CN107611232A - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了发光二极管及其制作方法。该发光二极管依次包括第一发光二极管外延层、光转换层、键合层和第二发光二极管外延层。在一些实施例中，所述键合层为带通键合层，所述光转换层能被第一发光二极管外延层发出的光激发，通过带通键合层后，出射的光与第二发光二极管外延层发出的光光谱重合，从而在相同电流下，额外增加了一部分与第二发光二极管外延层发出的光光谱重合的光线，使发光二极管的亮度得到极大增强。

Description

发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制作方法，属于发光二极管芯片器件与工艺技术领域。
背景技术
发光二极管作为第四代光源技术，具有诸多优点。具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域场合，使用非常广泛。并且随着行业的发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，发光二极管的效率不断提高，成本降低，大大提高了其发展前景。但是，其大功率器件效率低、起始成本高等，是一直存在的技术难题。
近年来，为了提高发光二极管的出光效率，在发光二极管外延生长中已经有双结甚至是多结发光二极管出现，双结发光二极管外延具有两组量子阱结构，中间采用隧道结连接，同样电流下，出光量得到很大提高。在芯片方面出现倒装器件，其特点是外延层直接与导热基板接触，有效解决了散热的问题，同时倒装后生长衬底朝上成为出光面，并且生长衬底相对于出射的光是透明的，因此出光问题也得到解决。
可见提高发光二极管的出光效率对于发光二极管来说，是一个持久的课题。无论是从器件结构、外延设计、封装形式等途径，其目的都是在相同条件下增加其出光量，提升出光效率。
发明内容
本发明提供了一种发光二极管及其制作方法，其直接在两个LED外延结构之间形成光转换层，从而增加器件出光量或者获得特定波长的光源。
根据本发明的第一个方面，发光二极管，包括：第一发光外延结构，发射第一波长的光，其上表面定义有第一区域和第二区域；光转换层，形成于所述第一发光外延结构的第一区域；键合层，位于所述光转换层的表面之上；第二发光外延结构，发射第二波长的光，位于所述键合层的表面之上，并通过所述键合层与所述第一发光外延结构连接；导电结构，形成于所述形成于所述第一发光外延结构的第二区域，并电性连接至所述第二发光外延结构；其中，所述第一发光外延结构发出的光激发所述光转换层发出第三波长的光，并穿透所述键合层向上射出。
优选地，所述第一发光外延结构采用倒装磊晶生长方式，其生长衬底作为最终芯片衬底，第二发光外延结构采用正装磊晶生长方式，其生长衬底可以去除。
优选在，所述第一发光外延结构的下表面具有背反射镜结构。
在一些实施例中，所述键合层为带通材料层，即带通滤波结构，第一发光外延结构发出的光能够激发涂覆其上的光转换层，产生更加长波的光，通过带通滤波结构，只让与第二发光外延结构的发光波长相近的光通过。工作时，第二发光外延结构正常发光，第一发光外延结构发出较短波长的光，激发涂覆其上的光转换层发光，光转换层发射的光经过带通键合层结构后，只有与第二发光二极管发射的光重合的部分才能通过，获得的出光量为第二发光二极管外延层发出的光和带通结构层透过的光的总和，从而在相同电流下，额外增加了一部分与第二发光二极管外延层发出的光光谱重合的光线，使发光二极管的亮度得到极大增强。
优选地，第二发光外延结构的带隙比第一发光结构的带隙窄。
优选地，第一发光外延结构发出的光激发所述光转换层发射出的光波长同第二发光外延结构发射出的光波长中心值相当。
优选地，所述光转换光层具有足够的厚度，将第一发光外延结构发射出的光完全吸收，并辐射出对应第二发光外延结构的光。
优选地，所述键合层结构由多层透光薄膜组成，其透过的波长范围可从过薄膜层数与薄膜种类控制调节。
优选地，通过所述键合层的波长范围同第二发光外延结构发射的光波长中心值重合。
优选地，所述键合层由沉积于第一发光外延结构和第二发光外延结构之上的透明化合物光学薄膜键合而成。
在一些实施例中，所述第一发光外延结构发射蓝光，其激发所述光转换层为形成绿光荧光粉，所述第二发光外延结构发射红光，形成光波段为三种颜色的发光二极管。其中所述第一发光外延结构的出光面积S1、所述光转换层在第一发光外延结构上的投影面积S2、所述键合层在第一发光外延结构上的投影面积S3三者的大小关系为：S1＞S2＞S3。通过调制三者的关系，从而形成白光发光二极管。
在一些实施例中，所述第一发光外延结构发射蓝光，其激发光转换层后形成绿光，所述键合层仅让绿光绿光，所述第二发光外延结构发射经红光，两者混合形成黄色。
