一种增强出光效率的发光二极管及其制备方法与流程

1.本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种增强出光效率的发光二极管及其制备方法。


背景技术：

2.随着发光二极管（led）的发展，引发了照明及显示器产业的革命，由于发光二极管具有节能环保、寿命长及体积小等优点，其作为新光源照明灯，逐渐取代传统的照明灯，现如今，gaas基红黄发光二极管芯片是一种被广泛应用的可见光发光二极管，被广泛应用于照明的各个领域。由于gaas材料具有较高的吸光特性，在gaas基红黄发光二极管芯片出光时，会被gaas材料吸收，无法发射回正面，导致gaas基红黄发光二极管芯片出光效率大大降低。
3.目前比较常见的增强gaas基红黄发光二极管芯片出光效率的方法为通过增加镜面结构，使mqw（量子阱）出光时下方光可以由镜面结构反射回正向，从而达到提高亮度的效果，增强gaas基红黄发光二极管芯片出光效率通用的金属镜面层主要为au或ag作为金属镜面层，但是，外延层为半导体，金属与半导体的界面会形成肖特基接触，只有通过高温退火工艺才能使外延层和金属镜面层达到熔合效果，形成欧姆接触，但是，高温退火又会使金属与外延层进行熔合交换，会导致金属镜面层结构破坏，影响发光二极管的出光效率。
4.因此，现有的发光二极管普遍存在采用高温熔合金属镜面层与外延层，导致金属镜面层结构破坏，影响发光二极管的出光效率的技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种增强出光效率的发光二极管及其制备方法，旨在解决现有技术中采用高温熔合金属镜面层与外延层，导致金属镜面层结构破坏，影响发光二极管的出光效率的技术问题。
6.本发明的一方面在于提供一种增强出光效率的发光二极管，所述发光二极管包括：衬底以及设于所述衬底上的外延层；在所述外延层远离所述衬底一侧的表面设有一粗化处理后的gap层，其中，所述gap层依次包括电流扩展层及高掺杂gap层，所述高掺杂gap层的厚度为300-500
å
，所述高掺杂gap层的掺杂剂为镁材料，掺杂浓度为5e
19
cm-3-7e
19
cm-3
；在所述粗化处理后的gap层表面依次设置sio2介质层及金属镜面层，以使所述金属镜面层无需通过高温退火工艺与所述外延层形成欧姆接触。
7.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过本发明提供的一种增强出光效率的发光二极管，在外延层远离衬底一侧的表面设有一粗化处理后的gap层，该gap层依次包括电流扩展层及高掺杂gap层，电流扩展层具有电流扩展作用，能提高载流子交换效率，使得电流在整个器件区分布均匀，电流正下方的电流密度减小，大大提高了该发光二极管的
光提取效率；同时高掺杂gap层设有粗化处理的表面，在高掺杂gap层表面依次设置sio2介质层及金属镜面层，以使金属镜面层反射的光可以经由粗化处理的表面再次反射，达到增强发光二极管的出光效率作用，除此之外，高掺杂gap层的结构降低了势垒，载流子可以借隧道效应穿透势垒达到欧姆接触的效果，消除金属镜面层与外延层的界面肖特基接触，从而增强发光二极管的出光效率，避免了金属镜面层与外延层需通过高温退火达到熔合效果形成欧姆接触，导致金属镜面结构被破坏，降低了发光二极管的出光效率。从而解决了普遍存在采用高温熔合金属镜面层与外延层，导致金属镜面层结构破坏，影响发光二极管的出光效率的技术问题。
8.根据上述技术方案的一方面，所述电流扩展层为gap薄膜层，厚度为0.5-2μm。
9.根据上述技术方案的一方面，所述高掺杂gap层的粗化深度为100-300
å
。
10.根据上述技术方案的一方面，所述sio2介质层设于所述高掺杂gap层上，其厚度为所述高掺杂gap层的粗化深度，以填平粗化处理后的高掺杂gap层。
11.根据上述技术方案的一方面，所述sio2介质层上蒸镀形成所述金属镜面层，所述金属镜面层的材料为au或ag或al或其它高反射金属材料。
12.根据上述技术方案的一方面，所述外延层依次包括：缓冲层、截止层、n-接触层、粗化层、n-alinp层、n-阻挡层、发光层、p-阻挡层、p-alinp层及过渡层，其中，所述缓冲层设于所述衬底上。
13.根据上述技术方案的一方面，所述缓冲层为gaas薄膜层，所述截止层为gainp薄膜层，所述n-接触层为gaas薄膜层，所述粗化层为al
