CN105405946A - 发光二极管晶粒及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管晶粒，包括：第一半导体层；形成在第一半导体层上的第一发光层，所述第一发光层发出第一种颜色光；形成在第一发光层上的第二发光层，所述第二发光层发出与第一种颜色光不同的第二种颜色光；及形成在第二发光层上的第二半导体层。在本发明的发光二极管晶粒中，第一发光层及形成在第一发光层上的第二发光层形成在同一发光二极管晶粒中，第一发光层发出的第一种颜色光与第二发光层发出的第二种颜色光能够充分混合形成与第一、二种颜色光不同的另一种颜色光，发光二极管晶粒的演色性及混色性较佳，且成本较低。本发明还设计上述发光二极管晶粒的制造方法。

Description

发光二极管晶粒及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管晶粒及其制造方法。
背景技术
目前，发光二极管(LightEmittingDiode,LED)晶粒产生白光的发光原理包括：(a).使用蓝光LED晶粒发出的光激发黄色荧光粉；(b).采用三原色LED晶粒（红、绿、蓝光LED晶粒）并联在电路中，各LED晶粒发出的光进行混光。然而，以上发光原理各自存在缺点：发光原理(a)的缺点是演色性不佳；发光原理(b)的缺点是三原色LED晶粒各自的电子回路设计成本较高，且近距离混色性不佳。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种演色性及混色性较佳，且成本较低的发光二极管晶粒及其制造方法。
一种发光二极管晶粒，包括：
第一半导体层；
形成在第一半导体层上的第一发光层，所述第一发光层发出第一种颜色光；
形成在第一发光层上的第二发光层，所述第二发光层发出与第一种颜色光不同的第二种颜色光；及
形成在第二发光层上的第二半导体层。
一种发光二极管晶粒的制造方法，包括以下步骤：
提供一基板；
在该基板上形成一第一半导体层；
在该第一半导体层上形成一第一发光层，所述第一发光层发出第一种颜色光；
在该第一发光层上形成一第二发光层，所述第二发光层发出与第一种颜色不同的第二种颜色光；以及
在该第二发光层上形成一第二半导体层。
在本发明的发光二极管晶粒中，第一发光层及形成在第一发光层上的第二发光层形成在同一发光二极管晶粒中，第一发光层发出的第一种颜色光与第二发光层发出的第二种颜色光能够充分混合形成与第一、二种颜色光不同的另一种颜色光，发光二极管晶粒的演色性及混色性较佳，且成本较低。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的发光二极管晶粒的二维剖面示意图。
图2为与图1对应的发光二极管晶粒的三维剖面示意图。
图3为在一基板上形成各半导体层的示意图。
图4为对图3中的第一发光层及第一半导体层进行处理以形成多个柱体的示意图。
图5为在图4中的第一发光层及第一半导体层上形成第二发光层及第二半导体层的示意图。
图6为图1中的发光二极管晶粒通电产生光线的示意图。
图7为蓝宝石晶体结构的示意图。
主要元件符号说明
发光二极管晶粒 10
基板 11
第一半导体层 12
第一表面 121
第一半导体层单体 122
第二表面 123
第一发光层 13
柱体 100
第一发光层单体 132
空隙 133
第二发光层 14
第二发光层单体 142
侧部 144
顶部 146
量子点 148
第二半导体层 15
底面 152
透明导电层 16
第一电极 17
第二电极 18
缓冲层 19
第一缓冲层 192
第二缓冲层 194
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明一实施例提供的发光二极管晶粒10包括第一半导体层12、形成在第一半导体层12上的第一发光层13、形成在第一发光层13上的第二发光层14及形成在第二发光层14上的第二半导体层15。所述第一发光层13发出第一种颜色光，所述第二发光层14发出与第一种颜色光不同的第二种颜色光。
所述发光二极管晶粒10还包括一基板11。该基板11为蓝宝石（Al2O3）基板、硅基板或氮化镓基板。图7所示为蓝宝石晶体结构示意图，蓝宝石晶体结构包括m平面（m-plane）P1、c平面（c-plane）P2、a平面（a-plane）P3、r平面（r-plane）P4。优选地，所述第一半导体层12、第一发光层13、第二发光层14及第二半导体层15依次形成在该基板11的c平面上。
所述第一半导体层12与第二半导体层15为不同的掺杂型半导体层。本实施例中，第一半导体层12为n型氮化物半导体层。具体地，该第一半导体层12的材料可以是n型氮化镓（n-GaN）。第二半导体层15为p型氮化物半导体层。具体地，该第二半导体层15的材料可以是p型氮化镓（p-GaN）。在其他实施例中，第一半导体层12也可以为p型氮化物半导体层，第二半导体层15也可以为n型氮化物半导体层。所述第一半导体层12远离基板11的区域包括一裸露的第一表面121和被第一发光层13、第二发光层14及第二半导体层15覆盖的一第二表面123。第二半导体层15的底面152与第一半导体层12的第二表面123相间隔。所述第一发光层13、第二发光层14及第二半导体层15依次形成于第二表面123上。第一半导体层12的第二表面123上形成多个向上凸出的、呈柱状的第一半导体层单体122。该多个第一半导体层单体122呈矩阵排列，且彼此等距间隔。
