CN103715319A - 一种发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管及其制作方法。该方法先在衬底一表面制备选择性生长层；然后在所述衬底表面的非选择性生长层区选择性外延生长发光结构层，所述发光结构层呈倒梯形结构且至少包括N型半导体层、量子阱层、P型半导体层；接着采用光刻技术、ICP技术或RIE技术刻蚀至N电极区域；制作透明导电层；制作P电极与N电极；在所述透明导电层上制备第一反射镜层，在衬底另一表面制备第二反射镜层；最后裂片完成独立发光二极管的制作。本发明采用外延选择性生长技术制作的发光二极管，能降低芯片对光线的全反射吸收，有利于光线从发光二极管内部射出，提高光在芯片侧壁的出光效率，同时利用双向反射镜提高了荧光粉的激发效率，进而提高芯片亮度。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制作方法，特别是涉及一种具有倒梯形结构的发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管（LED）具有绿色环保、寿命超长、高效节能、抗恶劣环境、结构简单、体积小、重量轻、响应快、工作电压低及安全性好的特点，因此被誉为继白炽灯、日光灯和节能灯之后的第四代照明电源。20世纪90年代中期，日本日亚化学公司经过不懈努力，突破了制造蓝光发光二极管的关键技术，并由此开发出以荧光粉覆盖蓝光LED产生白光光源的技术。但是半导体照明仍有许多问题需要解决，其中最核心的就是发光效率和生产成本。
如图1显示的是传统的发光二极管的结构。在衬底1A上依次生长N型半导体层21A、量子阱层22A、P型半导体层23A；透明导电层3A形成于P型半导体层23A上；P电极4A制作在透明导电层3A上；暴露的N型半导体层21A上设有N电极5A。最终的芯片经过封装等工艺后可以是正装结构、倒装结构、垂直结构等。传统的发光二极管发光效率低下，目前，GaN基蓝光发光二极管是获得白光的主要途径之一，而如何提高发光二极管的出光率是当今人们最关心的问题之一。因为GaN基LED的光抽取效率受制于GaN与空气之间巨大的折射率差, 根据斯涅耳定律，光从GaN（n≈2.5）到空气（n = 1.0）的临界角约为23°，只有在入射角在临界角以内的光可以出射到空气中，而临界角以外的光只能在GaN内部来回反射，直至被自吸收。图2为传统的四边形芯片出光效果图，传统的发光二极管传统的发光二极管，当光线的入射角度大于23.5°，小于66.5°时，芯片的光将仅局限在芯片的内部来回反射，光子不能逃逸出芯片外部，造成芯片的出光损失。
因此，如何突破现有技术进一步提高芯片的发光效率仍然是本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有倒梯形芯片结构的发光二极管及其制作方法，用于减少光在芯片内部由于全反射而造成的损失，提高光在芯片侧壁的出光效率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用如下技术方案：
一种发光二极管，依次包括衬底；设置在所述衬底一表面的发光结构层，所述发光结构层呈倒梯形结构且至少包括N型半导体层、位于N型半导体层上的量子阱层、及位于量子阱层上的P型半导体层；位于所述N型半导体层上的N电极；依次位于P型半导体层上的透明导电层和P电极；结合于所述透明导电层的第一反射镜层；结合于所述衬底的另一表面上的第二反射镜层。
优选地，所述第一反射镜层对波长范围为420~480nm的可见光透过率大于90%、对波长范围为500~800nm的可见光反射率大于90%。
优选地，所述第一反射镜层包括分布布拉格反射镜。
优选地，所述第二反射镜层对波长范围为420~480nm的可见光反射率大于98%。
优选地，所述第二反射镜层包括分布布拉格反射镜或全方位反射镜。
本发明还提供一种发光二极管的制作方法，其至少包括步骤：
1）提供一衬底，在所述衬底一表面上制备选择性生长层；
2）在所述衬底表面的非选择性生长层区选择性外延生长发光结构层，所述发光结构层至少包括N型半导体层、位于N型半导体层上的量子阱层、及位于量子阱层上的P型半导体层。通过横向生长技术使得发光结构层形成倒梯形结构；
3）通过刻蚀技术在N型半导体层上制备N电极，在P型半导体层上依次制备透明导电层和P电极；
4）在所述透明导电层上制备第一反射镜层；
5）研磨抛光所述衬底的另一表面，然后在所述衬底的另一表面上制备第二反射镜层；
6）裂片，获得独立的发光二极管结构。
优选地，所述选择性生长层包括SiO2、 Si3N4或W，厚度为10~1000nm。
优选地，所述第一反射镜层对波长范围为420~480nm的可见光透过率大于90%、对波长范围为500~800nm的可见光的反射率大于90%反射率大于90%。
优选地，所述第一反射镜层包括分布布拉格反射镜。
优选地，所述第二反射镜层对波长范围为420~480nm的可见光反射率大于98%。
优选地，所述第二反射镜层包括分布布拉格反射镜或全方位反射镜。
作为本发明的优选方案之一，采用电子束蒸镀、溅射或离子辅助镀膜工艺来制备分布布拉格反射镜或全方位反射镜。
