具有反射電極的發光裝置

《具有反射電極的發光裝置》是安徽三安光電有限公司於2012年10月31日申請的專利，該專利的公布號為CN102903817A，申請號為201210426841X，授權公布日為2013年1月30日，發明人是楊力勛、時軍朋、梁興華、鄭高林、鐘志白、黃少華、關傑夫。

《具有反射電極的發光裝置》公開了一種有效提高半導體發光二極體LED工作穩定性的電極結構，涉及到包含反射層的LED電極結構，並且在這種結構中，反射層起到電流擴展的作用。這種電極結構是從反射層的側面注入電流，從而在電極與LED接觸面上形成一定的電勢梯度，從而抑制反射層中金屬離子在使用過程中由於電場作用發生的遷移，提高器件的穩定性能。同時作為注入電流的電極部分可以包含具有較高反射率但是又不易發生離子遷移的材料，從而增加整體的反射面積，提高出光效率。

2018年12月20日，《具有反射電極的發光裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《具有反射電極的發光裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：具有反射電極的發光裝置
• 公布號：CN102903817A
• 授權日：2013年1月30日
• 申請號：201210426841X
• 申請日：2012年10月31日
• 申請人：安徽三安光電有限公司
• 地址：安徽省蕪湖市經濟技術開發區東梁路8號
• 發明人：楊力勛、時軍朋、梁興華、鄭高林、鐘志白、黃少華、關傑夫
• Int.Cl.：H01L33/36(2010.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

發光二極體（LED）的核心基本結構包括p型半導體層、有源層（發光層）和n型半導體層。當LED受到正向偏壓的作用時，p區中的空穴向n區移動，n區中的電子向p區移動，電子和空穴在有源層複合。從理論上講，電子和空穴複合釋放出的能量絕大部分以光（輻射躍遷）的形式釋放出來。可以看出，LED可以直接將電能轉換成光能，因此具有能量轉換效率高、體積小等優點。同時由於LED中不含有有毒有害的物質，因此符合環保可持續發展的要求。由於LED具有低能耗、環保、小型化、壽命長等優點，其具有廣闊的市場發展前景。

發明內容

專利目的

《具有反射電極的發光裝置》提供了一種具有反射電極的發光裝置，其通過控制電極中的電流方向，從而在電極與半導體接觸面產生電勢梯度，以抑制金屬遷移的發生，提高LED的器件穩定性。

技術方案

根據《具有反射電極的發光裝置》的一個方面：一種發光裝置，包括：一種含有多個半導體層的半導體結構，並且在半導體層之間有發光層；至少一個含有反射層的電極，與前述半導體結構的至少一個半導體層有一接觸；當對所述發光裝置施加正向偏壓時，電流從反射層的側面流入反射層，使得所述電極與半導體層的接觸面產生電勢梯度，從而抑制電極中的金屬發生電遷移。

在《具有反射電極的發光裝置》的一些實施例中，所述電極還包含電流引導層，當施加正向偏壓時，電流通過反射層周圍的電流引導層流入反射層。所述電流引導層與半導體接觸面的電勢高於反射層與半導體接觸面的電勢。進一步地，所述電流引導層為多層結構，含有不發生電遷移的高發射率材料（如鋁）。

在《具有反射電極的發光裝置》的一些實施例中，所述電極的不參與導電作用部分的表面被絕緣材料覆蓋。

根據《具有反射電極的發光裝置》的第二個方面，一種發光裝置，包括：半導體結構，包括：P型半導體層、N型半導體層、以及P層和N層之間的發光層；一個電極，包括：電流注入層、電流引導層和反射層，所述電流引導層位於反射層外圍，且至少部分與反射層有一接觸面；當正嚮導通時，電流通過反射層周圍的電流引導層流入反射層，使得所述接觸面產生電勢梯度，從而抑制電極中的金屬發生電遷移。

具體地，所述電極包含3部分，分別為電流注入層、電流引導層和反射層。反射層和電流引導層至少有一部分與p型半導體接觸，反射層和電流引導層的側表面接觸。電流引導層至少有一部分表面與電流注入層接觸。當正嚮導通時，電流在電極中的流向為：從電流注入層到電流引導層再到反射層。因此，電流引導層的電勢高於反射層，這種電勢差會抑制反射層中金屬離子的遷移，提高器件的穩定性。

