CN104465919A - 一种发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括：生长衬底；发光外延结构，所述发光外延结构形成有N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；电流扩展层，其对应于P电极引线处具有间隔排列的多个开孔；N电极，包括N电极焊盘以及N电极引线；P电极，包括P电极焊盘、及P电极引线；透明绝缘结构，包括：结合于N电极焊盘及N电极焊盘制备区域之间的部分界面的第一绝缘层；呈多个绝缘层段结合于N电极引线及N电极引线制备区域之间的第二绝缘层；以及结合于P型层及电流扩展层之间、位于P电极下方、且形状与P电极对应的第三绝缘层。本发明可使发光二极管的电流分布更均匀，并有效提高出光效率，从而提高亮度。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
LED照明光源早期的产品发光效率低，只适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。
随着半导体照明技术的发展，GaN基发光二极管逐渐显示出其独特的优势，如何提高GaN基LED的出光率是当今人们最关心的问题之一，因为GaN基LED的光抽取效率受制于GaN与空气之间巨大的折射率差,根据斯涅耳定律，光从GaN（n≈2.5）到空气（n=1.0）的临界角约为23°，只有在入射角在临界角以内的光可以出射到空气中，而临界角以外的光只能在GaN内部来回反射，直至被自吸收。
当前较为成熟的发光二极管是III族氮化物氮化镓，其一般采用蓝宝石材料作为衬底，由于蓝宝石衬底的绝缘性，所以普通的GaN基LED采用正装结构。正装结构有源区发出的光经由P型GaN区和透明电极出射。该结构简单，制作工艺相对成熟。然而正装结构LED有两个明显的缺点，首先正装结构LED p、n电极在LED的同一侧，电流须横向流过n-GaN层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流。更近一步地，对于一般正装结构的发光二极管，其出光面一般为正面出光，这种结构存在以下问题：P电极下方的电流密度较大，发光效率也较高，但由于P电极一般不透光并且会吸收大部分的光线，同样地，经过背面反射镜反射到N电极上的光线会被N电极吸收，因此会造成电流的浪费和出光率的降低。
因此，提供一种有效提高发光二极管的出光效率，并使电流分布更合理的方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管及其制造方法，用于解决现有技术中发光二极管出光效率低，电流分布不合理等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发光二极管，至少包括：
生长衬底；
发光外延结构，至少包括N型层、量子阱层及P型层，所述发光外延结构具有去除了部分的P型层、量子阱层及N型层所形成的N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；
电流扩展层，形成于所述P型层之上，其对应于P电极引线处具有间隔排列的多个开孔；
N电极，包括形成于所述N电极焊盘制备区域的N电极焊盘以及形成于所述N电极引线制备区域的N电极引线；
P电极，包括形成于所述电流扩展层表面的P电极焊盘、及形成于所述电流扩展层表面且填充于所述开孔的P电极引线；
透明绝缘结构，包括：结合于所述N电极焊盘及N电极焊盘制备区域之间的部分界面的第一绝缘层；呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线及N电极引线制备区域之间的第二绝缘层；以及结合于所述P型层及电流扩展层之间、位于所述P电极下方、且形状与所述P电极对应的第三绝缘层。
作为本发明的发光二极管的一种优选方案，所述发光二极管的平面形状为平行四边形，所述N电极焊盘与所述P电极焊盘分别位于该平行四边形的两个对角区域，所述N电极引线与所述P电极引线平行排列于该平行四边形的两个对边区域。
进一步地，所述多个开孔与所述多个绝缘层段相互平行且呈错位排列，且所述开孔与所述绝缘层段的平面形状和尺寸相同。
作为本发明的发光二极管的一种优选方案，所述N电极焊盘包覆或部分包覆于所述第一绝缘层，且所述第一绝缘层的面积小于或等于所述N电极焊盘面积的1/2。
作为本发明的发光二极管的一种优选方案，所述透明绝缘结构的材料为二氧化硅，厚度为60～920nm。
作为本发明的发光二极管的一种优选方案，所述第三绝缘层的平面尺寸大于所述P电极的平面尺寸。
本发明还提供一种发光二极管的制造方法，包括步骤：
