CN102646772A

CN102646772A - 一种具有背镀结构的发光二极管

Info

Publication number: CN102646772A
Application number: CN2012101454318A
Authority: CN
Inventors: 张�雄; 陈洪钧; 许洁; 崔一平
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明公开了一种具有背镀结构的发光二极管，包括p电极、n电极和具有非出光面与出光面的衬底，在衬底的出光面上顺序设有n型GaN层、量子阱、p型GaN层和铟锡氧化物层和钝化层，p电极位于铟锡氧化物层的上表面，n电极位于n型GaN层7的上表面，所述的衬底的非出光面上设置有布拉格反射层，该布拉格反射层由三氧化二铝层和二氧化钛层交替排列组成，且相邻的三氧化二铝层和二氧化钛层之间相互贴覆；三氧化二铝层的折射率小于二氧化钛层的折射率。该结构的发光二极管可以提高LED的光提取效率。

Description

一种具有背镀结构的发光二极管

技术领域

本发明属于半导体照明器件，具体来说，涉及一种具有背镀结构的发光二极管。

背景技术

近年来，氮化镓（化学式为GaN）基LED(发光二极管，英文全称“Light Emitting Diode”,简称“LED”)发展迅猛.以LED为核心的半导体照明光源，未来将取代白炽灯、荧光灯而成为新一代照明光源。氮化镓基LED结构如图1所示，包括p电极、量子阱、钝化层、铟锡氧化物层、p型GaN层、n电极、n型GaN层和衬底。然而，LED目前仍存在发光效率低、成本高、可靠性差等问题，并且商用白光LED的发光效率还较低，因此限制了它迈向照明以及其它应用领域的速度。

LED作为一种光源，衡量它的一个重要指标就是光电转换效率或发光效率。提高LED发光效率的两个基本出发点就是提高其内量子效率和外量子效率。LED的外量子效率 η_ex=η_in·C_ex，式中，η_in是内量子效率；C_ex是光提取效率。由于GaN基LED的光提取效率非常低，而内量子效率已经可以达到很高的水平，所以提高LED的光提取效率成为提高LED外量子效率亦即发光效率的关键。对于传统的蓝宝石衬底GaN基LED而言，造成光提取效率非常低的原因是多方面的，包括晶格缺陷对光的吸收、衬底对光的吸收、内部(重复)吸收、电极的阻挡、特别是LED发射的光线在出射过程中，由于在芯片与封装用胶之间的全反射造成的光损失等原因，以致仅有4%的光线能从LED表面出射，而大部分的光则被限制在LED内部，最终变成热损耗，从而导致极低的光提取效率。因此，如何提高LED的光提取效率是半导体照明领域中最亟待解决的研究课题之一。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有背镀结构的发光二极管，提高LED的光提取效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有背镀结构的发光二极管，包括p电极、n电极和具有非出光面与出光面的衬底，在衬底的出光面上顺序设有n型GaN层、量子阱、p型GaN层和铟锡氧化物层和钝化层，p电极位于铟锡氧化物层的上表面，n电极位于n型GaN层的上表面，所述的衬底的非出光面上设置有布拉格反射层，该布拉格反射层由三氧化二铝层和二氧化钛层交替排列组成，且相邻的三氧化二铝层和二氧化钛层之间相互贴覆；三氧化二铝层的折射率小于二氧化钛层的折射率。

所述的具有背镀结构的发光二极管，还包括金属反射层，该金属反射层位于布拉格反射层的外表面。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.LED的光提取效率高。现有技术中，仅有4%的光线能从LED表面出射，而大部分的光则被限制在LED内部，最终变成热损耗。而本发明的技术方案中，在发光二极管衬底的非出光面上设置有布拉格反射层，能够将射向芯片底部的光利用布拉格反射原理反射回上表面，布拉格反射层的反射率可达90%以上，从而提高LED外量子效率，进而提高LED的光提取效率高。

2.具有良好的导热性，有利于LED芯片的散热。本发明的技术方案中，在布拉格反射层的外表面可设置一金属反射层。金属反射层可以进一步提高反射率。另外，金属反射层具有良好的导热性，有利于LED芯片的散热。尤其对于大功率LED而言，金属反射层对改善LED的散热性具有重要价值。

