CN101388431A - 电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管及其制备方法，属于半导体光电子技术领域。其结构包括上电极(10)、电流扩展层(100)、上限制层(300)、有源区(200)、下限制层(400)、缓冲层(500)、衬底(600)、下电极(20)，还包括有位于上电极的正下方的电流阻挡层(120)，电流阻挡层的分布与上电极相对应，在上电极与电流扩展层之间设置有导电光增透层(101)；并且电流阻挡层设置在导电光增透层或电流扩展层或上限制层或有源区里面，或相邻的两层、三层、四层的里面；其中电流阻挡层是通过后工艺实现的。与上电极对应的电流阻挡层几乎完全避免了无效电流产生的光及热损耗，因此，提高了LED光提取效率，增加了发光强度，此结构降低了热的产生，尤其适合于大功率LED的制备。

Description

电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管及其制备方法

技术领域

电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管及其制备方法涉及一种新型的LED器件结构，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

目前，普通发光二极管的结构如图1所示：上电极10为直径为80-100μm、厚度约

以上的圆形金属层，从该电极注入电流，产生的光子从LED的这一面发射出来；下电极20为LED器件的整个表面大小，厚度约

以上的金属层，这种结构的LED存在的主要问题是：从上电极10注入的电流通过电流扩展层100的横向扩展而流经有源区200辐射复合产生光子，由于目前的外延生长技术难以获得高掺杂、厚度较厚的电流扩展层，导致电流扩展层的横向电流扩展能力不强，因此，从上电极10注入的电流绝大部分汇集在上电极10的正下方，例如：对于正面出光的芯片尺寸为300μm*300μm的AlGaInP系红光LED，MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)外延生长8μm的GaP电流扩展层，若上电极10的直径为100μm，经计算可知：上电极10正下方的电流占总注入电流的40％以上。上电极10正下方这部分电流在有源区200辐射复合产生的光子由于被上电极10的阻挡或吸收，不但不能发射到体外，而且在体内被吸收并产生大量的热，严重影响LED性能的进一步提高，因此，对于此种结构的LED，存在发光效率低、光功率较小、热特性差等问题。

针对此问题，人们提出的办法是：在上电极10的正下方制备电流阻挡层120，减小上电极10正下方的电流比例，电流阻挡层的制备方法与结构很多，图2、图3列举了几种制备电流阻挡层的结构和方法。图2所示的结构是通过二次外延的方法实现的，通过光刻等工艺制备好电流阻挡层120之后，再外延生长电流扩展层100并在其上方制备上电极10，该工艺复杂，成本高、成品率低。图3所示的结构是在电流扩展层100和接触层102所构成的厚电流扩展层上进行离子注入或扩散形成阻挡层120，此方法中的电流阻挡层120的厚度很难精确控制，其下方仍存有电流扩展，因而不能阻挡电流在电极10下方的汇聚，且厚电流扩展层(8-50μm)和离子注入及扩散工艺复杂，成本高。

以上提到的2种器件结构均只提到了在上电极10的压焊点正下方制备电流阻挡层120，实际上，对于大部分器件来说，特别是大功率的器件，其上电极10的形状不仅仅是压焊点的圆形，而是可以有很复杂的形状来增加电流的扩展，称之为图形电极，图4、图5列举了几种常见的LED上电极10的形状。上电极10正下方依然会汇集部分电流，甚至大于压焊点下方汇集的电流(视图形电极的面积与压焊点面积的比例)，这部分电流在有源区200产生的光子仍然会被上电极10的阻挡或吸收而变成大量的热，造成器件光效低、亮度低、热特性差等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管及其制备方法，其基本结构如图7所示，它是在发光二极管的上电极正下方引入电流阻挡层结构，而且电流阻挡层的分布与上电极相对应，使得注入电流在上电极10正下方以外的有源区200辐射复合发光，产生的光子避免上电极10的阻挡或吸收，而且电流阻挡层120是通过后工艺实现的，可操作性强，该结构最适合于大功率LED的制备，提高了出光效率，减少了热的产生，避免了大功率LED采取的复杂的散热措施，也大大降低了散热成本。

