完全禁帶光子晶體結構、其製備方法及一種發光二極體的製作方法

2023-05-19 04:33:41 1

專利名稱：完全禁帶光子晶體結構、其製備方法及一種發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體照明領域，涉及一種完全禁帶光子晶體結構及其製備方法，還涉及一種採用該完全禁帶光子晶體結構的發光二極體。
背景技術：
目前LED仍存在成本高、發光效率低、可靠性差等問題，而且白光LED的發光效率還不高，這些問題均限制了 LED在各個領域的應用。LED的電光轉換效率由內量子效率和光提取效率決定，現在的LED工藝已經可以將LED的內量子效率提高到一個很高的水平，而光提取效率則不然，還有很大的提升空間。所以現階段，LED研究人員的努力方向之一就是提高LED的光提取效率。理論[1，2]和實驗[3^5]均證明，在LED的表面或內部製備光子晶體結構，可以應用光子晶體結構所特有的光子禁帶效應顯著地提高氮化鎵基LED的光提取效率。但是，考慮到氮化鎵的折射率僅為2. 4左右，而藍寶石襯底的折射率為1. 7，所以若在藍寶石襯底上的氮化鎵層中製備光子晶體結構，由於兩種材料的折射率之差較小，將很難形成完全光子禁帶。以氮化鎵為例，其折射率nms=2. 4，三角晶格的晶格常數為a，介質柱和空氣孔的半徑均為R=O. 3a。圖3的能帶結構顯示，採用介質柱型光子晶體結構有利於獲得TE模禁帶，而採用空氣孔型光子晶體結構有利於獲得TM模禁帶，但是均不能獲得完全光子禁帶。再以氮化鎵和空氣兩種材料形成的光子晶體為例(氮化鎵的折射率為nsiw=2. 4，空氣的折射率為nsn=l)。由數值分析得到的三角晶格光子晶體禁帶與半徑R的關係如圖4所示，當半徑R在0-0. 5a之間變動時，空氣孔型和介質柱型光子晶體可以分別獲得TE模和TM模禁帶，但二者的禁帶卻不重合，也就意味著不存在完全光子禁帶。這裡需要指出的是，如果用氧化矽等材料製作光子晶體，然後在其上生長氮化鎵，則這兩種材料的折射率差更小，也就更難形成完全光子禁帶。

發明內容
技術問題針對上述目前含有單一光子晶體結構的LED所存在的問題和不足，本發明提供了一種提高光提取效率，可以分別獨立地自由調節，並且可應用於各種類型的襯底材料和和不同發光波段的的完全光子禁帶光子晶體結構。本發明還提供了這種完全光子禁帶光子晶體結構的製備方法，以及一種採用這種完全光子禁帶光子晶體結構的、提高LED器件光提取效率和氮化鎵基LED外延薄膜質量的發光二極體。技術方案本發明的完全禁帶光子晶體結構，包括位於下層的空氣孔型光子晶體結構和位於上層的介質柱型光子晶體，空氣孔型光子晶體結構和介質柱型光子晶體結構均是由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，介質柱型光子晶體結構的介質材料對應設置在空氣孔型光子晶體結構的介質材料的上表面。本發明的採用上述完全禁帶光子晶體結構的發光二極體，包括從下至上依次連接設置的藍寶石襯底、光子晶體結構、n型氮化鎵外延層、銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發光層、P型氮化鎵外延層、透明導電層和鈍化層，n型氮化鎵外延層上表面為刻蝕出的階梯狀臺面，階梯狀臺面包括一個上檯面和位於上檯面一側的下臺面，上檯面與銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發光層的底面連接，下臺面則直接與鈍化層連接，透明導電層上表面設置有穿過鈍化層的P型電極，外延層的下檯面上設置有穿過鈍化層的n型電極；光子晶體結構包括位於下層的空氣孔型光子晶體結構和位於上層的介質柱型光子晶體。本發明的具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體中，空氣孔型光子晶體結構的晶格周期範圍為100-800nm，空氣孔直徑為100_800nm，空氣孔深度為lO-lOOOnm，介質柱型光子晶體結構的晶格周期範圍為100-800nm，介質柱直徑為100_800nm，介質柱高度為10_3000nm。本發明的具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體中，空氣孔型光子晶體結構和介質柱型光子晶體結構的晶格類型均為正方晶格、三角晶格、蜂窩晶格和光子準晶體中的任一種，光子準晶體是五重對稱、八重對稱、十重對稱和十二重對稱四種對稱結構中的任一種。