CN102447026B - 发光二极管磊晶结构 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管磊晶结构，包括一个硅基板、一个布拉格反射层以及一个半导体结构层。所述硅基板具有一个顶面，所述布拉格反射层形成在所述硅基板的顶面上。所述布拉格反射层上透过一个磊晶连接层连接所述半导体结构层。所述半导体结构层与硅基板之间形成有多个孔隙。本发明的布拉格反射层能反射所述半导体结构层射向所述硅基板的光线，提高所述发光二极管磊晶的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种磊晶结构，特别是指一种发光二极管的磊晶结构。
背景技术
发光二极管凭借其高光效、低能耗、无污染等优点，已被应用于越来越多的场合之中，大有取代传统光源的趋势。
现有以三族氮化合物为材料的发光二极管芯片通常是由一蓝宝石基板及生长在蓝宝石基板上的三族氮化合物发光结构所构成的。然而此种结构的芯片由于蓝宝石导热性较差，导致整体散热不佳，容易影响芯片工作的寿命。因此目前部分发光二极管芯片是采用硅基板来生长三族氮化合物发光结构，利用硅基板的高热传导率来提升芯片的散热性能。然而，由于所述硅基板具有的能隙关系，会吸收由发光二极管射向所述硅基板的光线，影响所述发光二极管的发光效率。为同时解决这散热与发光效率的问题，已有在所述硅基板的发光二极管结构中增加一个使用氮化铝或氮化镓(AlN/GaN)多层膜形成的布拉格反射层(distributed Bragg reflector,DBR)，用以反射射向所述硅基板的光线增加发光效率。但是，所述布拉格反射层的多层膜容易因为累积应力及热膨胀系数差异过大而造成裂痕(cracking)，为防止所述裂痕产生虽可以减少该多层膜的膜层数方式达到，但却也因而降低了光的反射效果，无法同时达到散热性能与发光效能均佳的状态。
发明内容
有鉴于此有必要提供一种散热性及发光效率均优良的发光二极管磊晶结构。
一种发光二极管磊晶结构，包括一个硅基板、一个布拉格反射层以及一个半导体结构层。所述硅基板具有一个顶面，所述布拉格反射层形成在所述硅基板的顶面上。所述布拉格反射层上透过一个磊晶连接层连接所述半导体结构层。所述半导体结构层与硅基板之间形成有多个孔隙，所述孔隙在所述硅基板的顶面上设置，所述孔隙位置具有一个阻隔层，所述阻隔层局部分布在所述磊晶连接层图型化的空隙间，使所述布拉格反射层与所述磊晶连接层维持其膜层的完整性。
相较于现有技术，本发明硅基板具有良好的散热性，同时在所述硅基板顶面上具有布拉格反射层直接反射射向所述硅基板的光线增加发光效率。再者，硅基板与半导体结构层之间形成有多个分离的孔隙，这些孔隙可以防止所述三族氮化合物磊晶结构产生裂痕，从而确保发光二极管磊晶结构具有良好的使用效能。
附图说明
图1为本发明发光二极管磊晶结构的第一实施方式剖视图。
图2为本发明发光二极管磊晶结构的第二实施方式剖视图。
图3为本发明发光二极管磊晶结构的第三实施方式剖视图。
图4为本发明发光二极管磊晶结构的第四实施方式剖视图。
主要元件符号说明
| 发光二极管磊晶结构 | 10、20、30、40 |
| 硅基板 | 12、22、32、42 |
| 顶面 | 122、222、422 |
| 底面 | 124、324、424 |
| 布拉格反射层 | 14、24、34、44 |
| 半导体结构层 | 16、26、36、46 |
| 磊晶连接层 | 18、28、38、48 |
| 孔隙 | 100、200、300、400 |
| 阻隔层 | 102、202、302、402 |
| 沟槽 | 204、404 |
| 通道 | 304、426 |
| 电气材料 | 306、406 |
| 沟槽间距 | D |
具体实施方式
下面参照附图，结合具体实施方式对本发明作进一步的描述。
请参阅图1，为本发明发光二极管磊晶结构的第一实施方式剖视图。所述发光二极管磊晶结构10，包括一个硅基板12、一个布拉格反射层14以及一个半导体结构层16。所述硅基板12具有一个顶面122以及一个底面124，具有良好的散热性能。所述硅基板12的顶面122上形成有所述布拉格反射层14。所述布拉格反射层14为一个氧化物布拉格反射层14，能将所述半导体结构层16射向所述硅基板12的光线反射，从而提高所述发光二极管磊晶结构10的发光效率。所述氧化物布拉格反射层14为多层膜。所述氧化物布拉格反射层14使用的材料如Ta2O5/SiO2、TiO2/SiO2、SiO2/HfO2等。所述布拉格反射层14上形成具有一个磊晶连接层18。所述磊晶连接层18为一个介质层提供所述半导体结构层16的生长成形。所述布拉格反射层14将透过所述磊晶连接层18连接所述半导体结构层16。所述半导体结构层16为III族氮化合物半导体。本实施方式中，所述磊晶连接层18是以一连续性的铝薄膜上形成图型化的光阻层，再蚀刻该铝薄膜到达所述硅基板12的顶面122，然后去除所述图型化的光阻层，进行氧化或氮化形成所述图型化的磊晶连接层18。所述磊晶连接层18为氧化铝或氮化铝薄膜层。优选地，所述磊晶连接层18的材料为Al2O3金属氧化物材料。所述磊晶连接层18还可通过热蒸镀法(Thermal Evaporation;TE)、电子束蒸镀法(E-beam Evaporation;EBE)、离子溅镀法(Ion beam Sputter;IBS)、化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)及电镀法形成于所述布拉格反射层14上。
