CN117393674A - 发光二极管及发光装置 - Google Patents

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，其包括衬底、透明折射层和半导体叠层，衬底具有相对的上表面和下表面，衬底具有第一折射率，透明折射层设置在衬底的下表面，透明折射层具有第二折射率，第二折射率大于1，半导体叠层设置在衬底的上表面，半导体叠层包括依次层叠的第一半导体层、发光层和第二半导体层。借此设置，可以减少发光层的出射光在衬底出光面出现全反射概率，从而提高发光二极管的光取出效率，提高发光二极管的出光性能。

Description

发光二极管及发光装置

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。

倒装的发光二极管是通过覆晶方式进行固晶，并以衬底作为出光面。但是，由于目前的衬底的折射率较高，当发光层发出的光出射到衬底时容易发生全反射，导致光取出效率较低，进而降低发光二极管的出光效率，影响器件性能。因此，如何保障发光二极管的出光性能已然成为本领域亟待解决的问题之一。

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，其包括衬底、透明折射层和半导体叠层。

衬底具有相对的上表面和下表面，衬底具有第一折射率。透明折射层设置在衬底的下表面，透明折射层具有第二折射率，第二折射率小于第一折射率且大于1。半导体叠层设置在衬底的上表面，半导体叠层包括依次层叠的第一半导体层、发光层和第二半导体层。

本发明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。

本发明一实施例提供的一种发光二极管及发光装置，通过在衬底的出光面处设置透明折射层，可以减少发光层的出射光在衬底出光面出现全反射概率，从而提高发光二极管的光取出效率，提高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是本发明第四实施例提供的发光二极管的结构示意图；

图5是本发明第五实施例提供的发光二极管的结构示意图。

附图标记：

10-衬底；11-透明折射层；12-半导体叠层；121-第一半导体层；122-发光层；123-第二半导体层；14-绝缘层；141-第一开口；142-第二开口；21-第一电极；22-第二电极；31-第一焊盘；32-第二焊盘；40-键合层。

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。如图中所示，该发光二极管包括衬底10、透明折射层11和半导体叠层12。

衬底10具有相对的上表面和下表面，衬底10具有第一折射率。衬底10可以是以透明材料或半透明材料所制成，即衬底10可以为透明衬底或半透明衬底，以便于使得光能够穿透衬底10。在图示实施例中，衬底10为蓝宝石衬底。在一些实施例中，衬底10可以是图形化的蓝宝石衬底，但本发明不限于此。

传统的发光二极管，其发光层122发出的光经由衬底10后是直接射出，在此过程中，由于透明材料的衬底10的折射率较高，光出射到衬底10时容易发生全反射，导致光取出效率较低，进而降低发光二极管的出光效率，影响器件性能。为解决这一问题，本实施例通过在衬底10的下表面设置透明折射层11，也就是在衬底10的出光面设置透明折射层11，该透明折射层11采用与衬底10的折射率相匹配的透明材料，进而来减少发光层122的出射光在衬底10出光面出现全反射概率，提高发光二极管的光取出效率。具体来说，透明折射层11具有第二折射率，该第二折射率大于1，真空的折射率为1，空气的折射率为1.0003。借此，光由发光层122射出，先是经过折射率较大的衬底10，再经过折射率较小的透明折射层11，光就可以更多地出射至空气中，提高发光二极管的光取出效率。

在本实施例中，如图1所示，透明折射层11的下表面为平整表面，也就是没有进行粗化处理的表面。在此情况下，透明折射层11为单层结构，透明折射层11的膜层厚度为奇数倍的λ/4n，即(2k-1)λ/4n，n为第二折射率，λ为发光层122的光波长，k为正整数。使得透明折射层11具有增透效果，提升光取出效率。透明折射层11的第二折射率小于衬底10的第一折射率，借此，光由发光层122射出，先是经过折射率较大的衬底10，再经过折射率较小的透明折射层11，就可以更多地出射至空气中，提高光取出效率。

