CN102130249B - 超亮度发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种超亮度发光二极管及其制作方法。所述超亮度发光二极管包括：反射衬底，所述反射衬底上的发光二极管管芯，其中，所述反射衬底朝向发光二极管管芯的一侧形成有反射凹坑。本发明的超亮度发光二极管底部的反射衬底上形成有反射凹坑，所述反射凹坑将射向衬底的光线反射出去，提高了发光二极管的出光效率；同时，所述发光二极管两侧形成有自集成侧边反射罩，所述自集成侧边反射罩将沿发光二极管侧向发射的光线反射出去，进一步提高了发光二极管的出光效率。

Description

超亮度发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地，本发明涉及一种具有底部锥形反射凹坑及自集成侧边反射罩的超亮度发光二极管及其制作方法。

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。申请号为200510066898.3的中国专利申请公开了一种在发光二极管下表面形成全角度反射镜结构来提高发光二极管出光效率的方法。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具有底部反射凹坑及自集成侧边反射罩的超亮度发光二极管及其制作方法，提高发光二极管的出光效率。

为解决上述问题，本发明提供了一种超亮度发光二极管，包括：反射衬底，所述反射衬底上的发光二极管管芯，其中，所述反射衬底朝向发光二极管管芯的一侧形成有一个以上的反射凹坑。

可选的，所述反射衬底为硅、蓝宝石或碳化硅。

可选的，所述发光二极管管芯还包含有多个自集成侧边反射罩，所述自集成侧边反射罩至少由所述发光二极管管芯表面延伸至发光二极管管芯底部。

相应的，本发明还提供了一种超亮度发光二极管的制作方法，包括：

提供衬底，在所述衬底上形成发光二极管管芯；

剥离所述衬底与发光二极管管芯；

在衬底表面形成反射凹坑；

将所述衬底形成有反射凹坑的一侧与发光二极管管芯连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.所述发光二极管底部的衬底上形成有反射凹坑，所述反射凹坑将射向衬底的光线反射出去，提高了发光二极管的出光效率；

2.所述发光二极管两侧形成有自集成侧边反射罩，将沿发光二极管侧向发射的光线反射出去，进一步提高了发光二极管的出光效率。

附图说明

图1是本发明超亮度发光二极管的剖面结构示意图；

图2是本发明超亮度发光二极管制作方法的流程示意图。

图3至图8是本发明超亮度发光二极管制作方法一个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。

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超亮度发光二极管结构，所述反射衬底上设置有用于反射光线的反射凹坑，所述反射凹坑将反射衬底上发光二极管管芯受激辐射时射向反射衬底的光线反射出去，提高了发光二极管的出光效率；同时，所述发光二极管管芯间还设置有自集成侧边反射罩，将沿发光二极管侧向发射的光线反射出去，进一步提高了发光二极管的出光效率。

参考图1，示出了本发明超亮度发光二极管的剖面结构示意图。如图1所示，所述超亮度发光二极管包括：

反射衬底101，所述反射衬底101朝向发光二极管的一侧形成有反射凹坑103；在具体实施例中，所述反射衬底101可以采用硅、氮化硅、蓝宝石等晶体材料；所述反射凹坑103与外延层105围成的封闭结构为真空；所述反射凹坑103为锥形结构，所述锥形的反射凹坑103的开口面积为10至100平方微米。

所述反射衬底101上依次形成有外延层105、缓冲层107、有源层109、帽层111、接触层113，其中，所述缓冲层107、有源层109以及帽层111构成了发光二极管的管芯结构；在具体实施例中，所述缓冲层107为N型掺杂的氮化镓材料，所述有源层109为多量子阱有源层结构，具体采用氮化铟镓材料构成，所述帽层111与接触层113为P型掺杂的氮化镓材料。

所述发光二极管管芯还包含有多个自集成侧边反射罩119。所述自集成侧边反射罩119至少由发光二极管管芯表面延伸至发光二极管管芯底部，具体为接触层113延伸至缓冲层107中。所述自集成侧边反射罩119将沿发光二极管侧向发射的光线反射出去，从而使得发光二极管的出光效率提高。在具体实施例中，所述自集成侧边反射罩119采用透明树脂材料填充形成，所述自集成侧边反射罩119的顶部开口面积大于底部面积。

所述自集成侧边反射罩119与接触层113顶部还分别包含有透镜结构117，且所述透镜结构117分别占据所述自集成侧边反射罩119与接触层113的顶部部分区域。其中，所述自集成侧边反射罩119上的透镜结构117采用与自集成侧边反射罩119相同的树脂材料形成，而所述接触层113上的透镜结构117采用与接触层113相同的材料形成。在实际应用中，所述透镜结构117用于会聚由发光二极管管芯射出的光线，因此，所述透镜结构117设置于光出射方向的位置上。

所述自集成侧边反射罩119底部的缓冲层107上形成有第二电极121，所述第二电极121将缓冲层107引出，同时，所述发光二极管还包含有深度自接触层113延伸至缓冲层107的开口，用于容纳第二电极连接件123，所述第二电极连接件123用于连接第二电极121与电源负极。

