CN103201859B

CN103201859B - 用于led的分流层布置

Info

Publication number: CN103201859B
Application number: CN201180039384.2A
Authority: CN
Inventors: T.洛佩滋; R.I.阿达滋
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: EP2603936A1; JP2013533643A; RU2013110304A; WO2012020346A1; JP5841600B2; US20130187193A1; CN103201859A; US8975658B2; EP2603936B1; RU2566403C2

Abstract

LED管芯表面上的分流图案包括宽度约为2L_t-5L_t的金属点阵列（其中L_t为传输长度），以免遮挡大量的光，但仍然具有与半导体电流扩展层的低接触电阻。对于大于2L_t的宽度，接触电阻未显著减小。每个点代表电流注入区域。对于最小2L_t的宽度和每mm^2？50个正方形点，LED管芯的顶表面区域将有其表面的大约1%被点覆盖。为了让电流在LED的顶表面上均匀分布，点与非常薄的金属连接器栅格连接，金属连接器的宽度远小于2L_t。在一个实施例中，在LED顶表面中央附近形成丝焊电极，以生成更均匀的电流分布。

Description

用于LED的分流层布置

技术领域

本发明涉及发光二极管（LED），具体而言，涉及发光表面LED管芯上的图案化金属层，其改善电流分布而不增加光遮挡。

背景技术

现有技术的图1是LED管芯10的由顶向下视图，图2是沿图1的线2-2的LED 10的简化截面图。在该范例中，LED管芯10是基于GaN的，且移除了其生长衬底。该结构是公知的。通常将底部金属阳极电极12直接接合到基台焊盘或电路板上。电极12上方的金属反射器14向上反射光。LED的外延生长半导体层包括第一p型层16、p型包覆层18、有源层20、n型包覆层22、第一n型层24和第二n型层26。在包覆层和金属接触之间充当界面的各种p和n型层可以具有不同的掺杂量和不同成分，以实现不同功能，例如晶格匹配和电流扩展。可以由很多其他层。半导体层是透明的。

透明电流扩展层28形成于第二n型层26上方，金属阴极电极30电连接到电流扩展层28的边缘。线（未示出）接合到阴极电极30。选择电流扩展层材料以实现低的光损耗、低电阻率和良好的电接触。用于电流扩展层28的适当材料包括氧化铟锡、氧化锌或其他透明导电氧化物。电流扩展层28仅有几微米厚，因此具有低的垂直电阻和高得多的横向电阻。重要的是，p型包覆层18和n型包覆层22上方的电流分布相当均匀，以在整个有源层20上实现均匀的光产生。

为了补偿电流扩展层28较高的横向电阻，对低电阻金属分流层32进行构图，以在整个电流扩展层28上延伸然而仅遮挡少量的光。在使电流拥挤最小化和光遮挡最小化之间有一种折衷关系。图1中所示的分流图案是典型的，金属汇流条沿着管芯10的周边，垂直金属汇流条连接它们。这些分流条形成得非常窄，以使光遮挡最小化。

图2利用粗箭头36示出了流经LED管芯10的电流，利用细箭头38示出了一些光子轨迹。还示出了简化的发射光图案39。

使LED管芯10的顶表面粗糙化以增加光提取。

常规分流设计的一个问题是，细的分流条在条和电流扩展层28的界面处呈现出接触电阻，其中接触电阻直接与条的宽度相关。

对于如图1所示以汇流条为特征的图案化分流层特例，可以将三个内部交叉汇流条之一的接触电阻表达为：

eq. 1

其中电阻是电流扩展层28的薄层电阻（单位Ω/□），是汇流条段的长度，是汇流条的宽度，而是按照单位长度表示的传输长度。传输长度定义为

eq. 2

其中是金属-半导体界面的接触电阻率，以Ω·m²为单位表示。

众所周知，导电层和金属接触之间的横向电流并非是在整个接触上都均匀的。在接触的边缘附近电压最高，随着距离呈指数形式显著下降。电压曲线的1/e距离是确定传输长度的另一种方式。

