CN101820040A - 一种发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有非平面全反射层的发光二极管。其中非平面全反射层设置于有源层远离第二半导体层的方向上，其可设置于衬底与过渡层之间，或者可以设置于衬底远离过渡层的表面上，或者可以设置于第一半导体层和有源层之间，或者在衬底上设置缓冲层并在缓冲层上设置非平面全反射层。本发明带有非平面全反射层的发光二极管可以有效反射有源层发出的光，从而提高发光二极管的出光效率。

Description

一种发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，尤其是指一种带有全反射层的发光二极管。

背景技术

发光二极管由于是直接将电转化光而具有较高的发光效率，此外，它还具有寿命长、响应时间短、环保、安全等优点，可应用于光学显示、交通、通讯、照明及医疗等领域。

如图1所示，是一种普通发光二极管的结构，在衬底1上设置过渡层2，在过渡层2远离衬底1的一侧设置第一半导体层3，第一半导体层3远离过渡层2的一侧包括第一接触面301和第二接触面302，第一接触面301上设置第一电极4，第二接触面302上设置有源层5，有源层5远离第一半导体层3的第二接触面302的一侧设置第二半导体层6，第二半导体层6远离有源层5的一侧设置第二电极接触层7，第二电极接触层7远离第二半导体层6的一侧设置第二电极8。

由于发光二极管材料折射率的值是在2.2至3.8之间，其折射率非常大，而其封装材料的折射率约为1.5，与发光二极管材料折射率相比明显偏低，这就使得发光二极管的出光效率很低，一般来说在4％至12％之间，大部分光被束缚在了发光二极管的内部。如何提高发光二极管的出光效率成为其大规模使用的重要技术。

一种提高发光二极管出光效率的方法是将出光表面进行粗化处理。如图2所示，它是先在第二半导体层6的表面撒些聚苯乙烯或者二氧化硅或氮化硅等材料组成的微球，然后采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀等技术在第二半导体层6的表面进行刻蚀，形成粗化接触面601，再覆盖第二电极接触层7，这样可以将出光效率提高了9％至30％。这种方法的不足之处是它恶化了电流的分布，减低了内量子效率。

另一种方法是将出光表面做成光子晶体形状，如图3所示，它是在第二半导体层6的与第二电极接触层7的接触部分做成了光子晶体形状接触面602。该方法虽然能够有效提高出光效率，但刻蚀深度有限，且制作成本较高。

传统分布布拉格反射也能有效的提高出光效率，如图4所示，它是在衬底1远离过渡层2的底部设置布拉格反射层9，将从衬底1的底部射出发光二极管的光线反射回发光二极管中，从而增加发光二极管出光面的出光效率，但其仅能对与布拉格反射面法线成较小角度的入射光线起到有效的反射，当入射光线远离布拉格反射面法线时，布拉格反射层不会对该入射光线进行反射，甚至会增强该光线的入射，因此减弱了出光效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带有非平面全反射层的发光二极管，使得有源层发出的光线能够被该非平面全反射层反射，从而提高发光二极管的出光效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种发光二极管，包括依次叠加的衬底、过渡层、第一半导体层、有源层和第二半导体层，在有源层远离第二半导体层的方向设置有非平面的全反射层。

本发明的有益效果是：在有源层远离第二半导体层的方向设置的非平面的全反射层，可将入射到非平面全反射层的光进行全方位反射，缩短光线路径，减低光吸收比例，从而提高发光二极管的出光效率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下限定。

进一步，所述发光二极管包括侧向结构发光二极管、垂直结构发光二极管或者倒装结构发光二极管。

进一步，在所述全反射层和衬底之间设置有缓冲层。

进一步，所述缓冲层材料为SiO₂、TiO₂、Si、SiN_x、ZnO、ZrO₂中的一种或者一种以上的组合。

进一步，所述全反射层设置于第一半导体层和有源层之间。

进一步，所述全反射层由至少一层第一折射率材料层和至少一层第二折射率材料层交替叠加构成，所述第一折射率材料层的折射率小于第二折射率材料层的折射率。

进一步，所述第一折射率材料层的层数和第二折射率材料层的层数分别为1至15层。

进一步，所述第一折射率材料层和第二折射率材料层的厚度为0.05μm至5μm。

进一步，所述第一折射率材料为SiO、SiO₂中的一种或者一种以上的组合。

进一步，所述第二折射率材料为TiO₂、Si、SiN_x、ZnO、ZrO₂中的一种或者一种以上的组合。

进一步，所述第一折射率材料为GaN、ZnO、ZrO₂、InGaN、AlInGaN中的一种或者一种以上的组合；所述第二折射率材料为GaN、Si、InGaN、AlInGaN中的一种或者一种以上的组合。

