CN101958334B - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明的AC LED包括：衬底；至少一个串联阵列，其具有串联连接在衬底上的多个发光单元。发光单元的每一者包括：下半导体层，其由形成于衬底的顶部上的第一导电化合物半导体层组成；上半导体层，其由形成于下半导体层顶部上的第二导电化合物半导体层组成；活性层，其介于下半导体层与上半导体层之间；下电极，其形成于下半导体层上且在衬底的第一角落处暴露；上电极层，其形成于上半导体层上；以及上电极极板，其形成于上电极层上且在衬底的第二角落处暴露。上电极极板和下电极分别安置在对角线上彼此相对的角落处，且相应的发光单元经布置以使得发光单元的一者的上电极极板和下电极相对于发光单元的相邻的另一者的上电极极板和下电极而对称。

Description

发光二极管
本申请是申请日为2008年3月18日、申请号为200810084015.5、题为“发光二极管”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(light emitting diode)，且更明确地说，涉及一种发光二极管，其中所述发光二极管的一个区域由上电极极板占用，且下电极被设计成较小，从而减小上电极极板和下电极所阻挡的从所述发光二极管发射的光的区域，并保证较大的发光区，从而改进发光效率。
背景技术
基于GaN的发光二极管(LEDs)已使用并发展了约10年或更长时间。基于GaN的LEDs已相当大地改变了LED技术，且目前用于各种应用，例如全色LED显示装置、LED交通灯和白光LEDs。最近，已经期望高效率的白光LEDs将代替荧光灯。明确地说，白光LEDs的效率已经达到了与典型的荧光灯的效率类似的等级。
一般来说，LED通过正向电流而发光，且需要供应DC。因此，如果将LED直接连接到AC电源，那么它会依据电流的方向重复地接通/断开。因此，问题是LED不会连续地发光，且容易被反向电流所损坏。
为了解决这个问题，SAKAI等人题为“LIGHT-EMITTING DEVICEHAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS”的第WO 2004/023568(A1)号PCT专利公开案中揭示一种能够直接连接到高压AC电源的LED。
根据第WO 2004/023568(A1)号PCT专利公开案，LED(即，发光单元)二维地串联连接在单个绝缘衬底(例如蓝宝石衬底(sapphire substrate))上，以形成LED阵列。这样的两个LED阵列彼此反向并联连接在蓝宝石衬底上。
通常通过在例如蓝宝石的衬底上生长多个外延(epitaxial)层来形成基于GaN的LED，且所述LED包括N型半导体层、P型半导体层和介于其间的活性层。同时，在N型半导体层上形成N型电极，且在P型半导体层上形成P型电极。LED通过电极电连接到外部电源，从而被驱动。此时，电流从P型电极经由半导体层而流动到N型电极中。
由于P型半导体层通常具有较高的特定电阻率，所以存在下述的问题：电流不能均匀地分布，而是集中在形成P型电极的一部分上。电流集中导致发光区的减小，且因此，发光效率降低。为了解决这个问题，使用一种通过在P型半导体层上形成具有较低的特定电阻率的透明电极层来分布电流的技术。由于从P型电极引入的电流分布在透明电极层中且流动到P型半导体层中，所以LED的发光区可扩大。
然而，由于透明电极层可吸收光，所以透明电极的厚度受限，且因此，电流的分布也受到限制。明确地说，具有约1mm2或更多的面积的用于高功率的较大尺寸的LED在使用透明电极层的电流分布中具有某种限制。
同时，电流流经半导体层且通过N型电极而流出。因此，电流集中在N型半导体层的形成有N型电极的一部分上，这意味着在半导体层中流动的电流集中在形成有N型电极的部分的附近。因此，需要开发一种能够改进N型半导体层中的电流浓度的LED。
