CN1472827A - 发光二极管光出射侧的p电极结构 - Google Patents

发光二极管光出射侧的p电极结构 Download PDF

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Abstract

在发光二极管光出射侧的P电极结构，所述发光二极管包括：(a)n型半导体衬底；(b)依序在所述衬底上形成的n型覆盖层、活性层、p型覆盖层和p型接触层；以及(c)在所述衬底背面上形成的n型电极。所述p电极结构包括：用以扩散电流的网形半透明薄膜金属电极，它形成在所述p型接触层上；以及用于引线连接的连接电极。所述金属电极还有：透射率至少为10％的覆盖部分和由多个窗口形成的开口部分，其开孔比率至少为20％。所述连接电极形成于所述p型接触层的周缘处，并且直接与所述网形半透明薄膜金属电极连接。这种结构增强从p侧出射的输出光的强度。

Description

发光二极管光出射侧的P电极结构
技术领域
本发明涉及发光二极管的光出射侧的P电极结构，具体地说，涉及一种改进的P电极结构，以便不致妨碍使用宽带隙半导体，如ZnSe或GaN之发光二极管中光的通过。
背景技术
发光二极管(下称LED)有一个在两个主表面(顶部表面和底部表面)之一上的n电极和一个在另一表面上的p电极。在面照明型LED的情况下，任何一个表面都可被用作光出射表面。要求通常是用金属制成的电极不妨碍光的通过。
诸如AlGaAs基LED类的LED的结构是，其中在pn节上设置有足够导电性的p型GaAs接触层，而在接触层上设置成小面积点状或环形的p电极。本说明书中也把较窄的p电极称为连接电极，因为它被用于引线连接。
由于p型GaAs接触层的电阻很低，所以它有能力扩散从所述小面积p电极注入的电流，同时使接触层下的电流密度接近相同。换句话说，p型GaAs接触层可望用作电流扩散层。因此，当在所述p型接触层上形成窄的连接电极时，这种简单的结构可充分地扩散电流。
然而，当使用难于得到低电阻的p型半导体材料制作LED时，这种半导体本身不能充分地扩散电流。采用GaN系或ZnSe系宽带隙半导体，难于制得p型半导体，特别是低电阻的p型半导体。这就是为什么使用这种半导体的LED难于得到低电阻p型接触层的原因。从而，不能给出具有电流扩散层的LED。
采用没有电流扩散层的LED，用于引线连接的连接电极只是不能在p型接触层中充分地扩散电流。因此，电流局限在电极下面的部分。结果，就使光发射部分的有效面积减小，使照明效率显著降低。另外，电流的聚集降低了LED的寿命。为防止电流直接聚集在连接电极下面或者在连接电极附近，没有电流扩散层的LED的结构通常是，在光发射区的整个表面上形成比如由Au制成的极薄半透明金属电极。按照这种结构，把连接电极置于部分光发射区上。金能够提供与p型接触层的欧姆接触。
本说明书中把所述薄金属电极称为“半透明薄膜金属电极”，以使它与连接电极区别。换句话说，p电极具有由连接电极和半透明薄膜金属电极组成的双重结构。虽然连接电极不能透光，但透明薄膜金属电极能在一定程度上透光。因此，在pn结处产生的光能够透过半透明薄膜金属电极，出射到外面。
不过，尽管覆盖整个p型接触层的半透明薄膜金属电极能够透光，但它的透射率很低的。结果，在GaN型LED或ZnSe型LED中，从活性层发射的部分向上的光被所述半透明薄膜金属电极吸收或受到反射。轴向光强度减少所述吸收损失和反射损失的量。
在半透明薄膜金属电极处的吸收和反射减少了从LED出射到外面去的光量，因此而降低亮度。为了提高光强(亮度)，必须减少半透明薄膜金属电极处的吸收和反射。换句话说，必须提高金属电极的透射率。为达到这一目的，可以减小所述金属电极的厚度。但若金属电极过薄，就会使沿横向的电阻增大，而使金属电极的电流扩散效果减小。例如，在把Au用作金属电极时，如果厚度减小到5nm，则由于电阻的增大，不能有足够的电流流入Au电极。令人满意的Au电极厚度至少是10nm，最好是20nm。虽然薄，但厚约20nm的Au电极的透射率无非像40％-60％这样低。换句话说，由于金电极的存在，可减少大约一半的光量。
题为“半导体发光二极管”的日本专利申请公开2001-148511公开了一种成网形的LED电极结构，其中(a)在n型接触层上形成成网形的金属电极，(b)在所述成网形的金属电极上形成由铟锡氧化物(下称ITO)制成的透明、导电氧化电极层，(c)在所述氧化电极层的中心形成连接电极(JP-2001-148511中把连接电极称为条形电极)。换句话说，所述n侧电极结构包括连接电极、ITO层、网形金属电极和n型接触层。
ITO提供与所述n型接触层的欧姆接触。注入的电流通过厚的ITO层充分扩散，并以均匀分布继续进入到所述n型接触层中。由于ITO层有足够的厚度，所以有能力扩散电流。因此，无需半导体层(n型接触层)扩散电流。
虽然导电，但ITO层的导电性不如Au。因此，透明电极要有600nm到1μm这样的厚度。因为ITO的导电性欠佳，所以必须把连接电极放在ITO层的中心，为的是穿过所述芯片得到均匀的电流分布。如果把连接电极置于靠近所述ITO层的周缘部分，则电流就不会在相对的端部充分地流过。
