CN102246325A - 具有改善的光提取率的发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管(70)，包括有源区(83)和多个外表面(77-81)。二极管其中一个外表面的至少有一部分上具有光增强特征，该光增强特征选自由成形(77、80)和纹理(78、79)构成的组。二极管每个其他的外表面(81)的至少一部分上具有光增强特征，这些光增强特征选自由成形、纹理和反射体(81)构成的组。

Description

具有改善的光提取率的发光二极管

背景技术

本发明涉及发光器件，具体涉及发光二极管。发光二极管(LED)是一类光子半导体器件，其通过在合适的半导体材料内激发电子空穴重组事件来将施加的电压转换成光。重组事件中释放的一部分或所有的能量随之产生光子。当重组事件产生光子时，其在各个方向引发光子。

发光二极管享有其他半导体固态器件的一些良好的特性。这些特性通常包括坚实的物理特性、长的使用寿命、高可靠性以及取决于特殊材料的低成本。这些物理特性与相对较低的功耗要求一起使发光二极管适合作为光输出器件。发光二极管的一般理论和操作在现有技术中都是非常容易理解的。发光二极管的结构和操作的适当参考包括S.M.SZE的《PHYSICS OFSEMICONDUCTOR DEVICES(半导体器件物理学)》(第二版，1981)和E.FRED SCHUBERT的《LIGHT-EMITTING DIODES(发光二极管)》(2003)。

从实践的立场看，LED的有效发射可以通过实际离开器件且可以从外部感知的光的量来最好地理解和测量，一个因素被称为二极管的外部量子效率(EQE)。然而，如上所述的，LED产生光子且在所有方向引发光子。因此，实际的目标是将在期望的光传输方向上实际离开器件的光子数最大化。

发光二极管通常包括多层不同的材料。因此，有源部分发出的光通常必须在离开二极管之前穿过或越过一个或多个这样的层。斯涅尔定律(Snell law)决定了光子在从一个材料传到下一个材料时将折射。光子折射的角度将取决于两种材料折射率之间的差异和光到达界面的入射角。

在二极管中，虽然一些反射光将仍然从二极管的一些其他位置逃逸，一定比例的反射光会完全于内部反射，而不会从二极管逃逸，且将因此功能性地降低二极管的外部效率。虽然在光子逃逸百分比中的单独减少可能出现相对较少，但累积效应是显著的，其他方面很相似的二极管可能由于即使这么小百分比损失而具有明显不同的性能效率。

斯涅尔定律决定了当光穿过界面进入有高折射率的介质时，光朝向法线弯曲。同样地，当光从较高折射率介质传播而到达较低折射率介质的界面时，光将远离法线弯曲。以定义为临界角的角度，从较高折射率介质传播到达低折射率介质的光将以90°折射，也就是平行于边界。以大于临界角的任何角度，入射光线经过全内反射。临界角因此是折射率比的函数。如果光以大于该临界角的任何角度撞击界面，光将根本不会穿过而到达第二介质。反而，界面将光反射回第一介质中，该过程称为全内反射。由于全内反射的光损失称为临界角损失，而且是降低LED外部效率的另一个因素。

在两种材料的界面反射的光常称为菲涅耳反射或菲涅耳损失。介质各自的光学折射率的任何差异将导致菲涅耳损失。因此，菲涅耳损失是造成由LED产生的LED发射到空气的全部光的百分比降低的另一个因素。

因此，需要具有这样特征的器件，其使特定光子将在期望的方向上或方向范围内离开器件的概率最大化，因此增加器件的光输出效率。

发明内容

在一个方面，本发明是具有有源区和多个外表面的发光二极管。外表面包括光增强特征，其选自由反射体、成形和纹理构成的组。然而这些外表面中的至少一个不是反射体。

在另一方面，本发明是包括基板和形成在基板上的第III族氮化物有源区的发光二极管。基板和第III族氮化物有源区限定了多个外表面。其中一个外表面具有选自由成形和纹理构成的组的光增强特征。剩下的外表面具有选自由成形、纹理和反射体构成的组的光增强特征。

在另一方面，本发明是包括基板和形成在基板上的有源区的发光二极管。有源区具有至少一个n型层和一个p型层。发光二极管包括多个外表面，其中的至少四个外表面具有选自由成形、纹理和反射体构成的组的光增强特征。

