專利名稱：高效發光制品以及形成該高效發光制品的方法
高效發光制品以及形成該高效發光制品的方法 相關專利申請
本申請要求2006年11月17日提交的美國臨時專利申請No. 60/866261的優先權，該專利的公開內容以引用的方式全文并入本文。
背景技術：
本發明整體涉及高效發光制品以及形成該高效發光制品的方法。
發光二極管(LED)具有提供與常規光源形成競爭的亮度、輸出 和使用壽命的內在潛能。然而，因為僅在小范圍角度內的光可以從形 成LED的高折射率半導體材料中逸出，所以這些器件的外部效率通常 不好。
可以通過將高折射率光學元件附接到半導體材料的表面來提高 LED的效率。高折射率光學元件可以增加光能夠從半導體材料表面逸 出的角度范圍。可以合適地成形光學元件，使得光有效地從LED中逸 出。然而，光學元件需要光學耦合到半導體材料的表面以進行有效的 光提取。在半導體材料表面上的電極會阻礙光學元件和半導體材料表 面的光學耦合。

發明內容
本發明整體涉及高效發光制品以及形成該高效發光制品的方法。 具體地講，本發明涉及具有電極的發光制品，所述電極至少部分地設
置在發光制品表面內。這些電極有利于發光制品表面與光學元件或提 取器的光學耦合。
在一個示例性具體實施方式
中，發光制品包括具有pn結的發光二極管、發光表面和圖案化電極。具有光輸入表面的提取器光學耦合到 發光表面，形成發光界面。電極至少部分地設置發光表面內以及pn結 和提取器之間。
在另一個示例性具體實施方式
中，發光制品陣列包括光學耦合到
多個提取器的多個發光二極管。每個發光二極管包括一個pn結、 一個
發光表面和一個圖案化電極。每個提取器具有一個光學耦合到對應的 發光表面的光輸入表面。至少選定的圖案化電極被至少部分地設置在
對應的發光表面內以及對應的pn結和對應的提取器之間。
在進一步示例性具體實施方式
中，形成發光制品的方法包括提供 具有pn結、發光表面和圖案化電極的發光二極管，所述圖案化電極至 少部分地設置在發光表面內,并將提取器光輸入表面光學耦合發光表 面。圖案化電極至少部分地設置在pn結和提取器之間。
在進一步示例性具體實施方式
中，形成發光制品陣列的方法包括 提供陣列發光二極管，其中每個發光二極管包括一個pn結、 一個發光 表面和一個圖案化電極，所述圖案化電極至少部分地設置在發光表面 內,并將提取器光輸入表面陣列光學耦合到發光二極管陣列。至少選定 的圖案化電極被至少部分地設置在對應的pn結和對應的提取器之間。
通過下列詳細說明以及附圖，根據本發明的方法和制品的這些方 面和其他方面對于本領域的普通技術人員來說將變得顯而易見。


結合附圖考慮本發明各個實施例的以下具體實施方式
可能會更完 全地理解本發明，其中
圖1為示例性發光制品的示意性側視截面圖； 圖2A-2C為示例性的電極圖案；
圖3為發光制品的示例性陣列的示意性側視截面圖；圖4為示出制造發光制品步驟的框圖5A-5C為根據圖4中所示步驟制備的發光制品的示意性側視截 面圖；以及
圖6為另一個示例性發光制品的示意性側視截面圖。
雖然本發明可具有多種修改形式和替代形式，但其具體形式已經 在附圖中以舉例的方式示出，并且將進行詳細的描述。然而應當理解，
其目的不是將本發明限制于所描述的具體實施例。相反，其目的在于 涵蓋屬于本發明的精神和范圍之內的所有修改形式、等同形式和替代 形式。附圖中多種元件的尺寸是近似的，并可能不符合比例。
具體實施例方式
本發明整體涉及高效發光制品以及形成該高效發光制品的方法。 具體地講，本發明涉及具有電極的發光制品，所述電極至少部分地設 置在發光晶粒或發光二極管表面內。這些電極有利于發光晶粒或發光 二極管表面與光學元件或提取器的光學耦合。在多個實施例中，發光 晶粒或發光二極管的表面中的電極為圖案化電極，從而在整個發光晶 粒或發光二極管的表面得到均勻的電流。這種圖案化電極允許發光晶 粒或發光二極管的大部分表面無阻擋。
