CN105932127A - 发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管及其制备方法，其中所述发光二极管从下至上依次包括第一类型半导体层、发光层、第二类型半导体层及沟道结构，所述沟道结构位于所述发光层和第二类型半导体层的至少一部分区域，并至少贯穿所述第二类型半导体层，其内填充第一光转换层，所述发光层发射第一波长的光，所述第一光转换层将所述发光层发出的部分第一波长的光转换为第二波长的光。本发明在发光层及其上的半导体层设置沟道结构，于其内填充光转换层，可以增加发光层发出的光的利用率。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明领域，具体涉及一种发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管以其绿色环保，已经越来越多地应用于人们的日常生活中、医院等公共场所中、以及工矿企业中。目前的LED照明产品通常采用在紫光或蓝光LED芯粒外直接涂覆荧光粉来转换为白光实现照明，但是这种常规的结构设计对紫光或蓝光LED芯粒所发出的光的利用率不高。因此，有必要设计一种的发光二极管来解决以上问题。
发明内容
本发明提供了一种发光二极管及其制备方法，其将发光层及其上的半导体层设置沟道结构，在其内填充光转换层，可以增加发光层发出的光的利用率。
根据本发明的第一个方面，发光二极管，从下至上依次包括第一类型半导体层、发光层、第二类型半导体层，其特征在于：还包括沟道结构，其位于所述发光层和第二类型半导体层的至少一部分区域，并至少贯穿所述第二类型半导体层，其内填充第一光转换层，所述发光层发射第一波长的光，所述第一光转换层将所述发光层发出的部分第一波长的光转换为第二波长的光。
在一些实施例中，所述发光二极管还包括第二光转换层，其位于所述第二类型半导体层之上，所述第一光转换层和第二光转换层可以相同，也可以不同，其可以为蓝光荧光粉、绿光荧光粉、黄光荧光粉、红光荧光粉或其任意组合。进一步的，所述第一光转换层和第二光转换层在发光层上的投影不重合。
在一些实施例中，所述发光层和第二半导体层的至少部分区域呈柱状阵列结构，所述阵列结构可以为圆柱/多棱柱体阵列、上宽下窄或上窄下宽的圆锥/多棱锥体阵列。进一步的，所述第一光转换层形成于所述柱状阵列之间的沟道。
在一些实施例中，所述发光层和第二类型半导体层划分为x个相互电隔离的发光区（x为大于等于2的正整数），其中第一个发光层不具有所述沟道结构，第i个发光区具有所述沟道结构并填充所述第一光转换层（x≥i≥2）。
进一步地，所述发光二极管还包括一个与所述第一类型半导体层连接的第一电极和x个分别与所述x个发光区的第二类型半导体层连接的第二电极，所述x个发光区共用所述第一电极，并通过所述x个第二电极独立控制各个发光区的电流注入，实现各个发光区独立发光或者同时发光。
优选的，所述发光层发射紫外光，所述第一个发光区直接发射紫外光，第i个发光区发射可见光。
优选的，所述x个发光区包括蓝光发光区、绿色发光区、黄色发光区、红色发光区、紫外发光区、白光发光区域或其任意组合。
根据本发明的第二个方面，发光二极管的制作方法，包括步骤：（1）形成第一类型半导体层、发光层和第二类型半导体层，所述发光层发射第一波长的光；（2）在所述发光层和第二类型半导体层的至少一部分区域形成沟道结构，其至少贯穿所述第二类型半导体层；（3）在所述沟道结构中填充第一光转换层，所述第一光转换层将所述发光层发出的部分第一波长的光转换为第二波长的光。
在一些实施例中，所述步骤（2）具体为：先将所述发光层和第二类型半导体层划分为x个相互电隔离的发光区，再在第i个发光区形成所述沟道结构（x≥i≥1），并在所述发光区内填充所述第一光转换层。
进一步的，所述发光二极管的制作方法还包括步骤（4）：制作第一电极，其与所述第一类型半导体层连接；制作x个第二电极，其分别与各个发光区的第二类型半导体层连接。所述x个发光区共用一个第一电极，并通过设于各个发光区上的第二电极独立控制各个发光区的电流注入，实现各个发光区独立发光或者同时发光。
