專利名稱：具有表面構(gòu)造的發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1的前序所述的發(fā)光二極管。本發(fā)明特別涉及一種發(fā)光二極管，為改善其光耦合輸出，發(fā)光二極管的位于基底物對(duì)面的表面至少在其中一段上具有許多平截頭棱錐體。
發(fā)光二極管，如半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)其特點(diǎn)尤其在于，根據(jù)材料體系的不同從輸送的電能至光能的內(nèi)部轉(zhuǎn)化效率是很高的，也就是說(shuō)無(wú)論如何都能大于80％。但是從半導(dǎo)體晶體里的有效的光耦合輸出由于在半導(dǎo)體材料(典型的為n＝3.5)和周圍的澆注樹脂材料(典型的為n＝1.5)之間的折射率突變而變得困難了。由此得出在半導(dǎo)體一澆注樹脂材料的界面上的較小全反射角約為26°，這導(dǎo)致了只有一部分所產(chǎn)生的光線能夠耦合輸出。以這種典型的方式在制造所使用的簡(jiǎn)單的立方形構(gòu)造的發(fā)光二極管(LED)時(shí)，不是在大約26°大小的耦合輸出錐體里發(fā)射的光束就留住在半導(dǎo)體晶體里，這是由于它與表面法線之間的角度即使由于多重反射也并不發(fā)生變化。因此光束就提前地或者遲后地由于吸收而首先在接觸部位、活性區(qū)部位或者在基底物里消失了。尤其是對(duì)于磷化銦鎵鋁(InGaAlP)發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)，正在吸收的砷化鎵(GaAs)-基底物有一種特別的問題。在這種類型的傳統(tǒng)的發(fā)光二極管里，從活性區(qū)指向發(fā)光二極管(LED)表面的方向上所發(fā)射的位于耦合輸出角之外的光線很有可能通過(guò)吸收在基底物里消失了。
在實(shí)踐中最常使用的緩解所述問題的方法就在于在LED的上表面上覆置一層厚的半導(dǎo)體層。這就可能部分地利用所發(fā)射光線的側(cè)面的耦合輸出錐體。
在U.S.-A-5,008,718里建議在一種磷化鋁鎵銦(AlGaInP-)發(fā)光二極管(LED)里主要由于因電接觸而注入的電流產(chǎn)生橫向擴(kuò)展而在活性的光發(fā)射層上覆置一層有導(dǎo)電能力的并且對(duì)于發(fā)射光線來(lái)說(shuō)透光的磷化鎵(GaP)層。在另外的地方指出了減少內(nèi)部全反射的有利的副作用，并且由于厚磷化鎵層的作用就可能使光線實(shí)現(xiàn)側(cè)面的耦合輸出。此外還建議通過(guò)酸洗腐蝕將對(duì)于發(fā)射光線不透明的砷化鎵(GaAs)基底物去除，并用至少一種由合適的材料制成的透明基底層，如磷化鎵(GaP)來(lái)替代。
同樣，在U.S-A-5,233,204里建議在發(fā)光二極管里應(yīng)用一層或多層厚的并且透明的層。對(duì)于這些透明層的布置和數(shù)量敘述了各種不同的構(gòu)型。另外還建議有一層布置在活性的發(fā)光層之下的，向著基底方向逐漸變小的并形成漏斗狀的層(

圖10)。
然而至今所了解到的解決方案或者從技術(shù)上來(lái)說(shuō)比較費(fèi)事，或者并不能使得從發(fā)光二極管的光耦合輸出獲得所希望的提高。尤其是一層相對(duì)較厚的透明半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)在制造發(fā)光二極管時(shí)是一個(gè)相對(duì)費(fèi)時(shí)間的過(guò)程，這是因?yàn)樽鳛樯L(zhǎng)工藝大多數(shù)或者使用金屬組織的氣相外延法(MOCVD)或者分子束外延法(MBE)。對(duì)于這種生長(zhǎng)工藝來(lái)說(shuō)，制造10-20μm厚的透明半導(dǎo)體層是一個(gè)費(fèi)時(shí)間的過(guò)程，因而制造發(fā)光二極管的總的時(shí)間就不可接受地加長(zhǎng)了。
因而本發(fā)明的任務(wù)就是提出一種具有高效光耦合輸出的發(fā)光二極管，這種發(fā)光二極管的制造可以不需要附加的復(fù)雜的或費(fèi)時(shí)的加工步驟。
