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1. WO2016138781 - LIGHT EMITTING DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR

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[ ZH ]
发明名称:发光二极管及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体光电领域,具体涉及一种发光二极管及其制作方法。

背景技术

[0002] 近几年,发光二极管(light emitting diode,简称 LED) 得到了广泛的应用,在 各种显示系统、照明系统、汽车尾灯等领域起着越来越重要的作用。以 AlGalnP 材料作为发光层的 LED具有较高的内量子效率。对于传统设计的 LED来说,有很 多因素限制它的外量子效率:内部的全反射、金属电极的阻挡、 GaAs等半导体 材料对光的吸收。这些 LED生长在吸光衬底上,而最终有很大一部分光被衬底吸 收。所以对于这种传统的 LED结构而言,即使内部的光电转化效率很高,它的外 量子效率也不会很高。当前有很多种方法来提高 LED出光的提取效率,如加厚窗 口层、表面粗化、透明衬底、倒金字塔结构等。

技术问题

[0003] 本发明提供了一种发光二极管,其有效提高了发光二极管的外部取光效率。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 本发明的技术方案为:发光二极管,包括发光外延叠层,具有相对的第一表面 和第二表面,包含 n型半导体层、发光层和 p型半导体层;透光性介电层,位于 所述发光外延叠层的第二表面上,并直接与所述发光外延叠层接触,其内部具 有导电通孔;透光性导电层,位于所述透光性介电层之远离发光外延叠层的一 侧表面上;金属反射层,位于所述透光性导电层之远离所述透光性介电层的一 侧表面上;所述透光性介电层的折射率均小于所述发光外延叠层、透光性导电 层的折射率。在本发明中,发光外延叠层可等效看作一高折射率涂层,透光性 介电层可等效看作一低折射率高透射率涂层,透光性导电层可等效看作一高折 射率高透射率导电涂层,三者构成一增反系统。进一步地,所述透光性导电性 与金属反射层构成全方位反射镜结构。

[0005] 优选地,所述发光外延叠层、透光性介电层、透光性导电层的折射率分别为 rl 、 r2和 r3,其关系为: r2<r3<rl。

[0006] 优选地,所述发光外延叠层的第二表面的粗糙度小于第一表面的粗糙度。在一 些实施例中,所述发光外延叠层的第二表面为 n型半导体层一侧表面。

[0007] 优选地,所述透光性介电层中惨杂有受热可产生气体的发泡粒子,如此既可以 降低所述透光性介电层的折射率,又可以起到散射的效果,提高发光外延层与 透光性介电层之间的界面发生全反射的概率。在一些实施例中,所述发光粒子 选自 CaC0 3、 BaC0 3、 Ca (HC03) 2、 Na 2C0 3、 NaHCO 3中的一种或其组合。

[0008] 优选地,所述透光性导电层具有良好的粘附性,起到发光外延叠层与金属反射 层之间桥梁作用,增加界面强度,避免金属反射层与外延脱落。在一些较佳实 施例,所述透光性导电层采用溅射形成的 ITO材料层(简称 S-ITO) ,金属反射 层采用 Ag反射镜,由于 S-ITO与 Ag反射镜和发光外延叠层之间粘附性均较好, 而且高温下不与发光外延叠层之间发生化学反应,因此不会影响发光外延叠层 和透光性导电层之间界面的平整性,即提高了镜面反射率,进而 LED光取出率提 高。在一些更佳实施例中,该 S-ITO以分子状态呈现,呈颗粒状分布在所述透光 性介电层上,厚度优选 10~100埃,此厚度区间薄膜尚未成膜以分子状态存在, 吸光最少,且呈颗粒状分布在所述透光性介电层表面,对镜面的平整度影响很 小。

[0009] 优选地,所述发光外延叠层的第一表面具有一系列蜂窝构造的粗化图案,所述 蜂窝构造呈正六边形分布,此种粗化结构空间利用率高,可有效提高光取出率 。在一些实施例中,所述蜂窝结构为半球型。

[0010] 本发明还提供了一种发光二极管的制作方法,其包括步骤:发光二极管的制作 方法,包括步骤: 1)在一生长衬底上形成发光外延叠层,其依次至少包括 n型半 导体层、发光层和 p型半导体层; 2)在发光外延叠层的 p侧表面上制作电极,并 作退火处理,形成欧姆接触; 3)