本發明的具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體中，空氣孔型光子晶體結構的空氣孔形狀，以及介質柱型光子晶體結構的介質柱形狀為錐形、柱形、稜錐形、稜台形和半球形中的任一種。本發明的具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體中，介質柱型光子晶體結構的的材料為氮化矽或者摻雜的二氧化鈦，下 層空氣孔型光子晶體結構的材料為藍寶石、砷化鎵、磷化銦、碳化娃、娃中的任何一種。本發明的完全禁帶光子晶體結構的製備方法，包括如下步驟I)在藍寶石襯底上用光刻膠做掩膜，刻蝕製備出由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為空氣孔型光子晶體結構；2)在空氣孔光子晶體結構上蒸鍍一層氮化矽薄膜，然後同樣用光刻膠做掩膜，刻蝕出與空氣孔光子晶體結構的陣列對應的、且由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為介質柱型光子晶體。這裡需要指出的是本發明的完全禁帶的光子晶體結構，主要包含上下兩層光子晶體結構，即上層的介質柱型光子晶體和下層的空氣孔型光子晶體。其中，介質柱型光子晶體和空氣孔型光子晶體在平行於藍寶石襯底方向是交錯分布，而不是上下相互重疊，如圖5所示。經理論模擬優選的介質柱型或空氣孔型光子晶體的類型為三角晶格光子晶體結構或十二重對稱的光子準晶結構。有益效果本發明與現有技術相比，具有以下優點雖然現有的採用介質柱型的光子晶體結構有利於獲得TE模禁帶，而採用空氣孔型光子晶體結構有利於獲得TM模禁帶，但是均不能獲得完全光子禁帶，也就是說對提高LED的光提取效率的作用有限。本發明所提供的具有完全禁帶光子晶體結構的LED，則由於同時具備空氣孔型和介質柱型的新型光子晶體結構，因此結合了介質柱型光子晶體結構有利於獲得TE模禁帶和空氣孔型光子晶體結構有利於獲得TM模禁帶的優勢，可以在LED出光波段實現完全光子禁帶特性，能夠將原本射向襯底的光限制並耦合回氮化鎵基LED外延薄膜層，從而極大地提高了 LED的出光效率。本發明提供的完全禁帶光子晶體是由空氣孔型和介質柱型兩種光子晶體組合而成，它可以在LED發光波段實現完全光子禁帶特性，能將原本射向襯底的光全部限制並耦合回氮化鎵基LED外延薄膜層，從而極大地提高LED的出光效率。本發明提供的完全禁帶光子晶體結構參數調節靈活、自由度大。無論是空氣孔型，還是介質柱型光子晶體，均能根據LED出射光的對應波段的要求，分別獨立自由地調節，從而大大拓展了其在LED領域中的應用價值。在本發明提供的完全禁帶光子晶體結構的基底上生長氮化鎵基外延層時，該種新型光子晶體結構與目前普遍採用的圖形化襯底相類似，可以有效地降低晶格失配所導致的位錯密度，進而能夠獲得較高質量的氮化鎵基外延薄膜。而且，本發明的新型光子晶體結構不僅適用於製備藍寶石、砷化鎵、磷化銦、碳化矽或者矽襯底的正裝或者倒裝結構的LED，亦可適用於需要提高某一波段反射率的其它光電子器件。本發明的完全禁帶光子晶體結構及其製備技術，是一種能夠應用於各種類型的襯底材料和不同的發光波段、結構參數調節靈活、可顯著提高LED光提取效率的製造技術。


圖1為具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體結構示意圖；圖2為具有傳統的具有單一光子晶體結構襯底的發光二極體結構示意圖；圖3 (a)為二角晶格介質柱型光子晶體的能帶圖；圖3 (b)為二角晶格空氣孔型光子晶體的能帶圖；圖4 Ca)為三角晶格介質柱型光子晶體光子禁帶與介質柱半徑R的關係；圖4 (b)為三角晶格空氣孔型光子晶體光子禁帶與空氣孔半徑R的關係；圖5為本發明提供的完全光子禁帶光子晶體結構的結構示意圖；圖6 Ca)為本發明LED襯底中正方晶格光子晶體的結構示意圖；圖6 (b)為本發明LED襯底中三角晶格光子晶體的結構示意圖；圖6 (C)為本發明LED襯底中蜂窩晶格光子晶體的結構示意圖；圖6 Cd)為本發明LED襯底中十二重對稱的光子準晶的結構示意圖。圖中有藍寶石襯底1，光子晶體結構2，空氣孔型光子晶體結構21，介質柱型光子晶體結構22，n型氮化鎵外延層3，n型電極4，銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發光層5，p型氮化鎵外延層6，透明導電層7，鈍化層8，p型電極9。