CN114284407B

CN114284407B - 发光二极管及发光装置

Info

Publication number: CN114284407B
Application number: CN202111582726.7A
Authority: CN
Inventors: 高迪; 熊伟平; 李维环; 吴志伟; 张励国; 丁雯雯
Original assignee: Tianjin Sanan Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Tianjin Sanan Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2025-03-25
Anticipated expiration: 2041-12-22
Also published as: CN114284407A

Abstract

本发明提供一种发光二极管，其包括外延结构、第一电极和第二电极，外延结构具有相对的第一表面和第二表面，外延结构自第一表面至第二表面依次包括N型GaP电流扩展层、N型半导体层、发光层、P型半导体层和欧姆接触层，第一电极和第二电极分别电连接N型GaP电流扩展层和欧姆接触层，其中，欧姆接触层的材料包括Al_xGa_(1‑x)As，0＜x≤0.6。借此设置，可改善欧姆接触层的吸红光问题，提升出光效率。

Description

发光二极管及发光装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种发光二极管及发光装置。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)为半导体发光元件，通常是由如GaN、GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成，其核心是具有发光特性的PN结，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。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。

如图1所示，现有的发光二极管10包括自下而上依次层叠的衬底100、P型电流扩展层102、P型半导体层104、发光层106、N型半导体层108、N型电流扩展层110、欧姆接触层112（只位于电极下方）以及N电极114。N型电流扩展层110为AlGaInP。在P型电流扩展层102上设置有P电极116。现有的发光二极管10存在以下问题：1、为保证N侧良好的欧姆接触，通常是采用GaAs作为欧姆接触层，GaAs会吸收红光，如此做法不仅影响出光效率，也增加了湿法蚀刻的制程，导致工艺更为复杂，成本增加；2、为保证N侧良好的电流扩展效果，N型电流扩展层110会生长较厚（生长的AlGaInP层较厚,厚度大于3um），以致于在台面蚀刻后，N电极114与P电极116高度差较大，加深后续工艺制程难度。

此外，如图2所示，现有的发光二极管10为了获得较好的抗ESD能力及电流扩展效果，会对N电极114的形状进行延伸，尤其是对小尺寸芯片（如Mini LED）来讲，由电极延伸出来的finger部分会跨越半导体层的中间区域，存在顶针顶到finger，增加了外延被顶裂的风险。

发明内容

本发明提供一种发光二极管，其包括外延结构、第一电极和第二电极。

外延结构具有相对的第一表面和第二表面。所述外延结构自第一表面至第二表面依次包括N型GaP电流扩展层、N型半导体层、发光层、P型半导体层和欧姆接触层。第一电极和第二电极分别电连接N型GaP电流扩展层和欧姆接触层，其中，欧姆接触层的材料包括Al_xGa_（1-x）As，0＜x≤0.6。

在一实施例中，x的取值范围为0.5＜x≤0.6。

在一实施例中，所述发光二极管还包括透明导电层，所述透明导电层位于所述欧姆接触层与所述第二电极之间。

在一实施例中，所述透明导电层的厚度范围为200-500埃米。

在一实施例中，所述透明导电层的材料可包括铟锡氧化物、锌铟氧化物、氧化铟、氧化锡、镉锡氧化物、锡锑氧化物、铝锌氧化物、锌锡氧化物、氧化锌掺杂镓、氧化铟掺杂钨或氧化锌中的一种或多种。

在一实施例中，所述外延结构还包括过渡层，位于所述P型半导体层和所述欧姆接触层之间。

在一实施例中，所述过渡层的材料包括AlGaInP。

在一实施例中，所述第一电极与所述第二电极之间具有一高度差，所述高度差小于等于3μm。

在一实施例中，所述发光二极管还包括绝缘层，所述绝缘层覆盖所述衬底、所述外延结构、所述第一电极和所述第二电极，并具有第一开口和第二开口，所述第一开口位于所述第一电极的上方，所述第二开口位于所述第二电极的上方。

在一实施例中，所述第二电极包括起始电极和延伸电极，所述延伸电极连接所述起始电极，所述延伸电极是自所述起始电极朝向所述第一电极的方向延伸。

在一实施例中，从所述发光二极管的上方朝向所述外延结构俯视，所述延伸电极与所述第一电极之间具有第一最短距离，所述第一最短距离大于等于所述外延结构的长度的1/2。

在一实施例中，从所述发光二极管的上方朝向所述外延结构俯视，所述延伸电极的长度与所述发光二极管结构的长度之比介于1:20～1:3，所述延伸电极的宽度与所述外延结构的宽度之比介于1:2～9:10。

