CN209859970U - 一种发光二极管及灯具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种发光二极管及灯具，第一图形化金属层，形成于发光外延叠层的第二表面一侧，第一图形化金属层之间具有第一绝缘介质层；第二图形化金属层，至少形成于所述第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面上；第一图形化金属层的电迁移率大于第二图形化金属层；第二图形化金属层未完全覆盖或正好覆盖第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面，利用本实用新型设计的发光二极管单元的透明绝缘介质结构可制作更大反射金属面积的发光二极管。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体光电领域，具体涉及一种发光二极管结构。
背景技术
发光二极管被广泛地用于固态照明光源。相较于传统的白炽灯泡和荧光灯，发光二极管具有耗电量低以及寿命长等优点，因此发光二极管已逐渐取代传统光源，并且应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。为提升发光二极管的发光效率，常在外延叠层的下方设置反射层，此时有源层向下发出的光经由反射层反射回去，增加出光效率。
实用新型内容
本实用新型提供了一种发光二极管，其有效提高了发光二极管的外部取光效率。
一种发光二极管，包括：
发光外延叠层，发光外延叠层采用氮化镓基外延材料，包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，例如第一半导体层为N型半导体层，有源层为发光量子阱，第二半导体层为P型半导体层，具有对应的第一表面和第二表面；
第一图形化金属层，形成于发光外延叠层的第二表面一侧，既可以与第二表面直接接触，也可以通过第一绝缘介质层预设通道构建电流扩展通道，第一图形化金属层之间具有第一绝缘介质层，第一绝缘介质层也在一定程度上起到限制第一图形化金属层材料迁移的作用；
第二图形化金属层，至少形成于所述第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面上；
第一图形化金属层的迁移率大于第二图形化金属层，即第一图形化金属层的金属的迁移率大于第二图形化金属层的金属，第二图形化金属层起到阻挡第一图形化金属层的扩散的作用；
位于发光外延叠层下方的第一图形化金属层面积大于或者等于第二图形化金属层，也可以定义为，第二图形化金属层未完全覆盖或正好覆盖第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面。第二图形化金属层与第一绝缘介质层一起形成对第一图形化金属层材料的抗迁移作用。
根据本实用新型，优选的，为了保证光取出效率，第一图形化金属层包括金属反射层，第二图形化金属层包括钝化保护层。
根据本实用新型，优选的，第一图形化金属层包括具有较高迁移率的Ag或者Al，第二图形化金属层包括相对稳定、具有较低电迁移率的金属，例如Ti、TiW、Ni、Rh、Pt或者Au。
根据本实用新型，优选的，上述第一绝缘介质层包括DBR或者透明绝缘介质。
根据本实用新型，优选的，第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面被第二绝缘介质层和/或第二图形化金属层覆盖，此处的第二绝缘介质层与第一图形化金属层之间的第一绝缘介质层材料可以相同也可以不同。
根据本实用新型，优选的，上述第二绝缘介质层包括DBR或者透明绝缘介质。
根据本实用新型，优选的，第二图形化金属层的侧面和远离第一图形化金属层的一侧表面被第二绝缘介质层覆盖，第二绝缘介质层与第二图形化金属层一起对第一图形化金属层的金属构成双重阻挡作用。
根据本实用新型，优选的，第二图形化金属层位于第二绝缘介质层和第一图形化金属层之间。
根据本实用新型，优选的，发光外延叠层具有从第二半导体层贯穿有源层至第一半导体层的凹处，凹处侧壁覆盖有第一绝缘介质层和/或第二绝缘介质层，凹处内填充第三图形化金属层，凹处构成发光二极管的电连接通道。借助第一绝缘介质层阻止电路短路。
根据本实用新型，优选的，凹处填充着具有反射特性的第三图形化金属层。
根据本实用新型，优选的，反射特性的金属填满凹处后水平延伸，至少覆盖第二绝缘介质层的背侧。
根据本实用新型，优选的，凹处填充的金属包括Al或Ag。
根据本实用新型，优选的，第一图形化金属层水平方向上延伸至凹处侧壁，尽可能获得更大反射面积。
根据本实用新型，优选的，第一图形化金属层与发光外延叠层之间具有透明材料层，组合形成全反射镜。
