CN101222015A - 发光二极管、具有其的封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发光二极管。该发光二极管包括：衬底；形成于衬底的正面上的n型半导体材料层；形成于n型半导体材料层上的发光层；形成于发光层上的p型半导体材料层；保护层，覆盖p型半导体材料层；穿透保护层形成于p型半导体材料层上的阳极；以及围绕n型半导体材料层形成并与之电接触的阴极。本发明还提供了具有该发光二极管的封装结构及该发光二极管的制造方法。根据本发明的发光二极管的发光效率增加了50％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管、具有该发光二极管的封装结构及该发光二极管的制造方法，尤其涉及一种采用环形阴极的发光二极管，具有该发光二极管的封装结构及该发光二极管的制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子(电子-空穴对)在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，沟道区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射。
一般而言，传统的发光二极管(LED)的制造方法是在衬底上外延生长包括n型半导体材料层、发光层和p型半导体材料层的层叠结构。随着发光二极管发射的光的波长不同，发光二极管所采用的材料和结构也不同。例如，对于发射蓝光和绿光二极管，通常采用蓝宝石作为衬底，而采用氮化镓铟外延结构作为层叠结构。由于蓝宝石衬底为绝缘衬底，所以发光二极管的阴极和阳极均设置在正面。因此电极占据了发光二极管芯片中相当大的面积，容易引起发光二极管中扩散电流的分布不均匀。并且由于电极的对于发光二极管发射的光的吸收作用而导致发光二极管的亮度降低。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供一种改善发光二极管的扩散电流的发光二极管。
本发明的另一方面是提供一种具有增加的亮度的发光二极管。
本发明还提供了具有上述发光二极管的封装结构和上述发光二极管的制造方法。
根据本发明的一方面，提供了一种发光二极管。该发光二极管包括：衬底；形成于衬底的正面上的n型半导体材料层；形成于n型半导体材料层上的发光层；形成于发光层上的p型半导体材料层；形成于p型半导体材料层上的阳极；以及沿n型半导体材料层边缘形成并与n型半导体材料层电接触的阴极。
优选地，根据本发明的发光二极管还包括形成于p型半导体材料层上的保护层，所述阳极穿透所述保护层与p型半导体层材料层接触。
优选地，根据本发明的发光二极管还包括形成于p型半导体材料层和阳极之间覆盖P型半导体材料层的透明电极层，保护层覆盖透明电极层。
优选地，透明电极层的厚度为发光二极管发射的光的波长的四分之一。透明电极层的材料例如选自ITO、RuO2、NiO2、ZnO或其组合。
优选地，阴极由不吸收光的反射性金属或金属氧化物制成。阴极的材料例如选自Cr、Al、Ag、Au、Ti、ITO、ZnO、RuO2或其组合。
优选地，阴极形成于n型半导体材料层的周边部分上。阴极形成于其上的n型半导体材料层的周边部分的可以厚度小于n型半导体材料层的其他部分，从而增加电极的厚度。或者，阴极可以形成于衬底上且接触n型半导体层的侧面。阴极和阳极的厚度优选为2微米以上。
衬底的材料例如选自硅、蓝宝石、SiC、ZnO、GaN。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括发光二极管的发光二极管封装结构。该发光二极管包括：衬底；形成于衬底的正面上的n型半导体材料层；形成于n型半导体材料层上的发光层；形成于发光层上的p型半导体材料层；形成于p型半导体材料层上的阳极；以及沿n型半导体材料层边缘形成并与n型半导体材料层电接触的阴极。该发光二极管封装结构还包括形成于阳极上的焊线；以及形成于衬底的背面上的背镀金属层或导电胶，所述背镀金属层或导电胶接触n型半导体层和阴极。焊线和背镀金属层和导电胶分别电连接至导电支架，导电支架用于与外部电路连接。
