一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管的制作方法

本发明属于led研究领域，涉及一种用光子晶体刻蚀在出光表面的光子晶体基发光二极管，特别是一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管。

背景技术：

半导体发光二极管自发明以来，就因其寿命长、节能环保、可靠性高等优点，被广泛的应用在指示灯、交通信号灯、显示屏等照明方面，但其外量子出光效率低制约着发光二极管的发展。由于制备的发光二极管的半导体材料与空气的折射率相差比较大，光线在二者界面上会发生全内反射而返回到半导体中，从而使得大部分光能量被束缚在半导体内部；并且光线在穿透界面时发生菲涅耳反射，也不可避免地造成能量的损失。对于没有任何表面结构的gan基蓝光led，其顶端光提取效率lee仅4％左右。鉴于gan(n≈2.5)和空气的折射率，光逃逸锥面的临界角大约为23，只有小于临界角的光能够从led中出逃。因此，减少全反射，增大逃逸光锥的临界角，成为提高提取效率的有效手段。通过表面的表面织构化，可以抑制内部光的反射并使光向上散射。自1987年e.yablonovitch提出光子晶体(pc)以来，光子晶体就引起了不同研究人员的兴趣。周期性分布的高低折射率电介质的特殊结构使光子晶体可用来增强自发辐射或提高固态光源的出光效率。近年来，在表面增加光子晶体来提高led的出光效率得到广泛的关注。

光子晶体是由不同折射率的电介质材料周期性排列而形成的人造晶体。光子晶体应用到led，由于其特有的光子禁带效应，一方面可以使落入到禁带的导波模式直接被耦合成为辐射模式，穿透而进入空气另一方面，如果发光频率位于光子晶体禁带之上，光子晶体可以通过布拉格散射使这些模式耦合成为辐射模式，达到提升出光效率的目的。因此，光子晶体的制备对提升的出光效率具有重要的意义。中国专利cn101916805a公开的《增加发光二极管外发光效率的同心光子晶体结构》，提出了一种空气或低折射率材料与覆层或层介质ito构成的封闭环为圆形或矩形结构来提高led的出光效率，是没有光子晶体的3倍。中国专利cn104966769a公开的《一种具有双光子晶体结构的量子点发光二极管》，上下两层光子晶体分别有效地提高led的光提取效率。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管，利用半球形复周期结构来增强发光二极管的出光效率。

本发明的技术方案是：一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管，包括至下而上依次连接的蓝宝石衬底、缓冲层、n型半导体层、多量子阱层和p型半导体层；

所述p型半导体层上设有正方晶格的半球光子晶体复周期结构阵列；所述半球光子晶体复周期结构阵列包括若干大半球和小半球，所述大半球的直径大于小半球的直径；

所述大半球以晶格常数为a的正方排列，所述小半球也是以晶格常数为a的正方排列均匀布置在大半球的排列中，且所述相邻的大半球和小半球间隔分布组成三角形排列。

上述方案中，在三角形排列中，两个相邻的大半球之间的边为a，大半球与小半球之间的边均为

上述方案中，所述大半球直径为1200±50nm，所述小半球直径为360±20nm。

进一步的，所述大半球直径为1200nm，所述小半球直径为360nm。

上述方案中，所述正方晶格常数a为1500士50nm。

进一步的，所述正方晶格常数为1500nm。

上述方案中，所述大半球和小半球的材质为半导体材料。

进一步的，所述大半球和小半球的材质为氧化锌材料、氮化镓材料或碳化硅材料中的任意一种。

进一步的，所述大半球和小半球的材质为氮化镓材料。

本发明提高led出光效率的结构设计方法，具体步骤为：

步骤1.在时域有限差分方法的基础上，利用rsoft软件中fdtd构建一个带有半球光子晶体复周期结构的led模型，包括在p型半导体层上设计正方晶格的大小半球光子晶体复周期阵列。

