CN103137817B - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光二极管，其包括：一第一半导体层、一活性层及一第二半导体层依次层叠设置于一基底一表面，所述第一半导体层与所述基底接触设置，所述基底远离第一半导体层的表面为所述发光二极管的出光面，一第一电极与所述第一半导体层电连接，一第二电极覆盖所述第二半导体层远离活性层的表面，其中，所述活性层至少一表面为多个三维纳米结构并排延伸形成的图案化的表面，所述发光二极管的出光面或所述基底与第一半导体层接触的表面为多个三维纳米结构并排延伸形成的图案化的表面，每个三维纳米结构沿其延伸方向上的横截面为M形。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及一种具有三维纳米结构阵列的发光二极管。
背景技术
由氮化镓半导体材料制成的高效蓝光、绿光和白光发光二极管具有寿命长、节能、绿色环保等显著特点，已被广泛应用于大屏幕彩色显示、汽车照明、交通信号、多媒体显示和光通讯等领域，特别是在照明领域具有广阔的发展潜力。
传统的发光二极管通常包括N型半导体层、P型半导体层、设置在N型半导体层与P型半导体层之间的活性层、设置在P型半导体层上的P型电极(通常为透明电极)以及设置在N型半导体层上的N型电极。发光二极管处于工作状态时，在P型半导体层与N型半导体层上分别施加正、负电压，这样，存在于P型半导体层中的空穴与存在于N型半导体层中的电子在活性层中发生复合而产生光子，且光子从发光二极管中射出。
然而，现有的发光二极管的发光效率不够高，部分原因是由于活性层与N型半导体层或P型半导体层之间的接触面积较小，从而导致空穴与电子的复合密度较小，使得产生的光子数量较少。另外由于来自活性层的大角度光在半导体与空气的界面处发生全反射，从而大部分大角度光被限制在发光二极管的内部，直至以热等方式耗散。这对发光二极管而言非常不利。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一发光效率较高的发光二极管。
一种发光二极管，其包括：一第一半导体层设置于一基底的一表面，所述第一半导体层具有相对的一第一表面和一第二表面，所述第一表面与所述基底相邻，所述基底的远离第一半导体层的表面为所述发光二极管的出光面；一活性层以及一第二半导体层依次层叠于所述第一半导体层的第二表面，且所述活性层与所述第一半导体层相邻；一第一电极与所述第一半导体层电连接；一第二电极覆盖所述第二半导体层远离活性层的整个表面；其中，所述第一半导体层的第二表面及所述基底远离第一半导体层的表面均为多个三维纳米结构以阵列形式排布形成的图案化的表面，其中每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度，所述活性层与所述第一半导体层接触的表面为与所述第一半导体层所述图案化的表面相啮合形成的图案化表面。
一种发光二极管，其包括：一基底，所述基底包括相对的两表面，一表面为一外延生长面，另一表面为所述发光二极管的出光面；一第一半导体层设置于所述基底的外延生长面，所述第一半导体层具有相对的一第一表面和一第二表面，所述第一表面与所述基底相邻；一活性层以及一第二半导体层依次层叠于所述第一半导体层的第二表面，且所述活性层与所述第一半导体层相邻；一第一电极与所述第一半导体层电连接；一第二电极覆盖所述第二半导体层远离活性层的表面；其中，所述第一半导体层的第二表面为多个三维纳米结构以阵列形式排布形成的图案化的表面，第二半导体层远离活性层的表面也为所述多个三维纳米结构形成的图案化的表面，其中每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度，所述活性层与所述第一半导体层接触的表面为与所述第一半导体层所述图案化的表面相啮合形成的图案化表面。
一种发光二极管，其包括：一第一半导体层、一活性层及一第二半导体层依次层叠设置于一基底一表面，所述第一半导体层与所述基底接触设置，所述基底远离第一半导体层的表面为所述发光二极管的出光面，一第一电极与所述第一半导体层电连接，一第二电极覆盖所述第二半导体层远离活性层的表面，其中，所述活性层至少一表面为多个三维纳米结构并排延伸形成的图案化的表面，所述发光二极管的出光面或所述第二半导体层远离活性层的表面为多个三维纳米结构并排延伸形成的图案化的表面，每个三维纳米结构沿其延伸方向上的横截面为M形。
与现有技术相比较，本发明的发光二极管中，所述第一半导体层与所述活性层表面接触的表面具有多个M形三维纳米结构，形成一三维纳米结构阵列，从而形成一图案化的表面，因此增大了所述活性层与第一半导体层之间的接触面积，增大了空穴与电子的复合几率，提高了复合密度，进而提高了所述发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图2为图1所示的发光二极管中三维纳米结构阵列的结构示意图。
图3为图2所示的三维纳米结构阵列的扫描电镜照片。
图4为图2所示的三维纳米结构阵列沿IV-IV线的剖视图。
图5为图1所示的发光二极管中第二半导体层的结构示意图。
图6为本发明第二实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图7为图6中所示发光二极管中活性层的结构示意图。
