CN110660889B - 一种半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体发光元件，其包括半导体发光序列，半导体发光序列包括第一导电类型半导体层、发光层和第二导电类型半导体层，第二导电类型半导体层一侧为出光面，其特征在于:出光面上包括多个独立凹槽，凹槽的底部位于第二导电类型半导体层中，凹槽之外的出光面的区域为光透射阻挡区域，所述的凹槽的侧壁相对于半导体发光序列的厚度方向倾斜的。

Description

一种半导体发光元件
技术领域
本发明涉及一发光元件，且特别是涉及一具有出光方向集中的半导体发光元件。
背景技术
半导体发光元件广泛作为固态发光元件，广泛运用于照明、显示、通讯、电器等领域。
在一些运用需求上，需要限制出光方向一致且集中，例如类激光二极管，需要小的光斑设计。然而目前的类激光二极管通常是将出光方向主要集中在半导体发光外延叠层的一表面侧的局部区域，并且，为了增加出光效率，表面侧通常会做粗化处理，然而粗化处理后获得的表面图形无规则，会导致出光方向混乱，出光角不集中，并且出光强度不够。
发明内容
基于本发明的目的，本发明提供如下一种半导体发光元件，其包括半导体发光序列，半导体发光序列包括第一导电类型半导体层、发光层和第二导电类型半导体层，第二导电类型半导体层一侧为出光面，其特征在于:出光面上包括多个凹槽，凹槽的底部位于第二导电类型半导体层中，凹槽之外的出光面的区域为光透射阻挡区域，所述的多个凹槽为规则的图形，所述的凹槽的侧壁相对于半导体发光序列的厚度堆叠方向是倾斜的。
优选地，所述的凹槽为多个独立的区域。
优选地，所述的凹槽的深度为2~4微米。
优选地，所述的凹槽的水平面积占出光面的水平面积占比是5~95%。
优选地，所述的凹槽的顶部开口的宽度大于等于凹槽的深度。
优选地，所述的相邻凹槽之间的非凹槽区域的宽度为W2，W1+W2介于8~15微米。
优选地，所述的凹槽的内侧壁主要区域偏离发光半导体序列的厚度堆叠方向的角度定义为倾斜度（α），倾斜度为小于90°。
优选地，所述的凹槽的倾斜度（α）为30~70°。
优选地，所述的出光面侧的光阻挡区域至少设置有打线电极和或电极扩展条。
优选地，所述的光透射阻挡区域为光反射层覆盖区域或光吸收层覆盖区域。
优选地，所述的凹槽的内侧壁主要区域包括多个微结构，微结构的尺寸为小于等于1微米。
优选地，所述的规则的图形为倒锥形台、倒尖锥锥形或弧形。
优选地，围绕半导体发光序列的外侧壁主要区域周围包括光透射阻挡层。
优选地，所述的光透射阻挡区域为电极层覆盖区域。
优选地，所述的出光面的出光区域仅集中在凹槽内。
优选地，所述的出光面上的光透射阻挡区域包括电极覆盖区域以及额外的光透射阻挡层覆盖区域，电极与额外的光透射阻挡层之间电性绝缘。
优选地，所述的光透射阻挡层为金属或绝缘介质层。
优选地，所述的半导体发光序列的侧壁主要区域上覆盖的光透射阻挡层为金属层时，所述的金属层与半导体发光序列的内侧壁主要区域之间具有电流阻挡层。
本发明通过上述设计，可以获得如下有益效果：
通过出光面设计为具有倾斜侧壁的凹槽，出光方向更偏向垂直于半导体发光序列的水平表面的方向集中，达到集中出光角的技术效果，以满足点状光源的运用需求，且出光区域无需限制在出光面的局部区域，可以增加光强。
附图说明
附图1为实施例中提及的本发明的一种发光元件沿着半导体发光序列堆叠方向的剖面示意图。
附图2为图1所示的发光元件的椭圆形区域的局部放大图。
附图3为实施例中提及的本发明的一种发光元件出光面的平面示意图。
附图4为图3中虚线位置处沿着半导体发光序列堆叠方向的剖面示意图。
附图5为实施例中提及的本发明的另一种发光元件的出光面的平面示意图。
附图6和附图7分别为图5中的X方向虚线以及Y方向的虚线位置沿着处半导体发光序列堆叠方向获得的剖面示意图。
附图8为实施例中提及的实施例中提及的本发明的一种发光元件沿着半导体发光序列堆叠方向的剖面示意图，该发光元件的内侧壁主要区域被光透射阻挡层覆盖。
