CN113299622B - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管，包括半导体本体，所述半导体本体具有带有适于产生辐射的有源层的外延层序列；以及绝缘基板，所述绝缘基板借助于一金属结合层与所述半导体本体连接，其中所述半导体本体与所述金属结合层的结合界面为一连续性平面；所述绝缘基板具有第一穿通接触部和第二穿通接触部，该第一穿通接触部和第二穿通接触部从所述绝缘基板的朝向半导体本体的第一主面引向所述绝缘基板的背离半导体本体的第二主面，其中第一穿通接触部与所述金属结合层形成电性连接；第一穿通接触部和第二穿通接触部位于所述半导体本体在所述绝缘基板的投影以外的区域。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体为一种表面贴装型发光器件。
背景技术
发光二极管被广泛地用于固态照明光源。相较于传统的白炽灯泡和荧光灯，发光二极管具有耗电量低以及寿命长等优点，因此发光二极管已逐渐取代传统光源，并且应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。
从出版物CN102428581A中已知一种表面贴装型的光电子器件，其将用于半导体本体的外延层序列的生长衬底从半导体本体剥离，并且半导体本体借助焊接连接部与绝缘基板连接，该绝缘基板不同于外延层序列的生长衬底。在该光电子器件中，用于连接所述半导体本体与绝缘基板的焊接连接部内部存在结构间隙（通常会填充其他辅助支撑材料，例如绝缘层23），但因填充材料与器件的应力失配，容易发生外延层断裂。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改进的发光二极管，其可表面安装于封装支架之上，并且能够避免外延层序列发生断裂。
根据本发明的第一个方面，一种发光二极管，包括：外延层序列，所述外延层序列具有带有适于产生辐射的有源层；以及绝缘基板，所述绝缘基板借助于一金属结合层与所述外延层序列连接，其中所述外延层序列与所述金属结合层的结合界面为一连续性平面；所述绝缘基板具有第一穿通接触部和第二穿通接触部，该第一穿通接触部和第二穿通接触部从所述绝缘基板的朝向外延层序列的第一主面引向所述绝缘基板的背离外延层序列的第二主面，其中第一穿通接触部与所述金属结合层形成电性连接；第一穿通接触部和第二穿通接触部位于所述外延层序列在所述绝缘基板的投影以外的区域。
根据本发明的第二个方面，发光二极管，包括：外延层序列，所述外延层序列具有带有适于产生辐射的有源层；以及绝缘基板，所述绝缘基板借助于一金属结合层与所述外延层序列连接，其中所述外延层序列分为多个发光单元，每个发光单元与所述金属结合层的结合界面为一连续性平面；所述绝缘基板具有第一穿通接触部和第二穿通接触部，该第一穿通接触部和第二穿通接触部从所述绝缘基板的朝向外延层序列的第一主面引向所述绝缘基板的背离外延层序列的第二主面，其中第一穿通接触部与所述金属结合层形成电性连接；第一穿通接触部和第二穿通接触部位于所述外延层序列在所述绝缘基板的投影以外的区域。
在一些实施例中，所述金属结合层包含施加到所述绝缘基板上的第一金属层和施加到外延层序列上的第二金属层，该第二金属层在所述外延层序列上的投影完整覆盖所述外延层序列的背侧。
优选地，所述第二金属层在所述绝缘基板上的投影位于所述第一金属层内。
优选地，所述外延层序列、第二金属层和第一金属层在所述绝缘基板上的投影分别为P1、P2和P3，其中P1位于P2内，P2位于P3内。
优选地，所述第二金属层包含金属反射层。
优选地，所述外延层序列包括第一类型半导体层、第二类型半导体层以及位于两者之间的有源层，其中第一类型半导体层位于外延层序列的正侧，所述第二金属层包括第一层和第二层，其中第一层从所述半导体序列的背侧向正侧延伸，贯穿所述第二类型半导体层、有源层，与所述第一类型半导体层形成电性连接，第二层与所述金属结合层连接。
在一些实施例中，所述发光二极管进一步包括第二电连接层，位于所述外延层序列之朝向所述绝缘基板的背侧，与所述第二穿通接触部形成电性连接。
优选地，所述第二电连接层包括第一层和第二层，其中第一层位于所述外延层序列与所述第一电连接层之间，第二层位于所述外延层序列的外侧。
优选地，所述第一层包括金属反射层。
优选地，所述发光二极管的驱动电流密度为1.5A/mm2以上。
