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CN115548187A - 发光二极管和发光装置 - Google Patents

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CN115548187A
CN115548187A CN202211211872.3A CN202211211872A CN115548187A CN 115548187 A CN115548187 A CN 115548187A CN 202211211872 A CN202211211872 A CN 202211211872A CN 115548187 A CN115548187 A CN 115548187A
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light emitting
led
thickness
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CN202211211872.3A
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高文浩
梁倩
许智程
王彦钦
郭桓邵
陈劲华
彭钰仁
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Quanzhou Sanan Semiconductor Technology Co Ltd
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Quanzhou Sanan Semiconductor Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开发光二极管和发光装置，所述发光二极管包括半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包含n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层，其特征在于：所述第一类型半导体层和有源层之间包含第一间隔层，所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~10。本发明根据发光二极管的电流密度调整第一间隔层的厚度，可提升发光二极管的发光效率。

Description

发光二极管和发光装置
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及发光二极管和发光装置。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。近年来，LED已在日常生活中得到广泛应用。
目前阶段，发光二极管仍面临许多技术挑战，发光二极管的骤降效率（EfficiencyDroop）效应为其中之一。具体而言，当发光二极管在低电流密度的操作范围时，会对应一个外部量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）的峰值。但随著发光二极管的电流密度持续升高，外部量子效率会随之下降，而此现象即为发光二极管的骤降效应。
一般来说，为了使发光二极管达到高亮度发光，发光二极管的电流密度常是在高电流密度的操作范围。由于上述所提到的效率衰退效应，发光二极管在高电流密度的操作范围下的外部量子效率受到限制，无法进一步地提升发光二极管的发光效率。
发明内容
为了提升发光二极管的发光效率，本发明提出发光二极管和发光装置，所述发光二极管包括：半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包含n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层；其特征在于：所述第一类型半导体层和有源层之间包含第一间隔层，所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~10。
在一些可选的实施例中，所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~5。
在一些可选的实施例中，所述第一间隔层的厚度为0~120nm。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管的电流密度大于10A/cm2时，所述第一间隔层的厚度为50~120nm。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管的电流密度小于等于10A/cm2时，所述第一间隔层的厚度为0~50nm。
在一些可选的实施例中，所述第一间隔层的材料为AlaGa1-aInP，其中a的范围为0.2~1。
在一些可选的实施例中，所述第一间隔层为n型掺杂，所述掺杂浓度小于2E17/cm3。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管的至少一条边的长度大于100μm。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管的至少一条边的长度小于等于100μm。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管还包括第二间隔层，所述第二间隔层位于所述有源层和所述第二类型半导体层之间。
