CN101051662B - 基于氮化物的半导体发光二极管 - Google Patents

基于氮化物的半导体发光二极管 Download PDF

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Abstract

一种基于氮化物的半导体LED，包括：衬底；n型氮化物半导体层，形成在衬底上；有源层，形成在n型氮化物半导体层的预定区域上；p型氮化物半导体层，形成在有源层上；透明电极，形成在p型氮化物半导体层上；p型电极焊盘，形成在透明电极上；一对p型连接电极，形成为从p型电极焊盘延伸的线形，以便相对于邻近p型电极焊盘的透明电极的一侧具有小于90°的倾角；一对P电极，从p型连接电极的两端沿n型电极焊盘的方向延伸，p电极平行于相邻的透明电极的一侧形成；以及n型电极焊盘，形成在n型氮化物半导体层上，在其上并不形成有源层，使得n型电极焊盘面向p型电极焊盘。

Description

基于氮化物的半导体发光二极管
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年4月4日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2006-0030502号的优先权，其内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及基于氮化物的半导体发光二极管(在下文中，指基于氮化物的半导体LED)，其可以通过改进基于氮化物的半导体LED的电极结构实现高亮度。
背景技术
通常，基于氮化物的半导体是具有组成结构式为AlXInYGa1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)的III-V族半导体晶体。基于氮化物的半导体被广泛用作发射短波长光(范围从紫外光到绿光)尤其是蓝光的LED。
通过使用满足晶体生长的晶格匹配条件的绝缘衬底，例如蓝宝石衬底或SiC衬底，制造基于氮化物的半导体LED。分别连接至p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层的两个电极具有平面结构。在这种平面结构中，两个电极几乎水平地设置在发光结构(emission structure)上。
具有平面结构的基于氮化物的半导体LED当用作光源时必须具有高亮度。为了获得高亮度，制造了大尺寸的基于氮化物的半导体LED，其均匀地分散电流从而增加发光效率。
然而，与具有垂直结构的基于氮化物的半导体LED相比，具有平面结构的基于氮化物的半导体LED在整个发光区域中具有不均匀的电流流动，其中在该垂直结构中两个电极分别设置在发光结构的顶部表面和底部表面。因此，用于发光的有效区域并非那么宽，使得发光效率低。
在下文中，将参考图1和图2描述根据相关技术具有平面结构的大尺寸基于氮化物的半导体LED的问题。
图1是示出传统的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图，以及图2是沿图1的II-II′线获得的截面图。
如图1和图2所示，具有平面结构的基于氮化物的半导体LED包括依次形成在蓝宝石衬底100上的缓冲层110、n型氮化物半导体层120、具有多量子阱结构的GaN/InGaN有源层130、以及p型氮化物半导体层140。通过台面蚀刻工艺将p型氮化物半导体层140和有源层130的一部分去除，使得暴露n型氮化物半导体层120的顶部表面的一部分。
在暴露的n型氮化物半导体层120上，形成n型电极焊盘160a和从n型电极焊盘160a沿一个方向上延伸的n电极160。
在p型氮化物半导体层140上，形成由ITO(氧化铟锡)或类似物构成的透明电极150。在透明电极150上，形成p型电极焊盘170a、从p型电极焊盘170a沿任一方向延伸的p型连接电极170’、以及从p型连接电极170’的一端延伸的p电极170。
更具体地，具有平面结构的传统的基于氮化物的半导体LED的p电极170形成为具有指状结构，其中n电极160被从p型电极焊盘170a沿两个方向延伸的p型连接电极170’包围。因此，在基于氮化物的半导体LED中，p电极170和n电极160在整个二极管的表面上以最均匀的距离彼此分隔开，从而在二极管的整个发光区域内均匀地分散电流。
在这种情况下，传统的基于氮化物的半导体LED的p电极170和p型连接电极170’沿着透明电极150的最外侧形成。因此，如图1的“A”部分所示，p电极170和p型连接电极170’在透明电极150的拐角形成垂直弯曲部，其中p电极170和p型连接电极170’在该拐角彼此接合。
