專利名稱：基于光子晶體的新型發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一維光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于光子晶體的新型發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種電致發(fā)光的光電器件，它的應(yīng)用對(duì)社會(huì)的能源發(fā)展具有重要意義。它從最初發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)到現(xiàn)在已經(jīng)有30多年的歷史了，是一種正逐步發(fā)展并已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的固態(tài)光源。如今，各種類型的LED、利用LED作二次開發(fā)的產(chǎn)品及與LED配套的產(chǎn)品(如白光LED驅(qū)動(dòng)器)發(fā)展迅速，新產(chǎn)品不斷上市，已發(fā)展成不少新型產(chǎn)業(yè)。LED具有壽命長、可靠性高、環(huán)保、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，被稱為繼白熾燈、熒光燈之后的第三代照明光源。雖然標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光二極管的理論內(nèi)量子效率接近100%，但由于在發(fā)光二極管內(nèi)部有高折射率的半導(dǎo)體材料存在，光在二極管內(nèi)部發(fā)生無數(shù)次內(nèi)反射、內(nèi)全反射后無法耦合到外部環(huán)境，使的發(fā)光二極管的光源外輸出效率通常比較低。以前，由于LED的發(fā)光功率很低只能用于顯示照明，主要的應(yīng)用只有:信號(hào)燈和數(shù)字及字母顯示。但是隨著LED產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，LED的應(yīng)用市場(chǎng)越來越廣闊，在發(fā)展到一定階段LED既可作為照明設(shè)備和短距離光纖通信的非相干光源，也可作為顯示、檢測(cè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)與生物學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域的潛在光源。所以提高LED的發(fā)光效率迫在眉睫。傳統(tǒng)的提高LED的方法有采用倒金字塔形結(jié)構(gòu)、增加反射層和表面粗化的薄膜結(jié)構(gòu)等，它們都能對(duì)LED的發(fā)光效率起到一定的改善作用，但是由于封裝不嚴(yán)、工藝復(fù)雜、設(shè)計(jì)成本過高等問題，提高發(fā)光二極管光輸出效果都不夠理想，不適合低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。光子晶體的理論自從1987年由Yablonovitch和Jhon分別獨(dú)立提出以來得到長足的發(fā)展。光子晶體是由周期性排布的不同介電常數(shù)的介質(zhì)所組成的人工材料?，F(xiàn)代研究認(rèn)為光子晶體特性主要有三種:光子禁帶、抑制自發(fā)輻射、光子局域化。光子晶體因其特性目前已有廣泛的應(yīng)用，如光子晶體光纖、光子晶體偏振器、高效率低損耗反射鏡、光子晶體波導(dǎo)、光子晶體天線、光子晶體寬帶帶阻濾波器和超窄帶濾波器、光子晶體密集波分復(fù)用器、光子晶體光開關(guān)、和光子晶體發(fā)光二極管等。美國專利第6，13，780號(hào)公開了一由全方向一維光子晶體所制成的全方向反射鏡，當(dāng)入射光的波長落在光子禁帶內(nèi)時(shí)，可全反射任何一入射角的光，此處所公開的全方向反射鏡是多個(gè)成對(duì)出現(xiàn)的高低折射率層的介電材料構(gòu)成且兩介電材料的折射率需達(dá)到一定的折射率差。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題，提供一種基于光子晶體的新型發(fā)光二極管，利用光子晶體的光子禁帶特性，即當(dāng)頻率位于光子禁帶頻率范圍內(nèi)的光入射到光子晶體時(shí)，由于光子晶體沒有與之相對(duì)應(yīng)的傳輸模式，入射波就會(huì)完全地被反射回去。因此可以在普通LED中加入光子晶體，使在LED內(nèi)部發(fā)生折射、吸收等不能傳輸出來的光完全反射，變?yōu)槟軌騻鬏敵鰺趔w被人們利用的光，從而提高發(fā)光功率能源的利用效率。