所提供的带ITO透明电极而不用网形金属电极之GaN型LED的问题在于所述ITO电极与n型接触层(n-GaN)之间的结阻挡层高到使正向电压降变得有如7伏这样高。结果，不能实行低电压驱动。
前述JP-2001-148511中公开的这种结构中，把网形金属电极(Au/Ge)置于n型接触层的周缘部分，而不在中心部分，中心部分用于放置连接电极。采用上述具有网形金属电极的GaN型LED，由于电流直接从ITO层流到n-GaN接触层，所述电压降变得有如7伏这样高。另一方面，在JP-2001-148511公开的上述结构情况下，电流首先从ITO层流到所述网形金属电极，这时不产生电压降，然后再从所述网形金属电极流到半导体层(n-GaN接触层)，这时产生不超过3伏的电压降。
如上所述，按照JP-2001-148511公开的结构，电流依序流过连接电极、ITO层、网形金属电极和n型接触层。把n型电极置于光出射的侧面。与此相反，有如本发明的结构，其中把p电极置于光出射的一侧。n型接触层充分吸收掺杂剂，同时增大电流密度。这种高电流密度使电阻充分减小，促使电流扩散。但不能将这种过程用于比如本发明所针对的p型接触层。
因此，要求研究人员和工程师开发面照明型的LED，使光通过p电极出射，特别是一种采用宽带隙半导体，如ZnSe和GaN的LED，按照这种途径，所述LED以与p型接触层接触的方式，在p电极处具有被提高了的透明性，从而增强光的输出。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种与LED的p型接触层接触的改进的p电极结构。通过提高p电极的光透射率，以增强LED的光输出而获得这种改进。
按照本发明，通过提供一种在LED的光出射侧形成的p电极结构实现前述目的，所述LED包括如下部件：
(a)n型半导体衬底；
(b)在所述n型半导体衬底上形成的n型覆盖(cladding)层；
(c)在所述n型覆盖层上形成的活性层；
(d)在所述活性层上形成的p型覆盖层；
(e)在所述p型覆盖层上形成的p型接触层；
(f)在所述n型半导体衬底的背面上形成的n型电极。
这种P电极结构包括用以扩散电流的网形半透明薄膜金属电极，它形成在所述p型接触层上，还包括用于引线连接的连接电极。所述网形电极具有(a)透射率至少为10％的覆盖部分和(b)由多个窗口形成的开口部分，其开孔比率至少为20％。所述连接电极形成于所述p型接触层的周缘处，并直接与所述网形半透明薄膜金属电极连接。
上述LED还可以包括在n型半导体衬底与n型覆盖层之间的n型缓冲层。上述LED还可以包括在p型覆盖层与p型接触层之间的p型半导体层。上述LED还可以既包括(a)在n型半导体衬底与n型覆盖层之间的n型缓冲层，又包括在p型覆盖层与p型接触层之间的p型半导体层。
前述具有n型缓冲层的LED的结构如下：
(a)所述n型半导体衬底是n型ZnSe衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-ZnSe缓冲层；
(c)所述n型覆盖层是n-ZnMgSSe覆盖层；
(d)所述活性层是ZnCdSe/ZnSe多量子阱(下称MQW)活性层或ZnSeTe活性层；
(e)所述p型覆盖层是p-ZnMgSSe覆盖层；
(f)所述p型接触层包括p-(ZnTe/ZnSe)-MQW层和形成于所述p-(ZnTe/ZnSe)-MQW层上的p-ZnTe层。
前述既有n型缓冲层又有p型半导体层的LED的结构如下：
(a)所述n型半导体衬底是n型ZnSe衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-ZnSe缓冲层；
(c)所述n型覆盖层是n-ZnMgSSe覆盖层；
(d)所述活性层是ZnCdSe/ZnSe-MQW活性层或ZnSeTe活性层；
(e)所述p型覆盖层是p-ZnMgSSe覆盖层；
(f)所述p型半导体衬底是p型ZnSe衬底；
(g)所述p型接触层包括p-(ZnTe/ZnSe)-MQW层和形成于所述p-(ZnTe/ZnSe)-MQW层上的p-ZnTe层。
前述LED可有如下结构：
(a)所述n型半导体衬底是n型GaN衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(c)所述活性层是InGaN活性层；
(d)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(e)所述p型接触层是p-GaN接触层。
前述具有n型缓冲层的LED还可有如下的结构：
(a)所述n型半导体衬底是n型GaN衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(c)所述n型覆盖层是n-GaN覆盖层；
(d)所述活性层是InGaN活性层；
(e)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(f)所述p型接触层是p-GaN接触层。
前述既有n型缓冲层又有p型半导体层的LED还可有如下的结构：
