高效发光制品以及形成该高效发光制品的方法

专利名称：高效发光制品以及形成该高效发光制品的方法
高效发光制品以及形成该高效发光制品的方法 相关专利申请
本申请要求2006年11月17日提交的美国临时专利申请No. 60/866261的优先权，该专利的公开内容以引用的方式全文并入本文。
背景技术：
本发明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)具有提供与常规光源形成竞争的亮度、输出 和使用寿命的内在潜能。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。可以合适地成形光学元件，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
本发明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，本发明涉及具有电极的发光制品，所述电极至少部分地设
置在发光制品表面内。这些电极有利于发光制品表面与光学元件或提 取器的光学耦合。
在一个示例性具体实施方式
中，发光制品包括具有pn结的发光二极管、发光表面和图案化电极。具有光输入表面的提取器光学耦合到 发光表面，形成发光界面。电极至少部分地设置发光表面内以及pn结 和提取器之间。
在另一个示例性具体实施方式
中，发光制品阵列包括光学耦合到
多个提取器的多个发光二极管。每个发光二极管包括一个pn结、 一个
发光表面和一个图案化电极。每个提取器具有一个光学耦合到对应的 发光表面的光输入表面。至少选定的图案化电极被至少部分地设置在
对应的发光表面内以及对应的pn结和对应的提取器之间。
在进一步示例性具体实施方式
中，形成发光制品的方法包括提供 具有pn结、发光表面和图案化电极的发光二极管，所述图案化电极至 少部分地设置在发光表面内,并将提取器光输入表面光学耦合发光表 面。图案化电极至少部分地设置在pn结和提取器之间。
在进一步示例性具体实施方式
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一个pn结、 一个发光 表面和一个图案化电极，所述图案化电极至少部分地设置在发光表面 内,并将提取器光输入表面阵列光学耦合到发光二极管阵列。至少选定 的图案化电极被至少部分地设置在对应的pn结和对应的提取器之间。
通过下列详细说明以及附图，根据本发明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。


结合附图考虑本发明各个实施例的以下具体实施方式
可能会更完 全地理解本发明，其中
图1为示例性发光制品的示意性侧视截面图； 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步骤的框图5A-5C为根据图4中所示步骤制备的发光制品的示意性侧视截 面图；以及
图6为另一个示例性发光制品的示意性侧视截面图。
虽然本发明可具有多种修改形式和替代形式，但其具体形式已经 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，
其目的不是将本发明限制于所描述的具体实施例。相反，其目的在于 涵盖属于本发明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
本发明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，本发明涉及具有电极的发光制品，所述电极至少部分地设 置在发光晶粒或发光二极管表面内。这些电极有利于发光晶粒或发光 二极管表面与光学元件或提取器的光学耦合。在多个实施例中，发光 晶粒或发光二极管的表面中的电极为图案化电极，从而在整个发光晶 粒或发光二极管的表面得到均匀的电流。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 围。
7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的示意性侧视截面图。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。图案化电极130被连接到不在发光界面145内的一个或多 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140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。在有限的间隙的情况下， 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111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、熔融玻璃粉或其他类 似粘合剂。粘合构造的另外实例例如在美国专利公布No. 2002/0030194 中有所描述，它以与本发明不冲突的程度并入本文中。在其他实施例 中，提取器140以非粘合的构造被光学耦合到发光表面111，如美国 专利公布No. 2006/0091784中描述的那样。光导层可以包括折射率匹 配的油和具有类似光学特性的其他液体或凝胶。
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112的界面相关的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。在可选的具体实施方式
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。在另一个可选的具体实施方式
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n-p结114可以由III-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)以及它们 的混合物或合金形成。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 物半导体(例如GaN)在500nm具有约2.4的折射率，并且III-磷化物 半导体(例如InGaP)在600nm具有约3.6至约3.7的折射率。
在一个具体实施方式
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、铂、钯、铑、铼、钉、钨以及其混合物或合金。在另一个具 体实施中，电极130和120的一个或二者由透明导体(例如氧化铟锡、 氧化锌和氧化的金属合金)形成，例如Song等人在"Formation of low resistance and transparent ohmic contacts to p-type GaN using Ni-Mg solidsolution"(利用Ni-Mg固态溶液形成对p型层GaN的低电阻和透明欧 姆接触)，《应用物理学快报》，83(17):3513-3315 (2003)中所描述。
