CN107068827A - 高效发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种高效LED具有反光结构以改善基板的内反射效率并将由电极焊盘吸收的光的量最小化，由此改善发光效率。所述高效LED包括基板、n‑半导体层、活性层、p‑半导体层以及透明电极层。所述基板在其下侧中具有多个锥形的凹陷，所述凹陷填充有反光填料。这种构造将电极焊盘吸收的光的量最小化以及将基板的内反射效率最大化，使得未出射到外部的光的量被最小化，由此改善了发光效率。
Description
本申请是申请日为2010年12月1日、申请号为201080069085.9、题为“高效发光二极管”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种高效发光二极管(LED)，具体地，涉及一种可以具有反光结构以改善基板的内反射效率并将由电极焊盘吸收的光的量最小化、由此改善发光效率的高效LED。
背景技术
由于氮化物半导体发光装置(例如，由III族氮化物基化合物半导体制成的LED、激光二极管等)的发展，它已经作为在诸如显示器背光、相机闪光灯、照明等各种领域中作为下一代主要光源而获得关注。响应于氮化物半导体发光装置所应用领域的增加，正在进行提高亮度和发光效率的努力。
由诸如GaN、InGaN、AlGaN和AlInGaN等氮化物基化合物半导体制成的蓝色LED的优势在于它可以产生全色彩。然而，由于与现有的使用导电基板的LED不同，蓝色LED通常在绝缘蓝宝石基板上生长，n-电极和p-电极两者设置在相同侧(由晶体生长产生的氮化物半导体上)上，因此它的缺点是减少的发光面积。另外，因为诸如p-GaN的p-型氮化物半导体具有大的逸出功和高电阻，所以p-电极金属(例如结合焊盘或电极焊盘)不能直接用于p-型氮化物半导体上，为了形成欧姆接触和电流扩展的目的而在p-型氮化物半导体层上沉积透明电极。
用作生长基板的蓝宝石基板的性质是坚硬的，并且透光(从形成在蓝宝石基板上的活性层发射的光)。蓝宝石基板被加工为100μm或更薄，使用激光或金刚石片分离芯片。由于坚硬，蓝宝石基板被加工为薄的以分离蓝宝石基板，穿过蓝宝石基板的光被涂覆在蓝宝石基板的下侧上的反射材料涂层反射。
然而，现有技术的LED存在的问题在于，从活性层发射并进入蓝宝石基板的光的一部分由于低反射效率而被截留在蓝宝石基板的内部。这不仅劣化了LED的发光效率，还产生热。
为了改善LED的发光效率，提出了在蓝宝石基板上形成图案的方法。
图5是示出了现有技术的LED的剖视图。
LED 50包括基板510，基板510具有形成在其上部分中以反射入射光的凹凸图案。缓冲层520形成在基板510上以进行晶格匹配。n-半导体层530形成在缓冲层520上，活性层540形成在n-半导体层530上，p-半导体层550形成在活性层540上，透明电极层560形成在p-半导体层550上，电极焊盘570形成在透明电极层560上。另外，电极焊盘580形成在n-半导体层530上。
在现有技术的LED 50中，几μm的表面凹凸结构522形成在基板的上表面上，以改善来自蓝宝石基板510的光的提取。然而，这种结构存在限制的光提取效率的问题。
同时，在现有技术的LED 50中，当从活性层540发射的光穿过透明电极层560发射到外部时，由于形成在透明电极层560上的电极焊盘570是金属层，所以光不穿过电极焊盘570，而是被电极焊盘570吸收，由此导致光损失。
发明内容
技术问题
已经做出本发明来解决现有技术中的上述问题，因此本发明在于提供能够将电极焊盘吸收的光以及未从基板发射到外部的光的量最小化的高效发光二极管(LED)。
技术方案
根据本发明的一个方面，高效LED包括基板、n-半导体层、活性层、p-半导体层以及透明电极层。所述基板在其下侧中具有多个锥形的凹陷，所述凹陷填充有反光填料。
优选地，凹陷的深度为基板厚度的1/3至1/2。
优选地，基板的厚度是从150μm至250μm。
优选地，反光填料是从二氧化钛(TiO2)、碳酸铅(PbCO3)、硅石(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铅(PbO)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、三氧化二锑(Sb2O3)及其组合组成的组中选择的一种。
优选地，锥形凹陷的侧表面具有从40°至70°的倾斜度。
优选地，基板在其上部分上具有凹凸图案。
优选地，所述基板是蓝宝石基板。
优选地，高效发光二极管还包括形成在电极焊盘下方的反射层，电极焊盘形成在透明电极层上。
优选地，反射层形成在透明电极层和电极焊盘之间。
优选地，透明电极层形成在电极焊盘下方并具有凹凸的构造。
优选地，高效发光二极管还包括反射层，所述反射层形成在p-半导体层上对应于电极焊盘的区域中，透明电极层形成为覆盖反射层。
优选地，电极焊盘具有延伸件，并且反射层形成在延伸件下方，延伸件从电极焊盘的相对置的边缘沿着水平方向延伸。
优选地，反射层是布拉格反射器(DBR)。
技术效果
根据本发明的示例性实施例的高效LED在基板和电极焊盘上形成反光结构以将电极焊盘吸收的光的量最小化以及将基板的内反射效率最大化，使得未出射到外部的光的量被最小化，由此改善了其发光效率。
附图说明
图1是示出了根据本发明的示例性实施例的高效LED的剖视图；