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:基于光子晶體的新型發(fā)光二極管,設(shè)有LED芯片，LED芯片包括基材、第一表面層、第二表面層和發(fā)光晶體層，所述的發(fā)光晶體層由N型材料層，N型電極層，有源層，P型材料層和P型電極層組成，第一表面層和第二表面層為光子晶體，基材上設(shè)有第一表面層，在第一表面層上依次增加N型材料層、N型電極層、有源層、P型材料層，P型電極層和第二表面層。本實(shí)用新型所述的基材上采用外延生長技術(shù)增加第一表面層。本實(shí)用新型所述的第一表面層和第二表面層的光子禁帶的范圍為370nm—790nm。本實(shí)用新型所述的第一表面層和第二表面層的復(fù)合光子晶體的結(jié)構(gòu)為(AB)n (AB)m，其中n=m, η彡5。本實(shí)用新型所述的A為氧化物，A為二氧化鈦、五氧化二鉭、氧化鋯、氧化鋅、三氧化二釹或五氧化二鈮中的一種。本實(shí)用新型所述的B為氧化物或氟化物，B為二氧化硅、氧化鎂、氧化鋁、氟化鋰、氟化鎂或氟化鈉中的一種。本實(shí)用新型所述的A為氧化鈦，B為二氧化硅，(AB) 中A的晶格常數(shù)為a=0.0000000615; B的晶格常數(shù)為b=0.000000102724, (AB) m中A的晶格常數(shù)為r=0.00000004;B 的晶格常數(shù)為 t=0.00000007724。本實(shí)用新型所述的 A和B的厚度為λ/4η，其中，λ為中心波長，η為折射率。本實(shí)用新型的有益效果是:1、與原有的工藝相比，光子晶體的鍍膜過程出方法簡(jiǎn)便要求相對(duì)不高，減少了二極管在加工反制材料過程中出現(xiàn)損壞。2、本申請(qǐng)利用光子晶體作為反射層，相比金屬反射層和高分子聚合物，減少對(duì)光的吸收，更能提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。3、本申請(qǐng)使用Ti02和Si02作為光子晶體的第一第二介電層，兩種材料的折射率差較大為1.25，達(dá)到光子晶體材料要求。這兩種材料方便易得，易于加工，能夠改變以往光子晶體不能低成本、大批量生產(chǎn)的缺陷，材料方便易得，加工方便，大大降低了成本。3、本申請(qǐng)采用復(fù)合層提高了光子禁帶，能夠更多的提高反射率，更大的提高發(fā)光效率。4、本申請(qǐng)光子禁帶寬度在白光范圍內(nèi)，能夠使發(fā)光二極管更多的發(fā)射白光，達(dá)到照明的目的。5、普通發(fā)光二級(jí)管的外量子效率在2%左右，通過表面微粗化技術(shù)亮度提高了25%，芯片非極性面/半極性面生長技術(shù)發(fā)光效率為30%以上，倒裝芯片技術(shù)，外量子效率達(dá)到21%等。通過理論分析，從仿真圖可以看出光子晶體的反射率為5層以上95%，10層以上100%，對(duì)二極管的發(fā)光效率的提升均在80%以上。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的(AB)n單層反射率隨波長的變化曲線；[0025]圖3為本實(shí)用新型的(AB)m單層反射率隨波長的變化曲線；圖4為本實(shí)用新型的(AB)n(AB)m五層反射率隨波長的變化曲線；圖5為本實(shí)用新型的(AB)n(AB)m八層反射率隨波長的變化曲線；圖6為本實(shí)用新型的(AB)n(AB)m十層反射率隨波長的變化曲線；圖7為本實(shí)用新型的(AB)n(AB)m十二層反射率隨波長的變化曲線；圖8為本實(shí)用新型的(AB)n(AB)m 二十層反射率隨波長的變化曲線；圖中:1、基材,2、第一表面層,3、第二表面層,4、1^型材料層,5、1^型電極層,6、有源層，7、P型材料層，8、P型電極層。[0032]具體實(shí)施方式
如圖所示，基于光子晶體的新型發(fā)光二極管，設(shè)有LED芯片，LED芯片包括基材1、第一表面層2、第二表面層3和發(fā)光晶體層，所述的發(fā)光晶體層由N型材料層4，N型電極層5，有源層6，P型材料層7和P型電極層8組成，第一表面層2和第二表面層3為光子晶體，兩個(gè)表面層的光子晶體結(jié)構(gòu)相同，基材I上設(shè)有第一表面層2，在第一表面層2上依次增加N型材料層4、N型電極層5、有源層6、P型材料層7，P型電極層8和第二表面層3，第二表面層3設(shè)置在P型電極層8的一側(cè)，在P型電極層8和N型電極層5上設(shè)有多個(gè)用于連接電源的焊墊。