通過選擇性區(qū)域粗糙化控制的led光輸出的制作方法
【專利摘要】粗糙化發(fā)光設(shè)備的表面以提高表面的光提取效率，但是選擇粗糙化區(qū)域的大小以實現(xiàn)所期望水平的光提取效率。光刻技術(shù)可以用來創(chuàng)建掩模，其將粗糙化限于發(fā)光表面的選擇區(qū)域。因為粗糙化區(qū)域的大小可以被精確地控制，所以光提取效率可以被精確地控制，其基本上獨立于用來粗糙化表面的特定過程。此外，表面的選擇性粗糙化可以用來獲得所期望的光發(fā)射輸出圖案。
【專利說明】通過選擇性區(qū)域粗糙化控制的LED光輸出
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)光設(shè)備(LED)的領(lǐng)域，并且特別地涉及一種發(fā)光設(shè)備，其具有提高設(shè)備的光提取效率的選擇性地粗糙化的發(fā)光表面。
【背景技術(shù)】
[0002]使用粗糙化的發(fā)射表面來提高LED提取效率是眾多LED設(shè)計的共同之處。粗糙化可以被應(yīng)用于包括InGaN、AlInGaP系統(tǒng)的不同類型LED結(jié)構(gòu)，以及倒裝芯片接合和豎直的薄膜設(shè)備架構(gòu)中，以及其它。
[0003]2011 年 I 月 25 日授予 John Epler, Paul Martin 和 Michael Krames 并且通過引用并入本文的 USP 7, 875, 533, “Package integrated thin film LED, and devices” 公開了通過使用KOH溶液的光電化學刻蝕過程來粗糙化LED的GaN發(fā)光表面以提高光提取效率。使用在發(fā)光設(shè)備的形成期間生長的刻蝕停止層來控制刻蝕的深度。以同樣方式，USPA2010/0025717, USPA 2009/0146170, USPA 2008/0113463，和 USP 7，749782 也公開了通過粗糙化發(fā)光表面來改進光提取效率的技術(shù)，并且通過引用并入本文。
[0004]以上所引方法中的每一個創(chuàng)建了基本上均勻粗糙化的表面，其允許最大化的光提取，通常允許提取原來未粗糙化的表面的兩倍的光。隨著發(fā)光效率的繼續(xù)增加，兩倍的光提取效率在某些應(yīng)用中可能不是所期望的。例如，可能期望的是將總的光輸出限于客戶的最大通量規(guī)格，以符合特定的標準，或者達到特定的照明效果。
[0005]對于每一個粗糙化方法來說，也許可能是通過改變粗糙化的特性來改變光提取效率的，諸如通過改變粗糙化過程的參數(shù)以增加或減少所得到的粗糙化表面的粗糙度或其它方面。然而，開發(fā)個性化過程的成本可能太大，并且可達到的可控效率范圍可能受限于或受制于該過程的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]可能有利的是能夠可靠地和/或廉價地控制發(fā)光設(shè)備的光提取效率。同樣可能有利的是能夠控制發(fā)光設(shè)備的光提取效率而基本上不影響用來粗糙化發(fā)光設(shè)備的表面的過程和/或不受該過程的影響。
[0007]為了更好地解決這些問題中的一個或多個，在本發(fā)明的實施例中，使用常規(guī)的技術(shù)來粗糙化發(fā)光設(shè)備的表面以提高光提取效率，但是選擇粗糙化區(qū)域的大小以達到所期望水平的光提取效率。光刻技術(shù)可以用來創(chuàng)建掩模，其將粗糙化限于發(fā)光表面的選擇區(qū)域。因為粗糙化區(qū)域的大小可以被精確地控制，所以光提取效率可以被精確地控制，其基本上獨立于用來粗糙化表面的特定過程。此外，表面的選擇性粗糙化可以用來獲得所期望的光發(fā)射輸出圖案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參照附圖通過示例的方式并且更詳細地解釋本發(fā)明，其中: 圖1A-1C示出了通過粗糙化發(fā)光設(shè)備的發(fā)光表面來提高發(fā)光設(shè)備的光提取效率的示例性現(xiàn)有技術(shù)過程。
[0009]圖2示出了通過粗糙化發(fā)光設(shè)備的發(fā)光表面的選擇區(qū)域來提高發(fā)光設(shè)備的光提取效率的過程的示例性流程圖。
[0010]圖3示出了光提取效率與粗糙化區(qū)域在發(fā)光表面上的百分比之間的示例性關(guān)系。
[0011]圖4A-4D示出了選擇性粗糙化的發(fā)光表面的示例性圖案。
[0012]貫穿附圖，相同的參考標記指示相似或相應(yīng)的特征或功能。所包括的附圖用于說明目的，而非旨在限制本發(fā)明的范圍。
【具體實施方式】