同时，形成于LED中的P型和N型电极通常可阻挡从LED发射的光。因此，有必要改进P型和N型电极的结构，这可增强LED的发光效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有电极结构的AC LED，其中在LED的操作中流动的电流可均匀地分布，且光效率可得到提高。
根据本发明的用于实现目的的一方面，提供一种AC LED，其包括：衬底；以及至少一个串联阵列，其具有串联连接在所述衬底上的多个发光单元。所述发光单元中的每一者包括：下半导体层，其由形成于衬底的顶部上的第一导电化合物半导体层组成；上半导体层，其由形成于所述下半导体层顶部上的第二导电化合物半导体层组成；活性层，其介于所述下半导体层与上半导体层之间；下电极，其形成于下半导体层上且在所述衬底的第一角落处暴露；上电极层，其形成于上半导体层上；以及上电极极板，其形成于上电极层上且在衬底的第二角落处暴露。上电极极板和下电极分别安置于对角线上彼此相对的角落处；且相应的发光单元经布置以使得所述发光单元中的一者的上电极极板和下电极相对于发光单元的相邻的另一者的上电极极板和下电极而对称。
串联阵列可包括彼此反向并联连接的两个串联阵列。
所述两个串联阵列彼此反向并联连接，位于所述串联阵列的任何一者中的发光单元中的至少一者电连接到位于另一串联阵列中的发光单元中的对应一者。因此，在AC LED的操作期间，可防止反向电压所导致的过电压被施加到特定的串联阵列。
上电极层可以是透明电极层。
透明电极层可以由氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)或Ni/Au形成。
上电极极板可由选自Ni、Cr、Pd、Pt、W和Al的至少一者所形成。
上电极极板可包括至少一个层或合金层。
下电极可由选自Ni、Cr、Pd、Pt、W和Al的至少一者所形成。
下电极可包括至少一个层或合金层。
活性层可包含具有InxGa1-xN(0＜x＜1)阱层和InxGa1-xN(0≤x＜1)势垒(barrier)层的单个量子阱或多个量子阱结构。
InxGa1-xN(0＜x＜1)阱层的In含量可多于InxGa1-xN(0≤x＜1)势垒层的In含量。
第二导电化合物半导体层可包含AlxGa1-xN(0≤x＜1)。
根据本发明的另一方面，提供一种AC LED，其包括：串联电连接的两个或两个以上的单一芯片。所述单一芯片中的每一者包括：衬底；以及至少一个串联阵列，其具有串联连接在所述衬底上的多个发光单元。所述发光单元中的每一者包括：下半导体层，其由形成于衬底的顶部上的第一导电化合物半导体层组成；上半导体层，其由形成于下半导体层顶部上的第二导电化合物半导体层组成；活性层，其介于下半导体层与上半导体层之间；下电极，其形成于下半导体层上且在衬底的第一角落处暴露；上电极层，其形成于上半导体层上；以及上电极极板，其形成于上电极层上且在衬底的第二角落处暴露。上电极极板和下电极分别安置在对角线上彼此相对的角落处；且相应的发光单元经布置以使得所述发光单元中的一者的上电极极板和下电极相对于发光单元的相邻的另一者的上电极极板和下电极而对称。
串联阵列可包括彼此反向并联连接的两个串联阵列。
两个或两个以上的单一芯片可安装在相应的封装上，且通过接合线而串联连接。
两个或两个以上的单一芯片可安装在相应的封装上，且所述封装串联连接着。
附图说明
图1是说明根据本发明一个实施例的具有附带电极结构的单个发光单元的LED的平面图；
图2是沿图1的线A-A截取的截面图；
图3是说明根据本发明实施例的具有图1中所示的发光单元的串联阵列的LED的示意图；
图4是说明本发明实施例中所使用的发光单元的部分截面图；
图5是说明根据本发明其它实施例的发光单元的串联阵列的示意图；
图6是绘示根据本发明一个实施例的LED的电极结构的照片；
