CN102376834A

CN102376834A - 非矩形发光器件

Info

Publication number: CN102376834A
Application number: CN2010102587267A
Authority: CN
Inventors: 闫春辉; 张剑平; 彭晖; 郭文平; 赵方海; 柯志杰; 马欣荣
Original assignee: INVENLUX PHOTOELECTRONICS (CHINA) CO Ltd
Current assignee: INVENLUX PHOTOELECTRONICS (CHINA) CO Ltd
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-03-14

Abstract

本发明的高出光效率的芯片，包括外延生长衬底、半导体外延层、电极；其中，半导体外延层包括N-类型限制层、发光层和P-类型限制层；电极包括N-电极和P-电极；半导体外延层形成在外延生长衬底上，N-电极和P-电极分别形成在N-类型限制层和P-类型限制层上。芯片的顶视形状是非正方形或非矩形，包括，三角形、四边形、五边形、六边形、七边形，和八边形。四边形包括，平行四边形。一个实施例：平行四边形的芯片的相邻的两边的长度的比例等于1。芯片的侧面的形状是非矩形，芯片的侧面的形状是从一组形状中选出，该组形状包括梯形和倒梯形。

Description

非矩形发光器件

技术领域

本发明涉及通常发光器件，特别是具有降低自吸收和增强光出射的发光器件。

背景技术

近年，由于技术和价格优势，固态光源，如发光二极管(Light-EmittingDiode，简称LED)，正在逐渐取代白炽灯和日光灯等传统光源。目前市场上已经有一些厂家提供发光效率超过每瓦100流明的高效LED白光灯。与传统光源不同，固态光源的光是由固体材料本身产生的。大部分发光材料的折射率n都大于2，即远大于空气或自由空间的折射率(n＝1)。光学界面如果界面处折射率不匹配就会导致3种机制的光损耗：

1)Fresnel损耗或反射损耗(Fresnel/reflection loss)；

2)沿界面传播的损耗波所造成的界面损耗；

3)全内反射。当光从光密媒质传播到光疏媒质且入射角大于临界角时，光会发生全内反射。

关于全内反射对固态光源出光率的影响，以氮化镓(GaN)可见光LED为例，未经处理的光亮平面方形芯片大约只能出射8％的在InGaN量子阱中所产生的光。

因此，如何减少光从固态光源内部到自由空间的传播损耗，或者说，如何提高固态光源的出光效率是关系固态光源应用前景的重要因素。

为了减少光损耗，直观有效的方法之一就是尽量减少界面处折射率的不连续性。在现有技术中，如见美国专利7,783,212，折射率渐变光学界面是减少光学损耗的有效途径。

方法之二就是尽量避免全内反射，如中村秀二的球型LED封装技术(美国专利申请号2008/0121918)，或表面粗化技术(如美国专利号7,422,962；7,355,210)，或LED芯片倒角技术(如美国专利7,652,299，6,229,160针对增加出光锥)，以及光子晶体技术(如美国专利号5,955,749；7,166,870；7,615,398；7,173,289；7,642,108；7,652,295；7,250,635；针对特定波长增强光自发辐射率和光出射)。

近年，利用贵重金属纳米颗粒中的等离子体激元来增加对晶体中的光散射和能量传递以增加晶体出光效率的方法也已见端倪，如SemiLEDs的美国专利7,413,918和Sanyo的美国专利6,998,649。

综上所述，现有技术中增加出光效率的方法都较显著地增加了生产制造成本。

发明内容

本发明披露了新的增加固态光源出光效率的方法。本发明中的某些实例在提高出光效率的同时不增加生产成本，甚至可以显著降低生产成本。

本发明的一方面在于提供更大侧面积的等面积固态光源芯片以增加侧面出光。另一方面在于改变现有的发光芯片的正方形或长方形的形状，以减少光在芯片中的多次全内反射，进一步减少光在芯片中的光程，以减少芯片自吸收带来的光损耗。

