具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管转让专利
申请号 : CN200710063101.3
文献号 : CN101009353B
文献日 : 2010-07-21
发明人 : 沈光地 , 陈依新 , 李建军 , 蒋文静 , 韩金茹
申请人 : 北京太时芯光科技有限公司
摘要 :
具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，属于半导体光电子技术领域。包括上电极(100)、由导电增透出光层(130)、电流阻挡层(110)和电流扩展层(201)构成的电流输运增透窗口层(111)、上限制层(300)、有源区(500)、下限制层(400)、导电高反光层(140)、上电流扩展层(200)，导电键合层(150)、导电高反光层(140)和图形化的转移衬底(161)构成的支架(112)、下电极(800)。本发明增强了电流扩展和光输出，能够大大地提高出光效率，实现高效率、高亮度LED发光，热性能及可靠性高。
权利要求 :
1.具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，从上往下包括上电极(100)、上限制层(300)、有源区(500)、下限制层(400)和下电极(800)，其特征在于：还包括设置在上电极(100)和上限制层(300)之间的电流输运增透窗口层(111)，电流输运增透窗口层(111)由导电增透出光层(130)、电流阻挡层(110)和电流扩展层(201)共同构成；还包括设置在下限制层(400)和下电极(800)之间的支架(112)，支架(112)从上往下的组成为：上电流扩展层(200)、导电键合层(150)、导电高反光层(140)和图形化的转移衬底(161)；导电高反光层(140)是保形的形成在图形化的转移衬底(161)上，其表面为凹凸表面；导电键合层(150)的材料为导电胶。
2.根据权利要求1所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，其特征在于：在电流输运增透窗口层(111)的上面或里面还引入能够对光能起到增透作用的结构。
3.根据权利要求1所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，其特征在于：导电增透出光层(130)所用的材料是既能导电又能对光起到进行增透作用的材料。
4.根据权利要求1所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，其特征在于：电流阻挡层(110)的材料是本征半导体或不导电树脂，或导电特性与上电极相反的导电材料。
5.根据权利要求1所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，其特征在于：电流阻挡层(110)的材料是绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，其特征在于：有源区(500)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，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的组合结构。
7.根据权利要求1所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，其特征在于：导电高反光层(140)由既能导电又能反光的材料组成。
8.根据权利要求1所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，其特征在于图形化的转移衬底(161)是金属或半导体热导材料。
9.根据权利要求1所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，其特征在于图形化的转移衬底(161)的结构是凹凸不平的规则的或不规则的表面。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(light emitting diode，LED)，具体地说是一种新型的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
目前，高亮度可见光LED作为一种新型光源在汽车车灯、户外显示、景观照明以及光信息处理等领域有着巨大的应用市场。90年代后，AlGaInP和GaN材料的研究与开发，使LED从低亮度向高亮度乃至超高亮度发展，并且波段覆盖全部可见光区域。提高LED发光强度的一个重要任务就是提高光效，包括内部量子效率和外部量子效率，虽然如今各种外延生长与控制技术已经可以将内部量子效率(Internal quantum efficiency，ηint)提高至90％甚至接近100％，但是外部量子效率(External quantum efficiency，ηext)却很低，有的甚至只有10％或更低，这严重限制了LED的发展与应用。
