一种发光二极管的制作方法

本申请涉及半导体领域，特别是一种发光二极管。

背景技术：

发光二极管是将电能转换为光的固态元件，发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可以实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。

目前，发光二极管的电流一般采用横向扩散方式注入至有源发光层，而这种横向扩散方式具有天然的电流非均匀分布的特性，导致局部区域的电流密度过大。局部区域的电流密度过大容易引起两方面问题：

1.局部电流过大容易引起电光转换效率下降，导致流明效率和流明密度的下降；

2.局部电流过大容易引起局部过热，导致发光二极管的使用寿命和可靠性的下降，并需要通过复杂的封装设计来实现散热，提高了流明成本。

技术实现要素：

本申请提供一种发光二极管，能够改善电流分布均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度，并降低流明成本。

一方面，本申请提供了一种发光二极管，包括：衬底；发光外延层，包括依次层叠设置于衬底上的第一半导体层、有源发光层以及第二半导体层；第一电极和多个第二电极，第一电极与第一半导体层和第二半导体层中的一个电连接，多个第二电极与第一半导体层和第二半导体层中的另一个电连接；其中，第一电极为面电极，多个第二电极在衬底上的投影落在第一电极在衬底上的投影内部且彼此间隔设置，发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点在衬底上的投影与相邻的两个第二电极在衬底上的投影的最短间隔距离之和不大于横向临界电极间距，横向临界电极间距是指确保发光二极管的工作电压随平均电流密度的变化曲线在平均电流密度大于1a/mm²的一定工作电流区段内的动态斜率不大于0.18ω·mm²时最短间隔距离之和的最大容许值，发光二极管工作于工作电流区段，且第一半导体层和第二半导体层均是采用基于三族氮化物体系的材料。

另一方面，本申请提供了一种发光二极管，包括：衬底；发光外延层，包括依次层叠设置于衬底上的第一半导体层、有源发光层以及第二半导体层；第一电极和多个第二电极，第一电极与第一半导体层和第二半导体层中的一个电连接，多个第二电极与第一半导体层和第二半导体层中的另一个电连接；其中，第一电极为面电极，多个第二电极在衬底上的投影落在第一电极在衬底上的投影内部且彼此间隔设置，，相邻的两个第二电极之间最短间隔距离不大于横向临界电极间距，横向临界电极间距是指确保发光二极管的工作电压随平均电流密度的变化曲线在平均电流密度大于1a/mm²的一定工作电流区段内的动态斜率不大于0.18ω·mm²时最短间隔距离之和的最大容许值，发光二极管工作于工作电流区段，且第一半导体层和第二半导体层均是采用基于三族氮化物体系的材料。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请通过工作电压随平均电流密度的变化斜率设置一横向临界电极间距，并将发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点在衬底上的投影与相邻的两个第二电极在衬底上的投影的最短间隔距离之和不大于横向临界电极间距，有效改善电流分布的均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度。同时，发光二极管的寿命和可靠性高，不需要复杂的封装设计来进行散热，降低了发光二极管的流明成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是根据本申请第一实施例的发光二极管的俯视图；

图2是沿图1的a1-a1方向的局部截面示意图；

图3是用于显示采用图1所示结构的蓝光发光二极管在不同的l1+l2长度下的工作电压随平均电流密度变化的曲线示意图；

图4是用于显示图3所示的各变化曲线的动态斜率随平均电流密度变化的曲线示意图；

图5是根据本申请第二实施例的发光二极管的俯视图；

图6是沿图5的a2-a2方向的局部截面示意图；

图7是根据本申请第三实施例的发光二极管的俯视图；

图8是沿图7的a3-a3方向的局部截面示意图；

图9是根据本申请第四实施例的发光二极管的俯视图；

图10是沿图5的b-b方向的局部截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1和图2所示，根据本申请第一实施例的发光二极管包括衬底11、发光外延层12、第一电极13和第二电极14。发光外延层12进一步依次层叠设置于衬底11上的第一半导体层121、有源发光层122以及第二半导体层123。在本实施例中，衬底11可以采用例如si、ge、cu、cuw等导电材料。第一半导体层121为p型半导体层(例如p型gan)，对应的第一电极13也称为p型电极。第二半导体层123为n型半导体层(例如n型gan)，对应的第二电极14也称为n型电极。在其他实施例中，第一半导体层121和第二半导体层123可以是具有不同导电类型的其他任意适当材料的单层或多层结构。

进一步，如图1和图2所示，第一电极13为面电极，多个第二电极14分别为条形电极，并在衬底11上的投影落在第一电极13在衬底11上的投影内部且彼此间隔设置。具体而言，在本实施例中，第二电极14分别为沿第一方向d1延伸且沿垂直于第一方向d1的第二方向d2彼此间隔设置的指状电极，进而使得第二电极14在衬底11上的投影沿第二方向d2彼此间隔设置。第一电极13和第二电极14进一步连接第一焊盘(未图示)和第二焊盘16，进而通过第一焊盘和第二焊盘16与外部电路进行连接。

