CN102770976B - 改进的多结点led - Google Patents

Abstract

在此披露了一种光源以及用于制造该光源的方法。该光源包括一个基板以及沉积在该基板上的一个发光结构。一个屏障体将该发光结构分成彼此电气隔离的第一和第二区段。一个串联电极将该第一区段与该第二区段串联连接在一起。一个位于该发光结构与该基板之间的第一阻挡二极管在该发光结构发光时防止了电流在该发光结构与该基板之间流动。该屏障体延伸穿过该发光结构并且进入该第一阻挡二极管。

Description

改进的多结点LED

背景技术

发光二极管(LED)是重要的一类将电能转换成光的固态器件。这些器件的改进已经导致了其在照明设备上的用途，这些照明设备被设计为代替传统的白炽灯以及荧光灯光源。这些LED具有明显更长的寿命，并且在某些情况下，在将电能转换成光的效率方面明显更高。基于LED的白光源典型地通过将一个或多个蓝色LED芯片与合适的黄色以及红色的荧光粉封装在一起而进行制造。

为了讨论，一种LED芯片可视为具有三个层的一种半导体，活性层夹在其他两和层之间。当来自外层的空穴与电子在该活性层内结合时，该活性层会发出光。利用使将电流通过该LED芯片来产生这些空穴与电子。该LED芯片透过置于该顶层上的一个电极以及提供至该底层的电连接的一个接触进行供电。

LED芯片的成本及其功率转换效率是决定这项新技术取代传统光源并且运用于高功率应用中的速度的重要因素。一个LED芯片的功率转换效率定义为LED芯片在所希望的光谱范围内所发出的光功率与该光源所消耗的电功率的比率。未转换成光就离开LED的电功率被转换成热，使LED的温度上升。这种芯片温度上升限制了LED运作的功率水平。此外，LED的转换效率总体上会随着电流提高而下降，尤其是在使能降低光成本的较高电流密度下；因此当通过提高电流来增加LED的光输出而提高总光输出时，电转换效率也会通过这种策略而下降。此外，在高电流运作下LED的寿命也会缩短。

即使由大小为高达几平方毫米的单一LED芯片所制造的LED光源，也无法产生充足的光来取代许多应用中的传统光源。总体而言，LED于特定可接受的功率转换效率下所产生的每单位面积光仍存有限制。这种限制是由于LED材料系统的功率消耗与电转换效率所产生。因此，为了提供一种具更高密度的单一LED光源，就必须运用大面积芯片；然而，对于大多数LED芯片而言，尺寸越大，光提取的效率越低，并且用来制造LED芯片的制程也对单一LED芯片尺寸有所限制。随着芯片尺寸增加，芯片产量会因为随机缺陷而降低，因此，一旦芯片尺寸增加超过预定尺寸，每一LED芯片成本的增加将超过光输出的增加。

因此，对于许多应用而言，LED型光源必须运用多个LED以提供所希望的光输出。例如，若要取代传统照明应用当中的100瓦白炽灯泡，大约需要25个等级为1mm²的LED芯片。此数量会随所要的色温(colortemperature)以及芯片的确切尺寸而改变。典型的GaN LED芯片的驱动电压大约是3.2-3.6V。若所有LED芯片都并联，则DC电源必须在低电压下提供大电流，这对于AC至DC功率转换效率和必须用于输送高电流而不在阻抗耗损中消散过多功率的导体的尺寸而言都提出了问题。

减少这些问题的一种方法涉及将大体上最佳尺寸的裸片(die)分成多个串联的LED区段，这种结构于2008年9月11日提交的申请案号为12/208,502的共同未决的专利申请中示出，将其通过引用结合在此。裸片的最佳尺寸取决于芯片设计细节，以及用来制造裸片的半导体方法的产量。针对任何已知方法，从成本观点来看存在一种最佳尺寸。若该裸片用来作为具有3伏特的驱动电压的单一LED，则必须在裸片上提供一个大电流，以将光输出最大化。若裸片被分成N个串联的较小LED区段，则驱动电压增加了一个因子N，并且驱动电流降低了一个因子N，这提供了对于提供驱动电流的电源的效率以及在裸片内的阻抗耗损的减少这两者上的改进。

