專利名稱：外量子效率增強型發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光二極管(LED)，特別是一種能夠增強外量子效率的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
90年代以來，隨著氮化鎵(GaN)基半導體材料生長工藝的一系列重大突破，以GaN為代表的新一代半導體材料逐漸興起。GaN基半導體材料可以制成高效的藍、綠光和白光發(fā)光二極管。作為新型高效固體光源，它們具有長壽命、節(jié)能、綠色環(huán)保等顯著特點，已被廣泛應(yīng)用于大屏幕彩色顯示、汽車照明和交通信號、多媒體顯示、光通訊等領(lǐng)域，將來還會代替白熾燈、熒光燈，實現(xiàn)人類照明史上的又一次革命。2001年世界GaN器件市場接近7億美元，并且GaN器件市場占有份額將會逐年快速增加，逐步形成具有重大經(jīng)濟與社會效益的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。世界各發(fā)達國家在世紀之交紛紛推出國家級半導體照明計劃，力圖在新世紀搶占半導體產(chǎn)業(yè)新一輪的制高點，并計劃十年之后實現(xiàn)半導體照明的普及化。
制約實現(xiàn)半導體照明的主要因素之一就是發(fā)光二極管的發(fā)光效率和亮度，其與白熾燈、熒光燈相比還比較低。雖然發(fā)光二極管已有很高的內(nèi)部發(fā)光效率，但半導體對光子的吸收和全反射，使得發(fā)射到半導體外的光子數(shù)很少，即外部量子效率很低。外部量子效率直接反應(yīng)了發(fā)光二極管的發(fā)光效率。目前，商用發(fā)光二級管外部量子效率一般約為10％左右，發(fā)光強度低于10cd。因此，如何將由于半導體內(nèi)的全反射而局限在內(nèi)的光子取出來，提高發(fā)光二極管的外量子效率一直是人們廣泛關(guān)注和研究的熱點。
近十年來，為改善發(fā)光二極管的發(fā)光效率，取得了一系列成果，如中國專利(93120628.6)通過改良窗層結(jié)構(gòu)，增加導體電流的流散來提高二極管的發(fā)光效率；中國專利(94107697.0)在襯底與相鄰的一外延層之間設(shè)置臺面部分以形成多個空腔層，利用空腔層界面對光的反射提高了光輸出效率。中國專利99100397.7公開了用多個重復排列的單元大發(fā)光區(qū)構(gòu)成發(fā)光區(qū)，每一個單元大發(fā)光區(qū)包括前級發(fā)光區(qū)和后級發(fā)光區(qū)以及位于前后兩級發(fā)光區(qū)之間隧道結(jié)，多級發(fā)光區(qū)通過各級間的隧道結(jié)為前級復合掉的電子和空穴提供再生通道，從而成倍地提高器件的量子效率和亮度。中國專利98100008.8公開了通過減小發(fā)光二極管發(fā)光側(cè)電極對光的吸收來提高發(fā)光二極管發(fā)光效率。美國專利20030141507公開了在發(fā)光二極管中引入光子晶體結(jié)構(gòu)來增強外量子效率。美國專利6410942公開了采用互聯(lián)的微盤型結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)來提高外量子效率。美國專利5779924公開了采用腐蝕法使表面粗糙來改變光子入射角提高輸出效率等等。這些改進主要是提高發(fā)光層射向正向和側(cè)向的光子輸出效率，而對于發(fā)射到襯底中的光子利用比較少。
一般發(fā)光二極管襯底底面都是比較平整的。對于對光吸收比較少的平面襯底如藍寶石、碳化硅等，當光發(fā)射到其中時，大部分光子也會經(jīng)過襯底界面的多次全反射而回到半導體內(nèi)部被吸收或消耗掉，只有少量光子發(fā)射到襯底外部，而且發(fā)射出來的光子處于二極管的背面，對于正向照明沒有作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述平面襯底對發(fā)光二極管的發(fā)光效率的不足，提出一種能夠充分利用發(fā)射到襯底中的光子以增強外量子效率的發(fā)光二極管。
本發(fā)明的發(fā)光二極管包括襯底、發(fā)光層及金屬反射層。其特征在于所述襯底為拋物線構(gòu)成的實心碗狀結(jié)構(gòu)，上表面的中心點為拋物線的焦點，襯底中心厚度即為拋物線的焦距，發(fā)光層位于襯底上表面的中心位置，襯底的下表面鍍有金屬反射層，襯底材料為藍寶石或碳化硅。
所述金屬反射層材料選自Au，Ag，Cu，Al，Pt，Zn，Ti，Sn，F(xiàn)e中的一種。
所述的發(fā)光層為GaN二極管或InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)或AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)，尺寸大小和形狀根據(jù)需要而定。
本發(fā)明將發(fā)光二極管的發(fā)光層置于襯底拋物面的焦點位置，其發(fā)出的光子可近似看作由焦點發(fā)出，這樣發(fā)射到襯底中的光子，經(jīng)拋物面反射后會以平行光的形式垂直于發(fā)光層發(fā)射出去。因此，本發(fā)明不僅能夠?qū)l(fā)射到襯底中的光子沿正向發(fā)射出去，提高發(fā)光二極管的外量子效率，增強其發(fā)光強度；還可以發(fā)射出大量平行光線，使光可以遠距離傳輸，在大屏幕彩色顯示、多媒體顯示、LCD背光源、光通信以及探照燈、飛機指示燈、汽車照明燈、交通信號燈等需要遠距離傳輸?shù)恼彰黝I(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的俯視圖；圖3為平面襯底GaN發(fā)光二極管中光子的運動軌跡；圖4為平面襯底GaN發(fā)光二極管光子發(fā)射功率的角度分布圖；圖5為拋物面襯底GaN發(fā)光二極管中光子的運動軌跡；圖6為拋物面襯底GaN發(fā)光二極管光子發(fā)射功率的角度分布7平面襯底與拋物面襯底GaN發(fā)光二極管的外量子效率