附图9为实施例中提及的实施例中提及的本发明的一种发光元件沿着半导体发光序列堆叠方向的剖面示意图，该发光元件的非出光面侧包括反射层、键合层、永久支撑基板和第一电极。
附图标记说明：
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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。
在本发明的下述实施例中，涉及到表示方位的词，例如，“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“周围”等，仅仅是为了使本领域技术人员更好地理解本发明，而不能被理解为限定本发明。
传统的发光元件，至少包括一个半导体发光序列，半导体发光序列包括第一类型半导体层，第二类型半导体层，及发光层位于第一类型半导体层与第二类型半导体层之间。第一类型半导体层与第二类型半导体层提供电子与空穴，电子与空穴于一电流驱动下在发光层复合以发出一光线。半导体发光序列的通常选择一表面如第二类型半导体层作为直接出光面，并且对出光面经过粗化处理，以提高出光效率，粗化的处理深度一般是1~2微米。粗化处理导致表面形貌的无序性，出光方向比较散乱，出光方向不集中。也有人提出将出光区域进行局部遮挡缩小到一个区域内，以获得光束集中区域，然后会导致光的强度降低。
因此，本实施例在传统的结构的基础上做出以下改进，通过出光面设计的有序的凹槽，实现出光方向更偏向垂直于半导体发光序列水平出光面方向，集中出光角的技术效果，以满足点状光源的光束方向集中的需求，且出光区域无需限制在出光面的局部区域，可以增加光强。
如图1~2所示，本实施例提供如下一发光元件100，包括半导体发光序列，半导体发光序列包括第一类型半导体层101，第二类型半导体层103，及发光层102位于第一类型半导体层101与第二类型半导体层103之间。
半导体发光序列的材料包含Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如AlxInyGa(1-x-y)N或AlxInyGa(1-x-y)P或AlxGa1-xAs，其中0≤x ,y≤1；(x+y)≤1。依据发光层102的材料，半导体发光序列可发出波长介于650nm以上的红外光、610nm及650nm之间的红光，波长介于530nm及570nm之间的绿光，或是波长介于420nm及490nm之间的蓝光。
本实施例以610~650nm之间的红光外延为例，其中半导体发光序列的第一类型半导体层101和第二类型半导体层103分别包括提供电子或空穴的N型包覆层以及P型包覆层，可以是铝铟磷，第二导电类型半导体层103还包括一层窗口层铝镓铟磷用于电流扩展以及提供出光面，所述窗口层的厚度较佳的为3~6微米。
一出光面位于半导体发光序列的一面侧，更具体的位于第二类型半导体层103一侧，出光面上有多个凹槽105以及凹槽105以外的光透射阻挡区域，凹槽105的形貌区别于传统的无规则粗化形貌，为规则的图形，具体地如锥形台凹槽或尖锥形凹槽或弧形凹槽，纵向截面为三角形，梯形或者弧形。如图3所示，以平行于半导体发光序列的厚度方向的法线为基准，凹槽105的内侧壁具有偏离法线一定的角度，所述的角度定义为倾斜角，所述倾斜角为小于90度，优选的倾斜角介于30~70°之间，更优选的是凹槽的内侧壁的至少主要区域的倾斜度为40~60°。多个凹槽结合倾斜的内侧壁设计，有利于发光层发出的光通过凹槽的内侧壁的界面发生折射，集中出光角度在更小角度范围内，并且凹槽的倾斜内侧壁可减少反射。
凹槽可以通过如下工艺形成：先光刻胶图形化工艺在第二导电类型半导体层的表面形成掩膜图形，然后干法蚀刻或湿法蚀刻第二导电类型半导体层103的掩膜图形暴露表面。
凹槽105的底部位于第二导电类型半导体层103中，因此第二导电类型半导体层103的厚度需设计大于凹槽105的深度，更具体的所述的凹槽的底部位于第二导电类型半导体层的窗口层中。
凹槽105的深度D1优选的是大于等于凹槽的底部到发光层之间的厚度（包括部分窗口层以及包覆层的厚度），优选地是前者为后者的两倍以上以及五倍以下，凹槽的深度D1优选的是2~4微米，或者较佳的如3~4微米，凹槽的底部的窗口层的厚度为较佳的1~2微米以利于电流扩展。
