CN1263167C - 具有表面构造的发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管。为改善光耦合输出在发光二极管的至少一段光射出侧表面上覆置了许多平截头棱锥体(10A-D)，在其侧而(2A，2B，2C)上可以有效地使得由一个发光层发射出的并通过这平截头棱锥体(10A-D)的底面(1)而射入这棱锥体的光束实现耦合输出。

Description

具有表面构造的发光二极管
技术领域
本发明涉及一种具有表面构造的发光二极管。本发明特别涉及一种发光二极管，为改善其光耦合输出，发光二极管的位于基底物对面的表面至少在其中一段上具有许多平截头棱锥体。
背景技术
发光二极管，如半导体发光二极管(LED)其特点尤其在于，根据材料体系的不同从输送的电能至光能的内部转化效率是很高的，也就是说无论如何都能大于80％。但是从半导体晶体里的有效的光耦合输出由于在半导体材料(典型的为n＝3.5)和周围的浇注树脂材料(典型的为n＝1.5)之间的折射率突变而变得困难了。由此得出在半导体一浇注树脂材料的界面上的较小全反射角约为26°，这导致了只有一部分所产生的光线能够耦合输出。以这种典型的方式在制造所使用的简单的立方形构造的发光二极管(LED)时，不是在大约26°大小的耦合输出锥体里发射的光束就留住在半导体晶体里，这是由于它与表面法线之间的角度即使由于多重反射也并不发生变化。因此光束就提前地或者迟后地由于吸收而首先在接触部位、活性区部位或者在基底物里消失了。尤其是对于磷化铟镓铝(InGaAlP)发光二极管来说，正在吸收的砷化镓(GaAs)-基底物有一种特别的问题。在这种类型的传统的发光二极管里，从活性区指向发光二极管(LED)表面的方向上所发射的位于耦合输出角之外的光线很有可能通过吸收在基底物里消失了。
在实践中最常使用的缓解所述问题的方法就在于：在LED的上表面上覆置一层厚的半导体层。这就可能部分地利用所发射光线的侧面的耦合输出锥体。
在U.S.-A-5,008,718里建议：在一种磷化铝镓铟(AlGaInP-)发光二极管(LED)里主要由于因电接触而注入的电流产生横向扩展而在活性的光发射层上覆置一层有导电能力的并且对于发射光线来说透光的磷化镓(GaP)层。在另外的地方指出了减少内部全反射的有利的副作用，并且由于厚磷化镓层的作用就可能使光线实现侧面的耦合输出。此外还建议通过酸洗腐蚀将对于发射光线不透明的砷化镓(GaAs)基底物去除，并用至少一种由合适的材料制成的透明基底层，如磷化镓(GaP)来替代。
同样，在U.S-A-5,233,204里建议在发光二极管里应用一层或多层厚的并且透明的层。对于这些透明层的布置和数量叙述了各种不同的构型。另外还建议有一层布置在活性的发光层之下的，向着基底方向逐渐变小的并形成漏斗状的层(图10)。
然而至今所了解到的解决方案或者从技术上来说比较费事，或者并不能使得从发光二极管的光耦合输出获得所希望的提高。尤其是一层相对较厚的透明半导体层的生长在制造发光二极管时是一个相对费时间的过程，这是因为作为生长工艺大多数或者使用金属组织的气相外延法(MOCVD)或者分子束外延法(MBE)。对于这种生长工艺来说，制造10-20μm厚的透明半导体层是一个费时间的过程，因而制造发光二极管的总的时间就不可接受地加长了。
发明内容
因而本发明的任务就是提出一种具有高效光耦合输出的发光二极管，这种发光二极管的制造可以不需要附加的复杂的或费时的加工步骤。
该项任务的技术解决方案在于一种发光二极管，它具有
-一种半导体层状构造，包含有一层基底物和至少一层在基底物上成型的发光层；
-在基底物上的第一层电接触层，和
-第二层电接触层，在至少一部分位于基底物对面的半导体层状构造的表面上；其中，
-半导体层状构造的位于基底物对面的表面至少在一部分上面形成构造，从而使其在第二层电接触层的范围之外具有许多平截头棱锥体或者平截头圆锥体。
在本发明的实施形式中这平截头棱锥体为三侧面式构造。
在按本发明所述的平截头棱锥体里光线通过多重反射而引入一个耦合输出锥体里。只是与LED的上面呈陡斜进入的光线才用于耦合输出。因而避免了在发光层里较长的路程。平截头棱锥体的斜侧面保证了使首先为陡斜向上的光线和每个反射光线都呈平状，从而使它们最终侧向地从平截头棱锥体的侧壁里耦合输出。
优先考虑使得用第二个电接触层覆盖段的光线射出侧表面非结构化。在一种实例性的实施形式中对于一种正方形的或者长方形LED来说就在光线射出侧的表面上覆置第二层具有交叉构造形式的电接触层。该交叉状构造包括了在长方形的光射出侧表面中心的一个基本为圆形的连接面以及以圆周指向芯片四角的指状连接表面。位于这四个指状连接面之间的部分分别用许多平截头棱锥体盖住，这些棱锥体的布置应保证能覆置尽可能多的数量。
