CN105870290B - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管及其制作方法，其中所述发光二极管依次包括：导电基板、高反射镜面层、发光外延叠层和电极，所述发光外延叠层包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述高反射镜面层由透光层和金属反射层构成，所述透光层内局部区域设有点状散射点，所述透光层的折射率小于所述点状散射点的折射率。本发明采用点状散射反射镜结构，形成超高反射率镜面系统，可使垂直方向的光散射至其他方向，避免重复反射吸光。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，具体的说是一种具有高反射镜面层的发光二极管及其制作方法。
背景技术
近几年，发光二极管（light emitting diode，简称LED）得到了广泛的应用，在各种显示系统、照明系统、汽车尾灯等领域起着越来越重要的作用。
现有发光二极管之增光工艺，通常会借由键合工艺在芯片外延层与吸光基板之间制作反射镜面，藉此避免芯片内发光被吸光基板吸收，并将其反射至出光面提升整体亮度。镜面材质通常选用对于该芯片波长具有高反射率之金属材料，如红光常用Au/Ag镜，蓝绿光常用Al/Ag镜；此外，也常见地将高反射率金属结合SiO2，形成全方位反射镜面ODR结构。但在遮光电极下的光线容易被吸收，损失亮度。
发明内容
针对前述问题，本发明提出一种具有高反射镜面层的发光二极管结构及其制作方法，其借由点状散射反射镜结构，可形成超高反射率/高热传导镜面系统，使垂直方向的光散射至其他方向，避免重复反射吸光。
本发明解决上述问题的技术方案为：发光二极管，依次包括：导电基板、高反射镜面层、发光外延叠层和电极，所述发光外延叠层包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，其特征在于：所述高反射镜面层由透光层和金属反射层构成，所述透光层内局部区域设有点状散射点，所述透光层的折射率小于所述点状散射点的折射率。
优选地，所述高反射镜面层占整体发光面的80%~98%面积。
优选地，所述点状散射点位于所述电极相应位置下方，可使垂直方向的光散射至其他方向，避免重复反射吸光。
优选地，所述透光层的热传导系数为10w/mk以上。
优选地，所述透光层为氟化镁层，所述点状散射点的材料为氧化钛，形成超高反射率/高热传导镜面系统，提升发光二极管整体效率。
优选地，所述点状散射点的面积大于所述电极面积的1.05倍。
优选地，所述透光层由氟化镁层和氧化钛交替堆叠而成。在一个较佳实施例中，所述透光层的厚度为渐进式分布，举例如下，第一氟化镁层的厚度为590nm，第二氟化镁层的厚度为第一氟化镁层的0.25-0.6倍，以此类推；同理，第一氧化钛层的厚度为92nm，第一氧化钛层的厚度为第一氧化钛层的之0.25-0.6倍，多层膜总厚度在1微米以下为佳。
优选地，所述金属反射层可以为Au、Ag、 Al等，厚度大于0.2微米为宜，较佳值为0.25微米。
本发明同时提供了一种发光二极管的制作方法，包括步骤：1）提供一发光外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；2）在所述发光外延叠层的第一表面上制作高反射镜面层，其由透光层和金属反射层构成，所述透光层结构中局部区域设有点状散射点，所述透光层的折射率小于所述点状散射点的折射率；3）提供一导电基板，将其与所述高反射镜面层粘接；4）在所述发光外延叠层的第二表面上制作电极。
优选地，所述步骤3）中包括： 在所述发光外延叠层的第一表面定义欧姆接触区，在所述欧姆接触区上依次沉积欧姆接触层和剥离层；在所述发光外延叠层的第一表面上沉积第一厚度的透光层子层，其同时覆盖所述剥离层，在所述透光层子层上形成点状散射点，继续沉积第二厚度的透光层子层，从而在透光层内形成点状散射点；剥离所述剥离
层，露出所述欧姆接触层；在所述透光层之上形成金属反射层。
在一些实施例中，在所述透光层子层上直接沉积10~100埃的散射材料，其尚未成膜状态，形成点状散射点。
在另一些实施例中，在所述透光层子层上沉积散射材料层，其厚度大于100埃，再采用黄光工艺形成点状散射点，其与所述发光外延叠层的第二表面上的电极位置相对应。
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为现有的一种垂直结构发光二极管芯片的侧面剖视图。
图2为根据本发明实施的一种发光二极管芯片的侧面剖视图。
图3~11为根据本发明实施的一种发光二极管芯片的制作过程示意图。
图12和13为根据本发明实施的发光二极管芯片的电极示意图。
图14显示了不同透光层结构的反射率对比图
图中标号：
100、200：导电基板；
110、110：金属键合层；
120、220：反射镜面层；
121、221：金属反射层；
122：SiO2层
222：透光层；
123、223：欧姆接触层；
224：点状散射点；
130、230：发光外延叠层；
131、231：第一半导体层；
132、232：有源层；
133、233：第二半导体层；
141、241：焊盘电极；
142、242：扩展电极；
201：生长衬底；
202：剥离用金属层。
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。
