CN219321369U - 一种微型发光元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种微型发光元件，通过在非掺杂半导体层表面设置外延叠层，所述外延叠层至少包括沿依次堆叠的第一型半导体层、第二有源区以及第二型半导体层；以及，在所述第二型半导体层上所引出的第二电极和在所述第一型半导体层上所引出的第一电极；且，在所述外延叠层的裸露面设有反射镜。其中，所述非掺杂半导体层设有第一有源区夹层，且在所述非掺杂半导体层上设有光子晶体结构，使所述第二有源区所释放的至少部分光子经反射镜反射被所述第一有源区夹层吸收后，通过所述光子晶体结构沿所述第一有源区夹层的法向射出。

Description

一种微型发光元件

技术领域

本实用新型涉及发光二极管领域，尤其涉及一种微型发光元件。

背景技术

微元件技术是指在基板上以高密度集成的微小尺寸的元件阵列。目前，微间距发光二极管(Mini/Micro-LED)技术逐渐成为研究热门，工业界期待有高品质的微元件产品进入市场。高品质微间距发光二极管产品会对市场上已有的诸如LCD/OLED的传统显示产品产生深刻影响。那么，提高微型发光元件的光电转换效率就成为了推进显示发展的重中之重。

微型发光元件的光电转换过程分为两个步骤，首先是在器件的内部将电转化为光，这部分效率称之为内量子效率，随着工艺技术的成熟，内量子效率已经接近100％，当光从器件内部发射后，需要逃逸出器件本身，其逃逸的能力称之为LEE，蓝绿LED的材料通常为GaN折射率为2.5左右，红光材料通常为GaAs折射率为3.3。由于材料本身的折射率很高，大部分光因为全反射现象很难逃逸出LED，所以LEE很低，为了提高LEE，人们想到很多对器件结构改变的方法，例如粗糙表面、倾斜侧壁、PSS衬底、光栅、内嵌式光子晶体、表面式光子晶体、DBR等对器件结构进行改变或者增加新的结构的方法。

其中，内嵌式光子晶体的方案不仅可以改善微型发光元件的光提取效率，利用其光子禁带还可以改善微型发光元件的发光光型，对于近眼显示而言发光元件的光型与其光效同等重要，尤其需要法向亮度要高，所以内嵌式光子晶体就成为最重要的研究方向。然而，为了让光子晶体的有能力改善微型发光元件的光型，其内嵌式光子晶体的制备通常采用挖孔的方式深入到有源区，这种方式直接导致有源区有效发光面积的减小，增加漏电通道，降低微型发光元件的器件性能。

有鉴于此，本发明人专门设计了一种微型发光元件，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微型发光元件，以解决微型发光元件的光提取效率低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种微型发光元件，包括基板及位于所述基板表面的若干个LED芯粒，各所述LED芯粒包括：

设置于非掺杂半导体层表面的外延叠层，所述外延叠层至少包括沿依次堆叠的第一型半导体层、第二有源区以及第二型半导体层；以及，在所述第二型半导体层上所引出的第二电极和在所述第一型半导体层上所引出的第一电极；且，在所述外延叠层的裸露面设有反射镜；

其中，所述非掺杂半导体层设有第一有源区夹层，且在所述非掺杂半导体层上设有光子晶体结构，使所述第二有源区所释放的至少部分光子经所述反射镜反射被所述第一有源区夹层吸收后，通过所述光子晶体结构沿所述第一有源区夹层的法向射出。