优选地，背镀金属层或导电胶与阴极形成为一体。
根据本发明的又一方面，提供了一种发光二极管的制造方法。所述方法包括：制备衬底；在衬底的正面上依次生长n型半导体层，发光层和p型半导体层的叠层结构；使用刻蚀方法，移除上述叠层结构的周边部分，直至暴露n型半导体层的周边部分；形成保护层以覆盖上述的叠层结构并暴露n型半导体材料层的周边部分；在n型半导体材料层的周边部分上形成呈环状的阴极；和在p型半导体层上形成穿透保护层的阳极。
根据本发明，由于发光二极管的阴极围沿n型半导体层形成，因此使得电流更均匀地分布在发光表面。而且由于阴极由不吸收光的反射性金属制成，减小了光吸收。因为发光二极管阴极和阳极的厚度增加，可以增加发光二极管的电流以增加亮度并使得电流的分布更加均匀。
附图说明
图1为根据本发明的一实施例的发光二极管的剖面示意图；
图2为根据本发明的另一实施例的发光二极管的剖面示意图；
图3为根据本发明的又一实施例的发光二极管的剖面示意图；
图4A至4E为显示根据本发明的实施例的发光二极管的制造方法的步骤的剖面示意图；
图5为根据本发明的一实施例的发光二极管的封装结构的示意图；
图6为根据本发明的一实施例的发光二极管的封装结构的示意图；
图7为根据本发明的一实施例的发光二极管的封装结构的示意图；以及
图8为根据本发明发光二极管的正面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和2所示，根据本发明的一实施例的发光二极管包括衬底8、形成于衬底8上的n型半导体材料层7、形成于n型半导体材料层7上的发光层6和形成于发光层6上的p型半导体材料层5。由p型半导体材料层5、发光层6和n型半导体层7构成的叠层结构可以由例如氮化镓材料的半导体材料形成。该发光二极管还可以包括形成于p型半导体材料层5上覆盖p型半导体材料层5的透明电极层3。透明电极层3优选由选自ITO、RuO2、NiO2、ZnO或其组合的金属氧化物制成。透明电极层3的厚度优选为发光二极管发射的光的波长的四分之一。阳极1形成于透明电极层3的中心部分上，例如呈柱状。值得注意的是，透明电极层3可以增加发光二极管的电流分布的均匀性，然而对于发光二极管而言透明电极层3并不是必须的。阳极1也可以直接形成于p型半导体层5上。
阴极4沿n型半导体材料层边缘形成并与n型半导体材料层电接触。阴极4可以形成于n型半导体层7的周边部分上，如图1所示。本发明阴极4的端面形状如图8所示，其可为圆环、椭圆环、多边形环或由直线和曲线组合成的封闭形环状；阴极4的任意横截面形状与其端面形状一致。n型半导体层7的周边部分的厚度可以小于其他部分的厚度，从而形成台阶状。而阴极4则形成于较低的n型半导体层7上，从而增加阴极4的厚度，如图2所示。或者，阴极4可以形成于衬底8上而接触n型半导体层7的侧面，如图3所示。阴极4优选由不吸收光的反射性金属或金属氧化物制成以减小阴极的光吸收。例如，阴极4的材料选自Cr、Al、Ag、Au、Ti、ITO、ZnO、RuO2及其组合。阴极4和阳极1的厚度优选为2微米以上。在n型半导体层7和阴极4之间以及在p型半导体层5和阳极1之间形成有欧姆接触层。
保护层2覆盖透明电极层3并将阴极4与透明电极层3隔开，以防止阴极4与透明电极层3接触而导致漏电失效。保护层2由绝缘材料形成，例如SiO2、Si3N4、SiNO、TiO2、SOG等。
由于发光二极管的阴极4为环状结构，使得电流更均匀地分布在发光表面。而且通过蚀刻层叠结构的周边部分而使得阴极4形成于厚度减小的n型半导体层7上，增加了电极的厚度，从而增加了电流并改善了电流分布的均匀性。而且阴极4由不吸收光的反射性材料制成，减小了光吸收和使得发光亮度增加。
