BR112012003451B1

BR112012003451B1 - Dispositivo e método para fabricar um dispositivo emissor de luz

Info

Publication number: BR112012003451B1
Application number: BR112012003451-0A
Authority: BR
Inventors: Steven D. Lester; Jeffrey C. Ramer; Ling Zhang
Original assignee: Alpad Corporation
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2021-08-17
Also published as: CA2769702A1; JP5649653B2; US8232568B2; TWI446585B; RU2552867C2; MX2012000756A; TW201130160A; BR112012003451A2; CN102473801B; US20100133562A1; MY156894A; JP2013502722A; RU2012108959A; WO2011022128A2; EP2467883A4; SG178018A1; EP2467883A2; CN102473801A; KR20120048642A; WO2011022128A3

Abstract

dispositivo e método para fabricar um dispositivo emissor de luz trata-se de um dispositivo emissor de luz e um método para construir o mesmo. o dispositivo inclui uma camada ativa disposta entre a primeira e a segunda camadas. a primeira camada possui superfícies superior e inferior. a superfície superior inclui um primeiro material de um primeiro tipo de condutividade, incluindo uma multiplicidade de fendas em uma superfície essencialmente plana. a camada ativa se sobrepõe à superfície superior da primeira camada e se conforma à superfície superior, sendo que a camada ativa gera uma luz caracterizada por um comprimento de onda quando furos e elétrons se recombinam na mesma. a segunda camada incluí um segundo material de um segundo tipo de condutividade, sendo que a segunda camada se sobrepõe à camada ativa e se conforma à camada ativa. o dispositivo pode ser construído em um substrato que tem uma constante de retícula suficientemente diferente daquela do primeiro material para dar origem a deslocamentos na primeira camada, os quais são utilizados para formar as fendas.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Os diodos emissores de luz (LEDS) formam uma importante classe de dispositivos de estado sólido que convertem energia elétrica em luz. Aperfeiçoamentos nestes dispositivos resultaram no seu uso em luminárias projetadas para substituir fontes de luz incandescentes e fluorescentes convencionais. Os LEDS têm uma vida útil significativamente mais longa e, em alguns casos, uma eficiência significativamente maior na conversão de energia elétrica em luz.

O custo e a eficiência de conversão são fatores importantes na determinação da taxa em que esta nova tecnologia irá substituir fontes de luz convencionais e será utilizada em aplicativos de alta potência. Muitos aplicativos de alta potência requerem múltiplos LEDS para atingir os níveis de energia necessária, uma vez que LEDS individuais são limitados a uns poucos watts. Além disto, os LEDS geram luz em faixas espectrais relativamente estreitas. Desse modo, em aplicações que requerem uma fonte de luz de uma cor em particular, a luz de um número de LEDS com uma emissão espectral em diferentes faixas óticas é combinada. Ou seja, o custo de muitas fontes de luz baseadas em LEDS é muitas vezes o custo dos LEDS individuais.

A eficiência de conversão dos LEDS individuais é um importante fator ao considerar os custos de fontes de luz LED de alta potência. A eficiência de conversão de um LED é definida como sendo a energia elétrica dissipada por unidade de luz emitida pelo LED. A energia elétrica que não é convertida em luz no LED é convertida em calor, o que aumenta a temperatura do LED. A dissipação do calor coloca um limite no nível de potência em que o LED opera. Além disto, os LEDS têm que ser montados em estruturas que proporcionam a dissipação do calor, o que, por sua vez, aumenta ainda mais os custos das fontes de luz. Desse modo, se a eficiência de conversão de um LED puder ser aumentada, a quantidade máxima de luz que pode ser proporcionada por um único lED também pode ser aumentada, e desse modo o número de LEDS necessários para uma determinada fonte de luz pode ser reduzido. Além disto, o custo de operação do LED também é inversamente proporcional à eficiência de conversão. Deste modo, uma grande quantidade de trabalho foi empenhada para aperfeiçoar a eficiência de conversão dos LEDS.

Para as finalidades desta discussão, um LED pode ser visto como tendo três camadas, com a camada ativa prensada entre duas camadas. Estas camadas são tipicamente depositadas sobre um substrato tal como a safira. Deve-se observar que cada uma destas camadas inclui tipicamente um número de subcamadas. A eficiência de conversão geral de um LED depende da eficiência com a qual a eletricidade é convertida em luz na camada ativa e da eficiência com a qual a luz gerada na camada ativa escapa do LED.

Aperfeiçoamentos em materiais levaram a aumentos na eficiência da luz gerada na camada ativa. No entanto, uma fração significativa da luz gerada na camada ativa é perdida antes que a luz possa escapar do LED. A maior parte desta luz é perdida através da absorção nas várias camadas utilizadas para construir o LED. Este tipo de perda de luminosidade é agravado pela captura de muita luz dentro da estrutura do LED.