对于普通结构的LED，结构如图1所示，从上往下看依次包括：上电极100、电流扩展层200、上限制层300、有源区500、下限制层400、缓冲层600、衬底700和下电极800。造成其外部量子效率较低的原因主要是：首先，如GaAs基LED的吸收衬底对有源区产生的光有着很强的吸收作用，吸收的光子最终以热的形式存在；其次，LED体材料的折射率比空气折射率大很多，根据希尔定律，全反射作用使得发射到界面的光子只有处于临界角以内才能发射到体外；最后，上电极正下方的电流密度很大，而该部分电流产生的光不但不能发射到体外，反而由于电极的阻挡或吸收，在体内变成热。
目前，为了解决普通LED的上述三个问题，国内外均提出了各种各样的解决方案。例如，针对吸收衬底的问题，有人在图1所示的缓冲层和下限制层之间生长一层分布布拉格反射(DBR)层900，对入射角接近0度的光子有着很好的反射作用，器件结构如图2所示；对于LED体材料折射率与空气折射率相差较大的问题，人们提出的办法是在LED的出光面制作一层增透膜120，器件的外量子效率能增加约30-40％，如图3所示；最后，关于上电极正下方电流密度较大的问题，国外有人提出过制作电流阻挡层110的办法，如：采用离子注入，p-n结二次外延等方法增加了电流向电极周围的扩展，但工艺复杂，成本高，器件结构如图4所示。图2、3、4这些结构的器件都只是单一或部分地解决了普通LED的一个问题，光提取效率仍不高，甚至工艺复杂等，LED的应用受到一定的限制。
对于普通结构的LED，结构如图1所示，从上往下看依次包括：上电极100、电流扩展层200、上限制层300、有源区500、下限制层400、缓冲层600、衬底700和下电极800。造成其外部量子效率较低的原因主要是：首先，如GaAs基LED的吸收衬底对有源区产生的光有着很强的吸收作用，吸收的光子最终以热的形式存在；其次，LED体材料的折射率比空气折射率大很多，根据希尔定律，全反射作用使得发射到界面的光子只有处于临界角以内才能发射到体外；最后，上电极正下方的电流密度很大，而该部分电流产生的光不但不能发射到体外，反而由于电极的阻挡或吸收，在体内变成热。
目前，为了解决普通LED的上述三个问题，国内外均提出了各种各样的解决方案。例如，针对吸收衬底的问题，有人在图1所示的缓冲层和下限制层之间生长一层分布布拉格反射(DBR)层900，对入射角接近0度的光子有着很好的反射作用，器件结构如图2所示；对于LED体材料折射率与空气折射率相差较大的问题，人们提出的办法是在LED的出光面制作一层增透膜120，器件的外量子效率能增加约30-40％，如图3所示；最后，关于上电极正下方电流密度较大的问题，国外有人提出过制作电流阻挡层110的办法，如：采用离子注入，p-n结二次外延等方法增加了电流向电极周围的扩展，但工艺复杂，成本高，器件结构如图4所示。图2、3、4这些结构的器件都只是单一或部分地解决了普通LED的一个问题，光提取效率仍不高，甚至工艺复杂等，LED的应用受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，以达到同时解决上述普通LED存在的三个问题的目的，从而实现高效、高亮度的LED发光。
本发明的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，分别包括从上至下依次纵向生长的上电极100、电流输运增透窗口层111、上限制层300、有源区500、下限制层400、支架112、和下电极800，其中，电流输运增透窗口层111由导电增透出光层130、电流阻挡层110和电流扩展层201共同构成。支架112从上往下看的组成为：上电流扩展层200、导电键合层150、导电高反光层140和图形化的转移衬底161，导电高反光层140是保形的形成在图形化的转移衬底161上，其表面为凹凸表面，参见图6。该具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管的特征在于：电流阻挡层110、电流扩展层201以及导电增透出光层130共同构成电流输运增透窗口层111，它的存在，既使上电极注入的电流横向输运扩展到电极以外的有源区，电极下无电流，不发光，增加了发光效率，减少了焦尔热的产生，又对有源区产生的光起到了增透的作用，使体内产生的光子更多地发射到体外；电流扩展层200、图形化的转移衬底161、导电键合层150和导电高反射层140带来了两个突出的作用：一是对有源区发射到衬底方向的光起到了很好的反射作用和改变光子传播方向的作用，从而更多的光子能够从上电极方向发射到体外，二是图形化的转移衬底161有着优良的导热性，对体内产生的热量迅速地进行扩散，提高了器件的热性能、寿命及可靠性。
本发明中在电流输运增透窗口层111的上面或里面还能引入能够对光能起到增透作用的结构，例如：增透膜，表面粗化等。
