CN113871519A - 一种发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种发光二极管，包括衬底和半导体叠层，所述半导体叠层包括第一半导体层、第二半导体层以及夹置于第一半导体层和第二半导体层之间的有源层，以及分别与第一半导体层、第二半导体层电性连接的第一电极和第二电极，至少第一电极包括焊盘部和延伸部，其特征在于，所述延伸部下方具有间隔设置的支撑结构，相邻的所述支撑结构之间设置第一凹槽，所述第一凹槽的底部露出衬底。本发明能增大发光二极管整体的反射面积，避免了延伸部遮挡出光的问题，提升发光二极管的光提取效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)由于具有节能环保、安全耐用、光电转化率高、可控性强等特点，被广泛应用于显示器、汽车照明、通用照明背光源等相关领域。
光提取效率是评判发光二极管质量的一项重要指标。现有技术中通常采用正划工艺，并搭配高温侧壁腐蚀工艺，在发光二极管的外延层侧壁腐蚀出一定角度，从而将原本侧面出光反射到正面，提高出光效率。然而侧壁腐蚀形貌和发光区之间会被第一电极阻隔，无法将侧面的光反射至正面，导致提亮工艺无效。
因此，如何提升发光二极管的光提取效率，一直是亟需解决的问题。
说明内容
为了解决上述的技术问题，具体技术方案如下：
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种发光二极管，包括衬底和半导体叠层，所述半导体叠层包括第一半导体层、第二半导体层以及夹置于第一半导体层和第二半导体层之间的有源层，以及分别与第一半导体层、第二半导体层电性连接的第一电极和第二电极，至少第一电极包括焊盘部和延伸部，其特征在于，所述延伸部下方具有间隔设置的支撑结构，相邻的所述支撑结构之间设置第一凹槽，所述第一凹槽的底部露出衬底
优选的，所述第一凹槽中面向有源层的内壁与衬底之间成夹角A，以形成反射面。
优选的，所述半导体叠层的侧壁为倾斜侧壁，且与衬底之间成夹角A，以形成反射面。
优选的，所述夹角A大于0度，小于90度。
优选的，所述延伸部沿着支撑结构的顶面、侧壁、衬底的上表面延伸设置。
优选的，所述延伸部设置于支撑结构上，且悬空设置于衬底上方。
优选的，沿所述第一电极延伸部方向的支撑结构的侧面为倾斜侧面，且与衬底之间成夹角B。
优选的，所述夹角B大于90度，小于180度。
优选的，所述支撑结构的长度至少为3μm。
优选的，所述支撑结构的长度由焊盘部向延伸部的末端逐渐减小或者逐渐增大或者长度相同。
优选的，所述第一凹槽的长度由焊盘部向延伸部的末端逐渐减小或者逐渐增大或者长度相同。优选的，
位于所述第一电极的焊盘部与有源层之间的第一半导体层区域设有第二凹槽。
优选的，所述第二凹槽的底部露出衬底。
优选的，所述第二凹槽为弧状或者块状，且呈连续或者离散设置。
优选的，所述反射面至有源层的距离为0~25μm。
本发明的第二方面提供了制作上述发光二极管的制作方法，至少包括如下步骤：
S1:提供一衬底；
S2：在所述衬底上生长半导体叠层，所述半导体叠层包括所述半导体叠层包括第一半导体层、第二半导体层以及夹置于第一半导体层和第二半导体层之间的有源层；
S3：制作第一电极和第二电极，所述第一电极与第一半导体层电性连接，所述第二电极与第二半导体层电性连接，其中，至少第一电极包括焊盘部和延伸部；
其特征在于，所述延伸部下方具有间隔设置的支撑结构，相邻的所述支撑结构之间设置第一凹槽，所述第一凹槽的底部露出衬底。
优选的，所述第一凹槽通过光罩和蚀刻的方式形成，且具有倾斜的内壁。
优选的，在形成第一凹槽的同时，通过光罩和蚀刻的方式去除焊盘部与有源层之间的第一半导体层，以形成具有倾斜内壁的第二凹槽。
优选的，通过光罩和蚀刻的方式形成具有倾斜面的半导体叠层。
本发明通过在第一电极与有源层之间、以及半导体叠层的侧面制作倾斜的反射面，增大发光二极管整体的反射面积的同时，能有效避免了第一电极遮挡出光的问题，提升发光二极管的光提取效率。
附图说明
图1是现有技术提供的发光二极管的俯视结构示意图；
图2是本发明提供的实施例的第一种发光二极管的俯视结构示意图；
