发光二极管的制作方法

本发明涉及半导体光电领域，具体涉及一种发光二极管结构。

背景技术：

发光二极管被广泛地用于固态照明光源。相较于传统的白炽灯泡和荧光灯，发光二极管具有耗电量低以及寿命长等优点，因此发光二极管已逐渐取代传统光源，并且应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。为提升发光二极管的发光效率，常在外延叠层的下方设置反射层，此时有源层向下发出的光经由反射层反射回去，增加出光效率。

技术实现要素：

本发明提供了一种发光二极管，其有效提高了发光二极管的外部取光效率。

根据本发明的第一个方面发光二极管，包括：发光外延叠层，包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，具有对应的第一表面和第二表面；透光层，形成于所述发光外延叠层的第二表面上；第一金属层，形成于所述透光层之远离所述发光外延叠层的表面上；第二金属层，形成于所述第一金属层之远离所述发光外延叠层的表面上；所述第一金属层和第二金属层构成镜面结构，定义第一金属层对于所述发光外延叠层发射的光线的反射率为r1，第二金属层对于所述发光外延叠层发射的光线的反射率为r2，第一金属层和第二金属层对于所述发光外延叠层发射的光线的复合反射率为r3，则r1<r2，且(r2-r3)/r2<4%。

在一些实施例中，所述发光外延叠层的发光波长为385~450nm，所述第一金属层和第二金属层的复合反射率为90%以上。

在一些实施例中，所述发光外延叠层的发光波长为365~450nm，所述第一金属层和第二金属层的复合反射率为85%以上。

根据本发明的第二个方面，一种紫外发光二极管，包括：发光外延叠层，包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，具有对应的第一表面和第二表面；透光层，形成于所述发光外延叠层的第二表面上；第一导电层，形成于所述透光层之远离所述发光外延叠层的表面上；第二导电层，形成于所述第一导电层之远离所述发光外延叠层的表面上；所述第一导电层和第二导电层构成镜面结构，所述第一导电层和第二导电层构成镜面结构，定义第一导电层对于所述发光外延叠层发射的光线的反射率为r2，第二导电层对于所述发光外延叠层发射的光线的反射率为r2，第一导电层和第二导电层对于所述发光外延叠层发射的光线的复合反射率为r3，则r1<r2，且(r2-r3)/r2<4%。

根据本发明的第三个方面，一种发光二极管，包括上部和下部，其中所述上部为半导体叠层，从上至下依次包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述下部依次包含绝缘材料层、粘合层和基板，所述下部具有一超出所述上部边缘的边缘部，所述边缘部从上至下至少包含第一绝缘层、金属材料层和第二绝缘层、粘合层和基板。

在一些实施例中，所述半导体叠层的下表面方依次设有该第一绝缘层、金属反射层、金属保护层和第二绝缘层。

优选地，所述金属保护层与所述边缘部的金属材料层的材料相同。在另一些实施例中，所述金属保护层与所述边缘部的金属材料层的材料也可以不相同。

在一些实施例中，所述金属保护层与所述边缘部的金属材料层之间电性隔离。

优选地，所述边缘部的金属材料层位于所述外边缘部的最外侧。

在一些实施例中，所述半导体叠层具有至少一个凹部，该凹部从该半导体叠层的下表面开始，穿过第二半导体层、有源层延伸到第一类型半导体层，所述第一绝缘层覆盖所述凹部的侧壁。

进一步的，所述发光二极管还包含第一导电连接层，其形成在所述第一绝缘层的表面上并填充所述凹部，与第一半导体层形成电性连接；第二导电连接层，其形成于该第一绝缘层和第二绝缘层之间，并与第二半导体层形成电性连接；所述第二导电连接层包含金属反射层和金属保护层。优选地，所述金属保护层与所述边缘部的金属材料层的材料相同。

