СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД Российский патент 2012 года по МПК H01L33/38 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к конструкции светодиодных чипов, выращенных на электроизоляционной подложке.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В светодиоде, выращенном в виде многослойной структуры на электроизоляционной подложке, оба электрода для контактов с n- и p-областями выполнены на верхней стороны чипа. Обычно они расположены около противоположных краев светогенерирующей области в чипе. Один из них сформирован на нижнем токораспределительном слое, открытом путем селективного травления выращенных на нем слоев, а другой - на верхнем токораспределительном слое на верхней стороне слоистой структуры светодиода.

В типичном случае горизонтальное расстояние между электродами намного больше полной толщины вертикальной слоистой структуры светодиода. В этом случае для обеспечения высокой равномерности тока по светогенерирующему слою пленочное сопротивление токораспределительных слоев должно быть как можно меньше, чтобы падение напряжения на этих слоях было минимальным. В частности, пленочное сопротивление должно быть значительно меньше, чем среднее вертикальное сопротивление через слоистую структуру (включая, например, сопротивление, обусловленное падением напряжения на p-n переходе). Однако в большинстве практических случаев указанное пленочное сопротивление создает значительное падение напряжения на токораспределительных слоях. Это приводит к непостоянству плотности тока, в результате чего в местах с высокой плотностью тока возможен локальный перегрев. Этот локальный перегрев может привести к снижению эффективности устройства и его надежности.

Характеристическим параметром, относящимся к постоянству тока, является длина растекания тока:

где ρ_vertical - среднее вертикальное сопротивление через структуру светодиода и ρ_sheet,top и ρ_sheet,botton - пленочное сопротивление верхнего и нижнего токораспределительных слоев. Чтобы избежать указанного падения напряжения на токораспределительных слоях, горизонтальное расстояние между электродами должно быть меньше, чем длина растекания тока. Проблема состоит в том, что в большинстве практических случаев горизонтальные размеры чипа значительно больше длины растекания тока. Таким образом, при использовании обычных простых контактных площадок указанное условие, относящееся к расстоянию между электродами, нельзя выполнить. В одном из известных технических решений этой проблемы используется пальцевидная, т.е. встречно-гребенчатая, геометрия. В такой геометрии горизонтальные расстояния между электродами можно сделать меньше, чем длина растекания тока. Однако этот подход имеет свои недостатки: плотность тока всегда будет наибольшей около электродов, особенно у внешних концов электродных "пальцев", что приводит к значительному непостоянству плотности тока.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание такой конструкции светодиодного чипа, которая позволяет улучшить его рабочие характеристики и надежность путем улучшения равномерности распределения тока по светогенерирующей области чипа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение охарактеризовано в п.1 его формулы.

Согласно изобретению, светодиодный чип выращен на электроизоляционной подложке. Структура светодиода содержит нижний токораспределительный слой первого типа проводимости и сформированные на нем первый электрод и вертикальную слоистую структуру, отделенные друг от друга в поперечном направлении. Вертикальная слоистая структура содержит активный слой, предпочтительно расположенный между покровными полупроводниковыми слоями n-типа и p-типа и верхним токораспределительным слоем второго типа проводимости над активным слоем. На верхнем токораспределительном слое сформирован второй электрод. Геометрия электродов такова, что горизонтальное расстояние между электродами меньше длины растекания тока в чипе. Термин "горизонтальный" означает направление в пределах плоскости подложки, а "вертикальный" - направление, перпендикулярное к этой плоскости.

Согласно изобретению, между электродами выполнена вертикальная канавка, проходящая через чип, в том числе через нижний токораспределительный слой, для управления током, протекающим горизонтально, с целью достижения одинаковой плотности тока в активном слое. Другими словами, в отличие от известных технических решений, в которых управление током осуществляется только посредством геометрии электродов и вертикальной слоистой структуры над нижним токораспределительным слоем, в изобретении, кроме того, выборочно отсекается нижний токораспределительный слой. Таким образом, вместо двухуровнего подхода в известных решениях топология чипа основана на использовании трех уровней. Управляя протеканием тока путем исключения всех слоев в выбранных местах геометрии чипа, может быть достигнуто протекание тока в одном направлении с очень равномерной плотностью тока по всему светогенерирующему слою.

