CN103187499B - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管，包括：基板，其具有正、反两个主表面，V型凹槽形成于所述导电基板的正表面上，所述V型凹槽表面为一反射面；发光外延层，形成于所述基板上，其边缘在垂直方向上的投影位于V型凹槽的底部与内侧边缘之间，使得由发光外延层边缘发出的光入射到V型凹槽的镜面上，向外侧射出。此结构可以有效提高器件的取光效率，同时可控制发光外延层边缘区域光线的路径。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制备方法，更具体地是一种具有反射镜的发光二极管及其制作方法。
背景技术
近几年，发光二极管（lightemittingdiode,简称LED）得到了广泛的应用，在各种显示***、照明***、汽车尾灯等领域起着越来越重要的作用。以(AlxGa11-x)0.5InP材料作为有源区的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。
发明内容
本发明提供了一种发光二极管及其制备方法，其可以有效提高器件的取光效率，同时可控制发光外延层边缘区域光线的路径。
本发明公开了一种发光二极管，包括：基板，其具有正、反两个主表面，V型凹槽形成于所述导电基板的正表面上，所述V型凹槽表面为一反射面；发光外延层，形成于所述基板上，其边缘在垂直方向上的投影位于V型凹槽的底部与内侧边缘之间，使得由发光外延层边缘发出的光入射到V型凹槽的镜面上，向外侧射出。
进一步地，所述发光外延层边缘区域发出的光线通过所述V型凹槽调整光路径。
在本发明的一些实施例中，所述V型凹槽结构中两侧壁间夹角满足90度，以便垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向外侧产生平行位移，垂直方向上出光。
在本发明的一些实施例中，所述V型凹槽结构中两侧壁间夹角为钝角，以便垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向外侧射出，可扩大出光角度。
在本发明的一些实施例中，在所述基板与发光外延层之间还包括反射结构，其在垂直方向上的投影位于所述V型凹槽的内侧。
本发明还公开了一种发光二极管的制作方法，包括在一基板上形成发光外延层，其特征在于：在所述基板上形成V型凹槽，其表面为反射面，所述发光外延层的边缘在垂直方向上的投影位于V型凹槽的底部与内侧边缘之间，使得由发光外延层边缘发出的光入射到V型凹槽结构的镜面上，向外侧射出。
在本发明的一些实施例中，发光二极管的制作方法，包括步骤：
1）提供一生长衬底，在其上形成发光外延层；
2）提供一基板，在其正表面上形成至少一V型凹槽，其表面为反射面；
3）将所述发光外延层与所述基板连结，使得所述发光外延层的边缘在垂直方向上的投影位于V型凹槽底部的内侧，使得由发光外延层边缘发出的光入射到V型凹槽结构的镜面上，向外侧射出。
在一些实施例中，将所述V型凹槽两个侧壁之间的夹角设计为直角，发光外延层边缘垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向外侧产生平行位移并从垂直方向上射出，保证了出光方向的一致性。更进一步地，通过控制两个侧壁与水平面的夹角α1和α2的角度，可控制水平位移的距离，当越小其水平位移越小。为了保证取光效率，一般内侧壁与水平面的夹角α1角一般小于或等于60°，其较佳为30°-50°，优选值为45°。
在一些实施例中，将所述V型凹槽两个侧壁之间的夹角设计为钝角，发光外延层边缘垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向芯片外侧射出。更进一步地，通过控制两个侧壁与水平面的夹角α1和α2的角度，可控制前述光线的射出角度及聚散情况。
前述发光二极管可应用于各种显示***、照明***、汽车尾灯等领域。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
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。
图1为一种现有AlInGaP四元系发光二极管的结构示意图。
图2为根据本发明实施的一种发光二极管的结构示意图。
图3为图2所示的发光二极管之V型凹槽结构的局部放大图。
图4~图7显示了不同V型凹槽结构对应的发光外延层边缘垂直下发出的光的路径调整。
图8和图9为制备图2所示的发光二极管的过程剖视图。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的LED器件结构及其制备方法进行详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下面描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
