图1是2012年6月之前已知的正装发光二极管结构示意图。

图2是《一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管》实施例1公开的具有双反射层的氮化镓基高亮度发光二极管的剖面示意图。

图3是该发明实施例1公开的具有双反射层的氮化镓基高亮度发光二极管的俯视示意图。

图4是该发明实施例2公开的具有双反射层的氮化镓基高亮度发光二极管的剖面示意图。

图5是该发明实施例2公开的具有双反射层的氮化镓基高亮度发光二极管的俯视示意图。

图6是该发明实施例3公开的具有双反射层的氮化镓基高亮度发光二极管的俯视示意图。

图中部件符号说明：100：衬底、101：N型层、102：发光区、103：P型层、104：金属反射层、105：电流扩展层、106：P电极、107：N电极、200：衬底、201：N型层、202：发光区、203：P型层、204：环状反射层、205：电流扩展层、206：金属反射层、207：P电极、208：N电极、209：P扩展电极、210：长条状环形结构。

1.《一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管》包括：衬底；外延层，形成于该衬底之上，从上至下依次包含P型层、发光区和N型层；电流扩展层，形成于所述P型层之上；P电极，形成于所述电流扩展层之上；其特征在于：一反射结构形成于所述P电极与所述外延层之间且位于P电极的正下方，由环状反射层和金属反射层构成，其几何中心在垂直方向上与P电极的中心对应，其中所述环状反射层形成于电流扩展层与P型层之间；所述金属反射层形成于电流扩展层与P电极之间；所述环状反射层与金属反射层之间设有一预定距离，且所述环状反射层位于所述金属反射层的正下方，其内环直径小于或者等于金属反射层的直径，外环直径大于金属反射层的直径。

2.根据权利要求1所述的具有双反射层的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述环状反射层位于部分P型层之上，由环状结构组成，其外边缘形状与P电极的外边缘形状一致。

3.根据权利要求1所述的具有双反射层的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述环状反射层为分布布拉格反射层或全方位反射层。

4.根据权利要求1所述的具有双反射层的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述环状反射层的环宽为5~50微米。

5.根据权利要求1所述的具有双反射层的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述环状反射层的内环直径为30~200微米。

6.根据权利要求1所述的具有双反射层的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述环状反射层的外环直径为50~300微米。

7.根据权利要求1所述的具有双反射层的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述金属反射层的直径为50~200微米。

8.根据权利要求1所述的具有双反射层的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述环状反射层与金属反射层之间的预定距离为2~10微米。

9.根据权利要求1所述的具有双反射层的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述环状反射层的厚度为0.5~5微米。

截至2012年6月，蓝绿光LED使用的都是基于GaN的III-V族化合物半导体材料；由于GaN基LED外延片的P-GaN层空穴浓度小，且P型层厚度很薄，绝大部分发光从P型层透出，而P型层不可避免地对光有吸收作用，导致LED芯片外量子效率不高，大大降低了LED的发光效率。采用ITO层作为电流扩展层虽可提高透射率，但导致LED电压要高一些，寿命也受到影响。另外，在外加电压下，由于存在电流扩散不均匀，一些区域电流密度很大，影响LED寿命。总之，在外部量子效率方面，2012年6月之前的GaN基LED还是显得不足，一方面与电流非均匀分布有关，另一方面则是与当光发射至电极会被电极本身所吸收有关。

为此，改善LED发光效率的研究较为活跃，主要技术有采用图形衬底技术、分布电流阻隔层（也称电流阻挡层）、分布布拉格反射层（英文为Distributed Bragg Reflector，简称DBR）结构、透明衬底、表面粗化、光子晶体技术等。

参见图1，2012年6月之前，在已知的正装发光二极管结构中，包括衬底100，由下往上堆叠的N型层101、发光区102、P型层103、金属反射层104、电流扩展层105、P电极106以及设置在N型层101裸露表面上的N电极107。由于金属反射层104（通常为Al或Ag材料）对光有反射作用，使得发光层发出的光线发射出来，并从侧面出光，如光线1a所示；但是仍然有部分光线无法或很难从侧面或上面出射，如光线1b所示，因而造成光损失，无法使得发光层发出的光线有效取出，影响了芯片的发光效率。