图7是绘示一种将要与本发明实施例的LED的电极结构进行比较的比较性实例的LED的电极结构的照片；
图8是绘示根据本发明实施例的LED的发光效率的图表；以及
图9是绘示根据比较性实例的LED的发光效率的图表。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来详细描述本发明优选实施例。仅出于说明性目的而提供以下实施例，使得所属领域的技术人员可完全理解本发明的精神。因此，本发明不限于以下实施例，而是可以其它形式来实施。在图式中，可能为了便于说明而夸示了元件的宽度、长度、厚度和类似物。在说明书和图式中，相同参考标号始终指示相同元件。
图1是说明根据本发明一个实施例的具有附带电极结构的单个发光单元的LED的平面图，且图2是沿图1的线A-A截取的截面图。只要没有额外描述内容，在描述图1和图2中所说明的根据本发明实施例的具有附带电极结构的单个发光单元的LED中所使用的技术结构和特征将自适应地用于与图3到图9有关的以下各个实施例中。
参看图1和图2，根据本发明实施例的具有附带电极结构的单个发光单元的LED 1a具有第一导电下半导体层55、活性层57和第二导电上半导体层59，所述层形成于衬底51上。在以下图式中，在不脱离本发明的基本精神的情况下，LED 1a将自适应地绘示为发光单元1。
活性层57可具有包含阱层和势垒层的单个或多个量子阱结构，且依据所需的光发射波长来选择衬底及其组分。举例来说，活性层57可由基于GaN的化合物半导体来形成。或者，活性层57可具有(例如)InxGa1-xN(0＜x＜1)阱层和InxGa1-xN(0≤x＜1)势垒层。InxGa1-xN(0＜x＜1)阱层可形成为比InxGa1-xN(0≤x＜1)势垒层具有更多的In含量。
同时，下和上半导体层55和59由带隙(band gap)比活性层57大的材料形成，且可由基于GaN的化合物半导体来形成。举例来说，构成下半导体层55的第二导电化合物半导体层可包含AlxGa1-xN(0≤x＜1)。
同时，缓冲层53可介于下半导体层55与衬底51之间。使用缓冲层53来减少衬底51与下半导体层55之间的失配(mismatch)。
如图2中所示，上半导体层59位于下半导体层55的部分区域上，且活性层57介于上半导体层59与下半导体层55之间。另外，上电极层61可定位在上半导体层59上。作为透明电极层的上电极层61可(例如)由例如氧化铟锡(ITO)或Ni/Au的材料来形成。
同时，下电极65定位在下半导体层55上且在衬底51的第一角落(图1的左下角落)处暴露。上电极层61形成于上半导体层59上，且上电极极板64定位在上电极层61上且位于衬底51的第二角落(图1的右上角落)处。可使用剥离(lift off)技术，由选自Ni、Cr、Pd、Pt、W和Al的至少一者来形成上电极极板64。上电极极板64可包含至少一个层或合金层。
当下半导体层55是N型时，可使用剥离技术，由Ti/Al形成下电极65。此外，下电极65可由选自Ni、Cr、Pd、Pt、W和Al的至少一者所形成，且可包含至少一个层或合金层。
上电极层61(其为透明电极层)由(例如)ITO或Ni/Au形成以具有透明性，且与上半导体层59形成欧姆接触，以降低接触电阻。然而，上电极极板64不具有透明性，且不与上半导体层59形成欧姆接触。因为上电极层61形成在上电极极板与上半导体层59之间，所以有可能防止电流集中在上电极极板64下方，且防止光被上电极极板64吸收而损失。
另外，在上半导体层59的角落处形成具有相对较小面积的上电极极板64，从而改进上半导体层59中的电流分布。
此外，上电极极板64和下电极65分别安置在衬底51的彼此相对的角落处。因此，通过上电极极板64而供应的电流可均匀地分布在上电极层61中。
图3是说明根据本发明实施例的具有图1中所示的发光单元的串联阵列的LED的示意图。所述串联阵列安置在单一芯片50中。
