CN117133839A - 发光二极管及发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管，其包括外延结构、第一电极、第二电极以及微透镜结构，外延结构具有相对的第一表面和第二表面，并包括第一半导体层、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，第一电极位于外延结构的第一表面侧并电连接第一半导体层，第二电极位于外延结构的第一表面侧并电连接第二半导体层，微透镜结构位于外延结构的第二表面侧，其中，微透镜结构的折射率范围为1.2～2。借此，可以有效缩小发光二极管的发光角，增强发光二极管在法向方向上的出光。
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。
Micro LED是发光二极管中的一种，其具有芯片尺寸小、集成度高和自发光等特点。传统的Micro LED通常是使用金属反射镜来做包覆，将量子阱(MQW)发出的光做反射,使光集中射出。但是，传统的Micro LED的发光角与OLED相比还是存在一定差距。具体来说，OLED的发光角很小,可以有效集中提升法向方面的亮度；而Micro LED的发光角较大,无法有效集中提升法向方面的亮度，但Micro LED的优势在于没有color shift(色差)，对于色彩的准确性较OLED更高。因此，如何将Micro LED的发光角缩小,集中提升Micro LED法向方面的亮度已然成为本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。
发明内容
本发明提供一种发光二极管，其包括外延结构、第一电极、第二电极以及微透镜结构。
外延结构具有相对的第一表面和第二表面，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。第一电极位于外延结构的第一表面侧，并电连接第一半导体层。第二电极位于外延结构的第一表面侧，并电连接第二半导体层。微透镜结构，位于外延结构的第二表面侧，其中，微透镜结构的折射率范围为1.2～2。
在一些实施例中，所述发光二极管还包括第一DBR结构，所述第一DBR结构直接接触所述外延结构的第一表面，所述第一DBR结构具有第一开口和第二开口，所述第一电极通过所述第一开口电连接所述第一半导体层，所述第二电极通过所述第二开口电连接所述第二半导体层。
在一些实施例中，所述发光二极管还包括第二DBR结构，所述第二DBR结构直接接触所述外延结构的第二表面，所述第二DBR结构位于所述外延结构与所述微透镜结构之间。
在一些实施例中，所述第二DBR结构包括相互堆叠的多个第一子层和多个第二子层，所述第一子层的折射率范围为2～2.5，所述第二子层的折射率范围为1.3～1.6。
在一些实施例中，所述第一子层的材料包括Ti3O5或Nb2O5，所述第二子层的材料包括SiO2。
在一些实施例中，所述第一子层的厚度范围为500～800A，所述第二子层的厚度范围为1000A～1300A。
在一些实施例中，所述发光二极管还包括第三DBR结构，所述第三DBR结构直接接触所述外延结构的侧壁，且连接所述第一DBR结构和所述第二DBR结构。
在一些实施例中，所述第一DBR结构、所述第二DBR结构以及所述第三DBR结构的堆叠层对数至少为6对。
在一些实施例中，所述第一半导体层的材料包括AlGaInP，所述第一半导体层的折射率范围为3.2～3.5。
在一些实施例中，所述微透镜结构的最大宽度大于所述第一半导体层的最大宽度。
在一些实施例中，所述微透镜结构的形状呈凸透镜。
在一些实施例中，所述微透镜结构可以由氧化物或感光性胶材制成。
在一些实施例中，所述发光层与所述微透镜结构的关系满足以下公式：1/f＝(n-1)/(1/r1-1/r2)，其中，f为所述发光层所放置的焦点位置，n为所述微透镜结构的折射率，r1为所述微透镜结构靠近所述发光层的表面的曲率半径，r2为所述微透镜结构背离所述发光层的表面的曲率半径。
在一些实施例中，所述发光二极管的尺寸小于100微米。
本发明还提供一种发光装置，其可以采用如上述任一实施例所述的发光二极管。
本发明的一实施例提供的一种发光二极管及发光装置，通过在发光二极管的出光面增设微透镜结构的设计，可以有效缩小发光二极管的发光角，提升发光二极管的集中出光，增强发光二极管在法向方向上的出光。
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有益效果可通过在说明书、权利要求书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。
