專利名稱：發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管，并且尤其涉及這樣一種發(fā)光二極管(LED)，其中在活動(dòng)層的頂部或底部表面上的半導(dǎo)體層內(nèi)或表面上形成能夠減少光全反射的結(jié)構(gòu)，從而有效地引出來(lái)自LED的光以提高亮度。
背景技術(shù)：
使用III/V族半導(dǎo)體材料制造發(fā)光二極管(LED)的技術(shù)已經(jīng)將其應(yīng)用范圍從使用AlGaAs/GaAs的紅色LEDs的開發(fā)擴(kuò)展到使用AlGaInP/InP的紅色和綠色LEDs的開發(fā)。目前，由于使用GaN基材料的藍(lán)色LEDs的開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)全彩色(full colors)，使得LEDs的使用已經(jīng)廣泛地?cái)U(kuò)展到信號(hào)燈、彩色顯示器等等。
此外，已經(jīng)將GaN基材料聯(lián)系到紫外線LEDs的開發(fā)，從而大大提高了未來(lái)LEDs普遍用于發(fā)光裝置中的可能性。
雖然多種LEDs已經(jīng)開發(fā)并被廣泛使用，但是對(duì)于提高LEDs的亮度的研究始終在進(jìn)行。
為了提高LEDs的亮度，已經(jīng)對(duì)改進(jìn)LED發(fā)展中的結(jié)構(gòu)、改進(jìn)芯片設(shè)計(jì)和可裝配性的方法進(jìn)行了研究。
然而，如果考慮到量子效率，那么通過修改LED的結(jié)構(gòu)來(lái)提高亮度的方法就會(huì)有局限性。因而，最近幾年已經(jīng)在積極地進(jìn)行提高引出效率以改善LED內(nèi)產(chǎn)生的光的引出的研究。
為了提高這種引出效率，對(duì)降低材料之間界面上產(chǎn)生的光吸收或反射已經(jīng)進(jìn)行了各種各樣的嘗試。例如，為了減少氮化物基LED內(nèi)的藍(lán)寶石和氮化物之間界面上產(chǎn)生的全反射，已經(jīng)主要地使用了在藍(lán)寶石基底上形成圖案或波紋的方法，并且也已經(jīng)嘗試了通過分離藍(lán)寶石基底來(lái)消除吸收或全反射的方法。
此外，為了減少由氮化物和空氣的折射率差異引起的全反射，有一種通過使氮化物表面粗糙來(lái)提高引出效率的方法。
而且，已經(jīng)嘗試了多種通過改進(jìn)芯片設(shè)計(jì)和可裝配性有效地引出LED內(nèi)產(chǎn)生的光的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決前述問題。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種LED，其中在活動(dòng)層的頂部或底部表面上的半導(dǎo)體層內(nèi)或表面上形成能減少光全反射的結(jié)構(gòu)，從而有效地引出來(lái)自LED的光以提高亮度。
根據(jù)本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)該目的的第一個(gè)技術(shù)方案，提供了一種發(fā)光二極管，包括順序形成在基底上的N-半導(dǎo)體層，活動(dòng)層和P-半導(dǎo)體層；形成在N-半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域上的N電極襯墊(electrode pad)，N-半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域通過部分蝕刻從P-半導(dǎo)體層到N-半導(dǎo)體層的一部分的層暴露形成；和形成在P-半導(dǎo)體層上的P電極襯墊，其中彼此分隔開并具有小于N-半導(dǎo)體層或P-半導(dǎo)體層的折射率的多個(gè)微透鏡或者排列在N-半導(dǎo)體層和P-半導(dǎo)體層的任何一個(gè)的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)，或者同時(shí)排列在N-半導(dǎo)體層和P-半導(dǎo)體層的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)該目的的