CN102138231B - 提高光萃取率的倒置型发光二极管结构 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种光源(30)及其制造方法。该光源(30)包括一基板及一发光结构。该基板(24)具有一第一表面及一第二表面，该第二表面包括相对于该基板的该第一表面的一弯曲凸面(39)。该发光结构包括一第一导电型材料第一层(21)位于该第一表面上方；一活化层(22)位于该第一层上方，当电洞与电子在该活化层中复合时该活化层产生光；及一第二层(23)包含一第二导电型材料，该第二层具有位于该活化层上方的一第一表面及相对于该第一表面的一第二表面。一镜面层(25)位于该发光结构上方。
Description
背景技术
发光二极管(LEDs，“Light emitting diodes”)为转换电能为光线的一种重要的固态元件类型。在这些元件的改良已经使得它们可用于设计成取代公知白热及萤光光源的发光装置。LEDs有显著较长的寿命，且在某些例子中显然地在转换电能到光线时有较高的效率。
LEDs的成本及转换效率为决定此种新技术是否可以取代公知光源及用于高功率应用的速度的重要因素。因为个别的LEDs受限于数瓦而已，许多高功率应用需要多个LEDs来达到所需要的功率级。此外，LEDs产生相当窄频谱的光。因此，在需要一特定色彩的光源的应用中，组合发光于不同光学谱带的数个发光二极管。因此，许多LED光源的成本为个别LEDs的成本的许多倍。
个别LEDs的转换效率为解决高功率LED光源之成本的重要因素。一LED的转换效率被定义为由该LED发射的光学功率与所消耗的电功率之比例。在LED中未被转换成光的电功率被转换成热而提高LED之温度。散热对于一LED可运作的功率级造成限制。此外，LED必须安装在提供散热的结构上，因此会另外增加这些光源的成本。因此，如果可以增加LED的转换效率，即可增加由单一LED提供的最大光量，因此可以降低一给定光源所需要的LED数目。此外，该LED的运作成本亦反比于该转换效率。因此，已有大量的工作在进行来改善LED的转换效率。
为了此讨论的目的，一LED可视为具有三层，该活化层夹在其它两层之间形成一p-i-n二极管结构。这些层基本上沉积在一基板上，例如蓝宝石。必须注意到这些层之每一层基本上包括一些子层。
材料的改进亦已改善在该活化层中产生光的效率。氮化镓基(GaN-based)LEDs已经显示出对于该活化层已经可有显著增加光的转换效率。不幸地是，这些材料的折射系数非常高，因此由于在空气与LED的边界处或是在具有高折射系数的材料中行进的光线遇到一具有较低折射系数的材料的其它边界处的内反射而被捕捉在该LED内。该被捕捉的光线的很大一部份会因为GaN材料的吸收而损失。对于公知的蓝宝石基板上的氮化镓基LED，由该活化层所放射的光线中接近70％会维持被捕捉在LED之内，除非改变该简单平面层LED结构。
已有数种技术描述可藉由最小化这种内部捕捉来改善LED的光萃取。一种技术藉由随机化射向一内反射边界的光线自该边界反射的角度来操作。如果一LED由平行平面层建构，于具有不同折射系数的两层之间的接口处以大于该临界角的角度射向一第一边界的光线将被内反射朝向一第二边界。此光线将以该光线射向该第一边界的相同角度而射向该第二边界，因此会以相同角度被反射回来而朝向该第一边界。因此，该光线被捕捉在这些边界之间，且最终将由这些材料所吸收，或经由该LED的一侧表面离开。藉由粗糙化这些边界之一者，一光线在第一反射时射向一边界的角度与该光线在一第二反射时射向该边界的角度之间的相关性可以明显降低或消除。因此，每次一光线射向一边界，该光线具有有限的机会可逃逸，即使该光线在前一次反射时内反射。
然而，经由其它机制不会造成影响该LED之效率的其它问题而能达到的粗糙化的程度是有所限制的。经由该LED之顶表面的形状化而可达到的粗糙化程度受限于该p层之厚度，其通常为在制造这些层之后所裸露的该层。该p层材料具有显著较高的成长温度，因此在晶粒成长期间，此层的厚度必须保持在一最小值以防止下方活化层之劣化。然而，该层必须足够厚，以允许该层被充份地粗糙化，以散射射向该层的光。该散射结构必须具有为要被散射的光之波长等级的尺寸以提供有效率的散射。因此，该p层必须具有可被粗糙化的一厚度，以提供在该活化层中产生的光之波长等级之特征，而仍维持无损伤。此妥协会限制该内反射问题藉由粗糙化该LED之表面所能处理的程度。
