CN115548183A - 半导体发光元件及发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种半导体发光元件，其包括半导体叠层和绝缘反射层，绝缘反射层位于半导体叠层的一侧，绝缘反射层是通过交替堆叠高折射率子层和低折射率子层而形成，其中，至少一层的低折射率子层包含氧硅铝三种元素。借此，使用包含氧硅铝三种元素的低折射率子层来替代传统SiO₂作为绝缘反射层的一个子层，能够在兼顾绝缘反射层的反射特性的同时，有效降低绝缘反射层的内应力，可以避免在发生划裂等情形时绝缘反射层出现崩裂的情况，提升结构稳定性。

Description

半导体发光元件及发光装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种半导体发光元件及发光装置。

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。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。LED已经广泛应用于照明、监控指挥、高清演播、高端影院、办公显示、会议交互、虚拟现实等领域。

目前，在LED芯片结构里包括正装和倒装，二者都会使用DBR膜层来提升出光效果，DBR膜层材料是指采用两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：考虑到DBR膜层对于反射特性的高要求，通常DBR膜层是采用SiO₂和TiO₂交替堆叠镀膜形成的布拉格反射镜。然而，此种DBR膜层虽然满足了反射特性的要求，但是在镀膜完成后，SiO₂膜层在DBR膜层中的内应力较大，容易在发生裂片等情形后，使得DBR膜层崩裂，导致外观异常，影响LED产品性能。如图8所示为传统的正装LED芯片衬底一侧的DBR膜层崩裂的情形，图中虚线圈出的区域为明显的DBR膜层崩裂的地方。

需要说明的是，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提供一种半导体发光元件，其能够解决背景技术中所提及的DBR膜层的应力问题，并且保证半导体发光元件的发光效率。

半导体发光元件包括半导体叠层和绝缘反射层。绝缘反射层位于半导体叠层的一侧。绝缘反射层是通过交替堆叠高折射率子层和低折射率子层而形成。其中，至少一层的低折射率子层包含氧硅铝三种元素。

在一些实施例中，绝缘反射层的第一层的材料是包含氧硅铝三种元素的材料。

在一些实施例中，绝缘反射层中几何厚度最厚的一层是包含氧硅铝三种元素的低折射率子层，最厚的一层的几何厚度为200～600nm。

在一些实施例中，绝缘反射层中几何厚度最厚的一层是绝缘反射层的第一层。

在一些实施例中，在至少一层的包含氧硅铝三种元素的低折射率子层中的铝原子含量低于硅原子含量。

在一些实施例中，高折射率子层的材料包括氮化硅、氮氧化硅、氧化铝或者氧化钛。

在一些实施例中，低折射率子层的折射率范围是1.3～1.7，高折射率子层的折射率范围是1.7～2.7。

在一些实施例中，共有m对所述高折射率子层和所述低折射率子层，m≥2，且m为正整数，其中，存在至少2层的所述低折射率子层包含氧硅铝三种元素，或是全部的所述低折射率子层均包含氧硅铝三种元素。

在一些实施例中，绝缘反射层的对数为2～30对。

在一些实施例中，半导体发光元件还包括第一焊盘和第二焊盘，第一焊盘、第二焊盘和绝缘反射层均位于半导体叠层的同一侧。

在一些实施例中，绝缘反射层介于第一焊盘和/或第二焊盘与半导体叠层之间。

在一些实施例中，半导体发光元件还包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均位于半导体叠层的远离绝缘反射层的一侧。

在一些实施例中，半导体发光元件为正装结构或者倒装结构。

在一些实施例中，半导体发光元件还包括透明衬底，透明衬底连接半导体叠层，绝缘反射层的水平投影面积跟透明衬底的水平投影面积相等。

本发明还提供一种发光装置，其采用上述任一实施例提供的半导体发光元件。

本发明一实施例提供的一种半导体发光元件及发光装置，通过使用包含氧硅铝三种元素的低折射率子层来替代传统SiO₂作为绝缘反射层的一个子层，能够在兼顾绝缘反射层的反射特性的同时，有效降低绝缘反射层的内应力，可以避免在发生划裂等情形时绝缘反射层出现崩裂的情况，提升结构稳定性。

