CN220324473U - 一种倒装发光元件及发光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种倒装发光元件及发光装置。倒装发光元件包括外延结构、绝缘层、位于绝缘层上的第一电极焊盘和第二电极焊盘。外延结构包括依次层叠的第一半导体层、发光层和第二半导体层；绝缘层覆盖外延结构且形成有暴露第一半导体层的第一通孔和暴露第二半导体层的第二通孔；第一电极焊盘通过第一通孔与第一半导体层电连接；第二电极焊盘通过第二通孔与第二半导体层电连接；俯视观之，第一通孔最小水平投影面积占倒装发光元件水平投影面积的比例大于等于1％，和/或第二通孔最小水平投影面积占倒装发光元件水平投影面积的比例大于等于1％。如此设置，使得倒装发光元件有效降低电压、提高抗ESD能力。

Description

一种倒装发光元件及发光装置

技术领域

本实用新型涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种倒装发光元件及发光装置。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，通常是由如GaN、GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成的发光元件，其核心是具有发光特性的PN结，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。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。

在现有的倒装芯片设计过程中，通过在电极下方设置电流阻挡层和透明导电层的配合来实现电流的水平扩散，从而实现电流的均匀分布。且绝缘层上通孔的面积占整个芯片面积设置为不超过0.4％。然而，随着市场需求的发展，降低成本的需求越来越高，且在背光和直显领域对芯片的尺寸要求越来越小，同时还需要考虑芯片电压、抗ESD(静电释放)能力差的问题。

因此，如何设计芯片以降低成本、降低电压和提高抗ESD能力是亟需解决的技术难题之一。

实用新型内容

本实用新型提供一种倒装发光元件，以解决上述背景技术中的至少一个问题。在一实施例中，所述倒装发光元件至少包括外延结构、透明导电层、绝缘层、第一金属电极、第二金属电极、第一电极焊盘、第二电极焊盘。

所述外延结构具有相对的下表面、上表面以及连接上表面和下表面的侧壁；所述外延结构包括由下表面向上表面依次层叠的第一半导体层、发光层和第二半导体层；所述透明导电层位于第二半导体层上，并且所述透明导电层的全部下表面接触第二半导体层；第一金属电极位于第一半导体层上，第二金属电极位于透明导电层上；所述绝缘层覆盖透明导电层、第一金属电极、第二金属电极并延伸覆盖至所述外延结构的侧壁；所述绝缘层表面形成有贯穿绝缘层并暴露所述第一半导体层的第一通孔和贯穿绝缘层并暴露所述第二半导体层的第二通孔；所述第一电极焊盘位于所述绝缘层上，通过所述第一通孔与所述第一半导体层电连接；所述第二电极焊盘位于所述绝缘层上，通过所述第二通孔与所述第二半导体层电连接。

从所述倒装发光元件的上方朝向外延结构俯视，所述第一通孔的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例大于等于1％，和/或，所述第二通孔的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例大于等于1％，所述倒装发光元件呈方形。

本实用新型提供的倒装发光元件通过取消传统芯片电极下方电流阻挡层的设计，可以节省制程，对绝缘层上的通孔面积进行扩大，从而可以解决取消电流阻挡层之后，电流横向扩展变差、电流集中在扩展电极下方，导致局部电流密度增加，抗ESD能力变差的问题，使得整个发光元件在保证亮度的同时，降低电压，提高抗ESD能力。

本实用新型还提供一种发光装置，采用如上任一实施例所述的倒装发光元件。

本实用新型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。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是现有技术中具有电流阻挡层的发光元件的主剖视图；

图2是本实用新型一实施提供的倒装发光元件的主剖视图；

图3是本实用新型一实施例提供的倒装发光元件的俯视投影示意图

图4是本实用新型一实施例提供的接触电极的俯视投影示意图；

图5是本实用新型一实施例提供的绝缘层的俯视投影示意图。

附图标记：

10-外延结构；11-第一半导体层；12-发光层；13-第二半导体层；20-绝缘层；21-第一通孔；22-第二通孔；31-第一金属电极；32-第二金属电极；41-第一电极焊盘；42-第二电极焊盘；50-透明导电层；51-电流阻挡层；60-衬底；L1-最大直径；L2-最小直径；L2-长边尺寸；L3-短边尺寸；32a-起始部；32b-条状扩展电极。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；下面所描述的本实用新型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。

本实用新型提供一种倒装发光元件，所述倒装发光元件至少包括外延结构10、绝缘层20、透明导电层50、第一金属电极31、第二金属电极32、第一电极焊盘41、第二电极焊盘42。

