CN101887933A - 发光器件、发光器件封装以及包括该封装的照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光器件(LED)、发光器件封装和包括该发光器件封装的照明系统。所述LED包括：具有第二导电型的第二半导体层、在第二半导体层上的有源层、和在有源层上的第一导电型的第一半导体层的发光结构，在第二半导体层之下的电流阻挡层，在第二半导体层之下的第二电极，和在第一半导体层上的第一电极。所述电流阻挡层包括非第二导电区域。
Description
技术领域
本发明涉及发光器件、发光器件封装以及包括该封装的照明系统。
背景技术
发光器件、发光器件封装以及包括发光器件封装的照明系统是已知的。然而，它们具有各种缺点。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，提供一种发光器件(LED)，包括：包括第一导电型的第一半导体层、邻接所述第一半导体层的有源层以及邻接所述有源层的第二导电型的第二半导体层的发光结构；邻接所述第二半导体层的电流阻挡层；邻接所述第一半导体层的第一电极；和邻接所述第二半导体层的第二电极；其中所述电流阻挡层包括半导体区域。
根据本发明的一个实施方案，提供一种LED封装，包括：根据本发明的LED；和其中设置所述LED的封装体。
根据本发明的一个实施方案，提供一种照明系统，包括具有根据本发明的LED封装的发光模块。
根据本发明的一个实施方案，提供一种制造发光器件(LED)的方法，包括：在第一导电型的第一半导体层上形成有源层；在所述有源层上形成第二导电型的第二半导体层；在所述第二半导体层上形成包括半导体区域的电流阻挡层；在所述第一半导体层上形成第一电极，其中所述第一电极设置为与形成于所述第二半导体层上的所述电流阻挡层在空间上交叠；和在所述第二半导体层和所述半导体区域上形成第二电极。
附图说明
将参考以下附图详细地描述实施方案，其中相同附图标记表示相同元件，其中：
图1是根据一个实施方案的发光器件(LED)的截面图。
图2～4是说明根据一个实施方案制造所述LED的工艺的截面图。
图5是根据另一个实施方案的LED的截面图。
图6～8是说明根据另一个实施方案制造所述LED的工艺的截面图。
图9是根据一个实施方案的LED封装的截面图。
具体实施方式
发光器件(LED)是将电流转化为光的半导体器件。红色和绿色的LED可用作光源，用于电子器件(包括通信器件)。例如，氮化镓(GaN)半导体具有高热稳定性和宽带隙。GaN半导体可与其它元素(例如In和Al)组合来制造发射绿色光、蓝色光或者白色光的半导体层，并且可控制其发射的波长。因此，包括GaN半导体的LED可用于高功率电子器件中。
LED可为横向型或者垂直型。在垂直LED中，在LED的上侧和下侧分别设置注入电流的n-型电极和p-型电极。分别通过n-型电极和p-型电极注入的电子和空穴流入有源层中，电子和空穴在有源层中彼此复合以产生可被发射的光。
在有源层中产生的光的一部分可被n-型电极反射。因此，反射光在LED内部可损失，发光效率可由此降低。此外，通过n-型电极反射的光的再次吸收可产生热。在n-型电极下可还产生电子溢流现象，这使得发射的光的量减少。电子和空穴可在有源层外部的区域中复合，这可产生附加热。电流拥挤可另外使LED的寿命和可靠性劣化。
图1是根据一个实施方案的发光器件(LED)的截面图。根据该实施方案的发光器件(LED)可包括：发光结构、第一电流阻挡层141、第二电极150和第一电极160。发光结构可包括：第二导电型的第二半导体层130、有源层120和第一导电型的第一半导体层110。在第二半导体层130上可设置第一电流阻挡层141。在第二半导体层130和第一电流阻挡层141上可设置第二电极150。在第一半导体层110上可设置第一电极160。
