CN112909139A - 一种基于dbr结构的led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于DBR结构的LED芯片及其制备方法，通过在在所述衬底上以第一方向依次堆叠的若干个N型DBR层、N型半导体层、有源层以及P型窗口层；各所述N型DBR层包括具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层，所述耦合层用于反射产生透射峰的波段。基于该技术方案，可实现消除复合式DBR结构的透射峰，有效拓宽带宽，从而更加有效地实现LED封装后亮度的提升。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，尤其涉及一种基于DBR结构的LED芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件。LED具有效率高、寿命长、体积小、功耗低等优点，可以应用于室内外白光照明、屏幕显示、背光源等领域。现有的LED为了提高其发光亮度，通常通过在衬底与有源层之间形成单一分布式布拉格反射器结构(DBR)以反射单一波长或通过复合DBR结构反射不同波长。
然而，当采用单一分布式布拉格反射器结构(DBR)时，由于反射单一波长的DBR只会对直角进入的光和一些小角度入射的光进行较强的反射，对大角度入射的光反射较低，但由于有源层发出的光是均匀射向各个方向的，因此大角度入射的光大部分都透过DBR被衬底吸收，使得发光的效率被降低。
当采用复合DBR结构反射不同波长时，虽然可以增加对大倾角入射光的反射，但由于反射不同中心波长的复合式DBR结构的堆叠组合原理与法布里-珀罗滤光片结构相似，如附图图1所示，其示意了红黄光LED的复合DBR结构所对应的光谱图，如图可知，反射率图谱中总会出现透射峰，使得反射率图谱的带宽具有不连续性，对LED外量子效率的提升方面有一定的局限性。
有鉴于此，本发明人专门设计了一种基于DBR结构的LED芯片及其制备方法，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DBR结构的LED芯片及其制备方法，以解决现有技术中LED发光效率低及DBR反射的发散角大及电流扩展效果差，以及工艺复杂且成本较高的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于DBR结构的LED芯片，包括：
衬底；
在所述衬底上以第一方向依次堆叠的若干个N型DBR层、N型半导体层、有源层以及P型窗口层；各所述N型DBR层包括交替堆叠的具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层，所述耦合层用于反射产生透射峰的波段；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述N型DBR层。
优选地，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层的反射波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间。
优选地，所述耦合层的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层的反射中心波长，n为所述耦合层的材料折射率。
优选地，所述耦合层包括具有低折射率的材料层。
优选地，在所述有源层靠近所述N型半导体层的一侧设有N型限制层，在所述有源层靠近所述P型窗口层的一侧设有P型限制层。
优选地，所述LED芯片包括黄红光LED，所述具有高折射率的第一材料层包括AlxGa1-xAs层，所述具有低折射率的第二材料层包括AlAs层；其中，0＜x＜1。
优选地，所述耦合层包括AlAs层。
优选地，包括2个所述的N型DBR层，即在所述衬底上以第一方向依次堆叠的第一N型DBR层和第二N型DBR层；所述耦合层设于所述第一N型DBR层和第二N型DBR层之间。
优选地，所述第一N型DBR层的反射中心波长包括615-625nm，所述第二N型DBR层的反射中心波长包括565-575nm。
优选地，在所述衬底与所述N型DBR层之间设有缓冲层。
本发明还提供了一种基于DBR结构的LED芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
提供一衬底；
若干个N型DBR层、N型半导体层、多量子阱有源层以及P型窗口层；各所述N型DBR层包括交替堆叠的具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层，所述耦合层用于反射产生透射峰的波段；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述N型DBR层。
