發(fā)光二極管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管及其制備方法，其中所述發(fā)光二極管從下至上依次包括第一類型半導體層、發(fā)光層、第二類型半導體層及溝道結構，所述溝道結構位于所述發(fā)光層和第二類型半導體層的至少一部分區(qū)域，并至少貫穿所述第二類型半導體層，其內填充第一光轉換層，所述發(fā)光層發(fā)射第一波長的光，所述第一光轉換層將所述發(fā)光層發(fā)出的部分第一波長的光轉換為第二波長的光。本發(fā)明在發(fā)光層及其上的半導體層設置溝道結構，于其內填充光轉換層，可以增加發(fā)光層發(fā)出的光的利用率。
【專利說明】
發(fā)光二極管及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于半導體照明領域，具體涉及一種發(fā)光二極管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]發(fā)光二極管以其綠色環(huán)保，已經(jīng)越來越多地應用于人們的日常生活中、醫(yī)院等公共場所中、以及工礦企業(yè)中。目前的LED照明產品通常采用在紫光或藍光LED芯粒外直接涂覆熒光粉來轉換為白光實現(xiàn)照明，但是這種常規(guī)的結構設計對紫光或藍光LED芯粒所發(fā)出的光的利用率不高。因此，有必要設計一種的發(fā)光二極管來解決以上問題。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明提供了一種發(fā)光二極管及其制備方法，其將發(fā)光層及其上的半導體層設置溝道結構，在其內填充光轉換層，可以增加發(fā)光層發(fā)出的光的利用率。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，發(fā)光二極管，從下至上依次包括第一類型半導體層、發(fā)光層、第二類型半導體層，其特征在于:還包括溝道結構，其位于所述發(fā)光層和第二類型半導體層的至少一部分區(qū)域，并至少貫穿所述第二類型半導體層，其內填充第一光轉換層，所述發(fā)光層發(fā)射第一波長的光，所述第一光轉換層將所述發(fā)光層發(fā)出的部分第一波長的光轉換為第二波長的光。
[0005]在一些實施例中，所述發(fā)光二極管還包括第二光轉換層，其位于所述第二類型半導體層之上，所述第一光轉換層和第二光轉換層可以相同，也可以不同，其可以為藍光熒光粉、綠光熒光粉、黃光熒光粉、紅光熒光粉或其任意組合。進一步的，所述第一光轉換層和第二光轉換層在發(fā)光層上的投影不重合。
[0006]在一些實施例中，所述發(fā)光層和第二半導體層的至少部分區(qū)域呈柱狀陣列結構，所述陣列結構可以為圓柱/多棱柱體陣列、上寬下窄或上窄下寬的圓錐/多棱錐體陣列。進一步的，所述第一光轉換層形成于所述柱狀陣列之間的溝道。
[0007]在一些實施例中，所述發(fā)光層和第二類型半導體層劃分為X個相互電隔離的發(fā)光區(qū)(X為大于等于2的正整數(shù))，其中第一個發(fā)光層不具有所述溝道結構，第i個發(fā)光區(qū)具有所述溝道結構并填充所述第一光轉換層(X多i多2)。
[0008]進一步地，所述發(fā)光二極管還包括一個與所述第一類型半導體層連接的第一電極和X個分別與所述X個發(fā)光區(qū)的第二類型半導體層連接的第二電極，所述X個發(fā)光區(qū)共用所述第一電極，并通過所述X個第二電極獨立控制各個發(fā)光區(qū)的電流注入，實現(xiàn)各個發(fā)光區(qū)獨立發(fā)光或者同時發(fā)光。
[0009]優(yōu)選的，所述發(fā)光層發(fā)射紫外光，所述第一個發(fā)光區(qū)直接發(fā)射紫外光，第i個發(fā)光區(qū)發(fā)射可見光。
[0010]優(yōu)選的，所述X個發(fā)光區(qū)包括藍光發(fā)光區(qū)、綠色發(fā)光區(qū)、黃色發(fā)光區(qū)、紅色發(fā)光區(qū)、紫外發(fā)光區(qū)、白光發(fā)光區(qū)域或其任意組合。
