CN101971370A - 发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
描述了一种具有半导体层序列(2)的发光二极管芯片(1)，该半导体层序列被接触部(5)通过电流扩展层(3)电接触。接触部(5)覆盖电流扩展层(2)的面积大约1％-8％。接触部(5)例如由分离的接触点(51)构成，它们设置在具有12μm的格栅常数的规则的格栅(52)的节点上。电流扩展层(3)例如包含氧化铟锡、氧化铟锌或者氧化锌，并且具有在15nm到60nm的范围中的厚度。
Description
发光二极管芯片的光产出受不同的因素影响。借助发光二极管芯片的合适的电接触，可以实现良好的内部量子效率。而同时接触是所产生的辐射的可能的吸收源。这导致限制耦合输出效率并且由此限制了发光二极管芯片的光产出。
一个要解决的任务在于提高发光二极管芯片的光产出。
提出了一种带有半导体层序列的发光二极管芯片，该半导体层序列具有用于产生电磁辐射的有源区。为了产生辐射，电接触半导体层序列。在半导体层序列上施加有电流扩展层，其借助接触部来电接触。例如，接触部覆盖电流扩展层的1％-8％，特别优选地接触部覆盖电流扩展层的2％-4％。
在通过电流扩展层接触半导体层序列时，可以实现特别均匀的电流分布。辐射在接触部上的吸收通过小的接触面积来最小化。1％-8％并且尤其是2％-4％的覆盖率是在足够的电流输送与合理的吸收之间的良好的折衷。
在此情况下，半导体层序列的表面覆盖率涉及至电流扩展层的界面上的接触部的横截面积之和。
载流子通过接触部注入到电流扩展层中并且横向上均匀地分布在电流扩展层中。载流子从电流扩展层进入半导体层中。p掺杂的半导体层通常具有仅仅小的横向导电性并且因此只能实现载流子的不充分的横向分布。因此，在此特别有利的是，在载流子被注入到半导体层中之前，载流子借助电流扩展层横向均匀地分布。
优选地，接触部均匀地分布在电流扩展层的面上。
由此形成了载流子在电流扩展层中的特别均匀的横向分布。
在一个有利的实施形式中，接触部实施为分离的接触点。当接触部仅仅点状地覆盖电流扩展层时，接触部称作接触点。
优选地，接触点均匀地分布在电流扩展层的面上。
在一个优选的实施形式中，相邻的接触点以小于30μm、尤其是小于或等于12μm的间隔设置。
例如，接触部设置在规则的格栅的节点上。优选地，格栅的格栅常数小于30μm。特别有利的是，格栅常数小于或者等于12μm。
在此，格栅常数对应于相邻的接触点的距离。优选地，各个接触点的横截面随着减小的格栅常数而同样减小。由此保证了，即使在较小的格栅常数的情况下，这些接触部总体上仅覆盖电流扩展层的面积的1％-8％并且优选仅仅2％-4％。接触点的面积直接由接触距离和平均表面覆盖率得到。
在一个有利的构型中，在电流扩展层和接触部之间的界面上构建有自由区域，在该自由区域中电流扩展层并不被接触部覆盖。自由区域的表面覆盖率例如与接触部的表面覆盖率大小相似。如果接触部设置在规则的格栅的节点上，则格栅的在自由区域中的节点没有接触部。例如，在此情况下自由区域与电流扩展层的如下区域大小相同：在该区域中格栅的节点没有接触部。在一个实施形式中，自由区域具有框架形状并且包围接触部。例如，框架区段的宽度在至少1μm到最大10μm的范围中。
自由区域优选构建在所产生的辐射的特别大的部分所射入的区域中，因为由此可以特别有效地减少辐射的吸收。在半导体层序列的有源区的中央区域中产生辐射的最大部分。所以，特别多的辐射射到电流扩展层的垂直地位于该中央区域之下的区域上。因此，在那里构建自由区域是特别有利的。自由区域的面积优选选择为使得保证尽可能均匀的电流分布。
在一个实施形式中，接触部构建为使得其导热性随着距半导体层序列增加的距离而增加。
由此可以实现的是，接触部将有源区中产生的热良好地导出，而其不会导致对辐射的高吸收。在半导体层序列附近，接触部具有对于所产生的辐射的低的吸收能力。这通常伴随有低的导热性。例如，在至电流扩展层的边界处的接触部被镜面化。随着距半导体层序列增加的距离，由于辐射的反射和吸收，更小部分的辐射射到接触部或者发光二极管芯片的其他组成部分上。因此，在此在该扩展方案中，接触部较少地需要顾及辐射的吸收并且可以使接触部在其导热性方面进行优化。
导热性随着距半导体层序列增加的距离而提高例如可以通过增加接触部的横截面积来实现。例如，接触部具有锥形形状。
