專利名稱：具有改良電流分散結構的可擴展發光二極管的制作方法
本申請享有Tarsa等人在1999年12月1日提出的，申請號為60/168,338的美國臨時專利申請的優先權。
發明
背景技術：
領域本發明涉及發光二極管(LED)，具體地說涉及具有改良電流分散結構的發光二極管。
相關技術的描述發光二極管是將電流轉成光的一類重要固態裝置。這些發光二極管通常包括一半導體材料活化層，其夾在一層是p型而另一層是n型的兩相對摻雜層之間。在摻雜層的電接觸點上施加激勵電流以使電子及電洞從摻雜層被注入活化層。然后電子及電洞再重新組合以產生光，其從活化層全向發射，并從發光二極管的各個表面逸出。
大多數傳統發光二極管都存在一個缺點，就是與燈絲光相比，電流轉成光的效率較低。因此，它們的應用大多數限于電子裝置指示燈等方面，其中發光二極管的芯片面積小于0.25平方毫米，而光功率小于10毫瓦(mW)。
然而，近年來以氮化物為基的半導體材料的進展已導致高亮度、高效率的發光二極管的發展，其可以在產生包括白光在內的各色光的藍綠光譜區中發光。(可參考Nichia公司的”白色發光二極管”，分冊號為NSPW300BS，NSPW312BS等；也可參考Hayden的美國專利第5959316號，名稱為“磷光體發光二極管裝置的多層密封”)。這些進展已使固態發光器應用在需要高輸出功率及高發光量的照明及信號上。其中一種應用是交通信號。目前的發光二極管交通信號是由單個發光二極管裝置的合并數組組成以得到高輸出功率。但是，取代發光二極管數組的單個高功率發光二極管裝置具有相對簡單，成本較低和更可靠的特點。
一種增加發光二極管的功率和光通量的方法是增大其尺寸及發光表面積。但是，傳統以氮化物為基的發光二極管的尺寸由于電流不能有效從電接觸點分散到活化層而受到限制。p型氮化物基的半導體材料具有較低導電性，施加到p型接觸點的電流只會分散到p型層中的有限區域。電流不會流過整層活化層，而且發光二極管會出現局部過熱而使接觸點周圍過早退化。
n型氮化物基的半導體材料是較佳的導體，但是對電流的分散仍存在一些阻力。當裝置的尺寸增大時，材料將電流從n型接觸點均勻分散出去的能力會降低。由此可見，氮化物基發光二極管尺寸受p型及n型層的電流分散特性的限制。
目前各種具有增加電流分散結構的發光二極管已被研制出來(可參考《半導體和半金屬》(1997)，第48卷，第170-178頁，“高亮度發光二極管”，作者為G.B.Stringfellow及M.G.Crawford)。這些裝置通常包括在導電基板上生長的n型外延層，其有一發光二極管活化區域及生長在n型層上的p型層。一導電接觸點沉積在p型層表面的中心，而一導電接觸墊沉積在與外延層相對的導電基板上。p型接觸點的電流從中心向p型層的邊緣分散，然后到達活化層。基板與外延層相比是極厚的，因此，分散入活化區域的總電流被p型接觸點提供的分散所限制。這種基本結構對小發光二極管(約0.25平方毫米)是有效的，但不適用于大發光二極管。為了增大發光二極管的尺寸，必須對發光二極管加以改進。
其中一種改進是增加p型層的厚度以減少其分散電阻，使電流能分散到發光二極管的邊緣。這種方法可有效增大發光二極管的面積，但是實際上發光二極管的擴展還是受到限制，這是因為p型層厚度不能無限地增加。而且，對于氮化鎵基的發光二極管系統而言，p型材料具有極低的導電性，因此這種方法并不實際。
另一種方法是將接觸點沉積在p型層表面的中心，其薄徑向導電指形件從接觸點延伸到表面的邊緣。接觸點的電流分散到導電指形件及下面的p型表面。雖然有了這種改進，但是發光二極管仍不能自由地擴展成大尺寸。因為當尺寸增大時，徑向指形件的末端之間的距離也增大，當增大到某一尺寸時，該距離會阻止電流分散通過整層p型層。而且，這種結構也不能用于在絕緣基板上制造的發光二極管。
Nakamura等人的美國專利5,652,434揭示了一種結構，其可改良在絕緣基板上生長的以氮化物制造的發光二極管的電流分散。它包括一在絕緣基板上的發光二極管結構，其n型層與基板相鄰，p型層在外延層表面上。因為基板是絕緣的，所以不能用接觸墊將電流分散到基板及n型層上。而是將發光二極管結構的一角蝕刻到p型層、活化層、及部分n型層。接觸點沉積在蝕刻區域以便接觸點上的電流能分散通過相對導電的n型材料。為了使電流分散通過p型層，將半透明的電流分散層沉積在p型層上。p型接觸點與n型接觸點相對，沉積在發光二極管一角的分散層上。p型接觸點的電流會分散通過該分散層并到達其下面的p型層。
這種結構可在標準尺寸裝置中改良電流的分散，但不能在較大尺寸的發光二極管中有效地分散電流。因為p型層就是發光二極管表面，分散層應該盡可能薄以致不能吸收射出的光。然而，分散層越薄，其板電阻越大。當發光二極管的尺寸增大時，板電阻會阻止電流完全分散通過p型層。采用半透明金屬材料，及/或增加其厚度都可使分散層的板電阻減少。但是，這些改變也會降低透明度及增加光的吸收，因而減少發光二極管的光輸出。
