CN106169528B - 一种发光二极管结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种发光二极管结构及其制作方法，包括：衬底，以及生长在衬底表面的发光外延层和分布布拉格反射层，发光外延层和分布布拉格反射层分别位于衬底两侧，其特征在于：所述衬底的背面具有一系列沙漏状的凹槽结构，且所述分布布拉格反射层形成于所述凹槽结构表面。

Description

一种发光二极管结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种发光二极管结构及其制作方法。

背景技术

发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是半导体二极管的一种，由于其特有的带隙范围，优良的光、电学性质，优异的物理和化学性能，具有寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特征，在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等广泛应用。

目前，制约LED器件的发光效率主要有两方面因素：内量子效率和外量子效率。内量子效率是指将注入的电能转化为光能的效率，目前技术已能达到70~80%，对于外延生长好的芯片其内量子效率甚至能达到90%。外量子效率是指将光能量从芯片中提取出来的效率，目前只有40~50%，仍然存在提升空间。改善LED发光效率的研究较为活跃，主要技术有采用表面（界面）粗化技术、引入布拉格反射层结构、透明衬底技术、衬底剥离技术、倒装芯片技术以及异形芯片技术。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种发光二极管结构及其制作方法。

根据本发明的第一方面，提供一种发光二极管结构，包括：衬底，以及衬底表面的发光外延层和分布布拉格反射层，发光外延层和分布布拉格反射层分别位于衬底两侧，其特征在于：所述衬底的背面具有一系列沙漏状的凹槽结构，且所述分布布拉格反射层形成于所述凹槽结构表面。

优选地，所述凹槽结构呈周期性规则分布。

优选地，所述沙漏状的凹槽结构的深度介于2μm~10μm，宽度介于2μm~10μm。

优选地，所述分布布拉格反射层的厚度介于2μm~4μm。

优选地，所述发光外延层包括第一半导体层、第二半导体层及夹在两层之间的量子阱层。

根据本发明的第二方面，还提供一种发光二极管结构的制作方法，包括工艺步骤：

（1）提供一衬底，并在衬底的上表面形成发光外延层；

（2）采用激光隐形切割工艺，在衬底的背面形成具有一系列沙漏状的凹槽结构；

（3）采用离子束镀膜工艺，沿着所述凹槽结构表面形成分布布拉格反射层。

优选地，所述步骤（2）中激光隐形切割工艺分为两步，先对衬底进行第一次激光隐形切割工艺，形成一系列梯形状的凹槽结构；再将衬底倒置，进行第二次激光隐形切割工艺，形成一系列倒梯形状的凹槽结构，如此制得具有一系列沙漏状的凹槽结构。

优选地，所述激光隐形切割的激光能量介于0.32W~0.9W，激光频率介于15KHz~40KHz。

优选地，所述凹槽结构呈周期性规则分布。

优选地，所述沙漏状的凹槽结构的深度介于2μm~10μm，宽度介于2μm~10μm。

优选地，所述步骤（3）中离子束镀膜工艺的条件：离子束能量介于200W~2000W，镀膜速率介于2Å/s~5Å/s，温度介于150~300℃。

优选地，所述分布布拉格反射层的厚度介于2μm~4μm。

优选地，所述发光外延层包括第一半导体层、第二半导体层及夹在两层之间的量子阱层。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括且不局限于：

本发明在衬底背面采用多次激光隐形切割工艺形成一系列的沙漏状凹槽结构，并采用离子束镀膜工艺形成分布布拉格反射层（DBR），相对于常规的平面结构，当发光外延层将光源出射，该光源经由一系列沙漏状凹槽结构表面并经DBR反射至发光外延层，增加发光面积和出光效率；此外，由于沙漏状的凹槽结构改变了全反射临界角，减少了发生全反射现象，以达到提升发光二极管的光萃取效率，相对于现有的梯形或者三角形凹槽结构会有部分光穿透，部分光散射，小部分光反射导致取光效率较为有限，本发明可形成完整的反射镜全周光微结构，从而达到最佳取光效果。