第二個(gè)技術(shù)方案，提供了一種發(fā)光二極管，包括順序形成在N-半導(dǎo)體基底上的活動(dòng)層和P-半導(dǎo)體層；形成在該N-半導(dǎo)體基底之下的N電極襯墊；及形成在P-半導(dǎo)體層上的P電極襯墊，其中多個(gè)彼此間隔開并具有小于N-半導(dǎo)體基底或P-半導(dǎo)體層的折射率的微透鏡排列在或者N-半導(dǎo)體基底和P-半導(dǎo)體層中任何一個(gè)的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)，或者同時(shí)在N-半導(dǎo)體基底和P-半導(dǎo)體層的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)該目的的第三個(gè)技術(shù)方案，提供了一種發(fā)光二極管，包括順序形成在N-半導(dǎo)體基底上的活動(dòng)層和P-半導(dǎo)體層；形成在N-半導(dǎo)體基底之下的N電極襯墊；及形成在P-半導(dǎo)體層上的P電極襯墊，其中多個(gè)彼此間隔開并具有小于N-半導(dǎo)體基底或P-半導(dǎo)體層的折射率的突起排列在或者N-半導(dǎo)體基底的底部表面和P-半導(dǎo)體層頂部表面中任何一個(gè)上，或者同時(shí)在N-半導(dǎo)體基底的底部表面和P-半導(dǎo)體層的頂部表面上。
根據(jù)本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)該目的的第四個(gè)技術(shù)方案，提供了一種發(fā)光二極管，包括順序形成在基底上的N-半導(dǎo)體層、活動(dòng)層和P-半導(dǎo)體層；形成在N-半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域上的N電極襯墊，N-半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域通過部分地蝕刻從P-半導(dǎo)體層到N-半導(dǎo)體層一部分的層暴露形成；及形成在P-半導(dǎo)體層上的P電極襯墊，其中多個(gè)彼此間隔開并具有小于N-半導(dǎo)體層或P-半導(dǎo)體層的折射率的突起排列在或者P-半導(dǎo)體層的頂部表面上，或者基底和N-半導(dǎo)體層之間的接觸面上。


本發(fā)明的上述和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖的優(yōu)選實(shí)施例的描述中將會(huì)變得很清楚，其中
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的提高LED亮度的方法的概念圖；圖2a和2b是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的LED的示意性剖視圖；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的提高LED亮度的方法的概念圖；圖4a到4c是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的LED的示意性剖視圖；及圖5a到5e是表示根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的突起形狀的立體圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的提高LED亮度的方法的概念圖。形成在活動(dòng)層10上的P-GaN層20包括其內(nèi)的多個(gè)微透鏡30，該微透鏡由具有小于P-GaN層20的折射率的材料制成。
每個(gè)微透鏡30可以形成有凸起的頂部表面，或凸起的頂部和底部表面。
如果在P-GaN層20內(nèi)沒有微透鏡30，從活動(dòng)層10發(fā)射之后沿著路徑A以大于臨界角的角度θ1前進(jìn)的光由于全反射而沒有發(fā)射到外部，而是沿路徑B前進(jìn)，如圖1所示。
如果在P-GaN層20內(nèi)有微透鏡30，那么光在微透鏡30之一內(nèi)折射，然后前進(jìn)并由于微透鏡30的曲率半徑，以小于臨界角的角度θ2沿著路徑C向外發(fā)射。
