CN101901857B - 具有改进电极构造的发光设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有改进电极构造的发光设备，所述设备包括：第一半导体层和第二半导体层；位于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间的发光层；位于所述第一半导体层上的第一电极图案层；以及位于所述第二半导体层上的第二电极图案层，其中，所述第二电极图案层包括电极主体以及从所述电极主体向所述第一电极图案层延伸的多个分支电极。本发明实施例提供的具有改进电极构造的发光设备中的改进电极构造与相对较薄的透明导电氧化物层一起可以增大发光设备的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光设备，更具体地说，涉及具有改进电极构造的发光设备。电极构造的各种设置与相对较薄的透明导电氧化物层一起可以增大光提取（light extraction）并降低发光设备的工作电压。
背景技术
将电流转换为光的发光二极管（LED），是现今最重要的固态发光设备之一。LED通常包括位于P型半导体层与N型半导体层之间的发光层。将驱动电流施加到电连接到P型半导体层的P型电触点，并且将其施加到电连接到N型半导体层的N型电触点。因此，P型半导体层和N型半导体层分别将空穴（hole）和电子排出到发光层。空穴和电子在发光层内组合，由此发光。在全部方向上从发光层发出光，然后光离开LED的表面。
增大LED的尺寸及发光面积是提高LED发光效率及发光强度的方法之一。然而，对于常规的基于氮化物的LED，因为电流不能从电触点开始在整个发光层上均匀地扩散，所以对尺寸的增大会受到限制。例如，因为P型基于氮化物的半导体层具有相对较低的导电率，所以施加到P型电触点的电流的扩散会限于位于P型电触点下方的P型基于氮化物的半导体层的特定区域。电流不能在整个P型基于氮化物的半导体层上横向地（laterally）扩散。此外，会在LED的特定部分处发热，使得电触点周围的组件材料更快速地劣化。对于N型基于氮化物的半导体层而言，虽然它具有更好的导电率，但是对于电流在该层上横向地扩散仍然存在某些障碍。随着LED设备尺寸的增大，电流不能从电触点开始在N型基于氮化物的半导体层上均匀地扩散。因此，常规的基于氮化物的LED的尺寸受到电流在P型基于氮化物的半导体层中及在N型基于氮化物的半导体层中的横向扩散的限制。
发明内容
在本发明中，该发光设备包括第一半导体层和第二半导体层、位于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间的发光层、位于所述第一半导体层上的第一电极图案层以及位于所述第二半导体层上的第二电极图案层，其中，所述第一电极图案层包括一第一电极主体，所述第二电极图案层包括一第二电极主体以及从所述第二电极主体向所述第一电极主体延伸的多个分支电极。
本发明实施例提供的具有改进电极构造的发光设备中的改进电极构造与相对较薄的透明导电氧化物层一起可以增大发光设备的发光效率。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是示出具有改进电极构造的发光设备的示意性立体图；
图2是示出图1的发光设备的示意性俯视图；
图2A是示出沿着图2的线I-I截取的发光设备的部分构造的截面图；
图2B是示出N型子电极图案的部分构造与图2的区域a中的P型子电极图案的部分构造之间的关系的示意性俯视图；
图2C是示出图2B中所示构造的一个替换构造的示意性俯视图；
图2D是示出图2B中所示构造的另一替换构造的示意性俯视图；
图2E是示出图2B中所示构造的另一替换构造的示意性俯视图；
图2F是示出图2B中所示构造的另一替换构造的示意性俯视图；
图3是与图2A相应的、示出发光设备的第二实施方式的部分构造的截面图；
图4是与图2B相应的、示出发光设备的第二实施方式的示意性俯视图；
图5是示出发光设备的第三实施方式的示意性俯视图；以及
图6是示出发光设备的第四实施方式的示意性俯视图。
具体实施方式
以下参照附图更完整地描述本发明，附图中示出了本发明的各个方面。然而，可按照不同形式来实现本发明，并且不应当将其解释为限于由本公开所给出的本发明的各个方面。相反，提供这些方面以使得本公开是全面和完整的，并且充分地向本领域技术人员传达本发明的范围。附图中示出的本发明的各个方面可能不一定按比例绘制。此外，为了简洁，简化了一些附图。因此，附图可能没有描绘所给出的装置（例如，设备）或方法的全部各个组件。
