TW200941773A - System and method for emitter layer shaping - Google Patents
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200941773 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭示内容一般係關於發光二極體（LED)裝置且更特定 言之係關於用於成形射極材料以最大化任一 LED之光擷取 效率之系統和方法。 此申請案根據35 U.S.C. 119(e)主張2008年2月8曰申請之 美國臨時專利申請案第61/027,354號，標題為"EMITTER LAYER SHAPING(射極層成形）"與2008年11月25日申請之 第 61/049,964號，標題為"EMITTER LAYER SHAPING(射 極層成形）"的優先權利。此申請案係關於2007年10月1曰 申請之美國專利申請案第11/906,219號，標題為"LED SYSTEM AND METHOD(LED系統和方法）"與2007年 10月 1 日申請之第11/906，194號，標題為"LED SYSTEM AND METHOD(LED系統和方法）·，，其兩者均主張2006年10月2 曰申請之美國臨時專利申請案第60/827,818號，標題為 "SHAPED LIGHT EMITTING DIODES(成形發光二極體）" 與2007年1月22日申請之第60/881,785號，標題為"SYSTEM AND METHOD FOR A SHAPED SUBSTRATE LED(用於成 形基板LED之系統和方法）"。本文所引用之全部申請案因 此完全併入本文内。 【先前技術】
發光二極體（"LED")在電子器件中係遍存。其用於數位 顯示器、照明系統、電腦、電視機、蜂巢式電話及各種其 他裝置中。LED技術的發展已導致用於使用一或多個LED 138402.doc 200941773 來產生白光之方法及系統》led技術的發展已導致產生更 多光子並因而比先前更多之光的LED。極如同電晶體在電 腦中代替真空管，該兩個技術發展之頂點係將LED用以補 充或代替許多習知照明光源，例如白熾、螢光或鹵素燈。 LED係以若干色彩（包括紅色、綠色及藍色）來產生。一 * 種產生白光之方法涉及相互組合地使用紅色、綠色及藍色 - LED。一種由紅色、綠色及藍色（RGB)LED之組合所製成 的照明光源將會產生人眼感知為白光者。因為人眼具有三 β 個類型的色彩受體，每一類型對藍色、綠色或紅色色彩較 敏感，故此會發生。 一種自LED光源產生白光之第二方法係自一單色（例 如，藍色）、短波長LED建立光，然後將該光之一部分撞擊 至磷光體或類似光子轉換材料上。磷光體吸收更高能量、 短波長光波，然後重新發射更低能量、更長波長光。例 如，若選取在黃色區内（在綠色與紅色之間）發射光的一磷 光體，則人眼將此光感知為白光。因為黃光刺激在眼睛中 鲁 的紅色及綠色受體兩者，故此會發生。其他材料（諸如奈 米粒子或其他類似光致發光材料）可用以以極相同方式來 • 產生白光。 . 白光還可利用一紫外線（UV)LED與三個單獨RGB磷光體 來產生。此外，白光可產生自一藍色LED與一黃色LED並 還可組合利用藍色、綠色、黃色及紅色LED來產生。 用於構造LED之目前產業實務係使用一基板（一般為單 晶藍寶石或碳化矽），至其上沈積諸如GaN或InGaN之材料 138402.doc 200941773 層。一或多個層（例如’ GaN或InGaN)可允許光子產生與電 流傳導。一般而言，一第一氮化鎵（GaN)層係施加至該基 板之表面以形成自該基板之晶體結構至換雜層之晶體結構 的一轉變區域’從而允許光子產生或電流傳導此一般後 面跟隨一 η摻雜GaN層。下一層可以係一 InGaN、AlGaN、 AlInGaN或其他產生光子並摻雜所需材料以產生所需波長 光的化合物半導體材料層。下一層一般為一 p換雜GaN 層。此結構係藉由蝕刻及沈積來進一步修改以建立用於至 裝置之電連接的金屬場所。 在一led之操作期間，如在一傳統二極趙中，額外電子 自一 π型半導體移動至在一 p型半導艎内的電洞。在一 led 中，光子係在該化合物半導體層内釋放以在此程序期間產 生光。 在一典型製程中，該基板係以晶圓形式來製造且該等層 係施加至該晶圓之一表面。一旦摻雜或蝕刻該等層且已使 用所k及的各種程序來定義所有該等特徵，便將個別LED 與該晶圓分離。該等LED —般為具有筆直側之方形或矩 形。此可引起明顯的效率損失並可引起發射光具有一較差 發射圖案。一單獨光學裝置（諸如一塑膠圓頂）係時常放置 於LED之上以獲得一更期望輸出。 在許多LED應用中，期望針對一給定功率輸入來最大化 可見光輸出，即一數量’其時常對於白光以每瓦流明 (Im/W)來表達或對於諸如藍色之更短波長光以每瓦毫瓦 (mW/W)來表達。現有LED技術可能試圖增加此比率，其 138402.doc -6 - 200941773 一般係稱為"整體效率"或"壁式插座效率"。然而，現有 LED技術仍受較差整體效率與較低擷取效率影響。 【發明内容】 本文中所揭示之一完整射極層成形（CELS)程序之具體實 施例可在透過成形其射極材料來最大化任一發光二極艘之 ' 光裸取效率時提供一幾何及光學解決方案。在一些具艘實 . 施例中，此程序係稱為GaN成形》 本文中所揭示之具體實施例係根據通常與光（包括紫外 © 線、可見及紅外光）相關聯之電磁頻譜來加以聲明。本文 中所揭示之原理可應用於任一波長的電磁輕射，對於其所 使用的適當材料對感興趣波長透明。如習知此項技術者所 瞭解’本文中所揭示之射極層成形方法及系統可類似地實 施以適合一較寬範圍的波長。一感興趣波長範圍之一範例 係百萬兆赫頻率範圍。 一 LED之發射材料可生長於若干基板上。目前，大多數 @ InGaN LED係生長於一藍寶石基板上。藍寶石之折射率遠 低於該發射材料（InGaN)並因此大幅降低進入藍寶石基板 内的光子之數目。在成形該發射材料時，發射自該GaN材 . 料之所有光可逃逸至藍寶石基板並最終空氣内。 • 現今市場上的幾乎所有藍色及綠色LED均使用GaN(氮化 鎵）作為施加至一藍寶石或碳化矽基板的第一材料層來加 以構建。並且，施加的實際層係各種各樣且複雜，不僅包 括GaN，而且還包括化合物半導體材料，諸如】n(}aN、 AlInGaP等。現今目前科學發展包括使用除_外的其他 138402.doc 200941773 材料用於該等LED層。此申請案中所說明之技術適用於在 一發光裝置内的任一且全部此類層。本文中所使用的片語 "完整射極層成形"及"CELS"及"GaN成形"意指覆蓋所有此 類活動’不論實際成形GaN、一些其他材料或其一組合。 出於計算及示範之目的’此申請案通篇中將GaN用作發射 材料。然而，習知此項技術者應瞭解，該等方程式及說明 橫跨其他材料集同等適用且不受本文中所揭示之範例限 制。 習知LED由於其中產生光能量的高折射率而受較差光擷 取效率影響。在自一高折射率材料轉變至一低折射率材料 時’全内反射（TIR)會限制光之逃逸錐面。逃逸圓錐角係 臨界角。此臨界角可使用斯奈爾定律（SneU，s Law)來加以 計算。 在一具體實施例中，一 LED之射極層之一部分係相對於 該LED之一基板而成形至一受控制深度或高度。在本文中 所揭示之具體實施例中，該射極層包含微型射極（也稱為 微LED)之一陣列。在一些具體實施例中，該等微led之每 -者具有-方形、矩形或六邊形形狀。在一些具體實施例 中，該射極層係藉由蝕刻來加以成形。在一具體實施例 中，該基板係藍寶石。在-具體實施例中，該射極層材料 係連續接觸該基板。在-具體實施例中，該射極層材料係 電接觸該基板H體實施财，該射極層材料與該基 板形成一電平面或連續電連接。 在一些具體實施例中，僅成形該射極層之一部分。在一 138402.doc -8 - 200941773 些具體實施例中’一 LED之射極層包含一成形部分與一未 成形部分或區》在一些具體實施例中，該射極層之成形部 分具有一受控制深度或高度而該射極層之未成形部分或區 形成一電平面或一般連續電連接並一般連績接觸該基板。 在一些具體實施例中’該射極層之未成形部分可在該等邊 * 緣處柄合至一電源。在一些具體實施例中，該射極層之一 . 或多個成形部分可耦合至一電源。 在一具體實施例中，一限制光線可在該射極層之成形部 〇 分内穿越最長距離或大約最長距離。在一些具體實施例 中，可選擇該限制光線以相對於該基板一般終止於該射極 層之成形部分之深度或高度處。