专利名称：完全禁带光子晶体结构、其制备方法及一种发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体照明领域，涉及一种完全禁带光子晶体结构及其制备方法，还涉及一种采用该完全禁带光子晶体结构的发光二极管。
背景技术：
目前LED仍存在成本高、发光效率低、可靠性差等问题，而且白光LED的发光效率还不高，这些问题均限制了 LED在各个领域的应用。LED的电光转换效率由内量子效率和光提取效率决定，现在的LED工艺已经可以将LED的内量子效率提高到一个很高的水平，而光提取效率则不然，还有很大的提升空间。所以现阶段，LED研究人员的努力方向之一就是提高LED的光提取效率。理论[1，2]和实验[3^5]均证明，在LED的表面或内部制备光子晶体结构，可以应用光子晶体结构所特有的光子禁带效应显著地提高氮化镓基LED的光提取效率。但是，考虑到氮化镓的折射率仅为2. 4左右，而蓝宝石衬底的折射率为1. 7，所以若在蓝宝石衬底上的氮化镓层中制备光子晶体结构，由于两种材料的折射率之差较小，将很难形成完全光子禁带。以氮化镓为例，其折射率nms=2. 4，三角晶格的晶格常数为a，介质柱和空气孔的半径均为R=O. 3a。图3的能带结构显示，采用介质柱型光子晶体结构有利于获得TE模禁带，而采用空气孔型光子晶体结构有利于获得TM模禁带，但是均不能获得完全光子禁带。再以氮化镓和空气两种材料形成的光子晶体为例(氮化镓的折射率为nsiw=2. 4，空气的折射率为nsn=l)。由数值分析得到的三角晶格光子晶体禁带与半径R的关系如图4所示，当半径R在0-0. 5a之间变动时，空气孔型和介质柱型光子晶体可以分别获得TE模和TM模禁带，但二者的禁带却不重合，也就意味着不存在完全光子禁带。这里需要指出的是，如果用氧化硅等材料制作光子晶体，然后在其上生长氮化镓，则这两种材料的折射率差更小，也就更难形成完全光子禁带。
发明内容
技术问题针对上述目前含有单一光子晶体结构的LED所存在的问题和不足，本发明提供了一种提高光提取效率，可以分别独立地自由调节，并且可应用于各种类型的衬底材料和和不同发光波段的的完全光子禁带光子晶体结构。本发明还提供了这种完全光子禁带光子晶体结构的制备方法，以及一种采用这种完全光子禁带光子晶体结构的、提高LED器件光提取效率和氮化镓基LED外延薄膜质量的发光二极管。技术方案本发明的完全禁带光子晶体结构，包括位于下层的空气孔型光子晶体结构和位于上层的介质柱型光子晶体，空气孔型光子晶体结构和介质柱型光子晶体结构均是由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，介质柱型光子晶体结构的介质材料对应设置在空气孔型光子晶体结构的介质材料的上表面。本发明的采用上述完全禁带光子晶体结构的发光二极管，包括从下至上依次连接设置的蓝宝石衬底、光子晶体结构、n型氮化镓外延层、铟镓氮/氮化镓多量子阱有源发光层、P型氮化镓外延层、透明导电层和钝化层，n型氮化镓外延层上表面为刻蚀出的阶梯状台面，阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，上台面与铟镓氮/氮化镓多量子阱有源发光层的底面连接，下台面则直接与钝化层连接，透明导电层上表面设置有穿过钝化层的P型电极，外延层的下台面上设置有穿过钝化层的n型电极；光子晶体结构包括位于下层的空气孔型光子晶体结构和位于上层的介质柱型光子晶体。本发明的具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管中，空气孔型光子晶体结构的晶格周期范围为100-800nm，空气孔直径为100_800nm，空气孔深度为lO-lOOOnm，介质柱型光子晶体结构的晶格周期范围为100-800nm，介质柱直径为100_800nm，介质柱高度为10_3000nm。本发明的具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管中，空气孔型光子晶体结构和介质柱型光子晶体结构的晶格类型均为正方晶格、三角晶格、蜂窝晶格和光子准晶体中的任一种，光子准晶体是五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称四种对称结构中的任一种。