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为本发明实施例1的发光二极管结构的剖视示意图。

图2~6为本发明实施例2的发光二极管结构的制作工艺流程示意图。

图6为图5中的局部凹槽结构放大示意图。

图7为本发明实施例3的发光二极管结构的剖视示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

如图1所示，一种正装的发光二极管结构，包括衬底、位于衬底上表面的由第一半导体层（N型层）、第二半导体层（P型层）及夹在两层之间的量子阱层（MQW）组成的发光外延层，位于衬底背面的分布布拉格反射层（DBR），位于P型层上的电流扩展层、位于电流扩展层上的P电极（PAD）和位于N型层上的N电极（PAD），以及绝缘保护层（PV），其中衬底的背面具有一系列呈周期性规则分布的沙漏状的凹槽结构，且分布布拉格反射层（DBR）填充于凹槽结构内壁。

在本实施例，衬底优选蓝宝石（Sapphire），上述发光外延层可以通过采用金属有机化合物化学气相沉淀（英文缩写为MOCVD）在蓝宝石（Sapphire）上或通过覆晶技术粘结在散热性衬底上。上述发光二极管为蓝光系发光二极管，发光外延层材料为GaN基化合物，N型层可以是N-GaN层，P型层可以是P-GaN层或P-AlGaN层。

在所述蓝宝石衬底与N型层还可以形成现有技术习知的缓冲层以及不掺杂氮化镓层等；在所述P型层与电流扩展层还可以形成现有技术常用的SiO₂电流阻挡层（CBL）等。

电流扩展层可以选择氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）或前述任意组合之一，本实施例优选ITO；电极一般可直接形成于发光外延层上或是形成于发光外延层上的电流扩展层，用于连通外部电源，激发P-N结发光，本实施例是分别在ITO电流扩展层和N-GaN层上制作P型PAD和N型PAD，从而实现P、N型PAD与发光外延层电性耦合。绝缘保护层（PV）可以选择SiO₂、SiN、Al₂O₃等，本实施例优选SiO₂。

凹槽结构的深度介于2μm~10μm，宽度介于2μm~10μm。分布布拉格反射层的厚度介于2μm~4μm。

如图1的光路示意图所示，由于通过在衬底背面设置一系列的沙漏状凹槽结构并填充分布布拉格反射层（DBR），相对于常规的平面结构，当发光外延层向上下两侧发射光源，该光源经由一系列沙漏状凹槽结构表面并经DBR反射至发光外延层，增加发光面积和出光效率；此外，由于沙漏状的凹槽结构改变了全反射临界角，减少了发生全反射现象，以达到提升发光二极管的光萃取效率。

实施例2

如图2~6所示，本实施例提供一种发光二极管结构的制备方法，其工艺步骤包括：

如图2所示，提供一衬底，优选蓝宝石（Sapphire），采用金属有机化合物化学气相沉淀（英文缩写为MOCVD）发光外延层在蓝宝石（Sapphire）上。发光外延层材料为GaN基化合物，从下至上包括N型层（N-GaN层）、发光层（MQW）以及P型层（P-GaN层）。采用ICP工艺从部分P-GaN层蚀刻至露出部分N-GaN层）表面，在发光外延层之P-GaN层上形成ITO电流扩展层，接着再分别在ITO电流扩展层和N-GaN层上制作P型PAD和N型PAD，从而实现P、N型PAD与发光外延层电性耦合。最后，采用化学气相沉积（CVD）形成SiO₂绝缘保护层（PV）。

如图3所示，采用激光隐形切割工艺，先对Sapphire衬底进行第一次激光隐形切割工艺，形成一系列梯形状的凹槽结构，激光隐形切割的激光能量介于0.32W~0.9W，激光频率介于15KHz~40KHz。

如图4所示，将Sapphire衬底倒置，进行第二次激光隐形切割工艺，形成一系列倒梯形状的凹槽结构，激光隐形切割的激光能量介于0.32W~0.9W，激光频率介于15KHz~40KHz，如此制得具有一系列沙漏状的凹槽结构，沙漏状的凹槽结构的深度介于2μm~10μm，宽度介于2μm~10μm。