图3针对的情况，示出了根据归一化量相对于归一化的以上接触电阻表达式。曲线表明，对于小于2的接触宽度，接触电阻与成反比地增大，因为。另一方面，对于大于2的接触宽度，接触电阻接近量，因为趋向1。

可以看出，不能将图1中的汇流条宽度制造得太小，否则接触电阻将过高，但遮挡更少的光希望宽度窄。

因此，希望减小金属分流层和电流扩展层之间的接触电阻而不对LED管芯的光提取产生不利影响。相反，希望增加LED管芯的光提取而不会减小金属分流层和电流扩展层之间的接触电阻。还希望改善LED管芯整个表面的电流分布均匀性。

发明内容

这里公开了各种金属分流图案，其减小了接触电阻并改善了电流分布均匀性而没有减小光提取。

在一个实施例中，分流图案包括金属圆形点的阵列，点的直径比常规汇流条和交叉条的宽度更宽，但大约为2L_t-10L_t，以免遮挡大量的光。在一个实施例中，每个点的半径大于2L_t，小于10L_t，优选小于5L_t。总的点面积小于现有技术汇流条和交叉条的总面积，因此对光的遮挡更小。可以使用除圆形点之外的形状，例如多边形（例如，正方形和矩形）。这里将所有这样的形状称为点。

在一个实施例中，对于典型的所用金属和所用电流扩展层，点的宽度（介于2L_t和10L_t之间）大约为15微米，以确保低的接触电阻。每个点代表电流注入区域。典型地，为了良好的电流分布，密度会是每平方毫米50-60个离散的注入区域。对于最小2L_t的宽度和每mm²50个正方形点，LED管芯的顶表面区域将有其表面的大约1%被点覆盖。对于1mm²的大管芯，点的总面积大约将为0.01mm²。在一个实施例中，点覆盖的LED管芯顶表面区域优选小于5%。

为了让电流在LED的顶表面上均匀分布，点与非常薄的金属连接器栅格连接，其中金属连接器和电流扩展层之间的接触电阻较高，因为连接器的宽度远小于2L_t，但对电流注入影响很小，因为电流是由点注入的。

由于点阵列的原因，总体接触电阻更低，光遮挡更小，从而提高了LED的效率。

在一个实施例中，在LED顶表面中央附近形成丝焊电极，以生成更均匀的电流分布。

在一个实施例中，除了由薄金属连接器栅格互连的点阵列之外，还利用径向延伸的薄金属连接器将一些点连接到丝焊电极，以使点和丝焊电极之间的连接电阻更均匀。

在一个实施例中，随着点距丝焊电极越来越远，点形成得越大，以在LED的整个表面上生成更均匀的电流分布。

在一个实施例中，随着点延伸远离丝焊电极，点越来越靠近到一起，以生成更均匀的电流分布。

在一个实施例中，在丝焊电极和电流扩展层之间有电介质，以减小丝焊电极下方和其周边附近的电流拥挤。

在替代实施例中，为了避免使用丝焊电极和电流扩展层之间的电介质层，使用在一定距离处环绕所述丝焊电极的同心分流环，以减小所述丝焊电极下方和其周边附近的电流拥挤。

在有在LED顶表面周边附近延伸的分流条的实施例中，在角附近减小条的宽度，以减小或消除角附近的电流拥挤。

在一个实施例中，在每个点和连接栅格下方形成成角度的镜结构。每个点和连接器下方的镜不仅将光反射离开每个点/连接器的吸收性下侧，而且通过让每个点下方的有源层不产生光而避免每个点正下方任何电流拥挤（以及每个连接器下方更低程度的拥挤）。在一个实施例中，在通过每个点和连接器下方的有源层延伸的沟槽中形成每个镜。