这里，将参照附图描述本发明的各个方面，附图是本发明的理想构造的示意性图示。这样，例如作为制造技术和/或容错度的结果，能够预期这些图示的形状变化。因此，在本公开所给出的本发明的各个方面不应当被解释为限于这里示出和描述的元件（例如，区域、层、部分、衬底、球形形状等）的具体形状，而是应当包括例如由于制造导致的形状偏差。作为示例，作为矩形示出或描述的元件可具有圆形或曲形的特征和/或在它的边缘具有渐变的浓度，而不是从一个元件到另一元件的离散变化。因此，附图中示出的元件实际上是示意性的，并且它们的形状不旨在说明元件的精确形状并且不旨在限制本发明的范围。
可以理解的是，当将元件（例如区域、层、部分、衬底等）表示为位于另一元件“之上”时，它可以直接位于该另一元件之上，或者也可存在中间元件。相反，当将元件表示为“直接在另一元件之上”时，则不存在中间元件。此外可以理解的是，当将元件表示为在另一元件上“形成”时，它可在该另一元件或中间元件上生长、淀积、蚀刻、附接、连接、耦合、或者按照其它方式预备或装配。
此外，相对用语（例如“下面”或“底部”和“上面”或“顶部”）在这里可用于描述一个元件与另一元件的关系，如图中所示。可以理解的是，除了图中描绘的方向以外，这种相对用语还旨在包含装置的其它方向。作为示例，如果图中的装置翻转，则被描述为位于其它元件“下面”侧上的元件将被定向为位于该其它元件的“上面”侧。因此，用语“下面”可包含“下面”和“上面”这两者，取决于装置的具体方向。类似地，如果图中的装置翻转，则被描述为位于“其它元件之下”或者位于“其它元件下”的元件将被定向为位于该“其它元件之上”。因此，用术语“在…之下”或“在…下”可包含“在…之上”和“在…之下”这两者。
除非另外定义，否则这里使用的全部术语（包括科技术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。此外可以理解的是，术语（例如在通常使用的字典中所定义的）应当被解释为具有与其在相关领域和本发明的上下文中的含义相一致的含义。
如这里所使用的，除非上下文清楚地作出另外表示，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在同样包括复数形式。此外可以理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括（comprises）”和/或“包含（comprising）”表示所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是并不排除一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。术语“和/或”包括一个或更多个所列出的相关项的任意及全部组合。
现在将给出具有改进电极构造的发光设备的各个方面。然而，本领域技术人员容易理解的是，这些方面可扩展到其它光源，而不会偏离本发明。可使用改进电极构造来形成发光设备，该改进电极构造包含P型电极图案层和N型电极图案层的具体构造，其中，在这两个层之间存在非常不均匀的距离。通过利用电极构造的这些构造和相对较薄的透明导电氧化物层作为电流扩散层，该发光设备可以允许更低的工作电压并且获得更好的光提取。
图1是具有改进的电极构造的发光设备的示意性立体图，而图2是示出图1的发光设备的示意性俯视图。图2A是沿着图2的线I-I截取的发光设备的部分构造的截面图。参照以上三个附图，发光设备包括衬底10、N型半导体层11、发光层12、P型半导体层13、厚度小于1000埃的透明导电氧化物层14、N型电极图案层15以及P型电极图案层16。N型半导体层11形成在衬底10上。发光层12形成在N型半导体层11上。P型半导体层13形成在发光层12上。厚度小于1000埃的透明半导体氧化物层14形成在P型半导体层13上。透明导电氧化物层14（优选地为ITO（InSnOx）层）用作电流扩散层。
N型电极图案层15包括镜像关系的一对N型子电极图案15a和15b。在第一实施方式中，N型子电极图案15a是拉长而变形的C形子电极主体，而N型子电极图案15b是拉长而变形的C形相反子电极主体。通过依次蚀刻透明导电氧化物层14、P型半导体层13和发光层12，可穿过透明导电氧化物层14、P型半导体层13和发光层12而形成分别具有N型子电极图案15a和15b的轮廓的沟道18a和18b，剩下N型半导体层11的部分表面。然后，在N型半导体层11的部分暴露表面上分别在沟道18a和18b内形成N型子电极图案15a和15b，使得在N型子电极图案15a、15b与N型半导体层11之间形成电接触。在N型子电极图案15a、15b与沟道18a、18b之间分别留有一定空间，以防止在N型子电极图案15a、15b与透明导电氧化物层14、P型半导体层13、发光层12之间形成电接触。
