专利名称：用于发射器层成形的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及发光二极管(LED)器件，并且更具体地涉及用于使发射器 (emitter)材料成形以便使任何LED的光提取效率最大化的系统和方法。
背景技术：
发光二极管(“LED”)在电子设备中普遍存在。它们被用于数字显示器、照明系 统、计算机、电视、蜂窝式电话和各种其它设备中。LED技术的发展已经引起了用于使用一 个或多个LED产生白光的方法和系统。LED技术的发展已经引起了产生比先前更多的光子 且因此更多光的LED。这两个技术发展的顶点是LED正被用来补充或替代许多传统光源，例 如，白炽灯、荧光灯或卤素灯，就像晶体管替代计算机中的真空管一样。LED被制作为包括红色、绿色和蓝色在内的许多颜色。产生白光的一种方法包括相 互组合地使用红色、绿色和蓝色的LED。由红色、绿色和蓝色(RGB)LED的组合制成的光源将 产生被人眼感知为白光的光。这是因为人眼具有三种类型的颜色受体(rec印tor)，其中每 种类型对蓝色、绿色或红色敏感。由LED源产生白光的第二种方法是由单色(例如蓝色)、短波长LED产生光，并且 使该光的一部分撞击到荧光体或类似的光子转换材料上。荧光体吸收较高能量的、短波长 的光波，并且重新发射较低能量的、较长波长的光。如果荧光体被选择为发射例如黄色区域 (在绿色与红色之间)中的光，则人眼感知这种光为白光。这是因为黄光刺激眼睛中的红色 和绿色受体两者。诸如纳米颗粒或其它类似的光致发光材料的其它材料可以用来以大致相 同的方式产生白光。还可以利用紫外线(UV)LED和三种不同的RGB荧光体来产生白光。另外，可以由 蓝色LED和黄色LED产生白光，并且还可以利用蓝色、绿色、黄色和红色LED的组合来产生 白光。当前用于构造LED的工业实践是使用其上淀积有诸如GaN或InGaN的材料层的衬 底(典型地为单晶的蓝宝石或碳化硅)。一个或多个层(例如，GaN或InGaN)可以允许光子产生和电流传导。典型地，氮化镓(GaN)的第一层被施加到衬底的表面以形成从衬底的 晶体结构到允许光子产生或电流传导的掺杂层的晶体结构的过渡区域。其后典型地是GaN 的η掺杂层。下一层可以是InGaN、AlGaN、AlInGaN或产生光子并掺杂有产生期望波长的光 所需的材料的其它化合物半导体材料层。下一层典型地是GaN的P掺杂层。通过刻蚀和淀 积来进一步修改该结构，以便产生用于电连接到器件的金属部位(site)。在LED的操作期间，如在传统的二极管中一样，多余的电子从η型半导体移动到P 型半导体中的电子空穴。在LED中，在该过程期间在化合物半导体层中释放光子以便产生 光。在典型的制造过程中，以晶片(wafer)形式制造衬底并且层被施加到晶片的表 面。一旦层被掺杂或刻蚀并且已经使用提到的各种处理限定了所有特征，就将各个LED从 晶片分离。LED典型地为具有直边的方形或矩形。这可以导致显著的效率损失并且可以导 致所发射的光具有较差的发射图形。通常将诸如塑料穹顶(dome)的单独的光学装置放置 在LED之上，以便实现更期望的输出。在许多LED应用中，期望使对于给定功率输入的可见光输出最大化，量对于白光 通常用流明每瓦(lm/W)来表示，或者对于诸如蓝色的较短波长光用毫瓦每瓦(mW/W)来表 示。现有的LED技术可以努力增大该比例，该比例通常被称为“总效率”或“电光转换效率 (wall-plug efficiency)”。然而，现有LED技术仍然遭受较差的总效率和低的提取效率。
发明内容