附图说明

图1到图7是说明本发明各种示例性实施方式的横截面示意图。

具体实施方式

广泛地说，本发明是这样的发光器件，其通过使用位于器件外表面上的多个光增强特征而具有改善的光输出效率。图中说明了本发明的若干方面。图中，器件作为具有横向配置的发光二极管来示出，但是可以理解的是，其他类型的光电半导体器件可以利用本发明的一些或所有的方面。出于描述的目的，LED结构依据第III族氮化物和碳化硅来描述，但是可以适当包含其他材料。第III族氮化物和碳化硅在发光二极管中的使用通常在现有技术中是确定的，并且将不另外详细描述。

正如本领域技术人员所熟悉的，当一个或多个半导体材料层中发生重组事件时，LED的有源区产生光子。发生这种情况的最简单的结构是p-n结。这样的p-n结可以包括本发明描述的LED结构的有源区(或有源层)。然而可以理解的是，有源区可以包括更复杂的结构，例如单量子阱、多量子阱和超晶格结构、以及包括位于各个p型层与n型层之间的一个或多个有源层的结构。这样，虽然这里的大部分的讨论和图示依据简单的p-n结来说明，但可以理解的是，除了简单的p-n结外，本发明可以在其间包含复杂的结构和变型。

在本领域中可以理解的是，这样更复杂的结构中，有源区(或层)常常位于p型外延层与n型外延层之间。在典型的实施方式中，有源层是多量子阱。例如，这样的阱通常包括2到25周期之间的氮化镓(GaN)和氮化铟稼(InGaN)的交替层。众多这样的实例中，阱中的GaN和InGaN层都在无主动(proactive)掺杂的情况下生长。结果，这些层(虽然被称为“不掺杂的”)本质上是n型。

图1是本发明的一个实施方式的示意性横截面图并且是总体上以10指出的LED结构。p层和n层分别以11和12示出，且它们之间具有有源层22。p层11、有源层22和n层12结合构成LED 10的有源区。p层11和n层12由外延生长在基板13的至少一个、通常是几个第III族氮化物层形成。在一些实施方式中，基板13由碳化硅形成。基板也可以由蓝宝石、硅、金属或适合支撑p层11和n层12且不另外干扰LED 10的结构和操作的任何其他材料交替地形成。在某些情况下，基板13是生长基板，也就是支撑p型和n型外延层生长的材料。其他情况下，基板13是承载基板(或“子基座”)，所述承载基板在已经在别处生长后附接到外延层。

欧姆接触14和15分别提供到p层11和n层12的电连接。欧姆接触14和15可由诸如铂、镍、金、钛、铬、铝和银的金属形成，包括这些金属的合金以及这些金属中的两种或更多种的层。欧姆接触14和15布置成横向配置。当基板13导电时(例如n型SiC)，欧姆接触14和15也可以交替地位于LED 10的轴向相对面上，给欧姆接触14和15提供竖直配置。

LED 10限定了多个外表面，其中一些以17、18、19、20和21示出。本文所用的术语“外表面”指的是立体(solid)多边形的面。LED当然是立体物体，这样LED限定了立体多边形；也就是三维物体，其中各个面是多边形而且这些多边形沿直线彼此连接。这样，可以理解的是，在三维空间中，LED 10有图1看不见的其他外表面。

LED 10在其中一个外表面的至少一部分上具有选自由成形和纹理构成的组的光增强特征，并且在每个其他外表面的至少一部分上具有选自由成形、纹理和反射体构成的组的光增强特征。

本文所用的术语“形状”或“成形”指的是二极管或表面的整体立体几何形状以及包括倾斜、环绕、或以其他方式成形的表面。

术语“有纹理的”指的是具有较小光学特征的表面且包括机械粗化表面(如从物理锯或激光切割粗化)、结晶表面(如反映基本晶体的低整数米勒指数比的化学形成的结晶表面)、和透镜(lenticular)表面(如规则的、镜头状的特征)。美国专利申请公开No.20060186418中描述了示例性的结晶表面，美国专利No.7,384,809中描述了示例性的透镜表面。

术语“反射体”指的是金属(如铝、银、或其他反射金属)、介电反射体(例如分布式布拉格反射体(DBR)和包括金属和介电层的混合反射体。

图1中，其中四个外表面(17、18、19和20)具有增强LED 10的光输出的透镜表面。本文所用的术语“透镜表面”指的是在LED 10的一个或多个外表面上的规则图案透镜型结构。透镜表面可通过光刻法或利用压花印将图案印到外表面上而形成。美国专利第7.384,809号中提出形成透镜表面的示例性的(非限定的)技术。