图8为本发明第三实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图9为本发明第四实施例提供的发光二极管的结构示意图。
主要元件符号说明
发光二极管 10，20，30，40
基底 100
第一半导体层 110
本体部分 100a
凸起部分 100b
第一电极 112
三维纳米结构 103，123，133，143
第一凸棱 1132，1232，1432
第二凸棱 1134，1234，1434
第一凹槽 1136，1236，1436
第二凹槽 1138，1238，1438
第一棱面 1432a，1434a
第二棱面 1432b，1434b
活性层 120
第二半导体层 130
第二电极 132
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了对本发明作更进一步的说明，举以下具体实施例并配合附图进行详细描述。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种发光二极管10，其包括：一基底100、一第一半导体层110、一活性层120、一第二半导体层130，所述第一半导体层110、活性层120以及第二半导体层130依次层叠设置于基底100表面，所述第一半导体层110与所述基底100接触设置。基底100远离第一半导体层110的表面为所述发光二极管10的出光面。所述第一电极112与所述第一半导体层110电连接，所述第二电极132与所述第二半导体层130电连接。所述第一半导体层110与活性层120接触的表面具有一纳米图形，所述发光二极管10的出光面为一图案化的表面。
所述基底100具有支撑的作用，所述基底100具有一支持外延生长的外延生长面，以及与所述外延生长面相对的表面，即所述发光二极管10的出光面。所述基底100的厚度为300至500微米，所述基底100的材料可以为SOI(silicononinsulator，绝缘基底上的硅)、LiGaO2、LiAlO2、Al2O3、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP:Zn或GaP:N等。所述基底100的材料可根据所述需要生长的半导体层的材料进行选择，所述基底100的材料与所述半导体层的材料具有较小的晶格失配及相近的热膨胀系数，从而可以减少生长的半导体层中的晶格缺陷，提高其质量。本实施例中，所述基底100的厚度为400微米，其材料为蓝宝石。
请一并参阅图2，所述基底100远离第一半导体层110的表面具有一纳米图形，为一图案化的表面，所述纳米图形分布于所述发光二极管10的出光面。为了便于描述，将该基底100区分为一本体部分100a及一由该本体部分100a向远离该本体部分100a方向延伸的一凸起部分100b，所述本体部分100a与该凸起部分100b通过一“界面”整体分开，所述界面形成所述本体部分100a的表面。可以理解，所述“界面”是为方便描述而假设的平面，该平面可平行于所述基底100的外延生长面。所述凸起部分100b可以看作从所述本体部分100a表面凸起的结构，所述凸起部分100b包括多个三维纳米结构143。所述多个三维纳米结构143以阵列形式设置，所述阵列形式设置指所述多个三维纳米结构143可以按照等间距排布、同心圆环排布等方式排列，形成所述基底100图案化的表面。所述相邻的两个三维纳米结构143之间的距离相等，为10纳米~1000纳米，优选为10纳米~30纳米。本实施例中，所述多个三维纳米结构143以等间距排列，且相邻两个三维纳米结构143之间的距离约为10纳米。
所述三维纳米结构143为一凸起结构，所述凸起结构为从所述基底100的本体部分100a向远离所述本体部分100a的方向突出的凸起实体。所述三维纳米结构143与所述基底100的本体部分100a为一体成型结构，即所述三维纳米结构143与所述基底100的本体部分100a之间无间隔的形成一体结构。所述多个三维纳米结构143的延伸方向相同，且在所述三维纳米结构143的延伸的方向上，所述三维纳米结构143的横截面为一M形。换个角度说，所述多个三维纳米结构143为形成于本体部分100a上的多个条形凸起结构，该多个条形凸起结构向同一方向延伸，在沿所述延伸方向的横截面为M形。
所述多个三维纳米结构143可在基底100的本体部分100a上以直线、折线或曲线的形式并排延伸。所述“并排”是指所述相邻的两个三维纳米结构143在延伸方向的任一相对位置具有相同的间距，该间距范围为0纳米~200纳米。所述多个三维纳米结构143的延伸方向可以是固定的，也可以是变化的。当所述延伸方向固定时，所述多个三维纳米结构143以直线的形式并排延伸，在该延伸方向上，所述多个三维纳米结构143的横截面均为形状、面积一致的M形；当所述延伸方向变化时，所述多个三维纳米结构143可以折线或曲线的形式并排延伸，在所述延伸方向上的任意一点位置处，所述多个三维纳米结构143在该点的横截面均为形状、面积一致的M形。请一并参阅图3，在本实施例中，所述三维纳米结构143为一条形凸起结构，所述多个三维纳米结构143在基底100的本体部分100a上以阵列形式分布，形成所述基底100的第二表面，该第二表面具有一纳米图形，为一图案化的表面。所述多个条形凸起结构基本沿同一方向延伸且彼此平行设置于所述本体部分100a。定义该多个条形凸起结构的延伸方向为X方向，垂直于所述凸起结构的延伸方向为Y方向。则在X方向上，所述条形凸起结构的两端分别延伸至所述基底100的本体部分100a相对的两边缘，具体的，所述多个条形凸起可在基底100的本体部分100a以直线、折线或曲线的形式沿X方向延伸；在Y方向上，所述三维纳米结构143为一双峰凸棱结构，所述多个条形凸起并排排列，且所述条形凸起的横截面的形状为M形，即所述三维纳米结构143为一M形三维纳米结构。