在一实施例中，所述发光二极管的尺寸为300μm以下。

在一实施例中，所述发光二极管是辐射红光。

在一实施例中，所述发光二极管的第一电极和第二电极位于所述外延结构的同侧。

本发明还提供一种发光装置，其采用如上任意所述的发光二极管。

本发明的一个优势在于提供一种发光二极管及发光装置，采用Al_xGa_（1-x）As材料形成欧姆接触层，避免欧姆接触层吸收红光，影响到整体出光效果。

本发明的另一个优势在于提供一种发光二极管及发光装置，通过透明导电层搭配欧姆接触层的设置，达到电流扩展效果，以降低发光二极管的台面高低差，简化工艺制程。并且，由于透明导电层具有优秀的电流扩展效果，电极无需设计较长的电极finger来进行电流扩展，也就是说，可以减小电极尺寸和面积，降低成本，减小电极遮光面积，提升发光亮度，同时可避免顶针顶破外延。

本发明的其它特征和有益效果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有益效果可通过在说明书、权利要求书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1是现有的发光二极管的结构示意图；

图2是现有的发光二极管的俯视示意图；

图3是本发明一实施例提供的发光二极管的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的发光二极管的俯视示意图；

图5至图7是外延结构在制造过程中各阶段的结构示意图。

附图标记：

20-发光二极管；22-衬底；23-键合层；24-外延结构；241-N型半导体层；242-发光层；243-P型半导体层；244-第一表面；245-第二表面；25-过渡层；26-N型GaP电流扩展层；28-欧姆接触层；30-透明导电层；32-绝缘层；321-第一开口；322-第二开口；34-第一电极；36-第二电极；H1-透明导电层的厚度；H2-高度差；L1-发光二极管的长度；L2-延伸电极的长度；W1-发光二极管的宽度；W2-延伸电极的宽度；S-第一最短距离。

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；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸的连接，或一体成型的连接; 可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图3，图3是本发明一实施例提供的发光二极管20的结构示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种发光二极管20。发光二极管20包括外延结构24、第一电极34和第二电极36。

外延结构24通过键合层23设置在衬底22的上表面。在本实施例中，所述衬底22为蓝宝石衬底。进一步说明，衬底22可以是透明衬底，透明衬底的材料包含无机材料或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。无机材料包含碳化硅(SiC)、锗(Ge)、蓝宝石(sapphire)、铝酸锂(LiAlO₂)、氧化锌(ZnO)、玻璃或石英。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料包含磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)材料。衬底22具有足以机械性地支撑外延结构24的强度，并且能透过从外延结构24射出的光。衬底22的厚度优选为50μm以上。另外，为了便于在向外延结构24键合后对衬底22的机械加工，优选为厚度不超过300μm的厚度。

键合层23的材料可为绝缘材料和/或导电材料。绝缘材料包含但不限于聚亚酰胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、氧化镁(MgO)、Su8、环氧树脂(Epoxy)、丙烯酸树脂(AcrylicResin)、环烯烃聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(FluorocarbonPolymer)、玻璃(Glass)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO_x)、氧化钛(TiO₂)、氧化钽(Ta₂O₅)、氮化硅(SiN_x)或旋涂玻璃(SOG)。导电材料包含但不限于氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锌(IZO)、类钻碳薄膜(DLC)或氧化镓锌(GZO)等。

在一些实施例中，外延结构24靠近衬底22的第二表面244可为一粗化面，当发光层242发出的光线穿过键合层23和第二表面244时，可以减少全反射情况的发生，进而提升发光二极管20的出光性能。

外延结构24具有相对的第一表面244和第二表面245，其自第一表面244至第二表面245的方向起依次包括N型GaP电流扩展层26、N型半导体层241、发光层242、P型半导体层243和欧姆接触层28。

N型GaP电流扩展层26设置在衬底22上，以进行电流扩展，提升出光效果。N型半导体层241设置在N型GaP电流扩展层26上，其自下而上可包括N型覆盖层和N型限制层。N型限制层的材料可包括AlGaInP，厚度在500-1000A(埃米)，用于限制N型覆盖层中的掺杂离子进入发光区。N型覆盖层的材料可包括掺杂Si的AlINP，厚度在2000-6000A，用于提供电子。

发光层242设置在N型半导体层241上，可以为量子阱结构(Quantum Well，简称QW)。在一些实施例中，发光层242也可以为多重量子阱结构(Multiple Quantum Well，简称MQW)，其中多重量子阱结构包括以重复的方式交替设置的多个量子阱层(Well)和多个量子阻障层(Barrier)。此外，发光层242内的阱层的组成以及厚度决定生成的光的波长。在本实施例中，发光层242发出的光为红光，发光层242的材料包括AlGaInP。也就是说，发光二极管20是辐射红光，发光二极管20为红光二极管。