一种用于将裸片分成多个部分LED区段的现有技术的方法涉及：切割多个自裸片表面延伸到底部阻抗基板的隔离沟道，以将单独的部分LED彼此隔离。然后利用提供导线将每个组件LED的n型层连接至相邻组件LED的p型层上，以将单独组件LED串联。这些深沟道增加了裸片的生产成本，并且干扰了从裸片侧面的光的提取。

发明内容

本发明包括光源以及制造该光源的方法。该光源包括一个基板以及沉积在该基板上的一个发光结构。一个屏障体将该发光结构分成彼此电性隔离的第一和第二区段。一个串联电极将该第一区段与该第二区段串联连接在一起。一个位于该发光结构与该基板之间的第一阻挡二极管防止了在该发光结构发光时电流在该发光结构与该基板之间流动。该屏障体延伸穿过该发光结构并进入该第一阻挡二极管。

在本发明的一个方面中，该基板包括一个半导体材料的过渡层，该过渡层对于该发光结构产生的光是透明的。该屏障体包括一个延伸穿过该发光结构并且终止于该过渡层的沟道。来自该第一区段的光可在这些区段之间经过该过渡层。

附图说明

图1为区段型LED 60的俯视图。

图2为图1的该区段型LED 60沿2-2线的截面图。

图3为根据本发明一个实施方案的GaN区段型LED光源的截面图。

图4为根据本发明另一实施方案的区段型LED 70的俯视图。

图5A-5C为在不同的制造过程阶段的光源80的截面图。

图6为根据本发明的光源的另一个实施方案的截面图。

具体实施方式

在此参考图1和图2可更容易理解本发明提供其优点的方式，这些图展示了一个含区段型LED(segmented LED)的裸片。图1为区段型LED60的俯视图，并且图2为图1的区段型LED 60沿2-2线的截面图。该区段型LED 60包括两个区段64和65；然而从下列讨论中将理解，从本发明的传授内容中可建构具有更多区段的光源。该区段型LED 60是由同样具有三层的LED结构所建构的，其中这些层于一个蓝宝石基板51上生长。n型层52于该基板51上生长，然后活性层55和p型层53于该n型层52上生长。

这些区段64和65由一个隔离沟道66分离，该沟道66从层52延伸至该基板51，由此电性隔离这些区段64和65。该隔离沟道66包括只有延伸进入部份该层52的一个平坦区(plateau)67。该隔离沟道66的壁由一个绝缘层57覆盖，并留具有一个开口区58，以供与每一区段相关联的该层52的部分进行电接触。该绝缘层57可由提供无针孔缺陷的绝缘层的任何材料所建构而成，例如：SiNx、SiOx或其他像是半导体器件制造中用来作为绝缘材料常用的介电膜。其他材料可包括聚酰亚胺、BCB、玻璃上旋涂物(spin-on-glass)以及半导体工业常用于器件平坦化的材料。

在该区段型LED 60的端部提供了类似沟道，如在68和69处所示的。一个串联电极59沉积在该隔离沟道66内，使得该串联电极59经由该绝缘层57内的一开口区58接触该层52。该串联电极59也与相邻区段内的一个氧化铟锡(ITO)层56电接触。因此，通过电极61和62提供电源时，这些区段64和65系以串联的方式连结。结果是，该区段型LED 60按一个常规的LED的两倍电压和一半电流来运作。

