CN102130260B - 发光装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发光装置及其制造方法，所述发光装置包括基座、贴装于所述基座上的发光二极管，所述发光二极管包括：连接于基座的电极层，所述电极层具有金字塔阵列结构表面，所述金字塔阵列结构表面作为发光二极管的反射面；位于所述电极层表面的发光二极管管芯，所述发光二极管管芯在发光二极管的出光面具有多孔状表面。本发明发光装置中，发光二极管所产生的发散形的光线通过直接出射或反射被聚集于同一发光方向，且在出光面上形成多孔状表面，在反射面上形成金字塔阵列结构，因此具有较大的出光以及反射面积，进一步提高了出光效率。此外，所述发光装置采用表面贴装式封装结构，具有制造简易的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，本发明涉及发光装置及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)是响应电流而被激发从而产生各种颜色的光的半导体器件。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
然而，目前半导体发光二极管存在着发光效率低的问题。对于未经封装的发光二极管，其出光效率一般只有百分之几。大量的能量聚集在器件内部不能出射，既造成能量浪费，又影响器件的使用寿命。因此，提高半导体发光二极管的出光效率至关重要。
基于上述的应用需求，许多种提高发光二极管出光效率的方法被应用到器件结构中，例如表面粗糙化法，金属反射镜结构等。公开号为CN1858918A的中国专利申请公开了一种发光二极管，所述的发光二极管下表面形成全角度反射镜结构，可以提高发光二极管出光效率。然而，该方法需要在衬底上形成多层由高折射率层与低折射率层堆叠而成的薄膜结构，制作工艺复杂。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种发光装置，以提高发光效率。
本发明提供的发光装置，包括基座、贴装于所述基座上的发光二极管，所述发光二极管包括：
连接于基座的电极层，所述电极层具有金字塔阵列结构表面，所述金字塔阵列结构表面作为发光二极管的反射面；
位于所述电极层表面的发光二极管管芯，所述发光二极管管芯在发光二极管的出光面具有多孔状表面。
所述发光二极管管芯自电极层起依次包括N型半导体层、有源层以及P型半导体层，所述多孔状表面位于P型半导体层上。所述多孔状表面的孔径为200nm，孔深为150nm。所述多孔状表面的孔密度为1×104～1×1010个/平方毫米。所述P型半导体层的多孔状表面具有透明电极。所述透明电极为镍或金薄膜，厚度为50nm。所述N型半导体层为N型掺杂的氮化镓，所述P型半导体层为P型掺杂的氮化镓。所述有源层为多量子阱有源层结构，材质为氮化铟镓。所述电极层的材质为钛、铝或金。
所述发光装置还包括设置于基板上的第一引脚和第二引脚，所述第一引脚连接电极层和电源负极，所述第二引脚连接透明电极和电源正极。所述第二引脚通过金丝引线与透明电极连接。
可选的，所述基座上还设置有反射层，所述反射层围绕于发光二极管的周围，形成容纳发光二极管的凹槽。所述凹槽内填充有覆盖所述发光二极管的封装树脂。所述封装树脂的表面具有透镜结构。
为制造上述发光装置，本发明提供了相应的制造方法，包括：
提供衬底，在衬底表面形成金字塔阵列结构；
在具有金字塔阵列结构表面的衬底上形成发光二极管管芯，所述发光二极管管芯相对衬底的另一侧具有多孔状表面；
去除衬底，并在原衬底的位置形成电极层；
提供基座，将发光二极管管芯及其底部的电极层安装于基座上。
其中，所述提供衬底，在衬底表面形成金字塔阵列结构的步骤包括：提供衬底，在所述衬底上沉积介质层，并图形化所述介质层，形成格子状硬掩膜；以所述硬掩膜为掩膜蚀刻所述衬底，形成金字塔结构；去除所述硬掩膜。
所述衬底为(100)晶面的P型掺杂的硅衬底，所述以硬掩膜为掩膜蚀刻所述衬底，形成金字塔阵列结构的步骤包括采用四甲基氢氧化氨溶液对所述衬底进行湿法腐蚀，形成以(111)晶面为侧面、(100)晶面为底面的金字塔阵列结构；所述(111)晶面为发光二极管管芯的形成面。
