具有光学提取器的平面化发光二极管的制作方法

专利名称：具有光学提取器的平面化发光二极管的制作方法
具有光学提取器的平面化发光二极管
相关专利申请
本专利申请要求2006年11月17日提交的美国临时专利申请No. 60/866265的优先权，该专利的公开内容以引用方式全文并入本文。
背景技术：
本公开整体涉及高效发光制品以及形成该高效发光制品的方法。
发光二极管(LED)具有内在的潜能从而得到与常规光源竞争的 亮度、输出和可操作寿命。然而，因为仅在小范围角度内的光可以从 形成LED的高折射率半导体材料中逸出，所以这些器件的外部效率通 常不好。
可以通过将高折射率光学元件附接到半导体材料的表面来提高 LED的效率。高折射率光学元件可以增加光能够从半导体材料表面逸 出的角度范围。可以适合地成形光学元件，使得光有效地从LED中逸 出。然而，光学元件需要光学耦合到半导体材料的表面以进行有效的 光提取。在半导体材料表面上的电极会阻碍光学元件和半导体材料表 面的光学耦合。

发明内容
本公开整体涉及高效发光制品和形成该高效发光制品的方法。具 体地讲，本公开涉及发光制品，其具有与发光制品的表面共面的电极。 这些共面电极有利于发光制品的表面与光学元件或提取器的光学耦
在一个示例性实施方式中，公开了一种发光制品，并且该发光制
6品包括具有第一折射率值的n层或p层的发光二极管。具有等于或大
于第一折射率值的折射率值的平面化层设置在n层或p层上，并且图 案化电极设置在n层或p层上。具有光输入表面的提取器光学耦合到 平面化层。
在另一个示例性实施方式中，发光制品的阵列包括光学耦合到多 个提取器上的多个发光二极管。每个发光二极管具有具有第一折射率 值的n层或p层，具有等于或大于第一折射率值的折射率值并且设置 在n层或p层上的平面化层、以及设置在n层或p层上的图案化电极。 每个提取器具有光学耦合到对应的平面化层的光输入表面。
在另一个示例性实施方式中，形成发光制品的方法包括提供发光 二极管，其具有具有第一折射率值的n层或p层、具有等于或大于第 一折射率值的折射率值并且设置在n层或p层上的平面化层，并且方 法包括将提取器的光输入表面光学耦合到平面化层。图案化电极设置 在n层或p层上。
在另外的示例性实施方式中，形成发光制品阵列的方法包括提供 阵列发光二极管，其中每个发光二极管包括具有第一折射率值的n层 或p层、具有等于或大于第一折射率值的折射率值并且设置在n层或p
层上的平面化层，并且方法包括将提取器光输入表面阵列光学耦合到 发光二极管的平面化表面阵列。图案化电极设置在n层或p层上。
通过下列详细说明以及附图，根据本公开的方法和制品的这些方 面和其他方面对于本领域的普通技术人员来说将变得显而易见。


结合附图考虑本公开各个实施例的以下具体实施方式
可以更完全 地理解本公开，其中
图1为示例性发光制品的示意性侧视截面7图2A-2C为示例性的电极图案；
图3为发光制品的示例性阵列的示意性侧视截面图； 图4为示出制造发光制品中的步骤的框图；并且
图5A-5C为根据图4中示出的步骤制造的发光制品的示意性侧视
截面图。
虽然本公开可具有多种修改形式和替代形式，但其具体形式己经 在附图中以举例的方式示出，并且将进行详细的描述。然而应当理解，
其目的不是将本公开限制于所描述的具体实施例。相反，其目的在于 涵盖属于本公开的精神和范围之内的所有修改形式、等同形式和替代 形式。附图中多种元件的尺寸是近似的，并可能不符合比例。
具体实施例方式
本公开整体涉及高效发光制品以及形成该高效发光制品的方法。 具体地讲，本公开涉及发光制品，其具有与发光晶粒或发光二极管的 表面共面的电极。这些共面电极有利于发光晶粒或发光二极管的表面 与光学元件或提取器的光学耦合。在多个实施例中，电极为在发光晶 粒或发光二极管的平面化层中的图案化电极，从而得到在整个发光晶 粒或发光二极管的表面上的均匀电流。这种图案化电极允许发光晶粒 或发光二极管的大部分表面无阻挡。
除非另外指明，否则在所有情况下，在说明书和权利要求书中使 用的表述特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应被理解为在所有情 况下均由术语"约"来修饰。因此，除非有相反的说明，否则上述说 明书和所附权利要求书中提出的数值参数均为近似值，并且能够随本 领域技术人员利用本文所公开的教导内容得到的所需特性的不同而有 所不同。