进一步，在本实施中，发光二极管为垂直发光二极管，第二电极14以及第一电极13分别位于发光外延层120的相对两侧。其中，第二电极14设置于第二半导体层123远离有源发光层122的一侧，且第二电极14与第二半导体层123电连接，例如在本实施例中，第二电极14与第二半导体层123通过直接接触的方式形成电连接。

第一电极13设置在衬底11远离发光外延层12的一侧，通过衬底11与第一半导体层121形成电连接。进一步，衬底11与第一半导体层121之间还可以设有反射镜18和金属键合层17，反射镜18用于对有源发光层122所产生的光进行反射，进而从第二半导体层123所在一侧出光，金属键合层17用于提高与衬底11的附着力。

在本实施例中，第二电极14在衬底11上的投影与第一电极13在衬底11上的投影彼此重叠，进而落在第一电极13在衬底11上的投影内部。此处值得注意的是，本申请所指的落在第一电极13在衬底11上的投影内部既包括图2所示的与第一电极13在衬底11上的投影重叠，也包括后续图9-10所示的被第一电极在衬底上的投影所包围。

通过上述结构，由空穴形成的电流从第一电极13经衬底11、反射镜18和金属键合层17沿其层叠方向直接注入有源发光层122，而由电子形成的电流从第二电极14注入第二半导体层123，并沿第二半导体层123横向扩散并注入有源发光层122。电子和空穴在有源发光层122内进行辐射复合，并产生光子，进而形成发光。

如上述结构可知，发光外延层12内的电流进行横向扩散的距离由相邻的第二电极14之间的横向间距决定。在现有技术中，相邻的第二电极14之间的横向间距设置得过大，导致注入有源发光层122的电流的电流密度分布的均匀性较差，进而产生上文背景技术中所描述的问题。

在本实施例中，发光外延层12的至少部分发光区域内的任意一发光点a在衬底11上的投影与相邻的两个第二电极14在衬底11上的投影的最短间隔距离分别为l1、l2。两个最短间隔距离之和为l1+l2。

下面将对横向临界电极间距lc的物理定义进行详细描述。具体来说，本实施例通过大量实验，确定了平均电流密度对工作电压的影响，定义了影响led芯片性能的关键参数：“横向临界电极间距lc”，并通过横向临界电极间距lc来对最短间隔距离之和l1+l2进行限制，以使得led芯片的性能得到一个巨大的提升。

下面将参照图3和图4对蓝光发光二极管中的横向临界电极间距lc进行详细描述。在本申请中，蓝光发光二极管是指在工作时峰值波长介于440nm-480nm之间的发光二极管。

图3显示了在不同的l1+l2下蓝光发光二极管的工作电压随平均电流密度变化的曲线示意图，图4显示了图3所示的各变化曲线的动态斜率随平均电流密度变化的曲线示意图。在图3和图4中，所选取的l1+l2值包括230微米、105微米、80微米、50微米和30微米，并且工作电压vf的单位为伏特(即，v)，而平均电流密度j的单位为安培每平方毫米(即，a/mm²)，动态斜率sd＝dvf/dj，此时图4所示的变化曲线的动态斜率的单位为欧姆平方毫米(即，ω·mm²)。平均电流密度j为发光二极管的工作电流与发光二极管的发光面积之间的比值。进一步，在图4中为了体现各变化曲线的动态斜率之间的差异，图4中的y轴以对数坐标表示。

首先，如图3所示，当l1+l2＝230微米时，从其所对应的变化曲线可以看出，工作电压vf随平均电流密度j的增大而急剧上升，并从图4中可以看出该变化曲线所有范围内的动态斜率均不小于0.19ω·mm²。然而，在当l1+l2下降至105微米时，从图3可以看出，工作电压vf随平均电流密度j的上升趋势明显变缓，并从图4中可以看出，在平均电流密度j大于一定值后，曲线的动态斜率下降至0.18ω·mm²，并随着平均电流密度j的增大在一定范围内持续保持在0.18ω·mm²以下，且能够下降到0.07ω·mm²。在当l1+l2下降至80微米时，工作电压vf随平均电流密度j的上升趋势进一步变缓，并且在平均电流密度j大于一定值后，曲线的动态斜率下降至0.18ω·mm²，并随着平均电流密度j的增大在一定范围内持续保持在0.18ω·mm²以下，且能够下降到0.05ω·mm²。当l1+l2下降至50和30微米时，工作电压vf随平均电流密度j的上升趋势进一步变缓，并且在平均电流密度j大于一定值后，曲线的动态斜率下降至0.18ω·mm²，并随着平均电流密度j的增大而一直持续保持在0.18ω·mm²以下，且能够下降到0.02ω·mm²和0.005ω·mm²以下。由此可见，随l1+l2长度的减少，led的动态斜率随电流密度的增加而迅速减少，且有效工作的电流密度也迅速增加，因此可以提升led芯片单位面积下的流明输出，从而降低流明成本。

