[发明专利]具有优化的光子晶体提取器的高效发光二极管（LED）

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案涉及以下共同待决和共同转让的申请案：

Claude C.A.Weisbuch、Aurelien J.F.David、James S.Speck和Steven P.DenBaars在2005年2月28日提交的美国实用新型序列号11/067,910，题为“SINGLE ORMULTI-COLOR HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE(LED)BY GROWTHOVER A PATTERNED SUBSTRATE”，代理人案号为30794.122-US-01(2004-145-1)；

Claude C.A.Weisbuch、Aurelien J.F.David、James S.Speck和Steven P.DenBaars在2005年2月28日提交的美国实用新型序列号11/067,957，题为“HORIZONTAL EMITTING，VERTICAL EMITTIN G，BEAM SHAPED，DISTRIBUTED FEEDBACK(DFB)LASERS BYGROWTH OVER A PATTERNED SUBSTRATE”，代理人案号为30794.121-US-01(2005-144-1)；以及

Carole Schwach、Claude C.A.Weisbuch、Steven P.DenBaars、Henri Benisty和ShujiNakamura在2004年9月10日提交的美国实用新型序列号10/938,704，题为“WHITE，SINGLE OR MULTI-COLOR LIGHT EMITTING DIODES BY RECYCLING GUIDEDMODES”，代理人案号为30794.115-US-01(2004-064-1)；

所述申请案以引用的方式并入本文。

关于所发起的研究和开发的申明

在加利福尼亚大学、圣巴巴拉固态发光和显示中心的成员公司的支持下完成本发明，所述成员公司包含Stanley Electric Co.，Ltd.，Mitsubishi Chemical Corp.，Rohm Co.，Ltd.，Cree，Inc.，Matsushita Electric Works，Matsushita Electric Industrial Co.，and SeoulSemiconductor Co.，Ltd。

技术领域

本发明涉及发光二极管(LED)，且更明确地说，涉及具有优化的光子晶体提取器的高效LED。

背景技术

发光二极管(LED)是一种当在正向方向上被电偏置时以受激方式发光的半导体装置。这种效应是电致发光的一种形式。

LED包含由浸渍或掺杂有杂质以形成称为pn结的结构的半导体材料制成的芯片。当被正向偏置时，电子从n型区被注入到所述结中，且从p型区注入空穴。当电子和空穴复合时，其以光子形式释放能量。光的波长(且因而其色彩)取决于形成pn结的材料的带隙能。

随着半导体材料的改进，半导体装置的效率也得以改进，且已使用新的波长范围。基于氮化镓(GaN)的发光器对于多种应用来说可能是最有前途的。举例来说，当GaN与不同浓度的铟(In)熔合时，其提供在紫外线到棕黄光谱中的高效照明。

遗憾的是，归因于半导体与空气界面处的全内反射，半导体LED材料内发射的大多数光被损耗。典型的半导体材料具有较高的折射率，且因此，根据斯涅耳定律，大多数光将被截留于材料中，进而降低了效率。通过为LED选择合适的几何形状，可实现较高的提取效率。

图1是同质发光材料10的横截面图，其说明材料14内发射的光的一部分12位于逃离锥体16内，且可逃离材料10，而所发射光的大部分18被截留，且在材料10内发生反射。在这种情况下，发射的光18被称作导光模式或导引模式，因为光18被限定在装置10中，且在材料10内被横向引导。一种用于减少全内反射的影响的方法是通过对装置表面的随机纹理化来形成光散射或重新分布，这导致在装置的半导体与空气界面处的多个可变角度的入射。由于非常高的内部效率和较低的内部损耗，已显示这种方法将发射效率提高了9-30％，这允许在光逃离装置之前有许多通路。

图2是说明这样的原理的半导体LED 20的横截面图，其中LED 20的顶部表面22经纹理化，LED 20的底部表面24包含反射器，空气的折射率n＝1，且LED 20的半导体材料的折射率n＝3.5。LED 20的带纹理顶部表面22用于以几何光学方法来随机化光的轨道。