用于發射器層成形的系統和方法

專利名稱：用于發射器層成形的系統和方法
技術領域：
本發明一般涉及發光二極管(LED)器件，并且更具體地涉及用于使發射器 (emitter)材料成形以便使任何LED的光提取效率最大化的系統和方法。
背景技術：
發光二極管(“LED”)在電子設備中普遍存在。它們被用于數字顯示器、照明系 統、計算機、電視、蜂窩式電話和各種其它設備中。LED技術的發展已經引起了用于使用一 個或多個LED產生白光的方法和系統。LED技術的發展已經引起了產生比先前更多的光子 且因此更多光的LED。這兩個技術發展的頂點是LED正被用來補充或替代許多傳統光源，例 如，白熾燈、熒光燈或鹵素燈，就像晶體管替代計算機中的真空管一樣。LED被制作為包括紅色、綠色和藍色在內的許多顏色。產生白光的一種方法包括相 互組合地使用紅色、綠色和藍色的LED。由紅色、綠色和藍色(RGB)LED的組合制成的光源將 產生被人眼感知為白光的光。這是因為人眼具有三種類型的顏色受體(rec印tor)，其中每 種類型對藍色、綠色或紅色敏感。由LED源產生白光的第二種方法是由單色(例如藍色)、短波長LED產生光，并且 使該光的一部分撞擊到熒光體或類似的光子轉換材料上。熒光體吸收較高能量的、短波長 的光波，并且重新發射較低能量的、較長波長的光。如果熒光體被選擇為發射例如黃色區域 (在綠色與紅色之間)中的光，則人眼感知這種光為白光。這是因為黃光刺激眼睛中的紅色 和綠色受體兩者。諸如納米顆粒或其它類似的光致發光材料的其它材料可以用來以大致相 同的方式產生白光。還可以利用紫外線(UV)LED和三種不同的RGB熒光體來產生白光。另外，可以由 藍色LED和黃色LED產生白光，并且還可以利用藍色、綠色、黃色和紅色LED的組合來產生 白光。當前用于構造LED的工業實踐是使用其上淀積有諸如GaN或InGaN的材料層的襯 底(典型地為單晶的藍寶石或碳化硅)。一個或多個層(例如，GaN或InGaN)可以允許光子產生和電流傳導。典型地，氮化鎵(GaN)的第一層被施加到襯底的表面以形成從襯底的 晶體結構到允許光子產生或電流傳導的摻雜層的晶體結構的過渡區域。其后典型地是GaN 的η摻雜層。下一層可以是InGaN、AlGaN、AlInGaN或產生光子并摻雜有產生期望波長的光 所需的材料的其它化合物半導體材料層。下一層典型地是GaN的P摻雜層。通過刻蝕和淀 積來進一步修改該結構，以便產生用于電連接到器件的金屬部位(site)。在LED的操作期間，如在傳統的二極管中一樣，多余的電子從η型半導體移動到P 型半導體中的電子空穴。在LED中，在該過程期間在化合物半導體層中釋放光子以便產生 光。在典型的制造過程中，以晶片(wafer)形式制造襯底并且層被施加到晶片的表 面。一旦層被摻雜或刻蝕并且已經使用提到的各種處理限定了所有特征，就將各個LED從 晶片分離。LED典型地為具有直邊的方形或矩形。這可以導致顯著的效率損失并且可以導 致所發射的光具有較差的發射圖形。通常將諸如塑料穹頂(dome)的單獨的光學裝置放置 在LED之上，以便實現更期望的輸出。在許多LED應用中，期望使對于給定功率輸入的可見光輸出最大化，量對于白光 通常用流明每瓦(lm/W)來表示，或者對于諸如藍色的較短波長光用毫瓦每瓦(mW/W)來表 示。現有的LED技術可以努力增大該比例，該比例通常被稱為“總效率”或“電光轉換效率 (wall-plug efficiency)”。然而，現有LED技術仍然遭受較差的總效率和低的提取效率。

發明內容