本发明的高出光效率的芯片，包括外延生长衬底、半导体外延层、电极；其中，半导体外延层包括N-类型限制层、发光层和P-类型限制层；电极包括N-电极和P-电极；半导体外延层形成在外延衬底上，N-电极和P-电极分别形成在N-类型限制层和P-类型限制层上；其特征在于，芯片的顶视形状是非正方形或非矩形；生长衬底的侧面的形状是矩形或梯形或倒梯形。半导体外延层的侧面的形状是矩形或梯形或倒梯形。芯片的顶视形状是从一组形状中选出，该组形状包括，三角形、四边形、五边形、六边形、七边形，和八边形。四边形包括平行四边形和菱形。

芯片的顶视图是平行四边形时，平行四边形芯片的相邻两边的长度的比例优选在0.1到10之间。

芯片的顶视图是平行四边形时，平行四边形芯片的最大的内角优选要大于100°，或大于120°；或者在100-150°之间。

芯片的顶视图是三角形时，其最大的内角优选要大于100°，或大于120°；或者在100-150°之间。

生长衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括硅，氮化镓，氮化铝，砷化镓，氧化锌，尖晶石，锂酸铝，蓝宝石和碳化硅。

半导体外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，III族氮化物、III族砷化物，III族磷化物，III族氮磷化合物，II-VI族化合物。其中，III族氮化物材料包括：镓、铝、铟、氮的三元系、四元系材料，包括GaN、AlGaN，GaInN、AlGaInN。III族氮化物材料外延层的外延生长晶面是从一组晶面中选出，该组晶面包括：c-面、a-面、m-面，和r-面。III族氮化物材料外延层的外延生长晶面是从一组晶面中选出，该组晶面包括：(00.1)面、(11.0)-面、(10.0)-面，和(11.2)-面。

