專利名稱：藉由內(nèi)部及外部光學(xué)組件之使用而加強發(fā)光二極管中的光放出的制作方法
本申請主張Thibeault等人于1999年12月3日申請的美國臨時申請案第60/168,817號之利益。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，更進一步系關(guān)于加強其光放出之新結(jié)構(gòu)。
相關(guān)技術(shù)的描述發(fā)光二極管(LED)為一種重要的固態(tài)裝置類別，其用以轉(zhuǎn)換電能到光線，其通常包含一夾在兩個相對摻雜層之間的半導(dǎo)體材料的活動層。當(dāng)一偏壓施加到該摻雜層時，孔及電子被射入到該活動層，在其中被重新結(jié)合來產(chǎn)生光。由該活動區(qū)域所產(chǎn)生的光發(fā)射到所有的方向，且光由所有暴露的表面漏出半導(dǎo)體芯片。發(fā)光二極管的封裝通常用來導(dǎo)引漏出的光進入一所需要的輸出放射截面。
因為半導(dǎo)體材料已有改善，半導(dǎo)體裝置的效率也會改善。新的發(fā)光二極管的制作材料像是InAlGaN，其允許從紫外光到黃色光譜中的有效照明。許多新的發(fā)光二極管與慣用的照明相比，在轉(zhuǎn)換電能到光時會更有效率，也更為可靠。因為發(fā)光二極管有所改善，其被預(yù)期在許多應(yīng)用中取代慣用的光，例如交通信號，室外及室內(nèi)顯示器，汽車頭燈及尾燈，慣用的室內(nèi)照明等。
然而，慣用發(fā)光二極管的效率系受限于其不能夠發(fā)射由其活動層所產(chǎn)生的所有光。當(dāng)一發(fā)光二極管通電時，由其活動層(在所有方向上)所發(fā)射的光，以許多不同的角度達(dá)到該發(fā)射面。典型的半導(dǎo)體材料與周遭空氣(n＝1.0)或壓縮環(huán)氧(n 1.5)相比，具有較高的折射系數(shù)(n 2.2-3.8)。根據(jù)Snell’s法則，由一具有高折射系數(shù)的區(qū)域傳到一在某個臨界角之內(nèi)(相對于表面的正常方向)具有低折射系數(shù)的區(qū)域的光將會穿到該較低系數(shù)的區(qū)域。到達(dá)臨界角之外的表面的光將不會穿過，但將經(jīng)歷全反射(TIR)。在一個發(fā)光二極管的例子中，TIR光可持續(xù)在該發(fā)光二極管中反射，直到其被吸收為止。由于此現(xiàn)象，許多由慣用發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光不會發(fā)射，而降低其效率。
一種降低TIR光的百分比的方法是在發(fā)光二極管的表面產(chǎn)生隨機結(jié)構(gòu)型式的光散射中心。(由Shnitzer等人提出，“30％External Quantum Efficiency FromSurface Textured，Thin Film Light Emitting Diodes”，Applied Physics Letters63，2174-2176頁1993))。該隨機結(jié)構(gòu)系在反應(yīng)離子蝕刻期間，籍由使用次微米直徑聚苯乙烯顆粒在該發(fā)光二極管表面上做為一屏蔽而成型于該表面上。該結(jié)構(gòu)化的表面的特征在于光波長的層級可使光線的折射及反射的方式因隨機干擾效應(yīng)無法由Snell法則來預(yù)測。此方法已證明可改善發(fā)射效率由9到30％。
表面結(jié)構(gòu)的一個缺點是其會妨礙具有特征化的電極層的較差導(dǎo)電性的發(fā)光二極管(例如p-型GaN)中的有效電流展開。在少數(shù)裝置或具有良好導(dǎo)電性的裝置中，自p及n型接觸點的電流將擴展遍及所有的層。而對于大多數(shù)裝置或以較差導(dǎo)電性材料制成的裝置，電流無法由接觸點擴展遍及所有的層。因此，部份活動層因不能有電通過而不能發(fā)光。為在整個二極管區(qū)域產(chǎn)生均勻的電流發(fā)射，一導(dǎo)電材料的展開層可沉積在表面上。然而，此展開層須是透明的才能使光能夠透過該層。當(dāng)一隨機表面結(jié)構(gòu)被加入到該發(fā)光二極管表面，一足夠薄且透明的電流展開器則不能輕易被沉積。
另一個增加光從一發(fā)光二極管放出的方法系包含發(fā)射表面或內(nèi)部接口的一周期性模式，所述內(nèi)部接口將光可由其內(nèi)部投射角重新導(dǎo)向至由該表面的形狀與期間所決定的定義模式。請參考Krames等人所提出的美國專利編號5,779,924。此技術(shù)為一隨機結(jié)構(gòu)表面的一特殊例，其中干擾效應(yīng)不再隨機且表面可將光耦合到特殊的模式或方向。此方法的一個缺點是該結(jié)構(gòu)很難制造，系因為該表面形狀及樣式必須是均勻的，并且非常小，大約是在該發(fā)光二極管光的單一波長的程度。此樣式也會造成沉積一光學(xué)上透明的電流展開層的困難，如前所述。
還有一種增加光放出的方式是通過將發(fā)光二極管的放射表面做成一在中心具有一放射層的半球形。當(dāng)此結(jié)構(gòu)增加放射光的量時，其卻很難制造。由Scifres及Burnham所提出的美國專利編號3,954,534中所揭示的一種方法是形成一種發(fā)光二極管的數(shù)組，在每個發(fā)光二極管之上分別有一半球形。該半球形系形成于一基板中，且一二極管數(shù)組在其上生長。然后，該二極管及晶體結(jié)構(gòu)從該基板上被蝕刻掉。此方法的一個缺點是其局限于將該結(jié)構(gòu)形成在基板接口，而由基板移除該結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致制造成本增加。同時，每個半球皆有一直接地位于其上的放射層，這需要精密的制造。
美國專利編號5,793,062揭示一種增加一發(fā)光二極管的光放出的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)藉由包含光學(xué)性的非吸收層來重新導(dǎo)向光離開諸如接觸點的吸收區(qū)域，也重新導(dǎo)向光朝向該發(fā)光二極管的表面。此結(jié)構(gòu)的一個缺點是，該非吸收層需要形成底切狹角層，對許多材料系統(tǒng)而言難于制造。
