CN112993115A - 一种发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种发光二极管，包括：衬底；发光外延层，包括依次层叠设置于衬底上的第一半导体层、有源发光层以及第二半导体层；第一电极和第二电极，分别与第一半导体层和第二半导体层电连接。第一电极和第二电极在衬底上的投影彼此错开，发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点在衬底上的投影与第一电极在衬底上的投影和第二电极在衬底上的投影的最短间隔距离之和不大于80微米，发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例不大于72％，且第一半导体层和第二半导体层均是采用基于氮化铟镓体系的材料。通过上述方式，本申请能够有效改善电流分布的均匀性，进而提升发光二极管的流明密度和流明效率，降低流明成本。

Description

一种发光二极管
技术领域
本申请涉及半导体领域，特别是一种发光二极管。
背景技术
发光二极管是将电能转换为光的固态元件，发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可以实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。
目前，发光二极管的电流一般采用横向扩散方式注入至有源发光层，而这种横向扩散方式具有天然的电流非均匀分布的特性，导致局部区域的电流密度过大。局部区域的电流密度过大容易引起两方面问题：
1.局部电流过大容易引起电光转换效率下降，导致流明效率和流明密度的下降；
2.局部电流过大容易引起局部过热，导致发光二极管的使用寿命和可靠性的下降，并需要通过复杂的封装设计来实现散热，提高了流明成本。
发明内容
本申请提供一种发光二极管，能够改善电流分布均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度，并降低流明成本。
一方面，本申请提供了一种发光二极管，包括：衬底；发光外延层，包括依次层叠设置于衬底上的第一半导体层、有源发光层以及第二半导体层；第一电极和第二电极，分别与第一半导体层和第二半导体层电连接；其中，第一电极和第二电极在衬底上的投影彼此错开，发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点在衬底上的投影与第一电极在衬底上的投影和第二电极在衬底上的投影的最短间隔距离之和不大于80微米，发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例不大于72％，且第一半导体层和第二半导体层均是采用基于氮化铟镓体系的材料。
另一方面，本申请提供了一种发光二极管，包括：衬底；发光外延层，包括依次层叠设置于衬底上的第一半导体层、有源发光层以及第二半导体层；第一电极和第二电极，分别与第一半导体层和第二半导体层电连接；其中，第一电极和第二电极在衬底上的投影彼此间隔设置，且最短间隔距离小于80微米，发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例小于72％，且第一半导体层和第二半导体层均是采用基于氮化铟镓体系的材料。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请以牺牲有效发光面积为代价，根据在不同工作电流下工作电压VF和光电转换效率WPE随发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点在衬底上的投影与第一电极在衬底上的投影和第二电极在衬底上的投影的最短间隔距离之和L1+L2的变化规律，将基于氮化铟镓材料体系的发光二极管的最短间隔距离之和L1+L2设置成小于80微米，并将发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例小于72％。在该尺寸和比例范围下，可有效改善电流分布的均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度。同时，发光二极管的寿命和可靠性高，不需要复杂的封装设计来进行散热，降低了发光二极管的流明成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是根据本申请第一实施例的发光二极管的俯视图；
图2是沿图1的A1-A1方向的局部截面示意图；
图3是用于描述采用图1所示结构的基于氮化镓材料体系的蓝光发光二极管在不同工作电流下工作电压随L1+L2变化的曲线示意图；
图4是用于描述采用图1所示结构的基于氮化镓材料体系的蓝光发光二极管在不同工作电流下光电转换效率随L1+L2变化的曲线示意图；
图5是根据本申请第二实施例的发光二极管的俯视图；
图6是沿图5的A2-A2方向的局部截面示意图；
图7是根据本申请第三实施例的发光二极管的俯视图；
图8是根据本申请第四实施例的发光二极管的俯视图；
图9是沿图8的B1-B1方向的局部截面示意图；
图10是描述采用图8所示结构的基于氮化镓材料体系的蓝光发光二极管的工作电压随M1+M2变化的曲线示意图；
图11是根据本申请第五实施例的发光二极管的俯视图；
图12是沿图11的B2-B2方向的局部截面示意图；
图13是根据本申请第六实施例的发光二极管的俯视图；
图14是沿图13的B3-B3方向的局部截面示意图；
图15是根据本申请第七实施例的发光二极管的俯视图；
图16是沿图15的B4-B4方向的局部截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1和图2所示，根据本申请第一实施例的发光二极管为正装结构的发光二极管，并包括衬底11、发光外延层12、第一电极13和第二电极14。发光外延层12进一步依次层叠设置于衬底11上的第一半导体层121、有源发光层122以及第二半导体层123。在本实施例中，衬底11可以采用例如蓝宝石、SiC、GaN、AlN、硅或其他适当材料。第一半导体层121为N型半导体层，对应的第一电极13也称为N型电极。第二半导体层123为P型半导体层，对应的第二电极14也称为P型电极。在其他实施例中，第一半导体层121和第二半导体层123可以是具有不同导电类型的其他任意适当材料的单层或多层结构。
进一步，如图1和图2所示，在本实施例中，第一电极13和第二电极14为条形电极，且第一电极13在衬底11上的投影和第二电极14在衬底11上的投影彼此错开。具体而言，在本实施例中，第一电极13和第二电极14分别为沿第一方向D1延伸且沿垂直于第一方向D1的第二方向D2彼此间隔设置的指状电极，进而使得二者在衬底11上的投影彼此错开设置。第一电极13和第二电极14进一步连接第一焊盘15和第二焊盘16，进而通过第一焊盘15和第二焊盘16与外部电路进行连接。
