CN109817781A - 一种正装集成单元发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体材料和器件工艺领域，特别是半导体光电器件。本发明提供一种正装集成单元发光二极管，包括：第一导电类型电极，第二导电类型电极，及位于所述第一导电类型电极和第二导电类型电极之间的二极管台面结构，所述二极管台面结构包括多个二极管单元，所述多个二极管单元呈几何形状排列。本发明解决了现有技术存在的二极管结构在流明效率、流明密度输出、流明成本三个重要的参数上极大局限性的技术问题，提高了单位面积芯片的流明输出，降低了流明成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料和器件工艺领域，特别是半导体光电器件。
背景技术
常规的正装集成单元发光二极管，电流扩散不均匀，导致发光效率的损失，现有结构下的二极管芯片散热通过蓝宝石衬底实现，散热性较差，从而影响芯片的效率和稳定性，因此通常正装发光二极管芯片主要的应用领域为0.5瓦以下的中小功率芯片市场，无法提供单位面积流明输出高的产品。电流扩散的不均匀、热扩散的不均匀和光提取的不均匀，导致其在流明效率、流明密度输出、流明成本三个重要的参数上有极大的局限性，目前市场上的正装发光二极管技术无法提供有效的解决方案。
现有技术一为专利公开号为US6614056B1的美国专利申请，如图1所示，21/23为n型电极，19/20ab为p型电极。电流的扩散的机理如下：ITO与p-GaN形成欧姆接触后，在ITO上沉积19/20ab金属，通过金属线的方式，将空穴扩散到p-GaN，到达量子阱有源区，在量子阱有源区与21/22n型电极扩散过来的电子通过辐射复合发光，获得发光的LED器件。采用ITO透明导电欧姆接触，加金属引线的电流扩散方式，由于ITO电阻率大，且p型GaN材料电导率也不佳，因此总体电流扩散非常不均匀。此外由于LED芯片的电流扩散长度与电流密度的平方根成反比，因此在大电流的注入下，电流的扩散长度更短，导致芯片的电流扩散更加的不均匀，效率更低，散热更加困难。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的二极管结构流明效率、流明密度输出、流明成本三个重要的参数上有极大局限性的技术问题，提出一种流明效率高、流明密度输出大的集成单元二极管。
为实现上述目的，本发明提供一种正装集成单元发光二极管，其特征在于，包括：
第一导电类型电极，第二导电类型电极，及位于所述第一导电类型电极和第二导电类型电极之间的二极管台面结构，
所述二极管台面结构包括多个二极管单元，所述多个二极管单元呈几何形状排列。
优选的，所述二极管台面结构的尺寸小于电流扩散的长度。
优选的，所述二极管单元的几何设计及数量根据微纳结构尺寸效应及电流密度匹配设置。
优选的，所述二极管单元的连接方式可以为：并联，串联，一定比例的串并联混合。
优选的，所述二极管单元形状可以为：三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、圆形。
优选的，所述二极管单元为任意自定义形状。
优选的，所述二极管单元长度为0.1-200微米。
优选的，所述二极管单元数量为n个，n≥2，优选为2个-100万个。
优选的，所述二极管台面结构内，所述二极管单元大小相等或不等，所述二极管单元按照均匀的晶格排列分布或不均匀分布设置。
优选的，所述二极管台面结构内，所述二极管单元按照均匀的排列分布。
优选的，所述二极管台面结构内，所述二极管单元大小不等，不均匀分布设置。
优选的，所述二极管台面结构包括透明导电电极，其中所述透明导电电极由手指线结构电极引出构成。
优选的，所述手指线宽度为0.1-20微米，所述手指线厚度为0.1-10微米。
优选的，所述电极采用线条形金属和/或氧化铟锡材料。
优选的，所述线条形金属材料为铝、银、钛、镍、金、铂、铬。
