CN102074629B - 具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，包括蓝宝石衬底及在其上外延有由n-GaN层、有源层和p-GaN层构成的发光外延层；第一透明导电氧化物层形成于p-GaN之上；透明绝缘层定位于第一透明导电氧化物层上且相对其内缩1～50微米；第二透明导电氧化物层覆盖透明绝缘层并且相对其向外扩展与第一透明导电氧化物层电学连接；p电极与第二透明导电氧化物层连接；n电极与n-GaN层连接。透明绝缘层的“内缩”定位，使第一透明导电氧化物层中的电流传输方式为“由外向内”具有一定电阻的横向传输，因此电流注入更多地分布于芯片的外环区域并使该区域的发光远大于芯片中央区域，芯片外环区域的光子侧面取出概率较高，取光效率得已提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基发光二极管，特别一种具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管。
背景技术
目前氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）已广泛应用于手机按键、指示、显示、背光源以及照明等领域。传统的氮化镓基发光二极管芯片采用的是双电极水平式分布的正装结构，其基本结构是在发光外延层之上制作一透明电极作为欧姆接触层和电流扩展层；然后，在透明电极上面布置金属电极（p电极）用于焊线。然而，金属电极的存在会造成有源层中发出的光被遮挡和吸收，从而降低发光二极管芯片的出光效率。
为了避免上述问题，必须抑制或者减少金属电极下方有源层载流子输运及其复合发光。现有技术的解决方案之一是在芯片结构中引入一电流阻挡结构，例如在透明电极与p型氮化镓基外延层之间***一绝缘层，并且使得绝缘层区域在芯片轴向上包含p电极区域。如附图1所示，采用现有技术的具有电流阻挡结构的氮化镓基发光二极管，包括：蓝宝石衬底100、缓冲层101、n-GaN层102、多量子阱有源层103、p-GaN层104、ITO层（透明电极）200、绝缘层201、p电极210和n电极220。其中，最底层为蓝宝石衬底100；缓冲层101形成于蓝宝石衬底100之上；n-GaN层102形成于缓冲层101之上；多量子阱有源层103形成于n-GaN层102之上；p-GaN层104形成于多量子阱有源层103之上；SiO2层201形成于p-GaN层104的部分区域之上；ITO层200形成于p-GaN层104的另一部分区域以及SiO2层201之上； p电极210形成于ITO层200之上，且p电极210在轴向上包含于SiO2层201之内；n电极220形成于n-GaN层102之上。
上述现有电流阻挡结构的氮化镓基发光二极管可通过抑制p电极210下方有源层103中的电流注入和发光，有效地解决金属电极的吸光问题。然而，该结构会使得电流注入和复合发光大部分集中于SiO2层201***局部区域，而SiO2层（电流阻挡结构）的位置通常处于芯片中央区域，也就是该结构会使得电流注入和发光集中于芯片靠近中央的局部区域。附图2定性地描述了现有技术具有电流阻挡结构的氮化镓基发光二极管的电流分布状况。就出光而言，芯片的出光面包括正面、背面和侧面，侧面出光占据一定的出光比例，而对于光子来说，其所发自的有源层位置不同，对应的侧面出光概率就不同，芯片中靠近中央的局部区域，因光子在内部多次反射过程中被吸收的概率较高，导致侧面出光的概率降低；而芯片中远离中央的外环区域，光子从侧面取出的概率较高。所以依照现有技术生产的具有电流阻挡结构的氮化镓基发光二极管，因其中电流的分布较多的集中于芯片靠近中央的局部区域从而导致侧面出光概率降低，最终影响发光二极管的取光效率。
发明内容
为提高上述具有电流阻挡结构的氮化镓基发光二极管的取光效率，本发明旨在提出一种具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管。
为达上述目的，本发明提出一种具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，其包括：蓝宝石衬底；在蓝宝石衬底之上依次层叠有由n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层构成的发光外延层；第一透明导电氧化物层形成于p型GaN基外延层之上；透明绝缘层形成于第一透明导电氧化物层之上，并且透明绝缘层覆盖区域相对于第一透明导电氧化物层向内缩进，并且内缩尺度为1～50微米；第二透明导电氧化物层形成于透明绝缘层之上，并且第二透明导电氧化物层覆盖区域相对于透明绝缘层向外扩展且与第一透明导电氧化物层形成电学连接；p电极形成于第二透明导电氧化物层之上；n电极形成于n型GaN基外延层之上。
所述的第一透明导电氧化物层选用氧化铟、氧化锡、氧化铟锡、氧化锌中的至少一种材料制备。
所述的透明绝缘层选用氧化硅、氧化钛、氮化硅、氧化铝、氟化镁、SOG、Polymer中的至少一种材料制备。
所述的透明绝缘层的制备材料为氮化硅；目前常用的透明导电氧化物层材料的折射率一半在1.8～2.0，基于折射率匹配方面考虑，本发明优先采用折射率最佳的氮化硅（折射率约1.9）材料制备透明绝缘层。
所述的透明绝缘层相对于第一透明导电氧化物层的内缩尺寸小于20微米。
所述的p电极处于第二透明导电氧化物层的中央局部区域。
本发明创新地采用了一“透明导电氧化物层∕透明绝缘层∕透明导电氧化物层”组合夹心式的电流阻挡结构。第一透明导电氧化物层的作用在于与p型GaN基外延层形成欧姆接触；第二透明导电氧化物层的作用在于电学连接第一透明导电氧化物层和p电极；透明绝缘层的作用在于隔离第一透明导电氧化物层与第二透明导电氧化物层，并限制电流在第一透明导电氧化物层中的传导路径是从外向内式的横向传输。透明绝缘层相对于第一透明导电氧化物层的内缩，且内缩尺度限制在1～50微米的小范围内，使得第一透明导电氧化物层与第二透明导电氧化物层的接触区域仅发生在芯片的外环1～50微米的小范围区域，所以电流首先从芯片外环区域的第一透明导电氧化物层注入发光层，而因为透明导电氧化物层具有一定的横向传输电阻，所以电流分布在发光外延层中的分布是由外向内递减的，即越靠近芯片中央区域（与p电极位置对应）的电流密度越小，甚至可以趋于零，因此本发明的电流阻挡结构可以有效的避免p电极的遮光；同时，因电流更多地从芯片中的外环区域注入有源层，使得芯片外环的有源层发出更多的光子，而外环区域的光子侧面取出概率较高，因此本发明具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管可以获得更高的取光效率。
