CN113270526B - 发光二极管、发光装置及其投影仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管、发光装置及其投影仪，通过设置复数对第一电极和第二电极，依次分别与第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层电连接，为了提升较低载流子迁移率的半导体材料在大电流密度条件下的应用性能，需要做好电极分布的优化，在本发明中任意相邻第一电极之间的距离大于任意第一电极与其相邻的第二电极的距离，以实现优化电流分布，提供了更均匀热分布的发光二极管。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体地，涉及一种发光二极管。
背景技术
在一些应用市场中的芯片需求其电流密度越来越大，例如在微投影市场中的芯片应用中，蓝绿通道电流密度要5至6A/mm2，红光通道电流密度要求4至5A/mm2；例如一些产品中，蓝光通道使用两颗2.0mm2 超垂直芯片并联形成4.0mm2发光面，驱动电流高达20A。
例如2.0mm2水平垂直芯片的驱动电流在5A/mm2下为10A，即便是6A/mm2下也达到12A；在考虑到客户端驱动电流也将越来越大，对电源选型局限度也越来越大；市场已经推出水平垂直芯片结构，利用该芯片结构优势制成串联式的高压低电流光源方案。
随着电流密度持续升高，对芯片电流分布及封装热管理要求也变大，水平垂直芯片使用绝缘性衬底可以实现芯片级热电分离，为封装及整灯热沉设计提供友好的基础；对于电流分布部分，除了对via（蓝绿通道）、扩展条（P side up 红光通道）进行优化之外，对电极分布的位置，也有重大的影响，并且我们认为在大电流密度下及较低载流子迁移率的半导体材料中更需要做好电极分布的优化。
发明内容
为解决背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种发光二极管，包括：
第一导电类型半导体层、第二导电类型半导体层及位于两者之间的有源层；复数对第一电极和第二电极，依次分别与第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层电连接，复数对通常为两对或者偶数对；任意相邻第一电极之间的距离大于任意第一电极与其相邻的第二电极的距离，这里与第一电极相邻的第二电极指的是与第一电极最靠近的第二电极，由于电流追寻最小阻值路径的原理，电流主要通过最小阻值的路径穿过发光二极管，因此拉大相邻第一电极在芯片表面的距离，有利于优化电流注入点，分散增加电流注入点，减少电流的聚集，提升发光二极管电性能。
在本发明的一些实施例中，优选的，第一电极设置于发光二极管对称的两边缘，和/或第二电极设置于发光二极管对称的两边缘，将第一电极和/或第二电极设置在发光二极管的两侧，最大限度利用芯片的尺寸，减少电流的聚集。
在本发明的一些实施例中，优选的，为了简化键合和芯片工艺，第一电极至少通过第一电连接层与第一导电类型半导体层电连接，第一电连接层设置在第一导电类型半导体层底部，第一电连接层部分从第一导电类型半导体层底部露出，第一电极设置在露出的第一电连接层上，第二电极设置在第二导电类型半导体层上。在一些实施例中，可利用第一电连接层灵活设置第一电极的位置，有利于匹配多元的芯片结构和封装电路的打线设计。
在本发明的一些实施例中，优选的，第一电连接层至少部分位于第一导电类型半导体层的底部，且第一电连接层与第二电极位于有源层的两侧，即第一电连接层设置在有源层下方，而第二电极设置在有源层上方。例如在一些大电流的应用需求中，第一电连接层与第二电极关于有源区相对设置，有利于电流竖直穿越发光二极管，提升发光二极管功效。
在本发明的一些实施例中，可选的，第一导电类型半导体层或/和第二导电类型半导体层的载流子迁移率不高于500cm2/V·s，本发明设计特别适用于载流子迁移率低的半导体外延材料。
在本发明的一些实施例中，可选的，第一导电类型半导体层、第二导电类型半导体层及位于两者之间的有源层为砷化镓基，相对于氮化镓基半导体材料，砷化镓基的电流扩展能力更低。
在本发明的一些实施例中，可选的，第二导电类型半导体层和第二电极之间设置有透明电流扩展层，增加电流在发光二极管中的横向分布均匀性。