处理光捕捉问题的另一种技术牵涉到提供在光线离开通过的LED表面处的一曲面。如果该弯曲表面相较于LED为较大，以任何角度离开该LED的光将以小于临界角的角度遇到该表面并逃逸。此种解决方案基本上藉由覆盖具有一凸面的材料层在LED上而应用在封装级。但是该材料层由具有显然小于建构该LED的GaN层的折射系数的材料所建构。因此，当发射至此接口层中的光线以高效率逃逸时，由于在该接口层与该LED的边界处的内反射使得光线仍被捕捉在该LED中。
此外，此解决方案需要比该LED要大很多的一表面，因此会增加该光源的大小。再者，该接口结构会使得该LED之封装复杂化，其中需要该光源制造商将该接口结构模制作为该封装作业的一部份。
发明内容
本发明提供一种光源及其制造方法。该光源包括一基板及一发光结构。该基板具有一第一表面及一第二表面，该第二表面包括相对于该基板的该第一表面的一弯曲凸面。该发光结构包括一第一导电型材料第一层，其位于该第一表面上方；一活化层，其位于该第一层上方，当电洞与电子在该活化层中复合时该活化层会产生光；及一第二层包含一第二导电型材料，该第二层具有位于该活化层上方的一第一表面及相对于该第一表面的一第二表面。一镜面层位于该发光结构上方。
在本发明的一个方面，该弯曲凸面的选择系使得在该活化层中所产生的光线在最初时由于内反射而自该弯曲凸面反射而随后以小于入射点处临界角的一角度射向该弯曲凸面。
在本发明的另一个方面，该弯曲凸面藉由在该基板上图案化一光阻层所产生，其中该光阻层具有类似于该弯曲凸面的表面轮廓。然后该光阻层及基板使用同时侵蚀两个表面的一蚀刻系统来进行蚀刻。
附图说明
图1A和图1B为现有技术的氮化镓基倒置型LED结构的简化截面图；
图2为根据本发明一实施例中包括一LED的晶片的部分截面示意图；
图3为根据本发明的制造方法的流程图；
图4A至图4F为在本发明的制造程序中不同时点处一晶片的部分截面图。
具体实施方式
本发明提供其优点的方式参照图1A及图1B可更容易了解，其为一现有技术氮化镓基倒置式LED(GaN-based inverted LED)结构的简化截面图。LED 10藉由在一蓝宝石基板24上成长三层所建构。第一层21为一n型GaN材料。第二层为一p型GaN层23。第三层22为一活化层，其在当来自层21与23的电洞与电子在其中复合时即放射光。这些层的每一层可以包括一些子层。因为这些子层的功能为本领域中所熟知，且并非本文讨论的重点，这些子层的细节将自这些附图与以下讨论中省略。
在层22中产生的光以所有可能的角度离开层22。在通过边界28与29的后成功地离开该LED的光的范例示于27A处。离开层22的部分光，如图1A中27B处所示，其以一足够大的角度遇到LED层21与基板24之间的边界28而经历全内反射，并变成被捕捉在边界28与镜面层25之间。离开层22的另一部分的光，如图1A中27C所示，其以小于该边界的临界角的角度遇到边界28，并通过它，但是接着以一足够大的角度遇到基板24与空气之间的边界29而经历全内反射，并变成被捕捉在边界29与镜面层25之间。
因为光在后续反射中射向一边界的角度与光在该第一反射期间射向那边界的角度之间有相关性，光变成会被捕捉在两个边界之间。例如，如果因为光以大于该临界角的角度射向边界29而自该边界29反射，那光将被导引回到镜面层25，然后将被反射回到边界29。因为该等这些边界为平行，此光将以该光于先前遇到该边界当中射向边界29的相同角度再次射向边界29。因此，该光将再次由边界29反射。因此，该光变成被捕捉在该等这些两个边界之间，且被吸收在该LED的材料中或是离开该LED的末端。
被捕捉在镜面层25与边界28或29之间的光量可藉由提供一粗糙表面26来降低，如图1B所示。LED 20依类似于LED 10的方式建构，除了层23的顶表面已经藉由蚀刻而粗糙化，如粗糙表面26处所示。粗糙表面26随机化入射在表面26上的光而随后射向边界28与29的该等这些角度。考虑边界28。以大于临界角的角度射向边界28的光将被反射回来朝向镜面层25。该粗糙表面随机化光离开镜面层25的角度。也就是说，该光射向镜面层25的反射角度将会有一分布。因此，离开镜面层25的光的某些部分现在将以小于临界角的角度射向边界28，并通过该边界，如27D处及27E处所示。剩余的光将再次被导引到镜面层25，并以一个范围的角度被反射回来朝向边界29。因此，粗糙表面26改善图1B的现有技术结构中LED的萃取效率。
当粗糙化层23的表面相对于LED 10改善了LED 20的光萃取效率时，该粗糙化造成其它的问题。首先，该镜面层基本上藉由沉积一金属层在层23的顶表面的上所形成，例如银或铝。如果层23的顶表面为粗糙的，该镜面的反射率由于表面电浆效应(surface plasmoneffects)而实质地降低。因此，即会损失一大部分的光线。