(a)所述n型半导体衬底是n型GaN衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(c)所述n型覆盖层是n-GaN覆盖层；
(d)所述活性层是InGaN活性层；
(e)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(f)所述p型半导体层是p-GaN层
(g)所述p型接触层是p-GaN接触层。
按照本发明的一个方面，p电极结构形成于LED的光出射侧，所述LED包括如下部件：
(a)蓝宝石衬底；
(b)形成于所述蓝宝石衬底上的n型覆盖层；
(c)形成于所述n型覆盖层上的活性层；
(d)形成于所述活性层上的p型覆盖层；
(e)形成于所述p型覆盖层上的p型接触层；
(f)n-电极，将它形成为使得在通过蚀刻露出部分所述n型覆盖层，而除去所述p型接触层的外延生长层的确定部分、p型覆盖层和包含n型覆盖层表面部分的活性层之后，在所述n型覆盖层的暴露部分上形成n型电极。
按照这一方面，所述p电极还包括：用以扩散电流的网形半透明薄膜金属电极，它形成于所述p型接触层上，还包括用于引线连接的连接电极。所述网形电极具有(a)透射率至少为10％的覆盖部分和(b)由多个窗口形成的开口部分，其开孔比率至少为20％。所述连接电极形成于p型接触层的周缘处，并直接与所述网形半透明薄膜金属电极连接。
按照这一方面，所述p电极还包括：在蓝宝石衬底与n型覆盖层之间的n型缓冲层。所述LED还可以包括在p型覆盖层与p型接触层之间的p型半导体层。所述LED还可以既包括(a)在蓝宝石衬底与n型覆盖层之间的n型缓冲层，又包括在p型覆盖层与p型接触层之间的p型半导体层。
按照这一方面，所述具有n型缓冲层的LED的结构如下：
(a)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(b)所述n型覆盖层是n-GaN覆盖层；
(c)所述活性层是InGaN活性层；
(d)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(e)所述p型接触层是p-GaN接触层。
按照这一方面，所述既有n型缓冲层又有p型半导体层的LED可有如下的结构：
(a)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(b)所述n型覆盖层是n-GaN覆盖层；
(c)所述活性层是InGaN活性层；
(d)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(e)所述p型半导体层是p-GaN层
(f)所述p型接触层是p-GaN接触层。
本发明提供一种用于宽带隙ZnSe型或GaN型LED的p电极结构，由于难于沉积p型杂质，它具有低的p性导电性。所述p电极包括：用以扩散电流的网形半透明薄膜金属电极，以及用于引线连接的连接电极。所述网形电极具有覆盖部分和由多个窗口形成的开口部分。所述连接电极形成于p型接触层的周缘处。注入电流通过所述网形薄膜金属电极从所述连接电极流到所述p型接触层。电流在所述金属电极处(包括周缘部分)均匀地扩散，使得对整个LED实现同样的电流分布。正是这种网形结构，所述金属电极的金属部分并不覆盖p型接触层的整个表面。于是，可使因金属电极的出射光吸收得以被减少。另外，构成所述覆盖部分的金属部分是薄而透光的，使开口部分加大。结果，就使从LED出射光的输出效率得以提高，使它能够成为所要提供高亮度LED。
按照本发明，一种LED的p电极结构如下：
(a)网形薄膜金属电极，它有由多个窗口构成之开口部分和由薄金属膜构成的覆盖部分，被置于p型接触层的整个表面上；
(b)金属电极，它直接与引线连接用的连接电极连接，所述连接电极置于p型接触层的周缘。
在pn结处产生的光通过所述孔径或覆盖部分，出射到外面。一部分出射光通过具有普通透射率的覆盖部分。所述透射率至少为10％。其余部分的出射光通过开口部分，没有任何损失(透射率：100％)，提高了出射光的输出效率。
按照本发明，在所述p电极的结构中：
(a)所述网形半透明薄膜金属电极中开口部分的每个窗口的外接圆直径L至少为100μm；
(b)所述网形电极的覆盖部分厚度d至少为10nm，最多为60nm；
(c)所述网形电极开口部分的开孔比率为30％到90％。
在采用宽带隙半导体，如ZnSe或GaN并且使光从p电极侧出射的表面照明型LED中，所述p型接触层的电阻高，因此它难于扩散电流。尽管有这种困难，可以通过改进与p型接触层接触的p电极，提高光的透射率，给出一种输出光增多的LED，而不必依赖ITO。
然而，在这种改进的p电极中，并不使所述开口部分与所述p型接触层接触。这造成电流不能充分地在p型接触层中扩散，并伴有照明效率降低。当p型接触层的电阻足够低并且所述窗口足够窄时，电流可以充分地扩散。按照这种方案，令人满意的是使窗口更窄些。具体地说，有如上述那样，令人满意的是所述窗口的外接圆直径为100μm。另一方面，如果窗口过窄，则使出射光的增量减小。
如上所述，按照本发明，形成于LED光出射侧之p电极的结构可以有效地提高LED出射光的输出效率。这种效果在使用宽带隙半导体，如ZnSe或GaN的LED中尤其明显。
