CN211700319U - 一种半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种半导体发光元件，其包括半导体垒晶叠层，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；电介质层，位于所述第一导电型半导体层的远离活性层的一侧，所述电介质层具有多个贯通的开口；金属层，位于所述电介质层的远离第一导电型半导体层的一侧，所述金属层通过所述电介质层的多个开口与第一导电型半导体层进行电性连接；其特征在于，所述电介质层的多个贯通的开口为环形的。本实用新型的电介质层采用环形开口设计，可在保证电流导通和注入的基础上，兼顾镜面反射的效果，从而提升半导体发光元件的发光亮度，提升发光效率。

Description

一种半导体发光元件
技术领域
本实用新型涉及一种半导体发光元件，属于半导体光电子器件与技术领域。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，简称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。近年来，LED已在日常生活中得到广泛应用，例如照明、信号显示、背光源、车灯和大屏幕显示等领域，同时这些应用也对LED的亮度、发光效率提出了更高的要求。
现有的发光二极管包括水平类型和垂直类型。垂直类型的发光二极管通过把半导体垒晶叠层转移到其它的基板如硅、碳化硅或金属基板上，并移除原始外延生长的衬底的工艺获得，相较于水平类型，可以有效改善外延生长衬底带来的吸光、电流拥挤或散热性差的技术问题。衬底的转移一般采用键合工艺，键合主要通过金属-金属高温高压键合，即在半导体垒晶叠层一侧与基板之间形成金属键合层。半导体垒晶叠层的另一侧提供出光侧，出光侧配置有一打线电极提供电流的注入或流出，半导体垒晶叠层的下方的基板提供电流的流出或流入，由此形成电流垂直经过半导体垒晶叠层的发光二极管。
为了提高出光效率，通常会在金属键合层的一侧设计金属反射层与电介质层形成ODR反射结构，将金属键合层一侧的出光反射至出光侧，提高出光效率。若第一导电型半导体层的远离活性层的一侧为整层电介质层，则无法形成电性导通。常见的方法为通过电介质层开口与第一导电型半导体层形成电性连接。常见的电介质层开口设计为圆形开口，如图1a所示，电介质层的开孔比例高，与第一导电型半导体层接触的面积大，电流容易导通和扩展，但同时ODR镜面面积减小，LED亮度会降低；反之，如图1b所示，电介质层的开孔比例低，与第一导电型半导体层接触的面积小，电流的导通和扩展受到限制，电压会升高，但ODR镜面面积增大，ODR反射结构的反射效率提升，从而LED的发光亮度会增加。
发明内容
为了解决以上的问题，本实用新型通过电介质层的环形开口设计，可在保证电流导通和注入的基础上，兼顾镜面反射的效果，从而提升半导体发光元件的发光亮度，提升发光效率。
为实现上述目的，本实用新型提供一种半导体发光元件，其包括：半导体垒晶叠层，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；电介质层，位于所述第一导电型半导体层的远离活性层的一侧，所述电介质层具有多个贯通的开口；金属层，位于所述电介质层的远离第一导电型半导体层的一侧，所述金属层通过所述电介质层的多个开口与第一导电型半导体层进行电性连接；其特征在于，所述电介质层的多个贯通的开口为环形的。
优选地，所述电介质层的环形开口为圆形、方形或者不规则形状的。
优选地，所述电介质层的环形开口的宽度为0~15um，环形开口的外径尺寸为3~30um，环形开口的面积占整个电介质层面积的比例为10%~95%。
优选地，所述的电介质层为至少一层，为氮化物、氧化物或氟化物至少的一种材料组成。
优选地，所述的金属层至少包括金属反射层。
更优选地，所述的金属反射层可以由包含Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au以及Hf中的至少一种金属或者合金形成。
优选地，所述金属反射层和所述电介质层形成ODR反射结构，将半导体垒晶叠层发出的光反射至出光侧。
优选地，所述半导体垒晶叠层辐射蓝光、绿光、红光或红外光。
优选地，所述半导体发光元件还包括一正面电极，位于第二导电型半导体层的上部并与第二导电型半导体层电性连接。
优选地，所述半导体发光元件还包括一相反电极与金属层电性连接。
优选地，所述金属层下方具有基板，所述的基板为导电型基板，基板位于相反电极与金属层之间。
更优选地，所述导电型基板为硅、碳化硅、金属基板，金属基板优选为铜，钨、钼基板。
优选地，所述金属层通过欧姆接触层与第一导电型半导体层形成欧姆接触。
优选地，所述欧姆接触层为透明导电层或者金属合金。
如上所述，本实用新型提供的半导体发光元件，通过电介质层的环形开口设计，相比中空的开口设计，可在保证电流注入和导通的情况下，提升光反射效果，从而提升半导体发光元件的发光亮度，提升发光效率。
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中1a和1b分别为现有技术中电介质层的不同开口比例对电流导通和ODR结构反射的影响的示意图。
图2为实施例1中所提及的半导体发光元件的剖面示意图。
图3为实施例1中所提及的半导体发光元件的电介质层环形开口为圆形的示意图。
图4中4a和4b为实施例1中所提及的半导体发光元件无环形开口和环形开口时电流注入导通时的光电特性交互作用的示意图。
图5为实施例2中所提及的半导体发光元件的电介质层环形开口为方形的示意图。