A estrutura de LED de três camadas é tipicamente limitada em baixo e em cima por materiais que tem um índice de refração significativamente mais baixo do que as camadas do LED. Consequentemente, uma fração significativa da luz que atinge estes limites é refletida de volta na estrutura estratificada. Um dos limites inclui uma superfície transparente através da qual a luz gerada no LED escapa. O outro limite é tipicamente coberto por um refletor que redireciona a luz que atinge o limite em direção ao limite transparente. Conforme apontado acima, o limite transparente é tipicamente coberto por um material com um índice de refração muito menor do que a estrutura do LED. A luz que atinge este limite a ângulos maiores do que o ângulo crítico em relação à normal no limite é refletida de volta para a estrutura do LED. O ângulo crítico depende da diferença no índice de refração entre as camadas do LED e do ambiente circundante, que é tipicamente o ar ou um material tal como um plástico. Para os LEDS construídos a partir de GaN ou materiais similares, a diferença é suficiente para resultar na reflexão de uma fração significativa da luz. Essa luz refletida fica presa entre os limites superficiais do LED onde esta será refletida continuamente até que a luz seja perdida devido à absorção. No caso de LEDS convencionais à base de GaN em substratos de safira, aproximadamente 70% da luz emitida pela camada ativa permanece presa dentro do LED.

Várias técnicas têm sido descritas para aperfeiçoar a extração de luz dos LEDS e, desse modo, melhorar a eficiência da conversão de luz destes dispositivos. Em uma classe de técnicas, uma das superfícies externas do LED na qual a luz sofre reflexão interna é convertida de uma superfície lisa em uma superfície rugosa. Toda vez que a luz presa encontra esta superfície rugosa enquanto transita pelo LED, parte da luz presa será redirecionada de tal maneira que, na próxima reflexão da superfície, a luz irá atingir a superfície a ângulos menores do que o ângulo crítico da superfície de saída. Desse modo, uma parte da luz presa irá escapar agora, e o processo pode continuar, extraindo mais luz a cada passagem de ida e volta através do LED.

Os LEDs da técnica anterior baseados na rugosidade de uma superfície para incrementar a extração de luz tipicamente empregam uma superfície rugosa tanto na superfície superior do LED quanto adjacente ao substrato onde as camadas do LED são depositadas. Estas abordagens incrementam a fração da luz gerada na camada ativa que escapa do LED a cada vez que a luz escapa da própria camada ativa. No entanto, uma fração significativa da luz gerada na camada ativa fica presa dentro da camada ativa devido a reflexos internos nos limites entre a camada ativa e as camadas de revestimento de cada lado da camada ativa. Estes reflexos são causados por uma diferença no índice de refração entre os materiais a partir dos quais a camada ativa é construída e os materiais a partir dos quais as camadas de revestimento são construídas. Para os LEDS à base de GaN, a camada ativa é construída com materiais que têm um índice de refração significativamente mais alto que as camadas de revestimento.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

A presente invenção inclui um dispositivo emissor de luz um método para construir o mesmo. Um dispositivo emissor de luz inclui uma camada ativa disposta entre primeira e segunda camadas. A primeira camada possui superfícies superior e inferior. A superfície superior inclui um primeiro material de um primeiro tipo de condutividade, incluindo uma multiplicidade de fendas em uma superfície essencialmente plana. A camada ativa se sobrepõe à superfície superior da primeira camada e se conforma à superfície superior, sendo que a camada ativa gera uma luz caracterizada por um comprimento de onda quando furos e elétrons se recombinam na mesma. A segunda camada inclui um segundo material de um segundo tipo de condutividade, sendo que a segunda camada se sobrepõe à camada ativa e se conforma à camada ativa. Em um aspecto da invenção, as fendas têm uma dimensão que é maior do que o comprimento de onda da luz gerada pela camada ativa. Em outro aspecto da invenção, o dispositivo inclui um substrato no qual a primeira camada é construída, em que o substrato possui uma constante de retícula suficientemente diferente daquela do primeiro material, a fim de causar deslocamentos na primeira camada. Pelo menos algumas das fendas estão localizadas nestes deslocamentos, em ainda outro aspecto da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma vista em seção transversal simplificada das técnicas anteriores de LEDS à base de GaN.

A Figura 2 é uma vista em seção transversal simplificada das técnicas anteriores de LEDS que utilizam uma superfície rugosa para incrementar a eficiência de extração da luz do LED.

A Figura 3 é a vista em seção transversal de uma parte do LED de acordo com uma realização da presente invenção.