在本申請中公開的完全發射器層成形(Complete Emitter Layer Shaping,CELS) 處理的實施例可以提供在通過使其發射器材料成形而使任何發光二極管的光提取效率最 大化方面的幾何學的和光學的解決方案。在一些實施例中，該處理被稱為GaN成形。在通常與光(包括紫外光、可見光和紅外光)相關聯的電磁譜方面陳述在本申請 中公開的實施例。在本申請中公開的原理可以被應用于所用的合適材料對于所關心的波長 為透明的電磁輻射的任何波長。如本領域技術人員能夠明白的，在本申請中公開的發射器 層成形方法和系統可以類似地實現為適應寬的波長范圍。所關心的波長范圍的示例是兆兆 赫頻率范圍。LED的發射材料可以被生長在許多襯底上。當前，大部分InGaNLED被生長在藍寶 石襯底上。藍寶石的折射率比發射材料(InGaN)的低得多，因此進入藍寶石襯底中的光子 的數量極大地減少。在使發射材料成形上，由GaN材料發射的所有光可以逸入藍寶石襯底 中并且最終到空氣中。當今市場上幾乎所有的藍色和綠色LED都使用GaN(氮化鎵)作為施加到藍寶石 或碳化硅襯底的材料的第一層來構造。此外，所施加的實際的層是變化的和復雜的，不僅包 括GaN而且包括諸如InGalAlInGaP等的化合物半導體材料。當今科學上的當前發展包括 使用除GaN之外的其它材料來用于LED層。在本申請中描述的技術應用于發光器件中的任 何和所有這種層。在本申請中使用的短語“完全發射器層成形”和“CELS”和“GaN成形”意 味著覆蓋所有這種活動，而不管實際上是使GaN、其它一些材料或它們的組合成形。出于計 算和示例的目的，在整個本申請中GaN被用作發射材料。然而，本領域技術人員將明白，公 式和描述同樣適用于其它材料集并且不限于在本申請中公開的示例。
傳統的LED由于在其中產生光能的高折射率而遭受較差的光提取效率。在從高折 射率材料轉變到較低折射率材料中，全內反射(TIR)限制光的逃逸錐(escape cone)。逃逸 錐角度是臨界角。可以使用Snell定律來計算該臨界角。在一個實施例中，LED的發射器層的一部分被成形到相對于LED襯底的受控的深 度或高度。在本申請中公開的實施例中，發射器層包括微型發射器(也被稱為微型LED)的 陣列。在一些實施例中，微型LED中的每一個具有方形、矩形或六邊形形狀。在一些實施例 中，通過刻蝕使發射器層成形。在一個實施例中，襯底是藍寶石。在一個實施例中，發射器 層材料與襯底連續接觸。在一個實施例中，發射器層材料與襯底電接觸。在一個實施例中， 發射器層材料形成與襯底的連續電連接或電平面(electrical plane)。在一些實施例中，只有發射器層的一部分被成形。在一些實施例中，LED的發射器 層包括成形的部分和未成形的部分或區域。在一些實施例中，發射器層的成形的部分具有 受控的深度或高度，并且發射器層的未成形的部分或區域形成電平面或通常連續的電連接 并且通常與襯底連續接觸。在一些實施例中，發射器層的未成形的部分可以在邊緣處耦接 到電源。在一些實施例中，發射器層的一個或多個成形的部分可以耦接到電源。在一個實施例中，限制的光線可以在發射器層的成形的部分中橫過(traverse) 最長的距離或近似最長的距離。在一些實施例中，限制的光線可以被選擇為通常終止在發 射器層的成形的部分的相對于襯底的深度或高度處。在一些實施例中，可以基于在發射器 層的成形的部分中橫過最長的距離或近似最長的距離的一個或多個限制的光線來使發射 器層材料成形。在一些實施例中，LED的側壁還可以被成形為使用全內反射使LED的光輸出最大 化并且實現期望的強度分布。在一些實施例中，LED的出射面可以被選擇為使輻射率守恒。在一些實施例中，基于以下約束來憑經驗確定LED的側壁形狀 從發射器發出的照在側壁上的所有光線應該以大于或等于臨界角的角度照在 側壁上 反射離開側壁的所有光線應該反射朝向出射表面并且在出射表面處的入射角 必須小于臨界角。在一些實施例中，對于側壁形狀的準則可以進一步包括在出射面處光強度的均勻 性或無限處的高斯分布、或兩者、或其它條件集。以這種方式，側壁可以被成形為確保將所 發射的光以期望的強度或角度導向襯底。在一些實施例中，可以基于諸如襯底折射率的襯 底特性、發射器材料或其它材料的特性來確定期望的強度或角度。在本申請中公開的實施例提供許多優點。