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地介绍，显而易见地，下面描述中的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他的附图；在下面描述中附图所述位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1是本发明第一实施例提供的发光二极管的结构示意图；
图2是本发明第二实施例提供的发光二极管的结构示意图；
图3是本发明第三实施例提供的发光二极管的结构示意图；
图4是第二DBR结构的结构示意图；
图5是本发明第四实施例提供的发光二极管的结构示意图；
图6是本发明提供的发光二极管与OLED、传统Micro LED的出光强度对比示意图；
图7至图10是图3所示的发光二极管在制造过程中各阶段的结构示意图。
附图标记：
1、2、3、4-发光二极管；9-衬底；10-外延结构；101-第一表面；102-第二表面；103-第一半导体层；104-发光层；105-第二半导体层；12-微透镜结构；21-第一电极；22-第二电极；31-第一DBR结构；311-第一开口；312-第二开口；32-第二DBR结构；321-第一子层；322-第二子层；33-第三DBR结构。
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1是本发明第一实施例提供的发光二极管1的结构示意图。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1。如图中所示，发光二极管1可以包括外延结构10、第一电极21、第二电极22以及微透镜结构12。
外延结构10具有相对的第一表面101和第二表面102。在本实施例中，第一表面101和第二表面102可以分别对应为外延结构10的上表面和下表面。外延结构10包括第一半导体层103、发光层104和第二半导体层105，发光层104位于第一半导体层103和第二半导体层105之间。也就是说，外延结构10自第一表面101至第二表面102的方向起依次包括第二半导体层105、发光层104以及第一半导体层103。
第一半导体层103可以为N型半导体层，在电源作用下可以向发光层104提供电子。在一些实施例中，第一半导体层103包括N型掺杂的氮化物层。N型掺杂的氮化物层可包括一个或多个IV族元素的N型杂质。N型杂质可以包括Si、Ge、Sn中的一种或其组合。在一些实施例中，N型半导体层可以为掺杂的AlGaInP层。
发光层104可以为量子阱结构。在一些实施例中，发光层104也可以为多重量子阱结构，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和多个量子阻障层，例如可以是AlGaInP/GaInP、GaN/AlGaN、InAlGaN/InAlGaN或InGaN/AlGaN的多量子阱结构。此外，发光层104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104的发光效率，可通过在发光层104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105可以为P型半导体层，在电源作用下可以向发光层104提供空穴。在一些实施例中，第二半导体层105包括P型掺杂的AlInP层，掺杂可以为Mg、C等。在一些实施例中，第二半导体层105包括P型掺杂的氮化物层。P型掺杂的氮化物层可包括一个或多个II族元素的P型杂质。P型杂质可以包括Mg、Zn、Be中的一种或其组合。第二半导体层105可以是单层结构，也可以是多层结构，该多层结构可以具有不同的组成。此外，外延结构10的设置不限于此，可以是依据实际需求来选择其它种类的外延结构10。
第一电极21与第二电极22皆位于外延结构10的第一表面101一侧，且第一电极21与第二电极22分别电连接第一半导体层103与第二半导体层105。在一实施例中，第一电极21设置在第一半导体层103之上，第二电极22设置在第二半导体层105之上。第一电极21可以为多层结构，例如包括Cr、Ni、Au、TI等金属。第二电极22可以由透明导电材料制成，也可以是由金属材料制成，其可根据第二半导体层105的表层的掺杂情况进行适配性的选择。在一些实施例中，第二接触电极是由透明导电材料制成，材料可包含铟锡氧化物、锌铟氧化物、氧化铟、或者氧化锌等。