优选地，介电层与电流扩展层的背离半导体层序列的侧邻接。由于介电层仅仅具有低的导电性，所以接触部穿过该介电层并且与电流扩展层电接触。
介电层用于将入射的辐射尽可能无损耗地向回反射到半导体层序列中。所反射的辐射于是可以例如通过上部的耦合输出区域离开发光二极管芯片。介电层因此提高了发光二极管芯片的耦合输出效率。这对于薄膜发光二极管芯片或在倒装芯片结构中是特别有利的。
介电层例如实施为布拉格反射器，其中交替地设置有具有高的和低的折射率的介电部分层。
在一个有利的实施形式中，介电层具有特别低的折射率。由此，将辐射的尽可能大的部分反射。例如，介电层包含低介电常数(low-k)材料或者超低介电常数(ultra low-k)材料。介电层也可以是空气层。这意味着：接触部可以至少局部地被空气层包围。
在发光二极管芯片的一个实施形式中，金属层位于介电层的背离半导体层序列的侧上。优选地，接触部与金属层邻接。
通过金属层可以将辐射的未被介电层反射的部分向回反射到半导体层序列中。
在一个实施形式中，发光二极管芯片具有导电的支承体。在此情况下，半导体层序列可以借助下部的接触部来电连接，该下部的接触部位于支承体的外侧上。在此，载流子可以通过下部的接触部、支承体、金属层、接触部和电流扩展层注入到半导体层序列中。
在发光二极管芯片的一个有利的实施形式中，电流扩展层构建为使得其吸收所产生的辐射的尽可能小的部分。然而，在此必须保证均匀的电流分布。
本发明人已确定：具有厚度在10nm到60nm的范围中的电流扩展层是使吸收最小化与使横向导电性最大化之间的良好折衷。
在此，电流扩展层的最佳厚度也取决于所使用的材料。例如，电流扩展层包含透明导电氧化物(TCO)，如氧化铟(ITO)、氧化铟锌(IZO)或者氧化锌(ZnO)。
优选地，ITO层具有至少15nm的厚度，IZO层具有至少30nm的厚度而ZnO层具有至少40nm的厚度。
在发光二极管芯片的一个特别有利的实施形式中，接触部的布置、接触部的形状、电流扩展层的厚度和电流扩展层的厚度彼此相协调并且优化。例如可以在接触部的较小的间隔的情况下减小电流扩展层的厚度。
在下面借助示意性的并且不合乎比例的附图来阐述所提出的半导体芯片及其有利的扩展方案。其中：
图1A在横截面中示出了带有电接触部的发光二极管芯片，接触部与电流扩展层邻接，
图1B示出了带有电接触部的发光二极管芯片的另一实施形式，这些接触部与电流扩展层邻接，
图2A在俯视图中示出了规则的格栅，在该格栅的节点上设置有接触点，
图2B在横截面中示出了锥形的接触部，其穿过介电镜层引导，
图3A在曲线图中示出了由于所产生的辐射在接触部上的吸收引起的、与接触部的表面覆盖率有关的损耗功率，
图3B在曲线图中示出了由于接触部的吸收和电阻引起的、与接触部的表面覆盖率有关的损耗功率，
图4A在曲线图中示出了对于不同的电流扩展层的接触距离的优化，
图4B在曲线图中示出了穿过介电层引导的与接触距离有关的接触部的热阻，
图5在俯视图中示出了用于将接触部布置在规则的格栅的节点上的不同实施可能性和所形成的耦合输出效率，
图6A在曲线图中示出了与TCO层的厚度有关的不同的TCO材料的横向导电性，
图6B在曲线图中示出了与TCO层的厚度有关的在不同的TCO材料和对于辐射的不同波长的耦合输出效率。
图1A示出了发光二极管芯片1，其具有半导体层序列2，该半导体层序列带有用于产生电磁辐射的有源区21。有源区21位于两个半导体层22、23之间。在该实施例中，半导体层23被p掺杂，半导体层22被n掺杂。半导体层22、23例如基于氮化镓，有源区21基于氮化铟镓。
半导体层21、22、23可以外延地生长并且优选具有小于20μm的、尤其是小于10μm的总厚度。尤其是，发光二极管芯片1可以是薄膜发光二极管芯片。
为了电接触发光二极管芯片，设置有上部接触部61和下部接触部62。例如，上部接触部61实施为接合垫并且与接合线连接(未示出)。下部接触部62例如与电路板的印制导线结构连接(未示出)。
下部接触部62设置在发光二极管芯片1的支承体6的外侧上。支承体6是导电的并且例如包括半导体材料，如硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓或者锗。
