CN103456844A

CN103456844A - 发光二极管芯片中电流扩展的方法和发光二极管芯片

Info

Publication number: CN103456844A
Application number: CN2012101699457A
Authority: CN
Inventors: 段大卫; 马克; 马赛罗
Original assignee: Foshan Nationstar Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Foshan Nationstar Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2013-12-18

Abstract

本发明提供一种发光二极管芯片中电流扩展的方法和发光二极管芯片，方法包括：提供半导体衬底，半导体衬底包括与N电极电气接触的N型约束层、被构建成发射电磁辐射的多量子阱MQW层和与P电极电气接触的P型约束层，N型约束层、P型约束层分别与多量子阱层电气接触；提供具有第一电气电阻的N型约束层或者其选定的部分；提供具有第二电气电阻的P型约束层或者其选定的部分；提供具有第一接触电阻的N电极；提供具有第二接触电阻的P电极；选择第一电气电阻、第二电气电阻、第一接触电阻和第二接触电阻以在非直线路径引导电子流并且均匀扩展电流穿过多量子阱层。该方法可实现LED芯片的均匀电流扩展、均匀电致发光和最大内量子效率。

Description

发光二极管芯片中电流扩展的方法和发光二极管芯片

技术领域

本发明总体上涉及光电器件，更具体地涉及发光二极管LED芯片中扩展电流的方法，以及具有均匀（uniform）电流扩展的发光二极管LED芯片。

背景技术

发光二极管LED芯片包括用于构成连接到外部的外部连接的P电极和N电极。发光二极管LED芯片可以包括由诸如GaN的化合物半导体材料制成的多层半导体衬底。例如，半导体衬底可以包括具有p型掺杂物的p型约束层、具有n型掺杂物的n型约束层和构建成发射电磁辐射的位于约束层之间的多量子阱（MQW，Multiple Quantum Well）层。对于垂直发光二极管（VLED，Vertical Light Emitting Diode），半导体衬底位于竖直隔开的P电极和N电极之间。对于水平发光二极管LED芯片，P电极和N电极在半导体衬底上静止（still）隔开但是通常彼此处于同一平面。

对于每种类型的芯片，电流典型地从N电极经过多量子阱MQW层流到P电极。然而，多量子阱MQW层上的均匀电流扩展必须被维持，以产生为了产生均匀的电致发光而要求的电子和空穴对。电极的构造还可以产生靠近电极的电流拥挤（current crowding）以及电致发光强度的平面非均匀性。理论上由于电子的更低的谐振时间以及更低的电子-空穴配对率，多量子阱MQW层上的非均匀的电流扩展产生更低的发光强度。另外，多量子阱MQW层上的非均匀的电流扩展可以产生局部过热和更低的内量子效率（IQE，InternalQuantum Efficiency）。

因为电流聚集是限制发光二极管LED芯片的性能的重要因素，已经采用了多种技术来限制电流聚集。例如，一种技术是形成具有被掺杂的大的欧姆表面的电极，以提供低电阻，并且设置为提供直线路径以便电流从一个电极通过衬底流到另一个电极。然而，即使对于这些技术，由于损失发光面积和电流聚集，特别是沿着电极的边缘，效率和发光强度仍然被妥协。

然而，现有技术的上述示例及其局限性旨在是示例性的而非穷尽。当阅读说明书和研究附图之后，现有技术的其它局限性将对于本领域技术人员变得明显。鉴于这些限制，本领域需要提高发光二极管LED芯片的效率。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种发光二极管LED芯片，其被构建成提供均匀电流扩展、均匀电致发光和最大的内量子效率IQE。

为达上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管LED芯片中电流扩展的方法，所述方法包括：在发光二极管LED芯片的不同区域和电极中提供经选择的电气电阻和接触电阻，以提供非直线电子流和均匀的电流扩展。更具体地，该方法可以包括以下步骤：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括：具有与N电极电气接触的N型约束层、被构建成发射电磁辐射的多量子阱（MQW）层和与P电极电气接触的P型约束层；所述N型约束层、所述P型约束层分别与所述多量子阱MQW层电气接触；

