发光二极管及发光装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种发光二极管及发光装置。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)为半导体发光元件，包含有不同的发光材料及发光部件，是一种固态半导体发光元件，其核心是具有发光特性的PN结。LED具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。LED已经广泛应用于照明、监控指挥、高清演播、高端影院、办公显示、会议交互、虚拟现实等领域。

为提高光提取效率，通常会将LED的半导体层表面做粗化蚀刻，通常为N型半导体层，常用的湿法蚀刻受溶液批次、溶液寿命、芯片表面状态等影响，粗化深度稳定性较差，粗化深度深浅不易控制，尤其对于N型半导体层较薄的外延结构而言，容易出现粗化偏深，造成漏电等异常。而采用干蚀刻工艺的粗化深度可以控制，稳定性较好，但如图1所示，蚀刻后半导体层表面会产生相对规则的突起颗粒，造成出光面发光角较大，亮度低于湿法蚀刻制程形成的发光二极管。

本发明为解决因干蚀刻等原因造成半导体叠层表面产生突起颗粒而造成出光面发光角较大，发光亮度较低的问题进行相应的技术设计。

需要说明的是，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的问题，本发明一实施例提供一种发光二极管，包括：

半导体叠层，所述半导体叠层包括依次层叠的第一半导体层、发光层和第二半导体层；

所述第一半导体层表面设有突起颗粒，所述突起颗粒的外表面包覆有膜层，多个所述膜层之间相互间隔，所述膜层的折射率r为1≤r≤2.6。

在上述实施例的基础上，进一步的，所述膜层的外表面为朝向发光二极管外表面一侧方向凸出的曲面。

在上述实施例的基础上，进一步的，所述膜层的侧壁与所述膜层底面的夹角β为45°～90°。

在上述实施例的基础上，进一步的，所述膜层采用氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、二氧化钛中的至少一种材料制备而成。

在上述实施例的基础上，进一步的，多个所述膜层之间相互间隔的距离为1～4微米。

在上述实施例的基础上，进一步的，所述突起颗粒的外表面到所述膜层外表面的最短距离d为0.1～1.5um。

在上述实施例的基础上，进一步的，n个所述突起颗粒被1个所述膜层覆盖，其中，1≤n≤3，n为正整数。

在上述实施例的基础上，进一步的，所述第一半导体层为N型半导体，所述第二半导体为P型半导体；或所述第一半导体层为P型半导体，所述第二半导体层为N型半导体。

在上述实施例的基础上，进一步的，所述第一半导体层远离所述发光层一侧的外表面电性连接有第一电极。

在上述实施例的基础上，进一步的，所述第一电极的高度h

在上述实施例的基础上，进一步的，所述第一电极采用金属材料或合金材料制成，所述金属材料为铝、铜、金、镍、钛、铂、铬、锗中的一种，所述合金材料为包含铝、铜、金、镍、钛、铂、铬、锗中的至少两种金属组合。

在上述实施例的基础上，进一步的，所述第二半导体层远离所述发光层一侧的侧面设置有电流扩展层。

在上述实施例的基础上，进一步的，还包括全方向反射镜结构，所述全方向反射镜结构位于所述电流扩展层远离发光层的一侧。

在上述实施例的基础上，进一步的，还包括基板，所述基板的一侧面通过键合层键合在所述第二半导体层远离所述发光层的一侧；所述基板的另一侧面设置有第二电极。

本发明还提供一种发光装置，采用如权上任意所述的发光二极管。

本发明提供的微型发光二极管通过在第一半导体层表面的突起颗粒包裹若干特定折射率的膜层，增大了发光二极管出光面的全反射角，减少由于全反射导致光萃取效率变低的问题，显著提高了发光二极管的发光亮度。

在优选实施例中，膜层的外表面为向发光二极管外表面方向凸出的曲面，形成类似凸透镜结构，能够起到更好的聚光的效果，进一步提高了发光二极管的发光亮度。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分的技术特征和有益效果可以从说明书中显而易见地得出，或者是通过实施本发明而了解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见的，下面描述中的部分附图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它的附图。

图1是采用干法蚀刻进行半导体表面粗化的现有技术微观图；

图2是本发明一实施例提供的发光二极管的结构示意图；

图3是现有技术中干法蚀刻粗化半导体叠层表面的结构示意图；

图4是图2中半导体叠层实施例的结构示意图；

图5是图4中突起颗粒覆盖膜层的结构示意图；

图6是实施例2的半导体叠层结构示意图；

图7是实施例3的半导体叠层结构示意图；

图8是本发明另一实施例提供的发光二极管的结构示意图。

附图标记：

100-第一半导体层；200-发光层；300-第二半导体层；110-突起颗粒；120-膜层；410-第一延伸电极；420-第一焊盘电极；411-第一欧姆接触层；500-电流扩展层；511-第二欧姆接触层；512-导电通孔；610-透明介质层；620-反射层；700-基板；710-键合层；720-第二电极；800-绝缘层