在一些可选的实施例中，所述第二间隔层的材料为AlbGa1-bInP，其中b的范围为0.2~1。
在一些可选的实施例中，所述有源层的周期数n为1~100。
在一些可选的实施例中，所述阱层的厚度为2~25nm；所述势垒层的厚度为2~25nm。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管还包含第一电极和第二电极，分别与所述第一类型半导体层和第二类型半导体层形成电连接。
在一些可选的实施例中，所述有源层的材料为AlGaInP基的材料组成。
本发明还提出一种发光二极管，所述发光二极管包括：半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包含n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层；所述第一类型半导体层和所述有源层之间包含第一间隔层；其中，所述发光二极管具有依次围绕的第一边、第二边、第三边和第四边，其中第一边与第三边平行，第二边与第四边平行，所述第一边的长度大于等于第二边的长度，所述第二边的尺寸大于等于100μm，所述第一间隔层的厚度为50~120nm；或者所述第二边的尺寸小于100μm，所述第一间隔层的厚度为0~50nm。
在一些可选的实施例中，所述第一间隔层的材料为AlaGa1-aInP，其中a的范围为0.2~1。
在一些可选的实施例中，所述第一间隔层为n型掺杂，所述掺杂浓度小于2E17/cm3。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管还包含第一电极和第二电极，分别与所述第一类型半导体层和第二类型半导体层形成电连接。
在一些可选的实施例中，所述有源层的材料为AlGaInP基的材料组成。
本发明还提出一种发光装置，包括驱动单元和发光二极管，所述驱动单元电连接所述发光二极管，所述发光二极管具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包含n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层；其特征在于：所述第一类型半导体层和有源层之间包含第一间隔层，所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~10。
在一些可选的实施例中，所述第一类型半导体层和有源层之间包含第一间隔层，所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~5。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管的电流密度大于10A/cm2时，所述第一间隔层的厚度为50~120nm。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管的电流密度小于等于10A/cm2，所述第一间隔层的厚度为0~50nm。
在一些可选的实施例中，所述第一间隔层的材料为AlaGa1-aInP，所述a的范围为0.2~1。
在一些可选的实施例中，所述第一间隔层为n型掺杂，所述掺杂浓度为2E17/cm3以下。
在一些可选的实施例中，所述有源层的材料为AlGaInP基的材料组成。
在本发明实施例的发光二极管和发光装置中,可以根据发光二极管的电流密度的不同工作范围或者芯片尺寸来设计发光二极管中的第一阻挡层的厚度，以实现发光二极管更理想的外部量子效率，进一步提高发光装置的发光效率。发光装置中的发光二极管在电流密度的不同操作范围下可以具有理想的发光效率。
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为本发明实施例1中所提到的外延结构的示意图。
图2为本发明实施例1中所提到的发光二极管的结构示意图。
图3~图4为本发明实施例2中所提到的发光二极管制备过程中的结构示意图。
图5为本发明实施例3中所提到的发光二极管的结构示意图。
图6为本发明实施例4中所提到的发光二极管的结构示意图。
图7为本发明实施例4中所提到的微发光元件的结构示意图。
图8~图14为本发明实施例5中所提到的微发光元件的制备过程中的结构示意图。
图15为本发明实施例6中所提到的发光装置的结构示意图。
附图标记：生长衬底：100；缓冲层：101；蚀刻截止层：102；第一欧姆接触层：103；第一电流扩展层：104；第一覆盖层：105；第一间隔层：106；有源层：107；第二间隔层：108；第二覆盖层：109；第二电流扩展层：110；第二欧姆接触层：111；基板：200；键合层：201；镜面层：202；欧姆接触金属层：202a；介电材料层：202b；第一电极：203；第一电极的欧姆接触部分：203a；第二电极的欧姆接触部分：204a；第二电极：204；第一电极的焊盘电极：203b；第二电极的焊盘电极：204b；第一台面：S1；第二台面：S2；绝缘保护层：207；绝缘保护层的水平部分：2071；牺牲层：208；基架：250；桥臂：240；A1：第一表面；A2：第二表面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种发光二极管，所述发光二极管根据其工作的电流密度或者发光二极管的尺寸调整第一间隔层的厚度，实现发光二极管的发光效率。
图1为一较佳实施例的发光二极管外延结构的示意图，所述发光二极管外延结构包括：生长衬底100；半导体外延叠层，包含依次层叠于所述生长衬底100之上的第一电流扩展层104、第一覆盖层105、第一间隔层106、有源层107、第二间隔层108、第二覆盖层109、第二电流扩展层110和第二欧姆接触层111。