所述第一发光层13位于第一半导体层12和第二发光层14之间。所述第二发光层14位于第一半导体层12和第二半导体层15之间。在本实施例中，所述第一发光层13、第二发光层14均为多量子阱（multi-quantumwell,MQW）结构，所述第一发光层13、第二发光层14的材料为含铟和镓的氮化物（InxGa1-xN(0≤x≤1)）。该第二发光层14完全覆盖该第一发光层13表面，使第二发光层14与第一发光层13充分接触，第一发光层13发出的第一种颜色光与第二发光层14发出的第二种颜色光能够充分混合形成与第一、二种颜色光不同的另一种颜色光。在本实施例中，该第一发光层13发出蓝光，该第二发光层14发出绿光。
该第一发光层13包括层叠在第一半导体层单体122上的多个第一发光层单体132。该多个第一发光层单体132呈矩阵排列，且彼此等距间隔。该第二发光层14包括多个第二发光层单体142。各第二发光层单体142呈矩阵排列，且彼此等距间隔。每个第二发光层单体142对应包覆一第一发光层单体132及一第一半导体层单体122。每个第二发光层单体142的侧部144对应环绕在一第一发光层单体132及一第一半导体层单体122周围。每个第二发光层单体142的顶部146为多棱锥状，其横截面呈三角形。第二半导体层15覆盖在各第二发光层单体142上。
每个第二发光层单体142的棱锥状的顶部146的顶点处形成一量子点（quantumdot）148，该量子点148发出与第一、二种颜色光不同的第三种颜色光。量子点，又称为纳米晶，是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1～10纳米（nm）之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。在本实施例中，该量子点148的材料为含铟和镓的氮化物（InxGa1-xN(0≤x≤1)），该量子点148发出红光。该量子点148发出的红光与第一发光层13发出的蓝光及第二发光层14发出的绿光混合形成白光。
如图6所示，每一第二发光层单体142底部发出的光能够不断的在该第二发光层单体142及其周围的第二发光层单体142之间发生反射，最终从发光二极管晶粒10出光的一侧向外出射，从而有效地减小了光损失，提高了发光二极管晶粒10的出光效率。
所述发光二极管晶粒10还包括形成于第二半导体层15上的一透明导电层16。本实施例中，该透明导电层16采用的材料是氧化铟锡（ITO）。
所述发光二极管晶粒10还包括形成于第一半导体层12的第一表面121上的一第一电极17及形成于透明导电层16上的一第二电极18。本实施例中，所述第一电极17和第二电极18分别为n型电极和p型电极。
所述发光二极管晶粒10还包括形成于基板11和第一半导体层12之间的一缓冲层19。该缓冲层19包括第一缓冲层192及第二缓冲层194。第一缓冲层192位于基板11和第二缓冲层194之间。所述第一半导体层12直接形成在第二缓冲层194上。本实施例中，第一缓冲层192及第二缓冲层194的材料为非掺杂的氮化镓。
请一并参阅图3至图5，本发明还提供以上发光二极管晶粒10的一种制造方法，包括以下步骤：
提供一基板11；
在该基板11上形成一第一半导体层12；
在该第一半导体层12上形成一第一发光层13，所述第一发光层13发出第一种颜色光；
在该第一发光层13上形成一第二发光层14，所述第二发光层14发出与第一种颜色不同的第二种颜色光；以及
在该第二发光层14上形成一第二半导体层15。
该基板11为蓝宝石基板、硅基板或氮化镓基板。优选地，所述第一半导体层12、第一发光层13、第二发光层14及第二半导体层15是通过金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）的工艺在基板11的c平面上连续地外延生长而形成。因晶格不匹配引起的缺陷会往c平面方向延伸，而在m平面（m-plane）及其他平面没有缺陷产生，因此后续成长第二发光层14不会因缺陷而降低发光二极管晶粒10的发光效率。
在基板11的c平面上生长的所述第一半导体层12具有非极性平面(non-polarplane)与半极性平面(semi-polarplane)。在高温的环境下，所述第二发光层14在所述第一半导体层12的非极性平面与半极性平面上外延生长，使第二发光层14的铟含量较高，从而可有效克服量子限制斯塔克效应(QuantumConfinedStarkEffect,QCSE)，使发光层内电子和空穴复合几率提升。