一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管专利目的

《一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管》提供了一种具有双反射层的GaN基高亮度LED，其通过在LED的外延层与P电极之间增设环状反射层和金属反射层，形成双反射层结构，可以有效地取出发光层发出的光线，减少P电极的吸光现象，从而增加出光效率。

一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管技术方案

《一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管》包括：衬底；外延层，形成于该衬底上，其中外延层包含P型层、发光区和N型层；电流扩展层，形成于所述P型层之上；P电极，形成于所述电流扩展层之上；其特征在于：一反射结构形成于所述P电极与所述外延层之间，由环状反射层和金属反射层构成，其几何中心在垂直方向上与P电极的中心对应，其中所述环状反射层形成于电流扩展层与P型层之间；所述金属反射层形成于电流扩展层与P电极之间；所述环状反射层与金属反射层之间设有一预定距离。

上述环状反射层位于部分P型层之上，由一个环状结构组成，其外边缘形状与P电极的外边缘形状一致。

上述环状反射层的环宽为5~50微米。

上述环状反射层的内环直径为30~200微米。

上述环状反射层的外环直径为50~300微米。

上述金属反射层的直径为50~200微米。

上述环状反射层与金属反射层之间的预定距离为2~10微米。

上述环状反射层的厚度为0.5~5微米。

上述环状反射层为分布布拉格反射层或全方位反射层。

上述环状反射层由交替的高折射率和低折射率材料层组成，高折射率层材料选自TiO、TiO₂、Ti₃O₅、Ti₂O₃、Ta₂O₅、ZrO₂或前述的任意组合之一，低折射率层材料选自SiO₂、SiNx、Al₂O₃或前述的任意组合之一。

上述金属反射层材料可选用铝（Al）或者是银（Ag）或者是镍（Ni）等。

上述衬底材料可选用蓝宝石（Al₂O₃）或者是碳化硅（SiC）或者是硅片（Si）等。 上述电流扩展层材料可选用镍/金合金（Ni/Au）或镍/氧化铟锡合金（Ni/ITO）或氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或In掺杂ZnO或Al掺杂ZnO或Ga掺杂ZnO中的一种或其组合。

一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管改善效果

（1）《一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管》通过在LED的外延层与P电极之间增设环状反射层和金属反射层，形成双反射层结构，使得发光层发出的一部分的光线经过环状反射层的一次反射便从侧面出射，还可以使得另一部分原本要射向P电极的光线经过双反射层的双层反射后向上出射，进而提升芯片的光取出效率；

（2）环状反射层又兼具电流阻挡的作用，减少芯片电极下方的电流积聚，进一步提高了芯片的发光效率；

（3）视芯片的尺寸大小和电极分布情况，通过控制环状反射层的截面积大小，使其与P电极面积大小相适应，可以调整发光层发出的光线向上和侧面出射的比例，从而改善芯片的发光分布均匀性。

一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管操作内容

下列各实施例公开的一种具有双层反射层的GaN基高亮度LED，包括：衬底，外延层，电流扩展层，反射结构及P、N电极。

具体来说，衬底可选用材料可选用蓝宝石（Al₂O₃）或者是碳化硅（SiC）或者是硅片（Si）等。对于水平结构的LED器件，选用绝缘性材料；而对于垂直结构的LED器件，则选用导电性材料。

外延层可通过外延生长形成于衬底的表面上，至下而上至少包括N型层，发光层和P型层，还可包括缓冲层、电子阻挡层等，材料可为氮化镓基半导体材料。

电流扩展层位于P型层上，可选用镍/金合金（Ni/Au）或镍/氧化铟锡合金（Ni/ITO）或氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或In掺杂ZnO或Al掺杂ZnO或Ga掺杂ZnO中的一种或其组合。

P电极形成于电极扩展层上，用于为发光层提供电流注入。对于水平结构的LED器件，可蚀刻部分的P型层及发光层，露出N型层，N电极形成于裸露的N型层表面上。对于垂直结构的LED器件，N电极则制作在导电衬底的背面。