图2是图1中形成有电极焊盘的部分A的放大剖视图；
图3是图1中示出的高效LED的俯视图；
图4是示出了根据本发明的另一个示例性实施例的高效LED的剖视图；
图5是示出了现有技术的LED的剖视图。
具体实施方式
现将参照附图在下文中更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例，由此本公开将把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被解释为限制于这里阐述的实施例。
首先，参照图1描述根据本发明的示例性实施例的高效发光二极管(LED)。
图1是示出了根据本发明的示例性实施例的高效LED的剖视图，图2是图1中形成有电极焊盘的部分A的放大剖视图，图3是图1中示出的高效LED的俯视图。
如图1中所示，LED 10包括基板110，基板110在其下侧具有凹陷112。缓冲层120形成在基板110上以进行晶格匹配。n-半导体层130形成在缓冲层120上，活性层140形成在n-半导体层130上，p-半导体层150形成在活性层140上，透明电极层160形成在p-半导体层150上，电极焊盘170形成在透明电极层160上。另外，电极焊盘180形成在n-半导体层130上。
考虑到与在基板上生长的氮化物半导体材料的晶格匹配，蓝宝石基板通常用作基板110。因为在蓝宝石基板上生长氮化物半导体材料是相对容易的，并且蓝宝石基板在高温下稳定，因此通常使用蓝宝石基板。
基板110在其下侧中具有多个锥形的凹陷112，用反光填料114填充凹陷112以促进从活性层140发射的光的反射。这里，反光填料114可以是从二氧化钛(TiO2)、碳酸铅(PbCO3)、硅石(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铅(PbO)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、三氧化二锑(Sb2O3)及其组合中选择的一种。
基板110的厚度足够在其下侧中形成凹陷112。该厚度优选为150μm至250μm，更优选地为200μm。
如图1中所示，每个凹陷112具有沿着从基板110的下侧到中心轴的方向变窄的锥形构造，并且形成为具有基板110的厚度t1的1/3至1/2的深度(t2)。
由于锥形构造限定的倾斜侧表面，凹陷112有效地反射从内部发射的光。侧表面的倾斜度越高，反射效率可以越好。40°到70°的倾斜度是优选的。
因为如上所述锥形凹陷112形成在基板110的下侧中，并用反光填料114填充锥形凹陷112，所以可以从基板110反射从活性层140发射的光，然后穿过透明电极层160出射到外部，由此改善LED 10的发光效率。
为了基板110和上覆的氮化物半导体层之间的晶格匹配，形成缓冲层120，缓冲层120形成为由诸如GaN或AlN的氮化物制成的低温晶粒生长层，缓冲层120具有典型的几十nm的厚度。
n-半导体层130可以由用AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y，x+y≤1)表示的n-半导体制成，并可以包括n-覆层。即，n-半导体层130可以由n-掺杂的氮化物半导体制成。例如，氮化物半导体可以是GaN、AlGaN或InGaN，在n-半导体层130的掺杂中使用的掺杂剂可以是Si、Ge、Se、Te和C等，优选Si。
活性层140是通过电子-空穴复合发射光的区域，其中，根据构成活性层140的材料的类型来确定发射的光的波长。活性层140可以具有其中堆叠有至少两个量子阱和至少两个量子势垒的多量子阱(MQW)结构或者单量子阱结构。这里，势垒层和阱层均可以是四元化合物半导体层，由通式AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y，x+y≤1)表示。
例如，可以通过生长InGaN层作为阱层以及生长GaN层作为势垒层形成MQW结构。具体地，蓝色LED使用由InGaN/GaN等制成的MQW结构，紫外(UV)LED使用由GaN/AlGaN、InAlGaN/InAlGaN和InGaN/AlGaN等制成的MQW结构。
p-半导体层150可以由用AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y，x+y≤1)表示的p-半导体制成，并且可以包括p-覆层。即，p-半导体层150可以由p-掺杂的氮化物半导体制成。氮化物半导体的代表性示例可以包括GaN、AlGaN和InGaN。在p-半导体层150的掺杂中使用的掺杂剂可以是Mg、Zn和Be等，优选Mg。
透明电极层160与上覆的电极焊盘170一起用作电极，还用于将从活性层140产生的光发射到外部。因此，需要透明电极层160具有优异的电特性和不阻碍光发射的特性。透明电极层160可以是Ni/Au、ZnO或者氧化铟锡(ITO)层。
电极焊盘170是p-电极，形成在透明电极160的一侧上，其中，透明电极160形成在p-半导体层150上。电极焊盘180是n-电极，形成在n-半导体层130的一侧上。
布拉格反射器(DBR)172在透明电极层160和电极焊盘170之间形成为反射层，以将电极焊盘170吸收的光的量最小化。
因为DBR 172形成在电极焊盘170的下侧中以防止从活性层140发射的光被电极焊盘170吸收，DBR 172可以在电极焊盘170的下侧中以各种形式形成。