在本申请中公开的完全发射器层成形(Complete Emitter Layer Shaping,CELS) 处理的实施例可以提供在通过使其发射器材料成形而使任何发光二极管的光提取效率最 大化方面的几何学的和光学的解决方案。在一些实施例中，该处理被称为GaN成形。在通常与光(包括紫外光、可见光和红外光)相关联的电磁谱方面陈述在本申请 中公开的实施例。在本申请中公开的原理可以被应用于所用的合适材料对于所关心的波长 为透明的电磁辐射的任何波长。如本领域技术人员能够明白的，在本申请中公开的发射器 层成形方法和系统可以类似地实现为适应宽的波长范围。所关心的波长范围的示例是兆兆 赫频率范围。LED的发射材料可以被生长在许多衬底上。当前，大部分InGaNLED被生长在蓝宝 石衬底上。蓝宝石的折射率比发射材料(InGaN)的低得多，因此进入蓝宝石衬底中的光子 的数量极大地减少。在使发射材料成形上，由GaN材料发射的所有光可以逸入蓝宝石衬底 中并且最终到空气中。当今市场上几乎所有的蓝色和绿色LED都使用GaN(氮化镓)作为施加到蓝宝石 或碳化硅衬底的材料的第一层来构造。此外，所施加的实际的层是变化的和复杂的，不仅包 括GaN而且包括诸如InGalAlInGaP等的化合物半导体材料。当今科学上的当前发展包括 使用除GaN之外的其它材料来用于LED层。在本申请中描述的技术应用于发光器件中的任 何和所有这种层。在本申请中使用的短语“完全发射器层成形”和“CELS”和“GaN成形”意 味着覆盖所有这种活动，而不管实际上是使GaN、其它一些材料或它们的组合成形。出于计 算和示例的目的，在整个本申请中GaN被用作发射材料。然而，本领域技术人员将明白，公 式和描述同样适用于其它材料集并且不限于在本申请中公开的示例。
传统的LED由于在其中产生光能的高折射率而遭受较差的光提取效率。在从高折 射率材料转变到较低折射率材料中，全内反射(TIR)限制光的逃逸锥(escape cone)。逃逸 锥角度是临界角。可以使用Snell定律来计算该临界角。在一个实施例中，LED的发射器层的一部分被成形到相对于LED衬底的受控的深 度或高度。在本申请中公开的实施例中，发射器层包括微型发射器(也被称为微型LED)的 阵列。在一些实施例中，微型LED中的每一个具有方形、矩形或六边形形状。在一些实施例 中，通过刻蚀使发射器层成形。在一个实施例中，衬底是蓝宝石。在一个实施例中，发射器 层材料与衬底连续接触。在一个实施例中，发射器层材料与衬底电接触。在一个实施例中， 发射器层材料形成与衬底的连续电连接或电平面(electrical plane)。在一些实施例中，只有发射器层的一部分被成形。在一些实施例中，LED的发射器 层包括成形的部分和未成形的部分或区域。在一些实施例中，发射器层的成形的部分具有 受控的深度或高度，并且发射器层的未成形的部分或区域形成电平面或通常连续的电连接 并且通常与衬底连续接触。在一些实施例中，发射器层的未成形的部分可以在边缘处耦接 到电源。在一些实施例中，发射器层的一个或多个成形的部分可以耦接到电源。在一个实施例中，限制的光线可以在发射器层的成形的部分中横过(traverse) 最长的距离或近似最长的距离。在一些实施例中，限制的光线可以被选择为通常终止在发 射器层的成形的部分的相对于衬底的深度或高度处。在一些实施例中，可以基于在发射器 层的成形的部分中横过最长的距离或近似最长的距离的一个或多个限制的光线来使发射 器层材料成形。在一些实施例中，LED的侧壁还可以被成形为使用全内反射使LED的光输出最大 化并且实现期望的强度分布。在一些实施例中，LED的出射面可以被选择为使辐射率守恒。在一些实施例中，基于以下约束来凭经验确定LED的侧壁形状 从发射器发出的照在侧壁上的所有光线应该以大于或等于临界角的角度照在 侧壁上 反射离开侧壁的所有光线应该反射朝向出射表面并且在出射表面处的入射角 必须小于临界角。在一些实施例中，对于侧壁形状的准则可以进一步包括在出射面处光强度的均勻 性或无限处的高斯分布、或两者、或其它条件集。以这种方式，侧壁可以被成形为确保将所 发射的光以期望的强度或角度导向衬底。在一些实施例中，可以基于诸如衬底折射率的衬 底特性、发射器材料或其它材料的特性来确定期望的强度或角度。在本申请中公开的实施例提供许多优点。例如，使整个LED(包括衬底)成形或 仅仅使衬底成形可以实现从发射器层提取在发射器层处产生的光的100%或者近似或通常 100%。在一些实施例中，通过如在本申请中公开的使发射器材料成形，发光二极管可以实 现至少大约90%及以上的光提取效率。由在本申请中公开的实施例提供的另一个优点是能够使微小的发射器(也被称 为微型LED)的大阵列成形来制作单个LED。例如，在一些实施例中，LED的发射器层可以包 括一个微型LED或者几个微型LED到几百万个微型LED的阵列。由在本申请中公开的实施例提供的又一个优点在于，由于有微小的发射器(微型 LED)，需要在使发射器层成形中被去除的发光材料的总体积也可以被减少。另外，对于在本