在一些具體實施例中，該 射極層材料可基於在該射極層之一成形部分内穿越一最長 距離或大約一最長距離的一或多個限制光線來加以成形。 在一些具體實施例中’該LED之該等側壁還可成形以使 用全内反射來最大化該LED之光輸出並實現一所需強度分 佈。在一些具艎實施例中，可選擇該LED之出射面以守怪 論 輻射。 在一些具體實施例中，一 LED之側壁形狀係基於下列約 束來經驗決定： . •所有發出自該射極碰撞一側壁的光線應以大於或等於 該臨界角的一角度來碰撞該側壁 •所有反射離開該等側壁之光線應朝該出射表面反射且 在該出射表面處的入射角須小於該臨界角。 在一些具體實施例中，用於該側壁形狀之準則可進一步 138402.doc •9· 200941773 包括在該出射面處的光強度之均勾度或在無限遠處的一高 斯（Gaussian)分佈或兩者或其他條件集。依財式，可成 形該等側壁以確保以m度或肖度將發射光引導至該 基板。在—些具雜實施例中，可基於該基板之性質（諸如 該基板之折射率）、該射極材料或其他材料來決定所需強 度或角度。 本文中所揭示之具體實施例提供許多優點。例如，成形 包括該基㈣整個LED或單獨成形絲板可獲得摘取自該 等射極層在該等射極層處所產生之光的1〇〇〇/❶或大約或一 般100/〇在些具體實施例中，透過如本文中所揭示來 成形該射極材料，一發光二極體可實現在最小大約90❶/〇及 以上的光揭取效率。 由本文中所揭示之具體實施例所提供的另一優點係成形 微小射極（又稱為微LED)之一大型陣列以建立一單一 LED 的能力。例如，在一些具體實施例中，一LED之射極層可 能包含少許微LED至數百萬微LED之一者或一陣列。 本文中所揭示之具體實施例所提供之又另一優點係使用 微小射極（微LED) ’還可降低在成形該射極層時需要移除 之發光材料之整趙艘積。此外，使用本文中所揭示之具體 實施例’很少或不需要移除該基板材料，從而可在移除該 基板材料可能較困難及/或較昂貴時（諸如在藍寶石之情況 下）加速LED之生產並降低生產LED之成本。 本文中所揭示之具體實施例可提供用於安裝、散熱及光 照均勻度之額外優點。例如，每一微LED之發射基底可直 138402.doc •10· 200941773 接接合至一子基板，其提供功率至微led並還為該等微 LED提供一熱移除路徑。此構造可提供極佳熱散佈。因為 該等射極彼此遠離散佈，故還可降低熱密度。作為另一範 例’組合每一微LED之極小大小，每一微LED之逃逸角可 允許來自一微LED之出射光線重疊大量相鄰微LED之出射 光線’同時光仍包含於該基板之厚度内。到光到達該基板 之出射面的時候為止’平均化來自許多微led之光，從而 建立一極均勻的光輸出輪廓。 總而言之，本文中所揭示之具體實施例可在下列領域内 提供技術優點： 1.電流散佈 2·熱移除 3. 發射均勻度 4. 增加作用區域（P層）相對於非作用區域（N層）接觸之百 分比 5. 更高外部量子效率 6·由於更高擷取效率，每流明產生更低熱 7.守恆真實亮度。 在結合下列說明及附圖考量時將會更清楚地明白並瞭解 本文令所揭示之具體實施例之其他目的及優點。 【實施方式】 參考附圖中所解說且在下列說明中所詳細說明之範例性 並因此非限制性具體實施例更全面地解釋本揭示内容及其 各種特徵及有利細節。可能省略已知開始材料及程序之說 138402.doc 200941773 明以免在細節上不必要地模糊本揭示内容。然而應明白， 雖然指示較佳具體實施例，但該詳細說明及該等特定範例 係僅藉由解說且非藉由限制來給出。根據此揭示内容，習 知此項技術者將會明白在基本獨創概念之精神及/或範疇 内的各種替代、修改、添加及/或重新配置。 如本文中所使用，術語"包含"、"包括"、"具有"或者其 任何其他變更係旨在涵蓋一非排他性的包括。例如，包含 一元件清單的程序、產品、物品或設備不必僅偈限於該等 元件，而可包括未明確列出或此程序、產品、物品或設備 所固有的其他元件。另外，除非另有明確聲明，"或，，係指 一包括或而非指一排他或《例如，下列任何一者均滿足一 條件Α或Β: Α為真（或存在）且8為假（或不存在），a為假（或 不存在）且B為真（或存在），以及八與3兩者均為真（或存 在）。 此外，本文中所給出之任一範例或圖解絕不應視為約束 於、限於或明確定義其所利用之任一或多個術語。而是該 些範例或圖解應視為相對於一特定具體實施例來說明且僅 為解說性。習知此項技術者應瞭解，該㈣例或圖解所利 用的任一或多個術語涵蓋其他具體實施例及其可能或可能 不在本說明書中隨其或別處給出之實施方案及適應性且所 有此類具體實施例均旨在包括於該或該等術語之範嘴内。 指定此類非限制性範例及圖解的語言包括（但不限於）：·, 如"、"比如"、"譬如"、"在—具體實施例中"等。 現詳細參考本揭示内容之範例性具體實施例，在附圖中 138402.doc -12- 200941773 所解說其範例。任何可能的地方，將遍及該等圖式使用相 似數字以引用各種圖式之相似及對應零件（元件）。 在本文中所揭示之具體實施例中，可採取各種方式來成 形一 LED以增加或操縱來自該LED之光發射。在一具體實 施例中’該基板係成形使得由該LED之量子井區所產生之 • 光之全部或超多數係透射至該LED之基板之出射面外。為 • 此目的，可大小調整該出射面以將輻射守恆原理考量在 内。在一具體實施例中，該出射面可能係允許透過在該量 ® 子井區與該基板之間的介面進入該基板内之光的全部或超 多數自該出射面出射的最小大小，由此組合守恆輻射之期 望與降低大小（特別該出射面之大小）的期望。此外，可成 形該基板之該等側壁使得反射或全内反射（"TIR")引起入射 於基板侧壁的光束朝該出射面反射並使用小於或等於該臨 界角的一角度來入射於該出射面上。因此，降低或排除由 於在該出射面處TIR所引起之光損失。在一另外具體實施 例中，為了碟保碰撞一側壁之光在該基板内得到反射且不 穿過該側壁’一基板之一或多個側壁還可塗布一反射性材 料’其反射光以防止光透過該側壁而出射。用於成形led • 基板及側壁之系統和方法之詳細範例係說明於以上引用的 . 2007年W月1曰申請之美國專利申請案第11/906,219及 11/906,194號中，其兩者均出於全部目的完全併入本文 内。 一 LED之發射材料可生長於若干基板上。現今市場上的 幾乎所有藍色及綠色LED均使用GaN(氮化鎵）作為施加至 138402.doc •13· 200941773 一藍寶石或碳化矽基板的第一材料層來加以構建。並且， 施加的實際層可係各種各樣且複雜，不僅包括GaN，而且 還包括化合物半導體材料，諸如InGaN、AlInGaP等。目 前’大多數InGaN LED係生長於藍寶石基板上。藍寶石之 折射率遠低於發射材料（InGaN)之折射率並因此大幅降低 進入藍寶石基板内的光子之數目。在自一高折射率材料轉 變至一低折射率材料時，TIR會限制光之逃逸錐面。逃逸 圓錐角係臨界角。此臨界角可使用斯奈爾定律來加以計 算。 斯奈爾定律（又稱為折射定律）係用以在穿過在兩個不同 各向同性媒體（諸如水與玻璃）之間的一邊界，引用光或其 他波時說明在入射角與折射角之間的關係的一公式。斯奈 爾定律聲明入射角與折射角之正弦之比率係取決於該等媒 逋折射率之一常數。 圖1係光如何穿過LED基板100之不同媒體之一概略性圖 解。在圖1之範例中，於氮化鎵（GaN)與藍寶石之間存在一 第一邊界（介面101)並於藍寶石與空氣之間存在一第二邊界 (介面102)。藍寶石之低得多的折射率使一些光子捕獲於具 有一更高折射率之發射材料内。捕獲於該發射材料内的光 數量與一 LED之光擷取效率反相關。捕獲於GaN材料内的 光越多’ LED的效率便越低。依據本文中所揭示之一完整 射極層成形（CELS)程序之具體實施例來成形該發射材料可 促進發射自GaN之光逃逸至該藍寶石基板内並最終自藍寶 石至空氣。依據本文中所揭示之具體實施例，該CELS程 138402.doc -14 - 200941773 序可透過成形該射極材料來最大化任一發光二極體之光擷 取效率。由於本文中將GaN用作範例性發射材料，故在本 文中此程序也稱為GaN成形。 假定空氣折射率為1，藍寶石之折射率為丨77且GaN之折 射率為2.5，則可計算在GaN内的出射角： nair sin0eir = yiAl20^ sin0^/2〇3
=nAllO% ^^^/203 = nair sin — ”air δίηΘ^ _ ^air 1 am \Jair nGaN nGaN 2.5 ®GaN =sin'' 1 丄= 23.58。 2.5 [方程式1] 此範例中的臨界角對於GaN中所建立之光為23 58度。此 處之一假疋為在該發射區域下面存在一部分或完全反射 層’且因此光僅發射至一半球形内。 該逃逸錐面係總發射光之一小部分。為了計算損失之能 量之數量，吾人計算逃逸雜面對一朗伯射極之投射立體