本发明的具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管中，空气孔型光子晶体结构的空气孔形状，以及介质柱型光子晶体结构的介质柱形状为锥形、柱形、棱锥形、棱台形和半球形中的任一种。本发明的具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管中，介质柱型光子晶体结构的的材料为氮化硅或者掺杂的二氧化钛，下 层空气孔型光子晶体结构的材料为蓝宝石、砷化镓、磷化铟、碳化娃、娃中的任何一种。本发明的完全禁带光子晶体结构的制备方法，包括如下步骤I)在蓝宝石衬底上用光刻胶做掩膜，刻蚀制备出由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，成为空气孔型光子晶体结构；2)在空气孔光子晶体结构上蒸镀一层氮化硅薄膜，然后同样用光刻胶做掩膜，刻蚀出与空气孔光子晶体结构的阵列对应的、且由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，成为介质柱型光子晶体。这里需要指出的是本发明的完全禁带的光子晶体结构，主要包含上下两层光子晶体结构，即上层的介质柱型光子晶体和下层的空气孔型光子晶体。其中，介质柱型光子晶体和空气孔型光子晶体在平行于蓝宝石衬底方向是交错分布，而不是上下相互重叠，如图5所示。经理论模拟优选的介质柱型或空气孔型光子晶体的类型为三角晶格光子晶体结构或十二重对称的光子准晶结构。有益效果本发明与现有技术相比，具有以下优点虽然现有的采用介质柱型的光子晶体结构有利于获得TE模禁带，而采用空气孔型光子晶体结构有利于获得TM模禁带，但是均不能获得完全光子禁带，也就是说对提高LED的光提取效率的作用有限。本发明所提供的具有完全禁带光子晶体结构的LED，则由于同时具备空气孔型和介质柱型的新型光子晶体结构，因此结合了介质柱型光子晶体结构有利于获得TE模禁带和空气孔型光子晶体结构有利于获得TM模禁带的优势，可以在LED出光波段实现完全光子禁带特性，能够将原本射向衬底的光限制并耦合回氮化镓基LED外延薄膜层，从而极大地提高了 LED的出光效率。本发明提供的完全禁带光子晶体是由空气孔型和介质柱型两种光子晶体组合而成，它可以在LED发光波段实现完全光子禁带特性，能将原本射向衬底的光全部限制并耦合回氮化镓基LED外延薄膜层，从而极大地提高LED的出光效率。本发明提供的完全禁带光子晶体结构参数调节灵活、自由度大。无论是空气孔型，还是介质柱型光子晶体，均能根据LED出射光的对应波段的要求，分别独立自由地调节，从而大大拓展了其在LED领域中的应用价值。在本发明提供的完全禁带光子晶体结构的基底上生长氮化镓基外延层时，该种新型光子晶体结构与目前普遍采用的图形化衬底相类似，可以有效地降低晶格失配所导致的位错密度，进而能够获得较高质量的氮化镓基外延薄膜。而且，本发明的新型光子晶体结构不仅适用于制备蓝宝石、砷化镓、磷化铟、碳化硅或者硅衬底的正装或者倒装结构的LED，亦可适用于需要提高某一波段反射率的其它光电子器件。本发明的完全禁带光子晶体结构及其制备技术，是一种能够应用于各种类型的衬底材料和不同的发光波段、结构参数调节灵活、可显著提高LED光提取效率的制造技术。
图1为具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管结构示意图；图2为具有传统的具有单一光子晶体结构衬底的发光二极管结构示意图；图3 (a)为二角晶格介质柱型光子晶体的能带图；图3 (b)为二角晶格空气孔型光子晶体的能带图；图4 Ca)为三角晶格介质柱型光子晶体光子禁带与介质柱半径R的关系；图4 (b)为三角晶格空气孔型光子晶体光子禁带与空气孔半径R的关系；图5为本发明提供的完全光子禁带光子晶体结构的结构示意图；图6 Ca)为本发明LED衬底中正方晶格光子晶体的结构示意图；图6 (b)为本发明LED衬底中三角晶格光子晶体的结构示意图；图6 (C)为本发明LED衬底中蜂窝晶格光子晶体的结构示意图；图6 Cd)为本发明LED衬底中十二重对称的光子准晶的结构示意图。图中有蓝宝石衬底1，光子晶体结构2，空气孔型光子晶体结构21，介质柱型光子晶体结构22，n型氮化镓外延层3，n型电极4，铟镓氮/氮化镓多量子阱有源发光层5，p型氮化镓外延层6，透明导电层7，钝化层8，p型电极9。