另一個加強光放出的方法是將光子耦合到在發(fā)光二極管的放射表面上的一薄膜金屬層之內(nèi)的表面電漿模式，其會放射回到輻射模式。[Knock等人所提出，Strongly Directional Emission From AlGaAs/GaAs Light Emitting Diodes，Applied Physics Letter 57，2327-2329頁，(1990)]。這些結(jié)構(gòu)依賴于將由半導(dǎo)體發(fā)射的光子耦合到該金屬層中的表面電漿，其進一步耦合到最終放出的光子。此裝置的一個缺點是，其很難制造，因為該周期性結(jié)構(gòu)為單一方向架構(gòu)的溝槽間距很窄(＜0.1微米)的格柵。同時，整體外部量子效率低(1.4-1.5％)，大概是由于光子到表面電漿以及表面的電漿-到-周遭光子轉(zhuǎn)換機制的無效。此結(jié)構(gòu)也會對一電流展開層造成同樣的困難，如上所述。
光放出也可藉由使發(fā)光二極管片的側(cè)表面角度化來產(chǎn)生一外形呈倒梯形結(jié)構(gòu)狀的方式來改善。該角度化的表面提供了以一放射面將TIR光投射在該基板材料中[Krames等人提出，High Power Truncated Inverted Pyramid(AlxGal-x)0.5In0.5P/GaP Light Emitting Diodes Exhibiting＞50％External QauntumEfficiency，Applied Physics Letters 75(1999)]。藉由此方法顯示了外部量子效率對于InGaAlP材料系統(tǒng)增加了35％到50％。此方法對于將大量光投射在基板中的裝置是可行的。對于生長在藍(lán)寶石基板上的GaN裝置，許多光投射在GaN膜中，以致于發(fā)光二極管片的側(cè)表面角度化的方式并不能達(dá)到所需要的改善。
還有一種加強光放出的方法是光子循環(huán)利用[Shnitzer等人提出，“UltrahighSpontaneous Emission Quantum Efficiency，99.7％Internally and 72％Externally，F(xiàn)rom AlGaAs/GaAs/AlGaAs Double Heterostructures”，AppliedPhysics Letters 62，131-133頁，(1993)]。此方法依賴于具有一高效率活動層的發(fā)光二極管，其可立即轉(zhuǎn)換電子及孔成為光，反之亦然。TIR光線由該發(fā)光二極管表面反射出來，并撞擊到活動層，從而轉(zhuǎn)換回到一電子電洞對。由于活動層的高效率，該電子電洞對可幾乎立即地重新轉(zhuǎn)換為光，并再次發(fā)射到任意的方向。一百分比的該循環(huán)利用的光將會撞擊在臨界角內(nèi)的其中一發(fā)光二極管發(fā)射表面而漏出。反射回到活動層的光再次經(jīng)過同樣的過程。
此方法的一個缺點是其僅能夠用于以非常低光學(xué)損失的材料制成的發(fā)光二極管，且不能夠用于在其表面上具有一吸收電流展開層的發(fā)光二極管。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一新的具有光放出結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其可配置在一暴露的表面上，或是在發(fā)光二極管之內(nèi)，用于增加光由發(fā)光二極管漏出的機率；因此而增加發(fā)光二極管的光放出及整體效率。該新的發(fā)光二極管易于制造，并提供許多新的選擇及組合來放光。
該新發(fā)光二極管通常包含一具有一p型層，一n型層，及在該p型層與n型層之間的一活動層的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)系夾在一第一展開層與一第二展開層之間。所述展開層為半導(dǎo)體或是傳導(dǎo)層，該傳導(dǎo)層散布電流穿越裝置的平面以使電流可以有效地發(fā)射到活動層。光放出結(jié)構(gòu)包含在新發(fā)光二極管(或基板)之上，或是在其內(nèi)部。該結(jié)構(gòu)提供一空間性變化的折射系數(shù)，并提供表面來允許光在發(fā)光二極管之內(nèi)投射而折射，反射或漏出。在大部份的具體實施例中，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及電流展開層生長于一與第一展開層鄰接，而與發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)相對的基板上。個別的接觸點系包含于第一及第二展開層，一偏壓施加于該接觸點導(dǎo)致發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的活動層發(fā)光。光放出結(jié)構(gòu)較佳地是配置在平行于發(fā)光二極管層的平面中，并大致上覆蓋該發(fā)光二極管的區(qū)域。
該光放出結(jié)構(gòu)較佳地既是光提取組件(LEE)的數(shù)組，又是散射層。在那些暴露表面上具有一LEE數(shù)組的具體實施例中，所述數(shù)組系由一種比發(fā)光二極管包裝材料的折射系數(shù)要高的材料所形成。該LEE可使用許多不同的方法來成形，并提供許多不同表面使另外投射的光漏出。
另外，該新發(fā)光二極管可將LEE數(shù)組放置在發(fā)光二極管本身之內(nèi)，該內(nèi)部LEE數(shù)組也形成來提供一空間性變化的折射系數(shù)。LEE數(shù)組在發(fā)光二極管生長過程期間形成，一旦形成了該數(shù)組，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)剩余的層即由一外延沉積技術(shù)生長于該數(shù)組上使該LEE數(shù)組包含于發(fā)光二極管之內(nèi)。在外延層或基板之中另外投射的光束可與該LEE數(shù)組作用，以折射和/或反射到可從該發(fā)光二極管漏出的光束。
該新發(fā)光二極管的另一具體實施例包含一在其中一發(fā)光二極管暴露表面上的散射層，而所說層系以一具有高于該發(fā)光二極管包裝材料之折射系數(shù)的材料來形成。撞擊到發(fā)光二極管上的散射層的光線有較高的機率散射到一漏出方向。利用一表面材料來形成光散射層，將粗糙度樣式化到半導(dǎo)體表面的問題即可消除，而比Schnitzer的方法具有更佳的優(yōu)點。
另外，該新發(fā)光二極管可將散射層配置在發(fā)光二極管本身之中。該散射層能夠在發(fā)光二極管的外延生長之前形成在基板中或其上面，或在該發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)本身之中。該散射層系以一種折射系數(shù)與基板及/或外延材料不同的材料制成，所以能夠發(fā)生光散射。
