CN102903817B - 具有反射电极的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有效提高半导体发光二极管LED工作稳定性的电极结构，涉及到包含反射层的LED电极结构，并且在这种结构中，反射层起到电流扩展的作用。这种电极结构是从反射层的侧面注入电流，从而在电极与LED接触面上形成一定的电势梯度，从而抑制反射层中金属离子在使用过程中由于电场作用发生的迁移，提高器件的稳定性能。同时作为注入电流的电极部分可以包含具有较高反射率但是又不易发生离子迁移的材料，从而增加整体的反射面积，提高出光效率。

Description

具有反射电极的发光装置
技术领域
本发明涉及一种半导体发光装置，属于半导体器件制造技术领域。
背景技术
发光二极管（LED）的核心基本结构包括p型半导体层、有源层（发光层）和n型半导体层。当LED受到正向偏压的作用时，p区中的空穴向n区移动，n区中的电子向p区移动，电子和空穴在有源层复合。从理论上讲，电子和空穴复合释放出的能量绝大部分以光（辐射跃迁）的形式释放出来。可以看出，LED可以直接将电能转换成光能，因此具有能量转换效率高、体积小等优点。同时由于LED中不含有有毒有害的物质，因此符合环保可持续发展的要求。由于LED具有低能耗、环保、小型化、寿命长等优点，其具有广阔的市场发展前景。
发明内容
本发明提供了一种具有反射电极的发光装置，其通过控制电极中的电流方向，从而在电极与半导体接触面产生电势梯度，以抑制金属迁移的发生，提高LED的器件稳定性。
根据本发明的一个方面：一种发光装置，包括：一种含有多个半导体层的半导体结构，并且在半导体层之间有发光层；至少一个含有反射层的电极，与前述半导体结构的至少一个半导体层有一接触；当对所述发光装置施加正向偏压时，电流从反射层的侧面流入反射层，使得所述电极与半导体层的接触面产生电势梯度，从而抑制电极中的金属发生电迁移。
在本发明的一些实施例中，所述电极还包含电流引导层，当施加正向偏压时，电流通过反射层周围的电流引导层流入反射层。所述电流引导层与半导体接触面的电势高于反射层与半导体接触面的电势。进一步地，所述电流引导层为多层结构，含有不发生电迁移的高发射率材料（如铝）。
在本发明的一些实施例中，所述电极的不参与导电作用部分的表面被绝缘材料覆盖。
根据本发明的第二个方面，一种发光装置，包括：半导体结构，包括：P型半导体层、N型半导体层、以及P层和N层之间的发光层；一个电极，包括：电流注入层、电流引导层和反射层，所述电流引导层位于反射层外围，且至少部分与反射层有一接触面；当正向导通时，电流通过反射层周围的电流引导层流入反射层，使得所述接触面产生电势梯度，从而抑制电极中的金属发生电迁移。
具体地，所述电极包含3部分，分别为电流注入层、电流引导层和反射层。反射层和电流引导层至少有一部分与p型半导体接触，反射层和电流引导层的侧表面接触。电流引导层至少有一部分表面与电流注入层接触。当正向导通时，电流在电极中的流向为：从电流注入层到电流引导层再到反射层。因此，电流引导层的电势高于反射层，这种电势差会抑制反射层中金属离子的迁移，提高器件的稳定性。
在本发明的一些实施例中，电流引导层与反射层的侧壁完全接触，并且电流引导层上表面为平面。电流注入层与反射层相隔。电流注入层与电流引导层的部分上表面接触，绝缘保护层分布于不需要电流导通的电极表面。
在本发明的一些实施例中，电流引导层与反射层的侧壁完全接触，并且电流引导层的剖面具有一定的梯度。电流注入层与反射层相隔。电流注入层只与电流引导层中高度较低的部分接触。绝缘保护层分布于不需要电流导通的电极表面。
在本发明的一些实施例中，电流引导层与反射层的相邻侧表面靠近半导体层的部分被绝缘材料阻隔，其余部分相互接触。电流引导层的剖面具有一定的梯度。电流注入层与反射层相隔。电流注入层只与电流引导层中高度较低的部分接触。绝缘保护层分布于不需要电流导通的电极表面。
