CN116666516A - 发光二极管及发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种发光二极管，其包括外延结构、第一粗化结构和第二粗化结构，外延结构包括第一半导体层、发光层和第二半导体层，发光层位于第一半导体层和第二半导体层之间，第一粗化结构设置在第二半导体层的远离发光层的出光面，第二粗化结构设置在第一粗化结构的侧表面。通过在第一粗化结构的侧表面上设置第二粗化结构，能够有效提高发光二极管的光提取效率，增强发光二极管的出光性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种发光二极管及发光装置。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)为半导体发光元件，通常是由如GaN、GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成，其核心是具有发光特性的PN结。LED具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。LED已经广泛应用于照明、监控指挥、高清演播、高端影院、办公显示、会议交互、虚拟现实等领域。
出光面粗化是一种提高LED芯片出光效率的手段，其原理是利用LED芯片出光表面的凹凸结构(粗化形成的凹凸结构)，将全反射角度的光线散射出或者引导出LED芯片，从而增加可以出射到LED芯片外部的光线比例。但是，目前表面粗化的LED芯片的光提取效率受到了一定的局限，无法进一步突破。因此，如何提升LED芯片的光提取效率已然成为本领域亟待解决的技术难题之一。
需要说明的是，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术
发明内容
本发明提供一种发光二极管，其包括外延结构、第一粗化结构和第二粗化结构。外延结构包括第一半导体层、发光层和第二半导体层，发光层位于第一半导体层和第二半导体层之间。第一粗化结构设置在第二半导体层的远离发光层的出光面。第二粗化结构设置在第一粗化结构的侧表面。
本发明还提供一种发光装置，其采用上述提供的发光二极管。
本发明一实施例提供的一种发光二极管及发光装置，通过在第一粗化结构的侧表面上设置第二粗化结构，能够有效提高发光二极管的光提取效率，增强发光二极管的出光性能。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分的技术特征和有益效果可以从说明书中显而易见地得出，或者是通过实施本发明而了解。
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一简单的介绍，显而易见的，下面描述中的部分附图是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明第一实施例提供的发光二极管的俯视结构示意图；
图2是沿图1的截取线F-F截取的剖面示意图；
图3是图2中A区域的放大示意图；
图4是本发明第二实施例提供的发光二极管的俯视结构示意图；
图5是沿图4的截取线F-F截取的剖面示意图；
图6是图5中B区域的放大示意图；
图7是本发明第二实施例提供的发光二极管的出光面的SEM照片；
图8是本发明第二实施例提供的发光二极管的出光面的45度角的SEM照片；
图9至图12是本发明一实施例提供的制备第一粗化结构和第二粗化结构的各阶段示意图；
图13是本发明第三实施例提供的发光二极管的结构示意图。
附图标记：
12-外延结构；121-第一半导体层；122-发光层；123-第二半导体层；124-出光面；21-第一粗化结构；211-侧表面；212-上端面；213-下端面；22-第二粗化结构；23-第三粗化结构；31-第一电极；32-第二电极；34-金属反射层；36-延伸电极；40-绝缘层；42-基底；W1-上端面的长度尺寸；W2-下端面的长度尺寸；H1-上端面到下端面的垂直距离；H2-第二粗化结构凸出于侧表面的距离；D1-第一粗化结构的间距。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。
请参阅图1、图2和图3，图1是本发明第一实施例提供的发光二极管的俯视结构示意图，图2是沿图1的截取线F-F截取的剖面示意图，图3是图2中A区域的放大示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的第一实施例提供一种发光二极管。如图中所示，发光二极管可以包括外延结构12、第一粗化结构21和第二粗化结构22。