大多數(shù)上述的具體實施例，也可使用覆晶安裝技術(shù)，而基板即成為該發(fā)光二極管主要發(fā)射表面。
本發(fā)明的這些及另外其它的特征及好處對于本領(lǐng)域的那些專業(yè)人士將可由以下的詳細(xì)說明，并配合所附圖面而更加了解，其中附圖簡述

圖1所示為一在第二散射層之上具有一LEE數(shù)組的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖2所示為一在基板表面上具有一LEE數(shù)組的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖3所示為可形成于數(shù)組中而與新發(fā)光二極管成一體的LEE的基本形狀的剖面圖；圖4所示為一具有一在基板與第一散射層之間的接口上形成的內(nèi)部LEE數(shù)組的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖5所示為一具有一在第一散射層之內(nèi)形成的LEE數(shù)組的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖6所示為一具有一帶空隙的LEE數(shù)組的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖7所示為一LEE數(shù)組形成在與第一散射層之接口處的基板之內(nèi)的一新發(fā)光二極管的剖面圖；圖8所示為一具有一在第二散射層上形成的表面散射層的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖9所示為一具有一在基板上形成的表面散射層的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖10所示為一具在與基板接口處的第一散射器之內(nèi)形成一內(nèi)部散射層的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖11所示為一具有一在第一散射層之中形成的內(nèi)部散射層的新發(fā)光二極管的剖面圖；圖12所示為一新發(fā)光二極管的剖面圖，內(nèi)部散射層是在外延生長期間在原位形成的；圖13也顯示為新發(fā)光二極管的剖面圖，內(nèi)部散射層是在外延生長期間在原位形成的；圖14所示為一新覆晶安裝發(fā)光二極管的剖面圖，其在基板的表面上具有一LEE數(shù)組；及圖15所示為一新覆晶安裝發(fā)光二極管的剖面圖，其具有一在其中一發(fā)光二極管層內(nèi)形成的表面散射層。
較佳實施例的描述第一實施例圖1所示為根據(jù)本發(fā)明所建構(gòu)的新發(fā)光二極管10的一具體實施例。該新發(fā)光二極管具有一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)12，其包含一夾在兩個相對摻雜層14，15之間的活動層13。在較佳的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)12中，上層14為p型，底層15為n型，雖然在層14，15中相對的摻雜仍可實現(xiàn)。該新發(fā)光二極管具有一由導(dǎo)電材料制成的，將電流由一第一接觸墊18擴展到發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的底層15的第一展開層16。所述第一接觸墊18也可視為n型接觸墊，因為在該較佳具體實施例中底層15為n型。一導(dǎo)電材料的第二展開層20也可包含在發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的上層14上，使電流由一第二接觸點22擴展到上層14。該第二接觸點22也可視為p型接觸點，因為在該較佳發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)12中，上層14為p型。所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，展開層及接觸點，均在一基板24上形成，且第一展開層與基板24鄰接。
所述基板24可由多種材料制成并能導(dǎo)電。當(dāng)導(dǎo)電時，基板24即可做為第一展開層，而一n型接觸點28可直接地沉積在該基板上。電流將會流經(jīng)該基板24到達(dá)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)12的底層。
一表面LEE 26的數(shù)組系由標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體處理技術(shù)形成在第二展開層20。該LEEs 26提供表面使讓正常投射的TIR光通過或折射出及漏出，因此增加發(fā)光二極管10的效率。為了增加其有效性，該LEEs 26應(yīng)該具有比發(fā)光二極管包裝材料(n1)高的折射系數(shù)(n2)。該較高的n2允許更多的光進入LEEs，其通常可進入包裝材料。然后該LEEs的成形表面允許更多的光漏出到該包裝材料。該新發(fā)光二極管10的一個優(yōu)點是易于制造，因為該LEEs可以標(biāo)準(zhǔn)處理技術(shù)，在其被分開之前在發(fā)光二極管的一晶圓上形成。
該新發(fā)光二極管10最好是由AlInGaN材料制成。第二展開器20較佳地是一薄的半透明金屬，諸如Pd，Pt，Pd/Au，Pt/Au，Ni/Au，NiO/Au或任何沉積在發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的上層14之上的其合金，較佳地是p型AlInGaN。第二展開器20可通過許多慣用方法沉積在該新發(fā)光二極管10之上，較佳的方法是蒸發(fā)或濺鍍。第一展開器16較佳地是以n型AlInGaN制成，并可由反應(yīng)離子蝕刻來暴露接觸點。Ni，Al/Ni/Au，Al/Ti/Au，或Al/Pt/Au被用作為n型接觸點18或28到基板24或第一展開器16。