优选地，所述发光二极管的发光角度为120°以下。
优选地，所述外延层序列的边缘具有凹槽，所述第一导通部和/或第二导通部位于该凹槽对应的位置。
本发明同时提供了一种发光装置，包括支架和表面贴装于该支架上的发光二极管，所述发光二极管具有外延层序列，所述外延层序列具有带有适于产生辐射的有源层；以及绝缘基板，所述绝缘基板借助于一金属结合层与所述外延层序列连接，其中所述外延层序列与所述金属结合层的结合界面为一连续性平面；所述绝缘基板具有第一穿通接触部和第二穿通接触部，该第一穿通接触部和第二穿通接触部从所述绝缘基板的朝向外延层序列的第一主面引向所述绝缘基板的背离外延层序列的第二主面，其中第一穿通接触部与所述金属结合层形成电性连接；第一穿通接触部和第二穿通接触部位于所述外延层序列在所述绝缘基板的投影以外的区域。
进一步地，所述发光二极管之远离所述绝缘基的正侧覆盖有一波长转换层。
在一些实施例中，所述支架为线条型，其上安装有多个所述发光二极管，当向该发光装置注入驱动电流时，所述多个发光二极管被点亮，形成连续的线形光源。
在一些实施例中，所述发光二极管的发光角度为120°以下，当向该发光装置注入驱动电流时，所述发光二极管被点亮，形成投射式点光源。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是一个剖面示意图，说明本发明一些实例的发光器件的结构。
图2是一个俯视示意图，说明本发明一些实施例的发光器件的结构。
图3是一个俯视示意图，说明本发明一些实施例的发光器件的结构。
图4是一个剖面示意图，说明本发明一些实施例的发光器件的结构。
图5是一个示意图，说明本发明一些实例的发光装置。
图6是一个示意图，说明本发明一些实例的发光装置。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的发光器件进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
在以下的说明内容中，类似或相同的组件将以相同的编号来表示。
图1显示了根据本发明实施的一种发光器件。该发光器件包括：外延层序列220及绝缘基板240，其中外延层序列220例如可以是基于氮化合物半导体材料或者基于AlGaInP系列材料，从上到下包含第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，该第一类型半导体层和第二类型半导体层可分别为p型半导体层和n型半导体层。外延层序列220可以在其出光面221上粗化或者设有结构化部，从而增加取光效率。外延层序列220在出光面221上的结构化部或粗化可以以刻蚀工艺进行。该外延层序列220没有生长衬底。在此，“没有生长衬底”表示必要时为了生长而使用的生长衬底被从外延叠层去除或者至少被大大薄化。
在与出光面221对置的表面上，外延层序列220借助与金属结合层250与绝缘基板240 连接。在元件制造时，外延层序列220与绝缘基板240的连接优选在将原始的生长衬底从外延层的现在作用为出光面221 的表面剥离之前进行。如此绝缘基板240相反于生长衬底不必适合用于外延地生长外延层序列220，对于绝缘基板240在材料选择时存在相对较大的自由度。
金属结合层250例如可以包含施加到绝缘基板240的上的金属层251和施加到外延层序列220上的第二金属层252，其中金属层251优选形成在该绝缘基板的一个平整区域的表面上，且为一连续的平面，金属层252优选为一连续的平面，进一步地，金属层251在绝缘基板上的投影面积优选不小于绝缘基板的第一主面240a的面积的90%。如图2所示，假设外延层序列220、金属层252和金属层251在绝缘基板240上的投影分别为P1、P2和P3，优选的，P1位于P2内，P2位于P3内，如此在外延层序列与绝缘基板之间形成一个无间隙的结合界面，保证了外延层序列的支撑面完全平坦。在此，P1位于P2内包含P1与P2重合的情况，P2位于P3内包含P2与P3重合的情况。