例如，如图2中的(a)所示，DBR 172a可以形成在透明电极160和电极焊盘170之间。DBR 172a可以在透明电极106形成在p-半导体层150上之后、形成电极焊盘170之前，形成在其上预期形成有电极焊盘170的区域的一部分上。优选地，DBR 172a可以形成在电极焊盘170的中心部分上。
DBR 172a具有多个具有不同的折射率的介电层a至f，用于使电流绝缘。因此，DBR172a的宽度形成为小于电极焊盘170的宽度，电极焊盘170和透明电极层160围绕DBR 172a的相对端来互相电连接。
另外，如图2中的(b)所示，DBR 172b可以形成在p-半导体层150上。即，在透明电极层160b形成在p-半导体层150上以覆盖DBR 172b之前，DBR 172b形成在p-半导体层150的对应于电极焊盘170的区域上。
另外，如图2中的(c)所示，DBR 172c可以形成在透明电极层160c和电极焊盘170之间。透明电极层160c可以以凹凸构造形成在电极焊盘170下方，以进一步改善DBR 172的反射率。
即，透明电极层160c形成在p-半导体层150上，其上形成有电极焊盘170的区域中形成有齿状的凹凸构造，DBR 172形成在齿状区域的凹进中。
因为如上所述，DBR 172形成在电极焊盘170的下侧上，因此从活性层140发射的光可以穿过其中没有形成电极焊盘170的透明电极层160而出射到外部，并且可以被形成有电极焊盘170的区域中的DBR 172朝向基板110反射。因此，这可以将由电极焊盘170吸收的光的量最小化，由此进一步提高了LED 10的发光效率。
同时，如图3中所示，DBR 172可以形成在从电极焊盘170延伸的电极延伸件170a下方。即，电极延伸件170a从电极焊盘170的相对置的边缘沿着水平方向延伸，由此防止了从电极焊盘170的下侧产生的电流的流动拥挤。因为电极延伸件170a与电极焊盘170相似，吸收从活性层140发射的光，所以DBR 172形成在电极延伸件170a的部分上。
尽管如图3中所示，DBR 172可以形成在电极延伸件170a的一些部分上，但是这并不意图成为限制。DBR 172可以形成在电极延伸件170a的全部部分上。DBR 172的位置可以如图2中的(a)至(c)所示根据透明电极层160和电极焊盘170的结构变化。
因为如上所述DBR 172不仅形成在电极焊盘170上，还形成在电极延伸件170a的一些或全部部分上，所以它可以减少由电极焊盘170和电极延伸件170a吸收的光的量，由此进一步提高了LED 10的发光效率。
图4是示出了根据本发明的另一个示例性实施例的高效LED的剖视图。
除了形成在基板410上的图案之外，本实施例的构造与前述实施例的构造相同。因此，在此省略相同组件的描述。
如图4中所示，基板410具有用反光填料414填充的凹陷412以及形成在基板410的上部分上的凹凸图案以反射进入基板410的光。
基板410可以是图案化的蓝宝石基板(PSS)。尽管在本实施例中以示例的方式举例说明了凹凸图案，但是这并不意图成为限制。相反，可以通过蚀刻基板410或者通过将金属层施加到基板410的上部分上来形成图案。
如上所述，形成在基板410的上部分上的凹凸图案可以进一步增加从活性层440发射并朝向基板410的下侧前进的光的反射，由此进一步提高了LED 40的发光效率。
尽管参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是对本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变，并且这样的改变落入权利要求的范围内。
Claims (7)
1.一种高效发光二极管，所述发光二极管包括基板、n-半导体层、活性层、p-半导体层、透明电极层和反射层，
其中，透明电极层形成在p-半导体层上，在透明电极层上形成有电极焊盘的区域中形成有齿状的凹凸构造，反射层形成在齿状区域的凹进中，
其中，所述基板在其下侧中具有多个锥形的凹陷，所述凹陷填充有反光填料，
其中，所述基板在其上部分上具有凹凸图案，
其中，所述反射层是布拉格反射器。
2.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其中，凹陷具有基板厚度的1/3至1/2的深度。
3.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其中，基板的厚度从150μm至250μm。
4.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其中，反光填料是从由TiO2、PbCO3、SiO2、ZrO2、PbO、Al2O3、ZnO、Sb2O3及其组合物组成的组中选择的一种。
5.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其中，锥形凹陷的侧表面具有从40°至70°的倾斜度。
6.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其中，所述基板是蓝宝石基板。
7.根据权利要求1所述的高效发光二极管，其中，电极焊盘具有延伸件，并且反射层形成在延伸件的下方，所述延伸件从电极焊盘的相对置的边缘沿着水平方向延伸。
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