CN101567379A - 一种高输出效率的半导体发光管 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种高输出效率的半导体发光管，所述发光管包括两个等腰直角三角形构成的长方形半导体发光管单元，其中，两个等腰直角三角形构成的长方形结构的半导体发光管，半导体发光管平面内传播的自发辐射光线在直角三角形边上发生全反射并入射到其它三角形边时，在三角形不同边上的入射角不断变化，易于折射进入空气形成有效的发光管输出，提高发光管的耦合输出效率。本发明利用直角三角形发光管的高效耦合输出实现了高输出效率的半导体发光管，同时又保持传统半导体发光管的长方形单元结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光管，更具体地，本发明涉及一种能提高耦合输出效率的半导体发光管。
背景技术
在半导体发光管中，光输出效率受到半导体与空气或外部介质间大折射率差引起的光全内反射的限制。对于GaAs(GaN)材料，其折射率约为3.5(2.5)，对应的半导体与空气界面的全内反射临界角为16.6°(23.6°)，即入射角大于16.6°(23.6°)的光线将受全内反射限制在半导体GaAs(GaN)材料中。实际半导体中的自发辐射光基本均匀分布在0°到90°的入射角之间，这样大部分的自发辐射光将由于全内反射而限制在半导体内无法输出，从而降低了半导体发光管的耦合输出效率。
为了提高半导体发光管的耦合输出效率，人们提出了各种各样的改进方案。如改变发光管侧面倾斜度，使自发发射光在侧面发生偏转而从表面发射出来(参考文献：“High-power truncated-inverted-pyramid(Al Ga)InP/GaP light-emitting diodes exhibiting>50 external quantumefficiency，”Appl.Phys.Lett.，vol.75，p.2365(1999)；“Light-output enhancement in a nitride-based light-emittingdiode with 22°undercut sidewalls，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.17，p.19(2005)以及“GaN-based light-emitting diode structurewith monolithically integrated sidewall deflectors for enhancedsurface emission，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.18，p.1588(2006))；粗化发光管的表面或衬底以提高耦合输出效率(参考文献“Improved light-output and electrical performance of InGaN-basedlight emitting diode by microroughening of the p-GaN surface，”Appl.Phys.Lett.，vol.93，p.9383(2003)和“Improvement of lightextraction efficiency of flip-chip light emitting diode bytexturing the bottom side surface of sapphire substrate，”IEEEPhoton.Technol.Lett.，vol.18，p.1406(2006))；以及利用光子晶体效应等(参考文献“Enhanced light extraction from GaN-basedlight-emitting diodes with holographically generatedtwo-dimensional photonic crystal patterns，”Appl.Phys.Lett.，vol.87，p.203508(2005))。对于GaN基发光管，改变发光管侧面倾斜度的工艺比较复杂，不像AlGaInP/GaP发光管倾斜的侧面可以直接利用具有一定倾角的刀具切割产生；粗化发光管的表面或衬底只是提高入射到表面或衬底面的自发辐射光的出射效率，对发光管平面内传播的光线影响很小；而利用光子晶体效应所需要的工艺过程比较复杂，成本较高。