外延结构12包括第一半导体层121、发光层122和第二半导体层123。发光层122位于第一半导体层121和第二半导体层123之间，即第一半导体层121、发光层122和第二半导体层123是依次层叠设置。
第一半导体层121可以为P型半导体层或者N型半导体层，在电源作用下可以向发光层122提供空穴或者电子。在一些实施例中，第一半导体层121包括P型掺杂的氮化物层，砷化物层或者磷化物层。P型掺杂的氮化物层，砷化物层或者磷化物层。可包括一个或多个的P型杂质。P型杂质可以包括Mg、Zn、Be中的一种或其组合。第一半导体层121可以是单层结构，也可以是多层结构，该多层结构具有不同的组成。
发光层122可以为量子阱结构(Quantum Well，简称QW)。在一些实施例中，发光层122也可以为多重量子阱结构(Multiple Quantum Well，简称MQW)，其中多重量子阱结构包括以重复的方式交替设置的多个量子阱层(Well)和多个量子阻障层(Barrier)，例如可以是GaN/AlGaN、InAlGaN/InAlGaN、InGaN/AlGaN或者AlGaInP/AlGaInP的多量子阱结构。此外，发光层122内的阱层的组成以及厚度决定生成的光的波长。为了提高发光层122的发光效率，可通过在发光层122中改变量子阱的深度、成对的量子阱和量子势垒的层数、厚度和/或其它特征来实现。
第二半导体层123可以为N型半导体层或者P型半导体层，在电源作用下可以向发光层122提供电子或者空穴。在一些实施例中，第二半导体层123包括N型掺杂的氮化物层，砷化物层或者磷化物层。N型掺杂的氮化物层，砷化物层或者磷化物层可包括N型杂质。N型杂质可以包括Si、Ge、Sn中的一种或其组合。第二半导体层123的远离发光层122的一侧表面211为出光面124，在图示实施例中，第二半导体层123的上表面为出光面124。需要说明的是，外延结构12的设置不限于此，亦可以是依据实际需求来选择其它种类的外延结构12。
第一粗化结构21设置在第二半导体层123的出光面124。第二粗化结构22设置在第一粗化结构21的侧表面211。相较于传统的第一粗化结构21侧表面211为平滑表面，由于其存在全反射角，因此会导致光反射进入自身外延结构12，导致发光效率较低。本实施例通过在在第一粗化结构21侧表面211上设置第二粗化结构22，破坏全反射角而达到更多的出光机率，使得第二粗化结构22对光产生散射作用，能够让大部分的光能够由出光面124射出，进而增加发光二极管的出光机率且减少内部吸收机率，增强发光二极管的出光性能。可选地，第二粗化结构22仅设置在第一粗化结构21的侧表面211。
第一粗化结构21和第二粗化结构22是通过同一道干法蚀刻工艺制备形成。具体的，该干法蚀刻工艺可以为ICP干法蚀刻。在ICP干法蚀刻过程中，由于电浆与外延结构12蚀刻的反应过程中会生成副产物，该副产物也会被电浆蚀刻气体蚀刻，另外副产物也会被气化而抽走。在传统正常的干蚀刻工艺中，由于追求蚀刻副产物的速率大于蚀刻外延速率，其蚀刻机制就会形成常见的平滑表面。本实施例则通过调整控制干蚀刻参数，将副产物蚀刻速率控制到小于外延蚀刻速率，或者是让副产物生成速率变快。因此，在干蚀刻外延过程中，副产物会形成微小掩膜，该掩膜就可以造成侧表面211的微粗化，进而就可以达到一次干蚀刻同时制备第一粗化结构21和第二粗化结构22的目的。由于第一粗化结构21和第二粗化结构22是通过同一道ICP干法蚀刻工艺制备形成，因此第一粗化结构21和第二粗化结构22是一体成型。反之，若是由2道及以上制程来制备第一粗化结构21和第二粗化结构22的话，不仅会导致制造繁琐，并且无法确保第一粗化结构21的形貌，因为在做第二次粗化制程时容易破坏第一粗化结构21的形貌。
ICP干法蚀刻采用的蚀刻流体包括主蚀刻气体与副蚀刻气体，其中，ICP干法蚀刻的参数如下：ICP上电极功率：ICP下电极功率＝0.5：1～10：1；以及主蚀刻气体：副蚀刻气体＝0.1：1～10：1。主蚀刻气体可以包括氯基流体、溴基流体和氟基流体中的至少一种，副蚀刻气体可以包括非金属气体。氟基流气体可以包括CF4、CHF3、SF6等等。溴基流气体可以包含HBr。氯基流气体可包含Cl2、BCl3、SiCl4。非金属气体可包含O2、Ar、N2。举例来说，主蚀刻气体包括Cl2和BCl3，副蚀刻气体包括Ar，该些气体的参数条件如下：Cl2：Ar＝0.1：1～10：1；BCl3：Ar＝0.1：1～10：1。或者是，主蚀刻气体包括Cl2和BCl3，副蚀刻气体包括O2，该些气体的参数条件如下：Cl2：O2＝0.1：1～10：1；BCl3：O2＝0.1：1～10：1。