在本发明的一些实施例中，可选的，例如砷化镓基的发光二极管，第二导电类型半导体层和第二电极之间设置有掺杂磷化镓层，掺杂磷化镓层整面覆盖在第二导电类型半导体层。在该些实施例的一些实施方式中，第二电连接层为掺杂的磷化镓层，磷化镓层具有粗化表面，利于提升取光能力，提高外量子效率。
在本发明的一些实施例中，可选的，掺杂磷化镓层的载流子迁移率的不高于500cm2/V·s。
在本发明的一些实施例中，可选的，磷化镓的厚度为2至4μm，磷化镓的掺杂成分包括镁。
在本发明的一些实施例中，优选的，还包括导电衬底，第一电连接层位于导电衬底和第一导电类型半导体层之间，方便与封装电路板键合构成电连接。在该些实施例的一些实施方式中，第一电极位于第一电连接层下方与封装电路板键合构成电连接。
在本发明的一些实施例中，优选的，还包括绝缘性衬底，第一电连接层位于绝缘性衬底和第一导电类型半导体层之间，实现产品电热分离。
在本发明的一些实施例中，优选的，第一电极和第二电极指向同一侧，例如水平垂直结构或者倒装结构。
在本发明的一些实施例中，优选的，发光二极管的驱动电流大于8A，更准确的说是在大驱动电流密度的应用中，例如发光二极管的电流密度大于3A/mm2，本发明的结构具有更好的可靠性。
在本发明的一些实施例中，优选的，发光二极管的芯片面积为1至3mm2，面积越大，电流密度越低，然而电流横向扩展能力要求越高。
在本发明的一些实施例中，优选的，相邻第一电极之间的距离为所述第一电极与其相邻的第二电极的距离10至20倍，或者20倍以上。
在本发明的一些实施例中，优选的，发光二极管为矩形，矩形包括长边和短边，相邻第一电极的距离大于芯片长边长度的50%，充分利用芯片尺寸，降低电热聚集。
在本发明的一些实施例中，优选的，第一电极和第二电极的材料包括：金、锡、铂、钛、铬、铝或者镍。
在本发明的一些实施例中，优选的，第一电极和第二电极为矩形，第一电极和第二电极的宽度为30至80μm。
在本发明的一些实施例中，优选的，第一电极和第二电极的长度为宽度的4至8倍。
在本发明的发光装置中，包括复数颗上述的发光二极管，发光二极管之间彼此串联连接。
在本发明的投影仪中，具有电源和支架，包括上述的发光二极管，在投影仪工作时，电源向发光二极管提供电流。
本发明的有益效果，至少包括：
主要用于制作红光的砷化镓外延产品上，设计在高电流密度下，降低电压，亮度提升，光电转换效率提升，并且提升了饱和电流；另外，辐射波长红移程度随电流密度上升也发生了细微差异，这也支持电极分布优化对整个电流分布的改善，以及提供更均匀的热分布；同时在用于制作蓝光的氮化镓外延产品上，进行了同样的验证。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为现有的1P1N电极布局设计的发光二极管俯视示意图；
图2为现有的1P1N电极布局设计的发光二极管剖视示意图；
图3为实施例1的2P2N电极布局设计的发光二极管俯视示意图；
图4为实施例1的2P2N电极布局设计的发光二极管剖视示意图；
图5为实施例2的2P2N电极布局设计的发光二极管剖视示意图；
图6至图8为实施例2的1P1N和2P2N电极布局设计的发光二极管测试数据对比图；
图9为实施例3的1P1N和2P2N电极布局设计的发光二极管测试数据对比图；
图10和图11为实施例4的2P2N电极布局设计的串联发光二极管俯视示意图；
图12为实施例5的2P2N电极布局设计的发光二极管俯视示意图；
图13为实施例6的2P2N电极布局设计的发光二极管俯视示意图。
附图标号说明：
111：第一电极；112：第二电极；121：第一导电类型半导体层；122：第二导电类型半导体层；123：有源层；131：第一平台；132：第二平台；141：第一电连接层；142：第二电连接层；150：衬底；210：焊线；220：电路板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书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发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明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。