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，部分的技术特征和有益效果可以从说明书中显而易见地得出，或者是通过实施本发明而了解。

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的介绍，显而易见的，下面描述中的部分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它的附图。

图1是本发明第一实施例提供的半导体发光元件的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的半导体发光元件的俯视结构示意图；

图3是本发明绝缘反射层的结构示意图；

图4是本发明第二实施例提供的半导体发光元件的结构示意图；

图5是本发明第三实施例提供的半导体发光元件的结构示意图；

图6是本发明第三实施例提供的半导体发光元件的俯视结构示意图；

图7是本发明第四实施例提供的半导体发光元件的结构示意图；

图8是传统的发光二极管的DBR膜层崩裂的示意图。

附图标记：

10-衬底；12-半导体叠层；121-第一半导体层；122-发光层；123-第二半导体层；14-绝缘反射层；141-低折射率子层；142-高折射率子层；21-第一电极；22-第二电极；31-第一焊盘；32-第二焊盘。

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。

请参阅图1、图2和图3，图1是本发明第一实施例提供的半导体发光元件的结构示意图，图2是本发明第一实施例提供的半导体发光元件的俯视结构示意图，图3是本发明绝缘反射层14的结构示意图。本发明的第一实施例提供一种半导体发光元件。

如图中所示，半导体发光元件为倒装发光二极管，其可以包括半导体叠层12和绝缘反射层14。

半导体叠层12设置在衬底10上。衬底10可以是绝缘衬底，优选的，衬底10可以是以透明材料或半透明材料所制成。在图示实施例中，衬底10为蓝宝石衬底。在一些实施例中，衬底10可以是图形化的蓝宝石衬底，但本案不限于此。衬底10亦可以是以导电材料或者半导体材料所制成的。例如：衬底10材料可以包括碳化硅、硅、镁铝氧化物、氧化镁、锂铝氧化物、铝镓氧化物及氮化镓中的至少一种。

半导体叠层12由下表面到上表面依次包括第一半导体层121、发光层122和第二半导体层123。即发光层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的部分上表面未被发光层122覆盖，形成了台面(mesa)，台面处主要用于设置电极。

第一半导体层121可以为N型半导体层，在电源作用下可以向发光层122提供电子。在一些实施例中，第一半导体层121包括N型掺杂的氮化物层。N型掺杂的氮化物层可包括一个或多个IV族元素的N型杂质。N型杂质可以包括Si、Ge、Sn中的一种或其组合。在一些实施例中，在N型半导体层与衬底10之间还可以设置缓冲层，以减轻衬底10与N型半导体层之间的晶格失配。缓冲层可包括非故意掺杂的AlN层(undroped AlN，简称：u-AlN)或者是非故意掺杂的AlGaN层(undroped AlGaN，简称：u-AlGaN)。N型半导体层还可以是通过粘结层与衬底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)，例如可以是GaN/AlGaN、InAlGaN/InAlGaN或InGaN/AlGaN的多量子阱结构。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。为了提高发光层122的发光效率，可通过在发光层122中改变量子阱的深度、成对的量子阱和量子势垒的层数、厚度和/或其它特征来实现。

第二半导体层123可以为P型半导体层，在电源作用下可以向发光层122提供空穴。在一些实施例中，第二半导体层123包括P型掺杂的氮化物层。P型掺杂的氮化物层可包括一个或多个II族元素的P型杂质。P型杂质可以包括Mg、Zn、Be中的一种或其组合。第二半导体层123可以是单层结构，也可以是多层结构，该多层结构具有不同的组成。此外，半导体叠层12的设置不限于此，可以是依据实际需求来选择其它种类的半导体叠层12。