透明折射层11为单层结构。相较于多层结构的透明折射层11而言，单层结构的透明折射层11的光取出效率更佳，这是因为多层结构会存在单层与单层之间的全反射，且层数越多，吸光也会越多，最终不利于光取出。此外，若是将透明折射层11替换成反射层，如DBR反射结构，则是起到增加反射的效果，无法减少出现全反射概率。

在一些实施例中，透明折射层11的材料包括选自于氟化镁、氧化硅、氟化铝、氧化铝、氮化硅、氧化钽、氧化钛所构成的群组中的至少一种，如MgF₂、SiO₂、AlF₃、Al₂O₃、SiN、Ta₂O₅、TiO₂等。不过本案不限于此，透明折射层11的材料亦可以根据衬底10的材料的不同进行相应的调整。以蓝宝石材料的衬底10为例，蓝宝石的折射率约为1.76～1.77，则透明折射层11的材料可以采用SiO₂，其折射率约为1.45，使其满足第二折射率小于第一折射率的条件，进而来减少发光层122的出射光在衬底10出光面出现全反射概率，提高发光二极管的光取出效率。

半导体叠层12设置在衬底10的上表面，半导体叠层12包括依次层叠的第一半导体层121、发光层122和第二半导体层123。也就是说，在衬底10的上表面上依次为第一半导体层121、发光层122和第二半导体层123。

第一半导体层121可以为N型半导体层，在电源作用下可以向发光层122提供电子。在一些实施例中，第一半导体层121可以包括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。

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或InGaN/AlGaN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P型半导体层，在电源作用下可以向发光层122提供空穴。在一些实施例中，第二半导体层123可以包括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。第二半导体层123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。此外，外延结构的设置不限于此，可以是依据实际需求来选择其它种类的外延结构。

发光二极管还可以包括第一电极21、第二电极22、绝缘层14、第一焊盘31和第二焊盘32。

第一电极21连接第一半导体层121。第一电极21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等金属叠层结构。在一些实施例中，第一电极21与第一半导体层121形成良好的欧姆接触。

第二电极22连接第二半导体层123。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123的表层(如p型GaN表面层)的掺杂情况进行适配性的选择。在一些实施例中，第二电极22是由透明导电材料制成，材料可包含铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)、锌铟氧化物(indium zinc oxide，IZO)、氧化铟(indiumoxide，InO)、氧化锡(tin oxide，SnO)、镉锡氧化物(cadmium tin oxide，CTO)、锡锑氧化物(antimony tin oxide，ATO)、铝锌氧化物(aluminum zinc oxide，AZO)、锌锡氧化物(zinctin oxide，ZTO)、氧化锌掺杂镓(gallium doped zinc oxide，GZO)、氧化铟掺杂钨(tungsten doped indium oxide，IWO)或者氧化锌(zinc oxide，ZnO)，但本公开实施例并非以此为限。

绝缘层14覆盖半导体叠层12、第一电极21和第二电极22，绝缘层14并具有第一开口141和第二开口142，第一开口141位于第一电极21上，第二开口142位于第二电极22上。绝缘层14可用于防止因导电材料泄露而电连通第一半导体层121和第二半导体层123，减少发光二极管的短路异常，但本公开实施例并非以此为限。绝缘层14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14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)。

第一焊盘31设置在绝缘层14上，并通过第一开口141连接第一电极21。第二焊盘32设置在绝缘层14上，并通过第二开口142连接第二电极22。第一焊盘31和第二焊盘32可以为金属焊盘，可在同一工艺中利用相同材料一并形成，因此可具有相同的层构造。

请参阅图2，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。相较于图1所示的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：该透明折射层11的下表面为粗化表面，即透明折射层11的下表面是经过粗化处理的。透明折射层11优选为单层结构，且透明折射层11的膜层厚度≥λ/4n，n为第二折射率，λ为发光层122的光波长。在此情况下，透明折射层11更多地是考虑如何让衬底10的光进入到透明折射层11中，因为透明折射层11的下表面为粗化表面，已经可降低出现全反射概率，提升光取出效果，在此基础上，光越多的进入到透明折射层11，则光取出效果更佳。因此，可使得透明折射层11的第二折射率较大，如第二折射率大于第一折射率，使得更多的光能够由衬底10进入到透明折射层11，提升光取出效率。