具體實施例方式
以下通過實施例及附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明本發(fā)明由襯底2、發(fā)光層1及金屬反射層3組成，其結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。
本發(fā)明所述的襯底一般為藍寶石或碳化硅材料，襯底為拋物線構(gòu)成的實心碗狀結(jié)構(gòu)，上表面的中心點為拋物線的焦點，襯底中心厚度為拋物線的焦距，拋物線符合公式x2＝2py?？筛鶕?jù)襯底的厚度確定拋物線標準方程及襯底上表面半徑，一般襯底厚度約為500～1000μm，上表面半徑為2-4mm。襯底可采用高精度微加工工藝制備。在襯底的下表面，采用物理鍍膜法如真空鍍膜、濺射鍍膜鍍制厚度約為30～100nm的金屬反射層，并根據(jù)發(fā)光層所發(fā)光的波長選擇對其具較大反射率的金屬作為反射金屬。通過分子束外延或金屬有機物化學氣相沉積的方法在襯底上表面的中心位置上生長發(fā)光層。發(fā)光層可為GaN二極管或InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)或AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)，形狀可根據(jù)需要而定，或為正方形，或為圓形，邊長或直徑約為300～500μm。通過調(diào)節(jié)In和Al的組分可獲得紫外光、藍光和綠光發(fā)光二極管。
效果情況作為一種比較，分別就采用本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)和常規(guī)的具有平面襯底的結(jié)構(gòu)進行對比，具體對平面襯底和拋物面襯底GaN發(fā)光二極管襯底中的光子運動軌跡、二極管發(fā)射光子功率的角度分布和外量子效率進行了模擬計算，結(jié)果如圖3，4，5，6，7所示。由圖3，4可知，發(fā)射到平面襯底中的光子，大部分經(jīng)過多次反射被半導體吸收或被反射到LED內(nèi)部，只有很少部分能夠發(fā)射到LED外面，而且光子發(fā)射功率的分布是發(fā)散性的。由圖5，6可知，發(fā)射到拋物面襯底中的光子大部分被以平行光的形式沿二極管的正向發(fā)射出去，光子分布具有很強的方向性，而且正向發(fā)射功率增大了10倍。再由圖7可明顯看出，相對平面襯底發(fā)光二極管，拋物面襯底發(fā)光二極管的外量子效率提高到約1.22倍。為此，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的增強外量子效率和發(fā)射平行光的作用。
以上所述的實施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，本發(fā)明的范圍并不僅局限于上述具體實施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種外量子效率增強型發(fā)光二極管，包括襯底(2)、發(fā)光層(1)和金屬反射層(3)，其特征在于所述襯底(2)為拋物線構(gòu)成的實心碗狀結(jié)構(gòu)，上表面的中心點為拋物線的焦點，襯底中心厚度即為拋物線的焦距，發(fā)光層(1)位于襯底上表面的中心位置，襯底的下表面鍍有金屬反射層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種外量子效率增強型發(fā)光二極管，其特征在于所述的襯底(2)材料為藍寶石或碳化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種外量子效率增強型發(fā)光二極管，其特征在于所述金屬反射層(3)材料選自Au，Ag，Cu，Al，Pt，Zn，Ti，Sn，F(xiàn)e中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種外量子效率增強型發(fā)光二極管，其特征在于所述的發(fā)光層為GaN二極管或InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)或AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)，尺寸大小和形狀根據(jù)需要而定。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠增強外量子效率的發(fā)光二極管。本發(fā)明由襯底、發(fā)光層及金屬反射層組成。襯底為拋物線構(gòu)成的實心碗狀結(jié)構(gòu)，上表面的中心位置為拋物線的焦點，下表面鍍有金屬反射層，發(fā)光層位于襯底上表面的中心位置。本發(fā)明不僅能夠?qū)鹘y(tǒng)的平面襯底發(fā)光二極管中不能發(fā)射出來的光子發(fā)射出來，提高發(fā)光二極管的外量子效率，增強其發(fā)光強度；還可以發(fā)射出大量平行光線，使光可以遠距離傳輸。因此，本發(fā)明在大屏幕彩色顯示、多媒體顯示、光通信以及探照燈、飛機指示燈、汽車照明燈、交通信號燈等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L33/00GK1619848SQ20041008479
公開日2005年5月25日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者陸衛(wèi), 夏長生, 李志鋒, 陳平平, 陳貴賓, 李寧, 陳效雙, 王少偉, 張波, 陳明法 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所, 上海藍寶光電材料有限公司