附图说明
图1是例1中所采用结构的纵剖面图，其中的ZnSe型LED的结构如下：
(a)在n型ZnSe衬底上形成以下各层：n-ZnSe缓冲层、n-ZnMgSSe覆盖层、ZnCdSe/ZnSe-MQW活性层、p-ZnMgSSe覆盖层、p-ZnSe/P+-ZnSe层、p-(ZnTe/ZnSe)-MQW层和p-ZnTe层(图1中未示出)；
(b)在n型ZnSe衬底背面上形成的n电极；
(c)在包含p-(ZnTe/ZnSe)-MQW层和p-ZnTe层的p型接触层上形成本发明的网形Au的p电极；
图2是例1所采用结构的平面图，其中给出一个ZnSe型LED，在它的p型接触层上带有网形p电极，该电极具有多个正六边形窗口，这些窗口以六重对称的形式排列；
图3是例1所采用的另一种结构的平面图，其中给出一个ZnSe型LED，在它的p型接触层上带有网形p电极，该电极具有多个正方形窗口，这些窗口以四重对称的形式排列；
图4是例1所采用的又一种结构的平面图，其中给出一个ZnSe型LED，在它的p型接触层上带有网形p电极，该电极具有多个圆形窗口，这些窗口以四重对称的形式排列；
图5是表示网形Au电极的覆盖率σ与例1制得的ZnSe型LED的轴向亮度Q之间测量关系的曲线，其中所述ZnSe型LED在它的p型接触层上带有网形的金p电极，图中的横坐标轴表示覆盖率σ，纵坐标轴表示轴向亮度Q(在覆盖层全都由电极覆盖(σ＝1)时取值为1，作为基准)；
图6是例2中所采用结构的纵剖面图，其中的GaN型LED的结构如下：
(a)在蓝宝石衬底(一种绝缘材料)上形成以下各层：GaN缓冲层、n-GaN覆盖层、InGaN活性层、p-AlGaN覆盖层和p-GaN层；
(b)在通过蚀刻n-GaN覆盖层的暴露部分而除去p-GaN层、p-AlGaN覆盖层和包括n-GaN覆盖层之表面部分的InGaN活性层的叠置层中心部分之后，在n-GaN覆盖层的暴露部分上形成n电极；
(c)在p型接触层(p-GaN层)上形成本发明的网形Ni/Au的p电极；
图7是例2所采用结构的平面图，其中给出一个GaN型LED，它的p型接触层上带有网形p电极，该电极具有多个正六边形窗口，这些窗口以六重对称的形式排列。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的具体实施例。各图中相同的数字或标号表示同样的部件，以免重复解释。各图中的尺寸比例无需与所说明的一致。[a.发光元件的材料]
本发明旨在改进采用ZnSe或GaN的LED，它具有宽带隙，而且即使在沉积有杂质时，因为电荷载流子的缺乏之故，也表现出高的电阻系数。[b.电极的形状]
本发明旨在改进p电极的形状，光从所述电极出射。[c.p型接触层]
采用诸如ZnSe或GaN等宽带隙半导体，p型杂质不易沉积。即使令人满意地实现沉积，其活性比率也是很低的，而且在很多情况下，不会从受主激发很多正空穴。因而，在数量上是缺乏p型载流子的，从窄的p电极注入的电流不能在p型接触层充分地扩散。在p型接触层中，电流局部位于直接在p电极以下的部分。为了改善这种状况，把本发明的网形薄膜金属电极放在所述p型接触层，比如p-ZnSe、p-ZnTe、p-BeTe、p-GaN或p-AlGaN接触层上。[d.薄膜电极的覆盖率σ]
在普通ZnSe-LED中，整个p型接触层的表面都由半透明的薄膜电极所覆盖。按照本发明，覆盖率σ不为1，而表示为0＜σ＜1。覆盖部分的透射率β随薄膜电极的厚度d而变，并因此而表示为β(d)。在本发明中，所述厚度d与普通LED的相同。因此，在厚度相同的情况下，覆盖率为σ的覆盖部分具有与普通LED相同的透射率β(d)。与普通LED不同，本发明的薄膜电极具有开口部分。所述开口部分的比率为1-σ，它的透射率是1。
然而，这种开口部分的存在可能引起电流扩散的不充分。在p型接触层中电流的扩散使得开口部分存在的影响。用γ表示p型接触层中的电流扩散率，它取0到1的值。随着孔径的窗口外接圆直径L的增大，所述电流扩散率γ减小。因此，可将电流扩散率表示为γ(L)。当用T表示p电极处出射光的透射率时，则普通方法的透射率T1可由公式(1)表示，即
T1＝β(d)                                          (1)另一方面，本发明的透射率T2可由公式(2)表示，即
T2＝β(d)σ+(1-σ)γ(L)                            (2)从这两个公式，可以得出公式(3)，即
T2/T1＝γ(L)/β(d)+{1-γ(L)/β(d)}σ
      ＝1+{γ(L)/β(d)-1}(1-σ)                      (3)
如果T2/T1小于1，则普通方法优于本发明的方法。γ(L)接近1，但不需要大于β(d)。按照公式(3)，当β(d)较小时(即当薄膜金属电极具有较低的透射率时)，本发明是有效的。具体地说，当覆盖率σ小于大约0.8(开孔比率大于大约0.2)时，本发明是有效的。有如下面的例1所述，当覆盖率σ是大约0.7(开孔比率大于大约0.3)时，输出的光量至少增加大约10％。[e.薄膜金属电极之开口部分的窗口重复图样]