请一并参阅图4，所述M形三维纳米结构143包括一第一凸棱1432及一第二凸棱1434，所述第一凸棱1432与第二凸棱1434的延伸方向相同且均沿X方向并排延伸。所述第一凸棱1432具有相交的两棱面，即一第一棱面1432a及一第二棱面1432b，所述第一棱面1432a与第二棱面1432b相交形成所述第一凸棱1432的棱角。所述第一棱面1432a及第二棱面1432b可分别为平面，曲面或折面。本实施例中，所述第一棱面1432a及第二棱面1432b分别为平面。所述第一棱面1432a与所述基底100的本体部分100a表面形成一定角度α，所述α大于0度小于等于90度。所述第一棱面1432a具有相对的两端，一端与所述基底100的本体部分100a表面相交接；另一端以α角向远离该本体部分100a的方向延伸，并与所述第二棱面1432b相交。所述第二棱面1432b与所述基底100的本体部分100a表面所形成的角度β大于0度小于等于90度，可与α相同或不同。所述第二棱面1432b具有相对的两端，一端与所述第二凸棱1434相交，另一端向远离本体部分100a的方向延伸并与所述第一棱面1432a相交，形成所述第一凸棱1432的棱角θ。所述棱角θ大于零度小于180度，优选的，所述棱角θ大于等于30度小于等于60度。
同样，所述第二凸棱1434的结构与第一凸棱1432基本相同，包括一第一棱面1434a与第二棱面1434b，所述第一棱面1434a与第二棱面1434b分别向远离本体部分100a的方向延伸，并相交形成所述第二凸棱1434的棱角。所述第二凸棱1434的所述第一棱面1434a一端与所述本体部分100a的表面相交接，另一端以角度α向远离本体部分100a的方向延伸。所述第二棱面1434b具有相对的两端，一端与所述第一凸棱1432中第二棱面1432b的一端在靠近本体部分100a的表面相交，从而形成三维纳米结构143的第一凹槽1436，另一端与所述第一棱面1434a相交于第二凸棱1434的棱角。所述多个三维纳米结构143在本体部分100a的表面并排排列，相邻的三维纳米结构143之间形成一第二凹槽1438，故一个三维纳米结构143中的第二凸棱1434的第二棱面1434b和与其相邻的另一个三维纳米结构143的第一凸棱1432的第一棱面1432a在所述本体部分100a的表面相交接形成所述第二凹槽1438。
所述第一凸棱1432与第二凸棱1434从基底100的本体部分100a向远离本体部分100a表面延伸突出的高度不限，所述高度是指从所述本体部分100a表面至所述第一凸棱1432或所述第二凸棱1434的最高点之间的距离，所述第一凸棱1432与第二凸棱1434的高度可以相等或不相等，所述第一凸棱1432与第二凸棱1434的高度可为150纳米~200纳米。所述第一凸棱1432或所述第二凸棱1434的最高点的集合体可为直线形或非直线形线，如折线或曲线等，也即所述第一凸棱1432中所述第一棱面1432a与第二棱面1432b相交形成的线可为直线、折线或曲线等，同样所述第二凸棱1434的所述第一棱面1434a与第二棱面1434b相交形成的线也可为直线、折线或曲线等。同一个三维纳米结构143中，第一凸棱1432的最高点与所述第二凸棱1434最高点之间的距离可为20纳米~100纳米。本实施例中，所述第一凸棱1432与第二凸棱1434的高度相同，均为180纳米，且最高点的集合形成一直线。所述第一凸棱1432及第二凸棱1434沿X方向延伸，在Y方向上，所述第一凸棱1432及第二凸棱1434横截面的形状可为梯形或锥形。本实施例中，所述第一凸棱1432及第二凸棱1434的横截面为锥形。所述第一凸棱1432及第二凸棱1434的横截面组合呈M形，即所述三维纳米结构143的横截面为M形。所述第一凸棱1432与第二凸棱1434形成一双峰凸棱结构。所述第一凸棱1432、第二凸棱1434及基底100为一一体成型结构，即所述第一凸棱1432与所述第二凸棱1434之间无间隙或间隔，且与所述本体部分100a无间隙的结合。可以理解，由于工艺的限制及其他因素的影响，所述第一凸棱1432的第一棱面1432a与第二棱面1432b并非绝对的平面，可存在一定的误差，因此第一棱面1432a与第二棱面1432b相交形成的棱角θ也并非一绝对的尖角，可能为一弧形角等其他形式，但所述棱角的具体形状并不影响所述第一凸棱1432的整体结构，属于本发明的保护范围。同理，所述第二凸棱1434的棱角亦是如此。