本发明中导电增透出光层130所用的材料是既能导电又能起到对光进行增透作用的材料，例如：氧化铟锡(ITO)，导电树脂等。
本发明中电流阻挡层110的材料是本征半导体或不导电树脂或不掺杂非晶Si，SixNy和SixOy等绝缘材料，或导电特性与上电极相反的导电材料。
本发明中电流阻挡层110做在电流扩展层201的下面，参见图6。
本发明中有源区500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，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的组合结构。
本发明中导电高反光层140由既能导电又能反光的材料组成，例如：金属等。
本发明中导电键合层150既能导电又能起到很好的键合作用，其材料是导电胶或金属等。
本发明中图形化的转移衬底161是金属或半导体热导材料，例如：Si、Cu、Al等。
本发明中图形化的转移衬底161是凹凸不平的规则的或不规则的表面。
本发明所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的LED与常规LED器件结构(如图1所示)相比，有着一些重要的优越性，表现在：
1.高光提取效率及高光功率输出
电流阻挡层110、电流扩展层201、导电增透出光层130共同构成的电流输运增透窗口层111，它使得注入电流不向上电极100下方流动，而横向输运在窗口层下方的有源区500内辐射复合发光。导电增透出光层130材料的折射率处于空气和体材料之间，增加了出光角度，更有利于发射到界面的光子发射到体外，可利于加增透膜或表面粗化结构，进一步增加了光提取效率；图形化的转移衬底161与导电高反射层140结合，起到了优良的反光镜的作用和改变光子传播方向的作用，使向下发射的光子经过该两层材料的一次或几次反射，改变了出光方向，最终绝大部分光子都从电流输运增透窗口层111发射到体外。该结构大大增加了LED的光提取效率，从而增加了相同注入电流下的输出光功率。
2.优良的热特性及可靠性
一方面，从上电极100注入的电流由于被下方电流阻挡层110阻挡不能垂直向下运动，只能通过电流扩展层201和导电增透出光层130横向输运，电流自然地流向电极正下方以外的有源区，电极正下方无电流，由于在常规LED中上电极正下方的电流密度很大，该部分电流产生的大量光子不但不能发射到体外，反而由于上电极的遮挡、反射、吸收或在体内吸收，最后在体内变成热，发热、升温，限制了器件性能的提高及LED的应用。具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，大大减少了注入电流在体内的损耗和无效光子的产生，也减少了热的产生，另一方面，图形化的转移衬底161是一种优良的热导体，对体内产生的热量能够迅速地耗散，更有利于LED的发光，同时也保证了器件的热特性及可靠性。
3.高性能、高产量的器件
通常LED电极的直径在80-110μm，因此，随着器件尺寸的减小，电极下电流(产生无效光子和发热)所占总注入电流的比例上升，光提取效率和光功率输出下降。相同注入电流下，具有电流输运增透窗口层及高反射图形转移衬底结构的发光二极管有着高的光提取效率及高光功率输出，几乎完全没有电极下的电流及其产生的无效光子在体内发热，所以器件的输出特性与器件的尺寸无线性关系，在小的器件尺寸下，同样可以得到高的光提取效率和光功率输出，同时也大大减少了电极下方电流损耗和热产生，使器件具有优良的热特性及可靠性。在相同的制作成本和工艺条件下，器件尺寸越小，同样尺寸的外延片LED管芯的产量越高，因此，具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管的产量高、性能高，从而产值也高，尤其适合于大批量生产。
附图说明：
图1：常规结构LED的结构示意图
图2：在常规结构LED基础上引入DBR反光层后的器件结构示意图
图3：在常规结构LED基础上引入增透膜结构的器件结构示意图
图4：在上电流扩展层200的夹层中间引入电流阻挡层110后的LED结构示意图
图5：具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管的外延片结构示意图
图6：本发明中的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管结构示意图(采用图形化的转移衬底161)
图中：100为上电极、110为电流阻挡层、130为导电增透出光层、201为电流扩展层、300为上限制层、500为有源区、400为下限制层、140为导电高反光层、150为导电键合层、161为图形化的转移衬底、800为下电极、200为上电流扩展层、600为缓冲层、700为衬底、900为DBR反射层、120为增透膜、111为电流输运增透窗口层、112为支架。
