专利名称：发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光领域，尤其涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术：
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，应用 于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。在公告号为CN100461472C的中国专利中公开了一种发光二极管，参考图1，示出 了所述专利发光二极管一实施例的示意图，所述发光二极管包括衬底101、位于衬底101 上的二氧化硅层102、位于二氧化硅层102上的缓冲层103、位于缓冲层103上的多量子阱 有源层104、位于多量子阱有源层104上的限制层105、位于限制层105上的包层106以及 位于包层106上的接触层107，其中所述二氧化硅层102包括相互平行、宽度渐变的第一三 角形二氧化硅层和第二三角形二氧化硅层，所述第一三角形二氧化硅层和第二三角形二氧 化硅层是通过先沉积二氧化硅材料，然后沿二氧化硅材料的(011)晶向光刻并腐蚀而得到 的；所述多量子阱层104是在选择区域形成的，并且所述多量子阱层104是通过化学气相沉 积方法形成的金属有机物，可作为增益介质，在使发光二极管在大的输出光功率下仍然保 持较宽的输出光谱范围。上述专利的技术方案中，发光二极管可同时实现宽光谱、大功率的特性，但是由于 多量子阱有源层发出的光需要经过限制层、包层等才能到达出光面，光透过率较低，造成发 光二极管的光利用率较低。尤其对于衬底为透光材料的发光二极管，多量子阱有源层发出的光还会经过透明 衬底从发光二极管背面出射，进一步造成发光二极管的光利用率较低。随着人们环保节能意识的增强，如何提高发光二极管的光利用率，使发光二极管 具有高亮度、低功耗的特点，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种发光二极管，提高发光二极管的光利用率。为了解决上述问题，一种发光二极管，包括蓝宝石衬底；依次位于蓝宝石衬底上 方的缓冲层、有源层、帽层；所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟槽的深度至少自所述 帽层延伸至缓冲层顶部；所述发光二极管还包括位于所述沟槽内的透光元件。还包括位于所述蓝宝石衬底下方的抗反射层。所述沟槽侧壁与沟槽底部夹角为120° 150°。所述透光元件在发光二极管光出射方向上包括透镜结构。还包括位于蓝宝石衬底和缓冲层之间的外延层。还包括位于帽层上方的接触层。所述接触层在发光二极管的光出射方向上包括透镜结构。还包括第一电极、第二电极、第二电极连接件，其中，所述接触层上包括多个透镜，第一电极位于接触层上处于透镜结构之间，所述第一电极包括用于连接电源正极的第一电 极连接端，第二电极位于沟槽底部，所述发光二极管还包括深度自帽层延伸至缓冲层的开 口，用于容纳第二电极连接件，所述第二电极连接件用于连接第二电极和电源负极。 所述透光元件的透镜结构在光出射方向上涂覆有荧光粉。所述接触层的透镜结构在光出射方向上涂覆有荧光粉。相应地，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，包括提供蓝宝石衬底；在所 述蓝宝石衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层；形成至少自帽层延伸至缓冲层层顶部的 沟槽；向沟槽内填充透光材料。所述缓冲层包括N型掺杂的氮化镓；有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱 有源层包括氮化铟镓；所述帽层包括P型掺杂的氮化镓。还包括在所述蓝宝石衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层之后，在所述蓝宝石 衬底下方采用旋转涂敷的方式形成抗反射层，所述抗反射层材料为氧化钡。还包括在形成缓冲层之前，在所述蓝宝石衬底上形成外延层，所外延层为采用金 属有机化合物化学气相淀积方法形成的氮化镓薄膜。在形成帽层之后，形成沟槽之前，还要在帽层上形成接触层，所述接触层包括P型 掺杂的氮化镓。在形成接触层之后，在接触层上形成透镜结构。