附图说明

图1为现有技术中蓝宝石衬底的氮化镓基LED结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的一种改进结构示意图。

图4为图2的布拉格反射层的结构示意图，位于上方的两条箭头线表示入射光线和反射光线。

图5为图3的布拉格反射层和金属层的结构示意图，位于上方的两条箭头线表示入射光线和反射光线。

图中有：p电极1、量子阱2、钝化层3、ITO4、p型GaN层5、n电极6、n型GaN层7、衬底8、布拉格反射层9、三氧化二铝层91、二氧化钛层92、金属反射层10。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示，本发明的一种具有背镀结构的发光二极管，包括p电极1、n电极6和具有非出光面与出光面的衬底8，在衬底8的出光面上顺序设有n型GaN层7、量子阱2、p型GaN层（GaN为氮化镓的化学式）5和铟锡氧化物层4和钝化层3，p电极1位于铟锡氧化物层4的上表面，n电极6位于n型GaN层7的上表面。衬底8的非出光面上设置有布拉格反射层9。衬底8采用蓝宝石、砷化镓、碳化硅或者硅材料制成。布拉格反射层9由三氧化二铝层91和二氧化钛层92交替排列组成，且相邻的三氧化二铝层91和二氧化钛层92之间相互贴覆。三氧化二铝层91的折射率小于二氧化钛层92的折射率。也就是说，如图4所示，第一个三氧化二铝层91贴覆于衬底8的非出光面，再将第一个二氧化钛层92贴覆于第一个三氧化二铝层91的外表面，接着将第二个三氧化二铝层91贴覆于第一个二氧化钛层92的外表面，然后将第二个二氧化钛层92贴覆于第二个三氧化二铝层91的外表面，……，以此循环。当然，也可以是先将第一个二氧化钛层92贴覆于衬底8的非出光面，再将第一个三氧化二铝层91贴覆于第一个二氧化钛层92的外表面，接着将第二个二氧化钛层92贴覆于第一个三氧化二铝层91的外表面，然后将第二个三氧化二铝层91贴覆于第二个二氧化钛层92外表面，……，以此循环。布拉格反射层9中的三氧化二铝层91和二氧化钛层92的层数相同，三氧化二铝层91和二氧化钛层92各为1层—20层。也就是说，三氧化二铝层91和二氧化钛层92交替排列1次—20次，例如可以是1次，5次、8次、10次、15次、18次或者20次。三氧化二铝层91的光学厚度和二氧化钛层92的光学厚度分别为反射光波长的1/4。也即，三氧化二铝层91的光学厚度是入射光波长的1/4除以三氧化二铝层91的折射率，二氧化钛层92的光学厚度是入射光波长的1/4除以二氧化钛层92的折射率。

进一步，如图3和图5所示，所述的具有背镀结构的发光二极管还包括金属反射层10，该金属反射层10位于布拉格反射层9的外表面。在布拉格反射层9的外表面设置一金属反射层10。布拉格反射层9和金属反射层10都能提高反射率，而金属反射层10的导热性良好，所以具有良好的导热性。布拉格反射层9和金属反射层10的组合，对LED出射光的对应波段具有高反射率和良好的导热性，对改善大功率LED的散热特性具有重要价值。所述的金属反射层10的厚度在50 nm —300 nm之间。该金属反射层10由铝制成。当然，还可以选择其他金属材料，例如银。但是使用银材质时，则需在银上再镀一层金属镍防止银的硫化，或采取其它防硫化措施。

本发明在现有的发光二极管的衬底8的非出光面上增加设置布拉格反射层9，布拉格反射层9由三氧化二铝层91和二氧化钛层92两种材料交替组合而成。布拉格反射层9可将原本被芯片底部吸收的光重新反射回LED，从而可显著提高LED的出光效率。