其中，所述外延结构10具有相对的下表面、上表面以及连接上表面和下表面的侧壁，包括由下表面向上表面依次层叠的第一半导体层11、发光层12和第二半导体层13；所述透明导电层50位于第二半导体层13上，并且所述透明导电层50的全部下表面接触第二半导体层13；所述第一金属电极31位于第一半导体层11上，所述第二金属电极32位于透明导电层50上。

所述绝缘层20覆盖透明导电层50、第一金属电极31、第二金属电极32并延伸覆盖至所述外延结构10的侧壁；所述绝缘层20表面形成有贯穿绝缘层20并暴露所述第一半导体层11的第一通孔21和贯穿绝缘层20并暴露所述第二半导体层13的第二通孔22；所述第一电极焊盘41位于所述绝缘层20上，通过所述第一通孔21与所述第一半导体层11电连接；所述第二电极焊盘42位于所述绝缘层20上，通过所述第二通孔22与所述第二半导体层13电连接。

从所述倒装发光元件的上方朝向外延结构10俯视，所述第一通孔21的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例大于等于1％，和/或，所述第二通孔22的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例大于等于1％。通过上述对绝缘层20的通孔面积进行限定，从而使得整个发光元件在保证亮度的同时，降低电压，提高抗ESD能力。

在一实施例中，所述第一通孔21的最大水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例小于等于5％，以避免面积过大而导致反射能力差，进而影响发光亮度。

在一实施例中，所述第二通孔22的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例小于等于5％，进一步避免面积过大而导致反射能力差，进而影响发光亮度。

在一实施例中，所述第一通孔21由上至下开口逐渐减小和/或所述第二通孔22由上至下开口逐渐减小。通过该结构设计，在保证导电性能的情况下，可有效减少内阻和光损失。

在一实施例中，所述第一通孔21和/或所述第二通孔22的最大直径L1介于5～10μm之间，以兼顾低电压和高亮度的性能。

在一实施例中，所述绝缘层20包括布拉格反射层，以提高发光元件的光提取效率。

在一实施例中，所述倒装发光元件呈长方形，长边尺寸L3介于100～400μm之间，短边尺寸L4介于60～400μm之间。通过该倒装发光元件的尺寸限定，使得该尺寸范围内的发光元件更适配于上述第一通孔21、第二通孔22的面积限定。进一步保证发光元件尺寸与通孔面积之间起到高亮度、低电压、高抗ESD能力之间的性能平衡。

在一实施例中，所述倒装发光元件还包括衬底60，所述衬底60设置于所述外延结构10的上表面，以起到支撑作用；所述第二金属电极32包括起始部32a以及由起始部32a延伸出去的条状扩展电极32b，所述第二金属电极32的起始部上方设有所述绝缘层20的第二通孔22，以有效改善倒装发光元件的电流扩展性能。

在一实施例中，所述起始部32a为圆形状，所述起始部32a的直径大于所述条状扩展电极32b的宽度。

本实用新型还提供一种发光装置，采用如上任一实施例所述的倒装发光元件，以有效提高发光装置的性能。

以下将结合本实用新型实施例中的附图，通过多种具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。请参阅图1～图3，图1是现有技术中具有电流阻挡层的发光元件的主剖视图，图2是本实用新型一实施例提供的倒装发光元件的主剖视图，图3是本实用新型一实施例提供的倒装发光元件的俯视投影示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本实用新型的一实施例提供一种发光二极管，发光二极管至少可以包括外延结构10、绝缘层20、透明导电层50、第一金属电极31、第二金属电极32、第一电极焊盘41、第二电极焊盘42。

外延结构10具有相对的下表面、上表面以及连接上表面和下表面的侧壁；所述外延结构10包括由下表面向上表面依次层叠的第一半导体层11、发光层12和第二半导体层13。

其中，外延结构10形成在衬底60上，以允许发光层12辐射出的光穿过衬底60到达衬底60的远离外延结构10的一侧。外延结构10与衬底60之间还可设置缓冲层或粘结层。衬底60可以是蓝宝石平片衬底、蓝宝石图形化衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、玻璃衬底中的任意一种。

在一些实施例中，衬底60可以采用组合式的图形化衬底，该衬底的图形为一系列的凸起结构，该凸起结构可以为一层或者多层结构，包含至少一层折射率低于衬底的折射率的光萃取层，该光萃取层的厚度大于该凸起结构的高度的一半，更利于发光二极管的出光效率。优选地，该凸起结构呈炮弹状结构，光萃取层的材料可以为折射率优选小于1.6，例如可以选用SiO2等。在一些实施例中，衬底18可以进行减薄或者移除形成薄膜型发光二极管芯片。