图1公开了一种具有全方位反射镜（Omni-Directional Reflector，简称ODR）的发光二极管，其具体结构包括：导电基板100、金属键合层110、反射镜面层120、第一半导体层131、有源层132、第二半导体层133及电极141和142。其中，反射镜面层120一般由SiO2 层122和金属反射层121构成。在此LED结构中，由有源层向下发出的光部分经由SiO2层全反射回去，部分光经由高反射金属镜面层全反射回去，增加出光效率。然而，在顶面电极141、142下方的光线容易被吸收，损失亮度。
下面各实施例公开了一种发光二极管，其在反射镜面层内设有点状散射点，形成超高反射率/高热传导镜面系统，使垂直方向的光散射至其他方向，避免重复反射吸光。
参看图3，根据本发明实施的一种发光二极管，包括：导电基板200、金属键合层210、反射镜面层220、发光外延叠层230、焊盘电极241和扩展电极241。其中反射镜面层220包括金属反射层221、透光层222构成，其中透光层222的内部局部区域设有点状散射点224，其在发光外延叠层230上的投影与焊盘电极241和扩展电极241对应。
具体的，导电基板200可采用Si基板，发光外延叠层230包括第一半导体层231、有源层232和第二半导体层233，反射镜面层220占整体发光的80%~98%面积为佳，其中金属反射层221采用高反射率的金属材料，如Ag或Al等材料，透光层222采用具有低折射率、高热传导率的介质材料，其热传导系数在10w/mk以上为佳，点状散射点224的折射率大于透光层的折射率，以使垂直方向的光散射至其他方向。在透光层222中还设有贯穿该层的欧姆接触层223，以导通发光外延叠层230。在一个较佳实施例中，透光层222采用氟化镁，其折射率n为1.38，热传导系数14~15 W/mk，点状散射点采用具有高折射率、高热传导率之透光材料并具有散射效果的二氧化钛，其折射率n为2.6，热传导系数为11~12 W/mk，从而形成超高反射率/高热传导镜面系统，提升发光二极管整体效率。
下面结合图3~10及制作方法，对上述发光二极管进行详细说明，主要外延生长、制作高反射镜面层、基板转移和电极制作等步骤。
一、外延生长
在生长衬底201上依次形成发光外延叠层230，该发光外延叠层至少包括第一半导体层231、有源层232和第二半导体层233。生长衬底201的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅，其表面结构可为平面结构或图案化图结构。当第一半导体层231为p型半导体，第二半导体层232可为相异电性的n型半导体，反之，当第一半导体层231为n 型半导体，第二半导体层232可为相异电性的p型半导体。有源层232可为中性、p型或n型电性的半导体。施以电流通过半导体发光叠层时，激发有源层232发光出光线。当有源层232以氮化物为基础的材料时，会发出蓝或绿光；当以磷化铝铟镓为基础的材料时，会发出红、橙、黄光的琥珀色系的光。在本实施例中，第一半导体层231为P型半导体、第二半导体层233为N型半导体，有源层232采用磷化铝铟镓系多量子阱结构，如图3所示。
二、形成高反射镜面层230
如图4所示，在发光外延叠层230的第一表面230a上首先沉积一图形化的欧姆接触层223，其材料要为AuZn、AuBe等。
如图5所示，接着在欧姆接触区223的表面上沉积剥离层202，该剥离层2002可采用活性金属，可为Ti或Cr。在一些变形实施例中，为避免使用活性金属作为剥离层容易产生蚀刻不完全或金属残留所引起欧姆接触不佳导致电压高的问题，可使用氧化物材料作为剥离层，如SiOx或SiNx等。
如图6所示，在发光外延叠层的第一表面230a及金属层202上沉积透光层222。此过程至少细分为三个子步骤：
（1）先沉积透光层子层，其大约100nm厚；
（2）在第一透光层子层上形成散射材料层，其厚度为1~100nm，并定义焊盘电极/扩展电极下方区域及图形，形成点状散射点；
（3）继续沉积透光层子层，形成完整的透光层，其内部含有点状射散点224。
关于步骤（2）中的点状散射点的形成方式，主要有两种方式，以TiO2为例进行举例说明：
第一种：沉积TiO2层，控制厚度为10~100埃，其尚未成膜状态，直接在焊盘电极/扩展电极相应区域制作分布，如图12所示，其中虚线区域为点状散射点，所占面积大于电极面积的1.05倍。
第二种：沉积TiO2层，控制厚度为100~1000埃，其已为成膜状态，在焊盘电极/扩展电极相应区域中制作圆形的TiO2图案，直径为1微米以上，如图12所示，其中虚线区域为点状散射点，所占面积大于电极面积的1.05倍。在另一些实施例中，也可制作方形图案，长宽为1微米以上，或者任意形状(包含任意矩形/菱形/三角形/多边形等)，所占区域>电极面积的1.05倍。
如图7所示，剥离金属层202，裸露出欧姆接触层223。
如图8所示，在透光层222上沉积金属反射层221，至此完成高反射镜面层的制作。该金属反射层221可以为Au、Ag、 Al等，厚度为0.2微米以上，较佳值为0.25微米。
三、转移基板、制作电极
提供一导电基板200，并在导电基板200和金属反射层的表面上形成金属键合层，进行高温键合，从而将导电基板与发光外延叠层粘接，并移除生长衬底201，裸露出发光外延叠层的第二表面230b，在裸露出的外延叠层表面230b上制作焊盘电极241和扩展电极242，如图9-11所示。