另外，所述半导体结构层16与硅基板12之间形成有多个孔隙100。所述孔隙100是在所述硅基板12的顶面122上设置。所述硅基板12的顶面122上在所述孔隙100的位置具有一个阻隔层102。所述阻隔层102局部分布在所述磊晶连接层18图型化的空隙间。所述阻隔层102的局部分布，使所述布拉格反射层14与所述磊晶连接层18维持其膜层的完整性。所述阻隔层102上方空间具有的所述半导体结构层16以横向成长的方式覆盖所述阻隔层102顶端空间。所述阻隔层102的宽度小于所述半导体结构层16的厚度时，所述阻隔层102的顶端被所述半导体结构层16覆盖形成封闭构型的孔隙100。优选地，所述阻隔层102的宽度小于所述半导体结构层16的2倍厚度时，所述孔隙100封闭构型的顶端呈锥形并深入到所述半导体结构层16内部。
所述半导体结构层16与硅基板12之间具有的多个孔隙100，使所述发光二极管磊晶结构10，包括所述多层膜的布拉格反射层14、磊晶连接层18，对于热膨胀系数差异而出现的累积应力可被这些孔隙100所吸收，从而确保所述发光二极管磊晶结构10的完整性，使所述硅基板12可发挥良好的散热性，所述多层膜的布拉格反射层14也能完全反射光线，因此可以提高所述发光二极管磊晶结构10的发光效率。
请参阅图2，为本发明发光二极管磊晶结构的第二实施方式剖视图。所述发光二极管磊晶结构20，包括一个硅基板22、一个布拉格反射层24以及一个半导体结构层26。此外，所述布拉格反射层24上形成具有一个磊晶连接层28，所述半导体结构层26与硅基板22之间形成有多个孔隙200以及所述孔隙200的位置处具有一个阻隔层202等构造均与所述的第一实施方式的发光二极管磊晶结构10相同。差异在于所述孔隙200的分布与构型。
所述孔隙200是在所述硅基板22的顶面222上设置。所述孔隙200位置处具有一个阻隔层202。所述阻隔层202区隔分布在所述磊晶连接层28图型化的空间内。所述阻隔层202的区隔分布使所述布拉格反射层24与所述磊晶连接层28具有断开的空间。所述阻隔层202的宽度与所述半导体结构层26的厚度配合可以控制所述孔隙200顶端空间的构型。本第二实施方式的所述阻隔层202宽度大于所述半导体结构层26的厚度，使所述阻隔层202的顶端空间为开口构型的所述孔隙200。优选地，所述阻隔层202的宽度大于所述半导体结构层26的3倍厚度。所述阻隔层202顶端的开口构型的所述孔隙200，在所述半导体结构层26上形成网状的沟槽204构型。所述相邻沟槽204之间的间距D，等同于单一发光二极管芯片的边长尺寸，有利于所述发光二极管磊晶结构20的分割作业，同时也具有良好的散热性与发光效率。
请参阅图3，为本发明发光二极管磊晶结构的第三实施方式剖视图。所述发光二极管磊晶结构30，包括一个硅基板32、一个布拉格反射层34以及一个半导体结构层36。此外，所述布拉格反射层34上形成具有一个磊晶连接层38，所述半导体结构层36与硅基板32之间形成有多个孔隙300以及所述孔隙300的顶部呈锥形并深入到所述半导体结构层36内部等构造均与所述的第一实施方式的发光二极管磊晶结构10相同。差异在于所述孔隙300在所述硅基板32底面324的构型。
所述孔隙300的顶部深入到所述半导体结构层36内部，所述半导体结构层36内部是为半导体结构层36的N型III族氮化物半导体。所述孔隙300与所述硅基板32底面324的相对位置处，以微影黄光蚀刻方式去除在该位置上的所述硅基板32以及阻隔层302(图中未标示)，从而使所述硅基板32底面324与所述半导体结构层36间具有相通的通道304。所述通道304内具有电气材料306设置。所述电气材料306使所述半导体结构层36的N型III族氮化物半导体与所述N型硅基板32电性连接。所述电性连接的N型III族氮化物半导体与所述N型硅基板32，形成一个垂直导通的所述发光二极管磊晶结构30。
请参阅图4，为本发明发光二极管磊晶结构的第四实施方式剖视图。所述发光二极管磊晶结构40，包括一个硅基板42、一个布拉格反射层44以及一个半导体结构层46。此外，所述布拉格反射层44上形成具有一个磊晶连接层48，所述半导体结构层46与硅基板42之间形成有多个孔隙400以及所述孔隙400的顶部呈锥形并深入到所述半导体结构层46内部等构造均与所述的第一实施方式的发光二极管磊晶结构10相同。差异在于同时具有第二实施方式以及第三实施方式的所述孔隙200、300构型在所述硅基板42上。