参看图3，单一芯片50具有衬底51。衬底51可以是绝缘衬底或上表面上形成有绝缘层的导电衬底。多个发光单元1安置在衬底51上。发光单元通过导线而彼此串联连接，以形成串联阵列52。接合垫71可定位在串联阵列52的两端处。接合垫71分别电连接到串联阵列52的两端。
在本发明的实施例中，单一芯片50中的发光单元可全部串联连接在单个衬底上。因此，将发光单元1形成在单个衬底上和形成用于连接发光单元1的导线的工艺已简化。
图4是说明本发明实施例中所使用的发光单元的部分截面图，其中发光单元通过由台阶覆盖工艺(step cover process)来形成的导线而串联连接。然而，发光单元可通过由气桥(air bridge)工艺以及台阶覆盖工艺来形成的导线而串联连接。
参看图3，多个发光单元1在衬底51上彼此隔开。发光单元1中的每一者包括：下半导体层55，其由第一导电化合物半导体层组成；活性层57；和上半导体层59，其由第二导电化合物半导体层组成。活性层57可具有包含阱层和势垒层的单个或多个量子阱结构，其中依据所需的光发射波长来选择衬底和活性层57的组分。举例来说，活性层57可由基于GaN的化合物半导体来形成。下和上半导体层55和59可由带隙比该活性层57大的材料来形成且由基于GaN的化合物半导体来形成。
同时，缓冲层53可介于下半导体层55与衬底51之间。使用缓冲层52来减少衬底51与下半导体层55之间的失配。如图4中所示，缓冲层53可经形成以具有彼此隔开的部分，但本发明不限于此。如果缓冲层53由绝缘材料或具有较大电阻的材料形成，那么缓冲层53可连续地形成在衬底51上。
如图4中所示，上半导体层59定位在下半导体层55的部分区域上，且活性层57介于上半导体层59与下半导体层55之间。另外，上电极层61可定位在上半导体层59上。作为透明电极层的上电极层61可(例如)由例如氧化铟锡(ITO)或Ni/Au的材料来形成。
同时，发光单元1通过导线87而达成电连接。所述发光单元中的一者的下半导体层55通过导线87而连接到所述发光单元中的相邻的另一者的上电极层61。如图4中所示，形成于上电极层61上的上电极极板64可通过导线87而分别连接到形成于下半导体层55的暴露区域上的下电极65。
可通过台阶覆盖工艺来形成用于连接发光单元1的导线87。即，用绝缘层85来覆盖发光单元1的所有层和衬底51，用于接触该导线87的部分除外。接着，导线87在绝缘层85上被图案化，使得发光单元1彼此电连接。
举例来说，绝缘层85具有用于使上电极极板64和下电极65暴露的开口。导线87通过所述开口来连接彼此相邻的发光单元的上电极极板64和下电极65，借此使发光单元串联连接。因此，形成了串联阵列52(见图3)，其中发光单元通过导线87而串联连接在单个衬底51上。
如上文所描述，已经描述了使用一种在衬底上具有串联阵列的单一芯片的AC LED。然而，可使用单一芯片来配置AC发光装置，所述单一芯片中的每一者具有反向并联连接在衬底上的串联阵列。
图5是说明使用具有反向并联连接在单个衬底上的串联阵列的单一芯片100的AC LED的示意图。
参看图5，两个串联阵列52a和52c安置在衬底51上，两个串联阵列52a和52c中的每一者都具有串联连接的发光单元1。串联阵列52a和52c彼此反向并联连接在接合垫71a与71b之间。
当此类单一芯片100通过一种连接构件(未图示)而彼此串联连接时，可形成至少两个阵列组。所述连接构件可以是用于直接连接接合垫的接合线。即，单一芯片安装在相应的封装上，且安装在相应封装上的单一芯片通过接合线彼此连接，从而形成若干阵列组。或者，如上文所述，单一芯片100安装在相应的封装上，且相应的封装串联连接，从而形成若干阵列组。此外，可使用单一芯片和封装以不同地形成串联阵列组。