在《具有反射電極的發光裝置》的一些實施例中，電流引導層與反射層的側壁完全接觸，並且電流引導層上表面為平面。電流注入層與反射層相隔。電流注入層與電流引導層的部分上表面接觸，絕緣保護層分布於不需要電流導通的電極表面。

在《具有反射電極的發光裝置》的一些實施例中，電流引導層與反射層的側壁完全接觸，並且電流引導層的剖面具有一定的梯度。電流注入層與反射層相隔。電流注入層只與電流引導層中高度較低的部分接觸。絕緣保護層分布於不需要電流導通的電極表面。

在《具有反射電極的發光裝置》的一些實施例中，電流引導層與反射層的相鄰側表面靠近半導體層的部分被絕緣材料阻隔，其餘部分相互接觸。電流引導層的剖面具有一定的梯度。電流注入層與反射層相隔。電流注入層只與電流引導層中高度較低的部分接觸。絕緣保護層分布於不需要電流導通的電極表面。

在《具有反射電極的發光裝置》的一些實施例中，電流引導層由2層以上的材料組成，並且至少有一層含有反射率大於75%且不發生電遷移的材料。

前述電極結構可以通過下面製備方法獲得。

在《具有反射電極的發光裝置》的一個實施例中，先通過光刻和蒸鍍或者濺射的方法在p型半導體上表面沉積得到反射層。然後，通過光刻和蒸鍍或者濺射的方法在反射層側面沉積得到電流引導層，且二者至少部分接觸。再後，通過光刻和蒸鍍或者濺射的方法在電流引導層上表面沉積獲得電流注入層。

在《具有反射電極的發光裝置》的另一實施例中，先通過光刻和蒸鍍或者濺射的方法在反射層側面沉積得到電流引導層。然後，通過光刻和蒸鍍或者濺射的方法在p型半導體上表面沉積得到反射層，且反射層與引導層至少部分接觸。再後，通過光刻和蒸鍍或者濺射的方法在電流引導層上表面沉積獲得電流注入層。

在《具有反射電極的發光裝置》中，電流先進入電流注入層，然後經過電流引導層，最後到達反射層，確保了反射層電勢最低。反射層周圍的高電勢會抑制反射層中的陽離子向外遷移，從而提高了器件的穩定性。進一步地，電流引導層可以含有不發生電遷移且反射率>75%的材料來彌補這種反射層的面積損失。

附圖說明

圖1是一種公知的含有高反射率材料的p電極的LED晶片的局部剖面結構示意圖。

圖2是專利US6946685中提出的一種含有金屬遷移阻擋層（保護層）的p電極的LED晶片局部剖面結構示意圖。

圖3是依據《具有反射電極的發光裝置》的一實施例的LED的p面電極結構平面圖。

圖4是沿圖3的AA’線的局部剖面圖。

圖5是依據《具有反射電極的發光裝置》的另一實施例的LED晶片的局部剖面結構示意圖。

圖6是依據《具有反射電極的發光裝置》的另一實施例的LED晶片的局部剖面結構示意圖。

圖7是依據《具有反射電極的發光裝置》的電流引導部分34的一實施例的局部剖面結構示意圖。

圖8是依據《具有反射電極的發光裝置》的另一實施例的LED的p面電極結構平面圖。

圖9是沿圖8的AA’線的局部剖面圖。

圖10是依據《具有反射電極的發光裝置》的一種垂直結構LED晶片的剖面結構示意圖。

圖11是依據《具有反射電極的發光裝置》的一種倒裝結構的LED晶片的剖面結構示意圖。

符號說明：10，30：LED晶片；11、31、82、92：p型半導體層；12：p電極；12a：反射層；12b：鍵合層；12c：遷移阻擋層；32：電流注入層；33、36、84：絕緣層；34：電流引導層；35：反射層；72：第一金屬層；73：第二金屬層；83、93：有源層；84、94：n型半導體；85、95：襯底；96：n電極；97、98：圖形化金屬層。