P型电极图案层16包括在透明导电氧化物层14上以镜像关系形成的一对P型子电极图案16a和16b。P型子电极图案16a包括P型子电极主体160a和多个P型分支（branched）电极162a。P型子电极主体160a沿N型子电极图案15a的轮廓从N型子电极图案15a的半封闭开口伸出，以包围它，使得P型子电极主体160a与N型子电极主体的构造相互匹配。P型分支电极162a形成在沿P型子电极主体160a的长度的各个位置处，并且向N型子电极图案15a延伸。因为P型分支电极162a的构造设计，所以在P型子电极图案16a处的各个部分与它们在N型子电极图案15a处的相应部分之间会存在不同的距离。简言之，通过在P型子电极图案16a的各个位置处形成向N型子电极图案15a延伸的多个P型分支电极162a，在P型子电极图案16a与N型子电极图案15a之间存在非常不均匀的距离。
同样，P型子电极图案16b包括P型子电极主体160b和多个P型分支电极162b。P型子电极主体160b沿N型子电极图案15b的轮廓从N型子电极图案15b的半封闭开口伸出，以包围它。P型分支电极162b形成在沿P型子电极主体160b的长度的各个位置处，并且向N型子电极图案15b延伸。因为P型分支电极162b的构造设计，所以在P型子电极图案16b处的各个部分与它们在N型子电极图案15b处的相应部分之间将会存在不同的距离。换言之，在P型子电极图案16b与N型子电极图案15b之间存在非常不均匀的距离。
通过利用N型电极图案层15和P型电极图案层16的具体构造（这个构造得到这两个图案层之间非常不均匀的距离），并且使用相对较薄的透明导电氧化物层14（例如形成在P型电极图案层16下方的厚度小于1000埃的ITO层（优选地为具有600埃厚度的ITO层）），发光设备可实现更好的光提取并且允许更低的工作电压。也就是说，改进的电极构造与相对较薄的透明导电氧化物层一起可以增大发光设备的发光效率。
在第一实施方式中，N型电极图案层15和P型电极图案层16优选地由金属制成，以增大导电率，并且更优选地，由反射率大于60%的反光金属制成，例如铝或银。
为了实现N型电极图案层15与P型电极图案层16之间非常不均匀的距离，P型子电极图案16a、16b的P型子电极主体160a、160b及其上的P型分支电极162a、162b可具有各种构造设计。图2B是示出N型子电极图案15b的部分构造与图2的区域a中的P型子电极图案16b的部分构造之间的关系的示意性俯视图。图2B中的P型子电极主体160b和P型分支电极162b示出了梳状构造，其中各个P型分支电极162b形成直线。P型子电极主体16a、16b中的各个与N型子电极图案15a、15b中的各个的电极宽度w小于30μm（例如，5-10μm）。各个N型电极图案层15和各个P型电极图案层16的电极粗度为t，其中，t>10/w（例如，t可以是4μm）。P型子电极主体160b与N型子电极图案15b之间的距离l1可以是大约125μm，而P型分支电极162b与N型子电极图案15b之间的距离为l2，其中，0<l2<l1/2。在本实施方式中，P型分支电极162b与N型子电极图案15b之间的距离l2的范围可以为0<l2<62.5μm。每对P型分支电极162b之间的距离d1可小于l1的两倍（例如，大约110μm）。
在图2B所示的示例中，对于各个P型分支电极162b存在恒定长度，然而，该长度也随它们之间变化。图2C到图2F示出了替换电极构造，但是应当注意，落入本发明范围的替换电极构造并不限于此。图2C示出了各个P型分支电极162b具有T形形状。在图2D中，P型子电极主体160b和P型分支电极162b示出了鱼骨状构造，其中各个P型分支电极162b形成倾斜的直线。优选地，P型子电极主体106b与P型分支电极之间形成的角度在45°和135°之间。图2E示出了各个P型分支电极可具有类似P型分支电极162b的曲线（curvilinear）形状，或者类似P型分支电极162b’的复合曲线（multiple-curvilinear）形状。在图2F中，P型子电极主体160b和P型分支电极162b示出了护栏（guard rail）状构造。P型分支电极162b由位于与P型子电极主体160b相对的末端处的P型公共电极163而连接。图2B中的电极尺寸也可应用到图2C到2F。应当注意，图2A到2F给出的各种电极构造仅是非限制性示例，并且其它电极构造也包含在本发明的范围内。用于任何具体应用的P型分支电极的实际构造可具有由直线部分和/或曲线部分组成的各种形状。本领域技术人员基于这里的教导能够容易地为任何具体应用确定合适的电极构造。
