TWI823011B - 用於增強光輸出耦合和封裝效率之奈米錐陣列 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種LED結構，其包含一磊晶層，其生長於一基板上；及複數個介電奈米天線，其定位於該磊晶層內。該等介電天線可週期性地配置以減少光之再吸收且重新引導斜入射光以改良總體光耦合效率。舉例而言，該等介電奈米天線中之每一者可具有一頂部；一底部；一高度，其小於或等於1000 nm且大於或等於200 nm；及一直徑，其小於或等於2000 nm且大於或等於300 nm。
Description
本發明一般而言係關於一種具有一磊晶層之LED結構，該磊晶層具有經併入介電奈米天線以減少光再吸收且允許斜入射光之重新引導。介電奈米天線可週期性地配置於一或多個層中。
基於生長於經圖案化藍寶石基板(PSS)上之氮化鎵(GaN)或類似磊晶(epi)層之LED結構中之光損失係一顯著問題，至少部分地歸因於發射晶粒及磊晶層亦可強有力地再吸收返回光。一PSS可藉助於一GaN藍寶石基板介面處之表面紋理化促進光輸出耦合，表面紋理化提升光子隨機化以提取自一高折射率(RI)材料移動至一低折射率材料中之光子。然而，PSS結構亦允許至GaN中之高效再進入使得光返回至GaN-藍寶石介面且因此增加磊晶層中之再吸收損失。
除歸因於光返回通過PSS結構之損失之外，光亦可歸因於晶粒及磊晶層中之高吸收損失(歸因於高反彈數目)、一側塗佈層中之高吸收損失及GaN基板介面處之斜輻射之有限透射比而損失。需要減少此光損失之結構。
根據本發明之實施例，一種LED結構包含一磊晶層，其生長於一基板上；及複數個介電奈米天線，其定位於該磊晶層內。該等介電奈米天線可週期性地配置以減少光之再吸收且重新引導斜入射光以改良總體光耦合效率。舉例而言，該等介電奈米天線中之每一者可具有一頂部；一底部；一高度，其小於或等於1000 nm且大於或等於200 nm；及直徑，其小於或等於 2000 nm且大於或等於300 nm。
在某些實施例中，該基板係經圖案化藍寶石且該磊晶層係GaN。該等介電奈米天線之該頂部可係扁平的，且該等介電奈米天線之該底部相對於該頂部係窄的。
在某些實施例中，該等介電天線之該頂部經定位成平行且毗鄰於該基板；而在其他實施例中，該等介電天線之該底部經定位成平行且毗鄰於該基板。
在某些實施例中，定位於該磊晶層內之該複數個介電奈米天線中之至少某些介電奈米天線在一平面中界定一週期性圖案。介電奈米天線之多個週期性平面可界定於該磊晶層中。
通常地，該等介電奈米天線具有對稱實心形狀，諸如一圓錐，且在某些變化形式中，該等介電奈米天線可經形成以具有一芯及殼結構。
在另一實施例中，一LED結構包含生長於一基板上之一第一磊晶層。該第一磊晶層中之一作用區經定位成毗鄰於一隧道接面層。第一複數個介電奈米天線定位於該第一磊晶層內在該作用區與基板之間。一第二磊晶層定位於該隧道接面層與一接觸層之間，且第二複數個介電奈米天線定位於該第二磊晶層內。可存在該第二磊晶層中之一第二作用區。
在一項實施例中，定位於該磊晶層內之該第一複數個介電奈米天線中之至少某些介電奈米天線在一平面中界定具有不同於該第二複數個介電奈米天線之週期性間隔之一週期性間隔之一週期性圖案。
在另一實施例中，一LED結構包含一磊晶層及定位於該磊晶層內之複數個介電奈米天線。該等介電奈米天線可配置於具有600 nm與3000 nm之間的一週期性間隔之一週期性平面(例如具有六角間隔)中，其中每一介電奈米天線係錐形的以具有不同頂部及底部大小。每一介電奈米天線之高度小於1000 nm且大於200 nm。每一介電奈米天線之基底直徑小於2000 nm且大於300 nm。每一介電奈米天線具有1.0與1.5之間的一折射率。