具体地，参照图1，生长衬底100的材料包括但不限于GaAs，也可采用其他材料，例如GaP、InP等。在本实施例中以GaAs生长衬底100为例。可选地，在生长衬底100与第一电流扩展层104之间还依次设置有缓冲层101、蚀刻截止层102和第一欧姆接触层103；其中，由于缓冲层101的晶格质量相对生长衬底100晶格质量好，因此，在生长衬底100上生长缓冲层101有利于消除生长衬底100晶格缺陷对半导体外延叠层的影响；蚀刻截止层102用于后期步骤化学蚀刻的截止层，在一些可选的实施例中，蚀刻截止层102为n型蚀刻截止层，材料为n-GaInP。为了便于生长衬底100的后续移除，其厚度控制在500nm以内，更优选的为200nm以内。在一些可选的实施例中，第一欧姆接触层103为GaAs材料，厚度范围为10~100nm，掺杂浓度为1~10E+18/cm3，优选为2E18/cm3，以实现更好的欧姆接触结果。
半导体外延叠层可以通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、外延生长(Epitaxy Growth Technology)和原子束沉积 (Atomic Layer Deposition，ALD)等方式形成在生长衬底100上。半导体外延叠层为能够提供常规的如紫外、蓝、绿、黄、红、红外光等辐射的半导体材料，具体的可以是200~950nm的材料，如常见的氮化物，具体的如氮化镓基半导体外延叠层，氮化镓基外延叠层常见有掺杂铝、铟等元素，主要提供200~550nm波段的辐射；或者常见的铝镓铟磷基或铝镓砷基半导体外延叠层，主要提供550~950nm波段的辐射。
半导体外延叠层具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层、第二类型半导体层。所述第一类型半导体层和第二类型半导体层可分别通过n型掺杂或p型掺杂以实现提供电子或空穴。n型半导体层可以掺杂有诸如Si、Ge或者Sn的n型掺杂物，p型半导体层可以掺杂有诸如Mg、Zn、Ca、Sr、C或者Ba的p型掺杂物。当第一类型半导体层为n型半导体时，第二类型半导体层为p型半导体层；当第一类型半导体层为p型半导体层时，第二类型半导体层为n型半导体层。第一类型半导体层、有源层、第二导电型半导体层具体可以是铝镓铟氮、氮化镓、铝镓氮、铝铟磷、铝镓铟磷或砷化镓或铝镓砷等材料制作形成。本实施例中，优选所述第一类型半导体层为n型半导体层。
所述第一类型半导体层和第二类型半导体层分别包括为有源层107提供电子或空穴的第一覆盖层105和第二覆盖层109，如铝镓铟磷或铝铟磷或铝镓砷。更优选的，所述有源层107材料为铝镓铟磷的情况下，铝铟磷作为第一覆盖层105和第二覆盖层109提供电子和空穴。为了提升电流扩展的均匀性，所述第一类型半导体层和第二类型半导层还包含第一电流扩展层104和第二电流扩展层110。由于空穴迁移率较电子迁移率小，因此电子和空穴倾向于在靠近P型覆盖层端的有源区进行复合发光，造成有源区的面积浪费，从而降低了发光芯片的内量子效率。为了调整发光二极管的电子和空穴在有源区（MQW）复合发光的位置，充分利用有源区面积，本实施例在第一覆盖层105和有源层107之间存在第一间隔层106；在第二覆盖层109和有源层107之间存在第二间隔层108。
所述第一电流扩展层104起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，本实施例中优选材料为Aly1Ga1-y1InP，厚度为2500~4000nm，所述n型掺杂浓度为2E17~4E18/cm3 ，优选为4E17~2E18/cm3之间。n型掺杂常见的是Si掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
所述第一间隔层106位于第一覆盖层105和有源层107之间，优选材料为Ala1Ga1- a1InP，所述第一间隔层106的厚度优选为120nm以下，Al组分含量a1的范围为0.2 ~ 1；本实施例中优选所述第一间隔层106为n型掺杂，所述掺杂浓度低于2E17/cm3。
所述第一间隔层106起到限制载流子注入有源层107的作用。根据发光二极管的不同电流密度调整第一间隔层的厚度，可调控发光二极管的电子和空穴在有源区（MQW）复合发光位置，充分利用有源区面积，从而实现提升发光二极管的发光效率的目的。因此，本实施例中提出所述第一间隔层106的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm3）的比值范围为0~10；优选所述第一间隔层106的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm3）的比值范围为0~5。在低电流密度条件下，例如电流密度小于10A/cm3，优选所述第一间隔层106的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm3）的比值范围为0~3，优选为0~2；在中高电流密度条件下，例如电流密度大于10A/cm3，优选所述第一间隔层106的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm3）的比值范围为0~10，更优选为1~5；或者1.5~8，可有效调控发光二极管的电子和空穴在有源区（MQW）复合发光位置，充分利用有源区面积，从而实现提升发光二极管的发光效率的目的。
在一些可选的实施例中，使用本实施例外延结构的发光二极管的电流密度大于10A/cm3，所述第一间隔层106的厚度优选为50~120nm；所述发光二极管的至少一条边的长度大于100μm。