在一个可替选的实施形式中，支承体6也可以由不导电的材料构成。于是，接触部5优选穿过支承体6。
借助接触部5建立在支承体6和半导体层序列2之间的电连接。接触部5与电流扩展层3邻接，该电流扩展层与p掺杂的半导体层23邻接。在另一实施形式中，接触部5也可以伸入到电流扩展层3中。
接触部5均匀地分布到半导体层序列2的面上。两个相邻的接触部5的距离a优选小于24μm，特别优选小于12μm。
电流扩展层3优选具有在10nm到60nm的范围中的厚度b。该电流扩展层包含透明导电氧化物(TCO)，例如氧化铟(ITO)、氧化铟锌(IZO)或者氧化锌(ZnO)。电流扩展层3例如溅射到半导体层23上。
在电流扩展层3和支承体6之间存在介电层4，接触部5穿过该介电层。介电层4用于将入射的辐射向回反射到半导体层序列2中，使得辐射可以通过上部的耦合输出区域8离开发光二极管芯片1。介电层4例如包含二氧化硅。在另外的实施形式中，介电层4可以包含具有特别低的折射率的材料。尤其是，介电层4也可以是空气层。
为了构建接触部5，可以以光刻技术工艺将凹处引入到介电层4中并且以导电的材料例如金属填充。
图1B示出了用于发光二极管芯片1的另一实施形式。在此，构建有自由区域53，在该自由区域中半导体层序列2并未被接触部5覆盖。自由区域53关于半导体层序列2的面居中地设置。由于在有源区21的中央区域中也产生了辐射的最大部分，所以辐射大部分射到那里。通过自由区域52的中央设置，因此可以特别有效地降低辐射在接触部5上的吸收。
此外，介电层4在中央区域中穿过电流扩展层3并且直接与p掺杂的半导体层23邻接。这导致恰好在该中央区域中降低了辐射在电流扩展层3中的吸收。
介电层4朝着支承体6的方向通过金属层63封闭。金属层63适于将未被介电层4反射的辐射向回反射到半导体层序列2中。金属层63例如通过溅射、气相淀积或者借助电镀沉积施加到介电层4上。接触部5与金属层63电接触。金属层63通过另外的金属层64包覆。
此外，在该实施例中将上侧的耦合输出区域8粗化。由此改进了耦合输出效率。介电层4也从侧面设置在半导体层序列2上。这用于发光二极管芯片1的电绝缘。
图2A在俯视图中示出了规则的格栅52，在该格栅的节点上设置有分离的接触点51形式的接触部5。两个相邻的接触点51的距离a对应于格栅52的格栅常数。
图2B在横截面中示出了接触部5，该接触部穿过介电镜层4并且具有锥形的形状。随着距电流扩展层3增加的距离并且由此距半导体层序列2增加的距离，接触部5的横截面积D增加。这导致接触部5的导热性随着距电流扩展层3增加的距离而增加。在电流扩展层3附近，接触部5具有较小的横截面积D并且由此具有对入射的辐射的较低的吸收能力。
图3A和3B示出了接触部关于其表面覆盖率的优化。
在图3A中针对不同材料构成的接触部54、55、56绘制了相对于接触部的表面覆盖率B的、由于辐射在接触部上的吸收引起的损耗功率PA。损耗功率PA针对最优的银接触部54、真实的银接触部55和具有1.0nm厚的由钛构成的附着层的铝接触部56而计算。在真实的银接触部55的情况下，与最优的银接触部54相比考虑的是，表面的粗糙度导致附加的吸收损耗。
从图3A中得出，损耗功率PA针对所有接触材料54、55、56随着增长的表面覆盖率B而增加。总之，辐射在最优的银接触部54上的吸收最小。对于真实的银接触部55而言得到略微较大的吸收，而对于具有钛附着层的铝接触部56得到最大的吸收。
在计算时假设的是，接触部设置在具有12.5μm的格栅常数的规则格栅的节点上。在有源区21中产生的辐射具有460nm的波长。
在图3B中绘制了发光二极管芯片的损耗功率PA+W，其由于辐射在接触部上的吸收和由于在电流扩展层和接触部之间的电阻而形成。损耗功率PA+W作为接触部的表面覆盖率B的函数来计算。
在此，又考虑根据图3A的由接触材料构成的接触部54、55、56。在此，也对于在表面覆盖率B的整个区域中的最佳的银接触部54得到最小的损耗功率PA+W，针对真实的银接触部55得到略微较大的损耗功率PA+W，并且针对带有钛附着层的铝接触部56得到最大的损耗功率PA+W。对于所有接触材料54、55、56在表面覆盖率在2％-4％的范围中的情况下达到损耗功率PA+W的最小值。由此，得到接触部的表面覆盖率的最佳的值。