可选的，采用四甲基氢氧化氨溶液对所述衬底进行湿法腐蚀的步骤中，腐蚀的时间为20分钟，腐蚀的温度为60～80℃。所述金字塔阵列结构中，金字塔侧面与底面的夹角为54.74°。所述金字塔阵列结构中，金字塔的密度为4×104～1×108个/平方毫米。
所述在衬底的(111)晶面上形成发光二极管管芯包括：
在所述衬底的(111)晶面上依次沉积N型半导体层、有源层、P型半导体层；
采用光刻、干法刻蚀工艺，刻蚀所述P型半导体层形成多孔状表面；
在所述P型半导体层的多孔状表面上形成透明电极。
所述多孔状表面的孔径为200nm，孔深为150nm。所述多孔状表面的孔密度为1×104～1×1010个/平方毫米。所述透明电极为镍或金薄膜，厚度为50nm。所述镍或金薄膜采用物理气相沉积或原子层沉积、电子束蒸镀形成。
可选的额，通过氢氧化钾溶液去除硅衬底。所述电极层的材质为钛、铝或金。所述去除衬底，并在原衬底的位置形成电极层采用物理气相沉积或溅射工艺。
所述将发光二极管管芯及其底部电极层安装于基座上包括：在所述基座上设置分别与电源负极以及电源正极连接的第一引脚以及第二引脚，将所述电极层固定于第一引脚上，将所述透明电极通过金丝引线连接于第二引脚。
可选的，在将发光二极管管芯及其底部的电极层安装于基座前，先在基座上形成反射层，所述反射层围绕于所述发光二极管管芯及其底部电极层的安装位置周围。在反射层所围成的凹槽内填充封装树脂，使其覆盖所述发光二极管管芯以及电极层。所述封装树脂的表面具有透镜结构。
本发明发光装置中，发光二极管所产生的发散形的光线通过直接出射或反射被聚集于同一发光方向，且在出光面上形成多孔状表面，在反射面上形成金字塔阵列结构，因此具有较大的出光以及反射面积，进一步提高了出光效率。此外，所述发光装置采用表面贴装式封装结构，具有制造简易的特点。
附图说明
图1是本发明发光装置一实施例的剖面结构示意图；
图2是本发明发光装置制造方法一实施方式的流程示意图；
图3是图2所示步骤s1一实施例的流程示意图；
图4至图13是本发明发光装置制造方法一实施例形成的发光装置的侧面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术所述，为提高发光二极管的出光效率，现有技术的发光二极管需要在衬底上形成多层由高折射率层与低折射率层堆叠而成的薄膜结构，但所述薄膜结构的制作工艺复杂。
针对上述问题，本发明的发明人提供了一种发光装置，所述发光装置包括贴装于基座上的发光二极管。所述发光二极管具有金字塔阵列结构的反射面以及多孔状的出光面，上述金字塔阵列结构以及多孔状结构分别能够增大发光二极管的反射面积以及出光面积，增大了发光二极管的有源层产生的光反射或直接出射到发光方向的几率，从而增大了发光二极管的外量子效率，即提高了发光二极管的出光效率。
参考图1，示出了本发明发光装置一实施例的剖面结构示意图。如图1所示，所述发光装置包括：基座100；设置于基座100上的第一引脚101、第二引脚102，分别与电源的负极、正极电连接；固定于第一引脚101上的电极层210，以及位于电极层210上的发光二极管管芯220，所述电极层210与发光二极管管芯220构成了贴装于基座100的发光二极管200。
其中，所述基座100，用于承载发光二极管，可以采用常规的绝缘基板。所述第一引脚101和第二引脚102均采用铜或铝等导电材料制成，设置于基座100的安装面，并直接穿透基座100或沿基座100的表面延伸至基座背面，用于连接电源负极以及电源正极。为简化说明，本发明实施例中，上述第一引脚101以及第二引脚102仅示出位于基座100安装面部分。
所述电极层102相对于发光二极管管芯的一侧表面具有金字塔阵列结构(如图1圆圈中示出的金字塔阵列结构的俯视图)，该表面作为发光二极管的反射面，所述金字塔阵列结构能增大发光二极管的反射面积，进而有效增大了发光二极管管芯发射出的光被反射至发光方向的几率，提高出光效率。所述电极层102的材质可以为钛、铝或者金等反射率较高的金属。
发光二极管管芯220自电极层210起由下至上依次包括N型半导体层221、有源层222、P型半导体层223；在具体实施例中，所述N型半导体层221为N型掺杂的氮化镓材料，所述有源层222为多量子阱有源层结构，具体地，采用氮化铟镓材料构成，用于产生波长为470nm的蓝光，所述P型半导体层223为P型掺杂的氮化镓材料。
