CN102709420B - 一种氮化镓基发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有氮化镓基发光二极管，包括：一具正、背两面的衬底；外延层，形成于所述衬底的正面上，自上而下依次包含P型层、发光区和N型层；电流扩展层，形成于所述P型层之上；P电极，形成所述电流扩展层之上；其特征在于：还包括第一反射层，位于所述电流扩展层与外延层之间，其呈带状分布在外延层的边缘区域；第二反射层，位于所述衬底的背面。本发明通过在LED外延层的表面边缘区域设置带状或环状的第一反射层，可以增强发光二极管的侧面取光的几率，即控制发光层发出的光线向上和侧面出射的比例，从而调整芯片的出光分布均匀性，改善散热不均匀现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基发光二极管，尤其是涉及一种具有反射层的氮化镓基高亮度发光二极管。
背景技术
发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是利用半导体的P-N结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。LED具有无污染、亮度高、功耗小、寿命长、工作电压低、易小型化等优点。自20世纪90年代氮化镓（GaN）基LED开发成功以来，随着研究的不断进展，其发光亮度也不断提高，应用领域也越来越广。随着功率型GaN基LED的效率不断提升，用GaN基LED半导体灯替代现有的照明光源将成为势不可挡的趋势。然而半导体照明要进入千家万户，还有许多问题需要解决，其中最核心的就是生产成本和发光效率。
目前，适合商用的蓝绿光LED都是基于GaN的III-V族化合物半导体材料；由于GaN基LED外延片的P-GaN层空穴浓度小，且P型层厚度小，绝大部分发光从P型层透出，但是P型层不可避免地对光有吸收作用，导致LED芯片外量子效率不高，大大降低了LED的发光效率。采用ITO层作为电流扩展层的透射率较高，但导致LED电压要高一些，寿命也受到影响。另外，在外加电压下，由于存在电流扩散不均匀，一些区域电流密度很大，影响LED寿命。总之，在外部量子效率方面，现有的GaN基LED还是显得不足，一方面与电流非均匀分布有关，另一方面则是与当光发射至电极会被电极本身所吸收有关。
为此，改善LED发光效率的研究较为活跃，主要技术有采用图形衬底技术、分布电流阻隔层（也称电流阻挡层）、分布布拉格反射层（英文为Distributed Bragg Reflector，简称DBR）结构、透明衬底、表面粗化、光子晶体技术等。
参见图1，在已知的一种正装发光二极管结构中，包括衬底100，由下往上堆叠的N型层101、发光区102、P型层103、电流扩展层104、P电极106、设置在N型层101裸露表面上的N电极107以及衬底100下背镀反射层108。发光层发出的光线，如1a，可以从芯片的正面出射，而光线1b由于全反射作用，无法从芯片的正面出射，只能从侧面出射；光线1c则从侧面直接出射；光线1d和1e，由于背镀反射层108对光有反射作用，则经过背镀反射层108反射后从芯片的正面出射。
参见图2，在另外一种已知的改进正装发光二极管结构中，包括衬底100，由下往上堆叠的N型层101、发光区102、P型层103、电流扩展层104、金属反射层105、P电极106、设置在N型层101裸露表面上的N电极107以及衬底100下背镀反射层108。发光层发出的光线，如1a，可以从芯片的正面出射，而光线1b由于全反射作用，无法从芯片的正面出射，只能从侧面出射；光线1c则从侧面直接出射；光线1d和1e，由于背镀反射层108对光有反射作用，则经过背镀反射层108反射后从芯片的正面出射；光线1f，由于金属反射层105（通常为Al或Ag材料）和背镀反射层108（通常为Al或Ag材料或DBR材料）的双层反射作用，最后也从芯片的正面出射。由此可见，上述两种已知的正装发光二极管结构从发光层发出的光线多数由芯片的正面出射，而从芯片的侧面出射光线则相对较少，因此往往会产生LED出光分布不均匀、正面轴向出光过强、散热不够均匀、发光角度偏小的现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有反射层的GaN基高亮度LED及其制作方法。本发明通过在LED的外延层与P电极之间（即外延层的边缘区域）增设呈带状分布的第一反射层，以及在衬底的背面形成第二反射层，还可以包括一第三反射层，形成于所述电流扩展层与P电极之间，其位于所述P电极的正下方，这种结构可以有效地取出发光层发出的光线，减少P电极的吸光现象，从而增加出光效率。分布于外延层表面边缘区域的呈带状分布的第一反射层可以将一部分原本向上出射的光线调整为从侧面出射，增强发光二极管的侧面取光的几率，即控制发光层发出的光线向上和侧面出射的比例，从而调整芯片的出光分布均匀性，改善散热不均匀现象。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是先在衬底正面上长外延层，然后在外延层上形成带状分布的第一反射层，再制作电流扩散层，制作P、N电极，最后在衬底的背面形成第二反射层，还可以包括制作P、N电极步骤之前，在所述电流扩展层与P电极之间形成第三反射层，使其位于所述P电极的正下方。
