CN101916819A

CN101916819A - 发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN101916819A
Application number: CN2010102438737A
Authority: CN
Inventors: 张汝京; 肖德元
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2010-12-15

Abstract

一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括：表面偏移(111)晶面1～9度的硅衬底；依次位于硅衬底上方的缓冲层、有源层、帽层；所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟槽的深度至少自所述帽层延伸至缓冲层顶部；所述发光二极管还包括位于所述沟槽内的透光元件。有源层发出的光透过透光元件到达发光二极管的出光面，提高了发光二极管的光利用率。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体发光领域，尤其涉及一种发光二极管及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，应用于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。

在公告号为CN100461472C的中国专利中公开了一种发光二极管，参考图1，示出了所述专利发光二极管一实施例的示意图，所述发光二极管包括：衬底101、位于衬底101上的二氧化硅层102、位于二氧化硅层102上的缓冲层103、位于缓冲层103上的多量子阱有源层104、位于多量子阱有源层104上的限制层105、位于限制层105上的包层106以及位于包层106上的接触层107，其中所述二氧化硅层102包括相互平行、宽度渐变的第一三角形二氧化硅层和第二三角形二氧化硅层，所述第一三角形二氧化硅层和第二三角形二氧化硅层是通过先沉积二氧化硅材料，然后沿二氧化硅材料的(011)晶面光刻并腐蚀而得到的；所述多量子阱层104是在选择区域形成的，并且所述多量子阱层104是通过化学气相沉积方法形成的金属有机物，可作为增益介质，在使发光二极管在大的输出光功率下仍然保持较宽的输出光谱范围。

上述专利的技术方案中，发光二极管可同时实现宽光谱、大功率的特性，但是由于多量子阱有源层发出的光需要经过限制层、包层等才能到达出光面，光透过率较低，造成发光二极管的光利用率较低。

尤其对于衬底为透光材料的发光二极管，多量子阱有源层发出的光还会经过透光衬底从发光二极管背面出射，进一步造成发光二极管的光利用率较低。

随着人们环保节能意识的增强，如何提高发光二极管的光利用率，使发光二极管具有高亮度、低功耗的特点，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种发光二极管，提高发光二极管的光利用率。

为了解决上述问题，本发明提供一种发光二极管，包括：表面偏移(111)晶面1～9度的硅衬底；晶面依次位于硅衬底上方的缓冲层、有源层、帽层；所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟槽的深度至少自所述帽层延伸至缓冲层顶部；所述发光二极管还包括位于所述沟槽内的透光元件。

还包括位于所述硅衬底下方的散热层。

还包括位于所述硅衬底和缓冲层之间的外延层。

所述沟槽侧壁与沟槽底部夹角为120°～150°。

所述透光元件在发光二极管光出射方向上包括透镜结构。

还包括位于帽层上方的接触层。

所述接触层在发光二极管的光出射方向上包括透镜结构。

还包括第一电极，其中，所述接触层包括多个透镜结构，第一电极位于接触层上、处于透镜结构之间，所述第一电极包括用于连接电源正极的第一电极连接端。

所述透光元件的透镜结构在光出射方向上涂敷有荧光粉。

所述接触层的透镜结构在光出射方向上涂敷有荧光粉。

相应地，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，包括：提供表面偏移(111)晶面1～9度的硅衬底；在所述硅衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层；形成至少自帽层延伸至缓冲层顶部的沟槽；向沟槽内填充透光材料。

还包括在所述硅衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层之后，在所述硅衬底下方形成散热层，所述散热层的材料包括钛、铝、银、金及其合金中的任意一种。

还包括在所述硅衬底和缓冲层之间形成外延层，所述外延层的材料包括氮化铝。

还包括在形成帽层之后，形成沟槽之前，在帽层上形成接触层。

所述缓冲层包括N型掺杂的氮化镓；有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括氮化铟镓；所述帽层包括P型掺杂的氮化镓；所述接触层包括P型掺杂的氮化镓。

所述缓冲层包括N型掺杂的氮化铝镓；有源层包括P型掺杂的氮化铝镓，所述帽层包括P型掺杂的氮化镓；所述接触层包括P型掺杂的氮化铝镓。

在形成接触层之后，在接触层上形成透镜结构。

在接触层上形成透镜结构的步骤包括：在接触层上通过光刻形成多个圆形光刻胶台；对所述圆形光刻胶台在150℃～200℃温度下烘烤，使所述圆形光刻胶台成为球冠状光刻胶；以所述球冠状光刻胶为掩膜，离子束刻蚀所述接触层形成透镜结构。