同时，形成于同一衬底51上的相应的串联阵列52a和52c中的对应发光单元1由连接构件105来达成电连接。即，在彼此反向并联连接的两个串联阵列52a和52c中，定位于串联阵列的任何一者中的至少一个发光单元通过连接构件105而电连接到位于串联阵列的另一者中的至少一个对应的发光单元。连接构件105防止过电压被施加到被施加有反向电压的串联阵列中的发光单元。连接构件105可连接第一导电下半导体层，所述第一导电下半导体层中的每一者由串联阵列52a和52c的每一者中的发光单元1的相邻的发光单元共同使用。或者，连接构件105可连接多条导线，其经形成以使相应的串联阵列52a和52c中的发光单元1中的相邻发光单元彼此串联连接。
根据此实施例，若干单一芯片100串联连接以形成若干阵列组，从而减少单个衬底上的串联阵列中的发光单元的数目，在所述若干单一芯片100中的每一者中，每一个具有串联连接的发光单元的串联阵列52a和52c彼此反向并联连接着。
图6是绘示根据本发明一个实施例的LED的电极结构的照片。
参看图6，若干发光单元安置在衬底上的阵列中。相应的发光单元通过由台阶覆盖工艺形成的连接构件而彼此电连接。
可看出，提供在每个发光单元中的上电极极板和下电极分别安置在彼此相对的角落处。每个发光单元中由上电极极板和下电极占用的面积的百分比相对较小。另外，发光单元的一者中的此类配置相对于发光单元的相邻的另一者而对称安置。即，每个发光单元中的上电极极板和下电极分别安置在对角线上的角落处。发光单元的一者的上电极极板和下电极经布置以相对于发光单元的相邻的另一者的上电极极板和下电极而对称。
因为提供在每个发光单元中的上电极极板和下电极分别安置在彼此相对的角落处，所以相应的发光单元可经安置，以使得当发光单元中的两个发光单元彼此电连接时，连接构件的长度最小化。
举例来说，第一、第二和第三发光单元1、2和3布置在一条线上。此时，第一发光单元1具有安置在左下角落处的下电极和安置在右上角落处的上电极极板。另外，第二发光单元2具有安置在左上角落处的下电极和安置在右下角落处的上电极极板。此外，第三发光单元3具有安置在左下角落处的下电极和安置在右上角落处的上电极极板。
此外，第四发光单元4具有安置在左上角落处的上电极极板和安置在右下角落处的下电极。第三和第四发光单元3和4通过连接构件而彼此连接。
如上文所述，在每个发光单元中，上电极极板和下电极分别安置在彼此相对的角落处，从而在制造AC LED时，简化了工艺，且提高了可靠性。
另外，每个发光单元中，分别安置在彼此相对的角落处的上电极极板和下电极的尺寸较小，借此使上电极极板和下电极阻挡从LED发送的光的区域较小，且发光区较大。
图7绘示一种将要与本发明实施例的LED的电极结构进行比较的比较性实例的LED的电极结构的照片。
参看图7，上电极极板和下电极分别经形成以在安置在根据比较性实例的LED中的每个发光单元中的两个相对侧的边缘处延伸。可以看出，每个发光单元中由上电极极板和下电极占用的面积的百分比显著大于图6的情况。因此，可以看出，因为由上电极极板、下电极和导线占用的面积较广，所以发光区减少。
图8是绘示根据本发明实施例的LED的发光效率的图表，且图9是绘示根据比较性实例的LED的发光效率的图表。
即，图8绘示根据本发明实施例的从图6中所示的LED中所提供的每个发光单元输出的光学功率，其中绘示针对每个光学功率值的发光单元数目。
图9绘示根据比较性实例的从图7中所示的LED中所提供的每个发光单元输出的光学功率，其中绘示针对每个光学功率值的发光单元数目。此时，图6和图7中所示的发光单元具有相同尺寸。
参看图8，根据本发明实施例的LED中所提供的每个发光单元的光学功率被测量为平均135mW。参看图9，根据比较性实例的LED中所提供的每个发光单元的光学功率被测量为平均119mW。
通过上述的比较结果，可看出根据本发明实施例的LED的发光效率优于根据比较性实例的LED的发光效率。
根据本发明，由上电极极板和下电极占用的区域被设计成较小，使得上电极极板和下电极阻挡从LED发射的光的区域减小，且发光区较大，从而改进发光效率。