[0013]在以下描述中，出于解釋而非限制的目的，闡述具體細節(jié)(諸如特定架構(gòu)、界面、技術(shù)等等)以便提供對本發(fā)明的概念的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，可在脫離這些具體細節(jié)的其他實施例中實踐本發(fā)明。以同樣方式，本描述的文字涉及如圖所示的示例性實施例，且并非旨在限制超出明確包含在權(quán)利要求中的界限的所要求保護的發(fā)明。出于簡單且清楚的目的，省略已知的設(shè)備、電路及方法的詳細描述以免不必要的細節(jié)使得本發(fā)明的描述不清楚。
[0014]圖1A-1C示出了通過粗糙化發(fā)光設(shè)備110的發(fā)光表面115來提高發(fā)光設(shè)備的光提取效率的示例性現(xiàn)有技術(shù)過程。出于本公開的目的，該設(shè)備的發(fā)光表面115被認為是設(shè)備的表面的部分，該部分能夠發(fā)射在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的光。設(shè)備的表面中的不能發(fā)射光的部分(諸如被觸點或其它結(jié)構(gòu)覆蓋的部分)不是發(fā)光表面。為了便于說明和解釋，圖示發(fā)光表面115是設(shè)備110的整個上表面，盡管上表面可能存在沒有光通過其發(fā)射并且因而本身不是發(fā)光表面的一部分的區(qū)。
[0015]圖1A示出了該過程的示例性流程圖。發(fā)光設(shè)備110可以通過本領(lǐng)域已知的多種過程中的任何一種來創(chuàng)建，并且包含上表面，其可以包含GaN、AlInGaP、或其它材料。由于表面材料與設(shè)備HO外部的材料(其可以是空氣、或隨后應(yīng)用的環(huán)氧樹脂或其它材料)之間的折射率差、基本上平坦的上表面，所以在設(shè)備110內(nèi)部產(chǎn)生的大量光從表面115內(nèi)反射，并且隨后在設(shè)備110內(nèi)被吸收。
[0016]為了增加從設(shè)備110提取的光量，粗糙化發(fā)光表面115以改進光提取效率?？梢允褂萌魏螖?shù)量的過程150來產(chǎn)生具有粗糙化表面185的設(shè)備180，包括例如等離子體刻蝕、濕化學、光電化學(PEC)、激光、以及其它方法。示例性刻蝕過程可以包括例如電感耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)，其具有高偏壓功率100?1000W并且引入刻蝕氣體(諸如Ar、02、HBr, C12、BC13、SiC4、SF6)。為了便于引用，術(shù)語“刻蝕”在下文中用于指任何方法，該方法向發(fā)光設(shè)備110引入粗糙化表面185，從而產(chǎn)生具有粗糙化表面的發(fā)光設(shè)備180。
[0017]圖1B和IC示出了等離子體刻蝕的發(fā)光設(shè)備180的示例性粗糙化表面185的圖像。發(fā)光表面185與設(shè)備180外部的材料之間的不規(guī)則界面降低了光束由于內(nèi)反射而變得“被捕獲”在設(shè)備180內(nèi)的可能性，由此增加了從粗糙化表面185提取的光量。通過粗糙化設(shè)備110的平坦發(fā)光表面115來加倍光提取并不罕見。
[0018]如上所述，為了便于說明，發(fā)光表面115被示為跨設(shè)備110的上表面延伸，盡管上表面可以包含不是發(fā)光表面115的一部分的區(qū)(諸如接觸區(qū)域)。以同樣方式，粗糙化的表面185被示為跨設(shè)備180的上表面延伸，盡管出于本公開的目的，粗糙化的表面185對應(yīng)于發(fā)光表面115的粗糙化。也就是說，粗糙化的表面185不包含設(shè)備110的上表面中的未包含在發(fā)光表面115內(nèi)的上述部分，而不論這些部分是否通過刻蝕過程150粗糙化。
[0019]如上所述，在一些應(yīng)用中，期望產(chǎn)生特定量的光，而不是如設(shè)備180所能產(chǎn)生的那么多的光。假設(shè)用于產(chǎn)生設(shè)備180的技術(shù)所能夠產(chǎn)生的設(shè)備180能產(chǎn)生多于所期望的光量，則可以調(diào)整一個或多個制造過程的參數(shù)以產(chǎn)生小于最大可實現(xiàn)的光輸出。例如，可以通過允許所產(chǎn)生的更多光在設(shè)備180內(nèi)被吸收、或者通過允許到達表面185的更多光被內(nèi)反射、或者通過兩者的組合來減少到達設(shè)備180的表面115的光量。
[0020]例如，為了降低光提取效率，可以調(diào)整暴露于刻蝕化學品的持續(xù)時間，或者刻蝕化學品的濃度或強度以減小粗糙化的程度，由此增加光在其能夠通過設(shè)備的發(fā)光表面逸出之前在設(shè)備內(nèi)被吸收的可能性。如果使用上述USP 7，875，533的過程，那么例如可以控制刻蝕停止層的生長以減小表面粗糙化的程度。