附图说明
图1是现有技术的具有电流阻挡结构的发光二极管结构剖示图。
图2是现有技术的具有电流阻挡结构的发光二极管的电流分布示意图。
图3是本发明实施例具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管结构剖示图。
图4是本发明实施例具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管的电流分布示意图。
图1和图2中附图标识为：100：蓝宝石衬底；101：缓冲层；102：n-GaN层；103：多量子阱(MQW)有源层；104：p-GaN层；200：ITO层；201：SiO2层；210：n电极；220：p电极。
图3和图4中附图标识为：300：蓝宝石衬底；301：缓冲层；302：n-GaN层；303：多量子阱(MQW)有源层；304：p-GaN层；300：第一ITO层；401：Si3N4层；402：第二ITO层；410：p电极；420：n电极。
具体实施方式
下面结合图３、图４和实施例对本发明进一步说明。
如图3所示的一种具有夹心式电流阻挡结构的氮化镓基发光二极管结构，其包括蓝宝石衬底300、缓冲层301、n-GaN层302、多量子阱有源层303、p-GaN层304、第一ITO层400、Si3N4层401、第二ITO层402、p电极410和n电极420。其中，最底层为蓝宝石衬底300；缓冲层301形成于蓝宝石衬底300之上；n-GaN层302形成于缓冲层301之上；多量子阱有源层303形成于n-GaN层302之上，其材料为氮化铟镓（InGaN）；p-GaN层304形成于多量子阱有源层303之上；第一ITO层400形成于p-GaN层304之上。
本发明中采用“第一ITO层400/ Si3N4层401/第二ITO层402/” 组合夹心式的电流阻挡结构，其中：第一ITO层400的作用在于与p-GaN层304形成欧姆接触；第二ITO层402的作用在于电学连接第一ITO层400和p电极410；透明绝缘层为Si3N4层401的作用在于隔离第一ITO层400与第第二ITO层402，并限制电流在第一ITO层400中的传导路径是从外向内式的横向传输；尤其是：Si3N4层401作为透明绝缘层形成于第一ITO层400之上，并且Si3N4层401覆盖第一ITO层400的区域相对于第一ITO层400作10微米的等比例内缩；第二ITO层402形成于Si3N4层401之上，并且与因Si3N4层401内缩而暴露出的第一ITO层400形成电学接触；p电极410形成于第二ITO层402的中央局部区域之上，其材料为Cr/Pt/Au；n电极420形成于n-GaN层302之上，其材料为Cr/Pt/Au。
如图4所示，根据本发明制作的具有夹心式电流阻挡结构的氮化镓基发光二极管，其电流注入的路径依次为p电极410、第二ITO层402、第一ITO层400、p-GaN层304、多量子阱(MQW)有源层303、n-GaN层302、n电极420，其中由于Si3N4层401的引入及其“内缩”的定位，使得第一ITO层400中的电流传输方式被定义为“由外向内”横向传输，而因电流在ITO层中横向传输具有一定的电阻，因此电流注入更多地分布于芯片的外环区域并造成此区域的发光远大于芯片中央区域，最后由于芯片外环区域的光子侧面取出概率较高，从而获得更高的取光效率。
Claims (7)
1.具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，其包括：
蓝宝石衬底；
在蓝宝石衬底之上依次层叠有由n型GaN基外延层、有源层和p型GaN基外延层构成的发光外延层；
第一透明导电氧化物层形成于p型GaN基外延层之上；
透明绝缘层形成于第一透明导电氧化物层之上，并且透明绝缘层覆盖区域相对于第一透明导电氧化物层向内缩进，并且内缩尺度为1～50微米，使得电流注入密集处在发光二极管芯片外环区域；
第二透明导电氧化物层形成于透明绝缘层之上，并且第二透明导电氧化物层覆盖区域相对于透明绝缘层向外扩展且与第一透明导电氧化物层形成电学连接；
p电极形成于第二透明导电氧化物层之上；
n电极形成于n型GaN基外延层之上。
2.根据权利要求1所述的具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，其特征在于：所述的第一透明导电氧化物层选用氧化铟、氧化锡、氧化铟锡、氧化锌中的至少一种材料制备。
3.根据权利要求1所述的具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，其特征在于：所述的透明绝缘层选用氧化硅、氧化钛、氮化硅、氧化铝、氟化镁、SOG、Polymer中的至少一种材料制备。
4.根据权利要求3所述的具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，其特征在于：所述的透明绝缘层的制备材料为氮化硅。
5.根据权利要求1所述的具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，其特征在于：所述的透明绝缘层相对于第一透明导电氧化物层内缩的尺寸小于20微米。
6.根据权利要求1所述的具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，其特征在于：所述的第二透明导电氧化物层选用氧化铟、氧化锡、氧化铟锡、氧化锌中的至少一种材料制备。
7.根据权利要求1所述的具有夹心式电流阻挡结构的发光二极管，其特征在于：所述的p电极处于第二透明导电氧化物层的中央局部区域。
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