除非另外指明，否則在所有情況下，在說明書和權利要求書中使 用的表述特征尺寸、數量和物理特性的所有數字應被理解為在所有情 況下均由術語"約"來修飾。因此，除非有相反的說明，否則上述說 明書和所附權利要求書中提出的數值參數均為近似值，并且能夠隨本 領域技術人員利用本文所公開的教導內容得到的所需特性的不同而有 所不同。
由端點表述的數值范圍包括該范圍內所包含的所有數字(例如，1 至5包括1、 1.5、 2、 2.75、 3、 3.80、 4和5)以及該范圍內的任何范 圍。
7除非所述內容明確指出，否則本說明書和所附權利要求中使用的 單數形式"一"、"一個"和"所述"涵蓋了具有多個指代物的具體 情況。除非所述內容明確指出，否則本說明書和所附權利要求中使用 的術語"或"的含義通常包括"和/或"。
圖1為示例性發光制品100的示意性側視截面圖。發光制品100
包括光學耦合到光學元件或提取器140的發光晶粒或發光二極管110。 提取器140包括光學耦合到發光晶粒或發光二極管110的發光表面111 的光輸入表面141。光輸入表面141和發光表面111之間的界面為發光 界面145。圖案化電極130被連接到不在發光界面145內的一個或多 個粘合片135。
當由兩表面(141和111)之間的距離限定的最小間隙不大于倏逝 波時，認為提取器140光學耦合到發光表面111。在多個實施例中，間 隙為具有小于100nm、或50nm、或25nm厚度的氣隙。另外，間隙在 發光表面111和光輸入表面141 (即，發光界面145)之間的接觸區域 上基本上是均勻的，并且發光表面111和光輸入表面141都具有小于 20nm，或小于10nm，或小于5nm的粗糙度。在有限的間隙的情況下， 可以通過在發光表面111和光輸入表面141之間加入光導層實現或增 大光學耦合。在一些實施例中，光導層可以為將發光表面111粘合到 光輸入表面141的光導粘合層。光導粘合層可以為透射光的任何合適 的粘合劑，例如包括透明粘合劑層、無機薄膜、熔融玻璃粉或其他類 似粘合劑。粘合構造的另外實例例如在美國專利公布No. 2002/0030194 中有所描述，它以與本發明不沖突的程度并入本文中。在其他實施例 中，提取器140以非粘合的構造被光學耦合到發光表面111，如美國 專利公布No. 2006/0091784中描述的那樣。光導層可以包括折射率匹 配的油和具有類似光學特性的其他液體或凝膠。
發光晶粒或發光二極管110可以包括多個層或層的疊堆。疊堆包括半導體層和能夠發光的活性區域。發光晶粒或發光二極管110包括n 型導電性的第一半導體層113(n層)和p型導電性的第二半導體層112 (p層)。半導體層113和112電連接到活性區域114。例如，活性區 域114為與層113和112的界面相關的pn結。作為另外一種選擇，活 性區域或pn結114包括摻雜n型或p型或未摻雜的一個或多個半導體 層。活性區域或pn結114也可以包括量子阱。第一觸點或電極(p電 極)130和第二觸點或電極(n電極)120分別電連接到半導體層112 和113。 一旦在電極130和120上施加合適的電壓，活性區域或pn結 114就發射光。在可選的具體實施方式
中，層113和112的導電類型顛 倒。也就是說，層113為p型層，電極120為p電極，層112為n型 層，并且電極130為n電極。在另一個可選的具體實施方式
中，用于n 電極和p電極兩者的粘合片可以從半導體層的疊堆的發光側接觸。疊 堆也可以包括緩沖層、熔覆層、粘合層、導電或非導電基底，例如在 本領域中已知的。
半導體層113和112以及活性區域或n-p結114可以由III-V族半 導體(包括但不限于A1N、 A1P、 AlAs、 AlSb、 GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 InN、 InP、 InAs、 InSb) 、 II-VI族半導體(包括但不限于ZnS、 ZnSe、 CdSe、 CdTe) 、 IV族半導體(包括但不限于Ge、 Si、 SiC)以及它們 的混合物或合金形成。這些半導體在發光制品(其中存在這些半導體) 的典型發射波長處具有約2.4至約4.1范圍內的折射率。例如，III-氮化 物半導體(例如GaN)在500nm具有約2.4的折射率，并且III-磷化物 半導體(例如InGaP)在600nm具有約3.6至約3.7的折射率。