同一个M形三维纳米结构143中，所述第一凸棱1432与第二凸棱1434之间，形成所述第一凹槽1436，所述第一凸棱1432中第二棱面1432b与所述第二凸棱1434中的第二棱面1434b作为第一凹槽1436的两个侧面，两个侧面相交处形成所述第一凹槽1436的底部。所述第一凹槽1436的延伸方向与所述第一凸棱1432或第二凸棱1434的延伸方向相同。所述第一凹槽1436横截面形状为V形，且所述多个第一凹槽1436深度h1均相等。所述第一凹槽1436的深度h1是指所述第一凸棱1432或第二凸棱1434的最高点到本体部分100a的表面的距离。在本体部分100a表面，所述多个三维纳米结构143彼此平行且等间距排列，相邻的M形三维纳米结构143之间形成的所述第二凹槽1438，所述第二凹槽1438的延伸方向与所述三维纳米结构143的延伸方向相同。所述第二凹槽1438的横截面为V形或倒梯形，在X方向上，所述横截面的形状及大小均基本相同。可以理解，由于工艺的限制或其他外界因素的影响，所述第一凹槽1436及第二凹槽1438横截面的形状、大小、深度并非绝对的相同，可存在一定的误差，但该误差并不影响所述横截面的整体形状及总体趋势。所述第二凹槽1438的深度h2均相等，所述第二凹槽1438的深度h2是指所述第一凸棱1432或第二凸棱1434的最高点与所述本体部分100a之间的距离。所述第二凹槽1438的深度h2与第一凹槽1436的深度h1不同，可根据实际需要进行选择。所述第二凹槽1438的深度h2大于所述第一凹槽1436的深度h1，进一步的，所述第一凹槽1436的深度h1与第二凹槽1438的深度h2的比值满足：1:1.2≤h1:h2≤1:3。所述第一凹槽1436的深度h1可为30纳米~120纳米，所述第二凹槽1438的深度h2可为100纳米~200纳米。本实施例中，所述第一凹槽1436的深度h1为80纳米，所述第二凹槽1438的深度h2为180纳米。
所述M形三维纳米结构143的宽度λ可为100纳米~300纳米。所述三维纳米结构143的“宽度”是指所述M形三维纳米结构143在Y方向上延伸的最大长度。本实施例中，所述三维纳米结构143宽度是指在Y方向上，所述每一三维纳米结构143在所述本体部分100a表面扩展的长度。并且在远离该本体部分100a表面的方向上，该长度逐渐减小，也即每一三维纳米结构中，第一凸棱1432与第二凸棱1434的最高点之间的距离，小于该三维纳米结构的宽度。所述多个三维纳米结构143可间隔分布，任意两个相邻的三维纳米结构143之间具有相同的间距。所述间隔即形成所述第二凹槽1438。定义相邻两第二凹槽1438之间的距离为相邻的两个第二凹槽1438向基底100内部延伸的最深点之间的距离，则所述相邻两第二凹槽1438之间的距离等于所述三维纳米结构143的宽度。相邻两个三维纳米结构143之间的间距λ0可相等或不等。所述间距λ0随所述第一凸棱1432或第二凸棱1434高度的增加而增加，随其高度的减小而减小。在Y方向上，所述间距λ0也可逐渐变化，如逐渐变大或逐渐变小或周期性变化。相邻两三维纳米结构143之间的间距λ0可为0纳米~200纳米。当所述λ0为0时，所述第二凹槽1438横截面的形状为V形；当λ0大于0时，所述第二凹槽1438横截面的形状为倒梯形。在Y方向上，所述多个三维纳米结构143彼此平行设置于所述本体部分100a的表面，并且呈周期性分布。所述三维纳米结构143的周期P可为100纳米~500纳米。进一步的，所述周期P、三维纳米结构143的宽度λ以及相邻两三维纳米结构143之间的的间距λ0满足如下关系：
P＝λ＋λ0。
所述周期P、三维纳米结构143的宽度λ以及相邻两三维纳米结构143之间的的间距λ0的单位均为纳米。所述周期P可为一固定值，此时当所述λ0增加时，则λ相应减小；当λ0减小时，所述λ相应增加。进一步的，所述多个三维纳米结构143可以多个周期形成于所述本体部分100a表面，即部分三维纳米结构143以周期P排列，另一部分以周期P′（P′≠P）分布。所述三维纳米结构143以多周期分布时，可进一步扩展其应用前景。在本实施例中，所述P约为200纳米，所述λ约为190纳米，所述λ0约为10纳米。
所述第一半导体层110设置于所述基底100的外延生长面。所述第一半导体层110、第二半导体层130分别为N型半导体层和P型半导体层两种类型中的一种。具体地，当该第一半导体层110为N型半导体层时，第二半导体层130为P型半导体层；当该第一半导体层110为P型半导体层时，第二半导体层130为N型半导体层。所述N型半导体层起到提供电子的作用，所述P型半导体层起到提供空穴的作用。N型半导体层的材料包括N型氮化镓、N型砷化镓及N型磷化铜等材料中的一种或几种。P型半导体层的材料包括P型氮化镓、P型砷化镓及P型磷化铜等材料中的一种或几种。所述第一半导体层110的厚度为1微米至5微米。本实施例中，第一半导体层110的材料为N型氮化镓。
可选择地，一缓冲层（图未示）可以设置于基底100和第一半导体层110之间，并与基底100和第一半导体层110分别接触，此时第一半导体层110靠近基底100的表面与缓冲层接触。所述缓冲层有利于提高所述第一半导体层110的外延生长质量，减少晶格缺陷。所述缓冲层的厚度为10纳米至300纳米，其材料可以为氮化镓或氮化铝等。
本实施例中，所述第一半导体层110具有相对的第一表面（未标示）及第二表面（未标示），所述第一表面与所述基底100相邻，所述第二表面为第一半导体层110中远离基底100的表面。所述第二表面由其功能可区分为一第一区域（未标示）及第二区域（未标示），其中所述第一区域设置所述活性层120及所述第二半导体层130，所述第二区域设置所述第一电极112。
请一并参阅图5，所述第一半导体层110的第二表面具有一纳米图形，为一图案化的表面，所述纳米图形分布于所述第一半导体层110的第一区域。具体的，所述第一半导体层110的第二表面形成有多个三维纳米结构113，所述三维纳米结构113为一凸起的实体结构，从而形成所述图案化的表面。所述三维纳米结构113与所述基底100表面的三维纳米结构143相同。所述多个三维纳米结构113以阵列形式设置，所述阵列形式设置指所述多个三维纳米结构113可以按照等间距排布、同心圆环排布等方式排列，形成所述第一半导体层110图案化的表面。所述相邻的两个三维纳米结构113之间的距离相等，为10纳米~1000纳米，优选为10纳米~30纳米。本实施例中，所述多个三维纳米结构143以等间距排列，且相邻两个三维纳米结构113之间的距离约为10纳米。