通过形成多个窗口可以制成薄膜电极的网形图样。可以采用不规则的图样，也可以采用规则图样，其中重复同一图样。比如可以采用六重旋转对称的图样、四重旋转对称的图样，或者两重旋转对称的图样。这三类图样中，窗口的形状可为任何类型，比如正六边形、正方形、圆形或椭圆形。
照相平版印刷同样容易地可制成各种类型的薄膜金属电极。在指定开孔比率(1-σ)时(这样就自动确定覆盖率σ)，可以采用易于满足本说明书的图样。以下说明按照对称的方式得到开孔比率(1-σ)以及窗口形状的过程。[f.六重旋转对称图样(图2和7)]
在六重旋转对称图样中，确定用M代表各相邻窗口中心之间的距离。相邻三个窗口的中心所得三角形的面积被表示为31/2M2/4。所述窗口的形状不限于正六边形；可以采用圆形或正方形。图2和7表示的图样中，窗口呈正六边形形状。在这种情况下，各窗口排布的对称性与窗口形状的对称性一致。因此，当窗口外接圆的直径L＝2M/31/2时，开孔比率为1。比值L/M确定有如下式(4)所示的开孔比率，即
(1-σ)(正六边形窗口)＝(3/4)(L2/M2)                 (4)所述(1-σ)的值从0变到1，因此
0≤(1-σ)(正六边形窗口)≤1                           (5)
在正方形窗口情况下，虽然可以在按六重对称布置的位置形成各窗口，但由于正方形形状的特性，整个图样不可能是六重对称的。窗口的面积是L2/2，其中L是正方形外接圆的直径。因此，由公式(6)表示开孔比率(1-σ)，即
(1-σ)(正方形窗口)＝(1/31/2)(L2/M2)                (6)但当L＝(31/2/21/2)M时，同一对称轴上的各相邻正方形彼此相接。因此，L不能增大超过限制。换句话说，(1-σ)(正方形窗口)的上限小于1。因而，
0≤(1-σ)(正方形窗口)≤31/2/2＝0.86                  (7)
在圆形窗口情况下，窗口的面积是πL2/4，其中L是圆的直径。因此，由公式(7)表示开孔比率(1-σ)，即
(1-σ)(圆形窗口)＝(π/2·31/2)(L2/M2)            (8)但当L＝M时，各相邻圆形彼此相接。因此，L不能增大超过限制。换句话说，(1-σ)(圆形窗口)的上限小于1。因而，
0≤(1-σ)(圆形窗口)≤π/2·31/2＝0.906            (9)[g.四重旋转对称图样(图3和4)]
在四重旋转对称图样中，也是确定用M代表各相邻窗口中心之间的距离。相邻四个窗口的中心所得正方形的面积被表示为M2。所述窗口的形状不限于正方形；可以采用圆形、正六边形或等边三角形。不过，在正六边形或等边三角形的情况下，虽然可以在按四重对称布置的位置形成各窗口，但由于所示窗口形状的特性，整个图样不可能是四重对称的。图2表示的图样中，窗口呈正方形；图4则为圆形。在图3所示的正方形情况下，各窗口排布的对称性与窗口形状的对称性一致。因此，当窗口外接圆的直径L＝21/2M时，开孔比率为1。比值L/M确定有如下式(10)所示的开孔比率，即
(1-σ)(正方形窗口)＝L2/2M2                          (10)所述开孔比率的上限是1。因而，
 0≤(1-σ)(正方形窗口)≤1                           (11)在图4所示的圆形窗口情况下，开孔比率由公式(12)表示，其中L是圆的直径，即
(1-σ)(圆形窗口)＝(π/4)(L2/M2)                     (12)当L＝M时，各相邻窗口彼此相接。因此，开孔比率不能增大超过限制。开孔比率的上限由公式(13)表示，即
0≤(1-σ)(圆形窗口)≤0.785                          (13)[h.薄膜电极的厚度d]
如较早所述的那样，按照惯例，具有均匀厚度为20nm的电极覆盖p型接触层的整个表面。在厚度为20nm情况下的透射率约为50％。这意味着接近一半的光被吸收而不能用。如果使厚度减小到小于20nm，尽管所述吸收量减少，但电阻增大。这种电阻的增大大大减小了从连接电极到半透明薄膜电极的电流。所以，薄膜电极的厚度必须至少为10nm。在制作过程方面，也难于制造厚度小于10nm的薄膜电极。
即使在由薄的金属膜组成的覆盖部分，令人满意的是，金属膜具有约为10％的透射率。这个要求确定了所述较大的上限。Au是极好的材料，因为它的电阻率小，并能给出与所述p型接触层的欧姆接触。与制造方法相关，当Au膜的厚度为20nm时，可以制得电阻率约为2×10-6Ωcm的高导电性的薄膜。
本发明中的连接电极直接与Au薄膜电极连接。因此，即使在Au薄膜的厚度有如10-30nm这样薄时，也能充分地注入电流。与制造方法相关，在所述厚度为20nm时，Au薄膜的吸收系数约为50％。当把厚度减小到10nm时，尽管所述吸收系数减小到约为30％，但电阻必然会增大。当所述厚度减小到小于10nm时，电阻增大到一个不合要求的程度。另一方面，由覆盖部分处所需的透射率确定所述厚度的上限。令人满意的是，所述覆盖部分的透射率至少为0.1。透射率被表示成exp(-α·d)，其中的α是吸收系数，d是厚度。当d＝20nm时，透射率为0.5。因此，吸收系数α是0.0346nm-1。利用公式0，1＝exp(-0.0346·d)，可以计算得到透射率为0.1的厚度，结果是66nm。不过，薄膜的电阻率随制作方法以及各种条件而值得注意地变化。Au在这方面是相对稳定的，并且，比起任何其它金属来，具有更好的可再制性。考虑到前述各方面，所述厚度的上限约为60nm。因而