参看图1和图2，提供了现有技术中的发光二极管，图2为图1中的A-B方向的剖面示意图，采用一对N型的第一电极111和P型的第二电极112（1P1N设计）的电极布局，发光二极管具有N型的第一导电类型半导体层121、P型的第二导电类型半导体层122和位于两者之间用于提供光电复合的有源层123，由N型表面构成的第一平台131和由P型表面构成第二平台132分别提供N型电连接和P型电连接。
N型表面的第一电极111通过第一电连接层141与第一导电类型半导体层121的底部电连接，第一电连接层141至少部分或者全部覆盖第一导电类型半导体层121的底部，第一电连接层141设置于第一导电类型半导体层121和衬底150之间，第一平台131包括部分从第一导电类型半导体层121露出的第一电连接层141，第一电极111制作在第一电连接层141的露出部分上。
在一些芯片工艺制作过程中，在生长衬底上气相沉积依次生长半导体层序列后，可通过剥离生长衬底，在第一导电类型半导体层121制作第一电连接层141后，通过第一电连接层141与衬底150键合的方式，构建与衬底150固定连接。
第二电极112设置在第二平台132上，在一些实施例中，第二电极112与第二导电类型半导体层122之间可设置第二电连接层142，第二电连接层142可以包括金属扩展层、透明电流扩展层或者掺杂半导体层，第二电极112和第一电连接层141分别设置在半导体层序列的两侧，电流从第二电极112垂直注入半导体层序列，从半导体层序列流向第一电连接层141，图中箭头为电流的示意方向，第二电极112下方具有较高的电流密度，容易造成局部积热问题和亮度降低。
实施例一
参看图3和图4，图4为图3中C-D方向的剖面示意图，在本发明的第一个实施例中，提供了一种发光二极管，采用两对N型的第一电极111和P型的第二电极112，采用2P2N的电极布局设计，发光二极管具有N型的第一导电类型半导体层121、P型的第二导电类型半导体层122和位于两者之间用于提供光电复合的有源层123，第一电极111与第一导电类型半导体层121电连接，第二电极112与第二导电类型半导体层122电连接，由N型表面构成的第一平台131和由P型表面构成第二平台132分别提供N型电连接和P型电连接，其中本实施例中两个第一电极111对应设置两个第一平台131，两个第二电极112设置在第二平台132上，两个第一平台131以及两个第二电极112均设置在发光二极管芯片的两侧，发光二极管芯片面积为1至3mm2，主要是指第二平台的尺寸为1至3mm2。
在一些实施方式中，也可以设计复数对第一电极111和第二电极112，第一电极111设置于发光二极管对称的两边，和/或第二电极112设置于发光二极管对称的两边。
第一电极111和第二电极112设计为矩形，宽度为30至80μm，设计长度为宽度的4至8倍。
N型表面的第一电极111通过第一电连接层141与第一导电类型半导体层121的底部电连接，第一电连接层141至少部分或者全部覆盖第一导电类型半导体层121的底部，第一电连接层141设置于第一导电类型半导体层121和衬底150之间，第一平台131包括部分从第一导电类型半导体层121露出的第一电连接层141，第一电极111制作在第一电连接层141的露出部分上，第一电极111和第二电极112指向同一侧，主要为水平结构设计。
在一些芯片工艺制作过程中，在生长衬底上气相沉积依次生长半导体层序列后，可通过激光或者蚀刻方式剥离生长衬底，在第一导电类型半导体层121制作第一电连接层141后，通过第一电连接层141与衬底150键合的方式，构建与衬底150固定连接。
在本实施例中，任意相邻第一电极111之间的距离大于任意第一电极111与其相邻的第二电极112的距离。在一些实施方式中，第一电极111和第二电极112的间距L1为30至50μm，第一电极111和第一电极112的间距L2设置在300μm以上，本实施例为1500μm左右，推荐至少设置L2为L1的10倍以上，通过控制电极之间的相对间距来调整电流分布。
图中箭头方向为优化后电流的流向分布示意图，电流从第二电极112注入发光二极管，而发光二极管为矩形，矩形包括长边和短边，当外延材料的横向电流扩展能力低时，电流主要集中在第二电极112下方，优选的，相邻第一电极111的距离大于芯片长边长度的50%，第一电极111和第二电极112的材料包括：金、锡、铂、钛、铬、铝或者镍。
在大电流应用中，由于本实施例的第二电极112之间尽可能在第一平台131上彼此远离，结合第一电极111的对应设计，将电流横向分散在第一平台131上，降低电流聚集，提升产品光电性能。