在本发明的一些实施例中，电流引导层由2层以上的材料组成，并且至少有一层含有反射率大于75%且不发生电迁移的材料。
前述电极结构可以通过下面制备方法获得。
在本发明的一个实施例中，先通过光刻和蒸镀或者溅射的方法在p型半导体上表面沉积得到反射层。然后，通过光刻和蒸镀或者溅射的方法在反射层侧面沉积得到电流引导层，且二者至少部分接触。再后，通过光刻和蒸镀或者溅射的方法在电流引导层上表面沉积获得电流注入层。
在本发明的另一实施例中，先通过光刻和蒸镀或者溅射的方法在反射层侧面沉积得到电流引导层。然后，通过光刻和蒸镀或者溅射的方法在p型半导体上表面沉积得到反射层，且反射层与引导层至少部分接触。再后，通过光刻和蒸镀或者溅射的方法在电流引导层上表面沉积获得电流注入层。
在本发明中，电流先进入电流注入层，然后经过电流引导层，最后到达反射层，确保了反射层电势最低。反射层周围的高电势会抑制反射层中的阳离子向外迁移，从而提高了器件的稳定性。进一步地，电流引导层可以含有不发生电迁移且反射率>75%的材料来弥补这种反射层的面积损失。
附图说明
图1是一种公知的含有高反射率材料的p电极的LED芯片的局部剖面结构示意图。
图2是专利US6946685中提出的一种含有金属迁移阻挡层（保护层）的p电极的LED芯片局部剖面结构示意图。
图3是依据本发明的一实施例的LED的p面电极结构平面图。
图4是沿图3的AA’线的局部剖面图。
图5是依据本发明的另一实施例的LED芯片的局部剖面结构示意图。
图6是依据本发明的另一实施例的LED芯片的局部剖面结构示意图。
图7是依据本发明的电流引导部分34的一实施例的局部剖面结构示意图。
图8是依据本发明的另一实施例的LED的p面电极结构平面图。
图9是沿图8的AA’线的局部剖面图。
图10是依据本发明的一种垂直结构LED芯片的剖面结构示意图。
图11是依据本发明的一种倒装结构的LED芯片的剖面结构示意图。
符号说明：
10，30 ：LED芯片
11、31、82、92 ：p型半导体层
12：p电极
12a： 反射层
12b：键合层
12c：迁移阻挡层
32：电流注入层
33、36 、84：绝缘层
34：电流引导层
35：反射层
72：第一金属层
73：第二金属层
83、93：有源层
84、94 ：n型半导体
85、95：衬底
96：n电极
97、98：图形化金属层。
具体实施方式
在发光二极管中，有源层发出的光方向是随机的，因此在实际器件中经常设计反射层来提高出光。图1为一种含有高反射率p电极12的LED芯片10局部剖面结构示意图。在这种结构中，p电极12与p型半导体11接触，电极12至少包含一层含有高反射率金属材料的反射层12a。反射层12a可以是一层高反射率金属材料，或者由多层材料组成，也可以是合金材料。最常见的高反射率金属材料为Ag和Al。另一层12B的作用是为了方便后期的打线或键合步骤，其材料可以是Cr、Pt、Au等。
从图1可以看出，有源层（图中省略）发出的光子hν入射到12a后被反射回去，因此提高了n面的出光。同时，12a还起到了电流扩展的作用，使得电流能够扩展到整个p型半导体表面，改善了电流分布的均匀性，这种结构可以达到了提高出光效率的目的。但是从图1中还可以看出，电极附近存在电势梯度V1>V2，12a中的某些金属材料可能会在电势差的作用下会发生迁移，因此会降低整个LED芯片10的使用稳定性。举例来说：当正向导通时，12a中的Ag会被部分氧化成Ag+离子，在电场的作用下向低电势方向移动，并在某个电势较低的地方捕获电子而被还原成Ag，这种现象被称为Ag的电迁移。虽然这种电迁移是缓慢发生的，但是一旦少量的Ag穿过有源层迁移到n面上，整个LED芯片就会发生漏电甚至短路。因此，需要通过某些方法来抑制这种电迁移的发生，提高器件的使用寿命。
