发光器件和用于制造发光器件的方法技术

本发明专利技术涉及发光器件（100），其包括：衬底（102）；布置在衬底（102）上的发光二极管结构（106），二极管结构（106）包括第一半导体层（108）、有源区（110）和第二半导体层（112），其中二极管结构的光输出表面包括多个突出表面结构（104），每个突出表面结构具有峰高度、侧壁斜率（122）和相对于衬底的取向，多个突出表面结构（104）包括第一组和第二组突出表面结构，第一组和第二组突出表面结构在峰高度、侧壁斜率和相对于衬底的取向的至少一个上不同。本发明专利技术还涉及用于制造发光器件的方法，其中突出表面结构通过形成三维图案的压印光刻法和随后的蚀刻来形成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及发光器件。特别地，本专利技术涉及发光二极管和用于制造这样的发光二极管的方法。
技术介绍
在从常规照明系统到光通信系统的各种各样的应用中使用固态发光器件，例如发光二极管(LED)和固态激光器。与白炽灯光源比较，基于LED的照明系统由于LED的低能量消耗和长寿命长度而日益普遍。即使LED已经比常规灯泡更能量有效，但是进一步改进LED的能量效率是合乎需要的。然而，由于在超过布儒斯特角的角度下到达在LED与周围材料之间的界面的光的全内反射所致的光在器件内的捕获限制了在LED中产生的光的提取。特别是，提取效率被在LED和周围材料之间的折射率的差异限制。作为例子，在平坦GaN表面中终止的基于GaN的LED中，只有大约4%的所产生的光实际上被发出。存在目的在于提高提取效率的不同尝试，例如在纹理化蓝宝石衬底上形成GaNLED以便形成一界面，在该界面中全内反射的量减小了。也可通过使用各种表面处理方法使光提取表面粗糙化来改进提取效率。然而，表面粗糙化遭受对因而产生的表面属性的低控制程度的问题，且芯片规模LED处理被复杂化。US2011/0263128建议使用选择性湿法蚀刻来在发光二极管的GaN层中形成包括突出或凹痕的图案，以便影响由LED发出的光的提取效率和/或准直。US2011/0263128还公开了通过选择性湿法蚀刻来图案化蓝宝石衬底的表面。即使可通过前面提到的方法改进提取效率，进一步改进在发光二极管中的提取效率仍然是合乎需要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供给出改进的光提取特性的发光器件并提供用于制造这样的发光器件的方法。根据本专利技术的第一方面，这个和其它目的由一种发光器件实现，该发光器件包括:衬底；布置在衬底上的发光二极管(LED)结构，二极管结构包括第一半导体层、第二半导体层和夹在第一和第二半导体层之间的有源区，第一和第二半导体层中的至少一个具有背离有源区的光输出表面，其中光输出表面包括多个突出表面结构，每个突出表面结构具有峰高度、侧壁斜率和相对于衬底的取向，多个突出表面结构包括第一组和第二组突出表面结构，第一组和第二组突出表面结构在峰高度、侧壁斜率和相对于衬底的取向中的至少一个上不同。衬底在本上下文中应被理解为在宏观规模上是平面的、用作发光器件的基底的结构，其中发光二极管的相应层被接连地沉积在衬底上。峰高度和侧壁斜率关于与衬底平行的参考平面来定义，且表面结构的取向应被理解为该结构在参考平面中的相对对齐。本专利技术基于下面的认识:可通过控制光输出表面的几何结构使得表面包括具有不同的形状、高度或取向的结构来改进来自发光二极管的光的提取效率。由此，在结构之间的差异可被选择成使得所提取的光被防止重新进入发光二极管中。特别是，相对于相邻结构的取向或这样的结构的侧壁斜率可适合于最小化光的重新进入。例如，这可意味着结构布置成使得类似地配置的侧壁不面向彼此。此外，在发光二极管内的全内反射可减小，因为可选择限定界面的结构的斜坡的陡度，从而进一步改进提取效率。包括在峰高度、侧壁斜率和相对于衬底的取向的至少一个上不同的三维表面结构的图案的表面可通过压印光刻法和随后的蚀刻来实现。使用压印光刻法，可提供包括突出表面结构的各种形状的三维图案，其有利地用于改进提取效率。将在下面关于本专利技术的另一方面更详细讨论用于使用压印光刻法来制造发光器件的方法。根据本专利技术的一个实施例，发光器件可包括呈现不同于第二组突出表面结构的峰高度和侧壁斜率的第一组突出表面结构。取决于LED的材料属性和期望的因而产生的光提取属性，可形成在高度、侧壁斜率、取向和几何结构两者上不同的表面结构。多个表面结构可例如包括布置在第一预定图案中的第一组结构和布置在不同于所述第一预定图案的第二预定图案中的第二组表面结构。