在一些实施例中，第一粗化结构21具有相对的上端面212和下端面213。上端面212连接侧表面211的远离第二半导体层123的一端，下端面213连接侧表面211的贴近第二半导体层123的一端，即上端面212和下端面213分别连接侧表面211的上下两端，上端面212相较于下端面213更加远离第二半导体层123。定义上端面212的长度尺寸为W1，下端面213的长度尺寸为W2，上端面212到下端面213的垂直距离为H1，第二粗化结构22凸出于侧表面211的距离为H2，该H2是指第二粗化结构22的顶点到第一粗化结构21的侧表面211的垂直距离，第一粗化结构21的间距为D1。为了有更好的光萃取出效果，H1越大表示第一粗化结构21的表面积越多，H1越大则W2越大、间距D1越小，故H1＞H2，W2＞W1，且H1与W2成正比，H1与D1和W1成反比。当H1越大时表示蚀刻时间越长，H2也会越大，所以H1与H2成正比，故H2与D1成反比，H2与W1成反比。以上的正比、反比关系可以通过FIB(聚焦离子束，Focused Ion beam)而确认。W1范围为0～10μm，W2范围为0.1～10μm，H1范围为0.1～10μm，H2范围为0.1～2μm，D1范围为0～10μm。可选地，第一粗化结构21的侧表面211的面积大于其上端面212的面积和下端面213的面积之和，提升第一粗化结构21的总侧表面211来保证更大的粗化面积，具有更好的光取出能力。在一些实施例中，W1数值可以为0，D1数值可以为0。
为了有更好的光萃取出效果，进一步提升发光二极管的出光性能，第一粗化结构21在出光面124上可以呈阵列式分布。第一粗化结构21的纵向截面可以呈梯形、三角形、圆柱形或蜂窝状。第一粗化结构21的侧表面211的表面粗糙度范围为0.1～1μm。第一粗化结构21的体积大于第二粗化结构22的体积。
发光二极管还可以包括第一电极31、第二电极32、绝缘层40和金属反射层34。
金属反射层34连接于第一半导体层121的下表面，用于起到反射效果。金属反射层34可以为银镜反射层。
绝缘层40覆盖金属反射层34、部分的第一半导体层121和部分的第二半导体层123，绝缘层40并具有开口。绝缘层40的材料包含非导电材料。非导电材料优选地为无机材料或是介电材料。无机材料可以包含硅胶。介电材料包含氧化铝、氮化硅、氧化硅、氧化钛、或氟化镁等电绝缘材料。例如，绝缘层40可以是二氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化钽、氧化铌、钛酸钡或者其组合，其组合例如可以是两种不同折射率的材料重复堆叠形成的布拉格反射镜(DBR)。
第一电极31通过绝缘层40的开口电连接第一半导体层121。第一电极31可以为单层、双层或多层结构，例如：Ti/Al、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、V/Al/Pt/Au、Au/AuZn/Au或者Au/AuBe/Au、Au/GeAu/Au、Au/GeAuNi/Au等叠层结构。
第二电极32电连接第二半导体层123，并连接绝缘层40。第二电极32可以由透明导电材料制成，也可以是由金属材料制成，可以为单层、双层或多层结构，例如：Ti/Al、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、V/Al/Pt/Au、Au/AuZn/Au或者Au/AuBe/Au、Au/GeAu/Au、Au/GeAuNi/Au等叠层结构。
请参阅图4、图5和图6，图4是本发明第二实施例提供的发光二极管的俯视结构示意图，图5是沿图4的截取线F-F截取的剖面示意图，图6是图5中B区域的放大示意图。相较于第一实施例的发光二极管而言，本实施例的发光二极管的不同之处主要在于：该发光二极管还包括第三粗化结构23。该第三粗化结构23设置在相邻二个第一粗化结构21之间，并位于第二半导体层123的出光面124上。第一粗化结构21、第二粗化结构22和第三粗化结构23均可以是通过同一道干法蚀刻工艺制备形成。该干法蚀刻工艺为ICP干法蚀刻。第三粗化结构23的体积小于第一粗化结构21的体积，设置在第一粗化结构21之间的较小的第三粗化结构23能够进一步地反射将要进入发光二极管内部的光，减少发光二极管内部重复发生光反射，提高光的提取效率。