应指出的是，图2并未依照比例显示层52、53和55。总体而言，该层52比该层53厚很多，因为该p型材料由于所使用的GaN族材料而具有非常高的阻抗，因此该层的厚度尽可能薄，以避免该层内的阻抗耗损。还应指出的是，因为GaN材料层与周围介质之间有较大的折射系数差，所以活性层55内产生的大部份光会在该层52和53内被捕获。通常来说，此光通过该裸片的侧面以离开裸片，并且由一适当反射器引导向上。因为该层52比层53厚很多，所以大部分这种水平前进光都在该层52内。因此，穿过该层52的这些深沟道中断这种捕获的光的传播。若该沟道内的材料(即隔离沟道壁或导体的材料)不透明，此光将会损失。甚至在该沟道填满一种对光透明的材料的情况下，该材料与GaN材料之间的折射系数差还是会导致反射，这进而造成光损失。最后，如上所指出的，切割通过所有三层的深沟道使得制造成本增加。

因此，有利的是提供一个区段型LED设计，其中上述深沟道并不用于隔离单独的组分LED。原则上可减少该层52的厚度以减少这些沟道的深度。然而，此层还是具有补偿LED材料与该基板51之间晶格常数差异所需的最低厚度限制。此外，减少厚度并无法解决该层52被该等沟道中断而造成的光损失问题。

现参照图3，该图为根据本发明的一个实施方案的GaN区段型LED光源的截面图。光源20只包括两个组件LED，分别显示为41和42；然而，可用类似方式建构具有更多组分LED的光源。该光源20可视为建构在一个复合基板43上的区段型LED 44。该复合基板43建构在一个蓝宝石基板21上，其中该蓝宝石基板21上依序沉积一个n型GaN层22及一个p型GaN层23。该层22的厚度与传统LED所使用的传统n型GaN层的厚度一样，因此提供了与此相关联的优点，像是补偿该蓝宝石基板与各种GaN层之间的晶格失配。一个相反偏压二极管由以下将讨论的层24和层23所形成，而电流因此在光源运作过程中被阻挡流入层22中。

该区段型LED 44由一个薄n型GaN层24、活性层25和p型GaN层26所构成。一个电流扩散层27沉积在该层26上。该层27通常为ITO。光源20通过应用电极32与33之间的电势来供电。

区段型LED 44的这些区段由一个沟道36而彼此分隔，该沟道36从层24-26延伸进入该层22中。因为并无电流可流过该层24与层23的接点处，所以该沟道不需要延伸到该蓝宝石基板21。因此，可使用一个浅很多的沟道来隔离这些区段。此外，往侧面传播通过该层22的光不再被该沟道以及该沟道内沉积的任何材料中断，像是提供结构让串联电极31沉积的一个绝缘体39。因此，显著地减少了与中断水平方向的光流动所关联的问题。

原则上，该沟道只需要延伸至该层22的顶表面。然而，控制蚀刻率让该沟道停止在该层22上呈现出了问题。因此，该沟道系稍微蚀刻进入该层22，如图3所示，以确保阻挡电流的水平传输。

在图1和图2所示的实施方案中，该电极59在该区段型LED 60的整个宽度上延伸。该区段65位在该电极59下方的部分并无生产力，因为该电极59下方产生的光会遭到该电极59阻挡并被吸收。这导致光转换效率以及裸片表面运用率的降低，并且因此必须提供额外的裸片活性区域来补偿此损失的区域而提高光源的成本。现在参见图4，该图为依照本发明其他实施方案的区段型LED 70的俯视图。

该区段型LED 70与该区段型LED 60不同处在于宽的互连电极(wideinterconnect eletrode)59已经由多个串联电极所替代，像是电极78和79。这些电极的宽度可以只有5-10微米，并且相隔大约150微米，并且因此覆盖在该区段65上的面积远小于该电极59的覆盖面积。因此，上面讨论的效率损失被显著减小。此外，n型电极72和p型电极71已经由窄电极取代，这些窄电极包括较宽的焊垫(wider pad)71′与72′，这些焊垫用于引线接合至外部电路上。在一个优选实施方案中，这些串联电极相隔超过电极宽度5倍以上的距离，使得这些串联电极覆盖的面积明显少于该区段型LED中被连接的这些区段的宽度。