藍(lán)寶石，AlN，SiC或GaN可用作為基板24，因SiC及GaN具導(dǎo)電性，而AlN及藍(lán)寶石具絕緣性。SiC具有一更密集的晶格來符合第三族氮化物，例如GaN，并產(chǎn)生高品質(zhì)的第三族氮化物薄膜。碳化硅也可具有一非常高的熱導(dǎo)電性，所以碳化硅上的第三族氮化物裝置的整體輸出功率不限制于基板的熱消散(如一些在藍(lán)寶石上形成的裝置的狀況)。SiC基板可由美國Durham，North Carolina的CreeResearch公司生產(chǎn)，而其制造方法則可見于美國專利參考編號Re.34,861；4,946,547及5,200,022中的科學(xué)文獻(xiàn)。
較佳地，LEE 26使用以下的方法來形成在裝置上。該LEE材料系由蒸發(fā)，化學(xué)氣相沉積(CVD)或濺鍍法來沉積在表面。較佳的LEE材料為SiC，SiNx，AlN，SiOxNy，Si3N4，ZnSe，TiO2，Ta205，GaN，或SiO，其中最佳的是ZnSe，TiO2，SiNx，AlN及GaN。較佳的LEE厚度的范圍是100納米到10微米。在LEE材料沉積之后，一光感聚合物，諸如光阻，首先暴露出來，并發(fā)展成為一屏蔽。
然后該LEEs 26可以兩種方式形成在LEE材料上。首先，該LEE材料可用一濕式化學(xué)蝕刻通過所述屏蔽蝕刻除去。此蝕刻可底切該屏蔽層以形成所述LEE結(jié)構(gòu)。第二，該屏蔽可再流到一烤爐中來形成屏蔽中彎曲或線性梯度。然后使用反應(yīng)離子蝕刻使將該樣式由該屏蔽轉(zhuǎn)移到LEE材料中，而形成最終的LEE結(jié)構(gòu)。該數(shù)組樣式在本質(zhì)上可為規(guī)律或不規(guī)律，而在個別LEE之問較佳的距離范圍是在1微米到50微米之間。
也可使用其它的方法來形成該LEE結(jié)構(gòu)，此技術(shù)可應(yīng)用到所有的發(fā)光二極管材料系統(tǒng)。同時，上述該LEE的形成也可用于接下來的具體實施例中任何形成的LEE數(shù)組。
第二實施例圖2所示為根據(jù)本發(fā)明所建構(gòu)的一新發(fā)光二極管30的第二具體實施例。其類似于圖1的發(fā)光二極管10，其具有相同的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)12，第一展開器14，基板24，第二展開器16，及n型與p型接觸點18，22。當(dāng)該基板為導(dǎo)電性時，其也可使該n型接觸點23在基板24之上。
然而，在此具體實施例中，LEEs 32系形成在與第一展開器16的基板24相對的表面上。類似于發(fā)光二極管10，LEEs 32系在裝置制造期間或之后，但是是在模子分離之前所形成的。為了加強光放出，LEEs的折射系數(shù)(n2)應(yīng)該大于LEEs的包裝材料的系數(shù)(n1)。在圖1中用于所述新發(fā)光二極管10的較佳材料及制造流程，也可用于此具體實施例中。
另外，LEEs 32可以在基板24中形成。此特別可應(yīng)用于SiC基板及AlInGaN為主的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。該LEEs系通過一蝕刻屏蔽使反應(yīng)離子蝕刻而直接地形成在基板中，或以一雷射或鋸切割該基板來形成。在此例中的LEE的厚度最好是在1微米到200微米的范圍內(nèi)，組件之間的距離最好是在1微米到200微米的范圍內(nèi)。
此新發(fā)光二極管20可特別應(yīng)用在基板區(qū)域內(nèi)具有大量投射的光的發(fā)光二極管，例如一GaN為主的發(fā)光二極管在一SiC基板的狀況。藉由在一數(shù)組中形成LEEs32，新發(fā)光二極管10及20的好處是可以適用于一較大的發(fā)光二極管芯片尺寸，其系與由Krames等人(見上述)所揭示的外形呈倒梯形結(jié)構(gòu)狀處理相比。
對所有的新發(fā)光二極管的具體實施例可以使用不同的形狀以提供最佳光放出。圖3所示為形狀的不同范例的橫剖面圖，其可用于數(shù)組中的LEEs。當(dāng)LEEs 48，50，52，54具有片段的線性表面時，LEEs 42，44，46為曲面。該形狀可被選擇并調(diào)整來達(dá)到一給定具體實施例的最佳光放出。不同的形狀可使用LEE材料及/或屏蔽層與標(biāo)準(zhǔn)濕式化學(xué)，干式蝕刻，雷射或晶圓切割技術(shù)的組合來形成。在圖中所示的形狀僅代表少數(shù)可能的形狀，而此發(fā)明的范圍并不限于所示的形狀。
第三實施例圖4所示為根據(jù)本發(fā)明建構(gòu)的該新發(fā)光二極管60的一第三具體實施例。其也可具有一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)62，第一展開層64，基板66，n型接觸點68，第二展開器70，及p型接觸點72，其皆與發(fā)光二極管10及20類似地配置。然而在此具體實施例中，LEEs 74系形成在一與發(fā)光二極管裝置成一體的數(shù)組中，較佳地是在基板66及第一展開器64之間的接口處。LEE材料必須為一不同的折射系數(shù)n2，與該第二展開器材料的n1不同，藉以提供反射及折射，而通常能將投射的光重新導(dǎo)引到一個允許該光從發(fā)光二極管60漏出的方向。
該LEEs 74較佳地是使用一光阻罩及該LEE材料的濕式化學(xué)蝕刻來形成。為了形成內(nèi)部LEE數(shù)組，外延材料必須重新生長于該LEEs。這最好是由金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，氣相外延(VPE)，或分子束外延(MBE)來完成，而以MOCVD為最佳。較佳的屏蔽材料為SiO2，SiN2，Si3N4，TiO2，AlN及SiO。LEE屏蔽材料的較佳厚度為0.1微米到10微米之間，LEE之間的較佳距離為1微米到50微米之間。此外，內(nèi)部發(fā)光二極管可以放置在發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)內(nèi)不同的位置。
第四及第五實施例圖5所示為根據(jù)本發(fā)明建構(gòu)的新發(fā)光二極管70的一第四具體實施例。其具有與上述具體實施例相同的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)72，展開層75，76，基板78及接觸點80，82。然而，在此具體實施例中，一外延材料層84系在形成LEEs 86之前生長在基板上。外延層84系由MOCVD，VPE或MBE生長，然后LEEs 86即成長在該外延層的表面上的數(shù)組中，而第二展開器75的剩余部份即形成在該LEEs 86之上。此具體實施例可用于在LEE數(shù)組上重新生長發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)76，但需要一額外的外延生長步驟。