进一步，第二半导体层123和有源发光层122上设置有沟槽124，沟槽124将第二半导体层123和有源发光层122划分成第一方向D1和第二方向D2彼此间隔的多个阵列排布的台面结构(Mesa)125，并暴露部分第一半导体层121。
在本实施例中，第一电极13和第二电极14分别设置在台面结构125两侧的沟槽124内。第一电极13设置在第一半导体层121上，并与第一半导体层121电连接，例如在本实施例中，第一电极13与第一半导体层121通过直接接触的方式形成电连接。
台面结构125和第一电极13所外露的第一半导体层121上进一步覆盖绝缘层17，绝缘层17沿台面结构125的侧壁延伸至台面结构125的顶部，并至少部分暴露台面结构125的顶部的第二半导体层123，电流扩散层18与第二半导体层123电连接。电流扩散层18进一步延伸至沟槽124内，并通过绝缘层17与第一半导体层121和有源发光层122电性隔离。第二电极14设置在位于沟槽124内的电流扩散层18上，通过电流扩散层18电连接至第二半导体层123。
在其他实施例中，第一电极13和第二电极14也可以通过其他方式电连接至第一半导体层121和第二半导体层123，包括并不限于下文所描述的其他方式。
通过上述结构，由电子形成的电流从第一电极13注入第一半导体层121，沿第一半导体层121横向扩散并注入有源发光层122，而由空穴形成的电流从第二电极14经电流扩散层18注入第二半导体层123，沿电流扩散层18和第二半导体层123横向扩散并注入有源发光层122。电子和空穴在有源发光层122内进行辐射复合，并产生光子，进而形成发光。进一步，如图2所示，台面结构125沿第二方向D2的横截面呈梯形设置，进而使得有源发光层122所产生的光能够从台面结构125的倾斜侧壁出射，提高出光效率。在本实施例中，绝缘层17采用透明介质材料(例如，SiO2)，而电流扩散层18采用透明导电材料(例如，ITO)。绝缘层17还进一步对台面结构125进行水氧保护和电性隔离。
如上述结构可知，发光外延层12内的电流进行横向扩散的距离由第一电极13和第二电极14之间的横向间距决定。在现有技术中，第一电极13和第二电极14之间的横向间距设置得过大，导致注入有源发光层122的电流的电流密度分布的均匀性较差，进而产生上文背景技术中所描述的问题。
在本实施例中，发光外延层12的至少部分发光区域内的任意一发光点A在衬底11上的投影与第一电极13在衬底11上的投影的最短间隔距离为L1，与第二电极14在衬底11上的投影的最短间隔距离为L2。两个最短间隔距离之和为L1+L2，最短间隔距离之和L1+L2由第一电极13和第二电极14之间的横向间距决定。
由于沟槽124、第一电极13和/或第二电极14的存在，导致发光外延层12的有效发光面积小于发光外延层12的总面积，而第一电极13和第二电极14之间的横向间距越小，同样的芯片面积下需要铺设的第一电极和第二电极的数量越多，有效发光面积的损失越大，因此业界为了确保有效发光面积最大化，将第一电极13和第二电极14之间的横向间距设置得尽可能大，通常大于电流的横向扩散长度。然而，本申请的申请人通过大量的实验，通过合理地设置最短间隔距离之和L1+L2和有效发光面积损失，使得横向间距减小对发光二极管的性能提升收益远大于有效发光面积牺牲所造成的损失，同时确保第一电极13和第二电极14能够承受相对较大的工作电流，进而使得发光二极管的性能得到一个巨大的提升。
下面将在不同的材料体系下，结合在不同工作电流下工作电压VF和光电转换效率WPE随最短间隔距离之和L1+L2的变化规律来对最短间隔距离之和L1+L2和发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa之间的合理设置进行说明。其中，有效发光面积Se等于总面积Sa减去由于沟槽124、第一电极13和/或第二电极14以及焊盘等的存在所产生的非发光面积。
首先，图3显示了第一半导体层和第二半导体层均是采用基于氮化镓体系材料的蓝光发光二极管在不同的工作电流下发光二极管的工作电压随着L1+L2的变化曲线。
在本申请中，所谓蓝光发光二极管是指在工作时峰值波长介于440nm-480nm之间的发光二极管。所谓氮化镓材料体系是指在该材料体系中，氮元素在阴离子中的摩尔占比不小于90％，镓元素在阳离子中的摩尔占比不小于90％。
在本申请中，以L1+L2为100微米且Se/Sa为85％的现有发光二极管为参考样本，其中该发光二极管芯片的尺寸为425微米*750微米，第一电极13和第二电极14沿长度750微米方向延伸，并以L1+L2分别为72、60、50、40、30和20微米的发光二极管为比较样本，拟合出工作电压VF和光电转换效率WPE随L1+L2的变化规律。其中，为了确保第一电极13和第二电极14具有足够的线宽，以使得第一电极13和第二电极14能够承受足够大的工作电流，进一步以牺牲有效发光面积为代价，将上述各比较样本的Se/Sa分别设置为75％、67％、60％、55％、40％和25％。
在图3中，为了更明显地显示工作电压的变化效果，在L1+L2＝100微米处对各工作电流下的工作电压进行归一化处理，并体现L1+L2从100微米逐渐减小的过程中，归一化工作电压VF的变化规律。
如图3所示，从100微米开始，归一化工作电压VF随L1+L2的减小而缓慢降低，并在减小到72微米之后，归一化工作电压VF的下降趋势明显增强，并且电流越大下降斜率越大。
随着L1+L2进一步减小到60微米之后，归一化工作电压VF的下降趋势变缓，并在减小到50微米之后下降趋势进一步变缓。随着L1+L2进一步减小到40微米之后，部分工作电流下的归一化工作电压VF由下降趋势变为上升趋势，并在减小到30微米之后全部变为上升趋势。随着L1+L2进一步减小到20微米之后，虽然归一化工作电压VF相较于30微米位置处有所上升，但整体仍低于72微米和100微米位置处的归一化工作电压VF。
进一步，图4显示了在不同的工作电流下上述蓝光发光二极管的光电转化效率WPE随着L1+L2的变化曲线。其中，为更明显地显示光电转化效率WPE的变化效果，在L1+L2＝100微米处对各工作电流下的光电转化效率WPE进行归一化处理，并测量L1+L2从100微米逐渐减小的过程中，归一化光电转化效率WPE的变化规律。
如图4所示，从100微米开始，在小工作电流下，归一化光电转化效率WPE随L1+L2的减小而呈现下降趋势，而仅在大工作电流下，归一化光电转化效率随L1+L2的减小而呈现缓慢上升趋势。在减小到72微米之后，归一化光电转化效率在各工作电流下均随L1+L2的减小呈现上升趋势，并且电流越大，上升斜率越大。
