專利名稱：具有優(yōu)化的光子晶體提取器的高效發(fā)光二極管(led)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED),且更明確地說，涉及具有優(yōu)化的光子晶體提取器的 高效LED。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種當在正向方向上被電偏置時以受激方式發(fā)光的半導體裝 置。這種效應是電致發(fā)光的一種形式。
LED包含由浸漬或摻雜有雜質(zhì)以形成稱為pn結(jié)的結(jié)構(gòu)的半導體材料制成的芯片。當 被正向偏置時，電子從n型區(qū)被注入到所述結(jié)中，且從p型區(qū)注入空穴。當電子和空穴 復合時，其以光子形式釋放能量。光的波長(且因而其色彩)取決于形成pn結(jié)的材料的 帶隙能。
隨著半導體材料的改進，半導體裝置的效率也得以改進，且已使用新的波長范圍。 基于氮化鎵(GaN)的發(fā)光器對于多種應用來說可能是最有前途的。舉例來說，當GaN 與不同濃度的銦(In)熔合時，其提供在紫外線到棕黃光譜中的高效照明。
遺憾的是，歸因于半導體與空氣界面處的全內(nèi)反射，半導體LED材料內(nèi)發(fā)射的大多 數(shù)光被損耗。典型的半導體材料具有較高的折射率，且因此，根據(jù)斯涅耳定律，大多數(shù) 光將被截留于材料中，進而降低了效率。通過為LED選擇合適的幾何形狀，可實現(xiàn)較高 的提取效率。
圖1是同質(zhì)發(fā)光材料10的橫截面圖，其說明材料14內(nèi)發(fā)射的光的一部分12位于逃 離錐體16內(nèi)，且可逃離材料10，而所發(fā)射光的大部分18被截留，且在材料10內(nèi)發(fā)生 反射。在這種情況下，發(fā)射的光18被稱作導光模式或?qū)бＪ剑驗楣?8被限定在裝 置10中，且在材料10內(nèi)被橫向引導。 一種用于減少全內(nèi)反射的影響的方法是通過對裝 置表面的隨機紋理化來形成光散射或重新分布，這導致在裝置的半導體與空氣界面處的 多個可變角度的入射。由于非常高的內(nèi)部效率和較低的內(nèi)部損耗，己顯示這種方法將發(fā) 射效率提高了 9-30%，這允許在光逃離裝置之前有許多通路。
圖2是說明這樣的原理的半導體LED 20的橫截面圖，其中LED 20的頂部表面22 經(jīng)紋理化，LED 20的底部表面24包含反射器，空氣的折射率11=1，且LED20的半導 體材料的折射率n = 3.5。 LED 20的帶紋理頂部表面22用于以幾何光學方法來隨機化光 的軌道。
另一種降低截留的光的百分比的方法是使用諧振腔LED (RCLED)或微腔LED (MCLED)。與使用"傳統(tǒng)"LED的現(xiàn)有系統(tǒng)相比，MCLED提供形成具有更高效率的固 態(tài)發(fā)光系統(tǒng)的機會。由于在諧振腔內(nèi)并入有增益介質(zhì)，MCLED發(fā)射出十分致密且定向的 光束。這些裝置的較高的提取效率和較大的亮度是這些技術(shù)優(yōu)于常規(guī)LED的主要優(yōu)點。
提取效率是指由特定系統(tǒng)產(chǎn)生的光子實際上離開所述系統(tǒng)而作為"有用"輻射的能 力。然而，由于微腔結(jié)構(gòu)還導致非常高效的發(fā)射進入導引模式和泄漏模式，所以這種較 高的提取效率限于40%范圍中的值。因此，如果可提取這些導引模式，那么將會是有用 的。
如上文所提及，導引模式是由于結(jié)構(gòu)層之間的折射率差異而在裝置平面上引導的模 式。泄漏模式是朝著空氣或襯底而穿過層(例如，穿過DBR)進行輻射。當泄漏模式的 光在界面處經(jīng)受多個全內(nèi)反射，在裝置內(nèi)往返行進，直到其能量由于各種損耗機制(例 如，金屬鏡面損耗、自由載流子吸收、被活性層再吸收，其通過再發(fā)射而再循環(huán)能量， 盡管帶有某些損耗，等等。)而耗散時，泄漏模式通常被損耗。
圖3是半導體LED26的橫截面圖，其說明輻射、導引和泄漏模式，其中LED26包 含襯底28、緩沖層30和包含量子勢阱(QW) 34的活性層32。所發(fā)射光的一部分朝著 空氣被提取36，并形成輻射模式36，所發(fā)射光的一部分泄漏38穿過裝置26的各種層進 入襯底28,并形成泄漏模式38，且所發(fā)射光的一部分在活性層32中(或在活性層32和 緩沖層30兩者中)反射40,并形成導引模式40。