所述P型半导体层223具有多孔状表面，作为发光二极管200的出光面，所述蜂窝状表面也可以增大出光面积，进而有效增大了发光二极管管芯发射出的光出射至发光方向的几率，同样提高了出光效率。
所述P型半导体层223的蜂窝状表面形成有透明电极230，用于连接至基座100上的第二引脚102。具体地，所述透明电极230可以是镍或金薄膜，可以通过连接电极231、金丝引线103与所述第二引脚102电连接。由此可以看出，所述发光二极管管芯220的N型半导体层221以及P型半导体层223分别通过电极层210以及透明电极230连接至第一引脚101以及第二引脚102，实现有源连通，向有源层222供电，使其发光。
为了扩大反射面积，所述基座100上还设置有围绕发光二极管200的反射层300，所述反射层300相对发光二极管200的一面涂覆有反射材料，例如氧化钡薄膜等。上述反射层，能够将发光二极管200侧面漏出的光反射至发光方向，因而进一步提高了出光效率。
在所述反射层300围绕发光二极管200而形成的凹槽内，还填充有覆盖所述发光二极管200的封装树脂400。一方面，所述封装树脂400可以保护发光二极管；另一方面，将所述封装树脂的表面制作成弧形，使其具有透镜结构，从而能够会聚发光二极管200的直接出射或间接反射的光线至发光方向上，从而提高发光装置的亮度。
为了制造上述发光装置，相应的，本发明还提供一种发光装置的制造方法，参考图2，示出了本发光装置制造方法一实施方式的流程图。所述发光装置的制造方法包括：
步骤s1，提供衬底，在衬底表面形成金字塔阵列结构；
步骤s2，在具有金字塔阵列结构表面的衬底上形成发光二极管管芯，所述发光二极管管芯在发光二极管的出光面具有多孔状表面；
其中，所述发光二极管管芯包括依次形成于衬底上的N型半导体层、有源层以及P型半导体层，上述多孔状表面即位于P型半导体层上；还包括形成于所述多孔状表面的透明电极。
步骤s3，去除衬底，并在原衬底位置上形成电极层；所述电极层相对于发光二极管管芯一侧也具有金字塔阵列结构的表面，作为发光二极管的反射面；
步骤s4，提供基座，将发光二极管管芯及其底部电极层安装于基座上。
参考图3，示出了图2所示步骤s1实施例的流程图，包括：
步骤s11，提供衬底；
步骤s12，在所述衬底上沉积介质层，并图形化所述介质层，形成格子状硬掩膜；
步骤s13，以所述硬掩膜为掩膜蚀刻所述衬底，形成金字塔阵列结构；
步骤s14，去除所述硬掩膜。
具体的，首先参考图4，步骤s11中所提供的衬底500可以为(100)晶面的P型掺杂的硅衬底，所述硅衬底的电阻率为1～20欧姆厘米。
执行步骤s12，所述介质层的材料为二氧化硅，通过干法蚀刻所述二氧化硅介质层的方法，形成位于衬底500上的硬掩膜501。
参考图5，执行步骤s13以及步骤s14，通过四甲基氢氧化氨(TMAH)溶液对所述衬底500进行湿法腐蚀，具体地，腐蚀的时间为20分钟，温度为60～80℃，所述硅衬底500经过腐蚀后形成多个由(111)晶面作为侧面、(100)面为底面的金字塔，具体地，每个格子状的硬掩膜对应一个金字塔，所述多个金字塔按照矩阵式排列，底面为正方形，侧面与底面的夹角α为54.74°；
如果所述金字塔的密度较大，则腐蚀所形成金字塔不够高，如果金字塔的密度较小，那么金字塔的数量不够多，不利于增大发光二极管出光面的面积，通常硅衬底表面上金字塔的密度为4×104～1×108个/平方毫米，在制作方法中可以通过格子状硬掩膜的格子密度控制金字塔结构的密度，从而形成数量较多、尺寸合适的金字塔结构。较佳地，所述金字塔中正方形底面的边长为5μm，金字塔的塔尖到底面的高度为3.53μm；
通过氢氟酸溶液去除二氧化硅材质的硬掩膜501。从而形成具有金字塔阵列结构表面的衬底500。
参考图6，执行步骤s2，通过金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD)的方法在衬底的(111)晶面上依次形成N型半导体层221、有源层222、P型半导体层223，上述三层构成了发光二极管管芯220；
在具体实施例中，在沉积N型半导体层221时，先填充衬底500表面各金字塔之间的孔隙直至覆盖整个金字塔阵列结构，从而在N型半导体层221的底部形成具有金字塔互补结构的凹陷；