As Figuras 4A e 4B são vistas em seção transversal de uma parte das camadas de GaN através de “n” camadas de revestimento.

A Figura 5 é uma vista em seção transversal de uma outra realização de LED de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES PREFERIDAS DA INVENÇÃO

A maneira na qual a presente invenção proporciona as suas vantagens pode ser entendida mais facilmente com referência à Figura 1, que é uma vista em seção transversal simplificada de um LED à base de GaN da técnica anterior. O LED 20 é construído ao desenvolver três camadas sobre um substrato de safira 24. A primeira camada 21 é de um material de GaN do tipo “n”. A segunda camada 23 é uma camada de GaN do tipo “p”. A terceira camada 22 é uma camada ativa que emite luz quando os furos e os elétrons das camadas 21 e 23 são ali combinados. Conforme apontado acima, cada uma destas camadas pode incluir um número de subcamadas. Uma vez que as funções destas subcamadas são bem conhecidas no estado da técnica e não são fundamentais na presente discussão, os detalhes destas subcamadas foram omitidos dos desenhos e da discussão a seguir.

Conforme apontado acima, a luz que é gerada na camada 22 deixa a camada 22 em todos os ângulos possíveis. Uma parte da luz é emitida em direção rumo à superfície superior 25 da camada 23 e atinge a superfície 25 a ângulos menores do que o ângulo crítico e escapam através da superfície 25 conforme mostrado em 26. Similarmente, uma parte da luz é direcionada ao substrato 24 e é refletida tanto pela superfície 29a quanto a superfície 29b antes de refletir de volta para a superfície 25. Caso esta luz atinja a superfície 25 a ângulos menores que o ângulo crítico, esta luz também irá escapar através da superfície 25 conforme mostrado em 28. A luz remanescente atinge a superfície 25 a ângulos maiores do que o ângulo crítico, conforme mostrado em 27a e 27b, ficando presa entre as camadas. A luz presa será absorvida durante o seu Trânsito pelo LED ou irá sair através dos lados do LED. Na prática, a maior parte da luz presa é absorvida, e desse modo perdida. Consequentemente, a eficiência do LED 20 ao converter eletricidade em luz é fraca.

Conforme apontado acima, um método utilizado para incrementar a eficiência de extração do LED envolve a introdução de centros de dispersão que impedem que a luz fique presa dentro das camadas de LED. Por exemplo, centros de dispersão podem ser dispostos na superfície 25 para proporcionar uma reorientação aleatória da luz que atinge uma superfície e que é refletida de volta para o LED. É feita referência agora à Figura 2, que é uma vista em seção transversal simplificada de um LED da técnica anterior que utiliza uma superfície rugosa para incrementar a eficiência de extração da luz do LED. O LED 30 é construído ao depositar as camadas 21-23 sobre o substrato 24 da mesma maneira do LED 20 descrito acima. A superfície superior 31 da camada 23 é modificada para introduzir centros de dispersão nesta superfície. Os centros de dispersão exemplificadores são mostrados em 32 e 33; no entanto, entende-se que a superfície 31 é coberta com estes centros de dispersão. Quando a luz que deixa a camada 22 atinge a superfície 31, parte da luz irá atingir a superfície a ângulos maiores do que o ângulo crítico e escapar. A luz remanescente será dispersa de volta para a camada 23 em um número de diferentes ângulos e será refletida dos limites 29a ou 29b de volta para a superfície 31. Um destes raios é mostrado em 34. Quando o raio 34 atingir a superfície 31 no centro de dispersão 33, a luz será novamente dispersa com parte da luz saindo da superfície 31 e outra parte sendo dispersa em direção ao limite 29a. Desse modo, a cada reflexão, parte da luz que atinge a superfície 31 é extraída. Desse modo, uma melhora significativa na eficiência de extração da luz pode ser obtida.

Nestes dispositivos de técnica anterior, os centros de dispersão são localizados nas regiões em qualquer dos lados da camada ativa. Por exemplo, dispositivos em que as características de dispersão são introduzidas na interface 29a ou dentro da atual camada de difusão 21 foram propostos.

A presente invenção é baseada na observação que em LEDs à base de GaN a região ativa é construída com materiais que têm um índice de refração maior do que as camadas de revestimento do tipo “n” e “p” que envolvem a camada ativa. Consequentemente, a luz fica presa dentro da camada ativa por reflexos internos na camada limite que reveste a camada ativa. A quantidade de luz presa, e eventualmente absorvida, constitui uma fração significativa da luz. A texturização de uma porção do LED fora da região ativa não pode melhorar a extração de tal luz presa, uma vez que esta luz nunca interage com a superfície texturizada.