在一些实施例，所述第二导电连接层还包含导电粘附层，其位于所述金属反射层与所述第一绝缘层之间。

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为本发明第一个实施例之发光二极管的结构示意图。

图2显示了不同材料对于不同波长的光线的反射率曲线图。

图3为本发明第二个实施例之发光二极管的结构示意图。

图4为一个示意图，说明了第二个较佳实施例所述发光二极管的金属反射层的边沿超出了外延叠层的边沿。

图5为本发明第三个实施例之发光二极管的结构示意图。

图6为本发明第四个实施例，显示了一种发光二极管芯片的制作流程。

图7-19为本发明的第四个实施例，简单示意了一种发光二极管的制作过程中各个步骤所呈现的结构示意图。

图20-25本发明的第五个实施例，简单示意了一种发光二极管的制作过程中部分步骤所呈现的结构示意图，其中图23分别显示了第四个实施例和第五个实施例所示发光二极管制作过程中的切割道照片。

图26为本发明第六个实施例之发光二极管的结构示意图。

图27为本发明第七个实施例之发光二极管的结构示意图。

具体实施方式

本说明书的图式中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，且相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

下面结合附图对本发明的发光二极管结构进行详细的描述，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。

实施例1

为达到进一步发光二极管的发光效率，可以在外延叠层与金属反射层之间加入一低折射率的透光材料层，从而构成全方位反射镜，此时有源层向下发出的光线一部分经由透光材料层全反射回去，一部分经由高反射金属镜面层全反射回去，增加出光效率。具体的，根据发光波长选择金属反射层的材料，例如波长360nm以上的光线，ag具有高反射率，而360nm以下的光线（如100-280nm的深紫外光），则al的反射率较高。在一些发光二极管中，采用ag作为反射层，采用绝缘层作为透光材料层，由于ag与绝缘层间的粘附性不佳，因此常需要在ag反射层与绝缘层之间增加ito作为粘附层。然而ito在短波，特别是紫外波段的吸光较为严重，因此该结构较难有效提升紫外发光二极管的亮度。

图1显示了一种发光波长为360~450nm的发光二极管的结构示意图。该发光二极管从上到下可以包括：顶电极191、发光外延叠层110，透明介电层130、第一金属层141、第二金属层142、金属保护层160、键合层170、导电基板180和背电极192。其中发光外延叠层110一般包括n型半导体层111、有源层112和p型半导体层113，外表面可以覆盖一层绝缘保护层150。

具体的，发光外延叠层110的材料根据发光波长进行选择，为了提高电子-空穴的结合效率，有源层112可以具有多量子阱(multplequantumwell)结构。有源层112的组成元素及组成比可以通过下方式确定：能够发出具有要求的波长的光，例如具有350nm～400nm的峰值波长的紫外线光。进一步的，可以在发光外延叠层的下表面增加一透明导电层120，该透明导电层可以半导体材料或者透明导电氧化物，在本实施例中，透明导电层120形成在p型半导体层113的表面上，其材料可选用透明导电氧化物，例如氧化铟锡(ito)、氧化铟(ino)、氧化锡(sno)、氧化锌(zno)、氧化铟锌(izo)等。透光性介电层130形成于透明导电层120的表面上，厚度优选为50nm以上，例如可以为50~500nm，材料对于发光外延叠层110所发的光为透明，例如为氟化镁、氧化镁(mgo)、氧化铝(al2o3)、氧化硅(siox)、氧化钛(tio2)、氧化钽(ta2o5)、氮化硅(sinx)等。该透光性介电层130的内部形成一系列贯彻该透光性介电层130的通孔。第一金属层141形成在透光性介电层130的表面上，其厚度优选为5nm以下，呈现未成膜的状态，第二金属层142形成在第一金属层141的表面上。金属保护层160形成在第二金属层142的下表面，并包覆该第二金属层的侧面，该金属保护层160优选比较稳定的金属材料，例如ti、pt、au、cr或tiw等，用于阻挡第二金属层的扩散，可以为单层或多层结构。键合层170用于将发光外延叠层粘结至导电基板180上，可以是au-au键合、au-in键合等。

在本实施例中，第一金属层141和第二金属层142构成复合反射镜面，其材料可以由导电性优秀的金属物质形成，例如可以包括ag、ni、al、rh、pd、ir、ru、mg、zn、pt、au、hf。尤其，在本实施例中，金属物质可以使用在360-450nm波段中反射率较高的al和ag，其中第一金属层141用于改善介电层130与第二金属层142之间的粘附性，因此第一金属层141优选为与介电层130具有良好的粘附力且不吸光的材料。在本实施例中，介电层130选用氧化硅，第一金属层141选用al，第二金属层142选用ag，其中第一金属层141的厚度优选为1nm以下，呈未成膜状态，如此保证了复合镜面的反射主要是第二金属层的反射为主。在一个变形实施例中，第一金属层也可以使用铑。