本发明的器件结构如图7所示，其组成部分包括：包括有从上往下依次纵向层叠生长的上电极10、电流扩展层100、上限制层300、有源区200、下限制层400、缓冲层500、衬底600、下电极20，还包括有位于上电极下方的电流阻挡层120，本发明特征在于：在上电极与电流扩展层之间设置有导电光增透层101，并且电流阻挡层的分布与上电极相对应。

本发明中电流阻挡层120的形状与上电极10形状相同，尺寸也可以大于，等于或小于上电极的尺寸。

本发明中电流阻挡层120设置在导电光增透层101或电流扩展层100或上限制层300或有源区200里面，或相邻的两层、三层、四层的里面。

本发明中导电光增透层101的上面也可设置能够对光起到增透作用的结构层，该结构层可以是附上一层增透膜103、也可在导电光增透层101上表面或增透膜上表面处理形成粗糙化结构层。

本发明的电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管的制备方法，制备工艺步骤如下：

(1)在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的n-型衬底600上，用MOVCD方法依次外延生长缓冲层500，下限制层400，有源区200，上限制层300，电流扩展层100，得到AlGaInP发光二极管的外延片；

(2)再通过后工艺的办法制备电流阻挡层120，具体为：首先将外延片进行清洗，甩胶并光刻出要做阻挡层的区域，该区域与上电极10一致，利用离子注入的办法在该区域上限制层300和有源区200里面注入能起阻挡层作用的离子，形成电流阻挡层120，去胶并清洗，然后蒸镀上一层ITO导电透光材料；

(3)接下来，用蒸发的办法在ITO表面蒸发一层AuZnAu金属层，并光刻出上电极10，将衬底600减薄，然后在减薄的这一面蒸发一层AuGeNi形成下电极20，完成了上、下电极的制作，再将做好的外延片解理成管芯，压焊在管座上，LED器件制备完毕。

本发明中导电光增透层101选用能导电、能透光又能对光起到增透作用的材料，所用的材料也可以是ITO(氧化铟锡)，导电树脂。

本发明中LED的电流阻挡层的分布与上电极对应的结构设计优势在于：由于电流阻挡层120的存在，注入电流自然的流到电流阻挡层120以外的有源区，使得上电极10正下方无电流不发光，起到了全部阻挡的作用；导电光增透层的作用为：一是由于材料折射率与厚度的设计，使得对体内产生的光子起到增透的作用，更多的光子能够发射到体外，而且增加了电流的扩展，这样一来，大大降低了电流扩展层100的厚度；该结构的制备是通过后工艺实现的，降低了外延生长的厚度与难度，工艺简单，可操作性强，与一般的压焊点下方的电流阻挡层相比，该阻挡结构能够真正起到全部阻挡的作用，从而提高LED的发光强度和热特性，尤其适合与制备大功率的LED。

本发明的主要特点：

1)LED的电流阻挡层的分布与上电极对应的结构可以有效地甚至完全地阻止上电极正下方的电流流动，而在其他无电极区域对应的正下方的有源区辐射复合发光，产生的光子避免了电极的阻挡或吸收，从而提高了LED的光提取效率和发光强度。

2)避免了上电极正下方电流的汇聚，减少了体内产生的大量光子无法发射到体外而在器件内部变成大量的热，因此，提高了LED的饱和电流和热特性，使得器件更有利于在大电流下工作。

3)电流阻挡层结构是通过后工艺实现的，工艺简单，可操作性强。

4)减少了外延生长的厚度，降低了生长的难度。

5)引入LED的电流阻挡层的分布与电极对应的结构，重要优点是：电流损耗小，亮度高，光效高；制作工艺简单，重复性好；尤其适合于大功率器件的制备。

附图说明：

图1：普通发光二极管结构示意图

图2：二次外延制备电流阻挡层的发光二极管结构示意图

图3：离子注入或扩散工艺制备电流阻挡层的发光二极管结构示意图

图4：电极图形示意图-1

图5：电极图形示意图-2

图6：带有导电光增透层的发光二极管结构示意图

图7：电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管结构剖面图

图8：电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管结构立体图

以上图1至图8中：10为上电极，100为电流扩展层，101为导电光增透层，102为接触层，103为增透膜，300为上限制层，200为有源区，400为下限制层，500为缓冲层，600为衬底，120为电流阻挡层，20为下电极。