[0011 ]根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，發(fā)光二極管的制作方法，包括步驟:(I)形成第一類型半導體層、發(fā)光層和第二類型半導體層，所述發(fā)光層發(fā)射第一波長的光；(2)在所述發(fā)光層和第二類型半導體層的至少一部分區(qū)域形成溝道結構，其至少貫穿所述第二類型半導體層；(3)在所述溝道結構中填充第一光轉換層，所述第一光轉換層將所述發(fā)光層發(fā)出的部分第一波長的光轉換為第二波長的光。
[0012]在一些實施例中，所述步驟(2)具體為:先將所述發(fā)光層和第二類型半導體層劃分為X個相互電隔離的發(fā)光區(qū)，再在第i個發(fā)光區(qū)形成所述溝道結構(X多i多1)，并在所述發(fā)光區(qū)內填充所述第一光轉換層。
[0013]進一步的，所述發(fā)光二極管的制作方法還包括步驟(4):制作第一電極，其與所述第一類型半導體層連接；制作X個第二電極，其分別與各個發(fā)光區(qū)的第二類型半導體層連接。所述X個發(fā)光區(qū)共用一個第一電極，并通過設于各個發(fā)光區(qū)上的第二電極獨立控制各個發(fā)光區(qū)的電流注入，實現(xiàn)各個發(fā)光區(qū)獨立發(fā)光或者同時發(fā)光。
[0014]在一些實施例中，所述步驟(2)為:蝕刻所述第二類型半導體層至發(fā)光層，使至少部分所述第二類型半導體層和發(fā)光層為柱狀陣列結構，從而形成所述溝道結構。
[0015]本發(fā)明至少具有以下有益效果:(I)在發(fā)光層及其上的半導體層中形成溝道結構，并填充光轉換層，可提高發(fā)光層發(fā)出的光的利用率，降低其損失；(2)將發(fā)光區(qū)劃分為多個區(qū)域，可實現(xiàn)芯片級的紫外消毒、照明和全彩發(fā)射的功能，并且可分別調節(jié)控制便于多功能LED燈具的設計，應用前景廣。
【附圖說明】
[0016]附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。此外，附圖是描述概要，不是按比例繪制。
[0017]圖1為實施例1所提供的發(fā)光二極管的示意圖。
[0018]圖2為實施例2所提供的發(fā)光二極管的示意圖。
[0019]圖中標示:100:襯底；101:緩沖層；102:N型AlGaN層；103:紫外MQW發(fā)光層；104:P型AlGaN層；105:絕緣隔離帶；106a/106b:光轉換層;107:透明導電層；108: N電極;109:第一 P電極；110:第i個P電極；111:反射層；200:襯底；201:緩沖層；202:N型GaN層；203:MQW發(fā)光層；204:P型GaN層；206a/206b:光轉換層；207:透明導電層；208:N電極;210:P電極;211:反射層。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合附圖對本發(fā)明公開的發(fā)光二極管的優(yōu)選實施例進行更詳細的描述。
[0021]實施例1
如圖1所示，本發(fā)明所設計的發(fā)光二極管的示意圖，包括襯底100及在其上依次堆疊的緩沖層101、N型AlGaN層102、紫外MQW發(fā)光層103、P型AlGaN層104、透明導電層107、N電極108和P電極109/110。其中，襯底100可以為GaN襯底、藍寶石襯底、SiC襯底或其他適于外延生長的襯底材料，襯底100之上的外延層可以采用MOCVD或MBE依次生長而成；緩沖層101可以為GaN或AlGaN或其交替堆疊結構;所述紫外MQW發(fā)光層103可以為AlGaN、InGaN或InAlGaN交替堆疊而成。