进一步，所述衬底材料为蓝宝石、SiC、Si或者GaN。

进一步，所述第一半导体层为N型氮化镓层，所述第二半导体层为P型氮化镓层。

进一步，所述发光二极管远离第二半导体层一侧的外表面设置背金层。

进一步，所述背金层材料为Ag、Pt、Ni、Au、Al、Cr中的一种或者一种以上的组合。

附图说明

图1为现有的一种普通发光二极管结构图；

图2为出光表面粗化处理的发光二极管结构图；

图3为将出光表面做成光子晶体形状的发光二极管结构图；

图4为带有布拉格反射层的发光二极管结构图；

图5为垂直结构发光二极管结构图；

图6(a)至图6(d)为本发明发光二极管第一实施例结构图；

图7(a)至图7(d)为本发明发光二极管第二实施例结构图；

图8(a)至图8(d)为本发明发光二极管第三实施例结构图；

图9(a)至图9(d)为本发明发光二极管第四实施例结构图；

图10(a)至图10(d)为本发明发光二极管第五实施例结构图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、衬底，2、过渡层，3、第一半导体层，4、第一电极，5、有源层，6、第二半导体层，7、第二电极接触层，8、第二电极，9、布拉格反射层，10、非平面全反射层，11、缓冲层，301、第一接触面，302、第二接触面，601、粗化接触面，602、光子晶体形状接触面

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

现有发光二极管中包括了侧向结构发光二极管以及垂直结构发光二极管，其基本结构中均含有依次叠加的衬底1、过渡层2、第一半导体层3、有源层5和第二半导体层6。图1所示中，现有的一种普通发光二极管即为侧向结构发光二极管。图5为另一种现有的发光二极管即垂直结构发光二极管的结构图，该结构是在衬底1上设置过渡层2，在过渡层2远离衬底1的一侧设置第一半导体层3，设置第一电极4设置于衬底1远离过渡层2的一侧，垂直结构发光二极管中的衬底1为导电衬底，保证了第一电极4和第一半导体层3之间良好的导电性，第一半导体层3远离过渡层2的一侧设置有源层5，有源层5远离第一半导体层3的一侧设置第二半导体层6，第二半导体层6远离有源层5的一侧设置第二电极接触层7，第二电极接触层7远离第二半导体层6的一侧设置第二电极8。

在以下各个实施例中，以侧向结构发光二极管为例进行具体说明，本发明的带有非平面全反射层的发光二极管同样适用于以上所述的垂直结构发光二极管以及包含依次叠加的衬底、过渡层、第一半导体层、有源层和第二半导体层结构的其他发光二极管。

以下各实施例中，发光二极管中的非平面全反射层10，采用具有两种不同折射率的材料，并交替叠加构成。其中，第一折射率材料层的折射率小于第二折射率材料层的折射率。根据有源层5所发出光线的波长，在制造过程中对构成全反射层10的第一折射率材料层和第二折射率材料层的厚度进行相应的调整，来保证对有源层5所发出光线进行有效的反射。通过调整第一折射率材料层的层数和第二折射率材料层的层数或者各层的厚度，可改变非平面全反射层10对光线的反射效果，其中第一折射率材料层的层数和第二折射率材料层的层数为1至15层，各层厚度为0.05μm至5μm。

以下各实施例中的非平面全反射层10，采用真空蒸镀、电子束蒸镀、射频、金属有机化学气相沉积或者等离子体化学气相沉积等方法进行制造，制备温度为20℃至600℃。

实施例一

如图6所示，在衬底1上设置过渡层2，在过渡层2远离衬底1的一侧设置第一半导体层3，第一半导体层3远离过渡层2的一侧包括第一接触面301和第二接触面302，第一接触面301上设置第一电极4，第二接触面302上设置有源层5，有源层5远离第一半导体层3的第二接触面302的一侧设置第二半导体层6，第二半导体层6远离有源层5的一侧设置第二电极接触层7，第二电极接触层7远离第二半导体层6的一侧设置第二电极8。在衬底1远离过渡层2的一侧设置非平面全反射层10。

