藉由内部及外部光学组件之使用而加强发光二极管中的光放出制造技术

本发明专利技术揭示一种新的发光二极管，其包含在发光二极管之上或其中的光放出结构（２６），以增加其效率。新的光放出结构（２６）提供将光反射，折射或散射到比较有利于光漏出封装的方向的表面。该结构可以是光提取组件（４２，４４，４６，４８，５０，５２）或散射层（１１２，１２２，１３４，１４４，１５２，１６２）的数组。光提取组件可具有多种不同的形状并可放置在许多地方以增强超越惯用的发光二极管的效率。散射层提供光散射中心并可放置在许多地方。新的具有光提取组件数组的发光二极管可以使用标准的处理技术，以近似于标准的成本来制造。具有散射层的该新发光二极管以新的方法制造且亦易于制造。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请主张Thibeault等人于1999年12月3日申请的美国临时申请案第60/168,817号之利益。
技术介绍
专利
本专利技术涉及一种发光二极管，更进一步系关于加强其光放出之新结构。相关技术的描述发光二极管(LED)为一种重要的固态装置类别，其用以转换电能到光线，其通常包含一夹在两个相对掺杂层之间的半导体材料的活动层。当一偏压施加到该掺杂层时，孔及电子被射入到该活动层，在其中被重新结合来产生光。由该活动区域所产生的光发射到所有的方向，且光由所有暴露的表面漏出半导体芯片。发光二极管的封装通常用来导引漏出的光进入一所需要的输出放射截面。因为半导体材料已有改善，半导体装置的效率也会改善。新的发光二极管的制作材料像是InAlGaN，其允许从紫外光到黄色光谱中的有效照明。许多新的发光二极管与惯用的照明相比，在转换电能到光时会更有效率，也更为可靠。因为发光二极管有所改善，其被预期在许多应用中取代惯用的光，例如交通信号，室外及室内显示器，汽车头灯及尾灯，惯用的室内照明等。然而，惯用发光二极管的效率系受限于其不能够发射由其活动层所产生的所有光。当一发光二极管通电时，由其活动层(在所有方向上)所发射的光，以许多不同的角度达到该发射面。典型的半导体材料与周遭空气(n＝1.0)或压缩环氧(n 1.5)相比，具有较高的折射系数(n 2.2-3.8)。根据Snell’s法则，由一具有高折射系数的区域传到一在某个临界角之内(相对于表面的正常方向)具有低折射系数的区域的光将会穿到该较低系数的区域。到达临界角之外的表面的光将不会穿过，但将经历全反射(TIR)。在一个发光二极管的例子中，TIR光可持续在该发光二极管中反射，直到其被吸收为止。由于此现象，许多由惯用发光二极管所产生的光不会发射，而降低其效率。一种降低TIR光的百分比的方法是在发光二极管的表面产生随机结构型式的光散射中心。(由Shnitzer等人提出，“30％External Quantum Efficiency FromSurface Textured，Thin Film Light Emitting Diodes”，Applied Physics Letters63，2174-2176页1993))。该随机结构系在反应离子蚀刻期间，籍由使用次微米直径聚苯乙烯颗粒在该发光二极管表面上做为一屏蔽而成型于该表面上。该结构化的表面的特征在于光波长的层级可使光线的折射及反射的方式因随机干扰效应无法由Snell法则来预测。此方法已证明可改善发射效率由9到30％。表面结构的一个缺点是其会妨碍具有特征化的电极层的较差导电性的发光二极管(例如p-型GaN)中的有效电流展开。在少数装置或具有良好导电性的装置中，自p及n型接触点的电流将扩展遍及所有的层。而对于大多数装置或以较差导电性材料制成的装置，电流无法由接触点扩展遍及所有的层。因此，部份活动层因不能有电通过而不能发光。为在整个二极管区域产生均匀的电流发射，一导电材料的展开层可沉积在表面上。然而，此展开层须是透明的才能使光能够透过该层。当一随机表面结构被加入到该发光二极管表面，一足够薄且透明的电流展开器则不能轻易被沉积。另一个增加光从一发光二极管放出的方法系包含发射表面或内部接口的一周期性模式，所述内部接口将光可由其内部投射角重新导向至由该表面的形状与期间所决定的定义模式。请参考Krames等人所提出的美国专利编号5,779,924。此技术为一随机结构表面的一特殊例，其中干扰效应不再随机且表面可将光耦合到特殊的模式或方向。此方法的一个缺点是该结构很难制造，系因为该表面形状及样式必须是均匀的，并且非常小，大约是在该发光二极管光的单一波长的程度。此样式也会造成沉积一光学上透明的电流展开层的困难，如前所述。