6申请中公开的实施例，很少或没有衬底材料需要被去除，这可以加速LED的制作并且降低 制作LED的成本，因为诸如在蓝宝石的情况下去除衬底材料会很难和/或成本很高。在本申请中公开的实施例可以提供关于安装、热耗散和照明(illumination)均 勻性的附加优点。例如，每个微型LED的发射基底(base)可以直接接合到为微型LED提供 电力并且还为微型LED提供散热路径的基座(submoimt)。该构造可以提供出色的热散布 (heat spreading)。由于发射器被彼此远离地散布，因此还可以减少热密度。作为另一个 示例，每个微型LED的逃逸角(escape angle)结合每个微型LED的非常小的尺寸可以允许 来自于一个微型LED的出射光线在光仍然被包含在衬底的厚度内时与大量相邻微型LED的 出射光线重叠。当光到达衬底的出射面时，来自于许多微型LED的光被平均，产生非常均勻 的光输出分布图(profile)。总之，在本申请中公开的实施例可以提供在以下领域中的技术优点1.电流扩展(current spreading)2.散热3.发射的均勻性4.活性区(P层)相对于非活性区(N层)接触部的增大的百分比5.更高的外部量子效率6.由于提取效率更高而对于每流明产生更低的热量7.真实(true)亮度守恒在结合以下描述和附图考虑时将更好理解和明白在本申请中公开的实施例的其 它目的和优点。
伴随且形成为本说明书的一部分的附图被包括来描述公开内容的某些方面。通过 参考在附图中示出的示例性的、因此非限制性的实施例，本公开内容的更清楚的印象将变 得更容易明白。只要可能，将在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的特征 (元件)。附图不一定按比例绘制。图1是全内反射(TIR)如何可以限制光的逃逸锥从而导致低的光提取效率的一个 示例的示意图。图2A和2B示出包括具有成形侧壁的成形衬底的方形发射器的一个实施例的示意 图的各种视图。图3是具有成形侧壁的成形衬底的示例性实体模型的侧视图。图4示出通过图3的实体模型的光线迹线的一个示例，示出了从成形的侧壁反射 到出射表面的光线。图5是在光线跟踪程序中创建的方形发射器的实体模型的屏幕截图，示出在出射 检测器平面处的近场分布。图6是图5的实体模型的屏幕截图，示出在出射检测器平面之后的远场分布。图7A-7D示出六边形发射器的一个实施例的示意图的各种视图。图8是通过使LED的发射器层成形而制作的六边形发射器的一个实施例的示意 图。
图9是具有包括发射器层在内的多个层的LED的一个实施例的示意图。图10和11是六边形发射器的实体模型的屏幕截图，示出了近场分布和远场分布。图12是包括衬底、发射器层和N-接触层的LED的一个实施例的示意图。图13是包括衬底和发射器层的LED的一个实施例的示意图，该发射器层具有形成 于发射器层的成形的部分中的六边形发射器的阵列。图14是多步台面刻蚀过程的一个实施例的示意图。图15是包括以具有弯曲的侧壁的六边形几何构型(geometrical configuration)的微型LED的阵列的LED的一个实施例的示意图。图16是包括以具有成角度的侧壁的六边形几何构型的微型LED的阵列的LED的 一个实施例的示意图。图17是包括以具有直的侧壁的六边形几何构型的微型LED的阵列的LED的一个 实施例的示意图。