绝缘基板240具有朝向外延层序列220的第一主面240a和背离外延层序列220的第二主面240b。在绝缘基板240设有第一穿通接触部241，第一穿通接触部241从绝缘基板240的第一主面240a引向第二主面240b。此外，在绝缘基板240中设有第二穿通接触部242，第二穿通接触部242同亲从绝缘基板240的第一主面240a引向第二主面240b。第一穿通接触部241和第二穿通接触部242位于外延层序列220在绝缘基板240的投影以外的区域。绝缘基板240的第二主面240b上设有第一焊接电极243和第二焊接电极244，其中第一焊接电极243与第一穿通接触部241形成电连接，第二焊接电极244与第二穿通接触部242形成电连接。在图1所示发光器件中，该第一穿通接触部241和第二穿通接触部242经由贯穿该绝缘基板240的通孔由第一主面240a引向第二主面240b，其中通孔直径可以为5~10μm，优选为5~10μm。在另一些实施例中，该第一穿通接触部241和第二穿通接触部242也可以经由绝缘基板240的侧壁由第一主面240a引向第二主面240b。
进一步的，该金属层252可以为多层结构，例如可以包含反射层与结合层，其中该反射层到出光面221的距离优选为20μm以下，更佳的，为7~12μm，例如可以为8μm，或者9μm，或者12μm。该金属层252还包含了多个朝向出光面延伸的延伸部253，该多个延伸部253贯穿外延层序列220的第二半导体层、有源层，与第一半导体层连接。该多个延伸部253优选均匀分布，如此具有更佳的电流扩展性和散热特性，适用于驱动电流密度为1.5A/mm2以上的应用，例如2A/mm2或者3A/mm2或者4A/mm2。优选的，该多个延伸部253与第二半导体层的总接触面积大于第二半导体层面积的1.5%。可以根据需求设计多个延伸部253与第二半导体层的接触面积，例如可以选择2.3%~2.8%、2.8%~4%、或者4%~6%。在一些实施例中，增加第延伸部253和第二半导体层的直接接触面积，可以解决高功率产品的散热问题，例如大尺寸芯片或者高压芯片等。在一些实施例中，该延伸部253的直径为15μm以上。尽管保证延伸部253与第二半导体层的总接触面积，可以提高散热特性，但如果延伸部253直径较小的情况下，较细的延伸部253具有超过线性比例的热阻，因此在一些实施例中，延伸部253的直径设计为32μm~40μm，其散热效果更佳。作为一种较佳实施方式，当延伸部253的直径为34μm~36μm时，延伸部253的设置密度为20~25个/平方毫米。
在金属层252与外延层序列之间还可以设置有一第二电连接层，该第二电连接层包含了位于外延层序列背侧的第三金属层232，及位于外延层序列的外侧的侧接部233，其中金属层232电连接第二半导体层，侧接部233电连接第三金属层232和第二穿通接触部242，金属层232的材料可以为Ag、Au、Ti、Al、Cr、Pt、TiW、Ni或以上的任意组合，其中Ag、Al适合作为金属反射材料，TiW适合作为金属包覆材料，防止金属扩散， Cr、Ni、Au适合作为欧姆接触材料。第二金属层252与第三金属层232在竖直方向上层叠设置，并通过绝缘层261进行电性隔离。为了降低金属层232与第二半导体层之间的电阻，也会在金属层232和第二半导体层之间增加透明电流扩展层231。在侧接部233与绝缘基板之间还可以进一步设置第四金属层234与第五金属层235，其中第四金属层234的材料可以与第二金属层252相同，第五金属层235的材料可以与第一金属层231相同。尽管图1所示的发光器件中包含了该第四、五金属层，但该两结构层并不是必需的，在一些实施例中，可以选择省略其中的一层或者两层。桥接层可以覆盖于第二、第三金属层的侧壁，并通过绝缘层263进行电性隔离。在一个优选实施例中，该第三金属层232可以包括反射层，因此反射层到出光面211的距离为 10μm以内，例如可以为4~8μm，到有源层的距离可以达到2μm以下，如此缩短了光在LED芯片内部的路径，同时增加了有源层发射的光线从出光面211射出的比率，其发光角优选为150°以下，更佳的发光角为小于或者等于120°，例如120~110°，在一个具体的实施例中，该LED芯片的发光角可以为113°，或者115°，或者118°。
在一些实施例中，第三金属层232和第二金属层252同时包含了反射层，外延层序列220的背侧表面基本被金属反射层覆盖，有源层发出的向下的光直接被反射，不会再经过基板导致部分光被吸收。例如，第三金属层232可以包含Ag金属层作为第一反射层，第二金属层252包含了Al金属层，该Al金属层一方面可以与第一半导体层形成欧姆接触，另一方面作为第二反射层，尽可能的覆盖外延叠层的下表面之未被第三金属层232覆盖的区域。