本实施例中，以蓝宝石、SiC、Si或者GaN材料作为衬底1，过渡层2采用AlN、GaN或者AlGaN材料，第一半导体层3为N型氮化镓层，第一电极4为N型电极，二半导体层6为P型氮化镓层，第二电极接触层7为P型接触层，第二电极8为P型电极。

本实施例的非平面全反射层10中，第一折射率材料采用SiO、SiO₂中的一种或者一种以上的组合，第二折射率材料采用TiO₂、Si、SiN_x、ZnO、ZrO₂中的一种或者一种以上的组合。

非平面全反射层10可采用多种形状以进一步达到对有源层5所发出光线进行反射更好的效果。本实施例中，非平面全反射层10的形状采用图6(a)的梯形形状、图6(b)的凸形形状、图6(c)的周期凸形形状以及图6(d)的周期或单个波浪形状，均达到了很好的反射效果。

图6中的发光二极管，是通过先用湿法或干法刻蚀技术将衬底1的底部刻蚀成需要的形状，然后利用真空蒸镀或电子束蒸镀、射频或者等离子体化学气相沉积法镀制非平面全反射层10。图6中的发光二极管，其结构可将入射到非平面全反射层10的各种角度的光充分反射回去，增强了发光二极管的出光效果。

在本实施例的基础上，处于非平面全反射层10远离衬底1的底部表面上，还可沉积一层背金层，以达到更好的光反射效果。背金层可由Ag、Pt、Au、Ni、Al、Cr中的一种或者一种以上的材料蒸镀而成。

实施例二

如图7所示，在衬底1上设置非平面全反射层10，非平面全反射层10远离衬底1的一侧设置过渡层2，在过渡层2远离非平面全反射层10的一侧设置第一半导体层3，第一半导体层3远离过渡层2的一侧包括第一接触面301和第二接触面302，第一接触面301上设置第一电极4，第二接触面302上设置有源层5，有源层5远离第一半导体层3的第二接触面302的一侧设置第二半导体层6，第二半导体层6远离有源层5的一侧设置第二电极接触层7，第二电极接触层7远离第二半导体层6的一侧设置第二电极8。

本实施例中，以蓝宝石、SiC、Si或者GaN材料作为衬底1，过渡层2采用AlN、GaN或者AlGaN材料，第一半导体层3为N型氮化镓层，第一电极4为N型电极，二半导体层6为P型氮化镓层，第二电极接触层7为P型接触层，第二电极8为P型电极。

本实施例的非平面全反射层10中，第一折射率材料采用SiO、SiO₂中的一种或者一种以上的组合，第二折射率材料采用TiO₂、Si、SiN_x、ZnO、ZrO₂中的一种或者一种以上的组合。

非平面全反射层10可采用多种形状以达到对有源层5所发出光线进行有效反射的效果。本实施例中，非平面全反射层10的形状采用图7(a)的梯形形状、图7(b)的凸形形状、图7(c)的周期凸形形状以及图7(d)的周期或单个波浪形状，均达到了很好的反射效果。

图7中的发光二极管，是通过先用湿法或干法刻蚀技术将衬底1在过渡层2的一侧刻蚀成需要的形状，然后利用真空蒸镀、射频或者电子束蒸镀或等离子体化学气相沉积法镀制非平面全反射层10，再将过渡层2蒸镀到非平面全反射层10上。图7中的发光二极管，其结构可将入射到非平面全反射层10的各种角度的光充分反射回去，增强了发光二极管在第二电极接触层7处的出光效果。

在本实施例的基础上，处于衬底1远离非平面全反射层10的底部表面上，还可沉积一层背金层，以达到更好的光反射效果。背金层可由Ag、Ni、Pt、Au、Al、Cr中的一种或者一种以上的材料蒸镀而成。

实施例三

如图8所示，在衬底1上设置过渡层2，在过渡层2远离衬底1的一侧设置第一半导体层3，第一半导体层3的第一接触面301上设置第一电极4，第一半导体层3的第二接触面302制成如图8(a)、图8(b)、图8(c)或者图8(d)的形状，在第二接触面302上设置有源层5，有源层5远离第一半导体层3的第二接触面302的一侧设置第二半导体层6，第二半导体层6远离有源层5的一侧设置第二电极接触层7，第二电极接触层7远离第二半导体层6的一侧设置第二电极8。