具体实施例方式参考在附图中所示出的且在下面的描述中详述的示例性的因此非限制性的实施 例，更完全地说明公开内容和各种特征及其有利的细节。可以省略已知的起始材料和处理 的描述，从而不会不必要地模糊在此详细公开的内容。然而，应当理解，详细的描述和特定 的示例，虽然表示优选实施例，但是其仅作为示例而给出并且不是限制性的。根据该公开内 容，对于本领域技术人员而言，在下面的发明构思的精神和/或范围内的各种置换、修改、 添加和/或重排将变得清晰。本文中使用的术语“包括”、“包含”、“含有”、“有”、“具有”、“带有”或其任何其它变 体意图覆盖非排它性的包括。例如，包括一列要素的处理、产品、物品或设备不一定仅限于 那些要素而是可以包括没有明确列出的或为这种处理、产品、物品或设备所固有的其它要 素。此外，除非明确地相反陈述，“或”指的是包含性的或(inclusive or)而不是排除性的 或(exclusive or)。例如，以下中的任何一种都满足情形A或B :A为真(或存在)而B为 假(或不存在)，A为假(或不存在)而B为真(或存在)，以及A和B都为真(或存在)。另外，在本申请中给出的任何实例或示例不应以任何方式被当作对它们中使用的 任何术语或多个术语的限定、限制、或者明确定义。相反，这些实例或示例要被认为是关于 一个特定实施例而描述的并且仅作为示例性的。本领域技术人员将明白这些实例或示例中 使用的任何术语或多个术语包括其它实施例、以及可能或可能不随其或在说明书中其它地 方给出的实现方式及其改编，并且所有这种实施例意图被包括在该术语或多个术语的范围 内。指定这种非限制性实例和示例的语言包括但不限于“例如”、“比如”、“诸如”、“在一个 实施例中”等等。现在详细地参考本公开内容的示例性实施例，其示例在附图中示出。只要可能，将 在所有附图中使用相似的附图标记来指各个附图的相似的和对应的部件(元件)。在本申请中公开的实施例中，LED可以以各种方式被成形以便增大或操纵从LED 发射的光。在一个实施例中，衬底被成形为使得通过LED的量子阱区域产生的光的所有或 极大多数透射出LED的衬底的出射面。为此，出射面可以被调整大小以便考虑辐射率守恒 的原理。在一个实施例中，出射面可以是允许通过量子阱区域与衬底之间的界面进入衬
8底的光的所有或极大多数射出出射面的最小尺寸，由此结合辐射率守恒的要求与减小尺 寸(特别是出射面的尺寸)的要求。另外，衬底的侧壁可以被成形为使得反射或全内反射 (“TIR”)使入射在衬底侧壁上的光束反射朝向出射面并且以小于或等于临界角的角度入 射在出射面上。因此，减少或消除在出射面处由于TIR而导致的光损失。在又一实施例中， 为了确保照在侧壁上的光在衬底内反射并且不经过侧壁，衬底的侧壁或多个侧壁还可以涂 敷有反射材料，其反射光以防止光通过侧壁射出。在上面参考的2007年10月1日提交的 题为"LED SYSTEM AND METHOD” 的美国专利申请 No. 11/906，219 和 11/906，194 中描述了 用于使LED衬底和侧壁成形的系统和方法的详细的示例，为了所有的目的，将这两个专利 申请完全地并入在本申请中。LED的发射材料可以被生长在许多衬底上。当今市场上几乎所有的蓝色和绿色 LED都使用GaN(氮化镓)作为施加到蓝宝石或碳化硅衬底的材料的第一层来构建。此外， 所施加的实际的层可以是变化的和复杂的，不仅包括GaN而且包括诸如InGaN、AlInGaP等 的化合物半导体材料。当前，大部分InGaN LED被生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石的折射率 比发射材料(InGaN)的低得多，因此进入蓝宝石衬底中的光子的数量极大地减少。在从高 折射率材料转变到较低折射率材料中，TIR限制光的逃逸锥。逃逸锥角度是临界角。可以 使用Snell定律来计算该临界角。Snell定律(也称为折射定律)是在涉及经过两种不同的各向同性介质(诸如水 和玻璃)之间的边界的光或其它波时用来描述入射角与折射角之间的关系的公式。