因此，由于在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例中多個(gè)微透鏡30在LED的P-GaN層20內(nèi)形成，所以能減少活動(dòng)層10發(fā)射的光的全反射，從而減少光損失。
此外，當(dāng)活動(dòng)層內(nèi)產(chǎn)生的光到達(dá)微透鏡時(shí)，由于透鏡的聚焦作用，光可以在沒有大量損失的情況下發(fā)射到空氣中。
從而，可能提高LED的光引出效率。
同時(shí)，通過參照?qǐng)D1的實(shí)施例描述形成微透鏡的方法。該方法可以通過在活動(dòng)層10上形成P-GaN層，在P-GaN層上將透光材料形成微透鏡陣列，及在包括微透鏡陣列的P-GaN層上再次形成P-GaN層而實(shí)現(xiàn)。
這里，透光材料是ITO，ZnO，IrO，CuO，NiO，InO，Al2O3，TiO，SnO，SrTiO3，SiO2，Si3N4，Al，Ni，Au，Co和Cr之一。
圖2a和2b是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的LED的示意性剖視圖。首先，在圖2a所示的LED內(nèi)，N-GaN層110、活動(dòng)層120和P-GaN層130順序形成在藍(lán)寶石基底100上；通過部分蝕刻從P-GaN層130到N-GaN層110一部分的層而暴露N-GaN層110的一定區(qū)域；彼此間隔開的多個(gè)微透鏡171和172排列在N-GaN層110和P-GaN層130內(nèi)；及N電極襯墊151形成在N-GaN層110的暴露區(qū)域上并且P電極襯墊152形成在P-GaN層130上。
此外，在圖2b所示的LED內(nèi)，活動(dòng)層210和P-AlGaAs層220順序形成在N-AlGaAs基底200上；彼此間隔開的多個(gè)微透鏡271和272在活動(dòng)層210附近的N-AlGaAs基底200和P-AlGaAs層220的內(nèi)部區(qū)域排列；及N電極襯墊231形成在N-AlGaAs基底200之下并且P電極襯墊232形成在P-AlGaAs層220上。
在圖2a和2b的結(jié)構(gòu)中，微透鏡可以獨(dú)立地僅在活動(dòng)層附近的N型半導(dǎo)體層或P型半導(dǎo)體層內(nèi)實(shí)現(xiàn)，或者可以同時(shí)在N型層和P型層內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
這里，優(yōu)選地微透鏡與活動(dòng)層平行排列。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的提高LED亮度的方法的概念圖。由具有比P-GaN層20小的折射率的材料制成并且彼此間隔開的多個(gè)突起50在活動(dòng)層10上的P-GaN層20上形成。
如果在P-GaN層20內(nèi)沒有突起50，那么在從活動(dòng)層10發(fā)出之后沿著路徑D以大于臨界角的角度θ3前進(jìn)的光由于全反射的原因沒有向外發(fā)射而是沿著路徑E前進(jìn)。
相反，如果在P-GaN層20內(nèi)有突起50，那么光在突起50處折射然后前進(jìn)，并沿著路徑F以小于臨界角的角度θ4向外發(fā)射。
此時(shí)，當(dāng)光通過突起50向外發(fā)射時(shí)為什么光以小于臨界角的角度前進(jìn)的原因是因?yàn)橥黄?0的折射率小于P-GaN層20的折射率。
因此，由于多個(gè)突起50形成在本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例中的LED的P-GaN層20上，所以能減少?gòu)幕顒?dòng)層10發(fā)出的光的全反射，從而減少光損失。
圖4a到4c是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的LED的示意性剖視圖。與圖2a所示LED的結(jié)構(gòu)相比，在圖4a的LED中，微透鏡沒有形成在P-GaN層130內(nèi)而是由具有比P-GaN層130小的折射率的材料制成的多個(gè)突起301形成在P-GaN層130上。
此外，與圖2b所示LED的結(jié)構(gòu)相比，在圖4b所示的LED中，微透鏡沒有形成在N-AlGaAs基底200和P-AlGaAs層220內(nèi)，而是由具有分別比P-AlGaAs層220和N-AlGaAs基底200小的折射率的材料制成的多個(gè)突起301和302形成在P-AlGaAs層220上和N-AlGaAs基底200之下。