技術領域

《具有反射電極的發光裝置》涉及一種半導體發光裝置，屬於半導體器件製造技術領域。

權利要求

1.一種發光裝置，包括：一種含有多個半導體層的半導體結構，並且在半導體層之間有發光層；至少一個含有反射層的電極，與前述半導體結構的至少一個半導體層有一接觸面；當對所述發光裝置施加正向偏壓時，電流僅從反射層的側面流入反射層，使得所述接觸面產生電勢梯度，從而抑制電極中的金屬向側面發生電遷移。

2.根據權利要求1所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電極還包含電流引導層，其僅與所述反射層的側面形成電性連線，當施加正向偏壓時，電流通過反射層周圍的電流引導層流入反射層。

3.根據權利要求2所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電流引導層與半導體接觸面的電勢高於反射層與半導體接觸面的電勢。

4.根據權利要求2所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電流引導層含有不發生電遷移的高反射率材料，其反射率>75%。

5.根據權利要求2所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電極的不參與導電作用部分的表面被絕緣材料覆蓋。

6.一種發光裝置，包括：半導體結構，包括：P型半導體層、N型半導體層、以及P層和N層之間的發光層；一個電極，包括：電流注入層、電流引導層和反射層，所述電流引導層位於反射層外圍，且至少部分與反射層有一接觸面，僅與所述反射層的側面形成電性連線；當正嚮導通時，電流通過反射層周圍的電流引導層流入反射層，使得所述接觸面產生電勢梯度，從而抑制電極中的金屬向側面發生電遷移。

7.根據權利要求6所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電流引導層和反射層至少一部分與所述半導體結構接觸，電流注入層與電流引導層接觸，但不與反射層接觸。

8.根據權利要求7所述的一種發光裝置，其特徵在於：當正嚮導通時，所述電極中電流依次流經電流注入層，電流引導層，反射層。

9.根據權利要求7所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電流引導層與半導體接觸面的電勢高於反射層與半導體接觸面的電勢。

10.根據權利要求6所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電流引導層由多層材料組成，其中至少含有一層鋁。

11.根據權利要求6所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電流引導層與反射層的相鄰側表面靠近半導體結構的部分被絕緣材料阻隔，其餘部分相互接觸。

12.根據權利要求6所述的一種發光裝置，其特徵在於：所述電流引導層與反射層的側壁完全接觸，並且電流引導層的剖面具有預設的梯度。

實施方式

在發光二極體中，有源層發出的光方向是隨機的，因此在實際器件中經常設計反射層來提高出光。圖1為一種含有高反射率p電極12的LED晶片10局部剖面結構示意圖。在這種結構中，p電極12與p型半導體11接觸，電極12至少包含一層含有高反射率金屬材料的反射層12a。反射層12a可以是一層高反射率金屬材料，或者由多層材料組成，也可以是合金材料。最常見的高反射率金屬材料為Ag和Al。另一層12B的作用是為了方便後期的打線或鍵合步驟，其材料可以是Cr、Pt、Au等。

從圖1可以看出，有源層（圖中省略）發出的光子hν入射到12a後被反射回去，因此提高了n面的出光。同時，12a還起到了電流擴展的作用，使得電流能夠擴展到整個p型半導體表面，改善了電流分布的均勻性，這種結構可以達到了提高出光效率的目的。但是從圖1中還可以看出，電極附近存在電勢梯度V1>V2，12a中的某些金屬材料可能會在電勢差的作用下會發生遷移，因此會降低整個LED晶片10的使用穩定性。舉例來說：當正嚮導通時，12a中的Ag會被部分氧化成Ag離子，在電場的作用下向低電勢方向移動，並在某個電勢較低的地方捕獲電子而被還原成Ag，這種現象被稱為Ag的電遷移。雖然這種電遷移是緩慢發生的，但是一旦少量的Ag穿過有源層遷移到n面上，整個LED晶片就會發生漏電甚至短路。因此，需要通過某些方法來抑制這種電遷移的發生，提高器件的使用壽命。

一種方法是在反射層覆蓋一層或多層阻擋層來阻擋Ag的遷移，如美國專利US6946685（圖2所示）。圖2中與圖1相同的部分採用相同的編號。圖2與圖1不同的地方在於在12a和12b之間加入了阻擋層12c。還有一種方法為美國專利US6794690中提到的，也是採用阻擋層來阻擋金屬的遷移，不同的是阻擋層為絕緣材料。

