[发明专利]一种含金属光子晶体的高效发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及一种含金属光子晶体的发光二极管，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。但由于LED有源层的半导体材料与空气相比为高折射率，光在LED介质与空气的界面将发生全反射，在多平行界面的LED结构中光的出射严重受制于全反射现象，导致光抽取效率低下，传统结构的GaN基LED光抽取效率仅为4％，绝大部分光能都被损耗掉，发光效率较低，造成能源的极大浪费。目前已有一些技术用于提高LED光提取效率，比如表面粗化技术、倒装技术等等，但效果并不十分理想，效率仅能提高20％左右。目前国内厂家采用上述新技术最高可以提供单颗100lm/w的LED，而要想取代白炽灯和荧光灯进入通用照明市场，其光效至少需要达到150lm/w，现有技术尚有较大差距。

光子晶体技术是操纵光子传播的一种新技术，是带隙导光机理而非折射率导光机制，设计使用灵活方便。同时金属结构的光子晶体又具有SPP效应，可以实现入射光强度的提高。SPP是指由外部电磁场(如光波)诱导金属微纳结构表面自由电子的集体振荡，它具有两大突出特点，一是巨大的局部场共振增强效应(Surface Plasmon Resonance，SPR)，增强可达千倍；二是超强的能量积聚效应，可将电磁场能量聚集在纳米量级范围，突破传统衍射极限。因此，如果将光子晶体技术和SPP技术相结合完全有可能实现LED的光抽取效率提高到80％，实现单颗220lm/w的高亮度LED。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，将光子晶体技术和微纳金属表面等离激元理论相结合，提供一种可以实现超高效率的新型发光二极管。

本发明的技术解决方案是：一种含金属光子晶体的高效发光二极管，由基底、n型层、多量子阱、p型层和金属光子晶体组成，金属光子晶体位于p型层之上。

所述的金属光子晶体(5)的厚度为10nm-100nm。

所述的金属光子晶体(5)由周期排布介质柱(6)或周期排布空气孔(7)构成；周期排布介质柱(6)的材料可为金或银或铝；周期排布介质柱(6)的周期为(0.2～0.4)倍发光二极管出射光中心波长，占空比0.2～0.6；周期排布空气孔(7)的周期为(0.3～0.5)倍发光二极管出射光中心波长，占空比0.7～0.95；

所述的金属光子晶体的晶胞可为正方形或三角形或六边形。

所述的金属光子晶体的光子带隙位于发光二极管出射中心波长对应的真空频率处。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.超高的发光效率。本发明利用金属光子晶体的表面等离激元效应，通过金属表面等离激元与量子阱耦合，增强光的自发辐射效率，同时通过金属表面等离激元的共振耦合，实现出射光波的共振增强，可极大提高LED的发光效率。

2.出射光束方向性好。本发明利用金属光子晶体的光子带隙导光，减小出射光束的发散角度，同时利用金属表面等离激元的能量聚集效应，缩小出射光斑尺寸，从而使出射光束又亮又直，提高出射光束的方向性。

3.灵活的设计手段。针对不同波段的LED，光子晶体结构的周期、厚度、晶胞形状均可以调整，设计灵活方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的周期排布介质柱俯视图；

图3为本发明的周期排布空气孔俯视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由基底(1)、n型层(2)、多量子阱(3)、p型层(4)和金属光子晶体(5)组成，金属光子晶体(5)位于p型层(4)之上。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例以InGaN发光二极管为例阐述本发明的技术方案。

当基底(1)为GaN、n型层(2)为n-GaN、多量子阱(3)为InGaN/GaN、p型层(4)为p-GaN，金属光子晶体(5)由周期排布介质柱(6)构成时，为一含金属光子晶体的InGaN高效发光二极管。