另外，n型層中增加的分散電阻能引起過熱，阻止電流完全分散及光均勻輸出。為了減少分散電阻，n型層的厚度可隨著裝置尺寸的增大而增加。但是，這又會顯著增加所需的材料及處理時間，使成本上升而無法負擔。
發明內容
本發明提供一種具有新型電流分散結構的改良發光二極管。該改良發光二極管可以是標準尺寸或擴展到大尺寸，使功率輸出及發光通量增加。其新型電流分散結構改良了大小兩種尺寸的發光二極管的p型及n型層中的電流分散。結果是改良了電洞及電子注入活化層，因而提高其發光效率，減少串聯電阻及發熱。
新發光二極管一般包括一發光二極管核心，其具有外延生長的p型和n型層，及在p型與n型層之間外延生長的活化層。在發光二極管核心相鄰處包括一第一電流分散層。至少形成有一槽通過發光二極管核心到達分散層，在該槽的所述第一分散層上設有第一接觸點，其至少有一第一導電指形件。電流從第一接觸點流入其導電指形件、第一分散層及發光二極管核心。在發光二極管核心上包括具有至少一第二導電指形件，并與第一導電層相對的第二接觸點，以使電流能從第二接觸點流入其第二指形件和發光二極管核心。
新發光二極管也包括在發光二極管核心上，與第一分散層相對的第二分散層。它設置在第二接觸點和指形件及發光二極管核心之間。分散層比其相鄰的發光二極管核心層具有更高導電性，因而可使電流更自由地從接觸點和指形件流入第二分散層及整個發光二極管核心。
在新發光二極管的一實施例中，第一分散層是生長在一基板上的n型外延層，這樣它被置于基板與發光二極管核心之間。一透明或半透明第二分散層與第一分散層相對，沉積在發光二極管核心的表面上，第二接觸點及其指形件就形成在該第二分散層上。
發光二極管的接觸點及其各導電指形件設置成可提供改良電流的分散和改良電洞及電子注入發光二極管的活化層。一偏壓在接觸點上，將電流從各接觸點分散通過其各自的導電指形件。相鄰第一及第二指形件之間的距離基本保持相等，且要小到足以使電流能有效分散到發光二極管核心。這使注入發光二極管核心的活化層的電流相等。利用這種新型電流分散結構，新發光二極管尺寸可擴展成遠比傳統發光二極管大，而又使相鄰指形件間的電流分散關系維持不變。
發光二極管核心上的接觸點及指形件沒有將核心的整個表面覆蓋，而是留下大部分表面用作發射光。因此，指形件采用厚且低電阻金屬可以提供有效的電流分散路徑。這些指形件也可減少電流須在第二分散層中分散的距離。所以降低電流分散層的厚度就可減少發射光的吸收。另外，通過在第二分散層上設置一件或多件指形件以將電流分散至發光二極管核心，層厚就不必隨發光二極管尺寸的增大而增加。因而避免了與外延層相關的處理時間長及成本高的問題。
導電及絕緣基板上的發光二極管都能實現這種新型發光二極管結構的優點，這是因為不論基板為何種類型，新的結構都可使注入的電流幾乎相等。在這種結構中也可以將外延層構造倒置，使p型層設在與第一分散層相鄰的一層，n型層設在外延表面上。但電流分散的結構仍維持不變。當裝置的尺寸增大時，本發明通過增加指形件的數目來提供可完全擴展的裝置。
本發明的這些和其它一些特點和優點，通過結合附圖和下面的詳細說明中，本領域技術人員將會容易了解。
圖1是具有新型電流分散結構的新標準尺寸發光二極管的透視圖；圖2是圖1所示發光二極管的平面圖；圖3是沿圖2中3-3截面線的剖面圖；圖4是具有新型電流分散結構的新標準尺寸發光二極管的平面圖，該發光二極管包括第二分散層上的中心指形件及發光二極管四周的第一分散層上的指形件；圖5是圖4所示發光二極管的剖面圖；圖6是采用圖1所示的新型電流分散結構，可擴展長方形新發光二極管的平面圖；圖7是采用新型交錯多指形發光二極管電流分散結構的新發光二極管的平面圖；圖8是具有新型多指狀鋸齒形電流分散結構的新發光二極管的平面圖；圖9是其分支及指形件從第二分散層的中心接觸點及第一分散層上的協同指形件形成導電路徑的新發光二極管的平面圖；圖10是圖9所示發光二極管的剖面圖；圖11是其指形件從第二分散層上的中心接觸點延伸的新發光二極管的平面圖；及圖12是具覆晶法新型電流分散結構的新發光二極管的剖面圖。
本發明的詳細描述圖1-12顯示根據本發明制造的新發光二極管的各個實施例，每個發光二極管都具有改良的電流分散結構。新的結構可用在由任何半導體材料系統制造的發光二極管中，但特別適用于在如碳化硅或藍寶石等基板上以第III族元素氮化物為基的發光二極管。碳化硅的晶格與第III族元素氮化物極為接近，如氮化鎵，因而可得到具有高質量的第III族元素氮化膜。碳化硅也具有極高的導熱性，使在碳化硅基板上的第III族元素氮化物裝置的總輸出功率不受基板(如藍寶石上形成的某些裝置)散熱限制。碳化硅基板是由北卡羅納州的公司Cree Research，Inc.，ofDurham制造，其制造方法可參考科學文獻和美國專利Nos.Re.34,861,4,946,547及5,200,022。