x
gainp薄膜层，所述n-阻挡层为algainp薄膜层，所述p-阻挡层为algainp薄膜层，所述过渡层为algainp薄膜层。
14.根据上述技术方案的一方面，所述衬底为gaas衬底。
15.本发明的另方面在于提供一种增强出光效率的发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：提供一衬底；在所述衬底上外延生长外延层；在所述外延层远离所述衬底一侧的表面外延生长gap层，并将所述gap层的表面进行粗化处理，其中，所述gap层依次包括电流扩展层及高掺杂gap层，所述高掺杂gap层的厚度为300-500
å
，所述高掺杂gap层的掺杂剂为镁材料，掺杂浓度为5e
19
cm-3-7e
19
cm-3
；在粗化处理后的gap层表面上依次生长sio2介质层及金属镜面层。
16.进一步说明，在所述外延层远离所述衬底一侧的表面外延生长gap层，并将所述gap层的表面进行粗化处理的步骤，具体包括：在所述外延层上外延生长厚度为0.5-2μm的gap薄膜层作为电流扩展层；在电流扩展层上外延生长厚度为300-500
å
的高掺杂gap层，在所述高掺杂gap层中掺杂镁材料，掺杂浓度为5e
19
cm-3-7e
19
cm-3
；对所述高掺杂gap层的表面进行粗化处理，粗化深度为100-300
å
。
附图说明
17.图1为本发明第一实施例中增强出光效率的发光二极管的结构示意图；图2为本发明第一实施例中增强出光效率的发光二极管的各层具体的结构示意
图；图3为本发明第二实施例中增强出光效率的发光二极管的制备方法的流程图；附图标记说明：衬底100、外延层200、缓冲层201、截止层202、n-接触层203、粗化层204、n-alinp层205、n-阻挡层206、发光层207、p-阻挡层208、p-alinp层209、过渡层210、gap层300、电流扩展层301、高掺杂gap层302、sio2介质层400、金属镜面层500；以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
18.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
19.实施例一请参阅图1-图2，所示为本发明第一实施例提供的一种增强出光效率的发光二极管，该发光二极管包括衬底100、外延层200、粗化处理后的gap层300，sio2介质层400及金属镜面层500。其中，衬底100是外延层200生长的基板，不同的衬底100材料，需要不同的外延生长技术、发光二极管加工技术及封装技术。外延层200需与衬底100材料严格匹配，否则会影响外延层200生长的晶体质量及性能。
20.在本实施例中，发光二极管为红黄光发光二极管，常用的红黄光发光二极管衬底100包括砷化镓（gaas）与磷化镓（gap），在本实施例中，采用gaas作为衬底100材料，gaas因与外延材料具有良好的晶格匹配和热匹配且本身具有较高的载流子迁移率和禁带宽度，在gaas衬底上易于外延生长出晶体质量及性能较好的外延层200，同时gaas衬底制备工艺成熟，使其成为目前红黄光发光二极管的主要衬底100材料。但由于gaas衬底较高的吸光特性，发光二极管发出的一部分光源会被gaas衬底吸收，为提高出光效率，减少光吸收，在本实例中，通过增加镜面结构将gaas衬底吸收的光反射回发光二极管上，实现增强发光二极管的出光效率，提高发光二极管的亮度。
21.其中，衬底100上设有外延层200，外延层200依次包括缓冲层201、截止层202、n-接触层203、粗化层204、n-alinp层205、n-阻挡层206、发光层207、p-阻挡层208、p-alinp层209及过渡层210，自然而然，缓冲层201设于衬底100上，缓冲层201为gaas薄膜层，gaas材料具有高电阻率、高击穿电场及无光敏效应等优异的特性，gaas薄膜层以利于后续外延层200的外延生长，形成高质量的薄膜层，同时gaas薄膜层利于在晶格不匹配的情况下生长后续外延层200。
22.在缓冲层201上设有截止层202，截止层202为gainp薄膜层，为了提升发光二极管的耐压和开关性能，同时降低损耗，需要形成载流子浓度高于衬底100的薄膜层。根据柏松方程，电场衰减梯度与电荷浓度成正比，因此较高浓度的薄膜层能够使电场迅速衰减并在该层截止，防止耗尽区扩展至发光二极管的背表面而导致穿通，因此该薄膜层也被称为“截止层”。