微透镜结构12位于外延结构10的第二表面102一侧，也就是微透镜结构12与电极(第一电极21和第二电极22)是分别设置在外延结构10的相对两侧。微透镜结构12的折射率范围为1.2～2(空气的折射率约等于1)，其可以汇聚外延结构10发出的光，进而形成更为集中的出光效果，缩小发光二极管1的发光角，增强发光二极管1在法向方向上的出光。具体来说，从以下公式：R＝(n2-n1)2/(n2+n1)2和T＝1-R，由R(反射率)与T(穿透率)公式可以发现当两者的折射率n1与n2越接近，反射率R越小，穿透率T越高。因此，通过增设一层微透镜结构12，且将微透镜结构12的折射率范围控制在1.2～2，可以充当外延结构10与空气的介质，进而形成折射率渐变的效果，最终增加法向方向上的出光。较优地，微透镜结构12的折射率范围为1.3～1.5，优选为1.4、1.45。
所述法向方向上的出光主要是指从第二表面102垂直射出的光线(该光线垂直于第二表面102)以及与第二表面102的夹角大于等于60°射出的光线。
在一些实施例中，所述第一半导体层103的材料包括AlGaI nP，所述第一半导体层103的折射率范围为3.2～3.5，搭配微透镜结构12的折射率范围为1.2～2，可以进一步形成折射率渐变的效果，最终增加法向方向上的出光。
在一些实施例中，所述微透镜结构12的最大宽度大于所述第一半导体层103的最大宽度，有利于确保外延结构10发出的光线全部经过微透镜结构12的折射而射出，缩小发光二极管1的发光角，增强发光二极管1在法向方向上的出光。所述微透镜结构12可以由氧化物或感光性胶材制成。所述微透镜结构12的斜角范围为0～30度。
在一些实施例中，所述发光层104与所述微透镜结构12的关系满足以下公式：1/f＝(n-1)/(1/r1-1/r2)。其中，f为所述发光层104所放置的焦点位置，n为所述微透镜结构12的折射率，r1为所述微透镜结构12靠近所述发光层104的表面的曲率半径，r2为所述微透镜结构12背离所述发光层104的表面的曲率半径。也就是说，将发光层104放置在焦点位置处，使得发光层104发出的光源由焦点f发出，经过微透镜结构12折射，可以形成更多的法向方向上的射出光线。
请参阅图2，图2是本发明第二实施例提供的发光二极管2的结构示意图。相较于图1所示的发光二极管1而言，图2的发光二极管2还可以包括第一DBR结构31。第一DBR结构31是直接接触外延结构10的第一表面101，具体来说，第一DBR结构31是直接覆盖在第一半导体层103和第二半导体层105的上方。第一DBR结构31具有第一开口311和第二开口312，第一电极21通过第一开口311电连接第一半导体层103，第二电极22通过第二开口312电连接第二半导体层105。第一DBR结构31用于将发光层104发出的射向第一表面101的光反射至第二表面102，增强第二表面102的出光。
请参阅图3和图4，图3是本发明第三实施例提供的发光二极管3的结构示意图，图4是第二DBR结构32的结构示意图。相较于图2所示的发光二极管2而言，图3的发光二极管3还可以包括第二DBR结构32。第二DBR结构32直接接触外延结构10的第二表面102，也就是说，第二DBR结构32与外延结构10之间无其它元件(如衬底)设置。第二DBR结构32位于外延结构10与微透镜结构12之间。将第一DBR结构31和第二DBR结构32设计在外延结构10的第一表面101和第二表面102，利用共振腔原理，可以有效提升法向方向的出光。其原理为DBR对于不同入射角度不是都有完美的100％反射率，因此，通过设计使得DBR结构将法向范围角度内的光可以穿透射出，且由于共振腔效果，可以进一步使光强度有效提升，并再借由微透镜结构12做汇聚，最终形成更集中的光源。
第二DBR结构32包括相互堆叠的多个第一子层321和多个第二子层322，也就是将不同材料的第一子层321与第二子层322以ABAB的方式交替排列组成DBR结构。在一些实施例中，如图4所示，第二DBR结构32的堆叠层对数至少为6对(图4所示的第二DBR结构32的堆叠层对数是6对，即相邻的二个第一子层321与第二子层322为1对，不重复计算)，较优地，第二DBR结构32的堆叠层对数是20对以上，以提供更好的共振腔效果以及提升法向方向的出光。
在一些实施例中，为提供更好的共振腔效果以及提升法向方向的出光，第一子层321的折射率大于第二子层322的折射率，优选地，第一子层321的折射率范围为2～2.5，第二子层322的折射率范围为1.3～1.6。所述第一子层321的材料可以包括Ti3O5或Nb2O5，所述第二子层322的材料可以包括SiO2。第一子层321的厚度小于第二子层322的厚度，优选地，所述第一子层321的厚度范围为500～800A，所述第二子层322的厚度范围为1000A～1300A，A为埃米单位。不过本案的第一子层321与第二子层322的折射率范围、材料以及厚度并不局限于上述范围选择，以上为较优实施选择，例如：第一子层321的材料并不限于Ti3O5或Nb2O5，第二子层322的材料并不限于SiO2，只要是折射率范围为2～2.5的第一子层321与折射率范围为1.3～1.6的第二子层322交叠形成的第二DBR结构32，以光学原理来说,如此搭配便可以形成适用于本案的高反射率布拉格反射镜结构。