描述了其他实施例。

附图说明

图1是现有技术LED管芯顶表面的由顶向下视图，示出了金属分流图案。

图2是图1中沿线2-2的截面图。

图3是接触的归一化宽度和归一化接触电阻的曲线图，示出了小于2L_t的归一化宽度获得越来越高的接触电阻。

图4是LED顶表面的由顶向下视图，示出了根据本发明一个实施例的金属分流图案。

图5示出了图4的分流图案，在LED管芯表面中央附近定位有较大的丝焊电极，用于实现基本均匀的电流分布。

图6示出了图5的分流图案，丝焊电极和各个点之间有额外的径向连接器。

图7是LED顶表面的由顶向下视图，示出了具有点的金属分流图案，随着点距丝焊电极越来越远，点的尺寸增大。

图8是LED顶表面的由顶向下视图，示出了具有点的金属分流图案，随着点距丝焊电极越来越远，点的密度增大。

图9是LED顶表面的由顶向下视图，示出了具有正方形点和扩大的中心丝焊点的金属分流图案。

图10是丝焊电极区域的截面图，其具有下方电介质层，以避免电极下方的电流拥挤。

图11是LED顶表面的由顶向下视图，示出了围绕丝焊电极的金属分流环图案，以缓解丝焊电极下方和其周边附近的电流拥挤。

图12是现有技术LED管芯顶表面的由顶向下视图，示出了类似于图1的顶表面周边附近延伸的金属分流器。

图13是LED管芯角的放大的由顶向下视图，示出了如何可以通过在角处减小分流器的宽度来避免角附近的电流拥挤。在任何交叉汇流条的角处会使用相同的技术。

图14是根据本发明一个实施例的LED管芯的截面图，其中在每个点下方的沟槽中形成成角度的镜。

利用相同的附图标记标识相同或等同的元件。

具体实施方式

图4示出了根据本发明一个实施例的LED管芯顶表面上金属分流图案40的一个实施例。LED管芯可以具有与图2中的现有技术LED管芯相同的层。

根据以上方程1，控制沿汇流条向半导体中注入电流的位置的一种方式是通过适当调节几何参数。由于其基本均匀的电流图案，优选圆形接触42（点）。可以如下表达半径为的圆形接触的接触电阻，

eq. 3

在方程3中，和分别是第一和第二类改性贝塞尔函数。像对于汇流条的情况那样，对于，圆形接触的接触电阻显著增大。因此，在优选实施例中，每个圆形接触的半径介于大约2L_t到10L_t之间。

因此，分流层图案可以由若干几何形状构成，几何形状的特性允许有选择地控制电流注入的位置，但尺寸受到限制，以免不利地影响光输出。例如，可以应用这种做法以利用最小的金属-半导体接触面积改善通过装置有源层的电流均匀性。

将窄的金属连接器44布置成栅格以将接触42连接在一起。连接器44的宽度优选小于2L_t，因为不需要它们向LED中注入电流，更宽的连接器将增大光的遮挡。

接触42和连接器44优选是多层金属成分，提供低电阻，却不向半导体层中迁移。

图5示出了图4的分流图案，具有较大的丝焊电极46，位于LED管芯表面中央附近，用于实现基本均匀的电流分布。电极46的尺寸优选是最小尺寸，以实现良好的丝焊。

图6示出了图5的分流图案，在丝焊电极46和各种接触42之间具有额外的径向连接器48。这些径向连接器48提供了通往外部接触42的并行连接器路径，以实现更均匀的电流分布，因为栅格连接器44路径的合成电阻从丝焊电极46开始增大。

图7是LED顶表面的由顶向下视图，示出了具有接触50的金属分流图案，随着接触50距丝焊电极46越来越远，接触50的尺寸（直径）增大。更大面积的接触固有地减小了周边附近接触之间的空间，这增大了周边附近的电流注入，将通向外部接触50的连接器44和48的增大的电阻进行偏置。