[0021]也就是說，為了控制設(shè)備所提供的最大光輸出，可以將刻蝕過程的參數(shù)調(diào)整為“次最佳的”以減小從設(shè)備的光提取效率。然而，通過次最佳的刻蝕過程可達到的精確程度和/或控制范圍可能不足以提供所期望水平的光輸出，并且對于不同應(yīng)用修改用于不同光輸出水平的過程參數(shù)可能引入附加任務(wù)和與這種過程控制相關(guān)聯(lián)的附加成本。
[0022]在本發(fā)明的示例性實施例中，控制粗糙化的表面區(qū)域的比例以實現(xiàn)所期望水平的光提取效率。以此方式，過程參數(shù)可以保持在它們的最佳水平，并且可以實現(xiàn)大范圍的精確控制。也就是說，控制范圍將從完全未粗糙化的表面所提供的最小提取效率到完全粗糙化的表面所提供的最大提取效率，其中過程的精度通過有待粗糙化或不粗糙化的表面區(qū)域的選擇精度來控制。
[0023]圖2示出了基于設(shè)備表面上的粗糙化區(qū)域的大小來控制發(fā)光設(shè)備的光輸出的示例性過程。
[0024]掩模過程230用于將防刻蝕或抑制刻蝕的圖案235應(yīng)用于發(fā)光設(shè)備110上。如本領(lǐng)域所公知的，可以獲得用來將材料的圖案235精確地創(chuàng)建到表面115上的技術(shù)，包括例如光刻、絲網(wǎng)印刷等等。選擇用于創(chuàng)建圖案235的材料將取決于隨后應(yīng)用的特定刻蝕過程150。在示例性的等離子體刻蝕過程中，可以使用常規(guī)的光刻膠材料。
[0025]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，在某些過程中，刻蝕抑制圖案235也可以通過在將產(chǎn)生刻蝕的區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建刻蝕產(chǎn)生或刻蝕增強材料的“負”圖案來形成。以同樣方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以使用其它過程(諸如激光刻蝕)來選擇性地粗糙化表面。
[0026]沒有被刻蝕抑制材料235掩模的表面區(qū)域通過應(yīng)用表面刻蝕過程150來粗糙化。如上所述，因為是基于粗糙化的區(qū)域的大小來控制提取效率的，所以該過程不需要對常規(guī)刻蝕過程150本身進行修改。該刻蝕過程150產(chǎn)生僅在由圖案235所限定的區(qū)域中具有粗糙化表面285的發(fā)光設(shè)備280。
[0027]可選地，修整過程270可以被應(yīng)用以從選擇性地粗糙化的發(fā)光設(shè)備280移除任何殘余材料。在使用光刻膠材料235的示例性等離子體刻蝕過程中，可將光刻膠材料移除以產(chǎn)生發(fā)光設(shè)備，其具有原始未粗糙化的表面區(qū)域115和粗糙化的表面區(qū)域285。該移除過程可以包含使用常規(guī)的濕式抗蝕劑剝離過程或02灰分過程。
[0028]考慮具有未粗糙化區(qū)域115和粗糙化區(qū)域285的發(fā)光設(shè)備280，光提取效率將由這些區(qū)域115，285的相對比例來確定。
[0029]在表面的所選區(qū)域的示例性等離子體刻蝕中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)提取效率相對于粗糙化表面區(qū)域的比例基本是線性的，如圖3中的線350所示。在該示例中，光輸出是關(guān)于具有未粗糙化的表面115的原始發(fā)光設(shè)備110的光量歸一化的。如該圖中所示，完全粗糙化的表面285提供約為未粗糙化的表面115的兩倍的光輸出。如圖3的355處所示，當表面區(qū)域的四分之三(75%)被粗糙化時，光輸出大約為未粗糙化的表面115的光輸出的1.75倍。
[0030]其他過程可以產(chǎn)生光輸出320的量和粗糙化區(qū)域310的比例之間的不同關(guān)系，并且這種關(guān)系能夠通過對具有不同比例的粗糙化區(qū)域的設(shè)備的光輸出進行采樣來容易地確定。一旦確定了光輸出320和粗糙化區(qū)域310之間的關(guān)系，那么對設(shè)備280的輸出的精確控制可以通過精確地控制設(shè)備280的表面上的區(qū)域115和285的比例來容易地實現(xiàn)。
[0031]圖4A-4D示出了選擇性粗糙化的發(fā)光表面的示例性圖案。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，在控制從表面發(fā)射的光量的同時，還可以使用各種粗糙化圖案中的任何一種來實現(xiàn)不同的光學效果。
