CN101038948A - 基于调谐分布布拉格反射镜的发光二极管 - Google Patents

基于调谐分布布拉格反射镜的发光二极管 Download PDF

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冯玉春
施炜
郭宝平
彭冬生
牛憨笨
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一种新型的调谐分布布拉格反射镜(Tuned Distributed Bragg Reflectors，TDBR)以及基于TDBR的新型发光二极管(LED)结构。与传统的分布布拉格反射镜(DBR)不同，构成TDBR的各层材料薄膜的厚度不一定等于设定波长的四分之一，而是根据预定的反射率效果，通过一定的优化方法计算得到。相比于传统的DBR，经过优化设计的TDBR的全角反射率得到了很大的提高；可以根据应用实现多种不同的反射效果。将TDBR***LED的有源发光层和衬底之间，可以将有源发光层发出的射向衬底的光反射回去，从而提高LED的出光效率。

Description

基于调谐分布布拉格反射镜的发光二极管
一.技术领域
本发明涉及一种新型的调谐分布布拉格反射镜(Tuned Distributed BraggReflectors，TDBR)及其设计思想；涉及一种基于TDBR的新型发光二极管(LED)结构；利用金属有机气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)等薄膜外延生长技术生长TDBR并将及其应用于LED的方法。
二.技术背景
LED是目前使用最为广泛的光电子器件之一。上世纪九十年代GaN基蓝光LED的出现极大地推动了LED的发展与应用领域的拓广。LED已广泛地应用于车用照明、指示、背光源、景观照明、装饰灯以及传统的显示领域。LED白光照明在节能方面意义十分重大，已列入各国的中长期科技发展规划。预计从2004年到2010年白光LED的平均年复合成长率将高达45％。
要达到最终全面实现LED白光照明的目标，在技术必须将白光LED的发光效率从目前的30～50lm/W提高到200lm/W，提高约4倍；使用寿命从2万小时极高到10万小时，提高5倍；而且还需大幅降低LED的制造成本达到约每千流明2美元的水平，这才能使LED白光照明真正进入千家万户。所以，提高LED的发光效率、降低其制造成本是全面实现LED白光照明的关键所在。
利用硅衬底取代目前GaN基蓝光LED所采用的蓝宝石衬底可大大降低LED的制造成本。但是，GaN与硅衬底之间存在较大的晶格失配(17％)和热膨胀系数的差异(56％)，制约了高质量GaN材料的生长；采用缓冲层、侧向外延生长等技术已大大改善了GaN晶体的质量，并成功制造出高亮度GaN基。但硅衬底强烈地吸收可见光，由于LED有源层所发出的光在空间的分布是均匀的，射向基底的光(占总发光量的50％)大部分被衬底材料吸收，严重影响了LED的出光效率。
为了降低衬底对光的吸收，可以在衬底与有源层之间***分布布拉格反射镜(DBR)，将部分射向基底的光反射回去，从而增大整个LED的出光效率。DBR反射镜由两种折射率不同的薄膜材料交替生长构成，每一层薄膜的厚度为反射光波长的四分之一，对垂直方向入射的光波的反射率可达到99％以上。但是，这种传统的DBR结构对光波的入射角非常敏感，随着入射光与垂直方向的夹角增大，反射率急剧降低。所以尽管其垂直反射率很高，但DBR的全方位反射率却比较低，限制了其在LED中的应用。
为了解决传统DBR反射镜全方位反射率较低的问题、提高LED的出光效率，现发明一种新型的多层薄膜反射结构——调协分布布拉格反射镜(TDBR)及其设计思想，以及一种基于TDBR结构的新型LED结构。
三.发明内容
一种新型的调谐分布布拉格反射镜(Tuned Distributed Bragg Reflectors，TDBR)和其设计思想；以及一种基于TDBR的新型发光二极管(LED)结构。
发明的目的：获得具有较高全方位反射率的反射镜，将LED有源层发出的射向LED出光面背面的光反射回去，提高LED的发光效率。
本发明的技术解决方案如下：
1.利用经典的电磁波理论，建立多层材料薄膜结构反射率的计算模型。
2.根据具体的应用要求和实现工艺，选定两种或多种薄膜材料，并确定材料的折射率、层数和交替生长的次序。其中，材料交替生长的次序也可以作优化的对象之一。
3.确立预期达到的TDBR的反射效果，如：获得对某个或某几个特定波长的光波最大的全方位反射率，或者对某个或某几个特定波长的光波在某个或某几个特定方位角范围内的最大反射率，或者对某个波长范围内的光波在某个或某几个特定方位角范围内的最大反射率，等等。
4.采用某种优化方法，以预期达到的反射效果为目标，以TDBR各层材料生长次序和薄膜的厚度为优化对象，进行优化，得出最佳的结构参数，即最佳的材料生长次序和各层材料薄膜的厚度。TDBR的优化设计到此完成。