反射结构位于P电极与P型层之间，由环状反射层和金属反射层构成，根据P电极的形状和位置设置反射结构的位置及大小，其几何中心在垂直方向上与P电极的中心对应。环状反射层形成于电流扩展层与P型层之间，可位于电流扩展层底层层内或外延层的顶部表层，至少一个环状结构组成，形状可为圆形、方形、三角形、正多边形等。关于环状反射层的环状结构的各个参数，可依据芯片尺寸的小以及具体光学路径进行调整设计。在某些实施例中，环状反射层的环宽可为5~50微米，内环直径为30~200微米，外环直径为50~300微米，厚度为0.5~5微米。在一些优选实施例中，选用分布布拉格反射层（DBR）或全方位反射层（ODR）作为环状反射层，其兼具电流阻挡的作用，减少芯片电极下方的电流积聚，进一步提高了芯片的发光效率。金属反射层形成于电流扩展层上，位于电流扩展层与P电极之间，可含在电流扩展层，也可在电流扩展层上面，与环状反射层之间的垂直距离为2~10微米，材料可选用铝（Al）或者是银（Ag）或者是镍（Ni）等。

一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管实施案例

• 实施例1

如图2和图3所示的一种具有双反射层的氮化镓基高亮度发光二极管，包括：蓝宝石衬底200、N型层201、发光区202、P型层203、圆环状的分布布拉格反射层204、电流扩展层205、金属反射层206、P电极207和N电极208。

具体来说，上述发光二极管结构中最底层为蓝宝石衬底200；N型层201，形成于蓝宝石衬底200上；发光区202，形成于N型层201上；P型层203，形成于发光区202上；圆环状的分布布拉格反射层204，形成于P型层203上；ITO电流扩展层205，形成于圆环状的分布布拉格反射层204及P型层203表面上；Al金属反射层206，形成于ITO电流扩展层205的表层上；P电极207，形成于Al金属反射层206上；N电极208，形成于裸露的N型层201上；其中分布布拉格反射层204由交替的高折射率TiO₂材料和低折射率的SiO₂材料组成，圆环状的分布布拉格反射层204的内环直径为80微米，圆环状的分布布拉格反射层204的外环直径为130微米；金属反射层206的直径为85微米。

在该实施例中的反射结构具有以下特点：（1）金属反射层在垂直方向上与圆环状的分布布拉格反射层的环心对应；（2）圆环状的分布布拉格反射层204的内环直径小于金属反射层206的直径且圆环状的分布布拉格反射层204的外环直径大于金属反射层206的直径；（3）金属反射层206的直径等同于P电极207直径。通过在LED的P型层203与P电极207之间增设圆环状的分布布拉格反射层204和Al金属反射层206，形成双反射层结构，使得发光层发出的一部分的光线，如光线2a路径所示，经过圆环状的分布布拉格反射层204的一次反射便从侧面直接出射；还可以使得另一部分原本要射向P电极207的光线经过双反射层的双层反射后向上出射，如光线2b路径所示，进而提升芯片的光取出效率。

上述具有双反射层结构的氮化镓基发光二极管，其制作方法包括步骤：

第一步：在蓝宝石衬底200上外延生长氮化镓基发光外延层，包括；N型层201、发光区202、P型层203；

第二步：在P型层203上，通过蒸镀方式，形成圆环状的分布布拉格反射层204；

第三步：在圆环状的分布布拉格反射层204及P型层203表面上，通过蒸镀方式，形成ITO电流扩展层205；

第四步：在ITO电流扩展层205上，通过溅镀方式，形成Al金属反射层206； 第五步：通过光罩、剥离工艺，分别在Al金属反射层206正上方和裸露的N型层201上制作P电极207和N电极208。

上述制作方法的第二步使得Al金属反射层206在垂直方向上与圆环状的分布布拉格反射层204的环心对应；第五步使得金属反射层位于P电极207的正下方，Al金属反射层206的直径等同于P电极207直径。

• 实施例2

与实施例1相比，该实施例公开了一种垂直结构的具有双反射层的氮化镓基高亮度发光二极管。在该实施例，采用Si作为衬底200，N电极208形成于衬底的背面，构成了垂直结构的LED器件结构。