形成透镜结构的步骤包括在接触层上通过光刻形成多个圆形光刻胶台；对所述 圆形光刻胶台在150°C 200°C温度下进行烘烤，使所述圆形光刻胶台成为球冠状光刻胶； 以所述球冠状光刻胶为掩膜，离子束刻蚀所述接触层形成多个透镜结构。向沟槽内填充透光材料，在温度为150°C 200°C范围内，高温烘烤所述透光材 料，使所述透光材料的顶部呈透镜结构，形成包括透镜结构的透光元件。所述透光材料为环氧树脂。还包括在形成沟槽的同时，形成深度延伸至缓冲层顶部的开口 ；在形成沟槽之后， 填充透光材料之前，在沟槽底部形成第二电极，同时在开口底部形成第二电极连接件。还包括在接触层的透镜结构上涂敷荧光粉。还包括在透光元件的透镜结构上涂敷荧光粉。与现有技术相比，本发明具有以下优点所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟 槽的深度延伸至缓冲层；以及填充于所述沟槽内的透光元件，有源层发出的光可以通过透 光元件到达发光二极管的出光面，由于透光元件的光透过率较高，所以，所述发光二极管的 光利用率较高；此外，所述发光二极管包括蓝宝石衬底以及位于蓝宝石衬底下方的抗反射层，透 过蓝宝石衬底的光由抗反射层反射至发光二极管的出光面，进一步提高了发光二极管的光 利用率较高。
图1是现有技术发光二极管一实施例的示意图；图2是本发明发光二极管一实施例的示意图；图3是图2所示第二电极一实施例的示意图4是本发明发光二极管制造方法一实施方式的流程示意图；图5至图10是本发明发光二极管制造方法的一实施例的剖面结构示意图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。如背景技术所说，现有技术的发光二极管由于位于有源层上方的多层膜结构透光 率较低，造成发光二极管光利用率不高的问题。针对上述问题，本发明提供一种发光二极管，所述发光二极管包括蓝宝石衬底； 依次位于蓝宝石衬底上方的缓冲层、有源层、帽层；深度延伸至缓冲层的沟槽以及填充于所 述沟槽内的透光元件，其中，有源层发出的光经过所述透光元件到达发光二极管的出光面， 由于所述透光元件的光透过率较高，提高了所述发光二极管的光利用率。参考图2，示出了本发明发光二极管一实施例的示意图，所述发光二极管为以蓝宝 石(sapphire)为衬底的发光二极管，所述发光二极管为氮化镓基的蓝光二极管，包括抗反射层200，位于蓝宝石衬底201的底部，用于反射透过蓝宝石衬底201的光，将 透过蓝宝石衬底201的光反射到发光二极管的出光面，以提高发光二极管的光利用率。外延层202，位于蓝宝石衬底201上方，用于改善蓝宝石衬底201与氮化镓材料之 间晶格常数失配的问题，以获得更适用于生长氮化镓的表面，所述外延层一般采用低温条 件下生长的氮化镓薄膜。依次位于外延层202上方的缓冲层203、有源层204和帽层205，所述缓冲层203、 有源层204和帽层205构成发光二极管的管芯，其中缓冲层203包括N型掺杂的氮化镓，有 源层204包括多量子阱有源层，具体地，所述多量子阱有源层为氮化铟镓，用于发出波长为 470nm的蓝光，帽层205包括N型掺杂的氮化镓。接触层206，位于帽层205上方，用于实现发光二极管的管芯与电极的电连接，所 述接触层206在发光二极管的光出射方向上具有多个透镜结构。所述发光二极管包括多个沟槽，所述沟槽自接触层206延伸至缓冲层203，所述沟 槽侧壁与沟槽底部夹角为120° 150°。较佳地，所述夹角为135°。所述发光二极管还包括开口 213，所述沟槽自接触层206延伸至缓冲层203，所述 开口 213的侧壁与开口底部夹角为120° 150°。较佳地，所述夹角为135°。所述发光二极管还包括位于沟槽底部的第二电极211和位于开口底部的第二电 极连接件207，所述第二电极连接件207用于连接第二电极211和电源负极。所述发光二极管还包括位于所述沟槽内第二电极211上的透光元件210，由于沟 槽延伸至缓冲层203，所以透光元件210延伸至缓冲层203，那么位于缓冲层203上的有源 层204发出的光可通过透光元件210到达发光二极管的出光面，由于透光元件由透光材料 制成具有高透光率，从而提高了发光二极管的光利用率。例如，从有源层A点发出的光，通 过透光元件210到达出光面的D点，具体地，所述透光材料包括环氧树脂。