CN102280548A - 发光二极管结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管领域。发光二极管结构是：衬底下表面具有第一电极，外延结构形成于衬底的上表面，外延结构分别为反射层、N型限制层、有源层、P型限制层、电流扩展层，第二电极形成于电流扩展层之上。其中，所述的反射层是由3组以上布拉格反射系统组成，每组布拉格反射系统中由3对以上的低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层组成，每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的折射率自衬底以上每组依次是阶梯式递减。制造如上述发光二极管结构的方法，包括步骤：A，构建一衬底；B，在衬底上表面形成反射层；C，在反射层上分别外延出N型限制层、有源层、P型限制层、电流扩展层；D，在衬底底面和外延层的上表面分别形成第一电极和第二电极；E，进行切割。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED, Light Emitting Diode）领域，在IPC分类中可归属于H01L33/00。
背景技术
发光二极管（LED）由于其低功耗、尺寸小和可靠性高而作为主要的光源得到迅猛的发展。特别近年来发光二极管的利用领域正在迅速的扩展，对亮度更高、发光效率更好的发光二极管要求提高。
目前改善红黄光发光二极管的发光效率主要在于外量子效率，单独通过外延层的改变而提高外量子效率是最经济的。而布拉格反射层是作为一种有效的提高外量子效率的途径。
中国发明专利CN 101859860A 公开了一种具有双反射层的铝镓铟磷系发光二极管及其制备方法，其形成开口结构于分布布拉格反射层中，使反射层呈网格状分布并暴露出外延层顶面的一部分；形成金属层设置于反射层与外延层的顶面暴露部分上，并填满上述开口结构。选择一永久基板与金属层粘合；除去临时基板；分别在外延层底面、永久基板顶面形成第一电极、第二电极。此种双反射层虽然能更有效地反射各种角度的有源层的光，但由于芯片工艺比较复杂，成本比较高，所以在产品的生产上不实用。
中国发明专利CN 1567603A公开一种具有至少两套布拉格反射体的发光二极管外延结构，其中一套布拉格反射谱覆盖发光二极管辐射光，另一套布拉格反射体在经过氧化后反射谱覆盖发光二极管辐射光。此种双反射层虽然也能有效地提高反射率及及其出光效率，但是提升出光效率很有限，并且增加了芯片的工艺和成本。
发明内容
因此，本发明提出一种工艺和成本均较为合适的发光二极管结构及其制造方法，可以使得反射层的反射率和反射谱宽度得到提高，能有效提高发光二极管的外量子效率。
本发明的技术方案是：
发光二极管结构：衬底下表面具有第一电极，外延结构形成于衬底的上表面，外延结构是由多层三五族半导体化合物构成的，分别为反射层、N型限制层、有源层、P型限制层、电流扩展层，第二电极形成于电流扩展层之上。其中，所述的反射层是由3组以上布拉格反射系统组成，每组布拉格反射系统中由3对以上的低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层组成，同一组布拉格反射系统中每对布拉格反射层中的高折射率材料层均是相同的，所有的布拉格反射系统的布拉格反射层中的低折射率材料层都是相同的，且每对布拉格反射层中的低折射率材料层、高折射率材料层还须满足：
低折射率材料层的膜厚度D1=（2k+1）λ/（4n1），其中k为≥0的正整数；
高折射率的材料层的膜厚度D2=（2k+1）λ/（4n2），其中k为≥0的正整数；
λ：需要反射光的波长（单位nm）；
n1、n2：材料层相对应需要反射的光的折射率，且n1<n2；
此外，每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的折射率自衬底以上每组依次是阶梯式递减。采用这种折射率阶梯式递减的布拉格反射系统，由于最上面一组布拉格反射层高折射率材料其禁带宽度较下面组布拉格反射层大，能有效地减少了布拉格反射层对有源层发出的小角度光的吸收。使得较多的小角度光在顶层被反射。
进一步的，所述的低折射率材料层的材料选自AlyGa1-yAs或（AlyGa1-y）0.5In0.5P，且1≥y>0.6；所述的高折射率的材料层的材料选自AlxGa1-xAs或（AlxGa1-x）0.5In0.5P，且0.6≥x≥0。
更进一步的，所述的每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的数值x自衬底以上每组依次是阶梯式递减0.01以上。
制造如上所述的发光二极管结构的方法，包括步骤：
A，构建一衬底；
B，在衬底上表面形成由3组以上布拉格反射系统组成的反射层，每组布拉格反射系统中由3对以上的低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层组成，同一组布拉格反射系统中每对布拉格反射层中的高折射率材料层均是相同的，所有的布拉格反射系统的布拉格反射层中的低折射率材料层都是相同的，且每对布拉格反射层中的低折射率材料层、高折射率材料层还须满足：
