CN1489225A - 高效发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管及制造该发光二极管的方法。该发光二极管包括基底，形成在该基底上的N型化合物半导体层，形成在N型化合物半导体层上的有源层，形成在有源层上的P型化合物半导体层，与N型化合物半导体层接触的N型电极，以及与P型化合物半导体层接触的P型电极。其中，发射光的有源层的表面是连续的弯曲表面。于是，有源层的发光率可以大大高于传统的发光二极管的有源层。因此，本发光二极管发出的光量增加，而且在全方向上均匀发光。此外，本发明的制造方法的优点在于，无需增加单独的步骤来形成有源层的波形。

Description

高效发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，更具体地讲，涉及一种通过折射率变化的界面而减小全内反射进而提高发光效率的发光二极管，以及该发光二极管的制造方法。
背景技术
在发光二极管中，P型半导体层与N性半导体层之间界面的P-N结区域中电子与空穴的复合产生光发射。这种光发射属于自发辐射，而且没有特定的方向性。因此，光是向着各个方向发出去的。发出的一部分光由于半导体层的缺陷而被发光二极管吸收。所以，与P-N结区域成直角发出的光，比沿着该P-N结区域界面所发出的光强度要小。
图1表示了一种传统的发光二极管。参见图1，N型化合物半导体层12形成在基底10上。该N型化合物半导体层12的特定区域比N型化合物半导体层12的其余区域表面朝上突出一预定高度。所以，N型化合物半导体层12的上述特定区域与其余区域之间有一个台阶。在N型化合物半导体层12的突出区域表面上，依次形成发出光的有源层14和P型化合物半导体层16。P型电极18形成在P型化合物半导体层16的特定区域上，而N型电极20形成在N型化合物半导体层12的非突出区域的特定部分上。
在传统的发光二极管中，由于有源层14的折射率大于发光二极管周围空气的折射率，所以该有源层14发出的光会从有源层14的界面反射回有源层14。这一现象降低了传统发光二极管的发光效率。
为了提高发光效率，已经开发出许多方法。例如，使发光表面倾斜，或者有源层14的折射率向着界面方向逐渐减小。但是，这些方法需要附加的工艺，使整个制造工艺过程复杂，而且不经济。
发明内容
本发明要解决的技术问题是要提供一种能够通过减小界面反射而提高发光效率的发光二极管。
本发明还要提供一种制造上述发光二极管的方法。
根据本发明的一个方面，所提供的发光二极管包括：一基底，一形成在该基底上的N型化合物半导体层，一形成在N型化合物半导体层上的有源层，一形成在有源层上的P型化合物半导体层，一与N型化合物半导体层接触的N型电极，以及一个与P型化合物半导体层接触的P型电极，其中上述发射光的有源层的表面是连续的弯曲表面。
优选上述连续弯曲表面是具有一周期和深度的波形表面。上述周期与深度的比值优选为5比1。
上述N型化合物半导体层的特定区域突出一预定厚度。
上述有源层和P型化合物半导体层依次沉积在N型化合物半导体层的上述突出区域上。
上述有源层表面的形状延伸到N型化合物半导体层的上述突出区域和P型化合物半导体层。
根据本发明的另一方面，提供了一种发光二极管的制造方法，其中N型化合物半导体层、用作有源层的化合物半导体层、和P型化合物半导体层依次形成在基底上，并且反向构图，直到使N型化合物半导体层除去预定的厚度；N型电极和P型电极分别形成在已构图的N型化合物半导体层和已构图的P型化合物半导体层上。上述构图过程包括：在P型化合物半导体层特定区域上形成具有连续弯曲表面边缘的感光膜图案；用感光膜图案作为刻蚀掩模刻蚀P型化合物半导体层的整个表面，直到使N型化合物半导体层除去预定的厚度；以及除去感光膜图案。
感光膜图案的连续弯曲表面为有预定周期和预定深度的波形表面。周期与深度之比为5比1。
