CN114093991A - 发光二极管及发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光二极管，其包括外延结构、透明电流扩展层、第一电极和第二电极，外延结构包括依次层叠的第一半导体层、发光层和第二半导体层，透明电流扩展层位于第二半导体层上，第一电极和第二电极分别电连接第一半导体层和透明电流扩展层，其中，透明电流扩展层包括依次层叠的第二透明电流扩展层和第一透明电流扩展层，第一透明电流扩展层中掺杂Al金属。借此设置，可有效提升发光二极管的静电防护能力，使得发光二极管具有高抗ESD能力。

Description

发光二极管及发光装置
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种发光二极管及发光装置。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)为半导体发光元件，通常是由如GaN、GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成，其核心是具有发光特性的PN结，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。LED具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。值得注意的是，虽然发光二极管具有上述众多优点，但是现有的发光二极管常因静电释放(Electro-Static Discharge，ESD)造成损坏。因此，如何避免发光二极管因ESD而损坏已然成为本领域亟待解决的技术难题之一。
发明内容
本发明提供一种发光二极管，其包括外延结构、透明电流扩展层、第一电极以及第二电极。
外延结构包括第一半导体层、发光层和第二半导体层，发光层位于第一半导体层和第二半导体层之间。透明电流扩展层位于第二半导体层上。第一电极位于外延结构上，并电连接第一半导体层。第二电极位于透明电流扩展层上。其中，透明电流扩展层包括第一透明电流扩展层和第二透明电流扩展层，第一透明电流扩展层的两侧分别连接于第二电极和第二透明电流扩展层，第二透明电流扩展层远离第一透明电流扩展层的一侧连接于第二半导体层，第一透明电流扩展层中掺杂Al金属。
在一实施例中，所述透明电流扩展层的材料包括氧化铟锡。
在一实施例中，所述透明电流扩展层的厚度范围为20-150nm。
在一实施例中，所述第一透明电流扩展层的厚度范围为1-50nm。
在一实施例中，所述第二透明电流扩展层的厚度大于所述第一透明电流扩展层的厚度。
在一实施例中，所述第二透明电流扩展层的厚度至少为所述第一透明电流扩展层的厚度的2倍。
在一实施例中，所述第一透明电流扩展层的厚度占所述透明电流扩展层的厚度的0.5%-33%。
在一实施例中，所述第一透明电流扩展层中掺杂的Al金属浓度自所述第二电极向所述第二半导体层的方向起逐渐降低。
在一实施例中，所述发光二极管还包括电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述第二电极和所述第二半导体层之间。
在一实施例中，所述第二透明电流扩展层直接覆盖在所述第二半导体层上。
在一实施例中，所述发光二极管的边长小于等于200μm。
本发明还提供一种发光装置，其至少包括电路控制元件和发光光源，所述电路控制元件耦接所述发光光源，所述发光光源包含前述任意一实施例所述的发光二极管。
本发明的一个优势在于提供一种发光二极管以及发光装置，通过第一透明电流扩展层中掺杂Al金属的设置，也就是在透明电流扩展层靠近第二电极的顶层中掺杂Al金属，以此来提高载流子浓度，增加导电率，降低发光二极管的操作电压，进而改善ESD，提高发光二极管的静电防护能力；此外，该掺杂Al金属的工艺可以提升发光二极管的抗老化能力，在长期更高结温下，实现点亮无电压上升、无光照衰减、无漏电的效果。
本发明的另一个优势在于提供一种发光二极管以及发光装置，通过第一透明电流扩展层中掺杂的Al金属浓度由表面向内部逐渐减少的设置，可进一步增加透明电流扩展层的导电性能，提高载流子的横向扩散效果，降低发光二极管的操作电压，提高发光二极管的静电防护能力。
本发明的其它特征和有益效果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有益效果可通过在说明书、权利要求书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。