本实施例中所述金字塔的侧面为(111)晶向的硅，所述N型半导体层221的材料为N掺杂的氮化镓，氮化镓与(111)晶向的硅的晶格常数较为匹配；所述N型半导体层221需完全覆盖金字塔结构。
所述有源层222为多量子阱有源层结构，具体地，采用氮化铟镓材料构成，用于产生波长为470nm的蓝光，所述P型半导体层223则采用P型掺杂的氮化镓材料。
参考图7，在P型半导体层223上，采用光刻、干法刻蚀工艺，形成多孔状表面，优选的，所述多孔状表面中，孔径为200nm，孔深为150nm；孔的密度可以为1×104～1×1010个/平方毫米。
参考图8，在P型半导体层223的蜂窝状表面上形成透明电极230。所述透明电极230不宜过厚，以避免影响透光的效果，具体地，可以采用镍或金薄膜，采用物理气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)、离子束蒸镀工艺(e-GUN)形成，厚度为50nm。
通常为了便于在后续工艺中制作连接透明电极230的金丝引线，在所述透明电极230的引线位置还可以形成连接电极231，所述连接电极231可以为P型掺杂的氮化镓，通过化学气相沉积工艺形成。
参考图9，执行步骤s3，首先选择性去除衬底500，可以采用氢氧化钾溶液进行硅的湿法刻蚀。在去除衬底500后，所述发光二极管管芯220的底部露出了N型半导体层221，所述N型半导体层221底部表面即呈现多个金字塔互补结构的凹陷，(如图9中虚线所圈区域)。
参考图10，在原衬底500的位置形成电极层210。具体地，将上述发光二极管管芯220倒置后，在N型半导体层221的金字塔互补结构表面上，沉积电极材料以形成电极层210。所述电极层210完全覆盖上述金字塔互补结构，从而在与N型半导体层221的接触面上形成于原先衬底500一样的金字塔阵列结构。所述电极层210的材质可以为钛、铝或者金等反射率较高的金属，可以通过物理气相沉积PECVD或者溅射工艺形成。所述电极层210的金字塔阵列结构表面作为发光二极管的反射面。
至此，上述电极层210、发光二极管220以及透明电极230便构成了发光二极管，完成了本发明实施例的发光二极管的制作。接下来需要对所述发光二极管进行基座的固定以及封装。
参考图11，执行步骤s4，提供基座100，在基座100上形成第一引脚101以及第二引脚102，分别用于连接电源的负极以及正极。此外还可以在基座100上先制作好环形的反射层300，并使得反射层300环绕于发光二极管的安装位置。所述反射层300可以具有倾斜的内壁，且内壁上涂覆有反射材料，例如氧化钡薄膜等，用于将发光二极管侧面漏出的光反射至发光方向上。
参考图12，将图10所形成的发光二极管200贴装于基座100上。具体地，先将电极层210固定在第一引脚101上，使得两者之间电连接；再将位于透明电极230上的连接电极231通过金丝引线103连接于第二引脚102上，使得透明电极230与第二引脚102电连接。
参考图13，在环形的反射层300所围绕形成的凹槽内填充封装树脂400，并使得所述封装树脂400覆盖发光二极管200，所述封装树脂400的表面可以具有一定的弧度，从而形成透镜结构，会聚发光二极管200的直接出射或间接反射的光线至发光方向上。
至此完成了本发明所述发光装置的制造过程。
综上，本发明提供了一种发光装置，包括出光面为多孔状表面，反射面为金字塔阵列结构的发光二极管，上述结构增大了发光二极管的出光面积以及反射面积，从而提高了发光装置的出光效率；
所述发光装置中，还包括可用于将发光二极管的侧面漏光反射到发光方向上的反射层，可进一步提高发光装置的出光效率；
所述发光装置中，还包括用于保护发光二极管以及具有透镜结构的封装树脂，可提高发光装置的发光亮度；
本发明提供的发光装置的制造方法中，采用正面贴装发光二极管的方法，封装较为简单。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (18)
1.一种发光装置的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底，在衬底表面形成金字塔阵列结构；
在具有金字塔阵列结构表面的衬底上形成发光二极管管芯，所述发光二极管管芯相对衬底的另一侧具有多孔状表面；
去除衬底，并在原衬底的位置形成电极层；