É feita referência agora à Figura 3, que é a vista em seção transversal de uma parte de um LED de acordo com uma realização da presente invenção. O LED 40 é construído ao depositar um número de camadas do tipo “n” sobre um substrato 41. As camadas do tipo “n” terminam em “n” camadas de revestimento 43. A camada de revestimento 43 inclui um número de fendas tal como a fenda 47. A maneira na qual estas fendas são geradas será discutida em mais detalhes abaixo. Depois das fendas terem sido formadas, a camada ativa 44 e a camada de revestimento do tipo “p” 45 são depositadas. Estas camadas seguem os contornos das fendas, e desse modo, tanto a camada ativa 44 quanto a camada de revestimento do tipo “p” 45 incluem características que extraem a luz presa tanto na camada ativa quanto na camada de revestimento.

Um eletrodo 46 é então depositado sobre a camada de revestimento do tipo “p” 45 para prover um dos eletrodos a ser utilizado para acionar o LED. Se luz tiver que ser extraída através da camada de revestimento do tipo “p”, o eletrodo 46 é construído com um material transparente tal como óxido de índio e estanho. Se uma luz for extraída através do substrato 41, o eletrodo 46 inclui uma camada refletora para redirecionar a luz atingindo o eletrodo 46 rumo ao substrato 41.

O LED 40 pode ser visto como tendo uma estrutura estratificada que inclui seções planares que são interrompidas pelas seções anguladas formadas nas fendas. Em um aspecto da invenção, as camadas acima da camada ativa se estendem para as fendas. A luz que é presa nas seções planares porque esta luz atinge uma das seções planas a um ângulo maior que o ângulo crítico irá atingir as regiões nas fendas a ângulos menores do que o ângulo crítico, e desse modo, escapar através da camada 46 no caso em que a camada 46 é transparente. No caso em que a camada 46 é refletora, a luz é redirecionada para o substrato 41 a um ângulo menor do que o ângulo crítico, e desse modo, escapa através do substrato. Deve-se observar que a luz presa nas regiões planares da camada ativa é analogamente redirecionada, e desse modo, a presente invenção também melhora a extração de luz da camada ativa.

Deve-se observar que as seções planares não requerem uma “rugosidade” para extrair a luz. Isto melhora ainda mais a emissão de luz do LED e o custo para fabricar o LED. Quando a rugosidade da camada de contato do tipo “p” é utilizado para prover uma extração de luz incrementada, as características de dispersão interferem na propagação uniforme da corrente do eletrodo superior depositado sobre a superfície rugosa através da camada ativa. Desse modo, parte do benefício proporcionado pela superfície rugosa é perdida devido a uma geração de luz reduzida. No caso em que o eletrodo superior é um espelho e a luz é extraída através do substrato 41, a camada de contato do tipo “p” rugosa acarreta uma má refletividade no espelho que tipicamente constitui uma camada de metal depositada sobre uma camada de contato do tipo “p”. Além disto, as etapas necessárias para rugosidade do contato do tipo “p” ou a camada de revestimento do tipo “p” são eliminadas, o que reduz ainda mais os custos de fabricação.

As realizações da presente invenção descritas acima requerem uma camada de revestimento do tipo “n” que seja entalhada e que atue como um substrato que é revestido para prover uma camada ativa e camadas de revestimento “p”. Em um aspecto da presente invenção, o substrato entalhado é criado ao fazer uso dos deslocamentos nas camadas de GaN do tipo “n”, o que resulta em uma diferença nas constantes de retícula entre as camadas de GaN e o substrato de safira sobre o qual as camadas de GaN estão depositadas.

É feita referência agora à Figura 4A, que é uma vista em seção transversal de uma parte das camadas de GaN através das camadas de revestimento do tipo “n” descritas acima. As camadas de GaN são depositadas sobre um substrato de safira 41 cuja constante de retícula difere daquela das camadas de GaN. A diferença da constante de retícula dá origem a deslocamentos que se propagam através das diversas camadas enquanto as camadas são depositadas. Um deslocamento exemplificador é rotulado em 51. A densidade deste tipo de deslocamento é tipicamente de 107 a 1010 por cm2 em um LED de GaN depositado sobre um substrato de safira. A presente invenção utiliza estes deslocamentos para formar fendas seletivamente, tal como a fenda 52 na superfície da camada de revestimento do tipo “n” 43.