优选地，所述第一有源区夹层和所述第二有源区分别包括若干个由量子阱及量子垒所组成的周期单元，且所述第一有源区夹层所具有的周期数不小于所述第二有源区所具有的周期数。

优选地，所述光子晶体结构包括通过对所述非掺杂半导体层刻蚀所形成的若干个柱状结构。

优选地，所述柱状结构通过沿所述非掺杂半导体层的背面刻蚀至所述第一有源区夹层而形成。

优选地，各所述柱状结构呈锥形、柱形、棱锥形或半球形中的任一种。

优选地，各所述柱状结构的排列方式为正方格或三角格。

优选地，所述微型发光元件包括GaN系发光二极管；则，所述非掺杂半导体层包括U-GaN层，所述第一型半导体层包括N型GaN层，所述第二型半导体层包括P型GaN层。

优选地，所述反射镜包括DBR结构、ODR结构以及金属反射镜中的至少一种。

优选地，为了扩大发光角度并提高光提取率，所述反射镜覆盖所述外延叠层的裸露面。

优选地，当所述反射镜为导电型材料且其延伸至所述外延叠层侧壁时，在所述外延叠层的侧壁还设有钝化层，以防止所述微型发光元件的短路。

优选地，所述钝化层包括SiO₂、SiC、Al N、S iONx、S i N_x中的一种或多种。

优选地，所述外延叠层的局部区域蚀刻至部分所述的第一型半导体层形成凹槽及台面，则，所述第一电极通过通孔嵌入所述反射镜的方式形成于所述凹槽表面，所述第二电极通过通孔嵌入所述反射镜的方式形成于所述台面表面。

优选地，在所述台面设有透明导电层。

优选地，透明导电层的材料包括ITO，ZnO，IWO，AZO中的一种或多种。

优选地，所述微型发光元件包括Mini-LED芯片或Micro-LED芯片。

经由上述的技术方案可知，本实用新型提供的微型发光元件，通过在非掺杂半导体层表面设置外延叠层，所述外延叠层至少包括沿依次堆叠的第一型半导体层、第二有源区以及第二型半导体层；以及，在所述第二型半导体层上所引出的第二电极和在所述第一型半导体层上所引出的第一电极；且，在所述外延叠层的裸露面设有反射镜。其中，所述非掺杂半导体层设有第一有源区夹层，且在所述非掺杂半导体层上设有光子晶体结构，使所述第二有源区所释放的至少部分光子经反射镜反射被所述第一有源区夹层吸收后，通过所述光子晶体结构沿所述第一有源区夹层的法向射出。具体地，当本实用新型所述的微型发光元件经第一电极、第二电极注入电流之后，至少部分所述第二有源区所发的光经所述反射镜反射后照射至第一有源区夹层，由于第一有源区夹层没有电子注入，相比第二有源区其导带上包含大量的空位，也即意味着第一有源区夹层可以有效吸收第二有源区所辐射的光子，当被吸收的光子在经过一定时间后会重新辐射出去，而重新辐射时因受限于横向存在的光子晶体结构的禁带，其非法向光将会被抑制，垂直于所述第一有源区夹层平面的法向光会被增强；同时，对于未被所述第一有源区夹层所吸收的光子，在所述光子晶体结构的衍射能力所影响后从所述发光元件逃逸，从而进一步提高光的提取效率。

其次，所述第一有源区夹层和所述第二有源区分别包括若干个由量子阱及量子垒所组成的周期单元，且所述第一有源区夹层所具有的周期数不小于所述第二有源区所具有的周期数。从而，在不影响第二有源区有效发光面积的同时，保证所述第一有源区夹层的光子吸收能力，以进一步提高所述微型发光元件的光提取率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所提供的微型发光元件的结构示意图；

图2.1至图2.10为本实用新型实施例所提供的微型发光元件的制备方法所对应的结构示意图；

图3为本实用新型实施例所提供的呈三角格排列的光子晶体结构示意图；

图4为本实用新型实施例所提供的呈正方格排列的光子晶体结构示意图；

图中符号说明：

1、衬底；

2、非掺杂半导体层，21、23：U-GaN层，22、第一有源区夹层；

3、第一型半导体层；

4、第二有源区；

5、第二型半导体层；

6、透明导电层；

7、反射镜；

8、第一电极；

9、第二电极；

10、基板；

11、凹槽；

12、台面；

13、沟道；

14、通孔；

15、柱状结构。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加清晰，下面结合附图对本实用新型的内容作进一步说明。本实用新型不局限于该具体实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种微型发光元件，包括基板10及位于所述基板10表面的若干个LED芯粒，各所述LED芯粒包括：