亦可使用環繞所闡述結構及層之額外結構。舉例而言，下伏鏡或非鏡面接觸層、側壁吸收體、反射體及鏡以及保護層可用於封裝且增強所闡述LED結構之效率。另外，磷光體、透明保護層以及包含會聚或發散透鏡、微透鏡、擴散體或反射體之光學器件。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2019年6月27日提出申請之美國專利申請案第16/455,047號之優先權之權益，該專利申請案之全文以引用的方式併入本文中。
圖1展示具有嵌入於磊晶120中之介電奈米天線之一LED結構100，該磊晶可減少光之再吸收且重新引導斜入射光以改良總體光耦合效率。一基板110具有生長於一介面114上之一磊晶層112。在所圖解說明實施例中，基板110及介面114可係一經圖案化藍寶石基板。通常，磊晶層112係一半導體n-層。一半導體p-層可循序地生長或沈積於該n-層上，從而在層之間的接面處形成一作用區以發射光。能夠形成高亮度發光裝置之半導體材料可包含，但不限於III-V族半導體，特定而言亦被稱為III族氮化物材料之鎵、鋁、銦及氮的二元、三元及四元合金。
在磊晶層112之生長期間，介電奈米天線120可以各種組態生長或沈積，包含但不限於錐形實心體、對稱實心稜錐、六面體或八面體或圓錐形式。形成介電奈米天線之材料可包含但不限於SiOx。該等介電奈米天線中之每一者可具有一扁平頂部140、一尖或窄底部142以及小於1000 nm且大於200 nm之一高度144。介電奈米天線可沿著一單個平面週期性地配置，且可形成多個奈米天線平面。
在操作中，朝向介面114及基板110垂直地通過磊晶層112之光130受介電奈米天線影響將最小。然而，所闡述介電奈米天線120之使用增加任何往回反射光134將亦更有可能朝向介面114往回反射之可能性。來自磊晶層132之傳入斜光將沿著垂線朝向介面114部分地重新引導。
事實上，伸長、錐形或圓錐介電奈米天線之幾何垂直不對稱性可轉譯為一光學反射率/透射率回應不對稱性，此取決於在大小參數及材料之適當調諧情況下且當垂直定向且以一平坦陣列組態放置時，光是自圓錐奈米天線之尖銳側還是扁平側傳入。為增強此光學反射率/透射率不對稱性，可形成介電奈米天線陣列之多個垂直堆疊。在一項實施例中，與在0度至45度之一大角度範圍內自圓錐之尖銳側傳入之光相比，自圓錐之頂部側及扁平側傳入之光經歷顯著較大反射率。在一項實施例中，藉由將此等奈米天線陣列放置於GaN磊晶層中在一藍寶石基板/GaN磊晶層介面下方，可減少所發射光之光再吸收而不嚴重地犧牲光自GaN磊晶層之輸出耦合。此係在圖2中圖解說明，圖2係介電奈米天線之一平坦六角配置層210之一圖解說明200。進一步展示實心介電奈米天線220及芯/殼(由不同材料構成)介電奈米天線222兩者。
作為另一效果，與近法線入射光(此導致進入藍寶石之光更準直)相比，以一平坦陣列組態配置之伸長、錐形或圓錐介電奈米天線可致使斜光與介電奈米天線更多地交互作用。
圖3係圖解說明光自頂部側及底部側通過一介電奈米錐陣列之差分透射率回應之一圖表300。傳入至嵌入於GaN中之一介電奈米錐陣列之平面波之方位平均透射係視為係極角之一函數。此演示取決於光是自陣列之頂部側(奈米錐之扁平側)還是底部側(奈米錐之尖銳側)傳入之一實質上不同透射率回應。
伸長、錐形或圓錐介電奈米天線可藉由包含壓印微影之各種技術來形成。舉例而言，可藉由一系列GaN磊晶生長停止，後面接著使用溶膠凝膠材料藉助於壓印微影之SiOx奈米錐之異地製作來製作SiOx奈米錐陣列之堆疊陣列。亦可使用多種其他圖案化技術來產生SiOx(或具有與GaN不同之折射率之其他材料)奈米錐。一旦在GaN之表面上形成SiOx奈米錐平坦陣列，則進一步GaN磊晶可隨後圍繞此等介電奈米錐選擇性地生長。有利地，此生長將歸因於表面能量考量在奈米錐之頂部上導致無意義的GaN成核，從而導致一高晶體品質。可針對所期望數目之堆疊奈米錐陣列重複此程序。此處理對於遠離PSS基板指向之奈米錐結構(如在圖1中)係較容易的，此乃因奈米錐之扁平頂部部分在製作期間接觸磊晶表面。然而，可使用關於圖5更詳細地論述之其他技術來形成反向奈米錐。