P型半导体层243设置在发光层242上，其自下而上可包括P型限制层和P型覆盖层。P型覆盖层的材料可包括掺杂Mg的AlINP，厚度在4000-6000A，用于提供空穴。P型限制层的材料可包括AlGaInP，厚度在500-1000A，用于限制P型覆盖层中的掺杂离子进入发光区。

欧姆接触层28位于P型半导体层243上，欧姆接触层28的材料包括Al_xGa_（1-x）As，0＜x≤0.6。借由Al_xGa_（1-x）As对AlGaInP红光二极管几乎不吸光的特性，来提升发光二极管20的发光效果和出光效率。较佳的，为避免欧姆接触层28吸红光，需增大欧姆接触层28的禁带宽度，即减小欧姆接触层28对应的峰值波长，并且考虑到Al含量过高可能会导致后续透明导电层30在蚀刻过程中影响欧姆接触层28，因此，x在0.5-0.6之间较佳，即0.5＜x≤0.6。

第一电极34位于N型GaP电流扩展层26上，第二电极36位于欧姆接触层28上。第一电极34和第二电极36分别电连接N型GaP电流扩展层26和欧姆接触层28。第一电极34与第二电极36之间具有一高度差H2，高度差H2小于等于3μm，降低工艺制程难度。具体来说，发光二极管20还包括透明导电层30。透明导电层30位于欧姆接触层28与第二电极36之间，用于扩展电流，使得电流分布更为均匀，提升发光二极管20的出光性能。通过使用透明导电层30搭配欧姆接触层28的设置，相较于现有的发光二极管而言，无需形成较厚的N型电流扩展层110，也就达到降低台面高低差的目的，简化工艺制程。较佳的，透明导电层30的厚度H1范围为200-500埃米。

透明导电层30可采用透明导电材料，通过使用导电性氧化物的透明导电层30，可以提高发光二极管20芯片的可靠性。作为示例，透明导电材料可包含铟锡氧化物(indiumtin oxide，ITO)、锌铟氧化物(indium zinc oxide，IZO)、氧化铟(indium oxide，InO)、氧化锡(tin oxide，SnO)、镉锡氧化物(cadmium tin oxide，CTO)、锡锑氧化物(antimony tinoxide，ATO)、铝锌氧化物(aluminum zinc oxide，AZO)、锌锡氧化物(zinc tin oxide，ZTO)、氧化锌掺杂镓(gallium doped zinc oxide，GZO)、氧化铟掺杂钨(tungsten dopedindium oxide，IWO)或者氧化锌(zinc oxide，ZnO)中的一种或多种，但本公开实施例并非以此为限。

在一实施例中，如图3所示，外延结构24还包括过渡层25。发光二极管20还包括绝缘层32。

过渡层25位于P型半导体层243和欧姆接触层28之间。过渡层25的材料包括AlGaInP，以起到过渡层的作用，减小因P型半导体层243和欧姆接触层28之间晶格失配引起的缺陷的产生。过渡层25的厚度范围介于0.1-0.6μm。

绝缘层32覆盖衬底22、外延结构24、第一电极34和第二电极36，并具有第一开口321和第二开口322。第一开口321位于第一电极34的上方，第二开口322位于第二电极36的上方，以便于后续使用发光二极管20。绝缘层32根据涉及的位置具有不同的功效，例如覆盖外延结构24的侧壁可防止导电材料泄露电连通N型半导体层241和P型半导体层243，减少发光二极管20的短路异常，但本公开实施例并非以此为限。绝缘层32的材料包含非导电材料。非导电材料优选地为无机材料或是介电材料。无机材料可以包含硅胶（Silicone）。介电材料包含氧化铝（AlO）、氮化硅（SiNx）、氧化硅（SiOx）、氧化钛（TiOx）、或氟化镁（MgFx）可以是电绝缘材料。例如，绝缘层32可以是二氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化钽、氧化铌、钛酸钡或者其组合，其组合例如可以是两种材料重复堆叠形成的布拉格反射镜（DBR）。

在一实施例中，如图4所示，第二电极36包括起始电极362和延伸电极364。延伸电极364连接起始电极362，延伸电极364自起始电极362朝向第一电极34的方向延伸。延伸电极364的设置可进一步提升电流扩展效果。