然而，如上所述，当p电极170和p型连接电极170’在透明电极150的拐角形成垂直弯曲部时，电流聚集在该弯曲部，从而降低LED的特性和可靠性。
此外，在传统的基于氮化物的半导体LED中，从n型电极焊盘160a朝p型电极焊盘170a延伸的n电极160反射一些从有源层130发出的光，使得与设置n电极160部分对应的发光表面减少，如图2的“B”部分所示。因此，LED的整体亮度降低。
发明内容
本发明的优点在于提供了一种基于氮化物的LED，其中，从p型电极焊盘延伸从而沿透明电极的一侧形成的p型连接电极形成为线形，该p型连接电极相对于透明电极的邻近p电极焊盘的一侧具有小于90°的倾角，由此使在透明电极的拐角的电流聚集效应最小化并使发光表面最大化。
本发明的总发明构思的其它方面和优点将部分地在随后的描述中阐述，并且部分地将通过描述而变得显而易见，或者可以通过总发明构思的实践而了解。
根据本发明的一个方面，基于氮化物的半导体LED包括：衬底；n型氮化物半导体层，形成在衬底上；有源层，形成在n型氮化物半导体层的预定区域上；p型氮化物半导体层，形成在有源层上；透明电极，形成在p型氮化物半导体层上；p型电极焊盘，形成在透明电极上；一对p型连接电极，形成为从p型电极焊盘延伸的线形，以便相对于邻近p型电极焊盘的透明电极的一侧具有小于90°的倾角；一对p电极，其从p型连接电极的两端沿n型电极焊盘的方向延伸，p电极形成为与相邻的透明电极的一侧平行；以及n型电极焊盘，形成在n型氮化物半导体层上，在其上不形成有源层，从而使n型电极焊盘面向p型电极焊盘。
根据本发明的另一个方面，形成为线形的p型连接电极形成为直线或曲线。这种结构并不对LED的特性和可靠性产生大的影响。
根据本发明的又一个方面，p电极的末端相对于相邻的n型电极焊盘的一侧是倾斜的，使得彼此相对。
根据本发明的又一个方面，p电极焊盘进一步包括另一个p电极，该电极被定位在从p型连接电极延伸的p电极之间并直接朝n型电极焊盘的中心延伸。
根据本发明的又一个方面，n型电极焊盘进一步包括平行于相邻的n型氮化物半导体层的一侧延伸的一对n电极。
根据本发明的又一个方面，透明电极进一步包括从n型电极焊盘朝p型电极焊盘延伸以暴露p型氮化物半导体层的顶部表面的线形槽，透明电极被线形槽平面分开(plane-divided)。这种结构能更有效地分散需要大尺寸的LED的电流，从而使发光效率最大化。
根据本发明的又一个方面，线形槽暴露n型氮化物半导体层的顶部表面。在进行用于形成n型电极焊盘的台面蚀刻工序的同时形成该槽。因此，有可能简化工艺从而提高产率。
根据本发明的又一个方面，线形槽形成为指状结构，其中线形槽被p型电极焊盘和p电极包围。
根据本发明的又一个方面，参照形成为彼此相对的n型电极焊盘和p型电极焊盘对称地形成指状结构。这种结构能在整个发光表面进行均匀的发光。
根据本发明的又一个方面，有源层形成在n型氮化物半导体层上，使得有源层的最外侧置于从n型氮化物半导体层的最外侧沿四个方向的每个方向朝内的预定距离处。在这种结构中，从n型电极焊盘传送到p电极的电流流动变得均匀通过n型氮化物半导体层。
根据本发明的又一个方面，基于氮化物的半导体LED的另一对p电极从p电极焊盘延伸以便沿邻近p电极焊盘的透明电极的一侧形成。由于形成为线形的p型连接焊盘相对于透明电极的一侧具有小于90°的倾角，所以p电极在变暗区域增加电流。因此，可以提高该区域的发光强度。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，本发明的总发明构思的这些和/或其它方面和优点将变得显而易见，并更容易理解，附图中：
图1是示出了传统的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；
图2是沿图1中线II-II’获得的截面图；
图3是示出了根据本发明第一具体实施方式的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；
图4是沿图3中线IV-IV′获得的截面图；
图5是示出了根据第一具体实施方式的第一种变形例(modification)的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；
图6是示出了根据第一具体实施方式的第二种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；