所述多个三维纳米结构113的延伸方向相同，且在所述三维纳米结构113的延伸的方向上，所述三维纳米结构113的横截面为一M形。所述三维纳米结构113的延伸方向与所述三维纳米结构143的延伸结构可相同或者不同，本实施例中，所述三维纳米结构113的延伸方向垂直于所述三维纳米结构143的延伸方向，即沿Y方向延伸。所述多个三维纳米结构113可以直线、折线或曲线的形式并排延伸。在本实施例中，所述三维纳米结构113为一条形凸起结构，所述多个三维纳米结构113以阵列形式分布，形成所述第一半导体层110的第二表面，该第二表面具有一纳米图形，为一图案化的表面。所述M形三维纳米结构113包括一第一凸棱1132及一第二凸棱1134，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134的延伸方向相同且均沿Y方向并排延伸。所述第一凸棱1132与第二凸棱1134之间形成有一第一凹槽1136。所述多个三维纳米结构113并排排列，相邻的三维纳米结构113之间形成一第二凹槽1138。
所述第一凸棱1132与第二凸棱1134的高度不限，所述第一凸棱1132及第二凸棱1134的横截面组合呈M形，即所述三维纳米结构113的横截面为M形。所述第一凸棱1132与第二凸棱1134形成一双峰凸棱结构。所述第一凸棱1132、第二凸棱1134及第一半导体层110为一一体成型结构。同一个M形三维纳米结构113中，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134之间，形成所述第一凹槽1136，所述第一凹槽1136的延伸方向与所述第一凸棱1132或第二凸棱1134的延伸方向相同。相邻的M形三维纳米结构113之间形成的所述第二凹槽1138，所述第二凹槽1138的延伸方向与所述三维纳米结构113的延伸方向相同。所述第二凹槽1138的横截面为V形或倒梯形。
所述活性层120设置于所述第一半导体层110第二表面的第一区域。优选地，所述活性层120和第一半导体层110的接触面积与第一区域的面积相等。即所述活性层完全覆盖所述第一半导体层110的第一区域。具体的，所述活性层120覆盖所述多个三维纳米结构113的表面，并且所述活性层120与所述第一半导体层110接触的表面形成一图案化的表面。由于所述第一半导体层110的第二表面为多个三维纳米结构113形成的图案化的表面，因此所述活性层120的表面亦具有一与所述纳米图形相啮合的图形。具体的，所述活性层120与第一半导体层110接触的表面亦具有多个M形的三维纳米结构（图未标示），所述三维纳米结构为向活性层120内部延伸形成的凹进空间，并且该凹进空间与第一半导体层110中所述凸起实体的三维纳米结构113相啮合，进而形成一M形的凹进空间。所述“啮合”是指，所述活性层120表面形成的三维纳米结构同样形成多个凹槽及凸棱，并且，所述凹槽与所述三维纳米结构113中的第一凸棱1132及第二凸棱1134相配合；所述凸棱与所述三维纳米结构113中的第一凹槽1136及第二凹槽1138相配合，从而所述活性层120与所述第一半导体层110具有三维纳米结构113的表面无间隙的复合。所述活性层120为包含一层或多层量子阱层的量子阱结构(QuantumWell)。所述活性层120用于提供光子。所述活性层120的材料为氮化镓、氮化铟镓、氮化铟镓铝、砷化稼、砷化铝稼、磷化铟镓、磷化铟砷或砷化铟镓中的一种或几种，其厚度为0.01微米至0.6微米。本实施例中，所述活性层120为两层结构，包括一氮化铟镓层及一氮化镓层，其厚度为0.03微米。
所述第二半导体层130设置于所述活性层120远离基底100的表面，具体的，所述第二半导体层130覆盖所述活性层120远离基底100的整个表面。所述第二半导体层130的厚度为0.1微米~3微米。所述第二半导体层130可为N型半导体层或P型半导体层两种类型，并且所述第二半导体层130与第一半导体层110分属两种不同类型的半导体层。本实施例中，所述第二半导体层130为镁(Mg)掺杂的P型氮化镓，其厚度为0.3微米。
所述第一电极112与所述第一半导体层110电连接。本实施例中，所述第一电极112设置于所述第一半导体层110的第二区域，并覆盖该第二区域的部分表面。所述第一电极112与所述活性层120间隔设置。所述第一电极112可以为N型电极或P型电极，其与第一半导体层110的类型相同。所述第一电极112至少为一层的整体结构，其材料为钛、银、铝、镍、金或其任意组合。本实施例中，所述第一电极112为两层结构，一层为厚度15纳米的钛，另一层为厚度200纳米的金。
所述第二电极132类型可以为N型电极或P型电极，其与第二半导体层130的类型相同。所述第二电极132覆盖所述第二半导体层130远离活性层120的整个表面，从而可分散所述发光二极管10中的传导电流，并将活性层120中入射到该表面的光子反射而使之从出光面出射。所述第二电极132的形状不限，可根据实际需要进行选择。所述第二电极132至少为一层结构，其材料为钛、银、铝、镍、金或其任意组合，也可为ITO或碳纳米管膜。本实施例中，所述第二电极132为P型电极。所述第二电极132为两层结构，一层为厚度为15纳米的钛，另一层为厚度为100纳米的金，形成一钛/金电极。
