CN113228309B - 发光二极管结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管结构，包括衬底、第一类型半导体层、第二类型半导体层及多量子井发光层；第一类型半导体层设置在衬底上，第一类型半导体层远离衬底的表面具有一图案化结构层；多量子井发光层位于团化结构层与第二类型半导体层之间并覆盖在图案化结构层上；多量子井发光层具有多个第一厚度区域、第二厚度区域及过渡区域；以第一类型半导体层朝向第二类型半导体层的竖直方向为准，第一厚度区域的厚度大于第二厚度区域的厚度；过渡区域的厚度自第一厚度区域朝向第二厚度区域的方向逐渐变小。上述发光二极管结构，通过图案化结构层结合多量子井发光层的不同区域的厚度变化，提高了发光亮度，同时提高了内部萃取效益。

Description

发光二极管结构
技术领域
本发明涉及一种二极管，且特别是涉及一种发光二极管结构。
背景技术
由于发光二极管具有寿命长、体积小、高耐震性、发热度小以及耗电量低等优点，发光二极管已被广泛地应用于家电产品以及各式仪器的指示灯或光源。
一般发光二极管的晶圆结构包含基底、在基底上形成的第一型半导体层、第二型半导体层及位于第一型半导体层与第二型半导体层之间的发光层。该发光层也为多重量子阱结构(MQW)，以增加LED发光亮度；然而，多重量子阱结构增加的亮度仍有限制，例如提升MQW的厚度或面积虽然可以提升亮度，但厚度过厚会导致内部萃取效益(IQE，InternalQuantum Efficiency)降低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种发光亮度高同时保证内部萃取效益的发光二极管结构。
一种发光二极管结构，包括：
衬底；
第一类型半导体层，所述第一类型半导体层设置在所述衬底上，所述第一类型半导体层远离所述衬底的表面具有一图案化结构层；
第二类型半导体层；及
多量子阱发光层，所述多量子阱发光层位于所述图案化结构层与所述第二类型半导体层之间并覆盖在所述图案化结构层上；所述多量子阱发光层具有多个第一厚度区域、多个第二厚度区域、及连接相邻的第一厚度区域与第二厚度区域的过渡区域；所述第一厚度区域与所述第二厚度区域交替设置；以所述第一类型半导体层朝向所述第二类型半导体层的竖直方向为准，所述第一厚度区域的厚度大于所述第二厚度区域的厚度；所述过渡区域的厚度自所述第一厚度区域朝向所述第二厚度区域的方向逐渐变小。
上述发光二极管结构，与现有技术的发光二极管结构的具有相同厚度的发光层不同，本发光二极管结构通过图案化结构层结合多量子阱发光层的第一厚度区域、第二厚度区域及过渡区域的不同厚度变化，通过较厚的第一厚度区域提高了发光亮度，同时通过较薄的第二厚度区域保证了内部萃取效益。
进一步地，所述第一厚度区域的厚度为所述第二厚度区域的厚度的两倍或两倍以上。
进一步地，所述第一厚度区域的厚度为所述第二厚度区域的厚度的5.5倍或5.5倍以上。
进一步地，所述过渡区域的厚度自所述第一厚度区域朝向所述第二厚度区域的方向呈线性变小，所述第一厚度区域位于靠近所述第一类型半导体层的底部；所述第二厚度区域位于靠近所述第一类型半导体层的顶部。
进一步地，所述图案化结构层包括多个锥体，所述多量子阱发光层的第一厚度区域位于相邻所述锥体之间；各所述锥体形成有多个顶峰和谷底，所述多量子阱发光层的第一厚度区域位于所述锥体靠近所述第二类型半导体层的顶峰，所述多量子阱发光层的第二厚度区背离所述图案化结构层的一面与所述锥体的顶峰间隔设置，所述锥体的顶峰为尖状设置，所述多量子阱发光层的第二厚度区域为尖状设置，所述锥体的顶峰为平台状设置，多量子阱发光层的第二厚度区域对应为平台状设置。
进一步地，所述第一厚度区域及过渡区域背离所述图案化结构层的一面朝向所述图案化结构层设有凹陷；
所述多量子阱发光层的凹陷的截面呈V形设置；
或者，所述多量子阱发光层的凹陷的截面呈圆弧形设置；
所述第二类型半导体层对应各所述凹陷的位置形成对应的突出部。
进一步地，所述多量子阱发光层的第一厚度区域及过渡区域背离所述图案化结构层的一面呈平整状设置。
进一步地，所述多量子阱发光层的部分截面呈三角形状设置。
