[发明专利]带有经粗化的高折射率表面层以便进行高度光提取的发光二极管

说明书

【技术领域】

本发明是关于发光二极管(LED)，且更特定言之，是关于用于提高对来自LED之光的提取的新结构。

【背景技术】

发光二极管(LED)是一类将电能转换为光的重要固态装置，且通常包含一夹与两相反掺杂层之间的半导体材料活性层。当将偏压施加至整个掺杂层上时，空穴及电子被注入活性层中，在活性层中其再结合以产生光。光自活性层且自LED之所有表面全向射出。

近期，我们已对由以第III族氮化物为主的材料系统形成之LED抱有浓厚的兴趣，因为其具有独特的材料特性组合，包括高击穿电场、宽带隙(室温下GaN的带隙为3.36eV)，大导带偏移及高饱和电子漂移速度。掺杂层及活性层通常形成于可由诸如硅(Si)、碳化硅(SiC)及蓝宝石(Al₂O₃)等不同材料制成的基板上。SiC晶圆通常较佳，因为其具有与第III族氮化物更加匹配的晶格，此导致具有更高品质的第III族氮化物薄膜。SiC亦具有很高的热传导性，使得SiC上第III族氮化物装置的总输出功率不受晶圆热阻的限制(如形成于蓝宝石或硅上的一些装置受限于此)。而且，半绝缘SiC晶圆的可用性为装置隔离及减少的寄生电容提供容量，使得商业装置成为可能。SiC基板可自North Carolina，Durham的Cree Inc.购得，用于生产其之方法称述于科学文献以及美国专利第Re.34,861号；第4,946,547号及第5,200,022号中。

在制造高效LED的过程中，对来自LED的光的有效提取是主要问题。对于常规的具有单个外部耦合表面的LED，外部量子效率受来自LED之发射区域且穿过基板的光的全内反射(TIR)限制。TIR可由LED的半导体与周围环境之间的折射率之间的较大差值引起。具有SiC基板的LED具有相对较低的光提取效率，因为SiC的折射率(大约2.7)相对于诸如环氧树脂(大约1.5)的周围材料的折射率较高。此差值导致来自活性区域的光线由其可自SiC基板传输至环氧树脂，且最终逃离LED封装的较小的逃逸锥面。

已开发不同方法来降低TIR并改良总的光提取，其中较受欢迎的一种为表面织构化(texturing)。表面织构化通过提供变化表面，使光子有多个机会找到逃逸锥面来提高光的逃逸概率。未找到逃逸锥面的光会继续经受TIR，且以不同的角度反射出织构化表面，直至其找到逃逸锥面。表面织构化的益处已在若干文章中论述过。[请参阅Windisch等人的Impact of Texture-Enhanced Transmission onHigh-Efficiency Surface Textured Light Emitting Diodes，美国应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)第79卷第15号，2001年10月，第2316-2317页；Schnitzer等人的30％External Quantum Efficiency From Surface Textured，Thin Film Light EmittingDiodes，美国应用物理快报第64卷，第16号，1993年10月，第2174-2176页；Windisch等人的Light Extraction Mechanisms in High-Efficiency Surface Textured LightEmitting Diodes，IEEE学报量子电子中所选主题(IEEE Journal on Selected Topics)，第8卷，第2号，2002年3月/4月，第248-255页；Streubel等人的High BrightnessAIGaNInP Light Emitting Diodes，IEEE学报量子电子中所选主题，第8卷，2002年3月/4月号]。

授予Cree Lighting公司之美国专利第6,410,942号揭示了LED结构，其包括形成于第一布展层与第二布展层之间的一阵列电互连微LED。当将偏压施加至整个涂布机上时，微LED发射光。来自该等微LED中之每一微LED的光在仅行进一较短的距离后便达到一表面，藉此降低TIR。

亦授予Cree Lighting公司之美国专利第6,657,236号揭示了用于通过使用以一阵列形成之内部及外部光学元件而提高LED中之光提取的结构。光学元件具有许多不同形状，诸如半球形及棱锥形，且可置于LED各层的表面上或各层内。元件提供可反射、折射或散射光的表面。

【发明内容】