CN209150141U - 一种发光二极管结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种发光二极管结构，包括：由第一半导体层、第二半导体层及夹在两层之间的活性层构成的发光外延层，其厚度为T，露出台面的第一半导体层，连接至第二半导体层的第二电极，以及绝缘保护层，其特征在于：于所述台面上形成有一凹凸沟槽结构，其高度为H，第一电极包裹所述凹凸沟槽结构并连接至所述第一半导体层。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，尤其是一种增加可靠性的发光二极管结构。
背景技术
发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是半导体二极管的一种，它能将电能转化为光能，发出黄、绿、蓝等各种颜色的可见光及红外和紫外不可见光。
如图1所示，在常规正装发光二极管结构中，包括衬底100，由下往上堆叠的N型层201、发光区202、P型层203、电流扩展层300，P电极402以及设置在裸露的N型层201表面上的N电极401。最后，为了保护电极结构，一般以二氧化硅（SiO2）作为表面绝缘保护层500，目前一般以铬/铂/金（从下至上Cr/Pt/Au）金属叠层作为电极结构，或是插入铝（Al）反射率层形成Cr/Al/Pt/Au作为反射电极结构。
因LED芯片应用环境多种多样，对可靠性要求越来越严格。如显屏芯片在水汽、高温高湿环境中需避免金属迁移（如Cr迁移）异常，电极包覆性，尤其是N电极的包覆性至关重要，如包覆性不良易失效，以Cr/Al/Pt/Au电极为例，位于N电极表面边缘的绝缘保护层500容易被封装打线，由于受力或挤压，导致破裂或者拉扯脱落（如图2所示），水汽即可进入电极结构层，在水汽作用下发生水解：Cr-2e→Cr2+，Cr2+在反向电场作用下发生迁移，向芯片表面迁移，导致电极和N型层结合处产生空洞，结合力减弱，造电极结构脱落。 因此，如何解决电极结构与绝缘保护层的附着性问题极为重要。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提出一种发光二极管结构。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发光二极管结构，包括：由第一半导体层、第二半导体层及夹在两层之间的活性层构成的发光外延层，其厚度为T，露出台面的第一半导体层，连接至第二半导体层的第二电极，以及绝缘保护层，其特征在于：于所述台面上形成有一凹凸沟槽结构，其高度为H，第一电极包裹所述凹凸沟槽结构并连接至所述第一半导体层。
优选地，所述第一电极外表面具有一台阶，定义位于所述台阶之上的第一电极为上电极部，位于所述台阶之下的第一电极为下电极部，所述绝缘保护层附着于所述下电极部的侧壁及台阶的上表面。
优选地，所示第一电极外形具有凹凸起伏结构。
优选地，所述凹凸沟槽结构的俯视图角度呈封闭式或者半封闭式。
优选地，所述凹凸沟槽结构的高度H与所述发光外延层的厚度T符合关系式：1/3T≤H≤T。
优选地，所述凹凸沟槽结构的高度H≥1μm。
优选地，所述凹凸沟槽结构为部分保留的发光外延层。
优选地，所述凹凸沟槽结构为介质层或者金属层。
优选地，所述绝缘保护层材料选用SiO2或Si3N4或Al2O3 或TiO2。
优选地，所述第一电极的表层金属包括Ti或TiN或Cr或Ni粘附金属层。
目前传统的正装LED结构，在家电/显屏产品上，常常在电源的设计上会有负向偏压的产生，导致N电极的金属逐渐被析出，最后导致电极下方的金属和发光外延层的附著力变小，电流密度变大，最终导致电极脱落。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括且不局限于：
本实用新型通过在第一半导体层形成台面结构，并于台面上形成凹凸沟槽结构，第一电极包裹该凹凸沟槽结构，且第一电极外表面具有一台阶，位于台阶之上的第一电极为上电极部，位于台阶之下的第一电极为下电极部，绝缘保护层附着于下电极部的侧壁及台阶的上表面，但不附着于上电极的上表面。该结构保证了在封装打线过程焊线与绝缘保护层不接触或作用力减小确保绝缘保护层不被破坏，此结构改善整个器件结构的气密性，避免高温高湿、负向老化时水汽进入导致异常，提高器件可靠性。此外，本实用新型通过在第一半导体层台面结构上形成一凹凸沟槽结构使之成一对位点，可增加第一电极对位之准确性。
本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型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
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为常规正装的发光二极管结构的剖视示意图。
图2为常规正装的发光二极管结构的电极结构封装打线示意图。
图3为本实用新型实施例的发光二极管结构的剖视示意图。
图4为本实用新型实施例的发光二极管结构的俯视示意图。
图5为本实用新型实施例的发光二极管结构的电极结构封装打线示意图（A）。
图6为本实用新型实施例的发光二极管结构的电极结构封装打线示意图（B）。