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作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1是本发明一实施例提供的发光二极管的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的发光二极管的俯视示意图；
图3是现有发光二极管和本发明发光二极管的抗ESD能力示意图；
图4是本发明另一实施例提供的发光二极管的结构示意图；
图5是本发明又一实施例提供的发光二极管的结构示意图。
附图标记：
1、2、3-发光二极管；10-衬底；12-外延结构；121-第一半导体层；122-发光层；123-第二半导体层；14-透明电流扩展层；141-第一透明电流扩展层；142-第二透明电流扩展层；16-钝化层；161-第一开口；162-第二开口；20-电流阻挡层；21-第一电极；22-第二电极；31-第一焊盘；32-第二焊盘；H1-透明电流扩展层的厚度；H2-第一透明电流扩展层的厚度；H3-第二透明电流扩展层的厚度。
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；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸的连接，或一体成型的连接; 可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1、图2和图3，图1是本发明一实施例提供的发光二极管1的结构示意图，图2是本发明一实施例提供的发光二极管1的俯视示意图，图3是现有发光二极管和本发明发光二极管1的抗ESD能力示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种发光二极管1。如图中所示，发光二极管1包括外延结构12、透明电流扩展层14、钝化层16、第一电极21以及第二电极22。
外延结构12是设置在衬底10上。衬底10可为透明性衬底或者非透明衬底或者半透明衬底，其中透明性衬底或者半透明衬底可以允许发光层122辐射出的光穿过衬底10到达衬底10的远离外延结构12的一侧，例如衬底10可以是蓝宝石平片衬底、蓝宝石图形化衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、玻璃衬底中的任意一种。
在一些实施例中，可以采用组合式的图形化衬底10，该衬底10的图形为一系列的凸起结构，该凸起结构可以为一层或者多层结构，包含至少一层折射率低于衬底10的折射率的光萃取层，该光萃取层的厚度大于该凸起结构的高度的一半，更利于发光二极管1的出光效率。优选地，该凸起结构呈炮弹状结构，光萃取层的材料可以为折射率优选小于1.6，例如可以选用二氧化硅等。在一些实施例中，衬底10可以进行减薄或者移除形成薄膜型的芯片。
外延结构12包括由下至上依次层叠的第一半导体层121、发光层122和第二半导体层123。也就是说，发光层122位于第一半导体层121和第二半导体层123之间。
第一半导体层121形成于衬底10上，作为在衬底10上生长的层，可以是掺杂了n型杂质，例如Si的氮化镓类半导体层。在一些实施例中，在第一半导体层121与衬底10之间设置还可缓冲层。在其他实施例中，第一半导体层121还可以通过粘结层与衬底10进行连结。
发光层122可以为量子阱结构(Quantum Well，简称QW)。在一些实施例中，发光层122也可以为多重量子阱结构(Multiple Quantum Well，简称MQW)，其中多重量子阱结构包括以重复的方式交替设置的多个量子阱层(Well)和多个量子阻障层(Barrier)。此外，发光层122内的阱层的组成以及厚度决定生成的光的波长。特别是，通过调节阱层的组成可以提供生成紫外线、蓝色光、绿色光、黄色光等不同色光的发光层122。
第二半导体层123可以是掺杂了p型杂质，例如Mg的氮化镓类半导体层。虽然第一半导体层121和第二半导体层123分别可以是单层结构，但本案不限于此，也可以是多重层，还可以包括超晶格层。此外，在其他实施例中，在第一半导体层121是掺杂了p型杂质的情况下，第二半导体层123可以是掺杂n型杂质，即第一半导体层121为P型半导体层，第二半导体层123为N型半导体层。