一种方法是在反射层覆盖一层或多层阻挡层来阻挡Ag的迁移，如美国专利US6946685（图2所示）。图2中与图1相同的部分采用相同的编号。图2与图1不同的地方在于在12a和12b之间加入了阻挡层12c。还有一种方法为美国专利US6794690中提到的，也是采用阻挡层来阻挡金属的迁移，不同的是阻挡层为绝缘材料。
本发明内容可经过下述实施例配合其相关图示阐述而进行揭示。本发明涉及到的LED的颜色，材料，及具体构造并无限制。
图3显示本发明的第一实施例的平面图。图4为沿图2的AA’线的剖面图。图4中省略了LED中的有源层、n型半导体层和部分p型半导体。首先通过第一次光刻在p型半导体31上表面获得反射层35的图案。然后在该图案范围，沉积一层厚度为500~10000?的Ag或者含Ag的合金作为反射层35。再以第二次光刻获得电流引导层34的图案。在图形范围内沉积厚度为500~10000?的Al或者含有Al的合金作为电流引导层34。再以第三次光刻获得电流注入层32的图案。在图案范围沉积一层厚度为500~5000?的Au或者Au合金作为电流注入层。最后在34、35的上表面沉积一层厚度为500~5000?的氮化硅作为绝缘保护层33。电流在电极中依次流经电流注入层32、电流引导层34、反射层35，确保34的电势高于35。
图5显示本发明的第二实施例的剖面图。与第一实施例不同的是，通过光刻的方法使得电流引导层34具有一定的梯度，使得电流注入层32与p型半导体上表面更接近。相比于第一实施例，第二实施例中电流引导层下表面电势更高。
图6显示本发明的第三实施例的剖面图。与第二实施例不同的是，第三实施例通过光刻的方法，在p型半导体上表面电流引导层34与反射层35接触的位置，先沉积一层绝缘材料36，例如氮化硅、氧化硅、氮化铝等。然后再进行反射层、电流引导层、电流注入层等的制作。由于p型半导体电阻较高，因此，在第三实施例中，绝缘材料36与p型半导体接触的部分会形成一个电势低谷，这个电势低谷的电势远低于电流引导层34，因此抑制Ag迁移的效果更加明显。
图7显示一种实施例中，电流引导层34的部分剖面图。电流引导层34与p型半导体层接触。电流引导层34含有不发生电迁移且反射率>75%的材料，包括两层材料72、73。其中72为Al或者含有Al的合金，73为键合材料如Ti、Cr、Pt、Au等或金属合金。
图8显示本发明的第四实施例的平面图。与第三实施例不同的是，第四实施例在电极外围覆盖一层绝缘保护层，其剖面图如图9所示。首先在p型半导体上表面电流引导层34与反射层35接触的位置，沉积一层绝缘材料36，例如氮化硅、氧化硅、氮化铝等；然后再进行反射层、电流引导层、电流注入层等的制作；最后在露出的p型半导体层、电流引导层34、反射层35的上表面沉积一层厚度为500-5000?的氮化硅作为绝缘保护层33。如此可将电极保护层起来，防止电极被污染及漏电等。
图10为使用本发明第四实施例的垂直结构LED剖面图。以蓝宝石衬底外延生长GaN基发光装置为例，首先在蓝宝石衬底上外延生长发光半导体结构，其一般至上而下包括P-GaN层82、有源层83和N-Gan层84；接着按照第四实施例的方式在p-Gan层82上制作电极结构；然后将所述发光半导体结构通过键合工艺反转连结在一散热形导电衬底85上，并面背面制作背电极86；最后移除蓝宝石衬底。
图11为使用本发明第四实施例的倒装结构LED剖面图。类似前述垂直结构的LED，在本实施例中，在形成发光半导体结构后，先在P-GaN层92上采用光罩定义发光台面，蚀刻部分P-GaN层92和有源层93，露出部分N-Gan层94；接着按照第四实施例的方式在p-Gan层82上制作p电极结构，并在露出的N-Gan层94表面上制作n电极96；然后将所述发光半导体结构通过键合工艺反转连结在一散热形衬底95上，其中p电极和n电极分别与衬底上的图形化金属层98和97连接。
以上所述为本发明较佳实施例而已，并非用以限定本发明，凡其它不脱离本发明所公开的精神下完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求书。