由端点表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数字(例如，1
至5包括1、 1.5、 2、 2.75、 3、 3.80、 4和5)以及该范围内的任何范
8围。
除非所述内容明确指出，否则本说明书和所附权利要求中使用的 单数形式"一"、"一个"和"所述"涵盖了具有多个指代物的具体 情况。除非所述内容明确指出，否则本说明书和所附权利要求中使用 的术语"或"的含义通常包括"和/或"。
图1为示例性发光制品100的示意侧视截面图。发光制品100包 括光学耦合到光学元件或提取器140的发光晶粒或发光二极管110。提
取器140包括光学耦合到发光晶粒或发光二极管110的发光表面111 的光输入表面141。光输入表面141和发光表面111之间的界面为发光 界面145。图案化的电极130连接到不在发光界面145内部的一个或多 个粘合片135。
当由两表面(141和111)之间的距离限定的最小间隙不大于倏逝 波时，认为提取器MO光学耦合到发光表面111。在多个实施例中，间 隙为具有小于100nm、或50nm、或25nm厚度的气隙。另外，间隙在 发光表面111和光输入表面141 (即，发光界面145)之间的接触区域 上基本上是均匀的，并且发光表面111和光输入表面141都具有小于 20nm，或小于10nm，或小于5nm的粗糙度。就有限的间隙而言，可 以通过在发光表面111和光输入表面141之间加入光导层实现或增大 光学耦合。在一些实施例中，光导层可以为将发光表面in粘合到光 输入表面141的光导粘合层。光导粘合层可以为透射光的任何合适的 粘合剂，例如包括透明粘合剂层、无机薄膜、熔融玻璃粉或其它类似 粘合剂。例如，在美国专利公开No. 2002/0030194中描述了粘合构造 的另外实例。在其他实施例中，提取器光学耦合到非粘合构造的发光 表面，如在美国2006/0091784中描述的。光导层可以包括折射率匹配 油以及具有类似光学特性的其它液体或凝胶。
发光晶粒或发光二极管110可以包括多个层或层的叠堆。叠堆包
9括半导体层和能够发光的活性区域。发光晶粒或发光二极管110包括n 型导电性的第一半导体层113(n层)和p型导电性的第二半导体层112 (p层)。半导体层113和112电连接到活性区域114。例如，活性区 域114为与层113和U2的界面相连的pn结。作为另外一种选择，活 性区域或pn结114包括掺杂n型或p型或未掺杂的一个或多个半导体 层。活性区域或pn结114也可以包括量子阱。第一触点或电极(p电 极)130和第二触点或电极(n电极)120分别电连接到半导体层112 和113。 一旦在电极130和120上施加合适的电压，活性区域或pn结 114就发射光。在可选的实施方式中，层113和112的导电类型颠倒。 也就是说，层113为p型层，电极120为p电极，层112为n型层， 并且电极130为n电极。在另一个可选的实施方式中，用于n电极和p 电极两者的粘合片可以从半导体层的叠堆的发光侧接触。叠堆也可以 包括缓冲层、熔覆层、粘合层、导电或非导电基底，例如在本领域中 已知的。
半导体层113和112以及活性区域或np结114由m-V族半导体 (包括(但不限于)A1N、 A1P、 AlAs、 AlSb、 GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 InN、 InP、 InAs、 InSb) 、 II-VI族半导体(包括(但不限于)ZnS、 ZnSe、 CdSe、 CdTe) 、 IV族半导体(包括(但不限于)Ge、 Si、 SiC)以及 其混合物或合金形成。这些半导体在发光制品(其中存在这些半导体) 的典型发射波长处具有约2.4至约4.1范围内的折射率。例如，III-氮化 半导体(例如GaN)在500nm具有约2.4的折射率，并且III-磷化半导 体(例如InGaP)在600nm具有约3.6至约3.7的折射率。