В дополнение к эффекту направления тока, описанные канавки увеличивают полный периметр вертикальной слоистой структуры. Это повышает вероятность выхода света, генерированного в активном слое, из структуры через боковые стенки вертикальной слоистой структуры. Для дальнейшего увеличения выхода света из чипа в предпочтительном варианте изобретения между электродами сформирована дополнительная вертикальная канавка, проходящая через чип, включая активный слой, в горизонтальном направлении протекания тока в токораспределительных слоях с целью дальнейшего увеличения полного периметра вертикальной слоистой структуры. Дополнительные канавки, расположенные вдоль направления протекания тока, не создают возмущения тока.

Одна из проблем в случае встречно-гребенчатой или аналогичной геометрии чипа состоит в том, что распространению света, выходящего из чипа через боковую стенку вертикальной слоистой структуры, может мешать противоположная боковая стенка или первый электрод в нижнем токораспределительном слое. Чтобы этого избежать, боковая стенка вертикальной слоистой структуры, по меньшей мере в светогенерирующем активном слое, предпочтительно отклоняется от вертикального направления, что облегчает выход света из чипа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже настоящее изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, где:

на фиг.1 показаны примеры распределения плотности тока в обычных светодиодных чипах,

на фиг.2 показан пример распределения плотности тока в известном светодиодном чипе со встречно-гребенчатой геометрией электродов,

на фиг.3 схематично и упрощенно изображен один из вариантов осуществления изобретения и

на фиг.4 поясняется преимущество, которое обеспечивается благодаря наклонным боковым стенкам вертикальной слоистой структуры согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показана вычисленная плотность тока в линейном светодиодном чипе с длиной 200 мкм (верхний график) и 400 мкм (нижний график). Длина растекания тока в обоих случаях составляет 200 мкм. Как видно на чертеже, из-за больших горизонтальных размеров по сравнению с длиной растекания тока распределение плотности тока в обоих случаях неравномерно, при этом равномерность повышается с увеличением длины чипа. Видно, что во втором случае распределение плотности тока далеко от равномерного.

Встречно-гребенчатые электроды 2, 3 в конструкции светодиода на фиг.2 расположены так, что расстояние между ними меньше, чем длина растекания тока. Несмотря на это, как видно на графике на фиг.2, распределение плотности тока по площади чипа очень неравномерное и на концах пальцевидных выступов электродов имеются очень большие локальные максимумы.

В светодиодом чипе 1 на фиг.3 первый и второй электроды 2, 3 создают модифицированную встречно-гребенчатую геометрию по всей площади чипа. Таким образом, основная концепция светодиода состоит в разделении чипа на ряд секций таким образом, чтобы расстояние между электродами не превышало длины растекания тока. Это разделение на секции показано на разрезах по А-А и В-В, на которых показана также слоистая структура чипа. Светодиод выращен на электроизоляционной подложке 4. Самым нижним на подложке является нижний токораспределительный слой 5. Выше находится светогенерирующий активный слой 6, расположенный между двумя покровными слоями 7, имеющими проводимость разного типа. Поверх этих слоев расположен верхний токораспределительный слой 8. После выращивания слоев стопка слоев поверх нижнего токораспределительного слоя подвергается выборочному травлению для открывания нижнего токораспределительного слоя и формирования на нем первого электрода 2. Полученное в результате этого поперечное сечение включает соседние мезаподобные стопки слоев, которые лежат на нижнем токораспределительном слое и самым верхним элементом которых является второй электрод.

В дополнение к двум уровням, определяемым токораспределительными слоями, в чипе был сформирован третий уровень путем вытравливания канавок 9 между электродами через все указанные выше слои в местах концов пальцевидных выступов 10 электродов. Таким образом, ток не может течь через указанные концы, что привело бы к локальным максимумам плотности тока, как показано на фиг.2. Вместо этого ток может течь, главным образом, только в направлении, перпендикулярном к параллельным "пальцам" электродов. Это обеспечивает очень равномерное распределение плотности тока по всей площади чипа.