在一些可选的实施例中，使用本实施例外延结构的发光二极管的电流密度小于等于10A/cm3，所述第一间隔层106的厚度优选为0~50nm；优选所述发光二极管的至少一条边的长度小于等于100μm。
本实施例可根据芯片尺寸的大小调整所述第一间隔层的厚度，所述发光二极管具有依次围绕的第一边、第二边、第三边和第四边，其中第一边与第三边平行，第二边与第四边平行，所述第一边的长度大于等于第二边的长度，所述第二边的尺寸大于等于100μm，所述第一间隔层的厚度为50~120nm；或者所述第二边的尺寸小于100μm，所述第一间隔层的厚度为0~50nm。根据芯片尺寸的大小调整第一间隔层的厚度，可有效调控发光二极管的电子和空穴在有源区（MQW）复合发光位置，充分利用有源区面积，从而实现提升发光二极管的发光效率的目的。
所述第一覆盖层105的作用为有源层提供电子，优选材料为AlInP，厚度为300~1500nm；n型掺杂常见的是Si掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
有源层107为电子和空穴复合提供光辐射区域，根据发光波长的不同可选择不同的材料，有源层107可以是单量子阱或多量子阱的周期性结构。本实施例中有源层107为n个周期的量子阱结构，每个量子阱结构包含依次沉积的阱层和势垒层，其中势垒层具有比阱层更大的带隙。通过调整有源层107中半导体材料的组成比，以期望辐射出目标波长的光。有源层107为提供电致发光辐射的材料层，如铝镓铟磷或铝镓砷，更优选的为铝镓铟磷，铝镓铟磷为单量子阱或者多量子阱。在本实施例中，优选半导体外延叠层为AlGaInP基材料组成，所述有源层辐射波长为550~750nm的光线。
本实施例中所述量子阱结构的周期数n为1~100，优选为2~50。所述阱层由AlxGa1- xInP材料组成；所述势垒层由AlyGa1-yInP材料组成，其中0≤x≤y≤1。所述阱层的厚度为2~25nm，优选为8~20nm；所述势垒层的厚度为2~25nm，优选为10~20 nm。所述势垒层的Al组分含量y的范围为0.3~0.85。
所述第二间隔层108位于有源层107之上，所述第二间隔层108的材料优选为Alb2Ga1-b2InP，所述第二间隔层108的厚度优选为300nm以下，所述第二间隔层108的 Al组分含量b1的范围为0.2 ~ 1，优选Al组分含量b1的范围大于0.5，小于等于1；所述掺杂浓度低于2E17/cm3。
第二类型半导体层包含第二覆盖层109、第二电流扩展层110和第二欧姆接触层111；其中所述第二覆盖层109的作用为有源层107提供空穴，优选材料为AlInP，厚度为300~1500nm；p型掺杂常见的是Mg掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
第二电流扩展层110起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，因此在本实施例中可根据具体的器件尺寸选择其厚度，较佳厚度控制在300nm以上，12000nm以下。本实施例中，优选所述第二电流扩展层110的厚度为500~10000nm。本实施例中优选材料为GaP， p型掺杂浓度为6E17~2E18/cm3，p型掺杂常见的是镁掺杂或者碳掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
第二欧姆接触层111为与第二电极204形成欧姆接触，优选材料为GaP，掺杂浓度为1E19/cm3，更优选为5E19/cm3以上，以实现更好的欧姆接触。所示第二欧姆接触层111的厚度优选为40nm以上，150nm以下。本实施例中，优选所述第二欧姆接触层110的厚度为60nm。
图2显示了一种发光二极管的示意图，所述发光二极管采用图1所示的外延结构，所述发光二极管的电流密度大于10A/cm3，所述发光二极管的尺寸优选大于100μm，即所述发光管的至少一条边的长度大于100μm，优选大于300μm以上。所述发光二极管主要应用于户外显示屏，植物照明，舞台灯等领域。本实施例中所述第一间隔层的厚度为50~120nm；优选为60nm以上，100nm以下，可有效调控发光二极管的电子和空穴在有源区（MQW）复合发光位置，充分利用有源区面积，从而实现提升发光二极管的发光效率的目的。
所述发光二极管包含一基板200，所述半导体外延叠层通过键合层201键合至基板200上，所述半导体外延叠层包括在所述基板200上依次层叠的第二欧姆接触层111，第二电流扩展层110，第二覆盖层109，第二间隔层108，有源层107，第一间隔层106，第一覆盖105，第一电流扩展层104和第一欧姆接触层103。
所述基板200为导电性基板，导电性基板可以为硅、碳化硅或者金属基板，所述金属基板优选为铜、钨或者钼基板。为了能够以充分的机械强度支撑半导体外延叠层，基板200的厚度优选为50μm以上。另外，为了便于在向半导体外延叠层键合后对基板200的机械加工，优选基板200的厚度不超过300μm。本实施例中，优选基板200为硅基板。
第一欧姆接触层103上设置有第一电极203，第一电极203与第一欧姆接触层103之间形成欧姆接触，以实现电流流通。第一欧姆接触层103仅保留第一电极203垂直下方的部分。第一电流扩展层104在水平方向上包括两个部分，即包括位于第一电极203下方的部分P3，未位于第一电极203下方的部分P4被暴露定义为出光面。第一电流扩展层104的出光面可以环绕第一电极203形成。在一些可选的实施例中，出光面可进一步通过蚀刻工艺形成图形面或粗化面，其中图形面可以是蚀刻获得图形。粗化面可具有规则的表面结构或者任意的不规则的表面微纳米结构，粗化表面或图形表面实质上为发光层的光能够更加容易的逃逸出去，提高出光效率。优选地，出光面为粗化面，粗化形成的表面结构的高度差(或者高低差)低于1微米，优选地为10~300nm。