在一個具體實施方式
中，電極130和120為金屬觸點，該金屬觸 點由一個或多個金屬層形成，金屬包括(但不限于)金、銀、鎳、鋁、 鈦、鉻、鉑、鈀、銠、錸、釘、鎢以及其混合物或合金。在另一個具 體實施中，電極130和120的一個或二者由透明導體(例如氧化銦錫、 氧化鋅和氧化的金屬合金)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固態溶液形成對p型層GaN的低電阻和透明歐 姆接觸)，《應用物理學快報》，83(17):3513-3315 (2003)中所描述。
設置在提取器140 (如下所述)和n-p結114之間的電極130為圖 案化電極。該圖案化電極130至少部分地設置在發光表面111和半導 體層112內。在多個實施例中，圖案化電極130和發光表面111形成 共面的表面。在一些實施例中，圖案化電極130的至少一部分完全位 于發光表面111的下面，使得圖案化電極頂部表面位于發光表面111 的下面，然而，該電極頂部表面的一部分仍然與發光表面111共平面 (例如未填充溝槽)。圖案化電極130的至少一部分延伸超出發光界 面145或在發光界面外部，以允許與電源(未示出)電耦合。因此， 在圖1中的圖案化電極130從頁面延伸出來而超過發光界面145。
在發光表面111和半導體層112內部，圖案化電極130可以具有 任何可用的構造。圖案化電極130會形成對n-p結114大致均勻的電流 分配，而同時允許發光表面111的很大一部分不被通常不透明電極所 阻擋。圖案化電極130可以由任何可用圖案限定。常規的電極設計規 則和若干可用的電極圖案在美國專利No.6，307，218中有所描述。圖案 化電極130也可以用作線柵偏振片，如美國專利公布No. 2006/0091412 中所述。在可供選擇的實施例中，圖案化電極130可以包括規則性的 或準規則性的微結構，使得在半導體層和金屬圖案化電極之間的界面 處支承的表面等離子激元模式基本上分散為從半導體層的平面傳播的 光，如在美國專利公開No. 2005/0269578中描述的。例如，圖案化電 極可以具有方形或三角形晶格，如美國專利公布No. 2006/0226429中 所述。
圖案化電極130電連接到一個或多個當提取器光學耦合到發光表 面時仍然暴露的粘合片135。粘合片135通常比圖案化電極130厚且適 用于引線結合(如球粘合或楔粘合)，或用于焊接、用于與導電介質 附接。制造約束一般決定粘合片135的尺寸為約0.075X 10—s至0.2X
10圖2A-2C為在圖1中示出的發光制品的俯視圖并且示出若干可用 的電極圖案，例如包括螺旋和交叉指型(interdigitated)圖案。這些視 圖還示出圖案化電極130的一部分延伸超出發光界面145。
提取器140為透明的并且優選的具有高折射率的光學元件。提取 器140的適用材料包括例如無機材料諸如高指數玻璃(如可得自美國 紐約艾姆斯佛德市肖特北美公司(Schott North America, Inc.)商品名為 LASF35的LASF35型肖特玻璃)和陶瓷(如藍寶石、氧化鋅、氧化鋯、 金剛石和碳化硅)。藍寶石、氧化鋅、金剛石和碳化硅尤其是有用的， 因為這些材料另外具有相對高的熱導率(0.2-5.0W/cmK)。其他可用 的玻璃包括新型鋁酸鹽和鈦酸鹽玻璃，例如在美國專利申請No. 11/381 ，518(Leatherdale等人)，名稱為LED EXTRACTOR COMPOSED OF HIGH INDEX GLASS (由高折射率玻璃構成的LED提取器)中所 述的那些玻璃。還可以想到高折射率聚合物或納米粒子填充聚合物。 合適的聚合物可以為熱固性或熱塑性的。熱塑性聚合物可以例如包括 聚碳酸酯和環狀烯烴聚合物。熱固性聚合物可以例如包括丙烯酸類樹 脂、環氧樹脂、硅樹脂等。合適的納米粒子包括氧化鋯、二氧化鈦、 氧化鋅和硫化鋅。