设置于非掺杂半导体层2表面的外延叠层，所述外延叠层至少包括沿依次堆叠的第一型半导体层3、第二有源区4以及第二型半导体层5；以及，在所述第二型半导体层5上所引出的第二电极9和在所述第一型半导体层3上所引出的第一电极8；且，在所述外延叠层的裸露面设有反射镜7；

其中，所述非掺杂半导体层2设有第一有源区夹层22，且在所述非掺杂半导体层2上设有光子晶体结构，使所述第二有源区4所释放的至少部分光子经所述反射镜7反射被所述第一有源区夹层22吸收后，通过所述光子晶体结构沿所述第一有源区夹层22的法向射出。

需要强调的是，本实用新型实施例中，为了突显本实用新型的技术实用新型点，图1仅示意了微发光器件中的一个LED芯粒，在实际使用过程中，衬底1表面含有成千上万个LED芯粒，具体视情况而定，本申请对此并不做限定。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述第一有源区夹层22和所述第二有源区4分别包括若干个由量子阱及量子垒所组成的周期单元，且所述第一有源区夹层22所具有的周期数不小于所述第二有源区4所具有的周期数。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述光子晶体结构包括通过对所述非掺杂半导体层2刻蚀所形成的若干个柱状结构15。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述柱状结构15通过沿所述非掺杂半导体层2的背面刻蚀至所述第一有源区夹层22而形成。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，各所述柱状结构15呈锥形、柱形、棱锥形或半球形中的任一种。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，各所述柱状结构15的排列方式为正方格或三角格。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述微型发光元件包括GaN系发光二极管；则，所述非掺杂半导体层2包括U-GaN层(21、23)，所述第一型半导体层3包括N型GaN层，所述第二型半导体层5包括P型GaN层。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述反射镜7包括DBR结构、ODR结构以及金属反射镜7中的至少一种。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，为了扩大发光角度并提高光提取率，所述反射镜7覆盖所述外延叠层的裸露面。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，当所述反射镜7为导电型材料且其延伸至所述外延叠层侧壁时，在所述外延叠层的侧壁还设有钝化层，以防止所述微型发光元件的短路。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述钝化层包括S iO₂、S i C、Al N、S iONx、S i N_x中的一种或多种。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述外延叠层的局部区域蚀刻至部分所述的第一型半导体层3形成凹槽11及台面12，则，所述第一电极8通过通孔14嵌入所述反射镜7的方式形成于所述凹槽11表面，所述第二电极9通过通孔14嵌入所述反射镜7的方式形成于所述台面12表面。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，在所述台面12设有透明导电层6。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，透明导电层6的材料包括I TO，ZnO，IWO，AZO中的一种或多种。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述微型发光元件包括Mini-LED芯片或Micro-LED芯片。

本实用新型实施例还提供了一种微型发光元件的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S01、如图2.1所示，提供一衬底1；

需要说明的是，衬底1的类型在本实施例的微型发光元件不受限制，例如，衬底1可以是但不限于蓝宝石衬底1、硅衬底1等。

步骤S02、如图2.2所示，在所述衬底1表面依次生长非掺杂半导体层2和外延叠层，所述外延叠层至少包括沿依次生长的第一型半导体层3、第二有源区4以及第二型半导体层5；其中，所述非掺杂半导体层2设有第一有源区夹层22；

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述第一有源区夹层22和所述第二有源区4分别包括若干个由量子阱及量子垒所组成的周期单元，且所述第一有源区夹层22所具有的周期数不小于所述第二有源区4所具有的周期数。

在本实用新型的一个实施例中，所述微型发光元件包括GaN系发光二极管；则，所述非掺杂半导体层2包括U-GaN层(21、23)，所述第一型半导体层3包括N型GaN层，所述第二型半导体层5包括P型GaN层；本申请对此并不做限定。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述量子垒包括GaN层，所述量子阱包括InGaN层。

