发光二极管

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体为一种发光二极管。

背景技术

发光二极管（light emitting diode，简称LED）是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，尤其其中的倒装LED芯片具有免打线、高光效、散热性好等优点，应用越来越广泛。

目前倒装型LED芯片通常采用透明导电层（诸如ITO等导电金属氧化物）作为P型欧姆接触层，虽然经过高温熔合后具有较高的透过率，但仍然具有一定的损失，不利于芯片的亮度提升，而若不采用透明导电层作为欧姆接触层，又难于实现P型半导体层的欧姆接触。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种发光二极管，保证与发光外延结构具有足够欧姆接触的同时，提升器件亮度。

上述发光二极管包括：发光外延结构，包括依次层叠的第一导电型半导体层、有源层以及第二导电型半导体层；电流扩展层，形成在所述第二导电型半导体层的表面，且设有所述第二导电型半导体层的一部分露出的多个第一开口部，该发光外延结构被该电流扩展层所占据的面积比例大于50%且小于95%；绝缘层，形成在所述电流扩展层上和该电流扩展层的所述第一开口部内，且设有所述电流扩展层的一部分露出的多个第二开口部，所述第二开口部与所述第一开口部错开设置；反射层，形成在所述绝缘层之上。

在一些实施例中，与同一个所述第二开口部相邻的多个第一开口组成一个正多边形。

优选地，所述第一开口部的直径为2~50μm。在一些实施例中，该发光二极管为微小尺寸LED芯片，例如该LED芯片的截面积可以为62500μm

优选地，相邻的第一开口部之间的间距为1~20μm。

优选地，该发光外延结构被该多个第一开口部占据的面积比例为5%~50%。

优选地，相邻的三个第二开口部组成一个等腰三角形。

优选地，该发光外延结构被该多个第二开口部占据的面积比例为3%~50%。

优选地，所述第一开口部与第二开口部的数量之比介于2：1~20：1。

优选地，所述多个第二开口部等间距排列。

优选地，所述多个第一开口部之间至少具有两种不同的间距。

优选地，所述绝缘层还设有该第二导电型半导体层的一部分露出的多个第三开口部。

在一些实施例中，所述绝缘层为氮化硅、氧化硅或者氧化铝。

在一些实施例中：所述绝缘层为布拉格反射层，例中可以由高、低折射率的透光性材料交替堆叠而成。

优选的，所述绝缘层覆盖所述发光外延结构的侧壁。

在一些实施例中，所述反射层包含金属层包括金属反射层和金属阻挡层。

在一些实施例中，所述绝缘层还设有所述第二导电型半导体层的一部分露出的多个第三开口，所述反射层的一部分通过所述多个第二开口部接触所述电流扩展层，通过所述多个第三开口部接触第二导电型半导体层。通过对绝缘层形成第三开口结构，使得反射层与发光外延结构直接接触，从而改善反射层（如金属反射层）与绝缘层粘附性不佳问题，增强LED器件的可靠性。

优选地，所述第二开口部与第三开口部的数量之比介于5：1~50：1。

优选地，所述第一开口部、第二开口部为阵列式，所述第三开口部为环状或者带状。

在一些实施例中，所述发光外延结构的至少一个边长为300μm以上。

进一步地，该发光二极管还包括局部缺陷区，位于部分所述第二导电型半导体层上，且向下延伸至所述第一导电型半导体层形成台面结构，所述台面结构露出有发光外延结构侧壁。

在一些实施例中，所述反射层为绝缘性反射层，覆盖所述发光外延结构的侧壁，具有第一通孔和第二通孔。优选地，所述发光二极管还包括第一电极和第二电极，其中第一电极通过所述第一通孔电连接所述第一导电型半导体层，且所述第一电极横跨于所述绝缘反射层的部分表面上；所述第二电极通过所述第二通孔结构电连接所述第二导电型半导体层，且所述第二电极横跨于所述绝缘反射层的部分表面上。