进一步说明，关于是否要形成第三粗化结构23，可以依据干法蚀刻的时间或是干法蚀刻的参数条件来控制。举例来说，在已经形成第一粗化结构21和第二粗化结构22的基础上，通过增加干法蚀刻的时间或增加主蚀刻流体的比例，便可以形成第三粗化结构23。
如图7和图8所示，图7和图8分别是对应于第二实施例发光二极管的出光面124的SEM照片和出光面124的45度角的SEM照片。图7和图8示出了第一粗化结构21、第二粗化结构22和第三粗化结构23在出光面124上的生长分布情况，借由该第一粗化结构21、第二粗化结构22和第三粗化结构23的相互配合，能够进一步减少发光二极管内部重复发生光反射，提高光的提取效率。
请参阅图9至图12，图9至图12是本发明一实施例提供的制备第一粗化结构21和第二粗化结构22的各阶段示意图，通过采用一道ICP干法蚀刻工艺制备第一粗化结构21和第二粗化结构22的过程如下：
首先，如图9所示，在第二半导体层123的出光面124上设置光刻胶(Photoresist)，光刻胶的设置位置是依据黄光微影定义图形。
然后，如图10所示，对着光刻胶处进行ICP干法蚀刻。ICP干法蚀刻采用的蚀刻流体(等离子气体)包括主蚀刻气体与副蚀刻气体，其中，ICP干法蚀刻的参数如下：ICP上电极功率：ICP下电极功率＝0.5：1～10：1；以及主蚀刻气体：副蚀刻气体＝0.1：1～10：1。主蚀刻气体可以包括氯基流体、溴基流体和氟基流体中的至少一种，副蚀刻气体可以包括非金属气体。氟基流气体可以包括CF4、CHF3、SF6等等。溴基流气体可以包含HBr。氯基流气体可包含Cl2、BCl3、SiCl4。非金属气体可包含O2、Ar、N2。
接着，如图11所示，在经过ICP干法蚀刻后，得到图11所示的结构，此时已经形成了第一粗化结构21和第二粗化结构22。在ICP干法蚀刻过程中，由于电浆与外延结构12蚀刻的反应过程中会生成副产物，该副产物也会被电浆蚀刻气体蚀刻，另外副产物也会被气化而抽走。在传统正常的干蚀刻工艺中，由于追求蚀刻副产物的速率大于外延速率，其蚀刻机制就会形成常见的平滑表面。本实施例则是控制干蚀刻参数调整，将副产物蚀刻速率控制到小于外延蚀刻速率，或者是让副产物生成速率变快。因此，在干蚀刻外延过程中，副产物会形成微小掩膜，该掩膜就可以造成侧表面211的微粗化，进而就可以达到一次干蚀刻同时制备第一粗化结构21和第二粗化结构22的目的。
最后，如图12所示，移除掉位于第一粗化结构21的上端面212的光刻胶，得到制备好的发光二极管结构。
请参阅图13，图13是本发明第三实施例提供的发光二极管的结构示意图。如图中所示，与第一实施例的发光二极管的不同之处主要在于：本实施例的发光二极管为垂直结构。该发光二极管沿着自下向上的方向依序为基底42、第一电极31、金属反射层34、第一半导体层121、发光层122、第二半导体层123和第二电极32。基底42可以采用硅材料。第二电极32的两侧设置有延伸电极36，用来提升电流扩展性能。在第二半导体层123的出光面124上形成有第一粗化结构21，在第一粗化结构21的侧表面211上形成有第二粗化结构22。通过在第一粗化结构21的侧表面211上设置第二粗化结构22，能够有效提高发光二极管的光提取效率，增强发光二极管的出光性能。
本发明的一实施例还提供一种发光装置，其采用上述任一实施例提供的发光二极管。例如，采用该发光二极管构成的发光装置可以为红光LED灯具，将红光LED灯具应用于照明或者显示领域，如micro LED领域。
本发明一实施例提供的一种发光二极管及发光装置，通过在第一粗化结构21的侧表面211上设置第二粗化结构22，能够有效提高发光二极管的光提取效率，增强发光二极管的出光性能。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (18)
1.一种发光二极管，其特征在于：所述发光二极管包括：
外延结构，所述外延结构包括第一半导体层、发光层和第二半导体层，所述发光层位于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间；
第一粗化结构，设置在所述第二半导体层的远离所述发光层的出光面；