圖1、2及3顯示一種新的正方形發光二極管10，其有設于基板12與發光二極管核心13之間，表示第一分散層的導電層11。核心13包括外延生長的活化層14，其設于外延生長的導電層15和16之間。導電層15與第一分散層11具有相同的類型，可為n型或p型，導電層16則具有相反的類型，也可為n型或p型。在優選實施例中，層15是n型，層16是p型，第一分散層是n型。
第一分散層11的厚度及摻雜基準要有利于電流分散到活化層14。優選摻雜基準是le15cm-3至le21cm-3，而優選厚度為0.2μm至100μm。層11、14、15、16可通過傳統方法，如在MOCVD反應器中生長，或通過將如VPE及MOCVD的生長技術聯合起來在基板12上而制成。
電流分散層18表示第二分散層，沉積在導電層16上以利于電流分散到導電層16并流入活化層14。該層18是在MOCVD生長的半導體，與導電層16具有相同的摻雜類型，其厚度范圍及摻雜范圍與第一分散層11類似。第二分散層18也是由透明或半透明導電材料制成。優選材料是薄金屬或總厚度為1-50毫米的薄金屬組合，或較厚的透明導體，如ITO。
第二接觸點19具有兩件第二導電指形件20a及20b，該接觸點沉積在第二分散層18上。第二接觸點及指形件延伸至該導電層三面邊緣的相鄰處，形成一U型路徑，其可防止電流走短路而至接觸點19的對面邊緣。指形件20a及20b的外圍能延伸至導電層16的邊緣，或是從邊緣稍為退縮以便第二分散層18上一小部分區域顯示在指形件20a與20b之間。
為了使電流更加均勻地分散到裝置，將第一接觸點21及第一導電指形件22沉積在第一分散層11的表面上。為了在該表面上提供一區域，將部分發光二極管核心蝕刻至第一分散層11，從而得到通過發光二極管核心的槽/信道23。第一接觸點21及指形件22沉積在槽的第一分散層上。
發光二極管核心13利用如化學或離子磨蝕刻等傳統方法進行蝕刻。導電層18、接觸點19和21及其指形件可以用許多傳統方法進行沉積，如蒸發、濺射或電鍍。
操作時將偏壓施加在接觸點19及21。接觸點21的電流分散到其指形件22及導電第一分散層11。電流分散到第一分散層11全層，通過層15使注入發光二極管活化區域14的載體幾乎相等。電流從接觸點19分散入指形件20a及20b，然后到達第二分散層18全層。通過層16使注入發光二極管活化區域14的載體幾乎相等。電子及電洞在活化層14重新組合以提供大致均勻且高效的發射光。
新發光二極管10及其電流分散結構可具有許多不同形狀及尺寸。圖1-3顯示一正方形發光二極管，其尺寸可為標準(約0.25平方毫米)，也可比標準尺寸較小或較大。發光二極管10的尺寸增大時，導電指形件之間的距離也增大。其尺寸受指形件分散電流的能力及使注入活化層的電流相等的能力所限制。
優選電流分散指形件呈片狀長方形。第二指形件的寬度從0.1微米到30微米，而優選寬度是2到10微米。較寬的指形件能有效地分散電流，但是會阻礙或吸收較多由p型層16射出的光。第一指形件的寬度是0.1到30微米。指形件越寬，要到達外延層需要蝕刻的發光二極管結構也越多，這使發光的活化層總量減少。第一與第二指形件之間的距離從5到500微米。距離越小，電流在電流分散層中的分散越好，但是吸收光的指形件會覆蓋的區域也越多。指形件的厚度從0.05到3微米。指形件越厚，其串聯電阻越低，但制造時間越長，成本越高。
新的結構比現有技術具有更多優點。接觸點19和21，及其各自導電指形件20a、20b和22由具有低串聯電阻的導電材料制成。從接觸點流到指形件的電流遇到的分散電阻很小，該電流并提供一有效路徑以分散電流。另外，電流從電流分散接觸點19及其指形件20a和20b到完全分散在第二分散層18的分散距離極小。因此，如果在第二分散層18采用半透明材料，就可降低電流分散層的厚度，從而減少光的吸收及增加光輸出。同時又能維持電流完全分散到p型層16及使注入活化層14的電流相等。外延與電流分散指形件之間的距離應該保持基本相等以確保相等的電流在各摻雜層分散以及流入活化層14。
如上所述，第二指形件20a及20b會吸收部分發光二極管的發射光。另外，為了提供槽23而蝕刻發光二極管核心也會降低發光二極管核心發光的尺寸。然而，注入活化層14的電流相等就克服了這些缺點，并使發光二極管的總效率增加。實際上，槽23可增加總光輸出。這是因為光是從發光二極管的活化層15全向發射。對具有平面表面的發光二極管，一部分光會從發光二極管表面反射回來而導致內部全反射。最后，光被吸收或從發光二極管的側面逸出。通過蝕刻發光二極管結構可以得到一條或多條槽，在發光二極管內反射的光能到達槽，增加其逸出的機會。這就提高了發光而不被吸收的概率，有助照明。
