CN113594328A - 发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及提供一种发光二极管及其制备方法，该发光二极管至少包括：衬底；外延层，设置在衬底的一侧，外延层包括层叠设置的第一半导体层、有源层以及第二半导体层；叠层增透膜层，包括第一钝化层和透明导电层，第一钝化层设置在第二半导体层背离衬底的一侧，且第一钝化层上设置有外露第二半导体层的开口区域，透明导电层设置在第一钝化层背离第二半导体层的一侧并延伸至开口区域内，透明导电层与第二半导体层电性连接。通过上述方式，本申请能够提高发光二极管的出光效率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种发光二极管及其制备方法。
背景技术
由于发光二极管(LED)具有结构简单、体积小、节能、高效、长寿、光线清晰等优点，近年来已逐渐取代白炽灯、荧光灯等传统照明灯具，正成为新一代照明市场的主流产品，在光电系统中的应用也极为普遍。目前，半导体发光二极管都是采用在衬底上生长GaN材料体系或磷材料体系发光功能层(也称外延结构)。
经本申请发明人研究发现，由于相对于周围的材料(如环氧树脂折射率为1.3～1.5)，GaN材料体系在可见光波段具有很高的折射率(2.35～2.71)，磷材料体系在可见光波段也具有较高的折射率(3～3.5)，导致在顶层或底层出光面全反射的临界角过小，光线到达顶层或底层后，部分光线会发生全反射，使得这部分光线在LED内部来回反射，甚至被化为热量散发出去，大大降低了出光效率，以至于在大电流密度下，外量子效率非常低。
因此，如何提高LED的出光效率，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种发光二极管及其制备方法。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种发光二极管，至少包括：衬底；外延层，设置在衬底的一侧，外延层包括层叠设置的第一半导体层、有源层以及第二半导体层；叠层增透膜层，包括第一钝化层和透明导电层，第一钝化层设置在第二半导体层背离衬底的一侧，且第一钝化层上设置有外露第二半导体层的开口区域，透明导电层设置在第一钝化层背离第二半导体层的一侧并延伸至开口区域内，透明导电层与第二半导体层电性连接。
其中，外延层被第一钝化层覆盖的面积不超过外延层背离衬底的一侧表面积的三分之二，外延层被透明导电层覆盖的面积不超过外延层背离衬底的一侧表面积的三分之一。
其中，第一钝化层的折射率为1.34～2.35，透明导电层的折射率为1.34～2.1。
其中，第一钝化层的材料为SiOX、SiNX或SiONX，透明导电层的材料为ITO或IZO。
其中，叠层增透膜层的厚度为300-500nm。
其中，外延层在第一半导体层朝向第二半导体层一侧形成有台面结构，以外露部分第一半导体层；发光二极管还包括：第一电极层，覆盖外露的第一半导体层，并与第一半导体层电性连接；第二电极层，覆盖透明导电层，并通过透明导电层与第二半导体层电性连接。
其中，发光二极管还包括：第二钝化层，覆盖透明导电层外露的上表面、外延层外露的上表面、第一电极层的边缘区域、以及第二电极层的边缘区域，并外露部分第一电极层和第二电极层。
其中，第一电极层和/或第二电极层成颗粒状；第一电极层和/或第二电极层的材料为Au、Pt、Al或Ni中的至少一种。
其中，发光二极管为氮化物基发光二极管或磷化物基发光二极管，发光二极管用于发出380～780nm波长的光线。
其中，发光二极管为氮化物基发光二极管，台面结构的深度为1000～2000nm。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种发光二极管的制备方法，该方法包括：在衬底的一侧形成外延层，外延层包括层叠设置的第一半导体层、有源层以及第二半导体层；在第二半导体层背离衬底的一侧形成第一钝化层，其中，第一钝化层上设置有外露第二半导体层的开口区域；在第一钝化层背离第二半导体层的一侧形成透明导电层，其中，透明导电层延伸至开口区域内，并与第二半导体层电性连接。
其中，外延层被第一钝化层覆盖的面积不超过外延层背离衬底的一侧表面积的三分之二，外延层被透明导电层覆盖的面积不超过外延层背离衬底的一侧表面积的三分之一。
其中，在第二半导体层背离衬底的一侧形成第一钝化层的步骤之前，该方法还包括：从第二半导体层刻蚀到第一半导体层，以在第一半导体层朝向第二半导体层一侧形成有台面结构，并外露部分第一半导体层；在第一钝化层背离第二半导体层的一侧形成透明导电层的步骤之后，该方法还包括：在外露的第一半导体层上形成第一电极层，第一电极层与第一半导体层电性连接；在透明导电层背离第二半导体层的一侧形成第二电极层，第二电极层通过透明导电层与第二半导体层电性连接。
其中，该方法还包括：在透明导电层外露的上表面、外延层外露的上表面、第一电极层的边缘区域、以及第二电极层的边缘区域形成第二钝化层，并外露部分第一电极层和第二电极层。