5.将经过优化设计得到的TDBR结构应用到LED中，即在LED的衬底与有源发光层之间***TDBR反射结构。
6.完成整个LED芯片的设计。
本发明的技术特点：
1.在LED结构中引入一种新型的反射镜(即TDBR)，用以提高LED的出光效率。
2.TDBR位于LED有源发光层和衬底之间，用以将有源发光层发出的射向衬底的光反射回去，从而提高LED的出光效率。
3.与传统的DBR不同，构成TDBR的各层材料薄膜的厚度不一定要求等于设定波长的四分之一，而是根据预定的反射率效果，通过一定的优化方法计算得到。
4.与传统的DBR相比，以提高全角反射率为目标而优化设计的TDBR的全角反射率得到了很大的提高。
5.TDBR的设计实际上是一个参数优化过程，因此可以根据具体应用实现多种不同的反射效果。
6.TDBR可以与LED结构外延生长一次完成，工艺简单。
7.TDBR应用于Si衬底的LED结构，有希望解决Si衬底对可见光强烈吸收的问题，因而增加了Si衬底LED广泛应用的可能性。
四.附图表说明
图1：基于TDBR的LED结构示意图
图2：20.5对AlN/GaN-TDBR的优化结果
图3：多层薄膜结构反射率计算示意图
图4：20.5对AlN/GaN-TDBR各层薄膜厚度优化结果
五.具体实施方式
1.建立多层材料薄膜结构反射率的计算模型。对于给定参数的多层材料薄膜结构(如图3)，其对以某一特定方向入射的某一特定波长的入射光的反射系数由以下两式迭代计算得到。
δk-1＝4πnk-1hk-1cosθk-1/λ                   (2)
其中，rk和rk+1分别为第k层和第k+1层介面的反射系数，hk和
Figure A20061006757800051
分别为第k层介质的厚度和k层介面的等效(将第k层介面以下所有反射层等效为一层)折射系数，θk-1和δk-1分别为光波在k-1层介质中的相位变化和其传播方向与垂直方向的夹角，λ为光波的波长。使用式(1)(2)的递推公式即可计算出给定参数下的多层薄膜结构的总的反射系数
Figure A20061006757800052
则TDBR的反射率为
Figure A20061006757800053
的模平方：
1.TDBR的优化设计。
以发光光谱中心波长为400nm的GaN基蓝光LED的TDBR设计为例，选用AlN和GaN两种材料薄膜交替生长构成TDBR结构，AlN和GaN的折射率分别取2.12和2.56。以获取最大的全方位反射率为目标、各层AlN和GaN薄膜厚度为优化对象，设计20.5对AlN/GaN-TDBR。采用遗传算法，通过计算机编程计算得到最佳的各层薄膜厚度列于图4。图2为TDBR与传统的DBR的对比图。横坐标为入射到反射镜表面的光波与反射镜表面法线方向的夹角，单位为弧度；纵坐标为反射率。图2只显示了AlN和GaN材料薄膜介面全反角以内的反射率，对于大于全反角的各个方向上的反射率均为1，即100％反射。如图2所示，同样是20.5对AlN/GaN薄膜介质，在全反角以内，TDBR的平均反射率为70.8％，远大于传统DBR的45.3％。如果考虑全反角以外的部分，则TDBR的全方位反射率为81.9％，而传统的DBR仅为66％。
2.对衬底1进行必要处理，以利于材料薄膜的生长。
3.利用MOCVD或者MBE或者其它薄膜生长技术，在经过上一步处理的衬底上生长过渡层2，比如：各种缓冲层、***层、本征或掺杂化合物，以及前面三者的各种组合，等等。
4.在过渡层2上生长TDBR结构3。
5.在TDBR结构3上生长N型(或P型)导电层4。
6.在N型(或P型)导电层4上生长有源发光层5。
7.在有源发光层5上生长P型(或N型)导电层6。
8.完成电极制和整个LED芯片封装。

Claims (3)

1.一种半导体发光器件结构。其特征是：在衬底1和有源发光层5之间***调谐分布布拉格反射镜(TDBR)结构3。
2.由权利要求1所述的TDBR结构3。其特征是：由两种或多种折射率不同的薄膜材料交替生长而成，各层的厚度根据预期的反射效果，由某种优化算法计算得到。
3.由权利要求2中所述的TDBR结构的设计思想。其特征是：在设计由多种折射率不同的材料薄膜交替生长形成的多层膜结构时，首先确定预期达到的反射效果，如：获得对某个或某几个特定波长的光波最大的全方位反射率，或者对某个或某几个特定波长的光波在某个或某几个特定方位角范围内的最大反射率，或者对某个波长范围内的光波在某个或某几个特定方位角范围内的最大反射率，等等；然后，以预期的反射效果为目标，以材料生长次序和各层薄膜的厚度为优化对象，通过某种优化算法，确定达到预期反射效果的各层薄膜的最佳参数值。
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