第一电流扩展层104包括仅位于第一电极203下方的部分P1的第二表面，由于被第一电极203保护而不会被粗化。第一电流扩展层104的粗化面的水平高度由于粗化工艺实质上相对于位于第一电极203下方的第二表面（界面）的水平高度更低。
具体的，如图2所示，于本实施例中，第一电流扩展层104包括位于第一电极203下方的部分P1以及不位于第一电极203下方的部分P2，第一电流扩展层104在电极覆盖的部分P1具有第一厚度t1，未被第一电极覆盖的第一电流扩展层104具有第二厚度t2。优选地，第一厚度t1为1.5~2.5微米，第二厚度t2为0.5~1.5μm。P1部分的厚度t1大于P2部分的厚度t2。较佳的，第二厚度t2小于第一厚度t1至少0.3μm。
半导体外延叠层与基板200之间可设置镜面层202，镜面层202包括P型欧姆接触金属层202a和介电材料层202b，两者配合一方面与第二欧姆接触层110形成欧姆接触，另一方面用于将有源层106发出的光束反射至第一电流扩展层104的出光面或者半导体外延叠层的侧壁进行出光。
所述发光二极管还包含第二电极204。在一些实施例中，所述第二电极204位于所述基板200的背面。或者设置的第二电极204位于在基板200上，与半导体外延叠层同侧。
所述第一电极203和第二电极204包括透明导电材料和或金属材料。透明导电材料包括透明导电层，如ITO或IZO，金属材料包括GeAuNi、AuGe、AuZn、Au、Al、Pt、Ti中至少一种。
实施例2
图3~图4显示了根据本实施例1中的发光二极管的制造过程示意图，下面结合示意图对本实施例的发光二极管的制造方法进行详细的描述。
首先，参见图1，提供一个外延结构，其具体包括以下步骤：提供一个生长衬底100，通过磊晶工艺如MOCVD外延生长半导体外延叠层，半导体外延叠层包括依次层叠在生长衬底100表面的缓冲层101以及蚀刻截止层102，用于移除外延生长衬底100，然后生长包括第一欧姆接触层103，第一电流扩展层104、第一覆盖层105，第一间隔层106，有源107，第二间隔层108，第二覆盖层109、第二电流扩展层110和第二欧姆接触层111。
接着，将半导体外延叠层转移至基板200上，去除生长衬底100，获得如图3所示的结构，具体的包含如下步骤：在第二欧姆接触层111制作镜面层202，其包括欧姆接触金属层202a和介电材料层202b，两者配合一方面与第二欧姆接触层111形成欧姆接触，另一方面用于反射有源层射向下方的光线；提供基板200，在基板200上设置金属键合层201，将基板201与镜面层202进行键合，并去除生长衬底100，生长衬底100为砷化镓的情况下，可采用湿法蚀刻工艺移除，直至露出第一欧姆接触层103。
接着，如图4所示，第一欧姆接触层103上形成第一电极203，第一电极203与第一欧姆接触层103形成良好的欧姆接触，在基板200的背面侧形成第二电极204，借此在第一电极203和第二电极204以及半导体外延叠层之间可以通过传导电流。基板200具有一定的厚度，能够支撑其上的所有层。
然后，形成掩膜覆盖在第一电极203上，第一电极203周围的第一欧姆接触层103被暴露；进行蚀刻工艺，蚀刻去除第一电极203周围的第一欧姆接触层103，使非位于第一电极109下方的欧姆接触层103被完全移除，同时暴露第一电流扩展层104，接着蚀刻第一电流扩展层104，以形成图形化或粗化面，形成如图2所示的结构。欧姆接触层的去除工艺以及第一电流扩展层104进行粗化处理可以是同一步骤或者多个步骤的湿法蚀刻工艺，湿法蚀刻的溶液可以是酸性溶液，如盐酸、硫酸或者氢氟酸或者柠檬酸，或者其它任何较佳的化学试剂。
最后，根据尺寸需要通过蚀刻、劈裂等工艺获得单元化的不可见光发光二极管。
本实施例中制备方法得到的发光二极管主要应用于户外显示屏，植物照明，舞台灯等领域，其使用的电流密度大于10A/cm3，所述第一间隔层的厚度为50nm~120nm，优选为60nm以上，100nm以下，可有效调控发光二极管的电子和空穴在有源区（MQW）复合发光位置，充分利用有源区面积，可提升发光二极管的发光效率。
实施例3
图5显示了另一实施例中发光二极管的示意图，所述发光二极管采用图1所示的外延结构，本实施例中所述发光二极管的电流密度小于等于10A/cm3，优选大于5A/cm3，主要应用于TV和面板上。本实施例中的发光二极管优选尺寸小于100μm，大于50μm，即所述发光二极管的至少一条边的长度为大于50μm，小于100μm。本实施例中所述发光二极管的第一间隔层的厚度为0~50nm，优选为10nm以上，更优选为20nm以上，45nm以下，可有效调控此电流密度范围下的发光二极管的电子和空穴在有源区（MQW）复合发光位置，充分利用有源区面积，可提升发光二极管的发光效率。
所述发光二极管为一种倒装型发光二极管。如图5所示，所述发光二极管包含一基板200，所述基板200为透明基板，本实施例中优选为蓝宝石基板。所述半导体外延叠层通过键合层201键合至基板200上，所述键合层201为透明键合层，所述半导体外延叠层包含第一台面S1和第二台面S2，所述台面S2由凹陷的第二类型半导体层形成；所述第一电极203和第二电极204包括欧姆接触部分203a和204a以及焊盘电极203b和204b，所述欧姆接触部分203a和204a形成在第一台面S1和第二台面S2上，分别与第一类型半导体层和第二类型半导体层形成欧姆接触。所述第二电流扩展层110表面形成粗化结构，便于键合层201键合在半导体外延叠层的表面上，从而实现半导体外延叠层键合在透明基板上。