随着L1+L2进一步减小到60微米之后，归一化光电转化效率的上升趋势减弱，并在50微米之后，归一化光电转化效率开始缓慢下降。随着L1+L2进一步减小到40微米之后，归一化光电转化效率的下降趋势加剧，并在30微米之后，归一化光电转化效率的下降区域进一步加剧，但整体仍大于73微米位置处的归一化光电转化效率。随着L1+L2进一步减小到20微米之后，部分大工作电流下的归一化光电转化效率仍大于100微米位置处的归一化光电转化效率。
从图3和4中可以看出，随着L1+L2下降到60微米以下，虽然发光二极管的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa下降到67％，但工作电压明显低于现有发光二极管，且光电转化效率明显高于现有发光二极管。由此可见，在L1+L2下降到60微米以下，L1+L2下降对发光二极管的性能提升收益远大于有效发光面积牺牲所造成的损失，LED芯片的性能得到了巨大的提升。
因此，在一具体实施方式中，将最短间隔距离之和L1+L2设置为不大于60微米，将发光外延层12的有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa设置成不大于67％。在该尺寸和比例范围下，可有效改善电流分布的均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度。同时，发光二极管的寿命和可靠性高，不需要复杂的封装设计来进行散热，降低了发光二极管的流明成本。
进一步地，可以将最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-60微米之间，将发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa设置成介于40％-67％之间。进一步地，可以将最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-50微米之间，将发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa设置成介于40％-60％之间。
更进一步地，还可以根据实际使用需要将最短间隔距离之和L1+L2设置成小于20微米，将发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa设置成小于25％，或者将最短间隔距离之和L1+L2设置成介于20微米-30微米之间，将发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa设置成介于25％-40％，或者将最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-40微米之间，将发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa设置成介于40％-55％之间，或者将最短间隔距离之和L1+L2设置成介于40微米-50微米之间，将发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa设置成介于55％-60％之间；或者将最短间隔距离之和L1+L2设置成介于50微米-60微米之间，将发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa设置成介于60％-67％。值得注意的是，本申请所提得到“介于某两个端值之间”包括该两个端值。
在本实施例中，受上述尺寸和比例约束的至少部分发光区域涵盖了发光外延层12的全部发光区域，即所有台面结构125。在其他实施例中，上述至少部分发光区域可以设置成包括一个或一个以上的台面结构125。在其他具体实施方式中，满足上述约束条件的所有至少部分发光区域的集合与发光外延层12上的全部发光区域的面积比可以进一步不小于50％、60％、70％、80％、90％。
进一步，如图3和图4所示，工作电流越大，发光二极管性能的改善效果越明显。因此，本实施例的针对最短间隔距离之和L1+L2和有效发光面积与总面积之间的比例Se/Sa的约束方式特别适用于大功率发光二极管。在一具体实施方式中，发光二极管工作时的平均电流密度J设置成不小于0.5A/mm2。在其他具体实施方式中，发光二极管工作时的平均电流密度J可以进一步设置成不小于0.75、1、1.5、2、3、5、10、20A/mm2。进一步，为了适应大功率发光二极管的大发光面积的需要，将第一电极13和第二电极14的数量总和设置成不小于5、7、9或11个。
需要注意的是，在上述尺寸和比例限定同样适用于基于氮化镓材料体系的其他峰值波长的发光二极管，例如365nm-400nm、400nm-440nm、440nm-480nm、480nm-540nm、540nm-560nm、560nm-600nm或600nm-700nm。
需要注意的是，本实施例中的最短间隔距离之和L1+L2实际上受第一电极13和第二电极14在衬底11的投影之间的最短间隔距离的限制，因此在本实施例以及其他实施例中，可以通过利用上述尺寸限定对第一电极13和第二电极14在衬底11的投影之间的最短间隔距离进行约束。具体来说，可以根据实际需要将第一电极13和第二电极14在衬底11的投影之间的最短间隔距离设置成不大于60、50、40、30和20微米。
综上，通过上述设置方式，有效改善电流分布的均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度。同时，发光二极管的寿命和可靠性高，不需要复杂的封装设计来进行散热，降低了发光二极管的流明成本。
进一步地，上述设计思路可以适用于采用上述结构的其他材料体系的发光二极管，例如氮化铝镓材料体系、氮化铟镓材料体系、磷化铝镓铟材料体系。其中，所谓氮化铝镓材料体系是指在该材料体系中，氮元素在阴离子中的摩尔占比不小于90％，铝元素和镓元素在阳离子中的摩尔占比不小于90％，同时铝元素在阳离子中的摩尔占比不小于10％。所谓氮化铟镓材料体系是指在该材料体系中，氮元素在阴离子中的摩尔占比不小于90％，铟元素和镓元素在阳离子中的摩尔占比不小于90％，同时铟元素在阳离子中的摩尔占比不小于10％。所谓磷化铝镓铟体系是指在该材料体系中，磷元素在阴离子中的摩尔占比不小于90％，铝元素、铟元素和镓元素在阳离子中的摩尔占比不小于90％。
下面将给出基于氮化铟镓材料体系、磷化铝镓铟材料体系并采用上述结构的发光二极管的L1+L2以及Se/Sa的具体设计参数。
在氮化铟镓材料体系下，最短间隔距离之和L1+L2设置成不大于80微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成不大于72％。进一步，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-60微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于40％-67％之间。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于60微米-80微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于67％-72％之间。