图中各标号表示：100：衬底；201：N型层；202：量子阱层；203：P型层；401：N电极；4011：上电极；4012：下电极；402：P电极；500：绝缘保护层；600：凹凸沟槽结构；700：封装焊线。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。
以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
具体实施例
如图3和4所示，一种正装的发光二极管结构，包括衬底100、由第一半导体层（N型层）201、第二半导体层（P型层）203及夹在两层之间的量子阱层（活性层）202组成的发光外延层，位于P型层203上的电流扩展层300，位于电流扩展层300上的P电极（第二电极）402和位于露出部分台面的N型层201上的N电极（第一电极）401，以及绝缘保护层500。
上述发光外延层可以通过采用金属有机化合物化学气相沉淀（英文缩写为MOCVD）在生长衬底100上或通过覆晶技术粘结在散热性基板100上。上述发光二极管为蓝光系发光二极管，发光外延层材料为GaN基化合物，厚度记为T。电极一般可直接形成于发光外延层上，用于连通外部电源，激发量子阱层（活性层）发光。
在本实施例，衬底100优选蓝宝石材料；在所述蓝宝石衬底100与N型层201之间还可以形成现有技术习知的缓冲层以及不掺杂氮化镓层等；在所述P型层203与电流扩展层300之间还可以形成现有技术常用的SiO2电流阻挡层等。电流扩展层可以选用氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）或前述任意组合之一，本实施例优选ITO作为电流扩展层。
在本实施例，N型层201的部分台面上形成有一凹凸沟槽结构600，高度为H，且N电极401包裹该凹凸沟槽结构600并电连接至N型层201，N电极外表面具有一台阶， N电极外形具有凹凸起伏结构，大致呈“M”字型，定义位于所述台阶之上的N电极为上电极部4011，位于所述台阶之下的N电极为下电极部4012，绝缘保护层500附着于下电极部4012的侧壁及台阶的上表面。凹凸沟槽结构600的俯视图角度可以呈封闭式或者半封闭式，封闭式结构可以为环绕式且不限定为一圈的凹凸沟槽结构，可以是2圈以上的凹凸沟槽结构，半封闭式结构可以是点断式，即形成部分缺口，本实施例的凹凸沟槽结构600优选一圈封闭环绕式，如图4所示。
优选地，凹凸沟槽结构高度H与发光外延层的厚度T的大小符合关系式：1/3T≤H≤T，H的取值不宜太小，也不需过大，只要保证N电极上电极部的上表面不超过P电极的上表面即可。H的取值如果过小，则封装打线接触到电极外表面台阶处的几率增大，发生破坏绝缘保护层500开口的概率增大。
前述N型层201的部分台面可以通过以下方式形成：比如先从第二半导体层（P型层）203干法或湿法蚀刻至第一半导体层（N型层）201的第一导电型台面1061，而凹凸沟槽结构600可以是经蚀刻过程最终保留下来的部分发光外延层，该部分发光外延层可以是包括N型层、量子阱层、P型层中的一种或者几种；还可以是其他非外延层材质，比如介质层，该介质层可以是单层结构，比如选用SiO2电流阻挡层，介质层也可以是多层结构，比如高、低折射率交替的多对TiO2/SiO2分布布拉格反射层，藉由在N电极下方设置分布布拉格反射层，不但可以充分地把光反射出来，防止光被N 电极吸收，还可充当电流阻挡层，使电流扩散更均匀，对光输出效率有双重提升作用。需要说明的是，凹凸沟槽结构600还可以是金属层，具体叠层材料从下至上可以选用Cr/Pt/Au，或者Cr/Al/Cr/Pt/Au，或者Cr/Al/Ti/Pt/Au，或者Cr/Al/Ti/Al/Ti，或者Cr/Al/Ti/Ni/Ti等。金属叠层可以依次经过黄光光罩，显影，金属蒸镀，金属剥离等工艺步骤形成。
在形成凹凸沟槽结构之后，分别在P型层203上和N型层201的部分台面上制作P电极402和N电极401，从而实现P、N电极与发光外延层电性耦合。当凹凸沟槽结构为发光外延层结构或者是介质层结构时，优选P、N电极材料从下至上可以选用Cr/Pt/Au，或者Cr/Al/Cr/Pt/Au，或者Cr/Al/Ti/Pt/Au等。更优选地，所述P、N电极材料的上表层还可以包括：粘附金属层，比如Ti或TiN或Cr或Ni，藉由粘附金属层与SiO2等绝缘保护层具有良好附着性，从而阻止底层金属Cr迁移、Al氧化以及水汽渗入，提升器件的可靠性。
最后，将绝缘保护层500披覆于上述结构，且将绝缘保护层开口露出电极结构上表面，绝缘保护层可以选用SiO2或Si3N4或Al2O3 或TiO2，在本实施例中选用SiO2。具体来说，绝缘保护层500附着于P电极的侧壁、N电极下电极部4012的侧壁及台阶的上表面，从而完全露出N电极上电极部4011的上表面。N电极上绝缘保护层500的开口位于下电极4012台阶的上表面，为了确保绝缘层开口不过蚀刻至4012的侧壁，优选绝缘保护层500的开口宽度小于下电极部的宽度，且绝缘保护层开口蚀刻工艺优选为干法蚀刻制程。绝缘保护层500包覆金属电极的侧壁，具有良好的覆盖性及附着性；特别是N电极区域，绝缘保护层开口在下电极上表面的台阶处，与上电极上表面形成一定的高度差，从而避免绝缘保护层在封装打线时脱落，起到保护作用，防止高温高湿、负向老化过程水汽渗入、金属迁移导致LED芯片失效，提高器件的可靠性。