图1也示出了一个或多个外表面可以包括反射体来增强LED的光输出。图1中，在LED 10的底(相对而言)外表面21上以16示出了这样的反射体。反射体16可以是由Ag、Al、或在其他方面不干扰LED 10结构或操作的任何其他合适的金属形成的一个或多个金属层。可替换地，反射体16也可以是介电镜，如分布式布拉格反射体。反射体16也可以是由TiO₂和SiO₂的交替层形成的介电镜。在其他实施方式中，反射体16可以由金属层和介电镜这两者组成。这种反射体的设计和制造为本领域的普通技术人员所理解且不会另外详细描述。

外表面17、18、19、20和21可以额外地或可替换地具有光增强特征，如纹理或斜角切割，这些特征将相对于图3和图5中更加详细地描述。换句话说，外表面17、18、19、20和21可以具有一个或多个的光增强特征，如反射体、透镜表面、斜角切割或纹理。图1中不可见的由LED 10限定的任何外表面也可以有光增强特征。进一步可以明白，可以使用任何不干扰LED 10操作的任何其他光增强特征。当然，为了保证LED 10发光，LED 10的至少一个外表面必须不是反射体。换句话说，如果LED 10的所有外表面都是反射体，光子将不能从LED 10发出。

某些光增强特征最实际或有效地使用于某些表面。例如，当二极管的顶表面是第III族氮化物(如GaN)，优选的顶表面增强特征是结晶的(如美国专利申请公开第20060060874号)；或透镜式的(如本文别处描述的)；或亚波长周期图案化的(或“光子晶体”)、或大于波长的随机图案化的。当然，相关波长是二极管产生的波长。

侧壁通过形成斜角或以随机方式粗化来最有效地增强。这样的随机粗化可以(例如)通过在锯切过程中或当用激光来切割晶圆时使用金刚石磨粒来添加，或通过任何其他合适的机械工具来添加。

器件的底部或背面通过透镜表面、斜槽(或表面锯切时会观察到的类型的其他大型图案)、以及随机粗化来最有效地增强，例如，正如通过重叠产生的。本文(一般在本领域中)所用的术语“底部”或“背面”指的是二极管的与有源层相对的部分。

图2是本发明的另一实施方式的示意性横截面图并且是总体上以30指出的LED结构，其与图1描述的LED 10基本相似。LED 30在基板33上具有的P层31、有源层42和n层32。欧姆接触34和35分别提供了到P层31和n层32的电连接。LED 30具有多个外表面，其中五个在图2中以37、38、39、40和41示出。其中一些外表面(如37、38、39和40)具有透镜表面。其中一个外表面(41)具有两个光增强特征，透镜表面和反射体36。

图3是总体上以50指出的LED结构的示意性横截面图，其类似于以上所述本发明实施方式。LED 50在基板53上有p层51、有源层62和n层52。欧姆接触54和55分别提供了到p层51和n层52的电连接。图3以57、58、59、60和61示出了五个外表面。这些表面中的两个外表面(58和59)具有透镜表面。另一个外表面(61)具有透镜表面和反射体56。两个其他的外表面(57和60)具有纹理表面和斜角切割。本文所用的术语“斜角切割”指的是相对于由一个或多个外延层限定的主要水平面限定非垂直角度的外表面(如57或60)，如n层52。外表面上的斜角切割(如图3中以57和60所示)产生有角度的表面，在此，在其他情况下可能被全内反射困住的光可以发出。广义上讲，这样的斜角将限定相对于外延层的大于0°且小于90°的角。但是大多这样的斜角将形成相对于外延层的约30°与60°之间的角。在示例性实施方式中，金刚石锯可以用来产生有斜角且有纹理的外表面，如57和60。可替换地，任何其他合适的工具也可以用来产生斜角切割。

图4是总体上以70指出的LED结构的示意性横截面图，其类似于以上所述本发明实施方式。LED 70在基板73上具有P层71、有源层83和n层72。欧姆接触74和75分别提供了到P层71和n层72的电连接。图4以77、78、79、80和81示出了LED 10的五个外表面。其中两个外表面(79和80)具有透镜表面。两个其他的外表面(77和80)具有斜角切割。其中一个外表面81具反射体76。

如图4所示，LED 70也可以包括在基板73与反射体76之间的由介电层82(二氧化硅)形成的混合反射体。在示例性实施方式中(不限于图4所示的实施方式)，介电层82提供了优于单独金属层(如反射体76)的反射。基于折射率的不同，当基板(如图4所示的73)是碳化硅时，二氧化硅特别有用。