在以GaN為主的發(fā)光二極管中具有LEEs在其層之中，在LEE材料上的重新生長可在一MOCVD生長系統(tǒng)中由側(cè)向外延附生(LEO)來達(dá)成。此可提供標(biāo)準(zhǔn)平面生長中優(yōu)良的材料品質(zhì)，而導(dǎo)致另外增加的發(fā)光二極管放射，成為光放出的額外好處。
此外，側(cè)向外延附生處理提供了根據(jù)本發(fā)明所建構(gòu)的發(fā)光二極管90的另一具體實施例，其示于圖6。在此具體實施例中，該LEO生長狀況可被調(diào)節(jié)以在屏蔽材料94上產(chǎn)生LEE空隙92。該空隙92系做為線性(或曲線的)LEEs與第一展開層96成一體。該空隙及LEEs重新導(dǎo)向內(nèi)部投射光來增強光放出。在半導(dǎo)體材料中空隙的形成系由Fini提出。(請參考Fini等人所提，HighQuality Coalescenceof Laterally Overgrown GaN Stripes on GaN/Saophire Seed Layers，AppliedPhysics Letters 75，12，1706-1708頁，(1999))。
第六實施例圖7所示為新發(fā)光二極管100的一第六具體實施例，其具有與前述發(fā)光二極管相同的層。在此具體實施例中，LEEs 102系位于基板104及第一展開器106之間的接口處的一數(shù)組中，但是是在基板104中。LEEs 102系直接形成于該基板104中，其系藉由濕式化學(xué)或干式蝕刻技術(shù)來蝕刻該基板穿過一屏蔽。然后LEEs即生長于蝕刻的區(qū)域中，發(fā)光二極管的剩余層即由MOCVD，VPE或MBE生長于發(fā)光二極管的剩余層。LEEs可以是外延材料重新生長后留在基板中的空隙，或是填入到所述蝕刻區(qū)域的外延材料。
第七實施例圖8所示為該新發(fā)光二極管110的第七具體實施例，其使用一散射層112，該散射層位于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)114側(cè)邊的外延上部，并位于第二電流展開層116的上部。再次地，所述基板，發(fā)光二極管層，及發(fā)光二極管接觸點是與先前具體實施例中所述的型號相同。為達(dá)到最佳效果，所述散射層應(yīng)該具有一比發(fā)光二極管包裝材料的折射系數(shù)n1大的折射系數(shù)n2。一般而言，折射系數(shù)n2愈高，光放出則愈佳。散射層粒子在相鄰粒子之間的距離必須為20微米到1微米之間。粒子尺寸應(yīng)該為20納米到1微米之間。另外，散射層可以是在材料層中具有一不同折射系數(shù)的一系列的孔。
所述散射器112可以用幾種不同的方法來形成。第一種方法系直接以具有所需要折射系數(shù)的微球粒來涂覆發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的表面。較佳的微球粒為ZnSe或TiO2，或任何高系數(shù)，低光學(xué)吸收的材料。發(fā)光二極管可通過沉浸在一溶劑或水中的球粒噴涂或旋涂方式來涂覆。
第二種形成方法系先以蒸發(fā)，CVD或濺鍍來均勻地或?qū)⒔鶆虻厥挂簧⑸淦鞑牧铣练e在發(fā)光二極管表面上。較佳的材料為SiN，AlN，ZnSe，TiO2及SiO。接著，一屏蔽材料即覆蓋在該表面上，較佳屏蔽材料為硅石或聚苯乙烯微球粒，或是諸如一旋涂光阻的一薄聚合物層。該屏蔽材料系被用作為一使散射器材料濕式化學(xué)蝕刻的屏蔽，或用作為干式蝕刻的一燒蝕屏蔽，例如活性離子蝕刻(RIE)。在該樣式被轉(zhuǎn)移到該散射器材料之后，所剩余的屏蔽材料即被移除，而留下一散射器在該發(fā)光二極管表面上。
此處的具體實施例為一種由Schnitzer等人提出的發(fā)光二極管的改善。其提供了不需要蝕刻散射層到半導(dǎo)體材料的優(yōu)點。由此可使得散射器技術(shù)可輕易地應(yīng)用在以GaN為主的材料系統(tǒng)，其中第一展開器材料基本上為一不能輕易地中斷的非常薄的金屬層。
第八實施例圖9所示為一新的發(fā)光二極管120，其為圖8中所述發(fā)光二極管110的變化。發(fā)光二極管120具有相同的發(fā)光二極管層，但在此具體實施例中，所述散射層122系應(yīng)用到基板124的底面上。此方法可特別應(yīng)用到發(fā)光二極管，其中基板的折射系數(shù)系類似于發(fā)光二極管外延層，諸如在SiC上的AlInGaN外延層。
第九及第十實施例圖10及11所示為新發(fā)光二極管130及140，其個別的散射層134，144系位于其第一展開層132，142之中。對于這些具體實施例，散射層系數(shù)n2必須不同于第一散射層的折射系數(shù)n1，才會發(fā)生光的散射。此散射層的較佳材料為硅石，或TiO2微球粒。
對于圖10中的發(fā)光二極管130，散射層134系配置在基板136及第一展開器132之間的接口處。然后發(fā)光二極管層即通過MOCVD，VPE或MBE生長在散射層之上。對于圖11中的發(fā)光二極管140，散射層144系位在第一展開層142之內(nèi)。第一展開器的一層會先生長，然后形成散射層144。然后第一展開器及發(fā)光二極管層的剩余部份生長于該散射層之上。
該散射層也可形成在發(fā)光二極管130，140的其它層之內(nèi)，包含該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及基板的層。散射器也可由其它方法及其它材料來形成。因此，本發(fā)明并不會受限于如所示的散射層的配置。
第十一實施例當(dāng)MOCVD被用作為外延生長工具時，散射層也可使用原位技術(shù)來形成在發(fā)光二極管中。此技術(shù)系特別適用于以GaN為主的發(fā)光二極管。圖12及13顯示兩個具有散射層152，162的發(fā)光二極管150及160，其在第一展開層154，164中原位形成。在發(fā)光二極管150中，其基板155以SiC或藍(lán)寶石制成，而第一展開器154形成為由AlxInyGal-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1制成的未接合島。在第一展開器生長的初始階段，形成了島156。在接合該島156之前，停止生長，而一諸如AlGaN，SiO2或SiN的較低折射系數(shù)材料的層152沉積在該島之間及/或該島之上，產(chǎn)生所需要的內(nèi)部系數(shù)的不連續(xù)性。然后以正常方式生長來完成第一展開層及發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。