步骤2.基于时域有限差分法计算光在led结构里面的演化，通过记录模型上端出射的光的强度，得到最终的光提取率；

步骤3.通过对半球光子晶体复周期结构参数，包括大、小半球半径，正方晶格常数等进行优化，得到比较高的光提取效率。

模拟表明，半球光子晶体复周期结构中，大半球直径在1200±50nm，小半球直径360±20nm，正方晶格常数在1500±50nm，均有高的光提取率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：为了提高出光效率，本发明设计出一种半球光子晶体复周期结构，通过时域有限差分法建立模型进行计算，然后进行参数优化，选择合适的结构参数来提高led出光率。具体说来，本发明设计的芯片结构，其自下而上依次为蓝宝石衬底，缓冲层，n型半导体层，mqw多量子阱层，p型半导体层。除底端边界条件为金属反射镜pec，其他另外五个面边界条件为完美匹配层pml。其中，p型半导体层上设计了正方晶格的大半球和小半球光子晶体复周期阵列。结果表明：普通led的出光效率为3.25％，复周期光子晶体结构led的出光效率为27.1％，复周期光子晶体结构led出光效率相对于普通led大约提高8.3倍左右，这种光子晶体复周期结构的led出光效率更高，而且该结构简单，易于加工。

附图说明

图1为本发明一实施方式的led结构示意图。

图2为本发明一实施方式的led结构中p型半导体层上所采用的大小半球光子晶体复周期结构主视示意图。

图3为本发明一实施方式的led结构中p型半导体层所采用的大小半球光子晶体复周期俯视局部示意图。

图中：1-蓝宝石衬底，2-缓冲层，3-n型半导体层，4-多量子阱层，5-p型半导体层，6-大半球，7-小半球。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管，如图1所示包括至下而上依次连接的蓝宝石衬底1、缓冲层2、n型半导体层3、多量子阱层4和p型半导体层5。

如图2所示，所述p型半导体层5上设有正方晶格的半球光子晶体复周期结构阵列；所述半球光子晶体复周期结构阵列包括若干大半球6和小半球7，所述大半球6的直径大于小半球7的直径。

如图3所示，所述大半球6以晶格常数为a的正方排列，所述小半球7也是以晶格常数为a的正方排列均匀布置在大半球6的排列中，且所述相邻的大半球6和小半球7间隔分布组成三角形排列。在三角形排列中，两个相邻的大半球6之间的边为a，优选的，所述大半球6与小半球7之间的边均为

所述大半球6直径为1200±50nm，所述小半球7直径为360±20nm，所述正方晶格常数a为1500士50nm。

所述大半球6和小半球7的材质为半导体材料。优选的，所述大半球6和小半球7的材质为氧化锌材料、氮化镓材料或碳化硅材料中的任意一种。

提高led出光效率的结构设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1.在时域有限差分方法的基础上，利用rsoft软件中fdtd构建一个带有半球光子晶体复周期结构的led模型，包括在p型半导体层上设计正方晶格的大半球和小半球光子晶体复周期阵列。

步骤2.基于时域有限差分法计算光在led结构里面的演化，通过记录模型上端出射的光的强度，得到最终的光提取率；

步骤3.通过对半球光子晶体复周期结构参数，包括大、小半球半径，正方晶格常数等进行优化，得到比较高的光提取效率。

通过以下实施例对比得出，实施例二中经过优化后所述大半球6直径为1200nm，所述小半球7直径为360nm，所述正方晶格常数为1500nm，所述大半球6和小半球7的材质为氮化镓材料时得到最高的出光效率为27.1％。

实施例一

一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管，包括至下而上依次连接的蓝宝石衬底1、缓冲层2、n型半导体层3、多量子阱层4和p型半导体层5。