提供具有第一电气电阻的N型约束层或者其被选定的部分；

提供具有第二电气电阻的P型约束层或者其被选定的部分；

提供具有第一接触电阻的N电极；

以及提供具有第二接触电阻的P电极；以及

选择第一电气电阻、第二电气电阻、第一接触电阻和第二接触电阻，以在非直线路径上引导电子流来均匀地扩展电流穿过多量子阱MQW层。

为达上述目的，另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管LED芯片，所述发光二极管LED芯片包括：

N型约束层，所述N型约束层具有第一电阻，与具有第一接触电阻的N电极电气接触；

多量子阱MQW层，所述多量子阱MQW层与所述N型约束层电气接触，被构建成发射电磁辐射；以及

P型约束层，所述P型约束层与所述多量子阱MQW层电气接触，所述N型约束层具有第二电阻，与具有第二接触电阻的P电极电气接触。

所述第一电阻、第一接触电阻、第二电阻和第二接触电阻被选择以提供通过所述发光二极管LED芯片的非直线电子流以及穿过所述多量子阱MQW层的均匀的电流扩展。

本发明的上述技术方案的有益效果在于：可提供一种发光二极管LED芯片，其被构建成提供均匀电流扩展、均匀电致发光和最大的内量子效率IQE。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A是例示被构建成提供均匀电流扩展的发光二极管LED芯片中的电流的示意截面图；

图1B是沿着图1A的1B-1B线截取的例示发光二极管LED芯片中的电流的示意截面图；

图2的例示被构建成提供均匀电流扩展的第二发光二极管LED芯片中的电流的示意截面图；以及

图3是例示发光二极管LED芯片中的电流扩展的方法的步骤的流程图。

附图标号：

10：发光二极管（LED）芯片；

12：多层半导体衬底；

14：N型约束层；

16：多量子阱（MQW）层；

18：P型约束层；

20：N电极；

22：P电极；

24：注射位置；

26：电子流箭头；

28：均匀的电流扩展；

30：提供半导体衬底的步骤；

32：提供N型约束层的步骤；

34：提供P型约束层的步骤；

36：提供N电极的步骤；

38：提供P电极的步骤；

40：选择步骤；

R_N：第一电气电阻；

R_P：第二电气电阻；

RC_N：第一接触电阻；

RC_P1：第二接触电阻；

RC_P2：第二接触电阻。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1A和图1B，例示被构建成提供均匀电流扩展的发光二极管LED芯片10。发光二极管LED芯片10具有垂直发光二极管VLED的形式。为了简化，没有例示发光二极管LED芯片10的各个元件。然而，此类型的垂直发光二极管VLED芯片在美国专利No.7,615,789中进一步描述，在此将其合并于此作为参考。

发光二极管LED芯片10包括一个具有延栈（epitaxial stack）形式的多层半导体衬底12，该多导半导体衬底12包括：N型约束层14、被构建成发射电磁辐射的与N型约束层14电气接触的多量子阱MQW层16和与多量子阱MQW层16电气接触的P型约束层18。多量子阱MQW层16较佳地包括一个或者更多个量子阱，包括InGaN/GaN、AlGaInN、AlGaN、AlInN和AlN的一个或者更多个层。发光二极管LED芯片10还包括与N型约束层14电气接触的N电极20，和与P型约束层18电气接触的P电极22。尽管发光二极管LED芯片10描述为垂直发光二极管VLED，但是应理解的是此处描述的概念还可应用于诸如平面电极构造的其它类型的发光二极管LED芯片。

N型约束层14优选地包括n-GaN。用于N型约束层14的其它适合材料包括n-AlGaN、n-InGaN、n-AlInGaN、AlInN和n-AlN。另外，N型约束层14可以具有第一电气电阻R_N。可以通过对N型约束层14离子植入或者掺杂适当掺杂物来提供第一电气电阻R_N。