更进一步地，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-50微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于40％-60％之间。
再进一步地，可以根据实际情况进行以下设置：最短间隔距离之和L1+L2设置成小于20微米，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成小于25％。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于20微米-30微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于25％-40％。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-40微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于40％-55％之间。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于40微米-50微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于55％-60％之间。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于50微米-60微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于60％-67％。
基于氮化铟镓材料体系的发光二极管在工作时的峰值波长可以介于400nm-440nm、440nm-480nm、480nm-540nm、540nm-560nm、560nm-600nm、600nm-700nm或700nm-850nm。
在磷化铝铟镓材料体系下，最短间隔距离之和L1+L2设置成不大于100微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成不大于75％。进一步，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-60微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于40％-67％之间。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于60微米-80微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于67％-72％之间。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于80微米-100微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于72％-75％之间
更进一步地，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-50微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于40％-60％之间。
再进一步地，可以根据实际情况进行以下设置：最短间隔距离之和L1+L2设置成小于20微米，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成小于25％。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于20微米-30微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于25％-40％。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于30微米-40微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于40％-55％之间。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于40微米-50微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于55％-60％之间。或者，最短间隔距离之和L1+L2设置成介于50微米-60微米之间，发光外延层的有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于60％-67％。
基于磷化铝铟镓材料体系的发光二极管在工作时的峰值波长可以介于560nm-600nm、600nm-700nm、700nm-850nm、850nm-980nm、980nm-1300nm或1300nm-1600nm。
值得注意的是，基于氮化铟镓材料体系和磷化铝铟镓材料体系的正装发光二极管的其他参数可以参照基于氮化镓材料体系的正装发光二极管进行设置。此外，各种材料体系下的尺寸和比例限定同样适用于其他正装结构的发光二极管。
如图5和图6所示，根据本申请第二实施例的发光二极管为图1和2所示的正装结构的一种变型，包括衬底21、发光外延层22、第一电极23和第二电极24。发光外延层22进一步依次层叠设置于衬底21上的第一半导体层221、有源发光层222以及第二半导体层223。第二半导体层223和有源发光层222上设置有沟槽224，沟槽224将第二半导体层223和有源发光层222划分成第二方向D2'彼此间隔且沿第一方向D1'一体设置的多个台面结构225，并暴露部分第一半导体层221。其中，第一方向D1'为第一电极23和第二电极24的延伸方向，第二方向D2'为第一电极23和第二电极24的间隔方向。第一电极23和第二电极24进一步分别与焊盘25和26连接。
本实施例的发光二极管与图1和2所示的发光二极管的主要区别在于，第二电极24直接设置于台面结构225的顶部的第二半导体层123上并电连接至第二半导体层124。
在本实施例中，第二电极24通过其下方设置的电流扩散层27电连接至第二半导体层223。电流扩散层27的主要目的是提高第二半导体层223的电流扩散的均匀性，可以采用电导率大于第二半导体层223的透明材质(例如ITO)。