1）提供一生长衬底，于所述生长衬底表面形成至少包括N型层、量子阱层及P型层的发光外延结构；
2）去除了部分的P型层、量子阱层及N型层形成N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；
3）于所述P型层表面、N电极焊盘制备区域表面及N电极引线区域表面沉积透明绝绝缘层，并采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺形成透明绝缘结构，包括结合于所述N电极焊盘制备区域表面的第一绝缘层、呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线制备区域表面的第二绝缘层、以及结合于所述电流扩展层，且与P电极焊盘及P电极引线形状对应的第三绝缘层；
4）于所述P型层及第三绝缘层表面形成电流扩展层，并于与P电极引线对应的电流扩展层中刻蚀出间隔排列的多个开孔；
5）于所述N电极焊盘制备区域制作包覆或部分包覆于所述第一绝缘层的N电极焊盘，于所述N电极引线制备区域及第二绝缘层表面制作N电极引线，于所述电流扩展层表面且与所述第三绝缘层对应处制作P电极焊盘及P电极引线。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案，所述发光二极管的平面形状为平行四边形，所述N电极焊盘与所述P电极焊盘分别位于该平行四边形的两个对角区域，所述N电极引线与所述P电极引线平行排列于该平行四边形的两个对边区域。
进一步地，所述多个开孔与所述多个绝缘层段相互平行且呈错位排列，且所述开孔与所述绝缘层段的平面形状和尺寸相同。
作为本发明的发光二极管的制造方法一种优选方案，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积所述透明绝缘层，所述透明绝缘层的材料为二氧化硅，厚度为60～920nm。
如上所述，本发明提供一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管至少包括：生长衬底；发光外延结构，所述发光外延结构形成有N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；电流扩展层，其对应于P电极引线处具有间隔排列的多个开孔；N电极，包括N电极焊盘以及N电极引线；P电极，包括P电极焊盘、及P电极引线；透明绝缘结构，包括：结合于所述N电极焊盘及N电极焊盘制备区域之间的部分界面的第一绝缘层；呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线及N电极引线制备区域之间的第二绝缘层；以及结合于所述P型层及电流扩展层之间、位于所述P电极下方、且形状与所述P电极对应的第三绝缘层。本发明通过于P电极引线下方的电流扩展层制作开孔，并于N电极焊盘及N电极引线下方制作透明绝缘结构，可以使电流分布更均匀，并有效提高出光效率，从而提高发光二极管的亮度。本发明步骤简单，适用于工业生产。
附图说明
图1显示为本发明的发光二极管的平面结构示意图。
图2显示为本发明的发光二极管于A-A’截面的截面结构示意图。
图3显示为本发明的发光二极管于B-B’截面的截面结构示意图。
图4显示为本发明的发光二极管的制造方法的步骤流程示意图。
元件标号说明
101 生长衬底
102 N型层
103 量子阱层
104 P型层
105 第三绝缘层
106 电流扩展层
107 开孔
108 P电极焊盘
109 P电极引线
110 第一绝缘层
111 第二绝缘层
112 N电极焊盘
113 N电极引线
S11～S15 步骤1）～步骤5）
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图3所示，图1显示为本发明的发光二极管的平面结构示意图，图2显示为图1中的发光二极管于A-A’截面的截面结构示意图，图3显示为图1中的发光二极管于B-B’截面的截面结构示意图。
本实施例提供一种发光二极管，至少包括：
生长衬底101；
发光外延结构，至少包括N型层102、量子阱层103及P型层104，所述发光外延结构具有去除了部分的P型层104、量子阱层103及N型层102所形成的N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；
电流扩展层106，形成于所述P型层104之上，其对应于P电极引线109处具有间隔排列的多个开孔107；
N电极，包括形成于所述N电极焊盘制备区域的N电极焊盘112以及形成于所述N电极引线制备区域的N电极引线113；