作为示例，所述第一半导体层11和第二半导体层13的导电类型不同，可以是N型或者P型。所述发光层12可发生辐射复合。具体地，发光层12可以为量子阱结构(QuantumWell，简称QW)。在一些实施例中，发光层12也可以为多重量子阱结构(Multiple QuantumWell，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)。此外，发光层12内的阱层的组成以及厚度决定生成的光的波长。特别是，通过调节阱层的组成可以提供生成紫外线、蓝色光、绿色光、黄色光等不同色光的发光层12。

第一半导体层11可以是掺杂了p型杂质，例如Mg的氮化镓类半导体层。虽然第一半导体层11和第二半导体层13分别可以是单层结构，但本案不限于此，也可以是多重层，还可以包括超晶格层。第一半导体层11、发光层12以及第二半导体层13可以是利用金属有机化学气相生长法(MOCVD)或者利用分子束外延法(MBE)等方法而在衬底60上形成。此外，在其他实施例中，在第一半导体层11是掺杂了n型杂质的情况下，第二半导体层13可以是掺杂p型杂质，即第一半导体层11为P型半导体层，第二半导体层13为N型半导体层。

当然，外延结构10还可以包括其它层材料，如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。

所述透明导电层50位于第二半导体层13上，并且所述透明导电层50的全部下表面接触第二半导体层13，以用于引导电流从第二金属电极32更为均匀地注入到第二半导体层13。透明导电层50有利于电流扩展或电流扩散，可以防止电流在第一半导体层11的一个或多个区域内发生集中的现象，从而可使得电流在第一半导体层11上能有效地均匀分布。

在一实施例中，透明导电层50可采用透明导电材料；通过使用导电性氧化物的透明导电层50提高倒装发光元件的可靠性。作为示例，透明导电材料可包含铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)、锌铟氧化物(indium zinc oxide，IZO)、氧化铟(indium oxide，InO)、氧化锡(tin oxide，SnO)、镉锡氧化物(cadmium tin oxide，CTO)、锡锑氧化物(antimony tin oxide，ATO)、铝锌氧化物(aluminum zinc oxide，AZO)、锌锡氧化物(zinctin oxide，ZTO)、氧化锌掺杂镓(galliumdoped zinc oxide，GZO)、氧化铟掺杂钨(tungsten doped indium oxide，IWO)或者氧化锌(zinc oxide，ZnO)，但本公开实施例并非以此为限。

此外，该透明导电层50的厚度可以为5～150nm。具体根据产品的应用场景及设计要求等条件限定的不同，透明导电层50的厚度可有多种可选的实施样态。

在一实施例中，透明导电层50可通过沉积制程形成于第二半导体层13之上。作为示例，沉积制程可包含化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)、其他适用的方法或其组合，但本公开实施例并非以此为限。

请参阅图4，所述第一金属电极31位于第一半导体层11上以电连接第一半导体层11，所述第二金属电极32位于透明导电层50上以通过透明导电层50电连接第二半导体层13。其中，第一金属电极31和第二金属电极32的材料可以为金属，例如，镍、金、铬、钛、铂、钯、铑、铱、铝、锡、铟、钽、铜、钴、铁、钌、锆、钨和钼中的一种或几种之组合。作为示例，第一金属电极31可以为P电极，第二金属电极32可以为N电极。此外，第一金属电极31、第二金属电极32的数量可以是一个或多个，本公开实施例不以此为限。

进一步地，如图4所示，所述第二金属电极32包括起始部32a以及由起始部32a延伸出去的条状扩展电极32b，所述第二金属电极32的起始部32a上方设有所述绝缘层20的第二通孔22。较佳地，所述起始部32a为圆形状，所述起始部32a的直径大于所述条状扩展电极32b的宽度，从而有利于改善倒装发光元件的电流扩展性能，避免电流聚集。其中，条状扩展电极32b可以向第一金属电极31所在的区域延伸。在一些实施例中，条状扩展电极32b可以是直线条状、弧形条状或其组合的其他规则或不规则形状，其具体的延伸长度、延伸方向、形状构造可以根据实际倒装发光二极管的需求进行设计即可，在此不做限定。