进一步，如图5和图6所示，本实施例的发光二极管进一步包括设置于第二电极24的正下方且位于电流扩散层27与第二半导体层223之间的电流阻挡层28。由于第一电极23和第二电极24一般采用金属材料，因此发光外延层22所产生的光无法透过第二电极24。电流阻挡层28的作用是防止电流从第二电极24直接注入第二电极24正下方的发光外延层22，进而减少第二电极24所遮挡的出光量，提高流明效率。
在本实施例的发光二极管进一步包括覆盖于台面结构225的倾斜侧壁的透明介质层29(例如，SiO2)。透明介质层29的作用于是对台面结构225进行水氧保护和电性隔离。
如图7所示，根据本发明第三实施例的发光二极管与图5和图6所示的发光二极管的区别在于，第二电极34的一部分以主干电极341的形式设置于沟槽324内，第二电极34的另一部分以分支电极342的形式延伸至台面结构325的顶部，并与第二半导体层(未图示)形成电连接。
上文所述的第二实施例和第三实施例中的发光二极管的至少部分发光区域的任意发光点A'与第一电极和第二电极在衬底上的投影的最短间隔距离之和L1'+L2'以及第一电极和第二电极在衬底上的投影之间的最短间隔距离同样受上述尺寸的约束，同时发光外延层的有效发光面积和总面积之间的比例同样受到上述比例的约束。
进一步，上述基于正装结构的发光二极管的设计思路同样适用于垂直和倒装结构的发光二极管。
如图8和图9所示，根据本申请第三实施例的发光二极管包括衬底41、发光外延层42、第一电极43和第二电极44。发光外延层42进一步依次层叠设置于衬底41上的第一半导体层421、有源发光层422以及第二半导体层423。在本实施例中，衬底41可以采用例如Si、Ge、Cu、CuW等导电材料。第一半导体层421为P型半导体层，对应的第一电极43也称为P型电极。第二半导体层423为N型半导体层，对应的第二电极44也称为N型电极。在其他实施例中，第一半导体层421和第二半导体层423可以是具有不同导电类型的其他任意适当材料的单层或多层结构。
进一步，如图8和图9所示，第一电极43为面电极，多个第二电极44分别为条形电极，并在衬底41上的投影落在第一电极43在衬底41上的投影内部且彼此间隔设置。具体而言，在本实施例中，第二电极44分别为沿第一方向D1”延伸且沿垂直于第一方向D1”的第二方向D2”彼此间隔设置的指状电极，进而使得第二电极44在衬底41上的投影沿第二方向D2”彼此间隔设置。第一电极43和第二电极44进一步连接第一焊盘(未图示)和第二焊盘46，进而通过第一焊盘和第二焊盘46与外部电路进行连接。
进一步，在本实施中，发光二极管为垂直发光二极管，第二电极44以及第一电极43分别位于发光外延层420的相对两侧。其中，第二电极44设置于第二半导体层423远离有源发光层422的一侧，且第二电极44与第二半导体层423电连接，例如在本实施例中，第二电极44与第二半导体层423通过直接接触的方式形成电连接。
第一电极43设置在衬底41远离发光外延层42的一侧，通过衬底41与第一半导体层421形成电连接。进一步，衬底41与第一半导体层421之间还可以设有金属键合层47和反射镜48，反射镜48用于对有源发光层422所产生的光进行反射，进而从第二半导体层423所在一侧出光，金属键合层47用于提高发光外延层42的附着力。
在本实施例中，第二电极44在衬底41上的投影与第一电极43在衬底41上的投影彼此重叠，进而落在第一电极43在衬底41上的投影内部。此处值得注意的是，本申请所指的落在第一电极43在衬底41上的投影内部既包括图9所示的与第一电极43在衬底41上的投影重叠，也包括后续图15-16所示的被第一电极在衬底上的投影所包围。
通过上述结构，由空穴形成的电流从第一电极43经衬底41、金属键合层47和反射镜48沿其层叠方向直接注入有源发光层42，而由电子形成的电流从第二电极44注入第二半导体层43，并沿第二半导体层423横向扩散并注入有源发光层422。电子和空穴在有源发光层422内进行辐射复合，并产生光子，进而形成发光。
如上述结构可知，发光外延层42内的电流进行横向扩散的距离由相邻的第二电极44之间的横向间距决定。在现有技术中，相邻的第二电极44之间的横向间距设置得过大，导致注入有源发光层422的电流的电流密度分布的均匀性较差，进而产生上文背景技术中所描述的问题。
在本实施例中，发光外延层42的至少部分发光区域内的任意一发光点B在衬底41上的投影与相邻的两个第二电极44在衬底41上的投影的最短间隔距离分别为M1、M2。两个最短间隔距离之和为M1+M2。
图10显示了采用图8和图9所示结构且第一半导体层和第二半导体层均是采用基于氮化镓体系材料的蓝光发光二极管在不同的工作电流下发光二极管的工作电压随着M1+M2的变化曲线。
在本实施例中，以M1+M2为230微米且Se/Sa为75％的垂直发光二极管为参考样本，并以M1+M2分别为105、80、50、和30微米的发光二极管为比较样本，拟合出工作电压VF随M1+M2的变化规律。此外，为了确保第二电极34具有足够的线宽，以使得第二电极34能够承受足够大的工作电流，进一步以牺牲有效发光面积为代价，将上述各比较样本的Se/Sa分别设置为70％、65％、63％和45％。
由于大电流下230微米尺寸的样品过早饱和，无法做归一化，因此采用实际电压来表示。从图中可以看出，在1A/mm2和2A/mm2的大功率电流注入下，当尺寸缩小到100微米左右时，电压急剧下降。对于5A/mm2的超大电流注入下，230微米尺寸的样品早已饱和失效，而105微米、50微米和30微米尺寸仍可工作。对于10A/mm2的超大电流注入下，230和105微米尺寸的样品早已饱和失效，而50微米和30微米尺寸仍可工作。
因此，在本实施例中，将最短间隔距离之和M1+M2设置为不大于100微米，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa不大于70％。在该尺寸和比例范围下，可有效改善电流分布的均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度。同时，发光二极管的寿命和可靠性高，不需要复杂的封装设计来进行散热，降低了发光二极管的流明成本。
进一步地，可以将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于30微米-60微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于45％-60％之间。或者将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于60微米-100微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于60％-70％之间