第一电流阻挡层141可设置于第二半导体层130中，但是不限于此。电流阻挡层141可设置为引起电压降，该电压降可调整有源层120中载流子分布。例如，可调整形成电流阻挡层141的第一导电区域的掺杂浓度和厚度，或者可调整与第二电极的欧姆接触，以调整在第一电极下限定的有源区中的电压降，由此减少电子溢流并改善电流分散和发光功率。
将参考图2～4描述根据一个实施方案的制造LED的方法。准备第一衬底。第一衬底可为蓝宝石衬底、SiC衬底或者基于材料的意图用途的其它适合材料。可对第一衬底实施湿蚀刻工艺以移除第一衬底的表面上的杂质。
在第一衬底上可形成第一导电型的第一半导体层110。例如，可使用化学气相沉积(CVD)工艺、分子束外延(MBE)工艺、溅射工艺、氢化物气相外延(HVPE)沉积工艺或者其它适合的工艺来形成n-型GaN层的第一导电型的第一半导体层110。而且，三甲基镓气体(TMGa)、氨气(NH3)、氮气(N2)、硅烷气体(SiH4)，或者包含N-型杂质例如硅(Si)的其它适合气体可注入腔室以形成第一半导体层110。
在第一衬底上可形成未掺杂的半导体层，并且在未掺杂的半导体层上可形成第一导电型的第一半导体层110。例如，在第一衬底上可形成未掺杂的GaN层，然后在未掺杂的GaN层上可形成n-型GaN层，以形成第一导电型的第一半导体层110。
在第一半导体层110上可形成有源层120。在有源层120中，通过第一导电型的第一半导体层110注入的电子可与通过第二导电型的第二半导体层130注入的空穴复合以发光，所述光的能量由构成有源层(例如发光层)的材料的能带所确定。
有源层120可包括单量子阱结构、多量子阱(MQW)结构、量子线结构、量子点结构或者其它适合的结构中的至少一种。例如，有源层120可具有InGaN/GaN结构的多量子阱(MQW)结构，所述InGaN/GaN结构通过注入三甲基镓气体(TMGa)、氨气(NH3)、氮气(N2)、三甲基铟气体(TMIn)或者其它适合的气体来形成。有源层120可具有InGaN/GaN结构、InGaN/InGaN结构、AlGaN/GaN结构、InAlGaN/GaN结构、GaAs/AlGaAs(InGaAs)结构、GaP/AlGaP(InGaP)结构或者其它适合的结构中的一种或者更多种结构。
在有源层120上可形成第二导电型的第二半导体层130。例如，包含p-型杂质的双(乙基环戊二烯基)镁[EtCp2Mg:Mg(C2H5C5H4)2]，例如三甲基镓(TMGa)气体、氨气(NH3)、氮气(N2)、镁(Mg)或者其它适合的气体可注入腔室，以形成p-型GaN层的第二导电型的第二半导体层130，但是不限于此。
参考图3，在第二导电型的第二半导体层130上可形成第一电流阻挡层141。第一电流阻挡层141可包括与第二导电型不同的导电型的半导体区域。例如，第一电流阻挡层141可以是可通过对第二导电型的第二半导体层130实施扩散或者离子注入工艺而形成的第一导电区域或者非导电区域。在第二半导体层130上可形成暴露出其中将形成第一电流阻挡层141的区域的第一图案。扩散或者离子注入工艺可使用第一图案作为掩模来实施。第一电流阻挡层141可形成于在空间上对应于后续将形成第一电极160的位置处。例如，电流阻挡层141可形成为在空间上与第一电极160交叠。空间交叠可为完全交叠或者部分交叠。
电流阻挡层141可形成为当施加恒定电压时引起电压降。因此，在电流阻挡层141下方的区域中，有源层120的能量势垒可增加以减少载流子流，由此防止电子和空穴彼此复合。现在参考图4，在除了其中电流阻挡层141接触第二半导体层130的区域之外，在第二电极150和第二半导体层130之间提供欧姆接触，由此使得载流子平稳地流过欧姆接触。这种结构可提高电流分散效率以改善光提取效率。
例如，电流阻挡层141可形成为引起电压降，所述电压降调整在有源层中的载流子分布。特别地，可调整形成电流阻挡层141的第一导电区域的掺杂浓度和厚度，或者可调整第二电极之间的欧姆接触，以调整在第一电极下方限定的有源区中的电压降，由此减少电子溢流和改善电流分散和发光功率。