绝缘层20覆盖透明导电层50、第一金属电极31、第二金属电极32并延伸覆盖至所述外延结构10的侧壁。绝缘层20的设置，一方面，使得发光层12辐射的光通过第一半导体层11到达绝缘层20的表面时，可通过绝缘层20反射大部分的光返回至外延结构10中，减少光从外延结构10表面以及侧壁穿出导致光损失；另一方面，能够防止水汽进入外延结构10，降低漏电风险。

绝缘层20根据设计的位置具有不同的功效，例如：当绝缘层20覆盖外延结构10的侧壁时，其可用于防止因导电材料泄露而电连通第一半导体层11和第二半导体层13，减少发光二极管的短路异常可能性，但本实施例并非以此为限。在一些实施例中，绝缘层20的材料包含非导电材料。非导电材料优选地为无机材料或是介电材料。无机材料可以包含硅胶或玻璃。介电材料包含氧化铝、氮化硅、氧化硅、氧化钛、或氟化镁等电绝缘材料。例如，绝缘层20可以是二氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化钽、氧化铌、钛酸钡或者其组合，其组合例如可以是两种不同折射率的材料重复堆叠形成的布拉格反射镜(DBR)。因此，本实施例优选绝缘层20包括布拉格反射层。

所述绝缘层20表面形成有贯穿绝缘层20并暴露所述第一半导体层11的第一通孔21和贯穿绝缘层20并暴露所述第二半导体层13的第二通孔22。较佳地，所述第一通孔21位于所述第一金属电极31上方，所述第二通孔22位于所述第二金属电极32上方。其中，第一通孔21、第二通孔22的数量可以是一个或多个，本公开实施例不以此为限。

所述第一电极焊盘41位于所述绝缘层20上，通过所述第一通孔21与所述第一半导体层11电连接；所述第二电极焊盘42位于所述绝缘层20上，通过所述第二通孔22与所述第二半导体层13电连接。

具体来说，第一电极焊盘41和第二电极焊盘42的形状可以是方形，但本公开实施例并非以此为限。第一电极焊盘41和第二电极焊盘42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。作为示例，第一电极焊盘41可以为N焊盘，第二电极焊盘42可以为P焊盘。此外，可选地，第一电极焊盘41与第二电极焊盘42的面积相当，第一电极焊盘41与第二电极焊盘42呈对称关系。

请继续参阅图2、图3，从所述发光二极管的上方朝向外延结构10俯视，所述第一通孔21的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例大于等于1％，和/或，所述第二通孔22的最小水平投影面积占倒装发光元件的水平投影面积的比例大于等于1％。

由于传统的通孔面积占外延层面积不超过0.4％，这使得部分小尺寸的芯片存在电压高、光提取效率低且抗ESD能力差等负面问题，并且需要在电极下方设计电流阻挡层来提高电流扩展。对此，本实施例通过上述对第一通孔21和第二通孔22最小水平投影面积的限定，使得通孔的面积增大到大于等于1％，不仅能够节省制程，还能解决取消电流阻挡层之后，电流横向扩展变差、电流集中在扩展电极下方，导致局部电流密度增加，抗ESD能力变差的问题，使得整个发光元件在保证亮度的同时降低电压，提高光提取效率，提升抗ESD能力。

在一优选的实施例中，所述第一通孔21的最大水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例小于等于5％。进一步地，所述第二通孔22的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例小于等于5％。通过将第一通孔21和第二通孔22的最大水平投影面积限定在小于等于5％，以有效避免由于第一通孔21或第二通孔22开设过大而导致电极遮光大，进而影响亮度。

通过上述对第一通孔21和第二通孔22的最小水平投影面积和最大水平投影面积的限定，有利于同时兼顾倒装发光元件的电压及亮度，使得倒装发光元件具有低电压、高光效、低电功率等优势性能。

在另一优选实施例中，请参阅图2，所述第一通孔21由上至下开口逐渐减小和/或所述第二通孔22由由上至下开口逐渐减小。

具体而言，相较于传统圆柱状的第一通孔21或第二通孔22来说，本实施例将第一通孔21和第二通孔22设置为开口渐缩的圆台结构能够有效减小电阻。并且，在保证相同导电性能的情况下，本实施例的通孔设计能够减少电极沿径向与外延结构10之间的接触面积，从而有效降低由于外延结构10缺陷与金属电极相连而造成断路失效情况的概率。