一种正装集成单元发光二极管，其特征在于，包括：衬底，缓冲层，第一导电类型半导体层，第二导电类型电极和量子阱有源区位于所述第一导电类型半导体层上，第二导电类型半导体层位于量子阱有源区上，透明电极位于所述第二导电类型半导体层，绝缘介质层位于所述第一导电类型半导体层上并部分覆盖所述透明电极，第一导电类型电极位于所述绝缘介质层上并部分覆盖所述绝缘介质层上和所述透明电极，其中所述透明电极由手指线结构构成。
优选的，所述单元发光二极管发出的光波长涵盖UVC、UVB、UVA、紫光、蓝光、绿光、黄光、红光、红外光等光谱。其特征在于，UVC、UVB、UVA、紫光、蓝光、绿光、黄光、红光单元发光二极管可采用AlN、AlGaN、GaN和InGaN材料体系，衬底可以是平面衬底，也可以是图形化衬底，衬底材料采用蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化镓或硅衬底；黄光、红光、红外光单元发光二极管可采用GaAs，GaAsP，AlGaInP四元系材料体系，衬底可以是平面衬底，也可以是图形化衬底，衬底材料采用InP、GaAs、蓝宝石或硅。
优选的，所述手指线宽度为0.1-20微米，所述手指线厚度为0.1-10微米。
优选的，所述电极采用线条形金属和/或氧化铟锡材料。
优选的，所述线条形金属材料为铝、银、钛、镍、金、铂、铬等。
优选的，所述正装集成单元发光二极管构成的功率芯片尺寸面积的范围为50＊50微米小功率芯片至100000＊100000微米的超大功率芯片。
优选的，所述正装集成单元发光二极管构成的功率芯片的功率为0.01W到10W。
本发明所采用的正装集成单元发光二极管，通过纳微米尺寸结构效应，在光、电、热三个层面突破现有正装LED技术的局限性。单元芯片的尺寸设计控制在电流扩散长度以内，其较高自由度的几何优化设计方式，可同时解决困扰LED芯片设计的n-电极和p-电极电流扩散不均匀的问题，从而得到更高的光电转换效率/流明效率；每个二极管单元的纳微结构可增加侧壁的出光面积，从而提升光萃取效率；单元芯片尺寸的缩小，带来更大的侧壁散热面积，具备更佳的散热性能，可以允许超大电流密度的注入而不影响其稳定性，从而极大的提高单位面积芯片的流明输出，降低流明成本。
附图说明
图1是现有技术的发光二极管芯片结构图
图2是本发明实施例一提供的正装集成单元发光二极管正面剖视图
图3是本发明实施例二提供的正装集成单元发光二极管正面剖视图
图4是本发明实施例三提供的正装集成单元发光二极管正面剖视图
图5是本发明实施例四提供的正装集成单元发光二极管侧面剖视图
图6是本发明实施例四提供的正装集成单元发光二极管侧面剖视图
图7是本发明提供的正装集成单元发光二极管正面剖视
图8是本发明提供的正装集成单元发光二极管正面剖视
图9是本发明提供的正装集成单元发光二极管正面剖视
图10是本发明提供的正装集成单元发光二极管正面剖视
图11是本发明提供的正装集成单元发光二极管正面剖视
图12是本发明提供的正装集成单元发光二极管正面剖视
图13是本发明提供的正装集成单元发光二极管侧面剖视图
图14是本发明提供的正装集成单元发光二极管电路图
图15是本发明提供的正装集成单元发光二极管正面剖视
图16是本发明提供的正装集成单元发光二极管侧面剖视图
n电极1，p电极2，台面结构3，绝缘层4，p型氮化镓材料(p-GaN)5，量子阱有源区6，n型氮化镓材料(n-GaN)7，本征氮化镓材料(u-GaN)8，衬底9，反射镜10，透明导电电极11，连接金属12，6V高压LED芯片单元13。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
鉴于现有的二极管结构流明效率、流明密度输出、流明成本三个重要的参数上极大的局限性，本发明实施例提供一种流明效率高、流明密度输出大的正装集成单元二极管，以下结合附图，以氮化镓材料体系为例，对本发明进行详细说明。本发明也可采用GaAs，GaAsP，AlGaInP四元系材料等材料体系。
首先定义芯片单元的设计，如图7所示，芯片的单元按照J×K的单元排列分布，在图7的事例中，J＝6，K＝10。在其他的任意一中设计中，J＝1，2，3，...，10000；K＝1，2，3，...，10000。