区别于现有技术的是，本申请实施例的发光二极管采用低折射率的材料进行叠层增透膜层结构光学设计与分析，避免光线到达顶层后发生全反射并在发光二极管内部来回反射，提高出光效率；此外，通过在外延层表面形成叠层增透膜层，该叠层增透膜层包括具有内嵌结构的透明导电层，透明导电层兼具电流扩展及增透作用，进而在达到折射率要求的同时，兼顾透射率的要求，本申请实施例的发光二极管表面光提取效率大大提升，发光效率明显改善。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本申请发光二极管一实施例结构示意图；
图2为本申请发光二极管另一实施例结构示意图；
图3为本申请发光二极管又一实施例结构示意图；
图4为本申请发光二极管的制造方法一实施例的流程示意图；
图5为本申请发光二极管的制造方法另一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面便结合附图对本申请若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本申请保护范围不构成任何限制。
应当理解，本申请所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不是旨在限制本申请。进一步理解，当在本申请中使用术语“包含”、"包括"时，用于表明陈述的特征、整体、步骤、组件、和/或封装件的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组件、封装件、和/或它们的组合的存在或增加或删减。
除另有定义之外，本申请所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应进一步理解，本申请所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本申请中明确如此定义之外。
实施例1
本实施例提供一种发光二极管10，该发光二极管10的局部结构如图1所示，具体包括：衬底11、外延层12以及叠层增透膜层13，其中，叠层增透膜层13包括第一钝化层131和透明导电层132。
在衬底11的一侧主表面上生长缓冲层17。外延层12设置在缓冲层17背离衬底11的一侧，外延层12包括层叠设置的第一半导体层121、有源层122以及第二半导体层123。
第一钝化层131设置在第二半导体层123背离衬底11的一侧，且第一钝化层131上设置有外露第二半导体层123的开口区域，透明导电层132设置在第一钝化层131背离第二半导体层123的一侧并延伸至开口区域内，透明导电层132与第二半导体层123电性连接。
第一钝化层131的折射率为1.34～2.35，透明导电层132的折射率为1.34～2.1。
区别于现有技术的是，本申请实施例的发光二极管10采用低折射率的材料进行叠层增透膜层13结构光学设计与分析，避免光线到达顶层后发生全反射并在发光二极管10内部来回反射，提高出光效率；此外，通过在外延层12表面形成叠层增透膜层13，该叠层增透膜层13包括具有内嵌结构的透明导电层132，透明导电层132兼具电流扩展及增透作用，进而在达到折射率要求的同时，兼顾透射率的要求，本申请实施例的发光二极管10表面光提取效率大大提升，发光效率明显改善。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管10，该发光二极管10的结构如图2所示，具体包括：衬底11、外延层12、第一电极层14、第二电极层15以及叠层增透膜层13，其中，叠层增透膜层13包括第一钝化层131和透明导电层132。
外延层12设置在衬底11的一侧，外延层12包括层叠设置的第一半导体层121、有源层122以及第二半导体层123。
第一钝化层131设置在第二半导体层123背离衬底11的一侧，且第一钝化层131上设置有外露第二半导体层123的开口区域；透明导电层132设置在第一钝化层131背离第二半导体层123的一侧并延伸至开口区域内，透明导电层132与第二半导体层123电性连接。
其中，外延层12在第一半导体层121朝向第二半导体层123一侧形成有台面结构，以外露部分第一半导体层121；第一电极层14覆盖外露的第一半导体层121，并与第一半导体层121电性连接；第二电极层15覆盖透明导电层132，并通过透明导电层132与第二半导体层123电性连接。
其中，发光二极管10可以为氮化物基发光二极管10，台面结构的深度为1000～2000nm。
实施例3
本实施例提供一种垂直型发光二极管10，该垂直型发光二极管10的结构如图3所示，从下至上包括：第一电极层14、导电衬底11、第一半导体层121、有源层122、第二半导体层123、叠层增透膜层13以及第二电极层15。