另选的是，可形成具有与P型电极图案层16相同形状但是覆盖更大区域的介电层。可在透明导电氧化物层14与P型半导体层13之间形成介电层，以防止电流从P型电极图案层16向下流向发光层12，并且进一步地防止从发光层12发出的光被P型电极图案层16吸收。换言之，可在P型电极图案层16的下方形成电流阻挡层，以便防止发光设备发出的光部分地被P型电极图案层16吸收。图3是与图2A相应的、示出了发光设备的第二实施方式的部分构造的截面图。第一实施方式与第二实施方式之间的唯一区别在于，第二实施方式中形成有介电层17。可在透明导电氧化物层14与P型半导体层13之间形成介电层17，就在P型电极图案层16位置的下方。除了介电层17之外，第二实施方式中的全部组件与第一实施方式中的相同。
P型子电极图案16a和16b的各种构造（即，P型子电极主体160a、160b及其上的P型分支电极162a、162b，如图2B到2F中所示）也可应用到第二实施方式。图4是示出第二实施方式中N型子电极图案15b的部分构造与P型子电极图案16b的部分构造之间关系的示意性俯视图（另外参见图2B）。第二实施方式的介电层17包括在透明导电氧化物层14和P型半导体层13之间形成在P型子电极图案16a、16b的下方的一对子介电层。如图4所示，各个子介电层具有与相应的P型子电极图案相同的形状，但是覆盖了更大的区域。在第二实施方式中，介电层17用作发光设备的电流阻挡层，其防止发光设备发出的光部分地被P型电极图案层16吸收。
在发光设备的第三实施方式中，N型子电极图案15也可被设计为具有多个分支电极。图5是示出发光设备的第三实施方式的示意性俯视图。第三实施方式与第一实施方式（参见图2）的区别在于，第三实施方式中的N型电极图案层15也被设计为具有多个分支电极。具体地说，第三实施方式中的P型电极图案层16与第一实施方式构造相同。然而，第三实施方式中的N型电极图案层15的N型子电极图案15a包括N型子电极主体150a并且包括形成在沿N型子电极主体150a的长度的各个位置处并且向相对的P型子电极图案16a延伸的多个N型分支电极152a。N型分支电极152a和P型分支电极162a示出了规则的相间交错（interdigitated）关系。也就是说，一个N型分支电极152a与一个P型分支电极162a轮流交替。然而，在替换实施方式中，N型分支电极152a和P型分支电极162a示出了不规则的相间穿插关系（未图示），其中，一个N型分支电极152a与一个或更多个P型分支电极162a轮流交替。在第三实施方式中，沟道18a和18b分别具有N型子电极图案15a和15b的轮廓，但是在这些沟道与图案之间留有一定空间，以防止N型子电极图案15a、15b与透明导电氧化物层14、P型半导体层13、发光层12之间形成电接触。第三实施方式中的其它组件与第一实施方式中的相同。另选的是，第二实施方式的介电层17可提供作为P型电极图案层16的电流阻挡层。在本实施方式中的介电层17具有与第二实施方式中相同的位置和形状，因此，这里将不重复描述。
图6是示出发光设备的第四实施方式的示意性俯视图。第四实施方式与第一实施方式（参见图2）的区别在于，在第四实施方式中，P型电极图案层16不具有任何分支电极，而N型电极图案层15具有与第三实施方式（参见图5）相同的形状。在N型子电极图案15a和15b上分别形成多个N型分支电极152a和152b。因为N型电极图案层15的电极构造，所以在P型电极图案层16与N型电极图案层15之间会存在非常不均匀的距离。此外，P型子电极主体160b及其上的P型分支电极162b的各种构造（如图2B到2F中所示）也可应用到第四实施方式中的N型子电极图案15a和15b。第四实施方式中的其它组件与第一实施方式中相同。另选的是，可向发光设备提供第二实施方式的介电层17，作为P型电极图案层16的电流阻挡层。本实施方式中的介电层17具有与第二实施方式中相同的位置和形状，因此，这里将不重复描述。
可从由发光二极管、发光异质结（heterojunction）、发光量子阱及其它发光固态设备组成的组中选择发光设备。该发光设备可使用任何合适的材料体系，例如II-VI和III-V材料体系（例如，III氮化物、III磷化物、和III砷化物材料体系）。
提供了本发明的各个方面，以使得本领域普通技术人员能够实现本发明。对于本领域技术人员而言，对本发明中给出的各个方面的各种修改是明显的，并且这里公开的原理可扩展到其它光源，而与形状、应用或设计约束无关。因此，权利要求不旨在限于本发明的各个方面，而是遵循与权利要求的语言一致的完整范围。已知的或者以后会由本领域普通技术人员知道的在本公开描述的各个方面的元件的全部构造和功能等同物清楚地通过引用合并在此，并且旨在由权利要求所包含。而且，这里没有公开旨在专用于公众的，不管该公开是否在权利要求中被明确地叙述。