图3是本发明提供的图2的其中一种的线H-H’剖面结构示意图；
图4是本发明提供的图2的G处的放大图；
图5是本发明提供的实施例的第二种发光二极管的俯视结构示意图；
图6是本发明提供的实施例的第三种发光二极管的俯视结构示意图；
图7是本发明提供的实施例的第四种发光二极管的俯视结构示意图；
图8是本发明提供的图2的另一种的线H-H’剖面结构示意图；
图9是本发明提供的实施例的第五种发光二极管的俯视结构示意图；
图10是本发明提供的实施例的第六种发光二极管的俯视结构示意图。
具体实施例
以下实施例将随着附图说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或说明书未描述的元件，可以是熟悉此技术的人士所知的形式。
在以下实施例中，用于指示方向的用语，例如“上”、“下”，“前”、“后”、“左”、和“右”，仅指在附图中的方向。因此，方向性用语是用于说明而不是限制本发明。
图1是现有技术提供的发光二极管的俯视结构示意图；
请参看附图1，现有技术的发光二极管包括衬底、半导体叠层和电极。半导体叠层包括第一半导体层1、第二半导体层3以及夹置于第一半导体层1和第二半导体层3之间的有源层2。电极包括分别与第一半导体层1、第二半导体层3电性连接的第一电极4和第二电极5。
为了提高发光二极管的光提取效率，现有技术采用正划工艺将半导体叠层划开，再通过高温侧壁腐蚀工艺，形成侧壁具有倾斜角度的半导体叠层，从而将原本侧面的出光反射至正面，提高出光效率。然而，侧壁腐蚀工艺形成的半导体叠层的倾斜侧壁6至有源层2的距离较远，具体地，倾斜侧壁6通常形成于半导体叠层的外周。由于倾斜侧壁6形成于半导体叠层的外周，以至于倾斜侧壁6与有源层之间存在第一电极4，而第一电极4会遮挡和吸收来自有源层2发出的侧向光，导致倾斜侧壁6无法将原本的侧向光反射成正向光，使得提亮工艺无效，进而影响发光二极管的出光效率。
因此，本发明针对以上所述问题，设计并提出一种提高光取出效率的一种发光二极管。
实施例1
参看附图2和3，本发明实施例公开的一种发光二极管，包括衬底10和半导体叠层，半导体叠层包括第一半导体层20、第二半导体层40以及夹置于第一半导体层20和第二半导体层40之间的有源层30，以及分别与第一半导体层20、第二半导体层40电性连接的第一电极21和第二电极41。
具体来说，本实施例的衬底10选用Al2O3、SiC、GaAs、GaN、AlN、GaP、Si、ZnO、MnO中的任意一种或者几种的组合。本实施例优选蓝宝石衬底，蓝宝石衬底也可以是图形化蓝宝石衬底（PSS），以改变光的传播路径，提升发光二极管的出光效率。
第一半导体层20和第二半导体层40均可以由多层III-V族化合物半导体层层叠形成，其可以为单层结构或多层结构，可以为p型掺杂或者n型掺杂，p型掺杂杂质类型可以为Mg、Zn、Ca、Sr、或者Ba，n型掺杂杂质类型可以为Si、Ge、或者Sn，本发明不排除其他的元素等效替代的掺杂。当第一半导体层20为n型掺杂时，第二半导体层40为p型掺杂；相反，当第一半导体层20为p型掺杂时，第二半导体层40为n型掺杂。
有源层30夹置于第一半导体层20与第二半导体层40之间。第一半导体层20提供的电子或者空穴与第二半导体层40提供的空穴或者电子在有源层30中复合，有源层30受电压驱动时会发出光线。该光线的颜色取决于有源层30化合物半导体层的材料，具体的辐射波段介于390~950nm，如蓝、绿、红、黄、橙、红外光，有源层30可以为单量子阱或多量子阱结构。
刻蚀部分第二半导体层40至第一半导体层20，露出第一半导体层20表面，在露出的第一半导体层20表面制作第一电极21，在第二半导体层20上制作第二电极41，其中，第一电极21与第二电极41分别偏向半导体叠层的两侧设置。在本实施例中，为了增加半导体叠层的电流均匀性，相应地增加第一电极21和第二电极41的长度。具体地，第一电极21包括焊盘部211和延伸部212，其延伸部212的一端与其焊盘部211连接，另一端由其焊盘部211向第二电极41的方向延伸，使焊盘部211的电流沿着延伸部212进行扩展。同样的，第二电极41也包括焊盘部和延伸部，其延伸部由其焊盘部向第一电极21的方向延伸。通过以上方式增加了第一电极21和第二电极41的面积，提高了半导体层的电流均匀性。相应的，为了制作第一电极21的扩展部212，会牺牲一部分半导体叠层，有源层30的面积会减小，但相比于现有的没有扩展部212的电极结构的发光二极管来说，本实施例仍然具有提升发光亮度的效果。