所述孔隙400具有不同宽度的所述阻隔层402。所述不同宽度的阻隔层402是以大于或小于所述半导体结构层46的厚度为区别。优选地，所述不同宽度的阻隔层402是以大于或小于所述半导体结构层46的2倍厚度。所述阻隔层402宽度大于所述半导体结构层46的厚度时，所述阻隔层402的顶端空间为开口构型，如第二实施方式，所述孔隙400形成沟槽404构型。所述阻隔层402(图中虚线标示)宽度小于所述半导体结构层46的厚度时，如第三实施方式，所述孔隙400的顶部深入到所述半导体结构层46内部，所述孔隙400与所述硅基板42底面424的相对位置间具有相通的通道426(此通道426处宽度小于所述半导体结构层46厚度的所述阻隔层402被移除)。所述通道404内具有电气材料406设置。所述电气材料406使所述半导体结构层46的N型III族氮化物半导体与所述N型硅基板42电性连接。本实施方式中，所述不同宽度的阻隔层402是以交错排列方式分布于所述硅基板42的顶面422上。所述不同宽度的阻隔层402在所述硅基板42上的设置，形成不同的所述孔隙400构型，便于制造单颗垂直式所述发光二极管磊晶结构40。
综上，本发明发光二极管磊晶结构的布拉格反射层14、24、34、44在所述硅基板12、22、32、42上形成，可直接反射所述半导体结构层16、26、36、46射向所述硅基板12、22、32、42的光线，并且所述布拉格反射层14、24、34、44及所述半导体结构层16、26、36、46结构不会有裂痕产生，能同时解决目前发光二极管磊晶结构使用上在散热性能与发光效率较难兼顾的问题。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (13)
1.一种发光二极管磊晶结构，包括一个硅基板、一个布拉格反射层以及一个半导体结构层，所述硅基板具有一个顶面，所述布拉格反射层形成在所述硅基板的顶面上，所述布拉格反射层透过一个磊晶连接层连接所述半导体结构层，所述半导体结构层与硅基板之间形成有多个孔隙，所述孔隙在所述硅基板的顶面上设置，所述孔隙位置具有一个阻隔层，所述阻隔层局部分布在所述磊晶连接层图型化的空隙间，使所述布拉格反射层与所述磊晶连接层维持其膜层的完整性。
2.如权利要求1所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述布拉格反射层为多层膜的一个氧化物布拉格反射层。
3.如权利要求2所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述布拉格反射层使用的材料为Ta2O5/SiO2、TiO2/SiO2、SiO2/HfO2的其中一种。
4.如权利要求1所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述磊晶连接层形成在所述布拉格反射层上，为氧化铝或氮化铝薄膜层。
5.如权利要求4所述的发光二极管磊晶结构所述，其特征在于：所述氧化铝薄膜层的材料为Al2O3金属氧化物材料。
6.如权利要求1所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述阻隔层区隔分布在所述磊晶连接层图型化的空间内，使所述布拉格反射层与所述磊晶连接层具有断开的空间。
7.如权利要求1所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述阻隔层的宽度小于所述半导体结构层的厚度，所述阻隔层的顶端被所述半导体结构层覆盖形成封闭构型的孔隙。
8.如权利要求7所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述阻隔层的宽度小于所述半导体结构层的2倍厚度，所述封闭构型的孔隙顶端呈锥形并深入到所述半导体结构层内部。
9.如权利要求1所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述阻隔层的宽度大于所述半导体结构层的厚度，所述阻隔层的顶端空间为开口构型的所述孔隙。
10.如权利要求9所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述阻隔层的宽度大于所述半导体结构层的3倍厚度，所述开口构型的孔隙，在所述半导体结构层上形成网状的沟槽构型，所述沟槽相邻之间的间距，等同于单一发光二极管芯片的边长。
11.如权利要求1所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述孔隙在与所述硅基板的底面相对位置间具有相通的通道，所述通道内具有电气材料，所述电气材料使所述半导体结构层的N型III族氮化物半导体与所述硅基板电性连接。
12.如权利要求1所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述孔隙具有不同宽度的所述阻隔层，所述不同宽度的阻隔层是以大于或小于所述半导体结构层的厚度为区别，所述不同宽度的阻隔层以交错排列方式分布于所述硅基板的顶面上。
13.如权利要求12所述的发光二极管磊晶结构，其特征在于：所述不同宽度的阻隔层是以大于或小于所述半导体结构层的2倍厚度为区别。
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