向沟槽内填充透光材料后，在温度为150℃～200℃范围内，高温烘烤所述透光材料，使所述透光材料的顶部呈透镜结构，形成包括透镜结构的透光元件。

接触层包括多个透镜结构，在填充透光材料之后，在接触层上、透镜结构之间形成包括第一电极连接端的第一电极。

还包括在接触层的透镜结构上涂敷荧光粉。

还包括在透光元件的透镜结构上涂敷荧光粉。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟槽的深度延伸至缓冲层；以及填充于所述沟槽内的透光元件，有源层发出的光可以通过透光元件到达发光二极管的出光面，由于透光元件的光透过率较高，所以，所述发光二极管的光利用率较高。

附图说明

图1是现有技术发光二极管一实施例的示意图；

图2是本发明发光二极管一实施例的示意图；

图3是图2所示第一电极一实施例的示意图；

图4是本发明发光二极管制造方法一实施方式的流程示意图；

图5至图10是本发明发光二极管制造方法的一实施例的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如背景技术所说，现有技术的发光二极管由于位于有源层上方的多层膜结构透光率较低，造成发光二极管光利用率不高的问题。

针对上述问题，本发明提供一种发光二极管，所述发光二极管包括：表面偏移(111)晶面1～9度的硅衬底；依次位于硅衬底上方的缓冲层、有源层、帽层；深度延伸至缓冲层的沟槽以及填充于所述沟槽内的透光元件，其中，有源层发出的光经过所述透光元件到达发光二极管的出光面，由于所述透光元件的光透过率较高，提高了所述发光二极管的光利用率。

参考图2，示出了本发明发光二极管一实施例的示意图，所述发光二极管为以硅为衬底的发光二极管，所述发光二极管为氮化镓基的蓝光二极管，由下及上依次包括：散热层301、硅衬底302、外延层308、缓冲层303、有源层304、帽层305、接触层306，其中

散热层301，位于硅衬底302的底部。由于硅衬底302导热性不好，散热层301用于将硅衬底302附近的热传导出去，避免硅衬底302过热而影响发光二极管正常发光。

硅衬底302，所述硅衬底302为表面偏移(111)晶面1～9度的硅衬底，具体地说，所述硅衬底302沿与(111)晶面的夹角为1～9度的面切割而成，与缓冲层有较佳地晶格匹配，从而减小外延层的晶体缺陷，不易破裂。

位于硅衬底302上的外延层308，用于改善硅衬底302与氮化镓材料之间晶格常数失配的问题，以获得更适用于生长氮化镓的表面，所述外延层308包括氮化铝薄膜。

依次位于外延层308上的缓冲层303、有源层304和帽层305，所述缓冲层303、有源层304和帽层305构成发光二极管的管芯。

位于发光二极管管芯上的接触层306，用于实现发光二极管的管芯与电极的电连接，所述接触层306在发光二极管的光出射方向上包括多个透镜结构。

所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟槽深度至少自所述帽层305延伸至缓冲层303顶部，所述沟槽侧壁与沟槽底部夹角θ为120°～150°。较佳地，所述夹角θ为135°。

所述发光二极管还包括填充于所述沟槽内的透光元件309，由于沟槽延伸至缓冲层303，所以透光元件309延伸至缓冲层303，那么位于缓冲层303上的有源层304发出的光可通过透光元件309到达发光二极管的出光面，由于透光元件309由透光材料制成具有高透光率，例如，从有源层A点发出的光，通过透光元件309到达出光面的D点，从而提高了发光二极管的光利用率，具体地，所述透光元件的材料包括环氧树脂。

此外，由于沟槽侧壁与沟槽底部夹角θ为120°～150°，所以所述透光元件309的侧壁与底面夹角为120°～150°，所述透光元件309的侧壁可将有源层304发出的光反射到发光二极管的出光面，例如，从有源层A点发出的光，投射到透光元件309侧壁上的点B，之后经侧壁反射后到达出光面的C点。从而进一步提高了发光二极管的光利用率。

较佳地，所述透光元件309在发光二极管的出光面上也包括透镜结构。

接触层306和透光元件309在发光二极管出光面上的透镜结构用于会聚光线，可以提高发光二极管的亮度。

所述发光二极管还包括第一电极310、所述第一电极310包括第一电极连接端307，其中，第一电极310设置于接触层306上、位于透镜结构之间，第一电极连接端307用于连接电源正极，较佳地，所述第一电极310包括至少两个第一电极连接端307，确保第一电极与电源正极的电连接，以提高发光二极管的可靠性。

