专利名称：发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及具有较高光提取效率的发光二极管。
技术背景由氮化镓基(GaN)半导体材料制成的高效蓝光、绿光和白光发光二极管 (LED)具有寿命长、节能、绿色环保等显著特点，已被广泛应用于大屏幕彩 色显示、汽车照明、交通信号、多媒体显示和光通讯等领域，特别是在照明领 域具有广阔的发展潜力。传统的LED由下至上依次包括蓝宝石基板、电子型(N型)GaN层、InGaN 活性层及空穴型(P型)GaN层。在N型GaN层上设有一电极，在P型GaN 层上设有一透明电极如氧化锡铟(ITO)等。LED处于工作状态时，空穴由透明电极引入P型GaN层，再由P型GaN 层注入到InGaN活性层；电子由电极注入N型GaN层，再由N型GaN层注入 到InGaN活性层；在InGaN活性层中，空穴与电子复合而产生光，该光透过透 明电极发射出LED。然而，现有的LED提取效率(LED释放出的光/活性层中产生的光)较低， 这主要是由于全反射现象与材料对光的吸收引起的。全反射现象的产生是由于 半导体的折射率大于空气的折射率。来自活性层的光在半导体与空气的界面处发生全反射，从而大部分光被限制在LED的内部，直至被LED内的材料完全吸收。为提高LED的提取效率，对LED的结构进行了许多改进，如采用表面微结 构方法、光子循环方法及在蓝宝石基底加反射镜的方法。其中，在透明电极上 设置一维光栅以提高LED提取效率的方法，因其低成本、可复现性及可大面积 制造等优点而具有潜在的商业前景。但是， 一维光栅结构仅能使一个方向的光 几乎全部射出LED,与之垂直的另一方向光仍有全反射现象发生，导致该种结 构的LED的理论提取效率小于25y。。有筌于此，提供一种具有较高提取效率、易于加工的LED是必要的。 发明内容以下以实施例说明一种发光二极管，其包括 一种发光二极管，其包括 一基底； 一反射层设置于上述基底上； 一第一半导体层设置于上述反射层上； 一第二半导体层设置于上述第一半导体层上； 一活性层设置于上述第一半导体 层与第二半导体层之间； 一透明电极设置于上述第二半导体层上，该透明电极 包括一上表面及一下表面，该透明电极的下表面与第二半导体层接触；以及一 第一衍射光栅结构设置于上述透明电极的上表面。该发光二极管进一步包括一 第二衍射光栅结构，该第二衍射光栅结构设置于上述第一半导体层与反射层之间。该第一半导体层与第二半导体层具有相对的极性。该第一半导体层为电子 型氮化镓层、电子型砷化镓层及电子型磷化铜层。该第二半导体层为空穴型氮 化镓层、空穴型砷化镓层及空穴型磷化铜层。第 一衍射光栅结构与第二衍射光栅结构为具有一维周期条紋结构的透射型 光栅。第一衍射光栅结构的条紋与第二衍射光栅结构的条紋之间夹角的角度范 围为大于等于零度且小于等于九十度。占空比约为0.3-0.7。第 一衍射光栅结构与第二衍射光栅结构为具有光栅结构的光学薄膜。第二衍射光栅结构设置于第一半导体层上。该发光二极管的光提取效率为25%至50%。与现有技术相比，本发明实施例的LED中，光栅的周期为波长量级，占空 比(即宽高比)在0.5左右，因此采用传统的干涉光刻技术即可制造。与仅具有 一维光栅的LED相比，该具有双光栅结构的LED，由于第二衍射光栅结构可将 第一衍射光栅结构反射回LED的光线，重新透射出第一衍射光栅结构，因此该 具有双光栅结构的LED的最大提取效率可达到约50%。本发明实施例的LED 在所有涉及半导体光学的领域都有潜在的应用。
图1是本发明第一实施例发光二极管的立体示意图。图2是本发明第一实施例发光二极管的剖面示意图。 图3是本发明第二实施例发光二极管的立体示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。 本发明提供一种发光二极管(LED),其采用双光栅结构以提高提取效率。 具体而言，所述发光二极管主要包括一基底， 一反射层， 一电子型(N型)半 导体层， 一空穴型(P型)半导体层， 一活性层， 一透明电极， 一第一衍射光 栅及一第二衍射光栅。反射层设置于基底上。所述第一衍射光栅设置于透明电 极上，第二衍射光栅设置于N型半导体层与反射层之间。第一衍射光栅与第二 衍射光栅的条紋之间夹角cx的角度范围为0°《a《90° 。第二衍射光栅与反 射层共同作用，可将第一衍射光栅反射回LED的光，经衍射、反射后重新由第 一衍射光栅射出从而提高LED提取效率。