现将参考图4A至4E描述根据本发明的一实施例的发光二极管的制造方法。首先，制备衬底8。衬底的材料选自硅、蓝宝石、SiC、ZnO、GaN等，其厚度不大于100微米并不小于5微米。然后在衬底8的正面上依次生长n型半导体层7，发光层6和p型半导体层5的叠层结构，如图4A所示。该叠层结构可以由例如氮化镓材料的半导体材料通过外延生长方法形成。接着，如图4B1所示，使用刻蚀方法，移除上述叠层结构的周边部分，直至n型半导体层7的周边部分被暴露。n型半导体层7可以被进一步蚀刻使得n型半导体材料层7的周边部分的厚度小于中心部分的厚度，例如形成台阶状，如图4B2所示。然后例如利用掩模和镀膜的方法在p型半导体材料层5上形成透明电极层3，如图4C所示。形成保护层2以覆盖透明电极层3和上述的层叠结构，仅暴露n性半导体层7的周边部分，如图4D所示。然后利用镀覆方法，在n型半导体材料层的周围形成阴极4并在透明电极3的中心部分上形成穿透保护层2并与之接触的阳极1，如图4E所示。阳极1和阴极4可以同时或先后形成。而且如上所述，也可以省略透明电极层3。阴极4和阳极1的厚度优选为2微米以上。
将上述形成的发光二极管的衬底8减薄后，进行切割捡晶后，利用背镀金属或固晶导电胶9接触n型半导体层7和阴极4，并在阳极1上形成焊线10，从而形成如图4所示的封装结构。优选地，可以将背镀金属或固晶导电胶9与阴极4一体形成，从而进一步简化工艺步骤。然后，将焊线10和背镀金属或固晶导电胶9分别电连接至导线支架12，并在套帽11中灌入环氧树脂，从而形成发光二极管封装结构，如图5所示。
由于本发明的发光二极管的阴极围绕n型半导体层形成，因此使得电流更均匀地分布在发光表面。而且由于阴极由不吸收光的反射性金属制成，减小了光吸收。另外，因为发光二极管阴极和阳极的厚度增加，可以增加发光二极管的电流以增加亮度并使得电流的分布更加均匀。与传统相同尺寸的发光二极管相比，本发明的二极管的发光效率增加了50％以上。
本发明可以应用于高亮度发光二极管。
Claims (35)
1.一种发光二极管，包括：
衬底；
形成于衬底的正面上的n型半导体材料层；
形成于n型半导体材料层上的发光层；
形成于发光层上的p型半导体材料层；
形成于p型半导体材料层上的阳极；以及
沿n型半导体材料层边缘形成并与n型半导体材料层电接触的阴极。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，还包括形成于p型半导体材料层上的保护层，所述阳极穿透所述保护层与p型半导体层材料层接触。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，还包括形成于p型半导体材料层和阳极之间覆盖P型半导体材料层的透明电极层，保护层覆盖透明电极层。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其中透明电极层的厚度为发光二极管发射的光的波长的四分之一。
5.根据权利要求3或4所述的发光二极管，其中透明电极层的材料选自ITO、RuO2、NiO2、ZnO或其组合。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其中阴极横截面的形状为圆环、椭圆环、多边形环或由直线和曲线组合成的封闭形环。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其中阴极由不吸收光的反射性金属或金属氧化物制成。
8.根据权利要求1、2、3、4、6或7所述的发光二极管，其中阴极的材料选自Cr、Al、Ag、Au、Ti、ITO、ZnO、RuO2或其组合。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其中阴极形成于n型半导体材料层的周边部分上。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其中阴极形成于其上的n型半导体材料层的周边部分的厚度小于n型半导体材料层的其他部分的厚度。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其中阴极形成于衬底上且接触n型半导体层的侧面。
12.根据权利要求1、2、3、9、10或11所述的发光二极管，其中阴极和阳极的厚度为2微米以上。
13.根据权利要求1、2、3、9、10或11所述的发光二极管，其中在n型半导体层和阴极之间以及在p型半导体层和阳极之间形成有欧姆接触层。
14.根据权利要求1所述的发光二极管，其中衬底的材料选自硅、蓝宝石、SiC、ZnO、GaN。