图7是示出了根据第一具体实施方式的第三种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；
图8是示出了根据第一具体实施方式的第四种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；
图9是示出了根据本发明第二具体实施方式的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；
图10是沿图9的线X-X′获得的截面图；
图11是示出了根据本发明第二具体实施方式的第一种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；
图12是沿线XII-XII′获得的截面图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明总的发明构思的具体实施方式、在附图中示出其实施例，其中，在全文中相同的附图标号表示相同的元件。以下通过参照附图描述具体实施方式以解释本发明总的发明构思。
在下文中，将参照附图对本发明具体实施方式进行详细描述。
第一具体实施方式
首先，参考图3和图4，描述根据本发明的第一具体实施方式的基于氮化物的半导体LED。
图3是示出了根据本发明的第一具体实施方式的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图；以及图4是沿图3的线IV-IV′获得的截面图；
参照图3和图4，根据第一具体实施方式的基于氮化物的半导体LED形成发光结构，包括依次层叠在光学透明衬底100上的缓冲层110、n型氮化物半导体层120、有源层130、以及p型氮化物半导体层140。
衬底100适合于生长氮化物半导体的单晶。优选地，衬底100由包括蓝宝石的透明材料形成。除了蓝宝石外，衬底100还可以由氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)或类似物形成。
缓冲层110是用于在衬底100上生长n型氮化物半导体层120之前，改进与包括蓝宝石的衬底100的晶格匹配的层。通常，缓冲层110由AlN/GaN形成。
n型氮化物半导体层120、有源层130、以及p型氮化物半导体层140可以由具有组成结构式AlXInYGa1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)的半导体材料形成。更具体地说，n型氮化物半导体层120可以由掺杂有n型导电杂质的GaN层或GaN/AlGaN层形成。对于n型导电杂质，可以使用Si、Ge、Sn等。优选地，主要使用Si。此外，p型氮化物半导体层140可以由掺杂有p型导电杂质的GaN层或GaN/AlGaN层形成。对于p型导电杂质，可以使用Mg、Zn、Be等。优选地，主要使用Mg。此外，有源层130可以由具有多量子阱结构的InGaN/GaN层形成。
有源层130可以形成为具有单量子阱结构或双异质结构。
通过台面蚀刻去除有源层130的一部分和p型氮化物半导体层140的一部分以暴露n型氮化物半导体层120顶部表面的一部分。优选地，从n型氮化物半导体层120的最外侧沿四个方向的每个方向朝内以预定距离形成有源层130的最外侧。然后，当基于氮化物的LED被驱动时，从将在下文描述的n电极焊盘施加的电流(参考图3的箭头)均匀地分散在有源层130的整个表面，即整个发光区域上。
在暴露的n型氮化物半导体层120上形成n电极焊盘160a。n电极焊盘160a优选形成在靠近n型氮化物半导体层120最外侧的区域，以便使发光区域的损失最小化。
如图3所示，根据本发明第一具体实施方式的n电极焊盘160a可以进一步包括线形n电极160，其平行于相邻的n型氮化物半导体层120的一侧延伸，以便电流均匀地(或平稳地)流动。换句话说，当电流均匀地流动时，根据二极管的特性和工艺条件可以省略n电极160。
在p型氮化物半导体层140上形成透明电极150。透明电极150由导电的金属氧化物例如ITO(氧化铟锡)形成。此外，如果金属薄膜相对于LED的发光波长具有高透射率，透明电极150可以由具有高导电性和低接触电阻的该金属薄膜制成。
在透明电极150上形成p型电极焊盘170a、从p型电极焊盘170a沿两个方向延伸的一对线形p型连接电极170’、以及从p型连接电极170’两端延伸的一对p型电极170。p电极170沿n型电极焊盘160a的方向延伸以便使电流流动平稳。此外，p电极170形成为平行相邻的透明电极150的一侧。
在本说明书中“线形”的含义并不必定表示直线而且包括将在下文描述的曲线。