對于發(fā)光二極管160，除了使用島來形成該不連續(xù)性，生長狀況可在第一展開層生長的初始階段期間被改變以在其表面上加入一粗糙度。對于以AlInGaN為主的發(fā)光二極管，外延層可藉由增加二硅石的流動，改變氨的流動，或增加第一層生長的速率來生長為粗糙的。一旦加入了粗糙度，較低折射系數(shù)AlGaN或其它介電層162即被沉積。然后依正常狀況生長來完成第一展開器及發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。
如上所述，所述散射層可以放置在其它包含發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的層及基板的層中，本發(fā)明并不受限于所示的配置。
覆晶實施例最后，在上述的所有具體實施例中，所述裝置可使用覆晶接合技術(shù)。圖14所示為一新的發(fā)光二極管170接合于這樣的架構(gòu)中。該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)172系以一導(dǎo)電反射層175來涂覆，而一第二展開層189則由一導(dǎo)電黏合媒體來固接到反射層175。然后一次固定層176安裝在該第二展開層189上。一p-接觸點188包含于一次固定層176上，并與第二展開層189接合。施加于p-接觸點188的電流擴展到第二展開層并流到發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的上層。
一n-接觸點178也包含在該次固定層176上，并經(jīng)由一第二導(dǎo)電接合層182與第一展開層180耦合。來自n-接觸點178的電流通過層182流到第一展開器180，并進入發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的底層。LEEs 186于基板184的底面上形成。
自發(fā)光二極管170發(fā)射出的光主要穿過其基板184，由此結(jié)構(gòu)放出光可被改善而超越慣用的接合結(jié)構(gòu)，這取決于所使用的LEE數(shù)組或散射器的型號。此處，該重新導(dǎo)向的光可在第一漏出穿過芯片，其在重新導(dǎo)向之后降低任何光穿過基板返回的光學(xué)損失。
圖15顯示一新發(fā)光二極管190，其使用類似于發(fā)光二極管170的覆晶接合。然而，除了利用LEEs，其具有一在第二展開器194及反射層196的接口處的散射層192。
雖然本發(fā)明已藉由其某些較佳具體實施例來加以說明其細(xì)節(jié)，但也可有其它的版本。其它利用LEE數(shù)組的發(fā)光二極管架構(gòu)，也可由本領(lǐng)域的一專業(yè)人士來想象。該新發(fā)光二極管可具有不同的LEE數(shù)組及散射層的組合。LEEs可具有不同的形狀，尺寸，相鄰LEE之間的空間，并可放置在不同的位置。類似地，散射層可用不同的材料制成，并放置在不同的位置。因此，所附申請專利范圍的精神及范圍必須不受限于以上所述的較佳具體實施例。
權(quán)利要求
1.一種具有加強光放出結(jié)構(gòu)之發(fā)光二極管(LED)，包含一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(12)，其設(shè)有一外延生長p-型層(14)；一外延生長n-型層(15)；及一外延生長活動層(13)，其位于所述p-型與n-型層(14，15)之間；一第一展開層(16)，其與所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(12)鄰接；一第二展開層(20)，其與所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(12)鄰接，并與所述第一展開層(16)相對；及光放出結(jié)構(gòu)(26)，其與所述發(fā)光二極管整體配置，所述光放出結(jié)構(gòu)提供表面使所述發(fā)光二極管內(nèi)投射的光從所述發(fā)光二極管中散射出、反射出及/或折射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其特征在于其進一步包含一基板(24)，該基板與所述第一展開層(16)鄰接，并與所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(12)相對。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其特征在于所述基板(24)系導(dǎo)電的并作為一展開層(16)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)配置在與所述發(fā)光二極管平行的平面中，并大致覆蓋所述發(fā)光二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(26)包含一光提取組件(LEEs)的數(shù)組。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的發(fā)光二極管，其特征在于所述光提取組件(LEEs)(42，44，46)具有曲面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的發(fā)光二極管，其特征在于所述光提取組件(LEEs)(48，50，52，54)具有片段線性表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)包含一散射層(112，122，134，144，152，162)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的發(fā)光二極管，其特征在于所述散射層包含一微粒層(112，122，134，144)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的發(fā)光二極管，其特征在于所述微粒層(112，122，134，144)具有與所述發(fā)光二極管(LED)的層不同的折射系數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的發(fā)光二極管，其特征在于所述散射層包含一在所述發(fā)光二極管(LED)中的粗糙的材料層(152，162)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的發(fā)光二極管，其特征在于所述粗糙層(152，162)具有一與所述發(fā)光二極管(LED)不同的折射系數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(26)配置在所述第二展開層(20)之上，與所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(12)相對。