如图5和6所示，采用离子束镀膜工艺，可使分子藉由离子动能沿着凹槽结构表面（内壁）形成分布布拉格反射层，厚度介于2μm~4μm。离子束镀膜工艺的条件包括：离子束能量介于200W~2000W，镀膜速率介于2Å/s~5Å/s，温度介于150~300℃。

实施例3

如图7所示，与实施例1不同的是，实施例1的分布布拉格反射层填充于沙漏状凹槽结构但不填满，而本实施例的分布布拉格反射层填满于沙漏状凹槽结构中。由于分布布拉格反射层（DBR）对小角度入射的光的反射效果比较明显，所以仍有一些大角度入射的光会穿透过DBR层，当实施例1用于制作封装体时，一般在芯片的底部设置固晶银胶（图中未示出），如此则穿透DBR层的光线（如图1中光线A）会经固晶银胶反射至沙漏状凹槽结构中的DBR层，可能需要在凹槽结构内壁反射多次方可出射；本实施例用于制作封装体时，穿透DBR层的光线（如图7中光线B）会经固晶银胶反射至填满于沙漏状凹槽结构中的DBR层，避免在沙漏凹槽结构中多次反射而损失光效。相对于现有的梯形或者三角形凹槽结构会有部分光穿透，部分光散射，小部分光反射导致取光效率较为有限，本实施例可形成完整的反射镜全周光微结构，从而达到最佳取光效果。

综上所述，本发明的发光二极管结构及其制作方法设计精神在于：在衬底背面采用多次激光隐形切割工艺形成一系列的沙漏状凹槽结构，并采用离子束镀膜工艺形成分布布拉格反射层（DBR），相对于常规的平面结构，当发光外延层将光源出射，该光源经由一系列沙漏状凹槽结构表面并经DBR反射至发光外延层，增加发光面积和出光效率；此外，由于沙漏状的凹槽结构改变了全反射临界角，减少了发生全反射现象，以达到提升发光二极管的光萃取效率，相对于现有的梯形或者三角形凹槽结构会有部分光穿透，部分光散射，小部分光反射导致取光效率较为有限，本发明可形成完整的反射镜全周光微结构，从而达到最佳取光效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种发光二极管结构，包括：衬底，以及生长在衬底表面的发光外延层和分布布拉格反射层，发光外延层和分布布拉格反射层分别位于衬底两侧，其特征在于：所述衬底的背面具有一系列沙漏状的凹槽结构，且所述分布布拉格反射层形成于所述凹槽结构表面。

2.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述凹槽结构呈周期性规则分布。

3.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述沙漏状的凹槽结构的深度介于2μm~10μm，宽度介于2μm~10μm。

4.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述分布布拉格反射层的厚度介于2μm~4μm。

5.一种发光二极管结构的制作方法，包括工艺步骤：

（1）提供一衬底，并在衬底的上表面形成发光外延层；

（2）采用激光隐形切割工艺，在衬底的背面形成具有一系列沙漏状的凹槽结构；

（3）采用离子束镀膜工艺，沿着所述凹槽结构表面形成分布布拉格反射层。

6.根据权利要求5所述的一种发光二极管结构的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中激光隐形切割工艺分为两步，先对衬底进行第一次激光隐形切割工艺，形成一系列梯形状的凹槽结构；再将衬底倒置，进行第二次激光隐形切割工艺，形成一系列倒梯形状的凹槽结构，如此制得具有一系列沙漏状的凹槽结构。

7.根据权利要求5所述的一种发光二极管结构的制作方法，其特征在于：所述激光隐形切割的激光能量介于0.32W~0.9W，激光频率介于15KHz~40KHz。

8.根据权利要求5所述的一种发光二极管结构的制作方法，其特征在于：所述沙漏状的凹槽结构的深度介于2μm~10μm，宽度介于2μm~10μm。

9.根据权利要求5所述的一种发光二极管结构的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中离子束镀膜工艺的条件：离子束能量介于200W~2000W，镀膜速率介于2Å/s~5Å/s，温度介于150~300℃。

10.根据权利要求5所述的一种发光二极管结构的制作方法，其特征在于：所述分布布拉格反射层的厚度介于2μm~4μm。