根据本发明，可以减少从有源层表面全反射进入有源层的光量。于是，有源层的发光率可以大大高于传统发光二极管中的有源层发光率。因此，测量到的从发光二极管发出的光量提高，且向各个方向发射的光均匀。此外，本发明方法的优点是不必加入单独的形成波形有源层的工艺步骤。
附图说明
本发明的上述和其他特征和优点，将通过参考附图对其实施方式的详细描述而更加清楚，其中：
图1是传统发光二极管的透视图；
图2是根据本发明一实施方式的高效发光二极管的透视图；
图3是表示图2所示的发光二极管条纹型不均匀部分的剖面图；
图4是制造图2所示的发光二极管方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考表示出本发明优选实施方式的附图对本发明作更为全面的说明。为了清楚起见，图中层和区域的厚度被放大了。
参见图2，根据本发明一实施方式的发光二极管40包括形成在一基底42上的多个组成部分。具体地说，在基底42上形成一N型化合物半导体层44。该N型化合物半导体层44的特定区域比N型化合物半导体层44的其余区域表面向上突出一预定高度。于是，该N型化合物半导体层44的突出区域44a与其余区域44b之间有一个台阶。在上述突出区域44a上，优选在突出区域44a的整个表面上，依次形成一有源层46和一P型化合物半导体层48。一P型电极50形成在P型化合物半导体层48的特定部分上，而一N型电极52形成在N型化合物半导体层44的非突出区域44b的特定部分上。
在上述的结构中，有源层46和材料层，即有源层46周围的空气，具有彼此不同的光学折射率。于是，有源层46发出的一部分光从有源层46与上述材料层之间的界面反射回到有源层46中。由于界面反射光增加而导致了发光二极管40发出光的总量减少，所以发光二极管40的亮度降低。如果界面反射的光被吸收到构成有源层46的半导体材料中，则大部分的吸收光转变成了热，并使发光二极管40的温度升高，其工作效率降低。
本发明人认为：这种效率降低主要与有源层46周围的材料层的接触界面的形状有关，即与有源层46边缘的形状有关。于是，本发明人模拟了有源层46有不均匀边缘时的情况(下文中，这种情况被称为第一种情况)，和有源层46的边缘象传统发光二极管那样平整时的情况(下文称其为第二种情况)。在模拟时，借助于第一种情况和第二种情况发光效率变化的数据公式，找到了优化的边缘形状。尤其是，在第一种情况下，借助于根据有源层46边缘的周期P和深度D而改变的发光效率的数据公式，找到了优化的边缘形状。
在第一种情况下，本发明人使有源层46的边缘呈连续波形，如图2所示，而不是简单的不均匀形状。图3表示了从有源层46的上方看去，有源层46边缘的一部分呈波形。有源层46的边缘波形状可以上下延伸。例如，可以向下延伸到N型化合物半导体层44的突出区域44a边缘，并向上延伸到P型化合物半导体层48的边缘。
可以通过改变用于形成发光二极管40的干刻中所用的掩模的结构来形成有源层46的边缘波形。即，可以利用边缘被设计成波形的干刻掩模形成有源层46、N型化合物半导体层44的突出区域44a、以及P型化合物半导体层48的波形边缘。
更具体地说，由于上述掩模是形成在P型化合物半导体层特定区域上的感光膜图案，所以可以通过在感光膜形成在P型化合物半导体层上并使其形成图案的感光膜图案形成过程中形成一种其边缘为连续弯曲表面的感光膜图案，以便形成上述掩模。优选的是，形成感光膜图案的边缘可以是满足下述模拟结果的连续弯曲表面。在形成掩模，即感光膜图案之后，通过用感光图案作为刻蚀掩模依次刻蚀P型化合物半导体层和有源层，并除去预定厚度的P型化合物半导体层。然后，通过除去感光膜图案，形成图2所示的N型化合物半导体层44的突出区域44a、有源层46，和P型化合物半导体层48。
参见图4，对制造上述发光二极管的方法作如下表述。
第一步骤(S1)，依次在基底上形成一N型化合物半导体层、一用作有源层的化合物半导体层、和一P型化合物半导体层。