為獲得高效LED，有必要優(yōu)化結(jié)構(gòu)外部的引導模式發(fā)射36，最小化泄漏模式發(fā)射(如 果這些模式存在的話)38，且如果可能的話，再發(fā)射導引模式發(fā)射40。本發(fā)明旨在以可 易于制造的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這個目標'。
圖4A-4B和5A-5B說明氮化鎵(GaN)材料系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)(圖4A和圖5A)和經(jīng)由 底部金屬或分布式布拉格反射器(DBR)鏡面，以及在頂部與空氣的單一界面的微腔發(fā) 射的模擬(圖4B和圖5B)。圖4B和圖5B是以對數(shù)標度的半導體內(nèi)的角度發(fā)射圖，其 中圖4B展示圖4A的結(jié)構(gòu)的發(fā)射，且圖5B展示圖5A的結(jié)構(gòu)的發(fā)射。對于圖4B和圖5B 來說，圖的左半部分展示橫向磁性(TM)發(fā)射，且其右半部分展示橫向電(TE)極化發(fā) 射。僅假設了面內(nèi)單色偶極。
在圖4A中，所述結(jié)構(gòu)包含金屬鏡面42和包含量子勢阱46的活性層44,其中所述 結(jié)構(gòu)是3V4的腔，量子勢阱46被放置在金屬鏡面42的X/4 (48)處。在圖4B中，箭頭 50展示朝著空氣的發(fā)射，而箭頭52展示朝著襯底的發(fā)射。同樣在圖4B中，大括弧36 指示被提取的光，且大括弧40指示導引模式。
在圖5A中，結(jié)構(gòu)包含緩沖器54、 7個周期的DBR鏡面56和包含量子勢阱60的活 性層58，其中所述結(jié)構(gòu)是X腔，量子勢阱60被放置在7個周期DBR鏡面56的XZ2 (62) 處。在圖5B中，箭頭64展示朝著空氣的發(fā)射，而箭頭66展示朝著襯底的發(fā)射。同樣在 圖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指示導引 模式。
這些結(jié)構(gòu)的提取效率分別在圖4A中是31%和24% (在空氣中)及在圖5A中是44 %和27% (在環(huán)氧樹脂中)。 當試圖獲得LED的較大的微腔提取改進時，在大多數(shù)系統(tǒng)中會遇到困難。圖4B和 圖5B展示從中提取優(yōu)化的GaN微腔LED的預期效率的發(fā)射圖，且說明以下問題
(i) 外延生長的材料的折射率對比非常有限，對于非常重要的氮化物材料尤其如此。 這是為什么在圖5A的DBR鏡面56結(jié)構(gòu)中看到進入許多泄漏模式的發(fā)射的緣故，這使得 圖5A的DBR鏡面56結(jié)構(gòu)比圖4A的金屬鏡面42低效。
(ii) 所顯示的效率僅因為考慮到非常薄的結(jié)構(gòu)才是可能的，從而導致低階腔(如下 文參考IO所描述)。難以獲得這樣薄的活性層。舉例來說，常常有必要在生長良好品質(zhì) 的用于活性層的材料之前在襯底上生長較厚(數(shù)微米)的氮化物緩沖層。雖然從襯底剝 離氮化物材料(緩沖層和活性層)已經(jīng)是精密的操作，除此之外，還極難以獲得導致圖 4A中所示的薄金屬鏡面結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能的由良好的金屬鏡面定界的較薄的層(即，進一
步去除緩沖層的一部分或全部)。
因此，所屬領(lǐng)域中需要一種提供增加的光提取效率的改進的LED結(jié)構(gòu)。另外，所屬
領(lǐng)域中需要一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)外部的引導發(fā)射，'最小化泄漏模式發(fā)射，并再發(fā)射導引模式發(fā) 射的改進的LED結(jié)構(gòu)。此外，需要在保留平坦結(jié)構(gòu)的同時提供此類改進的LED，以便使 此類結(jié)構(gòu)易于制造。本發(fā)明滿足這些需要，且尤其針對支持許多導引模式的LED的情況 (例如，厚度不易于制造得足夠薄以使LED僅支持一種或少數(shù)幾種模式的LED)。最終， 本發(fā)明可增強光發(fā)射的定向性，這對于某些應用來說(例如，LCD顯示器)是非常需要 的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示一種具有優(yōu)化的光子晶體提取器的高效且可能為高度定向的發(fā)光二極管 (LED)。所述LED包含襯底；生長在所述襯底上的緩沖層(如果此類層是必要的話)； 一個或一個以上光學限制層；包含發(fā)射物質(zhì)的活性層；和一個或一個以上衍射光柵，其 中所述衍射光柵是二維光子晶體提取器。可去除所述襯底，且可在所述緩沖層和活性層 上沉積金屬層，其中所述金屬層可充當鏡面、電觸點和/或衍射光柵。