这些计算所基于的是2A/mm2的电流输送以及由TCO层与接触部构成的装置的5×10-10Ωm2的接触电阻率ρK。该装置的接触电阻由接触电阻率和该装置的基本面积之商得到。通过预处理TCO层可以进一步降低接触电阻。
图4A示出了在接触部的固定的表面覆盖率的情况下相邻接触点的间距a的优化。对此，计算与接触距离a有关的、由p掺杂的氮化镓层、TCO层和接触部构成的装置的接触电阻率ρK。考虑具有表面电阻ρs＝50、100、200、400、800、1200、1600和2000Ω/sq的不同的TCO层31、32、33、34、35、36、37、38。表面电阻ρs对应于薄的方形层的电阻，其中在两个电极之间出现电流流动，其中所述两个电极设置在层的对置的边缘上。为了清楚起见，ρS是薄的方形层的表面电阻，通常得到单位Ω/sq。该计算针对接触点而进行，接触点设置在具有格栅常数a的方形格栅的节点上。
朝着小的接触距离a，该装置的接触电阻率ρK逼近大约4×10-8Ωm2的值。该值对应于在半导体层和TCO层之间以及在TCO层和接触部之间的接触电阻率ρK。对于较大的接触距离，接触电阻率ρK由于TCO层中的电流扩展而升高。
在此，接触电阻率ρK不应过大，因为否则影响发光二极管芯片的效率。发明人已确定的是，ρK通过电流扩展应升高最大50％。这对应于大约6×10-8Ωm2的最大接触电阻率ρK，其通过图4A中的水平线39可看到。对于带有表面电阻ρS＝800Ω/sq的TCO层(曲线35)，由曲线35和最大接触电阻率ρK39的切点得到大约12.5μm的最大接触距离a。
在图4B中绘制了与接触距离a有关的、具有穿通的接触部的介电层构成的装置的热阻RT。
在根据图1A的装置中，在有源区21中产生的热通过p掺杂的半导体层23、接触部5和支承体6导出。介电层4由于其低的导热性而对热的导出仅仅具有少量贡献。例如，对于由二氧化硅构成的介电层4，导热性在1W/mK的范围中。接触部5优选具有高的导热性。对于银接触部得到大约400W/mK的导热性。半导体层具有大约130W/mK的导热性。
在图4B中计算了厚度为400nm(曲线41)、1000nm(曲线42)和2000nm(曲线43)的二氧化硅构成的介电层的热阻RT。接触部的表面覆盖率在此分别为半导体层的2.5％。半导体层具有4μm的厚度。
对于接触距离a＜6μm分别得到在热阻RT中的稳定状态，其基本上反映了接触部的表面覆盖率和导热性。朝着更大的接触距离，热阻RT由于半导体层中的热扩展而增加。在图4A中导出的在12.5μm的范围中的接触距离a的情况下，针对真实的银接触部42和带有钛附着层的铝接触部43，由于热扩展引起的热阻RT的增加小于稳定状态值的50％。由此，证明12.5μm的接触距离a在导热性方面也是有利的。
图5在俯视图中示出了设置在规则的格栅52的节点上的接触部的不同实施形式91、92、93、94、95、96。在此，布置91和92具有相同的格栅常数，然而具有接触部的不同的表面覆盖率。这同样适用于布置93和94，以及布置95和96。所有接触结构91-96都具有自由区域53，在相邻的节点上并不被接触点51占据。此外，示出了平面的接触结构97，其同样具有自由区域53。
对于所示的布置91-97，测量所发射的光功率P。在此，针对每个布置测量一系列器件并且求平均值。测量结果以比例单位分别绘制在所示的布置91-97上方。在布置下方，分别说明了介质、平均值和所测量的器件的数目。在图5中表明的是，点状的接触结构91-96的平均光功率P比平面接触部97的光功率高大约30％。
在所测量的布置中，接触结构并不与电流扩展层相连，而是直接与半导体层相连。
在图6A中绘制出了与相应的层厚度b相关的、由ZnO 31、ITO 32和IZO 33构成的电流扩展层的表面电阻ρS。如从该图中表明的那样，对于所有TCO层31、32、33可以实现在区域34中的在ρS＝800Ω/sq的值周围的表面电阻ρS。借助该表面电阻ρS的值，图4A中得到了大约12.5μm的有利的接触距离a。
在图6A中针对ZnO层31得到在40nm范围中的最小厚度，针对ITO层32得到在30nm范围中的最小厚度，而针对IZO层33得到在15nm范围中的最小厚度。