本发明的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，分别包括从上至下依次纵向生长的上电极100、电流输运增透窗口层111、上限制层300、有源区500、下限制层400、支架112、和下电极800，其中，电流输运增透窗口层111由导电增透出光层130、电流阻挡层110和电流扩展层201共同构成。支架112从上往下看的组成为：上电流扩展层200、导电键合层150、导电高反光层140和图形化的转移衬底161，导电高反光层140是保形的形成在图形化的转移衬底161上，其表面为凹凸表面，参见图6。该具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管的特征在于：电流阻挡层110、电流扩展层201以及导电增透出光层130共同构成电流输运增透窗口层111，它的存在，既使上电极注入的电流横向输运扩展到电极以外的有源区，电极下无电流，不发光，增加了发光效率，减少了焦尔热的产生，又对有源区产生的光起到了增透的作用，使体内产生的光子更多地发射到体外；电流扩展层200、图形化的转移衬底161、导电键合层150和导电高反射层140带来了两个突出的作用：一是对有源区发射到衬底方向的光起到了很好的反射作用和改变光子传播方向的作用，从而更多的光子能够从上电极方向发射到体外，二是图形化的转移衬底161有着优良的导热性，对体内产生的热量迅速地进行扩散，提高了器件的热性能、寿命及可靠性。
本发明中在电流输运增透窗口层111的上面或里面还能引入能够对光能起到增透作用的结构，例如：增透膜，表面粗化等。
本发明中导电增透出光层130所用的材料是既能导电又能起到对光进行增透作用的材料，例如：氧化铟锡(ITO)，导电树脂等。
本发明中电流阻挡层110的材料是本征半导体或不导电树脂或不掺杂非晶Si，SixNy和SixOy等绝缘材料，或导电特性与上电极相反的导电材料。
本发明中电流阻挡层110做在电流扩展层201的下面，参见图6。
本发明中有源区500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，超晶格结构或量子点发光结构，或多层量子点结构，或上述各种的组合结构。
本发明中导电高反光层140由既能导电又能反光的材料组成，例如：金属等。
本发明中导电键合层150既能导电又能起到很好的键合作用，其材料是导电胶或金属等。
本发明中图形化的转移衬底161是金属或半导体热导材料，例如：Si、Cu、Al等。
本发明中图形化的转移衬底161是凹凸不平的规则的或不规则的表面。
本发明所述的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的LED与常规LED器件结构(如图1所示)相比，有着一些重要的优越性，表现在：
1.高光提取效率及高光功率输出
电流阻挡层110、电流扩展层201、导电增透出光层130共同构成的电流输运增透窗口层111，它使得注入电流不向上电极100下方流动，而横向输运在窗口层下方的有源区500内辐射复合发光。导电增透出光层130材料的折射率处于空气和体材料之间，增加了出光角度，更有利于发射到界面的光子发射到体外，可利于加增透膜或表面粗化结构，进一步增加了光提取效率；图形化的转移衬底161与导电高反射层140结合，起到了优良的反光镜的作用和改变光子传播方向的作用，使向下发射的光子经过该两层材料的一次或几次反射，改变了出光方向，最终绝大部分光子都从电流输运增透窗口层111发射到体外。该结构大大增加了LED的光提取效率，从而增加了相同注入电流下的输出光功率。
2.优良的热特性及可靠性
一方面，从上电极100注入的电流由于被下方电流阻挡层110阻挡不能垂直向下运动，只能通过电流扩展层201和导电增透出光层130横向输运，电流自然地流向电极正下方以外的有源区，电极正下方无电流，由于在常规LED中上电极正下方的电流密度很大，该部分电流产生的大量光子不但不能发射到体外，反而由于上电极的遮挡、反射、吸收或在体内吸收，最后在体内变成热，发热、升温，限制了器件性能的提高及LED的应用。具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管，大大减少了注入电流在体内的损耗和无效光子的产生，也减少了热的产生，另一方面，图形化的转移衬底161是一种优良的热导体，对体内产生的热量能够迅速地耗散，更有利于LED的发光，同时也保证了器件的热特性及可靠性。
3.高性能、高产量的器件
通常LED电极的直径在80-110μm，因此，随着器件尺寸的减小，电极下电流(产生无效光子和发热)所占总注入电流的比例上升，光提取效率和光功率输出下降。相同注入电流下，具有电流输运增透窗口层及高反射图形转移衬底结构的发光二极管有着高的光提取效率及高光功率输出，几乎完全没有电极下的电流及其产生的无效光子在体内发热，所以器件的输出特性与器件的尺寸无线性关系，在小的器件尺寸下，同样可以得到高的光提取效率和光功率输出，同时也大大减少了电极下方电流损耗和热产生，使器件具有优良的热特性及可靠性。在相同的制作成本和工艺条件下，器件尺寸越小，同样尺寸的外延片LED管芯的产量越高，因此，具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管的产量高、性能高，从而产值也高，尤其适合于大批量生产。