本实施例中，以蓝宝石、SiC、Si或者GaN材料作为衬底1，过渡层2采用AlN、GaN或者AlGaN材料，第一半导体层3为N型氮化镓层，第一电极4为N型电极，二半导体层6为P型氮化镓层，第二电极接触层7为P型接触层，第二电极8为P型电极。

本实施例的非平面全反射层10中，第一折射率材料采用GaN、ZnO、ZrO₂、InGaN、AlInGaN中的一种或者一种以上的组合，第二折射率材料也采用GaN、Si、InGaN、AlInGaN中的一种或者一种以上的组合，但第一折射率材料层与第二折射率材料层的折射率互不相同，以保证对光的有效反射。

非平面全反射层10可采用多种形状以进一步达到对有源层5所发出光线进行反射的更好的效果。本实施例中，非平面全反射层10的形状采用图8(a)的梯形形状、图8(b)的凸形形状、图8(c)的周期凸形形状以及图8(d)的周期或者单个波浪形状，均达到了很好的反射效果。

图8中的发光二极管，是在外延生长过程中，先用湿法或干法刻蚀技术将第一半导体层3的第二接触面302刻蚀成需要的形状，然后利用真空蒸镀、射频、电子束蒸镀、等离子体化学气相沉积或者金属有机化学气相沉积，在第二接触面302上镀制非平面全反射层10，再将有源层5蒸镀到非平面全反射层10上。图8中的发光二极管，其结构可将入射到非平面全反射层10的各种角度的光充分反射回去，增强了发光二极管在第二电极接触层7处的出光效果。

在本实施例的基础上，处于衬底1远离非平面全反射层10的底部表面上，还可沉积一层背金层，以达到更好的光反射效果。背金层可由Ag、Pt、Ni、Au、Al、Cr中的一种或者一种以上的材料蒸镀而成。

实施例四

如图9所示，在衬底1上设置过渡层2，在过渡层2远离衬底1的一侧设置第一半导体层3，第一半导体层3远离过渡层2的一侧包括第一接触面301和第二接触面302，第一接触面301上设置第一电极4，第二接触面302上设置有源层5，有源层5远离第一半导体层3的第二接触面302的一侧设置第二半导体层6，第二半导体层6远离有源层5的一侧设置第二电极接触层7，第二电极接触层7远离第二半导体层6的一侧设置第二电极8。在衬底1远离过渡层2的一侧设置缓冲层11，在缓冲层11远离衬底1的一侧设置非平面全反射层10。

本实施例中，以蓝宝石、SiC、Si或者GaN材料作为衬底1，过渡层2采用AlN、GaN或者AlGaN材料，第一半导体层3为N型氮化镓层，第一电极4为N型电极，二半导体层6为P型氮化镓层，第二电极接触层7为P型接触层，第二电极8为P型电极。

本实施例的非平面全反射层10中，第一折射率材料采用SiO、SiO₂中的一种或者一种以上的组合，第二折射率材料采用TiO₂、Si、SiN_x、ZnO、ZrO₂中的一种或者一种以上的组合。

非平面全反射层10可采用多种形状以进一步达到对有源层5所发出光线进行反射的更好的效果。本实施例中，非平面全反射层10的形状采用图9(a)的梯形形状、图9(b)的凸形形状、图9(c)的周期凸形形状以及图9(d)的周期或单个波浪形状，均达到了很好的反射效果。

图9中的发光二极管，是先在衬底1远离过渡层2的一侧沉积一层缓冲层11，利用湿法或干法刻蚀技术将缓冲层11刻蚀成需要的形状，然后利用真空蒸镀、射频、电子束蒸镀或者等离子体化学气相沉积，在缓冲层11上沉积非平面全反射层10。图9中的发光二极管，其结构可将入射到非平面全反射层10的各种角度的光充分反射回去，增强了发光二极管在第二电极接触层7处的出光效果。

在本实施例的基础上，处于非平面全反射层10远离缓冲层11的底部表面上，还可沉积一层背金层，以达到更好的光反射效果。背金层可由Ag、Pt、Ni、Au、Al、Cr中的一种或者一种以上的材料蒸镀而成。

