CN102054913B - 发光二极管及其制造方法、发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光二极管及其制造方法、发光装置，发光二极管包括用于连接发光二极管与电源负极的第一电极；依次位于第一电极上的衬底、发光二极管管芯，衬底中形成有多个贯穿衬底的、分布均匀的接触孔，接触孔中填充有连接第一电极和发光二极管管芯的电极插塞。相应地，本发明的发光装置还包括基座，发光二极管安装于基座上。本发明发光二极管的制造方法，包括提供衬底；在衬底上依次形成发光二极管管芯、第二电极；在衬底背面形成多个均匀分布于衬底的接触孔，直至接触孔露出发光二极管管芯；向接触孔中填充导电材料、直至形成覆盖于衬底背面上的第一电极。本发明提高了发光二极管出光效率，并且制造工艺较为简单。

Description

发光二极管及其制造方法、发光装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，本发明涉及一种发光二极管及其制造方法、发光装置。
背景技术
发光二极管(LED)是响应电流而被激发从而产生各种颜色的光的半导体器件。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
然而，目前半导体发光二极管存在着发光效率低的问题。对于未经封装的发光二极管，其出光效率一般只有百分之几。大量的能量聚集在器件内部不能出射，既造成能量浪费，又影响器件的使用寿命。因此，提高半导体发光二极管的出光效率至关重要。
基于上述的应用需求，许多种提高发光二极管出光效率的方法被应用到器件结构中，例如表面粗糙化法，金属反射镜结构等。公开号为CN1858918A的中国专利申请公开了一种发光二极管，所述的发光二极管下表面形成全角度反射镜结构，可以提高发光二极管出光效率。然而，该方法需要在衬底上形成多层由高折射率层与低折射率层堆叠而成的薄膜结构，制作工艺复杂。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种发光效率较高的发光二极管。
为解决上述问题，本发明提供一种发光二极管，包括用于连接发光二极管与电源负极的第一电极；依次位于所述第一电极上的衬底、发光二极管管芯，所述衬底中形成有多个贯穿衬底的、分布均匀的接触孔，所述接触孔中填充有连接第一电极和发光二极管管芯的电极插塞。
相应地，本发明还提供一种包括任意一发光二极管的发光装置，其中，所述发光装置还包括基座，所述发光二极管安装于所述基座上。
相应地，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，包括：提供衬底；在衬底上依次形成发光二极管管芯、第二电极；在衬底背面形成多个均匀分布于衬底的接触孔，直至所述接触孔露出发光二极管管芯；向所述接触孔中填充导电材料、直至所述导电材料覆盖于衬底背面上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.在衬底背面形成接触孔，通过接触孔与n型GaN半导体层进行电连接。可到达降低电流密度的效果，从而减少俄歇复合，提高LED的内部量子效率；
2.在衬底上表面所形成的锥形凹坑侧壁可以将发光二极管管芯发出的光反射到发光二极管的出光面，所述锥形凹坑增加了发光二极管的反射面面积，提高了发光二极管出光效率。
附图说明
图1是本发明发光装置一实施例的示意图；
图2是本发明发光二极管制造方法一实施例的流程示意图；
图3至图8是本发明发光装置制造方法形成的发光二极管一实施例的侧面示意图；
图9是图2所示步骤S1一实施例的流程图。
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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术所述，为提高发光二极管的出光效率，现有技术的发光二极管需要在衬底上形成多层由高折射率层与低折射率层堆叠而成的薄膜结构，但所述薄膜结构的制作工艺复杂。
针对上述问题，本发明的发明人提供了一种包括发光二极管的发光装置，所述发光二极管包括用于连接发光二极管与电源负极的第一电极、依次位于第一电极上的衬底、发光二极管管芯，所述衬底中形成有多个贯穿衬底的、分布均匀的接触孔，所述接触孔中填充有用于连接第一电极和发光二极管管芯的电极插塞发光二极管发光时，电源可通过所述多个电极插塞向发光二极管管芯供电，从而降低了电流密度，进而减小不伴随发光的非放射复合(俄歇复合)，提高发光二极管的内部量子效率，提高了发光二极管的出光效率。
参考图1，示出了本发明发光装置一实施例的示意图。所述发光装置包括所述发光装置包括：基座101、以及安装于基座101内的发光二极管109，其中，