凹槽105的顶部开口的宽度W1大于等于D1，更优选地，W1为3~4微米，有利于出光；优选的，所述的凹槽105可以尽量整面的覆盖在出光面表面。所述的凹槽105在第二类型半导体层104表面的水平覆盖面积占比为5~95%，或者较佳的30~60%。
所述的凹槽105之间的非凹槽区域具有一定的宽度W2，W1+W2介于8~15微米。受到目前的光刻胶图形工艺的限制，W1+W2的最小宽度大小为8微米，但是不能超过15微米。
凹槽105之外的区域为光透射阻挡区域，光透射阻挡区域包括凹槽之间宽度为Ｗ2的区域，光透射阻挡区域为光透射阻挡层104覆盖的区域，凹槽的内侧壁以及底部被暴露，可实现当发光层发出的光到达光透射阻挡层104的表面时，能够被阻挡透过，从而可以实现发光层发出的光大部分经过凹槽内侧壁出光，使出光方向更偏向垂直半导体发光序列的水平出光面，达到集中出光角的技术效果，以满足点状光源运用需求，且出光区域无需限制在出光面的局部区域，可以增加光强。相反的若凹槽之外的出光面表面无光透射阻挡区层覆盖，则光可以从凹槽的内部以及凹槽之间的区域出去，凹槽之间的区域会导致出光方向仍然大部分散乱，优选的凹槽的底部的宽度占凹槽的开口的宽度的20%以下或10%以下，以增加侧壁的出光面积。所述的光透射阻挡层104的水平覆盖面积占比与凹槽105的水平覆盖面积占比之和等于第二导电类型半导体层103的水平截面积。
优选地，所述的光透射阻挡层104为实现透光阻挡，优选地为具有吸光作用和或具有反射作用的层，具体的可以是金属材料或绝缘材料，绝缘材料为无机介质膜或有机聚合膜，所述的金属材料可以为吸光材料，包含钛、铬、镍、或上述的组合，厚度较佳地为30nm以上，能够保证该金属材料具有吸光作用，吸光度为至少80%。所述的金属材料也可以为反射材料，如铝、金、银、锌、镍、铍或锗或上述的组合，厚度足以实现该层能够反射发光层发出的光，反射层的反射率至少为80%。
光透射阻挡层104可包括电极层，电极层的底部直接与第二导电类型半导体层接触或通过欧姆接触层与第二导电类型半导体层接触。
作为一个实施例，如图3~4所示，所述的光透射阻挡层104全部为电极层，即相邻凹槽之间的光透射阻挡区域全部为电极层覆盖区域，所述的电极层将电流自打线电极1041在出光面侧以围绕数个凹槽的方式进行水平扩散，并且在电极层与第二导电类型半导体层103之间纵向电流传递。光透射阻挡层104构成了第二电极112。所述的电极层与第二导电类型半导体层之间也可以包括欧姆接触层1031，所述的欧姆接触层为第二导电类型半导体层的一部分，更优选地为局部高掺杂层，利于电极层与第二导电类型半导体层之间形成欧姆接触。
所述的打线电极1041位于出光面上，优选地设置在出光面的非中央区域，即位于出光面的边缘区域或出光面的角落区域，通过此设计，将电极打线区域与凹槽的出光区域分开，形成独立的出光区域以及打线区域，避免打线电极1041对出光区域形成挡光作用，形成光的阴影区。
或者作为一个替代性的实施例，如图5~7所示，所述的光透射阻挡区域分为电极层覆盖区域以及非电极层覆盖区域两个区域，以形成不同功能的区域，并且非电极层覆盖区域与电极层覆盖区域之间电绝缘，所述的电极层覆盖区域至少包括一个打线电极1041用于外部电性连接，所述打线电极1041周围还包括电流扩展条1042部分，电流扩展条1042自打线电极1041在出光面上水平延伸，并且电流扩展条1042延伸至部分凹槽之间的第二导电类型半导体层表面侧，电流可从打线电极水平扩散至扩展条再纵向传递至第二导电类型半导体层表面实现电流的均匀扩散，出光面均匀出光。
所述的电流扩展条的宽度优选地介于1~3微米。电流扩展条的形状可以是环状、线状如曲线或直线或者环状与线型的组合。
前述的电极层、打线电极、电流扩展条对发光层辐射的光至少具有光透射阻挡作用，可具有吸光层，或更优选的电极层、打线电极或电流扩展条的底层为光反射层。电极层、打线电极、电流扩展条优选为多层金属或合金组合而成，金属包含如下至少之一种：铜，铝，金，镧，或银；金属合金包含如下至少之一种：锗金，铍金，铬金，银钛，铜锡，铜锌，铜镉，锡铅锑，锡铅锌，镍锡，或镍钴。