角。一朗伯射極之立體角為Pi立體弧度。一 23.58度逃逸錐 面之立體角為： n = ^sin2(^ ) /2 ε = η/π^\η\θγ) = 〇Λβ = \β% [方程式 2] 光搁取效率為大約16〇/〇;意味著在圖丨之範例中於該發 射材料（GaN)内所建立之能量之16%自該LED之頂部表面逃 逸0 雖然產業中許多人關注於如何在LED結構内擾亂或限制 在各種尚折射率至低折射率介面處的TIR，但本文中所揭 13$402.doc -15· 200941773 示之具體實施例關注於為何在該些介面處存在TIR。TIR因 為亮度而發生。亮度定理（又稱為輻射守恆定理）係應用於 光學器件之能量守恆定理。輻射守恆定理說明一系統之輻 射必須守恆。 輻射守恆定理為： Φ 二 Φ\ η2ΑΩ [方程式3]
Α _ Φχη2ΛΩ. 1 φι^Ωι φ =通量 η=折射率 Α=面積 Ω=立體角 假定建立的所有能量均逃逸至八以卜且假定初始發射圖案 及最終發射圖案為朗伯，則該方程式簡化至： Φι=Φ
Q, = Q 4 _ ^n2AQ
[方程式3a]
該亮度方程式指定在自一給定折射率材料轉變至一更低 折射率材料時，在該更低折射率材料内的發射區域必須增 加。此假定通量守恆且該等立體角為相同，即朗伯。此增 加係與折射率比率之平方直接相關。 在自一較高折射率材料内的一較小射極面積轉變至一更 低折射率之一更大區域時，該等側壁係成形以利用全内反 射。發射自量子井區之光經由全内反射朝更大區域而反射 138402.doc -16 - 200941773 離開該等側壁。發出自射極之所有光線（或由設計決定的 某數量光線）以大於臨界角之角度命中側壁並内部反射。 碰撞出口之光線較佳的係採取小於臨界角之角度並穿過出 射面至在更低折射率材料内的較大區域内。因而，系統亮 度係經由該等側壁所定義之光學系統來保存。 . 假定基底基板為藍寶石，發射材料為GaM，且所需出射 • 肖為90度，朗伯，則可經由亮度定理[方程式3]來計算出射 面積。以上方程式h顯示出射面積之導出。出射面積與輸 ® A面積比率係等於折射率之比率之平方。作為-範例，假 定輸出發射為朗伯’對於一具有—折射率2 5之發射媒體 與結束媒體空氣，出射面積係等於輸入面積的25平方 倍。在此範例中，出射面積與射極面積比率為6 25:1。 圖2A及2B顯示包含成形部分1〇與成形側壁6〇、幻的方 形射極20之一範例性具體實施例之一概略性表示之俯視及 側視圖》在一些具體實施例中，出射面55可在製程之容限 _ β與介面50實質上相同形狀、實質上平行並實質上旋轉對 齊。在一些具體實施例中，出射面55之形狀可能不同於介 面50之形狀。 可選取出射面55之面積來依據亮度定理[方程式3]來守 恆亮度。下面方程式3b顯示出射面積之一範例性導出。 =A2 [方程式 3b] Φ1 =穿越介面50之光通量； 自出射面55出射之光通量，由於亮度守恆，故 138402.doc 200941773 φ,=φ2 ； Ω,=光穿越介面50之有效立體角； Ω2 =光離開出射面55之有效立體角；
Af介面50之面積； A2=出射面55之面積； η丨=基板10之材料之折射率； η2=在基板Η)外部㈣質之折射率（例如空氣或其他媒 體）》 Α2表示使得光根據以上方程式守值的出射面以最小表 面面積。例如，假定：量子井區15形成—”方咖使得介 面50具有大約1平方_的一面積、ηι=：1 77、〜=1、_、 Ω, = 1且phil等於phi2,則&必須為至少9 3987酿2以守恆 輕射。在此範例中，給出有效立體角Ω及Ω2、ηΐ^2、 phH及ΡΜ2。對於關於決定有效立體角之額外教導讀者 參見2007年⑺月】日申請的以上引用之美國專利申請案第 11/906,219及 11/906,194號，標題為，，LED SYSTEM and METHOD(LED系統和方法）"。 A:表不使一給定輸出圓錐角或發射半角守恆輻射的出射 面55之最小表面面積與最小可能大小。在—些具體實施例 中，可能使八2略微更大以補償製程中的容限、量子井區之 大小或形狀誤差或其他因素。在其中使As大於如此決定之 最小值的情況下，通量將會守恆，而出射率（定義為每單 位面積通量）可自最大可達到值降低。 裝置之高度可藉由在系統内的限制光線來加以決定。此 138402.doc -18· 200941773 光線在高折射率材料内穿越最長距離。若發射平面為一方 形，則對角線光線為限制光線。在囷2八及2Β中所示之範 例中，由於發射平面40為一方形，故對角線光線45為限制 光線。 對於具有一 1之側與一丨平方單位之面積的單位射極與具 有2.5之側與6.25之面積的出射射極，可計算用於裝置之最 小高度： a = V2-1 ❹
[方程式4] 6 = 72-2.5 tan(^)= -：~-— 去一） h = ^(a + 6)tan(0) = ^(l + 2.5)tan(90 - 23.58) A = 0.707-3.5-2.29 = 5.67 用於一方形射極之高度：出射邊緣：射極邊緣比率為 5.67:2.5:1。在一些具體實施例中，經驗方法可用以決定該 高度。輻射守恆指定最小出射面積而非高度。 依據各種具體實施例’如上所揭示來成形一LED之射極 層之一部分。更明確而言’該射極層係相對於該基板（其 可能如上所論述為藍寶石）成形至一受控制深度或高度使 得該射極層材料一般連續接觸該基板。因而，在一些具體 實施例中’一連續射極材料層可接觸該基板。在一些具體 實施例中’一連續射極材料層可電接觸該基板或與其形成 一電平面或連續電連接。在一些具體實施例中，僅成形該 射極層之一部分。在一些具體實施例中，該射極層可能包 138402.doc •19· 200941773 成形至受控制深度或高度之成形部分與一未成 形部分或區。 可如上所說明來選取在該射極層與基板之間的介面之面 積且可基於在該射極層之一成形部分内穿越一最長距離或 大，一最長距離的一或多個限制光線來選取該射極層材料 之高度。作為—特絲例，圖2A顯示成形至—受控制高度 (h)的射極2G之—成形部分1()。在此範例中該成形部分可 以係該射極層(藉由範例但非限制一 _層)或其他射極 層。射極2〇之射極層材料之未成形部分在圖2A中未顯示。 在-具想實施例中，如上所論述之限制光線可在該射極層 之成形部分内穿越最長距離或大約最長距離。因而，在圖 2A之範例中，可選擇限制光線45以一般終止於該射極層之 成形部分之深度或高度（h)處。 在一具體實施例中，經驗決定該側壁形狀。在該等側壁 上存在兩個約束： a. 所有發出自射極碰撞一侧壁的光線應以大於或等於臨 界角的一角度來碰撞該側壁 b. 所有反射離開該等側壁之光線應朝出射表面反射且在 出射表面處的入射角須小於臨界角。 用於側壁形狀之其他準則可能為纟出口處的光強度之均 勻度或在無限遠處的一高斯分佈或兩者或其他條件集。因 而，可成形該等側壁以便確保以一所需強度或角度將發射 光引導至基板且可基於基板之性質（例如基板之折射率）、 射極材料或其他材料來決定所需強度或角度。 I38402.doc -20· 200941773 在一些具體實施例中，可藉由迭代來決定該等側壁之形 狀。一形狀係分解成η個小面。用於一側壁之小面可使用 一電腦程式（諸如 Microsoft Excel(Microsoft與 Excel係總部 位於華盛頓Redmond市的微軟公司之商標））來加以定義。 更明確而言’在Microsoft Excel内的緣圖特徵可用以建立 一側壁形狀之一圖形。相同一般形狀可用於每一側壁或不 • 同形狀用於不同側壁。使用類似於Excel的一程式，可改 變每一小面之大小及角度以達到所需效能。用於一具有指 β 定側壁形狀（或基於該等指定小面具有一彎曲側壁形狀）之 成形基板的立體模型可使用任一機械製圖程式（諸如