所述的基材I上采用外延生長技術(shù)增加第一表面層2。所述的第一表面層2和第二表面層3的光子禁帶的范圍為370nm — 790nm。所述的第一表面層2和第二表面層3的復(fù)合光子晶體的結(jié)構(gòu)為(AB)n (AB)m,其中n=m, n ^ 5o所述的A為氧化物，A為二氧化鈦、五氧化二鉭、氧化鋯、氧化鋅、三氧化二釹或五氧化二鈮中的一種。所述的B為氧化物或氟化物，B為二氧化硅、氧化鎂、氧化鋁、氟化鋰、氟化鎂或氟化鈉中的一種。所述的A為氧化鈦，B為二氧化硅，(AB)n中A的晶格常數(shù)為a=0.0000000615;B的晶格常數(shù)為b=0.000000102724，(AB)m中A的晶格常數(shù)為r=0.00000004;B的晶格常數(shù)為t=0.00000007724ο所述的A和B的厚度為λ /4η，其中，λ為中心波長，η為折射率?；诠庾泳w的新型發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)有基材，第一表面層，發(fā)光晶體，第二表面層和多個(gè)焊墊組成。其中發(fā)光晶體分別有N型材料層，N型電極層，有源層，P型材料層，P型電極層形成。第一表面層、第二表面層為光子晶體。其組成結(jié)構(gòu)如圖5所示?；诠庾泳w的發(fā)光二極管具有材質(zhì)為藍(lán)寶石的基材，基材上采用外延生長技術(shù)增加第一表面層(為復(fù)合層光子晶體)，再在第一表面層上依次增加N型材料層，N型電極層，有源層，P型材料層，P型電極層，第二表面層(同第一表面層相同的復(fù)合層光子晶體)，多層焊墊。構(gòu)成的發(fā)光二級(jí)光，有發(fā)光晶體發(fā)射光，向下照射的光照射到第一表面層時(shí)，遇到光子晶體將光全反射回光子晶體。向下照射的光照射到第二表面層時(shí)，遇到光子晶體將光全反射回光子晶體。以此來提高光子晶體的發(fā)光效率。多層焊墊為封裝時(shí)連接電源所用。第一表面層為第二表面層為復(fù)合光子晶體，光子晶體為復(fù)合層結(jié)構(gòu)，材料采用Τ 02 和 Si02。na=2.7;nb=l.45; a=0.0000000615; b=0.000000102724; na 為 Ti02 折射率，a為Ti02晶格常數(shù)，nb為Si02折射率，b為Si02晶格常數(shù)。通過MATLAB仿真，結(jié)果如圖2所示，其禁帶范圍是520nm — 790nm，將此作為光子晶體第一層。光子晶體為復(fù)合層結(jié)構(gòu)，材料采用 Τ 02 和 Si02。nr=2.7;nt=l.45;r=0.00000004; t=0.00000007724; nr 為 Ti02 折射率，r為Ti02晶格常數(shù)，nt為Si02折射率，t為Si02晶格常數(shù)。通過MATLAB仿真，結(jié)果如圖3所示，其禁帶范圍是370nm — 540nm，將此作為光子晶體第二層。將兩層材料復(fù)合后得到如圖4所示的仿真圖其禁帶寬度為370nm — 790nm，其寬度包含白光的波長范圍，能夠有效的全反射光子晶體發(fā)出的光，達(dá)到提高發(fā)光二極管效率的目的。由圖可知，隨著介電層周期數(shù)的不斷增加，反射率越趨近于I (發(fā)生全反射)，其禁帶寬度為370nm — 790nm (例如周期n=m=10)，在白光波長(390nm —780nm)范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)的要求。圖中當(dāng)周期數(shù)n=m>12層之后光帶隙寬度幾乎沒有變化，只是帶隙兩側(cè)的振蕩數(shù)逐漸增加。所以它的周期數(shù)決定了光子晶體的禁帶的位置和寬度，但這個(gè)寬度在周期數(shù)達(dá)到某一周期數(shù)后，周期數(shù)逐漸增加時(shí)的帶隙寬度幾乎沒有變化，只是帶隙兩側(cè)的振蕩數(shù)逐漸增加。對(duì)我們的設(shè)計(jì)要求也沒有影響，且周期數(shù)增加使光子晶體的制作成本增加。因此在本設(shè)計(jì)中我們選擇介電層周期數(shù)為10層是最佳介電層周期數(shù)。但是在實(shí)際的生產(chǎn)中隨著鍍膜材料每增加一層成本就會(huì)成倍的增加，由圖所示的反射率圖可以觀察到其介電周期數(shù)在5層時(shí)反射率已達(dá)到95%以上了，在實(shí)際生產(chǎn)生活中已達(dá)到要求。以氧化鈦、二氧化硅構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)為(AB) 5 (AB) 5鍍膜的方法步驟:a.加工一個(gè)f36mm的平板玻璃，作為基板，將基板雙面拋光，立邊拋光，并有垂直度的要求，4邊有工藝倒角，拼接后有0.1 0.5mm的拼縫。b.將加工好的基板表面進(jìn)行清潔化處理，采用酸性清洗液和去離子水分別清洗基板，然后置于熱板上烘干，溫度65°，時(shí)間10分鐘。準(zhǔn)備在真空鍍膜機(jī)里完成光子晶體的加工。c.采用DM-450型 真空鍍膜機(jī)，鐘罩尺寸:Φ 450 mmX540 mm,極限真空:^ 6.5X10-4 Pa,抽氣時(shí)間:真空度達(dá)到1.3 X 10-3 Pa時(shí)，t彡50 min。d.首先將基板放入真空鍍膜機(jī)中，進(jìn)行A介質(zhì)晶格常數(shù)為0.0000000615 二氧化