请参阅图5，图5是本发明第四实施例提供的发光二极管4的结构示意图。相较于图3所示的发光二极管3而言，图5的发光二极管4还可以包括第三DBR结构33。第三DBR结构33直接接触外延结构10的侧壁，且连接第一DBR结构31和第二DBR结构32。也就是说，第一DBR结构31、第二DBR结构32以及第三DBR结构33配合形成全面包覆外延结构10的DBR结构层，可以提供更好的共振腔效果。
补充说明的是，所述第一DBR结构31与所述第三DBR结构33的具体层结构可参考第二DBR结构32的描述，即第一DBR结构31、第三DBR结构33与第二DBR结构32可以具有相同的结构设计。第一DBR结构31、第二DBR结构32以及第三DBR结构33的堆叠层对数至少为6对，较优地，是20对以上。在任一实施例中的外延结构10的第二表面102一侧是无需设置衬底的，如透明材料或半透明材料所制成的衬底，如蓝宝石衬底等。
在一些实施例中，发光二极管1、2、3、4的尺寸小于100微米，即发光二极管1、2、3、4是Micro LED。第二表面102为主要出光面。
请参阅图6，图6是本发明提供的发光二极管1与OLED、传统Micro LED的出光强度对比示意图。如图6所示，本发明提供的发光二极管1与传统Micro LED相比，解决了传统Micro LED的发光角较大、发光分散问题，本发光二极管1能够增加法向方向的出光，实现集中出光效果，更加贴近OLED的发光角。具体来说，横坐标为最终射出光线的出光角度(出光角度是指射出光线与法线的夹角)，纵坐标为最终射出光线的相对强度(相对强度是以各自二极管的最大亮度为参考对象)，当出光角度越小且光的相对强度越大时，则代表射出光线更加集中，偏向法向角度的出光越多，如传统Micro LED出光所示，其在0～30°均在一个较高的出光相对强度，如此一来其在应用过程中，会产生较大的相互干扰，进而影响最终显示品质，反观本发光二极管1则是尽可能只保留小角度的高出光相对强度(如在0～10度的相对强度接近1)，可以避免出现相互干扰的现象，做到集中出光，提升显示品质。此外，再搭配第一DBR结构31与第二DBR结构32形成共振腔的结构、或是搭配第一DBR结构31、第二DBR结构32以及第三DBR结构33形成共振腔的结构，与传统的Micro LED相比，能够进一步加大在法向方向上的出光，再次提升法向方向上的光强度。
下面公开了一种用于制作图3所示的发光二极管3的方法，请参阅图7至图10，图7至图10是图3所示的发光二极管3在制造过程中各阶段的结构示意图。
首先，参照图7所示，在衬底9上生长出外延结构10，外延结构10包括第一半导体层103、发光层104和第二半导体层105，发光层104位于第一半导体层103和第二半导体层105之间。外延结构10的部分区域被移除第二半导体层105和发光层104，以裸露出第一半导体层103，形成台面，以便于后续的电极连接。衬底10可以是绝缘衬底，优选的，衬底10可以是以透明材料或半透明材料所制成。在图示实施例中，衬底10为砷化镓衬底。
接着，参照图8所示，将外延结构10从衬底9上剥离，例如：可以利用氨水加双氧水的混和溶液针对砷化镓衬底进行移除，以剥离出外延结构10。然后，再在剥离后的外延结构10上设置第一DBR结构31和第二DBR结构32。第一DBR结构31是直接接触外延结构10的第一表面101，第二DBR结构32直接接触外延结构10的第二表面102。
后续，参照图9所示，在第二DBR结构32远离外延结构10的一侧设置微透镜结构12。举例来说，微透镜结构12的形成方式可以有以下几种情况：1、以旋转涂布的方式将感光性胶材设置在第二DBR结构32上，再进行黄光显影制程来形成微透镜结构12。2、使用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，是指等离子体增强化学的气相沉积法)镀氧化物(如二氧化硅)等材料，再进行黄光显影制程，再借由干法蚀刻或湿法蚀刻等方式将二氧化硅图形化,形成微透镜结构12，其中的图形化可以奈米压印(NanoiprintLithography)等技术形成微透镜结构12。
最后，参照图10所示，将第一电极21与第二电极22设置在外延结构10的第一表面101一侧，以使得第一电极21与第二电极22分别电连接第一半导体层103与第二半导体层105。具体来说，第一电极21可以通过第一DBR结构31的第一开口311而连接第一半导体层103，第二电极22可以通过第一DBR结构31的第二开口312而连接第二半导体层105。
