CN1652363A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管。根据本发明，包括由具有不同于活动层附近的半导体层的折射率的材料制成的微透镜或突起的能减少光全反射的结构形成在活动层附近的半导体层内或表面上，从而能有效地引出发光二极管活动层产生的光以提高亮度。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及发光二极管，并且尤其涉及这样一种发光二极管(LED)，其中在活动层的顶部或底部表面上的半导体层内或表面上形成能够减少光全反射的结构，从而有效地引出来自LED的光以提高亮度。
背景技术
使用III/V族半导体材料制造发光二极管(LED)的技术已经将其应用范围从使用AlGaAs/GaAs的红色LEDs的开发扩展到使用AlGaInP/InP的红色和绿色LEDs的开发。目前，由于使用GaN基材料的蓝色LEDs的开发，能够实现全彩色(full colors)，使得LEDs的使用已经广泛地扩展到信号灯、彩色显示器等等。
此外，已经将GaN基材料联系到紫外线LEDs的开发，从而大大提高了未来LEDs普遍用于发光装置中的可能性。
虽然多种LEDs已经开发并被广泛使用，但是对于提高LEDs的亮度的研究始终在进行。
为了提高LEDs的亮度，已经对改进LED发展中的结构、改进芯片设计和可装配性的方法进行了研究。
然而，如果考虑到量子效率，那么通过修改LED的结构来提高亮度的方法就会有局限性。因而，最近几年已经在积极地进行提高引出效率以改善LED内产生的光的引出的研究。
为了提高这种引出效率，对降低材料之间界面上产生的光吸收或反射已经进行了各种各样的尝试。例如，为了减少氮化物基LED内的蓝宝石和氮化物之间界面上产生的全反射，已经主要地使用了在蓝宝石基底上形成图案或波纹的方法，并且也已经尝试了通过分离蓝宝石基底来消除吸收或全反射的方法。
此外，为了减少由氮化物和空气的折射率差异引起的全反射，有一种通过使氮化物表面粗糙来提高引出效率的方法。
而且，已经尝试了多种通过改进芯片设计和可装配性有效地引出LED内产生的光的方法。
发明内容
本发明旨在解决前述问题。因此，本发明的一个目的是提供一种LED，其中在活动层的顶部或底部表面上的半导体层内或表面上形成能减少光全反射的结构，从而有效地引出来自LED的光以提高亮度。
根据本发明用于实现该目的的第一个技术方案，提供了一种发光二极管，包括：顺序形成在基底上的N-半导体层，活动层和P-半导体层；形成在N-半导体层的暴露区域上的N电极衬垫(electrode pad)，N-半导体层的暴露区域通过部分蚀刻从P-半导体层到N-半导体层的一部分的层暴露形成；和形成在P-半导体层上的P电极衬垫，其中彼此分隔开并具有小于N-半导体层或P-半导体层的折射率的多个微透镜或者排列在N-半导体层和P-半导体层的任何一个的内部区域内，或者同时排列在N-半导体层和P-半导体层的内部区域内。
根据本发明用于实现该目的的第二个技术方案，提供了一种发光二极管，包括：顺序形成在N-半导体基底上的活动层和P-半导体层；形成在该N-半导体基底之下的N电极衬垫；及形成在P-半导体层上的P电极衬垫，其中多个彼此间隔开并具有小于N-半导体基底或P-半导体层的折射率的微透镜排列在或者N-半导体基底和P-半导体层中任何一个的内部区域内，或者同时在N-半导体基底和P-半导体层的内部区域内。
根据本发明用于实现该目的的第三个技术方案，提供了一种发光二极管，包括：顺序形成在N-半导体基底上的活动层和P-半导体层；形成在N-半导体基底之下的N电极衬垫；及形成在P-半导体层上的P电极衬垫，其中多个彼此间隔开并具有小于N-半导体基底或P-半导体层的折射率的突起排列在或者N-半导体基底的底部表面和P-半导体层顶部表面中任何一个上，或者同时在N-半导体基底的底部表面和P-半导体层的顶部表面上。
根据本发明用于实现该目的的第四个技术方案，提供了一种发光二极管，包括：顺序形成在基底上的N-半导体层、活动层和P-半导体层；形成在N-半导体层的暴露区域上的N电极衬垫，N-半导体层的暴露区域通过部分地蚀刻从P-半导体层到N-半导体层一部分的层暴露形成；及形成在P-半导体层上的P电极衬垫，其中多个彼此间隔开并具有小于N-半导体层或P-半导体层的折射率的突起排列在或者P-半导体层的顶部表面上，或者基底和N-半导体层之间的接触面上。
附图说明
本发明的上述和其它的目的、特征和优点从下面结合附图的优选实施例的描述中将会变得很清楚，其中：
图1是表示根据本发明第一个实施例的提高LED亮度的方法的概念图；
图2a和2b是根据本发明第一个实施例的LED的示意性剖视图；
图3是表示根据本发明第二个实施例的提高LED亮度的方法的概念图；
图4a到4c是根据本发明第二个实施例的LED的示意性剖视图；及