步骤S03、如图2.3所示，将所述外延叠层的局部区域蚀刻至部分所述的第一型半导体层3，形成若干个凹槽11及台面12；

在本申请的一个实施例中，对外延叠层的进行刻蚀形成若干个凹槽11及台面12包括：利用电感耦合等离子体(I CP)工艺，刻蚀气体包括：Cl2、Ar和O2。但本申请对此并不做限定，具体视情况而定。

步骤S04、如图2.4所示，在各所述台面12制备透明导电层6；

在本申请的一个实施例中，透明导电层6的材料可以是ITO，ZnO，IWO，AZO等，其形成工艺可以是电子束蒸镀工艺、溅射蒸镀等工艺，具体视情况而定，本申请对此并不做限定。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，在所述台面12和/或所述凹槽11底面设有扩展电极，且所述扩展电极层叠于所述透明导电层6的表面；其中，所述扩展电极包括铬、镍、铝、钛、铂、金、钯、银中的一种或者多种。

步骤S05、如图2.5所示，沿所述外延叠层表面刻蚀至所述衬底1表面，以形成通过沟道13相互间隔排布的若干个发光单元；

在本申请的一个实施例中，对外延叠层的进行深蚀刻至裸露衬底1表面，形成通过沟道13相互间隔排布的若干个发光单元；包括：利用电感耦合等离子体(ICP)工艺，刻蚀气体包括：Cl2、Ar和O2。但本申请对此并不做限定，具体视情况而定。

步骤S06、如图2.6所示，在各所述发光单元的外延叠层上制作反射镜7，并通过光刻、掩膜工艺，使所述反射镜7具有裸露所述凹槽11和所述台面12的通孔14；

在本申请的一个实施例中，所述反射镜7包括DBR结构、ODR结构以及金属反射镜7中的至少一种。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，为了扩大发光角度并提高光提取率，所述反射镜7覆盖所述外延叠层的裸露面。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，当所述反射镜7为导电型材料且其延伸至所述外延叠层侧壁时，在所述外延叠层的侧壁还设有钝化层，以防止所述微型发光元件的短路。具体地，所述钝化层包括SiO₂、SiC、Al N、S iONx、S iN_x中的一种或多种。

步骤S07、如图2.7所示，制作第一电极8和第二电极9，所述第一电极8通过通孔14层叠于所述凹槽11，所述第二电极9通过通孔14层叠于所述台面12；进而获得相互隔离的若干个LED芯粒；

在本申请一个实施例中，所述第一电极8与所述第二电极9分别包括铬、镍、铝、钛、铂、金、钯、银、金锡合金的一种或者多种堆叠。

步骤S08、如图2.8所示，剥离所述衬底1；

步骤S09、如图2.9所示，在所述非掺杂半导体层2上制作光子晶体结构；

在本申请一个实施例中，所述光子晶体结构包括通过对所述非掺杂半导体层2刻蚀所形成的若干个柱状结构15。具体地，通过光刻或纳米压印技术，对所述非掺杂半导体层2刻蚀所形成的若干个柱状结构15。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述柱状结构15通过沿所述非掺杂半导体层2的背面刻蚀至所述第一有源区夹层22而形成。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，各所述柱状结构15呈锥形、柱形、棱锥形或半球形中的任一种。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，各所述柱状结构15的排列方式为正方格或三角格。具体可参考图3、图4，其中，图3中的三角形示意了各所述柱状结构15的排列方式为三角格，图4中的正方形示意了各所述柱状结构15的排列方式为正方格。

步骤S10、如图2.10所示，提供一基板10，将各所述LED芯粒键合至基板10。

在上述实施例的基础上，在本申请一个实施例中，所述第一有源区夹层22和所述第二有源区4分别包括若干个由量子阱及量子垒所组成的周期单元，且所述第一有源区夹层22所具有的周期数不小于所述第二有源区4所具有的周期数。