在发光外延叠层的 p侧表面上键合一临吋基板; 4)去除生长衬底,露出 n侧表面 ; 5)在发光外延叠层的 n侧表面上依次形成透光导电层、金属反射层,并进行退 火处理形成欧姆接触; 6)在金属反射层上键合一基板,并去除临吋基板。在本

制作方法中,均在进行基板键合前先进行热处理形成 n侧欧姆接触和 p侧欧姆接 触,使得金属反射层蒸镀后无需在基板键合后再进行热处理而损失亮度。

发明的有益效果

对附图的简要说明

附图说明

[0011] 附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的 实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。此外,附图数据是描 述概要,不是按比例绘制。

[0012] 图 1为本发明实施例 1之一种发光二极管的结构剖视图。

[0013] 图 2为图 1中 B的局部放大图。

[0014] 图 3显示了一种制作图 1所示发光二极管的流程图。

[0015] 图 4~图9显示了制作图 1所示发光二极管的各个过程的剖视图。

[0016] 图 10为本发明实施例 2之一种发光二极管的结构剖视图。

[0017] 图 11为本发明实施例 3之一种发光二极管的结构剖视图。

[0018] 图 12为图 11所示发光二极管的第一表面的粗化图案。

[0019] 图 13为图 11所示发光二极管的单个半球形粗化结构。

本发明的实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明的发光二极管结构进行详细的描述,借此对本发明如何 应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以 实施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例 中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

[0021] 图 1显示了本发明的第一个较佳实施例之发光二极管,其自下而上依次包括: 基板 100、金属键合层 110、金属反射层 120、透光性导电层 130、透光性介电层 1 40、发光外延叠层 150。其中,发光外延叠层 150包第一半导体层 151、发光层 15 2及第二半导体层 153,当第一半导体层 151为 p型半导体,第二半导体层 153可为 相异电性的 n型半导体,反之,当第一半导体层 151为 n

型半导体,第二半导体层 153可为相异电性的 p型半导体。发光层 152位于第一半 导体层 151及第二半导体层 153之间,可为中性、 p型或 n型电性的半导体。施以 电流通过半导体发光叠层吋,激发发光层 152发光出光线。当发光层 152以氮化 物为基础的材料吋,会发出蓝或绿光;当以磷化铝铟镓为基础的材料吋,会发 出红、橙、黄光的琥珀色系的光。在本实施例中,第一半导体层 151为 n型半导 体、第二半导体层 153为 p型半导体,发光层 152采用磷化铝铟镓为基础的材料, 在第二半导体层 153上方还设有一 GaP窗口层。

[0022] 具体的,金属反射层 120采用高反射材料层,以 Ag反射镜为佳。由于 Ag反射镜 与外延之间粘附性较差,因此透光性导电层 130可采用与外延和 Ag反射镜之间的 粘附性都较佳的 ITO材料层,如此在增加粘合强度的同吋与镜面之间形成 ODR系 统。更佳的,透光性导电层 130优选 S-ITO, 厚度优选 10埃~100埃之间,此厚度 区间 ITO薄膜尚未成膜,以分子状态呈现分布在透光性介电层 140的表面,由于 S -ITO与外延的粘附性既好又不会在高温情况下与外延发生化学反应从而破坏镜 面平整度以影响反射率。透光性介电层 140由二氧化硅材料层 141构成,其内部 具有导电通孔 142,该导电通孔可直接填充透光性导电材料或由 n-GaAs层 142a和 n型欧姆接触层 142b构成,图 2显示了图 1中 B的局部放大图。

[0023] 在本实施例中,透光性导电层 130和金属反射层 120构成全方位反射结构,在透 光性导电层 130与发光外延叠层 150增加一透光性介电性 140,其中该透光性介电 层 140为一低折射率高透射率涂层,其折射率同吋小于发光外延叠层和透光性导 电层的折射率,与透光性导电层 130和发光外延叠层 150组合起来既构成一增强 反射系统,又可起到 n型电流阻挡层的作用。

[0024] 一般的,在发光外延结构中, n侧下表面的粗糙度小于 p侧上表面的粗糙度,以 磷化铝铟镓材料为例一般采用 GaAs为生长衬底, n侧下表面粗糙度可等效看成 Ga As衬底粗糙度,其粗糙度 Ra约为 0.174nm,而 p侧表面的粗糙度 Ra约为 3.56nm。 当光由光密介质进入光疏介质吋平整面比粗糙面更易发生全反射。图 1所示发光 二极管器件中,第一半导体层为 n型半导体,其与全方位反射结构邻接,该全方 位反射系统中光密介质(第一半导体层 151) 与光疏介质(透光性介电层 140) 之间的界面的粗糙度小,因此发光层发出的向下的光全反射回外延内部的概率