15.根据权利要求1所述的发光二极管，其中该发光二极管为高亮度发光二极管。
16.一种发光二极管封装结构，包括：
发光二极管，包括：
衬底；
形成于衬底的正面上的n型半导体材料层；
形成于n型半导体材料层上的发光层；
形成于发光层上的p型半导体材料层；
形成于p型半导体材料层上的阳极；以及
沿n型半导体材料层边缘形成并与n型半导体材料层电接触的阴极；
形成于阳极上的焊线；以及
形成于衬底的背面上的背镀金属层或导电胶，所述背镀金属层或导电胶接触n型半导体层和阴极，
其中焊线和背镀金属层和导电胶分别电连接至导电支架，导电支架用于与外部电路连接。
17.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，还包括形成于p型半导体材料层上的保护层，所述阳极穿透所述保护层与p型半导体层材料层接触。
18.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，还包括形成于p型半导体材料层和阳极之间的覆盖p型半导体材料层的透明电极层，保护层覆盖透明电极层。
19.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，其中透明电极层的厚度为发光二极管发射的光的波长的四分之一。
20.根据权利要求18或19所述的发光二极管封装结构，其中透明电极层的材料选自ITO、RuO2、NiO2、ZnO或其组合。
21.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，其中阴极横截面的形状为圆环、椭圆环，多边形环或由直线和曲线组合成的封闭形环状。
22.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，其中阴极由不吸收光的反射性金属或金属氧化物制成。
23.根据权利要求16、17、18、21或22所述的发光二极管封装结构，其中阴极的材料选自Cr、Al、Ag、Au、Ti、ITO、ZnO、RuO2及其组合。
24.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，其中阴极形成于n型半导体材料层的周边部分上。
25.根据权利要求24所述的发光二极管封装结构，其中阴极形成于其上的n型半导体材料层的周边部分的厚度小于n型半导体材料层的其他部分的厚度。
26.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，其中阴极形成于衬底上且接触n型半导体层的侧面。
27.根据权利要求26所述的发光二极管封装结构，其中背镀金属层或导电胶与阴极形成为一体。
28.根据权利要求16、17、18、24、25或26所述的发光二极管封装结构，其中阴极和阳极的厚度为2微米以上。
29.根据权利要求16、17、18、24、25或26所述的发光二极管封装结构，其中在n型半导体层和阴极之间以及在p型半导体层和阳极之间形成有欧姆接触层。
30.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，其中衬底的材料选自硅、蓝宝石、SiC、ZnO、GaN。
31.根据权利要求16所述的发光二极管封装结构，其中该发光二极管为高亮度发光二极管。
32.一种发光二极管的制造方法，包括：
制备衬底；
在衬底的正面上依次生长n型半导体层，发光层和p型半导体层的叠层结构；
使用刻蚀方法，移除上述叠层结构的周边部分，直至暴露n型半导体层的周边部分；
在n型半导体材料层的周边部分上形成阴极；和
在p型半导体层上形成阳极。
33.根据权利要求32所述的发光二极管的制造方法，还包括在形成阴极和阳极之前，形成保护层以覆盖叠层结构并暴露n型半导体材料层的周边部分。
34.根据权利要求32所述的发光二极管的制造方法，还包括在p型半导体材料层和阳极之间形成覆盖p型半导体材料层的透明电极层。
35.根据权利要求32所述的发光二极管的制造方法，其中n型半导体材料层的周边部分的厚度小于其他部分的厚度。
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