P型约束层18优选地包括p-GaN。用于P型约束层18的其它适合材料包括p-AlGaN、p-InGaN、p-AlInGaN、p-AlInN和p-AlN。P型约束层18包括具有第二电气电阻R_P1和R_P2的三个单独部分。可以通过对P型约束层18的不同部分离子植入或者掺杂适当掺杂物来提供第二电气电阻R_P1和R_P2。例如，可以进行离子植入或者掺杂从而R_P2<R_P1，向P型约束层18的中部提供更高的电气电阻，而P型约束层18的相对的外部具有更低的电气电阻。

N电极20和P电极22可以包括诸如W、Ti、Mo、Al、Cu、Ni、Ag、Au或者Co这样的金属，诸如Cu-Co或者Cu-Mo这样的合金，或者诸如Ni/Cu或者Ni/Cu-Mo这样的金属栈的单层。另外，P电极22可以具有比N电极20更大的表面面积，其大致覆盖发光二极管LED芯片10的侧面。N电极20可以具有第一接触电阻RC_N。P电极22可以具有根据相对于P型约束层18的不同部分的位置的多个第二接触电阻RC_P1、RC_P2。所述N电极20可以包括被选择以提供第一接触电阻的不同材料或者层。所述P电极22可以包括被选择以提供第二接触电阻的不同材料或者层。

在发光二极管LED芯片10中，N型约束层14的第一电气电阻RX、P型约束层18的第二电气电阻R_P1和R_P2、N电极20的第一接触电阻RC_N和P型约束层的第二接触电阻RC_P1、RC_P2被选择来在均匀扩展电流的非直线路径上引导电子流穿过（across）多量子阱MQW层16。例如，一个组合是电阻RC_N低，R_P2<R_P1，并且RC_P1<RC_P2。如图1A所示，该组合提供如电子流箭头26指示的非直线流路径。另外，再参阅图1B，多量子阱MQW层16上的注射位置24具有均匀的电流扩展28，提供多量子阱MQW层16中的增大的谐振周期（resonance period）。

电阻和接触电阻的另一个可能组合是N型约束层14具有带有多个电阻和接触电阻的部分。然而，明显地，组合的数量可以很大并且可以被选择以控制电子流以提供穿过（across）多量子阱MQW层16的均匀的电流扩展。图2例示另一个组合，其中第二电气电阻R_P1和R_P2相等。如电子流箭头28指示，此组合提供穿过/跨越（across）多量子阱MQW层16的整个区域的均匀的电流扩展28。

参照图3，例示在发光二极管LED芯片10中电流扩展的方法。

步骤30，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有与N电极电气接触的N型约束层、被构建成发射电磁辐射的多量子阱MQW层和与P电极电气接触的P型约束层。

步骤32，提供具有第一电气电阻的N型约束层或者该N型约束层的选定的部分（离子植入、掺杂）。

步骤34，提供具有第二电气电阻的P型约束层或者该P型约束层的选定的部分（离子植入、掺杂）。

步骤36，提供具有第一接触电阻的N电极（选择材料）。

步骤38，提供具有第二接触电阻的P电极（选择材料）。N电极20和P电极22可以包括诸如W、Ti、Mo、Al、Cu、Ni、Ag、Au或者Co这样的金属，诸如Cu-Co或者Cu-Mo这样的合金，或者诸如Ni/Cu或者Ni/Cu-Mo这样的金属栈的单层。

步骤40，选择第一电气电阻、第二电气电阻、第一接触电阻和第二接触电阻，以引导电子流在非直线路径上均匀地扩展电流穿过（across）多量子阱MQW层。

尽管以上讨论了多个示例性方面和实施方式，本领域技术人员将理解特定修改、排列、添加和子组合。因此引入的所附的权利要求旨在被解释为包括全部这些修改、排列、添加和子组合，只要在本发明的实质和范围内。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种发光二极管LED芯片中电流扩展的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括与N电极电气接触的N型约束层、被构建成发射电磁辐射的多量子阱MQW层和与P电极电气接触的P型约束层，所述N型约束层、所述P型约束层分别与所述多量子阱MQW层电气接触；