Solidworks、AutoCad、Pro Engineer等）來加以建立。立體 模型還可使用任一光線追縱程式（諸如Zemax、Tracepro、 BRO、Lighttools等）來加以建立並分析。 在物理學中，光線追蹤係一種用於透過具有不同傳播速 度、吸收特性及反射表面之區的一系統來計算波或粒子之 ❺路徑的方法。在該些情形下，波前可能彎曲，改變方向或 反射離開表面，從而複雜化分析。光線追縱藉由透過媒體 重複推進理想化窄光束（稱為光線）來解決該問題。簡單問 題可藉由使用簡單數學傳播少許光線來加以分析。更詳細 分析可藉由使用一電腦傳播許多光線來加以實行。當應用 於電磁輻射問題時，光線追蹤時常依賴於馬克士威方程式 (MaXwell’s equation)之近似解答，只要光波傳播穿過其尺 寸遠大於光的波長之物體及其附近其即有效。 使用一市售光線追蹤程式，可進行一電腦模擬以產生一 138402.doc •21 200941773 光線跡線與一強度及輻照度分佈輪廓。若所得強度及輕照 度輪廓具有一不令人滿意分佈或成形基板之透射效率過 低，則可調整各種小面之變數並再次實行該等模擬。此程 序可透過使用一電腦程式自動調整小面變數來加以自動 化。出於圖解目的，下列範例利用Zemax光學設計程式 (Zemax 係華盛頓 Bellevue 市 Zemax Development
Corporation的一商標）。
Zemax棋型 一旦製造滿足由亮度方程式及該等限制光線考量所指定 之大小約束的一形狀，便可在該光線追蹤程式中模型化 其。該光線追蹤程式將會模型化穿過該形狀之光線以決定 其效率、近場及遠場分佈。 圖3係具有成形側壁6〇、65之成形部分1〇之一範例立體 模型之一側視圖。具有側壁60 ' 65之部分1〇表示方形射極 20之一射極層之一成形部分。作為一特定範例，部分1〇代 表一GaN材料（折射率2.5)。輸出分佈為朗伯。 圖4顯示透過圖3之立體模型所追蹤之光線之一範例。由 於TIR，光線70朝出射表面55反射離開側壁6〇、65，在該 出射表面處其折射並穿過出射面55。 圖5係在Zemax内所建立之一立體模型之一螢幕快照， 顯示在出射偵測器平面40處範例方形射極2〇之輻照度。該 :貞測器平面係使得大於該出射面（在此情況下】q單位X】〇 單位）以確保正確記錄任何邊緣效應光線。該輻照度覆蓋 横測器平面40之部分之中心。在一㈣材料之情況下，圖 138402.doc -22- 200941773 5解說在該GaN出口處的近場分佈。 圖6係圖5之立體模型之另一螢幕快照，顯示在偵測器平 面40處的輻射強度。在該出射面處的輕射強度係相當於在 一較遠距離處的輻照度並時常稱為遠場分佈。在一 GaN材 料之情況下，圖6解說在GaN之後的遠場分佈。 圖5及6示範在使光逃出至空氣時一成形led之一具體實 施例之效率。在此情況下，自該射極層擷取發射光之大約 94%。此未將在不同材料層内的吸收性損失與菲淫耳 ❹ (Fresnel)損失考量在内。在藍寶石内的吸收性損失可忽略 不計且該GaN層係極細薄。在一些具體實施例中，該〇aN 層可以係大約4至5微米厚。菲涅耳損失為： ^GaNtoAllOi ( \2 =2.9% T, = l-R=97.1%
R 〔2.5-1.77〕: U.5 + 1.77； At203toMr ( \ 一 ”2 2 〔1,77-1) U.77 + 1J =7.7% [方程式5]
T2=l-R=92.3°/〇 效率=^7^=97.10/0,92.30/0.940/044% 在將菲淫耳損失考量在内時擷取自該射極層之光係大致 84%。 在該基板之出射面處添加抗反射塗層後，可排除藍寶石 至空氣菲涅耳損失。則總效率將為： 效率=7>=97.08%.94。/〇«91% [方程式 6] 六邊形幾何 方形射極具有完美擬合在一起而不浪費空間之優點。並 138402.doc -23- 200941773 且，切塊操作由於僅兩個正交切割而較簡單。對於關於方 形射極之額外教導，讀者參見2007年10月1日申請的以上 引用之美國專利申請案第11/906,219及11/906,194號，標題 為"LED SYSTEM AND METHOD(LED 系統和方法）"。應注 意，方形輪廓係具有相等長度之側的一矩形輪廓。儘管在 下列範例性具體實施例中說明六邊形射極，但習知此項技 術者應瞭解，本文中所揭示之方法可應用於各種形狀且不 受任何特定形狀、大小、組態或材料的限制。 一六邊形圖案可擬合在一起而無任何浪費空間。在一成 形裝置中，該六邊形圖案可比一方形裝置提供一更低材料 體積。圖7A至7D顯示六邊形射極720之一具體實施例之一 概略性表示之各種視圖。 面積比率係由亮度方程式來指定並因此出射面積（755) 相對於該射極面積（750)維持6.25:1比率。然而高度（h)將會 簡化如下： = 6.39^«, 4 fear】=e.2Stef β；=Λ/ί^5Γ AT蠢 ssr p = em =9kx~l(^y=23J5i7M0 ¢=90 -0. = ee.42i»e !*〇(❺= 1_?_ ft =全(a + >9[) = } (ce 4· 2>5cr〉(〇(巧 138402.doc -24· 200941773 λ- 33 2 dt(2J29l287S) - 4.0lct [方程式7]
HexArea 3v5 a -a 2 如對於以上[方程式4]所論述之方形射極20，該高度現 為4.01而不是5·67。在此範例中高度：側邊緣：射極邊緣 比率為4.01:2.5:1。 使用該些基底單位尺寸，可建立並模型化一立體模型。 例如，可在ProE中建立一立體模型並接著在Zemax中加以 模型化。圖8係藉由成形射極層80所建立之六邊形射極820 之一具體實施例的一概略性表示。在此範例中，射極層80 包含成形部分81與未成形部分82。在成形部分81中，如上 所說明，基板810與側壁860及865係成形至一受控制高度h 以最大化光擷取效率，從而允許透過介面850進入基板810 的來自量子井區815之光子在最小能量損失下透過出射面 855出射。對於關於量子井區之額外教導，讀者參見2007 年10月1日申請的以上引用之美國專利申請案第11/906,219 及 11/906，194號，標題為"LED SYSTEM AND METHOD (LED系統和方法）"。 圖9係具有複數個層920(包括射極層80)之LED 900之一 具體實施例之一概略性表示。發射自射極層80之光透過介 面101進入基板90内並透過介面102自基板90出射至空氣 内。在一具體實施例中，基板90為藍寶石。六邊形射極 820之效率依據在Zemax中所分析之立體模型為大約 95.5%。即，自該射極層擷取發射光之大約95.5%。將菲涅 138402.doc -25- 200941773 耳損失考量在内，總擷取效率為大約85〇/〇: ^GaNtoA120i =
_〔2.5-1.77 丫~ 1,2.5+ 1.77 J =2.9% T, = l-R=97.1%
R
Al2〇3toAir ~~ V -«2 '1-1.77) ,1 + 1.77； 2 =7.7% [方程式8] T2=l-R=92.3°/〇 效率=1^1^=97.10/0.92.3^.95.5% «8 5% 圖10係一六邊形射極之一立體模型之一螢幕快照，顯示 在出射4貞測器平面處的近場分佈。圖11係圖1〇之立體模型 之另一螢幕快照’顯示在該出射偵測器平面之後的遠場分 佈。正如在方形成形裝置之情況下，可在該藍寶石至空氣 介面（介面102)處添加抗反射塗層以在該處排除菲淫耳損 失。則總擷取效率將會為大約92.6%。 微射極陣列
GaN成形之一優點係成像一大型射極陣列來建立一 led 之能力。另一優點係使用微小射極，還減少移除的整體體 積。圖12係LED 120之一具體實施例的一概略性表示，該 LED包含基板90、射極層80及N接點層60。在一具體實施 例中’基板90為藍寶石。在一具體實施例中，n接點層60 包含一或多個N接觸點。在一具體實施例中，射極層8〇包 含六邊形成形微LED之一陣列。在一具體實施例中，射極 層80包含六邊形成形微LED之一 MxM陣列。在一具體實施 例中’ LED 120為大約100微米（W)xl〇〇微米（L)x80微米 (D)。在圖12之範例中，該六邊形成形微LED陣列係藉由 138402.doc •26· 200941773 成形射極層80來加以形成。所揭示之系統和方法之具體實 施例可利用任一基板並仍擷取該等發射光子之全部或一般 全部。出於此範例之目的，該基底基板為藍寶石，但仍可 使用其他基板》 如上所說明，該射極層之成形部分讓路一未成形部分， 其一般連續接觸該基板且其形成一電平面或一般連續電連 接。該等N接點係電連接形成一電平面的該等射極層之未 成形部分，從而允許電流透過該射極層之未成形部分流動 ® 至該射極層之該等成形部分。在一具體實施例中，該N接 點可能係-電流傳導材料，諸如可能電耗合該基板之成形 及未成形部分至一電源的一金屬合金。 在一替代性具體實施例中，該射極層之未成形部分可在 該等邊緣處耦合至一電源或一或多個成形部分可耦合至一 電源，或可使用供應電流的以上或其他方法或系統之任一 組合。比該等N接點更小且更眾多的該等？接點還可耦合至 一電源。 B 以上所說明之構造具有用於安裝、散熱及光照均勻度之 額外優點。