P电极，包括形成于所述电流扩展层106表面的P电极焊盘108、及形成于所述电流扩展层106表面且填充于所述开孔107的P电极引线109；
透明绝缘结构，包括：结合于所述N电极焊盘112及N电极焊盘制备区域之间的部分界面的第一绝缘层110；呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线113及N电极引线制备区域之间的第二绝缘层111；以及结合于所述P型层104及电流扩展层106之间、位于所述P电极下方、且形状与所述P电极对应的第三绝缘层105。
所述生长衬底101，作为示例，可以为蓝宝石衬底，图形蓝宝石衬底、硅衬底，碳化硅衬底等，且并不限于此处所列举的几种。
所述发光外延结构，作为示例，所述N型层102为N-GaN层，所述量子阱层103为InGaN/GaN多量子阱层，所述P型层104为P-GaN层。当然，所述发光外延结构也可以是如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的发光外延结构，可以根据所需产品的性能进行选择，且并不限于此处所列举的几种。
作为示例，所述发光外延结构的平面形状为平行四边形，在本实施例中，所述发光外延结构的平面形状为矩形，去除该矩形其中一个角区域及与该角区域连接的一边区域的部分的P型层104、量子阱层103及N型层102，形成N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域。
所述电流扩展层106，作为示例，可以为ITO透明导电层、金属层等，在本实施例中，为ITO透明导电层。所述电流扩展层106对应于P电极引线109处具有间隔排列的多个开孔107。
所述N电极，包括制作于所述N电极焊盘制备区域的N电极焊盘112以及形成于所述N电极引线制备区域的N电极引线113，所述N电极焊盘112的形状可以为矩形、圆角矩形、圆形、椭圆形等，所述N电极引线113与所述N电极焊盘112电性连接。
所述P电极，包括形成于所述电流扩展层106表面的P电极焊盘108、及形成于所述电流扩展层106表面且填充于所述开孔107的P电极引线109，所述P电极焊盘108的形状可以为矩形、圆角矩形、圆形、椭圆形等，所述P电极引线109与所述P电极焊盘108电性连接。具体地，所述P电极焊盘108形成于所述N电极焊盘112的对角区域，所述P电极引线109形成于所述N电极引线113的对边区域，且与所述N电极引线113平行。
所述透明绝缘结构，包括：
第一绝缘层110，结合于所述N电极焊盘112及N电极焊盘制备区域之间的部分界面，在本实施例中，所述N电极焊盘112包覆或部分包覆于所述第一绝缘层110，且所述第一绝缘层110的面积小于或等于所述N电极焊盘112面积的1/2，优选为所述N电极焊盘112部分包覆于所述第一绝缘层110，并裸露出至少一个侧壁，以使照射至所述N电极焊盘112的光线通过所述第一绝缘层110折射后有一定几率从该裸露的侧壁出光。
第二绝缘层111，呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线113及N电极引线制备区域之间，其宽度大于所述N电极引线113的宽度，所述多个绝缘层段与所述多个开孔107相互平行且呈错位排列，且所述绝缘层段与所述开孔107的平面形状和尺寸相同。
第三绝缘层105，结合于所述P型层104及电流扩展层106之间、位于所述P电极下方、且形状与所述P电极对应，其作用为P电极的电流阻挡层，其平面尺寸一般大于所述P电极的平面尺寸，可以降低P电极下方的电流注入密度，达到节省电流和使电流有效分布的效果。
以上的透明绝缘结构，可以使发光二极管内的电流分布更加均匀，增加N电极出的出光几率，减少N电极对光线的吸收，从而有效提高出光效率，提高发光二极管的亮度。
在本实施例中，所述透明绝缘结构的材料为二氧化硅，厚度为60～920nm。当然，在其它的实施例中，所述透明绝缘结构的材料也可以为氮化硅等。
在本实施例中，所述生长衬底101的背面还背镀有反射镜，所述反射镜可以为全反射镜或者布拉格反射镜等，以将射向生长衬底101的光线反射至正面或侧面出光，提高发光二极管的亮度。
如图4所示，本实施例还提供一种发光二极管的制造方法，包括步骤：
如图4所示，首先进行步骤1）S11，提供一生长衬底101，于所述生长衬底101表面形成至少包括N型层102、量子阱层103及P型层104的发光外延结构。
作为示例，所述生长衬底101可以为蓝宝石衬底，图形蓝宝石衬底、硅衬底，碳化硅衬底等，且并不限于此处所列举的几种。