例如，使整個LED(包括襯底)成形或 僅僅使襯底成形可以實現從發射器層提取在發射器層處產生的光的100%或者近似或通常 100%。在一些實施例中，通過如在本申請中公開的使發射器材料成形，發光二極管可以實 現至少大約90%及以上的光提取效率。由在本申請中公開的實施例提供的另一個優點是能夠使微小的發射器(也被稱 為微型LED)的大陣列成形來制作單個LED。例如，在一些實施例中，LED的發射器層可以包 括一個微型LED或者幾個微型LED到幾百萬個微型LED的陣列。由在本申請中公開的實施例提供的又一個優點在于，由于有微小的發射器(微型 LED)，需要在使發射器層成形中被去除的發光材料的總體積也可以被減少。另外，對于在本
6申請中公開的實施例，很少或沒有襯底材料需要被去除，這可以加速LED的制作并且降低 制作LED的成本，因為諸如在藍寶石的情況下去除襯底材料會很難和/或成本很高。在本申請中公開的實施例可以提供關于安裝、熱耗散和照明(illumination)均 勻性的附加優點。例如，每個微型LED的發射基底(base)可以直接接合到為微型LED提供 電力并且還為微型LED提供散熱路徑的基座(submoimt)。該構造可以提供出色的熱散布 (heat spreading)。由于發射器被彼此遠離地散布，因此還可以減少熱密度。作為另一個 示例，每個微型LED的逃逸角(escape angle)結合每個微型LED的非常小的尺寸可以允許 來自于一個微型LED的出射光線在光仍然被包含在襯底的厚度內時與大量相鄰微型LED的 出射光線重疊。當光到達襯底的出射面時，來自于許多微型LED的光被平均，產生非常均勻 的光輸出分布圖(profile)。總之，在本申請中公開的實施例可以提供在以下領域中的技術優點1.電流擴展(current spreading)2.散熱3.發射的均勻性4.活性區(P層)相對于非活性區(N層)接觸部的增大的百分比5.更高的外部量子效率6.由于提取效率更高而對于每流明產生更低的熱量7.真實(true)亮度守恒在結合以下描述和附圖考慮時將更好理解和明白在本申請中公開的實施例的其 它目的和優點。


伴隨且形成為本說明書的一部分的附圖被包括來描述公開內容的某些方面。通過 參考在附圖中示出的示例性的、因此非限制性的實施例，本公開內容的更清楚的印象將變 得更容易明白。只要可能，將在所有附圖中使用相同的附圖標記來指示相同或相似的特征 (元件)。附圖不一定按比例繪制。圖1是全內反射(TIR)如何可以限制光的逃逸錐從而導致低的光提取效率的一個 示例的示意圖。圖2A和2B示出包括具有成形側壁的成形襯底的方形發射器的一個實施例的示意 圖的各種視圖。圖3是具有成形側壁的成形襯底的示例性實體模型的側視圖。圖4示出通過圖3的實體模型的光線跡線的一個示例，示出了從成形的側壁反射 到出射表面的光線。圖5是在光線跟蹤程序中創建的方形發射器的實體模型的屏幕截圖，示出在出射 檢測器平面處的近場分布。圖6是圖5的實體模型的屏幕截圖，示出在出射檢測器平面之后的遠場分布。圖7A-7D示出六邊形發射器的一個實施例的示意圖的各種視圖。圖8是通過使LED的發射器層成形而制作的六邊形發射器的一個實施例的示意 圖。
圖9是具有包括發射器層在內的多個層的LED的一個實施例的示意圖。圖10和11是六邊形發射器的實體模型的屏幕截圖，示出了近場分布和遠場分布。圖12是包括襯底、發射器層和N-接觸層的LED的一個實施例的示意圖。圖13是包括襯底和發射器層的LED的一個實施例的示意圖，該發射器層具有形成 于發射器層的成形的部分中的六邊形發射器的陣列。圖14是多步臺面刻蝕過程的一個實施例的示意圖。圖15是包括以具有彎曲的側壁的六邊形幾何構型(geometrical configuration)的微型LED的陣列的LED的一個實施例的示意圖。圖16是包括以具有成角度的側壁的六邊形幾何構型的微型LED的陣列的LED的 一個實施例的示意圖。圖17是包括以具有直的側壁的六邊形幾何構型的微型LED的陣列的LED的一個 實施例的示意圖。