23.另外，在截止层202上设有n-接触层203，该n-接触层203为gaas薄膜层，用于与发光二极管的负极电极接合形成欧姆接触，有效的降低电压及提高亮度。在n-接触层203上设
有粗化层204，该粗化层204为al
x
gainp薄膜层，对al
x
gainp薄膜层表面进行粗化处理，实现对光的再次反射，改善发光二极管的光提取效率。
24.其中，在粗化层204上设有n-alinp层205，该n-alinp层205拥有多余的电子，将电子提供给发光层207，以达到发光层207中电子与空穴的辐射复合，实现发光二极管的发光。在该n-alinp层205上设有n-阻挡层206，n-阻挡层206为algainp薄膜层，需要说明的是，由于发光层207存在缺陷，因此p-alinp层209的空穴会通过缺陷穿越发光层泄漏进入n-alinp层205，从而导致在发光层参与辐射发光的空穴数量减少，降低发光二极管的发光效率，n-阻挡层206将会阻挡 p-alinp层209的空穴泄漏进入n-alinp层205，将p-alinp层209的空穴阻挡至发光层207中，实现电子-空穴在发光层207中辐射复合，提高发光二极管的发光效率。
25.另外，在n-阻挡层206上设有发光层207，发光层207为多量子阱结构，电子与空穴在多量子阱发生辐射复合实现发光。另外，在发光层207上设有p-阻挡层208，该p-阻挡层208为algainp薄膜层，由于电子的迁移速率大于空穴的迁移速率，n-alinp层205的电子将会快速迁移到p-alinp层209，造成电子在p-alinp层209中与p-alinp层209的空穴复合，无法实现辐射复合发光，降低了在发光层207中电子-空穴的复合效率，降低了发光二极管的发光效率，而p-阻挡层208的设置，将n-alinp层205阻挡至发光层207区域，有效的增强电子-空穴的复合效率，从而提高发光二极管的发光效率。
26.在p-阻挡层208上设有p-alinp层209，该p-alinp层209拥有多余的空穴，将空穴提供给发光层207，以达到发光层207中电子与空穴的辐射复合，实现发光二极管的发光。需要说明的是，当发光二极管两端外加电场，n-alinp层205作为负极，p-alinp层209作为正极，n-alinp层205拥有多余的电子，p-alinp层209拥有多余的空穴，在外加电场的作用下，n-alinp层205的电子向p-alinp层209方向迁移，p-alinp层209的空穴向n-alinp层205方向迁移，电子与空穴在发光层207的多量子阱中交汇，即在发光层207的多量子阱中实现电子-空穴的辐射复合，以实现发光二极管的发光。
27.另外，在p-alinp层209上设有过渡层210，该过渡层210为algainp薄膜层，p-alinp层209上采用过渡层210作为保护层的特殊工艺，改善了发光二极管因p型欧姆接触恶化造成的电压高和报废问题，有效提高发光二极管的良率。其中，在过渡层210上设有一粗化处理的gap层300，该gap层300依次包括电流扩展层301及高掺杂gap层302，其中，电流扩展层301设于过渡层210上，其为gap薄膜层，厚度为0.5-2μm，电流扩展层301具有电流扩展作用，能有效的提高载流子的交换效率，当发光二极管两端外加电场时，其能使电流均匀分布于整个发光二极管内部，减少电流在电极的两端聚集分布，即减少在电极两端的电流密度，大大提高该发光二极管的光提取效率。
28.另外，在电流扩展层301上设有一高掺杂gap层302，该高掺杂gap层302的厚度为300-500
å
，镁（mg）作为高掺杂gap层302的掺杂剂，掺杂浓度为5e
19
cm-3-7e
19
cm-3
，用碘酸、氢氟酸、硫酸调配成混合溶液，将制成的外延片浸泡于该混合溶液中，以进行该高掺杂gap层302的表面粗化处理，其粗化深度为100-300
å
，金属镜面层500反射的光可以经由粗化处理的高掺杂gap层302表面再次反射，达到增强发光二极管的出光效率作用。同时高掺杂gap的外延结构降低了势垒，当发光二极管两端外加电场时，载流子浓度增加，受到外加电场的激活时，可以通过隧道效应穿透势垒达到欧姆接触的效果，消除金属镜面层500与外延层200