作为示例，采用化学气相沉积法制作所述发光外延结构。在本实施例中，所述N型层102为N-GaN层，所述量子阱层103为InGaN/GaN多量子阱层，所述P型层104为P-GaN层。当然，所述发光外延结构也可以是如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的发光外延结构，可以根据所需产品的性能进行选择，且并不限于此处所列举的几种。
作为示例，所述发光外延结构的平面形状为平行四边形，在本实施例中，所述发光外延结构的平面形状为矩形。
如图4所示，然后进行步骤2）S12，去除了部分的P型层104、量子阱层103及N型层102形成N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；
作为示例，采用ICP干法刻蚀法去除所述矩形发光外延结构的其中一个角区域及与该角区域连接的一边区域的部分的P型层104、量子阱层103及N型层102，形成N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域。
如图4所示，接着进行步骤3）S13，于所述P型层104表面、N电极焊盘制备区域表面及N电极引线113区域表面沉积透明绝绝缘层，并采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺形成透明绝缘结构，包括结合于所述N电极焊盘制备区域表面的第一绝缘层110、呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线制备区域表面的第二绝缘层111、以及结合于所述电流扩展层106，且与P电极焊盘108及P电极引线109形状对应的第三绝缘层105。
作为示例，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积所述透明绝缘层，所述透明绝缘层的材料为二氧化硅，厚度为60～920nm。
作为示例，所述第三绝缘层105的作用为P电极的电流阻挡层，其平面尺寸一般大于所述P电极的平面尺寸，可以降低P电极下方的电流注入密度，达到节省电流和使电流有效分布的效果。
如图4所示，然后进行步骤4）S14，于所述P型层104及第三绝缘层105表面形成电流扩展层106，并于与P电极引线109对应的电流扩展层106中刻蚀出间隔排列的多个开孔107。
作为示例，采用溅射的方法制作所述电流扩展层106，所述电流扩展层106可以为ITO透明导电层、金属层等。
作为示例，所述多个开孔107与所述多个绝缘层段相互平行且呈错位排列，且所述开孔107与所述绝缘层段的平面形状和尺寸相同
如图4所示，最后进行步骤5）S15，于所述N电极焊盘制备区域制作包覆或部分包覆于所述第一绝缘层110的N电极焊盘112，于所述N电极引线制备区域及第二绝缘层111表面制作N电极引线113，于所述电流扩展层106表面且与所述第三绝缘层105对应处制作P电极焊盘108及P电极引线109。
作为示例，在本实施例中，所述N电极焊盘112包覆或部分包覆于所述第一绝缘层110，且所述第一绝缘层110的面积小于或等于所述N电极焊盘112面积的1/2，优选为所述N电极焊盘112部分包覆于所述第一绝缘层110，并裸露出至少一个侧壁，以使照射至所述N电极焊盘112的光线通过所述第一绝缘层110折射后有一定几率从该裸露的侧壁出光。
作为示例，所述P电极焊盘108形成于所述N电极焊盘112的对角区域，所述P电极引线109形成于所述N电极引线113的对边区域，且与所述N电极引线113平行。
作为示例，本实施例还包括对所述生长衬底101进行减薄，并于所述生长衬底101背面背镀反射镜的步骤，所述反射镜可以为全反射镜或布拉格反射镜。
以上方法制造的发光二极管，其提高了内部电流分布均匀的均匀性，增加了N电极出的出光几率，减少了N电极对光线的吸收，从而可有效提高出光效率，提高发光二极管的亮度。
如上所述，本发明提供一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管至少包括：生长衬底101；发光外延结构，所述发光外延结构形成有N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；电流扩展层106，其对应于P电极引线109处具有间隔排列的多个开孔107；N电极，包括N电极焊盘112以及N电极引线113；P电极，包括P电极焊盘108、及P电极引线109；透明绝缘结构，包括：结合于所述N电极焊盘112及N电极焊盘制备区域之间的部分界面的第一绝缘层110；呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线113及N电极引线制备区域之间的第二绝缘层111；以及结合于所述P型层104及电流扩展层106之间、位于所述P电极下方、且形状与所述P电极对应的第三绝缘层105。本发明通过于P电极引线109下方的电流扩展层106制作开孔107，并于N电极焊盘112及N电极引线113下方制作透明绝缘结构，可以使电流分布更均匀，并有效提高出光效率，从而提高发光二极管的亮度。本发明步骤简单，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种发光二极管，其特征在于，至少包括：