所需串联电极的数量取决于ITO层56的导电性。必须存在足够的串联电极以确保电流平均分散在该ITO层56之上。这些串联电极的宽度由必须通过区段之间的电流量所设定，因此根据所使用的导体、该导体厚度以及串联电极的数量而定。在区段65区域内，未被串联电极层所覆盖的区域内的隔离沟道77不需要绝缘层，因此下面的LED结构接收了电力并且产生了有用的光。

现在参照图5A-5C，这些图为不同方法阶段的光源80的截面图。该方法通过在一个蓝宝石基板81上生长不同的GaN层开始。这些层包括形成了一个复合基板82的层以及形成了该LED区段的层83。该复合基板层包括可减轻与GaN同蓝宝石之间晶格失配相关联的问题的一个n型GaN层82a，以及提供了一个电流阻挡层来防止电流在光源操作过程中流入该层82a中的一个p型GaN层82b。

这些LED区段由在83a-83c处所示的三个层所构成，换即，一个n型GaN层83a、一个活性层83b以及一个p型GaN层83c。该层83c和层82b的组合形成了一个相反偏压二极管，该相反偏压二极管防止了电流在光源操作过程中流入该层82b和82a中。

应指出的是，上面讨论的每一层可包括多个子层。例如，该活性层83b通常包括多个由缓冲层分隔的量子井层。为了简化讨论，已经省略了不同的子层，因为那些层是本领域内常规的。

现参见图5B，该图展示了一个光源80，它已通过蚀刻这一个或多个隔离沟道来隔离用以串联形成最终光源的各组分LED。该隔离沟道在84b处示出并且向下延伸至82a。额外沟道，如84a和84c所示，亦被切割为提供阳极与阴极接触。然后将像是SiNx这类绝缘体的一带图案层沉积，以保护这些LED相关层的侧面，并且隔离不产生光的区域，从而防止了电力浪费在这些区域上。

现在参见图5C。沉积该绝缘层85之后，沉积一个绝缘桥87并且在86处沉积一个ITO图案化层。最后，以沉积图案化金属层的方式分别沉积阳极88、串联电极89与阴极90。

上述实施方案运用了一个单一相反偏压电极以将下面的n型GaN层与这些LED区段隔离。然而，也可建构其中在沉积LED区段层之前先沉积多个二极管的实施方案。现在参见图6，此图为根据本发明的光源的另一个实施方案的截面图。光源110包括两个用类似上面关于图5A图5C内所示实施方案所讨论方式建构的组分LED。光源110与上述实施方案不同处在于运用了两个相反偏压二极管来隔离n型GaN层115与LED。该第一二极管位于p型GaN层111与n型GaN层112之间的边界处。该第二相反偏压二极管位于p型GaN层113与n型GaN层114之间的边界处。

这些额外相反偏压二极管提供了附加地隔离这些组分LED与下面的n型GaN基板，并且提供了增加的对抗静电放电损害的防护，因为此时，使器件短路的放电电压已因为加入这些相反偏压二极管的击穿电压总和而增加。应指出的是，只要一个漏电流的强度小于流过这些串联LED的电流，则其便可在该等隔离的组分LED之间流动。为了讨论的母的，若漏电流少于通过该连接桥流过这些串联组分LED的电流的2％，则定义这些组件LED已被该等相反偏压二极管电气隔离。

上述实施方案使用GaN族材料。为了该讨论的母的，GaN族材料定义为GaN、InN和AlN的所有合金组合物。然而，也可根据本发明的传授内容，构建运用其他材料系统与基板的实施方案。