作为本发明的优选方案之一，采用溅射法、金属有机化合物气相沉积或分子束外延法来制备所述发光结构层。
如上所述，本发明的发光二极管及其制作方法，具有以下有益效果：采用本发明制作方法制作的发光二极管能降低芯片对光线的全反射吸收，有利于光线从二极管内部射出，大大提高了光在芯片侧壁的出光效率，同时通过双向反射镜技术来提高荧光粉的激发效率，从而提高了芯片整体的亮度。
附图说明
图1显示为传统发光二极管的剖面示意图。
图2显示为传统发光二极管的出光路径示意图。
图3显示为本发明发光二极管的出光示意图。
图4显示为本发明的发光二极管制作方法进行了步骤1）~5）后所呈现的整体剖面示意图。
图5显示为本发明的发光二极管制作方法进行了步骤6）后所呈现的剖面示意图。
元件标号说明
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3~5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图5所示，本发明提供一种发光二极管。该发光二极管包括衬底1、设置在所述衬底1一表面且具有倒梯形结构的发光结构层2、设置在透明导电层3的第一反射镜层6、及设置在所述衬底1的另一表面上的第二反射镜层7。
所述衬底1包括任何能用于制备发光二级管的半导体衬底，优选地，包括但不限于：蓝宝石生长衬底、SiC生长衬底、Si生长衬底或图形化生长衬底等。在本实施例，所述衬底1优选为蓝宝石衬底。
所述发光结构层2至少包括N型半导体层21、位于N型半导体层21上的量子阱层22、及位于量子阱层22上的P型半导体层23，在所述N型半导体层21上设有N电极5，在P型半导体层23上设有透明导电层3和P电极4。
优选地，所述透明导电层3的材料为ITO、ATO、FTO或AZO。在本实施例中，所述透明导电层3的材料优选为ITO。
所述第一反射镜层6对所述发光结构层2所发出的光的透过率高于对其他波长的光的透过率、对所述荧光粉发出的光的反射率高于对其他波长的光的反射率。
所述第一反射镜层6可采用任何能对所述发光结构层2所发出的光的透过率高于对其他波长的光的透过率、对所述荧光粉发出的光的反射率高于对其他波长的光的反射率的结构，优选地，其包括分布布拉格反射镜，所述分布布拉格反射镜材料为SiO2/TiO2或SiO2/Ta3O5。在本实施例中，所述分布布拉格反射镜优选为SiO2/TiO2，厚度为0.3~3μm。
进一步地，所述分布布拉格反射镜对于波长范围为420~480nm的可见光透过率大于90%，并对波长范围为500~800nm的可见光反射率大于90%。
所述第二反射镜层7对所述发光结构层2所发出的光的反射率高于对其他波长的光的反射率。
所述第二反射镜层7可采用任何能对所述发光结构层2所发出的光的反射率高于对其他波长的光的反射率的结构，优选地，其包括分布布拉格反射镜或全反射反射镜。在本实施例中，所述第二反射镜层7优选为分布布拉格反射镜。优选地，该分布布拉格反射镜材料为SiO2/TiO2，厚度为0.3~3μm。
进一步地，所述分布布拉格反射镜对于波长范围为420~480nm的可见光反射率大于98%。
本发明还提供一种发光二极管的制作方法，其制作方法包括步骤：
首先进行步骤1：提供一衬底1，在所述衬底1一表面上制备选择性生长层8；
所述衬底1可选用蓝宝石生长衬底、SiC生长衬底、Si生长衬底或图形化生长衬底。在本实施例，所述衬底1为蓝宝石衬底。
所述选择性生长层8的材料包括但不限于SiO2、Si3N4或W。在实施例中优选为SiO2，厚度为10~1000nm。
然后进行步骤2：在所述衬底1表面的非选择性生长层区选择性外延生长发光结构层2。
其中，所述发光结构层2至少包括N型半导体层21、位于N型半导体层21上的量子阱层22、及位于量子阱层22上的P型半导体层23。通过横向生长技术使得发光结构层2形成倒梯形结构。
制备所述发光结构层2时，可采用溅射法、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）等方法。本实施例中，采用金属有机化学气相沉积工艺在蓝宝石衬底1生长发光结构层2。优选地，所述N型半导体层21为N-GaN层，所述P型半导体层23为P-GaN层。
接着进行步骤3：通过刻蚀技术在N型半导体层21上制备N电极5，在P型半导体层23上依次制备透明导电层3和P电极4。
制备所述透明导电层3，可采用溅射法、蒸发法等方法。本实施例中，采用溅射法在所述P型半导体层23表面制备透明导电层3。所述透明导电层3为ITO、ATO、FTO或AZO，优选为ITO。本实施例中，N电极5和P电极4的制备是利用光刻技术、ICP技术或RIE技术对N-GaN层进行局部刻蚀，以使N-GaN层局部露出，然后在露出的N-GaN层上形成N电极5，在透明导电层3上形成P电极4。
随后进行步骤4：在所述透明导电层3上制备第一反射镜层6。
所述第一反射镜层6对所述发光结构层2所发出的光的透过率具有高透过率、对荧光粉发出的光具有高反射率，其中，所述荧光粉由发光结构层所发出来的光来激发。
所述第一反射镜层6包括分布布拉格反射镜，所述分布布拉格反射镜材料为SiO2/TiO2或SiO2/Ta3O5。在本实施例中，所述分布布拉格反射镜优选为SiO2/TiO2，厚度为0.3~3μm。