优选地，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层的波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间；所述耦合层的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层的反射中心波长，n为所述耦合层的材料折射率。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的基于DBR结构的LED芯片及其制备方法，通过在在所述衬底上以第一方向依次堆叠的若干个N型DBR层、N型半导体层、有源层以及P型窗口层；各所述N型DBR层包括具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层，所述耦合层用于反射产生透射峰的波段；进一步地，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层的反射波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间；所述耦合层的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层的反射中心波长，n为所述耦合层的材料折射率。基于该技术方案，首先，实现了可反射不同中心波长的复合式DBR结构，相较于反射单一中心波长的DBR结构，可以有效低拓宽DBR反射图谱的宽度；对任意入射角(特别是直角)进入的光都可以展现出较好的反射率，以更好地提高出光效率。其次，通过在相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层，所述耦合层用于反射产生透射峰的波段，可实现消除复合式DBR结构的透射峰，有效拓宽带宽，从而更加有效地实现LED封装后亮度的提升。
最后，本发明提供的上述制备方法，其工艺简单、成本较低，且通过上述的制备方法所获得外延片具有较好的晶体质量，其LED芯片产品的稳定性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中红黄光LED的复合DBR结构所对应的光谱图；
图2为本发明所提供的基于DBR结构的LED芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例一所提供的第一N型DBR层的结构示意图；
图4为本发明实施例一所提供的第二N型DBR层的结构示意图；
图中符号说明：1、衬底，2、缓冲层，3、第一N型DBR层，3.1、具有高折射率的第一材料层，3.2、具有低折射率的第二材料层，4、耦合层，5、第二N型DBR层，5.1、具有高折射率的第一材料层，5.2、具有低折射率的第二材料层，6、N型半导体层，7、N型限制层，8、有源层，9、P型限制层，10、P型窗口层。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清晰，下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。本发明不局限于该具体实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，一种基于DBR结构的LED芯片，包括：
衬底1；
在所述衬底1上以第一方向依次堆叠的若干个N型DBR层、N型半导体层6、有源层8以及P型窗口层10；各所述N型DBR层包括交替堆叠的具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层4，所述耦合层4用于反射产生透射峰的波段；所述第一方向垂直于所述衬底1，且由所述衬底1指向所述N型DBR层。
值得一提的是，衬底1的类型在本实施例的半导体外延结构不受限制，例如，衬底1可以是但不限于硅衬底1、GaAs衬底1等。另外，N型半导体层6、有源层8以及P型窗口层10的具体材料类型在本实施例的半导体外延结构也可以不受限制，例如，N型半导体层6可以是但不限于砷化镓层，相应地，P型窗口层10可以是但不限于砷化镓层。
优选地，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层4的反射波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间。
优选地，所述耦合层4的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层4的反射中心波长，n为所述耦合层4的材料折射率。
优选地，所述耦合层4包括具有低折射率的材料层。
优选地，在所述有源层8靠近所述N型半导体层6的一侧设有N型限制层7，在所述有源层8靠近所述P型窗口层10的一侧设有P型限制层9。
优选地，在所述衬底1与所述N型DBR层之间设有缓冲层2。
本发明还提供了一种基于DBR结构的LED芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
提供一衬底1；
若干个N型DBR层、N型半导体层6、多量子阱有源层8以及P型窗口层10；各所述N型DBR层包括具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层4，所述耦合层4用于反射产生透射峰的波段；所述第一方向垂直于所述衬底1，且由所述衬底1指向所述N型DBR层。
优选地，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层4的波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间；所述耦合层4的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层4的反射中心波长，n为所述耦合层4的材料折射率。