[0032]圖4A示出了具有布置成豎直帶的粗糙化區(qū)域285和未粗糙化區(qū)域115的設(shè)備的示例性表面區(qū)域。在該示例中，粗糙化區(qū)域的比例約為75%，其在圖3的光輸出320與粗糙化區(qū)域310之間的線性關(guān)系350的示例中將提供大約為粗糙化之前發(fā)光設(shè)備所提供的光量的1.75倍的光輸出。
[0033]在該示例中，將產(chǎn)生來自粗糙化區(qū)域285的較亮的光帶，并且其可能使人不舒服。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以限定替代性圖案，其中所期望比例的粗糙化區(qū)域具有較不明顯的圖案。例如，取代于圖4A中九個明亮的粗糙化帶285，以及明顯可區(qū)分的較暗的未粗糙化帶115，可以提供幾百個粗糙化帶285，以及人眼無法辨別的相應(yīng)較小的較暗帶115。
[0034]圖4B示出了粗糙化區(qū)域285和未粗糙化區(qū)域115的棋盤狀布置。示例性圖案提供了比例約為50%的粗糙化區(qū)域，其在圖3的示例中將提供大約為粗糙化之前發(fā)光設(shè)備所提供的光量的1.5倍的光輸出。通過將區(qū)域285，115布置成棋盤式布置，區(qū)域285上的較亮光和區(qū)域115上的較暗光之間的對比將比具有相同比例的粗糙化區(qū)域285的帶圖案更難察覺。如圖4A的示例，可以增加區(qū)別性區(qū)域285，115的數(shù)量以減少任何可察覺的光學異常。
[0035]在圖4A和4B的示例中，呈現(xiàn)了用于使粗糙化區(qū)域285和未粗糙化區(qū)域115的布置所產(chǎn)生的光輸出圖案模糊的技術(shù)。在一些應(yīng)用中，可區(qū)分的光輸出圖案可能是期望的。
[0036]在圖4C中，粗糙化的區(qū)域285被布置成提供這樣的光輸出圖案:其將在中心區(qū)比較明亮，并且隨著離開中心的距離的增加而逐步變暗，從而提供聚光燈狀圖案?；谶@些粗糙化區(qū)域285和未粗糙化區(qū)域115的比例，環(huán)285，115的尺寸將被設(shè)計成提供所期望的光輸出量。
[0037]在圖4D中，粗糙化的區(qū)域285被布置成提供具有橢圓形光輸出圖案的中心明亮的圖案。
[0038]這些圖案4A-4D僅出于說明而被提供，實際上可以使用任何圖案來創(chuàng)建所期望的光學效果，并且同時控制將從發(fā)光表面發(fā)射的光量。其它圖案對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。例如，在圖4C-4D的圖案中，表面中心處的未粗糙化的圖案285可以如圖所示，而該中心以外的區(qū)域可以是較不明顯的圖案(諸如圖4B的棋盤布置)。以同樣方式，掩模也可以限定圖形或裝飾性的圖像。[0039]雖然已經(jīng)在附圖和前述說明書中詳細說明和描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述應(yīng)被認為是說明性的或示例性的而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實施例。
[0040]例如，可能在這樣的實施例中操作本發(fā)明:其中通過進一步限制從未粗糙化表面115發(fā)射的光量來提供更大范圍的控制。也就是說，在圖3中，光輸出320和粗糙化區(qū)域310之間的關(guān)系350被假定為在從完全平坦的表面115到完全粗糙化的表面185的范圍內(nèi)。然而，如果未粗糙化的表面的區(qū)是不透明的，那么光輸出可能被降低至低于(透明的)完全平坦表面115所產(chǎn)生的光量。這種不透明性可以通過在圖2的選擇性刻蝕的設(shè)備280的表面上留下一些或所有掩模材料235來實現(xiàn)。
[0041]以同樣方式，雖然本發(fā)明是在二元“粗糙化”/ “未粗糙化”的掩模過程的情況下呈現(xiàn)的，但是技術(shù)的組合可以用于創(chuàng)建特定的光學效果。例如，通過創(chuàng)建靶心圖案可以產(chǎn)生強制高斯分布，其中中心部分是完全粗糙化的并且其它部分以較低的百分比粗糙化。粗糙化的變化可以通過選擇性地應(yīng)用多級粗糙化過程、通過使用不同的粗糙化抑制材料、通過生長不同深度的刻蝕停止層等等來產(chǎn)生。