图5a到5e是表示根据本发明第二个实施例的突起形状的立体图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述。
图1是表示根据本发明第一个实施例的提高LED亮度的方法的概念图。形成在活动层10上的P-GaN层20包括其内的多个微透镜30，该微透镜由具有小于P-GaN层20的折射率的材料制成。
每个微透镜30可以形成有凸起的顶部表面，或凸起的顶部和底部表面。
如果在P-GaN层20内没有微透镜30，从活动层10发射之后沿着路径A以大于临界角的角度θ1前进的光由于全反射而没有发射到外部，而是沿路径B前进，如图1所示。
如果在P-GaN层20内有微透镜30，那么光在微透镜30之一内折射，然后前进并由于微透镜30的曲率半径，以小于临界角的角度θ2沿着路径C向外发射。
因此，由于在本发明的第一个实施例中多个微透镜30在LED的P-GaN层20内形成，所以能减少活动层10发射的光的全反射，从而减少光损失。
此外，当活动层内产生的光到达微透镜时，由于透镜的聚焦作用，光可以在没有大量损失的情况下发射到空气中。
从而，可能提高LED的光引出效率。
同时，通过参照图1的实施例描述形成微透镜的方法。该方法可以通过在活动层10上形成P-GaN层，在P-GaN层上将透光材料形成微透镜阵列，及在包括微透镜阵列的P-GaN层上再次形成P-GaN层而实现。
这里，透光材料是ITO，ZnO，IrO，CuO，NiO，InO，Al2O3，TiO，SnO，SrTiO3，SiO2，Si3N4，Al，Ni，Au，Co和Cr之一。
图2a和2b是根据本发明第一个实施例的LED的示意性剖视图。首先，在图2a所示的LED内，N-GaN层110、活动层120和P-GaN层130顺序形成在蓝宝石基底100上；通过部分蚀刻从P-GaN层130到N-GaN层110一部分的层而暴露N-GaN层110的一定区域；彼此间隔开的多个微透镜171和172排列在N-GaN层110和P-GaN层130内；及N电极衬垫151形成在N-GaN层110的暴露区域上并且P电极衬垫152形成在P-GaN层130上。
此外，在图2b所示的LED内，活动层210和P-AlGaAs层220顺序形成在N-AlGaAs基底200上；彼此间隔开的多个微透镜271和272在活动层210附近的N-AlGaAs基底200和P-AlGaAs层220的内部区域排列；及N电极衬垫231形成在N-AlGaAs基底200之下并且P电极衬垫232形成在P-AlGaAs层220上。
在图2a和2b的结构中，微透镜可以独立地仅在活动层附近的N型半导体层或P型半导体层内实现，或者可以同时在N型层和P型层内实现。
这里，优选地微透镜与活动层平行排列。
图3是表示根据本发明第二个优选实施例的提高LED亮度的方法的概念图。由具有比P-GaN层20小的折射率的材料制成并且彼此间隔开的多个突起50在活动层10上的P-GaN层20上形成。
如果在P-GaN层20内没有突起50，那么在从活动层10发出之后沿着路径D以大于临界角的角度θ3前进的光由于全反射的原因没有向外发射而是沿着路径E前进。
相反，如果在P-GaN层20内有突起50，那么光在突起50处折射然后前进，并沿着路径F以小于临界角的角度θ4向外发射。
此时，当光通过突起50向外发射时为什么光以小于临界角的角度前进的原因是因为突起50的折射率小于P-GaN层20的折射率。
因此，由于多个突起50形成在本发明第二个实施例中的LED的P-GaN层20上，所以能减少从活动层10发出的光的全反射，从而减少光损失。
图4a到4c是根据本发明第二个实施例的LED的示意性剖视图。与图2a所示LED的结构相比，在图4a的LED中，微透镜没有形成在P-GaN层130内而是由具有比P-GaN层130小的折射率的材料制成的多个突起301形成在P-GaN层130上。
此外，与图2b所示LED的结构相比，在图4b所示的LED中，微透镜没有形成在N-AlGaAs基底200和P-AlGaAs层220内，而是由具有分别比P-AlGaAs层220和N-AlGaAs基底200小的折射率的材料制成的多个突起301和302形成在P-AlGaAs层220上和N-AlGaAs基底200之下。
此时，在图4a和4b的LED中，可能在P-GaN层130和P-AlGaAs层220上形成用于扩散电流的透明电极，或在用于扩散电流的透明电极上形成突起。
此外，在图4c所示的LED中，N-半导体层110、活动层120和P-半导体层130顺序形成在基底100上；通过部分蚀刻从P-半导体层130到N-半导体层110一部分的层而暴露N-半导体层110的一定区域；及N电极衬垫151形成在N-半导体层110的暴露区域上并且P电极衬垫152形成在P-半导体层130上。
彼此间隔开并具有小于N-半导体层110的折射率的多个突起部分301和302排列在N-半导体层110的暴露区域上或在基底100和N-半导体层110之间的接触面上。