在一些实施例，所述发光外延结构的至少一个边长为300μm以下。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明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

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制。

图1为实施例一中所提及的发光二极管的结构示意图。

图2为平面示意图，显示了电流扩展层及绝缘层的分布。

图3为实施例二中所提及的发光二极管的结构示意图。

图4~13为实施例二所示发光二极管的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图5为图4（LED芯片单元俯视图）沿A-A方向的剖视图，图7为图6（LED芯片单元俯视图）沿A-A方向的剖视图，图9为图8（LED芯片单元俯视图）沿A-A方向的剖视图，图11为图10（LED芯片单元俯视图）沿A-A方向的剖视图，图12为在图11所示的结构上形成绝缘保护层后的结构示意图，图13为在图12所示的结构上制作第一电极层后的结构示意图。

图14为平面示意图，显示了实施例三的电流扩展层及绝缘层的图案。

图15为平面示意图，为图14所示示意图的局部放大图。

图16~17为实施例四所提及的发光二极管的局部结构示意图。

图18为侧面剖视图，显示了实施例五所提及的发光二极管的结构示意图。

图19为侧面剖视图，显示了实施例六所提及的发光二极管的结构示意图。

图20为平面示意图，显示了实施例6所示发光二极管的电流扩展层图案。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实施例公开如下一种LED芯片，如图1所示的剖面示意图，其包括如下堆叠层：透明基板110、发光外延结构、电流扩展层130、绝缘层141、金属反射层151、第一电极171和第二电极172。

所述透明基板110可以是用于发光外延叠层生长的生长基板，也可以是透过透明粘合层与发光外延叠层结合的透明基板，具体包括平面型蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底等。在本实施例中，所述透明基板110选用为图形蓝宝石衬底。在另一些实施例，所述基板可以减薄或者移除，形成薄膜型LED芯片。

所述发光外延结构位于所述透明基板110上，包括依次层叠的第一导电型半导体层121、有源层122以及第二导电型半导体层123。例如，所述第一导电型半导体层121可以为N型GaN层，所述有源层122可以为GaN基量子阱层，所述第二导电型半导体层123可以为P型GaN层。当然，也可以依据实际需求选择其它种类的外延结构，并不限于此处所列举的示例。

局部缺陷区1211位于部分所述第二导电型半导体层122上，且向下延伸至所述第一导电型半导体层121形成台面结构，所述台面结构露出有所述外延结构侧壁，具体地，所述台面结构显露有第一导电型半导体层121台面以及第一导电型半导体层121、有源层122及第二导电型半导体层123的侧壁。需要说明的是，局部缺陷区1211的数量至少一个，也可以根据LED芯片的结构、面积大小等进行增加。

所述电流扩展层130可以选用相对于有源层发射的光线具有透光性的金属氧化物，例如氧化铟锡、氧化锌、氧化锌铟锡、氧化铟锌、氧化锌锡、氧化镓铟锡、氧化铟镓、氧化锌镓、铝掺杂氧化锌、氟掺杂氧化锡等。结构上，优选位于所述发光外延层表面上的透明导电层“内缩”，便于后续的绝缘反射层可以披覆于该电流扩展层的侧壁。电流扩展层130采用金属导电氧化物，具有良好的电流扩展特性，且可以与半导体层形成良好的欧姆接触，但金属导电氧化物对于520nm以下的波长具有一定的吸光性，且随着波长的减少其吸光越严重，以ITO为例，在400~460nm的波段光线，其吸光率可达到3~15%左右，在400nm以下的波段的紫外光线，其吸光率更为严重。在本实施例，该电流扩展层130设有所述第二导电型半导体层122的一部分露出的多个第一开口部161，通过控制该第一开口的尺寸及密度，使得所述发光外延结构被该电流扩展层所占据的面积比例大于50%且小于95%，在保证电流扩展层130与第二导电型半导体层122具有足够欧姆接触的同时，减少电流扩展层130的面积，从而提升发光二极管的亮度。较佳的，所述发光外延结构被该电流扩展层所占据的面积比例为70~90%。具体的，所述第一开口部161呈阵列分布，直径为2~50μm，相邻第一开口部分161之间的间距为1~20μm。在本实施例，该第一开口部的直径选为2~10μm，间距为5~20μm。优选的地，该电流扩展层130的厚度为5~60nm，当厚度低于5nm，容易适成LED芯片的正向电压(Vf)升高，超过60nm侧其吸光效应将明显上升。该电流扩展层130的厚度更佳为10~30nm，例如可以为15nm或者20nm。