在一个实施方式中，电极130和120为金属触点，该金属触点由 一个或多个金属层形成，金属包括(但不限于)金、银、镍、铝、钛、 铬、钼、钯、铑、铼、钌、钨以及其混合物或合金。在另一个实施方 式中，电极130和120的一个或两个由透明导体形成，例如由Song等 人在"Formation of low resistance and transparent ohmic contacts to p-type GaN using. Ni-Mg solid solution, " Applied Physics Letters, 83:(17) :3513-3515 (2003)("使用Ni-Mg固态溶液对于p型GaN形 成低电阻和透明欧姆触点"，应用物理快报，第17巻83期3513-3515 页，2003年)中描述的例如氧化铟锡、氧化锌以及氧化的金属合金。
在提取器140 (下面描述)和np结114之间并且在半导体层112 表面116上设置的电极130为图案化电极。平面化层160设置在半导 体层112表面116上并且形成带有图案化电极130的共面的发光表面 111。图案化电极130的至少一部分延伸超出发光界面145或在发光界 面外部，以允许与电源(未示出)电耦合。因此，在图1中的图案化 电极130从页面延伸出来而超过发光界面145。
在发光表面Ul和半导体层112内部，图案化电极130可以具有 任何可用的构造。图案化电极130向np结114提供大致均匀的电流分 布，同时允许大部分的发光表面111不被通常不透明的电极阻挡。图 案化电极130可以由任何可用图案限定。在美国6,307,218中描述了常 规的电极设计规则和几种可用的电极图案。图案化电极130还可以用 作线栅偏振器，如在共同未决的专利申请US2006/0091412中描述的。 在可供选择的实施例中，图案化电极130可以包括周期或准周期微结 构，使得在半导体层和金属图案化电极之间的界面处支承的表面等离 子激元模式基本上分散为从半导体层的平面传播的光，如在美国专利 公开No. 2005/0269578中描述的。例如图案化电极可以包括方形或三 角形晶格的孔，如在美国2006/0226429中描述的。
图案化电极130电连接到一个或多个当提取器光学耦合到发光表 面时仍然暴露的粘合片135。粘合片135通常比图案化电极厚并且适用 于引线结合，如球结合或楔结合，或适用于焊接，以用于与导电介质 附接。制造约束一般决定结合片135的尺寸为约0.075X 10^至0.2X 10-3cm2。
图2A-2C为在图1中示出的发光制品的俯视图并且示出若干可用的电极图案，例如包括螺旋和交叉指型(interdigitated)图案。在 US6,307,218中描述了一般电极设计规则以及另外的可用的电极图案。 这些视图还示出图案化电极130的一部分延伸超出发光界面145。
平面化层160可以由可以在图案化电极130周围设置并且具有等 于或大于半导体层112折射率的折射率的任何可用材料形成。 一般来 讲，对于由LED发射的光，平面化层比图案化电极基本上更透明。平
面化层可以为导电或非导电的。可用的材料的部分列表包括，例如m-v
族半导体，包括(但不限于)GaP、 InGaP、 GaAs和GaN; II-VI族半 导{本，包括(丫旦不限于)ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe禾口 CdTe; IV 族半导体和化合物，包括(但不限于)Si、 SiC和Ge;有机半导体、 金属和稀土氧化物，包括(但不限于)氧化钨、氧化碲、氧化铅、二 氧化钛、氧化镍、氧化锆、氧化锡铟、氧化铬、三氧化二锑、氧化铋、 氧化镓、氧化锗、氧化钼、氧化镉、氧化钴、氧化铈、氧化铟、氧化 钕；卤氧化物例如氯氧化铋；金属氟化物，包括(但不限于)氟化镁 和氟化钙；金属，包括(但不限于)Zn、In、Mg和Sn;钇铝石榴石(YAG)、 磷化合物、砷化合物、锑化合物、氮化合物、高折射率有机化合物； 以及它们的混合物或合金。
平面化层160可以由常规的沉积技术，例如旋涂、溅射、蒸镀、 化学气相沉积或作为材料生长的一部分通过例如金属有机化学气相沉 积、蒸汽相外延、液相外延或分子束外延形成。
提取器140为透明的并且优选的具有高折射率的光学元件。提取 器的适用材料例如包括无机材料，例如高折射率玻璃(如可得自美国 纽约艾姆斯佛德市肖特北美公司(Schott North America, Inc., Elmsford， NY)商品名为LASF35的LASF35型肖特玻璃)和陶瓷粉(如蓝宝石、 氧化锌、氧化锆、金刚石和碳化硅)。蓝宝石、氧化锌、金刚石和碳 化硅尤其是有用的，因为这些材料另外具有相当高的热导率 (0.2-5.0W/cmK)。其他优选的玻璃包括新型铝酸盐和钛酸盐玻璃，例如在美国专利公开No. 11/381,518 (Leatherdale等人)，名称为LED EXTRACTOR COMPOSED OF HIGH INDEX GLASS (由高折射率玻璃 构成的LED提取器)中描述的那些。还可以想到高折射率聚合物或纳 米颗粒填充聚合物。合适的聚合物可以为热固性或热塑性的。热塑性 聚合物可以例如包括聚碳酸酯和环状烯烃聚合物。热固性聚合物可以 例如包括丙烯酸树脂、环氧树脂、硅树脂等。合适的纳米级微粒包括 氧化锆、二氧化钛、氧化锌和硫化锌。
提取器140示为具有发散形式；然而，提取器140可以具有任何 可用的形状，例如发散、会聚(如锥形)或其他光偏转形状，例如透 镜。如在美国专利公开No. 11/381,324 (Leatherdale等人)，名称为LED PACKAGE WITH CONVERGING OPTICAL ELEMENT (具有会聚光学 元件的LED组件)中描述了会聚提取器。会聚提取器具有至少一个汇 聚侧边、基部和顶端，并且顶端至少部分地设置在基部上并且具有小 于基部表面积的表面积，并且至少一个会聚侧边从基部向顶端会聚。 会聚提取器的形状可以为锥形、多面的、类似楔形、类似锥形等，或 它们的某种组合。基部可以具有任何形状(如方形、圆形、对称、非 对称、规则或不规则)。顶端可以为点、线或平的或圆形表面，并且 其位于基部上，或保持居中或从基部的中心偏移。对于会聚提取器， 基部通常邻近LED晶粒设置并且一般与LED晶粒平行。另外，基部和 LED晶粒可以在尺寸上基本匹配，或基部可以小于或大于LED晶粒。 如在美国专利公开No. 2006/0091784，名称为LED PACKAGE WITH NON-BONDED OPTICAL ELEMENT (具有非粘合光学元件的LED组 件)中描述了发散提取器。发散提取器具有至少一个发散侧边、输入 表面以及大于输入表面的输出表面。发散提取器一般以锥形的形式成 形。就会聚提取器来说，发散提取器的输入表面通常紧邻LED晶粒设 置并且一般平行于LED晶粒。另外，输入表面和LED晶粒可以在尺寸 上基本匹配，或输入表面可以小于或大于LED晶粒。在美国专利No. 7，009，213 B2和US6，679,621 B2中描述了发散提取器的其他实例。提取器140的折射率(n。)优选地类似于发光表面111的折射率 (ne)。在一些实施例中，两者之间的差值不大于0.2 (|n。-ne|《0.2)。 在一些实施例中，提取器140的折射率(n。)等于发光表面111的折射 率(ne)。
虽然附图示出具体的发光制品结构，但是本公开与发光制品100 中的半导体层的结构和数目无关，并且与活性区域或n-p结114的详细 结构无关。另外，发光制品100可以包括例如透明基底和未在图1中 示出的覆盖层。此外，在多张图中示出的发光制品100的多种元件的 尺寸未按比例绘制。
图3为发光制品200的示例性阵列的示意侧视截面图。发光制品 200的阵列包括多个发光晶粒或发光二极管210，其光学耦合到形成阵 列并通过阵列层250彼此连接的多个光学元件或提取器240。术语"阵 列"是指多个接合的或互连的制品。
如图3所示，发光晶粒或发光二极管210的阵列通过通用基底(例 如半导体晶片)连接。提取器240的阵列通过通用基底(例如基底层 250)连接。通过光学耦合晶粒210的阵列与提取器240的阵列形成多 个发光制品200，提供了许多益处，例如容易地制造大量发光制品200。
多个提取器240每一个包括光学耦合到对应发光晶粒或发光二极 管210的发光表面211的光输入表面241。光输入表面241和对应发光 表面211之间的每个界面为发光界面245。
每个发光晶粒或发光二极管210包括多个层或层的叠堆。该叠堆 包括半导体层和能够发光的活性区域。每个发光晶粒或发光二极管210 包括第一半导体层213(如上所述)以及第二半导体层212(如上所述)。 半导体层213和212电连接到活性区域214或pn结214，如上所述。 第一触点或电极230和第二触点或电极220分别电连接到半导体层212和213。粘合片235在没有被提取器240覆盖的发光表面211的区域中 与图案化电极230电接触。
在半导体层212表面216上并且在提取器240 (下面描述)和n-p 结214之间设置的电极230为图案化电极，如上所述。平面化层260 设置在半导体层212表面216上并且与图案化电极230形成共面发光 表面211，如上所述。
图5A-5C为根据图4中示出的步骤制备的发光制品的示意侧视截 面图。图4的步骤310以及对应的图5A示出在半导体层112表面116 上形成图案化电极130。图案化电极130从表面116凸起并且限定多个 空隙131。相对于图1在上面描述了发光晶粒或发光二极管110元件。
图案化电极130可以由任何可用的如下方法来形成，例如光刻法 或纳米压印光刻法，随后例如化学金属沉积、物理气相沉积、化学气 相沉积、金属电镀以及它们的组合。图案化电极130可以通过一个或 多个金属层形成。在一个实施例中，用于III-氮化装置的图案化电极对 于n层半导体可以包括铝，下面为钛并且对于p层包括金，下面为铝， 铝下面为钯。
图4的步骤320以及对应的图5B示出在半导体层112表面116 上设置平面化层填充由图案化电极130限定的空隙131。图示实施例示 出图案化电极130和发光表面111形成共面的表面，其中图案化电极 130基本上设置在半导体层112内部和发光表面111下面。
一旦空隙131用平面化材料填充，发光表面lll (平面化层160) 和/或图案化电极130就可以通过任何一种或多种技术的组合平面化。 这些技术例如包括化学机械抛光、研磨桨液抛光以及固结磨料抛光。 这些技术提供平面化层160发光表面111和/或具有小于20nm粗糙度 的图案化电极130，如上所述。
15图4的步骤330和对应的图5C示出将提取器140的光输入表面 145光学耦合到平面化层160发光表面111。光学耦合可以以任何可用 的方式实现，如上所述。
通过以晶片形式提供多个发光晶粒或发光二极管210、在晶粒210 上形成多个图案化电极、在晶粒上设置平面化材料、填充由图案化电 极限定的空隙以形成图案化电极230，并且平面化多个平面化层260发 光表面211以及将提取器240的阵列光学耦合到晶粒210的阵列(如 上述描述)，发光制品200的阵列可以如上述描述形成单一发光制品 100。发光制品200的阵列可以任选地沿着区域201由任何可用的方法 (例如，研磨锯、激光划片和湿法蚀刻或干法蚀刻)单片化(singulated)。
讨论了本公开涉及的示例性实施例，并涉及到了本公开范围内可 能的变型。在不偏离本公开范围的前提下，对于本领域的技术人员来 说，本公开的上述和其他变化和修改形式将是显而易见的，而且应当 理解，本公开不局限于本文阐述的示例性实施例。因此，本公开仅受 下面所附权利要求书的限制。
权利要求
1. 一种发光制品，包括发光二极管，所述发光二极管包括具有第一折射率值的n层或p层、具有等于或大于所述第一折射率值的折射率值并且设置在所述n层或p层上的平面化层、以及设置在所述n层或p层上的图案化电极；以及具有光输入表面的提取器，所述光输入表面光学耦合到所述平面化层形成发光界面。
2. 根据权利要求1所述的发光制品，其中所述平面化层和所述 图案化电极形成共面表面。
3. 根据权利要求1至2中任一项所述的发光制品，其中所述平 面化层具有小于20nm的表面粗糙度。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的发光制品，其中所述图 案化电极具有交叉指型图案或螺旋图案。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的发光制品，其中所述图 案化电极的至少一部分延伸超出所述发光界面。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的发光制品，还包括由所 述平面化层和所述提取器之间的距离限定的间隙，所述间隙小于 100nm。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的发光制品，还包括光导 粘合层，该光导粘合层将所述平面化层粘合到所述提取器。