其中，叠层增透膜层13包括第一钝化层131和透明导电层132；第一钝化层131设置在第二半导体层123背离导电衬底11的一侧，且第一钝化层131上设置有外露第二半导体层123的开口区域；透明导电层132设置在第一钝化层131背离第二半导体层123的一侧并延伸至开口区域内，且透明导电层132与第二半导体层123电性连接；第二电极层15覆盖透明导电层132，并通过透明导电层132与第二半导体层123电性连接。
可选地，在某些实施例中，发光二极管10还包括：第二钝化层16。
第二钝化层16覆盖透明导电层132外露的上表面、外延层12外露的上表面、第一电极层14的边缘区域、以及第二电极层15的边缘区域，并外露部分第一电极层14和第二电极层15。第二钝化层16的材质为丙烯酸树脂或环氧树脂，这样的材质可以防止水、氧入侵到发光二极管10内。
具体而言，第二钝化层16上开设有第一开槽①和第二开槽②，第一开槽①用于外露出部分第一电极层14，第二开槽②用于外露出部分第二电极层15，便于后续焊接或焊线工艺等，上述第一开槽①、第二开槽②的形状在本申请中不作限定，例如，可以为多边形、圆形、椭圆形等。
可选地，在某些实施例中，外延层12被第一钝化层131覆盖的面积不超过外延层12背离衬底11的一侧表面积的三分之二，外延层12被透明导电层132覆盖的面积不超过外延层12背离衬底11的一侧表面积的三分之一。该尺寸的叠层增透膜层13有利于电流扩展，也有利于调节折射率。
可选地，在某些实施例中，第一电极层14和/或第二电极层15成颗粒状；第一电极层14和/或第二电极层15的材料为Au、Pt、Al或Ni中的至少一种。
可选地，在某些实施例中，发光二极管10为氮化物基发光二极管10或磷化物基发光二极管10，发光二极管10用于发出380～780nm波长的光线。
可选地，在某些实施例中，衬底11可以为蓝宝石衬底11、硅衬底11、碳化硅衬底11、金刚石衬底11、氮化铝衬底11、氮化镓同质衬底11。
可选地，在某些实施例中，在发光二极管10为氮化物基发光二极管10时，第一半导体层121、有源层122或第二半导体层123可以为A1N、InN、GaN等二元系氮化物，或AlGaN或者InGaN等三元系氮化物，或是AlInGaN等四元系氮化物等氮化物复合半导体材料。
可选地，在某些实施例中，在发光二极管10为磷化物基发光二极管10时，第一半导体层121、有源层122或第二半导体层123可以为A1P、InP、GaP等二元系磷化物，或InGaP或者InGaP等三元系磷化物，或是InGaAlP等四元系磷化物等磷化物复合半导体材料。
可选地，在某些实施例中，第一钝化层131的材料为SiOX、SiNX或SiONX，厚度为100～300nm；透明导电层132的材料为ITO或IZO，厚度为100～300nm。其中，ITO的折射率为1.34～2.06，IZO的折射率为2.0～2.1；叠层增透膜层13的厚度为300～500nm。
实施例4
本实施例提供一种发光二极管10的制备方法，该方法包括以下步骤：
S101：在衬底11的一侧形成外延层12，外延层12包括层叠设置的第一半导体层121、有源层122以及第二半导体层123。
具体而言，衬底11的材料包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅或金属，其表面结构可为平面结构或图案化图结构。
在本步骤中，可以通过常规的MOCVD工艺或可以借助于诸如物理气相沉积、溅射、氢气相沉积法或原子层沉积工艺，在衬底11的一侧主表面上生长缓冲层17。
缓冲层17可用于促进第一半导体层121的单晶生长。
缓冲层17也可作为剥离牺牲层，利用湿法腐蚀、干法蚀刻或者激光剥离可以轻易地实现缓冲层17与衬底11之间的剥离。
在本步骤中，可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，MOCVD)或分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)方法以外延生长方式依次生长第一半导体层121、有源层122以及第二半导体层123。
S102：在第二半导体层123背离衬底11的一侧形成第一钝化层131，其中，第一钝化层131上设置有外露第二半导体层123的开口区域。
具体而言，第一钝化层131可以采用本领域已知的薄膜沉积，例如磁控溅射等方式制造形成，且不限于此。
第一钝化层131的材料为SiOX、SiNX或SiONX，厚度为100～300nm。
在本步骤中，可通过干法蚀刻、湿法蚀刻或其组合的方式将部分第一钝化层131去除，进而形成外露第二半导体层123的开口区域。
S103：在第一钝化层131背离第二半导体层123的一侧形成透明导电层132，其中，透明导电层132延伸至开口区域内，并与第二半导体层123电性连接。
具体而言，透明导电层132可以采用本领域已知的金属溅射(Sputter)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、电子束蒸镀(e-beam)等方式制造形成，且不限于此。