因此，在本实施例中，将横向临界电极间距lc定义为确保发光二极管的工作电压vf随平均电流密度j的变化曲线在平均电流密度j大于1a/mm²的一定工作电流区段内的动态斜率sd不大于0.18ω·mm²时上述最短间隔距离之和l1+l2的最大容许值。

在其他实施例中，可以将横向临界电极间距定义为确保上述工作电流区段内的动态斜率不大于0.15ω·mm²时最短间隔距离之和l1+l2的最大容许值，甚至可以进一步定义为不大于0.1、0.06、0.03ω·mm²时的最大容许值。

由于发光二极管为恒流元件，其工作电压直接关系到流明密度和流明效率。因此，当l1+l2设置成不大于lc，并使得发光二极管工作于上述工作电流区段时，发光二极管的性能开始有巨大改善，并且工作电流越大，改善效果越明显。同时，由于工作电压的显著降低，热效应也显著降低，进而可以获得寿命和可靠性更佳的发光二极管，进而提供了发光二极管的流明成本。

需要进一步说明的是，在上文中提到的230微米、105微米、80微米、50微米和30微米是针对特定的发光外延层结构和材料进行设计时所采用的参数，并不能作为对横向临界电极间距lc的实际限定。在实际应用中，横向临界电极间距lc随着发光二极管的具体结构和具体材料发生变化。

在本实施例中，受lc约束的至少部分发光区域涵盖了发光外延层12的全部发光区域。在其他实施例中，上述至少部分发光区域为发光外延层12的全部发光区域的局部区域。在一具体实施方式中，满足上述约束条件的所有至少部分发光区域的集合与发光外延层12上的全部发光区域的面积比不小于50％。在其他具体实施方式中，满足上述约束条件的所有至少部分发光区域的集合与发光外延层12上的全部发光区域的面积比可以进一步不小于60％、70％、80％、90％。

进一步，如图3和图4所示，工作电流越大，发光二极管性能的改善效果越明显。因此，本实施例的针对最短间隔距离之和l1+l2的约束方式特别适用于大功率发光二极管。在一具体实施方式中，发光二极管工作时的平均电流密度j设置成不小于1a/mm²。在其他具体实施方式中，发光二极管工作时的平均电流密度j可以进一步设置成不小于1.5、2、3、5、10、20a/mm²。

需要注意的是，在上述图1-2所描述的蓝光发光二极管的第一半导体层和第二半导体层均是基于三族氮化物体系的材料。因此，横向临界电极间距lc同样适用于基于三族氮化物体系的其他波长的发光二极管，例如365nm-400nm、400nm-440nm、440nm-480nm、480nm-540nm、540nm-560nm、560nm-600nm或600nm-700nm。

需要注意的是，本实施例中的最短间隔距离之和l1+l2实际上受相邻两个第二电极14在衬底11的投影之间的最短间隔距离的限制，因此在本实施例以及其他实施例中，可以通过利用lc对相邻两个第二电极14在衬底11的投影之间的最短间隔距离进行约束。具体来说，将相邻两个第二电极14在衬底11的投影之间的最短间隔距离设置成不大于横向临界电极间距，该横向临界电极间距是指确保发光二极管的工作电压随平均电流密度的变化曲线在平均电流密度大于1a/mm²的一定工作电流区段内的动态斜率不大于0.18ω·mm²时最短间隔距离的最大容许值，或者上述其他动态斜率限制下的最大容许值。

综上，通过上述设置方式，有效改善电流分布的均匀性，以使发光二极管能够承受更高的工作电流，进而提升发光二极管的流明效率和流明密度。同时，发光二极管的寿命和可靠性高，不需要复杂的封装设计来进行散热，降低了发光二极管的流明成本。

下面将对同样适用上述横向临界电极间距约束的其他结构的发光二极管进行描述。

如图5和图6所示，根据本申请第二实施例的发光二极管为图1和2所示的垂直型发光二极管的一种变型。在本实施例中，发光二极管同样包括与图1和图2所示的发光二极管类似的第一电极23、衬底21、反射镜28、金属键合层27、第一半导体层221、有源发光层222、第二半导体层223和第二电极24。本实施例与图1和图2所示的发光二极管的区别之处在于：