提取器140示為具有發散形式；然而，提取器140可以具有任何 可用的形狀，例如發散、會聚(如錐形)或其他光偏轉形狀，例如透 鏡。如在美國專利公開No. 11/381,324 (Leatherdale等人)，名稱為LED PACKAGE WITH CONVERGING OPTICAL ELEMENT (具有會聚光學 元件的LED組件)中描述了會聚式提取器。會聚式提取器具有至少一 個匯聚側邊、基部和頂端，并且頂端至少部分地設置在基部上并且具 有小于基部表面積的表面積，并且至少一個會聚側邊從基部向頂端會 聚。會聚式提取器的形狀可以為錐形、多面的、類似楔形、類似錐形 等，或它們的某種組合。基部可以具有任何形狀(如方形、圓形、對稱、非對稱、規則或不規則)。頂端可以為點、線或平的或圓形表面， 并且其位于基部上，或保持居中或從基部的中心偏移。對于會聚式提
取器，基部通常鄰近LED晶粒設置并且一般與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。如在美國專利公開No. 2006/0091784，名稱為LED PACKAGE WITH NON-BONDED OPTICAL ELEMENT (具有非粘合光學元件的 LED組件)中描述了發散式提取器。發散式提取器具有至少一個發散 側邊、輸入表面以及大于輸入表面的輸出表面。發散式提取器一般以 錐形的形式成形。就會聚式提取器來說，發散式提取器的輸入表面通 常最緊鄰LED晶粒設置并且一般平行于LED晶粒。另外，輸入表面和 LED晶粒可以在尺寸上基本匹配，或輸入表面可以小于或大于LED晶 粒。在美國專利No. 7，009，213 B2和US6，679,621 B2中描述了發散式提 取器的其他實例。
提取器140的折射率(n。)優選地類似于發光表面111的折射率 (ne)。在一些實施例中，兩者之間的差值不大于0.2 (|n。-ne|《0.2)。 在一些實施例中，提取器140的折射率(n。)等于發光表面111的折射 率(ne)。
雖然附圖示出具體的發光制品結構，但是本發明與發光制品100 中的半導體層的結構和數目無關，并且與活性區域或np結114的詳細 結構無關。另外，發光制品100可以包括例如透明基底和未在圖1中 示出的覆蓋層。此外，在多張圖中示出的發光制品100的多種元件的 尺寸未按比例繪制。
圖3為發光制品200的示例性陣列的示意性側視截面圖。發光制 品200陣列包括光學耦合到光學元件陣列或提取器240的多個發光晶 粒或發光二極管210。術語"陣列"指的是多個接合或互連的制品。
如圖3所示，發光晶粒或發光二極管210陣列通過通用基底(例如半導體晶片)連接。提取器240陣列通過通用基底(例如基底層250) 連接。通過光學耦合晶粒210陣列與提取器240陣列形成多個發光制 品200，提供了許多益處，例如容易地制造大量發光制品200。
多個提取器240每一個包括光學耦合到對應發光晶粒或發光二極 管210的對應的發光表面211的光輸入表面241。光輸入表面241和對 應的發光表面211之間的各界面為發光界面245。
各發光晶粒或發光二極管210包括多個層或層的疊堆。疊堆包括 半導體層和能夠發光的活性區域。各發光晶粒或發光二極管210包括 第一半導體層213 (如上所述)以及第二半導體層212 (如上所述)。 半導體層213和212電連接到活性區域214或pn結214，如上所述。 第一觸點或電極230和第二觸點或電極220分別電連接到半導體層212 和213。粘合片235在沒有被提取器240覆蓋的發光表面211的區域中 與圖案化電極230電接觸。
設置在提取器240和n-p結214之間的電極230為圖案化電極， 如上所述。該圖案化電極230至少部分地設置在發光表面211和半導 體層212內，如上所述。