此外，由于沟槽侧壁与沟槽底部夹角为120° 150°，所以所述透光元件210的 侧壁与底面夹角为120° 150°，所述透光元件210的侧壁可将有源层204发出的光反射 到发光二极管的出光面，进一步提高了发光二极管的光利用率。例如，从有源层A点发出的光，投射到透光元件210侧壁上的点B，之后经侧壁反射后到达出光面的C点。较佳地，所述透光元件210在发光二极管的出光面上也包括透镜结构。接触层206和透光元件210在发光二极管出光面上的透镜结构用于会聚光线，可 以提高发光二极管的亮度。所述发光二极管还包括位于接触层206上的第一电极212，所述接触层206包括多 个透镜结构，所述第一电极211位于透镜结构之间，所述第一电极211还包括用于连接电源 正极的第一电极连接端。参考图3，示出了图2所述发光二极管沿00’的剖面示意图，位于沟槽底部的第二 电极207围绕缓冲层203实现电连接，同样地，围绕缓冲层203与位于开口底部的第二电极 连接件207电连接。与第二电极类似的电连接方式，第一电极212围绕透镜结构实现电连接。
所述发光二极管还包括涂覆于透光元件210的透镜结构和/或接触层206的透镜 结构上的荧光材料，所述荧光材料包括Ce3+:YAG，用于获得蓝光。所述发光二极管用于发光时，通过第一电极连接端第一电极连接至电源的正电 极、将第二电极连接件连接至电源的负电极。发光二极管管芯通过接触层、第一电极、第一 电极连接件与电源正电极相连，通过第二电极、第二电极连接件与电源负电极相连。发光二 极管管芯中的有源层在电流作用下发光，有源层发出的光一方面透过透光元件到达发光二 极管管的出光面，另一方面透过管芯结构及接触层到达发光二极管的出光面，由于透光元 件的透光率高，提高了光利用率；此外，透过蓝宝石衬底的光由抗反射层反射至发光二极管 的出光面，进一步提高了光利用率。此外，位于出光面的透镜结构可以会聚光线，提高了发光二极管的亮度。相应地，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，参考图4，示出了本发明发光 二极管制造方法一实施方式的示意图，包括以下步骤sl，提供蓝宝石衬底；s2，在所述蓝宝石衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层；S3，形成至少自所述帽层延伸至缓冲层顶部的沟槽；s4，向沟槽内填充透光材料。图5至图11是本发明发光二极管制造方法的一实施例的剖面结构示意图。参考图5，执行步骤sl，提供蓝宝石衬底302，由于蓝宝石衬底302可以透光。参考图6，执行步骤s2，较佳地，为了在蓝宝石衬底302上方更好的形成发光二极 管的管芯，在所述蓝宝石衬底302上依次形成外延层303、缓冲层304、多量子阱有源层305、 帽层306。其中，外延层303用于改善蓝宝石衬底302与氮化镓材料之间晶格常数失配的问 题，包括低温下形成的氮化镓薄膜，所外延层为采用金属有机化合物化学气相淀积方法低 温条件下形成的氮化镓薄膜。具体地，先在60(TC温度下生长之后再90(TC温度下生长，形 成氮化镓薄膜。缓冲层304包括N型掺杂的氮化镓材料，所述多量子阱有源层305包括氮化铟镓， 所述帽层306包括P型掺杂的氮化镓。在形成帽层306之后，在帽层306上方形成接触层307，用于实现发光二极管的管芯与电源的电连接，所述接触层307包括P型掺杂的氮化镓。较佳地，所述接触层307上形 成透镜结构(如图7所示)，所述形成透镜结构的方法包括首先，在接触层307上形成厚 度为2 4μπι，直径为50 200 μ m圆形光刻胶台；之后，在温度为150°C 200°C范围内， 对所述圆形光刻胶台烘烤，所述圆形光刻胶台在高于光刻胶的玻璃软化温度下， 由于表面 张力的作用形成球冠状；最后以所述球冠状的光刻胶为掩膜，对所述接触层307进行离子 束刻蚀，形成厚度为3 5 μ m的透镜结构。由于蓝宝石衬底302透光，为了提高光利用率，较佳地，在形成发光二极管的管芯 之后，在所述蓝宝石衬底302下方形成抗反射层301，通常采用旋转涂敷的方式在蓝宝石衬 底302的下方涂敷反射层材料，之后通过烘干工艺形成抗反射层301，所述抗反射层301的 材料为氧化钡，所述抗反射层301可以将透过蓝宝石衬底302的光反射至发光二极管的光 出射面。参考图8，执行步骤s3，所述沟槽310的开口朝向出光面，在本具体实施例中，沟槽 310的底部位于缓冲层304内，这样可以保证有源层305所发出的光入射至沟槽310内。