《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》是安徽三安光電有限公司於2012年6月21日申請的發明專利，該專利申請號為2012102060258，公布號為CN102709421A，專利公布日為2012年10月3日，發明人是鄭建森、林素慧、彭康偉、洪靈願、何安和，該發明涉及一種氮化鎵基發光二極體。
《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》包括：襯底；外延層，形成於該襯底上，其中外延層包含P型層、發光區和N型層；電流擴展層，形成於所述P型層之上；P電極，形成所述電流擴展層之上；其特徵在於：一反射結構形成於所述P電極與所述外延層之間，由環狀反射層和金屬反射層構成，其幾何中心在垂直方向上與P電極對應，其中所述環狀反射層形成於電流擴展層與P型層之間；所述金屬反射層形成於電流擴展層與P電極之間；所述環狀反射層與金屬反射層之間設有一預定距離。該發明通過在LED的外延層與P電極之間增設環狀反射層和金屬反射層，可以有效地取出發光層發出的光線，減少P電極的吸光現象，從而增加出光效率。
2017年6月22日，《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》獲得安徽省第五屆專利獎金獎。
（概述圖為《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體
- 公布號：CN102709421A
- 公布日：2012年10月3日
- 申請號：2012102060258
- 申請日：2012年6月21日
- 申請人：安徽三安光電有限公司
- 地址：安徽省蕪湖市經濟技術開發區東梁路8號
- 發明人：鄭建森、林素慧、彭康偉、洪靈願、何安和
- Int.Cl.：H01L33/10(2010.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
截至2012年6月，藍綠光LED使用的都是基於GaN的III-V族化合物半導體材料；由於GaN基LED外延片的P-GaN層空穴濃度小，且P型層厚度很薄，絕大部分發光從P型層透出，而P型層不可避免地對光有吸收作用，導致LED晶片外量子效率不高，大大降低了LED的發光效率。採用ITO層作為電流擴展層雖可提高透射率，但導致LED電壓要高一些，壽命也受到影響。另外，在外加電壓下，由於存在電流擴散不均勻，一些區域電流密度很大，影響LED壽命。總之，在外部量子效率方面，2012年6月之前的GaN基LED還是顯得不足，一方面與電流非均勻分布有關，另一方面則是與當光發射至電極會被電極本身所吸收有關。
為此，改善LED發光效率的研究較為活躍，主要技術有採用圖形襯底技術、分布電流阻隔層（也稱電流阻擋層）、分布布拉格反射層（英文為Distributed Bragg Reflector，簡稱DBR）結構、透明襯底、表面粗化、光子晶體技術等。
參見圖1，2012年6月之前，在已知的正裝發光二極體結構中，包括襯底100，由下往上堆疊的N型層101、發光區102、P型層103、金屬反射層104、電流擴展層105、P電極106以及設定在N型層101裸露表面上的N電極107。由於金屬反射層104（通常為Al或Ag材料）對光有反射作用，使得發光層發出的光線發射出來，並從側面出光，如光線1a所示；但是仍然有部分光線無法或很難從側面或上面出射，如光線1b所示，因而造成光損失，無法使得發光層發出的光線有效取出，影響了晶片的發光效率。
發明內容
專利目的
《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》提供了一種具有雙反射層的GaN基高亮度LED，其通過在LED的外延層與P電極之間增設環狀反射層和金屬反射層，形成雙反射層結構，可以有效地取出發光層發出的光線，減少P電極的吸光現象，從而增加出光效率。
技術方案
《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》包括：襯底；外延層，形成於該襯底上，其中外延層包含P型層、發光區和N型層；電流擴展層，形成於所述P型層之上；P電極，形成於所述電流擴展層之上；其特徵在於：一反射結構形成於所述P電極與所述外延層之間，由環狀反射層和金屬反射層構成，其幾何中心在垂直方向上與P電極的中心對應，其中所述環狀反射層形成於電流擴展層與P型層之間；所述金屬反射層形成於電流擴展層與P電極之間；所述環狀反射層與金屬反射層之間設有一預定距離。
上述環狀反射層位於部分P型層之上，由一個環狀結構組成，其外邊緣形狀與P電極的外邊緣形狀一致。
上述環狀反射層的環寬為5~50微米。
上述環狀反射層的內環直徑為30~200微米。
上述環狀反射層的外環直徑為50~300微米。
上述金屬反射層的直徑為50~200微米。
上述環狀反射層與金屬反射層之間的預定距離為2~10微米。
上述環狀反射層的厚度為0.5~5微米。
上述環狀反射層為分布布拉格反射層或全方位反射層。
上述環狀反射層由交替的高折射率和低折射率材料層組成，高折射率層材料選自TiO、TiO2、Ti3O5、Ti2O3、Ta2O5、ZrO2或前述的任意組合之一，低折射率層材料選自SiO2、SiNx、Al2O3或前述的任意組合之一。