[0022]在本實施例中，發(fā)光二極管芯粒至少被切割為X個發(fā)光區(qū)域，其中X為大于等于2的正整數(shù);第一發(fā)光區(qū)域為從紫外MQW發(fā)光層103到P型AlGaN層104及其之上的透明導電層107和第一P電極109，用于發(fā)射紫外光(UV)實現(xiàn)消毒功能，波長范圍為200?380 nm;第i個發(fā)光區(qū)域為從紫外MQW發(fā)光層103到P型AlGaN層104的陣列結構及在其溝道中打印的光轉換層106a，以及之上的透明導電層107、與從紫外MQW發(fā)光層103到P型AlGaN層104的陣列結構相一致的陣列光轉換層106b和第i個P電極110，用于發(fā)射可見光實現(xiàn)照明和全彩發(fā)射的功能。第i個發(fā)光區(qū)域從紫外MQW發(fā)光層103到P型AlGaN層104的陣列結構可以為圓柱/多棱柱體陣列、上寬下窄或上窄下寬的圓錐/多棱錐體陣列；陣列結構溝道中打印的光轉換層106a以及透明導電層107之上的陣列光轉換層106b可以相同，也可以不同。光轉換層106a/106b可以為藍光熒光粉、綠光熒光粉、黃光熒光粉、紅光熒光粉或其任意組合，本實施例中選用藍光熒光粉、綠光熒光粉和紅光熒光粉組合而成，用于發(fā)射照明用白光。所述第i發(fā)光區(qū)域可以包括藍光發(fā)光區(qū)域、綠色發(fā)光區(qū)域、黃色發(fā)光區(qū)域、紅色發(fā)光區(qū)域、白光發(fā)光區(qū)域或其任意組合。本實施例中為白光發(fā)光區(qū)域(W)。
[0023]以上所述發(fā)光二極管的制備方法，包括下面步驟:
(1)生長一紫外發(fā)光二極管外延片，包括襯底100及在其上依次堆疊的緩沖層101、N型AlGaN層102、紫外MQW發(fā)光層103和P型AlGaN層104，可采用MOCVD或MBE生長；
(2)將紫外發(fā)光二極管外延片從P型AlGaN層104切割至襯底100使其形成若干紫外發(fā)光二極管芯粒，可采用激光切割；
(3)對紫外發(fā)光二極管芯粒從P型AlGaN層104切割至紫外MQW發(fā)光層103，同時在其溝道中打印一絕緣隔離帶105使紫外發(fā)光二極管芯粒被切割為X個發(fā)光區(qū)域，其中X為大于等于2的正整數(shù)，所述絕緣隔離帶105可以為S12等絕緣性透明氧化物材料；
(4)對紫外發(fā)光二極管芯粒的第N發(fā)光區(qū)域進行再次切割使其形成從紫外MQW發(fā)光層103到P型AlGaN層104的陣列結構；
(5 )在第N發(fā)光區(qū)域的陣列結構的溝道中打印一光轉換層106a;
(6)在紫外發(fā)光二極管芯粒P型AlGaN層104之上制備透明導電層107，并將透明導電層107沿絕緣隔離帶105切割形成與各發(fā)光區(qū)域相對應，同時在切割的溝道中再次打印一絕緣隔離帶105，透明導電層107可以為ΙΤ0、ΙΖ0等透明導電氧化物；
(7)分別在各發(fā)光區(qū)域的透明導電層107上制備P電極109/110，在紫外發(fā)光二極管芯粒的N型AlGaN層102之上制備一N電極108 ；
(8)在第N發(fā)光區(qū)域透明導電層107之上分別打印與其陣列結構相一致的陣列光轉換層106b;
(9)最后，在發(fā)光二極管芯粒襯底100背面制備一反射層111，反射層111可以為金屬反射層或者為氧化硅和氧化鈦組成的DBR結構;完成發(fā)光二極管芯粒的制備。
[0024]以上所述制備的發(fā)光二極管芯?？梢詫崿F(xiàn)芯片級的紫外消毒、照明和全彩發(fā)射的功能，并且可分別調節(jié)控制便于多功能LED燈具的設計，應用前景廣;且所設計的第N發(fā)光區(qū)域的結構可以顯著提高紫外光的利用率、降低紫外光的損失，從而提高其轉換效率。
[0025]實施例2