[0042]本領(lǐng)域技術(shù)人員在實踐所要求保護的本發(fā)明時，可根據(jù)附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求的學習來理解并實現(xiàn)所公開實施例的其他變型。在權(quán)利要求中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)權(quán)利要求中陳述的若干項的功能。在相互不相同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施的簡單事實并不指示不能有利地使用這些措施的組合。計算機程序可以存儲/分布在適當?shù)慕橘|(zhì)(諸如與其它硬件一起或作為其它硬件的部分提供的光學存儲介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì))上，但也可以其它形式分布(諸如經(jīng)由因特網(wǎng)或者其它有線或無線電信系統(tǒng))。權(quán)利要求中的任何參考標記不應(yīng)解釋為限制范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 創(chuàng)建發(fā)光設(shè)備，所述發(fā)光設(shè)備被結(jié)構(gòu)化成通過具有第一區(qū)域的限定發(fā)光表面來發(fā)射光， 標識所述限定發(fā)光表面中的一個或多個選擇區(qū)域，所述選擇區(qū)域占據(jù)小于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域，以及 改變所述發(fā)光表面以在所述第二區(qū)域中創(chuàng)建粗糙化的表面并且在對應(yīng)于所述第一區(qū)域的剩余部分的第三區(qū)域中創(chuàng)建未粗糙化的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述標識包含應(yīng)用掩模材料，所述掩模材料限定所述選擇區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中應(yīng)用所述掩模材料包含光刻過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)光設(shè)備以第一光輸出水平從所述第二表面區(qū)域發(fā)射光并且以第二光輸出水平從所述第三表面區(qū)域發(fā)射光，所述第二光輸出水平小于所述第一光輸出水平。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一光輸出水平大約是所述第二光輸出水平的兩倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述選擇區(qū)域被圖案化成提供可區(qū)分的光學效果O
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述改變包含將所述選擇區(qū)域中的至少一個粗糙化成不同于所述選擇區(qū)域中的另一個的粗糙化程度的粗糙化程度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述改變包含化學刻蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述化學刻蝕包含光電化學刻蝕。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述改變包含激光刻蝕。
11.一種發(fā)光設(shè)備，包括: 發(fā)光結(jié)構(gòu)，其被結(jié)構(gòu)化成通過具有第一表面區(qū)域的發(fā)光表面來發(fā)射光， 所述發(fā)光表面在小于所述第一表面區(qū)域的第二表面區(qū)域中被粗糙化，并且在第三表面區(qū)域中未被粗糙化。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光設(shè)備，其中所述第二表面區(qū)域被圖案化成提供可區(qū)分的光學效果。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光設(shè)備，其中所述發(fā)光設(shè)備以第一光輸出水平從所述第二表面區(qū)域發(fā)射光并且以第二光輸出水平從所述第三表面區(qū)域發(fā)射光，所述第二光輸出水平小于所述第一光輸出水平。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光設(shè)備，其中所述第一光輸出水平大約是所述第二光輸出水平的兩倍。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光設(shè)備，其中所述第二表面區(qū)域包含多個選擇區(qū)域，并且所述選擇區(qū)域中的至少一個被粗糙化成不同于所述選擇區(qū)域中的另一個的粗糙化程度的粗糙化程度。
【文檔編號】H01L33/22GK104040734SQ201380005153
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月10日
【發(fā)明者】M.貝內(nèi)迪特, P.S.馬丁, B.克哈拉斯 申請人:皇家飛利浦有限公司