根据本实用新型，优选的，第一图形化金属层包覆透明材料层。
根据本实用新型，优选的，透明材料层包括透明导电层或者透明绝缘层。
根据本实用新型，优选的，第一图形化金属层与发光外延叠层之间具有绝缘反射层。
与现有技术相比，本实用新型提供发光二极管芯片，技术效果包括：提供一种具有较高光效的发光二极管，利用本实用新型设计的发光二极管单元的透明绝缘介质结构可制作更大反射金属面积的发光二极管。
同时本实用新型还公开了一种灯具，使用上述任意一种发光二极管芯片。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是实施例1的发光二极管芯片结构示意图；
图2是实施例1的芯片测试数据对比示意图；
图3是实施例1的变形实施例的芯片测试数据对比示意图；
图4至图6是实施例2的发光二极管芯片结构示意图；
图7是实施例2的发光二极管芯片俯视外观图；
图8是实施例2的芯片测试数据对比示意图；
图9、图10是实施例2的发光二极管芯片结构示意图；
图11至图13是实施例3的发光二极管芯片结构示意图。
图中各标号表示如下：100、基板，210、第一半导体层，220、第二半导体层，230、有源层，201、凹处，202、侧壁，310、第一电极，320、第二电极，410、第一图形化金属层，420、第二图形化金属层，430、第三图形化金属层，510、第一绝缘介质层，520、第二绝缘介质层，610、透明绝缘层，620、透明导电层，630、绝缘反射层，631、通孔。
具体实施方式
下面结合示意图对本实用新型的发光二极管芯片及其制作方法进行详细的描述，在进一步介绍本实用新型之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本实用新型并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本实用新型的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
参看图1，在本实用新型的第一个实施例中，提供了一种发光二极管，采用金属基板100，例如Au（金），具有发光外延叠层，包含第一半导体层210、第二半导体层220以及位于两者之间的有源层230，具有对应的第一表面和第二表面；第一半导体层210为N型半导体层，与第一半导体层210电连接的第一电极310为给发光外延叠层提供支撑的导电基板100，与第二半导体层220电连接的第二电极320，第二电极320通过电连接材料与第二半导体层220电连接，在本实施例中电连接材料为第一图形化金属层和第二图形化金属层，即第一图形化金属层和第二图形化金属层具有开孔或者开槽，电连接指的是电导通而并非一定是直接接触，也可以通过导电物质电导通，例如ITO、IZO等。
第一图形化金属层410，形成于发光外延叠层的第二表面一侧，第一图形化金属层410之间具有绝缘性能的第一绝缘介质层510，例如SiO2（二氧化硅）或者SiN（氮化硅），即第一图形化金属层410通过第一绝缘介质层510间隔形成图形化，第一绝缘介质层510在一定程度上起到抑制电迁移的作用。
第二图形化金属层420，至少形成于所述第一图形化金属层410之远离发光外延叠层的表面上，在本实施例中即形成在第一图形化金属层410的下表面。
第一图形化金属层410的材料电子迁移率大于第二图形化金属层420，通常可以通过金属有效原子价数比较金属电子迁移率高低，金属有效原子价数的绝对值越大，金属电子迁移率越高，第一图形化金属层410材料例如Ag（银）或Al（铝），具有较活跃的特性，容易在芯片内发生迁移；第二图形化金属层420可以是相对稳定的金属或合金材料作为钝化保护层，例如Ti（钛）、TiW（钛钨合金）、Rh（铑）、Pt（铂）或者Au（金）。第一图形化金属层410作为反射镜，其形成反射镜的面积大于或者等于第二图形化金属层420，这里的第二图形化金属层420主要指的是发光外延叠层的发光区域下方，不考虑位于第二电极320窗口平台的第二图形化金属层420面积，第二图形化金属层未完全覆盖或正好覆盖第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面。
第一图形化金属层410之远离发光外延叠层的表面，即第一图形化金属层410的下表面被第二绝缘介质层520或者第二图形化金属层420覆盖，又或者两者各覆盖一部分下表面。第二图形化金属层420的侧面和远离第一图形化金属层410的表面被第二绝缘介质层520覆盖。第二图形化金属层420位于第二绝缘介质层520和第一图形化金属层410之间。