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。

实施例1

本发明一实施例提供一种发光二极管，参考图2，包括：

半导体叠层，所述半导体叠层包括依次层叠的第一半导体层100、发光层200和第二半导体层300；

其中，在一些实施例中，第一半导体层100可以为N型半导体层，在电源作用下可以向发光层200提供电子。优选的，第一半导体层100包括N型掺杂的氮化物层、砷化物层或者磷化物层，N型掺杂的氮化物层、砷化物层或者磷化物层可包括N型杂质，N型杂质可以包括Si、Ge、Sn中的一种或其组合。第一半导体层100可以是单层结构，也可以是多层结构，该多层结构具有不同的组成。第二半导体层300可以为P型半导体层，在电源作用下可以向发光层200提供空穴。在一些实施例中，第二半导体层300包括P型掺杂的氮化物层、砷化物层或者磷化物层。P型掺杂的氮化物层、砷化物层或者磷化物层可包括一个或多个的P型杂质，P型杂质可以包括Mg、Zn、C中的一种或其组合。第二半导体层300可以是单层结构，也可以是多层结构，该多层结构具有不同的组成。此外，在另一些实施例中，第一半导体层100可以为P型半导体层，第二半导体层300可以为N型半导体层。

发光层200可以为量子阱结构(Quantum Well，简称QW)。在一些实施例中，发光层200也可以为多重量子阱结构(Multiple Quantum Well，简称MQW)，其中多重量子阱结构包括以重复的方式交替设置的多个量子阱层(Well)和多个量子阻障层(Barrier)，例如可以是GaN/AlGaN、InAlGaN/InAlGaN、InGaN/AlGaN、AlGaInp/AlGaInP或者AlInGaAS/AlGaAs的多量子阱结构。此外，发光层200内的阱层的组成以及厚度决定生成的光的波长。为了提高发光层200的发光效率，可通过在发光层200中改变量子阱的深度、成对的量子阱和量子势垒的层数、厚度和/或其它特征来实现。

本实施例中优选半导体外延叠层为AlGaInP基或者GaAs基材料组成。

具体方案中，所述第一半导体层100远离所述发光层200一侧的外表面电性连接有第一电极，优选的，第一电极包括第一延伸电极410，也可以同时包括第一焊盘电极420，而第一延伸电极410可以通过第一欧姆接触层411与第一半导体层100欧姆接触；其中，所述第一延伸电极410为金属材料或合金材料，所述金属材料为铝、铜、金、镍、钛、铂、铬、锗中的一种，所述合金材料为包含铝、铜、金、镍、钛、铂、铬、锗中的至少两种金属组合；所述第一欧姆接触层411的材料为GaAs。

进一步的，发光二极管还包括用于键合的基板700，具体且优选的，在发光二极管的制备工艺实施例中，先提供发光二极管元件的半导体叠层，如图2所示，所述半导体叠层包括第一表面S1和与所述第一表面S1相对的第二表面S2，所述第一表面S1相对所述第二表面S2更接近所述第一半导体层100；将所述半导体叠层第二表面S2通过键合层710键合转移至基板700上后，再除掉发光二极管元件半导体叠层的原外延生长衬底，即完成所述基板700与半导体叠层的键合。

所述基板700为导电基板，采用导电材料制成，优选金属导电材料活，也可以选用具有导电性能的GaP、SiC、Si、GaAs作为导电基板；还包括第二电极720设置在所述基板700的底侧，并通过所述基板700与所述第二类型半导体层300电性连接。

一般而言，会在对LED的第一半导体层100表面进行粗化，蚀刻的方式有湿法蚀刻和干法蚀刻；其中，采用湿法蚀刻在第一半导体层100表面形成粗化，从而提高光的提取效率，但由于湿法蚀刻受溶液批次、溶液寿命、芯片表面状态等影响粗化深度稳定性较差，粗化深度深浅不易控制尤其对于N型半导体层较薄的外延结构而言，容易出现粗化偏深，造成漏电等异常；而采用干蚀刻工艺的粗化深度可以控制，稳定性较好，但蚀刻后半导体层表面会产生相对规则的突起颗粒，如图3所示，造成出光面发光角较大，发生全反射，发光二极管的亮度低于湿法蚀刻制程。为了兼具湿法蚀刻以及湿法蚀刻的优点，进行以下发明构思的设计：