III族氮磷化合物包括：镓、铝、铟、氮、磷的三元系、四元系和五元系材料，包括，GaNP、AlGaNP、GaInNP、AlGaInNP。

II-VI族化合物包括ZnO，ZnS，ZnSe，ZnTe，CdS，CdSe，CdTe以及它们的三元，四元，或五元化合物。

本发明的高出光效率的芯片，包括衬底、N-电极和P-电极，N-类型限制层，发光层，P-类型限制层；其特征在于，芯片的顶视形状是非正方形或非矩形。

本发明的目的和能达到的各项效果如下：

(1)本发明的高出光效率的芯片，在保持相同发光面积的同时，即，保持每个晶片(wafer)芯片产量不变的同时，增加更多的芯片侧面积以增加侧面出光。

(2)本发明的高出光效率的芯片，改变现有的发光芯片的正方形或长方形的形状，减少光在晶体芯片中的多次全内反射。

(3)本发明的高出光效率的芯片，减少光在芯片中的光程，以减少芯片自吸收带来的光损耗。

(4)本发明的高出光效率的芯片，降低光在芯片边界的入射角，以减少全内反射增加出光率。

(5)本发明的高出光效率的芯片，与相同面积的正方形或长方形芯片相比，保持了相同的生产成本。

(6)本发明的高出光效率的芯片，在与现有方形芯片保持相同的芯片侧面积的同时，可以减少芯片面积，提高单晶片发光芯片的产能。

附图说明

图1示意了光在晶体中的横向波导效应。

图2展示现有技术的方形芯片一个实施例的顶视图。

图3展示本发明平行四边形发光芯片顶视图，并示意与现有技术方形芯片在出光效率上的对比。

图4A展示一个与现有技术正方形发光芯片具有相同面积的平行四边形发光芯片的顶视图。该平行四边形的一边与垂直方向成一夹角θ。

图4B展示图4A中的平行四边形芯片与等面积正方形芯片的边长和之比与夹角θ的关系。

图5展示本发明三角形发光芯片顶视图，并示意与现有技术方形芯片在出光效率上的对比。

图6A展示一个与现有技术方形发光芯片具有相同面积的三角形发光芯片的顶视图。该三角形的一边与垂直方向成一夹角θ。

图6B展示图6A中的三角形芯片与等面积方形芯片的边长和之比与夹角θ的关系。

图7A展示本发明六边形发光芯片顶视图，并示意与现有技术方形芯片在出光效率上的对比。

图7B展示本发明的五边形芯片的顶视图。

图7C展示本发明的七边形芯片的顶视图。

图7D展示本发明的八边形芯片的顶视图。

图7E展示本发明的十边形芯片的顶视图。

图7F展示本发明的十二边形芯片的顶视图。

图7G展示本发明的圆形芯片的顶视图。

图8A示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图8B示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图8C示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图8D示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图8E示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图8F示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图8G示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图8H示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图8J示意了本发明的顶视形状是非正方形或非矩形芯片的一个实施例的侧视图。

图9示意了本发明的一个三角形LED芯片的示意图。

图10示意了本发明的一个平行四边形LED芯片的示意图。

具体实施方式

固态光源芯片由于折射率较大(相对于空气)，存在着出光锥的问题。出光锥的空间角由全内反射临界角确定，光线只能从出光锥里出射。对一个方形芯片而言，实际上存在着6个出光锥，即：上、下、左、右、前、后各一个。现有技术中的半导体薄膜发光器件，如发光二极管(LED)，其芯片的厚度远小于芯片长度和宽度。因此，LED在大多数情况下被近似地认为只有上、下两个出光锥。通过分析，本发明认为这种近似在发光材料折射率较大时会带来较大的误差。

本发明的高出光效率的芯片，包括外延生长衬底、半导体外延层、电极；其中，半导体外延层包括N-类型限制层、发光层和P-类型限制层；电极包括N-电极和P-电极；半导体外延层形成在外延衬底上，N-电极和P-电极分别形成在N-类型限制层和P-类型限制层上；其特征在于，芯片的顶视形状是非正方形或非矩形。生长衬底的侧面的形状是矩形或梯形或倒梯形。半导体外延层的侧面的形状是矩形或梯形或倒梯形。

芯片的顶视形状是从一组形状中选出，该组形状包括，三角形、四边形、五边形、六边形、七边形，和八边形。四边形包括平行四边形和菱形。其中，平行四边形芯片其最大的内角优选要大于100°，或大于120°；或者在100-150°之间。或者平行四边形芯片的相邻两边的长度的比例优选在0.1到10之间。

芯片的顶视图是三角形，其最大的内角优选要大于100°，或大于120°；或者在100-150°之间。

图1示意了光在透明固体中的横向波导效应。图中的箭头示意了光的传播方向。当入射角θ大于等于临界角时，光线在晶体的上下表面连续反射前进从而产生横向波导效应。横向波导效应一方面增加了光在晶体中的传播光程，从而增加了晶体对光的吸收；另一方面导致有相当的光可以从晶体侧面出射。当晶体的折射率越大时，这种横向波导效应越严重，从侧面出光的几率也就越大。因此，在不改变芯片发光面积的同时，增加侧面周长或侧面积，能提高芯片出光效率。

图2展示了现有技术的方形芯片一个实施例的顶视图。图中的箭头示意了光可能的传播途径。可见，由于芯片1的方形边界对光的反射，光线101要经过相当长的光程才有可能从侧面出射。就是说，现有技术的方形芯片不利于侧面出光。