参考图3，示出了图2所述发光二极管沿剖线OO’的剖面示意图。其中，第一电极310围绕透镜结构实现电连接，通过第一电极连接端307与电源正极相连。

所述发光二极管还包括涂敷于接触层306的透镜结构和/或透光元件309的透镜结构上的荧光粉(图未示)，所述荧光粉包括掺杂铈的钇铝石榴石(Ce³⁺:YAG)，用于获得蓝光。

所述发光二极管用于发光时，将第一电极连接至电源的正电极、通过散热层连接至电源的负电极。发光二极管管芯通过接触层、第一电极的第一电极连接端与电源正电极相连，通过硅衬底、散热层与电源负电极相连。发光二极管管芯中的有源层在电流作用下发光，有源层发出的光一方面透过透光元件到达发光二极管管的出光面提高了光利用率。

此外，位于出光面的透镜结构可以会聚光线，提高了发光二极管的亮度。

相应地，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，参考图4，示出了本发明发光二极管制造方法一实施方式的示意图，包括以下步骤：

s1，提供表面偏移(111)晶面1～9度的硅衬底；

s2，在所述硅衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层；

s3，形成至少自所述帽层延伸至缓冲层顶部的沟槽；

s4，向沟槽内填充透光材料。

参考图5，执行步骤s1，提供硅衬底302，所述硅衬底302包括表面偏移晶面(111)1～9度的硅衬底，所述硅衬底302沿与晶面(111)的夹角为1～9度的面切割而成，可以得到较佳的硅衬底与缓冲层的晶格匹配，减小晶体缺陷，不易破裂。

参考图6，执行步骤s2，较佳地，为了在蓝宝石衬底302上方更好的形成发光二极管的管芯，在所述蓝宝石衬底302上依次形成外延层308、缓冲层303、有源层304、帽层305。

其中，外延层308用于改善硅衬底302与氮化镓材料之间晶格常数失配的问题，包括氮化铝薄膜，具体地，通过金属有机化合物化学气相淀积方法在600℃的温度条件下形成所述氮化铝薄膜。

缓冲层303包括N型掺杂的氮化镓，有源层304包括多量子阱有源层，具体地，所述多量子阱有源层为氮化铟镓，用于发出波长为470nm的蓝光，帽层305包括P型掺杂的氮化镓。

所述方法还包括在形成帽层305之后，在帽层305上方形成接触层306，用于实现发光二极管的管芯与电源的电连接，所述接触层306包括P型掺杂的氮化镓。

发光二极管各层还可以采用其他材料，例如，所述缓冲层303包括N型掺杂的氮化铝镓(Al_0.09Ga_0.91N)；所述有源层304包括P型掺杂的氮化铝镓(Al_0.18Ga_0.82N)，所述帽层305包括P型掺杂的氮化镓，所述接触层306包括P型掺杂的氮化铝镓(Al_0.09Ga0.₉₁N)。

较佳地，所述接触层306上形成透镜结构(如图7所示)，所述形成接触层的透镜结构的方法包括：首先，在接触层306上形成厚度为2～4μm，直径为50～200μm圆形光刻胶台；之后，在温度为150℃～200℃范围内，对所述圆形光刻胶台烘烤，所述圆形光刻胶台在高于光刻胶的玻璃软化温度下，由于表面张力的作用形成球冠状；最后以所述球冠状的光刻胶为掩膜，对所述接触层306进行离子束刻蚀，形成厚度为3～5μm的透镜结构。

由于硅衬底302的散热性差，较佳地，在所述硅衬底302上方依次形成缓冲层303、有源层304、帽层305之后，在所述硅衬底302下方形成散热层301，通常采用蒸镀方式在硅衬底302的下方形成散热层301，所述散热层301的材料包括钛、铝、金或其合金的任意一种，所述散热层301可以将硅衬底302上的热传导出发光二极管。

参考图8，执行步骤s3，所述沟槽320的开口朝向出光面，在本具体实施例中，沟槽320的底部位于缓冲层303内，这样可以保证有源层305所发出的光入射至沟槽320内。此外，所述沟槽320的侧壁与底部的夹角θ为120°～150°，较佳地，所述夹角θ为135°，所述沟槽的侧壁可将有源层305发出的光反射到出光面。具体地，采用干刻方法形成所述沟槽320。

参考图9，执行步骤s4，向沟槽320内填充透光材料。所述透光材料为环氧树脂。在本实施例中，填充好透光材料后，还包括：在温度为150℃～200℃的范围内，高温烘烤所述透光材料，使所述透光材料在发光二极管的光出射方向上形成透镜结构，从而形成了包括透镜结构的透光元件309。