优选地，所述导电结构穿透所述键合层和光转换层，形成第一发光外延结构和第二发光外延结构之间的电极结构。
在一些实施例中，所述导电结构为分别形成于所述第一发光外延结构和第二发光外延结构上的半导体欧姆接触层。
在一些实施例中，所述导电结构为形成于所述第一发光外延结构上的金属镀层形成的欧姆接触层。
在一些实施例中，所述第一发光外延结构的出光面积S1、所述光转换层在第一发光外延结构上的投影面积S2、所述键合层在第一发光外延结构上的投影面积S3三者的大小关系为：S1=S2=S3。
在一些实施例中，所述第一发光外延结构的出光面积S1、所述光转换层在第一发光外延结构上的投影面积S2、所述键合层在第一发光外延结构上的投影面积S3三者的大小关系为：S1=S2＞S3。
在一些实施例中，所述第一发光外延结构的出光面积S1、所述光转换层在第一发光外延结构上的投影面积S2、所述键合层在第一发光外延结构上的投影面积S3三者的大小关系为：S1＞S2＞S3。
本发明同时提供了一种发光二极管的制作方法，包含如下步骤：提供第一发光外延结构，其上表面定义为第一区域和第二区域；在所述第一发光外延结构的第一区域上依次形成光转换层和键合层，在第二区域上形成导电结构；提供第二发光外延结构，将其所述键合层连接，从而将所述第一发光外延结构和第一发光外延结构连接起来，并通过所述导电结构形成电性连接；其中，所述第一发光外延结构发出的光激发所述光转换层发出第三波长的光，并穿透所述键合层向上射出。
本发明还提供了一种荧光增强发光二极管的制作方法，其形成步骤为：（1）提供第一发光外延结构和第二发光外延结构；（2）在第一发光外延结构上依次形成图形化的接触层、荧光粉涂覆层、带通键合层和贯穿电极结构；（3）在第二发光外延层结构上依次形成图形化的接触层和带通键合层；（4）将第二发外延层结构和第二发光外延结构进行对位键合；（5）去除第二发光外延结构的衬底结构；（6）分别在在第一发光外延结构和第二发光外延结构上上形成第一电极、第二电极；（7）在第一发光外延结构的生长衬底背面形成背反射镜结构。
所述步骤（2）（3）中，所述接触层外延层为重掺杂结构，通过沉积金属镀层，形成欧姆接触的贯穿电极；优选地，以上两种欧姆接触层能够直接通过半导体形成电极结构。
所述步骤（2）中，若采用沉积金属的方法形成贯穿电极结构，优选地，镀层采用对称结构，即A/B/C/B/A的方式，可最大程度保证粘附性与电极接触。
本发明至少包括以下有益效果：在不改变常规LED外延结构的情况下，采用相对较为成熟的荧光粉技术，并通过带通滤波技术，使第一发光二极管外延层能够产生同第二发光二极管外延层重合的光，从而实现在同样的通电电流情况下，LED器件的出光量大大增加。不同于单纯增加电流或者双结LED外延来提高亮度，该种方法能够以较为低廉的成本、相对简单的工艺，获得较高亮度的LED芯片器件。
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为实施例一器件结构示意图。
图2为实施例一中第一发光二极管外延层完成带通键合层后器件结构示意图。
图3为实施例一中第一发光二极管外延层完成贯穿电极结构后器件结构示意图。
图4为实施例一中第二发光二极管外延层完成带通键合层后器件结构示意图。
图5为实施例一中第一、二发光二极管外延层完成键合及去除GaAs衬底后器件结构示意图。
图6为实施例一中外延层蚀刻形成台阶后器件结构示意图。
图7为实施例一中形成第一电极和第二电极后器件结构示意图。
图8为实施例二器件结构示意图。
图9和图10为实施例三之器件结构示意图。
图中：
001 蓝宝石衬底结构
002 n型GaN基外延层
003发光层
004图形化的欧姆接触层
005p型GaN基外延层
006光转换层
007 SiO2/Al2O3带通键合层结构1
008SiO2/Al2O3带通键合层结构2
009欧姆接触外延层结构
010GaInP发光外延结构
011欧姆接触结构
012金属结构
013 N电极和P电极结构
014背反射镜结构
015GaAs生长衬底。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例一
本实例以第一发光外延结构为GaN基LED，生长衬底为Al2O3，第二发光外延结构为GaInP基LED，生长衬底为GaAs，制作发光波段为GaInP的荧光增强发光二极管。
请参看图1，一种荧光增强发光二极管，主要包括：背反射镜结构014、蓝宝石衬底001、n型GaN基外延层002、003有源层、p型GaN基外延层005、光转换层006、键合层007和008和第一发光外延结构010、由第一图形化的欧姆接触层004、金属结构012和第二图形化欧姆接触层009构成的导电结构。其中第二发光外延结构010，为倒装结构，从下至上一般依次包含p型半导体层、有源层和n型半导体层，导电结构贯穿光转换层006、键合层007和008，从而使第一发光外延结构和第二发光外延结构形成电性连接。