É feita referência agora à Figura 4B, que é uma vista em seção transversal de uma fenda 61 em uma camada de revestimento do tipo “n” 62 durante o crescimento da camada de revestimento do tipo “n”. Durante a fase de crescimento, material é adicionado às facetas de cristal da camada 62 conforme mestrado pelas setas 64. A fenda 61 resulta na exposição de facetas adicionais além da faceta 63. A taxa de crescimento nas diferentes facetas pode ser ajustada pelas condições de crescimento. A taxa de crescimento nas diferentes facetas pode ser ajustada pelas condições de crescimento de tal modo que a taxa de crescimento das facetas 65 expostas em uma fenda seja maior ou menor do que aquela da taxa de crescimento da faceta 63. Ao ajustar a taxa de crescimento das facetas 65 para menos do que aquela da faceta 63, o tamanho de uma fenda pode ser aumentado sem requerer uma etapa separada para a causticação ou remoção do substrato da câmara de crescimento.

Em uma realização, a superfície planar das camadas de LED corresponde ao plano “c” do cristal de GaN. As condições de crescimento para as principais camadas de LED (isto é, a região ativa de InGaN/GaN, a camada bloqueadora de elétrons de AlGaN do tipo “p”, e a camada de contato e a camada de contato de GaN do tipo “p”) podem ser ajustadas para suprimir a mobilidade na superfície de modo que a tendência natural destes materiais para alisar a superfície na qual os materiais são depositados seja suprimida. Por exemplo, na região ativa de InGaN/GaN, camadas bloqueadoras de GaN podem ser criadas ao utilizar uma combinação da taxa de V/πi, da taxa de crescimento, e da temperatura do crescimento que minimiza a taxa de crescimento na faceta. Isto faz com que a fenda continue crescendo em diâmetro na medida em que a camada é criada, uma vez que a taxa de crescimento do plano-c é bem mais alta do que a taxa de crescimento da faceta. Cada um destes três parâmetros tem um forte efeito sobre a mobilidade dos átomos na superfície de crescimento, e desse modo pode ser manipulado para fazer com que o tamanho da fenda aumente à medida que a camada é criada. Similarmente, estes três parâmetros podem ser otimizados da mesma maneira para as camadas de AlGaN e GaN do tipo “p” para que a fenda continue crescendo em tamanho à medida que as camadas são depositadas, em vez de serem preenchidas com material.

As fendas também podem ser criadas utilizando um causticante que caustica as facetas 65 a uma taxa maior que aquelas da faceta 63. Por exemplo, a operação de causticação pode ser executada na mesma câmara de crescimento ao introduzir H2 na câmara de crescimento depois do crescimento da camada de revestimento do tipo “n” ser completado. As condições de crescimento podem ser programadas para incrementar a causticação das facetas utilizando a temperatura do crescimento que é maior ou igual a 950°C, utilizando um ambiente contendo NH3 e H2. Na ausência de quaisquer materiais do grupo III, este ambiente irá causticar as facetas a uma taxa muito maior do que o material no plano- c. Com o passar do tempo, as fendas irão se abrir devido à diferença na taxa de causticação entre as facetas e o material no plano-c.

As fendas também podem ser causticadas quimicamente utilizando uma solução que caustica de preferência a faceta do cristal em relação à face do plano-c. Para a causticação química, KOH em fusão pode ser utilizado para gravar as facetas. Além disso, soluções quentes de H2SO4:H3PO4 podem ser utilizadas para causticar o material a temperaturas maiores do que 250°C.

Com referência à Figura 3, uma vez que as fendas foram causticadas na camada de revestimento do tipo “n” 43, a camada ativa e as camadas de revestimento do tipo “p” são depositadas. O eletrodo do tipo “p” 46 é então depositado sobre a camada de revestimento do tipo “p”. Em realizações em que a luz é extraída da superfície superior do LED, o eletrodo 46 é um eletrodo transparente, tal como ITO. Deve-se observar que as fendas resultam em características na camada ativa que redirecionam a luz que normalmente ficaria presa na camada ativa de maneira que esta seja redirecionada para as camadas circundantes. Alem disto, as fendas são distribuídas aleatoriamente, e desse modo a luz que fica presa na camada ativa ou entre o eletrodo 46 do tipo “p” e qualquer das camadas subjacentes é redirecionada para a local onde a luz pode então ser "processada" pelas camadas sobre as fendas e uma parte desta luz pode então ser recuperada. Desse modo, a presente invenção provê um mecanismo para a recuperação de luz convencional, bem como também permite que a luz que ficaria presa na camada ativa escape.

As fendas na camada de revestimento do tipo “n” de preferência têm dimensões que são da mesma ordem ou maiores do que o comprimento de onda da luz gerada na camada ativa. Isto assegura que a luz é espalhada ou então redirecionada para as fendas. Caso as fendas sejam muito menores do que o comprimento de onda da luz, a eficiência com a qual a luz é dispersa é reduzida significativamente. As fendas também possuem de preferência uma profundidade suficiente para assegurar que a superfície superior da camada ITO se estenda para dentro da fenda de modo que a luz refletida na interface entre o ITO e a camada de revestimento do tipo “p” escape através da porção da superfície da camada ITO que é formada sobre a fenda.