圖5A-5C為根據圖4中示出的步驟制造的發光制品的示意性側視 截面圖。圖4的步驟310和對應圖5A示出在發光表面111形成凹陷 115的圖案。相對于圖l在上面描述了發光晶粒或發光二極管110元件。
凹陷115的圖案可以通過任何可用的方法形成，例如機械燒蝕、 激光燒蝕、蝕刻、光刻法或納米壓印光刻技術。形成凹陷115使用的 蝕刻方式包括例如反應式離子刻蝕和電感耦合反應式離子刻蝕。
圖4的步驟320和對應圖5B示出在凹陷115的圖案中設置的導電 材料，以形成至少部分地設置在發光表面111內的圖案化電極130。圖示實施例示出圖案化電極130和發光表面111形成共面的表面，其中
圖案化電極130基本上設置在半導體層112內部和發光表面111下面。
可以以任何方式將導電材料設置在凹陷115的圖案內，例如無電 鍍金屬沉積、物理氣相沉積、化學氣相沉積法、金屬電鍍以及它們的 組合。在一些實施例中，導電材料被設置在凹陷115的圖案內并在發 光表面111上形成導電層(未示出)，然后清除導電層，留下圖案化 電極130。可以通過一個或多個金屬層將凹陷115的圖案金屬化。在一 個示例性實施例中，對于n-層半導體，用于III氮化物裝置的圖案化電 極可以包括鈦和鋁(鈦在鋁下面)；對于p-層半導體，可以包括鈀、 鋁和金(鈀在鋁下面，鋁在金下面)。
凹陷115的圖案填充導電材料形成圖案化電極130后，發光表面 111和/或圖案化電極130可以任選地通過任何一種或多種技術組合來 平面化。這些技術例如包括化學機械拋光、研磨槳液拋光以及固結磨 料拋光。這些技術會形成發光表面111和/或粗糙度小于20nm的圖案 化電極130，如上所述。
圖4的步驟330和對應圖5C示出將提取器140的光輸入表面145 光學耦合到發光表面111。光學耦合可以以任何可用的方式實現，如上 所述。
示例性發光制品包括所謂的"金屬粘合"或由半導體層組成的薄 膜LED,所述半導體層已從其生長基底移除并利用共晶金屬粘合或其 他晶片粘合方法粘合到導電載體。圖6示出利用居間金屬反射器和金 屬粘合層120粘合到導電載體180的m氮化物半導體層112、 113、 114 的疊堆。p-層113與金屬粘合層120相鄰。活性區域114與金屬反射器
120分開約0.5^n和約0.9 ^n的距離，其中入n為由活性區域114發射
的輻射波長。n-層112具有填充有一個或多個金屬層的凹陷圖案，所述 金屬層在n-層112內形成圖案化電極130。圖案化電極130被電連接到
14一個或多個粘合片135。 n-層112可以比p-層113顯著更厚。折射率等 于發射表面111折射率的提取器140沿著發光界面145被光學耦合到 發光表面111。
返回到圖3，可以按上述方法形成發光制品200陣列以用于形成單 個發光制品100，方法是通過提供多個晶片形式的發光晶粒或發光二極 管210，在晶粒210內形成多個圖案化的凹陷，在至少選定的圖案化凹 陷內設置導電材料以形成圖案化電極230，任選地平面化多個發光表面 211并將提取器240陣列光學耦合到晶粒210陣列，如上所述。發光制 品200陣列可以任選地沿著區域201由任何可用的方法(例如，研磨 鋸、激光劃片和濕法蝕刻或干法蝕刻)分離為單個發光制品。
討論了本發明涉及的示例性實施例，并涉及到了本發明范圍內可 能的變型。在不偏離本發明范圍的前提下，對于本領域的技術人員來 說，本發明的上述和其他變化和修改形式將是顯而易見的，而且應當 理解，本發明不局限于本文闡述的示例性實施例。因此，本發明僅受 下面所附權利要求書的限制。
權利要求
1. 一種發光制品，包括發光二極管，所述發光二極管包括pn結、發光表面和圖案化電極；和提取器，所述提取器具有光輸入表面，該光輸入表面光學耦合到所述發光表面，形成發光界面；其中所述圖案化電極至少部分地設置在所述發光表面內以及所述pn結和所述提取器之間。
2. 根據權利要求1所述的發光制品，其中所述發光表面為n電極 或p電極。