圖4圖解說明一替代實施例，其中介電天線之頂部側相對於底部側係窄的。此替代LED結構400具有一反向介電奈米天線，該反向介電奈米天線嵌入於磊晶420中，可重新引導斜入射光以改良總體光耦合效率。一基板410具有生長於一介面414上之一磊晶層412。在所圖解說明實施例中，基板410及介面414可係一經圖案化藍寶石基板。在磊晶層412之生長期間，介電奈米天線420可經生長以具有一尖或窄頂部140及一扁平底部142。介電奈米天線可沿著一單個平面週期性地配置，且可形成多個奈米天線平面。
在操作中，與120中所展示之相對配置相比，朝向介面414及基板410垂直地通過磊晶層412之光430將更多地受介電奈米天線影響。然而，介電奈米天線420之規定使用增加斜光432朝向介面414沿著垂直方向之重新引導。
圖5圖解說明一種用於形成諸如關於圖4所闡述之一反向介電天線之程序。如在一程序圖解說明500中所見，在一第一步驟(i)中，在磊晶生長於一PSS上之GaN中以藉由控制生長條件(例如，溫度)形成之週期性差排形成v-坑結構。v坑之形狀係在GaN生長期間由晶體小面界定之一六角稜錐。在一第二步驟(ii)中，施加場外旋塗玻璃(SOG，SiOx)以填充v坑結構。在步驟(iii)中，使用毯覆式RIE或其他平坦化處理步驟來移除過量SIOx以產生指向PSS基板之圓錐樣結構之一週期性陣列。可重複此程序(步驟iv)來形成介電奈米錐之兩個或多於兩個堆疊平坦層。
圖6圖解說明具有多個作用層及多個磊晶嵌入介電奈米天線層之一LED結構600。磊晶嵌入介電奈米天線620及622可減少光之再吸收且重新引導斜入射光以改良總體光耦合效率。一基板610具有生長於一介面614上之一磊晶層612。在所圖解說明實施例中，基板610及介面614可係一經圖案化藍寶石基板。在磊晶層112之生長期間，可生長介電奈米天線120。亦可生長或沈積包含一第一作用區642、磊晶層644、隧道接面層646、磊晶層648、一第二作用區650、磊晶層652、及觸點654(視情況一鏡)之額外層。
事實上，放置於堆疊LED作用區之任一側上之介電奈米天線620及622之堆疊陣列(藉由隧道接面達成)將針對最佳提取導引內部輻射圖案。此將幫助在晶粒內操縱光(例如光630)用於經改良第一遍次提取，以及減少自第一作用區642發射之光被第二作用區650吸收之可能性。
圖7圖解說明具有不同週期性間隔之多個磊晶嵌入介電奈米天線層。該等層亦可放置於一單個作用區與正觸點(藉由由隧道接面達成)之間，如在圖6中。具有選用之不同各別介電奈米天線大小、高度、週期性間隔或材料之磊晶嵌入介電奈米天線720及722可減少光之再吸收且重新引導斜入射光以改良總體光耦合效率。一基板710具有生長於一介面714上之一磊晶層712。在所圖解說明實施例中，基板710及介面714可係一經圖案化藍寶石基板。在磊晶層712之生長期間，可生長介電奈米天線720。亦可生長或沈積包含一第一作用區742、磊晶層744、隧道接面層746、具有用以操縱光730之嵌入介電奈米天線722之磊晶層748以及觸點754之額外層。如在較早論述之替代方案中，介電奈米天線陣列可減少與正接觸層交互作用之光量且幫助操縱內部輻射圖案用於最佳化之第一遍次提取。
通常地，將結合額外LED封裝、電源及控制電路以及光學器件來使用所闡述LED結構。舉例而言，LED封裝可含有與聚矽氧結合在一起之磷光體材料或形成為一陶瓷之磷光體材料。在某些實施例中，結合聚矽氧之磷光體材料可形成可用金屬、光反射材料或鏡(例如一散佈式布拉格(Bragg)反射體-「DBR鏡」)塗佈之側壁。