As realizações supracitadas da presente invenção utilizam os deslocamentos na camada de revestimento do tipo “n” e nas camadas subjacentes para guiar a causticação das fendas. No entanto, realizações nas quais as fendas são criadas por uma causticação dirigida litográfica convencional também poderiam ser construídas. É feita referência agora à Figura 5, que é a vista em seção transversal de outra realização de um LED de acordo com a presente invenção. O LED 50 utiliza "fendas" 57 que são geradas litograficamente. Em tais realizações, um mapa litográfico é gerado na camada de revestimento do tipo “n” 43 depois que a camada foi depositada. A máscara inclui buracos que expõem a camada de revestimento do tipo “n” subjacente. O material exposto é então causticado para formar as fendas. Depois da causticação, a máscara é removida e a pastilha é retornada à câmara de crescimento onde a camada ativa 54, a camada de revestimento do tipo “p” 55 e o eletrodo superior 56 são depositados. As fendas geradas litograficamente permitem que o padrão e a densidade das fendas sejam controlados de forma mais precisa; no entanto, esta vantagem é proporcionada à custa das etapas adicionais para a aplicação de máscara.

Novamente é feita referência à Figura 3. Uma superfície do LED 40 pode ser vista como tendo regiões planares 48 que são interrompidas por fendas. A luz que atinge estas regiões planares a ângulos menores do que o ângulo crítico será refletida de volta para o LED na direção do substrato 41. Esta luz será refletida de volta para a superfície do LED 40 em um dos limites da camada dentro do LED. As áreas sem fenda 48 entre as fendas são de preferência suficientemente pequenas para assegurar que a luz que é refletida de uma superfície planar nas áreas sem fendas não retorne em uma reflexão subsequente de uma das outras superfícies planares para essa mesma região sem fendas. Isto é, a luz refletida não deve ficar presa dentro da área sem fendas em um número de reflexões sem encontrar uma das fendas. A densidade mínima de fendas requerida para satisfazer esta condição depende da espessura do LED. Quanto mais espesso o LED, menor a densidade requerida das fendas.

A quantidade de luz que fica presa no LED também depende da densidade das fendas no LED. À medida que a densidade das fendas aumenta, a eficiência da extração de luz também aumenta; no entanto, a melhora obtida aumentando a densidade de fendas diminui uma vez que a densidade de fendas atinge um nível predeterminado. À medida que a densidade de fendas é aumentada, a quantidade de material absorvente através da qual a luz deve se deslocar antes de ser extraída do LED diminui. Uma vez que a absorção se torna pequena em comparação à quantidade de luz que escapa do LED, melhoras subsequentes são menos eficazes. Além disto, as fendas podem reduzir a emissão de luz, uma vez que a camada ativa nas regiões com fendas pode não gerar luz com a mesma eficiência que as porções da camada ativa subjacentes às regiões planares. Consequentemente, a densidade das fendas é preferencialmente ajustada de tal modo que a quantidade de luz que é absorvida dentro da estrutura do LED é menor do que um valor predeterminado. Na prática, uma densidade de fenda na faixa de 107 a 1010 fendas por cm2 é suficiente.

A densidade das fendas em LEDS que utilizam deslocamentos nas camadas de LED pode ser controlada ao escolher o substrato sobre o qual as camadas são depositadas e ao variar as condições de crescimento durante a deposição das camadas do tipo “n” e quaisquer camadas amortecedoras sobre as quais estas camadas são depositadas. A densidade dos deslocamentos pode ser aumentada ao escolher um substrato com uma constante de retícula mais incompatível em relação às camadas do tipo “n” e/ou ao ajustar as condições de crescimento das camadas amortecedoras que são depositadas sobre o substrato antes da deposição da camada de revestimento do tipo “n”. Além dos substratos de safira discutidos acima, substratos de SiC, AlN e silício podem ser utilizados para prover diferentes graus de incompatibilidade.

Tipicamente, uma ou mais camadas de material são depositadas sobre o substrato sob condições que reduzem o número de deslocamentos que se propagam para a camada de revestimento do tipo “n”. Além disto, a alteração das condições de crescimento da camada depositada na camada amortecedora também altera a densidade dos deslocamentos. Parâmetros de crescimento tais como a taxa de V/III, a temperatura, e a taxa de crescimento, têm todos efeitos significativos na densidade dos deslocamentos no caso que estes são alterados nas primeiras camadas da estrutura. Normalmente, estes parâmetros são escolhidos para reduzir a densidade dos deslocamentos; no entanto, a presente invenção pode utilizar estes parâmetros para aumentar o nível de deslocamentos.