具体实施方式

本发明的实现通过以下实施例给予说明。

实施例1

如图7所示，以AlGaInP LED为例。该器件由以下各部分组成：上电极10，导电光增透层101，电流扩展层100，上限制层300，有源区200，下限制层400，缓冲层500，衬底600，下电极20，电流阻挡层120位于上限制层300和有源区200的里面；其制备过程和方法如下：

1.在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的n-型衬底600上，用MOVCD方法依次外延生长缓冲层500，下限制层400，有源区200，上限制层300，电流扩展层100，这样就得到了AlGaInP发光二极管的外延片；

2.再通过后工艺的办法：首先将外延片进行清洗，甩胶并光刻出要做阻挡层的区域，该区域与上电极10一致，利用离子注入的办法在该区域上限制层300和有源区200里面注入能起阻挡层作用的离子，形成电流阻挡层120，去胶并清洗，然后蒸镀上一层ITO导电透光材料；

3.接下来，用蒸发的办法在ITO表面蒸发一层AuZnAu金属层，并光刻出上电极10，电极形状如图4或图5所示，将衬底600减薄至约100μm，然后在减薄的这一面蒸发一层AuGeNi形成下电极20，完成了上、下电极的制作，器件结构剖面图如图7所示，立体图如图8所示；将做好的外延片解理成1mm×mm的管芯，压焊在管座上，LED器件制备完毕。

实施例2

本发明中电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管，如图7所示，其中：

1、本发明中上电极10的形状可以是圆形、星形、条形、插指形等其他形状，压焊点直径可以是100μm，80μm或其它的尺寸。

2、电流阻挡层120的材料可以是本征半导体、不导电树脂、不掺杂非晶Si，SixNy和SixOy等绝缘材料，也可以是与导电光增透层101导电类型相反的导电材料；

3、有源区200结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构；

4、本发明的电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管中电流阻挡层120的分布与上电极10对应的这种结构，可以引入正装、倒装、共振腔等LED的结构中。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离权利要求书范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在本发明的保护的范围内。

Claims (6)

1、电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管，包括有从上往下依次纵向层叠生长的上电极(10)、电流扩展层(100)、上限制层(300)、有源区(200)、下限制层(400)、缓冲层(500)、衬底(600)、下电极(20)，还包括有位于上电极(10)的下方的电流阻挡层(120)，其特征在于：在上电极(10)与电流扩展层(120)之间设置有导电光增透层(101)，并且电流阻挡层的分布与上电极相对应。

2、根据权利要求1所述的电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管，其特征在于：所述的电流阻挡层(120)设置在导电光增透层(101)或电流扩展层(100)或上限制层(300)或有源区(200)里面，或相邻的两层、三层、四层的里面。

3、根据权利要求1或2所述的电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管，其特征在于：电流阻挡层(120)的形状与上电极(10)形状相同。

4、根据权利要求1和2所述的电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管，其特征在于：导电光增透层101的上面也可设置对光起到增透作用的结构层，该结构层可以是附上一层增透膜(103)、也可在导电光增透层上表面或增透膜上表面处理形成粗糙化结构层。

5、电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管的制备方法，其特征在于，制备工艺步骤如下：

(1)在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的n-型衬底(600)上，用MOVCD方法依次外延生长缓冲层(500)，下限制层(400)，有源区(200)，上限制层(300)，电流扩展层(100)，得到AlGaInP发光二极管的外延片；

(2)再通过后工艺的办法制备电流阻挡层(120)，具体为：首先将外延片进行清洗，甩胶并光刻出要做阻挡层的区域，该区域与上电极(10)一致，利用离子注入的办法在该区域上限制层(300)和有源区(200)里面注入能起阻挡层作用的离子，形成电流阻挡层(120)，去胶并清洗，然后蒸镀上一层ITO导电透光材料；

(3)接下来，用蒸发的办法在ITO表面蒸发一层AuZnAu金属层，并光刻出上电极(10)，将衬底(600)减薄，然后在减薄的这一面蒸发一层AuGeNi形成下电极(20)，完成了上、下电极的制作，再将做好的外延片解理成管芯，压焊在管座上，LED器件制备完毕。

6、根据权利要求5所述的电流阻挡层的分布与上电极对应的发光二极管的制备方法，其特征在于：导电光增透层(101)选用能导电、能透光又能对光起到增透作用的材料。

Images