其次定义A系列的电极分布为n/p电极在垂直方向上没有重叠的分布，以下五种设计可以分别命名为A1、A2、A3、A4、A5。在A系列中，定义手指线的排布方式，n/p电极如手指般交叉排列。如A1分布中，p电极具备3根金属线，n电极具备4根金属线。在其他任意一种设计中，可以包含L根p电极手指线和M根n电极手指线，且M＝L+1、或L、或L-1、或L-2、或L-3、或L-4、或L-5...，直到M＝1。考虑到n电极扩散不需上述数量的手指线即能满足要求的情况，将L、M的具体排列列表穷举。
如图7所示，为平行电极分布设计；如图8所示，为n电流扩散加强型的电极分布设计，每一个单元的三面为n-电极围绕，另外一面为p电极；如图9所示，为p电流扩散加强型的电极分布设计，每一个单元的三面为p-电极围绕，另外一面为n电极；如图10所示，为n/p电流扩散平衡型的电极分布设计，每一个单元有两面被n-电极环绕，两面被p-电极环绕。
如图11所示，为n/p电流扩散平衡型电极分布设计，每一个单元的两面被n-电极环绕，两面被p-电极环绕。
以上为np电极分开的分布设计方案，下述为增加n/p电极的重叠的设计方案。
定义B系列的电极分布为N/P电极在垂直方向上重叠的分布，电极之间依靠中间插入一层绝缘层隔开，可以类似按照A系列分别命名为B1、B2、B3、B4、B5。
举例类似A1平行分布下的B1设计如下，如图12所示，为n/p电极重叠的设计示意图，图中展示了7条横向排列的p-电极线，每条水平p-电极线下相应埋一条n-电极线，n-电极线延伸至左侧LED单元的边缘处。如图13所示，为该设计的侧面示意图，n/p电极通过绝缘层4隔开，绝缘层的材料可以是氧化硅(SiO2)，氮化硅(SiNx)，氧化铝(Al2O3)，或者三种材料的组合；绝缘层厚度为0.02-2微米，采用PECVD(plasma enhanced chemical Vapordeposition)或ALD(atomic layer deposition)的方式沉积制备。
以下为6V高压集成单元发光二极管(ic-LED)芯片设计举例，其中每两颗芯片单元之间相互串联，形成6V的高压芯片单元，每个6V的高压芯片单元之间相互并联，其电路图如图14所示。
如图15所示，为6V高压集成单元发光二极管(ic-LED)的芯片设计示意图，图中标出其中6V高压LED芯片单元13，每个单元之间相互绝缘，其中n型氮化镓材料(n-GaN)平台7处为每个单元所露出的，通过中间的桥接金属串联连接左侧芯片的n电极和右侧芯片的p电极。各6V高压LED芯片单元13之间相互并联，因此即便其中某一组单元出现坏死，也不会影响整体芯片的发光；且芯片单元的数目越多，某坏死点对于集成单元发光二极管(ic-LED)整体的影响越小，从而大大增强了芯片的鲁棒性。如图16所示，展示了每个6V高压LED芯片单元13的截面图，其中连接金属12用于两个单元之间串联。
通过以上的6V高压集成单元发光二极管(ic-LED)芯片的设计，也同时可以扩展到9V为三个单元串联、12V为四个单元串联，直到36V，直到108V，直到216V等各种高压集成单元发光二极管(ic-LED)芯片，覆盖所有引申出的串、并联的芯片结构设计。
实施例一
本实施例提供一种正装集成单元发光二极管，如图2所示，包括：
P型电极1，N型电极2，二极管台面结构3，二极管台面结构3包括6排共102个等大小均匀分布的三角形二极管单元。
由于氧化铟锡(ITO)电阻率大，且P型GaN材料本身电导率不佳，导致存在电流扩散不均匀的问题。本实施例采用ITO加金属线的电流扩散方式，正装集成单元发光二极管结构中，二极管台面结构采用三角形排列，尺寸为0.1-200微米之间，台面结构的尺寸小于电流注入的扩散长度。电极材料采用ITO/Al/Ag等不吸光材料以提高光效，手指线的宽度为0.1-20微米，厚度为0.1-10微米。
由于二极管芯片的电流扩散长度与电流密度的平方根成反比，因此在大电流的注入下，电流的扩散长度更短，导致芯片的电流扩散更加的不均匀，效率更低，散热更加困难。采用正装集成单元发光二极管结构设计，可以灵活的改变二极管台面结构的尺寸、形状，可以获得指定工作电流下最佳的电流扩散和散热性能，并极大的提升芯片的注入电流密度，从而提升单位面积的流明输出。