Углубления между мезаподобными стопками слоев и канавки 9 через чип не только электрически изолируют различные секции чипа, но и улучшают выход света из чипа благодаря увеличению полной длины периметра вертикальной слоистой структуры и, таким образом, увеличению вероятности выхода света из чипа через боковые стенки вертикальной слоистой структуры. Чтобы еще больше повысить выход света, имеются дополнительные вертикальные канавки 11, проходящие от верхней стороны чипа ниже активного слоя. Чтобы избежать возмущения тока, эти дополнительные канавки расположены в направлении горизонтально протекающего тока в токораспределительных слоях.

Как видно на фиг.3, некоторые из боковых стенок 12 вертикальной слоистой структуры отклоняются от вертикального направления для формирования профиля канавок, расширяющегося вверх. Цель такого выполнения поясняется на фиг.4, где слева показана канавка с вертикальными боковыми стенками, а справа - канавка с наклонными стенками. В первом случае свет, выходящий из слоистой структуры горизонтально вбок, продолжает распространяться горизонтально и его путь может быть прегражден противоположным краем канавки или первым электродом. В случае наклонных боковых стенок свет, выходящий из структуры, преломляется и отклоняется вверх от первоначального горизонтального направления, что позволяет избежать препятствий на его пути.

Специалисту в данной области техники понятно, что изобретение не ограничено описанными примерами и допускает изменения в рамках объема, определяемого его формулой.

Светодиодный чип (1), выращенный на электроизоляционной подложке (4), содержит нижний токораспределительный слой (5) первого типа проводимости и сформированные на нем первый электрод (2) и вертикальную слоистую структуру (5, 6, 7), отделенные друг от друга в горизонтальном направлении. Вертикальная слоистая структура содержит активный слой (6) и расположенный над ним верхний токораспределительный слой (8) второго типа проводимости, на котором сформирован второй электрод (3). Геометрия электродов такова, что горизонтальное расстояние между электродами меньше длины растекания тока в чипе. Согласно изобретению, между электродами (2, 3) выполнена вертикальная канавка (9), проходящая через чип (1), включая нижний токораспределительный слой (5), для управления протеканием тока в горизонтальном направлении с целью достижения постоянной плотности тока в активном слое (6). Целью изобретения является создание такой Конструкция светодиодного чипа согласно изобретению позволяет улучшить его рабочие характеристики и надежность путем улучшения равномерности распределения тока по светогенерирующей области чипа. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Светодиодный чип (1), выращенный на электроизоляционной подложке (4) и содержащий:
нижний токораспределительный слой (5) первого типа проводимости,
сформированные на нем и отделенные друг от друга в горизонтальном направлении первый электрод (2) и вертикальную слоистую структуру (5, 6, 7), содержащую активный слой (6) и расположенный над ним верхний токораспределительный слой (8) второго типа проводимости, и второй электрод (3), сформированный на верхнем токораспределительном слое, при этом геометрия электродов выполнена такой, что горизонтальное расстояние между ними меньше длины растекания тока в чипе, отличающийся тем, что между электродами (2, 3) выполнена вертикальная канавка (9), проходящая через чип (1), включая нижний токораспределительный слой (5), для управления током, протекающим горизонтально, с целью достижения одинаковой плотности тока в активном слое (6).

2. Светодиодный чип (1) по п.1, отличающийся тем, что между электродами (2, 3) выполнена дополнительная вертикальная канавка (11), проходящая через чип (1), включая активный слой (6), в направлении протекающего горизонтально тока в токораспределительных слоях (5, 8) для увеличения полного периметра вертикальной слоистой структуры (5, 6, 7) и тем самым для повышения выхода света из чипа.

3. Светодиодный чип (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что боковая стенка (12) вертикальной слоистой структуры (5, 6, 7) выполнена с наклоном к вертикальному направлению для облегчения выхода света из чипа (1).