組合每一微LED之極小大小，每一微led之逃 逸角係使得來自一裝置之出射光線將會重叠大量相鄰微 LED之出射光線，同時光仍包含於該基板之厚度内。到光 到達該基板之出射面的時候為止，平均化來自許多微LED 之光，從而建立一極均勻的光輸出輪廊。㈣一些具體實 施例，在一射極層内的微LED之數目可能在自一至少許、 至數千、至數百萬或更多之範圍内變化。 138402.doc -27- 200941773 根據一熱觀點，每一微LED之發射基底可直接接合至一 子基板，其提供功率至微LED並還為該等微LED提供一熱 移除路徑。此固有地提供極佳的熱散佈。因為該等射極彼 此遠離散佈，故還降低熱密度。 同樣地，至P層之功率係全部橫跨LED之表面在大量小 點處供應，故可藉由在該子基板上的一幾乎連續金屬化平 面來將功率施加至該等點。此提供極佳的電流散佈。電流 散佈係在自一裝置提供最高數量光輸出時的一已知問題。 在不同P及N GaN布局之技術中使用許多組態來實現改良 的電流散佈。該微LED構造固有地提供此散佈。 更明確而言’因為該N層之厚度與該p層之厚度相比較 大’故在該N層内的電流散佈係藉由至該n層内的一相對 較少接觸點來實現。（例如）在如圖12中所示的4個位置處接 觸該N層係一種實現此點之方法。替代性地，該n層可在 一中心點處或在該陣列邊緣周圍在若干點處接觸。 構造方法 蚀刻 蝕刻描述一種以一高度受控制方式來移除基板材料以便 產生適當形狀之化學程序。一般存在兩個類型的蝕刻方 法：濕式蝕刻與乾式蝕刻。濕式蝕刻涉及使用液相蝕刻劑 來移除基板材料。在乾絲刻、電漿蚀刻及反應性離子姓 刻中，離子經產生並被料至基板上。此處，基於化學反 應或粒子動量’將材料自基板移除。 開始於基板材料之一晶圓（其可能進—步包括包含量+ 138402.doc •28· 200941773 井區之材料），可在該晶圓之一側上沈積一特定光阻圖 案。接著蝕刻該晶圓。在覆蓋光阻之晶圓上的位置將不姓 刻，而沒有光阻的地方將會移除材料。存在許多方式來調 諧該程序以在光阻之邊緣處獲得所需外形。例如可施加 更厚光阻層且接著在蝕刻程序期間犧牲性移除，或可結合 光阻來使用其他犧牲層。以此一方式由該兹刻劑來隨時間 • 移除該些層，以便產生LED基板之所需外形。可利用此點 以精確蝕刻該晶圓以便產生成形基板。另一方式係使用多 © 個抗蝕劑與多個蝕刻步驟。每一光阻及蝕刻步驟可用以移 除一較小材料層。可使用多個小步驟來得到所需3D形狀。 钮刻參數可基於基板材料。蚀刻速率取決於敍刻劑與基 板而變化。對於在LED應用中所使用之基板材料（諸如藍寶 石與碳化矽）而言’使用反應性離子蝕刻之蝕刻速率可在 每分鐘250 nm至2·5 μιη之範圍内變化，此對於商用生產目 的而言係較緩慢的。碳化矽係在以上蝕刻速率之上端而藍 寶石係在下端。 — 在一些具體實施例中，以InGaN/GaN為主之磊晶結構之
GaN側壁的成形可使用一環狀透鏡樣板，藉由cl2/BCi3/Ar 電漿内之一多步驟乾式蝕刻程序來實施。在一些具體實施 例中，η-及p-GaN與InGaN層之此乾式蝕刻程序可使用一光 阻及Ni光罩’藉由電感耦合電漿反應性離子蝕刻（ICP_RIE) 來實施。可使用Ch/BCh/Ar之一受控制氣體流速，以便在 恆定ICP/偏壓功率（即’ 300/100 W及4 mTorr腔壓）下維持 小於0.5 nm之一更低蝕刻表面粗糙度。使用低流速 138402.doc •29- 200941773 (Cl2/BCl3/Ar)氣體混合物，在 3〇 mTorr、300 W ICP、100 W偏壓功率下，預期用於n_GaN之一 12〇〇〇 A/min蝕刻速 率。應在該多步驟蝕刻程序期間小心地維持該等GaN側壁 之更低表面粗链度。作為一範例，將維持在丨〇〇 W偏壓功 率下小於1 nm之一較低均方根（rms)粗糙度值。 為了姓刻一以InGaN/GaN為主結構之漸縮壁，將保持一 相對較尚C12流速與較低腔麼〜4 mTorr以便實現GaN之一光 滑鏡面狀小面。因為該等蝕刻小面之漸縮形狀始終取決於 其選擇參數’故應謹慎地實行ICP功率及腔壓最佳化。使 用適當蝕刻參數’如習知此項技術者所應明白，可獲得n_ GaN之鏡面狀側壁小面，從而可用於製造以InGaN/(}aN& 主的發光二極艎。而且，在固定氣體流速下且在相對更低 的ICP/偏壓功率及腔壓下，可進一步改良並修改該等以 InGaN為主的材料漸縮側壁形狀。 圖13係包含基板90與射極層80的LED 130之一具體實施 例之一概略性表示’該射極層具有形成於射極層80之成形 部分81内的六邊形射極820之一陣列。如圖13中所示，該 射極層之一部分或層係藉由移除射極層材料來形成可具有 如以上圖8中所示之成形側壁的微LED射極之一陣列來成 形。更明確而言，射極層80係相對於基板90而成形至一受 控制深度或高度，在射極820與鄰接基板90之射極層材料 80之--般連續未成形層82之間留下蝕刻通道131。在一 具體實施例中，每一蝕刻通道131為大約0.4微米寬。即， 在此範例中，微LED 820可在最窄點處間隔開大約〇.4微 138402.doc •30- 200941773 米。 在圖13中’鄰接基板90的射極層80之未成形部分82形成 連續N-GaN層132’其中該未成形射極層材料一般連續接 觸該基板。因而，在一具體實施例中，可能存在射極層材 料之一連續層，其一般接觸該基板且其係電接觸或其形成 • 一電平面或連續電連接。因為在一或多個具體實施例中， . 成形非全部或一般非全部的該射極層材料，故將會存在可 成形至一受控制深度或高度以形成侧壁的該射極層之一成 ® 形部分與未成形的（該射極層材料之）該射極層之一未成形 部分或區。在一具體實施例中，如上所論述之限制陣列在 該射極層之成形部分内穿越最長距離或大約最大距離 (即’限制光線可穿越該成形微led射極）。因而，可選擇 限制光線以相對於該基板一般終止於該射極層之成形部分 之深度或高度處。如以上進一步論述，該射極層材料（例 如’該等微LED射極之該等側壁）可基於在該射極層之一成 形部分内穿越一最長距離或大約一最長距離的一或多個限 制光線來加以成形。 多步驟台面蝕刻程序 圖14係一多步驟台面蝕刻程序之一具體實施例之一概略 性表示。在此揭示内容内，，'台面"係指一晶圓之一區段， 其在蝕刻後保留且其形成顯現為一"台面•，並變成裝置之發 光部分。在步驟141處’圊案化射極層80以定義蝕刻通道 U1之底部。在步驟142處’使用一各向同性蝕刻化學品來 實現筆直或接近筆直側壁。在步驟143處，再次圖案化射 138402.doc -31- 200941773 極層80以定義蝕刻通道131之頂部。在步驟144處，使用一 各向異性蝕刻化學品來在該等側壁上建立曲率。在一些具 體實施例中’後續處理可包括金屬化與鈍化。在各種具髏 實施例中，可使用多個光及蝕刻步驟來更佳地細化該等光 射極層之最終輪廓。可選取該等蚀刻化學以將該側壁輪廓 從筆直（各向同性）變動至彎曲（各向異性）。此可透過一單 一步驟以建立一彎曲形狀或採取多個步驟以在該光射極層 側壁形狀内蝕刻各種小面來進行。需要時可變動製造步驟 之次序。例如，可先定義該台面之頂部以及後續光蝕刻。 若干步驟可在該磊晶結構内更深地蝕刻。 在圖I4之範例中，LED 140之一具體實施例可藉由以上 所說明的多步驟台面蚀刻程序來加以製造。在此範例中， LED 140包含基板90與射極層80。在此範例中，射極層8〇 包含藉由以上所說明之多步驟台面蝕刻程序所形成的成形 部分81’留下鄰接基板90的射極層80之未成形部分82。該 多步驟台面钱刻程序之囷案化及蚀刻步驟在射極82〇之間 建立蝕刻通道131。如以上參考囷8所說明，每一射極82〇 可能包含具有成形側壁860與量子井區815之成形基板 810。成形基板810係一發射材料。在一具艘實施例中，該 發射材料為GaN。在一具體實施例中，基板9〇為藍寶石。 其他蝕刻程序還可用以產生LED 140。例如，按下列次 序’一種用於成形一射極層之方法之一具體實施例可能包 含將p層金屬沈積至一基板上；將反射層沈積於該等p層金 屬上；將Si〇2保護層（緩衝器）沈積至該反射層上；姓刻該 138402.doc -32- 200941773 等沈積層至一所需形狀；及接著沈積n層金屬。作為另一 範例，按下列次序，-種用於成形一射極層之方法之一具 體實施例可能包含沈積一遮罩A圓案；依據該遮罩A圖案 來钮刻掉不必要的材料；沈積一遮罩B圖案；依據該遮單 B圖案來蝕刻掉額外材料；重複該等圖案化蝕刻步驟以構 • 建一所需高度，沈積該等n層金屬、在該等η層金屬之頂部 上的該等Ρ層金屬並最終該等反射層。 