如图4所示，可移除第一图案，并且在第二半导体层130上可形成第二电极150。第二电极150可包括欧姆层、反射层、耦合层(即结层)和第二衬底。第二电极150可由钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)、钨(W)或者其它适合的材料、以及其中注入杂质的半导体衬底中的至少一种形成。
第二电极150可包括可通过多层地堆叠材料例如单一金属、金属合金、金属氧化物或者其它适合的材料所形成的欧姆层，以改善电子空穴注入的效率。欧姆层可由ITO、IZO(In-ZnO)、GZO(Ga-ZnO)、AZO(Al-ZnO)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、Ni、Pt、Cr、Ti、Ag或者其它适合材料中的至少一种形成。
当第二电极150包括反射层时，第二电极150可包括：包含Al、Ag、含Al或者Ag的合金的金属层、或者其它适合材料。例如Al或者Ag的材料可有效地反射在有源层处产生的光，以改善LED的光提取效率或者光效率。当第二电极150还包括耦合层时，反射层可用作耦合层，或者耦合层可使用Ni或者Au或者其它适合材料形成。
第二电极150可还包括第二衬底。然而，当第一导电型的第一半导体层110具有约50μm或者更大的足够厚度时，作为替代方案，第二电极150可不包括第二衬底。第二衬底可由具有良好导电性能的金属、金属合金、导电半导体材料或者其它适合导电材料形成，以将空穴有效地注入发光结构。例如，第二衬底可由铜(Cu)、Cu合金、Si、钼(Mo)、SiGe或者其它适合材料中的一种或者更多种形成。第二衬底可使用电化学金属沉积方法、使用共晶金属的接合方法或者其它适合的方法形成。
可移除第一衬底以暴露出第一半导体层110或者未掺杂的半导体层。第一衬底可使用高功率激光分离或者使用化学蚀刻工艺移除。第一衬底也可通过实施物理研磨工艺移除。然后，在第一半导体层110上可形成第一电极160。第一电极160可形成为在空间上对应于第一电流阻挡层141。例如，第一电极160可在第一半导体层110上形成为与由第二半导体层150上的第一电流阻挡层141所占据的区域交叠。
因为第一电流阻挡层141可置于在空间上与第一电极160相对应或者至少部分交叠的第二半导体层的区域中，所以电流C会不易于流入第一电流阻挡层141上部的区域中。因此，电流C可扩散到第一电流阻挡层141上方的区域外部的区域中。例如，第一电流阻挡层141可包括第一导电区域作为电流阻挡层141。因此，可实现有效的电流流动以改善可靠性，并且可使得光吸收最小化，从而提高可产生的光的量。
此外，通过包括光提取结构可提高光提取效率。例如，该实施方案通过在第一导电型的第一半导体层110上形成光子晶体或者粗糙结构可提高光提取效率，但是不限于此。也可形成电流阻挡层141以有效地调整电流，由此提高光提取效率。由于电流分散作用，所以电流阻挡层141也可改善可靠性，由此提高光输出功率。
图5是根据另一个实施方案的LED的截面图。根据该实施方案的LED可包括：发光结构、第二电流阻挡层142、第二电极150和第一电极160。发光结构可包括：第二导电型的第二半导体层130、有源层120和第一导电型的第一半导体层110。在第二半导体层130上可设置第二电流阻挡层142。在第二半导体层130上可设置第二电极150。在第一半导体层110上可设置第一电极160。在该实施方案中，第二电流阻挡层142可设置于第二电极150中，但是不限于此。
该实施方案可采用之前所述实施方案的技术特征。因此，本实施方案的公开内容将尽可能地涉及与前述实施方案的不同之处。在本实施方案中，第二电流阻挡层142可设置在第二半导体层130上，或者作为替代方案，设置于第二电极150中。
将参考图6～8描述根据第二实施方案制造LED的方法。参考图6，准备第一衬底(未显示)。然后，在第一衬底上形成第一导电型的第一半导体层110、有源层120和第二导电型的第二半导体层130。在第二半导体层130上可形成第二电流阻挡层142。在本实施方案中，第二电流阻挡层142可包括导电型不同于第二导电型的半导体区域。