最近，韩国研究人员报道了采用等边三角形形状的GaN发光管在20mA和100mA注入电流下获得比普通正方形发光管分别高48％和24％的输出功率(参考文献“Enhanced Light Extraction From Triangular GaN-BasedLight-Emitting Diodes，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.19，p.1865(2007))。考虑到光线在正方形的GaN发光管边上的两次反射，可以得出入射角介于23.5°和66.5°之间的光线将受全内反射限制在GaN半导体中；而相应的在等边三角形GaN发光管中，受全内反射限制的光线的入射角介于23.5°和36.5°，完全受全内反射限制的光线入射角范围只有13°远小于正方形GaN发光管中的43°。但制作等边三角形GaN发光管单元与传统的切割成方形发光管单元工艺不兼容，如果切割成方形单元则等边三角形区域外的大面积发光材料就要去掉，材料的利用效率较低。
发明内容
为了克服以上缺陷，本发明提出用直角三角形形状的半导体发光管提高半导体发光管耦合输出效率，从而得到高输出效率的半导体发光管。
本发明提出一种高输出效率的半导体发光管，由p面电极，n面电极和偶数个直角三角形发光单元构成：所述直角三角形发光单元周围和相邻直角三角形发光单元之间由隔离沟道隔离；所述隔离沟道深入至下限制层中；所述下限制层直接位于衬底之上。
进一步，所述直角三角形的直角边长在100到2000微米之间；
进一步，所述隔离沟道宽度在5到100微米之间。
进一步，所述直角三角形为等腰直角三角形。
进一步，所述半导体发光管为GaN基半导体发光管。
进一步，所述半导体发光管为GaAs基半导体发光管。
本发明的核心思想是引入两个直角三角形组成一个长方形的半导体发光管，利用直角三角形对自发发射光线的弱限制，从而提高半导体发光管的耦合输出效率，实现半导体发光管的高效输出。在直角三角形发光管中，自发辐射光线经过在直角三角形边的两到三次全反射，总是会有一定的几率折射出三角形边形成有效输出，不存在完全受全内反射限制的光线，即在平面内任意角度传播的自发辐射光线都有可能折射进入周围的空气形成有效输出。
本发明利用直角三角形发光管的高效耦合输出实现了高输出效率的半导体发光管，同时又保持传统半导体发光管的长方形单元结构。
附图说明
图1为等腰直角三角形发光管中点O发出的自发辐射光线经过在等腰直角三角形的两个直角边上的两次反射后入射到斜边上，对应光线的传播路径以及光线在等腰直角三角形边上入射角的变化规律示意图；
图2为等腰直角三角形发光管中点O发出的自发辐射光线经过在等腰直角三角形的直角边上的一次反射后直接入射到斜边上，对应光线的传播路径以及光线在等腰直角三角形边上入射角的变化规律示意图；
图3为等腰直角三角形发光管中点O发出的自发辐射光线以大于45°入射角发射到等腰直角三角形的斜边上，再反射到直角边然后从直角边又反射回斜边上，对应光线的传播路径以及光线在等腰直角三角形边上入射角的变化规律示意图；
图4为等腰直角三角形发光管中点O发出的自发辐射光线以小于45°入射角发射等腰直角三角形的斜边上，再反射到直角边上，对应光线的传播路径以及光线在等腰直角三角形边上入射角的变化规律示意图；
图5为本发明的一个实施例中的GaN基半导体发光管材料组成示意图；
图6为本发明的一个实施例中的由两个等腰直角三角形构成的长方形半导体发光管单元结构及电极位置的俯视图；
图7为采用图6所述的刻蚀工艺，并按半导体发光管的标准工艺制作p面和n面电极的GaN基半导体发光管立体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为等腰直角三角形发光管中点O发出的自发辐射光线经过在等腰直角三角形的两个直角边上的两次反射后入射到斜边上，对应光线的传播路径以及光线在等腰直角三角形边上入射角的变化规律示意图。如图1所示，等腰直角三角形半导体发光管100由两个直角边10和20以及斜边30所构成。在本发明的一个实施例中，等腰直角三角形内是折射率为2.5的GaN基半导体发光管外延材料，三角形的外部则是空气。在等腰直角三角形中O点发出的自发辐射光线15在直角边10上的入射角为θ，如果θ大于全内反射临界角，即θ＞23.6°，则全反射光线25会入射到另一直角边20，对应的在直角边20上的入射角为90°-θ，如果90°-θ还大于全内反射临界角23.6°，即θ＜66.4°，则全反射光线35会入射到斜边30，与斜边30的夹角为135°-θ。可以看出在直角边10和20上全反射的光线23.6°＜θ＜66.4°时，在斜边30上的入射角从小于全内反射临界角的21.4°降到0°再增加到21.4°，因此光线经过在直角边上的两次全反射后总是可以从斜边30上部分出射。