还有一种增加光放出的方式是通过将发光二极管的放射表面做成一在中心具有一放射层的半球形。当此结构增加放射光的量时，其却很难制造。由Scifres及Burnham所提出的美国专利编号3,954,534中所揭示的一种方法是形成一种发光二极管的数组，在每个发光二极管之上分别有一半球形。该半球形系形成于一基板中，且一二极管数组在其上生长。然后，该二极管及晶体结构从该基板上被蚀刻掉。此方法的一个缺点是其局限于将该结构形成在基板接口，而由基板移除该结构会导致制造成本增加。同时，每个半球皆有一直接地位于其上的放射层，这需要精密的制造。美国专利编号5,793,062揭示一种增加一发光二极管的光放出的结构，该结构藉由包含光学性的非吸收层来重新导向光离开诸如接触点的吸收区域，也重新导向光朝向该发光二极管的表面。此结构的一个缺点是，该非吸收层需要形成底切狭角层，对许多材料系统而言难于制造。另一个加强光放出的方法是将光子耦合到在发光二极管的放射表面上的一薄膜金属层之内的表面电浆模式，其会放射回到辐射模式。[Knock等人所提出，Strongly Directional Emission From AlGaAs/GaAs Light Emitting Diodes，Applied Physics Letter 57，2327-2329页，(1990)]。这些结构依赖于将由半导体发射的光子耦合到该金属层中的表面电浆，其进一步耦合到最终放出的光子。此装置的一个缺点是，其很难制造，因为该周期性结构为单一方向架构的沟槽间距很窄(＜0.1微米)的格栅。同时，整体外部量子效率低(1.4-1.5％)，大概是由于光子到表面电浆以及表面的电浆-到-周遭光子转换机制的无效。此结构也会对一电流展开层造成同样的困难，如上所述。光放出也可藉由使发光二极管片的侧表面角度化来产生一外形呈倒梯形结构状的方式来改善。该角度化的表面提供了以一放射面将TIR光投射在该基板材料中[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)]。藉由此方法显示了外部量子效率对于InGaAlP材料系统增加了35％到50％。此方法对于将大量光投射在基板中的装置是可行的。对于生长在蓝宝石基板上的GaN装置，许多光投射在GaN膜中，以致于发光二极管片的侧表面角度化的方式并不能达到所需要的改善。还有一种加强光放出的方法是光子循环利用[Shnitzer等人提出，“UltrahighSpontaneous Emission Quantum Efficiency，99.7％Internally and 72％Externally，From AlGaAs/GaAs/AlGaAs Double Heterostructures”，AppliedPhysics Letters 62，131-133页，(1993)]。此方法依赖于具有一高效率活动层的发光二极管，其可立即转换电子及孔成为光，反之亦然。TIR光线由该发光二极管表面反射出来，并撞击到活动层，从而转换回到一电子电洞对。由于活动层的高效率，该电子电洞对可几乎立即地重新转换为光，并再次发射到任本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有加强光放出结构之发光二极管（ＬＥＤ），包含： 一发光二极管结构（１２），其设有： 一外延生长ｐ－型层（１４）； 一外延生长ｎ－型层（１５）；及 一外延生长活动层（１３），其位于所述ｐ－型与ｎ－型层（１４，１５）之间； 一第一展开层（１６），其与所述发光二极管结构（１２）邻接； 一第二展开层（２０），其与所述发光二极管结构（１２）邻接，并与所述第一展开层（１６）相对；及 光放出结构（２６），其与所述发光二极管整体配置，所述光放出结构提供表面使所述发光二极管内投射的光从所述发光二极管中散射出、反射出及／或折射出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 1999-12-3 60/168,8171.一种具有加强光放出结构之发光二极管(LED)，包含一发光二极管结构(12)，其设有一外延生长p-型层(14)；一外延生长n-型层(15)；及一外延生长活动层(13)，其位于所述p-型与n-型层(14，15)之间；一第一展开层(16)，其与所述发光二极管结构(12)邻接；一第二展开层(20)，其与所述发光二极管结构(12)邻接，并与所述第一展开层(16)相对；及光放出结构(26)，其与所述发光二极管整体配置，所述光放出结构提供表面使所述发光二极管内投射的光从所述发光二极管中散射出、反射出及/或折射出。