現(xiàn)在參看圖式；在所有圖式中，相同的參考標號表示相應的部分
圖l是半導體發(fā)光二極管(LED)的橫截面圖； 圖2是半導體發(fā)光二極管(LED)的橫截面圖； 圖3是半導體發(fā)光二極管(LED)的橫截面圖4A-4B和5A-5B說明氮化鎵(GaN)材料系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)(圖4A和圖5A)和經(jīng)由
底部金屬或分布式布拉格反射器(DBR)鏡面，以及頂部為空氣的單一界面的微腔發(fā)射 的模擬(圖4B和圖5B);
圖6和圖7分別是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的光子晶體提取器的俯視圖和橫截面?zhèn)?視圖8是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的說明具有光學限制層和光子晶體區(qū)外的電流注射 的結(jié)構(gòu)的橫截面?zhèn)纫晥D，并說明各種支持的導引模式的性質(zhì)；
圖9是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例說明具有光學限制層和光子晶體區(qū)內(nèi)的電流注射的 結(jié)構(gòu)的橫截面?zhèn)纫晥DIO根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例說明可用作光子晶體中的圖案的各種幾何形狀；
圖ll是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例由一個或一個以上周期的經(jīng)修改孔組成的錐形效應 的橫截面?zhèn)纫晥D12展現(xiàn)角度分解的光致發(fā)光實驗，其說明光子晶體提取器的波段結(jié)構(gòu)； '圖13展現(xiàn)與一模擬的比較，其展示光子晶體的某些波段未被提取；以及 圖14是說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例執(zhí)行的制造步驟的流程圖。
具體實施例方式
在優(yōu)選實施例的以下描述中，參考形成其一部分的附圖，且其中以說明的方式展示 其中可實踐本發(fā)明的特定實施例。應了解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可利用其 它實施例，且可作出結(jié)構(gòu)上的改變。
概述
本發(fā)明描述在保留平坦結(jié)構(gòu)的同時提供增加的光提取效率的新LED結(jié)構(gòu)。所述新 LED結(jié)構(gòu)提供結(jié)構(gòu)外的直接發(fā)射，且另外使用衍射光柵將導引的光轉(zhuǎn)換為被提取的光。 此光柵可放置在活性層的電流注射區(qū)的外部，或可將電流注射到光柵區(qū)中。此外，衍射 光柵由孔陣列組成，所述孔可穿透到活性層的發(fā)射物質(zhì)中，或僅位于LED的其它層中。 所述衍射光柵是二維光子晶體提取器，且本發(fā)明提供對光子晶體提取器的先前實施方案 的改進。
所述LED由以下組成襯底；生長在所述襯底上的緩沖層(如果需要此類層的話)； 包含發(fā)射物質(zhì)的活性層； 一個或一個以上光學限制層，其定制LED中的導引模式的結(jié)構(gòu)； 和一個或一個以上衍射光柵，其中所述衍射光柵是二維光子晶體提取器?？扇コ鲆r 底，且可在所述LED的一側(cè)或兩側(cè)(例如，在所述緩沖層、光子晶體和活性層上)沉積 一個或一個以上額外層(例如，金屬或DBR)，其中所述額外層可充當鏡面、電觸點和/ 或衍射光柵。
為了有效地激發(fā)將由光子晶體提取的模式，可將一個或一個以上光限制層放置在活 性層的周圍。新LED結(jié)構(gòu)的高效是由于導引的光僅(或大多數(shù))被發(fā)射成將與光子晶體 交互的導引模式，使得常被損耗的許多導引模式被衍射到裝置外。在支持許多導引模式 的LED的情況下，例如，基于氮化物材料的LED (由于考慮到材料生長，所以其常必須 為數(shù)微米厚)，這尤其重要。新LED結(jié)構(gòu)保留了平坦的單層結(jié)構(gòu)，從而使得可易于以低 成本制造。