继续参看附图3，本实施例于第一电极21的延伸部212的下方具有间隔设置的支撑结构22，相邻的支撑结构22之间设置第一凹槽23，第一凹槽23的底部露出衬底10。该支撑结构22实则为第一半导体层20的一部分，以保证延伸部212流出的电流能通过支撑结构22扩展到整个第一半导体层20。
具体地，本实施例的第一凹槽23具有四面内壁，其中，面向并靠近有源层30的内壁制作为倾斜状，且与衬底10之间成夹角A，具体角度A的度数大于0度，小于90度，以形成反射面50，以承担反射侧向光的作用，具体参看附图4；朝向并远离有源层30的内壁可以制作为倾斜状，也可无需制作为倾斜状；剩余相对的两面内壁实质为支撑结构22的侧面。
进一步地，继续参看附图3，第一电极21的延伸部212会沿着支撑结构22的顶面、侧面、衬底10的上表面延伸设置，即延伸部212会跨接不同高度的平面。该支撑结构22的侧面为沿第一电极21延伸部212方向的支撑结构22的侧面。具体地，支撑结构22所在区域，该延伸部212设置于支撑结构22的顶面，而位于第一凹槽23所属区域，延伸部212则贴着衬底10的上表面设置，其余部分的延伸部212沿着支撑结构22的侧面设置，以形成完整的延伸部212。通过以上结构，能保证电流在导通的前提下，使得部分延伸部212位于衬底10的表面，而第一凹槽23的内壁整体是位于延伸部212上方，因此，反射面50也是位于延伸部212上方，且相比于延伸部212，反射面50更靠近有源层30，能在侧向光未到达第一电极延伸部212时，就先一步通过反射面50直接将侧向光反射至正面，避免了第一电极21延伸部212对侧向光的遮挡和吸收，从而提高光提取效率，实现亮度提升的效果。在其他实施例中，第一凹槽23可以具有三面内壁。具体地，面向并远离有源层30的内壁外的部分第一半导体层20全部去除，以形成仅具有三面内壁，具体参看附图5。
进一步地，继续参看附图3，沿第一电极21延伸部212方向的支撑结构22的侧面为倾斜侧面，且与衬底10之间成夹角B，优选夹角B的角度范围大于90度，小于180度。支撑结构22的侧面与衬底10之间的夹角成钝角，能有效的避免第一电极21延伸部212沿着支撑结构22的顶面、侧面、衬底10的上表面延伸设置，而导致的断线情况的发生，从而保证了延伸部212设置的完整性和可靠性。关于支撑结构22的侧面倾斜程度，可通过控制第一凹槽23内壁的倾斜度去调节。
关于第一凹槽23和支撑结构22的长度和数量，可根据实际情况去调整。具体地，第一凹槽23的长度越长，其反射面50的面积就会越大，将侧向光反射至正面的光线便会更多，同理，第一凹槽23的数量越多，其反射面积也越大。但基于制程能力限定，支撑结构22的长度至少为3μm，支撑结构22的长度越短，相应的第一凹槽23的长度越长，反射面50的面积也越大，同理，支撑结构22的数量越少，相应的第一凹槽23的长度也越长，反射面50的面积也越大。进一步地，本实施的第一凹槽23或者支撑结构22的长度可以相同，以利于均匀的将侧向光反射成正向光，避免局部亮度较暗，形成较为明显的反差。进一步地，第一凹槽23的长度由焊盘部211向延伸部212的末端逐渐减小或者逐渐增大；支撑结构22的长度由焊盘部211向延伸部212的末端逐渐减小或者逐渐增大，本实施例不做特别限定。除此之外，该支撑结构22的宽度至少要与第一电极21延伸部212的宽度相同，以保证较良好的电流扩展作用。
半导体叠层的侧壁为倾斜侧壁，且与衬底10之间的夹角成锐角A，具体角度A的度数大于0度，小于90度，以形成反射面50。进一步的，本实施例将现有技术中的半导体叠层的倾斜反射面50至有源层30的距离缩短，具体地，该半导体叠层的倾斜反射面50至有源层30的距离优选0~25μm，以实现更优的反射效果。第一凹槽23的反射面50至有源层30的距离也可设置为0~25μm，具体参看附图6和7。
实施例2