图8是LED顶表面的由顶向下视图，示出了具有接触54的金属分流图案，随着接触54距丝焊电极46越来越远，接触54的密度增大，以实现更均匀的电流密度。

图9是LED管芯55的顶表面的由顶向下视图，示出了具有正方形点56、扩大的中心丝焊点57和连接点的窄连接器58的金属分流图案。正方形点的布置和宽度可以类似于上文所述的圆形点的布置和宽度。

在一个实施例中，对于所用的典型金属和所用的电流扩展层，点的宽度（2L_t和10L_t之间）大约为15微米，以便确保低的接触电阻（基于类似于图3针对特定使用材料的曲线图）。每个点代表电流注入区域。典型地，为了有良好的电流分布，每平方毫米应当有50-60个离散注入区域的密度。对于最小2L_t的宽度和每mm²50个正方形点，LED管芯的顶表面区域将有大约1%的其表面被点覆盖。对于1mm²的大管芯，点的总面积将约为0.01mm²。宽度与正方形点相同的圆形点覆盖更少面积，因此会遮挡更少的光。在一个实施例中，由点覆盖的LED管芯顶表面区域优选小于5%，例如2%。优选点的宽度小于5L_t但稍大于2L_t，因为大于2L_t的宽度不会提供接触电阻的显著减小，光遮挡应当最小化。

图10是丝焊电极46区域的截面图，其具有下方的电介质层64，以避免电极46下方和其周边附近的电流拥挤。金属以宽度为Wx的环接触电流扩展层28。Wx优选为0.5L_t<Wx<L_t。还示出了线60和接合金属62。

图11示出了丝焊电极46周围一定距离的同心分流环65。分流环65减少了丝焊电极46下方和其周边附近的电流拥挤。分流环65的宽度（Wr）与L_t成比例，优选高于0.1L_t且低于L_t，以提供充分低的电流电阻。环65的直径（D）优选至少比丝焊电极46的直径大20%。

图12是现有技术LED管芯顶表面的由顶向下视图，示出了金属分流器66，其在LED顶表面的周边附近延伸，类似于图1，在一个角附近有丝焊电极68。由于分流器66的臂在每个角彼此接近，所以在角附近将有电流拥挤，导致不均匀的光输出，可能在那些区域中有过电流。为了基本防止角中这样的电流拥挤，可以使用图13的金属分流器配置。

图13是LED管芯一个角的详图，示出了金属分流器70在角中具有减小的宽度Wc，以减少从角附近的每个臂的电流注入。Wc优选小于L_t (例如, 0.1L_t) 以增大在角附近生成基本均匀的电流分布所需的接触电阻。分流器剩余部分的宽度大于L_t。与内部接触不同的是，在边缘接触中，电流仅从接触区域的一侧流动，因此这里不适用2L_t的最小宽度。丝焊电极优选沿着分流器臂位于中间，以避免角附近的电流拥挤。每个角将类似于图13。

会在任何交叉汇流条的角处使用相同的技术。

利用前文所述的窄连接器44、48将LED管芯中间区域中的接触42、50、56连接到金属分流器70。

图14是根据本发明一个实施例的LED管芯的截面图，其中在每个圆形接触80和栅格连接器下方的沟槽78中形成成角度的镜76。镜76通过覆盖圆形接触80和连接器减少了对光的遮挡，并防止在每个圆形接触80下方生成高电流密度区域，在连接器下方达到更低程度。在2010年4月30日由Rafael Aldaz提交的美国申请序列号 12/770550中可找到有关形成这种镜76的细节，在此通过引用并入。

可以调节镜76的几何形状以增强光提取效率。这样做的条件是，可以将顶部接触80（与前面所述的任何接触相似或相同）与使用位于接触80下方的半导体中的镜壁相结合，如图14中所示。该图示出了如下情况：镜76（通常是金属）穿透到半导体中并与接触80下方的区域中的有源层20交叉。为了防止层间的电气短路，为镜76覆盖透明电介质84。在芯片之内填充这些镜壁增强了光提取，代价是减小了产生光子的有源区。因为这种折衷关系，优选将每个接触80的宽度Ws最小化，因此将镜数量最大化。而这又转换成镜之间距离的最小化，使得光提取最大化。