所述发光二极管晶粒10的制造方法还包括：形成多个柱体100的步骤，该多个柱体100通过先对第一发光层13及第一半导体层12进行纳米压印，然后再进行微影蚀刻而形成。蚀刻的深度贯穿第一发光层13并延伸到部分第一半导体层12。每个柱体100的横截面呈矩形。该多个柱体100呈矩阵排列，且彼此等距间隔，每相邻的两个柱体100之间形成一空隙133。该第一发光层13通过蚀刻形成多个第一发光层单体132。部分第一半导体层12通过蚀刻形成多个呈柱状向上凸出的第一半导体层单体122。因此，每个柱体100包括层叠的第一发光层单体132及第一半导体层单体122。每一柱体100的高度的范围为0.2~1微米（um）。较佳地，每一柱体100的高度为0.5um。
该第二发光层14包括多个第二发光层单体142。每个第二发光层单体142对应包覆一柱体100。每个第二发光层单体142的侧部144对应环绕在一柱体100周围。每个第二发光层单体142的顶部146为多棱锥状，其横截面呈三角形。
每个第二发光层单体142的棱锥状的顶部146的顶点处形成一量子点148，该量子点148发出第三种颜色光。
所述发光二极管晶粒10的制造方法还包括形成一缓冲层19的步骤，该缓冲层19位于基板11和第一半导体层12之间。该缓冲层19包括第一缓冲层192及第二缓冲层194。第一缓冲层192位于基板11和第二缓冲层194之间。本实施例中，第一缓冲层192及第二缓冲层194的材料为非掺杂的氮化镓，形成第一缓冲层192的温度低于形成第二缓冲层194的温度。
所述发光二极管晶粒10的制造方法还包括在第二半导体层15上形成一透明导电层16的步骤。本实施例中，所述透明导电层16采用的材料是氧化铟锡（ITO），采用蒸镀的方法形成于第二半导体层15上。
所述发光二极管晶粒10的制造方法还包括在第一半导体层12上形成一第一电极17及在该透明导电层16上形成一第二电极18的步骤。本实施例中，所述第一电极17和第二电极18分别为n型电极和p型电极。
在本发明的发光二极管晶粒10中，第一发光层13及形成在第一发光层13上的第二发光层14形成在同一发光二极管晶粒10中，第一发光层13发出的第一种颜色光与第二发光层14发出的第二种颜色光能够充分混合形成与第一、二种颜色光不同的另一种颜色光，发光二极管晶粒10的演色性及混色性较佳，且成本较低。

Claims (10)

1.一种发光二极管晶粒的制造方法，包括以下步骤：
提供一基板；
在该基板上形成一第一半导体层；
在该第一半导体层上形成一第一发光层，所述第一发光层发出第一种颜色光；
在该第一发光层上形成一第二发光层，所述第二发光层发出与第一种颜色不同的第二种颜色光；以及
在该第二发光层上形成一第二半导体层。
2.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于：所述基板为蓝宝石基板、硅基板或氮化镓基板，通过金属有机化合物化学气相沉积的工艺在基板的c平面上连续地外延生长所述第一半导体层、第一发光层、第二发光层及第二半导体层。
3.如权利要求2所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于：在基板的c平面上生长的所述第一半导体层具有非极性平面与半极性平面，所述第二发光层在所述非极性平面与半极性平面上外延生长。
4.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于：还包括形成多个柱体的步骤，该多个柱体通过先对第一发光层及第一半导体层进行纳米压印，然后再进行微影蚀刻而形成，该第一发光层通过蚀刻形成多个第一发光层单体，部分第一半导体层通过蚀刻形成多个呈柱状向上凸出的第一半导体层单体，每个柱体包括层叠的第一发光层单体及第一半导体层单体。
5.如权利要求4所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于：所述第二发光层包括多个第二发光层单体，每个第二发光层单体对应包覆一柱体，每个第二发光层单体的侧部对应环绕在一柱体周围。
6.如权利要求5所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于：每个第二发光层单体的顶部处形成一量子点，该量子点发出第三种颜色光。
7.一种发光二极管晶粒，包括：
第一半导体层；
形成在第一半导体层上的第一发光层，所述第一发光层发出第一种颜色光；
形成在第一发光层上的第二发光层，所述第二发光层发出与第一种颜色光不同的第二种颜色光；及
形成在第二发光层上的第二半导体层。
8.如权利要求7所述的发光二极管晶粒，其特征在于：还包括一基板，该基板为蓝宝石基板、硅基板或氮化镓基板，所述第一半导体层、第一发光层、第二发光层及第二半导体层依次形成在该基板的c平面上。
9.如权利要求7所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述第一半导体层上形成多个向上凸出的、呈柱状的第一半导体层单体，该第一发光层包括层叠在第一半导体层单体上的多个第一发光层单体，该第二发光层包括多个第二发光层单体，每个第二发光层单体对应包覆一第一发光层单体及一第一半导体层单体。
10.如权利要求9所述的发光二极管晶粒，其特征在于：每个第二发光层单体的顶部处形成一量子点，该量子点发出第三种颜色光。
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