• 实施例3

与实施例1相比，该实施例公开的氮化镓基LED器件的电极结构还包括扩展电极209，其宽度为10微米，可在扩展电极209正下方设置金属反射层和环状反射层，进一步地提高出光效率。金属反射层可与扩展电极等大，环状反射层由P电极207下方的圆环形结构204和扩展电极209下方的长条状环形结构210构成。圆环形结构204与实施例1不同的是：圆环状的分布布拉格反射层204的内环直径为80微米，等同于P电极207直径，长条状环形结构210的内环直径为10微米，外环直径为20微米。

2017年6月22日，《一种具有双反射层的氮化镓基发光二极管》获得安徽省第五届专利奖金奖。

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》涉及一种紫外LED的外延结构，尤其涉及一种具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法，属于发光二极管（Light-EmittingDiode，简称LED）技术领域。

具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法专利目的

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》提供了一种具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法，该外延结构具有提供量子点的量子阱结构，从而提高了电子空穴复合几率，解决了AlGaN量子阱中因无量子点导致的复合几率非常低的问题。

具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法技术方案

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》提供一种具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构的生长方法，包括如下步骤：1）在衬底上，从下至上依次生长缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层；2）在所述N型掺杂层上生长Q个量子阱结构，所述每个量子阱结构包含量子阱层和量子垒层AlyGa1-yN，并且所述量子阱层包含M个AlxGa1-xN-GaN量子点，其中，1≤Q≤50，1≤M≤10，0＜x＜1，0＜y＜1，x＜y，且Q、M均为正整数；3）在所述Q个量子阱结构上，从下至上依次生长电子阻挡层、P型掺杂AlvGa1-vN层和P型掺杂GaN层，其中，0＜v＜1，v＞y。步骤1）中，首先是在衬底上生长缓冲层。由于LED外延结构多为金属的氮化物，因此在通入反应物之前，需要对反应室中的温度以及压力进行控制从而使氨气和金属源能够分解成各自原子而发生化合反应生成金属的氮化物。具体实施过程中，将反应室衬底的温度控制在600～1000℃，压力为100～500托，将氨气与金属源通入衬底上，在该反应条件下，金属源分解为相应的金属原子，氨气分解为氮原子，从而生成金属氮化物形成外延结构的缓冲层。为了能够控制缓冲层的厚度，一般的，金属源的注入速度为1～300毫升/分钟，在通入上述反应物后并反应3～10分钟，即可在衬底上成长出厚度大于0且小于等于100纳米的缓冲层。其中，金属源可以选择为三甲基镓、三甲基铟以及三甲基铝中的一种或多种，则可以想到的是，缓冲层的组成会因此为氮化镓、氮化铟以及氮化铝中的一种或几种。优选的，为了避免吸光，金属源可以选择为三甲基铝。其次，当缓冲生长层生长结束后，可以将反应室的温度提高至1000～1350℃，压力维持在30～100托，在氢气气氛的保护下，通入三甲基镓、三甲基铝和氨气。该步骤不仅能够使缓冲层发生分解聚合形成均匀分布的成核岛，还能够使新通入的反应物分解为原子并化合为金属氮化物，从而与晶核岛合并并长大，从而生长出未掺入任何杂质的未掺杂层AltGa1-tN。为了能够控制未掺杂层的厚度，一般的，三甲基镓和三甲基铝的注入速度为50～1000毫升/分钟，在通入上述反应物并反应10～180分钟后，即可在缓冲层上成长出厚度为50～3000纳米的未掺杂层。随后引入N型杂质在未掺杂层上生长出厚度为1000～3000纳米N型掺杂层AluGa1-uN。《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》中引入的杂原子为硅原子，硅原子的掺杂浓度为1x10¹⁷～5x10¹⁹个厘米^-3。步骤2）中，是在N型掺杂层上生长Q个量子阱结构。《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》对每个量子阱结构中的量子阱层做了设计，使每个量子阱层中都包含GaN量子点，即：当M＝1时，量子阱层具体为AlxGa1-xN-GaN量子点；当M＞1时，量子阱层具体为AlxGa1-xN-GaN量子点/AlxGa1-xN-GaN量子点......AlxGa1-xN-GaN量子点/AlxGa1-xN-GaN量子点。并且，《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》中要求量子垒层中的铝含量y大于量子阱层中的铝含量x。步骤3）中，首先，在已生长好的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构上生长一层5-100纳米厚的电子阻挡层AlzGa1-zN。此层的目的作为电子阻挡层同时也可以作为高载流子迁移率插入层。其次，在此基础上生长高载流子浓度的厚度大于0且小于500纳米的P型掺杂AlvGa1-vN层，此层的掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10²⁰个厘米^-3。最后，生长P型掺杂GaN层，此层的厚度为2～15纳米，此层的掺杂浓度为5×10¹⁹～8×10²⁰个厘米^-3，以便形成良好的欧姆接触。以上，便完成了完整的含有氮化镓量子点的紫外LED外延结构的生长。