鈦的鍍膜，二氧化鈦折射率na=2.7，中心波長取660nm時(shí)，其鍍膜厚度為β:Λ/4 ，即61.llnm，鍍膜后干燥冷卻30分鐘。e.然后對(duì)基板進(jìn)行B介質(zhì)，晶格常數(shù)為0.000000102724 二氧化硅的鍍膜，二氧化硅折射率na=l.45，中心波長取660nm時(shí)，其鍍膜厚度為，即113.79nm，鍍膜后干燥冷卻30分鐘。f.按照上述步驟依次對(duì)介質(zhì)A、B按照設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行鍍膜10次，在基板上鍍膜實(shí)現(xiàn)的光子晶體結(jié)構(gòu)為(AB) 5。g.再按照正常鍍膜步驟依次對(duì)晶格常數(shù)為0.00000004介質(zhì)A、晶格常數(shù)為0.00000007724的B介質(zhì)按照設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行鍍膜10次，在基板上鍍膜實(shí)現(xiàn)的光子晶體結(jié)構(gòu)為(AB) 5 (AB) 5。相對(duì)于抗反射層材料來說用氧化硅和二氧化鈦制成的光子晶體設(shè)計(jì)成本低、反射率高、物化性質(zhì)穩(wěn)定，在發(fā)光二級(jí)管的封裝過程中可以避免由于高溫高壓對(duì)鍍膜材料產(chǎn)生的變形和破壞。并且由光子晶體的鍍膜過程可以看出方法簡(jiǎn)便要求相對(duì)不高。
權(quán)利要求1.基于光子晶體的新型發(fā)光二極管，設(shè)有LED芯片，其特征在于:LED芯片包括基材(I)、第一表面層(2)、第二表面層(3)和發(fā)光晶體層，所述的發(fā)光晶體層由N型材料層(4)，N型電極層(5)，有源層(6)，P型材料層(7)和P型電極層(8)組成，第一表面層(2)和第二表面層(3)為光子晶體，基材(I)上設(shè)有第一表面層(2)，在第一表面層(2)上依次增加N型材料層(4)、N型電極層(5)、有源層(6)、P型材料層(7)，P型電極層(8)和第二表面層(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光子晶體的新型發(fā)光二極管，其特征在于:所述的第一表面層(2)和第二表面層(3)的光子禁帶的范圍為370nm — 790nm。
3.如權(quán)利要求1所述的基于光子晶體的新型發(fā)光二極管，其特征在于:所述的第一表面層(2)和第二表面層(3)的復(fù)合光子晶體的結(jié)構(gòu)為(AB)n (AB)ni，其中n=m，η彡5。
4.如權(quán)利要 求3所述的基于光子晶體的新型發(fā)光二極管，其特征在于:所述的A和B的厚度為λ/4η，其中，λ為中心波長，η為折射率。
專利摘要基于光子晶體的新型發(fā)光二極管，設(shè)有LED芯片，LED芯片包括基材、第一表面層、第二表面層和發(fā)光晶體層，所述的發(fā)光晶體層由N型材料層，N型電極層，有源層，P型材料層和P型電極層組成，利用光子晶體的光子禁帶特性，即當(dāng)頻率位于光子禁帶頻率范圍內(nèi)的光入射到光子晶體時(shí)，由于光子晶體沒有與之相對(duì)應(yīng)的傳輸模式，入射波就會(huì)完全地被反射回去。因此可以在普通LED中加入光子晶體，使在LED內(nèi)部發(fā)生折射、吸收等不能傳輸出來的光完全反射，變?yōu)槟軌騻鬏敵鰺趔w被人們利用的光，從而提高發(fā)光功率能源的利用效率。
文檔編號(hào)H01L33/16GK203038963SQ20132002715
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者李萍, 韓志中, 張?zhí)m蘭, 梁高峰, 雷茂生, 趙新峰, 張霞, 趙彬, 姜婷, 宋宵薇, 藺利峰, 喬曉嵐 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)