进一步地，所述发光二极管结构还包括一缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底与所述第一类型半导体层之间，所述缓冲层由未掺杂的N型氮化镓形成。
进一步地，所述发光二极管结构还包括一透明导电层，所述透明导电层覆盖在所述第二类型半导体层上。
上述发光二极管结构以第一类型半导体层朝向第二类型半导体层的竖直方向为准，第一厚度区域的厚度大于第二厚度区域的厚度；过渡区域的厚度自第一厚度区域朝向第二厚度区域的方向逐渐变小。在本发明中，通过图案化结构层结合多量子阱发光层的不同区域的厚度变化，提高了发光亮度，同时提高了内部萃取效益。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的发光二极管结构的截面示意图；
图2为图1的发光二极管结构的通过气化掺杂生成多量子阱发光层的示意图；
图3为图2的发光二极管结构的部分图案化结构层及多量子阱发光层的圆圈A处的放大图；
图4为本发明的第二实施例的发光二极管结构的截面示意图；
图5为本发明的第三实施例的发光二极管结构的截面示意图；
图6为本发明的第四实施例的发光二极管结构的截面示意图；
图7为本发明的第五实施例的发光二极管结构的截面示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，例如“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不是旨在于限制本发明。
请参照图1至图3，为本发明的第一实施例的发光二极管结构的局部剖视图。发光二极管结构包括一衬底10、一缓冲层20、一第一类型半导体层30、一多量子阱发光层40、一第二类型半导体层50及一透明导电层60。第一类型半导体层30远离衬底10的表面具有一图案化结构层31；多量子阱发光层40位于图案化结构层31与第二类型半导体层50之间并覆盖在图案化结构层31上。
衬底10可以是蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硅(Si)基底、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(Al2O3)等，或其它适用的基底材料。在本发明中，该衬底为蓝宝石，由三氧化二铝形成。使用三氧化二铝作为衬底，便于使用外延生长技术制造整个器件，从而可以简化整个制备工艺，降低设备成本。
缓冲层20又称为束缚层或者过渡层，用于在衬底10过渡形成第一类型半导体层30；缓冲层20与第一类型半导体层30的类型相同；具体地，在本发明中，第一类型半导体层30由N型氮化镓形成，对应缓冲层20由N型氮化镓形成；更进一步地，缓冲层20由未掺杂的N型氮化镓形成。
如图1所示，第一类型半导体层30的图案化结构层31的材料与第一类型半导体层30相同，均为N型氮化镓。图案化结构层31包括多个锥体310，锥体310形成有多个顶峰和谷底，相邻的顶峰和谷底之间形成有倾斜面。通过锥体310的倾斜面，可以有效地对多量子阱发光层40产生的光束朝向第二类型半导体层50及透明导电层60反射。
多量子阱发光层40位于图案化结构层31与第二类型半导体层50之间。在本实施例中，多量子阱发光层40通过气化掺杂的方式覆盖形成在图案化结构层31上，使该多量子阱发光层40堆栈在图案化结构层31上同时达到理想的厚度变化。多量子阱发光层40具有多个第一厚度区域41、多个第二厚度区域42、及连接相邻的第一厚度区域41与第二厚度区域42的过渡区域43；第一厚度区域41与第二厚度区42域交替设置；以第一类型半导体层30朝向第二类型半导体层50的竖直方向为准，第一厚度区域41的厚度大于第二厚度区域42的厚度；过渡区域43的厚度自第一厚度区域41朝向第二厚度区域42的方向逐渐变小。具体地，第一厚度区域41的厚度为第二厚度区域42的厚度的两倍或两倍以上，从而增加第一厚度区域41、过渡区域43、第二厚度区域42的厚度变化范围。