图2显示了四种材料在300-430波段的反射率曲线图，如图中可看出，在360-430nm波段区间，al-ag镜面的反射率曲线与ag镜面的反射率曲线基本平行，且两者的差值为4%以内。与ito-ag镜面相对比，al-ag镜面在345-410nm波段的反射率有较明显提升。

表一

表一显示了三种反射结构分别在波长360-450nm波段的反射率，可以看出采用al-ag结构的反射镜面，其复合反射率与ag镜面的反射率相差为4%以内，而与ito-ag镜面的反射率相比，反射率有较大的提升，特别是对于400~360nm的紫外光，其反射率提升达4~9%。

上述发光二极管采用介电层130、第一金属层和第二金属层作为反射结构，在提升亮度的同时，保证了反射镜面与介电层的粘附性。

实施例2

图3显示了另一种发光二极管的结构示意图。与图1所示发光二极管的区别在于：位于发光外延叠层110下方的金属镜面142的面积大于图1所示发光二极管的金属镜面142的面积，更佳的，金属镜面的面积等于发光外延叠层的面积，甚至大于发光外延叠层的面积，如此可以增加发光区域，提升发光亮度。图4显示了发光外延叠层110、介电层130和第二金属层142（即金属镜面层）三者的面积关系，从图中可看出，介电层130的边沿130a超出了发光外延叠层的边沿110a，且达到一定的距离，使得第二金属层142的边沿超出了发光外延叠层的边缘110a。

较佳的，第二金属层的边沿142a与发光外延叠层的边沿110a的距离为0~50微米，例如可以为10-20微米。

实施例3

图5显示了另一种发光波长为360~450nm的发光二极管的结构示意图。该发光二极管从上到下可以包括：发光外延叠层110，透明导电层120、第一透明介电层131、第一金属层141、第二金属层142、金属保护层160、第二透明介电层132、导电连接层270、基板180和电极191、192。

具体的，发光外延叠层110从上至下包含第一半导体层111、有源层112和第二半导体层113，具有至少一个凹部114，该凹部114从该发光外延叠层的下表面开始，穿过第二半导体层113、有源层112延伸到第一类型半导体层111；第一透明介电层131形成在透明导电层120的表面上，并覆盖该凹部114的侧壁，该第一透明介电层131具有一系列的导电通孔133，裸露出透明导电层120的部分表面，第一金属层141形成在该一透明介电层131的表面上，并与裸露出的透明导电层120的表面接触；第二金属层142形成在第一金属层141表面上，与第一金属层141构成复合反射镜面；金属保护层160形成在第二金属层142的表面上，包裹该第二金属层142的侧壁，同时可以裸露出部分表面，用于设置第二电极192，该金属保护层160优选比较稳定的金属材料，用于阻挡第二金属层的扩散，可以为单层或多层结构；第二透明介电层132形成在保护层160之远离所述发光外延叠层的表面上，较佳的可同时覆盖所述凹部114的侧壁，其材料可以和第一透明介电层131的材料相同，也可以不相同，例如可以选用氟化镁、氧化镁(mgo)、氧化铝(al2o3)、氧化硅(siox)、氧化钛(tio2)、氧化钽(ta2o5)、氮化硅(sinx)等，在另一些实施例中，第二透明介电层132没有覆盖凹部114的侧壁；导电连接层270形成在第二透明介电层132的表面上，并填充所述凹部114，与第一半导体层111形成电触，可以包括al、cr或者ag等反射材料，与第一半导体层111接触，同时还包括用于粘合基板180的键合材料。基板180形成在导电连接层270之远离发光外延叠层110的一侧表面上，优选具有良好的散热性能的材料，例如si、cu或者陶瓷等。第一电极191形成在基板180的背侧表面上，通过导电连接层270与第一半导体层111形成电性连接，第二电极192形成在裸露出的金属保护层160的表面上，并通过金属保护层160、第二金属层142、第一金属层141、透明导电层120与第二半导体层113形成电性连接，金属保保护层160与导电连接层270之间通过第二透明介电层132实现电性隔离。其中，第一透明介电层131和共同构成全方位反射结构，其材料、厚度等选取可参考实施例1。