磷光體可包含能夠產生白色光或其他色彩之單色光之一或多種波長轉換材料。由LED發射之光之全部或僅一部分可由磷光體之波長轉換材料轉換。未轉換光可係光之最終光譜之部分，儘管其不必係。共同裝置之實例包含：與一發射黃光之磷光體組合之一發射藍光之LED區段、與發射綠光及紅光之磷光體組合之一發射藍光之LED區段、與發射藍光及黃光之磷光體組合之一發射UV之LED區段，及與發射藍光、綠光及紅光之磷光體組合之一發射UV之LED區段。與聚矽氧結合在一起之磷光體可經模製、施配、絲網印刷、噴塗或層壓。
在一項實施例中，用於LED封裝中之光反射材料可係一金屬化層。在其他實施例中，可使用一介電鏡或DBR。在某些實施例中，光反射材料可包含一黏結劑(諸如聚矽氧及光反射微粒)之一薄層。光反射材料亦可包含有機、無機或有機/無機黏結劑及填充劑材料。舉例而言，有機/無機黏結劑及填充劑可係，舉例而言具有經嵌入反射氧化鈦(TiO2
)、SiO2
、或其他反射/散射微粒之聚矽氧。無機黏結劑可包含溶膠凝膠(例如，TEOS或MTMS之一溶膠凝膠)或液態玻璃(例如，矽酸鈉或矽酸鉀) (亦稱為水玻璃)。在某些實施例中，黏結劑可包含調整物理性質之填充劑。填充劑可包含能夠改良光學或熱效能之無機奈米微粒、二氧化矽、玻璃微粒或纖維，或其他材料。可藉由各種程序將光反射材料施加至側壁，包含蒸鍍沈積(針對金屬)原子層沈積(針對DBR鏡)，或模製、施配、絲網印刷、噴塗或層壓(針對一黏結劑中之反射微粒)。
在其他實施例中，可將主要或次要光學器件附接或定位在LED封裝中之磷光體附近。光學器件可包含凹面或凸面透鏡、小透鏡陣列、漸進折射率透鏡、反射體、散射元件、勻束器、擴散體或其他光聚焦或模糊光學器件。可視特定應用所需要，使用保護層、透明層、熱層或其他封裝結構。
受益於前述說明及相關聯圖式中所呈現之教示，熟習此項技術者將聯想到本發明之諸多修改及其他實施例。因此，理解本發明不限於所揭示之特定實施例且意欲將修改及實施例包含於所附申請專利範圍之範疇內。亦理解，可在不存在未在本文中具體揭示之一元件/步驟之情況下實踐本發明之其他實施例。
100:LED結構
110:基板
112:磊晶層
114:介面
120:介電奈米天線
130:光
132:磊晶層
134:往回反射光
140:扁平頂部/尖或窄頂部
142:尖或窄底部/扁平底部
144:高度
200:圖解說明
210:平坦六角配置層
220:實心介電奈米天線
222:芯/殼介電奈米天線
300:圖表
400:替代LED結構
410:基板
412:磊晶層
414:介面
420:介電奈米天線
430:光
432:斜光
500:程序圖解說明
600:LED結構
610:基板
612:磊晶層
614:介面
620:磊晶嵌入式介電奈米天線/介電奈米天線
622:磊晶嵌入式介電奈米天線/介電奈米天線
630:光
642:第一作用區
644:磊晶層
646:隧道接面層
648:磊晶層
650:第二作用區
652:磊晶層
654:觸點
710:基板
712:磊晶層
714:介面
720:磊晶嵌入式介電奈米天線/介電奈米天線
722:磊晶嵌入式介電奈米天線/經嵌入介電奈米天線
730:光
742:第一作用區
744:磊晶層
746:隧道接面層
748:磊晶層
754:觸點
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮舉實施例，其中遍及各種圖之相似元件符號係指相似部件，除非另有規定。
圖1圖解說明具有嵌入於磊晶中之介電奈米天線之一LED結構；
圖2圖解說明介電奈米天線之一實例圓錐形狀及六角間隔；
圖3圖解說明光自頂部側及底部側通過介電奈米天線之差分透射率回應；
圖4圖解說明一替代實施例，其中介電天線之頂部側相對於底部側係窄的；
圖5圖解說明一種用於形成反向介電天線之程序；
圖6圖解說明具有多個作用層及嵌入有介電奈米天線之多個磊晶層之一LED結構；及
圖7圖解說明嵌入有具有不同週期性間隔之介電奈米天線之多個磊晶層。
100:LED結構
110:基板
112:磊晶層
114:介面
120:介電奈米天線