在一些实施例中，所述步骤（2）为：蚀刻所述第二类型半导体层至发光层，使至少部分所述第二类型半导体层和发光层为柱状阵列结构，从而形成所述沟道结构。
本发明至少具有以下有益效果：（1）在发光层及其上的半导体层中形成沟道结构，并填充光转换层，可提高发光层发出的光的利用率，降低其损失；（2）将发光区划分为多个区域，可实现芯片级的紫外消毒、照明和全彩发射的功能，并且可分别调节控制便于多功能LED灯具的设计，应用前景广。
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，附图是描述概要，不是按比例绘制。
图1为实施例1所提供的发光二极管的示意图。
图2为实施例2所提供的发光二极管的示意图。
图中标示：100：衬底；101：缓冲层；102：N型AlGaN层；103：紫外MQW发光层；104：P型AlGaN层；105：绝缘隔离带；106a/106b：光转换层；107：透明导电层；108：N电极；109：第一P电极；110：第i个P电极；111：反射层；200：衬底；201：缓冲层；202：N型GaN层；203：MQW发光层；204：P型GaN层；206a/206b：光转换层；207：透明导电层；208：N电极；210：P电极；211：反射层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明公开的发光二极管的优选实施例进行更详细的描述。
实施例1
如图1所示，本发明所设计的发光二极管的示意图，包括衬底100及在其上依次堆叠的缓冲层101、N型AlGaN层102、紫外MQW发光层103、P型AlGaN层104、透明导电层107、N电极108和P电极109/110。其中，衬底100可以为GaN衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底或其他适于外延生长的衬底材料，衬底100之上的外延层可以采用MOCVD或MBE依次生长而成；缓冲层101可以为GaN或AlGaN或其交替堆叠结构；所述紫外MQW发光层103可以为AlGaN、InGaN或InAlGaN交替堆叠而成。
在本实施例中，发光二极管芯粒至少被切割为x个发光区域，其中x为大于等于2的正整数；第一发光区域为从紫外MQW发光层103到P型AlGaN层104及其之上的透明导电层107和第一P电极109，用于发射紫外光（UV）实现消毒功能，波长范围为200 ~380 nm；第i个发光区域为从紫外MQW发光层103到P型AlGaN层104的阵列结构及在其沟道中打印的光转换层106a，以及之上的透明导电层107、与从紫外MQW发光层103到P型AlGaN层104的阵列结构相一致的阵列光转换层106b和第i个P电极110，用于发射可见光实现照明和全彩发射的功能。第i个发光区域从紫外MQW发光层103到P型AlGaN层104的阵列结构可以为圆柱/多棱柱体阵列、上宽下窄或上窄下宽的圆锥/多棱锥体阵列；阵列结构沟道中打印的光转换层106a以及透明导电层107之上的阵列光转换层106b可以相同，也可以不同。光转换层106a/106b可以为蓝光荧光粉、绿光荧光粉、黄光荧光粉、红光荧光粉或其任意组合，本实施例中选用蓝光荧光粉、绿光荧光粉和红光荧光粉组合而成，用于发射照明用白光。所述第i发光区域可以包括蓝光发光区域、绿色发光区域、黄色发光区域、红色发光区域、白光发光区域或其任意组合。本实施例中为白光发光区域（W）。
以上所述发光二极管的制备方法，包括下面步骤：
（1）生长一紫外发光二极管外延片，包括衬底100及在其上依次堆叠的缓冲层101、N型AlGaN层102、紫外MQW发光层103和P型AlGaN层104，可采用MOCVD或MBE生长；
（2）将紫外发光二极管外延片从P型AlGaN层104切割至衬底100使其形成若干紫外发光二极管芯粒，可采用激光切割；
（3）对紫外发光二极管芯粒从P型AlGaN层104切割至紫外MQW发光层103，同时在其沟道中打印一绝缘隔离带105使紫外发光二极管芯粒被切割为x个发光区域，其中x为大于等于2的正整数，所述绝缘隔离带105可以为SiO2等绝缘性透明氧化物材料；
（4）对紫外发光二极管芯粒的第N发光区域进行再次切割使其形成从紫外MQW发光层103到P型AlGaN层104的阵列结构；