基座101，所述基座101包括装配凹坑，用于容纳所述发光二极管109，所述装配凹坑的侧壁与装配凹坑的底面之间的角度θ为130°～150°，所述装配凹坑的侧壁可用于反射发光二极管109发出的光，并将所述发光二极管109发出的光反射至发光二极管109的出光面，进而可以提高发光装置的出光效率。
所述基座101采用散热性能好的导电材料，一方面可以使发光二极管产生的热量传导出去，另一方面基座101用于实现发光二极管109和电源负极的电连接。
具体地，所述基座采用硅或铝等材料；所述装配凹坑的上接触孔尺寸为4微米，所述装配凹坑的底面接触孔尺寸为2微米，上接触孔大、底面接触孔小的装配凹坑，可以保证装配凹坑的侧壁与装配凹坑的底面之间的角度θ在130°～150°范围内，装配凹坑的侧壁可将发光二极管发出的光反射到发光装置的出光面。
较佳地，所述基座101上还连接有第一引线，用于连接基座101和电源的负极。
所述发光二极管109设置于基座101的装配凹坑中，包括：第一电极102、位于第一电极102上且上表面形成有多个锥形凹坑的衬底103、位于衬底103上的发光二极管管芯、位于发光二极管管芯上的第二电极107。
所述第一电极102、设置于基座101装配凹坑的底面上，用于实现发光二极管109和电源负极之间的电连接，具体地，第一电极102采用钛、铝或金等导电金属制成。
所述衬底103中形成有多个均匀分布的接触孔，所述接触孔中形成有电极插塞，所述电极插塞用于电连接位于衬底103下方的第一电极102和位于衬底103上方的发光二极管管芯，具体地，所述电极插塞的材料为钛、铝或金等导电金属。多个电极插塞为发光二极管管芯提供了多个电流输入点，从而降低了电流密度，进而减小不伴随发光的非放射复合(俄歇复合)，提高发光二极管的内部量子效率，相应地，提高了发光二极管的出光效率。
较佳地，所述衬底的上表面还形成有多个锥形凹坑，所述锥形凹坑的侧壁可以将发光二极管管芯发出的光反射到发光二极管的出光面，所述锥形凹坑增加了发光二极管的反射面面积从而可以提高发光二极管外部量子效率，进一步提高发光二极管的出光效率，具体地，衬底103为蓝宝石，厚度在20微米至50微米的范围内，位于衬底上表面的锥形凹坑的深度在0.1微米至1微米的范围内，所述锥形凹坑的间距在0.1微米至10微米的范围内。为了使衬底103和发光二极管管芯之间的晶格常数较为匹配，较佳地，所述锥形凹坑中还填充有缓冲层104，例如衬底103为蓝宝石，缓冲层104为氮化铝或氮化镓。
依次位于衬底103(或衬底103及缓冲层104)上的N型掺杂的半导体层105、有源层106和P型掺杂的半导体层107构成发光二极管管芯，其中，N型掺杂的半导体层105的材料包括N型氮化镓；有源层106包括多量子阱有源层，具体地，所述多量子阱有源层的材料包括氮化铟镓；所述P型掺杂的半导体层107的材料包括P型氮化镓。
所述第二电极108位于发光二极管管芯上方，用于实现发光二极管109和电源正极之间的电连接，具体地，第二电极108采用镍或金的导电金属材料，较佳地，所述第二电极108上还连接有第二引线，用于连接发光二极管109和电源正极。
较佳地，所述发光装置还包括透镜结构110，所述透镜结构覆盖于第二电极108之上，用于会聚发光二极管109发出的光线，以提高发光装置的亮度。较佳地，所述透镜结构110还填充于所述发光二极管109和基座101之间的空隙中；具体地，所述透镜结构110可以会聚发光二极管发出的光(如光路B所示)；可以会聚发光二极管发出、经由基座侧壁反射的光(如光路A所示)；还可以会聚发光二极管管芯发出、经由锥形凹坑侧壁反射的光如(如光路C所示)，所述透镜结构可以提高发光装置的亮度。
所述发光装置还包括覆盖于透镜结构上的荧光粉(图未示)，用于发出白光。具体地，对于发出蓝光的发光二极管，所述荧光粉为含Ce3+的YAG荧光粉。
相应地，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，参考图2，示出了本发明发光二极管制造方法一实施例的流程示意图。所述发光二极管的制造方法包括：
S1，提供衬底；
S2，在衬底上依次形成发光二极管管芯、第二电极；
S3，在衬底背面形成多个均匀分布于衬底的接触孔，直至所述接触孔露出发光二极管管芯；
S4，向所述接触孔中填充导电材料、直至所述导电材料覆盖于衬底背面上。
参考图3至图8，示出了本发明发光二极管制造方法形成的发光二极管一实施例的侧面示意图。下面结合附图对各步骤进行详细描述。
对于步骤S1，具体地，所述衬底为蓝宝石，所述衬底用于形成发光二极管的一面为上表面，另一面为衬底的背面。