透明电流扩展层14位于第二半导体层123上，用于扩展电流，使得电流分布更为均匀，降低发光二极管1的操作电压，并提升发光二极管1的出光性能。透明电流扩展层14可采用透明导电材料制成，透明导电材料可包括氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、锌铟氧化物(indium zinc oxide，IZO)、氧化铟(indium oxide，InO)、氧化锡(tin oxide，SnO)、镉锡氧化物(cadmium tin oxide，CTO)、锡锑氧化物(antimony tin oxide，ATO)、铝锌氧化物(aluminum zinc oxide，AZO)、锌锡氧化物(zinc tin oxide，ZTO)、氧化锌掺杂镓(galliumdoped zinc oxide，GZO)、氧化铟掺杂钨(tungsten doped indium oxide，IWO)或者氧化锌(zinc oxide，ZnO)，但本公开实施例并非以此为限。
透明电流扩展层14包括第一透明电流扩展层141和第二透明电流扩展层142。第一透明电流扩展层141的两侧分别连接于第二电极22和第二透明电流扩展层142，第二透明电流扩展层142远离第一透明电流扩展层141的一侧连接于第二半导体层123，即第二透明电流扩展层142位于第一透明电流扩展层141与第二半导体层123之间，且第二透明电流扩展层142直接接触连接第一透明电流扩展层141。其中，第一透明电流扩展层141中掺杂Al金属，换言之，透明电流扩展层14靠近第二电极22的顶层中掺杂Al金属。较佳的，第二透明电流扩展层142可以是直接覆盖在第二半导体层123上，以减小发光二极管1的整体尺寸。
具体来说，Al金属可通过镀膜搭配退火的方式掺入于第一透明电流扩展层141内。Al金属以填隙原子或者替位原子的形式存在于第一透明电流扩展层141内，其最外层的自由电子可以作为自由电子参与导电，以增加材料的载流子浓度，降低透明电流扩展层14的横向电阻，降低操作电压，从而改善ESD，提高发光二极管1的静电防护能力。此外，该掺杂Al金属的工艺可以提升发光二极管1的抗老化能力，在长期更高结温下，实现点亮无电压上升、无光照衰减、无漏电的效果。
如图3所示，图3中的虚线代表设置有常规透明电流扩展层的现有发光二极管，实线代表设置有掺杂Al金属的透明电流扩展层14的本发明发光二极管1。分别对不同的发光二极管进行抗静电测试，具体如下：取相同的外延结构分别制作成样品一（现有发光二极管）和样品二（本实施例的发光二极管1）两种芯片，两种样品除了透明电流扩展层的结构不一样，其他结构层均相同。其中，样品一采用150nm厚度的ITO作为透明电流扩展层，样品二的透明电流扩展层14则包括厚度为130nm的ITO底层（对应于第二透明电流扩展层142）和厚度为20nm的掺Al的ITO表层（对应于第一透明电流扩展层141）。分别对样品一和样品二施加-2000V、-2500V、-3000V的电压情况下，通过采样100个发光二极管（样品）的实验数据，得到以下信息：本实施例的100个发光二极管1在经过-2000V、-2500V、-3000V的电压测试后，保留有效性能的发光二极管1的数量分别为100个、98个、78个；100个现有发光二极管在经过-2000V、-2500V、-3000V的电压测试后，保留有效性能的发光二极管的数量分别为99个、68个、14个。由此可见，本实施例的发光二极管1在采用表层掺杂Al金属的透明电流扩展层14后，可大幅提高发光二极管1的静电防护能力。
如图1中所示，钝化层16覆盖外延结构12、透明电流扩展层14、第一电极21和第二电极21，起到绝缘保护的作用。钝化层16具有第一开口161和第二开口162。第一开口161位于第一电极21上方，以露出第一电极21；第二开口162位于第二电极22上方，以露出第二电极22。
钝化层16根据涉及的位置具有不同的功效，例如：覆盖外延结构12侧壁的钝化层16可用于防止导电材料泄露电连通第一半导体层121和第二半导体层123，减少发光二极管1的短路异常，但本公开实施例并非以此为限。钝化层16的材料包含非导电材料。非导电材料优选地为无机材料或是介电材料。无机材料可以包含硅胶（Silicone）。介电材料包含氧化铝（AlO）、氮化硅（SiNx）、氧化硅（SiOx）、氧化钛（TiOx）、或氟化镁（MgFx）可以是电绝缘材料。例如，钝化层16可以是二氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化钽、氧化铌、钛酸钡或者其组合，其组合例如可以是两种材料重复堆叠形成的布拉格反射镜（DBR）。