进一步地，第一通孔21和第二通孔22可以是圆形孔、椭圆形孔、方形孔或者多边形孔或其他不规则形状等，在此不做限制。本实施例优选第一通孔21和第二通孔22为圆形孔，且上表面开口大于下表面开口的倒圆台状。较佳地，当第一通孔21和第二通孔22为圆形孔的倒圆台状时，所述第一通孔21和第二通孔22的最大直径L1介于5～15μm之间。较佳地，请参阅图5，第一通孔21和/或第二通孔22的最大直径L1介于10～15μm之间，第一通孔21和/或第二通孔22的最小直径L2介于5～10μm之间。若第一通孔21和第二通孔22的直径过小，容易造成电流拥堵效应，导致电压过高；若第一通孔21和第二通孔22的直径过大，容易造成电极遮光性大，导致亮度不足。因此，通过上述对第一通孔21和/或第二通孔22的直径限定，能够同时兼顾电压和亮度的性能。

在一实施例中，所述倒装发光元件呈长方形，即如图3所示的方形结构，所述倒装发光元件的长边尺寸L3介于100～400μm之间，所述倒装发光元件的短边尺寸L4介于60～400μm之间。通过该倒装发光元件的尺寸限定，使得该尺寸范围内的发光元件更适配于上述第一通孔21、第二通孔22的面积限定。

具体而言，通孔的开口面积与发光元件的光提取率和电压呈反比，与抗ESD能力呈正比。因此，相对于传统常规的发光元件尺寸中将通孔面积设置为不超过0.4％来说，在上述尺寸范围内的小尺寸芯片更适合于前述实施例中对第一通孔21、第二通孔22的面积限定，能够进一步保证发光元件尺寸与通孔面积之间达到高亮度、低电压、高抗ESD能力的性能平衡。

本实用新型还提供一种发光装置，采用如上任一实施例所述的倒装发光元件，可有效提高发光装置的性能。

综上所述，本实用新型提供的倒装发光元件及发光装置通过对绝缘层上的通孔面积进行限定，从而使得整个发光元件在保证亮度的同时，降低电压，提高抗ESD能力，具有良好的光电特性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种倒装发光元件，其特征在于，所述倒装发光元件包括：

外延结构，具有相对的下表面、上表面以及连接上表面和下表面的侧壁；所述外延结构包括由下表面向上表面依次层叠的第一半导体层、发光层和第二半导体层；

透明导电层，位于第二半导体层上，并且所述透明导电层的全部下表面接触第二半导体层；

第一金属电极，位于第一半导体层上；

第二金属电极，位于透明导电层上；

绝缘层，覆盖透明导电层、第一金属电极、第二金属电极并延伸覆盖至所述外延结构的侧壁；所述绝缘层表面形成有贯穿绝缘层并暴露所述第一半导体层的第一通孔和贯穿绝缘层并暴露所述第二半导体层的第二通孔；

第一电极焊盘，位于所述绝缘层上，通过所述第一通孔与所述第一半导体层电连接；

第二电极焊盘，位于所述绝缘层上，通过所述第二通孔与所述第二半导体层电连接；

从所述倒装发光元件的上方朝向外延结构俯视，所述第一通孔的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例大于等于1％，和/或，所述第二通孔的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例大于等于1％，所述倒装发光元件呈方形。

2.根据权利要求1所述的倒装发光元件，其特征在于：所述第一通孔的最大水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例小于等于5％。

3.根据权利要求1所述的倒装发光元件，其特征在于：所述第二通孔的最小水平投影面积占所述倒装发光元件的水平投影面积的比例小于等于5％。

4.根据权利要求1所述的倒装发光元件，其特征在于：所述第一通孔由上至下开口逐渐减小和/或所述第二通孔由由上至下逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的倒装发光元件，其特征在于：所述第一通孔和/或所述第二通孔的最大直径介于5～10μm之间。

6.根据权利要求1所述的倒装发光元件，其特征在于：所述绝缘层包括布拉格反射层。

7.根据权利要求1所述的倒装发光元件，其特征在于：所述倒装发光元件呈长方形，长边尺寸介于100～400μm之间，短边尺寸介于60～400μm之间。

8.根据权利要求1所述的倒装发光元件，其特征在于：所述倒装发光元件还包括衬底，所述衬底设置于所述外延结构的上表面；所述第二金属电极包括起始部以及由起始部延伸出去的条状扩展电极，所述第二金属电极的起始部上方设有所述绝缘层的第二通孔。

9.根据权利要求8所述的倒装发光元件，其特征在于：所述起始部为圆形状，所述起始部的直径大于所述条状扩展电极的宽度。

10.一种发光装置，其特征在于：采用如权利要求1-9任一项所述的倒装发光元件。