第二步骤(S2)，在上述P型化合物半导体层上形成具有弯曲表面的边缘的感光膜图案，优选为连续弯曲表面的边缘的感光膜图案。
第三步骤(S3)，利用上述感光图案作为刻蚀掩模，依次刻蚀上述P型化合物半导体层、用作有源层的化合物半导体层、和N型化合物半导体层。而且，连续地进行刻蚀，直至N型化合物半导体层刻蚀出预定的厚度。
第四步骤(S4)，除去感光膜图案。
第五步骤(S5)，在弯曲表面的边缘通过刻蚀构图的P型化合物半导体层上和弯曲表面的突出区域那侧被构图的N型化合物半导体层上分别形成P型电极和N型电极。
第一种情况和第二种情况的模拟结果如下。
当有源层46的边缘波形象正弦函数的形状时，有源层46发射的光增大了。尤其是，如果有源层46的发光表面为图3所示的波形，当波形的周期P与深度D之比为1比1或更大时，如2比1，优选如5比1(如周期P为20μm，深度D为4μm)，有源层46的内反射最低。这意味着在优选的周期P与深度D比的情况下发光二极管40的发光率最高。
模拟时，在有源层46的发光表面是周期P与深度D比为5比1的波形的情况下，有源层46发出的光增大9％。此外，发光二极管发出的光广泛地分布在两倍于有源层边缘为平直的第二种情况的范围内。
由于本发明有源层的发光表面为波形，全内反射在有源层表面向有源层内部反射的光量可以减少，所以该有源层发出的光比传统技术的要多。因此，在外部检测到的总光量增大了，而且发出的光更为均匀。此外，不需要单独的步骤来形成有源层的波形，因为通过将传统光学器件制造方法所用的掩模周边设计成波形，并利用该掩模刻蚀上述有源层，即可形成这种波形。
尽管上面已经参考实施方式对本发明作出了具体的展示与描述，但是不难理解，对本领域普通技术人员而言，形式和细节的各种改变都没有脱离权利要求书所限定的本发明的构思和范围。例如，本领域普通技术人员可以将本发明的构思应用于脊型发光二极管。此外，还可以将本发明的构思应用于N型电极位于基底的底表面上的发光二极管中。

Claims (8)

1.一种发光二极管，包括：
一基底；
一形成在该基底上的N型化合物半导体层；
一形成在N型化合物半导体层上的有源层；
一形成在有源层上的P型化合物半导体层；
一与N型化合物半导体层接触的N型电极；以及
一与P型化合物半导体层接触的P型电极；
其中上述发射光的有源层的表面是连续的弯曲表面。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中上述连续弯曲表面包括具有一周期和深度的波形表面。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其中上述的周期与深度之比为5比1。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其中上述N型化合物半导体层的特定区域突出一预定厚度，而且上述有源层和P型化合物半导体层被依次沉积在该N型化合物半导体层的突出区域上。
5.如权利要求4所述的发光二极管，其中上述有源层的表面形状延伸到N型化合物半导体层的突出区域和P型化合物半导体层中。
6.一种制造发光二极管的方法，其中在一基底上依次形成一N型化合物半导体层、一用作有源层的化合物半导体层、和一P型化合物半导体层，并且反向构图直到使N型化合物半导体层除去预定的厚度；在上述已构图的N型化合物半导体层和已构图的P型化合物半导体层上分别形成一N型电极和一P型电极；
上述构图过程包括：
在上述P型化合物半导体层特定区域上形成具有连续弯曲表面边缘的感光膜图案；
用上述感光膜图案作为刻蚀掩模刻蚀P型化合物半导体层的整个表面，直到N型化合物半导体层除去预定的厚度；以及
除去上述感光膜图案。
7.如权利要求6所述的方法，其中上述感光膜图案的连续弯曲表面包括有预定周期和预定深度的波形表面。
8.如权利要求7所述的方法，其中上述的周期与深度之比为5比1。
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