如图3所示，根据第一具体实施方式的p型连接电极170’形成为从p型电极焊盘170a延伸的曲线形，以便相对于相邻透明电极150的一侧具有小于90°的倾角。换句话说，根据第一具体实施方式的p型连接电极170’具有弯曲部分(参见图3中的“C”)，该弯曲部分在具有90°倾角的透明电极150的拐角内形成为具有平缓的倾角。
根据本发明的p型连接电极170’不仅解决了传统问题(参见图1中的“A”)即其中由于垂直弯曲部分电流聚集在透明电极150的拐角内，而且进一步增大了实际发光表面。因此，有可能提高发光效率。
在下文中，将参考图5至图8描述根据本发明第一具体实施方式的第一至第四种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构。然而，将省略对第一至第四种变形例的与第一具体实施方式相同的部件的描述。
图5是示出了根据第一具体实施方式的第一种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图。如图5所示，p型连接电极170’形成为从p型电极焊盘170a延伸的直线(形)，以便相对于邻近p型电极焊盘170a的透明电极150的一侧具有小于90°的倾角。形成p型连接电极170’以防止电流聚集在透明电极150的拐角内，该拐角形成为具有90°的倾角。因此，如果p型连接电极170’相对于透明电极150的拐角侧具有小于90°的倾角，即使p型连接电极170’形成为曲线或直线，也有可能获得相同的效果。
图6是示出了根据第一具体实施方式的第二种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图。如图6中的“D”所示，从p型连接电极170’的两端沿n型电极焊盘160a的方向延伸的p型电极170的末端相对于邻近的n型电极焊盘160a的一侧形成为倾斜的，使得末端彼此相对。这样的结构防止从n型电极焊盘160a施加的电流聚集在与n型电极焊盘160a最邻近的p型电极170的末端。因此，电流更均匀地分散，从而提高发光效率。第二种变形例可以应用于第一种变形例。
图7是示出了根据第一具体实施方式的第三种变形例基于氮化物的半导体LED的结构的平面图。如图7所示，p型电极焊盘170a定位在分别从p型连接电极170’延伸的p电极170之间，并且进一步包括直接朝n型电极焊盘160a的中心延伸的另一个p电极170(参见图7中的“E”)。因此，电流在用作发射表面的透明电极150的整个表面上更有效地散布，其使得有可能实现高亮度的基于氮化物的半导体LED。第三种变形例也可以应用于第一和第二种变形例。
图8是示出了根据第一具体实施方式的第四种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图。如图8所示，p型电极焊盘170a进一步包括从p型电极焊盘170a延伸的一对p电极170，每个p电极170沿邻近p型电极焊盘170a的透明电极150的一侧形成(参见图8中的“F”)。由于p型连接电极170’形成为相对于透明电极150的一侧具有小于90°的倾角的线形，所以p电极170增加在变暗区域中的电流。因而，可以增强该区域的发光强度。第四种变形例可以应用于第一至第三种变形例。
第二具体实施方式
将参照图9和图10描述根据本发明第二具体实施方式的基于氮化物的半导体LED的结构。然而，将省略对第二具体实施方式中与第一具体实施方式相同的部件的描述。
图9是示出了根据本发明第二具体实施方式的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图，以及图10是沿图9的线X-X′获得的截面图。
参照图9和图10，根据第二具体实施方式的基于氮化物的半导体LED与根据第一具体实施方式的基于氮化物的半导体LED具有几乎相同的结构。然而，根据第二具体实施方式的基于氮化物的半导体LED进一步包括从n型电极焊盘160a直接朝向p型电极170a的线形槽165，线形槽165暴露p型氮化物半导体层140的顶部表面的一部分。
换句话说，根据第二具体实施方式的基于氮化物的半导体LED进一步包括形成在透明电极150内的线形槽165，槽165通过p型电极焊盘170a、p型连接电极170’、以及p电极170被指状结构围绕。透明电极150被槽165平面分成(plane-divided)两部分。
优选地，通过线形槽165形成的指状结构通过参照n型电极焊盘160a和p型电极焊盘170a对称地形成，其形成为彼此相对，以使电流均匀分散。