此時(shí)，在圖4a和4b的LED中，可能在P-GaN層130和P-AlGaAs層220上形成用于擴(kuò)散電流的透明電極，或在用于擴(kuò)散電流的透明電極上形成突起。
此外，在圖4c所示的LED中，N-半導(dǎo)體層110、活動(dòng)層120和P-半導(dǎo)體層130順序形成在基底100上；通過部分蝕刻從P-半導(dǎo)體層130到N-半導(dǎo)體層110一部分的層而暴露N-半導(dǎo)體層110的一定區(qū)域；及N電極襯墊151形成在N-半導(dǎo)體層110的暴露區(qū)域上并且P電極襯墊152形成在P-半導(dǎo)體層130上。
彼此間隔開并具有小于N-半導(dǎo)體層110的折射率的多個(gè)突起部分301和302排列在N-半導(dǎo)體層110的暴露區(qū)域上或在基底100和N-半導(dǎo)體層110之間的接觸面上。
此外，N電極襯墊151形成在N-半導(dǎo)體層110的暴露區(qū)域上，同時(shí)覆蓋多個(gè)突起301的若干。
圖5a到5e是表示根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的突起形狀的立體圖。突起可以形成按行和列排列的微透鏡(圖5a中的311)、圓柱體(圖5b中的312)和四方柱(圖5c中的313)中任意種類，或形成按條紋圖案排列的半圓柱(圖5d中的314)和矩形柱(圖5e中的315)中的任意種類。
這里，優(yōu)選地，微透鏡的直徑d1，圓柱體的直徑d2，四方柱的寬度W1，半圓柱的線寬W2和矩形柱的線寬W3在1nm到100μm的范圍內(nèi)。
如上所述，當(dāng)使用半導(dǎo)體化合物材料制造LED時(shí)為了提高亮度的目的，本發(fā)明通過在活動(dòng)層附近的半導(dǎo)體層內(nèi)或表面上采用具有與活動(dòng)層附近的半導(dǎo)體層不同的折射率的材料能使LED內(nèi)產(chǎn)生的光的引出率最大化。
此外，微透鏡和突起可以由透明導(dǎo)電氧化物(TCO)譬如ITO、ZnO和IrO，介電材料譬如SiO2和Si3N4，或金屬譬如Al、Ni、Au、Co和Cr的薄膜形成。當(dāng)它們呈微透鏡形式時(shí)，它的效果能最大化。
此時(shí)，微透鏡和突起以固定間隔或隨機(jī)地形成。
如上所述，本發(fā)明由于在活動(dòng)層的頂部或底部表面上的半導(dǎo)體層內(nèi)或表面上形成能減少光全反射的結(jié)構(gòu)，從而具有有效提取LED發(fā)出的光以提高亮度的優(yōu)點(diǎn)。
雖然已經(jīng)結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，然而對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說容易理解在本發(fā)明的技術(shù)宗旨和范疇之內(nèi)可以對(duì)其做出各種修改和改變。很顯然這些修改和改變落在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管，包括順序形成在基底上的N-半導(dǎo)體層、活動(dòng)層和P-半導(dǎo)體層；形成在N-半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域上的N電極襯墊，該暴露區(qū)域通過部分蝕刻從該P(yáng)-半導(dǎo)體層到N-半導(dǎo)體層一部分的層形成；及形成在P-半導(dǎo)體層上的P電極襯墊，其中多個(gè)彼此間隔并具有小于該N-半導(dǎo)體層或P-半導(dǎo)體層的折射率的微透鏡排列在或者N-半導(dǎo)體層和P-半導(dǎo)體層之中任意一個(gè)的內(nèi)部區(qū)域中，或者同時(shí)在N-半導(dǎo)體層和P-半導(dǎo)體層的內(nèi)部區(qū)域中。