此外，N电极衬垫151形成在N-半导体层110的暴露区域上，同时覆盖多个突起301的若干。
图5a到5e是表示根据本发明第二个实施例的突起形状的立体图。突起可以形成按行和列排列的微透镜(图5a中的311)、圆柱体(图5b中的312)和四方柱(图5c中的313)中任意种类，或形成按条纹图案排列的半圆柱(图5d中的314)和矩形柱(图5e中的315)中的任意种类。
这里，优选地，微透镜的直径d1，圆柱体的直径d2，四方柱的宽度W1，半圆柱的线宽W2和矩形柱的线宽W3在1nm到100μm的范围内。
如上所述，当使用半导体化合物材料制造LED时为了提高亮度的目的，本发明通过在活动层附近的半导体层内或表面上采用具有与活动层附近的半导体层不同的折射率的材料能使LED内产生的光的引出率最大化。
此外，微透镜和突起可以由透明导电氧化物(TCO)譬如ITO、ZnO和IrO，介电材料譬如SiO2和Si3N4，或金属譬如Al、Ni、Au、Co和Cr的薄膜形成。当它们呈微透镜形式时，它的效果能最大化。
此时，微透镜和突起以固定间隔或随机地形成。
如上所述，本发明由于在活动层的顶部或底部表面上的半导体层内或表面上形成能减少光全反射的结构，从而具有有效提取LED发出的光以提高亮度的优点。
虽然已经结合具体实施例对本发明进行了详细的描述，然而对于本领域的技术人员来说容易理解在本发明的技术宗旨和范畴之内可以对其做出各种修改和改变。很显然这些修改和改变落在由所附权利要求限定的本发明的范畴之内。

Claims (11)

1、一种发光二极管，包括：顺序形成在基底上的N-半导体层、活动层和P-半导体层；形成在N-半导体层的暴露区域上的N电极衬垫，该暴露区域通过部分蚀刻从该P-半导体层到N-半导体层一部分的层形成；及形成在P-半导体层上的P电极衬垫，其中：
多个彼此间隔并具有小于该N-半导体层或P-半导体层的折射率的微透镜排列在或者N-半导体层和P-半导体层之中任意一个的内部区域中，或者同时在N-半导体层和P-半导体层的内部区域中。
2、一种发光二极管，包括：顺序形成在N-半导体基底上的活动层和P-半导体层；形成在该N-半导体基底之下的N电极衬垫；及形成在该P-半导体层上的P电极衬垫，其中：
多个彼此间隔开并具有小于该N-半导体基底或P-半导体层的折射率的微透镜排列在或者该N-半导体基底和该P-半导体层中任意一个的内部区域内，或者同时在N-半导体基底和该P-半导体层的内部区域内。
3、如权利要求1或2所述的发光二极管，其中该微透镜是由ITO，ZnO，IrO，CuO，NiO，InO，Al2O3，TiO，SnO，SrTiO3，SiO2，Si3N4，Al，Ni，Au，Co和Cr中任意一个制成。
4、一种发光二极管，包括：顺序形成在N-半导体基底上的活动层和P-半导体层；形成在该N-半导体基底之下的N电极衬垫；及形成在该P-半导体层上的P电极衬垫，其中：
多个彼此间隔开并具有小于该N-半导体基底或P-半导体层的折射率的突起排列在或者N-半导体基底的底部表面和P-半导体层的顶部表面的任意一个上，或者同时在N-半导体基底的底部表面和P-半导体层的顶部表面上。
5、如权利要求4所述的发光二极管，其中突起形成为按行和列排列的微透镜、圆柱体和四方柱中的任意种类，或按条形图案排列的矩形柱和半圆柱中的任意种类。
6、如权利要求4或5所述的发光二极管，其中该突起是由ITO，ZnO，IrO，CuO，NiO，InO，Al2O3，TiO，SnO，SrTiO3，SiO2，Si3N4，Al，Ni，Au，Co和Cr中任意一个制成。
7、如权利要求5所述的发光二极管，其中微透镜的直径(d1)、圆柱体的直径(d2)、四方柱的宽度(W1)、半圆柱的线宽(W2)和矩形柱的线宽(W3)在从1nm到100μm的范围内。
8、一种发光二极管，包括：顺序形成在基底上的N-半导体层、活动层和P-半导体层；形成在该N-半导体层的暴露区域上的N电极衬垫，该暴露区域是通过部分蚀刻从该P-半导体层到N-半导体层的一部分的层形成的；及形成在该P-半导体层上的P电极衬垫，其中：
多个彼此间隔开并具有小于该N-半导体层或P-半导体层的折射率的突起排列在或者该P-半导体层的顶部表面上，或者排列在基底和该N-半导体层之间的接触面上。
9、如权利要求8所述的发光二极管，其中多个彼此间隔开并具有小于该N半导体层或P-半导体层的折射率的突起还排列在该N-半导体层的暴露区域上，并且
该N电极衬垫形成在该N-半导体层的暴露区域上，同时覆盖该多个突起中的部分。
10、如权利要求8或9所述的发光二极管，其中该突起形成为按行和列排列的微透镜、圆柱体和四方柱中的任意种类，或形成按条形图案排列的矩形柱和半圆柱中的任意种类。
11、如权利要求8或9所述的发光二极管，其中该突起以固定间隔或随机地形成。
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