一些具體實施例可略過該各向同性钱刻步驟以達到該等 〇 筆直侧壁並直接移動以成形發射材料，其在一具體實施例 中包含GaN。例如，按下列次序，一種用於成形一射極層 之方法之一具體實施例可包含使用P層金屬包覆塗布一基 板，光阻圖案化塗布該等P層金屬之基板；及相應地蝕刻 掉不必要的材料。在一具體實施例中，利用ICP RIE以自 該射極層姓刻掉不必要的材料。還可使用其他蝕刻方法。 此方法僅使用一單一遮罩GaN輪廓且將如此建立之p接 點用作一硬遮罩，從而避免再度對齊台面之需要並排除一 ® 光阻圖案化步驟《藉由變動二氣（CM與三氣化硼（Bcl3)氣 趙之濃度，可達到不同的GaN钮刻斜率。更明確而言，在 一些具體實施例中，隨著蝕刻該GaN材料，執行一系列步 驟以改變CL與BCh濃度之比率以影響局部斜率。比如， 可使用一更大濃度的CL或僅Cb來獲得更筆直的側壁。富 含BCI3化學產生聚合物以鈍化該側壁。為了在高度=〇下得 到一特定斜率，C12與BC13電漿可能具有一特定濃度比 率。為了在高度=1得到另一斜率，C!2與BC〗3之濃度比率 138402.doc •33· 200941773 可能會變動。可重複以上步驟直至到達一所需高度。在該 射極層之整個咼度上並取決於蝕刻電漿之濃度比率，在該 射極層内的每一微LED之側壁之斜率可能從極淺變成極 陡，從而成形該射極層。 一些具體實施例可能利用具有兩個遮罩材料的一單一光 阻囷案用於輪廓化的GaN蚀刻。例如，一種用於成形一射 極層之方法之一具體實施例可能包含下列特徵： 1) 光阻圖案相對於最終GaN區域過大。 2) 可利用聚焦/曝光以傾斜側壁用於進一步輪廓控制。 3) 使用氧化物用於一硬遮罩。在一具體實施例中，一硬遮 罩可採取BOE/HF來蝕刻或加以六氟化硫（Sf6)蝕刻。緩 衝式氧化物钱刻（BOE)係具有氧化砍之一更受控制钱刻 速率的氟化銨與氫氟酸（HF)之一混合物。 4) 使用大約1:1的抗蝕劑蝕刻比率與大約5:丨的氧化物蝕刻 比率。1:1蝕刻比率係用以瞄準抗蝕劑厚度使得在蝕刻 過程中消耗該抗蝕劑。此揭露GaN之先前受保護區。 5) 該氧化物硬遮罩在大約5:1的比率下蝕刻，從而使其對 於該钱刻之剩餘者更堅固。 6) 控制該CU及BCU比率還可有助於輪廓控制。 機械成形 圖14表示-種形成—微㈣陣列之方法且係解說性而非 限制性：用於形成微LED陣列之其他方法亦可行且在本發 明之範嘴内。在-些具趙實施例中，一種用於建立該等成 形GaN材料之方法涉及使用—雷射來剝㈣等⑽材料以 138402.doc -34- 200941773 形成所需形狀並提供需要的光滑度。雷射剝蝕係使用—高 功率雷射以藉由移除或逐出量子井區或基板材料來產生 LED的程序。每一雷射脈衝將僅移除一微量材料。可平移 該雷射以使用每一後續脈衝來移除材料。藉由在χ_γ& Z 方向上平移’可移除一 3D形狀《雷射剝蝕之具體實施例可 用以比餘刻更快地成形基板。使用已知技術，雷射剝银可 在碳化矽與藍寶石中在厚度上移除每分鐘大約5〇〇只111至1
另一方法將會涉及液體喷射切割’其使用在水或油喷射 中的一微粒來引起材料移除。一水喷射可用以剝蝕一晶圓 以形成一所需形狀的基板》在水喷射剝蝕之一具體實施例 中’較短水脈衝可用以採取若干階段來剝蝕一晶圓。使用 水脈衝以剝蝕一晶圓所藉由之程序可能關於雷射剝蝕類似 於以上所說明的程序。在水喷射剝蝕之一具體實施例中， 水喷射可用以在某一角度下完全地切透該晶圓接著略微 偏移該角度並使用水喷射在一略微更高角度下切透該晶 圓最終產生一所需形狀的基板。在一另外具體實施例 中該水噴射可裝滿研磨材料（例如，工業金剛石粒子）以 增加剝钱材料之速率。 /-選項係透過磨碎、銑削、鑛切、超音波磨碎、抛 光、錢孔或其他機械移除, 系統或方法來機械移除材料。存 在許多用&移除材料以透過機械㈣來成形—或多個LED 之方法。雖然已個別說明以上剝蝕一材料晶圓以形成所需 形狀之方法’但仍可組合以上方法。例如可能使用機械 138402.doc -35- 200941773 移除並水喷射剝蝕之一組合來確保一適當彎曲側壁形狀。 類似地，適當時可取決於基板材料來使用用於自一晶圓移 除基板材料之方法及技術之各種其他組合。在一具體實施 例中’可採取若干階段來進行材料之機械移除。 在超音波磨碎之具體實施例中，具有一或多個LED之相 反形狀的一工具係具備一研磨劑並在超音波振動該工具以 在該基板材料上產生一洗滌/擦損動作時使其接觸該基板 材料使得移除材料並產生成形基板。 用於成形LED基板及側壁之系統和方法之額外範例係說 明於2007年10月1曰申請的以上引用之美國專利申請案第 11/906,219及11/906,194號中，其兩者均出於全部目的完全 併入本文内。成形該等側壁之各種方法可應用於以上所說 明的該等光射極層。作為一範例，圖15係LED 150之一具 體實施例之一概略性表示，該LED包含採取具有彎曲側壁 155之六邊形幾何組態的微LED 152之一陣列。在此範例中 的LED 150採取一矩形形狀。然而，其他形狀亦可行。作 為另一範例’圖16係LED 160之一具體實施例之一概略性 表示，該LED包含基板161與採取具有成角度側壁ι65之六 邊形幾何組態的微LED 162之一陣列。作為又另一範例， 圖17係LED 170之一具體實施例之一概略性表示，該led 包含基板171與採取具有筆直側壁175之六邊形幾何組態的 微LED 172之一陣列。 生長 在一些具體實施例中，微led還可藉由生長射極層來加 138402.doc -36- 200941773 以製造。將GaN作為一範例，沈積係用以生長GaN薄膜之 許多常用程序之一者。GaN已藉由許多類型的磊晶生長並 在數個基板（包括SiC與藍寶石）上來生長。範例GaN生長方 法包括（但不限於）金屬有機化學汽相沈積（MOCVD)、破汽 相生長（IVPG)、分子束磊晶（MBE)、機械濺鍍磊晶（MSE) 及氫化物汽相磊晶（HVPE)。 在一些具體實施例中’一種成形一 LED之一射極層之方 法可能包含決定一微LED(又稱為一微型射極）之一出射面 〇 積（b)與一射極面積（a)，其中該出射面積（b)具有採取一第 一幾何組態的一出射面且其中該射極面積（a)具有採取一第 二幾何組態的一量子井區。使用該出射面積（b)與該射極面 積（a) ’可計算該微型射極之一最小高度（h)，如上所說 明。該方法可進一步包含依據該第一幾何組態、該第二幾 何組態及該最小高度（h)藉由沈積來生長該微型射極以形成 滿足該最小高度（h)的一成形部分。可如此同時產生一或多 個微LED。在一些情況下，還可形成一未成形部分。該射 ® 極層之未成形部分鄰接一基底基板。藍寶石係一適當基底 基板之一範例。在生長該微型射極時，該微型射極之側壁 係定位並成形以引起具有自該射極面積至該側壁之一筆直 透射路徑的至少多數光線使用小於或等於在該出射面處之 一臨界角的在該出射面處之一入射角來反射至該出射面。 在一些具體實施例中，微LED還可使用習知此項技術者所 瞭解之技術藉由生長並成形射極層來加以製造。在一些具 體實施例中，射極層之生長及成形可交替、同時或一般同 138402.doc -37· 200941773 時來發生》 因而，在一些具體實施例中，藉由一種成形一 LED之一 射極層之方法所製造的LED可能包含在該基底基板之一表 面上的一射極層，其中該射極層具有一成形部分，其中該 成形部分包含一出射面積（b)、一射極面積（a)、一最小高 度（h)及側壁，其中該出射面積（1?)具有採取一第一幾何組 態的一出射面，其中該射極面積（a)具有採取一第二幾何組 態的一量子井區，其中該最小高度（h)係利用該出射面積 (b)與該射極面積（a)來加以決定，其中該等側壁之每一者 係疋位並成形以引起具有從該射極面積至該侧壁之一筆直 透射路徑的至少大多數光線使用小於或等於在該出射面處 之臨界角的在該出射面處之一入射角來反射至該出射 面。 應用 可在各種應用中使用具有成形光射極層之LED。用於此 通用ι±的一原因係可以各種方式配置微LED以形成所需 LED。各具有一微小射極陣列之ίΕΕ)還可配置以產生一所 需數量光與一所需光圖案。例如，微LED及/或led可以一 方形、一矩形、一圓形或其他形狀來加以配置。使用一 ED陣列來產生所需數量光可能更具效率或可能比使用一 單-LED消耗更少空間。如圖14所示範，可由其中移除晶 圓材料以形成蝕刻通道13〗與射極82〇的相同晶圓來形成一 微LED陣列。雖然、以上具體實施例說明由—材料晶困來形 成微led，但利用以產生LED之成形基板可由—塊基板材 138402.doc -38· 200941773 料來形成。 在一些情況下’可能期望使用一 led來產生白光。