Claims (12)

1.一种发光装置，包括：
一种含有多个半导体层的半导体结构，并且在半导体层之间有发光层；
至少一个含有反射层的电极，与前述半导体结构的至少一个半导体层有一接触面；
当对所述发光装置施加正向偏压时，电流仅从反射层的侧面流入反射层，使得所述接触面产生电势梯度，从而抑制电极中的金属向侧面发生电迁移。
2.根据权利要求1所述的一种发光装置，其特征在于：所述电极还包含电流引导层，其仅与所述反射层的侧面形成电性连接，当施加正向偏压时，电流通过反射层周围的电流引导层流入反射层。
3.根据权利要求2所述的一种发光装置，其特征在于：所述电流引导层与半导体接触面的电势高于反射层与半导体接触面的电势。
4.根据权利要求2所述的一种发光装置，其特征在于：所述电流引导层含有不发生电迁移的高反射率材料，其反射率>75%。
5.根据权利要求2所述的一种发光装置，其特征在于：所述电极的不参与导电作用部分的表面被绝缘材料覆盖。
6.一种发光装置，包括：
半导体结构，包括：P型半导体层、N型半导体层、以及P层和N层之间的发光层；
一个电极，包括：电流注入层、电流引导层和反射层，所述电流引导层位于反射层外围，且至少部分与反射层有一接触面，仅与所述反射层的侧面形成电性连接；
当正向导通时，电流通过反射层周围的电流引导层流入反射层，使得所述接触面产生电势梯度，从而抑制电极中的金属向侧面发生电迁移。
7.根据权利要求6所述的一种发光装置，其特征在于：所述电流引导层和反射层至少一部分与所述半导体结构接触，电流注入层与电流引导层接触，但不与反射层接触。
8.根据权利要求7所述的一种发光装置，其特征在于：当正向导通时，所述电极中电流依次流经电流注入层，电流引导层，反射层。
9.根据权利要求7所述的一种发光装置，其特征在于：所述电流引导层与半导体接触面的电势高于反射层与半导体接触面的电势。
10.根据权利要求6所述的一种发光装置，其特征在于：所述电流引导层由多层材料组成，其中至少含有一层铝。
11.根据权利要求6所述的一种发光装置，其特征在于：所述电流引导层与反射层的相邻侧表面靠近半导体结构的部分被绝缘材料阻隔，其余部分相互接触。
12.根据权利要求6所述的一种发光装置，其特征在于：所述电流引导层与反射层的侧壁完全接触，并且电流引导层的剖面具有预设的梯度。
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PB01 Publication
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Inventor after: Yang Lixun

Inventor after: Shi Junpeng

Inventor after: Liang Xinghua

Inventor after: Zheng Gaolin

Inventor after: Zhong Zhibai

Inventor after: Huang Shaohua

Inventor after: Zhao Zhiwei

Inventor before: Yang Lixun

Inventor before: Shi Junpeng

Inventor before: Liang Xinghua

Inventor before: Zheng Gaolin

Inventor before: Zhong Zhibai

Inventor before: Huang Shaohua

Inventor before: Guan Jiefu

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