[发明专利]具有通过粗化的改进的光提取的发光二极管(LED)

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是于2007年12月14日提交的未决的美国申请序列号11/956,962的一部分，其是现在为美国专利号7,524,686、于2007年3月23日提交的美国申请序列号11/690,443的部分连续，其是现在为美国专利号7,563,625、于2006年12月29日提交的美国申请序列号11/618,468的部分连续，其是现在为美国专利号7,186,580、于2005年1月11日提交的美国申请序列号11/032,880的部分连续，这些专利均通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及发光二极管并且更特别地涉及用于增加它们的光提取的新的LED结构。

背景技术

发光二极管(LED)是将电能转换成光的固态器件中的重要类别。LED通常提供了夹在两个相对掺杂层之间的半导体材料的有源层。当跨越掺杂层施加偏压时，空穴和电子被注入到其中它们重新结合以生成光的有源层中。由有源区所生成的光在所有方向上发射并且光通过所有暴露的表面逃逸出半导体芯片。

随着半导体材料已经改进，半导体器件的效率也已经提高。新的LED正由诸如InAlGaN的材料制成，其支持紫外线到琥珀色光谱中的有效照明。与常规光源相比较新的LED中的许多在将电能转换成光方面是更高效的并且它们可以是更可靠的。随着LED改进，期望它们在许多应用中代替常规光源，诸如交通信号、户外显示器和室内显示器、汽车头灯和尾灯、常规室内照明等等。

常规LED的效率受到它们无法发射由它们的有源层所生成的全部光的限制。当LED通电时，从其有源层(在所有方向上)发射的光以许多不同的角度到达发射表面。与周围空气(n＝1.0)或灌封环氧(n≈1.5)相比较，典型的半导体材料具有高折射率(n≈2.2-3.8)。根据斯涅尔定律，在特定临界角(相对于表面法向方向)内的从具有高折射率的区传播到具有低折射率的区的光将过渡到较低的折射率区。到达表面超过临界角的光将不过渡但是将经历全内发射(TIR)。在LED的情况下，TIR光能够继续在LED内反射直到其被吸收为止。由于这个现象，所以由常规LED所生成的大量的光没有发射，这降低了它的效率。

减少TIR光的部分的一个方法在于在LED的表面上以随机织构化的形式创建光散射中心。随机织构化在活性离子刻蚀期间通过使用作为掩膜的LED表面上的亚微米直径聚苯乙烯球体而形成图案到表面中。有纹理的表面具有大约由于随机干扰效应不以斯涅尔定律所预测的方式折射和反射光的光的波长的特征。已经证明这个方法将发射效率提高了9至30％。

如美国专利号6,821,804中所讨论，表面织构化的一个缺点是它能够阻止有效电流在具有用于诸如p型GaN的有纹理的电极层的不良电导电性的LED中扩散。在较小的器件或具有良好电导电性的器件中，来自p和n型层触点的电流将传遍各层。采用较大的器件或由具有不良电导电性的材料制成的器件，电流不能够从触点传遍层。因此，有源层的一部分将不经历电流并且将不发射光。为了跨越二极管区域创建均匀电流注入，能够将导电材料的扩散层沉积在表面上。然而，这个扩散层常常需要是光学上透明的从而使得光能够发射穿过该层。当在LED表面上引入了随机表面结构时，不能够容易地沉积有效薄的并且光学上透明的电流撒布器。

增加从LED的光提取的另一方法是包括使光从其内部俘获角改变方向到由表面的形状和周期所确定的定义模式的发射表面或内部界面的周期图样。见给Krames et al的美国专利号5,779,924。这个技术是其中干扰效应不再是随机的并且表面将光耦合到特定模式或方向中的随机有纹理的表面的特殊情况。这个方法的一个缺点是可能难以制造该结构，因为表面形状和图案必须是均匀的并且是非常小的，约LED的光的单个波长。这个图案在沉积如上文所描述的光学上透明的电流扩散层中还能够带来困难。

还已经通过将LED的发射表面成形到半球体中实现了在光提取方面的增加，其中发射层在中心。虽然这个结构增加了发射的光的数量，但是其制造是困难的。给Scifres和Burnham的美国专利号3,954,534公开了一种使用在LED中的每一个之上的相应半球体来形成LED的阵列的方法。半球体被形成在基底中并且二极管阵列生长在它们之上。然后远离基底对二极管和晶体结构进行蚀刻。这个方法的一个缺点是它受限于在基底界面处结构的形成，并且来自基底的结构的升离导致增加的制造成本。同样地，每个半球体都具有直接在其之上的发射层，这需要精确的制造。