CN201699049U

CN201699049U - 双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管

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Publication number: CN201699049U
Application number: CN201020174394XU
Authority: CN
Inventors: 沈光地; 陈依新
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-04-23

Abstract

双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管属于半导体光电子技术领域。该结构依次层叠有上电极(100)、电流扩展层(102)、发光单元(200)、转移衬底(301)、衬底方向的下电极(101)。在上电极(100)下方以及转移衬底(301)上方分别制备上电流阻挡层(104)和下电流阻挡层(105)，且上电流阻挡层(104)和下电流阻挡层(105)在层叠方向的位置相对应。本实用新型的这种结构方式在薄膜型发光二极管中能够起到彻底阻挡注入电流的作用，避免了注入电流产生的光子被电极阻挡和吸收，大大地提高了有效电流的比例，同时也增加了出光效率，减少了热的产生。

Description

双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管

技术领域

双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管及一种在垂直方向具有位置完全对应关系的电流阻挡层的发光二极管器件结构，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

目前，虽然发光二极管是一个六面体，但是发光单元是面发光的结构，只有2-3μm，发光二极管的厚度一般有200μm，因此，绝大部分发光二极管内部产生的光子主要还是从一个光发射面发射出来，光发射面必须具有电流扩展能力强的电流扩展结构，通常的电流扩展结构由上电极100和电流扩展层102组成，如图1所示：上电极100包括压焊点(形状：直径为80-100μm圆形或者边长为80-100μm的正方形)以及实现电流扩展的电极图形，上电极100的厚度约

从上电极100注入电流，通过电流扩展102在发光单元200内产生光子，从发光二极管的这一光发射面发射出来；这种结构存在的主要问题是：从上电极100注入的电流通过电流扩展层102的横向扩展而流经发光单元200辐射复合产生光子，其中发光单元200由上限制层201、有源区202和下限制层203组成(如图2)，由于目前的外延生长技术难以获得高掺杂、厚度较厚的电流扩展层102，导致电流扩展层102的横向电流扩展能力不强，因此，从上电极100注入的电流绝大部分汇集在上电极100的正下方，也就是说，在上电极正下方的发光单元200集聚了大量的电流产生光子，而这部分电流产生的光子由于上电极100的阻挡或吸收，不但不能发射到体外，反而在体内变成大量的热，严重降低了器件的性能。

另外，对于GaAs基的红黄光发光二极管以及GaN基的蓝绿光发光二极管，需要实现高亮度、高效率的器件，都必须进行衬底转移，也就是去掉外延生长时依托的衬底，利用芯片键合(wafer bonding)或者粘合的办法将薄膜型的发光单元转移到新的衬底，因此，这种转移衬底的发光二极管被称为薄膜型的发光二极管，在薄膜型发光二极管中，由于转移衬底的电导能力不够强，造成注入电流的相当一部分集中在电极正下方，同样遇到电流不能很好的横向输运，整个发光单元无法均匀发光，且相当大部分光子阻挡在电极下方，转化成热。

因此，这种薄膜型发光二极管的电极结构非常不利于电流的输运和发光单元产生的光子发射到体外，使得发光二极管存在亮度低，发光效率低、热特性差以至于无法大规模应用等问题。

针对以上问题，人们提出的办法是：在上电极100的正下方制备电流阻挡层103，减小上电极100正下方的电流比例，而且电流阻挡层103的结构与制备方法很多，图3、图4列举了两种制备电流阻挡层的结构和方法。图3所示的结构是通过二次外延的工艺实现的，第一次在衬底300上生长发光单元200，接下来，通过光刻等工艺制备电流阻挡层103，第二次进行外延生长电流扩展层102，然后制备上电极100，该工艺复杂，而且工艺要求高，在二次外延后容易产生电压高、接触不好等问题。图4所示的结构是在发光单元200里面形成电流阻挡层103，采用的是离子注入或扩散的方法，此方法中电流阻挡层103的厚度和结构很难精确控制，导致在上电极100的下方仍有电流的输运，因而不能完全地阻挡电流在上电极100下方的汇聚，而且，离子注入及扩散工艺复杂，不便于操作，成本高，难以形成稳定均匀的发光二极管生产。