所述透镜结构117间的接触层113上还形成有第一电极115，所述第一电极115将接触层113引出，并连接至电源正极。

通过在所述第一电极115与第二电极121上加载驱动电压，所述发光二极管即可发生受激辐射而发出光线；同时，由于所述反射衬底101中形成有反射凹坑103，所述反射凹坑103使得射向反射衬底101的光线可以反射出去，这进一步提高了发光二极管的出光效率。

依据具体实施例的不同，所述第一电极115可以为钛、镍、金等导电材料，所述第二电极121可以为镍、金等导电材料。

基于本发明超亮度发光二极管，发明人还提供了所述超亮度发光二极管的制作方法。

参考图2，示出了本发明超亮度发光二极管的制作方法的流程，包括：

执行步骤S202，提供衬底，在所述衬底上形成发光二极管管芯；

执行步骤S204，剥离所述衬底与发光二极管管芯；

执行步骤S206，在衬底表面形成反射凹坑；

执行步骤S208，将所述衬底形成有反射凹坑的一侧与发光二极管管芯连接。

接下来，结合图3至图8，对本发明超亮度发光二极管的制作方法做进一步说明。

如图3所示，提供衬底301，在所述衬底301上依次形成外延层305、缓冲层307、有源层309、帽层311以及接触层313。

其中，在本实施例中，所述衬底301为蓝宝石，依据实施例的不同，所述衬底301还可以为碳化硅、硅等衬底。所述缓冲层307为N型掺杂的氮化镓材料，所述有源层309为多量子阱有源层结构，具体采用氮化铟镓材料形成，所述帽层311与接触层313为P型掺杂的氮化镓材料。所述缓冲层307、有源层309、帽层311共同构成了发光二极管的管芯。

所述外延层305用于改善蓝宝石衬底与氮化镓材料之间晶格常数失配的问题，包括低温下形成的氮化镓薄膜，所外延层305为采用金属有机化合物化学气相淀积方法低温条件下形成的氮化镓薄膜。具体地，先在600℃温度下生长之后再900℃温度下生长，形成氮化镓薄膜。

如图4所示，在所述接触层313上形成透镜结构317，所述透镜结构317可以用于会聚由发光二极管管芯出射的光线。

所述形成透镜结构317的方法包括：首先，在接触层313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313进行离子束刻蚀，形成厚度为3～5μm的透镜结构317。

在形成所述透镜结构317之后，部分刻蚀所述接触层313、帽层311、有源层309以及缓冲层307，形成沟槽320及开口325。所述沟槽320与开口325的底部位于缓冲层307中，使得缓冲层307露出，所述沟槽320顶部开口面积大于底部面积。

之后，在所述露出的缓冲层307上形成第二电极321与第二电极连接件323，其中，所述第二电极321位于沟槽320中，用于将缓冲层307引出，所述第二电极连接件323位于开口325中，用于连接第二电极321与电源负极。在具体实施例中，所述第二电极321与第二电极连接件323采用钛、镍、金等导电材料形成。

如图5所示，在所述衬底301上形成透明反射层，所述透明反射层填满沟槽并覆盖接触层表面，所述沟槽中的透明反射层构成自集成侧边反射罩319。在具体实施例中，所述透明反射层采用透明树脂材料。

可选地，在温度为150℃至200℃范围内，对所述自集成侧边反射罩319进行烘烤，使得自集成侧边反射罩319顶部形成球冠状的透镜结构317，所述自集成侧边反射罩319上的透镜结构317与接触层313上的透镜结构317具有相同的功能，即用于会聚由发光二极管射出的光线，以提高单位面积的光强。

接着，在所述透镜结构317、接触层313上形成由导电电极层。之后，部分刻蚀所述导电电极层，在所述接触层313上未形成透镜结构317的区域形成第一电极315。所述第一电极315用于引出接触层313，并连接至电源正极。与第二电极引出的缓冲层相配合，所述发光二极管管芯的两端分别被引出。

如图6所示，剥离所述衬底301与外延层305。在具体实施例中，所述剥离工艺可以采用激光分离技术。例如，以线性激光对衬底301上的外延层305进行扫描，所述外延层吸收激光能量后便因其与衬底301界面处熔解而与所述衬底301分离。

如图7所示，在所述衬底301表面形成反射凹坑303，具体为锥形结构。在具体实施例中，采用各向异性湿法腐蚀的方法在所述衬底301表面形成所述反射凹坑303。由于衬底301为蓝宝石、硅、碳化硅晶体，其具有规则的晶格结构，各向异性湿法腐蚀后即可在所述衬底301上形成具有倾斜面的凹坑。例如，若所述衬底301为蓝宝石晶体，则以具有图形结构的二氧化硅膜作为掩膜，利用硫酸和磷酸的混合液腐蚀所述蓝宝石晶体的衬底，将图形刻蚀到衬底上，形成倒金字塔结构的凹坑，所述凹坑的开口位置形成倾斜边沿，即形成了反射凹坑303。在具体实施例中，所述反射凹坑的开口面积为10至100平方微米。