以干法蚀刻为实施例，参考图2和图4，第一半导体层100表面设有突起颗粒110，所述突起颗粒110的外表面包覆有膜层120，多个所述膜层120之间相互间隔，所述膜层120的折射率r为1≤r≤2.6；优选的，折射率r为也可以限定为1≤r≤2；具体的，所述膜层120采用氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、二氧化钛中的至少一种材料制备而成。由于干法蚀刻形成的突起颗粒110相对规则，采用蒸镀等现有技术将突起颗粒110包裹采用膜层120包覆，包覆的膜层120同样也会保持相对规则的相貌，本实施例中包覆了突起颗粒110的膜层120之间相互间隔，能够继续保证第一类型半导体层100具有粗化表面，提高发光二极管的光萃取效率；同时，本实施例限定膜层120折射率r为1≤r≤2.6，处于空气和半导体叠层之间，参考图4的反射光线，通过增加中间折射率的膜层120，能够增大全反射角，减少由于全反射导致光萃取效率变低的问题。

在一具体实施例中，可以参考图2、4和图5，所述膜层120的外表面为朝向发光二极管外表面一侧方向凸出的曲面，起到凸透镜聚光的效果，能够将发光层发射出的大角度光进行汇聚集中，在减少大角度的全反射之后，对大角度光再进行汇聚，能够显著增强出光方向面的轴向亮度和强度。

更优选的方案中，如图5所示，所述膜层120的侧壁与所述膜层120底面的夹角β为45°～90°，该角度保证膜层120对突起颗粒110的包覆性，同时保证膜层120的聚光效果，若β＜45°，膜层120对突起颗粒110顶部边缘位置(参考图5所示位置A)的包裹性变差；β＞90°，聚光效果变差。

较佳的，多个所述膜层120之间相互间隔的距离为1～4微米，膜层120之间的距离需要保持一定间距，若间隔过小，可能造成从一个膜层120折射的光线进入另一个膜层120，在另一个膜层120表面发生二次折射，无法发展发光二极管的聚光效果，而间隔过大，也会降低膜层120对突起颗粒110顶部边缘位置的包裹性(图5所示位置A)。更具体的，所述突起颗粒110的外表面到所述膜层120外表面的最短距离d为0.1～1.5um。

在本发明的设计方案中，n个所述突起颗粒110被1个所述膜层120覆盖，其中，1≤n≤3，这是由于个数n增多会使膜层120的弧度效果变差，影响膜层120的透镜效果；如图2和图4所示，本实施例中，n＝1。

在本实施例中，还可以优选设置所述第一电极的高度h1和所述膜层120的高度h2之比g1：g2＝1～4：1，可参考如图4所示的光路，第一电极的高度不低于膜层120的高度，通过第一电极侧壁的反射作用，能够对光路起到一定的轴向汇聚作用。

更具体的，参考图2，还包括绝缘层800，所述绝缘层800覆盖所述第一半导体层100的上表面边缘部分以及半导体叠层的侧壁。

除此之外，本领域技术人员可以在本发明涉及构思以及该实施例的基础上，增加其它发光二极管的结构特征，或者相应结构的部位进行适应性调整，对在此不做赘述。

实施例2

本实施例和实施例1的区别在于，采用2个所述突起颗粒110被1个所述膜层120覆盖，具体参考图6所示，即n＝2的情况。

实施例3

本实施例和实施例1的区别在于，采用3个所述突起颗粒110被1个所述膜层120覆盖，具体参考图7所示，即n＝3的情况。

实施例4

参考图8，本实施例在实施例1的基础上，在第二半导体层300远离所述发光层200一侧的侧面设置有电流扩展层500。优选的，由于电流扩展层500存在吸光的问题，通过所述电流扩展层500形成通孔，通孔贯穿所述电流扩展层500至所述第二半导体层300，可限制电流的走向和减少电流扩展层500的吸光，从而提升发光二极管的发光亮度。

在一些实施例中，还包括全方向反射镜结构，所述全方向反射镜结构(ODR)包括了透明介质层610和反射层620，二者可以通过黏附层进行结合；

其中，反射层620在金属键合层710上侧并更靠近半导体外延叠层的一侧，反射层620具有70％以上的反射率，由包含Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Ti、Cr、Zn、Pt、Au以及Hf中的至少一个的金属或者合金形成。本实施例中，优选所述反射层620为Au或者Ag。该反射层620能够反射半导体外延叠层朝向基板700一侧辐射的光线返回至半导体外延叠层，并从出光侧辐射出去；

透明介质层610，位于所述电流扩展层500远离发光层200的一侧，位于半导体外延叠层与反射层620之间，透明介质层610覆盖所述电流扩展层500的表面以及电流扩展层500上的通孔。所述透明介质层610为氟化物或氧化物或氮化物，具体的如ZnO、SiO

除此之外，本领域技术人员可以在本发明涉及构思以及该实施例的基础上，增加其它发光二极管的结构特征，或者相应结构的部位进行适应性调整，对在此不做赘述。

实施例5

在实施例1的发明构思基础上，本发明提供一种发光装置的实施例，该发光装置采用如权上任意实施例以及组合方案的发光二极管；发光装置可为植物照明装置，舞台灯或者投影仪或者显示屏。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。