CN102263181A - 衬底、具有该衬底的led外延片、芯片及发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种衬底、具有该衬底的LED外延片、芯片及发光装置。该衬底，包括基体，所述基体具有用于生长LED外延片的第一面，所述衬底还包括图形化的反射层，所述反射层包括相互连接的第一镀层和第二镀层，所述第一镀层为高折射率介质层与低折射率介质层交替层叠形成的多介质层，所述第二镀层为折射率小于1.5的介质层且第二镀层的光学厚度大于等于一个所述LED外延片产生的光的平均波长。本发明衬底的反射层可以提高外延层的晶体质量，能实现对射向衬底入射角度在0～23度之间、36～90度之间的光线接近100％反射，对入射角在23～36度之间的光线具有高反射率，因此，提高了形成于该衬底上的外延片或者芯片的出光效率。

Description

衬底、具有该衬底的LED外延片、芯片及发光装置

技术领域

本发明属于固体照明技术领域，尤其涉及一种图形化衬底及具有该衬底的发光二极管外延片。

背景技术

现在国际上普遍应用的氮化镓基发光二极管主要是异质外延在平坦的衬底上，其中衬底可以为蓝宝石、碳化硅或者硅，这种结构主要缺点在于：1、由于没有晶格匹配的衬底材料，氮化镓基发光二极管都是异质外延生长在蓝宝石、碳化硅或者硅等衬底上，晶格常数的差异使得外延结构中存在着很多位错等晶格缺陷，这些缺陷限制了发光二极管的内量子效率；2、光从外延层进入衬底时，由于界面比较平坦，光的入射角比较小，且氮化镓和衬底的折射率相差不大，导致反射率低，大部分光会从衬底中逸出，不能有效反射回到外延层，大大降低了氮化镓基发光二极管的出光效率，尤其是碳化硅作为氮化镓基蓝绿光发光二极管的衬底时，由于碳化硅的折射系数与氮化镓相当，因此，光从外延层逸出到衬底的几率很大。

为了提高氮化镓基发光二极管的出光效率，已有多项研究工作围绕图形化衬底展开，主要是通过蚀刻蓝宝石，制作图形化衬底。例如公开号为1020080087406的韩国专利，在蓝宝石衬底上制作半球形的掩膜，在刻蚀蓝宝石得到半球形的图案，上述方法虽然部分较少了外延缺陷和提高了出光效率，但仍然存在如下缺点：

1、由于蓝宝石的折射率为1.8，同氮化镓的折射率比较接近，当光从外延层进入图形化衬底时，反射率提高不明显，对于氮化镓基发光二极管出光率的改善达不到预期效果。

2、由于蓝宝石衬底比较坚硬，制作图形化的过程对设备和工艺要求很高，特别是蓝宝石的干法刻蚀，需要精度较高的刻蚀设备，而采用湿法刻蚀需要在高温下使用强酸，制作过程难控制，从而导致成品率低，增加了生产成本。

发明内容

本发明为解决现有技术中发光二极管的发光效率不高的技术问题，提供一种衬底、具有该衬底的LED外延片、芯片及发光装置。

本发明实施例是这样实现的：

一种衬底，包括基体，所述基体具有用于生长LED外延片的第一面，所述衬底还包括图形化的反射层，所述反射层包括相互连接的第一镀层和第二镀层，所述第一镀层为高折射率介质层与低折射率介质层交替层叠形成的多介质层，所述第二镀层为折射率小于1.5的介质层且第二镀层的光学厚度大于等于一个所述LED外延片产生的光的平均波长。

一种LED外延片，包括外延层，所述外延层包括两不同类型的半导体层和位于所述两半导体层中间的发光层，所述LED外延片还包括上述衬底，所述外延层位于所述衬底的反射层和基体的第一面上。