图中：101：支撑基板；102：金属键合层；103：金属反射层；104：欧姆接触层；105：电介质层；106：第一导电型半导体层；107：活性层；108：第二导电型半导体层；109：正面电极；110：相反电极；1051：电介质层的环形开口。D1：环形开口的宽度；D2：环形开口的外径。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本实用新型中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一：
本实用新型提供如下一种半导体发光元件，如图2所示的剖面示意图，其包括如下堆叠层：101：支撑基板；102：金属键合层；103：金属反射层；104：欧姆接触层；105：电介质层；106：第一导电型半导体层；107：活性层；108：第二导电型半导体层；109：正面电极；110：相反电极；1051：电介质层的环形开口。
下面针对各结构堆叠层进行详细描述。
所述的支撑衬底101为导电性基板，导电性基板可以为硅、碳化硅、金属基板，金属基板优选为铜，钨、钼基板。支撑基板101可以具有大约50μm至大约300μm的厚度。
金属层按照功能划分可以为单层或至少两层，更优选的为至少两层功能层，其中至少一层按照功能可以定义为金属键合层102。该金属键合层102为将半导体垒晶叠层一侧粘附到支撑基板101上时使用的键合金属材料，如金、锡、钛、镍、铂等金属，该键合金属层本身可以是多层材料组合。金属层中还可以包括在金属键合层102上侧并更靠近半导体垒晶叠层的反射层103，反射层103可以由包含Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au以及Hf中的至少一个的金属或者合金形成。该反射层103能够反射半导体垒晶叠层朝向支撑基板101一侧辐射的光线返回至半导体垒晶叠层，并从出光侧辐射出去。
电介质层105位于所述第一导电型半导体层106的远离活性层107的一侧，所述电介质层105具有多个贯通的开口。所述电介质层105的多个贯通的开口为环形的，该开口可均匀地或非均匀地分布在半导体垒晶叠层的一侧。如图2所示，圆圈圈定部分为电介质层105的环形开口1051。电介质层的环形开口1051的宽度为0~15um，环形开口的外径尺寸为3~30um，环形开口的面积占整个电介质层面积的比例为10%~95%。电介质层105可以由具有小于反射层103或者欧姆接触层104的导电性的绝缘性材料、具有低导电性的材料、或者肖特基接触第一导电型半导体层106的材料形成。例如，电介质层105可以由氟化物、氮化物或氧化物等至少之一组成，具体的如ZnO、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、Al2O3、TiOx、MgF或GaF等至少一个形成。电介质层105为至少一层组成或多层不同折射率的电介质层材料组合形成，所述的电介质层105更优选的为透光电介质层，至少50%的光线能够通过该电介质层。更优选的，所述的电介质层105的折射率低于半导体垒晶叠层的折射率。在本实施例中，优选环形开口的图形为圆形，如图3所示，D1为环形开口的宽度，其范围优选为0~15 um，D2为环形开口的外径的宽度，其范围优选为3~30 um。
金属反射层103与电介质层105之间可以包括欧姆接触层104，欧姆接触层104通过至少填充电介质层105的多个环形开口形成多个区域欧姆接触第一导电类型半导体层106，以将电流从金属层（包括金属反射层103、键合层102）均匀地传递到半导体垒晶叠层，因此欧姆接触层104并不是以整面的形式接触第一导电类型半导体层106一侧。欧姆接触层104可以由透明导电层如ITO、IZO、IZTO、IAZO、IGZO、IGTO、AZO以及ATO中的至少一个形成。欧姆接触层104也可以替代地使用光透射导电层和金属。所述的金属优选为合金材料，如金锌、金锗、金锗镍或金铍等材料，欧姆接触层104可以具有单层或者多层结构。
金属反射层103与电介质层105形成ODR反射结构，将半导体垒晶叠层朝向支撑基板101一侧辐射的光线返回至半导体垒晶叠层，并从出光侧辐射出去，提高出光效率。所述电介质层105具有多个贯通的环形开口，一方面欧姆接触层104通过该环形开口与第一导电型半导体层电性连接，保证电流的注入和导通，另一方面，如图4所示，相比电介质层的中空设计（图4a），可发现电介质层的开口位置采用内圈外圈的环形开口设计后（图4b），电流注入最强的地方，发光强度最强，而内圈外圈的电介质层(ODR)的反射作用可内外加强，可看出有较佳的ODR反射效果，电特性与光特性的交互作用增强。采用电介质层的环形开口设计后，LED可维持相同的工作电压，提升发光亮度，提升整体发光效能。
半导体垒晶叠层为通过MOCVD或其它的生长方式获得的半导体垒晶叠层，该半导体垒晶叠层为能够提供常规的如紫外、蓝、绿、黄、红、红外光等辐射的半导体材料，具体的可以是200~950nm的材料，如常见的氮化物，具体的如氮化镓基半导体垒晶叠层，氮化镓基垒晶叠层常见有掺杂铝、铟等元素，主要提供200~550nm波段的辐射；或者常见的铝镓铟磷基或铝镓砷基半导体垒晶叠层，主要提供550~950nm波段的辐射。半导体垒晶叠层主要包括第一导电型半导体层106、第二导电型半导体层108和第一导电型半导体层106和第二导电型半导体层108之间的活性层107。所述第一导电型半导体层106和第二导电型半导体层108可分别通过n型掺杂或P型掺杂以实现至少分别提供电子或空穴的材料层。n型半导体层可以掺杂有诸如Si、Ge、或者Sn的n型掺杂物，P型半导体层可以掺杂有诸如Mg、Zn、Ca、Sr、或者Ba的P型掺杂物。第一导电型半导体层106、活性层107、第二导电型半导体层108具体可以是铝镓铟氮、氮化镓、铝镓氮、铝铟磷、铝镓铟磷或砷化镓或铝镓砷等材料制作形成。第一导电类型半导体层106或第二导电类型半导体层108中包括提供电子或空穴的覆盖层，以及可以包括其它层材料如电流扩展层、窗口层或欧姆接触层等，根据掺杂浓度或组分含量不同进行设置为不同的多层。活性层107为提供电子和空穴复合提供光辐射的区域，根据发光波长的不同可选择不同的材料，活性层107可以是单量子阱或多量子阱的周期性结构。通过调整活性层107中半导体材料的组成比，以期望辐射出不同波长的光。