优选地，所述分布布拉格反射镜对于波长范围为420~480nm的可见光透过率大于90%，并对波长范围为500~800nm的可见光反射率大于90%。
再进行步骤5：研磨抛光所述衬底的另一表面，然后在所述衬底1的另一表面制备第二反射镜层7。
所述第二反射镜层7对发光结构层2所发出的光的反射率具有高反射率。
所述第二反射镜层7包括分布布拉格反射镜，所述分布布拉格反射镜材料为SiO2/TiO2或SiO2/Ta3O5。在本实施例中，所述分布布拉格反射镜优选为SiO2/TiO2，厚度为0.3~3μm。
优选地，所述分布布拉格反射镜对于波长范围为420~480nm的可见光反射率大于98%。
优选地，采用电子束蒸镀、溅射或离子辅助镀膜工艺来制备分布布拉格反射镜。本实施例中，采用的是电子束蒸镀的方法。
最后进行步骤6：裂片，获得独立的发光二极管结构。
封装时，在所述发光二极管表面涂敷一层荧光粉。
再请参阅图3，显示为本发明中具有倒梯形结构的发光二极管的出光示意图。与图2所示传统芯片的垂直侧壁相比，光线改变了原有的路线，入射光子的方向变成垂直于侧壁，光线不会在芯片内部来回反射，而是很容易射出芯片。可见，倒梯形结构能大大减少芯片对光线的全反射吸收，增加光取出率。
综上所述，采用本发明采用外延选择性生长技术制作的发光二极管能降低芯片对光线的全反射吸收，有利于光线从二极管内部射出，大大提高了光在芯片侧壁的出光效率，同时通过双向反射镜技术来提高芯片表面荧光粉的激发效率，从而提高芯片整体的亮度。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种发光二极管，其特征在于，依次包括衬底；设置在所述衬底一表面的发光结构层，所述发光结构层呈倒梯形结构且至少包括N型半导体层、位于N型半导体层上的量子阱层、及位于量子阱层上的P型半导体层；位于所述N型半导体层上的N电极；依次位于P型半导体层上的透明导电层和P电极；结合于所述透明导电层表面的第一反射镜层；设置在所述衬底另一表面上的第二反射镜层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一反射镜层对波长范围为420~480nm的可见光透过率大于90%、对波长范围为500~800nm的可见光的反射率大于90%。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：所述第一反射镜层包括分布布拉格反射镜。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二反射镜层对波长范围为420~480nm的可见光反射率大于98%。
5.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第二反射镜层包括分布布拉格反射镜或全方位反射镜。
6.一种发光二极管的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括步骤：
a)提供一衬底，在所述衬底一表面上制备选择性生长层；
b)在所述衬底表面的非选择性生长层区选择性外延生长发光结构层，所述发光结构层至少包括N型半导体层、位于N型半导体层上的量子阱层、及位于量子阱层上的P型半导体层。通过横向生长技术使得发光结构层形成倒梯形结构；
c)通过刻蚀技术在N型半导体层上制备N电极，在P型半导体层上依次制备透明导电层和P电极；
d)在所述透明导电层上制备第一反射镜层；
e)研磨抛光所述衬底的另一表面，然后在所述衬底的另一表面上制备第二反射镜层；
f)裂片，获得独立的发光二极管结构。
7.根据权利要求6所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述选择性生长层材料包括SiO2、Si3N4或W。
8.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述选择性生长层的厚度为10~1000nm。
9.根据权利要求6所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一反射镜层对波长范围为420~480nm的可见光透过率大于90%、对波长范围为500~800nm的可见光的反射率大于90%。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于：所述第一反射镜层包括分布布拉格反射镜。
11.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述第二反射镜层对波长范围为420~480nm的可见光反射率大于98%。
12.根据权利要求11所述的发光二极管，其特征在于：所述第二反射镜层包括分布布拉格反射镜或全方位反射镜。
13.根据权利要求12所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：采用电子束蒸镀、溅射或离子辅助镀膜来制备分布布拉格反射镜或全方位反射镜。
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