上述金屬反射層材料可選用鋁（Al）或者是銀（Ag）或者是鎳（Ni）等。
上述襯底材料可選用藍寶石（Al2O3）或者是碳化矽（SiC）或者是矽片（Si）等。 上述電流擴展層材料可選用鎳/金合金（Ni/Au）或鎳/氧化銦錫合金（Ni/ITO）或氧化銦錫（ITO）或氧化鋅（ZnO）或In摻雜ZnO或Al摻雜ZnO或Ga摻雜ZnO中的一種或其組合。
改善效果
（1）《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》通過在LED的外延層與P電極之間增設環狀反射層和金屬反射層，形成雙反射層結構，使得發光層發出的一部分的光線經過環狀反射層的一次反射便從側面出射，還可以使得另一部分原本要射向P電極的光線經過雙反射層的雙層反射後向上出射，進而提升晶片的光取出效率；
（2）環狀反射層又兼具電流阻擋的作用，減少晶片電極下方的電流積聚，進一步提高了晶片的發光效率；
（3）視晶片的尺寸大小和電極分布情況，通過控制環狀反射層的截面積大小，使其與P電極面積大小相適應，可以調整發光層發出的光線向上和側面出射的比例，從而改善晶片的發光分布均勻性。
附圖說明
圖1是2012年6月之前已知的正裝發光二極體結構示意圖。
圖2是《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》實施例1公開的具有雙反射層的氮化鎵基高亮度發光二極體的剖面示意圖。
圖3是該發明實施例1公開的具有雙反射層的氮化鎵基高亮度發光二極體的俯視示意圖。
圖4是該發明實施例2公開的具有雙反射層的氮化鎵基高亮度發光二極體的剖面示意圖。
圖5是該發明實施例2公開的具有雙反射層的氮化鎵基高亮度發光二極體的俯視示意圖。
圖6是該發明實施例3公開的具有雙反射層的氮化鎵基高亮度發光二極體的俯視示意圖。
圖中部件符號說明：100：襯底、101：N型層、102：發光區、103：P型層、104：金屬反射層、105：電流擴展層、106：P電極、107：N電極、200：襯底、201：N型層、202：發光區、203：P型層、204：環狀反射層、205：電流擴展層、206：金屬反射層、207：P電極、208：N電極、209：P擴展電極、210：長條狀環形結構。
權利要求
1.《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》包括：襯底；外延層，形成於該襯底之上，從上至下依次包含P型層、發光區和N型層；電流擴展層，形成於所述P型層之上；P電極，形成於所述電流擴展層之上；其特徵在於：一反射結構形成於所述P電極與所述外延層之間且位於P電極的正下方，由環狀反射層和金屬反射層構成，其幾何中心在垂直方向上與P電極的中心對應，其中所述環狀反射層形成於電流擴展層與P型層之間；所述金屬反射層形成於電流擴展層與P電極之間；所述環狀反射層與金屬反射層之間設有一預定距離，且所述環狀反射層位於所述金屬反射層的正下方，其內環直徑小於或者等於金屬反射層的直徑，外環直徑大於金屬反射層的直徑。
2.根據權利要求1所述的具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體，其特徵在於：所述環狀反射層位於部分P型層之上，由環狀結構組成，其外邊緣形狀與P電極的外邊緣形狀一致。
3.根據權利要求1所述的具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體，其特徵在於：所述環狀反射層為分布布拉格反射層或全方位反射層。
4.根據權利要求1所述的具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體，其特徵在於：所述環狀反射層的環寬為5~50微米。
5.根據權利要求1所述的具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體，其特徵在於：所述環狀反射層的內環直徑為30~200微米。
6.根據權利要求1所述的具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體，其特徵在於：所述環狀反射層的外環直徑為50~300微米。
7.根據權利要求1所述的具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體，其特徵在於：所述金屬反射層的直徑為50~200微米。
8.根據權利要求1所述的具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體，其特徵在於：所述環狀反射層與金屬反射層之間的預定距離為2~10微米。
9.根據權利要求1所述的具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體，其特徵在於：所述環狀反射層的厚度為0.5~5微米。
實施方式
操作內容
下列各實施例公開的一種具有雙層反射層的GaN基高亮度LED，包括：襯底，外延層，電流擴展層，反射結構及P、N電極。
具體來說，襯底可選用材料可選用藍寶石（Al2O3）或者是碳化矽（SiC）或者是矽片（Si）等。對於水平結構的LED器件，選用絕緣性材料；而對於垂直結構的LED器件，則選用導電性材料。