第一半导体层221、第二半导体层123和有源发光层122上设置有沟槽224，沟槽224将第一半导体层221、第二半导体层223和有源发光层222彼此间隔排布的台面结构(mesa)225。台面结构225的侧壁以及台面结构225的外露区域内形成有绝缘层291和电流扩散层292。相邻的两个第二电极242分别设置在台面结构225两侧的沟槽224内，且通过电流扩散层292与第二半导体层223电连接。此时，如图6所示，由第一半导体层221、第二半导体层123和有源发光层122所形成的发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点a'在衬底11上的投影与相邻的两个第二电极24在衬底21上的投影的最短间隔距离分别为l1'、l2'。两个最短间隔距离之和为l1'+l2'。

进一步，如图7和图8所示，根据本申请第三实施例的发光二极管为图5和6所示的垂直型发光二极管的进一步变型。在本实施例中，发光二极管同样包括与图5和图6所示的发光二极管类似的第一电极33、衬底31、反射镜38、金属键合层37、第一半导体层321、有源发光层322、第二半导体层323和第二电极34。此外，第一半导体层321、有源发光层322、第二半导体层323同样通过沟槽324划分成彼此间隔的台面结构325，并在台面结构325的侧壁以及台面结构325的外露区域内形成有绝缘层391。本实施例与图5和图6所示的发光二极管的区别之处在于：

第二电极34的一部分以主干电极343的形式设置于沟槽324内，第二电极34的另一部分以分支电极344的形式延伸至台面结构325的顶部，并与第二半导体层323接触并形成电连接。此时，如图8所示，由第一半导体层321、第二半导体层323和有源发光层322所形成的发光外延层的至少部分发光区域内的任意一发光点a”在衬底11上的投影与相邻的两个第二电极24在衬底21上的投影的最短间隔距离分别为l1”、l2'。两个最短间隔距离之和为l1”+l2”。

如图9和图10所示，根据本申请第四实施例的发光二极管为一种倒装发光二极管，包括衬底41、发光外延层42、第一电极43和第二电极44，第一电极43为面电极，第二电极44的数量为多个，且二者位于发光二极管的同一侧。发光外延层42进一步依次层叠设置于衬底41上的第一半导体层421、有源发光层422以及第二半导体层423。第一电极43设置于第二半导体层423远离衬底41的一侧，并与第二半导体层423电连接。在第一电极43与第二半导体层423之间进一步设置反射镜49，以反射有源发光层422所产生的光，进而从衬底41所在一侧进行出光。第一电极43的表面设置有多个凹槽424，该凹槽424经反射镜49、第二半导体层423和有源发光层422延伸至第一半导体层421。该多个第二电极44分别设置于对应的凹槽424内，并与第一半导体层421电连接。在本实施例中，第一半导体层421为n型半导体层(例如n型gan)，对应的第二电极44也称为n型电极。第二半导体层423为p型半导体层(例如p型gan)，对应的第一电极43也称为p型电极。在其他实施例中，第一半导体层421和第二半导体层423可以是具有不同导电类型的其他任意适当材料的单层或多层结构。在本实施例中，发光外延层42的至少部分发光区域内的任意一发光点a”'在衬底41上的投影与相邻的两个第二电极44在衬底41上的投影的最短间隔距离分别为l1”'、l2”'。两个最短间隔距离之和l1”'+l2”'。

上述几种发光二极管结构以及其他类似结构的两个最短间隔距离之和l1'+l2'、l1”+l2”和l1”'+l2”'均受上述横向临界电极间距lc。

需要注意的是，本申请第一实施例、第二实施例的第一电极和第二呈栅线状结构，在提高性能的同时，降低产线升级成本。而本申请第三实施例、第四实施例呈均匀的点状结构，能够改善横向电流扩散均匀性。

在其他实施例中，第一电极和第二电极的形状不限，可根据实际需要进行选择。第一电极、第二电极均由导电材料组成，其材料为铝、铜、钨、钼、金、钛、银、镍、钯或其任意组合，第一电极、第二电极至少为一层结构。其中，第一电极可以为p型电极，第二电极可以为n型电极；或者，第一电极可以为n型电极，第二电极可以为p型电极。

形成于第一半导体层与第二半导体层之间的有源发光层可以根据电子空穴复合而发射具有一定能量的光，并且可具有量子阱和量子屏障交替叠加的多量子阱(mqw)结构。例如，有源发光层可具有通过注入三甲基镓气体(tmga)、氨气(nh3)、氮气(n2)和三甲基铟气体(tmin)等而形成的ingan/gan的多量子阱结构。同时，第一半导体层和第二半导体层以及有源发光层可通过利用本领域公知的半导体层生长工艺而形成，诸如有机金属化学气相沉淀(mocvd)、分子束外延(mbe)、氢化物气相外延(hvpe)等。且具有由有源发光层材料的本征能带所确定的能量。

上文所提到的三族氮化物材料具体可包括gan、alx1gay1n、ingan、alx2iny2gaz2n。其中al的摩尔分数x1和x2分别小于10％。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。