绝缘反射层14位于半导体叠层12的一侧。绝缘反射层14是通过交替堆叠高折射率子层142和低折射率子层141而形成，例如，绝缘反射层14可以是按照由下至上依次为“低-高-低-高”的顺序进行堆叠。在绝缘反射层14中，其存在至少一层的低折射率子层141是包含氧硅铝三种元素的。所述包含氧硅铝三种元素的材料的化学式例如可以是Al_xSi_yO_z，x、y和z值分别代表的是三种元素的相对原子含量，其中O的相对原子含量根据Al和Si的相对原子含量来确定，例如Al的相对原子含量是x＝1，Si的相对原子含量是y＝2，O的原子含量是x*1.5+y*2＝z＝5.5。高折射率子层142的材料可以采用氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化钛或氧化铌等。

通过使用包含氧硅铝三种元素的低折射率子层141来替代传统SiO₂作为绝缘反射层14的至少一个子层，借助包含氧硅铝三种元素的材料本身的属性特征，能够在兼顾绝缘反射层14的反射特性的同时，有效降低绝缘反射层14的内应力，可以避免在发生划裂等情形时绝缘反射层14出现崩裂的情况，提升结构稳定性。

举例来说，绝缘反射层14具有4层结构，依次为第一低折射率子层141、第一高折射率子层142、第二低折射率子层141和第二高折射率子层142，其中的第一低折射率子层141和/或第二低折射率子层141是包含氧硅铝三种元素。

半导体发光元件还可以包括第一电极21、第二电极22、第一焊盘31和第二焊盘32。第一电极21、第二电极22和绝缘反射层14均位于半导体叠层12的同一侧。第一电极21设置在第一半导体层121之上，并连接半导体叠层12的第一半导体层121。第二电极22设置在第二半导体层123之上，并连接半导体叠层12的第二半导体层123。绝缘反射层14覆盖半导体叠层12、第一电极21和第二电极22，并形成开口。第一焊盘31和第二焊盘32是设置在绝缘反射层14之上，且第一焊盘31和第二焊盘32通过绝缘反射层14的开口分别连接第一电极21和第二电极22。也就是说，第一焊盘31、第二焊盘32和绝缘反射层14也是一同位于半导体叠层12的同一侧。优选地，绝缘反射层14是介于第一焊盘31和/或第二焊盘32与半导体叠层12之间。

第一电极21可以是由金属材料制成，其可以为单层金属结构、双层金属结构或多层金属结构，例如：Ti/Al、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、V/Al/Pt/Au等金属叠层结构。在一些实施例中，第一电极21可以直接形成于第一半导体层121的台面上，与第一半导体层121之间形成良好的欧姆接触。第二电极22可以是跟第一电极21为相同或相近似的材料组成，第二电极22形成在第二半导体层123上，也可以是采用跟第一电极21不同的材料组成。第一焊盘31和第二焊盘32可以为金属焊盘，可以是Al/Ti/Ni/Au或者Al/Ti/Ni/Sn等金属叠层结构。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。

在一些实施例中，绝缘反射层14的第一层是低折射率子层141，绝缘反射层14的第一层是指在绝缘反射层14的所有层结构中，最接近半导体叠层12的一层为第一层。当绝缘反射层14的第一层是低折射率子层141时，能够保证绝缘反射层14具有较高的反射率。同时，在一些实施例中，在绝缘反射层14的第一层是低折射率子层141的同时，该第一层也是绝缘反射层14中厚度最厚的一层，能够起到对内部的半导体叠层12以及电极层(如第一电极21和第二电极22)良好的水汽防护。通过对绝缘反射层14的第一层材料设置为包含氧硅铝三种元素的材料，能有效改善绝缘反射层14的内应力。较佳的，绝缘反射层14中最厚的一层的几何厚度超过200nm，较佳的几何厚度范围为200～600nm。可选的，在至少一层的低折射率子层141包含氧硅铝三种元素的情况下，其余的低折射率子层141仍然可以采用氧化硅材料、或是部分数量的低折射率子层141包含氧硅铝三种元素(部分数量是指至少有2层)、或者是全部的低折射率子层141均包含氧硅铝三种元素。