在本实施方案中，在第二导电型的第二半导体层130上可形成包括半导体区域的第二电流阻挡层142，例如掺杂有n-型杂质的第一导电层或者非导电层。例如，第一导电层或者非导电层可外延生长，但是不限于此。
参考图7，可形成暴露出其中将形成第二电流阻挡层142的区域的第一图案。然后，可使用第二图案作为蚀刻掩模来蚀刻第一导电层142a以形成第二电流阻挡层142。第二电流阻挡层142可形成于在空间上对应于后续将形成第一电极160的位置处。
电流阻挡层142可形成为当施加恒定电压时引起电压降。因此，在电流阻挡层142下方的区域中，有源层120的能量势垒可增加，由此减少载流子流，并防止电子和空穴在该区域处彼此复合。此外，第二电极150(以下进一步详细地讨论)在除了其中设置有电流阻挡层142之外的表面上具有与第二半导体层130的欧姆接触，以使得载流子平稳地流过该欧姆接触。这种结构可提高电流分散效率以改善光提取效率。
例如，可形成电流阻挡层142以引起电压降，所述电压降调整在有源层中的载流子分布。特别地，可调整形成电流阻挡层142的第一导电区域的掺杂浓度和厚度，或者可调整第二电极之间的欧姆接触，以调整在第一电极下方限定的有源区中的电压降，由此减少电子溢流并改善电流分散和发光功率。
如图8所示，可移除第二图案，并且在第二半导体层130上可形成第二电极150。第二电极150可包括欧姆层、反射层、耦合层(例如结层)和第二衬底。可移除第一衬底以暴露出第一半导体层110。然后，在第一半导体层110上可形成第一电极160。第一电极160可设置为在空间上与第二电流阻挡层142交叠。
由于第二电流阻挡层142可形成于在空间上对应于在第一电极160下方的第二半导体层130的区域上，所以电流C会不易于流入第二电流阻挡层142上方的区域中。因此，电流C可扩散到第二电流阻挡层142上方的区域外部的区域中。此外，可实现有效的电流流动以改善可靠性，并且可使得光吸收最小化，从而提高可产生的光的量。也可形成电流阻挡层142以改变电流流动的效率，由此提高光提取效率。由于电流分散作用，所以电流阻挡层也可改善可靠性，由此提高光输出功率。
图9是根据一个实施方案的LED封装的截面图。参考图9，根据一个实施方案的LED封装包括：主体200、设置于主体200中的第三电极层210和第四电极层220、设置于主体200中并与第三电极层210和第四电极层220电连接的LED 100、以及包围LED 100的模制元件400。
主体200可由硅材料、合成树脂材料、金属材料或者其它适合材料形成。在LED 100周围可设置倾斜表面。
第三电极层210和第四电极层220彼此电隔离并可对LED 100供电。而且，第三电极层210和第四电极层220可反射由LED 100产生的光以改善光效率。此外，第三电极层210和第四电极层220可将由LED 100中产生的热转移至主体200。
LED 100可为如图1中说明的垂直型LED，但是不限于此。例如，横向型LED可用作LED 100。LED 100可设置在主体200上或者第三电极层210上或者第四电极层220上。
LED 100可通过导线300电连接至第三电极层210和/或第四电极层220。在此实施方案中，如果使用垂直型LED 100，例如可使用一个导线300，但是不限于此。此外，当LED 100包括横向型LED时，可使用两个导线。而且，当LED 100包括倒装芯片型LED时，可不需要导线300。此外，模制元件400可包围LED 100以保护LED 100。在模制元件400中也可包含磷光体以改变由LED 100发出的光的波长。
可形成电流阻挡层以有效地调整电流，由此提高光提取效率。由于电流分散作用，所以也可形成电流阻挡层142以改善可靠性并提高光输出功率。
在根据一个实施方案的LED封装中，多个LED封装在衬底上布置为阵列。在LED封装的光路上可设置作为光学元件的导光板、棱镜片和扩散板。LED封装、衬底和光学元件可用作光单元。在另一个实施方案中，可实现可包括在上述实施方案中公开的LED或者LED封装的显示器件、指示器件和照明系统。例如，包括具有LED封装的发光模块的照明系统可用作灯或者街灯。