更进一步地，最短间隔距离之和M1+M2设置成小于20微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成小于38％，或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于20微米-30微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于38％-45％。或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于30微米-40微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于45％-55％之间。最短间隔距离之和M1+M2设置成介于40微米-60微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于55％-60％之间。最短间隔距离之和M1+M2设置成介于60微米-80微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于60％-65％。或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于80微米-100微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于65％-70％。
在本实施例中，满足上述约束条件的所有至少部分发光区域的集合与发光外延层32上的全部发光区域的面积比可以进一步不小于50％、60％、70％、80％、90％。
进一步，发光二极管工作时的平均电流密度J设置成不小于0.5A/mm2。在其他具体实施方式中，发光二极管工作时的平均电流密度J可以进一步设置成不小于1、1.5、2、3、5、10、20A/mm2。进一步，为了适应大功率发光二极管的大发光面积的需要，将第二电极34的数量总和设置成不小于5、7、9或11个。
同样，本实施例中的最短间隔距离之和M1+M2实际上受相邻两个第二电极44在衬底41的投影之间的最短间隔距离的限制，因此在本实施例以及其他实施例中，可以利用上述尺寸对相邻两个第二电极44在衬底41的投影之间的最短间隔距离进行约束。具体来说，将相邻两个第二电极44在衬底41的投影之间的最短间隔距离设置成不大于100微米。
此外，基于类似的方式可以给出氮化铝镓材料体系、氮化铟镓材料体系和磷化铝镓铟材料体系的约束条件。
在氮化铝镓材料体系下，最短间隔距离之和M1+M2设置成不大于80微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成不大于65％。
进一步地，可以将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于30微米-60微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于45％-60％之间。或者将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于60微米-80微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于60％-65％之间。
更进一步地，最短间隔距离之和M1+M2设置成小于20微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成小于38％，或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于20微米-30微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于38％-45％。或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于30微米-40微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于45％-55％之间。最短间隔距离之和M1+M2设置成介于40微米-60微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于55％-60％之间。
在氮化铟镓材料体系下，最短间隔距离之和L1+L2设置成不大于120微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成不大于72％。
进一步地，可以将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于30微米-60微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于45％-60％之间。或者，将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于60微米-80微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于60％-65％之间。或者，将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于80微米-120微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于65％-72％之间。
更进一步地，最短间隔距离之和M1+M2设置成小于20微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成小于38％，或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于20微米-30微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于38％-45％。或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于30微米-40微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于45％-55％之间。最短间隔距离之和M1+M2设置成介于40微米-60微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于55％-60％之间。
在磷化铝镓铟材料体系下，最短间隔距离之和L1+L2设置成不大于150微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成不大于75％。