如图5~7所示，所述的非电极层覆盖区域的覆盖材料不同于电极覆盖区域的电极层材料，非电极层覆盖区域的覆盖材料主要用于光透射阻挡，较佳的可以具有比电极覆盖区域更强的光透射阻挡功能，即包括至少一层额外的光透射阻挡层1043，并与电极层覆盖区域之间电绝缘。所述额外的光透射阻挡层1043可为光反射层或光吸收层，将光束反射回发光层，从凹槽内侧壁主要区域出光或者吸收光阻挡光透射。
由于非电极层覆盖区域与电极层覆盖区域之间电绝缘，所述额外的光透射阻挡层1043可以为金属，吸光性金属或反射性金属，如图8所示，光透射阻挡层1043与第二导电类型半导体层之间还包括一层绝缘介质层106。反射性金属与绝缘介质层106搭配为ODR结构，可以增加反射功效。所述的绝缘介质层106优选的为氧化硅、氮化硅、氟化镁等至少之一种低折射率的材料。或者所述的光透射阻挡层1043为无机介质层时，所述的光透射阻挡层104优选地是布拉格反射层，如氧化钛/氧化硅的重复叠层。
半导体发光序列还包括与出光面相对的非出光面以及侧壁，作为一个实施方式，如图9所示，所述半导体发光序列的侧壁也被设计为光透射阻挡区域，即包括光透射阻挡层1044同时覆盖在侧壁周围，并且至少发光层102的侧壁主要区域周围被光透射阻挡层覆盖，阻挡发光层辐射的光自侧壁透射出去，由此将光集中在出光面上的凹槽内辐射出去，集中发光角。
所述半导体发光序列的侧壁的光透射阻挡层1044的材料可以是吸光材料和或反射材料。侧壁的光透射阻挡层1044可以与出光面上的光透射阻挡层104为连续的或不连续的，为相同的材料或不同的材料，或进一步的所述的光透射阻挡层104同时从出光面侧延伸至覆盖侧壁形成光透射阻挡层1044部分。
如图9所示，所述半导体发光序列侧壁的光透射阻挡层1044为金属层时，所述的光透射阻挡层1044与侧壁之间还包括另一绝缘保护层107用于电绝缘所述光透射阻挡层1044与半导体发光序列。或者所述的绝缘保护层107可与图8所示的绝缘介质层106为同一层。所述的绝缘保护层107优选的为氧化硅、氮化硅、氟化镁等至少之一种低折射率的材料。
如图9所示，所述的半导体发光序列具有一非出光面侧的第一导电类型半导体层101电连接的第一电极111。
所述的第一电极111自所述的半导体发光序列的非出光面侧引出，同时非出光面侧可具有一永久支撑基板110，所述的基板为导电基板，如硅、金属基基板，如铜钨基板或砷化镓基基板。所述永久支撑基板110可以是半导体发光序列的生长基板，也可以是在生长基板上获得半导体发光序列之后，通过键合层109将半导体发光序列转移至该永久支撑基板110上。第一电极111位于永久支撑基板110的背面侧，所述的第一电极111包括但不限于金属层如金、金锡等。
所述的键合层109与第一导电类型半导体层101之间还可包括反射层108，所述的反射层108用于将发光层103辐射至非出光面侧的光尽量反射回半导体发光序列，并且从出光面出光。所述的反射层108的反射率至少为80%，例如金属反射层，如金、银，或例如布拉格反射层，如第一导电类型半导体材料制作的DBR反射层或者无机绝缘材料制作的布拉格反射层，如氧化硅/氧化钛，或例如金属反射层与绝缘介电层组合的ODR反射层，如金与氧化硅。所述的反射层108在半导体发光序列的非出光面的覆盖区域至少大于等于凹槽的覆盖区域，或者更佳的所述的反射层108覆盖在整面的半导体发光序列的非出光面上。
本发明的发光元件可作为类激光二极管，广泛运用于传感器、通讯领域。
以上各附图与说明虽仅分别对应特定实施例，然而，各个实施例中所说明或公开的元件、实施方式、设计准则、及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾、或难以共同实施之外，吾人当可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。