经由上述的技术方案可知，本发明实施例提供的基于DBR结构的LED芯片及其制备方法，通过在在所述衬底1上以第一方向依次堆叠的若干个N型DBR层、N型半导体层6、有源层8以及P型窗口层10；各所述N型DBR层包括具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层4，所述耦合层4用于反射产生透射峰的波段；进一步地，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层4的反射波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间；所述耦合层4的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层4的反射中心波长，n为所述耦合层4的材料折射率。基于该技术方案，首先，实现了可反射不同中心波长的复合式DBR结构，相较于反射单一中心波长的DBR结构，可以有效低拓宽DBR反射图谱的宽度；对任意入射角(特别是直角)进入的光都可以展现出较好的反射率，以更好地提高出光效率。其次，通过在相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层4，所述耦合层4用于反射产生透射峰的波段，可实现消除复合式DBR结构的透射峰，有效拓宽带宽，从而更加有效地实现LED封装后亮度的提升。
最后，本发明提供的上述制备方法，其工艺简单、成本较低，且通过上述的制备方法所获得外延片具有较好的晶体质量，其LED芯片产品的稳定性高。
实施例一
如图2所示，一种基于DBR结构的LED芯片，所述LED芯片为黄红光LED，包括：
衬底1；
在所述衬底1上以第一方向依次堆叠的若干个N型DBR层、N型半导体层6、有源层8以及P型窗口层10；各所述N型DBR层包括交替堆叠的具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且在第一N型DBR层3和第二N型DBR层5之间设有耦合层4，所述耦合层4用于反射产生透射峰的波段；所述第一方向垂直于所述衬底1，且由所述衬底1指向所述N型DBR层。
本发明实施例中，包括2个所述的N型DBR层，即在所述衬底1上以第一方向依次堆叠的第一N型DBR层3和第二N型DBR层5；所述耦合层4设于所述第一N型DBR层3和第二N型DBR层5之间。
本发明实施例中，所述具有高折射率的第一材料层包括AlxGa1-xAs层，所述具有低折射率的第二材料层包括AlAs层；其中，0＜x＜1。
本发明实施例中，所述耦合层4包括具有低折射率的材料层。可选地，所述耦合层4包括AlAs层。
值得一提的是，衬底1的类型在本实施例的半导体外延结构不受限制，例如，衬底1可以是但不限于硅衬底1、GaAs衬底1等。另外，N型半导体层6、有源层8以及P型窗口层10的具体材料类型在本实施例的半导体外延结构也可以不受限制，例如，N型半导体层6可以是但不限于砷化镓层，相应地，P型窗口层10可以是但不限于砷化镓层。
本发明实施例中，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层4的反射波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间。可选地，所述第一N型DBR层3的反射中心波长包括615-625nm，所述第二N型DBR层5的反射中心波长包括565-575nm。
本发明实施例中，所述耦合层4的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层4的反射中心波长，n为所述耦合层4的材料折射率。
本发明实施例中，在所述有源层8靠近所述N型半导体层6的一侧设有N型限制层7，在所述有源层8靠近所述P型窗口层10的一侧设有P型限制层9。
本发明实施例中，在所述衬底1与所述N型DBR层之间设有缓冲层2。
本发明实施例还提供了一种基于DBR结构的LED芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1、提供一GaAs衬底1；
步骤2、在所述GaAs衬底1表面生长缓冲层2；
步骤3、如图3所示，在所述缓冲层2表面形成第一N型DBR层3，所述第一N型DBR层3包括交替堆叠的具有高折射率的第一材料层3.1和具有低折射率的第二材料层3.2；
进一步地，所述具有高折射率的第一材料层3.1包括AlxGa1-xAs层，其中，0＜x＜1；所述具有低折射率的第二材料层3.2包括AlAs层；并通过调节Al组分使第一N型DBR层3的反射中心波长为615-625nm；
步骤4、在所述第一N型DBR层3表面形成耦合层4，所述耦合层4用于反射产生透射峰的波段；
进一步地，所述耦合层4包括AlAs层，所述耦合层4的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层4的反射中心波长，n为所述耦合层4的材料折射率；
步骤5、如图4所示，在所述耦合层4的表面形成第二N型DBR层5，所述第二N型DBR层5包括交替堆叠的具有高折射率的第一材料层5.1和具有低折射率的第二材料层5.2；
进一步地，所述具有高折射率的第一材料层5.1包括AlxGa1-xAs层，其中，0＜x＜1；所述具有低折射率的第二材料层5.2包括AlAs层；并通过调节Al组分使第二N型DBR层5的反射中心波长为565-575nm；
步骤6、在所述第二N型DBR层5的表面形成N型半导体层6；
步骤7、在所述N型半导体层6的表面形成N型限制层7；
步骤8、在所述N型限制层7的表面形成有源层8；
步骤9、在所述有源层8的表面形成P型限制层9；
步骤10、在所述P型限制层9的表面形成P型窗口层10。