在一些实施例中，基板240在100℃时的导热系数不小于150W/（m·k），例如为Si、或者陶瓷，特别是采用陶瓷基板的芯片，一方面陶瓷基板具有良好的散热特性可以采用具有良好的散热性材料，另一方面金属结合层250分别与散热基板240和第一半导体层连接，构成良好的导热通道，将热量从第一类型半导体层引向散热基板。由于多量子阱的激发辐射经由第一半导体层射出，热量容易在第一半导体层堆积，金属结合层250将热量很好地从第一半导体层引出至散热基板240。
前述本实施例所示发光器件中，一方面外延层序列与绝缘基板之间的结合层为一完整连续面，且外延层序列下方投影区域不与图案化金属结合层和基板通孔重叠，保证发光区外延的支撑面完全平坦，解决了薄膜式发光器件在制作为表面贴装型发光元件会发生外延层断裂的问题，同时该发光器件的金属结合层直接接触外延层序列的出光面一侧的半导体层，能够快速将聚集于该半导体层的热量快速导出，适用于高电流密度应用。
图3显示了根据本发明实施的一种发光器件的俯视图。与图2所示发光器件不同的是，外延层序列仅在穿通接触部241、242的位置形成台面，进而提高发光器件的发光面积占比（即外延层序列220的面积与器件的面积占比），较大限度提升材料利用率。
图4显示了根据本发明实施的一种发光器件的侧面剖视图。与图2所示发光器件不同的是，该发光器件具有多个串联或者并联的发光单元，每个发光单元与金属结合层250的结合界面为一连续性平面，从而尽可能使得各个发光单元的外延层的支撑面完全平坦。在一个具体实施例中，该发光器件的多个发光单元串联，此时可以通过一桥接层236将第一个发光单元的第二金属层252连接至第二个发光单元的第二电连接层。
图5显示了根据本发明实施的一种发光装置300。如图5所示，该发光装置包括一支架310，该支架具有用于安装发光器件的安装腔，发光器件200表面贴装于该支架310的安装腔内，发光器件200的出光面覆盖有波长转换层320，其中发光器件200可以采用前述任一种结构，例如图1所示发光器件，其发光角优选为120°以下，其中第一焊接电极243和第二焊接电极244分别与支架310上的外接电极331、332耦合。优选支架310安装腔的侧壁不低于与波长转换层320的上表面，或者略于波长转换层320的上表面，该发光装置具备点光源的特点，其发光面积与发光器件的发光面积基本保持一致，适用于短腔距的电视背光，可以尽可能缩短透镜光学距离变短，以减少整个电视机背光面板的厚度。
图6显示了根据本发明实施的一种发光装置400，其采用上述任意一个发光器件。如图6所示，该发光装置为条形灯，可以应用于手机背光或者笔记本背光。具体的，该发光装置400包括支架410及表面贴装于该支架上的发光器件200，其中支架410的上表面具有一系列图案化的焊料层，与发光器件200的焊接电极进行连接，每个发光器件的出光面上可以进一步设置有光转换层420，该光转换层优选同时覆盖了发光器件的外延层序列的侧壁。在本实施例中，发光器件优选工作的驱动电流密度为1.5A/mm2以上，更佳的为，为3A/mm2以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种发光元件，包括：基板以及设置在该基板的第一主面之上的具有适于产生辐射的有源层的外延层序列，所述基板设置有从所述基板的朝向外延层序列的第一主面引向所述基板的背离外延层序列的第二主面的穿通接触部，所述外延层序列包括第一类型半导体层、第二类型半导体层以及位于两者之间的有源层，其中第一类型半导体层位于外延层序列的正侧，其特征在于：
所述外延层序列在所述第一主面的投影区域为一个完整面，所述穿通接触部位于所述外延层序列在所述基板的投影以外的区域；
所述发光元件还包括用于连接所述基板和外延层序列的结合层，及位于所述结合层与所述外延层序列之间的第二电连接层，所述结合层位于连续的平面上，所述第二类型半导体层在所述第二电连接层上的投影位于所述第二电连接层内；
所述结合层包含施加到所述基板上的第一金属层和施加到外延层序列上的第二金属层，该第二金属层在所述外延层序列上的投影完整覆盖所述外延层序列的背侧，所述第二金属层包括第一层和第二层，其中第一层从所述外延层序列的背侧向正侧延伸，贯穿所述第二类型半导体层、有源层，与所述第一类型半导体层形成电性连接，第二层与所述第一金属层连接。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述第二金属层在所述基板上的投影位于所述第一金属层内。