图3给出了本发明的一个实施例，发光芯片4的顶视图是平行四边形而非长方形或正方形。光线101和102在芯片1中都无法出射(虚线所示)，但在芯片4中可以顺利出射。

平行四边形芯片不仅能够增加侧面出光，同时，在保证和方形芯片相同的发光面积的同时，能增加侧面周长或侧面积，进一步增加侧面出光。

图4A示意了两个等面积的现有技术的正方形芯片1和本发明的平行四边形芯片4.平行四边形的一组边和垂直方向成夹角θ。图4B计算了平行四边形芯片4的周长和正方形芯片1的周长之比与夹角θ的关系。夹角θ的绝对值越大，平行四边形芯片4越扁平，周长比越大。当夹角|θ|＝35°时，平行四边形芯片4的周长较等面积的正方形芯片1增加约10.9％。当夹角|θ|＝55°时，平行四边形芯片4的周长较等面积的正方形芯片1增加约35％。等面积下周长的增加增加了光的侧面出射几率，减少了光在晶体中的光程和吸收。

本发明的平行四边形芯片较现有技术的方形芯片在生产成本上没有增加，单晶片芯片产能也没有减少，但能显著提高出光效率。在制作上，较现有技术的方形芯片，只要在划片时调整划片方向到预定的最佳角度，就能得到和方形芯片等面积的平行四边形芯片，得以增加侧边出光。

图5给出了本发明的另一实施例，发光芯片3的顶视图是三角形而非长方形或正方形。光线101和102在芯片1中都无法出射(虚线所示)，但在芯片3中可以顺利出射。

三角形芯片不仅能够增加侧面出光，同时，在保证和方形芯片相同的发光面积的同时，能增加侧面周长或侧面积，进一步增加侧面出光。图6A示意了两个等面积的现有技术的长方形芯片1(长宽比＝2)和本发明的三角形芯片3。三角形的一条边和垂直方向成夹角θ。图6B计算了三角形芯片3的周长和长方形芯片1的周长之比与夹角θ的关系。当夹角θ＝0°时(直角三角形)，三角形芯片3的周长较等面积的长方形芯片1增加约13.8％。当夹角|θ|＝15-35°时，三角形芯片3的周长较等面积的长方形芯片1增加约8％-9％(增加量最小)。此后，夹角θ的绝对值越大，三角形芯片3越扁平，周长比越大。当夹角|θ|＝55°时，三角形芯片3的周长较等面积的长方形芯片1增加约27.7％。当夹角|θ|＝65°时，三角形芯片3的周长较等面积的长方形芯片1增加约62.9％。等面积下周长的增加增加了光的侧面出射几率，减少了光在晶体中的光程和吸收。

本发明的三角形芯片可以在平行四边形芯片的基础上在划片的时候增加一道对角线方向的划道得以实现。

本发明的另一方面在于尽量减少光在芯片边界上的全内反射。为此，可以尽量减少等面积芯片的侧面积或侧边周长。

图7A显示了本发明的一个六边形芯片6的顶视图。和等面积的现有技术正方形芯片1相比，芯片6的周长小于芯片1的周长，但边界的安排使得更多的出射光线得以以小于临界角的入射角出射发光芯片。图7A还展示了在方形芯片中无法出射的光线103在本发明芯片6中由于减少了与界面法线方向的入射角得以顺利出射的示意图。

基于尽量减少光线入射角的原理，图7B至图7G分别展示了本发明的五角形芯片，七角形芯片，八角形芯片，十角形芯片，十二角形芯片，以及圆形芯片。虽然没有在图7B至图7G中明确显示，但至少有一组对边不平行的四边形芯片也是本发明的实施例之一。