实施例二
参看图5，在本实施例中，提供了一种砷化镓基发光二极管，第一导电类型半导体层121、第二导电类型半导体层122及位于两者之间的有源层123为砷化镓基材料，整体芯片结构与第一个实施例相近。
在本实施例中，砷化镓材料的载流子迁移率的通常不高于500cm2/V·s，由于砷化镓材料的载流子迁移率较低，这里较低主要是跟氮化镓材料比较，电流在半导体层序列中的横向扩展能力差，因此在第二导电类型半导体层121与第二电极112之间设置第二电连接层142，第二电连接层142的材料可以是金属或者是透明导电材料，也可以是掺杂半导体材料，例如，第二导电类型半导体层122和第二电极112之间设置有整面粗化的掺杂磷化镓层，粗化面与发光二极管出光面为一侧，提升光萃取效率，掺杂磷化镓层做第二电连接层142，磷化镓的掺杂成分包括镁，第二电连接层142的厚度为2至4μm。
参看图6至图8，根据本实施例，对比红光P 面向上的1P1N设计和2P2N设计，结果发现，在同样外延工艺条件下，从整体上看，光电效率提升、工作电压降低，2P2N设计在500A/cm2以下，即5A/mm2以下，发光二极管的芯片面积为2mm2，工作电压Vf降低0.4V，亮度提升0.5W，WPE光电效率提升24%，并且提升了芯片的饱和电流，提升了芯片在大电流条件下的可靠性。
另外，辐射波长红移程度随电流密度上升也发生了细微差异，这也支持2P2N电极优化对整个电流分布的改善，电流分流从两个第二电极111注入半导体层发光序列，该产品结构提供了更均匀的热分布。
实施例三
参看图9，将本发明的构思运用在氮化镓基半导体材料的发光二极管上进行了同样的设计，由于2P2N的设计构思，改善电流路径，存在WPE光电效率的提升，基于砷化镓的载流子迁移率低于氮化镓，整体相对于1P1N电极分布设计的改善提升幅度不如砷化镓基大。
实施例四
参看图10，为满足一些高压或者串联产品的封装设计，提供了一种发光装置，发光装置具有复数颗通过打线相连的发光二极管，发光二极管采用是实施例1至实施例3的任意一种结构，由于本发明设计的电极布局结构设计中第一电极111和第二电极112分别位于发光二极管的两边，更有利于封装器件中的芯粒依次打线连接，简化发光装置的电路设计，缩短打线距离。
参看图11，在本实施例的一些实施方式中，第一电极111和第二电极112设计为矩形，宽度为30至80μm，长度为宽度的4至8倍，方便设计成单个电极多根焊线210的设计，应用在大电流的条件下，例如电流大于3A时，设置多焊线分流。
具体来说，在本实施例中提供了一种发光装置，发光装置中串联连接有两颗发光二极管，其中第一电极111和第二电极112均通过多根焊线210与电路板220连接。其中电极长度越长，可供连接焊线210的区域越大，而在本实施例中优选为每个电极与电路板220之间连接4根焊线210，利用4根焊线设计分流输入电流。
在一些实施例中，也可以参考本实施例，通过改变电极打线连接的方式，实现复数颗发光二极管的并联连接。
实施例五
参看图12，在本实施例的一些实施方式中，提供一种发光二极管，将两对第一电极111和第二电极112关于芯粒对角设置，第一电极111设置在第一平台131上，第一平台131表面包括露出的第一电连接层141，第二电极112设置在第二平台132上，第一电极111之间的距离大于第一电极111与其相邻的第二电极112的距离。
实施例六
参看图13，在本实施例的一些实施方式中，通过移除部分半导体材料，在芯粒正表面的一侧间隔设置的第一平台131，将两对第一电极111和第二电极112交替设置在芯粒的一侧，适合运用与特定出出光需求的应用中，第一电极111之间的距离大于第一电极111与其相邻的第二电极112的距离。
实施例七
提供一种投影仪，包括电源、作为支撑的支架和第一个实施例至第六个实施例中的发光器件，通过电源向发光器件注入电流，支架例如投影仪的盒体或者其他框架结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (24)
1.一种发光二极管，包括：
第一导电类型半导体层、第二导电类型半导体层及位于两者之间的有源层；
复数对第一电极和第二电极，依次分别与第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层电连接；