进一步的，可在所述第二半导体层130与所述第二电极132之间设置一反射层（图未示），所述反射层覆盖所述第二半导体层130远离活性层120的表面。所述反射层的材料可为钛、银、铝、镍、金或其任意组合。当活性层中产生的光子到达该反射层后，所述反射层可将光子反射，从而使之从所述发光二极管10的出光面射出，进而可进一步提高所述发光二极管10的出光效率。
本发明提供的发光二极管10可通过以下方法制备：
步骤S11，提供一基底100，所述基底100具有一外延生长面及与该外延生长面相对的表面，所述与外延生长面相对的表面为所述发光二极管10的出光面；
步骤S12，在所述基底100的与外延生长面相对的表面，形成多个三维纳米结构143，从而形成一图案化的出光面；
步骤S13，在所述外延生长面生长一第一半导体层110；
步骤S14，在所述第一半导体层110的表面形成多个三维纳米结构113；
步骤S15，在所述三维纳米结构113的表面生长一活性层120及一第二半导体层130；
步骤S16，设置一第一电极112，使其与所述第一半导体层110电连接；
步骤S17，设置一第二电极132，所述第二电极132覆盖所述第二半导体层130远离活性层的表面。
本发明第一实施例提供的发光二极管10，由于所述第一半导体层110的表面具有多个三维纳米结构113，且所述活性层120设置于该多个三维纳米结构113的表面，从而增加了所述活性层120与所述第一半导体层110的接触面积，进而提高了所述空穴与电子的复合几率，增加了光子的产生数量，从而提高了所述发光二极管10的发光效率。同时，由于所述发光二极管10的出光面形成有多个三维纳米结构，从而形成一图案化的表面，进而当活性层120中产生的光子遇到三维纳米结构阵列，会经三维纳米结构阵列折射而改变出射光的出射方向。一方面，大角度光变成小角度光可以提高发光二极管的出光效率，另一方面，大角度光变成小角度光可以减小光线在发光二极管内部的传播路径，从而减小光线在传播过程中的损耗。
请参阅图6，本发明第二实施例提供一种发光二极管20，其包括：一基底100、一第一半导体层110、一活性层120、一第二半导体层130，所述第一半导体层110、活性层120以及第二半导体层130依次层叠设置于基底100表面，所述第一半导体层110与所述基底100接触设置。基底100远离第一半导体层110的表面为所述发光二极管10的出光面，所述第一电极112与所述第一半导体层110电连接。所述第二电极132与所述第二半导体层130电连接。所述第一半导体层110与活性层120接触的表面具有一纳米图形，所述发光二极管20的出光面为一图案化的表面，且所述活性层120远离第一半导体层110的表面具有多个M形三维纳米结构123。
本发明第二实施例提供的发光二极管20与第一实施例中所述发光二极管10的结构基本相同，其不同在于所述发光二极管20中，所述活性层120远离第一半导体层110的表面亦具有多个M形三维纳米结构123，所述三维纳米结构123为多个并排延伸的条形凸起结构。请一并参阅图7，所述M形三维纳米结构123与所述第一半导体层110表面的三维纳米结构113的结构基本相同具体的，所述三维纳米结构123包括一第一凸棱1232及第二凸棱1234，所述第一凸棱1232与第二凸棱1234之间形成一第一凹槽1236，相邻的三维纳米结构123之间形成一第二凹槽1238，并且所述三维纳米结构123与所述第一半导体层110表面的三维纳米结构113对应设置。所述“对应设置”是指所述活性层120表面的三维纳米结构123的起伏趋势与所述第一半导体层110表面的三维纳米结构113的起伏趋势对应相同，具体的，在所述活性层120的剖面中，所述第一凸棱1232与第一凸棱1132共轴设置，所述第二凸棱1234与所述第二凸棱1134共轴设置；所述第一凹槽1236与所述第二凹槽1138共轴设置，所述第二凹槽1238与所述第二凹槽1138共轴设置。
所述第二半导体层130设置于所述三维纳米结构123的表面，由于所述三维纳米结构123具有多个凹槽及凸棱，所述第二半导体层130的表面亦形成多个三维纳米结构，具体的，所述三维纳米结构亦同时具有多个凹槽及凸棱，且所述第二半导体层130表面的凹槽与所述活性层120中的凸棱对应设置，所述第二半导体层130中的凸棱与所述活性层120中的凹槽对应设置。
本发明第二实施例提供的发光二极管20，由于所述活性层与所述第一半导体层和第二半导体层接触的表面同时形成多个三维纳米结构，即进一步增加了所述活性层与二者之间的接触面积，进而进一步提高了所述空穴与电子的复合几率，从而大大提高了所述发光二极管20的发光效率。
本发明第二实施例提供的发光二极管20可通过以下方法制备：
步骤S21，提供一基底100，所述基底100具有一外延生长面及与该外延生长面相对的表面，所述与外延生长面相对的表面为所述发光二极管20的出光面;
步骤S22，在所述发光二极管20的出光面形成多个三维纳米结构143，形成一图案化的表面；
步骤S23，在所述外延生长面生长一第一半导体层110；
步骤S24，在所述第一半导体层110的表面形成多个三维纳米结构143；
步骤S25，在所述三维纳米结构143的表面生长一活性层120，所述活性层120远离第一半导体层的表面形成有多个三维纳米结构123；
