CN101350384B - 具有改善出光率的led芯片及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了具有改善出光率的LED芯片及其制作工艺。根据本发明，具有第一导电类型的第一半导体材料层、活性发光层、第二导电类型的第二半导体材料层、以及分别设置于第一和第二半导体材料层上的第一和第二电极构成了LED芯片。其中，第二电极由透明电极和位于透明电极局部的第一加厚电极组成，而第一电极处在LED芯片的非几何边缘位置，并且被所述透明电极所环绕。

Description

具有改善出光率的LED芯片及其制作工艺

技术领域

本发明涉及LED芯片，尤其涉及一种可以改善出光效率的LED芯片设计。

背景技术

作为一种新型的发光器件，LED在生产和生活中的很多领域有着广泛的应用。LED，全称为发光二极管(light emitting diode)，通常包括N型和P型半导体材料，以及夹在二者之间的活性发光层，通常为多量子阱MQW层。通常情况下，通过给LED的PN结两端施加电压，将电子和空穴注入到活性发光层，电子和空穴如果发生辐射复合，就会产生光子，也就是发射一定波长的光。所发光的颜色(波长)，主要由活性发光层材料的禁带宽度和量子阱的宽度所决定。

图1为LED器件结构的纵剖面示意图。如图所示的LED结构包括衬底和位于衬底上的LED器件层。在N型材料层和P型材料层上分别沉积N型电极层和P型电极层，然后进行合金化，也就是退火处理，从而形成N电极和P电极。当在P电极和N电极之间施加一定的电压，LED器件层中的发光活性层就可以发光。

图2为常规的LED芯片的俯视图。可以看到，在芯片的左下角设置了N电极，而芯片的其余部分则被P电极覆盖。当然，N电极和P电极之间是被电绝缘地隔离开的。在图2所示的结构中，P电极的面积被做得较大，具体而言，采用透明电极(可由ITO材料或者Ni/Au合金材料制成)覆盖芯片，并在透明电极的几何中心(或大致接近于几何中心处)设置一加厚电极，随后执行金属合金化步骤而形成P金属电极。

当在图2中的N型电极和P型电极之间施加电压时，电流自P电极流入，流经P型材料、活性层、N型材料，最后经N电极流出。然而，如本领域技术人员所熟知的，电流在流动过程中会趋向于“寻找”电阻最小的路径。若电流从不同位置“进入”N型材料层，则会有不同的导电路径，这些导电路径的总电阻显然是不同的。例如，图3中示意性的给出了电流从不同位置进入N型材料的情况。可以看到，由于位置1比位置2更接近N电极，故而导电路径1`的总电阻比导电路径2`的总电阻小。电流会更多地选择总电阻较小的导电路径1`进行流动。这种现象通常被称为“电流聚集(current crowding)”效应。

电流聚集效应对LED的发光的均匀性会产生不利的影响。如前所述，LED器件发光现象的机理在于：电子和空穴在复合过程中以光子形式释放能量。换言之，电流流经LED器件的活性层导致了发光现象。在一定范围内，活性层的发光亮度和流经该层的电流大小是正相关的。由于在图2所示的结构中，电流趋向于从更接近N电极的位置进入N型材料层，因此在距离N电极较远的位置流入活性层的电流强度较小，其发光强度不及接近于N电极的区域。这导致了LED器件发光亮度的分布不均匀。

发明内容

本发明旨在解决由于前述的电流聚集效应所导致的LED器件发光性能不均匀的问题。

根据本发明的一种LED芯片，包括：衬底；第一导电类型的第一半导体材料层；活性发光层；第二导电类型的第二半导体材料层，其中所述第一半导体材料层、活性发光层、和第二半导体材料层依次堆叠，部分第一半导体材料未被活性发光层和第二半导体材料层覆盖而暴露在外；和被暴露的部分第一半导体材料层电连接的第一电极；和第二半导体材料层电连接的第二电极；所述第二电极由透明电极和位于透明电极局部的第一加厚电极组成，第一电极处在LED芯片的非几何边缘位置，并且被所述透明电极所环绕。

在上述结构中，优选地，第一电极被设置于LED芯片的几何中心位置。

在上述结构中，优选地，第二电极还可包括条状加厚电极，所述条状加厚电极被设置于LED芯片的几何边缘处。

在上述结构中，所述第一半导体类型材料层可为N型半导体材料层，亦可为P型半导体材料层。同样，所述第二半导体类型材料层可为P型半导体材料层，亦可为N型半导体材料层。

在上述结构中，所述透明电极用Ni/Au合金或者ITO等透明导电材料形成。

在上述结构中，所述活性发光层是由多量子阱MQW层等构成的。

根据本发明的一种制造LED芯片的方法，包括以下步骤：形成衬底；形成第一导电类型的第一半导体材料层；形成活性发光层；形成第二导电类型的第二半导体材料层；在LED芯片的非几何边缘位置，通过选择性刻蚀除去部分第二半导体材料层和活性发光层，从而暴露出部分第一半导体材料层；在暴露的第一半导体材料层上形成与之电连接的第一电极；在第二半导体材料层上形成与之电连接的第二电极，其中所述第二电极由透明电极和位于透明电极局部区域的第一加厚电极组成，所述透明电极环绕所述第一电极。