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。本发明的主要目的是为了解决现有LED器件的光提取效率不高，以及如何获得高质量的氮化镓基LED外延薄膜等问题。根据本发明所提供的新型、能显著地增加光提取效率的具有完全光子禁带光子晶体结构的LED及其制备方法，可以很好地解决上述问题。另夕卜，本发明提供的构成新型光子晶体结构的空气孔型和介质柱型光子晶体的结构参数可以分别独立地自由调节，而且可应用于各种类 型的衬底材料和发光波段的光电子器件。如图5所示为本发明的完全光子禁带光子晶体结构的结构示意图，包括位于下层的空气孔型光子晶体结构21和位于上层的介质柱型光子晶体22，空气孔型光子晶体结构21和介质柱型光子晶体结构22均是由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，介质柱型光子晶体结构22的介质材料对应设置在空气孔型光子晶体结构21的介质材料的上表面。如图1所示为具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管(LED)结构示意图，其结构要素包括生长LED的衬底1，在衬底I上制备光子晶体结构2，其包括空气孔型光子晶体21，在空气孔型光子晶体21上制备的介质柱型光子晶体22，n型氮化镓外延层3，n型电极4，铟镓氮/氮化镓多量子阱有源发光层5，p型氮化镓外延层6，透明导电层7，钝化层8，P型电极9。如图2所示为传统的、具有单一光子晶体结构衬底的LED结构示意图，其结构要素包括衬底1，在衬底I上制备的单一光子晶体结构2，n型氮化镓外延层3，n型电极4，铟镓氮/氮化镓多量子阱有源发光层5，p型氮化镓外延层6，透明导电层7，钝化层8，p型电极9 ;如图3 (a)和3 (b)所不分别为二角晶格介质柱型和空气孔型光子晶体的能带图。从图中可以清晰地看到介质柱型光子晶体结构有利于获得TE模禁带，而空气孔型光子晶体结构有利于获得TM模禁带，但是均不能获得完全禁带；如图4 (a)和4 (b)所示分别为三角晶格介质柱型和空气孔型光子晶体禁带与半径R的关系。数值分析表明，当半径在0-0. 5a之间变动时，它们都可以分别获得TE模和TM模禁带，但二者的禁带却不重合， 也就是说不存在完全禁带；图5为本发明提供的具有完全禁带的光子晶体的衬底结构示意图。在衬底上制备的新型光子晶体结构主要包含上下两层光子晶体结构下层的空气孔型光子晶体21和上层的介质柱型光子晶体22。图6 (a)、(b)、(c)、(d)分别为LED衬底中正方晶格光子晶体、三角晶格光子晶体、蜂窝晶格光子晶体、十二重对称的光子准晶的结构示意图。适用于本发明LED衬底中的光子晶体的类型可以为正方晶格，三角晶格，蜂窝晶格，光子准晶(光子准晶体包括四种结构五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称)中的任一种。而且，本发明所提供的新型光子晶体结构中的介质柱或空气孔的形状可以为锥形、柱形、棱锥形、棱台形、半球形中的任一种。本发明的完全禁带光子晶体结构的制备方法，包括如下步骤I)在蓝宝石衬底I上用光刻胶做掩膜，刻蚀制备出由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，成为空气孔型光子晶体结构21 ；2)在空气孔光子晶体结构21上蒸镀一层氮化硅薄膜，然后同样用光刻胶做掩膜，刻蚀出与空气孔光子晶体结构21的阵列对应的、且由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，成为介质柱型光子晶体22。以上仅为本发明的较佳实施方式。本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域的普通技术人员根据本发明所揭示的内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中所记载的保护范围内。
权利要求
1.一种完全禁带光子晶体结构，其特征在于，该光子晶体结构包括位于下层的空气孔型光子晶体结构(21)和位于上层的介质柱型光子晶体(22)，所述空气孔型光子晶体结构(21)和介质柱型光子晶体结构(22)均是由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，所述介质柱型光子晶体结构(22)的介质材料对应设置在空气孔型光子晶体结构(21)的介质材料的上表面。