一种LED芯片，由具有第一电极和第二电极的上述LED外延片经过切割、崩裂制备得到，所述第一电极和第二电极分别与两不同类型的半导体层电连接。

一种发光装置，包括碗杯、胶体和上述LED芯片，所述LED芯片通过胶体固定在碗杯中。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明的衬底是在基体上形成具有图形化的反射层，该图形化的反射层可以提升形成于该衬底上的外延层的晶体质量，同时本发明提出该反射层的结构，能实现从外延或芯片的发光层中发出的射向衬底的入射角度在0度至23度之间以及36度至90度之间的光线接近100％反射，而对入射角在23度至36度之间的光线具有高反射率。因此，本发明提供的衬底提高了形成于该衬底上的外延片或者芯片的出光效率。

附图说明

图1是本发明实施例的衬底结构示意图；

图2是本发明实施例的衬底立体图；

图3是本发明实施例的一衬底俯视图；

图4是本发明实施例的另一衬底俯视图；

图5是本发明实施例的LED外延片结构示意图；

图6是本发明实施例的LED芯片结构示意图；

图7A是本发明实施例的LED芯片的俯视图；

图7B是本发明实施例的LED芯片的外延结构侧壁的横截面轮廓示意图；

图8是本发明实施例的发光装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

众所周知，在发光二极管(LED)中生产和制造过程中，衬底对LED的影响是很大的，会影响到LED外延片的晶体质量，也会影响到LED外延片的光的取出，也就是说会影响到LED的内量子和外量子效率。本发明实施例的提供新型衬底，能有效地改善LED的内量子和外量子效率。

图1是本发明实施例的衬底结构示意图。图2是本发明实施例的衬底立体图。图3是本发明实施例的一衬底俯视图。图4是本发明实施例的另一衬底俯视图。图5是本发明实施例的LED外延片结构示意图。图6是本发明实施例的LED芯片结构示意图。图7A是本发明实施例的LED芯片的俯视图。图7B是本发明实施例的LED芯片的外延结构侧壁的横截面轮廓示意图。图8是本发明实施例的发光装置结构不意图。

参照图1，本发明实施例的衬底100，包括一基体110和位于基体110上的反射层120。

该基体110的材料为蓝宝石、碳化硅、硅等现有的LED衬底中的一种，本发明优选该基体110的材料为蓝宝石。该基体110的形状可以为任意形状，例如，圆形、方形等。本实施例优选该基体110为一圆形平面板。该基体110具有用于生长外延的第一面和与第一面相对的第二面。

该反射层120是复合的薄膜或者膜层，不是由一层介质层组成，而是由多层介质层组成。该反射层120形成于该基体110的第一面上。与一般现有的反射膜层不一样，本实施例的反射层120是图形化的，该基体110的部分会从该反射层120露出。也就是说，俯视该反射层120时，看到该反射层120顶部所在的面不是一完整连续的面，而是中间具有一定图形的面。该图形是中间部分被除去了而形成的镂空结构图形。该镂空结构图形可以是分立岛状体，也可以是连接在一起的图案。前者实现该基体110的露出部分是具有连续结构，后者实现该基体110的露出部分是具有若干分立的岛状体。

请参照图4，该反射层120是分立的岛状体结构，该分立的岛状体之间露出该基体110。该分立的岛状体结构的岛状体的形状是任意的，例如圆柱体，长方体，上半部分为球冠状下半部分为圆柱体等等。俯视该岛状体结构时，该岛状体的形状可以是圆形的，也可以多边形的。在这种结构的衬底上生长外延晶体时，可以减少外延晶体的晶格缺陷(例如，位错)的数量，能将缺陷密度降低一至两个数量级。

请参照图3，该反射层120是具有连续结构的，是网状结构的，也就是说，该反射层120为具有若干通孔123的面状膜层，该面状膜层的反光效果要比分立岛状体结构的反射层的反射效果好。在一般的网状结构中，其网格眼就是本发明实施例所说的通孔123。该通孔123的形状是任意的，并不用于限定本发明。在这种结构的衬底上生长外延晶体时，可以减少外延晶体的晶格缺陷的数量，能将缺陷密度降低一至两个数量级。