在某些配置中，新LED結(jié)構(gòu)還顯示高度定向的光發(fā)射特性。 技術(shù)描述
圖6和圖7分別是光子晶體提取器64的俯視圖和橫截面?zhèn)纫晥D，其說明此類提取器 64的操作原理。光子晶體提取器64包含活性層或激發(fā)區(qū)66，以及具有多個孔70的2維 光子晶體68。在此提取器64中，通過使用2維光子晶體68進行的衍射來執(zhí)行導引模式 74的光提取7i。 '
常遇到的問題是，為了獲得良好的提取效率，有必要使用具有良好的光學限制的非 常薄的活性層，使得激發(fā)區(qū)66中的發(fā)光物質(zhì)(其通常為半導體量子勢阱(但也可為其它 物質(zhì)，例如量子點、聚合物、金屬簇等))僅激發(fā)少數(shù)幾種模式，且接著光主要被發(fā)射成 與光子晶體68強烈交互的模式，所述模式與光子晶體具有良好的重疊，使得常被損耗的 導引模式被衍射到LED外部。這在需要較厚的緩沖層來實現(xiàn)元件質(zhì)量材料(例如，廣泛 用于藍色、綠色和紫外線(UV) LED中的氮化物材料)的生長的材料中尤其難以通過直 接生長來實現(xiàn)。
在那種情況下，需要若干獨創(chuàng)的措施來抗衡源于光學結(jié)構(gòu)的多模式特性的提取性能 降低。這些措施旨在確保優(yōu)先發(fā)射會由光子晶體充分提取的那些模式的光。實際上，在 多模式結(jié)構(gòu)中，大量模式(其具有較大的有效指數(shù))常很少與光子晶體有重疊，使得其 被微弱地提取。
圖8是說明結(jié)構(gòu)76的橫截面?zhèn)纫晥D，所述結(jié)構(gòu)76包含襯底78、緩沖層80、光學 限制層82、包含發(fā)射物質(zhì)86的活性層84，和頂部金屬觸點88，以及具有多個孔70的2 維光子晶體68。所述結(jié)構(gòu)支持各種光學模式90、 92和94，其中模式90包含局限于活性 層84區(qū)中的導引模式，模式92包括局限于緩沖層80區(qū)中的導引模式，且模式94包括 位置不受限的導引模式。在此實施例中，使用光學限制層82 (例如，GaN中的AlGaN) 可有助于(1)僅激發(fā)主要局限于光學限制層82上方的那些模式(模式90和94); (2)
激發(fā)不完全局限于光學限制層82上方，但仍顯著局限于光學限制層82上方的模式(模 式94)。這里，光學限制層82應具有小于形成LED的材料的光學指數(shù)的光學指數(shù)。光學 限制層82可包括同質(zhì)材料或異質(zhì)結(jié)構(gòu)(例如，超晶格或甚至DBR)。
在具有襯底78的結(jié)構(gòu)中，仍在所述結(jié)構(gòu)中在襯底78界面與光學限制層82之間導引 某些其它模式，但僅應被微弱激發(fā)(例如模式92)，因為其與發(fā)射物質(zhì)86的重疊較小。 因此，所述模式載運所發(fā)射光的較小的部分，鑒于其由光子晶體68實現(xiàn)的提取效率差得 多，這是一件好事。
通常，活性層84在發(fā)射物質(zhì)86上方的部分自支持例如模式90的模式的波導的厚度 可為一至數(shù)個光學長度(其中光學長度是活性層84的材料中的波長)(這意味著這些模 式越過層82的穿隧較弱)。光子晶體68必須足夠靠近發(fā)射物質(zhì)86 (例如，光子晶體68 交叉活性層84中的發(fā)光物質(zhì)86，或光子晶體68距活性層84中的發(fā)光物質(zhì)86的距離在 一個或數(shù)個光學長度之內(nèi))，使得接收大多數(shù)所發(fā)射光的模式也被光子晶體68強烈提取。
依據(jù)孔70的圖案和大小，且還依據(jù)對放置在結(jié)構(gòu)76的頂部上或底部處的鏡面層(金 屬或DBR)的使用，發(fā)射可發(fā)生在裝置的頂部或底部。相對于簡單的介電光子晶體，在 光子晶體68上沉積金屬也可顯著提高其衍射特性。
或者，被注射電流的活性層區(qū)84可與光子晶體68區(qū)重合或重疊，如圖9中的結(jié)構(gòu) 96所示。這種情況提供以下優(yōu)點光產(chǎn)生區(qū)與光子晶體68重合或重疊，使得在適用于 光子晶體68的模式中立即發(fā)射被導引的光，且不在光子晶體68區(qū)的界面處遭受反射或 散射。