2.一种采用权利要求1所述的完全禁带光子晶体结构的发光二极管，其特征在于，该发光二极管包括从下至上依次连接设置的蓝宝石衬底(I )、光子晶体结构(2)、η型氮化镓外延层(3)、铟镓氮/氮化镓多量子阱有源发光层(5)、P型氮化镓外延层(6)、透明导电层(7)和钝化层(8)，所述η型氮化镓外延层(3)上表面为刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，所述上台面与铟镓氮/氮化镓多量子阱有源发光层(5)的底面连接，所述下台面则直接与钝化层(8)连接，所述透明导电层(7)上表面设置有穿过钝化层(8)的P型电极(9)，所述外延层(3)的下台面上设置有穿过钝化层(8)的η型电极(4);所述光子晶体结构(2)包括位于下层的空气孔型光子晶体结构(21)和位于上层的介质柱型光子晶体(22)。
3.根据权利要求2所述的具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管，其特征在于，所述空气孔型光子晶体结构(21)的晶格周期范围为100-800nm，空气孔直径为100_800nm，空气孔深度为lO-lOOOnm，所述介质柱型光子晶体结构(22)的晶格周期范围为100_800nm，介质柱直径为100-800nm,介质柱高度为10-3000nm。
4.根据权利要求2或3所述的具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管，其特征在于，所述空气孔型光子晶体结构(21)和介质柱型光子晶体结构(22)的晶格类型均为正方晶格、三角晶格、蜂窝晶格和光子准晶体中的任一种，所述光子准晶体是五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称四种对称结构中的任一种。
5.根据权利要求2或3所述的具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管，其特征在于，所述空气孔型光子晶体结构(21)的空气孔形状，以及介质柱型光子晶体结构(22)的介质柱形状为锥形、柱形、棱锥形、棱台形和半球形中的任一种。
6.根据权利要求5所述的具有完全禁带光子晶体结构的发光二极管，其特征在于，所述介质柱型光子晶体结构(22)的的材料为氮化硅或者掺杂的二氧化钛，所述下层空气孔型光子晶体结构(21)的材料为蓝宝石、砷化镓、磷化铟、碳化硅、硅中的任何一种。
7.一种制备权利要求1所述的完全禁带光子晶体结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤1)在蓝宝石衬底(I)上用光刻胶做掩膜，刻蚀出由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，成为空气孔型光子晶体结构(21)；2)在所述空气孔光子晶体结构(21)上蒸镀一层氮化硅薄膜，然后同样用光刻胶做掩膜，刻蚀出与所述空气孔光子晶体结构(21)的阵列对应的、且由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，成为介质柱型光子晶体(22)。
全文摘要
本发明公开了一种完全禁带光子晶体结构，包括位于下层的空气孔型光子晶体结构和位于上层的介质柱型光子晶体，空气孔型光子晶体结构和介质柱型光子晶体结构均是由两种或两种以上介电常数的介质材料在平面上呈周期性排列成的阵列，介质柱型光子晶体结构的介质材料对应设置在空气孔型光子晶体结构的介质材料的上表面。本发明还公开了这种光子晶体结构的制备方法，以及一种采用该光子晶体结构的发光二极管。本发明光子晶体结构在LED发光波段实现完全光子禁带特性，极大地提高LED的出光效率，本发明可独立自由调节光子晶体的结构参数，拓展了在LED领域中的应用价值；有效地释放晶格失配所产生的应力，进而获得更高质量的氮化镓基外延薄膜。
文档编号H01L33/16GK103035797SQ20121053252
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者张 雄, 郭浩, 许洁, 崔一平 申请人:东南大学