此可 藉由將來自一單色（例如，藍色）、短波長LED之光撞擊至 磷光體或其他吸收該光並在人眼感知為白光之一波長下重 新發射光的粒子上。填光體或其他粒子可與led之具體實 施例一起用以產生白光。 塗布一 LED之出射面或多個出射面可能具有製造優點， 即可允許簡化白光LED製造，從而可進而降低白光LED製 ® 造之成本。例如，將由其形成成形基板LED之一晶圓之一 側可塗布一層，該層含有磷光體或其他可激發以發射白光 之粒子（即一粒子塗層可剝蝕該晶圓之未曾塗布該粒子 塗層之側。當已剝蝕該晶圓以產生多個led時，該等led 將會具有一出射面，其具有產生白光所必需之粒子塗層。 另外，因為一成形基板將進入該基板的超多數光引導至一 或多個已知出射面，故塗布一或多個特定出射面可在白光 產生中高度有效。據此，使用一成形基板可排除使用一粒 子塗層塗布一LED之側壁或側壁之一部分的需要。因而， 將不需要個別施加一粒子塗層至每一 LED。施加一粒子塗 層至一 aa圓之一側可能比施加一粒子塗層至個別更便 宜。可設計該基板之側壁使得可部分或完全再循環由於與 該粒子塗層才目互作用而散射回至該基板的力。利用奈米粒 子以結合一 LED來產生白光允許光之最小偏斜，從而最小 化反向散射光並最大化發射自出射面之光。 用於LED之具體實施例的潛在應用包括行動電話顯示照 138402.doc •39· 200941773 明。目前系統一般使用具有磷光體填充囊封材料的三個側 發射藍色LED以產生白光。該LED之該等侧一般係不透明 且一較大百分比的產生光為該等侧壁所吸收。此導致超過 50%的光損失於吸收。此外，在該囊封物至空氣之介面處 的折射率變化為以大於臨界角碰撞該介面之出射光線建立 一 TIR條件。此在該介面處導致大約44%損失。成形基板 LED之具體實施例可遞送80%的產生光至光導，從而導致 極大的系統亮度改良》 用於LED之具趙實施例的另一潛在應用係用作一行動電 話相機閃光燈。目前系統一般使用具有高斯能量分佈之 LED ’該高斯能量分佈在影像中心產生一極亮區域並在該 等邊緣處產生較暗區域，從而造成標的之不均勻照明。而 且’目前閃光燈單元之光束形狀為圓形，而CCD相機所捕 獲之影像為矩形。此外，在該囊封物至空氣之介面處的折 射率變化為以大於臨界角而碰撞該介面之出射光線建立一 TIR條件。此導致與出射立體角成一函數關係的在該介面 處的損失。另一方面，LED之具體實施例可遞送一矩形或 方形閃光’以一均勻分佈將進入該led之基板内的光之 80%提供至影像區域。相對於先前技術lEd閃光燈系統， 此導致更均勻的場景光照與更高位準的光照。 用於LED之具體實施例的另一潛在應用係用於液晶顯示 器（’'LCD")背光。傳統LCD系統使用紅色、綠色及藍色LED 之一線性陣列。來自該等LED之光係引導至一混合光導内 以提供色彩及強度的均勻度。一般而言，該等LEd具有放 138402.doc 200941773 置於LED之上的一圓頂且光係由橢圓形反射器來加以捕獲 以將光引導至光導。雖然橢圓形反射器對於點光源工作良 好，但LED並非點光源且該等光線之一些者將不會到達在 該光導内部的焦距。而且，由於來自一圓頂囊封物之一些 光係以大於180度來發射，故該光之一些者為該基板、 • PCB板及其他組件所吸收。另外，因為該圓頂相對於在該 圓頂内的腔之大小較大，故某一百分比的光一般會折射。 因為該些損失係倍增的，故最初發射自LED之光的僅一百 φ 分比實際到達光導。 另一方面，LED之具體實施例可在所需圓錐角下提供多 達80%的進入LED之基板的光至光導（假定菲涅耳損失）。 因此，更低功率LED可用以實現與在目前系統内可能相同 的結果或可在相同功率消耗位準下遞送更多光。確切而 言，在一些具體實施例中，可能不要求光導且LED陣列可 用以引導背光LCD。 用於LED之具體實施例的另一潛在用途係在汽車前燈、 ® 手電筒、數位光處理"DLP"系統及其他裝置内。可選擇該 LED之形狀以便提供所需投射圓錐體及光束輪廓。另外， . 一 LED與一聚光透鏡或其他光學裝置（諸如美國專利申請案 第 11/649,018 號，標題為"SEPARATE OPTICAL DEVICE FOR DIRECTING LIGHT FROM AN LED(用於從一 LED引 導光之單獨光學裝置）"中所說明之主要光學裝置"POD")之 組合允許發射一較窄立體角（大約0.1立體弧度或更小），同 時守恆輻射並在一極小體積内如此做。此一組合可應用於 138402.doc -41 · 200941773 手電筒、聚光燈或任一其他較窄光束應用。 總而言之’本文中所揭示之微LED構造之具體實施例可 在下列領域内提供技術改良： •電流散佈 •熱移除 •發射均勻度 •增加作用區域（P層）相對於非作用區域⑺層）接點之 分比 •更高外部量子效率 •由於更高擷取效率，每流明產生更低熱 •守恆真實亮度 本文中在成形整個LED(包括基板）或單獨成形基板上所 揭示之系統和方法之優點包括擷取自該等射極層在該等射 極層處所產生之光的100%或大約或一般1〇〇%。另外，移 除更少材料且很少或不需要移除基板材料（諸如在藍寶石 之情況下移除其可能較困難或昂責），從而可加速LED生產 並降低產生LED之成本。而且，因為在一些led形成程序 中已蝕刻發光層，故依據本文中所說明蝕刻該等發光層可 大幅增加光擷取效率而不會大幅增加製造所必需之時間。 此設汁之另一特徵係可在基板之出射面處添加磷光體以 改變發射光之色彩。例如，若使該等微LED發射藍光且 添加磷光體以將光之一部分轉換成黃光，則所發射光之和 將會顯現為白光。 由於該等微LED之固有設計，自該等磷光體反射回至基 138402.doc -42- 200941773 板的任何光將會内部反射回至該等微LED之量子井區。此 允許具有低損失的具效率光子再循環。若使用奈米粒子， 則將不存在任何向後散射且將會獲得最大效率。 此類型構造之一另外特徵係允許基板材料之光學光滑側 壁。一般在產業中，個別晶粒係藉由金剛石鋸切或藉由劃 ' 線並斷裂來加以切開。該些方法產生光學粗糙（擴散表面） • 或可旎光學光滑但隨機起伏的晶粒侧壁（劃線且斷裂表 面）在產業中普遍的係，如此看待該等晶粒分離方法， ® 即一種用以分離裝置且很少關注該等表面之品質的方式。 依據具有成形光射極層之LED之各種具體實施例，該等 側壁可用作額外TIR表面以維持靠近該晶粒之該等邊緣的 來自該等微LED之光線之方向。在此情況下，發出自一近 邊緣微LED之一光線可碰撞側壁，之後其到達基板之出射 面。由於侧壁係光學光滑，光線將會内部反射並轉發至基 板之出射面。此維持碰撞出射面之該等光線以不大於臨界 角之角度如此做’故其可能穿過出射面的條件。 ® 在―具體實施例中，可如在產業中普遍進行地或依據一 般產業實務來分離led晶粒。因而，本文中所揭示之系統 和方法之具體實施例可容易地整合至用於led生產之現有 程序中，從而流線型化商業化並可能利用現有設備與設 施。 在以上所揭示之具體實施例中，菲涅耳損失可在該等射 極層與該基板之間的介面處發生並可在該基板與空氣或其 他媒體之間的介面處發生。在該基板與空氣或其他媒體之 138402.doc •43- 200941773 間的介面處的菲埋耳損失可藉由使用抗反射塗層來塗布該 基板之出射面來加以降低。 需要時’可使該基板之該等侧壁不光學光滑，或部分光 滑，在此情況下，可允許碰撞該等側壁之光之某部分出射 透過該等側壁而不是反射至主要出射面。此可能對於某些 照明情形具有優點。 雖然此揭示内容說明特定具體實施例，但應明白該等具 體實施例係解說性且本發明之範疇不限於該些具體實施 例。以上所說明之具體實施例之許多變更、修改、添加及 改良均可行。藉由範例，除藍寶石與碳化矽外，還可使用 允許光穿過的其他基板。例如，基板可由玻璃、可模製玻 璃或金剛石製成。預期該些變更、修改、添加及改良均落 入隨附申請專利範圍内所詳細說明之本發明之範疇内。 【圖式簡單說明】 隨附並形成此說明書之部分的附圖係包括以描述本揭示 内办之某些態樣°藉由引用該等圖式中所解說之範例性並 因此非限制性具體實施例將會更容易地明白本揭示内容之 -更清晰印象。在任何可能的地方，將遍及所有圖式使用 相同的參考編號來引用相同或相似的特徵（元件卜該等圖 式不一定係按比例繪製。 圖1係全岐射（TIR)如何可限制光之逃逸錐面從而引 起較低光擷取效率之一範例的一概略性圓解。 圖2A及邛顯示包含具有成形側壁之一成形部分之方形 射極之—具趙實施例之—概略性表示的各種視圖。 138402.doc 200941773 圖3係具有成形側壁之一成形基板之一範例立體模型的 一側視圖。 圓4顯示透過圖3之立體模型所追蹤之光線之一範例，解 說自該等成形側壁反射至該出射表面之光線。 圖5係在一光線追蹤程式中所建立之一方形射極之一立 趙模型之-螢幕快照’顯示在出射侧器平面處的近場分 佈。 參