关于平截头棱锥体的形状有许多使耦合输出实现优化的参数，如在所谓的射线跟踪拟中详细试验过的那样。以下就提出了用于三侧面平截头棱锥体的优化的参数范围。若平截头棱锥体的底面为A，高度为h，那么用V表示底面积的平方根除以平截头棱锥体的高度：
V＝A1/2/h
另外平截头棱锥体的三个侧面的定位偏角φ和三角形底面的角度α，β和γ都具有作用。
最好的结果是按照射线跟踪模拟用以下的参数范围来实现的：
0，1≤V≤10
45°≤≤88°
α，β，γ＞10°
采用V＝1，φ＝75°，以及用一个等边三角形作为底面，其主角θ＝70°，那么对于光耦合输出来说就得到特别好的值。
此外本发明还具有的优点在于它是基于一种非局部耦合输出的原理，因而取消了从技术上难于控制的使通量收缩的过程。另外只要使上部窗口形成构造，而活性区并不腐蚀透，而且不受之损伤。这种构造相比之下可以比较简单地只用一种附加的平板印刷工艺步骤以及随后的干腐蚀来实现。
此外，对于本发明来说也可以使用具有四个或者多于四个侧面的平截头棱锥体。
附图说明
以下根据附图对本发明的实施例进行详细的说明。以下图示为：
图1：在反射器中一个通常布置的发光二极管(LED)的示意简化的横断面图；
图2：按本发明所述的一种三个侧面的平截头棱锥体的举例说明的形状；
图3：分段地用本发明所述的平截头棱锥体盖住的一个发光二极管(LED)的矩形表面上的俯视图。
具体实施方式
图1表示了一种发光二极管(LED)芯片100，如它布置在一个圆形或者抛物线形状横断面的反射器200里面那样，因而其所发射的光线既直接地射出，也通过这反射器200搜集并基本上在同样的方向上发射出。通常将LED芯片100埋入在一种浇注树脂材料里面，从而尤其是在其光射出侧的表面上有一个在半导体材料和浇注树脂材料之间的界面。在此界面上折射率的突变相对较大，因而当与法线之间的射入角相对较小时就已发生了全反射。这种全反射光应该尽可能通过LED芯片100的侧壁耦合输出并能够由反射器200搜集到，而不是在LED芯片100的基底物上被吸收掉。
按本发明所述的发光二极管具有一个半导体层状构造，它有一个吸收光线的基底物和至少一层在基底物上成型的发光层。发光层由一种Pn-过渡来构成。如果想要的话，可以设有一层简单的或者多重的量子槽构造作为发光层。发光层相对靠近在位于基底物对面的半导体层状构造的光射出侧的表面上。在基底物上很平地覆置有第一层电接触层，而在至少一部分位于基底物对面的半导体层状构造的表面上则覆置有第二层电接触层。最好在并不是由第二层电接触层所盖住的部分里使这表面形成构造，从而使其具有许多三侧面的平截头棱锥体。
图2立体表示了这样一种平截头棱锥体10的实例。它具有底面1，其面积为A，其角度用α，β和γ表示。这些角度的大小最好都超过10°。例如可以使用等腰三角形，其主角θ的大小为70°。平截头棱锥体10的侧壁2A，2B，2C的定位偏角φ最好在一个45°和85°之间的范围内。因此平截头棱锥体10逐渐变小直至一个表面3，该表面位于底面1的对面，其中底面1和面3的平面是相互平行的。
在LED芯片里，位于基底物对面的表面至少在其一部分上用所述类型的平截头棱锥体10盖住。通常可以用一种环氧树脂材料将LED芯片灌注，从而在平载头棱锥体10的侧面2A，2B，2C上出现了至所围包树脂材料时的折射率突变。从位于平截头棱锥体10之下的一个Pn过渡穿过其底面1进入平截头棱锥体10的光线或者在侧面2A，2B，2C上全反射，或者穿过它进入所围包的树脂材料，并因此以LED芯片里耦合输出。这些以一个倾斜角度穿透底面1的光线相对垂直地射入到侧面2A，2B，2C上并因而直接穿过这些侧面。其它的垂直地穿地底面1的光线又以一个相对较平缓的角度射入在这些侧面2A，2B，2C上并因而在这些面上全反射。但在一次反射之后这光线就射到位于对面的侧面上。每一次反射由于侧面的位置是倾斜的，光线在各个侧面上的入射角变小了，因此在一定次数的反射之后就产生了光线从平截头棱锥体10里的一种侧向耦合输出。实施所谓的射线跟踪模拟已经得知：平截头棱锥体的参数的最佳配置是采用了一个等腰三角形作为底面1，其主角θ＝70°，定位偏角φ＝75°，平截头棱锥体10的高度h相当于底面1的面积A的平方根。