以上提到的几种发光二极管器件均只提到了在上电极100的正下方制备电流阻挡层，实际上，在这种结构中，电流阻挡层并没有起到完全阻挡的作用，从上电极注入的电流仍然可以从压焊点和电极图形的周围往里扩散在发光单元辐射复合发光，大大浪费了注入电流，如图4所示，尤其是薄膜器件，电极与发光单元的距离很短，通常不到5μm，因此，电极周围会有电流扩散到电极以下，在大功率器件中，电极图形的面积往往大于压焊接点面积好几倍，这样，上电极100下面的这部分电流在发光单元产生的光子仍然会被上电极100的阻挡或吸收而变成大量的热，造成器件亮度低、电光转换效率低、热特性差等问题，限制了器件性能进一步的提高。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种上下双面阻挡注入电流的发光二极管电流输运结构，防止注入电流在电极下大量集聚，解决薄膜型发光二极管发光效率低和发热的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：设计一种薄膜型发光二极管中的电流输运结构，该结构依次包括有层叠的上电极100、电流扩展层102、发光单元200、转移衬底301、衬底方向的下电极101，其中发光单元200由上限制层201、有源区202和下限制层203组成。在上电极100下方以及转移衬底301上方同时分别制备上电流阻挡层104和下电流阻挡层105，且上电流阻挡层104和下电流阻挡层105在层叠方向的位置相对应。

所述上电流阻挡层104设置在发光单元200的上面或者里面；所述下电流阻挡层105设置在发光单元200的里面或者下面。如图6、8、9、10。

所述上电极100的形状是圆形或星形或条形或插指形。

所述上电流阻挡层104和下电流阻挡层105的材料是本征半导体，或不导电树脂，或不掺杂非晶Si，或Si_xN_y，或Si_xO_y，或与电流扩展层102导电类型相反的导电材料。

所述发光单元200结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，或超晶格结构，或量子点发光结构，或多层量子点结构。

所述转移衬底301是半导体材料或者金属材料。

在上电极100与电流扩展层102之间还设置有导电光增透层106，或者将电流扩展层102表面粗化；在发光单元200与转移衬底301之间设置反光镜107，或者将发光单元200的表面制成对光起到反射作用的凹凸不平的结构。这种结构的一种实现方法如下：

1)以GaAs为衬底300，在其上用MOVCD方法依次外延生长腐蚀停层303、电流扩展层102、发光单元200，得到AlGaInP系发光二极管的外延片；

2)在外延片的发光单元200上面蒸发一层绝缘材料，利用双面光刻机对绝缘层光刻并腐蚀出下电流阻挡层105；

3)在做好下电流阻挡层105的发光单元200上面蒸发或者溅射一层金属层，作为反光镜107，起到与转移衬底的键合和反光的作用；

4)腐蚀掉衬底300以及腐蚀停层303；

5)利用离子注入、扩散或者其他的办法在电流扩展层102里面制备上电流阻挡层104，利用双面光刻机的自对准功能，保证上电流阻挡层104和下电流阻挡层105在垂直方向的位置对应；

6)在电流扩展层102的上方用蒸镀的方法制备导电光增透层106，起到提高光子发射到体外的比例和电流扩展的作用；

7)用蒸发的办法在导电光增透层106表面蒸发一层金属层，并对应上电流阻挡层104的地方光刻出上电极100；

8)将转移衬底301用磨抛的方法减薄至约200μm，然后在减薄的这一面蒸发一层金属层形成下电极101；至此，完成了双面电流阻挡层结构的电流输运薄膜型发光二极管的制备。

本实用新型具有以下有益效果及优点：在电极下方以及转移衬底上方同时制备电流阻挡层，进行双面阻挡，这种阻挡方式在薄膜结构中能够起到彻底阻挡的作用，由于注入电流被阻挡在电极以外的有源区辐射复合发光，产生的光子避免了电极的阻挡和吸收，大大地提高了有效电流的比例，同时也增加了出光效率，减少了热的产生。双面阻挡层完全采用芯片工艺的方式实现，关键工艺就是自对准和双面光刻，目前，双面光刻设备已经趋于成熟，利用双面光刻和自对准技术，能够使得两个阻挡层在位置上严格对应，彻底地阻挡了电极正下方电流的输运，工艺简单，可操作性强，有利于形成大规模产业化的高性能发光二极管器件及生产技术。

