[发明专利]高光萃取效率发光器件

说明书

技术领域

本发明涉及提高光萃取效率的发光器件,特别涉及III族氮化物发光器件。

背景技术

近年来氮化物发光二极管取得快速进展。在可见光领域，由于技术进步和价格下降，InGaN发光二极管正对传统的照明灯具白炽灯和荧光灯发出挑战。目前，商用InGaN发光二极管的白光效率高达130流明/瓦。在紫外领域，特别是在UVB、UVC波段，AlGaN发光二极管技术虽然还处于起步阶段，但寿命和光功率密度已经超过传统的紫外灯。利用紫外杀菌效应，高效率的UVB、UVC发光二极管将会广泛用于消毒方面，在食品安全、水处理和医药应用等领域带来革命性进步。

与传统光源不同的是，发光二极管是固体光源，它的折射率n通常大于2，比空气或真空的折射率（n为1）大很多。例如氮化镓基可见光二极管，其发光区InGaN材料的折射率大于2.46（随In组分不同而略有变化）。当一束光从光密媒质射向光疏媒质时，如果入射角大于临界角将会发生全内反射。如图1A所示，设光密媒质的折射率是n₂，光疏媒质的折射率是n₁，临界角?_c由下式决定： ?_c=arcsin(n₁/n₂)。由于存在全内反射，只有入射角度小于临界角的光才能从光密进入光疏媒质，这将形成一个出光锥,光锥对应的立体角是Ω=2π(1?cos?_c)。假设出光方向具有各向同性，从出光锥中逸出的光百分比只有(1?cos?_c)/2。为了简明，下文只用方向朝下的光阐述本发明的内容。（如图1A）。下出光锥中逸出的光占向下传播的光的百分比（效率）是(1?cos?_c)。在如图1B中给出折射率比n₂/n₁与出光效率的关系，出光效率随n₂/n₁增大而快速减小。例如：当n₂/n₁等于1.1时，出光效率约58%，即10%的折射率差可以导致42%的出光损失。

对于全内反射带来的低光萃取效率，以前的研究提出了多种解决方案，如表面或界面粗化（如美国专利7422962和7355210（表面粗化）、8384111和8154034（图形化衬底）都用来减小全内反射）、侧壁成型（如美国专利7,652,299增加光逸出角）以及引入光子晶体（如美国专利5,955,749, 7,166,870, 7,615,398, 7,173,289, 7,642,108, 7,652,295, 7,250,635，以加强自发辐射比例和特定波长的光萃取）。以上美国专利内容通过引用整体并入本申请。

发明内容

本发明公开了一种提高光萃取效率的发光器件及其制造方法。本发明中的三族氮化物或氮化物通常指金属氮化物，其中金属来自元素周期表中的三A族，即三族氮化物包括AlN, GaN, InN 以及它们的三元化合物 (AlGaN, InGaN, InAlN) 和四元化合物 (AlInGaN)。三族氮化物或氮化物也包括少量的过渡金属氮化物，如TiN, ZrN, HfN，一般摩尔含量少于10%。例如：三族氮化物或氮化物可能包括Al_xIn_yGa_zTi_(1-x-y-z)N, Al_xIn_yGa_zZr_(1-x-y-z)N, Al_xIn_yGa_zTi_(1-x-y-z)N，其中1-x-y-z小于10%.三族氮化物单层或发光区指该层或发光区是由三族氮化物半导体构成。