图3表示了一个LED芯片100，是在位于基底物对面的表面上的俯视图。在基底物上覆置了第一层电接触层(未示出)，而图3所示的表面设置有第二层电接触层50。这第二层电接触层50具有一种交叉式构造，中央有一个圆形的接触面，并从其圆周至矩形表面的角的方向上有指状的接触表面。第二层电接触层50可以通过一种不透明的金属层或者通过一种薄的透明层，如ITO(氧化铟锡)层而构成。在第二层接触层50的这些指状接触面之间都构成了透明的窗口部位A-D，在这些位里分别在A-D上覆置了平截头棱锥体10A-10D。在俯视图中以每一个棱锥体可以看到上面的较小的面和下面的底面。平截头棱锥体的布置应该使得尽可能多数量的棱锥体能够布置在每个窗口状部位A-D里。
若设有一层透明的接触层50，那么在接触层50的部位里也可以用平截头棱锥体10来布置。
也可以应用具有四个侧或者多于四个侧面的平截头棱锥体。具有一种圆形横截面的一种平截头圆锥体这种极限情况也应该由本发明一起包括。

Claims (18)

1.发光二极管，它具有
-一种半导体层状构造，包含有一层基底物和至少一层在基底物上成型的发光层；
-在基底物上的第一层电接触层，和
-第二层电接触层(50)，在至少一部分位于基底物对面的半导体层状构造的表面上；
其特征在于，
-半导体层状构造的位于基底物对面的表面至少在一部分上面形成构造，从而使其在第二层电接触层(50)的范围之外具有许多平截头棱锥体或者平截头圆锥体(10)。
2.按权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，平截头棱锥体(10)为三个侧面的。
3.按权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，平截头棱锥体(10)具有四个或多于四个侧面。
4.按权利要求1-3中之一所述的发光二极管，其特征在于，基底物由砷化镓构成，发光层由磷化铟镓铝构成。
5.按权利要求1-3中之一所述的发光二极管，其特征在于，表面构造通过一种附加的平板印刷工艺步骤和随后的干腐蚀来制成。
6.按权利要求1-3中之一所述的发光二极管，其特征在于，
-位于基底物对面的表面是矩形的，
-第二层电接触层(50)是一种交叉状构造，其中央有一个连接面，而且由此面出发在指向矩形表面的四角的方向上分别形成有指状的连接面；
-位于指状连接面之间的部位都用平截头棱锥体(10)盖住。
7.按权利要求1-3中之一所述的发光二极管，其特征在于，第二层电接触层(50)对于发射的光线是不透明的。
8.按权利要求1-3中之一所述的发光二极管，其特征在于，第二层电接触层(50)由一层透明的薄导电层构成。
9.按权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述透明的薄导电层是一氧化铟锡层。
10.发光二极管，它具有
-一种半导体层状构造，包含有一层基底物和至少一层在基底物上成型的发光层；
-在基底物上的第一层电接触层，和
-第二层电接触层(50)，在至少一部位位于基底物对面的半导体层状构造的表面上；
其特征在于，
-位于基底物对面的半导体层状构造的表面在至少一部分上形成构造，从而使它具有许多三侧面的平截头棱锥体(10)，这些棱锥体(10)用以下的参数范围来规定：
0 1≤V≤10
45°≤≤88°
α，β，γ＞10°
-其中V＝A1/2/h；A是平截头棱锥体(10)的三角形底面(1)的面积；h是棱锥体(10)的高度；φ是棱锥体(10)侧面的定位偏角；α，β，γ是三角形底面(1)的角度。
11.按权利要求10所述的发光二极管，其特征在于，V＝1，对所有侧面φ＝75°，底面(1)为等腰三角形，其主角θ＝70°。
12.按权利要求10或11所述的发光二极管，其特征在于，用第二层电接触层(50)所盖住的位于基底物对面的表面部分非结构化。
13.按权利要求10或11所述的发光二极管，其特征在于，基底物由砷化镓构成，发光层由磷化铟镓铝构成。
14.按权利要求10或11所述的发光二极管，其特征在于，表面构造通过一种附加的平板印刷工艺步骤和随后的干腐蚀来制成。
15.按权利要求10或11所述的发光二极管，其特征在于，
-位于基底物对面的表面是矩形的，
-第二层电接触层(50)是一种交叉状构造，其中央有一个连接面，而且由此面出发在指向矩形表面的四角的方向上分别形成有指状的连接面；
-位于指状连接面之间的部位都用平截头棱锥体(10)盖住。
16.按权利要求10或11所述的发光二极管，其特征在于，第二层电接触层(50)对于发射的光线是不透明的。
17.按权利要求10或11所述的发光二极管，其特征在于，第二层电接触层(50)由一层透明的薄导电层构成。
18.按权利要求17所述的发光二极管，其特征在于，所述透明的薄导电层是一氧化铟锡层。
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