图2为等腰直角三角形发光管中点O发出的自发辐射光线经过在等腰直角三角形的直角边上的一次反射后直接入射到斜边上，对应光线的传播路径以及光线在等腰直角三角形边上入射角的变化规律示意图。在本发明的一个实施例中，等腰直角三角形内是折射率为2.5的GaN基半导体发光管外延材料，三角形的外部则是空气。在等腰直角三角形中O点发出的自发辐射光线22以大于全内反射临界角23.6°的入射角θ入射到直角边20，并全内反射变成光线32直接反射到斜边30上，对应光线32与斜边30的夹角为45°+θ。当θ从23.6°增加到90°时，光线32在斜边30的入射角从21.4°降到0°再增加到45°，其中入射角在23.6°到45°的光线会在斜边30上全反射到直角边上，并如图4所示在直角边上实现耦合输出。
图3为等腰直角三角形发光管中点O发出的自发辐射光线以大于45°入射角发射到等腰直角三角形的斜边上，再反射到直角边然后从直角边又反射回斜边上，对应光线的传播路径以及光线在等腰直角三角形边上入射角的变化规律示意图；在本发明的一个实施例中，等腰直角三角形内是折射率为2.5的GaN基半导体发光管外延材料，三角形的外部则是空气。在等腰直角三角形中O点发出的自发辐射光线45首先以入射角α(α＞45°)入射到斜边30，再以全反射光线55入射到直角边10上，对应在直角边10上的入射角为α-45°，如果α-45°大于全内反射临界角23.6°，即α＞68.6°，则光线55在直角边10上全反射成光线65，并以小于全内反射临界角的入射角90°-α再次入射到斜边30，实现耦合输出。
图4为等腰直角三角形发光管中点O发出的自发辐射光线以小于45°入射角发射等腰直角三角形的斜边上，再反射到直角边上，对应光线的传播路径以及光线在等腰直角三角形边上入射角的变化规律示意图。在本发明的一个实施例中，等腰直角三角形内是折射率为2.5的GaN基半导体发光管外延材料，三角形的外部则是空气。在等腰直角三角形中O点发出的自发辐射光线75首先以入射角α(α＜45°)入射到斜边30，如果α大于全内反射临界角23.6°，则光线在斜边30上会全反射成为光线85，并以小于全内反射临界角23.6°的入射角45°-α入射到直角边10，实现耦合输出。
综合上述分析，可以得出在折射率为2.5的GaN基等腰直角三角形半导体发光管中，平面内传播的自发辐射光线最多只可能在等腰直角三角形边上有两次的全反射，当它经过全反射第三次入射到等腰直角三角形边上时就不满足全内反射条件，从而会部分折射出等腰直角三角形形成有效的耦合输出。这样GaN基等腰直角三角形半导体发光管中不存在完全受全内反射限制的平面内传播自发辐射光线，从而有利于获得高的耦合输出效率。
在本发明的又一个实施例中，等腰直角三角形内是折射率为3.5的GaAs基半导体发光管外延材料，三角形的外部则是空气。对于折射率约为3.5的GaAs发光管，对应的半导体与空气界面的全内反射临界角为16.6°，即入射角大于16.6°的光线将受全内反射限制在半导体GaAs材料中。这样图1中经过在两个直角边上两次全反射的自发辐射光线在斜边上的入射角介于0°到28.4°之间，其中入射角在0°到16.6°之间的光线也可以折射进入空气形成输出，完全受全内反射限制的光线的角度范围也减少了。
图5为本发明的一个实施例中的生长在蓝宝石衬底上的GaN基半导体发光管200材料组成示意图。GaN基半导体发光管200包括材料n-GaN/多量子阱InGaN/GaN有源区/p-GaN。如图5所示，采用金属有机化合物汽相淀积技术在蓝宝石衬底210上依次生长的各层材料及厚度的典型值为：厚度在1到10微米之间的n-GaN层220，多量子阱InGaN/GaN有源区230，以及厚度在0.1到1微米之间的p-GaN层240。