8. —种形成发光制品的方法，包括提供发光二极管，所述发光二极管包括具有第一折射率值的n层 或p层、具有等于或大于所述第一折射率值的折射率值并且设置在所述n层或p层上的平面化层、以及设置在所述n层或p层上的图案化 电极；以及将提取器的光输入表面光学耦合到所述平面化层。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中提供所述发光二极管还包 括在所述n层或p层上形成所述图案化电极，其中所述图案化电极限 定多个空隙。
10. 根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中提供所述发 光二极管还包括-将所述平面化层设置在所述空隙内以形成填充的图案化电极；以及平面化所述填充的图案化电极以形成平面化层和图案化电极的共 面表面。
11. 根据权利要求8至IO中任一项所述的方法，其中所述平面化 步骤形成具有小于20nm的表面粗糙度的共面表面。
12. 根据权利要求8至11中任一项所述的方法，还包括将提取器 的光输入表面光学耦合到所述平面化层和图案化电极的共面表面。
13. 根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中所述光学耦 合步骤包括用光导粘合层将所述光输入表面粘合到所述平面化层和图 案化电极的共面表面。
14. 一种发光制品阵列，包括多个发光二极管，每个发光二极管包括具有第一折射率值的n层 或p层、具有等于或大于所述第一折射率值的折射率值并且设置在所的平面化层、以及设置在所述n层或p层上的图案化 电极；以及多个提取器，每个提取器具有光学耦合到对应的平面化层的光输 入表面。
15. 根据权利要求14所述的发光制品阵列，其中至少选择的平面 化层和图案化电极形成共面表面。
16. —种形成发光制品阵列的方法，包括.-提供发光二极管阵列，其中每个发光二极管包括具有第一折射率 值的n层或p层、具有等于或大于所述第一折射率值的折射率值并且 设置在所述n层或p层上的平面化层、以及设置在所述n层或p层上 的图案化电极；以及将提取器光输入表面阵列光学耦合到所述发光二极管的平面化表 面阵列。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中提供所述发光二极管阵列 还包括在每个n层或p层上形成所述图案化电极，其中每个图案化电 极限定多个空隙。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中提供所述发光二极管阵列 还包括将所述平面化层设置在所述空隙内以形成多个填充的图案化电 极；以及平面化每个填充的图案化电极以形成平面化层和图案化电极的共 面表面。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述平面化步骤形成多个 具有小于20nm的表面粗糙度的共面表面。
20. 根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中所述提供步骤还包括以晶片形式提供发光二极管阵列。
21. 根据权利要求18所述的方法，还包括单片化所述发光制品阵 列以形成多个发光制品。
22. 根据权利要求18所述的方法，其中所述光学耦合步骤包括用 光导粘合层将所述发光二极管阵列粘合到所述提取器光输入表面阵 列。
全文摘要
本发明公开了一种发光制品(100)，所述发光制品包括具有第一折射率值的n层或p层(112)的发光二极管(110)。具有等于或大于所述第一折射率值的折射率值的平面化层(160)设置在n层或p层上，并且图案化电极(130)设置在所述n层或p层上。具有光输入表面(141)的提取器(140)光学耦合到所述平面化层。
文档编号H01L33/44GK101536201SQ200780042779
公开日2009年9月16日 申请日期2007年11月15日 优先权日2006年11月17日
发明者凯瑟琳·A·莱瑟达勒, 安德鲁·J·乌德科克 申请人:3M创新有限公司