此 夕卜，所述沟槽310侧壁与底部的夹角θ为120° 150°，较佳地，所述夹角θ为135°，所 述沟槽的侧壁可将有源层发出的光反射到出光面。在形成沟槽的同时，还在发光二极管边缘处形成开口 313，所述开口 313深度延伸 到缓冲层304。具体地，采用干刻方法形成所述沟槽310和开口 313。在形成沟槽310之后，向沟槽310内填充透光材料之前，在沟槽310底部形成第 二电极308，并且同时在开口底部形成第二电极连接件312(如图9所示)。所述第二电极 308与第二电极连接件312相互电连接，所述第二电极308和第二电极连接件312采用钛、 镍、金等导电材料形成，通过先沉积导电材料、之后光刻和蚀刻的方法形成第二电极308和 第二电极连接件312。参考图10，执行步骤s4，向沟槽内填充透光材料，形成透光远见，其中所述透光材 料为环氧树脂。在本实施例中，填充好透光材料后，还包括在温度为150°C 200°C范围 内，高温烘烤所述透光材料，使所述透光材料在发光二极管的光出射方向上包括透镜结构。所述发光二极管包括多个透镜结构，所述方法还包括形成在接触层307上、位于 透镜结构之间的第一电极310，所述第一电极310包括第一电极连接端311。所述第一电极 310的材料为金、镍等导电材料，通过在透镜结构309之间的接触层上沉积导电材料，然后 通过光刻和蚀刻的方法形成第一电极310。所述方法还包括在接触层的透镜结构、透光元件的透镜结构上涂敷荧光材料(图 未示)，具体地，所述荧光材料为Ce3+:YAG。需要说明的是，上述实施例以蓝色发光二极管为例，但是本发明并不限制于此，上 述实施例还可以是红色发光二极管、黄色发光二极管，本领域技术人员可以根据上述实施 例，对本发明进行修改、替换和变形。综上，本发明提供了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括延伸至 有源层的透光元件，有源层发出的光一方面可以透过透光元件到达发光二极管的出光面， 另一方面，发光二极管包括蓝宝石衬底和位于蓝宝石衬底下方的抗反射层，透过蓝宝石衬 底的光可由抗反射层反射至发光二极管的出光面，提高了光利用率。
此 外，发光二极管还包括位于出光面的透镜结构，用于会聚光线，提高了发光二极
管的亮度。虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应 当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种发光二极管，其特征在于，包括蓝宝石衬底；依次位于蓝宝石衬底上方的缓冲层、有源层、帽层；所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟槽的深度至少自所述帽层延伸至缓冲层顶部；所述发光二极管还包括位于所述沟槽内的透光元件。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括位于所述蓝宝石衬底下方的 抗反射层。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述沟槽侧壁与沟槽底部夹角为 120° 150°。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述透光元件在发光二极管光出射 方向上包括透镜结构。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括位于蓝宝石衬底和缓冲层之 间的外延层。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括位于帽层上方的接触层。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述接触层在发光二极管的光出射 方向上包括透镜结构。
8.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，还包括第一电极、第二电极、第二电 极连接件，其中，所述接触层上包括多个透镜结构，第一电极位于接触层上处于透镜结构之间，所述第一电极包括用于连接电源正极的第 一电极连接端，第二电极位于沟槽底部，所述发光二极管还包括深度自帽层延伸至缓冲层的开口，用于容纳第二电极连接件， 所述第二电极连接件用于连接第二电极和电源负极。
