專利名稱：完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)、其制備方法及一種發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，涉及一種完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)及其制備方法，還涉及一種采用該完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
目前LED仍存在成本高、發(fā)光效率低、可靠性差等問題，而且白光LED的發(fā)光效率還不高，這些問題均限制了 LED在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。LED的電光轉(zhuǎn)換效率由內(nèi)量子效率和光提取效率決定，現(xiàn)在的LED工藝已經(jīng)可以將LED的內(nèi)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(xiàn)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(nèi)部制備光子晶體結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)所特有的光子禁帶效應(yīng)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(lán)寶石襯底的折射率為1. 7，所以若在藍(lán)寶石襯底上的氮化鎵層中制備光子晶體結(jié)構(gòu)，由于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(shù)為a，介質(zhì)柱和空氣孔的半徑均為R=O. 3a。圖3的能帶結(jié)構(gòu)顯示，采用介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)有利于獲得TE模禁帶，而采用空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)有利于獲得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(shù)值分析得到的三角晶格光子晶體禁帶與半徑R的關(guān)系如圖4所示，當(dāng)半徑R在0-0. 5a之間變動時，空氣孔型和介質(zhì)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。這里需要指出的是，如果用氧化硅等材料制作光子晶體，然后在其上生長氮化鎵，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(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對上述目前含有單一光子晶體結(jié)構(gòu)的LED所存在的問題和不足，本發(fā)明提供了一種提高光提取效率，可以分別獨立地自由調(diào)節(jié)，并且可應(yīng)用于各種類型的襯底材料和和不同發(fā)光波段的的完全光子禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了這種完全光子禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的制備方法，以及一種采用這種完全光子禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的、提高LED器件光提取效率和氮化鎵基LED外延薄膜質(zhì)量的發(fā)光二極管。技術(shù)方案本發(fā)明的完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)，包括位于下層的空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)和位于上層的介質(zhì)柱型光子晶體，空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)和介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)均是由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)材料在平面上呈周期性排列成的陣列，介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料對應(yīng)設(shè)置在空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料的上表面。本發(fā)明的采用上述完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，包括從下至上依次連接設(shè)置的藍(lán)寶石襯底、光子晶體結(jié)構(gòu)、n型氮化鎵外延層、銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發(fā)光層、P型氮化鎵外延層、透明導(dǎo)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臺面和位于上臺面一側(cè)的下臺面，上臺面與銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發(fā)光層的底面連接，下臺面則直接與鈍化層連接，透明導(dǎo)電層上表面設(shè)置有穿過鈍化層的P型電極，外延層的下臺面上設(shè)置有穿過鈍化層的n型電極；光子晶體結(jié)構(gòu)包括位于下層的空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)和位于上層的介質(zhì)柱型光子晶體。本發(fā)明的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管中，空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)的晶格周期范圍為100-800nm，空氣孔直徑為100_800nm，空氣孔深度為lO-lOOOnm，介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)的晶格周期范圍為100-800nm，介質(zhì)柱直徑為100_800nm，介質(zhì)柱高度為10_3000nm。本發(fā)明的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管中，空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)和介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)的晶格類型均為正方晶格、三角晶格、蜂窩晶格和光子準(zhǔn)晶體中的任一種，光子準(zhǔn)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(jié)構(gòu)中的任一種。本發(fā)明的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管中，空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)的空氣孔形狀，以及介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)柱形狀為錐形、柱形、棱錐形、棱臺形和半球形中的任一種。本發(fā)明的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管中，介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)的的材料為氮化硅或者摻雜的二氧化鈦，下 層空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)的材料為藍(lán)寶石、砷化鎵、磷化銦、碳化娃、娃中的任何一種。本發(fā)明的完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟I)在藍(lán)寶石襯底上用光刻膠做掩膜，刻蝕制備出由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)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(jié)構(gòu)；2)在空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)上蒸鍍一層氮化硅薄膜，然后同樣用光刻膠做掩膜，刻蝕出與空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)的陣列對應(yīng)的、且由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為介質(zhì)柱型光子晶體。這里需要指出的是本發(fā)明的完全禁帶的光子晶體結(jié)構(gòu)，主要包含上下兩層光子晶體結(jié)構(gòu)，即上層的介質(zhì)柱型光子晶體和下層的空氣孔型光子晶體。