CN108183157A - 一种发光二极管及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管及制备方法，属于光电子制造技术领域。本发明包括衬底、n型GaN层、有源层、p型GaN层、透明导电层、p电极、n电极、钝化层、布拉格反射层，透明导电层层叠在p型GaN层上，p电极设置在透明导电层上，钝化层在以上结构与衬底相反的表面外露处，布拉格反射层在钝化层之上，通过将钝化层设置为第一折射率层、第二折射率层、第三折射率层，第二折射率层包括多个凸透镜单元，并且第二折射率层的折射率大于第一折射率层与第三折射率层的结构，使得原本应大角度入射到布拉格反射层结构上的光线，在经过凸透镜单元后以较为垂直的角度入射到布拉格反射层上，提高了二极管的取光效率。

Description

一种发光二极管及制备方法
技术领域
本发明涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种发光二极管及制备方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。
现有的一种LED芯片主要包括衬底和生长在衬底上的外延层，外延层上形成有p型一次电极和n型一次电极，在外延层上还覆盖有一层钝化层，钝化层上设置有布拉格反射层，布拉格反射层上设置有p型二次电极和n型二次电极， p型二次电极和n型二次电极分别通过过孔与p型一次电极和n型一次电极连接。布拉格反射层包括交替层叠的高折射率材料层和低折射率材料层，布拉格反射层对于特定波长的光线具有较高的反射率，从而可以将光线向衬底一侧反射，提高LED的发光效率。
由于LED芯片发出的光是朝向各个方向的，因此当光线入射布拉格反射层时，有的光线的入射角度很小，有的光线的入射角度则很大。布拉格反射层对于不同入射角度的光线的反射率也是不同的，布拉格反射层可以较好的反射入射角度小的光线，对于入射角度较大的光写反射率则较低，因此现有的布拉格反射层对LED的出光率的提高程度有限。
发明内容
为了提高LED的发光效率，本发明实施例提供了一种发光二极管及制备方法。所述技术方案如下：
一种发光二极管，所述发光二极管包括衬底、形成在所述衬底上的外延层、形成在所述外延层上的n型一次电极和p型一次电极、覆盖在所述外延层上的钝化层、覆盖在所述钝化层上的布拉格反射层、形成在所述布拉格反射层上的n 型二次电极和p型二次电极，所述n型二次电极通过过孔与所述n型一次电极连接，所述p型二次电极通过过孔与所述p型一次电极连接，
其特征在于，所述钝化层包括依次层叠在所述外延层上的第一折射率层、第二折射率层以及第三折射率层，所述第二折射率层的折射率大于所述第一折射率层与所述第三折射率层的折射率，所述第二折射率层包括同层布置的多个凸透镜单元，每个所述凸透镜单元的靠近所述第一折射率层的表面和靠近所述第三折射率层的表面为球冠面，每个所述凸透镜单元在所述衬底上的正投影均呈圆形，在平行于衬底的方向上，每个所述凸透镜单元从中间向边缘厚度逐渐变薄。
可选地，所述第二折射率层采用Ti3O5、TiO2、ZrO2、HfO2中的任一种制成。
可选地，所述第二折射率层的折射率为2.2～2.6，所述第一折射率层的折射率为1.4～1.7，所述第三折射率层的折射率为1.4～1.7。
可选地，所述凸透镜单元在所述衬底上的正投影的半径与所述球冠面的半径的比值为0.50～0.97。
可选地，所述凸透镜单元在所述衬底上的正投影的直径为4μm～12μm。
可选地，相邻的所述凸透镜单元的边缘之间的间距为5μm～10μm。
可选地，所述第二折射率层的厚度为30～100nm。
可选地，所述钝化层的远离所述衬底的表面在所述衬底上的正投影位于所述衬底内，所述布拉格反射层覆盖在所述钝化层的远离所述衬底的表面和所述钝化层的多个侧面上。
一种发光二极管的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长外延层；
在所述外延层上制作n型一次电极和p型一次电极；
在所述外延层上形成钝化层；
在所述钝化层上形成布拉格反射层；
在所述布拉格反射层上形成n型二次电极和p型二次电极，
其中，所述n型二次电极通过过孔与所述n型一次电极连接，所述p型二次电极通过过孔与所述p型一次电极连接，所述钝化层包括依次层叠在所述外延层上的第一折射率层、第二折射率层以及第三折射率层，所述第二折射率层的折射率大于所述第一折射率层与所述第三折射率层的折射率，所述第二折射率层包括同层布置的多个凸透镜单元，所述凸透镜单元在所述衬底上的正投影呈圆形，在平行于衬底的方向上，每个所述凸透镜单元从中间向边缘厚度逐渐变薄。