圖4和5顯示新發光二極管40的另一實施例，其與圖1到3所示的發光二極管類似。它設有相同的基板12及第一分散層11。它也具有類似的發光二極管核心41及沉積在發光二極管核心的導電層43上的第二分散層42。
然而，在該實施例中，第一接觸點及指形件將電流從第一分散層11的邊緣分散出去，而第二接觸點及指形件將電流從第二分散層42的中心分散出去。將發光二極管核心41蝕刻至第一分散層11，在其三側圍繞發光二極管外圍。第一接觸點44沉積在中間側中點的第一分散層11上。第一指形件45a及45b也沉積在第一分散層11上，并從在蝕刻側周圍的第一接觸點44以相反方向延伸。電流從第一接觸點44通過指形件45a及45b分散到第一分散層四周。第二接觸點46與第一接觸點44相對，沉積在其邊緣的第二分散層42上。它具有一導電指形件47，其也沉積在第二分散層上，并從接觸點46向外延層接觸點44的方向順著大多數發光二極管的中心線延伸。
發光二極管40與發光二極管10具有相同的電流分散優點。電流從接觸點44和46通過其各自低串聯電阻的導電指形件分散出去。第一接觸點44及其指形件45a及45b的電流分散到第一分散層11的全層及發光二極管核心41。第二接觸點46及其指形件47的電流分散到第二分散層42及發光二極管核心41。與發光二極管10的情況一樣，可減少電流須從指形件47通過第二分散層42分散以覆蓋整個發光二極管核心41的距離。因此，第二分散層42的厚度降低就可以減少光的吸收。第二指形件47與第一指形件45a及45b重疊，它們之間的距離要基本相等以使注入發光二極管核心的活化層50的電流相等。
新型電流分散結構的一個重要優點是它能用在較大發光二極管，而維持改良的電流分散。圖6顯示一種具有與圖1、2及3所示發光二極管10類似的電流分散結構的新發光二極管60。該發光二極管60設有一基板、一第一分散層、一發光二極管核心(圖6未圖標)，及一第二分散層61，所有這些都與發光二極管10的結構相類似。將部分發光二極管核心蝕刻至第一分散層以沉積n型接觸點62及指形件63。第二接觸點64及其導電指形件65a及65b也沉積在第二分散層61上，該指形件向發光二極管四周延伸。
發光二極管60比長方形發光二極管10大，這是因為增加了其兩側邊66和67的長度。要維持改良的電流分散就要增加第一指形件63及第二指形件65a及65b的長度，其增加量等同側邊66和67的增加量。第一指形件63與第二指形件65a及65b重疊，它們之間距離應保持相等。電流須從第二指形件65a及65b通過電流分散層61分散以覆蓋整個發光二極管核心的距離也保持不變。類似地，電流須從第一指形件63分散到第一分散層的距離保持不變。若側邊66和67的長度再增加，則指形件的長度也必須增加以維持指形件之間的電流關系。
根據圖4、5所示的設計可制成類似的長方形發光二極管。在這些裝置中，電流分散結構的指形件長度必須以同樣的方式增加以使在長方形發光二極管中分散的電流相等。
發光二極管60的另一優點是散熱比具有相同表面積的正方形發光二極管更有效。發光二極管60產生的熱只需傳遞較短的距離就可到達散熱的一邊緣。
本發明與現有技術相比的又一重要優點是第一分散層的厚度。在現有發光二極管中該層一般是n型外延層，其電流從接觸點通過第一分散層而分散，發光二極管的尺寸增大時，第一分散層的厚度必須增加以減少其串聯電阻。將電流從第一接觸點通過一件或多件導電第一指形件而分散出去，可避免串聯電阻增大。而第一分散層厚度維持不變，則不會出現處理時間長及成本上升的問題。
另一種擴展發光二極管而又維持導電指形件之間電流分散關系的方法是隨著發光二極管面積的增大而增加指形件數目。圖7顯示一種發光二極管70，其表面積比圖1-5所示的發光二極管10和40都大。它設有類似的基板、第一分散層、發光二極管核心(所有在圖7均未圖標)及第二分散層71。當表面積增大時，第一及第二指形件的數目隨之增加，但相鄰指形件之間的距離保持相等。
第一及第二接觸點72和73可具有許多不同的形狀及尺寸。優選第二接觸點73是圓形，沉積在第二分散層71上，接近發光二極管其中一邊緣。導電分支74的兩個部分在第二分散層71上從接觸點73以相反方向延伸，并與相鄰發光二極管邊緣平行。許多導電指形件75在第二分散層71上以直角從分支74延伸。將發光二極管核心進行蝕刻以提供第一接觸點72用的第一分散層區域和提供第一指形件76用的槽。優選第一接觸點72是正方形，與p型接觸點73相對，沉積在的發光二極管邊緣中心的第一分散層上。分支72b從第一接觸點72沿發光二極管的邊緣延伸。其指形件76從分支72b以直角向分支74延伸。第二與第一指形件75和76之間的距離保持基本相等，且要小到足以使注入發光二極管活化層的電流相等。這樣，即使發光二極管70的尺寸比標準發光二極管大，其電流分散仍具有與上述實施例相同的優點。