14.根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(32)配置在所述基板(24)的表面上，與所述第一展開層(16)相對。
15.根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(74，86，94，102)配置在所述發(fā)光二極管(LED)的層內(nèi)部。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(74，86，94，102)具有與所述發(fā)光二極管(LED)的層不同的折射系數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(74)配置在所述基板(66)和所述第一展開層(64)之間的接口上，所述結(jié)構(gòu)(74)大致上在所述第一展開層(64)之內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求2之發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(86)配置在所述第一展開層(75)之內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(102)配置在所述基板(104)和所述第一展開層(106)之間的接口上，所述結(jié)構(gòu)大致上在所述基板(104)之內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管，其特征在于其進一步包含一在所述第一展開層(16)之上的第一接觸點(18)和一在所述第二展開層(20)之上的第二接觸點(22)，一施加在所述接觸點(18，22)兩端的偏壓使所述發(fā)光二極管(13)發(fā)光。
21.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光二極管，其特征在于所述基板(24)系導(dǎo)電的且所述發(fā)光二極管進一步包含一在所述基板(24)之上的第一接觸點(28)和一在所述第二展開層(20)之上第二接觸點(22)，一施加在所述接觸點(18，22)兩端的偏壓使所述活動層(13)發(fā)光。
22.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光二極管，其特征在于其進一步包含一次固定層(176)；一反射層(174)，其配置在所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(172)上；一第二展開層(189)，其在所述的次固定層(176)上與所述反射層(174)固接并與所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(172)相對；一偏壓施加于所述第一和第二導(dǎo)電層(188，182)使所述活動層發(fā)光，所述基板為主要發(fā)射表面。
23.一種具有加強光放出之發(fā)光二極管，其包含一p-型層(14)；一n-型層(15)；一夾在所述p-型及n-型層(14，15)之間的活動層(13)，其中p-型(14)或n-型(15)為一上層，而另一層則為底層；一與所述底層鄰接的第一展開層(16)；一在所述上層上的第二展開層(20)；個別的電接觸點(18，22)在所述展開層(16，20)之上，以致于一施加在所述接觸點(18，22)兩端的偏施使所述活動層(13)發(fā)光；一與所述第一展開層(16)鄰接的基板(24)；及光放出結(jié)構(gòu)(26)，其與所述層成一體，跑合平行于所述層，并大致上覆蓋所述發(fā)光二極管，所述光放出結(jié)構(gòu)(26)提供表面使所述發(fā)光二極管之內(nèi)投射的光可以從所述發(fā)光二極管中散射出，反射出及/或折射出。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)包含一具有彎曲和片段線性表面的光提取組件(LEEs)的數(shù)組(42，44，46，48，50，52，54)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)包含一散射層(112，122，134，144，152，162)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的發(fā)光二極管，其特征在于所述散射層(152，162)包含一在所述發(fā)光二極管內(nèi)的粗糙的材料層。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(26)配置在所述第二展開層(20)上，與所述上層相對。
28.根據(jù)權(quán)利要求23的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(32)配置在所述基板(24)的表面上，與所述第一展開層(16)相對。
29.根據(jù)權(quán)利要求23的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(74，86，94，102)配置在所述發(fā)光二極管的層內(nèi)部。
30.根據(jù)權(quán)利要求23的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(74)配置在所述基板(66)和所述第一展開層(64)之間的接口上，所述結(jié)構(gòu)(74)大致上在所述第一展開層(64)之間。