在本专利技术的一个实施例中，至少一个突出表面结构可具有侧壁斜率，该侧壁斜率具有相对于所述衬底大于50°的角度。提供具有陡侧壁的结构可能是合乎需要的，因为提取效率可通过全内反射的减小而改进。例如，可使用具有相对于衬底的平面比50°更陡的侧壁的金字塔结构。斜率角被定义为如在三角形形状中看到的内侧壁角。特别是，提供具有比通过特定的半导体材料的各向异性湿法蚀刻可实现的更大的侧壁角的结构可能是合乎需要的。在本专利技术的一个实施例中，多个突出表面结构可例如布置在伪随机图案中。表面结构的伪随机布置可能是有利的，因为可提供来自LED的表面的均匀光输出分布。因此，可避免各种衍射现象。在本专利技术的一个实施例中，突出表面结构的至少一个侧壁斜率角可不同于相邻突出表面结构的侧壁斜率角。形成具有不同的属性的邻近表面结构的可能性允许选择邻近结构的侧壁斜率，使得所提取的光被防止重新进入发光二极管。根据本专利技术的一个实施例，所述第一和第二半导体层之一可以是P型掺杂层，而另一个是η型掺杂层。特别是，第一和第二半导体层之一可以是P型GaN层，而另一个可以是η型GaN层。在本专利技术的一个实施例中，第一和第二半导体层之一可包括形成光输出表面的非掺杂或η掺杂缓冲区。该表面结构可同样良好地在布置成在背离有源区的侧面上相邻于第一和第二半导体层中的任一个的非掺杂或轻η掺杂缓冲层中形成。此外，衬底可有利地选自包括蓝宝石、Si和SiC的组。有利地使用在蓝宝石衬底上的基于GaN的LED，因为该材料组合是公知的并且因为所创建的处理方法是容易可得到的。然而，本专利技术的一般概念可同样良好地适用于其中改进提取效率是合乎需要的任何材料组合的发光器件。作为例子，非结晶衬底(例如石英状玻璃衬底)可用作用于形成表面结构的基底。而且，发光二极管结构的有源区可有利地是多量子阱结构。根据本专利技术的第二方面，提供了用于制造发光器件的方法，其包括下列步骤:提供衬底；将掩模层沉积在衬底上；使用压印光刻法在掩模层中形成三维图案；蚀刻掩模层和衬底，使得与掩模层的三维图案对应的三维图案在衬底中形成；以及在衬底上沉积包括第一半导体层、有源区和第二半导体层的发光二极管结构。 在衬底中形成的蚀刻三维图案必须不是掩模图案的确切复制，可以有例如在结构的斜率中的差异。如果蚀刻在所有抗蚀剂被蚀刻掉之前停止的话，在衬底中的因而产生的蚀刻表面结构的截断也许也是可能的。此外，如果蚀刻在掩模层被移除之后继续，掩模的图案和在衬底中的因而产生的蚀刻图案也可能不同。相应地，因为发光二极管结构在图案化衬底上形成，在衬底和第一半导体层之间的界面由三维图案限定。而且，第一半导体层可足够厚，使得有源区形成于的表面实质上是平面的。根据本专利技术的第三方面，提供了用于制造发光器件的方法，其包括下列步骤:提供第一衬底；在第一衬底上沉积包括第一半导体层、有源区和第二半导体层的发光二极管结构；将掩模层沉积在发光二极管结构上；使用压印光刻法在掩模层中形成三维图案；以及蚀刻掩模层和发光二极管结构，使得与掩模层的三维图案对应的三维图案在发光二极管结构中形成。本专利技术的第二和第三方面是极大地类似的，其中压印光刻法用于在掩模层中形成通过蚀刻转移到下层的三维图案。在这两个方面之间的差异是，在第二方面中，压印光刻法用于在发光器件的衬底中形成三维图案，该衬底用作用于发光二极管结构的随后沉积的基底，而在第三方面中，压印光刻法用于直接在发光二极管结构中形成三维图案。在压印光刻法中，期望图案首先通过常规光刻法或通过灰度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光器件（100），包括：衬底（102）；布置在所述衬底上的发光二极管结构（106），所述二极管结构包括第一半导体层（108）、第二半导体层（112）和夹在所述第一半导体层和第二半导体层之间的有源区（110），所述第一半导体层和第二半导体层中的至少一个具有背离所述有源区的光输出表面；其中所述光输出表面包括多个突出表面结构（104），每个突出表面结构具有峰高度、侧壁斜率和相对于所述衬底的取向，所述多个突出表面结构包括第一组和第二组突出表面结构，所述第一组和第二组突出表面结构在所述峰高度、侧壁斜率和相对于所述衬底的取向中的至少一个上不同。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：CE蒂姆梅林，MA维舒尤伦，T洛佩滋，AR巴肯恩德，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL