CN103489977A - 具有全方位反射镜的发光二极管及其相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的具有全方位反射镜的发光二极管及其相应的制造方法，所述具有全方位反射镜的发光二极管由下至上依次包括衬底、n型GaN层、n型GaN层上形成的n电极和有源层、所述有源层上形成的p型GaN层、所述p型GaN层上形成的ODR结构，以及发光二极管还包括透明导电层，所述ODR结构从下至上包括DBR反射结构和p电极，所述透明导电层位于所述DBR反射结构和p电极之间且延伸至未形成所述DBR反射结构的p型GaN层上，n电极和p电极由反射金属构成，本发明解决了平行结构LED芯片由于PN金属电极吸光、电流拥挤而导致的光电转换效率低的问题。

Description

具有全方位反射镜的发光二极管及其相应的制造方法
技术领域
本发明属于发光二极管技术领域，尤其涉及一种具有全方位反射镜的发光二极管及其相应的制造方法。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种半导体发光器件，利用半导体PN结注入式电致发光原理制成。LED具有能耗低、体积小、寿命长、稳定性好、响应快和发光波长稳定等好的光电性能，目前已经在照明、家电、显示屏、指示灯等领域有很好的应用。
传统的LED器件制备工艺已日渐成熟，且LED芯片多以平行结构为主。通常，平行结构LED芯片中引入SiO2作为电流阻挡层（current blocking layer），这种电流阻挡层既能起到电流扩展作用，又能同时阻挡电流不从电极底下流过GaN基发光，而是让更大比例的电子与空穴在透明薄膜下的量子阱位置处复合发光，以减少电极所吸收的光所占总体发光的比例。
但是，量子阱复合发出的光在GaN基中并非经过一次或者两次反射就可以全部被提取出，一是因为很多来自于量子阱发出的光在GaN基中易经过多次全反射的作用而被损耗；二是很多来自于量子阱发出的光在GaN基中在经过多次反射后，会有大量的光在反射过程中可以经过电极与GaN基的界面时而被提取出来，如果电极不是高反射结构，则这部分光就会被电极所吸收，从而降低外量子效率，最终反映出来的就是LED器件光电转换效率低。
此外，近期很多厂家借用Ag（银）、Al（铝）、Rh（铑）等金属的反射性质做电极，这种电极对光的反射可起到一定的作用，但是金属的反射率有限，仍然有一些光被电极所吸收，并且这种电极对光的发射作用会受到来自于光的波长和入射角度的限制。
由此可见，平行结构LED芯片由于光提取效率受到PN金属电极吸光、电流拥挤（current crowding）的影响而降低。为了避开平行结构LED芯片的不足，研发者所提出的倒装结构LED芯片（Flip chip）或垂直结构LED芯片均可减弱这些平行结构LED芯片的不足，但由于倒装结构LED芯片或垂直结构LED芯片的制造需要高精尖的昂贵的设备、产品良率低、工艺复杂等弊端却没有被中国市场所认可。因此，本发明亟需提供一种无需昂贵设备制造、产品良率高、工艺简单的发光二极管，以解决平行结构LED芯片由于PN金属电极吸光、电流拥挤而导致的光电转换效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有全方位反射镜的发光二极管及其相应的制造方法，以解决平行结构LED芯片由于PN结金属电极吸光、电流拥挤而导致的光电转换效率低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种具有全方位反射镜的发光二极管，包括：由下至上依次包括衬底、n型GaN层、n型GaN层上形成的n电极和有源层、所述有源层上形成的p型GaN层、所述p型GaN层上形成的ODR结构，以及发光二极管还包括透明导电层，所述ODR结构从下至上包括DBR反射结构和p电极，所述透明导电层位于所述DBR反射结构和p电极之间且延伸至未形成所述DBR反射结构的p型GaN层上，其中，所述p电极由反射金属构成。
进一步的，所述DBR反射结构采用蒸发镀膜或溅射镀膜方式制作。
进一步的，所述DBR反射结构由两种不同折射率材料交替组合构成。
优选的，两种所述不同折射率材料是SiO2、Ti3O5、Al2O3或MgF2中的任意两种。
进一步的，所述n电极和p电极还包括一保护金属，所述保护金属对位于其下的反射金属进行保护。
优选的，所述反射金属是Ag、Al或Rh中的任意一种，与所选的反射金属搭配的保护金属所使用的材料为Cr、Ni、Pt、Au、W或Ti中的至少一种。
进一步的，所述具有全方位反射镜的发光二极管还包括：覆盖在上述结构表面但除所述n电极和p电极的部分区域之外的一绝缘层，所述绝缘层使用的材料为SiO2、SiON或Si3N4中的任意一种。
为了解决上述问题，本发明提供一种具有全方位反射镜的发光二极管的制造方法，包括如下步骤：
在一衬底上由下至上依次生长n型GaN层、有源层、p型GaN层；
从顶部的部分p型GaN层刻蚀至n型GaN层，形成n型GaN台面；
在所述p型GaN层上形成DBR反射结构；
在所述DBR反射结构和p型GaN层上沉积一透明导电层；
运用负光刻胶并采用剥离技术，在所述DBR反射结构上的透明导电层和n型GaN台面上，分别形成由反射金属构成的p电极和n电极，所述DBR反射结构与p电极形成ODR结构。
进一步的，所述DBR反射结构采用蒸发镀膜或溅射镀膜方式制作。
进一步的，所述DBR反射结构由两种不同折射率材料交替组合构成。
优选的，两种所述不同折射率材料是SiO2、Ti3O5、Al2O3或MgF2中的任意两种。
进一步的，运用负光刻胶并采用剥离技术，在所述DBR反射结构上的透明导电层和n型GaN台面上，分别形成p电极和n电极的步骤包括：
在所述透明导电层和n型GaN台面上形成一负光刻胶；
在所述负光刻胶中形成p窗口和n窗口，所述p窗口暴露出位于所述DBR反射结构上的透明导电层的表面，所述n窗口暴露出所述n型GaN台面的表面；
淀积反射金属后，采用剥离技术剥离多余的金属并去除所述负光刻胶，以在所述p窗口和n窗口中分别形成p电极和n电极。
进一步的，所述n电极和p电极还包括一保护金属，所述保护金属对位于其下的反射金属进行保护。
优选的，所述反射金属是Ag、Al或Rh中的任意一种，与所选的反射金属搭配的保护金属所使用的材料为Cr、Ni、Pt、Au、W或Ti中的至少一种。
进一步的，所述具有全方位反射镜的发光二极管的制造方法还包括：在上述结构表面但除所述n电极和p电极的部分区域之外覆盖一绝缘层，所述绝缘层使用的材料为SiO2、SiON或Si3N4中的任意一种。
与现有技术相比，本发明在一衬底上由下至上依次生长n型GaN层、有源层、p型GaN层；从顶部的部分p型GaN层刻蚀至n型GaN层，形成n型GaN台面；在所述p型GaN层上形成DBR反射结构；在所述DBR反射结构和p型GaN层沉积一透明导电层；运用负光刻胶并采用剥离技术，在所述DBR反射结构上的透明导电层和n型GaN台面上，分别形成p电极和n电极，所述DBR反射结构与p电极形成ODR结构，其中，所述n电极和p电极由反射金属构成，由于本发明提出的ODR结构作为反射P电极，一方面可以在很宽的波段内，在更大的入射角度范围内达到更高的反射率，有利于电流扩展，提高了平行结构LED芯片的光提取效率，优化了注入P型GaN层的电流扩展，增大LED器件的光电转换效率；另一方面减少了光的吸收，降低了LED器件热的产生，有利于LED器件寿命的延长。同时本发明不依赖于昂贵的设备，不需要复杂的工艺，也能获得产品良率高、工艺简单的发光二极管。
附图说明
图1为本发明一实施例中的具有全方位反射镜的发光二极管及其相应的制造方法的流程示意图；
图2a至图2e为本发明一实施例中的具有全方位反射镜的发光二极管及其相应的制造方法的侧面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
图2e示出了本发明优选实施例中具有全方位反射镜的发光二极管的截面结构示意图。如图2e所示，所述具有全方位反射镜的发光二极管包括：
由下至上依次包括衬底100、n型GaN层102、n型GaN层102上形成的n电极116和有源层104、所述有源层104上形成的p型GaN层106、所述p型GaN层106上形成的ODR结构118，以及发光二极管还包括透明导电层112，所述ODR结构118从下至上包括DBR反射结构110和p电极114，所述透明导电层112位于所述DBR反射结构110和p电极114之间且延伸至未形成所述DBR反射结构110的p型GaN层106上，其中，所述n电极116和p电极114由反射金属构成。
以图1所示的制造流程为例，结合图2a至图2e，对本发明提供的一种具有全方位反射镜的发光二极管的制造方法进行详细说明。
在步骤S1中，参见图2a，在一衬底100上由下至上依次生长n型GaN层102、有源层104、p型GaN层106。所述衬底100为蓝宝石衬底。
在步骤S2中，参见图2b，采用等离子体从顶部的部分p型GaN层106开始选择性刻蚀，直至露出所述n型GaN层102的表面，形成n型GaN台面108。所述等离子体可以为BCl3（氯化三硼）、Cl2（氯气）或Ar（氩气）等气体中的至少一种。
在步骤S3中，参见图2c，采用电子束蒸发、离子辅助电子束蒸发或者磁控溅射的镀膜方法在所述p型GaN层106上形成DBR反射结构110。
其中，所述DBR反射结构110由两种不同折射率材料交替组合构成，且两种不同折射率材料交替组合的周期的数量可以根据工艺要求设定不同的值，在本发明最佳实施例中，所述DBR反射结构110采用的材料体系为SiO2/Ti3O5、SiO2/Al2O3、SiO2/MgF2中的一种，但并不仅限于以上几种材料组合，所以所述DBR反射结构110不导电，可以作为电流阻挡层使用。
在步骤S4中，参见图2d，在所述DBR反射结构110和p型GaN层106上沉积一透明导电层112。所述透明导电层112可以为氧化铟锡（Indium Tin Oxides，ITO）或铝掺杂氧化锌（Aluminum doped Zinc Oxid，AZO）等材料中的一种。所述透明导电层112可以作为电流扩展层使用。
在步骤S5中，参见图2e，首先，在所述透明导电层112和n型GaN台面108上形成一负光刻胶（图中未示）；其次，刻蚀所述负光刻胶，在所述负光刻胶中形成p窗口和n窗口，所述p窗口暴露出位于所述DBR反射结构110上的透明导电层112的表面，所述n窗口暴露出所述n型GaN台面108的表面；然后，淀积反射金属，所述反射金属形成在所述p窗口内和n窗口内以及所述负光刻胶上，采用剥离技术（lift-off）去除所述负光刻胶，去除所述负光刻胶的同时一并剥离位于所述光刻胶上的反射金属，从而分别在形成所述p窗口的位置处形成p电极114、在所述n窗口的位置处形成n电极116，此时所述DBR反射结构110与p电极114形成全方位反射镜（omni-directional reflector，ODR）结构118。
为了对所述反射金属进行保护，在淀积所述反射金属后，再淀积一保护金属位于所述反射金属的表面上，通过所述保护金属对其下的所述反射金属进行保护，因此所述n电极和p电极还可以由所述反射金属和保护金属构成。
其中，所述反射金属是Ag（银）、Al（铝）或Rh（铑）中的任意一种，与所选的反射金属搭配的保护金属所使用的材料为Cr（铬）、Ni（镍）、Pt（铂）、Au（金）、W（钨）或Ti（钛）中的至少一种。
进一步的，在上述结构的基础上，本实施例可以对具有全方位反射镜的发光二极管进行多种常规改进，包括：在上述结构表面但除所述n电极116和p电极114的部分区域之外形成一绝缘层，所述绝缘层使用的材料为SiO2、SiON或Si3N4中的任意一种；在所述有源层104与所述p型GaN层106间插入电子阻挡层；所述衬底100采用图形衬底。
因此，在传统的发光二极管中，被p型GaN层吸收的光或经过一次或多次全反射后被损耗的光，在本发明的具有全方位反射镜的发光二极管中，由于所述ODR结构作为反射P电极，当光经过DBR反射结构后，由p电极发出，因此一方面可以在很宽的波段内，在更大的入射角度范围内达到更高的反射率，有利于电流扩展，提高了平行结构LED芯片的光提取效率，优化了注入P型GaN层的电流扩展，增大LED器件的光电转换效率；另一方面减少了光的吸收，降低了LED器件热的产生，有利于LED器件寿命的延长。同时本发明不依赖于昂贵的设备，不需要复杂的工艺，也能获得产品良率高、工艺简单的发光二极管。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种具有全方位反射镜的发光二极管，其特征在于：由下至上依次包括衬底、n型GaN层、n型GaN层上形成的n电极和有源层、所述有源层上形成的p型GaN层、所述p型GaN层上形成的ODR结构，以及发光二极管还包括透明导电层，所述ODR结构从下至上包括DBR反射结构和p电极，所述透明导电层位于所述DBR反射结构和p电极之间且延伸至未形成所述DBR反射结构的p型GaN层上，其中，所述n电极和p电极由反射金属构成。