为了满足大电流密度的使用需求，在芯片内构建均匀分布的电流通道，发光外延叠层具有从第二半导体层220贯穿至第一半导体层210的凹处201，凹处201侧壁202覆盖有第一绝缘介质层510，在一些情况下侧壁202与第一绝缘介质层510外还覆盖有第二绝缘介质层520，和第一绝缘介质层510的区别在于，在本实施例中通过两次工艺制备，第一绝缘介质层510和第二绝缘介质层520例如采用二氧化硅或者氮化硅，本实施例采用的是氮化硅，凹处201内具有反射特性的填充第三图形化金属层430，例如包括Al（铝）、Ag（银）或者Cr（铬），凹处201构成发光二极管的电连接通道，工作时电流通过凹处201在发光外延叠层内均匀分布。
第一图形化金属层410水平方向上延伸至凹处侧壁202，尽可能增大金属反射镜面的反射面积，图中的箭头为光路径，光射向靠近凹处的第一图形化金属层410的反射镜上，被反射至凹处的填充第三图形化金属层430处再次反射从出光面出光，以达到增强取光效率的效果。
参看图2，图中数据为采用实施例一中加大第一图形化金属层410的反射镜的设计和采用常规反射镜设计的亮度实验数据对比，每一个三角形代表一颗常规芯粒的亮度或者正向电压Vf，每一个方形代表本实施例的亮度或者正向电压，正向电压即使用电压，横坐标为波长，根据实验表明本实用新型实施例一的发光二极管结构在基本不改变使用电压Vf的条件下，其亮度Lop平均提升了1%以上。
在实施例一凹处侧壁202覆盖的绝缘介质500为反射材料例如采用DBR，构建分布式布拉格反射镜，用DBR代替氧化硅，减少氧化硅吸光造成的光损失，同时DBR与反射特性的填充第三图形化金属层430构成全反射镜结构。
在实施例一的一些变形实施例中，凹处侧壁202覆盖的第一绝缘介质层510，例如SiO2或者SiN，或者是DBR反射层，凹处201内用作电连接的填充第三图形化金属层430为反射金属，反射金属包括例如Ag（银）、Al（铝）、Cr（铬）或者为AlCr（铝铬合金），反射金属和介质构成全反射镜ODR，光射向靠近凹处侧壁202的反射镜，被反射至凹处内反射金属材料后，再次反射从出光面出光。
在该些变形实施例中，由于透明的第一绝缘介质层510和第二绝缘介质层520的存在，例如二氧化硅或者氮化硅，部分光会透过绝缘介质传导到基板，被基板100吸收导致出光损失，本变形实施例为解决上述问题，做出如下结构设计，选用反射金属作为凹处201的填充第三图形化金属层430，在填充第三图形化金属层430填满凹处201后继续在第二绝缘介质层520表面向水平方向延伸，至少基本覆盖或者完全覆盖整个发光外延叠层下方，实现整面覆盖反射金属达到提高反射出光的效果，参看图3，图中Z是整面覆盖反射的填充金属的测试数据，图中Y是常规结构的测试数据，可以看出本变形实施例的亮度具有明显提升。
在本实用新型的第二个实施例中，与实施例一区别在于，第一图形化金属层410与发光外延叠层之间具有透明材料层，透明材料层例如为透明绝缘层、透明导电层或者二者结合。
参看图4，具体来说，在第二个实施例的一些变形实施例中，以透明材料层为透明绝缘层610为例，即第一图形化金属层410与第二半导体层220之间设置作为电流阻挡作用的透明绝缘层610，第一图形化金属层410包覆透明绝缘层610，通过透明绝缘层610的沟槽与第二半导体层220电接触。
参看图5，将透明绝缘层610设计成多孔结构，透明绝缘层610通过构建电流路径，起到电流扩展的作用，避免电流集中的问题。在上述变形实施例的基础上将透明绝缘层610设计成图形化，例如设计成具有孔洞的透明绝缘层610，将第一图形化金属层410的金属贯穿进孔洞中与第二半导体层220接触。
参看图6和图7，在上述多孔透明绝缘层610的设计基础上，在透明绝缘层610与第二半导体层220之间设置透明导电层620。
参看图8，从实验数据上看，第一图形化金属层410和多孔透明绝缘层610结合透明导电层620与第二半导体层220接触的结构亮度比无多孔设计平均提高了9%以上，大幅提高了芯片亮度，又因为良好的电流分布特性其工作条件下正向电压降低了接近1%。
参看图9，在第二个实施例的一些变形实施例中，第一绝缘介质层510和第二绝缘介质层520为可以为同一种材料制作，也可以为不同材料制作，以相同为例，以透明材料层为透明导电层620为例，透明导电层620例如为ITO，发光二极管工作时，电流通过透明导电层620在发光外延叠层中均匀分布，透明导电层620有利于改善电流分布，改善欧姆接触效果。
参看图10，在第二个实施例的一些变形实施例中，透明材料层由透明绝缘层610和透明导电层620组成，透明导电层620靠近第一图形化金属层410，透明绝缘层610位于透明导电层620和第二半导体层220之间，透明绝缘层610具有复数个孔洞611，透明导电层620通过孔洞611与第二半导体层220接触。