请参考附图8，本实施例与实施例1的区别在于，第一电极21的延伸部212可设置于支撑结构22上，且悬空设置于衬底10上方。由于支撑结构22与第一凹槽23底部存在高度差，在制作第一电极21延伸部212的过程中，延伸部212的存在不紧贴第一凹槽23底部的情况，但其同样能在侧向光未到达第一电极21延伸部212时，就先一步通过反射面50直接将侧向光反射至正面，避免对侧向光的遮挡和吸收，提高光提取效率，实现亮度提升的效果。除此之外，还可以通过缩短支撑结构22的间距，即缩小第一凹槽23的长度，可实现第一电极21的延伸部212设置于支撑结构22上，且悬空设置于衬底10上方的这种结构。为了相对尽可能的增大反射面50的面积，通过增加支撑结构22的数量，且减小支撑结构22的长度，从而形成更多数量的第一凹槽23，提高反射效果，以实现提亮的效果。
实施例3
请参考附图9和10，本实施例与实施例1和2的区别在于，位于第一电极21的焊盘部212与有源层30之间的第一半导体层20区域设有第二凹槽60。该第二凹槽60的底部露出衬底10，且面向有源层30的内壁倾斜设置，其具体结构与第一凹槽23结构相同，进一步增加了反射面50的面积，更有利于将侧面出光反射至正面出光，进而提升光提取率。进一步地，第二凹槽60为弧状或者块状，且呈连续或者离散设置，即为连续弧状或者连续块状或者离散弧状或者离散块状，本实施例优选连续的弧状设置。
实施例4
本实施例提供一种发光二极管的制作方法，至少包括如下步骤：
S1、提供一衬底10；其中，衬底10为图形化蓝宝石衬底；
S2、在衬底10上生长半导体叠层，半导体叠层包括第一半导体层20、第二半导体层40以及夹置于第一半导体层20和第二半导体层40之间的有源层30；
形成第一半导体层20和第二半导体层40的方法没有特别限制，例如金属有机化学气相沉积（MOCVD），分子束外延法（MBE）、卤化物气相外延法（HPVE法）、溅射法，离子镀法，电子喷淋法等。本实施采用常规的MOCVD法制作而成。
S3、制作第一电极21和第二电极41，第一电极21与第一半导体层20电性连接，第二电极41与第二半导体层40电性连接，第一电极21包括焊盘部211和延伸部212；
具体地，先通过刻蚀部分第二半导体层20至第一半导体层10，以形成台阶，再分别于台阶表面和第二半导体层20表面制作第一电极21和第二电极41。其中，刻蚀方法可以为干法蚀刻、湿法蚀刻或者两者的组合。
本发明在第一电极21延伸部212生长之前，在预留的延伸部212下方制作有间隔分布的第一凹槽23，以形成支撑结构22，且第一凹槽23的底部露出衬底10。第一凹槽23是通过光罩和蚀刻的方式形成，且具有倾斜的内壁。例如，第一凹槽23是通过光罩工艺和干法蚀刻的方式形成的，并通过侧壁腐蚀第一凹槽23的侧壁，形成倾斜面。其中，可以采用酸液腐蚀刻蚀出第一凹槽23的蚀刻出倾斜内壁，该酸液可以采用稀释的硫酸和氢氟酸混合液，H2PO3溶液，H2SO4溶液，H2PO3和H2SO4的混合溶液，NaOH溶液及HCl溶液中的一种，腐蚀溶液的温度介于25℃～350℃，能够达到较好的腐蚀效果。
在形成第一凹槽23的同时，可通过光罩和蚀刻的方式去除焊盘部211与有源层30之间的第一半导体层20，以形成具有倾斜内壁的第二凹槽60。例如，第二凹槽60是通过光罩工艺和干蚀刻方式去除焊盘部211与有源层30之间的第一半导体层20形成，并通过侧壁腐蚀第一凹槽23的侧壁，形成倾斜面。而半导体叠层的侧壁通过光罩和蚀刻的方式形成围绕有源层30的反射面50，缩小反射面50至有源层30的距离，优选0~25μm，使得具有较好的反射距离。具体地，半导体叠层可以通过正划或者光罩工艺和干法蚀刻，去除部分第一半导体层20，同时配合侧壁腐蚀半导体叠层的侧壁，形成反射面50。