第二，经由该顶表面形状化而提供的表面粗糙化的量受限于层23的厚度。层23基本上为p型半导体层。对于许多半导体材料系统，例如GaN，该p型材料具有一非常高的阻值。此外，此p-GaN层比下方的活化层需要明显较高的成长温度。为了最小化该活化层的劣化，该p型氮化镓(p-GaN)层的厚度儘可能选择较小。为了提供适当的粗糙化，该层的厚度必须提供散射特征，其系在该活化层中产生的光的波长等级，而仍可提供一无损伤的连续层。因此，在内部量子效率与光散射效率之间有一妥协。
本发明基于观察到即使缺少粗糙化表面23，如图1A及图1B所示被捕捉在镜面层25与表面29之间的光量可藉由改变表面29的形状来降低，使得在随后会合的一光束射向一表面的入射角(相对于垂直方向)会小于在先前反射中该光束射向该表面的入射角，因此该光可逃逸。
现在请参照图2，其为根据本发明一方面的包括一LED 30的部分晶片的简化截面图。LED 30藉由沉积层21-23在基板24上，且以类似于前述LED 20的方式沉积一镜面层25但不需要包括任何粗糙表面来建构。基板24的底表面39具有一凸曲率。考虑光束31。如果基板24的该底表面为平坦，如33处所示，光束31将会被反射回到层21中，如32处所示。另外，光束31射向在基板39的弯曲表面的点34a处。在此点处基板24的曲率造成光束31的入射角小于临界角，因此光束31可逃逸。
现在考虑垂直入射到层22及21而离开活化层22的光束37。此光束将由平行于层21的平面表面自一LED垂直地逃逸。然而，光束37以大于临界角的一角度35射向表面39的点34b处，因此被反射并射向表面39的点34c处。表面39的选择使得此光线射向表面39的入射角36大于角度35，因此此光束亦自基板24逃逸。
概言之，表面39的选择使得在最初时由于内反射自表面39反射的光束随后以小于入射点处的临界角的一角度入射于表面39。逃逸发生处的反射可为下一次反射，或在自表面39及/或LED 30的其它表面的一些反射的后发生的反射，例如镜面25或层21-23的末端表面。在本发明的一个方面中，表面39为一非球状凸面。例如，表面39可为接近抛物面。
现在参照图3及图4A至图4F，其例示根据本发明制造一LED的方法。图3为该方法的步骤流程图，而图4A至图4F为在该制造程序中不同时点处一晶片的部分截面图。该程序开始于沉积公知的三层LED结构43在一蓝宝石基板44上。三层LED结构43的顶层覆盖有一镜面层45，然后一光阻层42沉积在基板44上，如图4A及步骤301所示。在步骤302中，如图4B所示，该光阻层42被图案化以形成岛42A及42B，其位置对应于所想要的凸面结构。在所示的晶片的部分中，其要形成两个结构，一个结构用于两个相邻LED的每一者。
在步骤304中，如图4C所示，施加热量，以允许该光阻软化及流动。在移除该热量之后，表面张力造成这些光刻胶岛(photoresist islands)的重新形状化。如果这些光刻胶岛被允许成为完全熔解，一实质凸面即形成在每个岛处，如图4D中47A及47B所示。该加热的量及时间轮廓可被选择来达到一特定需要的表面轮廓。
然后该光阻图案藉由蚀刻该光阻层与下方基板而被转移到该下方基板，如步骤305及图4E所示。离子束研磨(Ion beam milling)可被用于该蚀刻制做。基板44被光阻覆盖的那些部分并未被蚀刻，直到该上覆光阻层已经由该离子束移除。因此，在该蚀刻制程结束时，凸面区域49A及49B保留下来，如图4F所示。
在该基板中形成的结构的高度轮廓同时根据该光阻的轮廓及该离子束蚀刻制程的相对选择率而定。如果该离子束制做以实质上与该光阻相同的速率蚀刻该下方基板，在该光阻中的图案将被转移到该基板，使得这些凸面区段与该光阻中相对应结构具有实质上相同的高度。如果该离子束相较于该基板会更快地侵蚀该光阻，具有相同形状但降低高度的图案将会产生。
该凸面结构的产生在晶片范围进行，因此并未实质增加LED的成本。在这方面，其必须注意到该基板时常在公知制程系统中被薄化，以便于分离该晶片成为个别晶粒。对于一蓝宝石基板，这些晶粒藉由在该晶片上所想要的位置处做记号(scoring)然后切割(breaking)该晶片来分离。为了提供可靠的分离，该晶片基本上于该划线及切割程序的前被薄化到厚度约100微米，如图3的步骤306所示。因为该晶片将在这些晶粒之间的位置处划线，即该凸面结构具有最小垂直厚度的区域，如图4F中51处所示，其并不需要额外的薄化来切割这些晶粒。