通过合理设计第一衍射光栅与第二衍 射光栅的光栅参数，理论提取效率最大可达到约50%。请参阅图1 ,本发明第一实施例提供一种LED 100,其包括一基底110, 一反射层120， 一N型半导体层142, —P型半导体层146, —活性层144， 一 透明电极148， 一第一衍射光栅150及一第二衍射光栅130。反射层120设置于 基底110上，反射层120可沉积于基底IIO表面，也可沉积于第二衍射光栅130 表面。N型半导体层142设置于反射层120上。P型半导体层146设置于N型 半导体层142上。活性层144，设置于N型半导体层142与P型半导体层146 之间。透明电极层148设置于P型半导体层146上，透明电极层148包括一上 表面152及一下表面154，下表面154与P型半导体层146接触。第一衍射光 栅150设置于透明电极148的上表面152，其可为刻蚀于透明电极148上的光 栅结构或附于透明电极148的上表面152的具有光栅结构的光学薄膜。第二衍 射光栅130设置于反射层120与N型半导体层142之间，其可为刻蚀于N型半 导体层142的光栅结构或附于N型半导体层142表面的具有光栅结构的光学薄 膜。第一衍射光栅150与第二衍射光栅130都是具有一维周期条紋结构的透射 型光栅。第一衍射光栅150的条紋与第二衍射光栅130的条紋之间的夹角a为 90° 。子由P型半导体层146注入，电子载流子由N型半 导体层142注入，空穴载流子与电子栽流子在活性层144复合后将能量以光能 的形式释放出来。透明电极层148、 N型半导体层142及P型半导体层146的 材料的折射系数皆高于周围的空气的折射系数，因此，活性层144所发出的光 入射到透明电极层148与空气的交界面时，会有一部分光发生全反射现象而反 射回LED 100内。定义全反射的临界角为6 。 P型半导体层146的材料的折射 率略高于透明电极层148的材料的折射率，因此P型半导体层146的临界角略 小于透明电极层148的临界角，即，可通过P型半导体层146透射的光都可由 透明电极层148透射到空气中，故临界角6的角度是由P型半导体层146的材 料的折射率来确定的。本发明实施例的LED100中，基底110的材料为蓝宝石，还可为砷化镓、 磷化铟、硅、碳化硅、氮化硅等材料。反射层120为银金属层，还可以为铝金 属层。N型半导体层142的材料为N型氮化镓(GaN)，还可为N型砷化镓及 N型磷化铜。P型半导体层146的材料为P型GaN,还可为P型砷化镓及P型 磷化铜。活性层144的材料为氮化铟镓(InGaN),透明电极层148的材料为氧化 铟锡(ITO)。该LED 100发射光的波长分布在455nm附近，P型GaN对455nm 波长的光的折射率为2.46，因此光在第一衍射光栅150发生全反射的临界角6 约为24° 。ITO层的厚度为300nm至400nm。第一衍射光栅150的周期为500nm 至700nm,占空比为0.3至0.7,槽深为100nm至200nm。第二衍射光栅130 的周期为400nm至500nm,占空比为0.3至0.7,槽深为70nm至150nm。定义垂直于透明电极层148表面的方向为Z轴，平行于第一衍射光栅150 的条紋的方向为Y轴，垂直于第一衍射光栅150条紋的方向为X轴。LED 100的活性层144发出的位于XOZ平面内的光，由于第一衍射光栅 150的衍射作用，该光入射角无论是否大于24。临界角都可透射出LED。而位 于YOZ平面内的光，仅有入射角P ,大于等于0°且小于等于24。临界角的光 可射出LEDIOO。入射角P,大于24。临界角的YOZ平面内的光由于全反射作 用而反射回LED 100,然后入射到第二衍射光栅130。第二衍射光栅130与反 射层120组合共同作用类似于一反射光栅。YOZ平面内的光在第二衍射光栅130 与反射层120的共同作用下，大部分光被衍射、反射而再次射向第一衍射光栅150，其中一部分的光被书f射到入射角P2小于24°临界角，从而透射出LED 100。而位于其它平面内的光，越接近XOZ平面就越容易由第一衍射光栅透射 出LED 100，越接近YOZ平面就越容易被第一衍射光栅反射回LED100,再由 第二衍射光栅衍射、反射后再由第一衍射光栅透射出LED100。该LED 100的 提取效率为48.6%。本发明第二实施例提供另一LED200，其包括一基底210, —反射层220, 一N型半导体层242， 一P型半导体层246， 一活性层244, —透明电极248, 一第一衍射光栅250及一第二衍射光栅230。 