第一电极21位于外延结构12之上，并电连接第一半导体层121。第一电极21可以是直接连接于第一半导体层121。第二电极22位于透明电流扩展层14之上。较佳的，第二电极22是直接接触连接于第一透明电流扩展层141。第一电极21与第二电极22包括金属材料，可以使用例如Cr、Ti、Ni、Au、Al或者Pt等金属之一种或者多种的组合。但本公开实施例并非以此为限。
在一实施例中，如图1、图2中所示，发光二极管1为小尺寸的 LED芯片，其尺寸较小，至少一个边长的尺寸小于等于200μm。小尺寸的LED芯片通过掺杂有Al金属的第一透明电流扩展层141的设置，便可提高发光二极管1的静电防护能力，无需设置电流阻挡层、指状电极（finger）等结构，保证发光二极管1的小尺寸需求。需要说明的是，对于现有的MiniLED显示芯片来说，其受限于芯片尺寸过小，无法加入电流阻挡层(Current BlockingLayer，CBL)、指状电极（finger）等结构设置，导致Mini LED显示芯片的抗ESD能力较差，无法达到静电防护的要求。相较而言，本实施例的LED芯片既可达到静电防护的要求，还可保证发光二极管1的小尺寸需求。
在一实施例中，如图1中所示，为提升透明电流扩展层14的透明导电性能，透明电流扩展层14的厚度H1范围为20-150nm，第一透明电流扩展层141的厚度H2范围为1-50nm，第二透明电流扩展层142的厚度H3范围为10-140nm，其中，第二透明电流扩展层142的厚度H3大于第一透明电流扩展层141的厚度H2。较佳的，第二透明电流扩展层142的厚度H3至少为第一透明电流扩展层141的厚度H2的2倍。在另一实施例中，第一透明电流扩展层141的厚度H2占透明电流扩展层14的整体厚度的0.5%-33%。尽管通过增加第一透明电流扩展层141的厚度有利于提升电流的横向扩展能力，但如果过多的增加该第一透明电流扩展层141将影响发光二极管1的其他性能，例如：将Al金属掺至透明电流扩展层14的中间区域，由于金属颗粒的不透光性，会造成吸光的严重，导致芯片光提取效率的降低；再如，将Al金属掺至透明电流扩展层14的底层，由于Al和p-GaN的功函数差异较大，会造成欧姆接触的恶化，导致发光二极管1的电压升高。本实施例将Al金属掺杂在第一透明电流扩展层141内，并控制第一透明电流扩展层141的厚度，既可提高发光二极管1的静电防护能力，还可避免上述电压升高或者吸光情况的发生。
在一实施例中，第一透明电流扩展层141中掺杂的Al金属浓度自第二电极22向第二半导体层123的方向起逐渐降低。换言之，第一透明电流扩展层141中掺杂的Al金属浓度由上表面向内部逐渐减少。举例来说，将第一透明电流扩展层141沿自上到下的方向划分为第一区域、第二区域、第三区域以及第四区域，各区域皆占第一透明电流扩展层141的厚度H2的25%。第一区域中掺杂的Al金属浓度高于第二区域中掺杂的Al金属浓度，第二区域中掺杂的Al金属浓度高于第三区域，第三区域中掺杂的Al金属浓度高于第四区域。上述各区域内的浓度为平均浓度。通过第一透明电流扩展层141中掺杂的Al金属浓度由表面向内部逐渐减少的设置，可进一步增加透明电流扩展层14的导电性能，提高载流子的横向扩散效果，降低芯片的操作电压。在一实施例中，通过在透明电流扩展层14的表面镀Al金属层，退火处理后，使得Al金属发生扩散，便可形成由表面向内部浓度渐变的掺杂效果。
在一实施例中，如图4所示，相较于图1所示的发光二极管1而言，本实施例的发光二极管2的尺寸较大，例如大于200μm，发光二极管2还可包括电流阻挡层20。电流阻挡层20位于第二电极22和第二半导体层123之间。电流阻挡层20可以起到阻挡电流的作用，避免下方出现电流拥挤的情况，进而提高出光功率。
在一实施例中，如图5所示，相较于图1所示的正装结构的发光二极管1而言，本实施例的发光二极管3为倒装结构。倒装结构的发光二极管3还包括第一焊盘31和第二焊盘32。第一焊盘31和第二焊盘32均位于钝化层16之下。第一焊盘31通过第一开口161电连接第一电极21；第二焊盘32通过第二开口162电连接第一电极22。第一焊盘31和第二焊盘32可在同一工艺中利用相同材料一并形成，因此可具有相同的层构造。钝化层16还可延伸至覆盖衬底10的上表面。