所述绝缘层141形成在电流扩展层130上和该电流扩展层的所述第一开口部161内，且包裹所述电流扩展层130的侧壁以及包裹所述发光外延结构侧壁。进一步地，所述绝缘层141设有所述电流扩展层130的一部分露出的多个第二开口部162，该第二开口部162作为第二电极的预留窗口，与该第一开口部161错开设置，如图2所示。该第二开口部162横截面面积总和占所述发光外延结构（LED芯片单元）的横截面面积比值的3%~50%，优选5%~20%，更优选10%，如果比值太低，则金属反射层151与电流扩展层140通过第二开口部162接触的面积太小，不利于控制电压，而如果比值太高，则会影响电流扩展层、绝缘层（如低折射率）、金属反射层形成全方位反射层结构的反射效果。该绝缘层141采用氧化硅、氮化硅或者氧化铝。优选地，该第二开口部162等间距分布。优选的，该透光性绝缘层140的透光性高于所述电流扩展层130的透光性，其厚度大于所述电流扩展层130的厚度，优选为50nm以上。

优选的，第一开口部161和第二开口部162组成一个阵列。在一个具体实施例中，在第一开口部分161与第二开口部分162组成的阵列中，第一开口部161和第二开口部162的直径相同，第一开口部161与第二开口部的数量比例优选为2：1~20：1，例如可以为2：1或者3:1，或者5：1。进一步地，和同一个第二开口部162相邻的六个第一开口部161组成一个六边形D1，该第二开口部162位于该六边形的中心，距离最近的三个第二开口部分组成一个等腰三角形，如图2所示。

金属反射层151形成于所述绝缘层141的表面，并通过第二开口部162与所述电流扩展层130接触。作为示例，当金属反射层选用Al或Ag高反射金属作为反射镜（mirror）时，优选进一步在金属反射层表面包覆一金属保护层152，可以选用TiW、Cr、Pt、Ti等，金属保护层152可完全包裹金属镜面层，用于保护金属反射层151。

进一步地的，在金属保护层152上覆盖一层绝缘层142，该绝缘层142完全包覆金属保护层152，该绝缘层142的材料可以与绝缘层141相同，也可以不相同。绝缘层141和142在局部缺陷区1211形成第一通孔181，在第二导电型半导体层上方形成第一通孔182。作为示例，从俯视角度看，所述第二通孔的面积大于或者等于所述第一通孔的面积，所述第一通孔结构与第二通孔结构的数量相当。第二通孔的形状可以与第一通孔的形状不同，比如第二通孔为圆形带扩展条，而第一通孔为圆形，也就是说当第二通孔的面积大于所述第一通孔的面积时，可以方便直观区分第二、第一电极的正、负极电性，一般来说，第一通孔结构的数量与局部缺陷区的数量相当，局部缺陷区的面积大于第一通孔的面积，以利于绝缘层包裹发光外延结构侧壁。