Snell 定律陈述了入射角的正弦与折射角的正弦之比是取决于介质折射率的常数。图1是光如何穿过LED结构100的不同介质的示意图。在图1的示例中，在氮化 镓(GaN)与蓝宝石之间存在第一边界(界面101)并且在蓝宝石与空气之间存在第二边界 (界面102)。蓝宝石的低得多的折射率使得一些光子被俘获在具有更高折射率的发射材料 中。在发射材料中俘获的光的量与LED的光提取效率反(inversely)相关。被俘获在GaN 材料中的光越多，LED的效率就越低。根据在本申请中公开的完全发射器层成形(CELS)处 理的实施例的使发射材料成形可以促进从GaN发出的光逸入蓝宝石衬底中并且最终从蓝 宝石到空气。根据在本申请中公开的实施例，CELS处理可以通过使发射器材料成形而使任 何发光二极管的光提取效率最大化。由于GaN在本申请中被用作示例性发射材料，因此在 本申请中该处理也指的是GaN成形。假设空气的折射率为1，蓝宝石的折射率为1. 77而GaN的折射率为2. 5，则可以计 算GaN中的出射角
权利要求
一种使LED的发射器层成形的方法，包括确定微型发射器的出射区域(b)和发射器区域(a)，其中出射区域(b)具有第一几何构型的出射面，并且其中发射器区域(a)具有第二几何构型的量子阱区域；利用出射区域(b)和发射器区域(a)来确定微型发射器的最小高度(h)；根据第一几何构型、第二几何构型和最小高度(h)来从发射材料中去除物质或者生长发射材料，以便形成具有满足最小高度(h)的一个或多个微型发射器的成形的部分；以及使微型发射器的侧壁成形，其中每个侧壁被设置并且成形为使得至少大部分具有从发射器区域到该侧壁的直的传输路径的光线反射到出射面，其中出射面处的入射角小于或等于出射面处的临界角。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从发射材料中去除物质还包括 使用具有第一几何构型的第一掩模来使发射材料图形化；根据最小高度(h)和第一几何构型来刻蚀发射材料； 使用具有第二几何构型的第二掩模来使发射材料图形化；以及 根据第二几何构型来刻蚀发射材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中第一掩模限定在发射器层中的刻蚀通道的最小 宽度，并且其中一个或多个微型发射器包括间隔开刻蚀通道的最小宽度的微型发射器的阵 列。
4.根据权利要求1所述的方法，其中发射材料包括氮化镓(GaN)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中根据第一几何构型、第二几何构型和最小高度(h) 来从发射材料中去除物质或者通过淀积生长发射材料还形成邻接基底衬底的未成形的部 分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中基底衬底包括氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括将抗反射涂层施加在基底衬底的表面上，其中 该表面作为与空气的界面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中第一几何构型具有四个边或六个边。
9.根据权利要求1所述的方法，其中确定微型发射器的最小高度(h)还包括确定横过 从微型发射器的发射器区域(a)到出射区域(b)的最长距离或近似最长距离的一个或多个 限制的光线。
10.一种由使LED的发射器层成形的方法制造的LED，所述方法包括确定微型发射器的出射区域(b)和发射器区域(a)，其中出射区域(b)具有第一几何构 型的出射面，并且其中发射器区域(a)具有第二几何构型的量子阱区域； 利用出射区域(b)和发射器区域(a)来确定微型发射器的最小高度(h)； 根据第一几何构型、第二几何构型和最小高度(h)来从发射材料中去除物质或者生长 发射材料，以便形成具有满足最小高度(h)的一个或多个微型发射器的成形的部分；以及使微型发射器的侧壁成形，其中每个侧壁被设置并且成形为使得至少大部分具有从发 射器区域到该侧壁的直的传输路径的光线反射到出射面，其中出射面处的入射角小于或等 于出射面处的临界角。