2.一種發(fā)光二極管，包括順序形成在N-半導(dǎo)體基底上的活動(dòng)層和P-半導(dǎo)體層；形成在該N-半導(dǎo)體基底之下的N電極襯墊；及形成在該P(yáng)-半導(dǎo)體層上的P電極襯墊，其中多個(gè)彼此間隔開并具有小于該N-半導(dǎo)體基底或P-半導(dǎo)體層的折射率的微透鏡排列在或者該N-半導(dǎo)體基底和該P(yáng)-半導(dǎo)體層中任意一個(gè)的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)，或者同時(shí)在N-半導(dǎo)體基底和該P(yáng)-半導(dǎo)體層的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)光二極管，其中該微透鏡是由ITO，ZnO，IrO，CuO，NiO，InO，Al2O3，TiO，SnO，SrTiO3，SiO2，Si3N4，Al，Ni，Au，Co和Cr中任意一個(gè)制成。
4.一種發(fā)光二極管，包括順序形成在N-半導(dǎo)體基底上的活動(dòng)層和P-半導(dǎo)體層；形成在該N-半導(dǎo)體基底之下的N電極襯墊；及形成在該P(yáng)-半導(dǎo)體層上的P電極襯墊，其中多個(gè)彼此間隔開并具有小于該N-半導(dǎo)體基底或P-半導(dǎo)體層的折射率的突起排列在或者N-半導(dǎo)體基底的底部表面和P-半導(dǎo)體層的頂部表面的任意一個(gè)上，或者同時(shí)在N-半導(dǎo)體基底的底部表面和P-半導(dǎo)體層的頂部表面上。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管，其中突起形成為按行和列排列的微透鏡、圓柱體和四方柱中的任意種類，或按條形圖案排列的矩形柱和半圓柱中的任意種類。
6.如權(quán)利要求4或5所述的發(fā)光二極管，其中該突起是由ITO，ZnO，IrO，CuO，NiO，InO，Al2O3，TiO，SnO，SrTiO3，SiO2，Si3N4，Al，Ni，Au，Co和Cr中任意一個(gè)制成。
7.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管，其中微透鏡的直徑(d1)、圓柱體的直徑(d2)、四方柱的寬度(W1)、半圓柱的線寬(W2)和矩形柱的線寬(W3)在從1nm到100μm的范圍內(nèi)。
8.一種發(fā)光二極管，包括順序形成在基底上的N-半導(dǎo)體層、活動(dòng)層和P-半導(dǎo)體層；形成在該N-半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域上的N電極襯墊，該暴露區(qū)域是通過部分蝕刻從該P(yáng)-半導(dǎo)體層到N-半導(dǎo)體層的一部分的層形成的；及形成在該P(yáng)-半導(dǎo)體層上的P電極襯墊，其中多個(gè)彼此間隔開并具有小于該N-半導(dǎo)體層或P-半導(dǎo)體層的折射率的突起排列在或者該P(yáng)-半導(dǎo)體層的頂部表面上，或者排列在基底和該N-半導(dǎo)體層之間的接觸面上。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中多個(gè)彼此間隔開并具有小于該N半導(dǎo)體層或P-半導(dǎo)體層的折射率的突起還排列在該N-半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域上，并且該N電極襯墊形成在該N-半導(dǎo)體層的暴露區(qū)域上，同時(shí)覆蓋該多個(gè)突起中的部分。
10.如權(quán)利要求8或9所述的發(fā)光二極管，其中該突起形成為按行和列排列的微透鏡、圓柱體和四方柱中的任意種類，或形成按條形圖案排列的矩形柱和半圓柱中的任意種類。
11.如權(quán)利要求8或9所述的發(fā)光二極管，其中該突起以固定間隔或隨機(jī)地形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管。根據(jù)本發(fā)明，包括由具有不同于活動(dòng)層附近的半導(dǎo)體層的折射率的材料制成的微透鏡或突起的能減少光全反射的結(jié)構(gòu)形成在活動(dòng)層附近的半導(dǎo)體層內(nèi)或表面上，從而能有效地引出發(fā)光二極管活動(dòng)層產(chǎn)生的光以提高亮度。
文檔編號(hào)H01L33/32GK1652363SQ200510001679
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月5日
發(fā)明者辛宗彥 申請(qǐng)人:Lg電子有限公司