其特征在于：任意相邻第一电极之间的距离大于任意第一电极与其相邻的第二电极的距离，还包括绝缘性衬底，第一电连接层位于绝缘性衬底和第一导电类型半导体层之间。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：复数对第一电极设置于发光二极管对称的两边，和/或复数对第二电极设置于发光二极管对称的两边。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一电极至少通过第一电连接层与第一导电类型半导体层电连接，第一电连接层设置在第一导电类型半导体层底部，第一电连接层部分从第一导电类型半导体层底部露出，第一电极设置在露出的第一电连接层上，第二电极设置在第二导电类型半导体层上。
4.根据权利要求3所述的一种发光二极管，其特征在于：第一电连接层至少部分位于第一导电类型半导体层的底部，且第一电连接层与第二电极关于有源层对称设置。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一导电类型半导体层或/和第二导电类型半导体层的载流子迁移率不高于500cm2/V·s。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一导电类型半导体层、第二导电类型半导体层及位于两者之间的有源层为砷化镓基。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第二导电类型半导体层和第二电极之间设置有第二电连接层。
8.根据权利要求7所述的一种发光二极管，其特征在于：第二电连接层为透明电流扩展层。
9.根据权利要求7所述的一种发光二极管，其特征在于：第二电连接层为掺杂的磷化镓层，磷化镓层具有粗化表面。
10.根据权利要求9所述的一种发光二极管，其特征在于：所述掺杂的磷化镓层的载流子迁移率不高于500cm2/V·s。
11.根据权利要求9所述的一种发光二极管，其特征在于：磷化镓的厚度为2至4μm，掺杂成分包括镁。
12.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一电极和第二电极指向同一侧。
13.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：发光二极管的电流密度大于3A/mm2。
14.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：发光二极管的芯片面积为1至3mm2。
15.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：相邻第一电极之间的距离为所述第一电极与其相邻的第二电极的距离10至20倍，或者20倍以上。
16.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：发光二极管为矩形，矩形包括长边和短边，相邻第一电极的距离大于芯片长边长度的50%。
17.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一电极和第二电极的材料包括：金、锡、铂、钛、铬、铝或者镍。
18.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一电极和第二电极为矩形，第一电极和第二电极的宽度为100至150μm。
19.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一电极和第二电极为矩形，第一电极和第二电极的长度为宽度的4至8倍。
20.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述复数对为偶数对。
21.一种发光装置，具有电路板，其特征在于，包括设置在电路板上的权利要求1至权利要求20中任意一项所述的发光二极管，发光二极管与电路板电连接。
22.根据权利要求21所述的一种发光装置，其特征在于，装置包括单颗或者复数颗发光二极管。
23.根据权利要求21所述的一种发光装置，其特征在于，发光二极管为复数颗，发光二极管之间采用串联或者并联连接。
24.一种投影仪，具有电源和支架，其特征在于：包括权利要求1至权利要求20中任意一项所述的发光二极管。
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