更进一步地，第一厚度区域41的厚度为第二厚度区域42的厚度的5.5倍或5.5倍以上。过渡区域43的厚度自第一厚度区域41朝向第二厚度区域42的方向呈线性变小，即均匀变小。在本实施例中，第二厚度区42的厚度极薄，远小于第一厚度区域41的厚度。另外，第二厚度区42背离图案化结构层31的一面非常靠近锥体310的顶峰。如此，通过将第二厚度区42的厚度极薄的设计，使得第二厚度区42及过渡区域43具有多种厚度尺寸，加强了内部萃取效益。
如图3所示，在本实施例中，多量子阱发光层40的第一厚度区域41及过渡区域43背离图案化结构层31的一面朝向图案化结构层31设有凹陷；进一步地，多量子阱发光层40的凹陷的截面呈V形设置，保证了过渡区域43的厚度自第一厚度区域41朝向第二厚度区域42的方向呈线性变小，并且变化量平稳；第一厚度区域41位于两个锥体310之间的谷底，第二厚度区域42位于锥体310的顶峰。
第二类型半导体层50覆盖在多量子阱发光层40上。第二类型半导体层50由P型氮化镓形成。在本实施例中，由于多量子阱发光层40的第一厚度区域41及过渡区域43背离图案化结构层31的一面朝向图案化结构层31形成凹陷第二类型半导体层50对应这些凹陷的位置形成对应的突出部。
透明导电层60覆盖在第二类型半导体层50上。透明导电层60由氧化铟锡形成。
本发明的发光二极管结构，经过适当施加电压，多量子阱发光层40产生光束穿过第二类型半导体层50及透明导电层60发射至外部。其中，厚度较大的第一厚度区域41发出的光束部分直接穿过第二类型半导体层50及透明导电层60发射至外部，部分通过图案化结构层31的反射后再穿过第二类型半导体层50及透明导电层60，提高了发光二极管结构的发光亮度。同时，第二厚度区域41及靠近第二厚度区域41的过渡区域43通过较薄的厚度提高了注入的电能转化为光能的能力，从而提高内部萃取效益IQE。与现有技术的发光二极管结构的具有相同厚度的发光层不同，本发明的发光二极管结构，通过图案化结构层31结合多量子阱发光层的第一厚度区域41、第二厚度区域42及过渡区域43的不同厚度变化，通过较厚的第一厚度区域41提高了发光亮度，同时通过较薄的第二厚度区域42保证了内部萃取效益。
请参阅图4，为本发明的第二实施例的发光二极管结构，包括衬底10、一缓冲层20、一第一类型半导体层30、一多量子阱发光层40a、一第二类型半导体层50及一透明导电层60。第二实施例的发光二极管结构与第一实施例的发光二极管结构结构相似，不同之处在于，第一实施例的多量子阱发光层40的第一厚度区域41及过渡区域43背离图案化结构层31的一面设有凹陷；而第二实施例的多量子阱发光层40a的第一厚度区域41及过渡区域43背离图案化结构层31的一面呈平整状设置。进一步地，多量子阱发光层40a在相邻的两个锥体310之间的部分的截面呈三角形状设置。本实施例中，过渡区域43的厚度自第一厚度区域41朝向第二厚度区域42的方向呈线性变小，并且变化量比第一实施例的大，制造工艺更为简单。
请参阅图5，为本发明的第三实施例的发光二极管结构，包括衬底10、一缓冲层20、一第一类型半导体层30、一多量子阱发光层40b、一第二类型半导体层50及一透明导电层60。第三实施例的发光二极管结构与第二实施例的发光二极管结构结构相似，不同之处在于，第二实施例的多量子阱发光层40a的第二厚度区42背离图案化结构层31的一面非常靠近锥体310的顶峰；而第三实施例的多量子阱发光层40b的第二厚度区42背离图案化结构层31的一面与锥体310的顶峰间隔一定的距离；当然，第一厚度区域41的厚度仍然为第二厚度区域42的厚度的两倍或两倍以上。
请参阅图6，为本发明的第四实施例的发光二极管结构，包括衬底10、一缓冲层20、一第一类型半导体层30、一多量子阱发光层40c、一第二类型半导体层50及一透明导电层60。第四实施例的发光二极管结构与第一实施例的发光二极管结构结构相似，不同之处在于，第一实施例的多量子阱发光层40的第一厚度区域41及过渡区域43背离图案化结构层31的一面朝向图案化结构层31的凹陷的截面形状为V型设置；而第四实施例的多量子阱发光层40c的第一厚度区域41及过渡区域43背离图案化结构层31的一面朝向图案化结构层31的凹陷的截面形状为圆弧形设置。