在上述的具体实施例中，该凸面结构系在生产最终LED的晶片制做结束或接近结束时制造。然而，在沉积LED层的前制造凸面光萃取结构的具体实施例中亦可被建构。在此例中，提供该晶片的实体将提供已经具有这些光萃取特征的晶片。该LED制造商仅需要以可适当地对准于这些凸面结构的方法来制造LED相关的结构。因为这些晶片在公知制做期间将被薄化，这些晶片可被接合至一载板，其可提供在制程期间所需要的切割阻值。
必须注意到该凸面光萃取表面系由该基板建构，因此具有相同的折射系数。因此并不会产生具有不同折射系数的层之间的新介面。利用萃取光的一凸面的现有技术方案系根据藕合大的凸面透镜到该LED以及基本上利用具有比蓝宝石实质较低的折射系数的材料或是用于建构该LED层的材料。为了有效起见，这些透镜必须位在与该LED具有某个距离，且直径上大于LED的数倍。因此，这些透镜必须个别地产生或在该光源组件封装阶段接著。此会增加所得到的光源的成本。
亦必须注意到这些透镜的直径必须大于该LED的许多倍，且必须放置与LED有一些距离，所以任何离开该LED的光线以小于临界角的角度射向该曲面。此对于无法满足某些应用的该光源的大小造成较低的限制。
此外，在该LED与该曲面之间的空间填入有相较于这些LED层具有一相对较低折射系数的材料。此造成该LED与这些光萃取透镜之间的一平面边界，其中该边界区隔两个不同折射系数的区域。因此，部分的该光线将在此边界处被反射回到该LED中。
本发明特别有利于自GaN家族材料以及具有高折射系数的其它材料系统例如蓝宝石或碳化矽(Silicon Carbide)所建构的LED。为了本文讨论的目的，该GaN家族材料将被定义为氮化铝镓(AlGaN)，氮化銦镓(InGaN)及GaN。然而，本发明可应用到自其它家族材料建构的LED。
上述本发明的具体实施例已提供用于例示本发明的多个方面。但是，其应可了解到在不同特定具体实施例中所示的本发明的不同方面可被组合来提供本发明的其它具体实施例。此外，对于本发明的多种修改可由本领域技术人员由前述的说明及附图而显而易知。因此，本发明仅受限于以下申请专利范围所定义的范畴。
Claims (7)
1.一种发光元件，其特征在于，其包括：
一基板，具有一第一表面及一第二表面，该第二表面包含相对于该基板的该第一表面的一弯曲凸面；
一第一层，位于该第一表面上方，该第一层包含一第一导电型材料；
一活化层，位于该第一层上方，当电洞与电子在该活化层中复合时该活化层产生光；及
一第二层，包含一第二导电型材料，该第二层具有位于该活化层上方的一第一表面及相对于该第一表面的一第二表面，该基板被该活化层产生的光透过；
其中该弯曲凸面的选择使得在该活化层中所产生的光线在最初时由于内反射而自该弯曲凸面反射而随后以小于入射点处的临界角的一角度入射于该弯曲凸面。
2.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，该第一层、该第二层与该活化层包含来自氮化镓材料家族的材料。
3.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，该基板包含蓝宝石。
4.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，该弯曲凸面为非球状。
5.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，该弯曲凸面大致上为抛物面。
6.一种发光元件的制造方法，其特征在于，该制造方法包含：
提供具有大致上彼此平行的一第一表面及一第二表面之一基板；
在该第一表面上制造一发光结构，该发光结构包含：
一第一导电型半导体材料第一层，其沉积在该基板上；
一活化层，其位于该第一层上方；及
一第二层，其位于该活化层上方，该第二层为相反于该第一导电型之导电型的半导体材料；及
蚀刻该基板的该第二表面以提供相对于该第一表面的一弯曲凸面；其中该弯曲凸面的选择使得在该活化层中所产生的光线在最初时由于内反射而自该弯曲凸面反射而随后以小于入射点处的临界角的一角度入射于该弯曲凸面。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，蚀刻该基板的该第二表面包含：
沉积一光阻层在该第二表面上；
图案化该光阻层；
加热该光阻层至该光阻层的表面呈现一弯曲凸面形状的温度；及
蚀刻该光阻层及该基板。
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