为了提高发光二极管的出光效率，在步骤S1的较佳实施例中，提供衬底并在所述衬底的上表面形成多个锥形凹坑；所述锥形凹坑的侧壁可用于将发光二极管管芯发出光的反射至发光二极管的出光面。
参考图9，示出了图2所示步骤S1一较佳实施例的流程图，所述步骤S1包括：
步骤S11，提供衬底；
步骤S12，在衬底与发光二极管的结合面形成硬掩膜；
步骤S13，以所述硬掩模为掩模蚀刻所述衬底，形成多个锥形凹坑；
步骤S14，去除硬掩模。
参考图3，执行步骤S12，在衬底201与发光二极管的结合面沉积硬掩模材料，然后通过光刻和蚀刻的方法将硬掩模材料图形化，形成硬掩模202，具体地，所述硬掩模202的材料为二氧化硅。
参考图4，执行步骤S13，以所述硬掩模202为掩模，通过湿法腐蚀法蚀刻衬底201，在硬掩膜202图形未遮挡的区域形成多个锥形凹坑203，所述锥形凹坑203的深度浅、开口大，具体地，衬底为的蓝宝石，采用硫酸和磷酸的混合溶液对蓝宝石衬底进行各向异性腐蚀；
需要说明的是，所述湿法腐蚀法采用的溶液需对衬底201和硬掩模202具有较大的选择比，从而避免在蚀刻衬底201的同时腐蚀硬掩模202，具体地，所述衬底201为蓝宝石衬底(即氧化铝)，所述硬掩模202为二氧化硅，采用硫酸和磷酸混合溶液蚀刻所述衬底201，硫酸和磷酸的混合溶液对二氧化硅的腐蚀作用较小。
对于步骤S14，通过氢氟酸溶液去除硬掩模202，锥形凹坑之间的由硬掩膜202遮挡的区域未被腐蚀。
对于步骤S1，较佳地，所述硬掩模202中多个硬掩模图形之间的间距为0.1至10微米，蚀刻所述衬底201时的蚀刻深度为0.1至1.0微米；从而使形成的锥形凹坑之间的间距为0.1至10微米，所述锥形凹坑203的深度为0.1至1.0微米。
参考图5，执行步骤S2，采用金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD)的方法在衬底201上依次形成N型掺杂的半导体层207、有源层208、P型掺杂的半导体层209，从而形成了由N型掺杂的半导体层207、有源层208、P型掺杂的半导体层209构成的发光二极管管芯，具体地，所述N型掺杂的半导体层207的材料为N型氮化镓；所述有源层208可以是单量子阱有源层，也可以是多量子阱有源层，例如所述有源层208为氮化铟镓的多量子阱有源层材料；所述P型掺杂的半导体层209的材料为P型氮化镓。
为了解决衬底和N型掺杂的半导体层207之间晶格常数失配的问题，较佳地，在衬底201上形成发光二极管管芯之前，向衬底201上表面(或者衬底201上表面的锥形凹坑中)沉积缓冲层材料，以形成缓冲层206，具体地，通过MOCVD形成所述缓冲层206，所述缓冲层206的材料为氮化铝或氮化镓。
继续执行步骤S2，采用MOCVD方法在P型掺杂的半导体层209上沉积第二电极材料，形成第二电极210，具体地，第二电极210的材料为镍或金。
参考图7，执行步骤S3，通过光刻和蚀刻的方法，从衬底201的背面开始图形化所述衬底201，形成位于衬底201中的多个接触孔，直至所述接触孔露出N型掺杂的半导体层207，具体地，采用干刻法蚀刻所述衬底201。
需要说明的是，对于衬底201上形成有锥形凹坑的情况，在蚀刻时采用两次蚀刻，分别蚀刻衬底201和锥形凹坑中的缓冲层206。
较佳地，在图形化所述衬底201之前，还包括对所述衬底201背面进行减薄处理，具体地，通过化学机械研磨对所述衬底201的背面进行减薄处理，减薄后的衬底201厚度为20至50微米，所述减薄处理减小了衬底201的厚度(如图6所示)，便于进行后续图形化处理，同时还有利于形成深宽比较小接触孔，以便于向所述接触孔中填充导电材料。
参考图8，执行步骤S4，通过物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)向所述接触孔中填充导电材料直至填满所述接触孔，并形成覆盖于衬底背面上的导电材料层，其中覆盖于衬底背面上的导电材料层构成第一电极、填充于接触孔中的导电材料构成第一电极的电极插塞，所述第一电极通过电极插塞与N型掺杂的半导体层207电连接，具体地，所述导电材料为钛、铝或金等导电金属。
至此，完成了发光二极管的制作过程。
包括发光二极管的发光装置的制作方法还包括：提供基座，所述基座包括装配凹坑；按照第一电极与装配凹坑底面相连的倒装方式，将发光二极管固定于基座的装配凹坑底面。其中，所述基座的装配凹坑侧壁与底面之间的角度为130°～150°，所述装配凹坑的侧壁可以反射发光二极管发出的光，可以提高发光二极管的出光效率。所述基座采用散热性能好的导电材料，例如硅或铝等；所述装配凹坑的上开口尺寸为4微米，所述装配凹坑的底面开口尺寸为2微米。
所述发光装置的制作方法还包括：形成覆盖于第二电极上的透镜结构，较佳地，形成覆盖于第二电极上、并填充于发光二极管和基座之间空隙的透镜结构，所述透镜结构可以会聚发光二极管发出的光。