2.根据权利要求1的发光二极管，其特征在于其进一步包含一基板(24)，该基板与所述第一展开层(16)邻接，并与所述发光二极管结构(12)相对。3.根据权利要求1的发光二极管，其特征在于所述基板(24)系导电的并作为一展开层(16)。4.根据权利要求1的发光二极管，其特征在于所述光放出结构配置在与所述发光二极管平行的平面中，并大致覆盖所述发光二极管。5.根据权利要求4的发光二极管，其特征在于所述光放出结构(26)包含一光提取组件(LEEs)的数组。6.根据权利要求5的发光二极管，其特征在于所述光提取组件(LEEs)(42，44，46)具有曲面。7.根据权利要求5的发光二极管，其特征在于所述光提取组件(LEEs)(48，50，52，54)具有片段线性表面。8.根据权利要求1的发光二极管，其特征在于所述光放出结构包含一散射层(112，122，134，144，152，162)。9.根据权利要求8的发光二极管，其特征在于所述散射层包含一微粒层(112，122，134，144)。10.根据权利要求9的发光二极管，其特征在于所述微粒层(112，122，134，144)具有与所述发光二极管(LED)的层不同的折射系数。11.根据权利要求8的发光二极管，其特征在于所述散射层包含一在所述发光二极管(LED)中的粗糙的材料层(152，162)。12.根据权利要求11的发光二极管，其特征在于所述粗糙层(152，162)具有一与所述发光二极管(LED)不同的折射系数。13.根据权利要求4的发光二极管，其特征在于所述光放出结构(26)配置在所述第二展开层(20)之上，与所述发光二极管结构(12)相对。14.根据权利要求4的发光二极管，其特征在于所述光放出结构(32)配置在所述基板(24)的表面上，与所述第一展开层(16)相对。15.根据权利要求4的发光二极管，其特征在于所述光放出结构(74，86，94，102)配置在所述发光二极管(LED)的层内部。16.根据权利要求15的发光二极管，其特征在于所述光放出结构(74，86，94，102)具有与所述发光二极管(LED)的层不同的折射系数。17.根据权利要求2的发光二极管，其特征在于所述光放出结构(74)配置在所述基板(66)和所述第一展开层(64)之间的接口上，所述结构(74)大致上在所述第一展开层(64)之内。18.根据权利要求2之发光二极管，其特征在于所述光放出结构(86)配置在所述第一展开层(75)之内。19.根据权利要求2的发光二极管，其特征在于所述光放出结构(102)配置在所述基板(104)和所述第一展开层(106)之间的接口上，所述结构大致上在所述基板(104)之内。20.根据权利要求1的发光二极管，其特征在于其进一步包含一在所述第一展开层(16)之上的第一接触点(18)和一在所述第二展开层(20)之上的第二接触点(22)，一施加在所述接触点(18，22)两端的偏压使所述发光二极管(13)发光。21.根据权利要求2的发光二极管，其特征在于所述基板(24)系导电的且所述发光二极管进一步包含一在所述基板(24)之上的第一接触点(28)和一在所述第二展开层(20)之上第二接触点(22)，一施加在所述接触点(18，22)两端的偏压使所述活动层(13)发光。22.根据权利要求2的发光二极管，其特征在于其进一步包含一次固定层(176)；一反射层(174)，其配置在所述发光二极管结构(172)上；一第二展开层(189)，其在所述的次固定层(176)上与所述反射层(174)固接并与所述发光二极管结构(172)相对；一偏压施加于所述第一和第二导电层(188，182)使所述活动层发光，所述基板为主要发射表面。23.一种具有加强光放出之发光二极管，其包含一p-型层(14)；一n-型层(15)；一夹在所述p-型及n-型层(14，15)之间的活动层(13)，其中p-型(14)或n-型(15)为一上层，而另一层则为底层；一与所述底层邻接的第一展开层(16)；一在所述上层上的第二展开层(20)；个别的电接触点(18，22)在所述展开层(16，20)之上，以致于一施加在所述接触点(18，22)两端的偏施使所述活动层(13)发光；一与所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：B希贝欧特，M马克，SP迪巴尔司，
申请(专利权)人：美商克立股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]