步骤S26，在所述三维纳米结构123的表面生长一第二半导体层130；
步骤S27，设置一第一电极112，使其与所述第一半导体层110电连接；
步骤S28，设置一第二电极132，覆盖所述第二半导体层130远离活性层120的表面。
请参阅图8，本发明第三实施例提供一种发光二极管30，其包括：一基底100、一第一半导体层110、一活性层120、一第二半导体层130，所述第一半导体层110、活性层120以及第二半导体层130依次层叠设置于基底100一表面，所述第一半导体层110与所述基底100接触设置。所述基底100远离第一半导体层110的表面为所述发光二极管30的出光面。所述第一电极112与所述第一半导体层110电连接。所述第二电极132与所述第二半导体层130电连接。所述第一半导体层110与活性层120接触的表面具有一纳米图形。所述第二半导体层130远离活性层120的表面进一步形成有多个三维纳米结构133。
本发明第三实施例提供的发光二极管30与第一实施例中所述发光二极管10的结构基本相同，其不同在于，所述发光二极管30中所述第二半导体层130远离活性层120的表面具有多个三维纳米结构133，且所述发光二极管30的出光面为一平面。所述三维纳米结构133与所述第一实施例中三维纳米结构143的结构基本相同。所述多个三维纳米结构133为一条形凸起结构，且所述多个三维纳米结构133并排延伸，在沿所述三维纳米结构133的延伸方向上，所述三维纳米结构133的横截面为M形，而形成一图案化的第一表面。所述第二电极132设置于该三维纳米结构133表面，并与所述第二半导体层130电连接。进一步的，所述发光二极管30的出光面也可形成有多个三维纳米结构（图未示），从而形成一图案化的出光面，进而进一步提高所述发光二极管30的出光效率。
本发明第三实施例提供的发光二极管30可通过以下方法制备：
步骤S31，提供一基底100，所述基底100的一表面为所述发光二极管30的出光面；
步骤S32，在所述基底100与所述出光面相对的表面生长第一半导体层110；
步骤S33，在所述第一半导体层110远离基底100的表面形成多个三维纳米结构113；
步骤S34，在所述三维纳米结构113表面生长所述活性层120及第二半导体层130；
步骤S35，在所述第二半导体层130远离活性层的表面形成多个三维纳米结构133；
步骤S36，设置一第一电极112与所述第一半导体层110电连接；
步骤S37，设置一第二电极132覆盖所述第二半导体层130远离活性层120的表面。
本发明第三实施例提供的发光二极管30，由于所述第一半导体层110的表面具有多个三维纳米结构113，且所述活性层120设置于该多个三维纳米结构113的表面，从而增加了所述活性层120与所述第一半导体层110的接触面积，进而提高了所述空穴与电子的复合几率，增加了光子的产生数量，从而提高了所述发光二极管10的发光效率。同时，由于所述第二半导体层130远离活性层120的表面具有多个三维纳米结构133，所述第二电极132覆盖所述三维纳米结构133，当活性层120中产生的光子以大角度入射到三维纳米结构133时，会经三维纳米结构反射而改变出射光的出射方向。一方面，大角度光变成小角度光可以提高发光二极管的出光效率，另一方面，大角度光变成小角度光可以减小光线在发光二极管内部的传播路径，从而减小光线在传播过程中的损耗。
请参阅图9，本发明第四实施例提供一种发光二极管40，其包括：一基底100、一第一半导体层110、一活性层120、一第二半导体层130，所述第一半导体层110、活性层120以及第二半导体层130依次层叠设置于基底100远离出光面的表面，所述第一半导体层110与所述基底100接触设置。所述基底100远离第一半导体层110的表面为所述发光二极管40的出光面。所述第一电极112与所述第一半导体层110电连接。所述第二电极132与所述第二半导体层130电连接。所述第一半导体层110与活性层120接触的表面具有一纳米图形。所述活性层120远离第一半导体层110的表面具有多个M形三维纳米结构123。所述第二半导体层130远离活性层120的表面具有多个M形三维纳米结构133。
本发明第四实施例提供的发光二极管40与第三实施例中所述发光二极管30的结构基本相同，其不同在于所述发光二极管40中，所述活性层120远离第一半导体层110的表面亦具有多个M形三维纳米结构123。所述M形三维纳米结构123与所述三维纳米结构113的结构基本相同，并且所述三维纳米结构123与所述三维纳米结构113可对应设置。进一步的，所述发光二极管40的出光面也可形成有多个三维纳米结构（图未示），从而形成一图案化的表面。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (19)

1.一种发光二极管，其包括：
一第一半导体层设置于一基底的一表面，所述第一半导体层具有相对的一第一表面和一第二表面，所述第一表面与所述基底相邻，所述基底的远离第一半导体层的表面为所述发光二极管的出光面；
一活性层以及一第二半导体层依次层叠于所述第一半导体层的第二表面，且所述活性层与所述第一半导体层相邻；
一第一电极与所述第一半导体层电连接；
一第二电极覆盖所述第二半导体层远离活性层的整个表面；