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。本發明的主要目的是為了解決現有LED器件的光提取效率不高，以及如何獲得高質量的氮化鎵基LED外延薄膜等問題。根據本發明所提供的新型、能顯著地增加光提取效率的具有完全光子禁帶光子晶體結構的LED及其製備方法，可以很好地解決上述問題。另夕卜，本發明提供的構成新型光子晶體結構的空氣孔型和介質柱型光子晶體的結構參數可以分別獨立地自由調節，而且可應用於各種類 型的襯底材料和發光波段的光電子器件。如圖5所示為本發明的完全光子禁帶光子晶體結構的結構示意圖，包括位於下層的空氣孔型光子晶體結構21和位於上層的介質柱型光子晶體22，空氣孔型光子晶體結構21和介質柱型光子晶體結構22均是由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，介質柱型光子晶體結構22的介質材料對應設置在空氣孔型光子晶體結構21的介質材料的上表面。如圖1所示為具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體(LED)結構示意圖，其結構要素包括生長LED的襯底1，在襯底I上製備光子晶體結構2，其包括空氣孔型光子晶體21，在空氣孔型光子晶體21上製備的介質柱型光子晶體22，n型氮化鎵外延層3，n型電極4，銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發光層5，p型氮化鎵外延層6，透明導電層7，鈍化層8，P型電極9。如圖2所示為傳統的、具有單一光子晶體結構襯底的LED結構示意圖，其結構要素包括襯底1，在襯底I上製備的單一光子晶體結構2，n型氮化鎵外延層3，n型電極4，銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發光層5，p型氮化鎵外延層6，透明導電層7，鈍化層8，p型電極9 ;如圖3 (a)和3 (b)所不分別為二角晶格介質柱型和空氣孔型光子晶體的能帶圖。從圖中可以清晰地看到介質柱型光子晶體結構有利於獲得TE模禁帶，而空氣孔型光子晶體結構有利於獲得TM模禁帶，但是均不能獲得完全禁帶；如圖4 (a)和4 (b)所示分別為三角晶格介質柱型和空氣孔型光子晶體禁帶與半徑R的關係。數值分析表明，當半徑在0-0. 5a之間變動時，它們都可以分別獲得TE模和TM模禁帶，但二者的禁帶卻不重合， 也就是說不存在完全禁帶；圖5為本發明提供的具有完全禁帶的光子晶體的襯底結構示意圖。在襯底上製備的新型光子晶體結構主要包含上下兩層光子晶體結構下層的空氣孔型光子晶體21和上層的介質柱型光子晶體22。圖6 (a)、(b)、(c)、(d)分別為LED襯底中正方晶格光子晶體、三角晶格光子晶體、蜂窩晶格光子晶體、十二重對稱的光子準晶的結構示意圖。適用於本發明LED襯底中的光子晶體的類型可以為正方晶格，三角晶格，蜂窩晶格，光子準晶(光子準晶體包括四種結構五重對稱、八重對稱、十重對稱和十二重對稱)中的任一種。而且，本發明所提供的新型光子晶體結構中的介質柱或空氣孔的形狀可以為錐形、柱形、稜錐形、稜台形、半球形中的任一種。本發明的完全禁帶光子晶體結構的製備方法，包括如下步驟I)在藍寶石襯底I上用光刻膠做掩膜，刻蝕製備出由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為空氣孔型光子晶體結構21 ；2)在空氣孔光子晶體結構21上蒸鍍一層氮化矽薄膜，然後同樣用光刻膠做掩膜，刻蝕出與空氣孔光子晶體結構21的陣列對應的、且由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為介質柱型光子晶體22。以上僅為本發明的較佳實施方式。本發明的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域的普通技術人員根據本發明所揭示的內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中所記載的保護範圍內。
權利要求
1.一種完全禁帶光子晶體結構，其特徵在於，該光子晶體結構包括位於下層的空氣孔型光子晶體結構(21)和位於上層的介質柱型光子晶體(22)，所述空氣孔型光子晶體結構(21)和介質柱型光子晶體結構(22)均是由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，所述介質柱型光子晶體結構(22)的介質材料對應設置在空氣孔型光子晶體結構(21)的介質材料的上表面。