在一些实施例中，在包含氧硅铝三种元素的低折射率子层141中，该低折射率子层141中的铝原子含量低于硅原子含量，有利于形成更低的折射率(因为氧化铝的折射率高于氧化硅)，以提高光学特性。

在一些实施例中，包含氧硅铝三种元素的低折射率子层141的折射率范围是1.3～1.7，优选为1.5～1.65，反射效果更佳。高折射率子层142的折射率范围是1.7～2.7，以提高绝缘反射层14的光学特性。

在一些实施例中，共有m对高折射率子层142和低折射率子层141，m≥2，且m为正整数，各低折射率子层141均包含氧硅铝三种元素，以利于降低绝缘反射层14的内应力。优选地，m小于等于30，绝缘反射层14的光学特性更佳。

在一些实施例中，绝缘反射层14的对数可以为2～30对，换言之，一个低折射率子层141和一个高折射率子层142为一对组合，绝缘反射层14可以有2～30对该组合。

作为一个实施例，所述的m对高折射率子层142和低折射率子层141为m对氧化钛层和包含氧硅铝三种元素的子层。

作为一个实施例，除了绝缘反射层14的第一层，所述的m对高折射率子层142和低折射率子层141的其余各层的光学厚度为半导体叠层14所辐射的光的中心波长的1/4左右，或者根据实际需要，对各层的光学厚度以半导体叠层14所辐射的光的中心波长的1/4为基准进行进一步的调整。

在一些实施例中，电流阻挡层和透明导电层(图中未示意)也可以介于第一电极21和/或第二电极22与半导体叠层12之间。电流阻挡层起到阻挡电流的效果，透明导电层起到的电流扩展的作用。优选的，电流阻挡层为氧化硅层，透明导电层为ITO或者掺杂铝的ITO层。

请参阅图4，图4是本发明第二实施例提供的半导体发光元件的结构示意图。相较于图1所示的第一实施例的半导体发光元件而言，本实施例的半导体发光元件的不同之处主要在于：还可以在衬底10的背离半导体叠层12的一侧增设绝缘反射层14，衬底10夹置在绝缘反射层14和半导体叠层12之间，以进一步提升半导体发光元件的出光特性。

作为一个实施例，绝缘反射层14可以同时存在于半导体叠层12的两侧，在两侧的绝缘反射层14的共同作用下，可以让半导体叠层12辐射的光尽可能地从半导体叠层12以及衬底10的侧壁辐射出去，从而实现发光元件具有更大的发光角，能够实现发光均匀性。

作为一个更佳的实施例，由于传统的倒装发光元件在经过切割分离形成多个芯片的步骤之前，一个晶圆片上镀的绝缘反射层14为一整层连续的膜层，如果直接切割绝缘反射层14，容易导致芯片发生翘曲。因此，传统的做法是通过先让芯片上的绝缘反射层14在切割位置处断开的方式，来消除应力，避免芯片翘曲。

而本发明通过改善绝缘反射层14中的至少一层低折射率材料层141，可以一定程度的降低应力，避免芯片翘曲，因此可以将绝缘反射层14设置为覆盖在半导体叠层12周围的衬底10的上表面上，并且在芯片裂片之前不用在切割位置处断开。裂片时从衬底10正面的绝缘反射层14表面进行裂片，在裂片之后，在半导体发光叠层12靠近衬底10的一侧，绝缘反射层14的边缘与衬底10的表面的边缘在厚度方向上看是对齐的。即形成的发光元件中，所述的绝缘反射层14的水平投影面积跟衬底10的水平投影面积相等(需要强调的是，因为绝缘反射层14的边缘不用在裂片前打开，所以不会损失发光面积)，由此，可以增加绝缘反射层14的反光面积。