該項(xiàng)任務(wù)用權(quán)利要求1中所標(biāo)明的特征來(lái)解決。
因此本發(fā)明描述了一種發(fā)光二極管，它具有一種半導(dǎo)體層構(gòu)造，包括了基底物和至少一層在基底物上形成的發(fā)光層，在其底物上的第一層電接觸層和在至少一段位于基底對(duì)面的半導(dǎo)體層構(gòu)造的表面上的第二層電接觸層，其中位于基底物對(duì)面的表面在至少一段上設(shè)有這樣的構(gòu)造，即使其具有許多平截頭棱錐體。
在本發(fā)明的實(shí)施形式中這平截頭棱錐體為三側(cè)面式構(gòu)造。
在按本發(fā)明所述的平截頭棱錐體里光線通過(guò)多重反射而引入一個(gè)耦合輸出錐體里。只是與LED的上面呈陡斜進(jìn)入的光線才用于耦合輸出。因而避免了在發(fā)光層里較長(zhǎng)的路程。平截頭棱錐體的斜側(cè)面保證了使首先為陡斜向上的光線和每個(gè)反射光線都呈平狀，從而使它們最終側(cè)向地從平截頭棱錐體的側(cè)壁里耦合輸出。
優(yōu)先考慮使得用第二個(gè)電接觸層覆蓋段的光線射出側(cè)表面非結(jié)構(gòu)化。在一種實(shí)例性的實(shí)施形式中對(duì)于一種正方形的或者長(zhǎng)方形LED來(lái)說(shuō)就在光線射出側(cè)的表面上覆置第二層具有交叉構(gòu)造形式的電接觸層。該交叉狀構(gòu)造包括了在長(zhǎng)方形的光射出側(cè)表面中心的一個(gè)基本為圓形的連接面以及以圓周指向芯片四角的指狀連接表面。位于這四個(gè)指狀連接面之間的部分分別用許多平截頭棱錐體蓋住，這些棱錐體的布置應(yīng)保證能覆置盡可能多的數(shù)量。
關(guān)于平截頭棱錐體的形狀有許多使耦合輸出實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的參數(shù)，如在所謂的射線跟蹤擬中詳細(xì)試驗(yàn)過(guò)的那樣。以下就提出了用于三側(cè)面平截頭棱錐體的優(yōu)化的參數(shù)范圍。若平截頭棱錐體的底面為A，高度為h，那么用V表示底面積的平方根除以平截頭棱錐體的高度V＝A1/2/h另外平截頭棱錐體的三個(gè)側(cè)面的定位偏角φ和三角形底面的角度α，β和γ都具有作用。
最好的結(jié)果是按照射線跟蹤模擬用以下的參數(shù)范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)的0,1≤V≤1045°≤≤88°α，β，＞10°采用V＝1，φ＝75°，以及用一個(gè)等邊三角形作為底面，其主角θ＝70°，那么對(duì)于光耦合輸出來(lái)說(shuō)就得到特別好的值。
此外本發(fā)明還具有的優(yōu)點(diǎn)在于它是基于一種非局部耦合輸出的原理，因而取消了從技術(shù)上難于控制的使通量收縮的過(guò)程。另外只要使上部窗口形成構(gòu)造，而活性區(qū)并不腐蝕透，而且不受之損傷。這種構(gòu)造相比之下可以比較簡(jiǎn)單地只用一種附加的平板印刷工藝步驟以及隨后的干腐蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)。
此外，對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)也可以使用具有四個(gè)或者多于四個(gè)側(cè)面的平截頭棱錐體。
以下根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。以下圖示為圖1在反射器中一個(gè)通常布置的發(fā)光二極管(LED)的示意簡(jiǎn)化的橫斷面圖；圖2按本發(fā)明所述的一種三個(gè)側(cè)面的平截頭棱錐體的舉例說(shuō)明的形狀；圖3分段地用本發(fā)明所述的平截頭棱錐體蓋住的一個(gè)發(fā)光二極管(LED)的矩形表面上的俯視圖。