附图说明

图1：普通发光二极管结构示意图；

图2：发光单元具体结构示意图；

图3：电流阻挡层位于电流扩展层下方的发光二极管结构示意图；

图4：电流阻挡层位于发光单元的发光二极管结构示意图；

图5：单电流阻挡层结构发光二极管的注入电流输运示意图；

图6：双电流阻挡层结构发光二极管示意图1(上电流阻挡层在发光单元的上面，下电流阻挡层在发光单元的下面)；

图7：双电流阻挡层结构发光二极管的注入电流输运示意图；

图8：双电流阻挡层结构发光二极管示意图2(上电流阻挡层在发光单元的上面，下电流阻挡层在发光单元的里面)；

图9：双电流阻挡层结构发光二极管示意图3(上电流阻挡层在发光单元的里面，下电流阻挡层在发光单元的下面)；

图10：双电流阻挡层结构发光二极管示意图4(上电流阻挡层在发光单元的里面，下电流阻挡层在发光单元的里面)；

图11：薄膜发光二极管的外延结构示意图；

图12：本实用新型一优选的双电流阻挡层薄膜结构发光二极管示意图。

以上图1至图11中：100为上电极，102为电流扩展层，200为发光单元，300为衬底，301为转移衬底，303为腐蚀停层，101为下电极，103为电流阻挡层，104上电流阻挡层，105为下电流阻挡层，106为导电光增透层，107为反光镜，201为上限制层，202为有源区，203为下限制层。

具体实施方式

下面通过一优选实施例并结合附图11、12进一步说明双电流阻挡层薄膜结构及其制备方法。

如图12所示，以GaAs基AlGaInP材料系发光二极管为例。该器件由以下各部分组成：上电极100、导电光增透层106、电流扩展层102、发光单元200、电流阻挡层104、电流阻挡层105、反光镜107、衬底301、下电极101。电流阻挡层104位于发光单元200的上面和电流扩展层102的里面，电流阻挡层105位于发光单元200的下面和反光镜107的上面；其制备过程和方法如下：

1.如图11所示：在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的衬底300上，用MOVCD方法依次外延生长腐蚀停层303，电流扩展层102，发光单元200，这样就得到了AlGaInP系发光二极管的外延片；

2、在外延片的发光单元200上面先蒸发一层绝缘材料，利用双面光刻机光刻并腐蚀出电流阻挡层105；

3、在做好电流阻挡层105的发光单元200上面制备反光镜107，蒸发或者溅射一层金属层，利用金属层实现外延片与转移衬底的键合，同时，金属层起到反光镜的作用；

4、腐蚀掉衬底300以及腐蚀停层303；

5、利用离子注入、扩散或者其他的办法在电流扩展层102里面制备电流阻挡层104，在双面光刻机中，有着自对准的功能，保证了上、下电流阻挡层104、105在垂直方向的位置对应；

6、在电流扩展层102的上方制备导电光增透层106，提高光子发射到体外的比例，同时起到了电流扩展的作用；

7、通过普通工艺制备上电极100和下电极101，用蒸发的办法在导电光增透层106表面蒸发一层属层，并光刻出上电极100，将转移衬底301减薄至约200μm，然后在减薄的这一面蒸发一层金属层形成下电极101，完成了双面电流阻挡层结构的电流输运薄膜型发光二极管器件的制备。

Claims

1.双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管，包括有依次层叠的上电极(100)、电流扩展层(102)、发光单元(200)、转移衬底(301)、衬底方向的下电极(101)，其中发光单元(200)由上限制层(201)、有源区(202)和下限制层(203)组成，其特征在于：在上电极(100)下方以及转移衬底(301)上方同时分别制备上电流阻挡层(104)和下电流阻挡层(105)，且上电流阻挡层(104)和下电流阻挡层(105)在层叠方向的位置相对应。

2.如权利要求1所述的双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述上电流阻挡层(104)设置在发光单元(200)的上面或者里面；所述下电流阻挡层(105)设置在发光单元(200)的里面或者下面。

3.如权利要求1或2所述的双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述上电极(100)的形状是圆形或星形或条形或插指形。

4.如权利要求1或2所述的双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述上电流阻挡层(104)和下电流阻挡层(105)的材料是本征半导体，或不导电树脂，或不掺杂非晶Si，或Si_xN_y，或Si_xO_y，或与电流扩展层(102)导电类型相反的导电材料。

5.如权利要求1或2所述的双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述发光单元(200)结构为p-n结，或p-i-n结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，或超晶格结构，或量子点发光结构，或多层量子点结构。

6.如权利要求1或2所述的双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述转移衬底(301)是半导体材料或者金属材料。

7.如权利要求1或2所述的双电流阻挡层电流输运结构的薄膜型发光二极管，其特征在于：在上电极(100)与电流扩展层(102)之间设置有导电光增透层(106)，或者将电流扩展层(102)表面粗化；在发光单元(200)与转移衬底(301)之间设置反光镜(107)，或者将发光单元(200)的表面制成对光起到反射作用的凹凸不平的结构。