可选地，在所述外延层上形成钝化层，包括：
在所述外延层上形成第一折射率膜层；
对所述第一折射率膜层进行图形化处理，以在所述第一折射率膜层上形成第一图形，所述第一图形包括阵列布置的多个圆弧面凹槽；
在所述第一折射率膜层上形成第二折射率膜层；
对所述第二折射率膜层进行图形化处理，以在所述第二折射率膜层上形成第二图形，所述第二图形包括阵列布置的多个圆弧面凸起，所述圆弧面凸起与所述圆弧面凹槽一一对应布置；
在所述第二折射率膜层上形成第三折射率膜层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将钝化层设置为层叠的第一折射率层、第二折射率层以及第三折射率层，其中第二折射率层的折射率大于第一折射率层与第三折射率层的折射率，第二折射率层包括同层布置的多个凸透镜单元，凸透镜单元在衬底上的正投影呈圆形，在平行于衬底的方向上，每个凸透镜单元从中间向边缘厚度逐渐变薄，每个凸透镜单元相当于一个凸透镜，可以对射向布拉格反射层的光线进行汇聚，使更多的光线以较小的入射角射向布拉格反射层，以使布拉格反射层能够反射更多的光线，从而提高发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的结构图；
图2是本发明实施例提供的凸透镜单元与衬底的空间位置关系图；
图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的凸透镜单元的光路图；
图5是本发明实施例提供的一种发光二极管的制备流程图；
图6～7是本发明实施例提供的发光二极管的制备过程示意图；
图8是本发明实施例提供的一种钝化层的制备流程图；
图9是本发明实施例提供的一种第一折射率层的刻蚀过程示意图；
图10是本发明实施例提供的一种用于刻蚀第一折射率层的掩膜的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种第二折射率层的制备过程示意图；
图12是本发明实施例提供的一种用于刻蚀第二折射率层的掩膜的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的一种第二折射率层的刻蚀过程示意图；
图14是本发明实施例提供的一种制备完成的钝化层的结构示意图；
图15～17是本发明实施例提供的一种发光二极管的制备过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的结构图。如图1所示，发光二极管包括衬底1、形成在衬底1上的外延层20、形成在外延层20上的n型一次电极8和p型一次电极7、覆盖在外延层20上的钝化层9、覆盖在钝化层9 上的布拉格反射层10、形成在布拉格反射层10上的n型二次电极11和p型二次电极14，n型二次电极11通过过孔与n型一次电极8连接，p型二次电极14 通过过孔与p型一次电极7连接。
钝化层9包括依次层叠在外延层20上的第一折射率层91、第二折射率层 92以及第三折射率层93，第二折射率层92的折射率大于第一折射率层91与第三折射率层93的折射率。第二折射率层92包括同层布置的多个凸透镜单元92a，每个凸透镜单元92a的靠近第一折射率层91的表面(如图1中所示的球冠面92b) 和靠近第三折射率层93的表面(如图1中所示的球冠面92c)为球冠面，每个凸透镜单元92a在衬底1上的正投影均呈圆形，在平行于衬底1的方向上，每个凸透镜单元92a从中间向边缘厚度逐渐变薄。
通过将发光二极管设置为包括衬底、形成在衬底上的外延层、形成在外延层上的一次电极、覆盖在外延层上的钝化层、覆盖在钝化层上的布拉格反射层以及形成在布拉格反射层上的二次电极，二次电极通过过孔与一次电极连接。其中，钝化层包括依次层叠在外延层上的第一折射率层、第二折射率层以及第三折射率层，使得第二折射率层的折射率大于第一折射率层与第三折射率层的折射率，并且第二折射率层包括同层布置的多个凸透镜单元，使得原本应大角度入射到布拉格反射层结构上的光线，在经过凸透镜单元时发生光路偏移，能够以较为垂直的角度入射到布拉格反射层上，从而使得布拉格反射层能够反射这一部分光线，提高了二极管的取光效率。