在本实施例中，导电连接层270分别与散热基板180和第一半导体层111连接，构成良好的导热通道，将热量从第一半导体层引向散热基板。由于有源层的激发辐射经由第一半导体层射出，热量容易在第一半导体层堆积，本实施例的导电连接层可以将热量很好地从第一半导体层引出至散热基板。凹部114可以形成在第一半导体层111的下表面，也可以向第一半导体层111延伸并停留在第一半导体层内部，例如在一些具体实施样态中，第一半导体层具有比较薄的厚度（例如2微米以下，甚至更薄），此时凹部114贯穿第二半导体层113、有源层，停留在第一半导体层111的下表面上（邻近有源层的表面）；在另一些具体实施样态中，第一半导体层111具有较大的厚度（例如2微米上以上），此时凹部114优选向第一半导体层111内部延伸，可以更好将从第一半导体层111的热量引出。例如第一半导体层111厚度为2μm~3μm，此时凹部111的在第一半导体层111的内部的深度可以为1微米以上。

实施例4

图6显示了一种发光二极管芯片的制作流程，其基本包括骤s100-s700，图7-19简单示意了不同阶段的结构截面。下面结合附图7-19进行详细说明。

步骤s100：提供一种外延结构，从下到上依次包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，在其表面上定义切割道区、发光区和电极区。具体的，首先提供外延结构，包括生长衬底100及依次形成在其上的发光外延叠层110，该发光外延叠层包括第一半导体层111、有源层112和第二半导体层113，如图7所示。生长衬底110的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅、砷化镓，其表面结构可为平面结构或图案化图结构。当第一半导体层为p型半导体，第二半导体层可为相异电性的n型半导体，反之，当第一半导体层为n型半导体，第二半导体层可为相异电性的p型半导体。有源层可为中性、p型或n型电性的半导体。施以电流通过半导体发光叠层时，激发有源层发光出光线。根据发光波长选择有源层的材料，当以氮化物为基础的材料时，会发出蓝、绿光或紫外光；当以磷化铝铟镓为基础的材料时，会发出红、橙、黄光的琥珀色系的光。接着，在外延结构的上表面上定义切割道区115、发光区116和电极区116，该发光区116一般对应一个芯片，其内部具有一系列凹部图案114，至少包含一个电极区域116，如图8所示。

步骤200：在外延结构的表面上形成一系列凹部114，其贯穿第二半导体113、有源层112，停留在第一半导体层111，较佳地，在发光外延叠层的发光区上形成透明导电层120，如图9所示。

步骤300：在外延结构的表面上形成第一透明介电层131，其同时覆盖切割道区115、发光区116和凹部114的侧壁，在发光区116上形成一系列导电通孔133，如图10所示。

步骤400：在发光区依次形成金属镜面层和金属保护层160，其中金属保护层160向电极区117延伸，覆盖第二电极区的绝缘层。具体的，金属镜面层可以为单层结构也可以为多层结构，其材料优选为高反射有源层发射的光线的材料，例如银镜对于360nm以上的光线具有较高的反射率，铝镜对于360nm以下的紫外光线具有较高的反射率，当采用银镜作为反射镜面时，其与透明介电层131的粘附力较差，此时需要在银镜与透明介电层131之间增加一材料层作为粘附层。在一些实施例中，有源层112的发光波长为400nm以上，选用ag作为金属镜面，同时在ag镜面层142与第一透明介电层131之间增加一ito薄层作为粘附层，以增加ag镜面与第一透明介电层131之间的粘附力。在另一些实施列中，有源层112的发光波长为360-450nm，由于ito在短波段吸光效应严重，此时优选在银镜面层与第一透明介电层131之间增加一铝薄膜层141，铝与绝缘材料的粘附力较佳，且对于短波长光线不具吸光作用，可以兼顾镜面结构的反射率和可靠性；在另一些实施例中，有源层112的发光波长为360nm以下，直接选用铝或者铑作为反射镜面层即可。请参看图11，本实施例以金属镜面层为两层结构为例，其中第一层为铝金属层141、第二层为银金属层，其中铝金属层的厚度为50埃以下，例如1-10埃，银金属层的厚度为1000-5000埃之间，例如2000埃。金属保护层160包覆银金属层142，并覆盖电极区117。