的界面肖特基接触，从而增强发光二极管的出光效率，金属镜面层500与外延层200无需通过高温退火达到熔合效果形成欧姆接触，同时又破坏了金属镜面结构，影响发光二极管的出光效率。
29.在粗化处理后的高掺杂gap层302表面设有sio2介质层400，该sio2介质层400使用ald或pecvd方式生长sio2薄膜层，ald，即原子层沉积（atomiclayer deposition），是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，而pecvd，即等离子体增强化学气相沉积（plasma enhanced chemical vapor deposition），是借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。这两种方式都能满足sio2介质层400的外延生长，具体为，将温度设置至260-300℃之间，压力调节至80-200pa之间，在高掺杂gap层302表面外延生长sio2介质层400，其厚度为高掺杂gap层302的粗化处理的深度，以填平粗化后的高掺杂gap层302表面的凹陷。
30.需要说明的是，粗化处理后的高掺杂gap层302、sio2介质层400及金属镜面层500构成odr介质膜，全方向反射镜(odr)介质膜包括金属镜面层500、外延层200和低折射率材料层。事例而非限定，在本实施例中，外延层200是高掺杂gap层302，低折射率的介质材料为sio2，odr介质膜具有不同折射率, 实现odr反射，低折射率的sio2介质层400可大大降低金属镜面层500对光的吸收，同时金属镜面层500反射的光可以经由粗化处理的高掺杂gap层302表面再次反射，达到增强发光二极管的出光效率作用，有效的提高了发光二极管的出光效率。
31.其中，在sio2介质层400上设有金属镜面层500，金属镜面层500的材料为au或ag或al或其它高反射金属材料，其是通过蒸镀机在sio2介质层400表面进行金属镜面层500蒸镀，无需退火就可实现发光二极管的odr反射，增强发光二极管的出光效率。同时高掺杂gap层302的外延结构降低了势垒，当发光二极管两端外加电场时，载流子浓度增加，受到外加电场的激活时，可以通过隧道效应穿透势垒达到欧姆接触的效果，消除金属镜面层500与外延层200的界面肖特基接触，进一步增强发光二极管的发光效率。避免了通过高温熔合实现欧姆接触，使金属与外延层200进行熔合交换，导致金属镜面层500结构破坏，影响发光二极管的出光效率。至此镜面工艺结束，后续可进行发光二极管正装反极性垂直结构工艺直至发光二极管制作完成。
32.相比于现有技术，本实施例提供的发光二极管的外延结构，有益效果在于：通过本发明提供的一种增强出光效率的发光二极管，在外延层远离衬底一侧的表面设有一粗化处理后的gap层，该gap层依次包括电流扩展层及高掺杂gap层，电流扩展层具有电流扩展作用，能提高载流子交换效率，使得电流在整个器件区分布均匀，电流正下方的电流密度减小，大大提高了该发光二极管的光提取效率；同时高掺杂gap层设有粗化处理的表面，在高掺杂gap层表面依次设置sio2介质层及金属镜面层，以使金属镜面层反射的光可以经由粗化处理的表面再次反射，达到增强发光二极管的出光效率作用，除此之外，高掺杂gap层的结构降低了势垒，载流子可以借隧道效应穿透势垒达到欧姆接触的效果，消除金属镜面层与外延层的界面肖特基接触，从而增强发光二极管的出光效率，避免了金属镜面层与外延层需通过高温退火达到熔合效果形成欧姆接触，导致金属镜面结构被破坏，降低了发光二极管的出光效率。从而解决了普遍存在采用高温熔合金属镜面层与外延层，导致金属镜面
alinp层的电子向p-alinp层方向迁移，p-alinp层的空穴向n-alinp层方向迁移，电子与空穴在发光层的多量子阱中交汇，即在发光层的多量子阱中实现电子-空穴的辐射复合，以实现发光二极管的发光。
45.在p-alinp上外延生长algainp薄膜层作为过渡层，algainp过渡层保护p-alinp层，避免p-alinp层连接电极时被破坏，改善了因p型欧姆接触恶化造成的电压高和报废问题，有效提高发光二极管的良率。
46.步骤s12，在所述外延层远离所述衬底一侧的表面外延生长gap层，并将所述gap层的表面进行粗化处理，其中，所述gap层依次包括电流扩展层及高掺杂gap层，所述高掺杂gap层的厚度为300-500
å