（5）在第N发光区域的阵列结构的沟道中打印一光转换层106a；
（6）在紫外发光二极管芯粒P型AlGaN层104之上制备透明导电层107，并将透明导电层107沿绝缘隔离带105切割形成与各发光区域相对应，同时在切割的沟道中再次打印一绝缘隔离带105，透明导电层107可以为ITO、IZO等透明导电氧化物；
（7）分别在各发光区域的透明导电层107上制备P电极109/110，在紫外发光二极管芯粒的N型AlGaN层102之上制备一N电极108；
（8）在第 N发光区域透明导电层107之上分别打印与其阵列结构相一致的阵列光转换层106b；
（9）最后，在发光二极管芯粒衬底100背面制备一反射层111，反射层111可以为金属反射层或者为氧化硅和氧化钛组成的DBR结构；完成发光二极管芯粒的制备。
以上所述制备的发光二极管芯粒可以实现芯片级的紫外消毒、照明和全彩发射的功能，并且可分别调节控制便于多功能LED灯具的设计，应用前景广；且所设计的第N发光区域的结构可以显著提高紫外光的利用率、降低紫外光的损失，从而提高其转换效率。
实施例2
如图2所示，本发明所设计的发光二极管的示意图，包括衬底200及在其上依次堆叠的缓冲层201、N型GaN层202、MQW发光层203、P型GaN层204、透明导电层207、N电极208和P电极210；所述衬底200可以为GaN衬底、蓝宝石衬底或SiC衬底，衬底200之上的外延层可以采用MOCVD或MBE依次生长而成；所述缓冲层201可以为GaN或AlGaN或其交替堆叠结构；所述MQW发光层203可以为紫外MQW发光层、蓝光MQW发光层，由AlGaN、InGaN、InAlGaN或GaN交替堆叠而成；所述N型GaN层202和P型GaN层204可以掺杂Al；所述发光二极管芯粒的发光区域为从MQW发光层203到P型GaN层204的阵列结构及在其沟道中打印的光转换层206a，以及之上的透明导电层207、与从MQW发光层203到P型GaN层204的阵列结构相一致的阵列光转换层206b，用于发射可见光实现照明或全彩发射的功能；所述发光区域从MQW发光层203到P型GaN层204的阵列结构可以为圆柱/多棱柱体阵列、上宽下窄或上窄下宽的圆锥/多棱锥体阵列；所述阵列结构沟道中打印的光转换层206a以及透明导电层207之上的阵列光转换层206b可以相同，也可以不同。所述光转换层206a/206b可以为蓝光荧光粉、绿光荧光粉、黄光荧光粉、红光荧光粉或其任意组合，本实施例中选用蓝光荧光粉、绿光荧光粉和红光荧光粉的组合，或者为绿光荧光粉和红光荧光粉的组合，用于发射照明用白光。所述发光区域可以为蓝光发光区域、绿色发光区域、黄色发光区域、红色发光区域、白光发光区域或其任意组合。本实施例中为白光发光区域（W）。
以上所述发光二极管的制备方法包括：
（1）生长一发光二极管外延片，包括衬底200及在其上依次堆叠的缓冲层201、N型GaN层202、MQW发光层203和P型GaN层204，可采用MOCVD或MBE生长；
（2）将发光二极管外延片从P型GaN层204切割至衬底200使其形成若干发光二极管芯粒，可采用激光切割；
（3）对发光二极管芯粒从P型GaN层204切割至MQW发光层203使其形成从MQW发光层203到P型GaN层204的阵列结构的发光区域；
（4）在发光区域的阵列结构的沟道中打印一光转换层206a；
（5）在发光二极管芯粒P型GaN层204之上制备透明导电层207，透明导电层207可以为ITO、IZO等透明导电氧化物；
（6）在透明导电层207上制备P电极210，在发光二极管芯粒的N型GaN层202之上制备一N电极208；
（7）在透明导电层207之上打印与其阵列结构相一致的阵列光转换层206b；
（8）最后，在发光二极管芯粒衬底200背面制备一反射层211，反射层211可以为金属反射层或者为氧化硅和氧化钛组成的DBR结构；完成发光二极管芯粒的制备。以上所制备发光二极管芯粒所设计的发光区域结构可以显著提高LED紫外光或蓝光的利用率、降低紫外光或蓝光的损失，从而提高其转换效率；同时通过调节打印不同的光转换层可实现芯片级白光照明和全彩发射的功能。