透明导电层132的材料为ITO或IZO，厚度为100～300nm。其中，ITO的折射率为1.34～2.06，IZO的折射率为2.0～2.1。
透明导电层132与第一钝化层131叠加而成的叠层增透膜层13的厚度为300～500nm。
可选地，在某些实施例中，可以控制步骤S102的蚀刻工艺条件，使该外延层12被第一钝化层131覆盖的面积不超过外延层12背离衬底11的一侧表面积的三分之二，进而外延层12被透明导电层132覆盖的面积不超过外延层12背离衬底11的一侧表面积的三分之一，如此700mA工作电流时下，与其它覆盖面积相比，发光二极管10出光效率至少提升4.7％。
实施例5
本实施例提供一种发光二极管10的制备方法，该方法包括以下步骤：
S201：在衬底11的一侧形成外延层12，外延层12包括层叠设置的第一半导体层121、有源层122以及第二半导体层123。
具体参考前述步骤S101。
S202：从第二半导体层123刻蚀到第一半导体层121，以在第一半导体层121朝向第二半导体层123一侧形成有台面结构，并外露部分第一半导体层121。
具体而言，图案化处理包括从第二半导体层123远离第一半导体层121的一侧对第二半导体层123、有源层122及第一半导体层121进行图案化，以形成若干个台面结构。其中，可以通过掩膜和蚀刻工艺对第二半导体层123和有源层122蚀刻，进而形成台面结构。
在本步骤中，可以以掩膜作为蚀刻阻挡层来控制蚀刻深度，进而使得台面结构外围的第一半导体层121外露。上述蚀刻工艺可以包括干式蚀刻、湿式蚀刻或其组合。
S203：在第二半导体层123背离衬底11的一侧形成第一钝化层131，其中，第一钝化层131上设置有外露第二半导体层123的开口区域。
具体参考前述步骤S102。
S204：在第一钝化层131背离第二半导体层123的一侧形成透明导电层132，其中，透明导电层132延伸至开口区域内，并与第二半导体层123电性连接。
具体参考前述步骤S103。
S205：在外露的第一半导体层121上形成第一电极层14，第一电极层14与第一半导体层121电性连接。
在本步骤中，第一半导体层121可以采用本领域已知的金属溅射(Sputter)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、电子束蒸镀(e-beam)等方式制造形成，且不限于此。
第一电极层14为金属薄膜层或金属纳米颗粒层，厚度为2-4nm，且第一电极层14成颗粒状，第二电极层15的材料为Au、Pt、Al、或Ni。
S206：在透明导电层132背离第二半导体层123的一侧形成第二电极层15，第二电极层15通过透明导电层132与第二半导体层123电性连接。
在本步骤中，第二电极层15可以采用本领域已知的金属溅射(Sputter)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、电子束蒸镀(e-beam)等方式制造形成，且不限于此。
第二电极层15为金属薄膜层或金属纳米颗粒层，厚度为2-4nm，且第二电极层15成颗粒状，第二电极层15的材料为Au、Pt、Al、或Ni。
S207：在透明导电层132外露的上表面、外延层12外露的上表面、第一电极层14的边缘区域、以及第二电极层15的边缘区域形成第二钝化层16，外露部分第一电极层14和第二电极层15。
在本步骤中，第二钝化层16可以采用本领域已知的薄膜沉积，例如磁控溅射等方式制造形成，且不限于此。
第二钝化层16的材质为丙烯酸树脂或环氧树脂，这样的材质可以防止水、氧入侵到发光二极管10内。
具体而言，图案化处理包括从第二钝化层16远离第一电极层14的一侧对第二钝化层16进行图案化，以形成第一开槽①；从第二钝化层16远离第二电极层15的一侧对第二钝化层16进行图案化，以形成第二开槽②，便于后续焊接或焊线工艺等，上述第一开槽①、第二开槽②的形状在本申请中不作限定，例如，可以为多边形、圆形、椭圆形等。
可选地，在步骤S102或者S203中，可以以掩膜作为蚀刻阻挡层来控制蚀刻范围，控制开口区域的尺寸，进而后续外延层12被第一钝化层131覆盖的面积不超过外延层12背离衬底11的一侧表面积的三分之二，外延层12被透明导电层132覆盖的面积不超过外延层12背离衬底11的一侧表面积的三分之一。
区别于现有技术的是，本申请实施例的发光二极管10采用低折射率的材料进行叠层增透膜层13结构光学设计与分析，避免光线到达顶层后发生全反射并在发光二极管10内部来回反射，提高出光效率；此外，通过在外延层12表面形成叠层增透膜层13，该叠层增透膜层13包括具有内嵌结构的透明导电层132，透明导电层132兼具电流扩展及增透作用，进而在达到折射率要求的同时，兼顾透射率的要求，本申请实施例的发光二极管10表面光提取效率大大提升，发光效率明显改善。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (14)