就光子晶體68中的穿孔來說，可使用各種幾何形狀。最簡單的幾何形狀是正方形或 矩形陣列，如圖10中的98和IOO分別說明。更復雜的幾何形狀還導致更有效的光提取， 例如阿基米德瓦面(Archimedean tilings),如圖10中的102所說明。最終，甚至具有波 長附近的特征性相關(guān)長度的隨機圖案也可用作有效的光散射器。光柵的一個有利輪廓是， 其應衍射較大范圍的入射方向(理想上是所有方向)上的光。對光子晶體晶格之選擇可 幫助實現(xiàn)這個目的。
在LED的注射電流的活性層84區(qū)未被光子晶體68穿透的情況下(如圖8中所示)， 還需要設計光子晶體68提取器，以將激發(fā)區(qū)中發(fā)射的被導引的光最佳地耦合到提取光子 晶體68。應避免光反射，因為重新進入非穿孔區(qū)的光傾向于被再次吸收。因此，光子晶 體68可包含由可變的孔排組成的錐形，所述孔排可放置在提取光子晶體68區(qū)的前方， 以使過渡變得平順。所述錐形可包括一個或一個以上周期的經(jīng)修改的孔，其中所述經(jīng)修
改的孔具有可變的孔深(如圖11中所示)，圖11是通過孔70的深度在光子晶體提取器 68的開始處的漸進增加、或通過可變的孔70周期，或通過可變的孔70直徑(空氣填充 因數(shù))所實現(xiàn)的對于導引模式74的錐形效應的橫截面?zhèn)纫晥D。
調(diào)節(jié)孔70的參數(shù)允許裝置在需要時優(yōu)先朝著結(jié)構(gòu)的頂部或底部發(fā)射。另外，反射器 可放置在裝置的一個或一個以上側(cè)上，使得裝置不能從那側(cè)發(fā)射光，且將發(fā)射的光重新 引導朝向所需的方向。
本發(fā)明的可能的修改包含以下內(nèi)容
* 可在結(jié)構(gòu)內(nèi)(在與光學長度相比較小的長度尺度上)精細地調(diào)節(jié)發(fā)射物質(zhì)的位 置，以便精確地控制其發(fā)射特性，例如定向性、光譜譜線形狀、以輻射或?qū)бＪ桨l(fā)射 的光的部分，等等。
* 例如通過使用合適的材料層可實現(xiàn)關(guān)于電子注射的額外優(yōu)化。本發(fā)明僅描述光 學特性的增強，且不詳細描述實現(xiàn)適當?shù)碾娞匦运璧脑O計。
* 光子晶體的特征可沿著結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以便局部修改光子晶體的發(fā)射特性。舉 例來說，可按所需來定制波長和提取特性。
* 在可結(jié)構(gòu)的頂部上添加額外的層，以便通過所述層中的熒光團進行的能量轉(zhuǎn)換 來實現(xiàn)多色彩或白光發(fā)射，如上文識別的交叉參考申請案中所述。
* 可添加若干光學限制層以便進一步定制LED中的導引模式的結(jié)構(gòu)。這些層可具 有小于或高于形成LED的主要材料的光學指數(shù)的光學指數(shù)。較小的指數(shù)可在LED中界 定單獨的光學區(qū)，如上文所說明，而較高的指數(shù)可修改發(fā)射物質(zhì)的發(fā)射圖案(如下文識 別的參考14所述)
圖12和圖13中展示實驗結(jié)果。圖12展現(xiàn)角度分解的光致發(fā)光實驗，其說明在支持 許多導引模式的波導上形成的光子晶體提取器的波段結(jié)構(gòu)。圖13展現(xiàn)與模擬(例如，圖 13上的點)的比較，其展示光子晶體的某些波段未被提取(它們不會出現(xiàn)在測量中)。 憑借本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)，在這些波段中幾乎不發(fā)射光。
如在圖12和圖13中由衍射線的寬度可看到，光子晶體的衍射對于給定模式和波長 來說非常具有定向性。因此，如果發(fā)射物質(zhì)的發(fā)射譜線形狀足夠窄，且通過合適地定制 導引模式結(jié)構(gòu)，那么由光子晶體進行的光衍射可發(fā)生在給定方向范圍上，進而形成高度 定向的光源。
最后，圖14是說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例所執(zhí)行的制造步驟的流程圖。 方框104表示在襯底上形成緩沖層的步驟、
方框106表示在緩沖層上形成活性層的步驟，其中所述活性層包含一個或一個以上 發(fā)光物質(zhì)。
方框108表示在活性層下方或周圍形成一個或一個以上光學限制層的步驟，其中所 述光學限制層定制LED內(nèi)的導引模式的結(jié)構(gòu)。