所述发光装置的制作方法还包括：在透镜结构上涂覆荧光粉，用于发出白光，例如，发光二极管用于发出蓝光，在透镜结构上涂覆含Ce3+的YAG荧光粉，以发出白光。
所述发光装置的制造方法还包括设置连接基座和电源负极的第一引线、设置连接第二电极和电源正极的第二引线等，与现有技术相同，不再赘述。
至此，发光装置即制作完成。
本发明的制造方法，制造工艺较为简单。
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 (15)

1.一种发光二极管，其特征在于，包括用于连接发光二极管与电源负极的第一电极；依次位于所述第一电极上的衬底、发光二极管管芯，所述衬底中形成有多个贯穿衬底的、分布均匀的接触孔，所述接触孔中填充有电极插塞，所述电极插塞分别与所述第一电极、所述发光二极管管芯直接接触，以实现电极插塞与所述第一电极、所述发光二极管管芯的电连接；在所述衬底与所述发光二极管管芯的结合面上还形成有多个锥形凹坑，所述锥形凹坑中填充有缓冲层。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述锥形凹坑的深度为0.1至1.0微米。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述锥形凹坑之间的间距为0.1至10微米。
4.一种包括如权利要求1～3所述任意一发光二极管的发光装置，其中，所述发光装置还包括基座，所述发光二极管安装于所述基座上。
5.如权利要求4所述的发光装置，其中，所述基座包括用于安装所述发光二极管的装配凹坑，所述装配凹坑的侧壁与装配凹坑的底面之间的角度为130°～150°。
6.如权利要求4所述的发光装置，其中，所述发光二极管还包括位于发光二极管管芯上的第二电极，所述发光装置还包括覆盖于第二电极上的透镜结构，或覆盖于第二电极上、且填充于所述发光二极管与装配凹坑侧壁之间空隙的透镜结构。
7.如权利要求6所述的发光装置，其中，所述发光装置还包括覆盖于透镜结构上的荧光粉。
8.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成锥形凹坑，在所述锥形凹坑中填充缓冲层材料，直至填满所述锥形凹坑，形成缓冲层；
在所述缓冲层上依次形成发光二极管管芯、第二电极；
在衬底背面形成多个均匀分布于衬底的接触孔，直至所述接触孔露出发光二极管管芯；
向所述接触孔中填充导电材料、直至所述导电材料填满所述接触孔，并覆盖所述衬底背面，其中，覆盖于衬底背面上的导电材料层构成第一电极、填充于接触孔中的导电材料构成第一电极的电极插塞，所述第一电极通过电极插塞与发光二极管管芯直接接触。
9.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，在所述衬底上形成锥形凹坑的步骤包括：在衬底的上表面形成硬掩膜；以所述硬掩模为掩模蚀刻所述衬底的上表面，形成多个锥形凹坑；去除硬掩模。
10.如权利要求9所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，衬底为蓝宝石，硬掩膜为二氧化硅，所述以所述硬掩模为掩模蚀刻所述衬底的上表面的步骤包括：采用硫酸和磷酸的混合溶液对蓝宝石衬底的上表面进行各向异性腐蚀。
11.如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述去除硬掩模的步骤包括，通过氢氟酸溶液去除硬掩模。
12.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，在衬底上依次形成发光二极管管芯、第二电极以及形成接触孔的步骤之间，还包括从衬底的背面对衬底进行减薄处理。
13.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述在衬底背面形成多个均匀分布于衬底的接触孔的步骤包括：通过光刻和蚀刻的方法，从衬底的背面开始图形化所述衬底，形成位于衬底中的多个接触孔。
14.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，向所述接触孔中填充导电材料、直至所述导电材料覆盖于衬底背面的步骤包括：通过物理气相沉积法向接触孔中填充导电材料。
15.如权利要求12所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述从衬底的背面对衬底进行减薄处理的步骤中，所述衬底的厚度减薄至20至50微米。
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