第一电极171通过所述第一通孔181与所述第一导电型半导体层121实现电连接，且所述第一电极横跨于所述绝缘层142的部分表面上。具体来说，第一电极171形成于所述第一通孔181中，且横跨于所述绝缘层142的部分表面上。第二电极172通过所述第二通孔结构182与所述第二导电型半导体层23实现电连接，且所述第二电极横跨于所述绝缘层142的部分表面上。作为示例，优选所述第一电极与所述第二电极的面积相当，所述第一电极与所述第二电极呈对称关系，可以是轴对称，也可以是旋转对称等。进一步地，优选横跨于所述绝缘层的部分表面上的第一电极面积占第一电极面积的90%以上，横跨于所述绝缘层的部分表面上的第二电极面积占第二电极面积的90%以上，如此有助于实现第一电极、第二电极的顶表面的整体平整性，有利于倒装式发光二极管芯片的固晶焊接，提升封装推力水平，增强可靠性。进一步地，从俯视角度看，优选所述第一电极的面积大于所述局部缺陷区的面积。进一步地，位于发光外延结构表面/电流扩展表面之上的第一电极的面积大于位于局部缺陷区之上的第一电极的面积，如此有利于尽可能减少局部缺陷区造成的发光面积减少，且可以兼顾第一电极的顶面平整性，减少第一电极的高度差。

如图3所示，与实施例1的区别在于，本实施例为一中大尺寸的LED芯片，其具有多个局部缺陷区1211，第一开口部的尺寸优选为2~50μm，更佳为2~20μm，例如可以为2μm或者5或者10μm。进一步地，本实施例的电极结构与实施例不一样，首先在绝缘层142上形成一导电金属层173，其通过局部缺陷区1211与第一导电类半导体层接触，在该导电金属层173上形成一第三绝缘层143，并预留第一通孔181和第二通孔182，其中第一通孔露出导电金属层173的部分表面，第二通孔贯穿第三绝缘层143、导电金属层173和绝缘层142，露出部分金属保护层152的部分表面，该第三绝缘层143覆盖导电金属层173的侧壁，第一电极171和第二电极172形成在第三绝缘层143上，其中第一电极171通过第一通孔181接触导电金属层173，第二电极172通过第二通孔182电连接金属反射层。

下面结合附图4~13对图3所示发光二极管的制作方法进行详细说明。

首先提供一光外延结构，所述外延结构包括依次层叠的第一导电型半导体层121、有源层1122以及第二导电型半导体层123。作为示例，采用MOCVD工艺于所述基板110上形成外延结构，所述外延结构可以包含缓冲层（图中没有示出）、第一导电型半导体层121、有源层122以及第二导电型半导体层123等，其中，所述第一导电型半导体层121可以为N型GaN层，所述有源层122可以为GaN基多量子阱层，所述第二导电型半导体层123可以为P型GaN层。当然，也可以依据实际需求选择其它种类的外延结构，并不限于此处所列举的示例。

如图4和5所示，于所述外延结构中从上至下，刻蚀出若干个数量的局部缺陷区1211，形成台面结构，所述台面结构露出有所述外延结构侧壁，具体地，所述台面结构显露有第一导电型半导体层台面以及第一导电型半导体层121、有源层122及第二导电型半导体层123的侧壁。例如，可以采用ICP刻蚀或RIE刻蚀工艺，于所述外延结构中刻蚀出台面结构，使得所述台面结构显露有第一导电型半导体层121台面以及第一导电型半导体层121、有源层122及第二导电型半导体层123的侧壁，所述第一导电型半导体层台面用以于后续第一电极的电连接。局部缺陷区1211的数量至少一个，也可以根据LED芯片的结构、用途、面积大小等进行增加，从而使得局部缺陷区的数量与后续制作的第二通孔结构的数量相当。

如图6和7所示，于所述发光外延结构的部分表面上形成图案化电流扩展层130。例如，所述电流扩展层130可以为采用蒸镀工艺以形成的ITO透明导电层，也可以选用其它材料，并通过熔合使电流扩展层其与发光外延结构的第二导电型半导体层形成欧姆接触。进一步地，还包括通过黄光、蚀刻工艺蚀刻部分电流扩展层，形成多个第一开口部161，露出第二类型半导体层123的部分表面，使得所述发光外延结构被该电流扩展层所占据的面积比例为50~95%。较佳的，所述第一开口部161呈阵列分布，直径为2~50μm，相邻第一开口部分161之间的间距为1~20μm。在本实施例，该第一开口部的直径选为2~20μm，间距为5~20μm。