如图1所示，外延层20可以包括依次生长在衬底1上的n型GaN层2、有源层3、p型GaN层4及透明导电层6，n型GaN层2、有源层3、p型GaN层 4以及透明导电层6，n型一次电极8设置在n型GaN层上，p型一次电极7设置在透明导电层6上。
如图1所示，本实施例中，有源层3可以为多量子阱结构，有源层3包括交替层叠的InGaN层31和GaN层32，InGaN层31和GaN层32交替层叠的周期数可以为6-15，InGaN层31的厚度可以为2-5nm。
需要说明的是，图1中所示的有源层3的结构仅为示意，并不用以限制有源层3中InGaN层31和GaN层32的层数。
可选地，第二折射率层92采用Ti3O5、TiO2、ZrO2、HfO2中的任一种制成，这几种材料均有较高的折射率，能满足第二折射率层对高折射率的要求。
优选地，第二折射率层92采用Ti3O5或者TiO2制成。
可选地，第一折射率层91可以采用SiO2、MgO、Al2O3中的任一种制成，第三折射率层93可以采用SiO2、MgO、Al2O3中的任一种制成。这几种材料有较好的抗氧化作用，能对发光二极管内部结构起到保护作用。优选地，第一折射率层91和第三折射率层93采用相同的材料制成。选用相同的材料制作第一折射率层与第二折射率层可减少二极管的制作成本。
优选地，第一折射率层91和第三折射率层93均可采用SiO2制成。
可选地，第二折射率层92的折射率为2.2～2.6，第一折射率层91的折射率为1.4～1.7，第三折射率层93的折射率为1.4～1.7。通过将第二折射率层的折射率设置为2.2～2.6，第一折射率层与第三折射率层的折射率均设置为1.4～1.7，第二折射率层与第一折射率层以及第三折射率层之间相互配合，以达到更好的聚光效果。
可选地，在本发明实施例中，第一折射率层91的折射率与第三折射率层93 的折射率可以相同。
可选地，第二折射率层92的厚度为30～100nm。将第二折射率层的厚度设置为此范围能够使第二折射率层的光提取效果最好。如果第二折射率层的厚度小于30～100nm，刻蚀后的凸透镜单元的球冠面会过小，不利于光的汇聚，如果第二折射率层的厚度过厚，又会带来较大的材料的本征吸收，不利于光的取出。
在本实施例中，第二折射率层92的厚度为凸透镜单元92a上厚度最大处的厚度值。
可选地，凸透镜单元92a在衬底1上的正投影的直径可以为4μm～12μm。以便于凸透镜单元的制作。凸透镜单元是通过对光刻胶进行后烘，使得光刻胶平行衬底表面的侧面发生坡度变化，从而得到所需的对应凸透镜单元的球冠面的刻蚀曲面。若凸透镜单元的直径过小，会难以通过光刻技术实现凸透镜单元的制作。若直径过大，则难以在光刻胶上形成凸透镜单元的球冠面所需要的表面弧度。
可选地，相邻的凸透镜单元92a的边缘之间的间距为5μm～10μm。在凸透镜单元92a的大小一定的情况下，将相邻的凸透镜单元92a的边缘的间距设置为 5μm～10μm以便于凸透镜单元的制作。相邻的凸透镜单元的边缘的间距过大会导致凸透镜单元的密度低，减少对光的提取，相邻的凸透镜单元的边缘的间距过小，凸透镜单元与凸透镜单元之间又会发生干涉，影响凸透镜单元对光线的提取。
可选地，钝化层9的远离衬底的表面在衬底上的正投影位于衬底内，布拉格反射层10覆盖在钝化层9的远离衬底1的表面和钝化层9的多个侧面上。通过将布拉格反射层覆盖在钝化层的远离衬底1的表面和钝化层的多个侧面上，使得布拉格反射层能够反射光线的范围更大。
此外，外延层20的侧壁20a与衬底1的夹角θ大于90°，这样可以使得从外延层的侧壁射出的光更好的照射到布拉格反射层上进行反射。
可选地，透明导电层6材料为ITO(Indium Tin Oxides，氧化铟锡)，ITO具有较高的光透过率和良好的导电性能，可以减少对光线的吸收，有利于提高发光效率。
在本实施例中，布拉格反射层10包括交替生长的高折射率材料层和低折射率材料层，每层高折射率材料层和每层低折射率材料层的光学厚度均为有源层所发出光线波长的1/4。
可选地，图2是本发明实施例提供的凸透镜单元与衬底的空间位置关系图，如图2所示，凸透镜单元92a在衬底1上的正投影的半径r与球冠面92b的半径 R的比值为0.50～0.97。将凸透镜单元在衬底上的正投影的半径与球冠面的半径的比值设置为0.50～0.97，便于凸透镜单元的制作的同时也能够达到较好的聚光效果。