优选地，应当设计分流层的图案以优化以下与性能相关的方面：

- 向半导体有源层中的均匀的电流注入（例如，控制接触的分布）

- 分流层两端电压降的最小化（例如使用薄的金属连接器）

- 光提取的最大化（例如，优化接触尺寸和形成镜）

- 有源区的最大化（例如，优化镜的尺寸）。

尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，但对于本领域的技术人员而言，显然可以进行改变和修改而不在其更宽方面中脱离本发明，因此，所附权利要求要在其范围之内涵盖所有这样的落在本发明真实精神和范围之内的改变和修改。

Claims

1.一种发光二极管LED装置，包括：

LED管芯（40），包括外延生长于生长衬底上方并基本在整个LED管芯上延伸的发光半导体层（20），所述LED管芯具有顶表面，包括覆盖所述发光半导体层的电流扩展层（28）；以及

仅在所述顶表面的一部分上的金属电极图案（42，44，46），用于通过所述LED传导电流以激励所述LED，所述电极图案包括：

所述顶表面上方的多个金属接触（42），其宽度介于金属接触的传输长度的2和10倍之间，其中所述传输长度定义为

,

其中是所述电流扩展层的薄层电阻，单位为Ω/□，而是金属接触和电流扩展层界面的接触电阻率，以ohm·m²为单位表达，

其中所述金属接触基本遮挡所述发光半导体层发射的光；以及

将金属接触中的一些连接到一起的金属连接器（44），所述金属连接器具有小于2L_t的宽度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述顶表面上方的多个金属接触的宽度介于所述金属接触的传输长度的2倍和5倍之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属接触的总面积小于所述LED管芯发光表面的2%。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属接触的总面积小于所述LED管芯发光表面的5%。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属接触的总面积小于所述LED管芯发光表面的10%。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属接触是基本圆形的，所述宽度是金属接触的直径。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属接触是多边形。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括通过金属连接器中的至少一个连接到所述金属接触的丝焊电极。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述金属连接器形成平行和垂直连接器的栅格。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述金属连接器从所述丝焊电极沿径向延伸。

11.根据权利要求8所述的装置，其中随着所述金属接触距所述丝焊电极越来越远，至少一些所述金属接触的尺寸增大。

12.根据权利要求8所述的装置，其中随着所述金属接触距所述丝焊电极越来越远，所述金属接触的密度增大。

13.根据权利要求8所述的装置，还包括所述丝焊电极和所述电流扩展层之间的电介质层，以减小所述丝焊电极和所述电流扩展层之间的电流密度。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述丝焊电极在所述电介质层周围距离Wx处在所述电介质层边缘上方延伸，其中0.5L_t<Wx<L_t。

15.根据权利要求8所述的装置，还包括在一定距离处环绕所述丝焊电极的同心分流环，以减小所述丝焊电极下方和其周边附近的电流拥挤，其中在所述分流环和所述丝焊电极之间没有金属接触。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述分流环的宽度介于0.1L_t和L_t之间，且其中所述分流环的直径比所述丝焊电极的直径至少大20%。

17.根据权利要求1所述的装置，还包括所述LED管芯顶表面周边附近的金属分流器，所述分流器具有沿所述管芯边缘的第一宽度和所述管芯角处的更窄宽度，用于减小所述管芯角处的电流密度。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述分流器沿所述管芯边缘的第一宽度大于L_t，所述分流器在所述管芯角处的更窄宽度小于0.1L_t，用于减小所述管芯角处的电流密度。

19.根据权利要求1所述的装置，其中所述生长衬底已经被移除。