本发明主要包括以下制作工艺步骤：
1）先在衬底正面上长外延层；
2）在外延层表面的边缘区域上形成呈带状分布的第一反射层；
3）在呈带状分布的第一反射层及裸露的外延层表面上形成电流扩展层；
4）在电流扩展层的表层上镀第三反射层；
5）分别在第三反射层上和裸露的N型层上制作P电极和N电极；
6）最后在衬底的背面形成第二反射层。
其中，步骤2）使得在呈带状分布的第一反射层的边缘与外延层表面的边缘重合；步骤4）使得第三反射层位于P电极的正下方。
上述具有反射层的GaN基高亮度LED，包括：一具正、背两面的衬底；外延层，形成于所述衬底的正面上，自上而下依次包含P型层、发光区和N型层；电流扩展层，形成于所述P型层之上；P电极，形成所述电流扩展层之上；第一反射层，位于所述电流扩展层与外延层之间，其呈带状分布在外延层的边缘区域；第二反射层，位于所述衬底的背面。
上述具有反射层的GaN基高亮度LED还可以包括一第三反射层，形成于所述电流扩展层与P电极之间，其位于所述P电极的正下方。
上述第一反射层分布在外延层的边缘区域，形成一个闭合的环形。
上述P电极位于电流扩展层的一个边缘区域，所述第一反射层位于所述远离P电极的外延层的边缘区域。
上述第一反射层的带状宽度为5~30微米。
上述第一反射层的面积占所述外延层发光面积的5%~30%。
上述第三反射层的直径为50~200微米。
上述第一反射层可为分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。
上述第二反射层可为分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。
上述第三反射层可为分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。
上述第一、第二反射层可以由交替的高折射率和低折射率材料层组成。其中，高折射率层材料选自TiO、TiO2、Ti3O5、Ti2O3、Ta2O5、ZrO2或前述的任意组合之一；低折射率层材料选自SiO2、SiNx、Al2O3或前述的任意组合之一。
上述第一、第二、第三反射层可以选用铝（Al）或者是银（Ag）或者是镍（Ni）或前述的任意组合之一。
上述衬底材料选用蓝宝石（Al2O3）或者是碳化硅（SiC）。
上述电流扩展层材料选用镍/金合金（Ni/Au）或镍/氧化铟锡合金（Ni/ITO）或氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或In掺杂ZnO或Al掺杂ZnO或Ga掺杂ZnO中的一种或其组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在LED的外延层的表面边缘区域设置带状的第一反射层，可以将一部分原本向芯片正面出射的光线调整为从侧面出射，即增强发光二极管的侧面出光的几率，从而改善芯片的出光分布均匀性，提供高亮度且均匀的发光源。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是已知的正装发光二极管结构示意图。
图2是已知改进的正装发光二极管结构示意图。
图3是本发明实施例1公开的氮化镓基高亮度发光二极管的剖面示意图。
图4是本发明实施例1公开的氮化镓基高亮度发光二极管的俯视示意图。
图5是本发明实施例2公开的氮化镓基高亮度发光二极管的剖面示意图。
图6是本发明实施例2公开的氮化镓基高亮度发光二极管的俯视示意图。
图7是本发明实施例3公开的氮化镓基高亮度发光二极管的剖面示意图。
图8是本发明实施例3公开的氮化镓基高亮度发光二极管的俯视示意图。
图中部件符号说明：
100：衬底
101：N型层
102：发光区
103：P型层
104：电流扩展层
105：金属反射层
106：P电极
107：N电极
108：反射层
200：衬底
201：N型层
202：发光区
203：P型层
204：第一反射层
205：电流扩展层
206：第三反射层