圖8顯示新發光二極管80的另一實施例，其中第一及第二指形件形成鋸齒形導電路徑。該發光二極管80具有與上述實施例相同的從基板到第二分散層的層狀結構。圓形第二接觸點81沉積在第二分散層82的發光二極管一角。導電分支83也沉積在第二分散層上，并從接觸點81沿發光二極管表面的二側延伸。鋸齒形導電第二指形件84在第二分散層82上沿對角線從分支83延伸到發光二極管80。指形件84開始時以直角從分支83凸出，當到達發光二極管80時再以直角反復彎曲。指形件越短，直角轉動的次數越少。
將發光二極管80也刻蝕到其第一分散層以提供第一接觸點85、其分支86及其鋸齒指形件87用的槽。第一接觸點85與第二接觸點81相對，沉積在發光二極管一角的第一分散層上。導電分支86則沉積在第一分散層上，第一分散層從第一接觸點85沿二側在發光二極管80的四周延伸，這二側并未被電流分散層分支83所覆蓋。第一鋸齒指形件87具有與電流分散層指形件84相同形狀，沉積在指形件84之間的第一分散層上以使重疊的第一與第二指形件之間的距離基本相等。對于這個概念的另一實施例是能用彎曲指形件來產生具有圓角而非直角的鋸齒型。
這種結構具有上述實施例中電流分散的所有優點，包括低串聯電阻、可擴展性、及可采用薄電流分散層。發光二極管結構中供第一指形件87用而蝕刻的鋸齒槽也進一步提高從發光二極管80射出的光量。槽邊的變化比上述實施例多，因而增加了內部反射光逸出的概率，有助發光二極管的發射。
圖9和10顯示新發光二極管90的另一長方形實施例，其具有與上述實施例相同的層狀結構。第二接觸點91沉積在第二分散層92的中心，而導電分支93的兩個部分在第二分散層上從接觸點91以相反的方向順著發光二極管的縱向中心線延伸。許多導電指形件94從分支93的兩側以直角向發光二極管的邊緣凸出。為了將電流分散到發光二極管的第一分散層，在發光二極管結構的四周向下蝕刻至第一分散層。第一接觸點95沉積在發光二極管邊緣的第一分散層上。第一分支96沉積在第一分散層上，圍繞發光二極管整個外圍以提供從接觸點95開始的連續導電回路。槽是由在第二指形件94之間的發光二極管結構蝕刻而成，其從四周以直角朝向分支93。第一指形件97沉積在槽中的第一分散層上，提供從第一分支96起的導電路徑。相鄰的第一與第二指形件重疊，它們之間的距離保持基本相等，該實施例的電流分散優點與上述實施例相同。
圖11顯示新發光二極管110的另一實施例，其具有與上述實施例相同的層狀結構。第二接觸點111沉積在發光二極管第二分散層112的中心。導電指形件兒3從第二分散層112的接觸點111伸向發光二極管的邊緣，以指形件113為起點保持距離相等。當導電指形件113從接觸點111伸出時，相鄰指形件之間的距離會增加。若該距離變的過大而不能有效地在第二分散層112中分散電流時，指形件113就會分成兩件指形件114。
將發光二極管蝕刻至其四周的第一分散層上以供第一接觸點115及其周邊分支116用。這樣蝕刻也為了供第一指形件117用，其形成第二接觸點111方向上及第二指形件113之間的導電路徑。如果指形件114的分裂部分足夠長，則其間可包含第一指形件。
相鄰第一與第二指形件之間的距離變化比上述實施例都多。然而，該距離仍要保持相等以使發光二極管110具有與上述實施例相同的電流分散優點。這個實施例也可擴展成大尺寸。當表面積增大時，第二指形件能繼續分裂，分裂部分之間包含另一第一指形件。
上述實施例都能在透明基板上生長并能用覆晶法安裝。圖12顯示在透明基板123上生長的發光二極管120，其具有與圖4所示發光二極管40相同的結構。它包括第一分散層126上的發光二極管核心130，及與第一分散層相對的在發光二極管核心上的第二分散層124。用結合介質121將發光二極管裝在底座122上，該結合介質將第二分散層124(圖12所示)或第二分散層上的接觸墊與設于底座和結合介質121之間的導電層127的第一部分連接。一偏壓施加在導電層127上，使電流流入第二分散層124及發光二極管的活化區域。導電層(或接觸點)128的第二部分也在該底座上，第二結合介質125將第一分散層126上的第一接觸點129與導電層128連接。一偏壓施加在導電層128上使電流流入第一接觸點129，其通過第一指形件131再將電流流入第一分散層126。第一指形件沉積在其四周的第一分散層上。導電層127和128與底座122電絕緣，作為發光二極管包封的連接觸點。