在上述制造工艺中，优选地，第一电极被设置于LED芯片的几何中心位置。

在上述制造工艺中，优选地，第二电极还可包括条状加厚电极，所述条状加厚电极被设置于LED芯片的几何边缘处。

在上述制造工艺中，所述第一半导体类型材料层可为N型半导体材料层，亦可为P型半导体材料层；同样，所述第二半导体类型材料层可为P型半导体材料层，亦可为N型半导体材料层。

在上述制造工艺中，所述透明电极用Ni/Au合金或者ITO等透明导电材料形成。

在上述制造工艺中，所述活性发光层是由多量子阱MQW层等构成。

本发明的LED芯片可以有效解决由于电流聚集效应所导致的LED发光不均匀的问题，同时，可以通过增加LED活性层的侧壁面积从而在一定程度上改善出光效率。

附图说明

图1示出LED器件结构的纵剖面示意图。

图2示出常规的LED芯片的俯视图。

图3示出电流从不同位置流入N型材料的情况。

图4示出的是根据本发明的一种LED芯片结构的俯视图。

图5示出的是根据本发明的另一实施例的LED芯片结构。

图6示出LED活性发光层中所发光的传播情况。

具体实施方式

图4示出的是根据本发明的一种LED芯片结构的俯视图。如图4所示，LED芯片包括P电极和N电极，其中，N电极位于(或近似位于)芯片的几何中央，P电极包括透明电极和加厚电极，其中透明电极处于N电极周围。如前所述，LED工作时，流入P电极的电流趋向于选择电阻最小的传导路径到达N电极，因此，从透明电极中的”镂空”的圆环的边界处进入N型材料层是较佳的选择，而在离中央圆环的边界较远处进入N型材料的效果次之。因此可以认为，LED在某处的发光效果与“到圆环边界的距离”呈现负相关的关系。通过比较图4中的结构和图2中的传统结构，可以看出，图2中的电流密度最小的部分，即理论上发光效果最差的部分是矩形对角线上和N电极相对的另一对角处，而本申请发明的结构中，电流密度最小的部分是在矩形的四个对角上。为方便说明，假设P电极的尺寸和整个矩形尺寸之差可忽略不计，而矩形的边长为d，那么在图2中，理论上发光效果最差的部分与理论上发光效果最好的半圆边界之间的距离之差大约是

而在图4中，发光效果欠佳的对角位置和发光效果最佳的圆环边界处的距离大约为在电流大小相同的情况下，图4的LED芯片的发光均匀性显然要好于图2所示的常规结构。

在上述实施例中，N电极位于LED芯片的中央，但本领域技术人员应该理解，即使N电极并非准确地位于LED芯片的中央(即透明电极的镂空圆环并非准确地位于LED芯片的中央)，所产生的电流分布的均匀性依然会好于图2中所示的结构。因为从理论上说，电流强度的分布是以“进入N型材料的最佳位置”为中心，向外呈辐射状地递减。因此只要“电流进入N型材料的最佳位置”，不像传统技术那样位于矩形的几何边缘处(比如对角处，或者边长处)，那么发光的均匀性都可以得到改善。

在上述实施例中，P电极的加厚电极被示例为处于对角处，但本发明不限于此。实际上，由于整个P电极(包括透明电极部分和加厚电极部分)都呈现良好的导电性，因此可以认为电流在P电极内部的流动是在低阻条件下进行的，换言之，电流到达靠近加厚电极的位置A，和到达远离加厚电极的位置B的机会是均等的，因此加厚电极可以位于透明电极中的任何可能位置。

如果确实将透明电极的电阻对电流分布的影响考虑在内，那么加厚电极的位置对于电流强度分布也会产生影响。如图4所示，假设存在与圆环等距离的两点A和B，那么A点的电流强度将大于B点，因为电流从加厚电极到A点的导电路径更短。在这种情况下，较佳的方案是将加厚电极设置得和透明电极中的镂空圆环的距离较远，比如，如图4所示的那样，加厚电极尽量位于矩形的边角处。但本领域技术人员应该理解，和镂空圆环的位置相比，加厚电极的位置对于电流分布的影响是稍显次要的。