附图说明：
图1：常规结构LED的结构示意图
图2：在常规结构LED基础上引入DBR反光层后的器件结构示意图
图3：在常规结构LED基础上引入增透膜结构的器件结构示意图
图4：在上电流扩展层200的夹层中间引入电流阻挡层110后的LED结构示意图
图5：具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管的外延片结构示意图
图6：本发明中的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的发光二极管结构示意图(采用图形化的转移衬底161)
图中：100为上电极、110为电流阻挡层、130为导电增透出光层、201为电流扩展层、300为上限制层、500为有源区、400为下限制层、140为导电高反光层、150为导电键合层、161为图形化的转移衬底、800为下电极、200为上电流扩展层、600为缓冲层、700为衬底、900为DBR反射层、120为增透膜、111为电流输运增透窗口层、112为支架。
具体实施方式
实施例1
如图6所示，以AlGaInP LED为例。该器件由以下各部分组成，上电极100、导电增透出光层130、电流扩展层201、电流阻挡层110、上限制层300、有源区500、下限制层400、上电流扩展层200、导电高反光层140、导电键合层150、图形化的转移衬底161和下电极800，其制备过程和方法如下：
1.外延片的生长：在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的衬底700上，利用MOVCD系统依次外延生长缓冲层600，电流扩展层201，下限制层400，有源区500，上限制层300，上电流扩展层200，这样就得到了AlGaInP发光二极管的外延片，图5所示；
2.器件的制备：具体的工艺步骤是，
a.将普通衬底清洗并吹干后，在上面光刻，带胶进行湿法或干法(如：ICP)刻蚀，得到了所需要的图形化的转移衬底161；
b.在图形化的转移衬底161上面通过蒸发或溅射的办法镀上导电高反光层140，并与上电流扩展层200通过导电键合层150键合在一起；
c.通过腐蚀或剥离的办法，将外延生长用的衬底700和缓冲层600去掉，露出电流扩展层201；
d.在电流扩展层201的上面光刻并带胶通过离子注入的办法得到电流阻挡层110；然后再蒸镀上一层导电增透出光层130，其材料可以是ITO；
e.在导电增透出光层130的上面蒸镀上一层金属，如AuGeNi，并光刻出圆形电极，得到了上电极100，在图形化的转移衬底161的下面也蒸镀上一层金属，如AuZnAu，形成下电极800，完成了上下电极的制作；
3.解理与压焊：划片、解理，得到了单个的管芯，压焊在管座上并封装，完成了LED的制作。通过上、下电极注入电流，就可以实现高效、高亮度的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的LED发光。
通过以上实施例，完成了本发明的LED制作。
如图6所示，以AlGaInP LED为例。该器件由以下各部分组成，上电极100、导电增透出光层130、电流扩展层201、电流阻挡层110、上限制层300、有源区500、下限制层400、上电流扩展层200、导电高反光层140、导电键合层150、图形化的转移衬底161和下电极800，其制备过程和方法如下：
1.外延片的生长：在GaAs等能够与AlGaInP匹配的材料形成的衬底700上，利用MOVCD系统依次外延生长缓冲层600，电流扩展层201，下限制层400，有源区500，上限制层300，上电流扩展层200，这样就得到了AlGaInP发光二极管的外延片，图5所示；
2.器件的制备：具体的工艺步骤是，
a.将普通衬底清洗并吹干后，在上面光刻，带胶进行湿法或干法(如：ICP)刻蚀，得到了所需要的图形化的转移衬底161；
b.在图形化的转移衬底161上面通过蒸发或溅射的办法镀上导电高反光层140，并与上电流扩展层200通过导电键合层150键合在一起；
c.通过腐蚀或剥离的办法，将外延生长用的衬底700和缓冲层600去掉，露出电流扩展层201；
d.在电流扩展层201的上面光刻并带胶通过离子注入的办法得到电流阻挡层110；然后再蒸镀上一层导电增透出光层130，其材料可以是ITO；
e.在导电增透出光层130的上面蒸镀上一层金属，如AuGeNi，并光刻出圆形电极，得到了上电极100，在图形化的转移衬底161的下面也蒸镀上一层金属，如AuZnAu，形成下电极800，完成了上下电极的制作；
3.解理与压焊：划片、解理，得到了单个的管芯，压焊在管座上并封装，完成了LED的制作。通过上、下电极注入电流，就可以实现高效、高亮度的具有电流输运增透窗口层和高反射图形转移衬底结构的LED发光。
通过以上实施例，完成了本发明的LED制作。