3. 根據權利要求1至2中任一項所述的發光制品，其中所述發光 表面和所述圖案化電極形成共面的表面。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的發光制品，其中所述發光 表面的粗糙度小于20nm。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的發光制品，其中所述圖案 化電極具有交叉指型圖案或螺旋圖案。
6. 根據權利要求1至5中任一項所述的發光制品，其中所述圖案 化電極的至少一部分延伸超出所述發光界面。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的發光制品，還包括由所述 發光表面和所述提取器之間的距離限定的間隙，所述間隙小于100nm。
8. 根據權利要求1至7中任一項所述的發光制品，還包括光導粘 合層，該光導粘合層將所述發光表面粘合到所述提取器。
9. 一種形成發光制品的方法，包括提供包括pn結、發光表面和圖案化電極的發光二極管，所述圖案化電極至少部分地設置在所述發光表面內；以及將提取器的光輸入表面光學耦合到所述發光表面，其中所述圖案化電極至少部分地設置在所述pn結和所述提取器之間。
10. 根據權利要求9所述的方法，還包括 在所述發光表面內形成凹陷圖案；以及將導電材料設置在所述凹陷圖案中以形成至少部分地設置在所 述發光表面內的圖案化電極。
11. 根據權利要求9至IO中任一項所述的方法，還包括-在所述設置步驟之后將所述圖案化電極和所述發光表面平面化，以形成表面粗糙度小于20nm的共面發光表面。
12. 根據權利要求9至11中任一項所述的方法，其中所述光學耦 合步驟包括利用光導粘合層將所述光輸入表面粘合到所述發光表面。
13. —種發光制品陣列，包括多個發光二極管，每個發光二極管包括pn結、發光表面和圖案 化電極；和多個提取器，每個提取器具有光學耦合到對應的發光表面的光輸 入表面；其中至少選定的圖案化電極至少部分地設置在所述對應的發光 表面內以及對應的pn結和對應的提取器之間。
14. 根據權利要求13所述的發光制品的陣列，其中至少選定的發 光表面和圖案化電極形成共面的表面。
15. —種形成發光制品陣列的方法，包括提供發光二極管陣列，其中每個發光二極管包括pn結、發光表 面和至少部分地設置在所述發光表面內的圖案化電極；和將提取器光輸入表面陣列光學耦合到所述發光二極管陣列，其中 至少選定的圖案化電極至少部分地設置在對應的pn結和對應的提取器之間。
16. 根據權利要求15所述的方法，還包括 在至少選定的發光表面中形成凹陷圖案；以及 將導電材料設置在凹陷圖案中以形成至少部分地設置在至少選定的發光表面內的圖案化電極。
17. 根據權利要求16所述的方法，還包括在所述設置步驟之后將至少選定的電極和發光表面平面化，以形成表面粗糙度小于20nm的共面的發光表面。
18. 根據權利要求15至17中任一項所述的方法，其中所述提供 步驟包括提供晶片形式的發光二極管陣列。
19. 根據權利要求15至18中任一項所述的方法，還包括將所述 發光制品陣列分離為單個發光制品以形成多個發光制品。
20. 根據權利要求15至19中任一項所述的方法，其中所述光學 耦合步驟包括用光導粘合層將所述光輸入表面陣列粘合到所述發光表 面的陣列。
全文摘要
本發明公開一種發光制品(100)并且所述發光制品包括具有pn結、發光表面(111)和圖案化電極(130)的發光二極管(110)。具有光輸入表面(141)的提取器(140)被光學耦合到所述發光表面，形成發光界面(145)。所述電極至少部分地被形成在所述發光表面內和所述pn結和所述提取器之間。
文檔編號H01L33/58GK101536202SQ200780042789
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月15日 優先權日2006年11月17日
發明者凱瑟琳·A·萊瑟達勒, 安德魯·J·烏德科克 申請人:3M創新有限公司