生长衬底；
发光外延结构，至少包括N型层、量子阱层及P型层，所述发光外延结构具有去除了部分的P型层、量子阱层及N型层所形成的N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；
电流扩展层，形成于所述P型层之上，其对应于P电极引线处具有间隔排列的多个开孔；
N电极，包括形成于所述N电极焊盘制备区域的N电极焊盘以及形成于所述N电极引线制备区域的N电极引线；
P电极，包括形成于所述电流扩展层表面的P电极焊盘、及形成于所述电流扩展层表面且填充于所述开孔的P电极引线；
透明绝缘结构，包括：结合于所述N电极焊盘及N电极焊盘制备区域之间的部分界面的第一绝缘层；呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线及N电极引线制备区域之间的第二绝缘层；以及结合于所述P型层及电流扩展层之间、位于所述P电极下方、且形状与所述P电极对应的第三绝缘层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的平面形状为平行四边形，所述N电极焊盘与所述P电极焊盘分别位于该平行四边形的两个对角区域，所述N电极引线与所述P电极引线平行排列于该平行四边形的两个对边区域。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：所述多个开孔与所述多个绝缘层段相互平行且呈错位排列，且所述开孔与所述绝缘层段的平面形状和尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述N电极焊盘包覆或部分包覆于所述第一绝缘层，且所述第一绝缘层的面积小于或等于所述N电极焊盘面积的1/2。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透明绝缘结构的材料为二氧化硅，厚度为60～920nm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第三绝缘层的平面尺寸大于所述P电极的平面尺寸。
7.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括步骤：
1）提供一生长衬底，于所述生长衬底表面形成至少包括N型层、量子阱层及P型层的发光外延结构；
2）去除了部分的P型层、量子阱层及N型层形成N电极焊盘制备区域及N电极引线制备区域；
3）于所述P型层表面、N电极焊盘制备区域表面及N电极引线区域表面沉积透明绝绝缘层，并采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺形成透明绝缘结构，包括结合于所述N电极焊盘制备区域表面的第一绝缘层、呈多个绝缘层段结合于所述N电极引线制备区域表面的第二绝缘层、以及结合于所述电流扩展层，且与P电极焊盘及P电极引线形状对应的第三绝缘层；
4）于所述P型层及第三绝缘层表面形成电流扩展层，并于与P电极引线对应的电流扩展层中刻蚀出间隔排列的多个开孔；
5）于所述N电极焊盘制备区域制作包覆或部分包覆于所述第一绝缘层的N电极焊盘，于所述N电极引线制备区域及第二绝缘层表面制作N电极引线，于所述电流扩展层表面且与所述第三绝缘层对应处制作P电极焊盘及P电极引线。
8.根据权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述发光二极管的平面形状为平行四边形，所述N电极焊盘与所述P电极焊盘分别位于该平行四边形的两个对角区域，所述N电极引线与所述P电极引线平行排列于该平行四边形的两个对边区域。
9.根据权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述多个开孔与所述多个绝缘层段相互平行且呈错位排列，且所述开孔与所述绝缘层段的平面形状和尺寸相同。
10.根据权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：采用等离子体增强化学气相沉积法沉积所述透明绝缘层，所述透明绝缘层的材料为二氧化硅，厚度为60～920nm。
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