2.如权利要求1所述的具有全方位反射镜的发光二极管，其特征在于：所述DBR反射结构采用蒸发镀膜或溅射镀膜方式制作。
3.如权利要求1所述的具有全方位反射镜的发光二极管，其特征在于：所述DBR反射结构由两种不同折射率材料交替组合构成。
4.如权利要求3所述的具有全方位反射镜的发光二极管，其特征在于：两种所述不同折射率材料是SiO2、Ti3O5、Al2O3或MgF2中的任意两种。
5.如权利要求1所述的具有全方位反射镜的发光二极管，其特征在于：所述n电极和p电极还包括一保护金属，所述保护金属对位于其下的反射金属进行保护。
6.如权利要求5所述的具有全方位反射镜的发光二极管，其特征在于：所述反射金属是Ag、Al或Rh中的任意一种，与所选的反射金属搭配的保护金属所使用的材料为Cr、Ni、Pt、Au、W或Ti中的至少一种。
7.如权利要求1所述的具有全方位反射镜的发光二极管，其特征在于，还包括：覆盖在上述结构表面但除所述n电极和p电极的部分区域之外的一绝缘层，所述绝缘层使用的材料为SiO2、SiON或Si3N4中的任意一种；
位于除所述n电极和p电极之外的部分或全部透明导电层的表面上。
8.一种具有全方位反射镜的发光二极管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
在一衬底上由下至上依次生长n型GaN层、有源层、p型GaN层；
从顶部的部分p型GaN层刻蚀至n型GaN层，形成n型GaN台面；
在所述p型GaN层上形成DBR反射结构；
在所述DBR反射结构和p型GaN层上沉积一透明导电层；
运用负光刻胶并采用剥离技术，在所述DBR反射结构上的透明导电层和n型GaN台面上，分别形成由反射金属构成的p电极和n电极，所述DBR反射结构与p电极形成ODR结构。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述DBR反射结构采用蒸发镀膜或溅射镀膜方式制作。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述DBR反射结构由两种不同折射率材料交替组合构成。
11.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于：两种所述不同折射率材料是SiO2、Ti3O5、Al2O3或MgF2中的任意两种。
12.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于：运用负光刻胶并采用剥离技术，在所述DBR反射结构上的透明导电层和n型GaN台面上，分别形成p电极和n电极的步骤包括：
在所述透明导电层和n型GaN台面上形成一负光刻胶；
在所述负光刻胶中形成p窗口和n窗口，所述p窗口暴露出位于所述DBR反射结构上的透明导电层的表面，所述n窗口暴露出所述n型GaN台面的表面；
淀积反射金属后，采用剥离技术剥离多余的金属并去除所述负光刻胶，以在所述p窗口和n窗口中分别形成p电极和n电极。
13.如权利要求8至12中任意一项所述的制造方法，其特征在于：所述n电极和p电极还包括一保护金属，所述保护金属对位于其下的反射金属进行保护。
14.如权利要求13所述的制造方法，其特征在于：所述反射金属是Ag、Al或Rh中的任意一种，与所选的反射金属搭配的保护金属所使用的材料为Cr、Ni、Pt、Au、W或Ti中的至少一种。
15.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于：还包括：在上述结构表面但除所述n电极和p电极的部分区域之外覆盖一绝缘层，所述绝缘层使用的材料为SiO2、SiON或Si3N4中的任意一种。
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