图1公开了一种具有全方位反射镜（Omni-DirectionalReflector，简称ODR）的AlInGaP四元系发光二极管，其具体结构包括：导电基板（Si）100，键合层110，全方位反射镜，p型窗口层（GaP）131，p型批覆层（p-AlGaInP）132，有源区133，n型批覆层(n-AlGaInP)134及P电极141和N电极142。其中，全方位反射层包含一低折射率介电层（SiOx）121和低折射率介电层（SiOx）下方的高反射层金属镜面层120。
在此LED结构中，由有源区向下发出的光部分经由低折射率介电层（SiOx）全反射回去，部分光经由高反射金属镜面层全反射回去，增加出光效率。然而，由有源区向下发出的光经全方位反射层(ODR)反射后，部分被有源区吸收，影响出光效率。
下面实施例公开了一种发光二极管的结构，其可以减少光直接反射被有源区吸收的几率，增加出光效率，同时可控制发光外延层边缘区域发出的光线的路径。
请参看图2，在图1所示的发光组件基础之上，在有源区133下方、导电基板(Si)100上方的高反射层金属镜面层120四周围，设计了表面为镜面的V型凹槽结构101，使得由有源区发出的光入射到V型凹槽结构的镜面上，通过V型凹槽的镜面调整光路径，减少了光直接反射被有源区吸收的几率，同时增加出光效率。
在图2所示的发光二极管的结构示意图中，在发光外延层与基板之间设置有全方位反射镜，此仅为本发明的一种优选实施方式，本领域的技术人员可根据具体的器件结构需要进行变更：比如不做反射镜结构或采用其他反射镜结构，如银/铝反射镜或分布布拉格反射镜。当发光外延层与基板之间不做反射镜结构时，较佳的实施方式为：发光外延层与基板的接触面位于V型凹槽结构内侧边缘的内侧，更优的实施方式为：发光外延层与基板的接触面位于V型凹槽结构内侧边缘的内侧，发光外延层的下方边缘距离该接触面具有一定的高度。
请参考图3，设定V型凹槽101的底部为C，内侧边缘为A，外侧边缘为B，内侧壁为101A，外侧壁为101B，其中内侧壁101A与水平面形成的夹角为α1，外侧壁101B与水平面形成的夹角为α2，两侧壁的夹角为β。可以根据器件的切割走道宽度确定V型凹槽深度h，其一般可介于5~20μm，优选值为15μm。
在下面的各个实施例中，发光外延层边缘区域发出的光线通过所述V型凹槽调整光路径。可以根据需要，通过调整V型凹槽的各个夹角来控制器件的出光类型。
请参考图4和图5，当β取直角时，发光外延层边缘垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向外侧产生平行位移并从垂直方向上射出，保证了出光方向的一致性。通过调整α1和α2的角度可其控制水平位移的距离，当α1越小其水平位移越小。为了保证取光效率，一般α1一般小于等于60°，其较佳为30°~50°，优选为45°。
请参考图6和图7，当β取钝角时，发光外延层边缘垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向芯片外侧射出。通过调整α1和α2的角度，可控制前述光线的射出角度及聚散情况。图6展示了一个实施例的光路径，在此实施例中，α1和α2满足45°>α1>α2，从发光外延层边缘垂直方向下发出的光经过V型凹槽内侧壁101A的反射，直接向外射出，在保证出光方向一致性的同时可以有效扩大了器件的出光角度。图7展示了另一个实施例的光路径，在此实施例中，α1和α2满足45°>α1=α2，从发光外延层边缘区域垂直方向下发出的光一部分经过V型凹槽内侧壁101A的反射直接向外射出，另一部分再经过V型凹槽外侧壁101B的二次反射，向斜上方射出，此结构适合应用于散光型的发光器件（如背光源等）。
前面列举了几种通过调整V型凹槽的形状（如V型凹槽角度、深度等参数）进而控制发光外延层边缘区域垂直方向下发出的光的路径的具体实例，供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。
前述发光二极管可以通过下面方法制备获得。
首先进行外延生长。先提供生长衬底，接着可利用例如外延生长方式直接于生长衬底的表面上生长n型批覆层134。在一些实施例中，可选择性地于生长衬底的表面上先形成N型接触层，再于N型接触层上外延生长n型批覆层，以提升元件的电性品质。在另一些实施例中，更可选择性地先于生长衬底的表面上沉积蚀刻终止层，再于蚀刻终止层上依序外延生长n型接触层与n型批覆层，以利后续生长衬底的移除工序的进行。接下来，利用外延生长方式于n型批覆层134上生长有源区133，其中有源区可为多重量子阱结构(MultipleQuantumWell，简称MQW)。最后在有源区上生长p型批覆层132和p-GaP窗口层131，完成外延生长。