图8A展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是矩形，半导体外延层82的截面的形状是矩形。

图8B展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是矩形，半导体外延层82的截面的形状是梯形。

图8C展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是矩形，半导体外延层82的截面的形状是倒梯形。

图8D展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是梯形，半导体外延层82的截面的形状是矩形。

图8E展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是梯形，半导体外延层82的截面的形状是梯形。

图8F展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是梯形，半导体外延层82的截面的形状是倒梯形。

图8G展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是倒梯形，半导体外延层82的截面的形状是矩形。

图8H展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是倒梯形，半导体外延层82的截面的形状是梯形。

图8J展示本发明的非正方形或非矩形芯片的结构的一个实施例的截面图。其中，芯片的生长衬底81或衬底81的截面的形状是倒梯形，半导体外延层82的截面的形状是倒梯形。

图9示意了本发明三角形芯片的侧视图。以III-族氮化物LED为例说明图9。该三角形芯片3包含一三角形的外延衬底310，一发光结构300，和两接触电极325和355。外延衬底310可以是6aN，AlN，SiC，Si，蓝宝石，ZnO，GaAs，锂酸铝以及尖晶石等。其中发光结构包300含第一种导电类型的限制层320，第二种导电类型的限制层340，和夹在其间的发光层330。第二种导电类型的限制层340之上可以选择性的形成透明导电层350。该发光结构形300成在衬底310之上。第一种导电类型可以是n-型，即电子导电类型，也可以是p-型，即空穴导电类型。第二种导电类型可以是n-型，即电子导电类型，也可以是p-型，即空穴导电类型。通过光刻和刻蚀暴露出层320的部分表面以形成接触电极325。另一接触电极355可以直接形成在透明导电层350之上。

第一种导电类型的限制层320可以是Si掺杂的GaN基材料，如低Al，In组分的AlInGaN，可以包含一层或多层组分或掺杂浓度不一样的层。同理，第一种导电类型的限制层340可以是Mg掺杂的GaN基材料，如低Al，In组分的AlInGaN，可以包含一层或多层组分或掺杂浓度不一样的层。发光层330可以是掺杂或不掺杂的含铟的InGaN单层，或多量子阱，如GaN/InGaN量子阱。发光层也可以含有一定的铝组分。透明导电层可以是薄的金属层，如薄镍/金层，或透明导电氧化物如ITO，ZnO等。通过电极325和355向发光层330注入非平衡电子和空穴，三角形芯片3发射预定波长的光。在保证发光面积不变的情况下，芯片3较现有方形芯片1有着更高的出光效率，或外量子效率，是因为芯片3显著地增加了侧边出光。三角形芯片3的顶视图优选是钝角三角形，即三角形的最大内角优选要大于90°，或大于100°，或大于120°；或者在100-150°之间。

三角形芯片3的3个侧面可以是垂直于衬底310的，也可以是与衬底310成一个不等于90°的倾角，以进一步提高侧面出光率。

图10示意了本发明平行四边形芯片的侧视图。以III-族氮化物LED为例说明图10。该平行四边形芯片4包含一平行四边形的外延衬底410，一发光结构400，和两接触电极425和455。外延衬底410可以是GaN，AlN，SiC，Si，蓝宝石，ZnO，GaAs，锂酸铝以及尖晶石等。其中发光结构400包含第一种导电类型的限制层420，第二种导电类型的限制层440，和夹在其间的发光层430。第二种导电类型的限制层440之上可以选择性的形成透明导电层450。该发光结构形成在衬底410之上。第一种导电类型可以是n-型，即电子导电类型，也可以是p-型，即空穴导电类型。第二种导电类型可以是n-型，即电子导电类型，也可以是p-型，即空穴导电类型。通过光刻和刻蚀暴露出层420的部分表面以形成接触电极425。另一接触电极455可以直接形成在透明导电层450之上。

第一种导电类型的限制层420可以是Si掺杂的GaN基材料，如低Al，In组分的AlInGaN，可以包含一层或多层组分或掺杂浓度不一样的层。同理，第一种导电类型的限制层440可以是Mg掺杂的GaN基材料，如低Al，In组分的AlInGaN，可以包含一层或多层组分或掺杂浓度不一样的层。发光层430可以是掺杂或不掺杂的含铟的InGaN单层，或多量子阱，如GaN/InGaN量子阱。发光层也可以含有一定的铝组分。透明导电层可以是薄的金属层，如薄镍/金层，或透明导电氧化物如ITO，ZnO等。通过电极425和455向发光层430注入非平衡电子和空穴，平行四边形芯片4发射预定波长的光。在保证发光面积不变的情况下，芯片4较现有方形芯片1有着更高的出光效率，或外量子效率，是因为芯片4显著地增加了侧边出光。平行四边形芯片4的顶视图是平行四边形，其最大的内角优选要大于90°，或大于100°，或大于120°；或者在100-150°之间。或者平行四边形芯片的相邻两边的长度的比例优选在0.1到10之间。