圖1表示了一種發(fā)光二極管(LED)芯片100，如它布置在一個(gè)圓形或者拋物線形狀橫斷面的反射器200里面那樣，因而其所發(fā)射的光線既直接地射出，也通過(guò)這反射器200搜集并基本上在同樣的方向上發(fā)射出。通常將LED芯片100埋入在一種澆注樹脂材料里面，從而尤其是在其光射出側(cè)的表面上有一個(gè)在半導(dǎo)體材料和澆注樹脂材料之間的界面。在此界面上折射率的突變相對(duì)較大，因而當(dāng)與法線之間的射入角相對(duì)較小時(shí)就已發(fā)生了全反射。這種全反射光應(yīng)該盡可能通過(guò)LED芯片100的側(cè)壁耦合輸出并能夠由反射器200搜集到，而不是在LED芯片100的基底物上被吸收掉。
按本發(fā)明所述的發(fā)光二極管具有一個(gè)半導(dǎo)體層狀構(gòu)造，它有一個(gè)吸收光線的基底物和至少一層在基底物上成型的發(fā)光層。發(fā)光層由一種Pn-過(guò)渡來(lái)構(gòu)成。如果想要的話，可以設(shè)有一層簡(jiǎn)單的或者多重的量子槽構(gòu)造作為發(fā)光層。發(fā)光層相對(duì)靠近在位于基底物對(duì)面的半導(dǎo)體層狀構(gòu)造的光射出側(cè)的表面上。在基底物上很平地覆置有第一層電接觸層，而在至少一部分位于基底物對(duì)面的半導(dǎo)體層狀構(gòu)造的表面上則覆置有第二層電接觸層。最好在并不是由第二層電接觸層所蓋住的部分里使這表面形成構(gòu)造，從而使其具有許多三側(cè)面的平截頭棱錐體。
圖2立體表示了這樣一種平截頭棱錐體10的實(shí)例。它具有底面1，其面積為A，其角度用α，β和γ表示。這些角度的大小最好都超過(guò)10°。例如可以使用等腰三角形，其主角θ的大小為70°。平截頭棱錐體10的側(cè)壁2A，2B，2C的定位偏角φ最好在一個(gè)45°和85°之間的范圍內(nèi)。因此平截頭棱錐體10逐漸變小直至一個(gè)表面3，該表面位于底面1的對(duì)面，其中底面1和面3的平面是相互平行的。
在LED芯片里，位于基底物對(duì)面的表面至少在其一部分上用所述類型的平截頭棱錐體10蓋住。通?？梢杂靡环N環(huán)氧樹脂材料將LED芯片灌注，從而在平載頭棱錐體10的側(cè)面2A，2B，2C上出現(xiàn)了至所圍包樹脂材料時(shí)的折射率突變。從位于平截頭棱錐體10之下的一個(gè)Pn過(guò)渡穿過(guò)其底面1進(jìn)入平截頭棱錐體10的光線或者在側(cè)面2A，2B，2C上全反射，或者穿過(guò)它進(jìn)入所圍包的樹脂材料，并因此以LED芯片里耦合輸出。這些以一個(gè)傾斜角度穿透底面1的光線相對(duì)垂直地射入到側(cè)面2A，2B，2C上并因而直接穿過(guò)這些側(cè)面。其它的垂直地穿地底面1的光線又以一個(gè)相對(duì)較平緩的角度射入在這些側(cè)面2A，2B，2C上并因而在這些面上全反射。但在一次反射之后這光線就射到位于對(duì)面的側(cè)面上。每一次反射由于側(cè)面的位置是傾斜的，光線在各個(gè)側(cè)面上的入射角變小了，因此在一定次數(shù)的反射之后就產(chǎn)生了光線從平截頭棱錐體10里的一種側(cè)向耦合輸出。實(shí)施所謂的射線跟蹤模擬已經(jīng)得知平截頭棱錐體的參數(shù)的最佳配置是采用了一個(gè)等腰三角形作為底面1，其主角θ＝70°，定位偏角φ＝75°，平截頭棱錐體10的高度h相當(dāng)于底面1的面積A的平方根。
圖3表示了一個(gè)LED芯片100，是在位于基底物對(duì)面的表面上的俯視圖。在基底物上覆置了第一層電接觸層(未示出)，而圖3所示的表面設(shè)置有第二層電接觸層50。這第二層電接觸層50具有一種交叉式構(gòu)造，中央有一個(gè)圓形的接觸面，并從其圓周至矩形表面的角的方向上有指狀的接觸表面。第二層電接觸層50可以通過(guò)一種不透明的金屬層或者通過(guò)一種薄的透明層，如ITO(氧化銦錫)層而構(gòu)成。在第二層接觸層50的這些指狀接觸面之間都構(gòu)成了透明的窗口部位A-D，在這些位里分別在A-D上覆置了平截頭棱錐體10A-10D。在俯視圖中以每一個(gè)棱錐體可以看到上面的較小的面和下面的底面。平截頭棱錐體的布置應(yīng)該使得盡可能多數(shù)量的棱錐體能夠布置在每個(gè)窗口狀部位A-D里。
若設(shè)有一層透明的接觸層50，那么在接觸層50的部位里也可以用平截頭棱錐體10來(lái)布置。
