[发明专利]通过粗糙化而改善光取出的发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管，并且尤其涉及增强光取出的新LED结构。

背景技术

发光二极管(LED)是一转换电能为光波的重要固态装置的类别。LED通常提供夹于两对向掺杂层(doped layers)之间的半导体材料活性层。当施加偏压通过掺杂层，空穴及电子即被射入该活性层，于此处其再结合以产生光波。由活性区域所产生的光波沿全部方向放射并且经由所有暴露表面而自半导体晶片逸出(escape)。

由于半导体材料已加以改良，故半导体装置的效能亦已改善。新的LED由InAlGaN这一类的材料来制成，其允许在紫外光至黄褐光光谱中的有效发光。相较于现有光源，许多新LED在将电能转换成光波时更有效率且更加稳定可靠。因为LED的改善，故预期其于甚多应用中将取代现有光源，如交通信号灯、室外与室内显示器、汽车头灯与尾灯、及传统室内照明等等。

现有LED的效率受限于无法发射由其活性层所产生的所有光线。当供给LED能量时，自其活性层发射的光线(沿所有方向)将以许多不同角度到达发射表面。典型的半导体材料比周围空气(n＝1.0)或封装树酯(n≈1.5)有较高的折射率(n≈2.2-3.8)。根据斯涅耳定律(Snell′s law)，光线自具有高折射率的区域行进到在某一临界角度内的具有低折射率的区域，将穿越较低折射率的区域；以超过临界角度到达表面的光线将不会穿出表面，但是会经历内部全反射(TIR)。于LED案例中，TIR光线可持续于LED内反射，直到被吸收为止。由于该反射现象，多数由现有LED所产生的光线并未发射出去，降低了本身的效率。

一种降低TIR光线比例的方法为于LED表面上以随机蚀纹(random texturing)的形式建立光散射中心。该随机蚀纹通过在反应性离子蚀刻期间以在LED表面上的次微米直径聚苯乙烯球体作为遮罩而经图案化于表面。已蚀纹表面具有光波长阶次(order)的特征部，该特征部因随机干涉效应(random interference effects)而以斯涅耳定律无法预测的方式折射或反射光线。此方法已经证明可改善发光效率9至30％。

如同美国专利第6,821,804号中所讨论的，表面蚀纹的一项缺点为其会阻碍在已蚀纹电极层的导电性不良的LED中的有效电流散布，如p型GaN。在较小装置或者具有良好导电性的装置中，来自p型及n型层接点(面)的电流将散布遍及各层。在较大装置或者由具有不良导电性的材料所制成的装置中，电流无法从接点(面)散布遍及各层。因此，部份活性层将不会有电流流过且将不会发光。为了在整个二极管区域产生均匀电流注入，可将导电材料的散布层(spreading layer)沉积于表面上。然而，此散布层通常必须具有透光性，以使光可经传送通过该层。当LED表面上引进一随机表面结构时，实际上细薄且透光的电流散布层即无法轻易地沉积于其上。

增加来自LED的光取出的另一方法包含发光表面或者内部介面的周期性图案化，其将光线方向由内部捕获角(internally trapped angle)再改变至通过表面形状与周期所决定的定义模式，请参考Krames等人的美国专利第5,779,924号。此技术为随机蚀纹表面的特殊案例，其中干涉效应不再为随机，且该表面将光线耦合成特别模式或方向。此方案的一项缺点为此一结构可能不易制造，因为该表面的形状与图案必须均匀且极微小，为LED光的单一波长的阶次。将如上所述的光学透明电流散布层沉积于此图案上亦存在着困难。

增加光取出已通过使LED的发光表面形成为在其中心处具有一发光层的半球体而实现。虽然此结构可增加发光量，但其制造却不容易。Scifres及Burnham的美国专利第3,954,534号披露了一种LED阵列的形成方法，其中在每一LED上方均具有各自的半球体。该半球体形成于基板上，且二极管阵列生长于该半球体上。该二极管与透镜结构(lens structure)接着即自基板上蚀刻去除。此方法的一项缺点为：基板介面处形成该结构将受到限制，且自基板上剥离(lift off)该结构将导致制造成本增加。又，每一半球体正上方皆有一发光层，故需要精准的制造技术。

美国专利第5,431,766号披露了硅在无水份及氧气下的光电化学氧化与分解。于无水HF-乙腈(MeCN)溶液中的蚀刻速率与光电流直接正比于至少高达600mW/cm2的光强度，产生了大于4微米/min的空间选择蚀刻速率。由于电子自高能量反应中间体射入，故产生每一硅分子有4个电子转移反应，具有大于3.3的量子产率(quantumyield)。