图6B示出了与TCO层的厚度b有关的、发光二极管芯片的耦合输出效率E。在此，考虑具有不同的TCO层和具有所产生的辐射的不同波长的发光二极管芯片。耦合输出效率E对于ZnO层(310、311、312)、ITO层(320、321、322)和IZO层(330、331、332)和对于具有波长为440nm的辐射(310、320、330)、460nm的辐射(311、321、331)、530nm的辐射(312、322、332)而绘制。总之，耦合输出效率E在ZnO层的情况下最大。在增加的层厚度b的情况下，耦合输出效率E降低。在辐射波长增加的情况下，耦合输出效率E提高。附加地在此记录了由图6A中确定的最小厚度313、323、324。
本发明并未由于参照实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明包括任何新的特征以及特征的任意组合，尤其是包含在权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中予以说明。
本专利申请要求德国专利申请102008021675.5和102008035900.9的的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
Claims (15)
1.一种发光二极管芯片，具有：
半导体层序列(2)，其具有用于产生电磁辐射的有源区(21)，
电流扩展层(3)，其与半导体层序列(2)邻接，
接触部(5)，其电接触电流扩展层(3)，
其中接触部(5)覆盖电流扩展层(2)的面积的至少1％到最多8％之间。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)的导热性随着距半导体层序列(2)增加的距离而增加。
3.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)的横截面积(D)随着距半导体层序列(2)增加的距离而增大。
4.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)的导热性随着距半导体层序列(2)增加的距离而增加，其中接触部(5)的横截面积(D)随着距半导体层序列(2)增加的距离而增大。
5.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)具有锥形形状。
6.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)均匀地分布在电流扩展层(3)的面上。
7.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中相邻的接触部(5)的距离小于30μm。
8.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)由分离的接触点(51)构成。
9.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)设置在规则的格栅(52)的节点上。
10.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中电流扩展层(3)具有在至少10nm到最大60nm的范围中的厚度(b)。
11.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中电流扩展层(3)包含氧化铟锌并且具有至少15nm的厚度(b)。
12.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中电流扩展层(3)包含氧化铟锡并且具有至少30nm的厚度(b)。
13.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中电流扩展层(3)包含氧化锌并且具有至少40nm的厚度(b)。
14.根据上述权利要求之一所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)穿过介电层(4)，尤其是穿过空气层。
15.根据权利要求1至14之一所述的发光二极管芯片，其中接触部(5)与金属层(63)电连接，该金属层朝着支承体(6)的方向封闭介电层(4)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110209 |