提供基座，将发光二极管管芯及其底部的电极层安装于基座上。
2.如权利要求1所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述提供衬底，在衬底表面形成金字塔阵列结构的步骤包括：提供衬底，在所述衬底上沉积介质层，并图形化所述介质层，形成格子状硬掩膜；以所述硬掩膜为掩膜蚀刻所述衬底，形成金字塔结构；去除所述硬掩膜。
3.如权利要求2所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述衬底为（100）晶面的P型掺杂的硅衬底，所述以硬掩膜为掩膜蚀刻所述衬底，形成金字塔阵列结构的步骤包括采用四甲基氢氧化氨溶液对所述衬底进行湿法腐蚀，形成以（111）晶面为侧面、（100）晶面为底面的金字塔阵列结构；所述（111）晶面为发光二极管管芯的形成面。
4.如权利要求3所述的发光装置的制造方法，其特征在于，采用四甲基氢氧化氨溶液对所述衬底进行湿法腐蚀的步骤中，腐蚀的时间为20分钟，腐蚀的温度为60~80℃。
5.如权利要求3所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述金字塔阵列结构中，金字塔侧面与底面的夹角为54.74°。
6.如权利要求3所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述金字塔阵列结构中，金字塔的密度为4×104~1×108个/平方毫米。
7.如权利要求3所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述在衬底的（111）晶面上形成发光二极管管芯包括：
在所述衬底的（111）晶面上依次沉积N型半导体层、有源层、P型半导体层；
采用光刻、干法刻蚀工艺，刻蚀所述P型半导体层形成多孔状表面；
在所述P型半导体层的多孔状表面上形成透明电极。
8.如权利要求7所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述多孔状表面的孔径为200nm，孔深为150nm。
9.如权利要求7所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述多孔状表面的孔密度为1×104~1×1010个/平方毫米。
10.如权利要求7所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述透明电极为镍或金薄膜，厚度为50nm。
11.如权利要求10所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述镍或金薄膜采用物理气相沉积或原子层沉积形成。
12.如权利要求3所述的发光装置的制造方法，其特征在于，通过氢氧化钾溶液去除硅衬底。
13.如权利要求1所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述电极层的材质为钛、铝或金。
14.如权利要求3所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述去除衬底，并在原衬底的位置形成电极层采用物理气相沉积工艺。
15.如权利要求7所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述将发光二极管管芯及其底部电极层安装于基座上包括：在所述基座上设置分别与电源负极以及电源正极连接的第一引脚以及第二引脚，将所述电极层固定于第一引脚上，将所述透明电极通过金丝引线连接于第二引脚。
16.如权利要求15所述的发光装置的制造方法，其特征在于，在将发光二极管管芯及其底部的电极层安装于基座前，先在基座上形成反射层，所述反射层围绕于所述发光二极管管芯及其底部电极层的安装位置周围。
17.如权利要求16所述的发光装置的制造方法，其特征在于，在反射层所围成的凹槽内填充封装树脂，使其覆盖所述发光二极管管芯以及电极层。
18.如权利要求17所述的发光装置的制造方法，其特征在于，所述封装树脂的表面具有透镜结构。
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