其特征在于，所述第一半导体层的第二表面及所述基底远离第一半导体层的表面均为多个三维纳米结构以阵列形式排布形成的图案化的表面，其中每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度，所述活性层与所述第一半导体层接触的表面为与所述第一半导体层所述图案化的表面相啮合形成的图案化表面。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述三维纳米结构为条形凸起结构，所述三维纳米结构以直线、折线或曲线并排延伸。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层表面的三维纳米结构的延伸方向垂直于所述基底表面三维纳米结构的延伸方向。
4.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述三维纳米结构在其延伸方向的横截面的形状为M形。
5.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述第一凸棱及第二凸棱的横截面分别为锥形，所述第一凸棱与第二凸棱形成一双峰凸棱结构。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一凹槽的深度为30纳米～120纳米，所述第二凹槽的深度为100纳米～200纳米。
7.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述多个三维纳米结构按照等间距排布、同心圆环排布或同心回形排布。
8.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述多个三维纳米结构在按同一周期或多个周期排布，所述周期范围为100纳米～500纳米。
9.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，相邻三维纳米结构之间的间距为0纳米～200纳米。
10.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述三维纳米结构的宽度为100纳米～300纳米。
11.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，进一步包括一反射层设置于所述第二半导体层远离活性层的表面。
12.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述活性层与第一半导体层接触的表面具有多个三维纳米结构，所述多个三维纳米结构为向活性层内部延伸形成的凹进空间。
13.如权利要求12所述的发光二极管，其特征在于，所述活性层与第一半导体层接触的表面形成多个凹槽及凸棱，所述凹槽与第一半导体层所述三维纳米结构中的第一凸棱及第二凸棱相配合，所述凸棱与第一半导体层中的第一凹槽及第二凹槽相配合。
14.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述活性层远离第一半导体层的表面进一步形成有多个三维纳米结构，所述三维纳米结构为条形凸起结构。
15.如权利要求14所述的发光二极管，其特征在于，活性层远离第一半导体层表面的三维纳米结构与第一半导体层第二表面的三维纳米结构相一致且对应设置。
16.一种发光二极管，其包括：
一基底，所述基底包括相对的两表面，一表面为一外延生长面，另一表面为所述发光二极管的出光面；
一第一半导体层设置于所述基底的外延生长面，所述第一半导体层具有相对的一第一表面和一第二表面，所述第一表面与所述基底相邻；
一活性层以及一第二半导体层依次层叠于所述第一半导体层的第二表面，且所述活性层与所述第一半导体层相邻；
一第一电极与所述第一半导体层电连接；
一第二电极覆盖所述第二半导体层远离活性层的表面；
其特征在于，所述第一半导体层的第二表面为多个三维纳米结构以阵列形式排布形成的图案化的表面，第二半导体层远离活性层的表面也为所述多个三维纳米结构形成的图案化的表面，其中每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度，所述活性层与所述第一半导体层接触的表面为与所述第一半导体层所述图案化的表面相啮合形成的图案化表面。
17.如权利要求16所述的发光二极管，其特征在于，所述活性层远离第一半导体层的表面进一步包括多个所述三维纳米结构。
18.如权利要求16所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管的出光面进一步包括多个三维纳米结构形成一图案化的表面。
19.一种发光二极管，其包括：一第一半导体层、一活性层及一第二半导体层依次层叠设置于一基底一表面，所述第一半导体层与所述基底接触设置，所述基底远离第一半导体层的表面为所述发光二极管的出光面，一第一电极与所述第一半导体层电连接，一第二电极覆盖所述第二半导体层远离活性层的表面，其特征在于，所述活性层至少一表面为多个三维纳米结构以阵列形式排布且并排延伸形成的图案化的表面，所述发光二极管的出光面或所述第二半导体层远离活性层的表面为多个三维纳米结构并排延伸形成的图案化的表面，每个三维纳米结构沿其延伸方向上的横截面为M形，并且每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度。
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