這種結構其中一個優點是發光二極管散熱性較好，這是因為發光二極管產生的熱與結合界面121接近，而且熱可有效地傳到底座122。底座具有高導熱性，且表面積比發光二極管芯片基板123大。另外，如果第二分散層124采用半透明層，則覆晶法的幾何形狀會使反光板與半透明層成一整體，從而減少第二分散層124的整體光損失，并將光反射到基板123。
另外，因為反光板被置于第二分散層上，所以第二接觸點及指形件不會吸收任何射出的光。增加其厚度可以減少串聯電阻，又不會吸收射出的光。如果反射表面是導電的，則結合介質121會附著在整個反光板表面上，使整個結構的導熱性增加。
上述實施例取決于使用的材料系統可生長在導電及絕緣基板上。一般而言，對在如碳化硅的導電基板上形成的發光二極管，其接觸點是直接沉積在導電基板上，與外延層相對。接觸墊上的電流通過基板分散至n型層，使注入活化層的電子幾乎相等。或者，可以用類似上述方式蝕刻發光二極管核心，必要時可繼續蝕刻至導電基板。若基板是導電的，則可將它視為第一分散層的一部分。
使用接觸點指形件數組代替傳統基板接觸墊，可減少二極管的串聯電阻。首先，因為與基板相對的第二分散層使用優選材料，所以接觸點電阻可較低。第二，電流到達活化區域之前須流經的距離比接觸基板小得多，且具有許多平行路徑，因此使串聯電阻進一步減少。材料及接觸點細節將決定哪一種方法可提供最低電阻。
雖然本發明是參考一些優選構造而加以詳細說明的，但其它形狀也是有可能的。導電指形件可具有許多不同形狀及型式，且能以不同方式沉積在發光二極管各層上。因此，所附權利要求書的精髓和范圍不應只限于上述優選實施例。
權利要求
1.一種具有增強電流分散結構的可擴展發光二極管(LED)，其特征在于所述發光二極管包括一發光二極管核心(13)，其有一外延生長的p型層(16)；一外延生長的n型層(15)；及一在所述p型和n型層(16，18)之間外延生長的活化層(14)；一與所述發光二極管核心(13)相鄰的第一分散層(11)；至少一槽(23)，其通過所述發光二極管核心(13)，直至所述第一分散層(11)；一第一接觸點(21)，其在所述至少一槽(23)內的所述第一分散層(11)上具有至少一第一導電指形件(22)，以便電流從所述第一接觸點(21)流入所述至少一第一導電指形件(22)、所述第一分散層(11)和所述發光二極管核心(13)；一第二接觸點(19)，其與所述第一分散層(11)相對，設在所述發光二極管核心(13)上，具有至少一第二導電指形件(20a，20b)，以便電流從所述第二接觸點(19)流入所述至少一第二指形件(20a，20b)和所述發光二極管核心(13)。
2.如權利要求1所述的發光二極管，其特征在于所述第一分散層(11)是n型外延層。
3.如權利要求1所述的發光二極管，其特征在于所述n型層(15)與所述第一分散層(11)相鄰。
4.如權利要求1所述的發光二極管，其特征在于所述第二接觸點(19)和所述至少一第二導電指形件(2a，20b)都在所述p型層上。
5.如權利要求1所述的發光二極管，其特征在于所述至少一第二導電指形件(2a，20b)和所述至少一第一導電指形件(22)有部分長度通常保持平行。
6.如權利要求1所述的發光二極管，其特征在于所述至少一第二導電指形件(2a，20b)和所述至少一第一導電指形件(22)有部分長度相互間的距離大約相等，以使注入所述發光二極管核心(13)的電流幾乎相等。
7.如權利要求1所述的發光二極管，其特征在于所述發光二極管進一步包括一基板(12)，其與所述第一分散層(11)相鄰，并和所述發光二極管核心(13)相對。
8.如權利要求7所述的發光二極管，其特征在于所述基板(12)為導電體。
9.如權利要求1所述的發光二極管，其特征在于所述發光二極管進一步包括一第二分散層(16)，其設在所述發光二極管核心上，與所述第一分散層(11)相對，所述第二接觸點(19)和所述至少一導電指形件(20a，20b)被置于所述第二分散層(16)上，以使施加到所述接觸點(19)的電流分散到所述至少一導電指形件(20a，20b)和所述第二分散層(16)全層，以及流入所述發光二極管核心(13)。
10.如權利要求9所述的發光二極管，其特征在于所述第二分散層(16)是透明導體。
11.如權利要求9所述的發光二極管，其特征在于所述發光二極管包括一所述第一導電指形件(22)，其中所述第二接觸點(19)和至少一導電指形件(20a，20b)形成一通常為U型的導電路徑，所述第一接觸點(21)和所述第一指形件(22)在所述U型路徑內形成一長形導電路徑。
12.如權利要求9所述的發光二極管，其特征在于所述發光二極管包括一所述第二導電指形件(27)，其中所述第一接觸點(44)和至少一導電指形件(45a，45b)形成一通常為U型的導電路徑，所述第二接觸點(46)和所述第二導電指形件(47)在所述U型路徑內形成一長形導電路徑。