方框110表示在光學限制層上形成一個或一個以上衍射光柵的步驟，其中每個衍射 光柵是二維光子晶體，且所述衍射光柵將發(fā)射引導到LED外部，并將導引模式轉(zhuǎn)換為提 取的光。光學限制層增強光子晶體的光提取，且有助于激發(fā)局限于光學限制層上方的那 些模式。
方框112表示去除襯底的(可選)步驟。
方框114表示在緩沖層和/或活性層上沉積金屬層的(可選)步驟，其中所述金屬層 可充當鏡面和/或電觸點。
這些步驟的最終結(jié)果是具有優(yōu)化的光子晶體提取器的高效LED。所述LED保留平坦 的單層結(jié)構(gòu)。 '
參考
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8. Shnitzer等人白勺"30% External Quantum Efficiency From Surface Textured, Thin Film Light Emitting Diode"， Applied Physics Letters 63，第2174頁至U第2176頁，1993。
9. M. Boroditsky、 E. Yablonovitch的"Light extraction efficiency from light-emitting diodes", Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering, SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., 3002，第119頁到第122頁，1997。
10. H. Benisty、 H.D. Neve禾口 C. Weisbuch的"Impact of planar micro-cavity effects on light extraction / Basic concepts and analytical trends", IEEE J. Quantum Electron,第34巻， 第1612頁(1998)。
11. D. Delbeke、 R. Bockstaele、 P. Bienstman、 R. Baets禾口 H. Benisty的"High-efficiency Semiconductor Resonant-Cavity Light-Emitting diodes: A review", IEEE J. on selected topics in Quantum Electron,第8巻，no. 2，第189頁，2002。
12. M. Rattier、H. Benisty、E. Schwoob、C. Weisbuch、T. Krauss、C丄M. Smith、R. Houdre 禾口 U. Oesterle的"Omnidirectional and compact light extraction from Archimedean photonic lattices", Appl. Phys. Lett. 83,1283, 2003。
13. M. Rattier、H. Benisty、R. Stanley、J.F. Cariin、R. Houdre、U. Oesterle、 C.J.M. Smith、 C. Weisbuch和T. Krauss， IEEE Sel. Top. Quantum Electr. 8， 238， 2002。
14. W. Lukosz， J. Opt. Soc. Am. 71， 744,1981 。 總結(jié)
本文概括了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述。展現(xiàn)本發(fā)明的一個或一個以上實施例的前 述描述以用于說明和描述目的。并未期望這是詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。 依照前文教示，許多修改和變化都是可以的。期望本發(fā)明的范圍不是由此詳細描述限制， 而是由所附權(quán)利要求書限制。