低折射率材料层的膜厚度D1=（2k+1）λ/（4n1），其中k为≥0的正整数；
高折射率的材料层的膜厚度D2=（2k+1）λ/（4n2），其中k为≥0的正整数；
λ：需要反射光的波长（单位nm）；
n1、n2：材料层相对应需要反射的光的折射率，且n1<n2；
此外，每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的折射率自衬底以上每组依次是阶梯式递减；
C，在反射层上分别外延出N型限制层、有源层、P型限制层、电流扩展层；
D，在衬底底面和外延层的上表面分别形成第一电极和第二电极；
E，进行切割。
进一步的，所述的步骤B中低折射率材料层的材料选自AlyGa1-yAs或（AlyGa1-y）0.5In0.5P，且1≥y>0.6；高折射率的材料层的材料选自AlxGa1-xAs或（AlxGa1-x）0.5In0.5P，且0.6≥x≥0。
更进一步的，所述的每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的数值x自衬底以上每组依次是阶梯式递减0.01以上。
本发明提出的发光二极管的结构及其制造方法相比于已有技术，制造工艺相对较为简单易控制，生产成本也相对降低。本发明制造的发光二极管可以使得反射层的反射率和反射谱宽度得到提高，能有效提高发光二极管的外量子效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的一实施例的反射层的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参阅图1所示，发光二极管的结构是：衬底1下表面具有第一电极7，外延结构形成于衬底1的上表面，外延结构是由多层三五族半导体化合物构成的，分别为反射层2、N型限制层3、有源层4、P型限制5层、电流扩展层6，第二电极8形成于电流扩展层6之上，所述的反射层2是由3组以上布拉格反射系统组成。
参阅图2所示，一实施例的反射层是由3组布拉格反射系统组成，即第一组布拉格反射系统21、第二组布拉格反射系统22和第三组布拉格反射系统23。每组布拉格反射系统中由3对以上的低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层组成，且同一组布拉格反射系统中每对布拉格反射层中的高折射率材料层均是相同的，所有组中的布拉格反射系统的布拉格反射层中的低折射率材料层都是相同的。每组布拉格反射系统包含的低、高折射率材料层交替的布拉格反射层的对数数量可以是不同的，如本实施例中的第一组布拉格反射系统21包括4对相同的低折射率材料层11、高折射率材料层12交替的布拉格反射层21A；第二组布拉格反射系统22包括4对相同的低折射率材料层11、高折射率材料层13交替的布拉格反射层22A；第三组布拉格反射系统23包括3对相同的低折射率材料层11、高折射率材料层14交替的布拉格反射层23A。每对布拉格反射层中的低折射率材料层、高折射率材料层还须满足：低折射率材料层的膜厚度D1=（2k+1）λ/（4n1），其中k为≥0的正整数；高折射率的材料层的膜厚度D2=（2k+1）λ/（4n2），其中k为≥0的正整数；λ：需要反射光的波长（单位nm）；n1、n2：材料层相对应需要反射的光的折射率，且n1<n2。此外，每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的折射率自衬底1以上每组依次是阶梯式递减，即第一组布拉格反射系统21中4个高折射率材料层12的折射率最高，第二组布拉格反射系统22中4个高折射率材料层13的折射率次之，第三组布拉格反射系统23中3个高折射率材料层14的折射率最低。
上面的实施例仅以1个实例来说明反射层的结构，但非用以限定反射层的具体结构。本领域技术人员，可以在符合反射层的要求内，进行改变。例如，采用4组或者更多组布拉格反射系统组成反射层，每组布拉格反射系统可以是不同对的（3对以上）低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层组成，或者均是10对（或其他数值）低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层，只需满足自衬底1以上（即由下往上）的每组布拉格反射系统中的布拉格反射层中的相同高折射率材料层的折射率是阶梯式递减的。