实施方案提供可改善电流拥挤和光提取效率的发光器件、发光器件封装和包括该发光器件封装的照明系统。
在一个实施方案中，一种发光器件(LED)包括：包括第二导电型半导体层、在第二导电型半导体层上的有源层、和在有源层上的第一导电型半导体层的发光结构；在第二导电型半导体层下的电流阻挡层；在第二导电型半导体层下的第二电极；和在第一导电型半导体层上的第一电极，其中电流阻挡层包括非第二导电区域。
在另一个实施方案中，一种LED封装包括：LED；和其中设置LED的封装体。
在另一个实施方案中，照明系统包括具有LED封装的发光模块。
一种发光器件(LED)包括：包括第一导电型的第一半导体层、邻接第一半导体层的有源层、和邻接有源层的第二导电型的第二半导体层的发光结构；邻接第二半导体层的电流阻挡层；邻接第一半导体层的第一电极；和邻接第二半导体层的第二电极；其中所述电流阻挡层包括半导体区域。
LED包括具有GaN半导体层的电流阻挡层；其中所述半导体区域为第一导电型；其中所述半导体区域是未掺杂的半导体区域；其中所述半导体区域是轻度掺杂的半导体区域；其中第一电极与电流阻挡层的至少一部分在空间上交叠；其中电流阻挡层设置于第二半导体层中；其中电流阻挡层设置于第二电极中；并且在除了其中电流阻挡层接触第二半导体层的区域之外，在第二半导体层和第二电极之间提供欧姆接触。
一种制造发光器件(LED)的方法包括：在第一导电型的第一半导体层上形成有源层；在有源层上形成第二导电型的第二半导体层；在第二半导体层上形成包括半导体区域的电流阻挡层；在第一半导体层上形成第一电极，其中所述第一电极设置为与形成于第二半导体层上的电流阻挡层在空间上交叠；和在第二半导体层和半导体区域上形成第二电极。
所述方法还包括形成电流阻挡层的步骤，包括：在第二半导体层的表面上设置第一掩模；和利用第一掩模来掺杂第二半导体层的表面，以形成导电型不同于第二半导体层的半导体区域；其中所述半导体区域的导电型为第一导电型；并且其中所述半导体区域是未掺杂的或者轻度掺杂的半导体区域中的至少一种。
所述方法还包括形成电流阻挡层的步骤，包括：在第二半导体层的顶部上形成半导体区域；其中形成第二电极的步骤包括：在除了其中电流阻挡层接触第二半导体层的区域之外在第二电极和第二半导体层之间形成欧姆接触；其中形成电流阻挡层的步骤还包括：调整电流阻挡层的厚度以控制与电流阻挡层在空间上交叠的有源层中的载流子分布；其中形成电流阻挡层的步骤还包括：调整电流阻挡层的掺杂浓度以控制与电流阻挡层在空间上交叠的有源层中的载流子分布；并且其中形成第二电极的步骤还包括：调整第二电极的欧姆接触以改变第一电极下方的有源区中的电压降，其中电压降控制与电流阻挡层在空间上交叠的有源层中的载流子分布。
在实施方案的描述中，应理解，当层(或膜)称为在另一层或者衬底“上”时，其可以直接在所述另一层或者衬底图案上，或者也可存在中间层。此外，应理解当层称为在另一层“下”时，其可以直接在所述另一层下，也可存在一个或更多个中间层。另外，也应理解，当层称为在两层“之间”时，其可以是在所述两层之间仅有的层，或也可存在一个或多个中间层。
在本说明书中对″一个实施方案″、″实施方案″、″示例性实施方案″等的任何引用，表示与实施方案相关描述的具体的特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施方案中。在说明书不同地方出现的这些措词不必都涉及相同的实施方案。此外，当结合任何实施方案描述具体的特征、结构或特性时，认为将与其它的实施方案关联地实现这种特征、结构或特性均在本领域技术人员的范围之内。
虽然参考大量其说明性的实施方案已经描述了实施方案，但是应理解本领域技术人员可设计很多的其它改变和实施方案，这些也将落入本公开的原理的精神和范围内。更具体地，在公开、附图和所附的权利要求的范围内，在本发明的组合排列的构件和/或结构中可能具有各种的变化和改变。除构件和/或结构的变化和改变之外，对本领域技术人员而言，可替代的用途也会是显而易见的。