进一步地，可以将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于30微米-60微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于45％-60％之间。或者，将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于60微米-100微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于60％-70％之间。或者，将最短间隔距离之和M1+M2进一步设置成介于100微米-150微米之间，将有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于65％-75％之间。
更进一步地，最短间隔距离之和M1+M2设置成小于20微米，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成小于38％，或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于20微米-30微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于38％-45％。或者，最短间隔距离之和M1+M2设置成介于30微米-40微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于45％-55％之间。最短间隔距离之和M1+M2设置成介于40微米-60微米之间，有效发光面积Se与总面积Sa的比例Se/Sa设置成介于55％-60％之间。
值得注意的是，上述基于氮化铝镓的垂直型发光二极管在工作时的峰值波长介于220nm-260nm、260nm-300nm、300nm-320nm或320nm-365nm，其他材料体系的峰值波长与上文描述的正装发光二级管相同，在此不再赘述。
综上，通过上述设置方式，有效改善电流分布的均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度。同时，发光二极管的寿命和可靠性高，不需要复杂的封装设计来进行散热，降低了发光二极管的流明成本。
值得注意的是，各种材料体系下的尺寸和比例限定同样适用于其他垂直结构和倒装结构的发光二极管。
如11和图12所示，根据本申请第二实施例的发光二极管为图8和9所示的垂直结构发光二极管的一种变型。在本实施例中，发光二极管同样包括与图8和图9所示的发光二极管类似的第一电极53、衬底51、金属键合层57、反射镜58、第一半导体层521、有源发光层522、第二半导体层523和第二电极54。本实施例与图8和图9所示的发光二极管的区别之处在于：
第一半导体层521、第二半导体层523和有源发光层522上设置有沟槽524，沟槽524将第一半导体层521、第二半导体层523和有源发光层522彼此间隔排布的台面结构(Mesa)525。台面结构525的侧壁以及台面结构525的外露区域内形成有绝缘层591和电流扩散层592。相邻的两个第二电极54分别设置在台面结构525两侧的沟槽524内，且通过电流扩散层592与第二半导体层523电连接。此时，如图12所示，由第一半导体层521、第二半导体层523和有源发光层522所形成的发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点B'在衬底51上的投影与相邻的两个第二电极54在衬底51上的投影的最短间隔距离分别为M1'、M2'。两个最短间隔距离之和为M1'+M2'。
进一步，如图13和图14所示，根据本申请第六实施例的发光二极管为图11和12所示的垂直结构发光二极管的进一步变型。在本实施例中，发光二极管同样包括与图11和图12所示的发光二极管类似的第一电极63、衬底61、金属键合层67、反射镜68、第一半导体层621、有源发光层622、第二半导体层623和第二电极64。此外，第一半导体层621、有源发光层622、第二半导体层623同样通过沟槽624划分成彼此间隔的台面结构625，并在台面结构625的侧壁以及台面结构625的外露区域内形成有绝缘层691。本实施例与图11和图12所示的发光二极管的区别之处在于：
第二电极64的一部分以主干电极643的形式设置于沟槽624内，第二电极64的另一部分以分支电极644的形式延伸至台面结构625的顶部，并与第二半导体层623接触并形成电连接。此时，由分支电极644对第二半导体层623实现电流的点注入。如图14所示，由第一半导体层621、第二半导体层623和有源发光层622所形成的发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点B”在衬底61上的投影与相邻的两个第二电极64在衬底61上的投影的最短间隔距离分别为M1”、M2'。两个最短间隔距离之和为M1”+M2”。
如图15和图16所示，根据本申请第七实施例的发光二极管为一种倒装发光二极管，包括衬底71、发光外延层72、第一电极73和第二电极74，第一电极73为面电极，第二电极74的数量为多个，且二者位于发光二极管的同一侧。发光外延层72进一步依次层叠设置于衬底71上的第一半导体层721、有源发光层722以及第二半导体层723。第一电极73设置于第二半导体层723远离衬底71的一侧，并与第二半导体层723电连接。在第一电极73与第二半导体层723之间进一步设置反射镜79，以反射有源发光层722所产生的光，进而从衬底71所在一侧进行出光。第一电极73的表面设置有多个凹槽724，该凹槽724经反射镜79、第二半导体层723和有源发光层722延伸至第一半导体层721。该多个第二电极74分别设置于对应的凹槽724内，并与第一半导体层721电连接。在本实施例中，第一半导体层421为N型半导体层(例如N型GaN)，对应的第二电极74也称为N型电极。第二半导体层723为P型半导体层(例如P型GaN)，对应的第一电极73也称为P型电极。在其他实施例中，第一半导体层721和第二半导体层723可以是具有不同导电类型的其他任意适当材料的单层或多层结构。在本实施例中，发光外延层72的至少部分发光区域内的任意一发光点B”'在衬底71上的投影与相邻的两个第二电极74在衬底71上的投影的最短间隔距离分别为M1”'、M2”'。两个最短间隔距离之和M1”'+M2”'。
上述几种发光二极管结构以及其他类似结构的两个最短间隔距离之和M1'+M2'、M1”+M2”和M1”'+M2”'均受上述尺寸约束，同时发光外延层的有效发光面积和总面积之间的比例受上述比例约束。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (20)

1.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：
衬底；
发光外延层，包括依次层叠设置于所述衬底上的第一半导体层、有源发光层以及第二半导体层；
第一电极和第二电极，分别与所述第一半导体层和第二半导体层电连接；