请参照图2，提出本实施例优选的反射层120的结构，此结构为网状结构的一种变形。该反射层120是具有通孔123的一面状膜层，该通孔123的面积比反射层的面积要少。这种结构是这样实现的：首先在基体110上通过磁控溅射或者蒸镀的方法形成本发明所提出的反射膜层(此时，反射膜层为一完整反射膜层)，然后通过掩膜刻蚀技术，在完整反射膜层中规则地挖掉一些材料形成通孔，进而制成我们需要的结构。该通孔123的横截面的形状可以是任意的，本实施例优选为椭圆形。

将该衬底100用于制成LED外延片或者芯片时，该LED外延片或者芯片发出的射向该衬底100的光被该反射层120反射回去从LED外延片或者芯片的正向出射，降低了衬底部分出光量。同时，该反射层120的存在会改变光线在外延片或者芯片中的传播路径，使原本无法出射的光线，改变角度后可以射出，因此，可以显著地提高LED外延片或者芯片的出光效率。

再参考图1，本发明实施例的反射层120包括依次形成于该基体110第一面上的第一镀层121和第二镀层122，所述第一镀层121为高折射率介质层与低折射率介质层交替层叠形成的多介质层，所述第二镀层122为折射率小于1.5的介质层且第二镀层122的光学厚度大于等于一个所述LED外延片产生的光的平均波长。所谓光学厚度一般为膜层的物理厚度乘以其折射率。

若反射层120是面状膜层时，如图2所示，该第一镀层121和第二镀层122的位置可以互换，实现同样的效果。

若反射层120是分立岛状结构时，如图4所示，第一镀层121与第二镀层122的形状一致时，该第一镀层121和第二镀层122的位置也可以互换。但是，当分立岛状结构是上半部分为球冠状下半部分为圆柱体时，该第一镀层121和第二镀层122的位置是不允许互换的，因为第一镀层多层介质层不容易实现上述结构。

本实施例以平均波长为450纳米的蓝光LED为例，进行说明。本发明实施例的第二镀层122的厚度要大于450纳米。为了使反射效果更好，本实施例优选该第二镀层122的光学厚度在1-6平均波长范围内，也就是该第二镀层122的光学厚度在450纳米到2.70微米之间。本实例的第二镀层122的材料优选氧化硅和氟化镁中的一种。可以采用PVD或CVD或蒸镀等方法制备。该第二镀层可以使从外延或者芯片中射向衬底的入射角在36-90度范围内的光线接近100％反射。入射角定义为入射光线与衬底及镀层的法线的夹角。

本实施例的第一镀层121具有高折射率介质层和低折射率介质层。该高折射率介质层的折射率为2.0～2.5，该低折射率介质层的折射率为小于1.5。该高折射率介质层的材料为氧化钛(TiO2)、氧化铈(CeO2)等，本实施例优选为氧化钛。该低折射率介质层的材料为氧化硅(SiO2)、氟化镁(MgF2)等，本实施例优选为氧化硅。可以采用PVD或CVD或蒸镀等方法制备。如果以一个高、低折射率介质层为一个单元，则该第一镀层121中具有的这样单元的数量是2到25个，本实施例优选该数量是2～15个，既可以节省制作工序，又可以达到预期效果。特别要指出的是，每个单元中的高折射率介质层的厚度和低折射率介质层的厚度并不是一个定值，以不同厚度的高折射率介质层和低折射率介质层组合达到对出射光的高反射率。该第一镀层121可以使从外延或者芯片中射向衬底的入射角在0-23度之间的光线接近100％反射，同时该第一镀层121对入射角23-36度之间的光线具有较高的反射率。