提供具有第一电气电阻的N型约束层或者N型约束层的选定的部分；

提供具有第二电气电阻的P型约束层或者P型约束层的选定的部分；

提供具有第一接触电阻的N电极；

提供具有第二接触电阻的P电极；以及

选择所述第一电气电阻、所述第二电气电阻、所述第一接触电阻和所述第二接触电阻以在非直线路径引导电子流并且均匀扩展电流穿过所述多量子阱MQW层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供具有第一电气电阻的N型约束层或者N型约束层的选定的部分包括：

对所述N型约束层进行离子植入或者掺杂以提供所述第一电气电阻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供具有第二电气电阻的P型约束层或者P型约束层的选定的部分包括：

对所述P型约束层进行离子植入或者掺杂以提供所述第二电气电阻。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供具有第一接触电阻的N电极包括：

选择用于N电极的材料以提供所述第一接触电阻。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供具有第二接触电阻的P电极包括：

选择用于P电极的材料以提供所述第二接触电阻。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供具有不同部分的P型约束层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述不同部分包括具有电气电阻（R_P1）的中部和具有电气电阻（R_P2）的相对的外部，其中电气电阻（R_P2）的电阻值小于电气电阻（R_P1）的电阻值。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述不同部分包括具有电气电阻（R_P1）的中部和具有电气电阻（R_P2）的相对的外部，其中电气电阻（R_P1）的电阻值等于电气电阻（R_P2）的电阻值。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发光二极管LED芯片包括竖直发光二极管VLED芯片。

10.一种发光二极管LED芯片，其特征在于，所述发光二极管LED芯片包括：

N型约束层，所述N型约束层具有第一电气电阻，与具有第一接触电阻的N电极电气接触；

P型约束层，所述P型约束层与所述多量子阱MQW层电气接触，具有第二电气电阻，与具有第二接触电阻的P电极电气接触；

所述第一电阻、所述第二电阻、所述第一接触电阻和所述第二接触电阻被选择以提供通过所述发光二极管LED芯片的非直线电子流以及穿过所述多量子阱MQW层的均匀的电流扩展。

11.根据权利要求10所述的发光二极管LED芯片，其特征在于，所述发光二极管LED芯片包括垂直发光二极管VLED芯片。

12.根据权利要求10所述的发光二极管LED芯片，其特征在于，所述P型约束层包括多个不同部分。

13.根据权利要求12所述的发光二极管LED芯片，其特征在于，所述不同部分包括具有电气电阻（R_P1）的中部和具有电气电阻（R_P2）的相对的外部，其中电气电阻（R_P2）的电阻值小于电气电阻（R_P1）的电阻值。

14.根据权利要求12所述的发光二极管LED芯片，其特征在于，所述不同部分包括具有电气电阻（R_P1）的中部和具有电气电阻（R_P2）的相对的外部，其中电气电阻（R_P1）的电阻值等于电气电阻（R_P2）的电阻值。

15.根据权利要求10所述的发光二极管LED芯片，其特征在于，所述N型约束层的第一电气电阻是通过对N型约束层进行离子植入或者掺杂而形成。

16.根据权利要求10所述的发光二极管LED芯片，其特征在于，所述P型约束层的第二电气电阻是通过对所述P型约束层进行离子植入或掺杂而形成。

17.根据权利要求10所述的发光二极管LED芯片，其特征在于，所述N电极包括被选择以提供第一接触电阻的不同材料或者层。

18.根据权利要求10所述的发光二极管LED芯片，其特征在于，所述P电极包括被选择以提供第二接触电阻的不同材料或者层。