2.一種採用權利要求1所述的完全禁帶光子晶體結構的發光二極體，其特徵在於，該發光二極體包括從下至上依次連接設置的藍寶石襯底(I )、光子晶體結構(2)、η型氮化鎵外延層(3)、銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發光層(5)、P型氮化鎵外延層(6)、透明導電層(7)和鈍化層(8)，所述η型氮化鎵外延層(3)上表面為刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括一個上檯面和位於上檯面一側的下臺面，所述上檯面與銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發光層(5)的底面連接，所述下臺面則直接與鈍化層(8)連接，所述透明導電層(7)上表面設置有穿過鈍化層(8)的P型電極(9)，所述外延層(3)的下檯面上設置有穿過鈍化層(8)的η型電極(4);所述光子晶體結構(2)包括位於下層的空氣孔型光子晶體結構(21)和位於上層的介質柱型光子晶體(22)。
3.根據權利要求2所述的具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體，其特徵在於，所述空氣孔型光子晶體結構(21)的晶格周期範圍為100-800nm，空氣孔直徑為100_800nm，空氣孔深度為lO-lOOOnm，所述介質柱型光子晶體結構(22)的晶格周期範圍為100_800nm，介質柱直徑為100-800nm,介質柱高度為10-3000nm。
4.根據權利要求2或3所述的具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體，其特徵在於，所述空氣孔型光子晶體結構(21)和介質柱型光子晶體結構(22)的晶格類型均為正方晶格、三角晶格、蜂窩晶格和光子準晶體中的任一種，所述光子準晶體是五重對稱、八重對稱、十重對稱和十二重對稱四種對稱結構中的任一種。
5.根據權利要求2或3所述的具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體，其特徵在於，所述空氣孔型光子晶體結構(21)的空氣孔形狀，以及介質柱型光子晶體結構(22)的介質柱形狀為錐形、柱形、稜錐形、稜台形和半球形中的任一種。
6.根據權利要求5所述的具有完全禁帶光子晶體結構的發光二極體，其特徵在於，所述介質柱型光子晶體結構(22)的的材料為氮化矽或者摻雜的二氧化鈦，所述下層空氣孔型光子晶體結構(21)的材料為藍寶石、砷化鎵、磷化銦、碳化矽、矽中的任何一種。
7.一種製備權利要求1所述的完全禁帶光子晶體結構的方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟1)在藍寶石襯底(I)上用光刻膠做掩膜，刻蝕出由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為空氣孔型光子晶體結構(21)；2)在所述空氣孔光子晶體結構(21)上蒸鍍一層氮化矽薄膜，然後同樣用光刻膠做掩膜，刻蝕出與所述空氣孔光子晶體結構(21)的陣列對應的、且由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為介質柱型光子晶體(22)。
全文摘要
本發明公開了一種完全禁帶光子晶體結構，包括位於下層的空氣孔型光子晶體結構和位於上層的介質柱型光子晶體，空氣孔型光子晶體結構和介質柱型光子晶體結構均是由兩種或兩種以上介電常數的介質材料在平面上呈周期性排列成的陣列，介質柱型光子晶體結構的介質材料對應設置在空氣孔型光子晶體結構的介質材料的上表面。本發明還公開了這種光子晶體結構的製備方法，以及一種採用該光子晶體結構的發光二極體。本發明光子晶體結構在LED發光波段實現完全光子禁帶特性，極大地提高LED的出光效率，本發明可獨立自由調節光子晶體的結構參數，拓展了在LED領域中的應用價值；有效地釋放晶格失配所產生的應力，進而獲得更高質量的氮化鎵基外延薄膜。
文檔編號H01L33/16GK103035797SQ20121053252
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者張 雄, 郭浩, 許潔, 崔一平 申請人:東南大學