Claims (18)
1.一种发光设备，该发光设备包括：
第一半导体层和第二半导体层；
位于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间的发光层；
位于所述第一半导体层上的第一电极图案层，其中所述第一电极图案层包括一第一电极主体；以及
位于所述第二半导体层上的第二电极图案层，其中，所述第二电极图案层包括一第二电极主体以及从所述第二电极主体向所述第一电极主体延伸的多个分支电极，
其中，从以下构造所组成的组中选择所述第二电极主体及所述多个分支电极的构造：一梳状构造，其中，所述多个分支电极形成直线；一鱼骨状构造，其中，所述多个分支电极形成倾斜角在45到135度的倾斜直线；以及一护栏状构造，其中，所述多个分支电极通过位于与所述第二电极主体相对的末端处的公共电极而连接。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其中，所述第一半导体层包括N型半导体层，所述第一电极图案层包括N型电极图案，并且其中，所述第二半导体层包括P型半导体层，所述第二电极图案层包括P型电极图案。
3.根据权利要求1所述的发光设备，其中，所述第一半导体层包括P型半导体层，所述第一电极图案层包括P型电极图案，并且其中，所述第二半导体层包括N型半导体层，所述第二电极图案层包括N型电极图案。
4.根据权利要求1所述的发光设备，该发光设备还包括位于所述第一半导体层及所述第二半导体层中的一个半导体层上的透明导电氧化物层，该透明导电氧化物层的厚度小于1000埃。
5.根据权利要求4所述的发光设备，其中，所述第一半导体层及所述第二半导体层中的所述一个半导体层包括P型半导体层。
6.根据权利要求4所述的发光设备，该发光设备还包括位于所述透明导电氧化物层与所述第一半导体层及所述第二半导体层中的所述一个半导体层之间的介电层，该介电层具有位于所述第一半导体层及所述第二半导体层中的所述一个半导体层上的所述电极图案的形状，但是覆盖比所述第一半导体层及所述第二半导体层中的所述一个半导体层上的所述电极图案层更大的区域。
7.根据权利要求6所述的发光设备，其中，所述第一半导体层及所述第二半导体层中的所述一个半导体层包括P型半导体层，并且其中，所述第一半导体层及所述第二半导体层中的所述一个半导体层上的所述电极图案层包括P型电极图案层。
8.根据权利要求4所述的发光设备，其中，所述透明导电氧化物层的厚度为大约600埃。
9.根据权利要求4所述的发光设备，其中，所述透明导电氧化物层包括ITO层。
10.根据权利要求9所述的发光设备，其中，所述ITO层的厚度为大约600埃。
11.根据权利要求1所述的发光设备，该发光设备还包括衬底，其中，所述第一半导体层及所述第二半导体层中的一个半导体层位于所述衬底上，所述第一半导体层及所述第二半导体层中的所述一个半导体层包括N型半导体层。
12.根据权利要求1所述的发光设备，其中，从以下形状所组成的组中选择各个所述分支电极的形状：T形形状、曲线形状、复合曲线形状、以及由直线部分与曲线部分组成的形状。
13.根据权利要求1所述的发光设备，其中，所述第一电极图案层及所述第二电极图案层包括金属。
14.根据权利要求13所述的发光设备，其中，所述金属的反射率大于60%。
15.根据权利要求13所述的发光设备，其中，所述金属包括铝或银。
16.根据权利要求1所述的发光设备，其中，所述第一电极主体包括多个分支电极，所述多个分支电极形成在沿所述第一电极图案层的电极主体的长度的各个位置并且向所述第二电极主体延伸，并且其中，所述第一电极图案层及所述第二电极图案层的所述多个分支电极具有相间交错关系。
17.根据权利要求1所述的发光设备，其中，所述第一电极图案层及所述第二电极图案层中的各个电极图案层都包括镜像关系且机械性地被分开的一对子电极图案，其中，所述第二电极图案层的第一子电极图案包括所述电极主体和所述多个分支电极，所述多个分支电极从所述电极主体向所述第一电极图案层的第一子电极图案延伸，并且其中，所述第二电极图案层的第二子电极图案包括电极主体和多个分支电极，所述多个分支电极从所述第二电极图案层的第二子电极图案向所述第一电极图案层的第二子电极图案延伸。
18.根据权利要求1所述的发光设备，其中所述多个分支电极中的一个分支电极的末端及所述第一电极主体间的一第一距离小于所述第一电极主体与所述第二电极主体之间一距离的一半。
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