在该具体实施方式中，包含在透明电极150内的线形槽165的深度被限定为暴露p型氮化物半导体层140的顶部表面的位置。然而不限于此，该深度可以定义为这样的位置，在该位置，当进行用于形成n型电极焊盘160a的台面蚀刻工艺时，n型氮化物半导体层120的顶部表面被暴露。
在下文中，将参考图11和图12描述根据第二具体实施方式的第一种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构。然而，将省略对第一种变形例的与第二具体实施方式相同的部件的描述。
图11是示出了根据第二具体实施方式的第一种变形例的基于氮化物的半导体LED的结构的平面图，以及图12是沿图11中的线XII-XII′获得的截面图。
根据第二具体实施方式的第一种变形例的基于氮化物的半导体LED与根据第二具体实施方式的基于氮化物的半导体LED具有几乎相同的结构。然而，参照图11和图12，根据第一种变形例的基于氮化物的半导体LED的透明电极150被形成在透明电极150内的线形槽165平面分成三部分而不是两部分。
第一种变形例可以获得与第二具体实施方式相同的工作(operation)和效果。此外，由于透明电极150被线形槽165平面分成三部分，有可能提供可以大电流工作的大面积基于氮化物的半导体LED。第二具体实施方式可以应用于第一具体实施方式的第一至第四种变形例。
如上所述，从p型电极焊盘延伸以便沿透明电极的一侧形成的p型连接电极形成为线形，该线形相对于邻近p型电极焊盘的透明电极的一侧具有小于90°的倾角，从而使在透明电极的拐角内聚集的电流最小化。
此外，通过将该p型连接电极在透明电极的拐角内形成为小于90°的倾角的线形，有可能进一步增大实际的发光表面。
因此，有可能使在氮化物半导体LED内聚集的电流最小化并提高发光特性，从而改善二极管的特性和稳定性。
尽管已经示出和描述了本发明总的发明构思的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不背离本发明总的发明构思的原则和精神的条件下可以在这些实施例中作出变化，本发明的范围由所附的权利要求及其等同物所限定。

Claims (10)

1.一种基于氮化物的半导体LED，包括：
衬底；
n型氮化物半导体层，形成在所述衬底上；
有源层，形成在所述n型氮化物半导体层的预定区域上；
p型氮化物半导体层，形成在所述有源层上；
透明电极，形成在所述p型氮化物半导体层上；
p型电极焊盘，形成在所述透明电极上；
一对p型连接电极，形成为从所述p型电极焊盘延伸的线形，以便相对于邻近所述p型电极焊盘的所述透明电极的一侧具有小于90°的倾角；
n型电极焊盘，形成在所述n型氮化物半导体层上，在其上并不形成有源层，使得所述n型电极焊盘面向所述p型电极焊盘，
一对p电极，从所述p型连接电极的两端沿所述n型电极焊盘的方向延伸，所述p电极形成为与相邻的透明电极的一侧平行；以及
其中，所述n型电极焊盘进一步包括平行于相邻的所述n型氮化物半导体层的一侧延伸的一对n电极；
其中，所述n型电极焊盘形成在靠近所述n型氮化物半导体层最外侧的区域。
2.根据权利要求1所述的基于氮化物的半导体LED，其中，形成为线形的所述p型连接电极形成为直线或曲线。
3.根据权利要求1所述的基于氮化物的半导体LED，其中，所述p电极的末端相对于所述相邻的n型电极焊盘是倾斜的，以便彼此相对。
4.根据权利要求1所述的基于氮化物的半导体LED，其中，所述p型电极焊盘进一步包括另一个p电极，该p电极被定位在从所述p型连接电极延伸的p电极之间并直接朝所述n型电极焊盘的中心延伸。
5.根据权利要求1所述的基于氮化物的半导体LED，其中，所述透明电极进一步包括从所述n型电极焊盘朝所述p型电极焊盘延伸以暴露所述p型氮化物半导体层的顶部表面的线形槽，所述透明电极被所述线形槽平面分开。
6.根据权利要求5所述的基于氮化物的半导体LED，其中，所述线形槽形成为指状结构，其中所述线形槽被所述p型电极焊盘和所述p电极包围。
7.根据权利要求6所述的基于氮化物的半导体LED，其中，参照形成为彼此相对的所述n型电极焊盘和所述p型电极焊盘对称地形成所述指状结构。
8.根据权利要求5所述的基于氮化物的半导体LED，其中，所述线形槽暴露所述n型氮化物半导体层的顶部表面。
9.根据权利要求1所述的基于氮化物的半导体LED，进一步包括从所述p型电极焊盘延伸的另一对p电极，以便沿邻近所述p型电极焊盘的所述透明电极的一侧形成。
10.根据权利要求1所述的基于氮化物的半导体LED，进一步包括形成于所述衬底和所述n型氮化物半导体层之间的界面内的缓冲层。
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