层有助于激发局限于所述光学限制 层上方的那些模式。7. 根据权利要求1所述的LED,其中光主要被发射成与所述光子晶体交互的模式,使 得通常被损耗的导引模式被衍射到所述LED外部。8. 根据权利要求l所述的LED,其中所述光子晶体交叉所述活性层中的所述发光物质。9. 根据权利要求1所述的LED,其中所述光子晶体距所述活性层中的所述发光物质的 距离在一个或数个光学长度内。10. 根据权利要求1所述的LED,其中所述LED保留平坦的单层结构。11. 根据权利要求1所述的LED,其中所述光子晶体包含由可变孔排组成的锥形。12. 根据权利要求11所述的LED,其中所述锥形包括一个或一个以上周期的经修改的 孑L,且所述经修改的孔具有可变的孔深、可变的孔周期或可变的孔直径。13. 根据权利要求1所述的LED,其中所述光子晶体的特征沿着其结构发生变化,以便 修改所述光子晶体的特性。14. 根据权利要求1所述的LED,其中光产生区与所述光子晶体重合或重叠,使得被导 引的光不在光子晶体区的界面处遭受反射或散射。15. 根据权利要求1所述的LED,其中精细地调节所述发光物质的位置,以便精确地控 制其发射特性。16. 根据权利要求1所述的LED,其中通过合适地定制导引模式结构,由所述光子晶体 进行的光衍射发生在给定方向范围内,进而形...
【专利技术属性】
技术研发人员:奥雷利安JF戴维,克洛德CA魏斯布什,史蒂文P登巴尔斯,
申请(专利权)人:加利福尼亚大学董事会,
类型:发明
国别省市:US[美国]
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