其中，介質(zhì)柱型光子晶體和空氣孔型光子晶體在平行于藍(lán)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(jīng)理論模擬優(yōu)選的介質(zhì)柱型或空氣孔型光子晶體的類型為三角晶格光子晶體結(jié)構(gòu)或十二重對稱的光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點雖然現(xiàn)有的采用介質(zhì)柱型的光子晶體結(jié)構(gòu)有利于獲得TE模禁帶，而采用空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)有利于獲得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(fā)明所提供的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的LED，則由于同時具備空氣孔型和介質(zhì)柱型的新型光子晶體結(jié)構(gòu)，因此結(jié)合了介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)有利于獲得TE模禁帶和空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)有利于獲得TM模禁帶的優(yōu)勢，可以在LED出光波段實現(xiàn)完全光子禁帶特性，能夠?qū)⒃旧湎蛞r底的光限制并耦合回氮化鎵基LED外延薄膜層，從而極大地提高了 LED的出光效率。本發(fā)明提供的完全禁帶光子晶體是由空氣孔型和介質(zhì)柱型兩種光子晶體組合而成，它可以在LED發(fā)光波段實現(xiàn)完全光子禁帶特性，能將原本射向襯底的光全部限制并耦合回氮化鎵基LED外延薄膜層，從而極大地提高LED的出光效率。本發(fā)明提供的完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)靈活、自由度大。無論是空氣孔型，還是介質(zhì)柱型光子晶體，均能根據(jù)LED出射光的對應(yīng)波段的要求，分別獨立自由地調(diào)節(jié)，從而大大拓展了其在LED領(lǐng)域中的應(yīng)用價值。在本發(fā)明提供的完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的基底上生長氮化鎵基外延層時，該種新型光子晶體結(jié)構(gòu)與目前普遍采用的圖形化襯底相類似，可以有效地降低晶格失配所導(dǎo)致的位錯密度，進(jìn)而能夠獲得較高質(zhì)量的氮化鎵基外延薄膜。而且，本發(fā)明的新型光子晶體結(jié)構(gòu)不僅適用于制備藍(lán)寶石、砷化鎵、磷化銦、碳化硅或者硅襯底的正裝或者倒裝結(jié)構(gòu)的LED，亦可適用于需要提高某一波段反射率的其它光電子器件。本發(fā)明的完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)及其制備技術(shù)，是一種能夠應(yīng)用于各種類型的襯底材料和不同的發(fā)光波段、結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)靈活、可顯著提高LED光提取效率的制造技術(shù)。


圖1為具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為具有傳統(tǒng)的具有單一光子晶體結(jié)構(gòu)襯底的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 (a)為二角晶格介質(zhì)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(zhì)柱型光子晶體光子禁帶與介質(zhì)柱半徑R的關(guān)系；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(guān)系；圖5為本發(fā)明提供的完全光子禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6 Ca)為本發(fā)明LED襯底中正方晶格光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6 (b)為本發(fā)明LED襯底中三角晶格光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6 (C)為本發(fā)明LED襯底中蜂窩晶格光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6 Cd)為本發(fā)明LED襯底中十二重對稱的光子準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有藍(lán)寶石襯底1，光子晶體結(jié)構(gòu)2，空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)21，介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)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(fā)光層5，p型氮化鎵外延層6，透明導(dǎo)電層7，鈍化層8，p型電極9。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明的主要目的是為了解決現(xiàn)有LED器件的光提取效率不高，以及如何獲得高質(zhì)量的氮化鎵基LED外延薄膜等問題。根據(jù)本發(fā)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(jié)構(gòu)的LED及其制備方法，可以很好地解決上述問題。另夕卜，本發(fā)明提供的構(gòu)成新型光子晶體結(jié)構(gòu)的空氣孔型和介質(zhì)柱型光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以分別獨立地自由調(diào)節(jié)，而且可應(yīng)用于各種類 型的襯底材料和發(fā)光波段的光電子器件。如圖5所示為本發(fā)明的完全光子禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括位于下層的空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)21和位于上層的介質(zhì)柱型光子晶體22，空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)21和介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)22均是由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)材料在平面上呈周期性排列成的陣列，介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)22的介質(zhì)材料對應(yīng)設(shè)置在空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)21的介質(zhì)材料的上表面。如圖1所示為具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)要素包括生長LED的襯底1，在襯底I上制備光子晶體結(jié)構(gòu)2，其包括空氣孔型光子晶體21，在空氣孔型光子晶體21上制備的介質(zhì)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(fā)光層5，p型氮化鎵外延層6，透明導(dǎo)電層7，鈍化層8，P型電極9。如圖2所示為傳統(tǒng)的、具有單一光子晶體結(jié)構(gòu)襯底的LED結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)要素包括襯底1，在襯底I上制備的單一光子晶體結(jié)構(gòu)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(fā)光層5，p型氮化鎵外延層6，透明導(dǎo)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(zhì)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(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)有利于獲得TE模禁帶，而空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)有利于獲得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(zhì)柱型和空氣孔型光子晶體禁帶與半徑R的關(guān)系。數(shù)值分析表明，當(dāng)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(fā)明提供的具有完全禁帶的光子晶體的襯底結(jié)構(gòu)示意圖。在襯底上制備的新型光子晶體結(jié)構(gòu)主要包含上下兩層光子晶體結(jié)構(gòu)下層的空氣孔型光子晶體21和上層的介質(zhì)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(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)示意圖。