130:光
132:磊晶層
134:往回反射光
140:扁平頂部/尖或窄頂部
142:尖或窄底部/扁平底部
144:高度
Claims (19)
- 一種LED結構，其包括一磊晶層，其生長於一基板上；及複數個介電奈米天線，其定位於該磊晶層內，該等介電奈米天線中之每一者具有朝向該基板的一鈍端(blunt end)及相對於該鈍端、背向該基板之一較窄端(narrower end)，該較窄端相較於該鈍端具有一較窄直徑，其中位於該磊晶層內之該複數個介電奈米天線不與該磊晶層的一頂表面或與該磊晶層的一底表面齊平，該複數個介電奈米天線經配置以允許光透射之傳播穿過該磊晶層至該基板中，並經由該鈍端、將自該基板傳播至該磊晶層的光反射回該磊晶層中。
- 如請求項1之結構，其中該基板係經圖案化藍寶石，且該磊晶層係GaN。
- 如請求項1之結構，其中該等介電奈米天線之每一者之該鈍端係一扁平圓形基底。
- 如請求項3之結構，其中該等介電奈米天線之每一者之該鈍端係定位成平行且毗鄰於該基板。
- 如請求項3之結構，其中該等介電奈米天線之每一者之該較窄端係定位成平行且毗鄰於該基板。
- 如請求項1之結構，其中定位於該磊晶層內之該複數個介電奈米天線中之至少某些介電奈米天線在一平面中界定一週期性圖案。
- 如請求項6之結構，其中介電奈米天線之多個週期性平面係界定於該磊晶層中。
- 如請求項1之結構，其中該等介電奈米天線具有對稱實心形狀。
- 如請求項1之結構，其中該等介電奈米天線經配置以經由該鈍端反射比該較窄端更多光。
- 一種LED結構，其包括一第一磊晶層，其生成於一基板上；一作用區，其在該第一磊晶層中，定位成毗鄰於一隧道接面層；第一複數個介電奈米天線，其定位於該第一磊晶層內在該作用區與該基板之間且不與該第一磊晶層的一頂表面或與該第一磊晶層的一底表面齊平；一第二磊晶層，其定位於該隧道接面層與一接觸層之間；及第二複數個介電奈米天線，其定位於該第二磊晶層內且不與該第二磊晶層的一頂表面或與該第二磊晶層的一底表面齊平，該第一及第二複數個介電奈米天線之每一者具有朝向該基板的一鈍端及相對於該鈍端、背向該基板之一較窄端，該較窄端相較於該鈍端具有 一較窄直徑。
- 如請求項10之結構，其中該第一及第二複數個介電奈米天線之每一者具有小於1000nm之一高度及小於2000nm之一基底直徑。
- 如請求項10之結構，其中該第一複數個介電奈米天線中之至少某些介電奈米天線在一平面中界定具有不同於該第二複數個介電奈米天線之週期性間隔之一週期性間隔之一週期性圖案。
- 如請求項10之結構，其進一步包括該第二磊晶層中之一第二作用區。
- 如請求項10之結構，其中該接觸層係鏡面的。
- 一種LED結構，其包括一磊晶層，其包括一頂表面及相對於該頂表面之一底表面；及複數個介電奈米天線，其定位於該磊晶層內且不與該磊晶層的一頂表面或與該磊晶層的一底表面齊平，該等介電奈米天線配置於具有600nm與3000nm之間的一週期性間隔之一週期性平面中，其中每一介電奈米天線具有一圓錐形狀，該圓錐形狀具有朝向該磊晶層之該頂表面的一圓形基底及自該圓形基底相對且相較於該圓形基底具有一較窄直徑之一頂部，每一介電奈米天線包括一芯及殼結構，該芯包括在該介電奈米天線之該圓形基底處形成一實心平坦形狀之一第一介電材料，該殼包括在該圓形基底 處包圍該芯之一第二介電材料，該第一介電材料不同於該第二介電材料。
- 如請求項15之結構，其中每一介電奈米天線之一高度小於1000nm且大於200nm，且一基底直徑小於2000nm且大於300nm。
- 如請求項15之結構，其中週期性放置係六角的或四方的。
- 如請求項15之結構，其中每一介電奈米天線具有1.0與1.5之間的一折射率。
- 如請求項15之結構，其中該磊晶層之該頂表面係圖案化。
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