请参阅图5和图6，图5是本发明第三实施例提供的半导体发光元件的结构示意图，图6是本发明第三实施例提供的半导体发光元件的俯视结构示意图。相较于图1所示的第一实施例的半导体发光元件而言，本实施例的半导体发光元件的不同之处主要在于：本实施例的半导体发光元件为正装结构，而第一实施例和第二实施例的半导体发光元件均为倒装结构。因此，本实施例的半导体发光元件无需设置第一焊盘31和第二焊盘32，而是通过开口露出第一电极21和第二电极22，后续采用打线的方式进行封装。

请参阅图7，图7是本发明第四实施例提供的半导体发光元件的结构示意图。相较于图5所示的第三实施例的半导体发光元件而言，本实施例的半导体发光元件的不同之处主要在于：还可以在衬底10的背离半导体叠层12的一侧增设绝缘反射层14，衬底10夹置在绝缘反射层14和半导体叠层12之间，以进一步改变半导体发光元件的出光特性。绝缘反射层14可以同时存在于半导体叠层12的两侧，在两侧的绝缘反射层14的共同作用下，可以让半导体叠层14辐射的光更多可能地从半导体叠层14以及衬底10的侧壁辐射出去，从而实现发光元件具有更大的发光角，做到均匀发光。

本发明还提供一种发光装置，其采用上述任一实施例提供的半导体发光元件。半导体发光元件的尺寸可以是Micro LED、Mini LED或常规LED。半导体发光元件可应用于背光显示或者RGB显示屏，小尺寸的倒装结构的半导体发光元件可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，本发明一实施例提供的一种半导体发光元件及发光装置，通过使用包含氧硅铝三种元素的低折射率子层141来替代传统SiO2作为绝缘反射层14的至少一个子层，能够在兼顾绝缘反射层14的反射特性的同时，有效降低绝缘反射层14的内应力，可以避免在发生划裂等情形时绝缘反射层14出现崩裂的情况，提升结构稳定性。

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 (15)

1.一种半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件包括：

半导体叠层；

绝缘反射层，位于所述半导体叠层的一侧，所述绝缘反射层是通过交替堆叠高折射率子层和低折射率子层而形成，其中，至少一层的所述低折射率子层包含氧硅铝三种元素。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述绝缘反射层的第一层的材料是包含氧硅铝三种元素的材料。

3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述绝缘反射层中几何厚度最厚的一层是包含氧硅铝三种元素的低折射率子层，最厚的一层的几何厚度为200～600nm。

4.根据权利要求2或3所述的半导体发光元件，其特征在于：所述绝缘反射层中的几何厚度最厚的一层是所述绝缘反射层的第一层。

5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：在至少一层的包含氧硅铝三种元素的低折射率子层中的铝原子含量低于硅原子含量。

6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述高折射率子层的材料包括氮化硅、氮氧化硅、氧化铝或者氧化钛。

7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述低折射率子层的折射率范围是1.3～1.7，所述高折射率子层的折射率范围是1.7～2.7。

8.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：共有m对所述高折射率子层和所述低折射率子层，m≥2，且m为正整数，其中，存在至少2层的所述低折射率子层包含氧硅铝三种元素，或是全部的所述低折射率子层均包含氧硅铝三种元素。

9.根据权利要求1或8所述的半导体发光元件，其特征在于：所述绝缘反射层的对数为2～30对。

10.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件还包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘、所述第二焊盘和所述绝缘反射层均位于所述半导体叠层的同一侧。

11.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于：所述绝缘反射层介于所述第一焊盘和/或所述第二焊盘与所述半导体叠层之间。

12.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均位于所述半导体叠层的远离所述绝缘反射层的一侧。

13.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件为正装结构或者倒装结构。

14.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于：所述半导体发光元件还包括透明衬底，所述透明衬底连接所述半导体叠层，所述绝缘反射层的水平投影面积跟所述透明衬底的水平投影面积相等。

15.一种发光装置，其特征在于：所述发光装置采用如权利要求1～14中任一项所述的半导体发光元件。

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