正面电极109配置在半导体垒晶叠层的出光侧上。正面电极109主要包括焊盘部分，该焊盘部分主要用于正面电极封装时外部打线。正面电极的焊盘可以根据实际的打线需要设计成不同的形状，具体如圆柱状或方块或其它的多边形。作为一个优选的实施方式，正面电极还可以包括从焊盘延伸的延伸部分，该延伸部分可以以预定的图案形状被形成，并且延伸部分可以具有各种形状，具体的如条状。
所述的半导体发光元件还包括相反电极110，本实施例中所述的相反电极110以整面的形式形成在支撑基板101背面侧，本实施例的支撑基板为导电性支撑基板，正面电极109与相反电极110形成在支撑基板101的两面侧，以实现电流垂直流过半导体垒晶叠层，提供均匀的电流密度。
正面电极109以及相反电极110优选为金属材料制成。正面电极109至少焊盘部分以及延伸部分还可以包括实现与半导体发光序列之间形成良好的欧姆接触的金属材料。
实施例二
本实施例，如图5所示，与实施例1的区别在于，实施例一中电介质层105的环形开口的形状为圆形的，而本实施例中电介质层105的环形开口的形状为方形的。
实施例三
本实施例，与实施例1的区别在于，实施例一中电介质层105的环形开口的形状为圆形的，而本实施例中电介质层105的环形开口的形状为不规则的。
需要说明的是，以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非用于限定本实用新型，本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对本实用新型做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (14)

1.一种半导体发光元件，其包括：半导体垒晶叠层，包括第一导电型半导体层、第二导电型半导体层和位于第一导电型半导体层和第二导电型半导体层之间的活性层；电介质层，位于所述第一导电型半导体层的远离活性层的一侧，所述电介质层具有多个贯通的开口；金属层，位于所述电介质层的远离第一导电型半导体层的一侧，所述金属层通过所述电介质层的多个开口与第一导电型半导体层进行电性连接；其特征在于，所述电介质层的多个贯通的开口为环形的。
2.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述电介质层的环形开口为圆形或者方形的。
3.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述电介质层的环形开口的宽度为0~15um，环形开口的外径尺寸为3~30um，环形开口的面积占整个电介质层面积的比例为10%~95%。
4.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述电介质层为单层或者多层结构，所述电介质层为ZnO、SiOx、SiOxNy、Si3N4、Al2O3、TiOx、MgF或GaF中一种材料组成。
5.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述的金属层至少包括金属反射层。
6.根据权利要求5所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述的金属反射层可以是Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au以及Hf中
的至少一种金属或者合金形成。
7.根据权利要求6所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述金属反射层和所述电介质层形成ODR反射结构，将半导体垒晶叠层发出的光反射至出光侧。
8.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述半导体垒晶叠层辐射蓝光、绿光、红光或红外光。
9.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，还包括一正面电极，位于第二导电型半导体层的上部并与第二导电型半导体层电性连接。
10.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，还包括一相反电极与金属层电性连接。
11.根据权利要求10所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述的金属层下方具有基板，所述的基板为导电型基板，基板位于相反电极与金属层之间。
12.根据权利要求11所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述的导电型基板为硅、碳化硅、金属基板，金属基板优选为铜，钨、钼基板。
13.根据权利要求1所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述金属层通过欧姆接触层与第一导电型半导体层形成欧姆接触。
14.根据权利要求13所述的一种半导体发光元件，其特征在于，所述欧姆接触层为透明导电层或者金属合金。
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