具體實施例方式參考在附圖中所示出的且在下面的描述中詳述的示例性的因此非限制性的實施 例，更完全地說明公開內容和各種特征及其有利的細節。可以省略已知的起始材料和處理 的描述，從而不會不必要地模糊在此詳細公開的內容。然而，應當理解，詳細的描述和特定 的示例，雖然表示優選實施例，但是其僅作為示例而給出并且不是限制性的。根據該公開內 容，對于本領域技術人員而言，在下面的發明構思的精神和/或范圍內的各種置換、修改、 添加和/或重排將變得清晰。本文中使用的術語“包括”、“包含”、“含有”、“有”、“具有”、“帶有”或其任何其它變 體意圖覆蓋非排它性的包括。例如，包括一列要素的處理、產品、物品或設備不一定僅限于 那些要素而是可以包括沒有明確列出的或為這種處理、產品、物品或設備所固有的其它要 素。此外，除非明確地相反陳述，“或”指的是包含性的或(inclusive or)而不是排除性的 或(exclusive or)。例如，以下中的任何一種都滿足情形A或B :A為真(或存在)而B為 假(或不存在)，A為假(或不存在)而B為真(或存在)，以及A和B都為真(或存在)。另外，在本申請中給出的任何實例或示例不應以任何方式被當作對它們中使用的 任何術語或多個術語的限定、限制、或者明確定義。相反，這些實例或示例要被認為是關于 一個特定實施例而描述的并且僅作為示例性的。本領域技術人員將明白這些實例或示例中 使用的任何術語或多個術語包括其它實施例、以及可能或可能不隨其或在說明書中其它地 方給出的實現方式及其改編，并且所有這種實施例意圖被包括在該術語或多個術語的范圍 內。指定這種非限制性實例和示例的語言包括但不限于“例如”、“比如”、“諸如”、“在一個 實施例中”等等。現在詳細地參考本公開內容的示例性實施例，其示例在附圖中示出。只要可能，將 在所有附圖中使用相似的附圖標記來指各個附圖的相似的和對應的部件(元件)。在本申請中公開的實施例中，LED可以以各種方式被成形以便增大或操縱從LED 發射的光。在一個實施例中，襯底被成形為使得通過LED的量子阱區域產生的光的所有或 極大多數透射出LED的襯底的出射面。為此，出射面可以被調整大小以便考慮輻射率守恒 的原理。在一個實施例中，出射面可以是允許通過量子阱區域與襯底之間的界面進入襯
8底的光的所有或極大多數射出出射面的最小尺寸，由此結合輻射率守恒的要求與減小尺 寸(特別是出射面的尺寸)的要求。另外，襯底的側壁可以被成形為使得反射或全內反射 (“TIR”)使入射在襯底側壁上的光束反射朝向出射面并且以小于或等于臨界角的角度入 射在出射面上。因此，減少或消除在出射面處由于TIR而導致的光損失。在又一實施例中， 為了確保照在側壁上的光在襯底內反射并且不經過側壁，襯底的側壁或多個側壁還可以涂 敷有反射材料，其反射光以防止光通過側壁射出。在上面參考的2007年10月1日提交的 題為"LED SYSTEM AND METHOD” 的美國專利申請 No. 11/906，219 和 11/906，194 中描述了 用于使LED襯底和側壁成形的系統和方法的詳細的示例，為了所有的目的，將這兩個專利 申請完全地并入在本申請中。LED的發射材料可以被生長在許多襯底上。當今市場上幾乎所有的藍色和綠色 LED都使用GaN(氮化鎵)作為施加到藍寶石或碳化硅襯底的材料的第一層來構建。此外， 所施加的實際的層可以是變化的和復雜的，不僅包括GaN而且包括諸如InGaN、AlInGaP等 的化合物半導體材料。當前，大部分InGaN LED被生長在藍寶石襯底上。藍寶石的折射率 比發射材料(InGaN)的低得多，因此進入藍寶石襯底中的光子的數量極大地減少。在從高 折射率材料轉變到較低折射率材料中，TIR限制光的逃逸錐。逃逸錐角度是臨界角。可以 使用Snell定律來計算該臨界角。