如圖2所示，本發(fā)明所設計的發(fā)光二極管的示意圖，包括襯底200及在其上依次堆疊的緩沖層2014型6&1^層202、1?￥發(fā)光層203、？型6&~層204、透明導電層2074電極208和？電極210;所述襯底200可以為GaN襯底、藍寶石襯底或SiC襯底，襯底200之上的外延層可以采用MOCVD或MBE依次生長而成;所述緩沖層201可以為GaN或AlGaN或其交替堆疊結構;所述MQW發(fā)光層203可以為紫外MQW發(fā)光層、藍光MQW發(fā)光層，由AlGaN、InGaN、InAlGaN或GaN交替堆疊而成;所述N型GaN層202和P型GaN層204可以摻雜Al;所述發(fā)光二極管芯粒的發(fā)光區(qū)域為從MQW發(fā)光層203到P型GaN層204的陣列結構及在其溝道中打印的光轉換層206a，以及之上的透明導電層207、與從MQW發(fā)光層203到P型GaN層204的陣列結構相一致的陣列光轉換層206b，用于發(fā)射可見光實現(xiàn)照明或全彩發(fā)射的功能；所述發(fā)光區(qū)域從MQW發(fā)光層203到P型GaN層204的陣列結構可以為圓柱/多棱柱體陣列、上寬下窄或上窄下寬的圓錐/多棱錐體陣列；所述陣列結構溝道中打印的光轉換層206a以及透明導電層207之上的陣列光轉換層206b可以相同，也可以不同。所述光轉換層206a/206b可以為藍光焚光粉、綠光焚光粉、黃光熒光粉、紅光熒光粉或其任意組合，本實施例中選用藍光熒光粉、綠光熒光粉和紅光熒光粉的組合，或者為綠光熒光粉和紅光熒光粉的組合，用于發(fā)射照明用白光。所述發(fā)光區(qū)域可以為藍光發(fā)光區(qū)域、綠色發(fā)光區(qū)域、黃色發(fā)光區(qū)域、紅色發(fā)光區(qū)域、白光發(fā)光區(qū)域或其任意組合。本實施例中為白光發(fā)光區(qū)域(W)。
[0026]以上所述發(fā)光二極管的制備方法包括:
(1)生長一發(fā)光二極管外延片，包括襯底200及在其上依次堆疊的緩沖層201、N型GaN層202、MQW發(fā)光層203和P型GaN層204，可采用MOCVD或MBE生長；
(2)將發(fā)光二極管外延片從P型GaN層204切割至襯底200使其形成若干發(fā)光二極管芯粒，可采用激光切割；
(3)對發(fā)光二極管芯粒從P型GaN層204切割至MQW發(fā)光層203使其形成從MQW發(fā)光層203至IjP型GaN層204的陣列結構的發(fā)光區(qū)域；
(4 )在發(fā)光區(qū)域的陣列結構的溝道中打印一光轉換層206a;
(5)在發(fā)光二極管芯粒P型GaN層204之上制備透明導電層207，透明導電層207可以為ITO、IZO等透明導電氧化物；
(6)在透明導電層207上制備P電極210，在發(fā)光二極管芯粒的N型GaN層202之上制備一N電極208;
(7)在透明導電層207之上打印與其陣列結構相一致的陣列光轉換層206b;
(8)最后，在發(fā)光二極管芯粒襯底200背面制備一反射層211，反射層211可以為金屬反射層或者為氧化硅和氧化鈦組成的DBR結構;完成發(fā)光二極管芯粒的制備。以上所制備發(fā)光二極管芯粒所設計的發(fā)光區(qū)域結構可以顯著提高LED紫外光或藍光的利用率、降低紫外光或藍光的損失，從而提高其轉換效率；同時通過調節(jié)打印不同的光轉換層可實現(xiàn)芯片級白光照明和全彩發(fā)射的功能。
[0027]以上表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應該理解的是，本領域技術人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實現(xiàn)本發(fā)明的有益效果。因此，以上描述不作為對本發(fā)明的限制，凡依本發(fā)明所做的任何變更，皆屬本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.發(fā)光二極管，從下至上依次包括第一類型半導體層、發(fā)光層、第二類型半導體層，其特征在于:還包括溝道結構，其位于所述發(fā)光層和第二類型半導體層的至少一部分區(qū)域，并至少貫穿所述第二類型半導體層，其內填充第一光轉換層，所述發(fā)光層發(fā)射第一波長的光，所述第一光轉換層將所述發(fā)光層發(fā)出的部分第一波長的光轉換為第二波長的光。2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于:還包括第二光轉換層，其位于所述第二類型半導體層之上。3.