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管(LED)，其包括(a)襯底；(b)活性層，其形成在所述襯底上，其中所述活性層包含一個或一個以上發(fā)光物質(zhì)；(c)一個或一個以上光學限制層，其形成在所述活性層下方或周圍，其中所述光學限制層定制所述LED內(nèi)的導引模式的結(jié)構(gòu)；以及(d)一個或一個以上衍射光柵，其形成在所述光學限制層上，其中所述衍射光柵是從所述LED提取光的二維光子晶體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED，其進一步包括形成在所述襯底上的緩沖層，其中所述 活性層形成在所述緩沖層上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的.LED，其中所述衍射光柵將發(fā)射引導到所述LED外部，且 將導引模式轉(zhuǎn)換為提取的光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED,其進一步包括沉積在所述LED的一側(cè)或兩側(cè)上的一 個或一個以上層，其中所述層充當鏡面、電觸點和/或衍射光柵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED,其中所述光學限制層增強由所述光子晶體進行的光提 取。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的LED,其中所述光學限制層有助于激發(fā)局限于所述光學限制 層上方的那些模式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED，其中光主要被發(fā)射成與所述光子晶體交互的模式，使 得通常被損耗的導引模式被衍射到所述LED外部。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的LED，其中所述光子晶體交叉所述活性層中的所述發(fā)光物質(zhì)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED,其中所述光子晶體距所述活性層中的所述發(fā)光物質(zhì)的 距離在一個或數(shù)個光學長度內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED，其中所述LED保留平坦的單層結(jié)構(gòu)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED,其中所述光子晶體包含由可變孔排組成的錐形。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的LED,其中所述錐形包括一個或一個以上周期的經(jīng)修改的 孑L，且所述經(jīng)修改的孔具有可變的孔深、可變的孔周期或可變的孔直徑。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED,其中所述光子晶體的特征沿著其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以便 修改所述光子晶體的特性。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED，其中光產(chǎn)生區(qū)與所述光子晶體重合或重疊，使得被導 引的光不在光子晶體區(qū)的界面處遭受反射或散射。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED，其中精細地調(diào)節(jié)所述發(fā)光物質(zhì)的位置，以便精確地控 制其發(fā)射特性。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED，其中通過合適地定制導引模式結(jié)構(gòu)，由所述光子晶體 進行的光衍射發(fā)生在給定方向范圍內(nèi)，進而形成高度定向的光源。
17. —種制造發(fā)光二極管(LED)的方法，其包括(a) 在襯底上形成活性層，其中所述活性層包含一個或一個以上發(fā)光物質(zhì)；(b) 在所述活性層下方或周圍形成一個或一個以上光學限制層，其中所述光學限 制層定制所述LED內(nèi)的導引模式的結(jié)構(gòu)；以及(c) 在所述光學限制層上形成一個或一個以上衍射光柵，其中所述衍射光柵是從 所述LED提取光的二維光子晶體。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進一步包括在所述襯底上形成緩沖層，其中所述 活性層形成在所述緩沖層上。