由于材料AlnGa1-nAs（1≥n≥0）或材料（AlnGa1-n）0.5In0.5P（1≥n≥0）的具有Al组分越高，其折射率越低的特性，即x越大折射率越低。所述的低折射率材料层的材料优选选自AlyGa1-yAs或（AlyGa1-y）0.5In0.5P，且1≥y>0.6；所述的高折射率的材料层的材料优选选自AlxGa1-xAs或（AlxGa1-x）0.5In0.5P，且0.6≥x≥0。这样，布拉格反射系统中每对布拉格反射层的低、高折射率材料组合可以是AlAs/AlxGa1-xAs或AlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs或Al0.5In0.5P/（AlxGa1-x）0.5In0.5P或Al0.5In0.5P/AlxGa1-xAs或（AlyGa1-y）0.5In0.5P /AlxGa1-xAs或AlAs/（AlxGa1-x）0.5In0.5P等三五族化合物组成的6种组合方式（包括n为0时的情况）。更优选的，所述的每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的数值x自衬底以上每组依次是阶梯式递减0.01以上。即，Al组分取自0%～60%（不包括），自衬底以上的每组布拉格反射系统中的Al组分阶梯式递增大于或等于1%。
制造如上所述的发光二极管结构的方法，包括步骤：
A，构建一衬底，可以选用GaAs作为衬底；
B，在衬底上表面形成由3组以上布拉格反射系统组成的反射层，每组布拉格反射系统中由3对以上的低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层组成，布拉格反射系统中的低折射率材料层、高折射率材料层的要求和材料选择同上面的记载一致，不再赘述；
C，在反射层上分别外延出N型限制层、有源层、P型限制层、电流扩展层；
D，在衬底底面和外延层的上表面分别形成第一电极和第二电极；
E，进行切割，制得发光二极管。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.发光二极管结构，衬底下表面具有第一电极，外延结构形成于衬底的上表面，外延结构是由多层三五族半导体化合物构成的，分别为反射层、N型限制层、有源层、P型限制层、电流扩展层，第二电极形成于电流扩展层之上，其特征在于：所述的反射层是由3组以上布拉格反射系统组成，每组布拉格反射系统中由3对以上的低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层组成，同一组布拉格反射系统中每对布拉格反射层中的高折射率材料层均是相同的，所有的布拉格反射系统的布拉格反射层中的低折射率材料层都是相同的，且每对布拉格反射层中的低折射率材料层、高折射率材料层还须满足：
低折射率材料层的膜厚度D1=（2k+1）λ/（4n1），其中k为≥0的正整数；
高折射率的材料层的膜厚度D2=（2k+1）λ/（4n2），其中k为≥0的正整数；
λ：需要反射光的波长（单位nm）；
n1、n2：材料层相对应需要反射的光的折射率，且n1<n2；
此外，每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的折射率自衬底以上每组依次是阶梯式递减。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述的低折射率材料层的材料选自AlyGa1-yAs或（AlyGa1-y）0.5In0.5P，且1≥y>0.6；所述的高折射率的材料层的材料选自AlxGa1-xAs或（AlxGa1-x）0.5In0.5P，且0.6≥x≥0。
3.根据权利要求2所述的发光二极管结构，其特征在于：所述的每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的数值x自衬底以上每组依次是阶梯式递减0.01以上。
4. 制造如上权利要求1-3所述的发光二极管结构的方法，其特征在于，包括步骤：
A，构建一衬底；
B，在衬底上表面形成由3组以上布拉格反射系统组成的反射层，每组布拉格反射系统中由3对以上的低折射率材料层、高折射率材料层交替的布拉格反射层组成，同一组布拉格反射系统中每对布拉格反射层中的高折射率材料层均是相同的，所有的布拉格反射系统的布拉格反射层中的低折射率材料层都是相同的，且每对布拉格反射层中的低折射率材料层、高折射率材料层还须满足：
低折射率材料层的膜厚度D1=（2k+1）λ/（4n1），其中k为≥0的正整数；
高折射率的材料层的膜厚度D2=（2k+1）λ/（4n2），其中k为≥0的正整数；
λ：需要反射光的波长（单位nm）；
n1、n2：材料层相对应需要反射的光的折射率，且n1<n2；
此外，每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的折射率自衬底以上每组依次是阶梯式递减；
C，在反射层上分别外延出N型限制层、有源层、P型限制层、电流扩展层；
D，在衬底底面和外延层的上表面分别形成第一电极和第二电极；
E，进行切割。
5.根据权利要求4所述的发光二极管结构的方法，其特征在于：所述的步骤B中低折射率材料层的材料选自AlyGa1-yAs或（AlyGa1-y）0.5In0.5P，且1≥y>0.6；高折射率的材料层的材料选自AlxGa1-xAs或（AlxGa1-x）0.5In0.5P，且0.6≥x≥0。
6. 根据权利要求5所述的发光二极管结构的方法，其特征在于：所述的每组布拉格反射系统中布拉格反射层中的高折射率材料层的数值x自衬底以上每组依次是阶梯式递减0.01以上。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20111214 |