A densidade ideal também deverá, em geral, depender da espessura das camadas de LED. A luz que é refletida da superfície superior do LED a um ângulo maior do que o ângulo crítico e que erra a fenda irá passar, em geral, através da camada ativa e será refletida por um dos limites da camada sob a camada ativa. Esta luz irá então retornar à superfície superior e será refletida novamente. Desse modo, o comprimento da trajetória depende da espessura das camadas de LED, assim como da densidade das fendas.

As realizações supracitadas da presente invenção utilizam camadas que se sobrepõem a outras camadas. Para as finalidades deste pedido de patente, subentende-se que uma primeira camada que se sobrepõe a uma segunda camada pode ou não ficar em contato direto com a segunda camada. Similarmente, as realizações supracitadas utilizam camadas feitas de material transparente. Para as finalidades deste pedido de patente, a camada será definida como sendo transparente se a camada transmitir luz do comprimento de onda gerada na camada ativa com uma transmitância superior a 90%. Uma camada espelho é definida como sendo uma camada que reflete a luz do comprimento de onda gerada pela camada ativa com uma refletividade superior a 90%.

As realizações supracitadas utilizam materiais da família de GaN. Para as finalidades desta discussão, materiais da família de GaN são definidos como sendo ligas compostas de GaN, InN e AlN. No entanto, realizações que utilizam outros sistemas de materiais e substratos também podem ser construídas de acordo com os ensinamentos da presente invenção. A presente invenção é particularmente bem adaptada a LEDS à base de GaN sobre substratos de safira porque os materiais da família de GaN exibem índices de refração particularmente altos, e desse modo os problemas associados com a captura de luz são particularmente graves neste tipo de LED.

As realizações supracitadas da presente invenção referem-se a "fendas" na camada de revestimento do tipo “n”. Para as finalidades desta discussão, uma fenda é definida como uma cavidade em uma superfície. As fendas devem ter uma profundidade maior do que aquela da primeira subcamada da camada ativa para fornecer corrente a pelo menos uma das subcamadas subjacentes. Nas realizações supracitadas, as fendas se estendem através da pilha de subcamadas; no entanto, fendas de profundidade intermediária ainda devem proporcionar melhoras.

A presente invenção foi descrita em termos de realizações em que a camada de revestimento do tipo “n” é depositada primeiramente sobre o substrato. Estas realizações são atualmente preferidas devido aos problemas técnicos associados com a deposição da camada de revestimento do tipo “p” sobre o substrato seguido pela deposição de uma camada ativa e uma camada de revestimento do tipo “n”. No entanto, deve ficar compreendido que a presente invenção poderia ser utilizada para a geração de LEDS nos quais a camada de revestimento do tipo “p” é depositada primeiramente caso estes problemas técnicos não sejam determinantes para a aplicação particular.

As realizações supracitadas são descritas em termos de superfícies "superior" e "inferior" das várias camadas. Em geral, as camadas são desenvolvidas da superfície inferior à superfície superior para simplificar a discussão. No entanto, deve ser compreendido que estes são meros rótulos convencionados e que estes não devem servir como uma orientação particular em relação à Terra.

As realizações supracitadas da presente invenção foram apresentadas para ilustrar vários aspectos da invenção. No entanto, deve ser compreendido que aspectos diferentes da presente invenção que são mostrados nas diferentes realizações específicas podem ser combinados para prover 5 outras realizações da presente invenção. Além disto, várias modificações da presente invenção ficarão evidentes aos técnicos no assunto a partir das descrições acima e dos desenhos anexos. Consequentemente, a presente invenção deverá ser limitada somente pelo escopo das seguintes 10 reivindicações.

