[發明專利]具有通過粗化的改進的光提取的發光二極管(LED)

無效

• 申請號: 201210002738.2
• 申請日: 2012-01-05
• 公開（公告）號: CN102593288A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 朱振甫;鄭好鈞;樊峰旭;劉文煌;鄭兆禎
• 申請（專利權）人: 旭瑞光電股份有限公司
• 主分類號: H01L33/02
• 分類號: H01L33/02
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 任默聞

相關申請的交叉引用

本申請是于2007年12月14日提交的未決的美國申請序列號11/956,962的一部分，其是現在為美國專利號7,524,686、于2007年3月23日提交的美國申請序列號11/690,443的部分連續，其是現在為美國專利號7,563,625、于2006年12月29日提交的美國申請序列號11/618,468的部分連續，其是現在為美國專利號7,186,580、于2005年1月11日提交的美國申請序列號11/032,880的部分連續，這些專利均通過引用并入本文中。

技術領域

本發明涉及發光二極管并且更特別地涉及用于增加它們的光提取的新的LED結構。

背景技術

發光二極管(LED)是將電能轉換成光的固態器件中的重要類別。LED通常提供了夾在兩個相對摻雜層之間的半導體材料的有源層。當跨越摻雜層施加偏壓時，空穴和電子被注入到其中它們重新結合以生成光的有源層中。由有源區所生成的光在所有方向上發射并且光通過所有暴露的表面逃逸出半導體芯片。

隨著半導體材料已經改進，半導體器件的效率也已經提高。新的LED正由諸如InAlGaN的材料制成，其支持紫外線到琥珀色光譜中的有效照明。與常規光源相比較新的LED中的許多在將電能轉換成光方面是更高效的并且它們可以是更可靠的。隨著LED改進，期望它們在許多應用中代替常規光源，諸如交通信號、戶外顯示器和室內顯示器、汽車頭燈和尾燈、常規室內照明等等。

常規LED的效率受到它們無法發射由它們的有源層所生成的全部光的限制。當LED通電時，從其有源層(在所有方向上)發射的光以許多不同的角度到達發射表面。與周圍空氣(n＝1.0)或灌封環氧(n≈1.5)相比較，典型的半導體材料具有高折射率(n≈2.2-3.8)。根據斯涅爾定律，在特定臨界角(相對于表面法向方向)內的從具有高折射率的區傳播到具有低折射率的區的光將過渡到較低的折射率區。到達表面超過臨界角的光將不過渡但是將經歷全內發射(TIR)。在LED的情況下，TIR光能夠繼續在LED內反射直到其被吸收為止。由于這個現象，所以由常規LED所生成的大量的光沒有發射，這降低了它的效率。

減少TIR光的部分的一個方法在于在LED的表面上以隨機織構化的形式創建光散射中心。隨機織構化在活性離子刻蝕期間通過使用作為掩膜的LED表面上的亞微米直徑聚苯乙烯球體而形成圖案到表面中。有紋理的表面具有大約由于隨機干擾效應不以斯涅爾定律所預測的方式折射和反射光的光的波長的特征。已經證明這個方法將發射效率提高了9至30％。

如美國專利號6,821,804中所討論，表面織構化的一個缺點是它能夠阻止有效電流在具有用于諸如p型GaN的有紋理的電極層的不良電導電性的LED中擴散。在較小的器件或具有良好電導電性的器件中，來自p和n型層觸點的電流將傳遍各層。采用較大的器件或由具有不良電導電性的材料制成的器件，電流不能夠從觸點傳遍層。因此，有源層的一部分將不經歷電流并且將不發射光。為了跨越二極管區域創建均勻電流注入，能夠將導電材料的擴散層沉積在表面上。然而，這個擴散層常常需要是光學上透明的從而使得光能夠發射穿過該層。當在LED表面上引入了隨機表面結構時，不能夠容易地沉積有效薄的并且光學上透明的電流撒布器。

增加從LED的光提取的另一方法是包括使光從其內部俘獲角改變方向到由表面的形狀和周期所確定的定義模式的發射表面或內部界面的周期圖樣。見給Krames?et?al的美國專利號5,779,924。這個技術是其中干擾效應不再是隨機的并且表面將光耦合到特定模式或方向中的隨機有紋理的表面的特殊情況。這個方法的一個缺點是可能難以制造該結構，因為表面形狀和圖案必須是均勻的并且是非常小的，約LED的光的單個波長。這個圖案在沉積如上文所描述的光學上透明的電流擴散層中還能夠帶來困難。

還已經通過將LED的發射表面成形到半球體中實現了在光提取方面的增加，其中發射層在中心。雖然這個結構增加了發射的光的數量，但是其制造是困難的。給Scifres和Burnham的美國專利號3,954,534公開了一種使用在LED中的每一個之上的相應半球體來形成LED的陣列的方法。半球體被形成在基底中并且二極管陣列生長在它們之上。然后遠離基底對二極管和晶體結構進行蝕刻。這個方法的一個缺點是它受限于在基底界面處結構的形成，并且來自基底的結構的升離導致增加的制造成本。同樣地，每個半球體都具有直接在其之上的發射層，這需要精確的制造。