请参阅图3，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。相较于图1所示的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：衬底10的下表面为粗化表面，即衬底10的下表面是经过粗化处理的。借此可以减少发光层122的出射光在衬底10出光面出现全反射的可能性，从而提高光取出效率。但是考虑到蓝宝石、玻璃等材料的衬底10硬度较大，在工艺制程上较为困难地制作出粗化表面，且也很难制出理想的粗化表面，因此在一定程度上，保留衬底10的下表面为平整表面，通过透明折射层11的设置，对透明折射层11进行粗化等相应处理是较为容易的，来减少发光层122的出射光在衬底10出光面出现全反射的可能性，从而提高光取出效率。在一些实施例中，衬底10的上表面也可以进行粗化处理，从而形成粗化表面，来提高光取出效率。

请参阅图4，图4是本发明第四实施例提供的发光二极管的结构示意图。相较于图1所示的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：透明折射层11的下表面和衬底10的下表面均为粗化表面，即透明折射层11的下表面和衬底10的下表面均是经过粗化处理的。在此情况下，透明折射层11的膜层厚度≥λ/4n，n为第二折射率，λ为发光层122的光波长。借此可以减少发光层122的出射光在衬底10出光面出现全反射的可能性，从而提高光取出效率。

请参阅图5，图5是本发明第五实施例提供的发光二极管的结构示意图。相较于图1所示的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键合层40，键合层40位于第一半导体层121和衬底10之间，起到键合连接的作用。考虑到原先用于生长半导体叠层12的生长基底会有吸光的问题，后续通过衬底转移的方式，将半导体叠层12从生长基底上分离出来，再通过键合层40键合到衬底10上，则可避免出现吸光问题。

在一些实施例中，发光二极管为倒装结构的发光二极管。

本发明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。

本发明一实施例提供的一种发光二极管及发光装置，通过在衬底10的出光面处设置折射率小于衬底10材料的透明折射层11，可以减少发光层122的出射光在衬底10出光面出现全反射概率，从而提高发光二极管的光取出效率，提高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 (12)

1.一种发光二极管，其特征在于：所述发光二极管包括：

衬底，具有相对的上表面和下表面，所述衬底具有第一折射率；

透明折射层，设置在所述衬底的下表面，所述透明折射层具有第二折射率，所述第二折射率大于1；

半导体叠层，设置在所述衬底的上表面，所述半导体叠层包括依次层叠的第一半导体层、发光层和第二半导体层。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透明折射层为单层结构。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透明折射层的下表面为粗化表面，所述透明折射层的膜层厚度≥λ/4n，n为所述第二折射率，λ为所述发光层的光波长。

4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第二折射率大于所述第一折射率。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透明折射层的下表面为平整表面，所述第二折射率小于所述第一折射率，所述透明折射层的膜层厚度为(2k-1)λ/4n，n为所述第二折射率，λ为所述发光层的光波长，k为正整数。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管为倒装结构的发光二极管。

7.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电极和第二电极，所述第一电极连接所述第一半导体层，所述第二电极连接所述第二半导体层。

8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包括绝缘层、第一焊盘和第二焊盘，所述绝缘层覆盖所述半导体叠层、所述第一电极和所述第二电极，所述绝缘层具有第一开口和第二开口，所述第一焊盘设置在所述绝缘层上，并通过所述第一开口连接所述第一电极，所述第二焊盘设置在所述绝缘层上，并通过所述第二开口连接所述第二电极。

9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述衬底的材料包括蓝宝石或玻璃。

10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透明折射层的材料包括选自于氟化镁、氧化硅、氟化铝、氧化铝、氮化硅、氧化钽、氧化钛所构成的群组中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述衬底为透明衬底或半透明衬底。

12.一种发光装置，其特征在于：所述发光装置采用如权利要求1～11中任一项所述的发光二极管。