请参阅图7，为本发明的第五实施例的发光二极管结构，包括衬底10、一缓冲层20、一第一类型半导体层30、一多量子阱发光层40d、一第二类型半导体层50及一透明导电层60。第五实施例的发光二极管结构与第一实施例的发光二极管结构结构相似，不同之处在于，第一实施例的锥体310的顶峰为尖状设置，多量子阱发光层40的第二厚度区域42为尖状设置；而第五实施例的发光二极管结构的锥体310的顶峰为平台状设置，多量子阱发光层40d的第二厚度区域42也对应为平台状设置；只需保证第一厚度区域41的厚度大于第二厚度区域42的厚度即可。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种发光二极管结构，其特征在于，包括：
衬底；
第一类型半导体层，所述第一类型半导体层设置在所述衬底上，所述第一类型半导体层远离所述衬底的表面具有一图案化结构层；
第二类型半导体层；及
多量子阱发光层，所述多量子阱发光层位于所述图案化结构层与所述第二类型半导体层之间并覆盖在所述图案化结构层上；所述多量子阱发光层具有多个第一厚度区域、多个第二厚度区域、及连接相邻的第一厚度区域与第二厚度区域的过渡区域；所述第一厚度区域与所述第二厚度区域交替设置；以所述第一类型半导体层朝向所述第二类型半导体层的竖直方向为准，所述第一厚度区域的厚度大于所述第二厚度区域的厚度；所述过渡区域的厚度自所述第一厚度区域朝向所述第二厚度区域的方向逐渐变小；
所述第一厚度区域及过渡区域背离所述图案化结构层的一面朝向所述图案化结构层设有凹陷；
所述多量子阱发光层的凹陷的截面呈V形设置；
或者，所述多量子阱发光层的凹陷的截面呈圆弧形设置；
所述第二类型半导体层对应各所述凹陷的位置形成对应的突出部。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一厚度区域的厚度为所述第二厚度区域的厚度的两倍或两倍以上。
3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一厚度区域的厚度为所述第二厚度区域的厚度的5.5倍或5.5倍以上。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管结构，其特征在于，所述过渡区域的厚度自所述第一厚度区域朝向所述第二厚度区域的方向呈线性变小，所述第一厚度区域位于靠近所述第一类型半导体层的底部；所述第二厚度区域位于靠近所述第一类型半导体层的顶部。
5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述图案化结构层包括多个锥体，所述多量子阱发光层的第一厚度区域位于相邻所述锥体之间；各所述锥体形成有多个顶峰和谷底，所述多量子阱发光层的第一厚度区域位于所述锥体靠近所述第二类型半导体层的顶峰，所述多量子阱发光层的第二厚度区背离所述图案化结构层的一面与所述锥体的顶峰间隔设置，所述锥体的顶峰为尖状设置，所述多量子阱发光层的第二厚度区域为尖状设置。
6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述图案化结构层包括多个锥体，所述多量子阱发光层的第一厚度区域位于相邻所述锥体之间；各所述锥体形成有多个顶峰和谷底，所述多量子阱发光层的第一厚度区域位于所述锥体靠近所述第二类型半导体层的顶峰，所述多量子阱发光层的第二厚度区背离所述图案化结构层的一面与所述锥体的顶峰间隔设置，所述锥体的顶峰为平台状设置，多量子阱发光层的第二厚度区域对应为平台状设置。
7.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，还包括一缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底与所述第一类型半导体层之间，所述缓冲层由未掺杂的N型氮化镓形成。
8.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，还包括一透明导电层，所述透明导电层覆盖在所述第二类型半导体层上。
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