LED的有源区发出的光是向上、下两个表面出射的，而封装好的LED是“单向”发光，因此有必要将射向芯片底部的光反射或直接出射。本发明的发光二极管中，当入射光射入后，布拉格反射层9能够将射向芯片底部的光利用布拉格反射原理反射回上表面，从而提高LED外量子效率。布拉格反射层9中的三氧化二铝层91的光学厚度和二氧化钛层92的光学厚度分别为反射光波长的1/4。布拉格反射层9是一种四分之一波长的多层结构，相当于简单的一维光子晶体。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，布拉格反射镜的反射率可达90%以上。能隙位置可以通过改变三氧化二铝层91或者二氧化钛层92的折射率或厚度来调整。

以蓝宝石衬底的氮化镓基LED结构为例，来具体说明本发明的发光二极管所具有的光提取效率高的优点。

如图2所示，发光二极管包括p电极1、量子阱2、钝化层3、铟锡氧化物层4、p型GaN层5、n电极6、n型GaN层7、衬底8、布拉格反射层9和金属反射层10。衬底8的出光面上生长n型GaN层7，n型GaN层7的上表面生长量子阱2和n电极6，量子阱2的上表面生长p型GaN层5，p型GaN层5的上表面生长铟锡氧化物层4，铟锡氧化物层4的上表面生长p电极1和钝化层3。衬底8的非出光面上生长布拉格反射层9，布拉格反射层9的外表面生长金属反射层10。布拉格反射层9是由三氧化二铝层91和二氧化钛层92交替排列而成。

采用以峰值波长为450 nm的蓝光LED芯片，二氧化钛层92的光学厚度为44 nm，三氧化二铝层91的光学厚度为66 nm，二氧化钛层92和三氧化二铝层91分别设置6层。入射光垂直入射LED时，可获得95%以上的反射率。

如图3所示的LED，其结构与图2所示的LED结构相同，不同的是在布拉格反射层9外表面设置了一层金属反射层10。

采用以峰值波长为450 nm的蓝光LED芯片，二氧化钛层92的光学厚度为44 nm，三氧化二铝层91的光学厚度为66 nm，二氧化钛层92和三氧化二铝层91分别设置3层。金属反射层10采用铝材料制成，金属反射层10的厚度为100 nm。入射光垂直入射LED时，可获得98%以上的反射率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。但应该强调的是，以上所述实施例仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，对本发明的背镀结构所做的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具有背镀结构的发光二极管，包括p电极（1）、n电极（6）和具有非出光面与出光面的衬底（8），在衬底（8）的出光面上顺序设有n型GaN层（7）、量子阱（2）、p型GaN层（5）和铟锡氧化物层（4）和钝化层（3），p电极（1）位于铟锡氧化物层（4）的上表面，n电极（6）位于n型GaN层（7）的上表面，其特征在于，所述的衬底（8）的非出光面上设置有布拉格反射层（9），该布拉格反射层（9）由三氧化二铝层（91）和二氧化钛层（92）交替排列组成，且相邻的三氧化二铝（91）层和二氧化钛层（92）之间相互贴覆；三氧化二铝层（91）的折射率小于二氧化钛层（92）的折射率。

2. 按照权利要求1所述的具有背镀结构的发光二极管，其特征在于，还包括金属反射层（10），该金属反射层（10）位于布拉格反射层（9）的外表面。

3. 按照权利要求2所述的具有背镀结构的发光二极管，其特征在于，所述的金属反射层（10）的厚度在50 nm —300 nm之间。

4. 按照权利要求3所述的具有背镀结构的发光二极管，其特征在于，所述的金属反射层（10）由铝制成。

5. 按照权利要求1至4中任何一项所述的具有背镀结构的发光二极管，其特征在于，所述的三氧化二铝层（91）的光学厚度和二氧化钛层（92）的光学厚度分别为反射光波长的1/4。

6. 按照权利要求5所述的具有背镀结构的发光二极管，其特征在于，所述的布拉格反射层（9）中的三氧化二铝层（91）和二氧化钛层（92）的层数相同，三氧化二铝层（91）和二氧化钛层（92）各为1层—20层。

7. 按照权利要求1所述的具有背镀结构的发光二极管，其特征在于，所述的衬底（8）采用蓝宝石、砷化镓、碳化硅或者硅材料制成。