本实施例的图形化的反射层，通过第一镀层和第二镀层的结合共同作用，可以使从外延发光层射向衬底的光线，入射角在0-23度以及36-90度范围内的光线接近100％反射，入射角在23-36度之间的光线高反射。现实应用本发明实施例的衬底的芯片或者外延片的出光效率得到显著提高。

进一步为了提高本发明实施例的衬底具有更好的反射效果，优选在该基体110的第二面上形成有金属反射膜300(图5中所示)。该金属反射膜300的材料可以为金属银等常用反射金属材料。该金属反射膜300可以与反射层120进行耦合，反射出更多的光效，进一步提高了出光效率。

进一步，为了提高出光效率，优选所述金属反射膜与所述基体之间还具有一折射率为1.2～1.5的介质层。该介质层的材料和厚度与第二镀层122一致。

本发明实施例的反射层是通过如下步骤实现的：

步骤一、在提供的蓝宝石基体110的第一面生长高折射率介质层、低折射率介质层交替的多层介质层，作为第一镀层121，第一镀层121的作用对从外延或芯片发光层中射向衬底的入射角度在0-23度之间光线接近100％反射，对射角度23-36度之间的光线具有较高的反射率。

本步骤中，高折射率介质层的材料为TiO2，低折射率介质层的材料为SiO2。在基体110上通过旋转坩埚，改变镀膜材料的方式，依次沉积TiO2和SiO2交替的周期结构，先沉积高折射率介质TiO2，后沉积低折射率介质SiO2。沉积条件为：衬底加热温度为150摄氏度，真空度为5.0*10-3帕斯卡，沉积速率3埃每秒，较低的沉积速率便于精确控制各层薄膜的厚度，晶振片在线监控沉积速率。本步骤中，高低折射率交替的多层介质的层数范围是4层到30层。如果以一个高低折射率介质层为一个单元，该单元的数量为2到15个。

本步骤中，第一镀层121的总厚度范围是200纳米到5000纳米。

步骤二，在第一镀层121上面生长折射率低于1.5的透明介质氧化硅作为第二镀层122，用于使从外延或者芯片中射向衬底的入射角在36-90度范围内的光线接近100％反射。

本步骤中，加热温度为150摄氏度，真空度为5.0*10-3帕斯卡，生长方法是电子束蒸发，蒸发速率6埃每秒，晶振片在线监控沉积速率，沉积的第二镀层122膜层厚度为1220纳米；该第二镀层122的光学厚度的范围是1到6个LED出射光的平均波长。

参照图5，本发明实施例，还提供一种LED外延片。该外延片包括外延层200，所述外延层200包括两不同类型的半导体层和位于所述两半导体层中间的发光层。所述LED外延片还包括上述衬底100，所述外延层200位于该衬底100的反射层120和基体110的第一面上。所述两不同类型的半导体层中一个为直接位于衬底100上面的N型氮化镓半导体层210，另一个为P型氮化镓半导体层230。所述发光层为氮化铟镓/氮化镓多量子阱层220。本发明实施例的外延层200的可以通过MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相淀积)工艺制备得到。

参照图6，本发明实施例，还提供一种LED芯片。该芯片由具有第一电极和第二电极的上述的LED外延片经过切割、崩裂制备得到，所述第一电极和第二电极分别与两不同类型的半导体层电连接。该LED芯片包括第一电极410(相当于该LED芯片的负极)、第二电极420(相当于该LED芯片的正极)和由上述LED外延片经过切割、崩裂得到外延结构(包括外延层和衬底)，该第一电极410位于该外延结构的N型氮化镓半导体层210上并与之电连接，该第二电极420位于该外延结构的P型氮化镓半导体层230上并与之电连接。该第一电极410和第二电极420的材料优选为金属镍或者金属金。为了增加电流均匀性，优选在P型氮化镓半导体层与第二电极420之间增加一透明导电层，该透明导电层的材料为ITO(氧化铟锡)。在制作第一电极410时，需要将部分外延层刻蚀掉，露出N型氮化镓层210，然后在该露出的N型氮化镓层210上形成第一电极410。

