一种具有二维光子晶体的发光二极管制造技术

一种具有二维光子晶体的发光二极管，它涉及具有光子晶体的发光二极管。本发明专利技术解决现有发光二极管出光效率低，及利用传统刻蚀、光刻或者压印技术对半导体有源层具有损伤，导致非辐射复合增加的问题。本发明专利技术发光二极管，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，其中在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，微球粒径５０ｎｍ～５μｍ。二维光子晶体层改善半导体层与外界的折射律差值，利用弱光子晶体效应，提高了出光率，较传统发光二极管提高了１０％～２０％。适宜于大面积和工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有光子晶体的发光二极管。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有发光二极管出光效率低，及利用传统刻蚀、光刻或 者压印技术对半导体有源层具有损伤，导致非辐射复合增加的问题，本专利技术提供了一种具 有二维光子晶体的发光二极管。本专利技术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. 05 μ m 5 μ m。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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 109^20%。本专利技术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。附图说明图1是具体实施方式一的具有二维光子晶体的发光二极管的结构示意图；图2是具体实施方式四的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图3是具体实施方式七的二维光 子晶体层9的排列结构示意图；图4是具体实施方式十二的二维光子晶体层9的排列结构 示意图；图5是具体实施方式十四的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图6是具体实 施方式十五的二维光子晶体层9的排列结构示意图；图7是具体实施方式十六的二维光子 晶体层9的排列结构示意图；图8是具体实施方式二十九中发光二极管的俯视示意图；图9 是具体实施方式三十三的二维光子晶体层9的扫描电子显微镜形貌图。具体实施例方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的 任意组合。具体实施方式一本实施方式具有二维光子晶体的发光二极管，包括衬底1、缓冲 层2、N型掺杂半导体层3、有源层4、P型掺杂半导体层5、电流扩散层6、P型电极7和N型 电极8，P型电极7通过电流扩散层6与P型掺杂半导体层5相接，N型电极8直接与N型 掺杂半导体层3相接，其中在N型掺杂半导体层3与空气的界面上，以及P型掺杂半导体层 5与空气的界面上覆盖有二维光子晶体层9，二维光子晶体层9为单层微球有序排列结构， 微球的粒径为0. 05 μ m 5 μ m。本实施方式的具有二维光子晶体的发光二极管的剖面示意图如图1所示。本实施方式中二维光子晶体层9通过对出光面的光子晶体化效应，提高二极管的 出光效率和外量子效率。工艺经济实用，解决了原有光子晶体制备方法的对半导体层的损 伤和制备昂贵的弊端，有利于工业化批量化生产。具体实施方式二 本实施方式与具体实施方式一不同的是二维光子晶体层9中的 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。其它参数与具体实施方 式一相同。具体实施方式三本实施方式与具体实施方式一不同的是二维光子晶体层9中的 微球为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。其它参数与具体实施方式一相同。具体实施方式四本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是二维光子晶体 层9为单层微球六方有序排列结构，微球粒径为0. 5 5 μ m，微球粒径均一。其它参数与具 体实施方式一、二或三相同。本实施方式的二维光子晶体层9的排列结构示意图如图2所示。 具体实施方式五本实施方式与具体实施方式四不同的是微球粒径为1 3μπι。 其它参数与具体实施方式四相同。具体实施方式六本实施方式与具体实施方式四不同的是微球粒径为2 2.5μπι。其它参数与具体实施方式四相同。具体实施方式七本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是二维光子晶体 层9为单层微球四方有序排列结构，微球粒径为0. 5 5 μ m，微球粒径均一。其它参数与具 体实施方式一、二或三相同。本实施方式的二维光子晶体层9的排列结构示意图如图3所示。具体实施方式八本实施方式与具体实施方式七不同的是微球粒径为1 3μπι。 其它参数与具体实施方式七相同。具体实施方式九本实施方式与具体实施方式七不同的是微球粒径为2 2.5μπι。其它参数与具体实施方式七相同。具体实施方式十本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是二维光子晶体 层9为单层微球嵌入式有序排列结构，在粒径均一的0. 8飞μ m的有序排列的微球间的空隙 中嵌入有序排列的粒径为5(T500nm的微球。其它参数与具体实施方式一、二或三相同。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有二维光子晶体的发光二极管，包括衬底（１）、缓冲层（２）、Ｎ型掺杂半导体层（３）、有源层（４）、Ｐ型掺杂半导体层（５）、电流扩散层（６）、Ｐ型电极（７）和Ｎ型电极（８），Ｐ型电极（７）通过电流扩散层（６）与Ｐ型掺杂半导体层（５）相接，Ｎ型电极（８）直接与Ｎ型掺杂半导体层（３）相接，其特征在于在Ｎ型掺杂半导体层（３）与空气的界面上，以及Ｐ型掺杂半导体层（５）与空气的界面上覆盖有二维光子晶体层（９），二维光子晶体层（９）为单层微球有序排列结构，微球的粒径为０．０５μｍ～５μｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李垚，詹耀辉，赵九蓬，丁艳波，葛邓腾，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]