本实施例中所述发光二极管的电流密度小于等于10A/cm3，优选所述发光二极管的第一间隔层的厚度为0~50nm，优选为20nm以下，45nm以下，有效调控此电流密度范围下的发光二极管的电子和空穴在有源区（MQW）复合发光位置，充分利用有源区面积，提升发光二极管的发光效率，从而实现发光二极管在此电流密度的操作范围下，实现较高的发光效率。
实施例4
图6显示了另一实施例中发光二极管的示意图，所述发光二极管采用图1所示的外延结构。本实施例中发光二极管为微发光二极管，所述微发光二极管的电流密度小于10A/cm3，更优选电流密度小于5A/cm3，所述微发光二极管主要应用于TV，面板，车载显示，穿戴等领域。所述微发光二极管的尺寸优选小于等于50μm，即所述微发光二极管的至少一条边的长度小于等于50μm。本实施例中所述发光二极管的第一间隔层的厚度为0~50nm，优选为0~20nm，更优选为0~10nm，以实现微发光二极管在小电流密度条件下的较高的发光效率。
所述微发光二极管包括：半导体外延叠层，包含第一类型半导体层、第二类型半导体层和位于所述第一类型半导体层和第二类型半导体层之间的有源层107；第一台面S1，由所述半导体外延叠层凹陷露出的第一类型半导体层构成，第二台面S2，由所述第二类型半导体层构成；第一电极203，形成于第一台面S1之上，与所述第一类型半导体层形成电连接；第二电极204，形成于第二台面S2之上，与所述第二类型半导体层形成电连接。
在本实施例中，第一类型半导体层包括第一电流扩展层104，第一覆盖层105和第一间隔层106 ；其中第一电流扩展层104起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，本实施例中优选材料为Alx1Ga1-x1InP，厚度为2500~5000nm，所述n型掺杂浓度为2E18~5E18/cm3。Alx1Ga1-x1InP中X1介于0.3~0.7，可保证n型电流扩展层的透光性。所述n型电流扩展层104与第一电极203欧姆接触，形成电连接；所述第一电流扩展层104远离有源层的一侧提供出光面。第一覆盖层105的作用为MQW提供电子，优选材料为AlInP，厚度为200~1200nm；n型掺杂常见的是Si掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。第一间隔层106位于第一覆盖层105和有源层107之间，优选材料为Ala1Ga1-a1InP，所述第一间隔层106的厚度优选为0~50nm，优选为0~20nm。Al组分含量a1的范围为0.2~ 1；掺杂浓度低于21E17/cm3。
第二类型半导体层包含第二间隔层108，第二覆盖层109，第二电流扩展层110和第二欧姆接触层111；第二间隔层108位于有源层107和第二覆盖层109之间，第二间隔层109材料优选为Alb2Ga1-b2InP。所述第二间隔层108的厚度优选为300nm以下，所述第二间隔层107的 Al组分含量b1的范围为0.3 ~ 1；所述掺杂浓度低于2E17/cm3。
第二覆盖层109的作用为有源层107提供空穴，优选材料为AlInP，厚度为200~1200nm；P型掺杂常见的是Mg掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
第二电流扩展层110起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，因此在本实施例中可根据具体的器件尺寸选择其厚度，较佳厚度控制在200nm以上，1500nm以下。本实施例中，优选所述第二电流扩展层110的厚度为300~1000nm。本实施例中优选材料为GaP，p型掺杂浓度为9E17~4E18/cm3，p型掺杂常见的是C掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
第二欧姆接触层111覆盖在第二电流扩展层110之上，优选材料为Gap,厚度为30~100nm，掺杂浓度为5E18~5E19/cm3，优选掺杂浓度为9E18/cm3之上，可与第二电极204形成好的欧姆接触。第二欧姆接触层111与第二电极204欧姆接触，形成电连接。
有源层107为多量子阱，材料为AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP(0≤x≤y≤1)的重复堆叠的阱和垒的结构。本实施例中所述量子阱结构的周期数为2~20个，优选为2~15个，所述阱层的厚度为3~7nm；所述势垒层的厚度为4~8nm。
第一电极203与第一类型半导体层接触的导电型金属可以选择自金、铂或银等，或者为透明导电氧化物，具体的可以为ITO，ZnO等；更优选的，第一电极203可为多层材料，如至少包括金锗镍、金铍、金锗、金锌等至少之一的合金材料，更优选的，第一电极203还可以包括一反射性金属，如金或者银，对自有源层辐射并穿透第一类型半导体层的电流扩展层104的部分光线反射会半导体外延叠层，并从出光侧出光。
所述第二电极204为了与第二类型半导体层的第二欧姆接触层111形成良好的欧姆接触，优选所述第二电极204与第二欧姆接触层111接触的材料可以为导电型金属如金、铂或银等；更优选的，第二电极204可以包括多层材料，其中至少包括金锗镍、金铍、金锗、金锌等至少之一的合金材料。更优选的，为了改善第二电极206与第二欧姆接触层111一侧的欧姆接触效果，可以至少包括一能够扩散至第二欧姆接触层111一侧的金属以改善欧姆接触电阻，为了促进扩散可以选择至少300℃以上的熔合。该扩散金属为可以直接接触第二欧姆接触层111一侧的金属，如金，铂或银等。