1.一种发光二极管，其特征在于，至少包括：
衬底；
外延层，设置在所述衬底的一侧，所述外延层包括层叠设置的第一半导体层、有源层以及第二半导体层；
叠层增透膜层，包括第一钝化层和透明导电层，所述第一钝化层设置在所述第二半导体层背离所述衬底的一侧，且所述第一钝化层上设置有外露所述第二半导体层的开口区域，所述透明导电层设置在所述第一钝化层背离所述第二半导体层的一侧并延伸至所述开口区域内，所述透明导电层与所述第二半导体层电性连接；
所述第一钝化层的折射率为1.34～2.35，所述透明导电层的折射率为1.34～2.1。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述外延层被所述第一钝化层覆盖的面积不超过所述外延层背离所述衬底的一侧表面积的三分之二，所述外延层被所述透明导电层覆盖的面积不超过所述外延层背离所述衬底的一侧表面积的三分之一。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
所述第一钝化层的材料为SiOX、SiNX或SiONX。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
所述透明导电层的材料为ITO或IZO。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
所述叠层增透膜层的厚度为300-500nm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述外延层在所述第一半导体层朝向所述第二半导体层一侧形成有台面结构，以外露部分所述第一半导体层；
所述发光二极管还包括：
第一电极层，覆盖外露的所述第一半导体层，并与所述第一半导体层电性连接；
第二电极层，覆盖所述透明导电层，并通过所述透明导电层与所述第二半导体层电性连接。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管还包括：
第二钝化层，覆盖所述透明导电层外露的上表面、所述外延层外露的上表面、所述第一电极层的边缘区域、以及所述第二电极层的边缘区域，并外露部分所述第一电极层和所述第二电极层。
8.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，
所述第一电极层和/或所述第二电极层成颗粒状；
所述第一电极层和/或所述第二电极层的材料为Au、Pt、Al或Ni中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
所述发光二极管为氮化物基发光二极管或磷化物基发光二极管，所述发光二极管用于发出380～780nm波长的光线。
10.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管为氮化物基发光二极管，所述台面结构的深度为1000～2000nm。
11.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底的一侧形成外延层，所述外延层包括层叠设置的第一半导体层、有源层以及第二半导体层；
在所述第二半导体层背离所述衬底的一侧形成第一钝化层，其中，所述第一钝化层上设置有外露所述第二半导体层的开口区域；
在所述第一钝化层背离所述第二半导体层的一侧形成透明导电层，其中，所述透明导电层延伸至所述开口区域内，并与所述第二半导体层电性连接。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
所述外延层被所述第一钝化层覆盖的面积不超过所述外延层背离所述衬底的一侧表面积的三分之二，所述外延层被所述透明导电层覆盖的面积不超过所述外延层背离所述衬底的一侧表面积的三分之一。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在所述第二半导体层背离所述衬底的一侧形成第一钝化层的步骤之前，所述方法还包括：从所述第二半导体层刻蚀到所述第一半导体层，以在所述第一半导体层朝向所述第二半导体层一侧形成有台面结构，并外露部分所述第一半导体层；
所述在所述第一钝化层背离所述第二半导体层的一侧形成透明导电层的步骤之后，所述方法还包括：
在外露的所述第一半导体层上形成第一电极层，所述第一电极层与所述第一半导体层电性连接；
在所述透明导电层背离所述第二半导体层的一侧形成第二电极层，所述第二电极层通过所述透明导电层与所述第二半导体层电性连接。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述透明导电层外露的上表面、所述外延层外露的上表面、所述第一电极层的边缘区域、以及所述第二电极层的边缘区域形成第二钝化层，并外露部分所述第一电极层和所述第二电极层。
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