第二粗化结构，设置在所述第一粗化结构的侧表面。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一粗化结构具有上端面和下端面，所述上端面连接所述侧表面的远离所述第二半导体层的一端，所述下端面连接所述侧表面的贴近所述第二半导体层的一端，定义所述上端面的长度尺寸为W1，所述下端面的长度尺寸为W2，所述上端面到所述下端面的垂直距离为H1，所述第二粗化结构凸出于所述侧表面的距离为H2，所述第一粗化结构的间距为D1，其中，W2＞W1，H1＞H2。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：H2与D1成反比，且H2与W1成反比。
4.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：W1范围为0～10μm，W2范围为0.1～10μm，H1范围为0.1～10μm，H2范围为0.1～2μm，D1范围为0～10μm。
5.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：所述侧表面的面积大于所述上端面的面积和所述下端面的面积之和。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一粗化结构和所述第二粗化结构是通过同一道干法蚀刻工艺制备形成。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述干法蚀刻工艺为ICP干法蚀刻。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述ICP干法蚀刻采用的蚀刻流体包括主蚀刻气体与副蚀刻气体，其中，所述ICP干法蚀刻的参数如下：
ICP上电极功率：ICP下电极功率＝0.5：1～10：1；
所述主蚀刻气体：所述副蚀刻气体＝0.1：1～10：1。
9.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于：所述主蚀刻气体包括氯基流体、溴基流体和氟基流体中的至少一种，所述副蚀刻气体包括非金属气体。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一粗化结构的侧表面的表面粗糙度范围为0.1～1μm。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一粗化结构的体积大于所述第二粗化结构的体积。
12.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一粗化结构在所述出光面上呈阵列式分布。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一粗化结构的纵向截面呈梯形、三角形、圆柱形或蜂窝状。
14.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包括金属反射层、绝缘层、第一电极和第二电极，所述金属反射层连接于所述第一半导体层的远离所述发光层的一侧，所述绝缘层覆盖所述金属反射层、部分的所述第一半导体层和部分的所述第二半导体层，所述绝缘层具有开口，所述第一电极通过所述绝缘层的所述开口电连接所述第一半导体层，所述第二电极电连接所述第二半导体层，所述第二电极并连接所述绝缘层。
15.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二粗化结构仅设置在所述第一粗化结构的侧表面。
16.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一粗化结构和所述第二粗化结构是一体成型。
17.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包括第三粗化结构，所述第三粗化结构设置在相邻二个所述第一粗化结构之间，所述第一粗化结构、所述第二粗化结构和所述第三粗化结构均是通过同一道干法蚀刻工艺制备形成，所述干法蚀刻工艺为ICP干法蚀刻。
18.一种发光装置，其特征在于：所述发光装置采用如权利要求1～17中任一项所述的发光二极管。
Priority Applications (1)
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| CN202310483861.9A CN116666516A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 发光二极管及发光装置 |
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