实施例二
本实施例提供一种正装集成单元发光二极管，如图3所示，包括：
P型电极1，N型电极2，二极管台面结构3，二极管台面结构3包括6排共52个等大小均匀分布的正方形二极管单元。
二极管台面结构3结构采用正方形的二极管单元排列，长度为0.1-200微米，为使得具有更佳的电流扩散性能，台面结构长度小于电流注入的扩散长度。电极材料采用ITO/Al/Ag等不吸光材料以提高光效，手指线的宽度为0.1-20微米，厚度为0.1-10微米。
这种设计结构可以获得指定工作电流下最佳的电流扩散和散热性能，并极大的提升芯片的注入电流密度，从而提升单位面积的流明输出，照明应用的正装集成单元发光二极管的工作电流密度范围为超过1A/mm2，高于常规发光二极管芯片的电流工作范围。
实施例三
本实施例提供一种正装集成单元发光二极管，如图4所示，包括：
P型电极1，N型电极2，二极管台面结构3，二极管台面结构3包括6排共6个非等大小的均匀分布的长方形二极管单元。
二极管台面结构3结构采用长方形的二极管单元排列，长方形最窄处长度为0.1-200微米，为使得具有更佳的电流扩散性能，台面结构长度小于电流注入的扩散长度。这种设计结构可以获得指定工作电流下最佳的电流扩散和散热性能，并极大的提升芯片的注入电流密度，从而提升单位面积的流明输出。
实施例四
本实施例提供一种正装集成单元发光二极管，如图5、6所示，包括：
P型电极1，N型电极2，二极管台面结构3，绝缘介质层4，p型氮化镓材料(p-GaN)5，量子阱有源区6，n型氮化镓材料(n-GaN)7，本征氮化镓材料(u-GaN)8，衬底9，背面反射镜10，透明导电电极11。衬底9可以是平面衬底，也可以是图形化衬底，衬底材料是蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化镓或硅；背面反射镜10可以是Al或DBR反射镜。台面结构3为衬底以上部分。如图6所示，p-电极与n-电极的示意区域为预留打金线区域。
0.5W常规的正装集成单元发光二极管产品，驱动电流通常为150mA，驱动电流密度在0.7A/mm2左右。本发明中，0.5W的正装集成单元发光二极管的驱动电流将在1.5A/mm2以上，每个发光二极管单元可以承受的电流密度是常规正装发光二极管产品的2倍以上。比如典型的0.5W正装LED芯片，当驱动电流超过150mA时，由于电流扩散的不均匀，正装LED芯片的电压VF急剧上升，热效应非常显著，因此芯片无法承受大电流的驱动；而对应的集成单元发光二极管(ic-LED)芯片驱动电流可以增加到600mA以上，同时对比电压VF增加较小。因此集成单元发光二极管(ic-LED)可以承受的电流密度是正装LED的好几倍以上，带来了巨大的流明密度和流明成本的优势。
此处先以0.5W LED芯片举例，说明了集成单元发光二极管(ic-LED)芯片的巨大流明密度和流明成本的优势。另外需要强调的一点是正装LED芯片由于电流扩散和散热的困难，只能做0.5W输出的产品。但同等尺寸下的集成单元发光二极管(ic-LED)产品，由于可以驱动到600mA以上的电流，实际上已经达到了2W的驱动功率，因此芯片的流明输出可以是正装产品的4倍以上，实现了正装中小功率LED产品所不具备的超高流明密度输出。
综上所述，本发明的实施例提供的正装集成单元发光二极管，具有以下有益效果：
(1)本发明的二极管单元的长度设计控制在电流扩散长度以内，优化的具备一定自由度的几何设计可以更进一步的提升出光效率，可同时解决困扰LED芯片设计的n-电极和p-电极电流扩散不均匀的问题，从而得到更高的光电转换效率/流明效率；
(2)本发明的每个二极管单元的微纳结构增加侧壁的出光面积，从而提升光萃取效率；
(3)本发明的集成单元发光二极管尺寸的缩小，带来更大的侧壁散热面积，具备更佳的散热性能，允许超大电流密度的注入而不影响其稳定性，极大的提高单位面积芯片的流明输出，降低流明成本；