10nm≤d≤60nm                                      (14)如上所述，这是一种约略的测量。实际上，Au的电阻率也会随着制作方法以及各种条件而变化。所以，可将所述厚度d确定得使所述覆盖部分具有至少为0.1的透射率。[1.例1具有蜂窝状结构p电极的(ZnSe白色LED)]
采用宽带隙半导体难于得到p型。即使在得到p型的情况下，由于缺乏载流子的缘故，也不易在p型接触层扩散电流。ZnSe和GaN是这些半导体的典型例子。图1表示一种应用本发明的ZnSe基白色LED的例子。一种ZnSe型LED是蓝色的LED，它发射波长约为485nm的蓝光。但当ZnSe衬底沉积有杂质时，这种杂质成为一定种类的颜色中心，则在衬底上，所述蓝光产生橙到黄色的荧光(中心波长约为590nm)，并且所述蓝光与这种荧光合成，得到白光。因此，把这种ZnSe型LED称为白色LED(参见题为“白色LED”的日本专利No.3087742)。
采用装备有Zn晶胞、ZnCl2晶胞、Se晶胞、N原子团注射枪、Cd晶胞、Mg晶胞等分子束外延设备实现外延生长过程。由分子束外延生长法在n型导电ZnSe单晶衬底2上形成以下各层：
(a)厚度为1μm的n型ZnSe缓冲层3；
(b)厚度为0.5μm的n型ZnMgSSe覆盖层4；
(c)n型ZnCdSe/ZnSe-MQW活性层5；
(d)厚度为0.5μm的p型ZnMgSSe覆盖层6；
(e)厚度为0.2μm的p型ZnSe层7；
(f)由p型(ZnTe/ZnSe)MQW层和p型ZnTe层组成的p型接触层8，其中p型ZnTe层的厚度为60nm(虽然图1中未示出，但所述p型(ZnTe/ZnSe)MQW层上形成有p型ZnTe层)。
在外延生长过程中，衬底的温度被保持在275-325℃。生长速率保持在大约0.4-0.7μm/hr。氮(N)被用作为p型杂质从N原子团注射枪提供给ZnTe衬底的表面。氯被用作n型杂质，从ZnCl2晶胞蒸发出来。这就结论为在n型ZnTe晶片上外延生长过程的解释。
继而，在外延生长晶片的表面上做化学蚀刻，使每个器件的周缘部分被蚀刻，同时排除发光区的中心部分。于是，在所述周缘部分露出p型ZnTe层7。由Ti/Au组成的连接电极9用于引线连接，它形成于所述p型ZnTe层7被露出的周缘部分。不要指望所述连接电极9会把电流直接注射到p型ZnTe层7。也不要指望会通过邻近的Au电极把电流注射到p型ZnTe层7。电流依序流过连接电极9、网形薄膜金属电极20、p型ZnTe层(图1中未示出)、p型(ZnTe/ZnSe)MQW层和p型ZnSe层。如果电流流过所述周缘部分，它加速变劣。因此，不能指望电流流过所述周缘部分。设于所述周缘部分处的Ti/Au层(连接电极9)能够锁定周围的电流。
接下去在发光区(中心部分)的整个表面上形成厚度d＝20nm的具有蜂房结构的网形Au电极20。在n型ZnSe衬底的背面上形成由Ti/Au组成的n电极10。
形成电极9和10之后，切割外延生长的晶片，得到多个LED芯片，其形状为400μm的正方形形状。图2表示一个这样的芯片的平面视图。在芯片的顶部表面上形成的连接电极9由正方形四边的窄带和一侧的突出部分(这个突出的部分用于引线连接)。呈蜂窝形的薄膜电极20覆盖所述顶部表面的其余部分。通过各窗口可以看到蜂窝形薄膜电极20下面的P型接触层。电流不直接从连接电极向下流，而代之以电流从连接电极9横向地流到薄膜电极20，电流从这里向下流。流入P型接触层的电流向着窗口的中心扩散。将芯片固定在引导框上，使所述顶部表面是形成p电极的表面。所述引导框和p电极(连接电极9)通过引线连接连在一起。最后，用树脂封闭这个单元，形成子弹型LED灯。
有如早些时候所述的那样，通过形成多个窗口在对称布置的位置，比如按六重新对称或四重新对称的方式，得到所述网形电极的形状，如圆形、正方形或正六边形。图3表示一种网形电极，其中按四重新对称方式排布多个正方形窗口。图4表示一种网形电极，其中按四重新对称方式排布多个圆形窗口。窗口外接圆的直径L被设计成比如是10-40μm。
在稳恒电流模式下测量具有本发明p电极结构的LED的光输出。20mA电流产生光强度为5mW的高亮度白光发射。采用具有不同覆盖率σ的各种网形Au电极，在发光区内测量网形Au电极的覆盖率σ与发光强度(轴向亮度)Q之间的关系。测量结果有如图5所示。横坐标轴表示覆盖率σ；纵坐标轴表示轴向亮度Q。
表面照射型LED的亮度随角度而变化。通过把LED放在整个球面的焦点处得到总亮度。所有被发射的光束被所述球面反射后受到会聚，于是测量所述强度。另一方面，通过由被置于LED平面的法线上的仪器测量LED的光输出，得到所述轴向亮度。换句话说，所述轴向亮度是发射到特定方向的光功率。所述轴向亮度大体与总亮度成正比。因为轴向亮度容易测量，所有本例中测量轴向亮度，用于补偿。