虽然本发明已说明如上，然其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与制作方法。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims (18)

1.一种半导体发光元件，其包括半导体发光序列，半导体发光序列包括第一导电类型半导体层、发光层和第二导电类型半导体层，第二导电类型半导体层一侧为出光面，其特征在于:出光面上包括多个独立凹槽，凹槽的底部位于第二导电类型半导体层中，凹槽之外的出光面的区域为光透射阻挡区域，所述的多个凹槽为规则的图形，所述的凹槽的侧壁相对于半导体发光序列的厚度堆叠方向倾斜。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述的凹槽为多个独立的区域。
3.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述的凹槽的深度为2~4微米。
4.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述的凹槽的水平面积占出光面的水平面积占比是5~95%。
5.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述的凹槽的顶部开口的宽度大于等于凹槽的深度。
6.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述凹槽的顶部的开口的宽度为W1，的相邻的所述凹槽之间的非凹槽区域的宽度为W2，W1+W2介于8~15微米。
7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述的凹槽的内侧壁偏离半导体发光序列厚度堆叠方向角度定义为倾斜度（α），倾斜度为小于90°。
8.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述的凹槽的内侧壁倾斜度（α）为30~70°。
9.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：凹槽的深度是大于等于凹槽的底部到发光层之间的厚度。
10.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述的出光面侧的光阻挡区域至少设置有打线电极和或电极扩展条。
11.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述的光透射阻挡区域为光反射层覆盖区域或光吸收层覆盖区域。
12.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述凹槽为锥形台凹槽或尖锥形凹槽或弧形凹槽中一种。
13.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：围绕半导体发光序列的侧壁周围包括光透射阻挡层。
14.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述的光透射阻挡区域为电极层覆盖区域。
15.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述的出光面的出光区域仅集中在凹槽内。
16.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述的出光面上的光透射阻挡区域包括电极覆盖区域以及额外的光透射阻挡层覆盖区域，电极与额外的光透射阻挡层之间电性绝缘。
17.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征在于：所述额外的光透射阻挡层为金属或绝缘介质层。
18.根据权利要求13所述的半导体发光元件，其特征在于：所述的半导体发光序列的侧壁周围覆盖的光透射阻挡层为金属层时，金属层与所述的半导体发光序列的侧壁之间具有电流阻挡层。
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