经由上述的技术方案可知，本发明实施例提供的基于DBR结构的LED芯片及其制备方法，通过在在所述衬底1上以第一方向依次堆叠的若干个N型DBR层、N型半导体层6、有源层8以及P型窗口层10；各所述N型DBR层包括具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层4，所述耦合层4用于反射产生透射峰的波段；进一步地，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层4的反射波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间；所述耦合层4的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层4的反射中心波长，n为所述耦合层4的材料折射率。基于该技术方案，首先，实现了可反射不同中心波长的复合式DBR结构，相较于反射单一中心波长的DBR结构，可以有效低拓宽DBR反射图谱的宽度；对任意入射角(特别是直角)进入的光都可以展现出较好的反射率，以更好地提高出光效率。其次，通过在相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层4，所述耦合层4用于反射产生透射峰的波段，可实现消除复合式DBR结构的透射峰，有效拓宽带宽，从而更加有效地实现LED封装后亮度的提升。
最后，本发明提供的上述制备方法，其工艺简单、成本较低，且通过上述的制备方法所获得外延片具有较好的晶体质量，其LED芯片产品的稳定性高。
在上述技术方案的基础上，在本申请的其他实施例中，可以是上述实施例1和实施例2的任意组合方案，只要满足前述的范围和要求，并参照上述实施例进行适应性改变即可，本申请在此不做穷举。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于DBR结构的LED芯片，其特征在于，包括：
衬底；
在所述衬底上以第一方向依次堆叠的若干个N型DBR层、N型半导体层、有源层以及P型窗口层；各所述N型DBR层包括交替堆叠的具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层，所述耦合层用于反射产生透射峰的波段；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述N型DBR层。
2.根据权利要求1所述的基于DBR结构的LED芯片，其特征在于，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层的反射波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间。
3.根据权利要求1所述的基于DBR结构的LED芯片，其特征在于，所述耦合层的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层的反射中心波长，n为所述耦合层的材料折射率。
4.根据权利要求1所述的基于DBR结构的LED芯片，其特征在于，所述耦合层包括具有低折射率的材料层。
5.根据权利要求1所述的基于DBR结构的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括黄红光LED，所述具有高折射率的第一材料层包括AlxGa1-xAs层，所述具有低折射率的第二材料层包括AlAs层；其中，0＜x＜1。
6.根据权利要求5所述的基于DBR结构的LED芯片，其特征在于，所述耦合层包括AlAs层。
7.根据权利要求1所述的基于DBR结构的LED芯片，其特征在于，包括2个所述的N型DBR层，即在所述衬底上以第一方向依次堆叠的第一N型DBR层和第二N型DBR层；所述耦合层设于所述第一N型DBR层和第二N型DBR层之间。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于DBR结构的LED芯片，其特征在于，所述第一N型DBR层的反射中心波长包括615-625nm，所述第二N型DBR层的反射中心波长包括565-575nm。
9.一种基于DBR结构的LED芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
提供一衬底；
若干个N型DBR层、N型半导体层、有源层以及P型窗口层；各所述N型DBR层包括交替堆叠的具有高折射率的第一材料层和具有低折射率的第二材料层，且至少在一相邻的两个N型DBR层之间设有耦合层，所述耦合层用于反射产生透射峰的波段；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述N型DBR层。
10.根据权利要求9所述的基于DBR结构的LED芯片的制备方法，其特征在于，各所述N型DBR层的反射中心波长各不相同，且所述耦合层的波长介于相邻两个N型DBR层的反射中心波长之间；所述耦合层的厚度为λ/4n，其中，λ为所述耦合层的反射中心波长，n为所述耦合层的材料折射率。
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2021
- 2021-02-01 CN CN202110133269.7A patent/CN112909139A/zh active Pending
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