测量结果确认，随着金属电极覆盖率σ的减小，发光强度(轴向亮度)Q增大。下面的数据是测量多个具有预定覆盖率的样品亮度所得的平均值：当σ＝1时，Q＝1，当σ＝0.69(L＝40μm)时，Q＝1.16，当σ＝0.61(L＝40μm)时，Q＝1.23，当σ＝0.49(L＝40μm)时，Q＝1.35，当σ＝0.49(L＝20μm)时，Q＝1.36。
普通LED的结构中，p型接触层的整个表面为半透明金属电极(Au电极)所覆盖。这种结构相应于σ＝1。取这种条件作为参考，把σ＝1时的轴向亮度作为1。采用这种参考值，绘出图5所示的亮度曲线。当覆盖率σ为0.69时(开孔比率是0.31)，输出的光增大一个因子1.16。当覆盖率σ为0.61时(开孔比率是0.39)，输出的光增大一个因子1.23。当覆盖率σ为0.49并且L＝40μm时，输出的光增大一个因子1.35。类似地，当覆盖率σ为0.49并L＝20μm时，输出的光增大一个因子1.36。这些数据清楚地证明，金属电极中设置开口部分的优点。
可将上述数据用于约略地确定公式(3)中的γ(L)/β(d)项。将上述数据代入公式(3)中，得到γ(L)/β(d)的平均值。其结果由公式(15)表示，即
γ(L)/β(d)＝1.6                                 (15)
电极厚度d为20nm。当透射率β(d)为0.5时，扩散率γ(L)约为0.8。在L＝40μm和L＝20μm之间，轴向亮度Q小有不同。这意味着，在L的值为40μm或更小时，p型接触层有能力充分地扩散电流。[2.例2(具有蜂窝结构p电极的GaN基蓝色LED)]
GaN是另一种例子，其中所述p型层的电阻高，因而使得它难于扩散电流。图6表示一个应用本发明的GaN基蓝色LED示例。利用金属有机物化学气相沉积法(MO-CVD)，在蓝宝石衬底22上形成如下各层：
(a)厚度为30nm的GaN缓冲层23，
(b)厚度为4μm的n型GaN覆盖层24，
(c)InGaN活性层25，
(d)厚度为0.1μm的p型A1GaN覆盖层26，
(e)厚度为0.3μm的p型GaN层27。
继而如图6所示，在角的部分进行干法蚀刻，露出n型GaN覆盖层24，同时排除用于发光区的角的部分。在n型GaN覆盖层24露出部分的表面上形成由Ti/Au组成的n型金属电极30。然后，在前述发光区上形成连接电极28，用于引线。发光区的其余部分由Ni/Au组成的薄膜金属电极29所覆盖，该电极的厚度为20nm，为蜂窝结构。
在形成这些电极之后，切割外延生长晶片，得到边长300μm的正方形形状。把Ti/Au组成的n型金属电极30置于图7的右下部分处的芯片下部上。把连接电极28置于左上部。发光区由Ni/Au组成的网形p电极29所覆盖。通过网形电极的各窗口可以看见p型GaN层27。将芯片固定在引导框上。通过引线连接使引线与连接电极相连。最后，用环氧树脂封装整个单元，形成子弹形的LED灯。
在稳恒电流下测量例2LED输出的光。20mA电流产生高亮度的蓝光发射，光强不低于4mW。在这种条件下，正向电压是3.6V。

Claims (21)

1.一种在发光二极管光出射侧的P电极结构，所述发光二极管包括：
(a)n型半导体衬底；
(b)在所述n型半导体衬底上形成的n型覆盖层；
(c)在所述n型覆盖层上形成的活性层；
(d)在所述活性层上形成的p型覆盖层；
(e)在所述p型覆盖层上形成的p型接触层；
(f)在所述n型半导体衬底的背面上形成的n型电极；所述结构包括：
(g)用以扩散电流的网形半透明薄膜金属电极，它形成在所述p型接触层上，所述金属电极还有：
(g1)透射率至少为10％的覆盖部分；和
(g2)由多个窗口形成的开口部分，其开孔比率至少为20％；
(h)连接电极，它用于引线连接，该连接电极
(h1)形成于所述p型接触层的周缘处；并且
(h2)直接与所述网形半透明薄膜金属电极连接。
2.如权利要求1所述的结构，其中，所述发光二极管还包括在所述n型半导体衬底与n型覆盖层之间的n型缓冲层。
3.如权利要求1所述的结构，其中，所述发光二极管还包括在所述p型覆盖层与p型接触层之间的p型半导体层。
4.如权利要求1所述的结构，其中，所述发光二极管还包括：
(a)在所述n型半导体衬底与n型覆盖层之间的n型缓冲层；以及
(b)在所述p型覆盖层与p型接触层之间的p型半导体层。
5.如权利要求2所述的结构，其中，
(a)所述n型半导体衬底是n型ZnSe衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-ZnSe缓冲层；
(c)所述n型覆盖层是n-ZnMgSSe覆盖层；
(d)所述活性层是一个选自一组包含ZnCdSe/ZnSe多量子阱活性层和ZnSeTe活性层分元件；
(e)所述p型覆盖层是p-ZnMgSSe覆盖层；
(f)所述p型接触层包括p-(ZnTe/ZnSe)多量子阱层和形成于所述p-(ZnTe/ZnSe)多量子阱层上的p-ZnTe层。
6.如权利要求4所述的结构，其中，