图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管的结构示意图，如图3所示， p型GaN层4与透明导电层6之间还设置有电流阻挡层5，电流阻挡层5有利于电流的横向扩展。
图4是本发明实施例提供的凸透镜单元的光路图，如图4所示，原本应大角度入射到布拉格反射层结构上的光线，在经过凸透镜单元92a时发生偏移，能够以近似垂直的角度入射布拉格反射层。
图5是本发明实施例提供的一种发光二极管的制备流程图。如图5所示，该制备方法包括：
S1：提供一衬底。
本实施例中，衬底1为蓝宝石衬底。
S2：在衬底上生长外延层。
S3：在外延层上制作n型一次电极和p型一次电极。
S4：在外延层上形成钝化层。
S5：在钝化层上形成布拉格反射层。
S6：在布拉格反射层上形成n型二次电极和p型二次电极。
其中，n型二次电极通过过孔与n型一次电极连接，p型二次电极通过过孔与p型一次电极连接，钝化层包括依次层叠在外延层上的第一折射率层、第二折射率层以及第三折射率层，第二折射率层的折射率大于第一折射率层与第三折射率层的折射率，第二折射率层包括同层布置的多个凸透镜单元，凸透镜单元在衬底上的正投影呈圆形，在平行于衬底的方向上，每个凸透镜单元从中间向边缘厚度逐渐变薄。
通过将发光二极管设置为包括衬底、形成在衬底上的外延层、形成在外延层上的一次电极、覆盖在外延层上的钝化层、覆盖在钝化层上的布拉格反射层以及形成在布拉格反射层上的二次电极，二次电极通过过孔与一次电极连接。其中，钝化层包括依次层叠在外延层上的第一折射率层、第二折射率层以及第三折射率层，使得第二折射率层的折射率大于第一折射率层与第三折射率层的折射率，并且第二折射率层包括同层布置的多个凸透镜单元，使得原本应大角度入射到布拉格反射层结构上的光线，在经过凸透镜单元时发生光路偏移，能够以较为垂直的角度入射到布拉格反射层上，从而使得布拉格反射层能够反射这一部分光线，提高了二极管的取光效率。
图6～7是本发明实施例提供的发光二极管的制备过程示意图。
具体地，步骤S2可以包括：
在衬底上生长外延层。
如图6所示，在衬底1上生长外延层20，外延层20包括依次生长在衬底1 上的n型GaN层2、有源层3、p型GaN层4及透明导电层6。
此外，在p型GaN层4及透明导电层6之间还可以生长有电流阻挡层5。
步骤S3可以包括：
在外延层上制作凹槽。
在透明导电层上制作p型一次电极，在凹槽内的n型GaN层上制作n型一次电极。
如图7所示，在外延层20上制作有凹槽17，以露出n型GaN层2，n型一次电极8设置在n型GaN层2上，p型一次电极7设置在透明导电层6上。
图8是本发明实施例提供的一种钝化层的制备流程图，图9～13是本发明实施例提供的钝化层结构制作过程示意图。结合图9～13可知步骤S4可以包括：
S41：在外延层上形成第一折射率膜层。
图9是本发明实施例提供的一种第一折射率层的刻蚀过程示意图，如图9 所示，外延层20上形成有第一折射率膜层911，第一折射率膜层911可以采用沉积的方式形成在外延层20上。
S42：对第一折射率膜层911进行图形化处理，以在第一折射率膜层911上形成第一图形。
其中，第一图形包括阵列布置的多个圆弧面凹槽911a。
具体可以在第一折射率膜层上涂覆光刻胶12，采用图10所示的掩膜15对光刻胶12进行曝光，对光刻胶12显影后，再通过刻蚀工艺在第一折射率膜层 911上形成圆弧面凹槽911a。可选地，光刻胶12为正光刻胶。
S43：在第一折射率膜层911上形成第二折射率膜层921。
如图11所示，第一折射率膜层911上形成有第二折射率膜层921。
第二折射率膜层921可以通过沉积的方式形成。
S44：对第二折射率膜层921进行图形化处理，以在第二折射率膜层921上形成第二图形。
其中，第二图形包括阵列布置的多个圆弧面凸起921a，圆弧面凸起921a与圆弧面凹槽911a一一对应布置。
具体可以在第二折射率膜层上涂覆光刻胶13，采用图12所示的掩膜16对光刻胶13进行曝光，对光刻胶13显影后，再通过刻蚀工艺在第二折射率膜层 921上形成圆弧面凸起921a。如图13所示。
可选地，光刻胶13为负光刻胶。
S45：在第二折射率膜层921上形成第三折射率膜层931。
如图14所示，第二折射率膜层921上形成有第三折射率膜层931。
第三折射率膜层931可以通过沉积的方式形成。
制作钝化层后的发光二极管的结构如图15所示。
图15～17是本发明实施例提供的一种发光二极管的制备过程示意图。
如图16所示，在完整钝化层的制作后，在钝化层9上形成布拉格反射层10。