图5是总体上以90指出的LED结构的示意性横截面图，其类似于以上所述本发明的实施方式。LED 90在基板93上具有P层91、有源层102和n层92。欧姆接触94和95分别提供了到P层91和n层92的电连接。图5的横截面图示出了五个外表面97、98、99、100和101。如虚线所示，其中一些较大的外表面(97、98、99和100)连同台面侧壁(也就是层91、92和102上的103和104)是有纹理的。本文所用的术语“有纹理的”指的是具有或多或少程度不规则性的、在外表面上的任何小的、非平面特征。基于斯涅尔定律，这样的表面以众多角度的大量小表面来提供光子，从而增加了折射(且射出到外部)而非内反射的光子的数量。例如，美国专利申请公开第20060186418号描述了在第III族氮化物发光二极管的发光表面上生成晶面的技术。另一实例，美国专利第6,821,804号描述了具有光波长等级的特征的纹理表面。这种特征以不由斯涅尔定律直接预测的方式反射和折射光子且可以提高LED的整体外部效率。当然，这种结构和技术是示例性的而非限制性的，而且当其避免负面影响LED的其他部分或其功能时，可以使用其他化学或物理技术。

在其他实施方式中，其中一个外表面101具有反射体96。

图6是总体上以110指出的LED结构的示意性横截面图，其类似于以上所述本发明的实施方式。LED 110在基板113上具有P层111、有源层124和n层112。欧姆接触114和115分别提供了到P层111和n层112的电连接。在其他实施方式中，图6示出了五个外表面117、118、119、120和121。其中两个外表面(118和119)是透镜的且其中两个外表面(117和120)具有斜角切割。其中三个外表面(117、120和121)分别具有反射体122、123和116。

图7是根据本发明的横向倒装芯片设计的透视横截面视图。图7中，二极管总体上以130指出。基板133形成二极管130的发射面且包括光提取增强面141，该光提取增强面示出为透镜式的，但是也可以是适合该表面的任何其他增强特征。基板133包括斜角侧边缘137和140。

P层131、有源层142和n层132示出为形成了二极管130的发光部分。n型层和P型层各自的表面139和138可包括任何以上描述的增强特征。P型层131上形成有合适的欧姆接触134(并且以一般很好理解的方式潜在地包括金属焊盘)且n型层132上形成有欧姆接触135。

总体上以136指出的反射体覆盖P型层131，除了P型欧姆接触134占据的部分。在本发明的其他实施方式中，反射体136可以是分布式布拉格折射体，而且也可以潜在地包括至少一个金属层(未显示)以增加反射频率的范围。

虽然现有的器件广泛地包括很多包括镜子、斜角和重叠边缘的表面，这些通常限于安装有向下外延侧的竖直结构芯片；也就是在倒装芯片定向中，外延层定位成最靠近安装结构且基板面向发光的优选方向。从光提取效率的角度看，这种竖直器件能经受基板(其典型地是碳化硅)上的n型接触和高度掺杂的碳化硅本身这两者的吸收性质。之前结构的另一缺点是：当结合薄晶片时，用来在碳化硅上形成欧姆接触的激光退火(例如美国专利申请公开第20050104072号)也易于增加吸收以及进一步限制反射层的优势。

在本发明的横向设计实施方式中，外延层上的接触可用提供更大反射率的金属(如铝)制成。该横向设计实施方式也可在p型层内包含传导性减小的区域，这些区域与附近更不透明的特征相适应，如p层的欧姆接触(例如美国专利申请公开第20080217635号)。

作为另一因素，当透明碳化硅用作器件基板时，其透明度可由整体碳化物(solid carbide)的电阻率范围限定；也就是在大多实例中，包括较少掺杂原子(因此具有较高的电阻率)的碳化硅晶体将显示比具有较多掺杂原子(较高传导性)的SiC晶体更大的透明度。竖直器件通常要求较高传导性的基板。在竖直设计中，所要求的较高导电性的基板易于吸收更多的光，从而减少二极管的外部效率。

因此，另一个有益效果是：本文公开的横向设计不需要导电基板。因此，这些横向设计可包含更加透明的(也就是高电阻率)基板而仍显示良好的正向电压特性。

横向设计也为定位任何期望的镜层提供了更多的选择且横向设计芯片可以安装在外延层之上或之下(也就是相对于基板最靠近安装结构或相对于基板更远离安装结构)。在外延层置于安装结构上(“向下”)的情况下，所述镜可位于整个器件的外延侧上。

虽然本发明提供了关于横向设计二极管的有益之处，但是本发明的方面可增强竖直设计二极管的外部效率。对于外延层代表二极管的发射面(也就是外延层“向上”)的设计尤其如此。在这种设计中，外延层带有光增强特征。在这些竖直设计中，所述镜必要地位于器件的背面上或侧壁上或位于背面和侧壁这两者上，但是(当然)绝不在发射面上。在这样的竖直设计中，侧壁可以是此处另外提出的有斜角的或粗化的。