207：P电极
208：N电极
209：第二反射层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的LED结构将根据应用领域和工艺制程实施的需要，对其部分结构和尺寸在一定范围内作出修改，对材料的选取进行变通。
下列各实施例公开的一种具有反射层的GaN基高亮度LED，包括：衬底，外延层，电流扩展层，反射结构及P、N电极。
具体来说，衬底可选用材料可选用蓝宝石（Al2O3）或者是碳化硅（SiC）或者是硅片（Si）等。对于水平结构的LED器件，选用绝缘性材料；而对于垂直结构的LED器件，则选用导电性材料。
外延层可通过外延生长形成于衬底的表面上，至下而上至少包括N型层，发光层和P型层，还可包括缓冲层、电子阻挡层等，材料可为氮化镓基半导体材料。
电流扩展层位于P型层上，可选用镍/金合金（Ni/Au）或镍/氧化铟锡合金（Ni/ITO）或氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或In掺杂ZnO或Al掺杂ZnO或Ga掺杂ZnO中的一种或其组合。
P电极形成于电极扩展层上，用于为发光层提供电流注入。对于水平结构的LED器件，可蚀刻部分的P型层及发光层，露出N型层，N电极形成于裸露的N型层表面上。对于垂直结构的LED器件，N电极则制作在导电衬底的背面。
反射结构包括第一反射层和第二反射层。其中，第一反射层位于所述电流扩展层与外延层之间，其呈带状分布在外延层的边缘区域，可以形成一个闭合的环形，也可以是位于所述远离P电极的边缘区域，即呈非闭合状。更具体地，第一反射层形成于p型层上，位于p型层与电流扩展层之间，可含在电流扩展层，也可植入外延层中，可选用分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。关于第一反射层结构尺寸和位置的各个参数，可依据芯片尺寸的大小和具体光学路径进行调整设计。在某些实施例中，第一反射层的带状宽度为5~30微米，其面积可占所述外延层发光面积的5%~30%。第二反射层位于衬底的背面，可选用分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。还在可P电极的正下方设置一第三反射层，其位于电流扩展层与P电极之间，直径为50~200微米。第三反射层可选用分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。反射结构中的各反射层可采用高折射率和低折射率材料层组成，高折射率层材料可选自TiO、TiO2、Ti3O5、Ti2O3、Ta2O5、ZrO2或前述的任意组合之一，低折射率层材料可选自SiO2、SiNx、Al2O3或前述的任意组合之一。反射结构中的各反射层也可以采用纯金属反射层，如铝（Al）、银（Ag）或者镍（Ni）等。
下面结合实施例1、2、3及附图3~8对本发明具体实施的更多细节作说明。
实施例1
如图3和图4所示的一种氮化镓基高亮度发光二极管，包括：蓝宝石衬底200、N型层201、发光区202、P型层203、非闭合环状的第一反射层204、电流扩展层205、P电极207、N电极208和第二反射层209。
具体来说，上述发光二极管结构中最底层为蓝宝石衬底200；N型层201形成于蓝宝石衬底200上；发光区202形成于N型层201上；P型层203形成于发光区202上；第一反射层204选用分布布拉格反射层，形成于P型层203上且分布在远离P电极的P型层203边缘区域上，带状宽度为15微米，面积占所述外延层发光面积的20%左右；ITO电流扩展层205形成于第一反射层204及裸露的P型层203表面上；P电极207形成于电流扩展层205上；N电极208形成于裸露的N型层201上；第二反射层209选用全方位反射层，形成于蓝宝石衬底200的背面；其中分布布拉格反射层204由交替的高折射率TiO2材料和低折射率的SiO2材料组成。
本实施例的有益效果是：本发明通过在LED的外延层P型层203的表面边缘区域设置非闭合环状的分布布拉格反射层204，除了使得光线2a和2e从芯片正面出射，光线2b和2c从芯片的侧面出射，还可以将一部分原本向芯片正面出射的光线调整为从侧面出射，如光线2d所示，即增强发光二极管的侧面出光的几率，从而改善芯片的出光分布均匀性，提供高亮度且均匀的发光源。
实施例2
如图5和图6所示的一种氮化镓基高亮度发光二极管，包括：蓝宝石衬底200、N型层201、发光区202、P型层203、闭合环状的第一反射层204、电流扩展层205、第三反射层206、P电极207、N电极208和第二反射层209。