Snell定律(也稱為折射定律)是在涉及經過兩種不同的各向同性介質(諸如水 和玻璃)之間的邊界的光或其它波時用來描述入射角與折射角之間的關系的公式。Snell 定律陳述了入射角的正弦與折射角的正弦之比是取決于介質折射率的常數。圖1是光如何穿過LED結構100的不同介質的示意圖。在圖1的示例中，在氮化 鎵(GaN)與藍寶石之間存在第一邊界(界面101)并且在藍寶石與空氣之間存在第二邊界 (界面102)。藍寶石的低得多的折射率使得一些光子被俘獲在具有更高折射率的發射材料 中。在發射材料中俘獲的光的量與LED的光提取效率反(inversely)相關。被俘獲在GaN 材料中的光越多，LED的效率就越低。根據在本申請中公開的完全發射器層成形(CELS)處 理的實施例的使發射材料成形可以促進從GaN發出的光逸入藍寶石襯底中并且最終從藍 寶石到空氣。根據在本申請中公開的實施例，CELS處理可以通過使發射器材料成形而使任 何發光二極管的光提取效率最大化。由于GaN在本申請中被用作示例性發射材料，因此在 本申請中該處理也指的是GaN成形。假設空氣的折射率為1，藍寶石的折射率為1. 77而GaN的折射率為2. 5，則可以計 算GaN中的出射角
權利要求
一種使LED的發射器層成形的方法，包括確定微型發射器的出射區域(b)和發射器區域(a)，其中出射區域(b)具有第一幾何構型的出射面，并且其中發射器區域(a)具有第二幾何構型的量子阱區域；利用出射區域(b)和發射器區域(a)來確定微型發射器的最小高度(h)；根據第一幾何構型、第二幾何構型和最小高度(h)來從發射材料中去除物質或者生長發射材料，以便形成具有滿足最小高度(h)的一個或多個微型發射器的成形的部分；以及使微型發射器的側壁成形，其中每個側壁被設置并且成形為使得至少大部分具有從發射器區域到該側壁的直的傳輸路徑的光線反射到出射面，其中出射面處的入射角小于或等于出射面處的臨界角。
2.根據權利要求1所述的方法，其中從發射材料中去除物質還包括 使用具有第一幾何構型的第一掩模來使發射材料圖形化；根據最小高度(h)和第一幾何構型來刻蝕發射材料； 使用具有第二幾何構型的第二掩模來使發射材料圖形化；以及 根據第二幾何構型來刻蝕發射材料。
3.根據權利要求2所述的方法，其中第一掩模限定在發射器層中的刻蝕通道的最小 寬度，并且其中一個或多個微型發射器包括間隔開刻蝕通道的最小寬度的微型發射器的陣 列。
4.根據權利要求1所述的方法，其中發射材料包括氮化鎵(GaN)。
5.根據權利要求1所述的方法，其中根據第一幾何構型、第二幾何構型和最小高度(h) 來從發射材料中去除物質或者通過淀積生長發射材料還形成鄰接基底襯底的未成形的部 分。
6.根據權利要求5所述的方法，其中基底襯底包括氧化鋁(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
7.根據權利要求5所述的方法，還包括將抗反射涂層施加在基底襯底的表面上，其中 該表面作為與空氣的界面。
8.根據權利要求1所述的方法，其中第一幾何構型具有四個邊或六個邊。
9.根據權利要求1所述的方法，其中確定微型發射器的最小高度(h)還包括確定橫過 從微型發射器的發射器區域(a)到出射區域(b)的最長距離或近似最長距離的一個或多個 限制的光線。
10.一種由使LED的發射器層成形的方法制造的LED，所述方法包括確定微型發射器的出射區域(b)和發射器區域(a)，其中出射區域(b)具有第一幾何構 型的出射面，并且其中發射器區域(a)具有第二幾何構型的量子阱區域； 利用出射區域(b)和發射器區域(a)來確定微型發射器的最小高度(h)； 根據第一幾何構型、第二幾何構型和最小高度(h)來從發射材料中去除物質或者生長 發射材料，以便形成具有滿足最小高度(h)的一個或多個微型發射器的成形的部分；以及使微型發射器的側壁成形，其中每個側壁被設置并且成形為使得至少大部分具有從發 射器區域到該側壁的直的傳輸路徑的光線反射到出射面，其中出射面處的入射角小于或等 于出射面處的臨界角。