也可以應(yīng)用具有四個(gè)側(cè)或者多于四個(gè)側(cè)面的平截頭棱錐體。具有一種圓形橫截面的一種平截頭圓錐體這種極限情況也應(yīng)該由本發(fā)明一起包括。
權(quán)利要求
1.發(fā)光二極管，它具有-一種半導(dǎo)體層狀構(gòu)造，包含有一層基底物和至少一層在基底物上成型的發(fā)光層；-在基底物上的第一層電接觸層，和-第二層電接觸層(50)，在至少一部分位于基底物對(duì)面的半導(dǎo)體層狀構(gòu)造的表面上；其特征在于，-位于基底物對(duì)面的表面在至少一部分上形成這樣的構(gòu)造，即它具有許多平截頭棱錐體(10)。
2.按權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，平截頭棱錐體(10)為三個(gè)側(cè)面的。
3.按權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，其特征在于，-三個(gè)側(cè)面的平截頭棱錐體(10)用如下的參數(shù)范圍來(lái)規(guī)定0,1≤V≤1045°≤≤88°α，β，γ＞10°-其中V＝A1/2/h；A是平截頭棱錐體(10)的三角形底面(1)的面積；h是棱錐體(10)的高度；φ是棱錐體(10)側(cè)面的定位偏角；α，β，γ是三角形底面(1)的角度。
4.按權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管，其特征在于，V＝1，對(duì)所有側(cè)面φ＝75°，底面(1)為等腰三角形，其主角θ＝70°。
5.按權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于，平截頭棱錐體(10)具有四個(gè)或多于四個(gè)側(cè)面。
6.按上述權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管，其特征在于，用第二層電接觸層(50)所蓋住的位于基底物對(duì)面的表面部分非結(jié)構(gòu)化。
7.按上述權(quán)利要求之一所述的發(fā)光二極管，其特征在于，基底物由砷化鎵(GaAs)構(gòu)成，發(fā)光層由磷化銦鎵鋁(InGaAlP)構(gòu)成。
8.按上述權(quán)利要求之一所述的發(fā)光二極管，其特征在于，表面構(gòu)造通過(guò)一種附加的平板印刷工藝步驟和隨后的干腐蝕來(lái)制成。
9.按上述權(quán)利要求之一所述的發(fā)光二極管，其特征在于，-位于基底物對(duì)面的表面是矩形的，-第二層電接觸層(50)是一種交叉狀構(gòu)造，其中央有一個(gè)連接面，而且由此面出發(fā)在指向矩形表面的四角的方向上分別形成有指狀的連接面；-位于指狀連接面之間的部位(A-D)都用平截頭棱錐體(10)蓋住。
10.按上述權(quán)利要求之一所述的發(fā)光二極管，其特征在于，第二層電接觸層(50)對(duì)于發(fā)射的光線是不透明的。
11.按上述權(quán)利要求之一所述的發(fā)光二極管，其特征在于，第二層電接觸層(50)由一層透明的薄導(dǎo)電層，尤其是由一種ITO(氧化銦錫)層構(gòu)成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管。為改善光耦合輸出在發(fā)光二極管的至少一段光射出側(cè)表面上覆置了許多平截頭棱錐體(10A－D),在其側(cè)而(2A,2B,2C)上可以有效地使得由一個(gè)發(fā)光層發(fā)射出的并通過(guò)這平截頭棱錐體(10A－D)的底面(1)而射入這棱錐體的光束實(shí)現(xiàn)耦合輸出。
文檔編號(hào)H01L33/20GK1390363SQ0081558
公開日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2000年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月10日
發(fā)明者R·韋斯 申請(qǐng)人:奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體股份有限兩合公司