13.如權利要求9所述的發光二極管，其特征在于所述發光二極管包括多件所述第一和第二導電指形件(76，75)，所述第二接觸點(73)靠近所述發光二極管的一邊緣，而所述第一接觸點(72)靠近對面的邊緣，所述第二導電指形件(75)從所述第二接觸點(73)起向所述對面邊緣形成多條導電路徑，所述第一指形件(76)從所述第一接觸點(72)起向在所述第二指形件(75)之間交錯的所述第二接觸點(73)形成多條導電路徑。
14.如權利要求9所述的發光二極管，其特征在于所述第二接觸點(111)位于所述電流分散層(112)的中心附近，所述第二導電指形件(113，114)從所述第二接觸點(111)起向所述發光二極管的邊緣形成導電路徑，而所述第一導電指形件(117)從所述第一接觸點(115)起向在所述第二導電指形件(113，114)之間交錯的所述第二接觸點(111)形成導電路徑。
15.如權利要求9所述的發光二極管，其特征在于所述第二接觸點(91)位于所述電流分散層(92)的中心，并進一步包括二導電分支(93)，其從所述接觸點(91)順著所述發光二極管中心線各自以相反方向形成導電路徑，所述第二指形件(94)形成通常垂直于所述分支(93)的導電路徑，所述第一指形件(97)從所述第一接觸點(95)和從所述發光二極管的邊緣向在所述第二指形件(97)之間交錯的所述分支(93)形成導電路徑。
16.如權利要求9所述的發光二極管，其特征在于所述發光二極管包括多件所述第一和第二導電指形件(84，87)，其中所述第二指形件(84)從所述第二接觸點(81)起形成通常為平行的鋸齒形導電路徑，而所述第一指形件(87)從在所述第二鋸齒指形件(84)之間交錯的所述第一接觸點(85)形成通常為平行的鋸齒形導電路徑。
17.一種具有增強電流分散結構，采用覆晶法的可擴展發光二極管(LED)，其特征在于所述發光二極管包括一發光二極管核心(130)，其有一外延生長的p型層；一外延生長的n型層；及一在所述p型和n型層之間外延生長的活化層；一與所述發光二極管核心(130)相鄰的第一分散層(126)；至少一槽，其通過所述發光二極管核心，直至所述第一分散層(126)；一第一接觸點(129)，其在所述至少一槽內的所述第一分散層(126)上具有至少一第一導電指形件(131)，以便電流從所述第一接觸點(129)流入所述至少一第一導電指形件(131)、所述第一分散層(126)和所述發光二極管核心(130)；一第二分散層(124)，其與所述發光二極管核心(130)相鄰，并和所述第一分散層(126)相對；一具有兩個分隔部分(127，128)的導電層，所述導電層的第一分隔部分(127)與所述第二分散層結合；一底座(122)，其與所述導電層的所述第一分隔部分(127)相鄰，并和所述第二分散層(124)相對，所述導電層的第二分隔部分(128)也與所述底座(122)相鄰，所述發光二極管進一步包括一在所述第二分隔部分(128)和所述接觸點(129)之間的導電材料(125)，一偏壓施加到導電層的所述第一和第二分隔部分(127，128)使發光二極管核心(130)發光。
18.如權利要求17所述的發光二極管，其特征在于所述發光二極管進一步包括一與所述第一分散層(126)相鄰的基板(123)，其與所述發光二極管核心(130)相對。
19.如權利要求18所述的發光二極管，其特征在于所述基板(123)由透明或半透明材料制成，是所述發光二極管核心(130)產生光的主發射表面。
20.如權利要求17所述的發光二極管，其特征在于所述第二分散層(124)由半透明材料制成，并進一步包括一將發光二極管核心(130)的光反射到所述基板(123)的反光板。
21.如權利要求17所述的發光二極管，其特征在于所述發光二極管進一步包括一在所述導電層的第一分隔部分和所述第二分散層之間的結合介質(121)，其中所述導電材料(125)包括一結合介質。
22.一種具有電流分散結構的半導體發光二極管，其特征在于所述半導體發光二極管包括二層或多層摻有雜質的鄰接層(11，14，15，16)；至少一槽(23)，其由一層或多層所述層(11，14，15，16)蝕刻而成，并把一表面暴露在所述層(11，14，15，16)的其中一層上或層內；一第一接觸點(21)，其在所述至少一槽(23)的所述暴露表面上具有至少一第一導電指形件(22)，以便電流從所述接觸點(21)流入所述至少一第一指形件(22)，和具有所述暴露表面的所述層(11，14，15，16)；及一第二接觸點(19)，其在所述鄰接層(11，14，15，16)的表面上具有至少一第二導電指形件(20a，20b)，以便電流從所述第二接觸點(19)流入所述至少一導電第二指形件(20a，20b)和所述鄰接層(11，14，15，16)。