《具有反射電極的發光裝置》內容可經過下述實施例配合其相關圖示闡述而進行揭示。《具有反射電極的發光裝置》涉及到的LED的顏色，材料，及具體構造並無限制。

圖3顯示《具有反射電極的發光裝置》的第一實施例的平面圖。圖4為沿圖2的AA’線的剖面圖。圖4中省略了LED中的有源層、n型半導體層和部分p型半導體。首先通過第一次光刻在p型半導體31上表面獲得反射層35的圖案。然後在該圖案範圍，沉積一層厚度為500~10000埃格斯特朗的Ag或者含Ag的合金作為反射層35。再以第二次光刻獲得電流引導層34的圖案。在圖形範圍內沉積厚度為500~10000埃格斯特朗的Al或者含有Al的合金作為電流引導層34。再以第三次光刻獲得電流注入層32的圖案。在圖案範圍沉積一層厚度為500~5000埃格斯特朗的Au或者Au合金作為電流注入層。最後在34、35的上表面沉積一層厚度為500~5000埃格斯特朗的氮化矽作為絕緣保護層33。電流在電極中依次流經電流注入層32、電流引導層34、反射層35，確保34的電勢高於35。

圖5顯示《具有反射電極的發光裝置》的第二實施例的剖面圖。與第一實施例不同的是，通過光刻的方法使得電流引導層34具有一定的梯度，使得電流注入層32與p型半導體上表面更接近。相比於第一實施例，第二實施例中電流引導層下表面電勢更高。

圖6顯示《具有反射電極的發光裝置》的第三實施例的剖面圖。與第二實施例不同的是，第三實施例通過光刻的方法，在p型半導體上表面電流引導層34與反射層35接觸的位置，先沉積一層絕緣材料36，例如氮化矽、氧化矽、氮化鋁等。然後再進行反射層、電流引導層、電流注入層等的製作。由於p型半導體電阻較高，因此，在第三實施例中，絕緣材料36與p型半導體接觸的部分會形成一個電勢低谷，這個電勢低谷的電勢遠低於電流引導層34，因此抑制Ag遷移的效果更加明顯。

圖7顯示一種實施例中，電流引導層34的部分剖面圖。電流引導層34與p型半導體層接觸。電流引導層34含有不發生電遷移且反射率>75%的材料，包括兩層材料72、73。其中72為Al或者含有Al的合金，73為鍵合材料如Ti、Cr、Pt、Au等或金屬合金。

圖8顯示《具有反射電極的發光裝置》的第四實施例的平面圖。與第三實施例不同的是，第四實施例在電極外圍覆蓋一層絕緣保護層，其剖面圖如圖9所示。首先在p型半導體上表面電流引導層34與反射層35接觸的位置，沉積一層絕緣材料36，例如氮化矽、氧化矽、氮化鋁等；然後再進行反射層、電流引導層、電流注入層等的製作；最後在露出的p型半導體層、電流引導層34、反射層35的上表面沉積一層厚度為500-5000埃格斯特朗的氮化矽作為絕緣保護層33。如此可將電極保護層起來，防止電極被污染及漏電等。

圖10為使用《具有反射電極的發光裝置》第四實施例的垂直結構LED剖面圖。以藍寶石襯底外延生長GaN基發光裝置為例，首先在藍寶石襯底上外延生長發光半導體結構，其一般至上而下包括P-GaN層82、有源層83和N-Gan層84；接著按照第四實施例的方式在p-Gan層82上製作電極結構；然後將所述發光半導體結構通過鍵合工藝反轉連結在一散熱形導電襯底85上，並面背面製作背電極86；最後移除藍寶石襯底。

圖11為使用《具有反射電極的發光裝置》第四實施例的倒裝結構LED剖面圖。類似前述垂直結構的LED，在該實施例中，在形成發光半導體結構後，先在P-GaN層92上採用光罩定義發光台面，蝕刻部分P-GaN層92和有源層93，露出部分N-Gan層94；接著按照第四實施例的方式在p-Gan層82上製作p電極結構，並在露出的N-Gan層94表面上製作n電極96；然後將所述發光半導體結構通過鍵合工藝反轉連結在一散熱形襯底95上，其中p電極和n電極分別與襯底上的圖形化金屬層98和97連線。

榮譽表彰

2018年12月20日，《具有反射電極的發光裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。