Claims

1. Dispositivo (40), que compreende:um substrato (41);uma primeira camada (42) formada sobre o dito substrato e compreendendo um primeiro material de um primeiro tipo de condutividade, o dito primeiro material tendo uma constante de retícula diferente de uma constante de retícula do dito substrato para dar origem a deslocamentos na dita primeira camada;uma segunda camada (43) incluindo uma camada de revestimento formada sobre a dita primeira camada, a dita segunda camada compreendendo um segundo material do dito primeiro tipo de condutividade e a dita segunda camada tendo deslocamentos (51), cada um dos ditos deslocamentos se propagam a partir de cada um dos ditos deslocamentos da primeira camada, a dita segunda camada incluindo uma pluralidade de fendas (47, 52) em uma superfície superior da mesma, cada uma das ditas fendas tendo um ponto inferior mais próximo do dito substrato e as ditas fendas sendo localizadas de tal modo que o dito ponto inferior de cada uma das ditas fendas se encontra em um diferente deslocamento dos ditos deslocamentos na dita segunda camada;uma camada ativa (44) sobreposta a dita segunda camada, em que a dita camada ativa gera uma luz caracterizada por um comprimento de onda quando furos e elétrons se recombinam na mesma; euma terceira camada (45) que compreende um terceiro material de um segundo tipo de condutividade, a dita terceira camada compreendendo uma camada de revestimento tendo uma superfície superior e uma superfície inferior, a dita superfície inferior se sobrepõe à dita camada ativa e se conforma à dita camada ativa, a dita superfície superior tem depressões na mesma que se estendem para dentro das ditas fendas; euma camada de material condutor de eletricidade (46), a dita camada de material condutor de eletricidade sendo localizada sobre a dita superfície superior da dita terceira camada e tendo uma superfície superior, em que a dita superfície superior da dita camada de material condutor de eletricidade se conforma à dita superfície superior da dita terceira camada e se estende para dentro das ditas depressões e a dita camada de material condutor de eletricidade sendo transparente à dita luz gerada na dita camada ativa.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditas fendas na dita segunda camada têm uma dimensão que é maior do que o dito comprimento de onda da luz gerada pela dita camada ativa.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita camada de material condutor de eletricidade é uma camada ITO.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita segunda camada é formada sobre uma primeira faceta de cristal e as ditas fendas tem uma segunda faceta de cristal diferente da dita primeira faceta de cristal.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito substrato é escolhido do grupo que consiste em safira, SiC, silício, AlN e o dito primeiro material compreende um material da família de materiais GaN.

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos deslocamentos na dita segunda camada estão presentes a uma densidade maior do que 107 deslocamentos por cm2 e não maior do que 1010 deslocamentos por cm2.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita superfície superior da camada do dito material condutor de eletricidade é planar (48) entre as ditas depressões.

8. Método para fabricar um dispositivo emissor de luz (40), caracterizado por compreender:a provisão de um substrato (41) tendo superfícies superior e inferior;a deposição de uma primeira camada (42) de um primeiro tipo de condutividade sobre o dito substrato, o dito primeiro material tendo uma constante de retícula diferente de uma constante de retícula do dito substrato para dar origem a deslocamentos (51) na dita primeira camada;a deposição de uma segunda camada (43, 62) de um segundo material do dito primeiro tipo de condutividade sobre a dita primeira camada, a dita segunda camada sendo formada para ter deslocamentos (51) que se propagam a partir dos ditos deslocamentos na dita primeira camada, a dita segunda camada incluindo uma pluralidade de fendas (47, 52 ,61) em uma superfície superior da mesma, cada uma das ditas fendas tendo um ponto inferior mais próximo do dito substrato e as ditas fendas sendo localizadas de tal modo que o dito ponto inferior de cada uma das ditas fendas se encontra em um diferente deslocamento dos ditos deslocamentos na dita segunda camada;a deposição de uma camada ativa (44) sobre a dita segunda camada, em que a dita camada ativa gera luz quando furos e elétrons se recombinam na mesma;a deposição de uma terceira camada (45) de um segundo tipo de condutividade sobre a dita camada ativa, a dita terceira camada tendo uma superfície inferior adjacente à dita camada ativa e uma superfície superior que se sobrepõe à dita superfície inferior, a dita superfície superior se estendendo para dentro das ditas fendas; ea deposição de uma camada de material condutor de eletricidade (46) sobre a dita superfície superior da dita terceira camada e tendo uma superfície superior, a dita superfície superior da dita camada de material condutor de eletricidade se conforma à dita superfície superior da dita terceira camada e se estende para dentro das ditas fendas e a dita camada de material condutor de eletricidade sendo transparente à dita luz gerada na dita camada ativa.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as ditas fendas têm uma dimensão maior do que o dito comprimento de onda da luz gerada pela dita camada ativa.

10. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dita camada de material condutor de eletricidade é uma camada ITO.

11. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as ditas fendas são geradas por causticação da dita segunda camada utilizando um causticante, em o dito causticante preferencialmente caustica a dita segunda camada nos locais determinados pelos ditos deslocamentos.

12. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dito substrato é escolhido de um grupo que consiste em safira, SiC, silício, AlN, e o dito primeiro material compreende um material da família GaN de materiais.

13. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os ditos deslocamentos estão presentes a uma densidade não menor do que 107 deslocamentos por cm2 e não maior do que 107 deslocamentos por cm2.

14. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dita segunda camada é depositada sobre uma primeira faceta de cristal (63), em que as ditas fendas expõem uma segunda faceta de cristal (65), e em que o dito primeiro material é depositado sob condições nas quais o crescimento na dita primeira faceta de cristal émais rápido do que o crescimento na segunda faceta de cristal.