11.根据权利要求10所述的LED，其中发射器材料包括氮化镓(GaN)。
12.根据权利要求10所述的LED，其中根据第一几何构型、第二几何构型和最小高度(h)来从发射材料中去除物质或者通过淀积生长发射材料还形成邻接基底衬底的未成形的 部分。
13.根据权利要求12所述的LED，其中基底衬底包括氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
14.根据权利要求12所述的LED，其中该方法还包括将抗反射涂层施加在基底衬底的 表面上，其中该表面作为与空气的界面。
15.根据权利要求10所述的LED，其中从发射材料中去除物质还包括使用具有第一几何构型的第一掩模来使发射层图形化；根据最小高度(h)和第一几何构型来刻蚀发射层；使用具有第二几何构型的第二掩模来使发射层图形化；以及根据第二几何构型来刻蚀发射材料。
16.根据权利要求15所述的LED，其中第一掩模限定在发射器层中的刻蚀通道的最小 宽度，并且其中一个或多个微型发射器包括间隔开刻蚀通道的最小宽度的微型发射器的阵 列。
17.根据权利要求10所述的LED，其中第一几何构型具有四个边或六个边。
18.根据权利要求10所述的LED，其中确定微型发射器的最小高度(h)还包括确定横 过从微型发射器的发射器区域(a)到出射区域(b)的最长距离或近似最长距离的一个或多 个限制的光线。
19.一种LED，包括基底衬底；以及在基底衬底的表面上的发射器层，其中该发射器层具有成形的部分，其中该成形的部 分包括出射区域(b)、发射器区域(a)、最小高度(h)和侧壁，其中出射区域(b)具有第一几 何构型的出射面，其中发射器区域(a)具有第二几何构型的量子阱区域，其中最小高度(h) 利用出射区域(b)和发射器区域(a)来确定，其中侧壁中的每一个被设置并且成形为使得 至少大部分具有从发射器区域到该侧壁的直的传输路径的光线反射到出射面，其中出射面 处的入射角小于或等于出射面处的临界角。
20.根据权利要求19所述的LED，其中该发射器层还包括邻接基底衬底的未成形的部分。
21.根据权利要求19所述的LED，其中发射器层包括氮化镓(GaN)。
22.根据权利要求19所述的LED，其中基底衬底包括氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
23.根据权利要求19所述的LED，其中第一几何构型和第二几何构型包括不同尺寸的 方形、矩形或六边形。
24.根据权利要求19所述的LED，其中发射器层包括发射器的阵列，每个发射器具有出 射区域(b)、发射器区域(a)、最小高度(h)和侧壁。
25.根据权利要求19所述的LED，其中发射器层的成形的部分被成形为实现从LED提 取至少75%的光。
全文摘要
公开的LED的实施例具有发射器层，其被成形到相对于LED的衬底的受控的深度或高度，以便使LED的光输出最大化并且实现期望的强度分布。在一些实施例中，LED的出射面可以被选择为使辐射率守恒。在一些实施例中，使整个LED(包括衬底和侧壁)成形或仅仅使衬底成形可以从发射器层提取100％或近似100％的在发射器层处产生的光。在一些实施例中，总效率为至少90％或以上。在一些实施例中，可以通过刻蚀、机械成形或各种成形方法的组合来使发射器层成形。在一些实施例中，只有发射器层的一部分被成形以形成微小的发射器。未成形的部分形成用于LED的连续的电连接。
文档编号H01L33/20GK101939849SQ200980104041
公开日2011年1月5日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月8日
发明者D·T·杜翁, E·M·皮克尔英格, M·R·托马斯, M·吉扎尔, P·N·温博格 申请人:伊鲁米特克有限公司