如图8和9所示，于上述结构上制作绝缘层141，填充第一开口部161，并包裹所述电流扩展层130的侧壁以及覆盖于所述相邻的发光外延结构的侧壁。进一步地，还包括通过黄光、蚀刻工艺蚀刻部分绝缘层141，形成一系列第二开口部162。例如，可以采用化学气相沉积工艺，于所述外延结构的部分表面形成绝缘层141，所述绝缘层141可以为低折射率材料，如二氧化硅层、氟化镁等，也可以为高折射率材料，如二氧化钛等，或绝缘层也可以是包括高、低折射率材料的分布布拉格反射层（DBR），且并不限于此处所列举的示例。如绝缘层141选用SiO

如图10和图11所示，于绝缘层141表面形成金属反射层151。该金属反射层151通过第二开口部162与所述电流扩展层130接触。进一步地，在金属反射层151上包覆金属保护层152。作为示例，当金属反射层151选用Al或Ag高反射金属，作为反射镜（mirror）时，金属保护层152可以选用TiW、Cr、Pt、Ti等。

如图12所示，于金属保护层152上形成第二绝缘层142。作为示例，可以采用化学气相沉积工艺形成第二绝缘层142，所述绝缘层142可以为低折射率材料，如二氧化硅层、氟化镁等，也可以为高折射率材料，如二氧化钛等，或绝缘层也可以是分布布拉格反射层，且并不限于此处所列举的示例。

如图13，于第二绝缘层142制作导电金属层173（即PAD 1层），该导电金属层173通过所述局部缺陷区1211电接触第一导电型半导体层121。

进一步地，在该导电金属层172形成一第三绝缘层143，并预留第一通孔181和第二通孔182，其中第一通孔露出导电金属层173的部分表面，第二通孔贯穿第三绝缘层143、导电金属层173和第二绝缘层142，露出部分金属保护层152的部分表面，该第三绝缘层143覆盖导电金属层173的侧壁。最后，在第三绝缘层143上制作第一电极171和第二电极172，其中第一电极171通过第一通孔181接触导电金属层173，第二电极172通过第二通孔182电连接金属反射层，如图3所示。

如图14和15所示，与实施例2的区别在于，本实施例的第一开口部161和第二开口部162的分布图案不同于实施例2。在本实施例中，与同一个第二开口部162相邻的8个第一开口部161组成一个正方形或者矩形，该第二开口部位于该图案的几何中心。在本实施例中，第一开口部161与第二开口部分162的数量比例约为3：1。

如图16，与实施例2的区别在于，本实施例的绝缘层141还具有所述第二导电型半导体层123的一部分露出的第三开口部分163。该第三开口部163优选为环状或带状，尺寸介于1~50μm，优选介于1~20μm，数量与局部缺陷区的数量相当，形状相似。所述第二开口部162与第三开口部163的数量之比介于5：1~50：1，优选第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于10：1~30：1。

如图17所示，所述金属反射层151形成于绝缘层141的表面上，其中一部分通过第二开口部162与所述电流扩展层130接触，另一部分通过第三开口部163通孔与所述发光外延结构接触，从而改善金属反射层151与绝缘层141粘附性不佳问题，增强LED器件的可靠性。

本实施例公开一种倒装LED芯片，如图18所示的剖面示意图，其包括如下堆叠层：透明基板110、发光外延结构、电流扩展层130、绝缘层141、金属反射层151、绝缘性反射层150、第一电极171和第二电极172。其中电流扩展层130和绝缘层141参照实施例1形成第一开口部161和第二开口部162。