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述衍射光柵將發(fā)射引導到所述LED外部，且 將導引模式轉(zhuǎn)換為提取的光。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進一步包括在所述LED的一側(cè)或兩側(cè)上沉積一個 或一個以上層，其中所述層充當鏡面、電觸點和/或衍射光柵。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述光學限制層增強由所述光子晶體進行的光 提取。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述光學限制層有助于激發(fā)局限于所述光學限 制層上方的那些模式。
23. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中主要將光發(fā)射成與所述光子晶體交互的模式， 使得通常被損耗的導引模式被衍射到所述LED外部。
24. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述光子晶體交叉所述活性層中的所述發(fā)光物 質(zhì)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述光子晶體距所述活性層中的所述發(fā)光物質(zhì) 的距離在一個或數(shù)個光學長度內(nèi)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述LED保留平坦的單層結(jié)構(gòu)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述光子晶體包含由可變的孔排組成的錐形。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述錐形包括一個或一個以上周期的經(jīng)修改的 孑L，且所述經(jīng)修改的孔具有可變的孔深、可變的孔周期或可變的孔直徑。
29. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述光子晶體的特征沿著其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以 便修改所述光子晶體的特性。
30. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中光產(chǎn)生區(qū)與所述光子晶體重合或重疊，使得被 引導的光不在光子晶體區(qū)的界面處遭受反射或散射。
31. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中精細地調(diào)節(jié)所述發(fā)光物質(zhì)的位置，以便精確地 控制其發(fā)射特性。
32. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中通過合適地定制導引模式結(jié)構(gòu)，由所述光子晶 體進行的光衍射發(fā)生在給定方向范圍內(nèi)，進而形成高度定向的光源。
33. —種根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法制成的裝置。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種具有優(yōu)化的光子晶體提取器(64)的高效且可能高度定向的發(fā)光二極管(LED)。所述LED由以下組成襯底(28)；生長在所述襯底上的緩沖層(30)(如果需要的話)；包含發(fā)射物質(zhì)的活性層(32)；一個或一個以上光學限制層，其定制LED中所導引模式(40)的結(jié)構(gòu)；和一個或一個以上衍射光柵，其中所述衍射光柵是二維光子晶體提取器?？扇コ鲆r底，且可在所述緩沖層、光子晶體和活性層上沉積金屬層，其中所述金屬層(42)可充當鏡面、電觸點和/或有效的衍射光柵。
文檔編號H01L29/22GK101194365SQ200680013748
公開日2008年6月4日 申請日期2006年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者克洛德·C·A·魏斯布什, 史蒂文·P·登巴爾斯, 奧雷利安·J·F·戴維 申請人:加利福尼亞大學董事會