图6为本发明的一个实施例中的由两个等腰直角三角形构成的正方形半导体发光管单元结构及电极位置俯视图。其中包括由两个等腰直角三角形发光单元310和320构成的长方形半导体发光管300单元结构及p面电极315和325以及n面电极350。在长方形半导体发光管单元的两个直角三角形发光单元上面都实现p面欧姆接触，而在围绕直角三角形的刻蚀沟道上，包括两个直角三角形之间的隔离沟道，则实现n面欧姆接触。其中，围绕着直角三角形及两个直角三角形之间的隔离沟道都刻蚀到下限制层n-GaN中。两个等腰直角三角形的直角边长在100到2000微米之间，两个等腰直角三角形中间的隔离沟道宽度在5到100微米。其制作工艺如下：首先在图5所示的GaN基半导体发光管材料上利用等离子增强的汽相淀积技术(PECVD)生长一刻蚀阻挡SiO2层；然后用普通的光刻技术在SiO2层上形成等腰直角三角形光刻胶图形，并采用感应耦合等离子刻蚀技术(或湿法化学腐蚀方法)在SiO2层上刻蚀出两个一组的等腰直角三角形图形单元；再以SiO2层上的图形作阻挡层，利用感应耦合等离子刻蚀技术把图中两个三角形310和320以外的区域都刻蚀到蓝宝石衬底上的n-GaN层220，n-GaN层220上的刻蚀深度在0.5到1微米以使平面内传播的模式场分布基本限制在三角形的刻蚀端面上。这样三角形中平面内传播的光线除了全反射回三角形内部外，就是折射进入四周的空气中形成有效的输出。在三角形310和320上可以采用透明电极以及不同结构的电极以提高注入电流的均匀性，图中只是示意给出两个圆形接触电极。在部分三角形外部区域及隔离沟道上的n-GaN层220刻蚀底面上制作斜虚线标明的n面电极350。两个等腰直角三角形中间的隔离沟道宽度在5到100微米之间，依单元尺寸而定，较大的间隔可以避免平面内传播的光线从一个三角形中折射出后进入另一三角形。
依此类推，可以制作由4个，6个等偶数个等腰直角三角形构成的正方形或长方形半导体发光管单元结构，如把两个图6所示的正方形半导体发光管连接起来就可以形成由4个等腰直角三角形构成的长方形半导体发光管单元结构，如果把4个等腰直角三角形的直角顶点联在一起则可以得到由4个等腰直角三角形构成的长方形半导体发光管单元结构。由两个非等腰直角三角形也能构成的长方形半导体发光管单元结构。
图7为采用图6所述的刻蚀工艺，并按半导体发光管的标准工艺制作p面和n面电极的GaN基半导体发光管立体结构示意图。图中只画出由两个等腰直角三角形构成的一个长方形半导体发光管单元，实际上图中虚线围成的每一个格子都有一个由两个等腰直角三角形构成的长方形半导体发光管单元。最后减薄衬底并切割出由两个等腰直角三角形构成的长方形结构的GaN基半导体发光管。
前面已经具体描述了本发明的实施方案，应当理解，对于一个具有本技术领域的普通技能的人，在不背离本发明的范围的情况下，在上述的和在附加的权利要求中特别提出的本发明的范围内进行变化和调整能同样达到本发明的目的。
Claims (6)
1、一种高输出效率的半导体发光管，其特征在于，所述发光管由p面电极，n面电极和偶数个直角三角形发光单元构成：
所述直角三角形发光单元周围和相邻直角三角形发光单元之间由隔离沟道隔离；
所述隔离沟道深入至下限制层中；
所述下限制层直接位于衬底之上。
2.如权利要求1所述的发光管，其特征在于，所述直角三角形的直角边长在100到2000微米之间。
3.如权利要求1所述的发光管，其特征在于，所述隔离沟道宽度在5到100微米之间。
4、根据权利要求1所述的半导体发光管，其特征在于，所述直角三角形为等腰直角三角形。
5.根据权利要求1所述的半导体发光管，其特征在于，所述半导体发光管为GaN基半导体发光管。
6.根据权利要求1所述的半导体发光管，其特征在于，所述半导体发光管为GaAs基半导体发光管。
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| CNA2008101047584A CN101567379A (zh) | 2008-04-23 | 2008-04-23 | 一种高输出效率的半导体发光管 |
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| CN101794850A (zh) * | 2010-02-24 | 2010-08-04 | 中国科学院半导体研究所 | 平行四边形GaN基发光二极管芯片的对称电极 |
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2008
- 2008-04-23 CN CNA2008101047584A patent/CN101567379A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN101794850B (zh) * | 2010-02-24 | 2012-09-05 | 中国科学院半导体研究所 | 平行四边形GaN基发光二极管芯片的对称电极 |
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