作为上述实施例的一个变形，透光层222可为多层结构，由氟化镁层和氧化钛层交替堆叠而成。在一个较佳实施例中，该透光层的厚度为渐进式分布，其中靠近外延叠层的厚度最大，并呈递减分布，如：第一氟化镁层的厚度为590nm，第二氟化镁层的厚度为第一氟化镁层的0.25-0.6倍，以此类推；同理，第一氧化钛层的厚度为92nm，第一氧化钛层的厚度为第一氧化钛层的之0.25-0.6倍，多层膜总厚度在1微米以下为佳。
下面分别采用不同的材料/结构制作透光层，并对其反射率进行测试。第一种采用单层SiO2作为透光层，其厚度为200nm；第二种采用单层MgF2作为透光层，其厚度200nm；第三种采用MgF2/TiO2，厚度固定，取2.5周期，具体厚度参照下表1；第四种采用MgF2/TiO2，厚度渐变，具体厚度参照下表2。
表1：
| 第三种镜面层 | 材料 | 厚(nm) |
| 第一透光层子层 | MgF2 | 110 |
| 第二透光层子层 | TiO2 | 65 |
| 第三透光层子层 | MgF2 | 110 |
| 第四透光层子层 | TiO2 | 65 |
| 第五透光层子层 | MgF2 | 110 |
| 金属反射层 | Ag | 250 |
表2：
| 第三种镜面层 | 材料 | 厚度 (nm) |
| 第一透光层子层 | MgF2 | 590 |
| 第二透光层子层 | TiO2 | 92 |
| 第三透光层子层 | MgF2 | 156 |
| 第四透光层子层 | TiO2 | 52 |
| 第五透光层子层 | MgF2 | 66 |
| 金属反射层 | Ag | 250 |
图14显示了上述四种不同透光层结构的反射率比对图，从图中可看出相对于固定厚度多层膜或者单层氧化层之镜面结构，厚度渐进式结构得最佳反射率。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。
Claims (10)
1.发光二极管，依次包括：导电基板、高反射镜面层、发光外延叠层和电极，所述发光外延叠层包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，其特征在于：所述高反射镜面层由从基板侧到电极侧依次设置的金属反射层和透光层构成，所述透光层内局部区域设有点状散射点，其位于所述电极相应位置下方，所述透光层的折射率小于所述点状散射点的折射率，所述透光层为多层结构，由氟化镁层和氧化钛层交替堆叠而成。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述高反射镜面层占整体发光面的80%~98%面积。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透光层的热传导系数为10w/mk以上。
4.根据权要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述点状散射点的面积大于所述电极面积的1.05倍。
5.根据权要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透光层的厚度为渐进式分布，邻近发光外延叠层的厚度最大，并呈递减变化。
6.根据权要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述透光层具有n层氟化镁层，其中第n氟化镁层的厚度Dn与第n-1氟化镁层的厚度Dn-1的关系为：Dn=(0.25~0.6)Dn-1。
7.根据权要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述透光层具有m层氧化钛层，其中第m氧化钛层的厚度Dm与第m-1氧化钛层的厚度Dm-1的关系为：Dm=(0.25~0.6)Dm-1。
8.发光二极管的制作方法，包括步骤：
1）提供一发光外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；
2）在所述发光外延叠层的第一表面上制作高反射镜面层，其由透光层和金属反射层构成，所述透光层结构中局部区域设有点状散射点，其位于所述电极相应位置下方，所述透光层的折射率小于所述点状散射点的折射率；
3）提供一导电基板，将其与所述高反射镜面层粘接；
4）在所述发光外延叠层的第二表面上制作电极；
其中所述步骤2）中包含：
在所述发光外延叠层的第一表面定义欧姆接触区，在所述欧姆接触区上依次沉积欧姆接触层和剥离层；
在所述发光外延叠层的第一表面上沉积第一厚度的透光层子层，其同时覆盖所述剥离层，在所述透光层子层上形成点状散射点，继续沉积第二厚度的透光层子层，从而在透光层内形成点状散射点；
剥离所述剥离层，露出所述欧姆接触层；
在所述透光层之上形成金属反射层。
9.根据权利要求8所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：在所述透光层子层上直接沉积10~100埃的散射材料，其尚未成膜状态，形成点状散射点。
10.根据权利要求8所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：在所述透光层子层上沉积散射材料层，其厚度大于100埃，再采用黄光工艺形成点状散射点，其与所述发光外延叠层的第二表面上的电极位置相对应。
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