需要说明的是，除了N电极下方设置凹凸沟槽结构，P电极下方也可以设置同样的凹凸沟槽结构。
如图5所示，本实用新型提供的发光二极管用于封装打线/焊线时，当封装打线/焊线形成的焊垫的面积小于N电极时，特别是焊垫的尺寸小于或者等于凹凸沟槽结构的尺寸时，由于焊垫材料往两侧挤出，但藉由一圈环绕式凹凸沟槽结构，改变了焊垫材料的挤出方向, 避免了破坏电极边缘的绝缘保护层结构，因此提高了器件的可靠性。如图6所示，当封装打线/焊线形成的焊垫的面积大于或者等于N电极时，特别是焊垫的尺寸大于凹凸沟槽结构的尺寸时，由于N电极的隆起部分为区域最高之高度，封装打线时缓解了施力，可保护电极边缘的绝缘保护层结构，因此保证了器件的可靠性。需要说明的是，即使封装打线/焊线中心并不位于N电极的中心时，也就是说封装打线/焊线打偏，只要其有局部焊垫位于N电极的隆起部分之上，该隆起部分仍可以发挥缓解施力的作用，发挥类似“缓冲垫”的作用，从而保护电极边缘的绝缘保护层结构，避免被挤压导致破裂或脱落，从而确保发光二极管器件的可靠性。
综上所述，本实用新型的发光二极管结构设计精神在于：通过在第一半导体层形成台面结构，并于台面上形成凹凸沟槽结构，第一电极包裹该凹凸沟槽结构，且第一电极外表面具有一台阶，位于台阶之上的第一电极为上电极部，位于台阶之下的第一电极为下电极部，绝缘保护层附着于下电极部的侧壁及台阶的上表面，但不附着于上电极的上表面，也就是说绝缘保护层边缘与N电极上表面存在高度差，该结构保证了在封装打线过程焊线与绝缘保护层不接触或作用力减小确保绝缘保护层不被破坏，此结构改善整个器件结构的气密性，避免高温高湿、负向老化时水汽进入导致异常，还可以有效地阻挡N电极金属材料因受逆向电流的影响而迁移，从而提高发光二极管的可靠性。此外，与常规的N型半导体层台面结构上，并没有设置凹凸沟槽结构形成对位点，容易产生N电极锚定准确性下降之问题相比，本实用新型通过在N型半导体层台面结构上形成一凹凸沟槽结构使之成一对位点，可增加N电极对位之准确性，从而可以提高发光二极管的良率，以及增强同批次的发光二极管结构的一致性。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，很明显地，本实用新型的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种发光二极管结构，包括：由第一半导体层、第二半导体层及夹在两层之间的活性层构成的发光外延层，其厚度为T，露出台面的第一半导体层，连接至第二半导体层的第二电极，以及绝缘保护层，其特征在于：于所述台面上形成有一凹凸沟槽结构，其高度为H，第一电极包裹所述凹凸沟槽结构并连接至所述第一半导体层。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述第一电极外表面具有一台阶，定义位于所述台阶之上的第一电极为上电极部，位于所述台阶之下的第一电极为下电极部，所述绝缘保护层附着于所述下电极部的侧壁及台阶的上表面。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所示第一电极外形具有凹凸起伏结构。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述凹凸沟槽结构的俯视图角度呈封闭式或者半封闭式。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述凹凸沟槽结构的高度H与所述发光外延层的厚度T符合关系式：1/3T≤H≤T。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述凹凸沟槽结构的高度H≥1μm。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述凹凸沟槽结构为部分保留的发光外延层。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述凹凸沟槽结构为介质层或者金属层。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述绝缘保护层材料选用SiO2或Si3N4或Al2O3 或TiO2。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管结构，其特征在于：所述第一电极的表层金属包括Ti或TiN或Cr或Ni粘附金属层。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112563128A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-26 | 苏州工业园区纳米产业技术研究院有限公司 | 一种提高芯片Al电极打线成功率的工艺方法 |
| CN113161455A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-07-23 | 江西乾照光电有限公司 | 一种MiniLED芯片及其制作方法 |
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