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于:所述第一光轉換層和第二光轉換層在發(fā)光層上的投影不重合。4.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于:所述發(fā)光層和第二半導體層的至少部分區(qū)域呈柱狀陣列。5.根據(jù)權利要求4所述的發(fā)光二極管，其特征在于:所述第一光轉換層形成于所述柱狀陣列之間的溝道。6.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于:所述發(fā)光層和第二類型半導體層劃分為X個相互電隔離的發(fā)光區(qū)(X為大于等于2的正整數(shù))，其中第一個發(fā)光層不具有所述溝道結構，第i個發(fā)光區(qū)具有所述溝道結構并填充所述第一光轉換層(X多i多2)。7.根據(jù)權利要求6所述的發(fā)光二極管，其特征在于:所述發(fā)光層發(fā)射紫外光，所述第一個發(fā)光區(qū)直接發(fā)射紫外光，第i個發(fā)光區(qū)發(fā)射可見光。8.根據(jù)權利要求6所述的發(fā)光二極管，其特征在于:還包括一個與所述第一類型半導體層連接的第一電極和X個分別與所述X個發(fā)光區(qū)的第二類型半導體層連接的第二電極，所述X個發(fā)光區(qū)共用所述第一電極，并通過所述X個第二電極獨立控制各個發(fā)光區(qū)的電流注入，實現(xiàn)各個發(fā)光區(qū)獨立發(fā)光或者同時發(fā)光。9.根據(jù)權利要求6所述的發(fā)光二極管，其特征在于:所述X個發(fā)光區(qū)包括藍光發(fā)光區(qū)、綠色發(fā)光區(qū)、黃色發(fā)光區(qū)、紅色發(fā)光區(qū)、紫外發(fā)光區(qū)、白光發(fā)光區(qū)域或其任意組合。10.發(fā)光二極管的制備方法，包括步驟: (1)形成第一類型半導體層、發(fā)光層和第二類型半導體層，所述發(fā)光層發(fā)射第一波長的光； (2)在所述發(fā)光層和第二類型半導體層的至少一部分區(qū)域形成溝道結構，其至少貫穿所述第二類型半導體層； (3)在所述溝道結構中填充第一光轉換層，所述第一光轉換層將所述發(fā)光層發(fā)出的部分第一波長的光轉換為第二波長的光。11.根據(jù)權利要求10所述的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)具體為:先將所述發(fā)光層和第二類型半導體層劃分為X個相互電隔離的發(fā)光區(qū)，再在第i個發(fā)光區(qū)形成所述溝道結構(X多i多I)，并在所述發(fā)光區(qū)內填充所述第一光轉換層。12.根據(jù)權利要求11所述的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:還包括步驟(4): 制作第一電極，其與所述第一類型半導體層連接； 制作X個第二電極，其分別與各個發(fā)光區(qū)的第二類型半導體層連接。13.根據(jù)權利要求12所述的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:所述X個發(fā)光區(qū)共用一個第一電極，并通過設于各個發(fā)光區(qū)上的第二電極獨立控制各個發(fā)光區(qū)的電流注入，實現(xiàn)各個發(fā)光區(qū)獨立發(fā)光或者同時發(fā)光。14.根據(jù)權利要求10所述的發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)為:蝕刻所述第二類型半導體層至發(fā)光層，使至少部分所述第二類型半導體層和發(fā)光層為柱狀陣列結構，從而形成所述溝道結構。
【文檔編號】H01L33/08GK105932127SQ201610287708
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】申利瑩, 張君逸, 謝創(chuàng)宇, 林仕尉, 潘冠甫, 吳超瑜, 王篤祥
【申請人】天津三安光電有限公司