为了提高微发光二极管的可靠性，在所述微发光二极管的第一台面S1、第二台面S2和侧壁上具有绝缘保护层207（图中未示出），所述绝缘保护层为单层或者多层结构，由SiO2，SiNx，Al2O3，Ti3O5的至少一种材料形成。在一些可选的实施例中，所述绝缘保护层207为布拉格反射层结构，例如绝缘保护层207由Ti3O5和SiO2两种材料交替堆叠形成。在本实施例中，所述绝缘保护层207的材料可以采用SiNx或者SiO2，厚度为1μm以上。
本实施例中，所述第一电极203和第二电极204位于出光侧的相反侧，第一电极203和第二电极204可以通过出光侧的相反侧与外部电连接件进行接触，形成倒装的结构。因此所述的第一电极203和第二电极204包括欧姆接触部分203a和203a以及焊盘电极203b和203b，焊盘电极203b和203b可以是如金、铝或银等至少一层，以实现第一电极203和第二电极204的固晶。第一电极203和第二电极204可以等高或不等高，在厚度方向上第一电极和第二电极的焊盘金属层不重叠。
图7为使用本实施例微发光二极管形成的微发光元件的示意图，所述微发光元件还包含支撑微发光二极管的基架250，所述基架250位于微发光二极管的下侧，用于连接微发光二极管和基架250的桥臂240；所述基架250包含基板200和键合层201，本实施例中所述键合层201的材料为BCB胶、硅胶、UV紫外胶或者树脂，桥臂240的材料包含介电质、金属或者半导体料，在一些实施例中，绝缘保护层207的水平部分2071可作为桥臂240，跨接在键合层201上，连接微发光二极管和基架250。
微发光二极管通过印刷印模转印与基架250分离，印刷印模材料为PDMS、硅胶、热解胶或UV紫外胶。在一些情况下，微发光二极管与基架之间具有牺牲层208，至少在特定情况下牺牲层208的移除效率高于微发光二极管，特定情况包括化学分解或物理分解，例如紫外光分解、蚀刻移除或者冲击移除等。
实施例5
图8~图14显示了根据本实施例4中的微发光二极管的制造过程示意图，下面结合示意图对本实施例的微发光二极管的制造方法进行详细的描述。
首先，如图8所示，提供一个外延结构，其具体包括以下步骤：提供一个生长衬底100，通过磊晶工艺如MOCVD外延生长半导体外延叠层，半导体外延叠层包括依次层叠在生长衬底100表面的缓冲层101以及蚀刻截止层102，用于移除外延生长衬底100，然后生长包括第一电流扩展层104、第一覆盖层105，第一间隔层106，有源107，第二间隔层108，第二覆盖层109、第二电流扩展层110和第二欧姆接触层111。
然后，参见图9，通过干法蚀刻方式移除部分的半导体外延叠层形成第一台面S1和第二台面S2，第一台面S1，由半导体外延叠层凹陷露出的第一类型半导体层构成，第二台面S2，由第二类型半导体层构成；形成侧壁，位于半导体外延叠层外边缘，位于第一台面S1和第二台面S2之间。
接着，参见图10，分别在第一台面S1和第二台面S2上分别制作第一电极203和第二电极204；其中第一电极203和第二电极204包括欧姆接触部分203a和204a，在欧姆接触部分上覆盖绝缘保护层207，并在绝缘保护层207上方开口形成焊盘电极203b和204b分别与欧姆接触部分203a和204a接触。所述欧姆接触部分203a和204a的材料可以例如Au/AuZn/Au，在本步骤中可对欧姆接触部分203a和204a进行熔合，使其与半导体外延叠层构形成良好的欧姆接触。所述绝缘保护层207优选采用SiNx或者SiO2，厚度为1μm以上。在其它可选的实施例中，所述绝缘保护层207可采用布拉格反射层结构，由两种不同折射率的材料交替堆叠形成。
接着，参见图11，在所述微发光二极管的表面上覆盖牺牲层208；较佳地，覆盖在侧壁上的牺牲层208的厚度为1μm以上，牺牲层208的材料可为氧化物、氮化物或者可选择性地相对于其他层被移除的材料。
接着，参见图12，在所述微发光二极管的牺牲层208上键合胶，如BCB胶，形成键合层201；
接着，参见图13，将分布微发光二极管的晶圆键合到基板200上。
接着，参见图14，剥离生长衬底100，移除缓冲层101和蚀刻截止层102。
接着，通过掩膜和蚀刻，移除微发光二极管边缘的第一类型半导体层，蚀刻停在绝缘保护层207上，形成独立芯粒，便于后续芯粒的分离，得到如图8所示的微型发光二极管。
最后，所述形成的微发光二极管通利用转印压印从基板210分离并转印至封装基板上。（图中未示出）。
实施例6
本实施例提供一种发光装置300，所述发光装置包含驱动单元和发光二极管，所述驱动单元电连接所述发光二极管。请参考图15，发光装置300包括如前述任意实施例的多个阵列排布的发光二极管，在图15中用放大显示的示意方式显示了一部分发光二极管1。
在本发明实施例的发光二极管和发光装置中,可以根据发光二极管的电流密度的不同工作范围或者芯片尺寸来设计发光二极管中的第一阻挡层的厚度，以实现发光二极管更理想的外部量子效率，进一步提高发光装置的发光效率。发光装置中的发光二极管在电流密度的不同操作范围下可以具有理想的发光效率。
需要说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (27)

1.发光二极管，包括：
半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包含n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层；