接触层306和透光元件309在出光面方向上的透镜结构，可以会聚有源层304发出的光，从而提高发光二极管的亮度。

如图10所示，所述方法还包括在接触层306上、位于透镜结构之间形成第一电极310，所述第一电极310包括用于连接电源正极的第一电极连接端307，第一电极310的材料为金、镍等导电材料，通过在透镜结构之间的接触层上沉积导电材料，然后通过光刻和蚀刻的方法形成第一电极310。

所述方法还包括在接触层306的透镜结构和/或透光元件309的透镜结构上涂敷荧光粉(图未示)，具体地，所述荧光粉包括掺杂铈的钇铝石榴石(Ce³⁺:YAG)，用于获得白光。

需要说明的是，上述实施例以蓝色发光二极管为例，但是本发明并不限制于此，上述实施例还可以是红色发光二极管、黄色发光二极管，本领域技术人员可以根据上述实施例，对本发明进行修改、替换和变形。

综上，本发明提供了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括延伸至有源层的透光元件，有源层发出的光可以透过透光元件到达发光二极管的出光面，提高了光利用率。

此外，发光二极管还包括位于出光面的透镜结构，用于会聚光线，提高了发光二极管的亮度。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种发光二极管，其特征在于，包括：

表面偏移(111)晶面1～9度的硅衬底；晶面依次位于硅衬底上方的缓冲层、有源层、帽层；

所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟槽的深度至少自所述帽层延伸至缓冲层顶部；

所述发光二极管还包括位于所述沟槽内的透光元件。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括位于所述硅衬底下方的散热层。

3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，还包括位于所述硅衬底和缓冲层之间的外延层。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述沟槽侧壁与沟槽底部夹角为120°～150°。

5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述透光元件在发光二极管光出射方向上包括透镜结构。

6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括位于帽层上方的接触层。

7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述接触层在发光二极管的光出射方向上包括透镜结构。

8.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，还包括第一电极，其中，所述接触层包括多个透镜结构，

第一电极位于接触层上、处于透镜结构之间，所述第一电极包括用于连接电源正极的第一电极连接端。

9.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述透光元件的透镜结构在光出射方向上涂敷有荧光粉。

10.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述接触层的透镜结构在光出射方向上涂敷有荧光粉。

11.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括：

提供表面偏移(111)晶面1～9度的硅衬底；

在所述硅衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层；

形成至少自帽层延伸至缓冲层顶部的沟槽；

向沟槽内填充透光材料。

12.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述硅衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层之后，在所述硅衬底下方形成散热层，所述散热层的材料包括钛、铝、银、金及其合金中的任意一种。

13.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述硅衬底和缓冲层之间形成外延层，所述外延层的材料包括氮化铝。

14.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括在形成帽层之后，形成沟槽之前，在帽层上形成接触层。

15.如权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述缓冲层包括N型掺杂的氮化镓；有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括氮化铟镓；所述帽层包括P型掺杂的氮化镓；所述接触层包括P型掺杂的氮化镓。

16.如权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述缓冲层包括N型掺杂的氮化铝镓；有源层包括P型掺杂的氮化铝镓，所述帽层包括P型掺杂的氮化镓；所述接触层包括P型掺杂的氮化铝镓。

17.如权利要求14所述的制造方法，其特征在于，在形成接触层之后，在接触层上形成透镜结构。

18.如权利要求17所述的制造方法，其特征在于，在接触层上形成透镜结构的步骤包括：

在接触层上通过光刻形成多个圆形光刻胶台；

对所述圆形光刻胶台在150℃～200℃温度下烘烤，使所述圆形光刻胶台成为球冠状光刻胶；

以所述球冠状光刻胶为掩膜，离子束刻蚀所述接触层形成透镜结构。

19.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，向沟槽内填充透光材料后，在温度为150℃～200℃范围内，高温烘烤所述透光材料，使所述透光材料的顶部呈透镜结构，形成包括透镜结构的透光元件。

20.如权利要求18所述的制造方法，其特征在于，接触层包括多个透镜结构，在填充透光材料之后，在接触层上、透镜结构之间形成包括第一电极连接端的第一电极。

21.如权利要求17所述的制造方法，其特征在于，还包括在接触层的透镜结构上涂敷荧光粉。

22.如权利要求19所述的制造方法，其特征在于，还包括在透光元件的透镜结构上涂敷荧光粉。