[发明专利]具有基于发射场图案的图案化表面特征的LED

说明书

发光元件的逸出表面包括特征（310），其包括具有基于来自发光元件的峰值光输出的方向的倾斜角度的斜坡表面（312,314）。如果光输出展现出不同方向处的数个波瓣，则斜坡表面（312,314）可以具有对应数目的不同倾斜角度（如在图3b和3c中那样）。为了最小化光到邻近特征中的重注入，邻近特征可以定位成避免具有直接面向彼此的表面。特征可以成形或定位成提供跨逸出表面的倾斜表面的伪随机分布，并且可以使用多个粗糙化过程。

技术领域

本发明涉及光学器件领域，并且特别地涉及诸如发光设备的表面之类的光提取表面上的图案的创建。

背景技术

常规半导体发光元件包括双异质结构，其包括夹在N型包覆层与P型包覆层之间的发光（“有源”）层。当电荷载流子（电子和空穴）流入有源层中时，这些电荷载流子可能相遇。当电子遇到空穴时，其落至较低能级上，并且以光子的形式释放能量。所创建的光子可以在任何方向上行进，并且商业上可获得的发光元件典型地包括重定向光以便从发光元件的意图逸出表面出射的反射表面。然而，光可能以实际上任何角度撞击逸出表面，并且大部分光可能以超出表面的任一侧上的材料之间的界面的临界角的角度撞击表面并且被全内反射（TIR）。

临界角通过材料之间的界面处的材料的折射率n1和n2确定，并且对于从具有折射率n1的介质行进到具有较低折射率n2的介质中的光，等于：

arcsin(n2/n1) （等式1）

以大于临界角撞击表面的光将被全内反射，并且将不通过表面逸出。术语“逸出区段”或“逸出圆锥”用于限定光将在其内通过表面逸出的角度范围。表面上的任何点处的逸出圆锥是具有其横截面对向关于表面的法线的临界角的两倍的角度的表面处的顶点的圆锥。逸出区段是表面上的所有点的逸出圆锥的合成。

尽管通过立体角限定逸出区段，但是使用二维模型来呈现本公开内容，以易于呈现和理解。本领域技术人员将认识到，从二维光学模型的以下分析所得出的结论适用于使用三维模型的更复杂的分析。

已经确定的是，相比于光滑表面，对逸出表面粗糙化允许更多光通过表面逸出。当光从光滑逸出表面全内发射时，其将朝向发光元件的内部行进回来，被反射表面反射，并且朝向逸出表面重定向回来。在大多数情况下，该过程重复直到反射光在LED内部被完全吸收。相反，因为粗糙化表面将使其表面的部分处于相对于有源区域的表面的变化角度处，所以原本将在光滑逸出表面的逸出区段外部的一些光将在粗糙化表面的斜坡表面的逸出区段内并且将从粗糙化逸出表面出射；此外，可能从粗糙化逸出表面反射的一些光可以重定向在期望的方向上（例如与有源层正交），使得在下一次弹起时，从逸出表面出射的可能性增加。

发光元件的逸出表面可以使用任何各种技术来粗糙化，其中的一些创建随机粗糙化的表面，并且其中的一些创建具有凹槽、裂缝、结构等的特定图案的表面。在“RecentProgress of GaN Based High Power LED”（第14届光电子学和通信会议，2009年）中，Hao-chung Kuo公开了一种粗糙化技术的组合，其中首先图案化逸出表面，然后使其经受随机粗糙化过程，从而创建具有粗糙化图案的逸出表面。

尽管对逸出表面粗糙化改进光提取效率，但是当从粗糙化逸出表面上的特征出射的光撞击邻近特征并且“重注入”到发光元件中时，将损失该效率中的一些。此外，在随机粗糙化过程中，对所创建的特征的形状和密度的控制某种程度上是受限的，并且因而光从表面出射的可能性，以及光重注入到表面中的可能性，是难以控制或预测的。

发明内容

将有利的是进一步改进发光元件的逸出表面的光提取效率。还将有利的是使用图案化表面，其被特征化为基于发光元件的光源的特定特性而增加光提取效率。