9.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述透光元件的透镜结构在光出射 方向上涂覆有荧光粉。
10.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述接触层的透镜结构在光出射方 向上涂覆有荧光粉。
11.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括提供蓝宝石衬底；在所述蓝宝石衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层；形成至少自帽层延伸至缓冲层顶部的沟槽；向沟槽内填充透光材料。
12.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述缓冲层包括N型掺杂的氮化镓； 有源层包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括氮化铟镓；所述帽层包括P型掺杂 的氮化镓。
13.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述蓝宝石衬底上方依次 形成缓冲层、有源层、帽层之后，在所述蓝宝石衬底下方采用旋转涂敷的方式形成抗反射 层，所述抗反射层材料为氧化钡。
14.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括在形成缓冲层之前，在所述蓝 宝石衬底上形成外延层，所外延层为采用金属有机化合物化学气相淀积方法形成的氮化镓薄膜。
15.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，在形成帽层之后，形成沟槽之前，还 要在帽层上形成接触层，所述接触层包括P型掺杂的氮化镓。
16.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，在形成接触层之后，在接触层上形成 透镜结构。
17.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于，形成透镜结构的步骤包括在接触层 上通过光刻形成多个圆形光刻胶台；对所述圆形光刻胶台在150°C 200°C温度下进行烘烤，使所述圆形光刻胶台成为球 冠状光刻胶；以所述球冠状光刻胶为掩膜，离子束刻蚀所述接触层形成多个透镜。
18.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，向沟槽内填充透光材料之后，在温度 为150°C 200°C范围内，高温烘烤所述透光材料，使所述透光材料的顶部呈透镜结构，形 成包括透镜结构的透光元件。
19.如权利要求11或18所述的制造方法，其特征在于，所述透光材料为环氧树脂。
20.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括在形成沟槽的同时，形成深 度延伸至缓冲层顶部的开口 ；在形成沟槽之后，填充透光材料之前，在沟槽底部形成第二电 极，同时在开口底部形成第二电极连接件。
21.如权利要求16所述的制造方法，其特征在于，还包括在接触层的透镜结构上涂敷 荧光粉。
22.如权利要求18所述的制造方法，其特征在于，还包括在透光元件的透镜结构上涂 敷荧光粉。
全文摘要
一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括蓝宝石衬底；依次位于蓝宝石衬底上方的缓冲层、有源层、帽层；所述发光二极管还包括多个沟槽，所述沟槽的深度至少自所述帽层延伸至缓冲层顶部；所述发光二极管还包括位于所述沟槽内的透光元件。一种发光二极管的制造方法，包括提供蓝宝石衬底；在所述蓝宝石衬底上方依次形成缓冲层、有源层、帽层；形成至少自帽层延伸至缓冲层层顶部的沟槽；向沟槽内填充透光材料。本发明中，有源层发出的光可透过透光元件到达发光二极管的出光面，提高了发光二极管的光利用率。
文档编号H01L33/20GK102130250SQ20101050377
公开日2011年7月20日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者张汝京, 肖德元 申请人:映瑞光电科技(上海)有限公司