其中，所述第一电极和第二电极在所述衬底上的投影彼此错开，所述发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点在所述衬底上的投影与所述第一电极在所述衬底上的投影和所述第二电极在所述衬底上的投影的最短间隔距离之和不大于80微米，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例不大于72％，且所述第一半导体层和所述第二半导体层均是采用基于氮化铟镓体系的材料。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管在工作时的峰值波长介于400nm-440nm、440nm-480nm、480nm-540nm、540nm-560nm、560nm-600nm、600nm-700nm或700nm-850nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述最短间隔距离之和进一步介于30微米-60微米之间，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例介于40％-67％之间；
或者，所述最短间隔距离之和进一步介于60微米-80微米之间，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例介于67％-72％之间。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述最短间隔距离之和进一步介于30微米-50微米之间，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例介于40％-60％之间。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
所述最短间隔距离之和进一步小于20微米，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例小于25％；
所述最短间隔距离之和进一步介于20微米-30微米之间，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例介于25％-40％；
所述最短间隔距离之和进一步介于30微米-40微米之间，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例介于40％-55％之间；
所述最短间隔距离之和进一步介于40微米-50微米之间，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例介于55％-60％之间；或者
所述最短间隔距离之和进一步介于50微米-60微米之间，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例介于60％-67％。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极和第二电极的数量总和不少于5个。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极和第二电极的数量总和不少于7个。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极和第二电极的数量总和不少于9个。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极和第二电极的数量总和不少于11个。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二半导体层和所述有源发光层上设置有沟槽，所述沟槽将所述第二半导体层和所述有源发光层划分成彼此间隔的至少两个台面结构，并暴露部分所述第一半导体层，其中所述至少部分发光区域包括至少一台面结构，所述第一电极设置于所述沟槽内并电连接至所述第一半导体层，所述第二电极设置于所述第二半导体层上并电连接至第二半导体层，或者所述第二电极至少部分设置于所述沟槽内并通过分支电极或电流扩散层电连接至所述第二半导体层。
11.根据权利要求10所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极分别为沿第一方向延伸且沿垂直于所述第一方向的第二方向彼此间隔设置的条状电极。
12.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光外延层上的所有所述至少部分发光区域的集合与所述发光外延层上的全部发光区域的面积比不小于50％。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光外延层上的所有所述至少部分发光区域的集合与所述发光外延层上的全部发光区域的面积比不小于70％。
14.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光外延层上的所有所述至少部分发光区域的集合与所述发光外延层上的全部发光区域的面积比不小于90％。
15.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管工作时的所述平均电流密度不小于0.5A/mm2。
16.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管工作时的所述平均电流密度不小于1A/mm2。
17.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管工作时的所述平均电流密度不小于2A/mm2。
18.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管工作时的所述平均电流密度不小于10A/mm2。
19.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管工作时的所述平均电流密度不小于20A/mm2。
20.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：
衬底；
发光外延层，包括依次层叠设置于所述衬底上的第一半导体层、有源发光层以及第二半导体层；
第一电极和第二电极，分别与所述第一半导体层和第二半导体层电连接；
其中，所述第一电极和第二电极在所述衬底上的投影彼此间隔设置，且最短间隔距离小于80微米，所述发光外延层的有效发光面积与总面积之间的比例小于72％，且所述第一半导体层和所述第二半导体层均是采用基于氮化铟镓体系的材料。
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