[发明专利]一种具有光子晶体结构的发光二极管

说明书

本发明涉及一种具有光子晶体结构的发光二极管，包括自下而上依次设置的纳米图形化蓝宝石衬底、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN欧姆接触层和ITO层，还包括在ITO层上引出的p型欧姆电极，在n型GaN层上引出n型欧姆电极，且在未掺杂GaN层上制备有反射光子晶体结构。本发明的优点在于：本发明采用纳米图形化蓝宝石衬底能够降低材料的位错和缺陷密度，提高发光二极管的内量子效率，同时由于图形尺寸缩小，还可进一步降低生产成本；同时，在未掺杂的GaN层制备反射光子晶体结构，能够将射向衬底的光反射回出光面，避免光的损失，提高光的利用率；进而能够有效地提高LED的发光效率和亮度。

技术领域

本发明涉及一种半导体光电子器件领域，特别涉及一种具有光子晶体结构的发光二极管（LED），是一种利用光子晶体的禁带效应提高LED光提取效率的制造技术。

背景技术

LED具有亮度高、低功耗、寿命长、启动快，功率小、无频闪、不容易产生视视觉疲劳等优点，应用范围广，涵盖LED显示器、交通信号灯、汽车灯、LCD背光、闪光灯、装饰照明、路灯和普通照明等领域。

蓝宝石具有化学和物理性质稳定、透光性好、成本合适等优点，因此被广泛用做GaN基发光二极管外延衬底。但GaN外延薄膜与底部的蓝宝石衬底的晶格常数失配(16%)和热膨胀系数失配(34%)很大，导致在GaN外延薄膜产生高达10⁹~10¹⁰cm^-2的线位错密度。高的线位错密度将影响外延薄膜的光学和电学特性，从而使器件的可靠性和内量子效率降低。而采用图形化蓝宝石衬底（PSS）则可以引入侧向外延的生长特性，从而降低位错密度，使得内量子效率提高。但传统的PSS技术，图形的刻蚀深度一般达到数μm，将使材料生长掩埋的时间大大延长，使得生产成本升高。而纳米图形化蓝宝石衬底（NPSS）的发光功率相较于微米级别图形化蓝宝石衬底可再提高约20%，同时由于图形尺寸缩小，还可进一步降低生产成本。

传统的LED大多采用正装结构，光从LED的p区出射，但是由于LED有源区发出的光是向四面八方的，这就导致光的利用率不高。同时，向衬底方向发出的光由于不能有效地出射，会被材料吸收，造成LED芯片的温度升高，从而影响器件的使用寿命。研究表明制备光子晶体，发挥其光子禁带的作用，可以有效的提高LED的光提取效率。但传统的光子晶体大多制备在LED的出光面，利用其增透作用提高器件的光提取效率。而由于LED中向衬底方向发出的光并未得到有效利用，所以这种方法对提高LED的发光功率作用不明显。

因此，研发一种生产成本低，且能够有效提高器件发光功率的具有光子晶体结构的发光二极管是非常有必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种生产成本低，且能够有效提高器件发光功率的具有光子晶体结构的发光二极管。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种具有光子晶体结构的发光二极管，其创新点在于：包括自下而上依次设置的纳米图形化蓝宝石衬底、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN欧姆接触层和ITO层，还包括在ITO层上引出的p型欧姆电极，在n型GaN层上引出n型欧姆电极，且在未掺杂GaN层上制备有反射光子晶体结构。

进一步地，所述反射光子晶体结构为二维或三维光子晶体，其结构形式为空气孔型或介质柱型，且光子晶体的晶格周期为100-1000 nm，高度为10-1000 nm，其形状为锥形、柱形、棱锥形或半球形中的任一种，排列方式为正方晶格、三角晶格或蜂窝晶格中的任一种。

进一步地，所述反射光子晶体结构的材料为二氧化硅、氧化钛或氧化镁中的一种。

进一步地，所述纳米图形化衬底的形状为圆锥形、三角形或半圆形中的一种，周期为100-1000 nm，高度为10-900 nm。

进一步地，所述纳米图形化蓝宝石衬底和反射光子晶体结构均采用纳米压印技术制备。