在本实施例中，键合层为带通键合层（即带滤波结构），只让与第二发光外延结构的发光波长相近的光通过，在于工作时，第二发光外延结构正常发光，第一发光外延结构发出较短波长的光，激发涂覆其上的光转换层006发光，光转换层006发射的光经过带通键合层后，只有与第二发光外延结构发射的光重合的部分才能通过，获得的出光量为第二发光二极管外延层发出的光和带通结构层透过的光的总和。
下面结合制作方法对上述发光二极管的结构进行详细说明。
（一）提供LED外延片。
提供第一LED外延片和第二LED外延片，两个LED外延片除生长衬底外，分别在发光层上下具有典型的外延功能层结构，其中第一LED外延片为GaN基外延片，依次主要包括生长衬底001、n型GaN半导体层002、发光层003和p型GaN半导体层005，第二LED外延片为AlGaInP系外延片，其主要包括p型欧姆接触层009、发光外延叠层010和n型欧姆接触层011。
（二）制作光转换层006和第一键合层007。
首先，在第一LED外延片的p型GaN半导体层005的表面上定义发光区和导电区，并在导电区形成欧姆接触层004。
接着，在第一LED外延片的发光区上涂覆配制好的荧光粉作为光转换层006，荧光粉涂覆厚度在10-50μm，以尽可能将第一LED结构发出的光全部吸收，该荧光粉为红光荧光粉；然后进行SiO2和Al2O3多层薄膜沉积，形成带通键合层007。如图2所示。
然后，蚀刻掉导电区域的荧光粉涂覆层006和带通键合氧化物层007裸露出欧姆接触层004，在欧姆接触层004上制作金属结构012，从而形成贯穿荧光粉涂覆层006和带通键合氧化物层007的导电结构。优选地，金属结构012采用对称结构，即A/B/C/B/A的方式，与第一和第二LED外延层的接触层形成欧姆接触。该金属结构的厚度可调，根据示意图中，最终厚度与氧化物台阶齐平即可，如图3所示。
（三）制作第二键合层008。
采用光刻掩膜图形化第二LED外延片的p型欧姆接触层009，去除大面积接触层，只保留所需图案作为接触层；接着，在第二LED外延片的表面上沉积SiO2和Al2O3多层薄膜，形成带通键合层008；然后进行光刻掩膜，腐蚀掉欧姆接触区域的氧化物层，裸露出图形化的p型欧姆接触层009，如图4所示。
（四）接合第一LED外延层和第二LED外延层。
将以上得到的第一LED外延片和第二LED外延片进行对位键合，并去除第二LED外延片的生长衬底，形成如图5所示的器件结构。
（五）制作电极，形成荧光增强型LED器件。
首先，采用光刻掩膜，在所得器件上蚀刻出台面结构，该台面结构上表面为第一发光外延层生长衬底一侧的n型GaN半导体层002，如图6所示。
接着，在第二发光二极管外延层一侧形成图案化的欧姆接触层011。
然后，在第一发光二极管外延层的n型GaN半导体层002表面上和第二发光二极管外延层的欧姆接触层011上分别形成N电极、P电极，如图7所示。
最后，第一发光二极管外延层衬底一侧，也即蓝宝石一侧沉积SiO2和Al2O3反射镜结构013，即形成如图1所示荧光增强发光二极管器件结构。
实施例二
请参看附图8，本实施例与实施例一的区别在于，将第一发光二极管外延层采用的金属结构节省，直接将第一、二发光二极管外延层的欧姆接触层采用重掺杂结构，从而能够直接通过半导体形成上下导通的电极通道，进一步简化了工艺流程，并使成本更加低廉。
实施例三
本实例以第一发光二极管外延层为GaN基材料，生长衬底为Al2O3，第二发光二极管外延层为GaInP系材料，生长衬底为GaAs，制作发光波段为三种颜色的发光二极管。
请参看图9和图10，其中图9为器件结构的侧面剖视图，图10为器件结构的俯视图。在本实施例中，光转换层006仅形成于第一LED结构的部分出光面上，同时键合层007和008仅形成于光转换层的表面上，即第一LED结构的出光面积S1、光转换层007在第一LED结构上的投影面积S2、键合层007在第一LED结构上的投影面积S3三者的大小关系为：S1＞S2＞S3。
在本实施例中，第一LED结构发射蓝光，光转换层006为绿光荧光粉，第二LED结构发射红光。由于光转换层006只部分覆盖第一LED结构的出光面，键合层007和008部分覆盖光转换层006的上表面，即第二LED结构只形成在部分光转换层007的部分表面上，因此第一LED结构发射的蓝光一部分经过光转换层006，激发绿光荧光粉向上发出绿光，另一部分直接从第一LED结构的表面射出；光转换层006发出的绿光一部分直接射出，第二LED结构发射红光，三者混合形成白光。