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》有效提升了氮化铝镓AlGaN量子阱中量子点的数量，从而提升了电子空穴复合几率，提高了紫外LED的发光性能，有效实现了紫外LED的杀菌效率。具体地，当M＝1，则所述步骤2）包括：a.调节温度为900～1200℃，压力为30～200托，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、硅原子以及氨气，生长量子垒层AlyGa1-yN，其中，所述量子垒层AlyGa1-yN的垒宽为2～25纳米；b.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长所述量子阱层中的AlxGa1-xN，其中所述AlxGa1-xN的阱宽为1～5纳米；c.降温至800～1200℃，压力为30～200托，通入氢气、三甲基镓以及氨气，生长所述量子阱层中的GaN量子点，所述GaN量子点的厚度为1～20个原子层级；d.重复步骤a～cQ次。该生长方法具体生长出量子阱层包含单个AlxGa1-xN-GaN量子点结构的量子阱结构。另外，当2≤M≤10，则所述步骤2）包括：A.调节温度为900～1200℃，压力为30～200托，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、硅原子以及氨气，生长量子垒层AlyGa1-yN，其中，所述量子垒层AlyGa1-yN的垒宽为2～25纳米；B.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长所述量子阱层中的AlxGa1-xN，其中所述AlxGa1-xN的阱宽为1～5纳米；C.降温至800～1200℃，压力为30～200托，通入氢气、三甲基镓以及氨气，生长所述量子阱层中的GaN量子点，所述GaN量子点的厚度为1～20个原子层级；D.重复步骤B～CM次；E.重复步骤A～DQ次。该生长方法具体生长出量子阱层包含AlxGa1-xN-GaN量子点……AlxGa1-xN-GaN量子点的周期性结构的量子阱结构。其中步骤A、B、C与步骤a、b、c相同。

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》中量子点的厚度可以通过步骤c或者步骤C中的生长时间和反应物通入流量的大小来调整。进一步地，《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》还对非掺杂层为AltGa1-tN、N型掺杂层为AluGa1-uN，电子阻挡层为AlzGa1-zN中的铝镓含量进行了限制，其中0＜t＜1，0＜u＜1，0＜z＜1，且z＞y。进一步地，在《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》中，N型掺杂层的掺杂原子为硅原子，而所述P型掺杂AlvGa1-vN层和P型掺杂层的掺杂原子为镁原子，具体可以采用二茂镁的形式作为反应物通入反应室，其中，二茂镁的流速为10～1000毫升/分钟。进一步地，《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》对发光二极管外延结构的生长设备不做限制，可以是金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备或者氢化物气相外延设备中的一种。同时，所述衬底层选自蓝宝石、图形蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃、铜、镍和铬中的一种。

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》提供的具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构的生长方法，通过将GaN量子点引入量子阱层中，有效地提升了氮化铝镓AlGaN量子阱中量子点的数量，提升了电子空穴复合几率，提高了紫外LED器件的发光性能，从而使紫外LED的杀菌效力得到显著增强。该发明还提供一种具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构，该具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构按照上述生长方法得到。该发明还提供一种具有氮化镓量子点的紫外LED，该具有氮化镓量子点的紫外LED包括上述的具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构。

具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法改善效果

1）此发明结构简单，易于实现，所需源材料均为普通生产所需，能够轻易实现；

2）GaN量子点的引入能够极大地提高电子空穴复合几率，提高紫外LED的发光效率；

3）能够通过控制GaN量子点的厚度来控制所需紫外LED的波长。