在执行步骤S6之前可以在布拉格反射层上制作过孔，以使得n型二次电极 14和p型二次电极11可以通过过孔分别与n型一次电极8以及p型一次电极8 连接。
制作完n型二次电极14和p型二次电极11后，即可得到如图17所示的发光二极管。
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 (10)

1.一种发光二极管，所述发光二极管包括衬底、形成在所述衬底上的外延层、形成在所述外延层上的n型一次电极和p型一次电极、覆盖在所述外延层上的钝化层、覆盖在所述钝化层上的布拉格反射层、形成在所述布拉格反射层上的n型二次电极和p型二次电极，所述n型二次电极通过过孔与所述n型一次电极连接，所述p型二次电极通过过孔与所述p型一次电极连接，
其特征在于，所述钝化层包括依次层叠在所述外延层上的第一折射率层、第二折射率层以及第三折射率层，所述第二折射率层的折射率大于所述第一折射率层与所述第三折射率层的折射率，所述第二折射率层包括同层布置的多个凸透镜单元，每个所述凸透镜单元的靠近所述第一折射率层的表面和靠近所述第三折射率层的表面均为球冠面，每个所述凸透镜单元在所述衬底上的正投影均呈圆形，在平行于衬底的方向上，每个所述凸透镜单元从中间向边缘厚度逐渐变薄。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二折射率层采用Ti3O5、TiO2、ZrO2、HfO2中的任一种制成。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二折射率层的折射率为2.2～2.6，所述第一折射率层的折射率为1.4～1.7，所述第三折射率层的折射率为1.4～1.7。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述凸透镜单元在所述衬底上的正投影的半径与所述球冠面的半径的比值为0.50～0.97。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述凸透镜单元在所述衬底上的正投影的直径为4μm～12μm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，相邻的所述凸透镜单元的边缘之间的间距为5μm～10μm。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二折射率层的厚度为30～100nm。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述钝化层的远离所述衬底的表面在所述衬底上的正投影位于所述衬底内，所述布拉格反射层覆盖在所述钝化层的远离所述衬底的表面和所述钝化层的多个侧面上。
9.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长外延层；
在所述外延层上制作n型一次电极和p型一次电极；
在所述外延层上形成钝化层；
在所述钝化层上形成布拉格反射层；
在所述布拉格反射层上形成n型二次电极和p型二次电极，
其中，所述n型二次电极通过过孔与所述n型一次电极连接，所述p型二次电极通过过孔与所述p型一次电极连接，所述钝化层包括依次层叠在所述外延层上的第一折射率层、第二折射率层以及第三折射率层，所述第二折射率层的折射率大于所述第一折射率层与所述第三折射率层的折射率，所述第二折射率层包括同层布置的多个凸透镜单元，所述凸透镜单元在所述衬底上的正投影呈圆形，在平行于衬底的方向上，每个所述凸透镜单元从中间向边缘厚度逐渐变薄。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述外延层上形成钝化层，包括：
在所述外延层上形成第一折射率膜层；
对所述第一折射率膜层进行图形化处理，以在所述第一折射率膜层上形成第一图形，所述第一图形包括阵列布置的多个圆弧面凹槽；
在所述第一折射率膜层上形成第二折射率膜层；
对所述第二折射率膜层进行图形化处理，以在所述第二折射率膜层上形成第二图形，所述第二图形包括阵列布置的多个圆弧面凸起，所述圆弧面凸起与所述圆弧面凹槽一一对应布置；
在所述第二折射率膜层上形成第三折射率膜层。
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