步骤500：制作第二透明介电层132，其覆盖金属保护层160，并向切割道区115延伸覆盖切割道区115上的第一透明介电层131，较佳的，同时覆盖凹部114的表面，如图12所示，此时一般需去除凹部114底部的第一透明介电层和第二透明介电层，裸露出第一半导体层111的表面，如图13所示。

步骤600：在第二透明介电层132上制作导电连接层170，其填充凹部114，与第一半导体层111形成电性连接，在导电连接层170上粘结一基板180，并在基板180的背面制作电极191，如图14所示。

步骤700：进行切割形成led芯片。在本实施例中，还可能包括去除生长衬底、蚀刻去除切割道区和电极区的外延叠层、制作电极等。具体的，首先去除生长衬底100，裸露出第一半导体层111之远离有源层的一侧表面，如图15所示；接着去除切割道区115和电极区117对应的发光外延叠层，裸露出第一透明介电层115，如图16所示；在电极区制作电极192，如图17所示；最后，进行切割、裂片形成单个led芯片。在本实施例中，请参看图18，可先采用激光进行正划，接着背划，然后裂片，形成一系列led芯片，如图19所示。

实施例5

上述发光二极管的制作过程中，在最后进行切割时切割道区115的结构依次为第一透明介电层131、第二透明介电层132、导电连接层170，而第一透明介电层和第二透明介电层的材料常采用绝缘材料，例如氧化硅、氮化硅等，采用激光进行正划时，激光热量积聚容易在绝缘层层从而导致爆点。

基于此，本实施例公开了另一个发光二极管的制作方法，其中步骤s100~s300参考实施例4，图20~24示意了制作过程中部分步骤所呈现的结构示意图，下面结合附图进行细说明。

区别于实施例4的是，本实施例的步骤400中在切割道区115的第一透明介电层131上形成一金属材料层162，该金属材料层162的材料可以和金属保护层160的材料相同，也可以不相同，以简化制程，优选金属材料层162的材料和金属保护层160的材料相同。较佳的，金属材料层162与金属保护层160之间电性隔离，如图20所示。图21简单示意了金属材料层162的分布情况，例如形成在切割道区116的中间区域。图22显示了实施例4所示的切割道和本实施例的切割道的sme照片，从图中可看出，在本实施例中，在切割道的中间形成一金属材料层162。图23显示完成步骤s500以后的截面图，此时外延结构表面上的切割道区115依次有第一透明介电层131、金属材料层162和第二透明介电层132。图24简单示意了完成步骤600以后进行正划、背切的示意图，在进行激光正划时，由于金属的散热性比绝缘层的散热性好，切割道区的金属材料层162可吸收正划激光热能，减少激光划裂热量过高导致的爆点现象。

图25显示了采用上述方法形成的一种发光二极管的结构截面图。该发光二极管与图5所示的发光二极管的结构基本相同，区别在于器件的边缘结构不一样。具体如下：该发光二极管包括发光外延叠层和其下方的材料层，其中下方的材料层具有一超出发光外延叠层的边缘部118，该边缘部118包含有由绝缘材料构成的第一透明介电层131、第二透明介电层132，及夹在第一透明介电层131、第二透明介电层132之间的金属材料层162，该金属材料层162的材料可以同金属保护层160的材料相同，也可以不同。

本实施例中，导电连接层170包含有用于粘合基板180的金属键合层，在切割道填充金属材料层162，可以减少器件边缘区域的金属键合层的空洞率。

实施例6

图26显示了一种发光波长为450nm以上的发光二极管的结构示意图。该发光二极管与图5所示的发光二极管的结构基本相同，区别在于反射镜面的结构不一样。由于发光波长为450nm以上，采用ito-ag结构作为镜面结构，其中ito层143作为粘附层，其厚度优选为10nm以下。

实施例7

图27显示了一种发光波长为360nm以下的发光二极管的结构示意图。该发光二极管与图5所示的发光二极管的结构基本相同，区别在于反射镜面的结构不一样。由于发光波长为360nm以上，直接采用铝反射层141作为镜面，其材料为1000~5000埃之间。

惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。