经由上述的技术方案可知，本实用新型实施例提供的微型发光元件，通过在非掺杂半导体层2表面设置外延叠层，所述外延叠层至少包括沿依次堆叠的第一型半导体层3、第二有源区4以及第二型半导体层5；以及，在所述第二型半导体层5上所引出的第二电极9和在所述第一型半导体层3上所引出的第一电极8；且，在所述外延叠层的裸露面设有反射镜7。其中，所述非掺杂半导体层2设有第一有源区夹层22，且在所述非掺杂半导体层2上设有光子晶体结构，使所述第二有源区4所释放的至少部分光子经反射镜7反射被所述第一有源区夹层22吸收后，通过所述光子晶体结构沿所述第一有源区夹层22的法向射出。具体地，当本实用新型所述的微型发光元件经第一电极8、第二电极9注入电流之后，至少部分所述第二有源区4所发的光经所述反射镜7反射后照射至第一有源区夹层22，由于第一有源区夹层22没有电子注入，相比第二有源区4其导带上包含大量的空位，也即意味着第一有源区夹层22可以有效吸收第二有源区4所辐射的光子，当被吸收的光子在经过一定时间后会重新辐射出去，而重新辐射时因受限于横向存在的光子晶体结构的禁带，其非法向光将会被抑制，垂直于所述第一有源区夹层22平面的法向光会被增强；同时，对于未被所述第一有源区夹层22所吸收的光子，在所述光子晶体结构的衍射能力所影响后从所述发光元件逃逸，从而进一步提高光的提取效率。

其次，所述第一有源区夹层22和所述第二有源区4分别包括若干个由量子阱及量子垒所组成的周期单元，且所述第一有源区夹层22所具有的周期数不小于所述第二有源区4所具有的周期数。从而，在不影响第二有源区4有效发光面积的同时，保证所述第一有源区夹层22的光子吸收能力，以进一步提高所述微型发光元件的光提取率。

本实用新型实施例还提供了一种微元件结构的制作方法，在实现上述技术效果的同时，其操作简单，易于实现。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种微型发光元件，包括基板及位于所述基板表面的若干个LED芯粒，其特征在于，各所述LED芯粒包括：

设置于非掺杂半导体层表面的外延叠层，所述外延叠层至少包括沿依次堆叠的第一型半导体层、第二有源区以及第二型半导体层；以及，在所述第二型半导体层上所引出的第二电极和在所述第一型半导体层上所引出的第一电极；且，在所述外延叠层的裸露面设有反射镜；

其中，所述非掺杂半导体层设有第一有源区夹层，且在所述非掺杂半导体层上设有光子晶体结构，使所述第二有源区所释放的至少部分光子经所述反射镜反射被所述第一有源区夹层吸收后，通过所述光子晶体结构沿所述第一有源区夹层的法向射出。

2.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于，所述第一有源区夹层和所述第二有源区分别包括若干个由量子阱及量子垒所组成的周期单元，且所述第一有源区夹层所具有的周期数不小于所述第二有源区所具有的周期数。

3.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于，所述光子晶体结构包括通过对所述非掺杂半导体层刻蚀所形成的若干个柱状结构。

4.根据权利要求3所述的微型发光元件，其特征在于，所述柱状结构通过沿所述非掺杂半导体层的背面刻蚀至所述第一有源区夹层而形成。

5.根据权利要求3所述的微型发光元件，其特征在于，各所述柱状结构呈锥形、柱形、棱锥形或半球形中的任一种。

6.根据权利要求3所述的微型发光元件，其特征在于，各所述柱状结构的排列方式为正方格或三角格。

7.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于，所述微型发光元件包括GaN系发光二极管；则，所述非掺杂半导体层包括U-GaN层，所述第一型半导体层包括N型GaN层，所述第二型半导体层包括P型GaN层。

8.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于，所述反射镜包括DBR结构、ODR结构以及金属反射镜中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于，所述外延叠层的局部区域蚀刻至部分所述的第一型半导体层形成凹槽及台面，则，所述第一电极通过通孔嵌入所述反射镜的方式形成于所述凹槽表面，所述第二电极通过通孔嵌入所述反射镜的方式形成于所述台面表面。

10.根据权利要求9所述的微型发光元件，其特征在于，在所述台面设有透明导电层。

11.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于，所述微型发光元件包括Mini-LED芯片或Micro-LED芯片。

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