適用于本發(fā)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(zhǔn)晶(光子準(zhǔn)晶體包括四種結(jié)構(gòu)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(fā)明所提供的新型光子晶體結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)柱或空氣孔的形狀可以為錐形、柱形、棱錐形、棱臺形、半球形中的任一種。本發(fā)明的完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟I)在藍(lán)寶石襯底I上用光刻膠做掩膜，刻蝕制備出由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)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(jié)構(gòu)21 ；2)在空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)21上蒸鍍一層氮化硅薄膜，然后同樣用光刻膠做掩膜，刻蝕出與空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)21的陣列對應(yīng)的、且由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為介質(zhì)柱型光子晶體22。以上僅為本發(fā)明的較佳實施方式。本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示的內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中所記載的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)，其特征在于，該光子晶體結(jié)構(gòu)包括位于下層的空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)(21)和位于上層的介質(zhì)柱型光子晶體(22)，所述空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)(21)和介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)(22)均是由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)材料在平面上呈周期性排列成的陣列，所述介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)(22)的介質(zhì)材料對應(yīng)設(shè)置在空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)(21)的介質(zhì)材料的上表面。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于，該發(fā)光二極管包括從下至上依次連接設(shè)置的藍(lán)寶石襯底(I )、光子晶體結(jié)構(gòu)(2)、η型氮化鎵外延層(3)、銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發(fā)光層(5)、P型氮化鎵外延層(6)、透明導(dǎo)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臺面和位于上臺面一側(cè)的下臺面，所述上臺面與銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源發(fā)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(dǎo)電層(7)上表面設(shè)置有穿過鈍化層(8)的P型電極(9)，所述外延層(3)的下臺面上設(shè)置有穿過鈍化層(8)的η型電極(4);所述光子晶體結(jié)構(gòu)(2)包括位于下層的空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)(21)和位于上層的介質(zhì)柱型光子晶體(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于，所述空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)(21)的晶格周期范圍為100-800nm，空氣孔直徑為100_800nm，空氣孔深度為lO-lOOOnm，所述介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)(22)的晶格周期范圍為100_800nm，介質(zhì)柱直徑為100-800nm,介質(zhì)柱高度為10-3000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于，所述空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)(21)和介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)(22)的晶格類型均為正方晶格、三角晶格、蜂窩晶格和光子準(zhǔn)晶體中的任一種，所述光子準(zhǔn)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(jié)構(gòu)中的任一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于，所述空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)(21)的空氣孔形狀，以及介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)(22)的介質(zhì)柱形狀為錐形、柱形、棱錐形、棱臺形和半球形中的任一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于，所述介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)(22)的的材料為氮化硅或者摻雜的二氧化鈦，所述下層空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)(21)的材料為藍(lán)寶石、砷化鎵、磷化銦、碳化硅、硅中的任何一種。
7.一種制備權(quán)利要求1所述的完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)在藍(lán)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(shù)的介質(zhì)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(jié)構(gòu)(21)；2)在所述空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)(21)上蒸鍍一層氮化硅薄膜，然后同樣用光刻膠做掩膜，刻蝕出與所述空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)(21)的陣列對應(yīng)的、且由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)材料在平面上呈周期性排列成的陣列，成為介質(zhì)柱型光子晶體(22)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種完全禁帶光子晶體結(jié)構(gòu)，包括位于下層的空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)和位于上層的介質(zhì)柱型光子晶體，空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)和介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)均是由兩種或兩種以上介電常數(shù)的介質(zhì)材料在平面上呈周期性排列成的陣列，介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料對應(yīng)設(shè)置在空氣孔型光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料的上表面。本發(fā)明還公開了這種光子晶體結(jié)構(gòu)的制備方法，以及一種采用該光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管。本發(fā)明光子晶體結(jié)構(gòu)在LED發(fā)光波段實現(xiàn)完全光子禁帶特性，極大地提高LED的出光效率，本發(fā)明可獨立自由調(diào)節(jié)光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，拓展了在LED領(lǐng)域中的應(yīng)用價值；有效地釋放晶格失配所產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)而獲得更高質(zhì)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(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者張 雄, 郭浩, 許潔, 崔一平 申請人:東南大學(xué)