补充说明的是，关于透明电流扩展层14内的组分和含量可通过SIMS、EDS或EDX等方式进行确认。
本实施例还提供一种发光装置，其至少包括电路控制元件和发光光源，电路控制元件耦接发光光源，用于控制发光光源发出光亮。该发光光源采用上述任意实施例提供的发光二极管1、2、3，其具体结构与技术效果不再赘述。
较佳的，发光二极管1、2、3可以是小尺寸 LED，可以应用于背光显示或者RGB显示屏，如此小尺寸的发光二极管1、2、3以数百颗或者数千颗或者数万颗的数量集成式的安装在应用基板或者封装基板上，形成背光显示装置或者RGB显示装置的发光光源部分。
综上所述，本发明的一个优势在于提供一种发光二极管1、2、3以及发光装置，通过第一透明电流扩展层141中掺杂Al金属的设置，也就是在透明电流扩展层14靠近第二电极22的顶层中掺杂Al金属，以此来提高载流子浓度，增加导电率，降低发光二极管1、2、3的操作电压，进而改善ESD，提高发光二极管1、2、3的静电防护能力；此外，该掺杂Al金属的工艺可以提升发光二极管1、2、3的抗老化能力，在长期更高结温下，实现点亮无电压上升、无光照衰减、无漏电的效果。
本发明的另一个优势在于提供一种发光二极管1、2以及发光装置，通过第一透明电流扩展层141中掺杂的Al金属浓度由表面向内部逐渐减少的设置，可进一步增加透明电流扩展层14的导电性能，提高载流子的横向扩散效果，降低发光二极管1、2、3的操作电压，提高发光二极管1、2、3的静电防护能力。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种发光二极管，其特征在于：所述发光二极管包括：
外延结构，包括第一半导体层、发光层和第二半导体层，所述发光层位于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间；
透明电流扩展层，位于所述第二半导体层之上；
第一电极，位于所述外延结构之上，并电连接所述第一半导体层；
第二电极，位于所述透明电流扩展层之上；
其中，所述透明电流扩展层包括第一透明电流扩展层和第二透明电流扩展层，所述第一透明电流扩展层的两侧分别连接于所述第二电极和所述第二透明电流扩展层，所述第二透明电流扩展层远离所述第一透明电流扩展层的一侧连接于所述第二半导体层，所述第一透明电流扩展层中掺杂Al金属，所述第一透明电流扩展层的厚度占所述透明电流扩展层的厚度的0.5%-33%。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透明电流扩展层的材料包括氧化铟锡。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透明电流扩展层的厚度范围为20-150nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一透明电流扩展层的厚度范围为1-50nm。
5.根据权利要求3或4所述的发光二极管，其特征在于：所述第二透明电流扩展层的厚度大于所述第一透明电流扩展层的厚度。
6.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于：所述第二透明电流扩展层的厚度至少为所述第一透明电流扩展层的厚度的2倍。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一透明电流扩展层中掺杂的Al金属浓度自所述第二电极向所述第二半导体层的方向起逐渐降低。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包括电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述第二电极和所述第二半导体层之间。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二透明电流扩展层直接覆盖在所述第二半导体层上。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的边长小于等于200μm。
11.一种发光装置，至少包括电路控制元件和发光光源，所述电路控制元件耦接所述发光光源，其特征在于：所述发光光源包含权利要求1～10中任一项所述的发光二极管。
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