与实施例1不同的是，本实施例的反射层包括金属反射层151和绝缘性反射层153。该绝缘性反射层153同时覆盖发光外延结构的侧壁，当有源层122辐射的光通过电流扩展层130到达绝缘性反射层153的表面时，可通过绝缘性反射层153反射大部分的光返回至发光外延叠层中，并且大部分穿过透明基板110一侧出光，减少光从发光外延叠层表面以及侧壁穿出导致光损失。优选地，绝缘性反射层153能够对所述发光层辐射的光到达其表面的至少80%或者进一步的至少90%比例的光强进行反射。绝缘性反射层153具体的可包括布拉格反射器。所述布拉格反射器能够以折射率不同的至少两种绝缘介质重复堆叠的方式形成，可形成为4对至20对，例如所述绝缘性反射层150可包括TiO

绝缘性反射层153包括布拉格反射器的情况下，进一步包括提高分布布拉格反射器的膜质量的底层或界面层。例如，该绝缘性反射层包含一约0.2~1.0μm厚度的由SiO

绝缘性反射层153具有至少一个第一通孔181和一个第二通孔182，第一电极171和第二电极172形成在绝缘性反射层153的表面。第一电极171通过第一通孔181在第一导电型半导体层121形成电性连接，第二电极172通过第二通孔182与金属反射层151接触，并通过第二开口部162、电流扩展层130与第二导电型半导体层123形成电连接。

在本实施例中，首先在图形成化的电流扩展层130上方形成透光性绝缘层141及金属反射层151，构成全方位反射层，其反射效果优于常规的金属反射层或分布布拉格反射层结构，增强发光二极管芯片外部光萃取几率，提高LED器件的亮度；其次在电流扩展层130上形成阵列式的开口部，使得所述发光外延结构被该电流扩展层所占据的面积比例大于50%且小于95%，在保证电流扩展层130与第二导电型半导体层122具有足够欧姆接触的同时，减少电流扩展层130的面积，从而提升发光二极管的亮度；在金属反射层上方及发光外延结构的侧壁覆盖绝缘性反射层，一方面可以保证其更稳定的覆盖在发光外延叠层的侧壁，防止水汽进入发光外延叠层的周围，降低漏电风险，另一方面该绝缘性反射层和金属反射层达到对发光外延叠层的表面做到全覆盖，当有源层辐射的光可通过全方位反射层和绝缘性反射层153反射绝大部分的光返回至发光外延叠层中，并且大部分穿过透明基板的第二表面侧出光，减少光从发光外延叠层表面以及侧壁穿出导致光损失。

本实施例公开一种倒装LED芯片，如图19所示的剖面示意图，其包括如下堆叠层：透明基板110、发光外延结构、电流扩展层130、绝缘性反射层150、第一电极171和第二电极172。请参看附图90，该电流扩展层130具有呈阵列分布的第一开口部161，露出第二导电型半导体层123的表面，该开口部优选均匀布均，所述发光外延结构被该第一开口部所占据的面积比优例优选为10%~40%，该第一开口部的直径为0.1~50μm。在一些实施例中，该发光二极管为微小尺寸LED芯片，例如该LED芯片的截面积可以为62500μm

与实施例5所示的LED芯片不同的是，采用绝缘性反射材料作为反射层。具体的，在电流扩展层130的部分表面上形成到扩展电极175，该扩展电极175至少一部分通过第一开口部161接触第二导电类半导体层123，该扩展电极175与第二导电型半导体层的接触电阻高于其与电流扩展层130的接触电阻，保证流入扩展电极的电流优选通过电流扩展层130进行扩展后再进入第二导电型半导体层123，因此可以降低顺向电压，提高发光效率。绝缘性反射层150覆盖电流扩展层上表面和侧壁、扩展电电极的上表面和侧壁、发光外延结构的侧壁，并填充剩余的第一开口部。绝缘性反射层150具有至少一个第一通孔181和一个第二通孔182，第一电极171和第二电极172形成在绝缘性反射层150的表面。第一电极171通过第一通孔181在第一导电型半导体层121形成电性连接，第二电极172通过第二通孔182与扩展电极层175接触，并通过电流扩展层130与第二导电型半导体层123形成电性连接。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。