圖6係圓5之立體模型之一勞幕快照，顯示在該出射偵測 器平面之後的遠場分佈。 圖7A至7D顯示一六邊形射極之一具體實施例之一概略 性表示的各種視圖。 圖8係藉由成形-LED之—射極層所建立之—六邊形射 極之一具體實施例的一概略性表示。 圓9係具有複數個層（包括一射極層）之一 led之一具體實 施例的一概略性表示。 _圖10及11係-六邊形射極之—立趙模型之螢幕快照，顯 示近場與遠場分佈。 圖12係包含-基板…射極層及—N接點層的一咖之 一具體實施例的一概略性表示。 圖13係包含一基板與一射極層的，之一具體實施例 之-概略性表示，該射極層具有形成於該射極層之一成形 部分内的六邊形射極之一陣列。 圖14係一多步驟台面敍刻程序之-具趙實施例之一概略 性表示。 138402.doc •45· 200941773 圖15係一LED之一具體實施例之一概略性表示，該LED 包含採取具有彎曲側壁之六邊形幾何組態的微LED之一陣 列。 圖16係一 LED之一具體實施例之一概略性表示，該LED 包含採取具有成角度側壁之六邊形幾何組態的微LED之一 陣列。 圖17係一 LED之一具體實施例之一概略性表示，該LED 包含採取具有筆直側壁之六邊形幾何組態的微LED之一陣 列。 【主要元件符號說明】 10 成形部分 20 方形射極 40 發射平面/偵測器平面 45 對角線光線 50 介面 55 出射面/出射表面 60 成形側壁/N接點層 65 成形側壁 70 光線 80 成形射極層/射極層材料 81 成形部分 82 未成形部分 90 基板 100 LED基板 138402.doc -46- 200941773 101 介面 102 介面 120 LED 130 LED 131 敍刻通道 132 N-GaN 層 140 LED 150 LED 152 微LED 155 彎曲侧壁 160 LED 161 基板 162 微LED 165 成角度側壁 170 LED 171 基板 ❿ 172 微LED 175 筆直側壁 • 720 六邊形射極 750 射極面積 755 出射面積 810 基板 815 量子井區 820 六邊形射極/微LED 138402.doc -47- 200941773 850 介面 855 出射面 860 側壁 865 側壁 900 LED 920 層
138402.doc • 48-
Claims (1)
- 200941773 七、申請專利範圍： 1. -種成形LED之一射極層之方法，其包含： :定一微型射極之-出射面積（b)與一射極面積⑷， 其中該出射面積（b)具有採取一第一幾何組態之一出射 面’且其中該射極面積⑷具有採取一第二幾何組態之一 量子井區； • 利用該出射面積（b)與該射極面積（a)來決定該微型射 極之一最小高度（h); © 依據該第一幾何組態、該第二幾何組態及該最小高度 (h)，自一發射材料移除物質或生長該發射材料，以形成 一成形部分’其具有滿足該最小高度之一或多個微型 射極；以及 成形該等微型射極之侧壁，其中每一側壁經定位並成 形以使具有自該射極面積至該側壁之一筆直透射路徑之 至少多數光線使用小於或等於在該出射面處之一臨界角 之在該出射面處之一入射角來反射至該出射面。 ® 2.如請求項1之方法，其中自該發射材料移除物質進一步 包含： • 使用具有該第一幾何組態之一第一遮罩來圖案化該發 射材料； 依據該最小高度（h)與該第一幾何組態來蝕刻該發射材 料； 使用具有該第二幾何組態之一第二遮罩來圖案化該發 射材料；以及 138402.doc 200941773 一 4何組態來蝕刻該發射材料β 3.如請求項2之方沐 万去’其中該第一遮罩定義在該射極層内 J通道之最小寬度，且其中該一或多個微型射極 匕3間隔開該等钮刻通道之該最小寬度之微型射極之-陣列。 4·如請求項1之方法’其中該發射材料包含氮化鎵(GaN)。 5·如請求項1之方法，其中依據該第一幾何組態、該第二 幾何組態及該最小高度（h) ’自―發射材料移除物質或藉 由沈積生長該發射材料來進一步形成鄰接一基底基板之 一未成形部分。 6.如請求項5之方法’其中該基底基板包含三氧化二鋁 (Al2〇3)或碳化矽（Sic)。 如明求項5之方法’進一步包含在該基底基板之一表面 上施加一抗反射塗層，其中該表面介接空氣。 8. 如請求項1之方法，其中該第一幾何組態具有四或六個 側。 9. 如請求項1之方法，其中決定該微型射極之該最小高度 (h)進一步包含決定自該微型射極之該射極面積（a)至該出 射面積（b)穿越一最長距離或大約一最長距離之一或多個 限制光線。 10. —種LED ’其係藉由一種成形led之一射極層之方法所 製造，該方法包含： 決定一微型射極之一出射面積與一射極面積（a)， 其中該出射面積（b)具有採取一第一幾何組態之一出射 138402.doc -2 · 200941773 面’且其中該射極面積（a)具有採取一第二幾何組態之一 量子井區； 利用該出射面積（b)與該射極面積（a)來決定該微型射 極之一最小高度（h); 依據該第一幾何組態、該第二幾何組態及該最小高度 (h)’自一發射材料移除物質或生長該發射材料，以形成 一成形部分’其具有滿足該最小高度之一或多個微型 射極；以及 成形該等微型射極之側壁，其中每一侧壁經定位與成 形以使具有自該射極面積至該側壁之一筆直透射路徑之 至少多數光線使用小於或等於在該出射面處之一臨界角 之在該出射面處之一入射角來反射至該出射面。 11. 如請求項1〇之LED，其中該發射材料包含氮化鎵（GaN)。 12. 如請求項1〇之LED，其中依據該第一幾何組態、該第二 幾何組態及該最小高度（h) ’自一發射材料移除物質或藉 由沈積生長該發射材料來進一步形成鄰接一基底基板之 一未成形部分。 13. 如請求項12之LED，其中該基底基板包含三氧化二鋁 (ai2o3)或碳化矽（SiC)。 14. 如请求項12之LED，其中該方法進一步包含在該基底基 板之一表面上施加一抗反射塗層，其中該表面介接空 氣。 15. 如請求項10之LED，其中自該發射材料移除物質進一步 包含： 138402.doc 200941773 使用具有該第一幾1 h Λ 殘何組態之一第一遮罩來圖案化該發 射層； 依據該最小高度(h)與該第一幾何組態來蝕刻該發射 層； 使用具有該第一幾何組態之一第二遮罩來圖案化該發 射層；以及 依據該第二幾何組態來_該發射材料。 16·如4求項15之led ’其中該第一遮罩定義在該射極層内 之蝕刻通道之一最小寬度，且其中該一或多個微型射極 包含間隔開該等蝕刻通道之該最小寬度之微型射極之一 陣列》 17.如句求項1〇之led，其中該第一幾何組態具有四或六個 側0 18.如請求項1G之LED，其中決定該微型射極之該最小高度 ⑻進#包含決定自該微型射極之該射極面積⑷至該出 射面積(b)穿越一最長距離或大約一最長距離之一或多個 限制光線。 19. 一種LED，其包含： 一基底基板；以及 在該基底基板之-表面上之一射極層，其中該射極層 具有-成形部分’其中該成形部分包含—出射面積. -射極面積⑷一最小高度⑻及側壁，其中該出射面積 (b)具有採取一第一幾何組態之一出射面，其令該射極面 積（a)具有採取一第二幾何組態之一量 置于幵區，其中該最 I38402.doc -4 200941773 小高度（h)係利用該出射面積（b)與該射極面積（a)來決 定，其中該等側壁之每一者經定位與成形以使具有自該 射極面積至該側壁之一筆直透射路徑之至少大多數光線 使用小於或等於在該出射面處之一臨界角之在該出射面 處之一入射角來反射至該出射面》 * 20.如請求項19之LED，其中該射極層進一步包含鄰接該基 • 底基板之一未成形部分。 21.如請求項19之LED，其中該射極層包含氮化鎵（GaN)。 β 22·如請求項19之LED ’其中該基底基板包含三氧化二鋁 (ai2o3)或碳化矽（SiC)。 23.如清求項19之LED，其中該第一幾何組態及該第二幾何 組態包含不同大小的方形、矩形或六邊形。 24_如請求項19之LED，其中該射極層包含一射極陣列，每 一射極具有一出射面積（b)、一射極面積（a)、一最小高度 (h)及側壁。 ❹ 25·如請求項19之LED，其中該射極層之該成形部分經成形 以實現自該LED之至少75%光擷取。 138402.doc
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