明显增加, LED光取出率明显提高。

[0025] 图 3显示了一种制作图 1所示发光二极管的流程图,其主要包括下面步骤:步骤 S01 : 在一生长衬底上形成发光外延叠层,其依次至少包括 n型半导体层、发光 层和 p型半导体层;步骤 S02: 在发光外延叠层的 p侧表面上制作电极,并作退火 处理,形成欧姆接触;步骤 S03: 在发光外延叠层的 p侧表面上键合一临吋基板 ;步骤 S04: 去除生长衬底,露出 n侧表面;步骤 S05: 在发光外延叠层的 n侧表 面上依次形成透光导电层、金属反射层,并进行退火处理形成欧姆接触;步骤 S 06:在金属反射层上键合一基板,并去除临吋基板。下面结合附图 4~10对所述 发光二极管的制作方法进行详细描述。

[0026] 请参看图 4,在一 GaAs衬底 001上依次外延生长 InGaP截止层 002、 n型 GaAs欧姆 接触层 003、 n型半导体层 151、发光层 152、 p型半导体层 153和窗口层 154。

[0027] 请参看图 5,在窗口层 154的表面上制作 p电极 160,并进行热处理形成欧姆接触

[0028] 请参看图 6~7,在窗口层 154的表面上通过一键合层 004键合一临吋基板 005,并 去除 GaAs衬底 001和 InGaP截止层 002,露出 n型 GaAs欧姆接触层 003的表面。

[0029] 请参看图 8,首先在 n型 GaAs欧姆接触层 003表面上定义导电区,蚀刻去除非导 电区的 n型 GaAs欧姆接触层 003,在导电区的 n型 GaAs欧姆接触层上形成 n型欧姆 接触金属,在非导电区上形成透光性介电层 140; 接着在透光性介电层 140上采 用溅射的方式形成一 ITO层作为透光性导电层 130; 然后在透光性导电层 140上形 成 Ag镜作为金属反射层 120,最后进行热处理,形成 n侧的欧姆接触。此吋金属 反射层位于发光层的 n侧表面上, n侧材料层与 GaAs衬底晶格匹配,故长晶吋面 会特别平整,其粗糙度明显小于 p侧表面的粗糙度。

[0030] 请参看图 9,在金属反射层的表面上通过一键合层 110键合一导电基板 100,并 去除临吋基板 005。

[0031] 在上述制作方法中,均在进行基板键合前先进行热处理形成 n侧欧姆接触和 p侧 欧姆接触,使得 Ag镜蒸镀后无需在基板键合后再进行热处理而损失亮度。

[0032] 图 10显示了本发明的第二个较佳实施例之发光二极管。在本实施例中,在透光 性介电层 140中惨杂一些 CaCO 3, BaC0 3, Ca (HCO 3) 2, Na 2 C0 3, NaHCO 3 等受热可产生气体的发泡粒子 143,既可以降低透光性介电层 140的折射率,又 可以起到散射的效果,提高发光外延叠层 150与透光性介电层 140之间界面发生 全反射的概率。其中,发泡粒子受热产生气泡的方法不会改变透光性介电层 140 的平坦性,只会改变透光性介电层 140的折射率,故不会影响镜面的平整性和反 射率。更佳的,这些发泡粒子 143分布在透光性介电性 140中靠近发光外延叠层 1 50的那一侧。

[0033] 图 11显示了本发明的第三个较佳实施例之发光二极管。在本实施例中,在窗口 层 154表面上形成列蜂窝构造的粗化图案,如图 12所示呈现正六边形分布,此种 结构空间利用率高,在此结构基础上做粗化发光区比表面积大,光取出率高。 具体的,蜂窝结构较理想结构为图 13所示半球型,蜂窝结构半径和深度需满足 如下要求:采用 T表示窗口层 154的厚度、 R表面 3D图形半径、 d表示 3D图形蚀刻 深度、 T max表示粗化最大深度,其四个参数的关系如下: T max< d< T-T max 3u≤R< T-T R≤d< T-T

[0034] 惟以上所述者,仅为本发明之较佳实施例而已,当不能以此限定本发明实施之 范围,即大凡依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作之简单的等效变化 与修饰,皆仍属本发明专利涵盖之范围内。