接着提供一硅导电基板100。如图8所示，利用硅蚀刻液将硅导电基板蚀刻呈V型凹槽结构101，导电基板表面蒸镀一定厚度的金110，用于键合与镜面反射作用，并在导电基板的背面制作P电极141。
然后，在P-GaP窗口层131的表面上制作反射镜。具体为：先蒸镀一层低折射率介电层（SiOx）121，采用光罩蚀刻去除部分低折射率介电层形成导电通道，接着在低折射率介电层（SiOx）上蒸镀一层厚120金作为高反射层金属镜面层，其填充导电通道，最后在P-GaP下方的镜面厚金边缘通过光蚀刻技术进行蚀刻，使得高反射层金属镜面层的边缘D在V型凹槽101内侧边缘A的内侧，以避免由发光层边缘发出的光在镜面层发生反射，被量子阱吸收，同时P-批覆层131边缘E点在V型凹槽底外侧边缘B的内侧，避免由发光层边缘发出的光经V型凹槽反射，光束向内侧产生平移，向上反射回去，被量子阱吸收。
最后将具有V型凹槽结构的导电基板(Si)与外延层键合，移除生长衬底，并制作n电极142，形成高亮的LED结构。
前述各实施例所公开的发光二极管可应用于各种显示***、照明***、汽车尾灯等领域。
前述各实施例以四元系发光二极管的结构进行举例说明，应当知道的是，本发明并不局限于四元系发光二极管，其亦可应用于氮化镓基系发光二极管，如蓝、绿光发光二极管或紫外发光二极管。
Claims (13)
1.发光二极管，包括：
基板，其具有正、反两个主表面，至少一V型凹槽形成于所述基板的正表面上，所述V型凹槽表面为一反射面；
发光外延层，形成于所述基板上，其边缘在垂直方向上的投影位于V型凹槽的底部与内侧边缘之间，使得由发光外延层边缘发出的光入射到V型凹槽的镜面上，向外射出。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光外延层边缘区域发出的光线通过所述V型凹槽调整光路径。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：所述V型凹槽结构中两侧壁间夹角满足90度，以便垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向外侧产生平行位移，垂直方向上出光。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述V型凹槽的深度为5~20μm。
5.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：所述V型凹槽结构中两侧壁间夹角为钝角，以便垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向外侧射出，扩大出光角度。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：在所述基板与发光外延层之间还包括反射结构，其在垂直方向上的投影位于所述V型凹槽的内侧。
7.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述反射结构为全方位反射镜，由低折射率介电层和金属反射层构成。
8.发光二极管的制作方法，包括在一基板上形成发光外延层，其特征在于：在所述基板上形成V型凹槽，其表面为反射面，所述发光外延层的边缘在垂直方向上的投影位于V型凹槽的底部与内侧边缘之间，使得由发光外延层边缘发出的光入射到V型凹槽结构的镜面上，向外侧射出。
9.根据权利要求8所述的发光二极管的制作方法，包括步骤：
提供一生长衬底，在其上形成发光外延层；
提供一基板，在其正表面上形成至少一V型凹槽，其表面为反射面；
将所述发光外延层与所述基板连结，使得所述发光外延层的边缘在垂直方向上的投影位于V型凹槽的底部与内侧边缘之间，使得由发光外延层边缘发出的光入射到V型凹槽结构的镜面上，向外侧射出。
10.根据权利要求9所述的发光二极管的制作方法，所述形成的V型凹槽，其两侧壁间夹角满足90度，以便垂直向下发出的光在V型凹槽发生反射，向外侧产生平行位移，垂直向上出光。
11.根据权利要求9所述的发光二极管的制作方法，所述形成的V型凹槽，其两侧壁间夹角为钝角，以便垂直方向下发出的光在V型凹槽发生反射，向外侧射出，扩大出光角度。
12.根据权利要求9所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：还包括在发光外延层与基板之间形成反射结构，其在垂直方向上的投影位于所述V型凹槽的内侧。
13.一种照明***或显示***，其特征在于：其包含一系列前述权利要求1~7所述的任意一种发光二极管。
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