11.根據權利要求10所述的LED，其中發射器材料包括氮化鎵(GaN)。
12.根據權利要求10所述的LED，其中根據第一幾何構型、第二幾何構型和最小高度(h)來從發射材料中去除物質或者通過淀積生長發射材料還形成鄰接基底襯底的未成形的 部分。
13.根據權利要求12所述的LED，其中基底襯底包括氧化鋁(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
14.根據權利要求12所述的LED，其中該方法還包括將抗反射涂層施加在基底襯底的 表面上，其中該表面作為與空氣的界面。
15.根據權利要求10所述的LED，其中從發射材料中去除物質還包括使用具有第一幾何構型的第一掩模來使發射層圖形化；根據最小高度(h)和第一幾何構型來刻蝕發射層；使用具有第二幾何構型的第二掩模來使發射層圖形化；以及根據第二幾何構型來刻蝕發射材料。
16.根據權利要求15所述的LED，其中第一掩模限定在發射器層中的刻蝕通道的最小 寬度，并且其中一個或多個微型發射器包括間隔開刻蝕通道的最小寬度的微型發射器的陣 列。
17.根據權利要求10所述的LED，其中第一幾何構型具有四個邊或六個邊。
18.根據權利要求10所述的LED，其中確定微型發射器的最小高度(h)還包括確定橫 過從微型發射器的發射器區域(a)到出射區域(b)的最長距離或近似最長距離的一個或多 個限制的光線。
19.一種LED，包括基底襯底；以及在基底襯底的表面上的發射器層，其中該發射器層具有成形的部分，其中該成形的部 分包括出射區域(b)、發射器區域(a)、最小高度(h)和側壁，其中出射區域(b)具有第一幾 何構型的出射面，其中發射器區域(a)具有第二幾何構型的量子阱區域，其中最小高度(h) 利用出射區域(b)和發射器區域(a)來確定，其中側壁中的每一個被設置并且成形為使得 至少大部分具有從發射器區域到該側壁的直的傳輸路徑的光線反射到出射面，其中出射面 處的入射角小于或等于出射面處的臨界角。
20.根據權利要求19所述的LED，其中該發射器層還包括鄰接基底襯底的未成形的部分。
21.根據權利要求19所述的LED，其中發射器層包括氮化鎵(GaN)。
22.根據權利要求19所述的LED，其中基底襯底包括氧化鋁(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
23.根據權利要求19所述的LED，其中第一幾何構型和第二幾何構型包括不同尺寸的 方形、矩形或六邊形。
24.根據權利要求19所述的LED，其中發射器層包括發射器的陣列，每個發射器具有出 射區域(b)、發射器區域(a)、最小高度(h)和側壁。
25.根據權利要求19所述的LED，其中發射器層的成形的部分被成形為實現從LED提 取至少75%的光。
全文摘要
公開的LED的實施例具有發射器層，其被成形到相對于LED的襯底的受控的深度或高度，以便使LED的光輸出最大化并且實現期望的強度分布。在一些實施例中，LED的出射面可以被選擇為使輻射率守恒。在一些實施例中，使整個LED(包括襯底和側壁)成形或僅僅使襯底成形可以從發射器層提取100％或近似100％的在發射器層處產生的光。在一些實施例中，總效率為至少90％或以上。在一些實施例中，可以通過刻蝕、機械成形或各種成形方法的組合來使發射器層成形。在一些實施例中，只有發射器層的一部分被成形以形成微小的發射器。未成形的部分形成用于LED的連續的電連接。
文檔編號H01L33/20GK101939849SQ200980104041
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月6日 優先權日2008年2月8日
發明者D·T·杜翁, E·M·皮克爾英格, M·R·托馬斯, M·吉扎爾, P·N·溫博格 申請人:伊魯米特克有限公司