外延層可通過外延生長形成於襯底的表面上，至下而上至少包括N型層，發光層和P型層，還可包括緩衝層、電子阻擋層等，材料可為氮化鎵基半導體材料。
電流擴展層位於P型層上，可選用鎳/金合金（Ni/Au）或鎳/氧化銦錫合金（Ni/ITO）或氧化銦錫（ITO）或氧化鋅（ZnO）或In摻雜ZnO或Al摻雜ZnO或Ga摻雜ZnO中的一種或其組合。
P電極形成於電極擴展層上，用於為發光層提供電流注入。對於水平結構的LED器件，可蝕刻部分的P型層及發光層，露出N型層，N電極形成於裸露的N型層表面上。對於垂直結構的LED器件，N電極則製作在導電襯底的背面。
反射結構位於P電極與P型層之間，由環狀反射層和金屬反射層構成，根據P電極的形狀和位置設定反射結構的位置及大小，其幾何中心在垂直方向上與P電極的中心對應。環狀反射層形成於電流擴展層與P型層之間，可位於電流擴展層底層層內或外延層的頂部表層，至少一個環狀結構組成，形狀可為圓形、方形、三角形、正多邊形等。關於環狀反射層的環狀結構的各個參數，可依據晶片尺寸的小以及具體光學路徑進行調整設計。在某些實施例中，環狀反射層的環寬可為5~50微米，內環直徑為30~200微米，外環直徑為50~300微米，厚度為0.5~5微米。在一些優選實施例中，選用分布布拉格反射層（DBR）或全方位反射層（ODR）作為環狀反射層，其兼具電流阻擋的作用，減少晶片電極下方的電流積聚，進一步提高了晶片的發光效率。金屬反射層形成於電流擴展層上，位於電流擴展層與P電極之間，可含在電流擴展層，也可在電流擴展層上面，與環狀反射層之間的垂直距離為2~10微米，材料可選用鋁（Al）或者是銀（Ag）或者是鎳（Ni）等。
實施案例
- 實施例1
如圖2和圖3所示的一種具有雙反射層的氮化鎵基高亮度發光二極體，包括：藍寶石襯底200、N型層201、發光區202、P型層203、圓環狀的分布布拉格反射層204、電流擴展層205、金屬反射層206、P電極207和N電極208。
具體來說，上述發光二極體結構中最底層為藍寶石襯底200；N型層201，形成於藍寶石襯底200上；發光區202，形成於N型層201上；P型層203，形成於發光區202上；圓環狀的分布布拉格反射層204，形成於P型層203上；ITO電流擴展層205，形成於圓環狀的分布布拉格反射層204及P型層203表面上；Al金屬反射層206，形成於ITO電流擴展層205的表層上；P電極207，形成於Al金屬反射層206上；N電極208，形成於裸露的N型層201上；其中分布布拉格反射層204由交替的高折射率TiO2材料和低折射率的SiO2材料組成，圓環狀的分布布拉格反射層204的內環直徑為80微米，圓環狀的分布布拉格反射層204的外環直徑為130微米；金屬反射層206的直徑為85微米。
在該實施例中的反射結構具有以下特點：（1）金屬反射層在垂直方向上與圓環狀的分布布拉格反射層的環心對應；（2）圓環狀的分布布拉格反射層204的內環直徑小於金屬反射層206的直徑且圓環狀的分布布拉格反射層204的外環直徑大於金屬反射層206的直徑；（3）金屬反射層206的直徑等同於P電極207直徑。通過在LED的P型層203與P電極207之間增設圓環狀的分布布拉格反射層204和Al金屬反射層206，形成雙反射層結構，使得發光層發出的一部分的光線，如光線2a路徑所示，經過圓環狀的分布布拉格反射層204的一次反射便從側面直接出射；還可以使得另一部分原本要射向P電極207的光線經過雙反射層的雙層反射後向上出射，如光線2b路徑所示，進而提升晶片的光取出效率。
上述具有雙反射層結構的氮化鎵基發光二極體，其製作方法包括步驟：
第一步：在藍寶石襯底200上外延生長氮化鎵基發光外延層，包括；N型層201、發光區202、P型層203；
第二步：在P型層203上，通過蒸鍍方式，形成圓環狀的分布布拉格反射層204；
第三步：在圓環狀的分布布拉格反射層204及P型層203表面上，通過蒸鍍方式，形成ITO電流擴展層205；
第四步：在ITO電流擴展層205上，通過濺鍍方式，形成Al金屬反射層206； 第五步：通過光罩、剝離工藝，分別在Al金屬反射層206正上方和裸露的N型層201上製作P電極207和N電極208。
上述製作方法的第二步使得Al金屬反射層206在垂直方向上與圓環狀的分布布拉格反射層204的環心對應；第五步使得金屬反射層位於P電極207的正下方，Al金屬反射層206的直徑等同於P電極207直徑。
- 實施例2
與實施例1相比，該實施例公開了一種垂直結構的具有雙反射層的氮化鎵基高亮度發光二極體。在該實施例，採用Si作為襯底200，N電極208形成於襯底的背面，構成了垂直結構的LED器件結構。
- 實施例3
與實施例1相比，該實施例公開的氮化鎵基LED器件的電極結構還包括擴展電極209，其寬度為10微米，可在擴展電極209正下方設定金屬反射層和環狀反射層，進一步地提高出光效率。金屬反射層可與擴展電極等大，環狀反射層由P電極207下方的圓環形結構204和擴展電極209下方的長條狀環形結構210構成。圓環形結構204與實施例1不同的是：圓環狀的分布布拉格反射層204的內環直徑為80微米，等同於P電極207直徑，長條狀環形結構210的內環直徑為10微米，外環直徑為20微米。
榮譽表彰
2017年6月22日，《一種具有雙反射層的氮化鎵基發光二極體》獲得安徽省第五屆專利獎金獎。