其特征在于：所述第一类型半导体层和所述有源层之间包含第一间隔层，所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~10。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~5。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一间隔层的厚度为0~120nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的电流密度大于10A/cm2时，所述第一间隔层的厚度为50~120nm。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的电流密度小于等于10A/cm2时，所述第一间隔层的厚度为0~50nm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一间隔层的材料为AlaGa1- aInP，其中a的范围为0.2~1。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一间隔层为n型掺杂，所述掺杂浓度小于2E17/cm3。
8.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管的至少一条边的长度大于100μm。
9.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的至少一条边的长度小于等于100μm。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包括第二间隔层，所述第二间隔层位于所述有源层和所述第二类型半导体层之间。
11.根据权利要求10所述的发光二极管，其特征在于：所述第二间隔层的材料为AlbGa1- bInP，其中b的范围为0.2~1。
12.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述有源层的周期数n为1~100。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述阱层的厚度为2~25nm；所述势垒层的厚度为2~25nm。
14.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包含第一电极和第二电极，分别与所述第一类型半导体层和第二类型半导体层形成电连接。
15.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述有源层的材料为AlGaInP基的材料组成。
16.发光二极管，其特征在于，该发光二极管包括：
半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包含n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层；所述第一类型半导体层和所述有源层之间包含第一间隔层；
其中，所述发光二极管具有依次围绕的第一边、第二边、第三边和第四边，其中第一边与第三边平行，第二边与第四边平行，所述第一边的长度大于等于第二边的长度，所述第二边的长度大于等于100μm，所述第一间隔层的厚度为50~120nm或者所述第二边的长度小于100μm，所述第一间隔层的厚度为0~50nm。
17.根据权利要求16所述的发光二极管，其特征在于：所述第一间隔层的材料为AlaGa1- aInP，其中a的范围为0.2~1。
18.根据权利要求16所述的发光二极管，其特征在于：所述第一间隔层的掺杂为n型掺杂，所述掺杂浓度小于2E17/cm3。
19.根据权利要求16所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包括第一电极和第二电极，分别与所述第一类型半导体层和第二类型半导体层形成电连接。
20.根据权利要求16所述的发光二极管，其特征在于：所述有源层的材料为AlGaInP基的材料组成。
21.一种发光装置，包括驱动单元和发光二极管，所述驱动单元电连接所述发光二极管，所述发光二极管具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包含n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层；
其特征在于：所述第一类型半导体层和有源层之间包含第一间隔层，所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~10。
22.根据权利要求21所述的发光装置，其特征在于：所述第一间隔层的厚度（nm）与所述发光二极管的电流密度（A/cm2）的比值介于0~5。
23.根据权利要求21所述的发光装置，其特征在于：所述发光二极管的电流密度大于10A/cm2时，所述第一间隔层的厚度为50~120nm。
24.根据权利要求21所述的发光装置，其特征在于：所述发光二极管的电流密度小于等于10A/cm2，所述第一间隔层的厚度为0~50nm。
25.根据权利要求21所述的发光装置，其特征在于：所述第一间隔层的材料为AlaGa1- aInP，所述a的范围为0.2~1。
26.根据权利要求21所述的发光装置，其特征在于：所述第一间隔层为n型掺杂，所述掺杂浓度为2E17/cm3以下。
27.根据权利要求21所述的发光装置，其特征在于：所述有源层的材料为AlGaInP基的材料组成。
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