LED 200的结构与第一实施例的 LED 100的结构相似，其区别在于LED 200中的第 一衍射光栅250与第二衍 射光栅230的条紋之间的夹角为0° 。本发明第二实施例的LED 200的提取效 率为28.6%。同样高于传统^义在透明电极上设置单光4册结构的LED的理论提取 极限效率25%。与现有技术相比较，本发明实施例的LED中，光栅的周期为波长量级，宽 高比在0.5左右，因此采用传统的干涉光刻技术即可方便地制造。该具有双光 栅结构的LED的最大提取效率可达到约50%，同仅有一维衍射光栅的LED相 比，大大地提高了 LED的提取效率。因此，本发明实施例的LED在所有涉及 半导体发光的领域具有广阔的应用价值。另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据 本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1. 一种发光二极管，其包括一基底；一反射层设置于上述基底上；一第一半导体层设置于上述反射层上；一第二半导体层设置于上述第一半导体层上；一活性层设置上述第一半导体层与第二半导体层之间；一透明电极设置于上述第二半导体层上，该透明电极包括一上表面及一下表面，该透明电极的下表面与第二半导体层接触；以及一第一衍射光栅结构设置于上述透明电极的上表面，其特征在于该发光二极管进一步包括一第二衍射光栅结构，该第二衍射光栅结构设置于上述第一半导体层与反射层之间。
2. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该第一半导体层与第 二半导体层具有相对的极性。
3. 如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，该第一半导体层为电 子型氮化镓层、电子型砷化镓层及电子型磷化铜层。
4. 如权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，该第二半导体层为空 穴型氮化镓层、空穴型砷化镓层及空穴型磷化铜层。
5. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，第一衍射光栅结构与 第二衍射光栅结构为具有一维周期条紋结构的透射型光栅。
6. 如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，第一衍射光栅结构的 条紋与第二衍射光栅结构的条紋之间夹角的角度范围为大于等于零度且小于 等于九十度。
7. 如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，第一衍射光栅结构与 第二衍射光栅结构的周期为波长量级，占空比约为0.3-0.7。
8. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，第一衍射光栅结构与 第二衍射光栅结构为具有光栅结构的光学薄膜。
9. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，第二衍射光栅结构设置于第一半导体层上。
10. 如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该发光二极管的光提取效率为25%至50%。
全文摘要
本发明涉及一种发光二极管，所述发光二极管包括一基底；一反射层设置于上述基底上；一第一半导体层设置于上述反射层上；一第二半导体层设置于上述第一半导体层上；一活性层设置于上述第一半导体层与第二半导体层之间；一透明电极设置于上述第二半导体层上，该透明电极包括一上表面及一下表面，该透明电极的下表面与第二半导体层接触；一第一衍射光栅结构设置于上述透明电极的上表面。该发光二极管进一步包括一第二衍射光栅结构，该第二衍射光栅结构设置于上述第一半导体层与反射层之间。该发光二极管将因全反射而限制于其内的光线重新射出，从而提高了该发光二极管的提取效率。
文档编号H01L33/20GK101222009SQ20071007294
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月12日 优先权日2007年1月12日
发明者范守善, 许振丰, 金国藩 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司