所述p型半导体层5上设有正方晶格的半球光子晶体复周期结构阵列；所述半球光子晶体复周期结构阵列包括若干大半球6和小半球7，所述干大半球6的直径大于小半球7的直径。

所述大半球6以晶格常数为a的正方排列，所述小半球7也是以晶格常数为a的正方排列均匀布置在大半球6的排列中，且所述相邻的大半球6和小半球7间隔分布组成三角形排列。在三角形排列中，两个相邻的大半球6之间的边为a，优选的，所述大半球6与小半球7之间的边均为

通过以下步骤：基于时域有限差分法建立led结构模型；设计p型半导体层大小半球光子晶体复周期结构初始参数，进行初步计算；用fdtd算法进行优化处理，获得最优结果参数；按照传统晶片生长方法，依次生长蓝宝石衬底1，缓冲层2，n型半导体层3，mqw多量子阱层4，p型半导体层5；p型半导体层5为氮化稼材料，在该层上表面设计简单的氧化锌材料的大半球6和小半球7的光子晶体复周期结构。为了更好地说明该结构的效果，本发明采用了优化后的结果参数，单位大半球6直径为1180nm，小半球7直径为340nm，正方晶格常数a为1450nm，这样优化的结构算出的出光效率为16.25％。

实施例二

一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管，包括至下而上依次连接的蓝宝石衬底1、缓冲层2、n型半导体层3、多量子阱层4和p型半导体层5。

所述p型半导体层5上设有正方晶格的半球光子晶体复周期结构阵列；所述半球光子晶体复周期结构阵列包括若干大半球6和小半球7，所述干大半球6的直径大于小半球7的直径。

所述大半球6以晶格常数为a的正方排列，所述小半球7也是以晶格常数为a的正方排列均匀布置在大半球6的排列中，且所述相邻的大半球6和小半球7间隔分布组成三角形排列。在三角形排列中，两个相邻的大半球6之间的边为a，优选的，所述大半球6与小半球7之间的边均为

通过以下步骤：基于时域有限差分法建立led结构模型；设计p型半导体层大小半球光子晶体复周期结构初始参数，进行初步计算；用fdtd算法进行优化处理，获得最优结果参数；按照传统晶片生长方法，依次生长蓝宝石衬底1，缓冲层2，n型半导体层3，mqw多量子阱层4，p型半导体层5；p型半导体层5为氮化稼材料，在该层上表面设计简单的氮化镓材料的大半球6和小半球7的光子晶体复周期结构。为了更好地说明该结构的效果，本发明采用了优化后的结果参数，单位大半球直径为1200nm，小半球直径为360nm，正方晶格常数为1500nm，这样优化的结构算出的出光效率为27.1％。

实施例三

一种具有半球光子晶体复周期结构的高出光效率二极管，包括至下而上依次连接的蓝宝石衬底1、缓冲层2、n型半导体层3、多量子阱层4和p型半导体层5。

所述p型半导体层5上设有正方晶格的半球光子晶体复周期结构阵列；所述半球光子晶体复周期结构阵列包括若干大半球6和小半球7，所述干大半球6的直径大于小半球7的直径。

所述大半球6以晶格常数为a的正方排列，所述小半球7也是以晶格常数为a的正方排列均匀布置在大半球6的排列中，且所述相邻的大半球6和小半球7间隔分布组成三角形排列。在三角形排列中，两个相邻的大半球6之间的边为a，优选的，所述大半球6与小半球7之间的边均为

通过以下步骤：基于时域有限差分法建立led结构模型；设计p型半导体层大小半球光子晶体复周期结构初始参数，进行初步计算；用fdtd算法进行优化处理，获得最优结果参数；按照传统晶片生长方法，依次生长蓝宝石衬底1，缓冲层2，n型半导体层3，mqw多量子阱层4，p型半导体层5；p型半导体层5为氮化稼材料，在该层上表面设计简单的碳化硅材料的大半球6和小半球7的光子晶体复周期结构。为了更好地说明该结构的效果，本发明采用了优化后的结果参数，单位大半球直径为1250nm，小半球直径为380nm，正方晶格常数为1550nm，这样优化的结构算出的出光效率为26.1％。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。