本文所述的光增强设计提供了基于碳化硅折射率的额外优势。特别地，碳化硅与空气的折射率之间的差异，以及碳化硅与最常见密封剂的折射率之间的差异，通常大于其他基板材料(如蓝宝石)与空气或密封剂的折射率之间的差异。因此，碳化硅易于比其他基板材料折射和内部反射更多的光。正因如此，增强碳化硅基二极管的表面的光输出特性对于这些器件的外部量子效率有成比例的更大积极作用。

如图所示，本发明也可以描述为这样的具有多个外表面的发光二极管：其中，至少四个外表面具有选自由斜角切割、纹理、透镜表面和反射体构成的组的光增强特征。在某些情况下，取决于二极管结构和基板性质以及外延层，至少六个外表面可具有这种光增强特征，在其他实施方式中，至少八个外表面可具有这种光增强特征。

在其他实施方式中，至少一个外表面具有不是反射体的某种光增强特征。如前所述，在所有外表面提供反射体将是无意义的，因为这种结构将阻止任何光离开二极管。

附图和说明书中已经阐明了本发明的优选实施方式，虽然使用了特殊术语，但其仅用于一般性和描述性的意义且目的不是为了限制，本发明的范围在权利要求书中限定。

Claims (25)

1.一种发光二极管，包括：

多个外表面；

在所述二极管的所述外表面中的一个的至少一部分上的光增强特征，所述光增强特征选自由成形和纹理构成的组；

在所述二极管的其他外表面的每一个的至少一部分上的光增强特征，所述光增强特征选自由成形、纹理、和反射体构成的组；以及

欧姆接触，相对于所述有源区沿横向定向。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，包括由第III族氮化物材料系统形成的有源区。

3.根据权利要求2所述的发光二极管，进一步包括支撑所述有源区的基板。

4.根据权利要求3所述的发光二极管，其中，所述基板选自由SiC、蓝宝石、硅、和金属构成的组。

5.根据权利要求2所述的发光二极管，其中，所述有源区包括至少一个第III族氮化物外延层；并且

其中，在所述外表面中的一个上的至少一个光增强特征是斜角切割，其中所述外表面限定了相对于所述第III族氮化物外延层的非垂直角度。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，每个外表面包括单个光增强特征。

7.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述外表面中的一个或多个包括至少两个不同的光增强特征。

8.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，至少一个外表面包括反射体。

9.根据权利要求8所述的发光二极管，其中，所述反射体包括一个或多个金属层。

10.根据权利要求8所述的发光二极管，其中，所述反射体包括多个介电层。

11.根据权利要求10所述的发光二极管，其中，所述反射体进一步包括一个或多个金属层。

12.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述光增强特征中的至少一个是选自由机械纹理特征、结晶特征、和透镜特征构成的组的纹理特征。

13.根据权利要求12所述的发光二极管，其中，所述纹理表面包括具有光波长级的特征的随机图案。

14.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述光增强特征中的至少一个包括透镜表面。

15.根据权利要求1所述的发光二极管，其中，所述有源区包括：

至少一个n型层和一个p型层；以及

所述欧姆接触中的一个针对所述n型层制成，所述欧姆接触中的另一个针对所述p型层制成。

16.根据权利要求15所述的发光二极管，其中，在所述外表面中的一个上的至少一个光增强特征是成形斜角切割，所述外表面在该成形斜角切割中限定了相对于所述n型层的非垂直角度。

17.根据权利要求3所述的发光二极管，其中，至少一个外表面包括反射体。

18.根据权利要求17所述的发光二极管，其中，所述反射体在所述基板上与所述有源区相对。

19.根据权利要求17所述的发光二极管，其中，所述反射体包括一个或多个金属层。

20.根据权利要求17所述的发光二极管，其中，所述反射体包括多个介电层。

21.根据权利要求1所述的发光二极管，包括：

有源区，具有至少一个n型层和一个p型层；以及

所述外表面中的至少四个具有选自由斜角切割、纹理、透镜表面、和反射体构成的组的光增强特征。

22.根据权利要求21所述的发光二极管，其中，具有光增强特征的所述表面中的至少两个形成0°到90°之间的角度。

23.根据权利要求21所述的发光二极管，其中，具有光增强特征的所述表面中的至少两个形成30°到60°之间的角度。

24.根据权利要求21所述的发光二极管，其中，所述外表面中的至少六个具有选自由成形、纹理、和反射体构成的组的光增强特征。

25.根据权利要求21所述的发光二极管，包括具有选自由成形、纹理、和反射体构成的组的光增强特征的至少八个外表面。

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