Claims (20)
1.一种发光器件(LED)，包括：
包括第一导电型的第一半导体层、邻接所述第一半导体层的有源层、以及邻接所述有源层的第二导电型的第二半导体层的发光结构；
邻接所述第二半导体层的电流阻挡层；
邻接所述第一半导体层的第一电极；和
邻接所述第二半导体层的第二电极；
其中所述电流阻挡层包括半导体区域。
2.根据权利要求1所述的LED，其中所述电流阻挡层包括GaN半导体层。
3.根据权利要求1所述的LED，其中所述半导体区域为第一导电型。
4.根据权利要求1所述的LED，其中所述半导体区域是未掺杂的半导体区域。
5.根据权利要求1所述的LED，其中所述半导体区域是轻度掺杂的半导体区域。
6.根据权利要求1所述的LED，其中所述第一电极与所述电流阻挡层的至少一部分在空间上交叠。
7.根据权利要求1所述的LED，其中所述电流阻挡层设置在所述第二半导体层中。
8.根据权利要求1所述的LED，其中所述电流阻挡层设置在所述第二电极中。
9.根据权利要求1所述的LED，其中在除了其中所述电流阻挡层接触所述第二半导体层的区域之外，在所述第二半导体层和所述第二电极之间提供欧姆接触。
10.一种LED封装，包括：
根据权利要求1所述的LED；和
其中设置所述LED的封装体。
11.一种照明系统，包括具有根据权利要求10所述的LED封装的发光模块。
12.一种制造发光器件(LED)的方法，包括：
在第一导电型的第一半导体层上形成有源层；
在所述有源层上形成第二导电型的第二半导体层；
在所述第二半导体层上形成包括半导体区域的电流阻挡层；
在所述第一半导体层上形成第一电极，其中所述第一电极设置为与形成于所述第二半导体层上的所述电流阻挡层在空间上交叠；和
在所述第二半导体层和所述半导体区域上形成第二电极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述电流阻挡层的步骤包括：
在所述第二半导体层的表面上放置第一掩模；和
利用所述第一掩模来掺杂所述第二半导体层的表面，以形成导电型不同于所述第二半导体层的导电型的所述半导体区域。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述半导体区域的导电型是第一导电型。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述半导体区域是未掺杂的或者轻度掺杂的半导体区域中的至少一种。
16.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述电流阻挡层的步骤包括：
在所述第二半导体层的顶部上形成半导体区域。
17.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述第二电极的步骤包括：在除了其中所述电流阻挡层接触所述第二半导体层的区域之外，在所述第二电极和所述第二半导体层之间形成欧姆接触。
18.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述电流阻挡层的步骤还包括：调整所述电流阻挡层的厚度以控制与所述电流阻挡层在空间上交叠的所述有源层中的载流子分布。
19.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述电流阻挡层的步骤还包括：调整所述电流阻挡层的掺杂浓度以控制与所述电流阻挡层在空间上交叠的所述有源层中的载流子分布。
20.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述第二电极的步骤还包括：调整所述第二电极的欧姆接触以改变在所述第一电极之下的有源区中的电压降，其中所述电压降控制与所述电流阻挡层在空间上交叠的所述有源层中的载流子分布。
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