，所述高掺杂gap层的掺杂剂为镁材料，掺杂浓度为5e
19
cm-3-7e
19
cm-3
；其中，gap层依次包括电流扩展层及高掺杂gap层，其中，电流扩展层设于过渡层上。
47.具体为，在algainp过渡层外延生长形成厚度为0.5-2μm的gap薄膜层作为电流扩展层，能有效的提高载流子的交换效率，当发光二极管两端外加电场时，其能使电流均匀分布于整个发光二极管内部，减少电流在电极的两端聚集分布，即减少在电极两端的电流密度，大大提高该发光二极管的光提取效率。
48.其次，在电流扩展层上外延生长形成厚度为300-500
å
的高掺杂gap层，镁（mg）作为高掺杂gap层的掺杂剂，掺杂浓度为5e
19
cm-3-7e
19
cm-3
。
49.最后，用碘酸、氢氟酸及硫酸调配成混合溶液，将制成的外延片浸泡于该混合溶液中，实现高掺杂gap层的表面粗化深度为100-300
å
的粗化处理。
50.需要说明的是，粗化处理后的高掺杂gap层可以再次反射金属镜面层反射的光，增强发光二极管的出光效率，同时高掺杂gap层的外延结构降低了势垒，当发光二极管两端外加电场时，载流子浓度增加，受到外加电场的激活时，可以通过隧道效应穿透势垒达到欧姆接触的效果，消除金属镜面层与外延层的界面肖特基接触，从而增强发光二极管的出光效率。避免了使用高温退火达到金属镜面层与外延层的熔合形成欧姆接触，导致金属镜面结构被破坏，从而影响发光二极管的出光效率。
51.步骤s13，在粗化处理后的gap层表面上依次生长sio2介质层及金属镜面层。
52.具体为，在高掺杂gap层被粗化处理的表面外延生长sio2薄膜层作为介质层，将温度调节至260-300℃之间，压力调节至80-200pa之间，通过ald或pecvd的方式，在高掺杂gap层被粗化处理的表面外延生长厚度为100-300
å
的sio2介质层，其厚度为高掺杂gap层的粗化处理的深度，以填平粗化后的高掺杂gap层表面的凹陷。
53.其次，在sio2介质层上通过蒸镀机蒸镀形成金属镜面层，金属镜面层的材料为au或ag或al或其它高反射金属材料。其中，粗化处理后的高掺杂gap层、sio2介质层及金属镜面构成odr介质膜，odr介质膜具有不同折射率, 以实现odr反射，低折射率的sio2介质层可大大降低金属镜面层对光的吸收，同时金属镜面层反射的光可以经由粗化处理的高掺杂gap层表面再次反射，达到增强发光二极管的出光效率作用，有效的提高了发光二极管的出光效率。
54.需要说明的是，通过蒸镀机蒸镀形成金属镜面层，无需退火就能实现欧姆接触，即高掺杂gap层的外延结构降低了势垒，当发光二极管两端外加电场时，载流子浓度增加，受
到外加电场的激活时，可以通过隧道效应穿透势垒达到欧姆接触的效果。避免了通过高温熔合实现欧姆接触，导致金属镜面层结构破坏，影响发光二极管的出光效率。至此镜面工艺结束，后续可进行发光二极管正装反极性垂直结构工艺直至发光二极管制作完成。
55.相比于现有技术，本实施例提供的发光二极管的制备方法，有益效果在于：通过本发明提供的一种增强出光效率的发光二极管的制备方法，在外延层远离衬底一侧的表面外延生长gap层，并将gap层的表面进行粗化处理，该gap层依次包括电流扩展层及高掺杂gap层，电流扩展层具有电流扩展作用，能提高载流子交换效率，使得电流在整个器件区分布均匀，大大提高了该发光二极管的光提取效率；同时，高掺杂gap层进行粗化处理，与 sio2介质层及金属镜面层构成odr介质膜，以使金属镜面层反射的光可以经由粗化处理的表面再次反射，有效的提高了发光二极管的出光效率，除此之外，高掺杂gap层的外延结构降低了势垒，载流子可以借隧道效应穿透势垒达到欧姆接触的效果，消除金属镜面层与外延层的界面肖特基接触，从而增强发光二极管的出光效率，避免了金属镜面层与外延层需通过高温退火达到熔合效果形成欧姆接触，导致金属镜面结构被破坏，影响发光二极管的出光效率。从而解决了普遍存在采用高温熔合金属镜面层与外延层，导致金属镜面层结构破坏，影响发光二极管的出光效率的技术问题。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、
ꢀ“
示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
57.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。