图5示出的是根据本发明的另一实施例的LED芯片结构。和图4中的结构相似，N电极位于矩形的几何中心位置，而芯片的其它部分被P电极覆盖，其中P电极的透明电极部分围绕N电极构成了圆环。与图4的结构不同的是，在矩形的几何边缘部分，即其四条边上设置了条状加厚电极，这些条状加厚电极彼此电连接，并且与边角处的供导线接入的加厚电极电连接。本领域技术人员应该理解，这种结构有助于缓解由于加厚电极的位置对于电流分布产生的影响。如果假设图5中有到镂空圆环等距的C点和D点，那么在这两点流入LED的活性发光层的电流大小基本一致，因为从加厚电极到这两点的电阻相同，而从这两点到N电极的电阻也相同。这有助于进一步改善LED的发光均匀性。

本申请的技术方案所带来的产品性能上的改善不限于对发光均匀性的改善。例如，本领域技术人员应该了解，由于LED器件层的折射率很大，因此活性发光层所发的光只能以很小的角度从LED器件层的上表面射出，大部分活性发光层所发的光会在器件层-空气的界面发生多次全反射，从而在器件层中横向传播，部分光会被半导体材料再次吸收，部分光会器件层的侧面发射出来(如图6所示)。因此，LED器件层的侧面积越大，越有利于从侧面出光。在图2所示的结构中，LED器件层中横向传播的光可以从矩形的四个边侧壁，以及1/4圆弧的缺口处的侧壁发射出来，而在图4的结构中，LED器件层中横向传播的光可以从矩形的四个边侧壁，以及中央圆环处的侧壁发射出来。可以进行简单的计算来说明这一点。假设图2的矩形边长为d，边角处的缺口近似为1/4圆弧，其半径为r，同时假设图4的矩形边长也为d，而中央圆环的直径为r(这样图2和图4中的N电极的尺寸大致相同)，再假设发光层的厚度为1。经过计算可知，图2中可供出光的侧壁面积为(4d-2r+πr/2)，而图4中可供出光的侧壁面积为(4d+πr)，后者比前者多出了(πr/2+2r)的侧壁面积。

另一个值得指出的优点是，光在LED活性发光层中横向传播过程中会逐渐损耗，因此，为了达到较好的侧壁出光效果，通常希望横向传播的光程越短越好。比较图2和图4，可以看出，采用图4的结构，横向传播光有望以更短的光程到达侧壁。举一个较为极端的例子，假设在矩形对角线的1/4长度的一点产生了激发光，那么在图2中，该光线的横向传播光程最长有可能达对角线长度的

而在图4中，因为对角线已经被圆环所截断，所以不可能有长达

的光程。由于减少了横向传播光的损耗，因此可以有效地改善出光效率。

以上的讨论都是基于一个前提，就是半导体器件层由N型材料层，发光活性层，和P型材料层自下而上顺序叠加而成，其中透明电极是P电极的一部分，此为行业内较常使用的结构。但是，并不排除在某种情况下，半导体器件层由P型材料层，发光活性层，和N型材料层自下而上顺序叠加而成，其中透明电极是N电极的一部分。这一改变并不影响本申请的技术方案的实施，因此同样应归入本发明的保护范围之内。

同样，将大面积的透明电极作为P电极的一部分是本领域常用的技术手段，但是不排除在某些情况下，将透明电极作为N电极的一部分，此时N电极的面积比P电极大。在这种情况下，使用较大面积的N透明电极将P电极包围在其中的这种技术方案同样应归入本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种制造LED芯片的方法，包括以下步骤：

形成衬底；

形成第一导电类型的第一半导体材料层；

形成活性发光层；

形成第二导电类型的第二半导体材料层；

在LED芯片的非几何边缘位置，通过选择性刻蚀除去部分第二半导体材料层和活性发光层，从而暴露出部分第一半导体材料层；

在暴露的第一半导体材料层上形成与之电连接的第一电极；

在第二半导体材料层上形成与之电连接的第二电极，其中所述第二电极由透明电极和位于透明电极局部区域的第一加厚电极组成，所述透明电极环绕所述第一电极。

2.如权利要求1所述的制造LED芯片的方法，其特征在于，所述第二电极还包括条状加厚电极，所述条状加厚电极被设置于LED芯片的几何边缘处并与所述第一加厚电极电连接。

3.如权利要求2所述的制造LED芯片的方法，其特征在于，所述LED芯片的非几何边缘位置是指包括LED芯片的几何中心位置在内的由条状加厚电极组成的框范围内的所有区域。

4.如权利要求1所述的制造LED芯片的方法，其特征在于，所述第一半导体材料层是N型半导体材料层，所述第二半导体材料层是P型半导体材料层。

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