实施例四
本实例以第一发光外延结构为GaN基LED，生长衬底为Al2O3，发射蓝光，第二发光外延结构为GaInP基LED，生长衬底为GaAs，发射红光，制作发光波段为黄色的发光二极管。发光二极管器件结构如图1所示，下面进行详细说明。
本实施例与实施例一的区别在于，光转换层006采用绿光荧光粉代替，从而将第一发光二极管的光转换为绿光，带通键合层007和008只能通过绿光；同时，通过调控带通键合层面积的大小，可以控制绿光的强度，从而控制绿光和红光复合发出的黄光的强度。
目前常见的黄光发光二极管多为AlGaInP四元外延制作而成，该种方法由于材料组分较难控制，发光波长差异较大，从而会导致较大色差产生。采用此种方法，可以直接从绿光的通光量来控制红绿的比例，从而形成特定稳定的黄光。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (14)

1.发光二极管，包括：
第一发光外延结构，发射第一波长的光，其上表面定义有第一区域和第二区域；
光转换层，形成于所述第一发光外延结构的第一区域；
键合层，位于所述光转换层的表面之上；
第二发光外延结构，发射第二波长的光，位于所述键合层的表面之上，并通过所述键合层与所述第一发光外延结构连接；
导电结构，形成于所述形成于所述第一发光外延结构的第二区域，并电连接至所述第二发光外延结构；
其中，所述第一发光外延结构发出的光激发所述光转换层发出第三波长的光，并穿透所述键合层向上射出。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：第二发光外延结构的带隙比第一发光结构的带隙窄。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：第一发光外延结构发出的光激发所述光转换层发射出的光波长同第二发光外延结构发射出的光波长中心值相当。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述光转换光层具有足够的厚度，将第一发光外延结构发射出的光完全吸收，并辐射出对应第二发光外延结构的光。
5.根据权利要求3或4所述的发光二极管，其特征在于：所述键合层仅让与所述第二发光外延结构的发光波长相近的光通过。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述键合层为带通材料层。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述键合层结构由多层透光薄膜组成，调节所述薄膜层数与薄膜种类从而控制其透过的波长范围。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：通过所述键合层的波长范围同第二发光外延结构发射的光波长中心值重合。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述键合层由沉积于第一发光外延结构和第二发光外延结构之上的透明化合物光学薄膜键合形成。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述导电结构穿透所述键合层和光转换层，形成第一发光外延结构和第二发光外延结构之间的电极结构。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述导电结构为分别形成于所述第一发光外延结构和第二发光外延结构上的半导体欧姆接触层。
12.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一发光外延结构发射蓝光，其激发光转换层后形成绿光，所述键合层仅让绿光通过，所述第二发光外延结构发射红光，两者混合形成黄色。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一发光外延结构发射蓝光，所述光转换层为绿光荧光粉，所述第二发光外延结构发射红光，三者混合形成白光。
14.发光二极管的制作方法，包含如下步骤：
提供第一发光外延结构，其上表面定义为第一区域和第二区域；
在所述第一发光外延结构的第一区域上依次形成光转换层和键合层，在第二区域上形成导电结构；
提供第二发光外延结构，形成所述键合层，从而将所述第一发光外延结构和第一发光外延结构连接起来，并通过所述导电结构形成电性连接；
其中，所述第一发光外延结构发出的光激发所述光转换层发出第三波长的光，并穿透所述键合层向上射出。
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