3.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述外延层序列、第二金属层和第一金属层在所述基板上的投影分别为P1、P2和P3，其中P1位于P2内，P2位于P3内。
4.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述第二金属层包含金属反射层。
5.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述第二电连接层位于所述外延层序列之朝向所述基板的背侧，与所述穿通接触部形成电性连接。
6.根据权利要求5所述的发光元件，其特征在于：所述第二电连接层包括第一层和第二层，其中第一层位于所述外延层序列与所述第二金属层之间，第二层位于所述外延层序列的外侧。
7.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述发光元件的驱动电流密度为1.5A/mm2以上。
8.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述发光元件的发光角度为120°以下。
9.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述结合层在所述基板上的投影面积占所述基板的上表面的面积的90％以上。
10.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述外延层序列分为多个发光单元，每个发光单元在所述基板的第一主面的投影区域为连续的平面。
11.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述外延层序列之远离所述基板的正侧覆盖有一波长转换层。
12.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：所述穿通接触部包括第一穿通接触部和第二穿通接触部，所述基板的第二主面上设有第一焊接电极和第二焊接电极，其中第一焊接电极与第一穿通接触部形成电连接，第二焊接电极与第二穿通接触部形成电连接。
13.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于：所述第一穿通接触部和第二穿通接触部经由所述基板的侧壁由第一主面引向第二主面。
14.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于：所述第一穿通接触部和第二穿通接触部经由贯穿该基板的通孔由第一主面引向第二主面，其中通孔直径为5～10μm。
15.一种发光元件，包括：基板以及设置在该基板的第一主面之上的具有适于产生辐射的有源层的外延层序列，所述基板设置有从所述基板的朝向外延层序列的第一主面引向所述基板的背离外延层序列的第二主面的穿通接触部，所述外延层序列包括第一类型半导体层、第二类型半导体层以及位于两者之间的有源层，其中第一类型半导体层位于外延层序列的正侧，其特征在于：所述穿通接触部在第一主面上的投影区域与所述外延层序列在第一主面的投影区域不重合，所述发光元件还包括用于连接所述基板和外延层序列的结合层，及位于所述结合层与所述外延层序列之间的第二电连接层，所述第二类型半导体层在所述第二电连接层上的投影位于所述第二电连接层内，所述结合层包含施加到所述基板上的第一金属层和施加到外延层序列上的第二金属层，该第二金属层在所述外延层序列上的投影完整覆盖所述外延层序列的背侧，所述第二金属层包括第一层和第二层，其中第一层从所述外延层序列的背侧向正侧延伸，贯穿所述第二类型半导体层、有源层，与所述第一类型半导体层形成电性连接，第二层与所述第一金属层连接。
16.根据权利要求15所述的发光元件，其特征在于：还包括一金属反射层，其位于所述外延层序列与所述基板之间。
17.根据权利要求16所述的发光元件，其特征在于：所述外延层序列具有一远离所述基板的出光面，所述金属反射层到该出光面的距离为20μm以下。
18.根据权利要求15所述的发光元件，其特征在于：所述基板的第一主面之上设置有第一金属层，所述外延层序列在所述基板上的投影位于所述第一金属层内。
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