如图8所示，将所述衬底301形成有反射凹坑303的一侧与外延层305连接。

在形成反射凹坑303之后，重新将衬底301与外延层305连接，可以采用等离子体键合的方法实现。在键合之后，衬底301与外延层305将所述反射凹坑303封闭，因此，可以采用真空键合的方式，在所述封闭的反射凹坑303中形成真空，真空的反射凹坑303可以提高光线的反射率，从而提高所述发光二极管的出光效率。所述衬底301即为反射衬底。

至此，本发明的超亮度发光二极管即制作完成。

本发明的超亮度发光二极管底部的反射衬底上形成有反射凹坑，所述反射凹坑将射向衬底的光线反射出去，提高了发光二极管的出光效率；同时，所述发光二极管两侧形成有自集成侧边反射罩，所述自集成侧边反射罩将沿发光二极管侧向发射的光线反射出去，进一步提高了发光二极管的出光效率。

应该理解，此处的例子和实施例仅是示例性的，本领域技术人员可以在不背离本申请和所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，做出各种修改和更正。

Claims (19)

1.一种超亮度发光二极管，其特征在于，包括：反射衬底，所述反射衬底上的发光二极管管芯，所述发光二极管管芯还包含有多个自集成侧边反射罩，其中，所述反射衬底朝向发光二极管管芯的一侧形成有一个以上的反射凹坑，所述自集成侧边反射罩的光出射方向上具有透镜结构。

2.如权利要求1所述的超亮度发光二极管，其特征在于，所述反射衬底为硅、蓝宝石或碳化硅。

3.如权利要求1所述的超亮度发光二极管，其特征在于，所述反射凹坑呈锥形，所述锥形反射凹坑的开口面积为10至100平方微米。

4.如权利要求1所述的超亮度发光二极管，其特征在于，所述自集成侧边反射罩至少由所述发光二极管管芯表面延伸至发光二极管管芯底部。

5.如权利要求4所述的超亮度发光二极管，其特征在于，所述自集成侧边反射罩顶部开口面积大于底部面积。

6.如权利要求4所述的超亮度发光二极管，其特征在于，所述自集成侧边反射罩采用树脂材料形成。

7.如权利要求1所述的超亮度发光二极管，其特征在于，所述发光二极管管芯包含反射衬底上方的缓冲层、有源层、帽层。

8.如权利要求7所述的超亮度发光二极管，其特征在于，还包括位于反射衬底和缓冲层之间的外延层。

9.如权利要求7所述的超亮度发光二极管，其特征在于，其特征在于，还包括位于帽层上方的接触层。

10.如权利要求9所述的超亮度发光二极管，其特征在于，所述发光二极管管芯还包含有多个由接触层延伸至缓冲层的自集成侧边反射罩，以及第一电极、第二电极与第二电极连接件，其中，所述接触层上包括多个透镜结构，所述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，

所述第二电极位于自集成侧边反射罩底部，

所述发光二极管还包括自接触层延伸至缓冲层的开口，用于容纳第二电极连接件，所述第二电极连接件用于连接第二电极和电源负极。

11.一种超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，包括：

提供衬底，在所述衬底上形成发光二极管管芯，所述发光二极管管芯还包含有多个自集成侧边反射罩，且所述自集成侧边反射罩的光出射方向上具有透镜结构；

剥离所述衬底与发光二极管管芯；

在衬底表面形成反射凹坑；

将所述衬底形成有反射凹坑的一侧与发光二极管管芯键合。

12.如权利要求11所述的超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，所述提供衬底，在所述衬底上形成发光二极管管芯包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成外延层、缓冲层、有源层、帽层以及接触层。

13.如权利要求12所述的超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，在形成接触层之后，在所述接触层上形成透镜结构。

14.如权利要求13所述的超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，在所述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℃温度下进行烘烤，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多个透镜。

15.如权利要求12所述的超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，在所述衬底上依次形成外延层、缓冲层、有源层、帽层以及接触层之后，形成至少自接触层延伸至缓冲层顶部的沟槽；

向所述沟槽内填充透光材料，形成自集成侧边反射罩。

16.如权利要求15所述的超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，所述向沟槽内填充透光材料形成自集成侧边反射罩之后，在温度为150℃~200℃范围内，高温烘烤所述自集成侧边反射罩，使所述自集成侧边反射罩的顶部呈透镜结构。

17.如权利要求11所述的超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，所述衬底为硅、蓝宝石或碳化硅，在所述在衬底表面形成反射凹坑包括：采用各向异性腐蚀在所述衬底中形成反射凹坑。

18.如权利要求17所述的超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石，利用硫酸和磷酸的混合液各向异性腐蚀所述蓝宝石衬底以形成反射凹坑。

19.如权利要求11所述的超亮度发光二极管的制作方法，其特征在于，所述将所述衬底形成有反射凹坑的一侧与发光二极管管芯连接包括：采用等离子体键合工艺将所述衬底形成有反射凹坑的一侧与发光二极管管芯连接。

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