从发光二极管20的上方朝向外延结构24俯视，即如图4所示，延伸电极364与第一电极34之间具有第一最短距离S，第一最短距离S大于等于发光二极管20的长度L1的1/2。换言之，第二电极36与第一电极34皆避开发光二极管20的中间区域，以避免顶针顶到电极，降低顶破外延的风险。第二电极36与第一电极34相比较，第二电极36是偏向于发光二极管20的左端，第一电极34是偏向于发光二极管20的右端。延伸电极364的长度L2与发光二极管20的长度L1之比介于1:20～1:3，延伸电极364的宽度W2与外延结构24的宽度W1之比介于1:2～9:10。借由透明导电层30具有优秀的电流扩展效果，第二电极36无需设计较长的电极finger来进行电流扩展，也就是说，可以将电极的尺寸和面积控制在上述范围内，避开中间区域，避免顶针顶到电极，降低外延被顶裂的风险。

在一实施例中，发光二极管20可以是小尺寸的发光二极管，具体来说，发光二极管20的尺寸可以为300μm以下，即发光二极管20的长度尺寸与宽度尺寸皆小于等于300μm。

请参阅图5至图7，图5至图7是外延结构24在制造过程中各阶段的结构示意图。

参照图5，先是在外延生长衬底50上依次生长缓冲层52和蚀刻截止层54。缓冲层52可以是砷化镓，蚀刻截止层54是用于后续移除外延生长衬底50。

接着，参照图6，继续生长半导体发光序列，也就是在蚀刻截止层54上依次生长欧姆接触层28、过渡层25、P型半导体层243、发光层242、N型半导体层241以及N型GaP电流扩展层26。

后续，参照图7，将半导体发光序列通过键合层23转移至本实施例的衬底22上，以形成N型半导体层241在下，P型半导体层243在上的外延结构24。具体来说，是在图6中的蚀刻截止层54将半导体发光序列与外延生长衬底50进行截断，再将半导体发光序列通过键合层23连接至衬底22上。并且，由欧姆接触层28向N型GaP电流扩展层26进行蚀刻，以露出N型GaP电流扩展层26，用于设置第一电极34。

本实施例还提供一种发光装置，该发光装置采用上述任意实施例提供的发光二极管20，其具体结构与技术效果不再赘述。

综上所述，本发明的一个优势在于提供一种发光二极管20及发光装置，采用AlxGa（1-x）As材料形成欧姆接触层28，避免欧姆接触层28吸收红光，影响到整体出光效果。

本发明的另一个优势在于提供一种发光二极管20及发光装置，通过透明导电层30搭配欧姆接触层28的设置，达到电流扩展效果，以降低发光二极管20的台面高低差，简化工艺制程。并且，由于透明导电层30具有优秀的电流扩展效果，电极无需设计较长的电极finger来进行电流扩展，也就是说，可以减小电极尺寸和面积，降低成本，避免顶针顶到电极，降低电极被顶裂的风险。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种发光二极管，其特征在于：所述发光二极管包括：

外延结构，具有相对的第一表面和第二表面，所述外延结构自第一表面至第二表面依次包括N型GaP电流扩展层、N型半导体层、发光层、P型半导体层和欧姆接触层；

第一电极，电连接所述N型GaP电流扩展层；

第二电极，电连接所述欧姆接触层；

其中，所述欧姆接触层的材料包括Al_xGa_(1-x)As，x的取值范围为0.5＜x≤0.6。

2.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透明导电层，所述透明导电层位于所述欧姆接触层与所述第二电极之间。

3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：所述透明导电层的厚度范围为200-500埃米。

4.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于：所述透明导电层的材料可包括铟锡氧化物、锌铟氧化物、氧化铟、氧化锡、镉锡氧化物、锡锑氧化物、铝锌氧化物、锌锡氧化物、氧化锌掺杂镓、氧化铟掺杂钨或氧化锌中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述外延结构还包括过渡层，位于所述P型半导体层和所述欧姆接触层之间。

6.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述过渡层的材料包括AlGaInP。

7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一电极与所述第二电极之间具有一高度差，所述高度差小于等于3μm。

8.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绝缘层，所述绝缘层覆盖所述外延结构、所述第一电极和所述第二电极，并具有第一开口和第二开口，所述第一开口位于所述第一电极的上方，所述第二开口位于所述第二电极的上方。

9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二电极包括起始电极和延伸电极，所述延伸电极连接所述起始电极，所述延伸电极自所述起始电极朝向所述第一电极的方向延伸。

10.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于：从所述发光二极管的上方朝向所述外延结构俯视，所述延伸电极与所述第一电极之间具有第一最短距离，所述第一最短距离大于等于所述发光二极管的长度的1/2。

11.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于：从所述发光二极管的上方朝向所述外延结构俯视，所述延伸电极的长度与所述发光二极管的长度之比介于1:20～1:3，所述延伸电极的宽度与所述发光二极管的宽度之比介于1:2～9:10。

12.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的尺寸为300μm以下。

13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管辐射红光。

14.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极位于所述外延结构的同一侧。

15.一种发光装置，其特征在于：采用如权利要求1-14中任一项所述的发光二极管。