(4)本发明的集成单元发光二极管适于UVC、UVA、UVB、紫光、蓝光、绿光、黄光、红光、红外光等各色系的LED产品，可用于LED照明，背光，显示，植物照明，医疗和其他半导体发光器件应用领域。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种正装集成单元发光二极管，其特征在于，包括：
第一导电类型电极，第二导电类型电极，及位于所述第一导电类型电极和第二导电类型电极之间的二极管台面结构，
所述二极管台面结构包括多个二极管单元，所述多个二极管单元呈几何形状排列，优选所述二极管单元形状为：三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、圆形及其他任意自定义形状。
2.一种如权利要求1所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述二极管台面结构的尺寸小于电流扩散的长度。
3.一种如权利要求1所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述二极管单元的连接方式可以为：并联，串联，一定比例的串并联混合。
4.一种如权利要求1-3所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述二极管单元长度为0.1-200微米。
5.一种如权利要求1-3所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述二极管单元数量为n个，n≥2；优选为2个-100万个。
6.一种如权利要求1-3所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述二极管台面结构内，单元大小相等或不等，所述二极管单元按照均匀的排列分布或不均匀分布设置。
7.一种如权利要求1-3所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述二极管台面结构包括透明导电膜，其中所述导透明导电膜电由手指线结构电极引出构成。
8.一种如权利要求7所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述手指线宽度为0.1-20微米，所述手指线厚度为0.1-10微米。
9.一种如权利要求1-3所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述电极采用线条形金属和/或氧化铟锡材料，优选所述线条形金属材料为铝、银、钛、镍、金、铂、铬。
10.一种正装集成单元发光二极管，其特征在于，包括：衬底，缓冲层，第一导电类型半导体层，第二导电类型电极和量子阱有源区位于所述第一导电类型半导体层上，第二导电类型半导体层位于量子阱有源区上，透明电极位于所述第二导电类型半导体层，绝缘介质层位于所述第一导电类型半导体层上并部分覆盖所述透明电极，第一导电类型电极位于所述绝缘介质层上并部分覆盖所述绝缘介质层上和所述透明电极，其中所述电极由手指线结构构成。
11.一种如权利要求10所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述手指线宽度为0.1-20微米，所述手指线厚度为0.1-10微米。
12.一种如权利要求10所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述电极采用线条形金属和/或氧化铟锡材料，优选所述线条形金属材料为铝、银、钛、镍、金、铂、铬。
13.一种如权利要求1或10所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述正装集成单元发光二极管构成的功率芯片尺寸面积的范围为50＊50微米小功率芯片至100000＊100000微米的超大功率芯片。
14.一种如权利要求1或10所述的正装集成单元发光二极管，其特征在于，所述正装集成单元发光二极管构成的功率芯片的功率为0.01W到10W。
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