(a)所述n型半导体衬底是n型ZnSe衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-ZnSe缓冲层；
(c)所述n型覆盖层是n-ZnMgSSe覆盖层；
(d)所述活性层是一种选自一组包含ZnCdSe/ZnSe多量子阱活性层和ZnSeTe活性层的元件；
(e)所述p型覆盖层是p-ZnMgSSe覆盖层；
(f)所述p型半导体衬底是p型ZnSe衬底；
(g)所述p型接触层包括p-(ZnTe/ZnSe)多量子阱层和形成于所述p-(ZnTe/ZnSe)多量子阱层上的p-ZnTe层。
7.如权利要求1所述的结构，其中，
(a)所述n型半导体衬底是n型GaN衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(c)所述活性层是In GaN活性层；
(d)所述p型覆盖层是p-Al GaN覆盖层；
(e)所述p型接触层是p-GaN接触层。
8.如权利要求2所述的结构，其中，
(a)所述n型半导体衬底是n型GaN衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(c)所述n型覆盖层是n-GaN覆盖层；
(d)所述活性层是InGaN活性层；
(e)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(f)所述p型接触层是p-GaN接触层。
9.如权利要求4所述的结构，其中，
(a)所述n型半导体衬底是n型GaN衬底；
(b)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(c)所述n型覆盖层是n-GaN覆盖层；
(d)所述活性层是InGaN活性层；
(e)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(f)所述p型半导体层是p-GaN层；
(g)所述p型接触层是p-GaN接触层。
10.如权利要求1所述的结构，其中，所述网形半透明薄膜金属电极中开口部分的各窗口的外接圆直径L至多为100μm。
11.如权利要求1所述的结构，其中，所述网形半透明薄膜金属电极的覆盖部分厚度d至少为10nm，至多为60nm。
12.如权利要求1所述的结构，其中，所述网形半透明薄膜金属电极的开口部分的开孔比率为30％至90％。
13.一种在发光二极管的光出射侧处消除的p电极结构，所述发光二极管包括：
(a)蓝宝石衬底；
(b)形成于所述蓝宝石衬底上的n型覆盖层；
(c)形成于所述n型覆盖层上的活性层；
(d)形成于所述活性层上的p型覆盖层；
(e)形成于所述p型覆盖层上的p型接触层；
(f)n-电极，将它形成为使得在通过蚀刻露出部分所述n型覆盖层，而除去所述p型接触层、p型覆盖层和包含n型覆盖层表面部分的活性层的叠置层的确定部分之后，在所述n型覆盖层的暴露部分上形成n型电极；所述结构电极还包括：
(g)用以扩散电流的网形半透明薄膜金属电极，它形成于所述p型接触层上，所述网形电极具有：
(g1)透射率至少为10％的覆盖部分；
(g2)由多个窗口形成的开口部分，其开孔比率至少为20％；
(h)连接电极，用于引线连接，该连接电极：
(h1)形成于所述p型接触层的周缘上；
(h2)直接与所述网形半透明薄膜金属电极连接。
14.如权利要求13所述的结构，其中，所述发光二极管还包括在所述蓝宝石衬底与n型覆盖层之间的n型缓冲层。
15.如权利要求13所述的结构，其中，所述发光二极管还包括在所述p型覆盖层与p型接触层之间的p型半导体层。
16.如权利要求13所述的结构，其中，所述发光二极管还包括
(a)在所述蓝宝石衬底与n型覆盖层之间的n型缓冲层；
(b)在所述p型覆盖层与p型接触层之间的p型半导体层。
17.如权利要求14所述的结构，其中，
(a)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(b)所述n型覆盖层是n-GaN覆盖层；
(c)所述活性层是InGaN活性层；
(d)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(e)所述p型接触层是p-GaN接触层。
18.如权利要求16所述的结构，其中，
(a)所述n型缓冲层是n-GaN缓冲层；
(b)所述n型接触层是n-GaN接触层。
(c)所述活性层是InGaN活性层；
(d)所述p型覆盖层是p-AlGaN覆盖层；
(e)所述p型半导体层是p-GaN层；
(e)所述p型接触层是p-GaN接触层。
19.如权利要求13所述的结构，其中，所述网形半透明薄膜金属电极中开口部分的各窗口的外接圆直径L至多为100μm。
20.如权利要求13所述的结构，其中，所述网形半透明薄膜金属电极的覆盖部分厚度d至少为10nm，至多为60nm。
21.如权利要求13所述的结构，其中，所述网形半透明薄膜金属电极的开口部分的开孔比率为30％至90％。
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