实施例五

如图10所示，在衬底1上设置缓冲层11，缓冲层11远离衬底1的一侧制成如图10(a)、图10(b)、图10(c)或者图10(d)的形状，并在其上设置非平面全反射层10，非平面全反射层10远离缓冲层11的一侧设置过渡层2，在过渡层2远离非平面全反射层10的一侧设置第一半导体层3，第一半导体层3远离过渡层2的一侧包括第一接触面301和第二接触面302，第一接触面301上设置第一电极4，第二接触面302上设置有源层5，有源层5远离第一半导体层3的第二接触面302的一侧设置第二半导体层6，第二半导体层6远离有源层5的一侧设置第二电极接触层7，第二电极接触层7远离第二半导体层6的一侧设置第二电极8。

本实施例中，以蓝宝石、SiC、Si或者GaN材料作为衬底1，过渡层2采用AlN、GaN或者AlGaN材料，第一半导体层3为N型氮化镓层，第一电极4为N型电极，二半导体层6为P型氮化镓层，第二电极接触层7为P型接触层，第二电极8为P型电极。

本实施例的非平面全反射层10中，第一折射率材料采用SiO、SiO₂中的一种或者一种以上的组合，第二折射率材料采用TiO₂、Si、SiN_x、ZnO、ZrO₂中的一种或者一种以上的组合。

非平面全反射层10可采用多种形状以进一步达到对有源层5所发出光线进行反射的更好的效果。本实施例中，非平面全反射层10的形状采用图10(a)的梯形形状、图10(b)的凸形形状、图10(c)的周期凸形形状以及图10(d)的周期或单个波浪形状，均达到了很好的反射效果。

图10中的发光二极管，是现在衬底1上沉积一层缓冲层11，再利用湿法或干法刻蚀技术将缓冲层11在远离衬底1的一侧刻蚀成需要的形状，然后利用真空蒸镀、射频、电子束蒸镀或者等离子体化学气相沉积法镀制非平面全反射层10，再将过渡层2蒸镀到非平面全反射层10上。图10中的发光二极管，其结构可将入射到非平面全反射层10的各种角度的光充分反射回去，增强了发光二极管在第二电极接触层7处的出光效果。

在本实施例的基础上，处于衬底1远离缓冲层11的底部表面上，还可沉积一层背金层，以达到更好的光反射效果。背金层可由Ag、Pt、Ni、Au、Al、Cr中的一种或者一种以上的材料蒸镀而成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种发光二极管，包括依次叠加的衬底、过渡层、第一半导体层、有源层和第二半导体层，其特征在于：在有源层远离第二半导体层的一侧设置有非平面的全反射层。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管为侧向结构发光二极管或者垂直结构发光二极管。

3.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于：所述全反射层设置于衬底远离过渡层的一侧，或者设置于衬底和过渡层之间。

4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：在所述全反射层和衬底之间设置有缓冲层。

5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述缓冲层材料为SiO₂、TiO₂、Si、SiN_x、ZnO、ZrO₂中的一种或者一种以上的组合。

6.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于：所述全反射层设置于第一半导体层和有源层之间。

7.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于：所述全反射层由至少一层第一折射率材料层和至少一层第二折射率材料层交替叠加构成，所述第一折射率材料层的折射率小于第二折射率材料层的折射率。

8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述第一折射率材料层的层数和第二折射率材料层的层数分别为1至15层。

9.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述第一折射率材料层和第二折射率材料层的厚度为0.05μm至5μm。

10.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述第一折射率材料为SiO、SiO₂中的一种或者一种以上的组合。

11.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述第二折射率材料为TiO₂、Si、SiN_x、ZnO、ZrO₂中的一种或者一种以上的组合。

12.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述第一折射率材料为GaN、ZnO、ZrO₂、InGaN、AlInGaN中的一种或者一种以上的组合；所述第二折射率材料为GaN、Si、InGaN、AlInGaN中的一种或者一种以上的组合。

13.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于：所述衬底材料为蓝宝石、SiC、Si或者GaN。

14.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于：所述第一半导体层为N型氮化镓层，所述第二半导体层为P型氮化镓层。

15.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管远离第二半导体层一侧的外表面设置背金层。

16.根据权利要求15所述的发光二极管，其特征在于：所述背金层材料为Ag、Pt、Ni、Au、Al、Cr中的一种或者一种以上的组合。

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