参照图7A和图7B，为了进一步提高LED芯片的出光效率，优选该LED芯片中的外延结构的侧壁横截面的轮廓为三角函数型形状，这样LED芯片中发光层发出的光到达这样的侧壁时发生不容易发生全反射，更容射出，并且这种设计增加侧壁的周长，进一步增加了出射光的通道，进一步提高了出光效率。当然，在本精神下的其他等效实现方式也应在本专利的保护范围内，例如，针对外延层的侧壁进行打磨成其他凹凸不平的形状。

需要说明的是，制作波浪型侧壁的过程可以在制作外延时实施，也可以在制作芯片的时候实施。因此，该波浪型侧壁可以出现在外延片中。

参照图8，本发明实施例，还提供一种发光装置。该发光装置包括碗杯2、胶体6和上述LED芯片1，所述LED芯片1通过胶体6固定在碗杯2中。该发光装置还包括金线3、第一引出电极4和第二引出电极5，该第一引出电极4通过金线3与LED芯片1中的任一电极(第一电极或者第二电极)相连接，该第二引出电极5通过金线3与剩下的电极电连接。若本实施例的LED芯片1的衬底上具有金属层时，该金属层和反射层共同作用，显著提高该发光装置的出光效率。若本实施例的LED芯片1的衬底没有金属层时，在碗杯2内的固晶处形成一反光层(例如，金属银)，该反光层与芯片和碗杯间的胶体共同作用，也可以实现上述效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种衬底，包括基体，所述基体具有用于生长LED外延片的第一面，其特征在于，所述衬底还包括图形化的反射层，所述反射层包括相互连接的第一镀层和第二镀层，所述第一镀层为高折射率介质层与低折射率介质层交替层叠形成的多介质层，所述第二镀层为折射率小于1.5的介质层且第二镀层的光学厚度大于等于一个所述LED外延片产生的光的平均波长。

2.如权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述第二镀层的光学厚度为大于1个所述波长且小于6个所述平均波长。

3.如权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述第一镀层中高折射率介质层的折射率范围是2.0～2.5，低折射率介质层的折射率范围是1.2～1.5。

4.如权利要求3所述的衬底，其特征在于，所述第一镀层中一个高折射率介质层与相邻的一个低折射率介质层为一个单元，该第一镀层中具有的所述单元的数量范围为2～15个。

5.如权利要求3所述的衬底，其特征在于，所述高折射率介质层的材料为氧化钛，所述低折射率介质层的材料为氧化硅或者氟化镁，所述第二镀层的材料为氧化硅或者氟化镁。

6.如权利要求1-5任一项所述的衬底，其特征在于，所述反射层为具有若干通孔的面状膜层。

7.如权利要求1-5任一项所述的衬底，其特征在于，所述反射层为分立岛状结构。

8.如权利要求1-5任一项所述的衬底，其特征在于，在所述基体的与第一面相对的第二面上形成有金属反射膜。

9.如权利要求8所述的衬底，其特征在于，所述金属反射膜与所述基体之间还具有一折射率为1.2～1.5的介质层。

10.一种LED外延片，包括外延层，所述外延层包括两不同类型的半导体层和位于所述两半导体层中间的发光层，其特征在于，所述LED外延片还包括权利要求1-9任一项所述衬底，所述外延层位于所述衬底的反射层和基体的第一面上。

11.如权利要求10所述LED外延片，其特征在于，所述外延层的侧壁横截面的轮廓为三角函数型形状。

12.一种LED芯片，其特征在于，由具有第一电极和第二电极的权利要求10或者11所述的LED外延片经过切割、崩裂制备得到，所述第一电极和第二电极分别与两不同类型的半导体层电连接。

13.一种发光装置，其特征在于，包括碗杯、胶体和权利要求10所述LED芯片，所述LED芯片通过胶体固定在碗杯中。

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