平行四边芯片4的4个侧面可以是垂直于衬底410的，也可以是与衬底410成一个不等于90°的倾角，以进一步提高侧面出光率。4个侧面和衬底410可以成小于90°的倾角和大于90°的倾角。

同理，本发明中的芯片也可以做成具有图7中各种形状的顶视图的多边形芯片，以降低芯片中出射光线与芯片边界的入射角，从而提高出光率。

上面的具体的描述并不限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权利要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施例决定。

Claims

1.本发明的高出光效率的芯片，包括外延生长衬底、半导体外延层、电极；其中，所述的半导体外延层包括N-类型限制层、发光层和P-类型限制层；所述的电极包括N-电极和P-电极；所述的半导体外延层形成在所述的外延生长衬底上，所述的N-电极和P-电极分别形成在所述的N-类型限制层和P-类型限制层上；其特征在于，所述芯片的顶视形状是非正方形或非矩形。

2.根据权利要求1的芯片，所述的芯片的侧面的形状是非矩形。

3.根据权利要求2的芯片，所述的芯片的侧面的形状是从一组形状中选出，该组形状包括梯形和倒梯形。

4.根据权利要求1的芯片，所述芯片的顶视形状是从一组形状中选出，该组形状包括，三角形、四边形、五边形、六边形、七边形，和八边形。

5.根据权利要求4的芯片，所述的芯片的顶视图是平行四边形。

6.根据权利要求5的芯片，所述的平行四边形芯片的相邻两边的长度的比例优选在0.1到10之间。

7.根据权利要求5的芯片，所述的平行四边形的芯片的相邻的两边的长度的比例等于1。

8.根据权利要求5的芯片，所述的平行四边形芯片其最大的内角优选要大于100°，或大于120°；或者在100-150°之间。

9.根据权利要求4的芯片，所述的三角形芯片，其最大的内角优选要大于100°，或大于120°；或者在100-150°之间。

10.根据权利要求1的芯片，所述的生长衬底的材料是从一组材料中选出，该组材料包括硅，氮化镓，氮化铝，砷化镓，氧化锌，尖晶石，锂酸铝，蓝宝石和碳化硅。

11.根据权利要求1的芯片，所述的半导体外延层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，III族氮化物、III族砷化物，III族磷化物，III族氮磷化合物，II-VI族化合物。

12.根据权利要求11的芯片，所述的III族氮化物材料包括：镓、铝、铟、氮的三元系、四元系材料；包括，GaN、AlGaN，GalnN、AlGalnN。

13.根据权利要求11的芯片，所述的III族氮磷化合物包括：镓、铝、铟、氮、磷的三元系、四元系和五元系材料；包括，GaNP、AlGaNP、GalnNP、AlGalnNP。

14.根据权利要求11的芯片，所述的II-VI族化合物包括ZnO，ZnS，ZnSe，ZnTe，CdS，CdSe，CdTe以及它们的三元，四元，或五元化合物。

15.根据权利要求11的芯片，所述的III族氮化物材料外延层的外延生长晶面是从一组晶面中选出，该组晶面包括：c-面、a-面、m-面，和r-面；所述的III族氮化物材料外延层的外延生长晶面是从一组晶面中选出，该组晶面包括：(00.1)面、(11.0)-面、(10.0)-面，和(11.2)-面。

16.本发明的高出光效率的芯片，包括衬底、N-电极和P-电极，N-类型限制层，发光层，P-类型限制层；其特征在于，所述芯片的顶视形状是非正方形或非矩形。