设置在提取器140 (如下所述)和n-p结114之间的电极130为图 案化电极。该图案化电极130至少部分地设置在发光表面111和半导 体层112内。在多个实施例中，图案化电极130和发光表面111形成 共面的表面。在一些实施例中，图案化电极130的至少一部分完全位 于发光表面111的下面，使得图案化电极顶部表面位于发光表面111 的下面，然而，该电极顶部表面的一部分仍然与发光表面111共平面 (例如未填充沟槽)。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111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会形成对n-p结114大致均匀的电流 分配，而同时允许发光表面111的很大一部分不被通常不透明电极所 阻挡。图案化电极130可以由任何可用图案限定。常规的电极设计规 则和若干可用的电极图案在美国专利No.6，307，218中有所描述。图案 化电极130也可以用作线栅偏振片，如美国专利公布No. 2006/0091412 中所述。在可供选择的实施例中，图案化电极130可以包括规则性的 或准规则性的微结构，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 极可以具有方形或三角形晶格，如美国专利公布No. 2006/0226429中 所述。
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130厚且适 用于引线结合(如球粘合或楔粘合)，或用于焊接、用于与导电介质 附接。制造约束一般决定粘合片135的尺寸为约0.075X 10—s至0.2X
10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。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。
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140的适用材料包括例如无机材料诸如高指数玻璃(如可得自美国 纽约艾姆斯佛德市肖特北美公司(Schott North America, Inc.)商品名为 LASF35的LASF35型肖特玻璃)和陶瓷(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对高的热导率(0.2-5.0W/cmK)。其他可用 的玻璃包括新型铝酸盐和钛酸盐玻璃，例如在美国专利申请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)中所 述的那些玻璃。还可以想到高折射率聚合物或纳米粒子填充聚合物。 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类树 脂、环氧树脂、硅树脂等。合适的纳米粒子包括氧化锆、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)中描述了会聚式提取器。会聚式提取器具有至少一 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。会聚式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。对于会聚式提
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)中描述了发散式提取器。发散式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。发散式提取器一般以 锥形的形式成形。就会聚式提取器来说，发散式提取器的输入表面通 常最紧邻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中描述了发散式提 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，但是本发明与发光制品100 中的半导体层的结构和数目无关，并且与活性区域或np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性侧视截面图。发光制 品200阵列包括光学耦合到光学元件阵列或提取器240的多个发光晶 粒或发光二极管210。术语"阵列"指的是多个接合或互连的制品。
如图3所示，发光晶粒或发光二极管210阵列通过通用基底(例如半导体晶片)连接。提取器240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阵列与提取器240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的对应的发光表面211的光输入表面241。光输入表面241和对 应的发光表面211之间的各界面为发光界面245。
各发光晶粒或发光二极管210包括多个层或层的叠堆。叠堆包括 半导体层和能够发光的活性区域。各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。
设置在提取器240和n-p结214之间的电极230为图案化电极， 如上所述。该图案化电极230至少部分地设置在发光表面211和半导 体层212内，如上所述。
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。图4的步骤310和对应图5A示出在发光表面111形成凹陷 115的图案。相对于图l在上面描述了发光晶粒或发光二极管110元件。
凹陷115的图案可以通过任何可用的方法形成，例如机械烧蚀、 激光烧蚀、蚀刻、光刻法或纳米压印光刻技术。形成凹陷115使用的 蚀刻方式包括例如反应式离子刻蚀和电感耦合反应式离子刻蚀。
图4的步骤320和对应图5B示出在凹陷115的图案中设置的导电 材料，以形成至少部分地设置在发光表面111内的图案化电极130。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。
可以以任何方式将导电材料设置在凹陷115的图案内，例如无电 镀金属沉积、物理气相沉积、化学气相沉积法、金属电镀以及它们的 组合。在一些实施例中，导电材料被设置在凹陷115的图案内并在发 光表面111上形成导电层(未示出)，然后清除导电层，留下图案化 电极130。可以通过一个或多个金属层将凹陷115的图案金属化。在一 个示例性实施例中，对于n-层半导体，用于III氮化物装置的图案化电 极可以包括钛和铝(钛在铝下面)；对于p-层半导体，可以包括钯、 铝和金(钯在铝下面，铝在金下面)。
凹陷115的图案填充导电材料形成图案化电极130后，发光表面 111和/或图案化电极130可以任选地通过任何一种或多种技术组合来 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。这些技术会形成发光表面111和/或粗糙度小于20nm的图案 化电极130，如上所述。
图4的步骤330和对应图5C示出将提取器140的光输入表面145 光学耦合到发光表面111。光学耦合可以以任何可用的方式实现，如上 所述。
示例性发光制品包括所谓的"金属粘合"或由半导体层组成的薄 膜LED,所述半导体层已从其生长基底移除并利用共晶金属粘合或其 他晶片粘合方法粘合到导电载体。图6示出利用居间金属反射器和金 属粘合层120粘合到导电载体180的m氮化物半导体层112、 113、 114 的叠堆。p-层113与金属粘合层120相邻。活性区域114与金属反射器
120分开约0.5^n和约0.9 ^n的距离，其中入n为由活性区域114发射
的辐射波长。n-层112具有填充有一个或多个金属层的凹陷图案，所述 金属层在n-层112内形成图案化电极130。图案化电极130被电连接到
14一个或多个粘合片135。 n-层112可以比p-层113显著更厚。折射率等 于发射表面111折射率的提取器140沿着发光界面145被光学耦合到 发光表面111。
返回到图3，可以按上述方法形成发光制品200阵列以用于形成单 个发光制品100，方法是通过提供多个晶片形式的发光晶粒或发光二极 管210，在晶粒210内形成多个图案化的凹陷，在至少选定的图案化凹 陷内设置导电材料以形成图案化电极230，任选地平面化多个发光表面 211并将提取器240阵列光学耦合到晶粒210阵列，如上所述。发光制 品200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)分离为单个发光制品。
讨论了本发明涉及的示例性实施例，并涉及到了本发明范围内可 能的变型。在不偏离本发明范围的前提下，对于本领域的技术人员来 说，本发明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，本发明不局限于本文阐述的示例性实施例。因此，本发明仅受 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pn结、发光表面和图案化电极；和提取器，所述提取器具有光输入表面，该光输入表面光学耦合到所述发光表面，形成发光界面；其中所述图案化电极至少部分地设置在所述发光表面内以及所述pn结和所述提取器之间。
2. 根据权利要求1所述的发光制品，其中所述发光表面为n电极 或p电极。
3. 根据权利要求1至2中任一项所述的发光制品，其中所述发光 表面和所述图案化电极形成共面的表面。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的发光制品，其中所述发光 表面的粗糙度小于20nm。
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 化电极具有交叉指型图案或螺旋图案。
6. 根据权利要求1至5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。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的发光制品，还包括由所述 发光表面和所述提取器之间的距离限定的间隙，所述间隙小于100nm。
8. 根据权利要求1至7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发光表面粘合到所述提取器。
9. 一种形成发光制品的方法，包括提供包括pn结、发光表面和图案化电极的发光二极管，所述图案化电极至少部分地设置在所述发光表面内；以及将提取器的光输入表面光学耦合到所述发光表面，其中所述图案化电极至少部分地设置在所述pn结和所述提取器之间。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括 在所述发光表面内形成凹陷图案；以及将导电材料设置在所述凹陷图案中以形成至少部分地设置在所 述发光表面内的图案化电极。
11. 根据权利要求9至IO中任一项所述的方法，还包括-在所述设置步骤之后将所述图案化电极和所述发光表面平面化，以形成表面粗糙度小于20nm的共面发光表面。
12. 根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述光学耦 合步骤包括利用光导粘合层将所述光输入表面粘合到所述发光表面。
13. —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pn结、发光表面和图案 化电极；和多个提取器，每个提取器具有光学耦合到对应的发光表面的光输 入表面；其中至少选定的图案化电极至少部分地设置在所述对应的发光 表面内以及对应的pn结和对应的提取器之间。
14. 根据权利要求13所述的发光制品的阵列，其中至少选定的发 光表面和图案化电极形成共面的表面。
15. —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pn结、发光表 面和至少部分地设置在所述发光表面内的图案化电极；和将提取器光输入表面阵列光学耦合到所述发光二极管阵列，其中 至少选定的图案化电极至少部分地设置在对应的pn结和对应的提取器之间。
16. 根据权利要求15所述的方法，还包括 在至少选定的发光表面中形成凹陷图案；以及 将导电材料设置在凹陷图案中以形成至少部分地设置在至少选定的发光表面内的图案化电极。
17. 根据权利要求16所述的方法，还包括在所述设置步骤之后将至少选定的电极和发光表面平面化，以形成表面粗糙度小于20nm的共面的发光表面。
18. 根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述提供 步骤包括提供晶片形式的发光二极管阵列。
19. 根据权利要求15至18中任一项所述的方法，还包括将所述 发光制品阵列分离为单个发光制品以形成多个发光制品。
20. 根据权利要求15至19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阵列粘合到所述发光表 面的阵列。
全文摘要
本发明公开一种发光制品(100)并且所述发光制品包括具有pn结、发光表面(111)和图案化电极(130)的发光二极管(110)。具有光输入表面(141)的提取器(140)被光学耦合到所述发光表面，形成发光界面(145)。所述电极至少部分地被形成在所述发光表面内和所述pn结和所述提取器之间。
文档编号H01L33/58GK101536202SQ200780042789
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