另外，LED中的上电极极板和下电极分别安置在彼此相对的角落处，从而使电流分布最大化。
此外，即使在发光单元电连接时，每个发光单元的上电极极板和下电极也分别安置在角落处，以便稳定地操作AC LED。这样，一种连接电路可经配置以在发光单元的一者的上电极极板与发光单元的相邻另一者的下电极之间具有最短的路径，从而简化了AC LED的制造工艺，且提高了可靠性。
上文所述的本发明并非由前面提及的实施例来界定，而是所属领域的技术人员可对其作各种修改和改变，且包含在由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围中。
举例来说，图3到图5中已经描述了具有串联连接的发光单元的串联阵列的各种结构。然而，尽管相应的图中未图示，但每个串联阵列中所包含的每个发光单元1具有结合图6到图9来详细描述的电极结构。即，形成于每个发光单元1中的上电极极板和下电极分别安置在对角线上彼此相对的角落处，且相应的发光单元1经布置以使得发光单元的一者中的上电极极板和下电极相对于发光单元的相邻的另一者中的上电极极板和下电极而对称。已经结合图6到图9全面描述了此类电极结构的优势。

Claims (8)

1.一种发光二极管(LED)，包括衬底和在衬底上彼此电连接的多个发光单元，其中，每个发光单元包括：
第一导电类型的下半导体层；
第二导电类型的上半导体层，在第一导电类型的下半导体层上；
活性层，设置在下半导体层和上半导体层之间；
下电极，形成在下半导体层上，并通过去除上半导体层的至少一部分而暴露；
上电极层，形成在上半导体层上；
上电极极板，在上电极层上，上电极极板和下电极布置在沿对角线彼此相对的角落处，
其中，一个发光单元的电极布置位置和与所述一个发光单元相邻的发光单元的电极布置位置相对于它们之间的边缘对称。
2.如权利要求1所述的LED，其中，所述一个发光单元的下电极连接到所述相邻的发光单元的上电极极板。
3.如权利要求1所述的LED，其中，所述一个发光单元和所述相邻的发光单元彼此串联连接。
4.如权利要求3所述的LED，所述LED还包括另外的发光单元，其中，彼此串联连接的发光单元中的一个发光单元的下电极电连接到所述另外的发光单元的上电极极板。
5.如权利要求4所述的LED，其中，在彼此串联连接的发光单元中，关于一个发光单元彼此相对的发光单元的电极布置相同。
6.如权利要求4所述的LED，其中，在彼此串联连接的发光单元中，相邻的两个发光单元的电极布置和与所述相邻的两个发光单元相对的两个发光单元的电极布置相同。
7.一种发光二极管(LED)，包括衬底、在衬底上的多个发光单元和第一连接元件，第一连接元件设置在衬底上并将所述多个发光单元连彼此串联连接，其中，至少两个发光单元阵列包括由第一连接元件连接的所述多个发光单元，所述至少两个发光单元阵列被连接成通过来自AC电源的正向电压和反向电压操作，每个发光单元包括：
下半导体层，包括第一导电化合物半导体层；
上半导体层，包括形成在下半导体层上的第二导电化合物半导体层；
活性层，设置在下半导体层和上半导体层之间；
下电极，形成在下半导体层的暴露部分上；
上电极层，形成在上半导体层上；
上电极极板，形成在上电极层上，上电极极板和下电极布置在沿对角线彼此相对的角落处，
其中，一个发光单元的电极布置位置和与所述一个发光单元相邻的发光单元的电极布置位置相对于它们之间的边缘对称。
8.如权利要求7中所述的LED，所述LED还包括：
第二连接元件，将连接成通过正向电压操作的发光单元阵列电连接到连接成通过反向电压操作的另一发光单元阵列，
其中，在通过正向电压进行操作时，通过第二连接元件来防止将过电压施加到在发光单元阵列的组中施加反向电压的特定的发光单元阵列。
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