参看图11，在本实用新型的第三个实施例中，第一图形化金属层410与发光外延叠层之间包括绝缘反射层630，绝缘反射层630材料例如DBR结合，利用DBR与第一图形化金属层410的反射作用配合形成全反射镜，绝缘反射层630具有复数个通孔631或沟槽，第一图形化金属层410通过通孔631或沟槽与第二半导体层220接触。
参看图12，在第三个实施例的一些变形实施例中，类似第二个实施例的设计，在绝缘反射层630与第一图形化金属层410之间设置透明导电材料，由透明导电材料组成的透明导电层620通过DBR上的通孔631或沟槽与第二半导体层220接触。第一图形化金属层410通过透明导电层620与第二半导体层220电连接。
参看图13，在第三个实施例的一些变形实施例中，设置多孔的绝缘反射层630，在绝缘反射层630与第二半导体层220之间设置透明导电层620，第一图形化金属层410填充绝缘反射层630的孔洞，金属通过孔洞与透明导电层620连接。
惟以上所述者，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施之范围，即大凡依本实用新型申请专利范围及专利说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本实用新型专利涵盖之范围内。
Claims (19)
1.一种发光二极管，包括：
发光外延叠层，包含第一半导体层、有源层和第二半导体层，具有对应的第一表面和第二表面；
第一图形化金属层，形成于发光外延叠层的第二表面一侧，第一图形化金属层之间具有第一绝缘介质层；
第二图形化金属层，至少形成于所述第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面上；
第一图形化金属层的电迁移率大于第二图形化金属层；
其特征在于，第二图形化金属层未完全覆盖或正好覆盖第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一图形化金属层包括金属反射层，第二图形化金属层包括钝化保护层。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一图形化金属层包括Ag或Al，且第二图形化金属层包括Ti、TiW、Ni、Rh、Pt或者Au。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一绝缘介质层包括DBR或者透明绝缘介质。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一图形化金属层之远离发光外延叠层的表面覆盖有第二绝缘介质层和/或第二图形化金属层。
6.根据权利要求5所述的一种发光二极管，其特征在于，第二绝缘介质层包括DBR或者透明绝缘介质。
7.根据权利要求5所述的一种发光二极管，其特征在于，第二图形化金属层的侧面和远离第一图形化金属层的表面设有第二绝缘介质层。
8.根据权利要求5所述的一种发光二极管，其特征在于，第二图形化金属层位于第二绝缘介质层和第一图形化金属层之间。
9.根据权利要求5所述的一种发光二极管，其特征在于，发光外延叠层具有从第二半导体层贯穿至第一半导体层的凹处，凹处侧壁覆盖有第一绝缘介质层和/或第二绝缘介质层，凹处内填充第三图形化金属层，凹处构成发光二极管的电连接通道。
10.根据权利要求9所述的一种发光二极管，其特征在于，第三图形化金属层为反射金属。
11.根据权利要求9所述的一种发光二极管，其特征在于，第三图形化金属层填满凹处后水平延伸，至少覆盖第二绝缘介质层的背侧。
12.根据权利要求9所述的一种发光二极管，其特征在于，第三图形化金属层包括Al或Ag。
13.根据权利要求9所述的一种发光二极管，其特征在于，第一图形化金属层水平方向上延伸至凹处侧壁。
14.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一图形化金属层与发光外延叠层之间具有透明材料层。
15.根据权利要求14所述的一种发光二极管，其特征在于，第一图形化金属层包覆透明材料层。
16.根据权利要求14所述的一种发光二极管，其特征在于，透明材料层包括透明导电层或者透明绝缘层。
17.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一图形化金属层与发光外延叠层之间具有绝缘反射层。
18.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，发光外延叠层采用氮化镓基外延材料。
19.一种灯具，其特征在于，具有权利要求1到18中任意一项所述的发光二极管。
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