23.如權利要求22所述的半導體發光二極管，其特征在于所述至少一第二指形件(20a，20b)和相鄰的所述至少一第一導電指形件(22)有部分長度通常保持平行。
24.如權利要求22所述的半導體發光二極管，其特征在于其中所述至少一第二導電指形件(20a，20b)和相鄰的所述至少一第一導電指形件(22)相互間的距離大約相等，以使注入所述二層或多層摻有雜質的鄰接層的電流幾乎相等。
25.如權利要求22所述的半導體發光二極管，其特征在于所述半導體發光二極管包括一所述第一導電指形件(22)，其中所述第二接觸點和至少一導電指形件(20a，20b)形成一通常為U型的導電路徑，所述第一接觸點(21)和所述第一導電指形件(22)在所述U型路徑內形成一長形導電路徑。
26.如權利要求22所述的半導體發光二極管，其特征在于所述半導體發光二極管包括一所述第一導電指形件(47)，其中所述第一接觸點(44)和至少一導電指形件(45a，45b)形成一通常為U型的導電路徑，所述第二接觸點(44)和所述第二導電指形件(47)在所述U型路徑內形成一長形導電路徑。
27.如權利要求22所述的半導體發光二極管，其特征在于所述半導體發光二極管包括多件所述第一和第二導電指形件(76，75)，所述第二接觸點(73)靠近所述鄰接層(11，14，15，16)的一邊緣，而所述第一接觸點(72)靠近對面邊緣，所述第二導電指形件(75)從所述第二接觸點(73)向所述對面邊緣形成多條導電路徑，所述第一指形件(76)從所述第一接觸點(72)向在所述第二指形件(75)之間交錯的所述第二接觸點(73)形成多條導電路徑。
28.如權利要求22所述的半導體發光二極管，其特征在于所述第二接觸點(111)位于所述鄰接層(11，14，15，16)表面的中心附近，所述第二導電指形件(113，114)從所述第二接觸點(111)向所述鄰接層(11，14，15，16)的所述表面的邊緣形成導電路徑，而所述第一指形件(117)從所述第一接觸點(115)向在所述第二導電指形件(113，114)之間交錯的所述第二接觸點(111)形成導電路徑。
29.如權利要求22所述的半導體發光二極管，其特征在于所述第二接觸點(91)位于所述鄰接層(11，14，15，16)表面的中心，并進一步包括二導電分支(94)，其從所述接觸點(91)順著所述表面的中心線各自以相反方向形成導電路徑，所述第二導電指形件(94)形成通常與所述分支(93)垂直的導電路徑，所述第一指形件(97)從所述第一接觸點(95)和所述表面的邊緣向在所述第二指形件(97)之間交錯的所述分支(93)形成導電路徑。
30.如權利要求22所述的半導體發光二極管，其特征在于所述半導體發光二極管包括多件所述第一和第二導電指形件(84，87)，其中所述第二指形件(84)從所述第二接觸點(81)形成通常為平行的鋸齒形導電路徑，而所述第一指形件(87)從在所述第二鋸齒指形件(84)之間交錯的所述第一接觸點(85)形成通常為平行的鋸齒形導電路徑。
31.一種具有增強電流分散結構的可擴展發光二極管(LED)，其特征在于所述發光二極管包括一外延生長的p型層(16)；一外延生長的n型層(15)；一在所述p型和n型層(16，18)之間外延生長的活化層(14)；一具有至少一第一導電指形件(22)的第一接觸點(21)；至少一槽(23)，其由所述p型和活化層(16，14)蝕刻而成，直至所述n型層(15)，以便所述第一接觸點(21)和至少一第一指形件(22)都在蝕刻區的n型層(15)上；一在所述p型層(16)上的第二接觸點(19)和至少一第二導電指形件(20a，20b)，其中所述至少一第一和第二導電指形件(22，20a，20b)有部分長度通常保持平行。
全文摘要
一種具有改良電流分散結構的發光二極管提供增強注入發光二極管的活化層(14)的電流，改良其功率和光通量。該電流分散結構可用于比傳統發光二極管大的發光二極管，而維持增強電流注入。本發明特別適用于具有絕緣基板(12)的發光二極管，但也可減少具有導電基板的發光二極管的串聯電阻。這種改良結構包括形成協同導電路徑的導電指形件(20a，20b，22)，該路徑可確保電流從接觸點(19，21)分散到指形件(20a，20b，22)，并通過反向摻雜層(15，16)均勻分散。電流接著分散到活化層(14)以將電子和電洞均勻注入整層活化層(14)，重新組合發光。
文檔編號H01L33/20GK1433578SQ00818711
公開日2003年7月30日 申請日期2000年11月22日 優先權日1999年12月1日
發明者E·J·塔沙, B·希貝歐特, J·艾貝森, M·馬克 申請人:美商克立光學公司