本发明通过在第一电极21与有源层30之间、以及半导体叠层的侧面制作倾斜的反射面50，增大发光二极管整体的反射面积同时，能有效避免了延伸部212遮挡出光的问题，提升发光二极管的光提取效率，并通过缩小半导体叠层的反射面50至有源层30的距离，以实现更优的反射效果。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.一种发光二极管，包括衬底和半导体叠层，所述半导体叠层包括第一半导体层、第二半导体层以及夹置于第一半导体层和第二半导体层之间的有源层，以及分别与第一半导体层、第二半导体层电性连接的第一电极和第二电极，至少第一电极包括焊盘部和延伸部，其特征在于，所述延伸部下方具有间隔设置的支撑结构，相邻的所述支撑结构之间设置第一凹槽，所述第一凹槽的底部露出衬底。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第一凹槽中面向有源层的内壁与衬底之间成夹角A，以形成反射面。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述半导体叠层的侧壁为倾斜侧壁，且与衬底之间成夹角A，以形成反射面。
4.根据权利要求2或3所述的一种发光二极管，其特征在于，所述夹角A大于0度，小于90度。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述延伸部沿着支撑结构的顶面、侧壁、衬底的上表面延伸设置。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述延伸部设置于支撑结构上，且悬空设置于衬底上方。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，沿所述第一电极延伸部方向的支撑结构的侧面为倾斜侧面，且与衬底之间成夹角B。
8.根据权利要求7所述的一种发光二极管，其特征在于，所述夹角B大于90度，小于180度。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述支撑结构的长度至少为3μm。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述支撑结构的长度由焊盘部向延伸部的末端逐渐减小或者逐渐增大或者长度相同。
11.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第一凹槽的长度由焊盘部向延伸部的末端逐渐减小或者逐渐增大或者长度相同。
12.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，位于所述第一电极的焊盘部与有源层之间的第一半导体层区域设有第二凹槽。
13.根据权利要求12所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第二凹槽的底部露出衬底。
14.根据权利要求12所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第二凹槽为弧状或者块状，且呈连续或者离散设置。
15.根据权利要求2或3所述的一种发光二极管，其特征在于，所述反射面至有源层的距离为0~25μm。
16.一种发光二极管的制作方法，至少包括如下步骤：
S1:提供一衬底；
S2：在所述衬底上生长半导体叠层，所述半导体叠层包括所述半导体叠层包括第一半导体层、第二半导体层以及夹置于第一半导体层和第二半导体层之间的有源层；
S3：制作第一电极和第二电极，所述第一电极与第一半导体层电性连接，所述第二电极与第二半导体层电性连接，其中，至少第一电极包括焊盘部和延伸部；
其特征在于，所述延伸部下方具有间隔设置的支撑结构，相邻的所述支撑结构之间设置第一凹槽，所述第一凹槽的底部露出衬底。
17.根据权利要求16所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，所述第一凹槽通过光罩和蚀刻的方式形成，且具有倾斜的内壁。
18.根据权利要求16所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，在形成第一凹槽的同时，通过光罩和蚀刻的方式去除焊盘部与有源层之间的第一半导体层，以形成具有倾斜内壁的第二凹槽。
19.根据权利要求16所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，通过光罩和蚀刻的方式形成具有倾斜面的半导体叠层。
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