31.根據(jù)權(quán)利要求23的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(86)配置在所述第一展開層(75)之間。
32.根據(jù)權(quán)利要求23的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(102)配置在所述基板(104)和所述第一展開層(106)之間的接口上，所述結(jié)構(gòu)(102)大致上在所述基板(104)之間。
33.一種具有加強光放出結(jié)構(gòu)之發(fā)光二極管(LED)，包含一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(172)，其設(shè)有一外延生長p-型層；-外延生長n-型層；及一外延生長活動層，其位于所述p-型與n-型層之間；一沉積在所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(172)上的反射層(175)；一位于所述反射層(175)上的第二展開層(189)；一位于所述第二展開層(189)之上的次固定層(176)；一第一展開層(180)，其與所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(172)鄰接，與所述反射層(174)相對；一偏壓施加于所述第一及第二展開層(189，180)，使所述活動層發(fā)光，所述基板(184)成為主要發(fā)光表面；及光放出結(jié)構(gòu)(186)，其與所述發(fā)光二極管成一體，所述光放出結(jié)構(gòu)(186)系跑合平行于所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(172)，并大致上覆蓋所述發(fā)光二極管。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(186)包含一具有彎曲和片段線性表面的光提取組件(LEEs)的數(shù)組。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的發(fā)光二極管，其特征在于所述光放出結(jié)構(gòu)(186)包含一散射層。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的發(fā)光二極管，其特征在于其進一步包含一位于所述次固定層(176)上并與所述第二展開層(189)鄰接的p-接觸點(188)，一位于所述次固定層(176)和第一展開層(180)之間的導(dǎo)電媒體(182)，以及一位于所述次固定層(176)上并與所述導(dǎo)電媒體(182)鄰接的n-接觸點(178)，一施加在所述p-和n-接觸點(188，178)兩端的偏壓使所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(172)發(fā)光。
37.一種具有一內(nèi)部散射層的發(fā)光二極管以加強光放出之生長方法，其包括以下步驟將一基板(155)置于一半導(dǎo)體材料生長的反應(yīng)器中；使一第一半導(dǎo)體層(164)在所述基板(155)上生長，所述第一層(164)具有一粗糙表面；速所述半導(dǎo)體層的生長停止；使一半導(dǎo)體材料散射層(162)在所述粗糙層上生長，所述散射層具有與所述第一層不同的折射系數(shù)；使一第二層在所述散射層(162)上生長，所述第二層具有與所述第一層(164)類似的折射系數(shù)；及使一半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)(72)在所述第二層上生長。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其特征在于所述發(fā)光二極管系以AlInGaN為主的且所述第一層藉由增加二硅石的流動，改變氨的流動，或增加所述第一層生長的速率來生長為粗糙的。
39.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其特征在于所述發(fā)光二極管具有一第一展開層(164)，而所述第二展開層(162)在所述展開層(164)中生長。
40.一種具有一內(nèi)部散射層以加強光放出之AlInGaN發(fā)光二極管的制造方法，其包括以下步驟將一基板(155)置于一半導(dǎo)體材料生長的反應(yīng)器中；使一由AlxInyGal-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1制成的材料的未接合島(156)在所述基板(155)上生長；使所述島(156)的生長停止；將一散射層(152)沉積在所述未接合島(156)上，所述散射層具有一與所述高摻雜的GaN材料不同的折射系數(shù)；使一由AlxInyGal-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1制成的材料層(154)在所述散射層上生長，所述層具有一平滑表面；及使一發(fā)光結(jié)構(gòu)(72)在所述層(154)上生長。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種新的發(fā)光二極管,其包含在發(fā)光二極管之上或其中的光放出結(jié)構(gòu)(26),以增加其效率。新的光放出結(jié)構(gòu)(26)提供將光反射,折射或散射到比較有利于光漏出封裝的方向的表面。該結(jié)構(gòu)可以是光提取組件(42,44,46,48,50,52)或散射層(112,122,134,144,152,162)的數(shù)組。光提取組件可具有多種不同的形狀并可放置在許多地方以增強超越慣用的發(fā)光二極管的效率。散射層提供光散射中心并可放置在許多地方。新的具有光提取組件數(shù)組的發(fā)光二極管可以使用標(biāo)準(zhǔn)的處理技術(shù),以近似于標(biāo)準(zhǔn)的成本來制造。具有散射層的該新發(fā)光二極管以新的方法制造且亦易于制造。
文檔編號H01L33/22GK1423842SQ00818419
公開日2003年6月11日 申請日期2000年11月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月3日
發(fā)明者B·希貝歐特, M·馬克, S·P·迪巴爾司 申請人:美商克立光學(xué)公司