上述实施方案运用逆二极管安排，以阻挡在这些组分LED分隔的这些屏障体下方通过的电流。然而，亦可使用阻挡电流的任何二极管形式。

上述本发明实施方案以及本发明概述被提供为说明本发明的不同方面。然而，应理解的是，本发明的不同方面在不同的特定实施方案中示出，并且可以结合，以提供本发明的其他实施方案。此外，从上面的描述以及附图中可理解本发明的不同的变更将变得明显。因此，本发明只受限于以下的权利要求。

Claims (13)

1.一种改进的区段型LED，包括：

一个基板；

一个LED发光结构，该LED发光结构沉积在所述基板上；

一个屏障体，该屏障体将所述LED发光结构分成第一区段和第二区段；

一个串联电极，该串联电极将所述第一区段与所述第二区段串联连接在一起；以及

一个第一相反偏压二极管，该第一相反偏压二极管位于所述LED发光结构与所述基板之间；在所述LED发光结构发光时，所述第一相反偏压二极管防止了电流在所述LED发光结构与所述基板之间流动，

其中所述屏障体延伸穿过所述LED发光结构进入所述第一相反偏压二极管。

2.如权利要求1所述的区段型LED，其中所述基板包括一个半导体材料的过渡层，该过渡层对于所述LED发光结构产生的光是透明的，并且其中所述屏障体包括延伸通过所述LED发光结构并且终止于所述过渡层内的一个沟道。

3.如权利要求1所述的区段型LED，进一步包括一个第二相反偏压二极管，该第一相反偏压二极管位于所述第二相反偏压二极管与所述基板之间；在所述LED发光结构生成光时，所述第二相反偏压二极管防止了电流在所述LED发光结构与所述基板之间流动。

4.如权利要求1所述的区段型LED，其中所述串联电极包括横跨所述屏障体的多个隔离的导体。

5.如权利要求2所述的区段型LED，其中所述屏障体不阻碍在所述过渡层内行进的光。

6.如权利要求2所述的区段型LED，其中所述串联电极包括沉积在所述沟道内的一个导电材料层，所述沟道具有一个绝缘层，该绝缘层防止了所述导电材料层直接与暴露在所述沟道内的所述LED发光结构的多个壁相接触。

7.如权利要求2所述的区段型LED，包括一个绝缘层，该绝缘层位于处在所述LED发光结构上方的所述串联电极的一部分之下。

8.如权利要求2所述的区段型LED，其中所述半导体材料包括来自定义为GaN、InN和AlN的所有合金组合物的GaN材料族的多种材料。

9.一种用于制造改进的区段型LED的方法，所述方法包括：

在一个基板上沉积一个过渡层，该过渡层包括一种具第一导电性类型的半导体材料；

在所述过渡层上沉积一个具相反导电性类型的第一相反偏压二极管层；

在所述第一相反偏压二极管层上沉积一个LED发光结构；

产生一个屏障体，该屏障体将所述LED发光结构分成第一区段和第二区段；并且

沉积一个串联电极，该串联电极将所述第一区段和所述第二区段串联连接，其中所述屏障体延伸通过所述LED发光结构进入所述第一相反偏压二极管层，所述第一相反偏压二极管层在所述LED发光结构产生光时防止了电流从所述LED发光结构流入所述基板。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述屏障体是通过蚀刻出一个延伸通过所述LED发光结构到达所述过渡层但是未到达所述基板的沟道来产生的。

11.如权利要求10所述的方法，其中沉积所述串联电极包括：在所述沟道内沉积一个绝缘层，并且在所述沟道内在所述绝缘层上沉积一个导电材料层，所述绝缘层防止了所述导电材料层直接与暴露在所述沟道内的所述LED发光结构的多个壁相接触。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述绝缘层位于处在所述LED发光结构上方的所述串联电极的一部分之下。

13.如权利要求9所述的方法，其中沉积在所述基板上的半导体层包括具有不同导电性类型的多个层，这些层被安排成使得所述多个层在所述LED发光结构产生光时包括多个串联连接的相反偏压的二极管。