以上仅是公开的一种用于制作图3所示的发光二极管3的方法，本案并不以此为限，仅是用于举例说明发光二极管3的一种制备实现方式。例如：也可以是按照形成第一DBR结构31，再做第一电极21与第二电极22，再剥离衬底9，然后形成第二DBR结构32与微透镜结构12的步骤来制备发光二极管3。
本发明的一实施例还提供一种发光装置，其采用前述任一实施例所述的发光二极管1、2、3、4。
综上所述，本发明的一实施例提供的一种发光二极管1、2、3、4及发光装置，通过在发光二极管1、2、3、4的出光面增设微透镜结构12的设计，可以有效缩小发光二极管1、2、3、4的发光角，提升发光二极管1、2、3、4的集中出光，增强发光二极管1、2、3、4在法向方向上的出光。
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 (15)
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，具有相对的第一表面和第二表面，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；
第一电极，位于所述外延结构的第一表面侧，并电连接所述第一半导体层；
第二电极，位于所述外延结构的第一表面侧，并电连接所述第二半导体层；
微透镜结构，位于所述外延结构的第二表面侧；
其中，所述微透镜结构的折射率范围为1.2～2。
2.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一DBR结构，所述第一DBR结构直接接触所述外延结构的第一表面，所述第一DBR结构具有第一开口和第二开口，所述第一电极通过所述第一开口电连接所述第一半导体层，所述第二电极通过所述第二开口电连接所述第二半导体层。
3.根据权利要求2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DBR结构，所述第二DBR结构直接接触所述外延结构的第二表面，所述第二DBR结构位于所述外延结构与所述微透镜结构之间。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第二DBR结构包括相互堆叠的多个第一子层和多个第二子层，所述第一子层的折射率范围为2～2.5，所述第二子层的折射率范围为1.3～1.6。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述第一子层的材料包括Ti3O5或Nb2O5，所述第二子层的材料包括SiO2。
6.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述第一子层的厚度范围为500～800A，所述第二子层的厚度范围为1000A～1300A。
7.根据权利要求3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DBR结构，所述第三DBR结构直接接触所述外延结构的侧壁，且连接所述第一DBR结构和所述第二DBR结构。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述第一DBR结构、所述第二DBR结构以及所述第三DBR结构的堆叠层对数至少为6对。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一半导体层的材料包括AlGaInP，所述第一半导体层的折射率范围为3.2～3.5。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述微透镜结构的最大宽度大于所述第一半导体层的最大宽度。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述微透镜结构的形状呈凸透镜。
12.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述微透镜结构可以由氧化物或感光性胶材制成。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光层与所述微透镜结构的关系满足以下公式：1/f＝(n-1)/(1/r1-1/r2)，其中，f为所述发光层所放置的焦点位置，n为所述微透镜结构的折射率，r1为所述微透镜结构靠近所述发光层的表面的曲率半径，r2为所述微透镜结构背离所述发光层的表面的曲率半径。
14.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的尺寸小于100微米。
15.一种发光装置，其特征在于：采用如权利要求1-14中任一项所述的发光二极管。
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