具体来说，上述发光二极管结构中最底层为蓝宝石衬底200；N型层201形成于蓝宝石衬底200上；发光区202形成于N型层201上；P型层203形成于发光区202上。第一反射层204选用分布布拉格反射层，形成于P型层203上且分布于P型层203表面边缘区域。第一反射层的带状宽度为20微米，面积约占所述外延层发光面积的25%。ITO电流扩展层205形成于闭合分布布拉格反射层204及裸露的P型层203表面上。第三反射层206选用Al金属反射层，形成于ITO电流扩展层205的表层上，第三反射层的直径大于P电极的直径，其值约为90微米；P电极207形成于第三反射层206上；N电极208形成于裸露的N型层201上；第二反射层209选用Al金属反射层，形成于蓝宝石衬底200的背面。分布布拉格反射层204由交替的高折射率TiO2材料和低折射率的SiO2材料组成。
本实施例的有益效果是：本发明通过在LED的外延层P型层203的表面边缘区域设置闭合环状的分布布拉格反射层204，除了使得光线2a和2e从芯片正面出射，光线2b和2c从芯片的侧面出射，还可以将一部分原本向芯片正面出射的光线调整为从侧面出射，如光线2d和2f所示，即增强发光二极管的侧面出光的几率，从而改善芯片的出光分布均匀性，提供高亮度且均匀的发光源。
实际上，需要说明的是，上述结构中第三反射层206可含在电流扩展层之内，也可在电流扩展层上面。
实施例3
与实施例2相比，本实施例公开了一种垂直结构的具有反射层结构的氮化镓基高亮度发光二极管。在本实施例，采用Si作为衬底200，N电极208形成于衬底的背面，构成了垂直结构的LED器件结构。第三反射层选用全方位反射层，直径为70微米，且第三反射层206的直径小于P电极的直径，便于P电极与电流扩展层205接触传导。
综上所述，本发明反射层结构的主要设计精神在于：（1）第一反射层可以呈闭合环状，也可以是呈非闭合的环状；（2）带（环）状反射层的边缘区域与外延层表面的边缘区域重合。通过带（环）状反射层的合理设计和分布，可以使得一部分由LED芯片正面出射的光线调整为从侧面出射，从而改善LED芯片的出光分布均匀性。
Claims (10)
1.一种氮化镓基发光二极管，包括：一具正、背两面的衬底；外延层，形成于所述衬底的正面上，自上而下依次包含P型层、发光区和N型层；电流扩展层，形成于所述P型层之上；P电极，形成所述电流扩展层之上；其特征在于：还包括
第一反射层，位于所述电流扩展层与外延层之间，其呈带状分布在外延层的边缘区域，且第一反射层的外边缘与外延层的外边缘在垂直方向上重合；第二反射层，位于所述衬底的背面。
2.根据权利要求1所述一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：还包括一第三反射层，形成于所述电流扩展层与P电极之间，其位于所述P电极的正下方。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一反射层分布在外延层的边缘区域，形成一个闭合的环形。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述P电极位于电流扩展层的一个边缘区域，所述第一反射层位于所述远离P电极的外延层的边缘区域。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一反射层的带状宽度为5~30微米。
6.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一反射层的面积占所述外延层发光面积的5%~30%。
7.根据权利要求2所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第三反射层的直径为50~200微米。
8.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一反射层为分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。
9.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第二反射层为分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。
10.根据权利要求2所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第三反射层为分布布拉格反射层、金属反射层或全方位反射层。
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