以上表示了本发明的优选实施例，应该理解的是，本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有益效果。因此，以上描述不作为对本发明的限制，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.发光二极管，从下至上依次包括第一类型半导体层、发光层、第二类型半导体层，其特征在于：还包括沟道结构，其位于所述发光层和第二类型半导体层的至少一部分区域，并至少贯穿所述第二类型半导体层，其内填充第一光转换层，所述发光层发射第一波长的光，所述第一光转换层将所述发光层发出的部分第一波长的光转换为第二波长的光。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：还包括第二光转换层，其位于所述第二类型半导体层之上。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一光转换层和第二光转换层在发光层上的投影不重合。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光层和第二半导体层的至少部分区域呈柱状阵列。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述第一光转换层形成于所述柱状阵列之间的沟道。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光层和第二类型半导体层划分为x个相互电隔离的发光区（x为大于等于2的正整数），其中第一个发光层不具有所述沟道结构，第i个发光区具有所述沟道结构并填充所述第一光转换层（x≥i≥2）。
7. 根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述发光层发射紫外光，所述第一个发光区直接发射紫外光，第i个发光区发射可见光。
8.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：还包括一个与所述第一类型半导体层连接的第一电极和x个分别与所述x个发光区的第二类型半导体层连接的第二电极，所述x个发光区共用所述第一电极，并通过所述x个第二电极独立控制各个发光区的电流注入，实现各个发光区独立发光或者同时发光。
9.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述x个发光区包括蓝光发光区、绿色发光区、黄色发光区、红色发光区、紫外发光区、白光发光区域或其任意组合。
10.发光二极管的制备方法，包括步骤：
（1）形成第一类型半导体层、发光层和第二类型半导体层，所述发光层发射第一波长的光；
（2）在所述发光层和第二类型半导体层的至少一部分区域形成沟道结构，其至少贯穿所述第二类型半导体层；
（3）在所述沟道结构中填充第一光转换层，所述第一光转换层将所述发光层发出的部分第一波长的光转换为第二波长的光。
11.根据权利要求10所述的发光二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）具体为：先将所述发光层和第二类型半导体层划分为x个相互电隔离的发光区，再在第i个发光区形成所述沟道结构（x≥i≥1），并在所述发光区内填充所述第一光转换层。
12.根据权利要求11所述的发光二极管的制备方法，其特征在于：还包括步骤（4）：
制作第一电极，其与所述第一类型半导体层连接；
制作x个第二电极，其分别与各个发光区的第二类型半导体层连接。
13.根据权利要求12所述的发光二极管的制备方法，其特征在于：所述x个发光区共用一个第一电极，并通过设于各个发光区上的第二电极独立控制各个发光区的电流注入，实现各个发光区独立发光或者同时发光。
14.根据权利要求10所述的发光二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）为：蚀刻所述第二类型半导体层至发光层，使至少部分所述第二类型半导体层和发光层为柱状阵列结构，从而形成所述沟道结构。
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