专利名称：提高大功率发光二极管光提取效率的方法
技术领域：
本发明涉及一种大功率发光二极管，特别涉及一种提高大功率发光二极管(LED)光提取效率的方法。 技术背景发光二极管(LED)是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光 器件，因其具有特殊的物理和化学性能而备受关注。如高效节能，工作电压低，耗电量小，耗电为白炽灯的八分之一、荧光灯的二分之一；使用寿命长 达十万小时，是白炽灯的二十倍、荧光灯的10倍；无汞、铬等有毒重金属 元素，易回收，实现真正的绿色照明；结构简单，体积小，重量轻，发光响 应时间短，光色纯；可靠性高，安全，抗震等优点，具有强大的市场潜力， 被业界认为是照明光源市场的主要方向。LED的内量，子效率和外量子效率决定着LED总的出光效率和器件亮度。 传统光源中，日光灯的发光效率为60 100 lm/W，高压钠灯的发光效率为 60 1201m/W，而大功率氮化镓(GaN)基白光LED(蓝光+荧光粉)的发光 效率目前世界上最高也只有近1001m/W，普通的只有30 501m/W。因此， 若想用LED取代现有的照明光源，还需进一步提高其效率。从LED发光原 理来看，LED效率(外量子效率)主要由注入效率、内量子效率和光提取效 率三者的乘积来决定。其中，注入效率与材料结构和器件串联电阻有关，内 量子效率主要由晶体生长的质量、量子阱的结构和器件制作过程中对有源层的损伤等因素决定。目前在室温下，GaN基LED的内量子效率较低，只有 30%左右，而GaN基大功率LED的光提取效率更低，只有10%左右，使得 GaN基大功率LED的效率小于10。％，有90%左右的光不能导出而在器件中 以热形式消耗掉，造成电能浪费，更严重的是使器件发热、升温致使LED 光效剧降，同时芯片、焊线和封装材料等严重老化，缩短寿命，光提取效率 低是使LED光效低、寿命縮短的主要因素。光提取效率低是由于GaN材料与衬底(蓝宝石、碳化硅等)和空气的 折射率差较大，光在界面处存在全反射和菲涅尔衍射等光学损耗，在LED 发光表面只有局域在全反射角内的极少一部分光能够出射，多数光将被反射 回LED内部，造成有源区发射出的光又被器件材料和电极等多次吸收而转 换成热，致使LED光提取效率极低。因此，人们用各种办法来减少和消除 这些因素的影响，主要有以下几个方面1) 表面粗化技术，在N型或P型GaN材料表面、透明电极表面或是蓝宝 石衬底表面，用湿法腐蚀或干法刻蚀的办法做上纳米级的微小突起，光在微 小突起处发生散射，散射光角度分布的随机性使一部分光从表面出射出来。 这种方法对提高LED出光效率作用有限，而且不容易进行粗糙表面设计和 出光效率预测。2) 倒金字塔型结构，将LED器件的侧面做成斜面可有效地减少器件与空 气界面处的全反射，但LED顶部出光面还是平面，仍存在较大的全反射角， 没有从根本上破坏全反射条件。而且对于蓝宝石衬底的GaN基LED来讲， 蓝宝石的硬度非常大，制作斜倾角比较困难。3) 生长分布布拉格发射层(DBR)结构，在LED有源层与衬底之间4.长 高反的DBR层形成谐振腔，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，减少 衬底对光的吸收，提高出光效率。这种方法也没有从根本上破坏全反射条件， 对LED出光效率提高不大，而且生长DBR层在工艺上比较复杂，生产成本 会有较大提高。4) 光子晶体LED，在GaNLED上制作二维光子晶体，控制光的传播方向， 提高光提取效率，可以提高63%。但光耦合进入光子晶体的效率较低，从而 影响整体出光效率的提高，而且该耦合效率目前还没有完整的工具进行很容 易的预测。此外，光子晶体制作困难，很难加工得理想，成本很高，只适合 于实验室研究而不利于高亮度LED的规模化生产。发明内容本发明的目的是针对己有技术中存在的缺陷,提供一种提高氮化镓GaN 基大功率发光二极管光提取效率的方法。本发明主要包括发光二极管LED'芯片、导光层、衬底，其特征在于 所述正装或倒装的LED芯片生长过程中或生长完成后加工一个导光层结构， 导光层的厚度为大于3微米。在LED芯片表面键合的导光层其厚度为大于3 微米。导光层上设有三维微结构阵列。正装结构LED芯片生长完成后，在P 型氮化镓(GaN)层上外延一层大于3微米厚的P型GaN或本征GaN作为导 光层，并在导光层上制作三维微结构阵列。倒装结构LED芯片在生长过程 中，增厚N型GaN层的厚度3微米以上，用该GaN层作为导光层，芯片生 长完成后，剥离衬底，在厚N型GaN层上制作三维微结构阵列。无论正装或倒装结构LED芯片(衬底剥离后)，外延生长完成以后，采用薄膜沉积工艺或晶片键合再减薄的方式在芯片表面加工一个微米级厚度的导光层，导光层的材料对蓝光有高透过率，折射率近似或大于GaN折射率值并且易于进 行微加工。晶片键合的方式为阳极键合或低温活化直接键合。在导光层上的 三维微结构阵列包括部分球体或部分椭球体或菱形或梯台或长方体或正方 体或四面体，但不限于上述几种结构，所述导光层包括基于GaN、 GaAs、 GaP材料的大功率发光二极管。本发明的优点是采用LED芯片加工一个导 光层，导光层上设有三维微结构阵列，有效地提高了发光二极管的光提取效 率，增加发光二极管的寿命，减低了生产成本。
图1普通正装结构P型GaN基LED的结构示意图；图2正装结构P型GaN基LED加工有导光层的结构示意图；图3a倒装结构N型GaN基LED的结构示意图；图3b倒装结构N型GaN基LED剥离衬底后，在该N型GaN层上加工有导光层的结构示意图； 图4采用晶片键合方法的LED的结构示意图。11 P型GaN、 12有源层、13 N型GaN、 14蓝宝石衬底或SiC衬底、21 P型GaN、 22有源层、23N型GaN、 24蓝宝石衬底或SiC衬底、25含三维 微结构阵列的p型GaN或本征GaN、 31 P型GaN、 32有源层、33 N型GaN、 34蓝宝石衬底或SiC衬底、35导热衬底、41含三维微结构的导光层、42正 装或倒装LED芯片pn结、43蓝宝石衬底或SiC衬底或导热衬底具体实施方式
下面结合附图进一步说明
具体实施例方式参见图1,本发明目的是发明一种提高GaN基大功率发光二极管光提取 效率的方法。用GaN基大功率LED芯片生长过程中或生长完成后引入导光 层结构，并在该导光层上制作三维微结构阵列，减小界面处全反射，引导从 有源层发射的光更多地从导光层表面出射，提高LED芯片的出光效率。对 于正装结构LED芯片，在P型GaN 11层上再二次外延一层大于3微米厚 的P型GaN或本征GaN作为导光层。对于正装结构LED芯片，由于GaN基大功率LED的P型GaN 11层较 薄，只有0.2微米左右，其上不能做3微米及更深的三维结构来大幅提高出 光效率，为了能在P型GaN 11的面上制作3微米及更深的三维微结构阵 列25，根据本发明的方法，用二次外延的方式在P型GaN 11表面再生长一 层大于3微米厚的P型GaN或本征GaN层作为导光层25。由于P型GaN 11 的折射率与本征GaN的基本一样(都在2.4附近)，使得有源层22发出的光 几乎全部进入导光层25，然后在导光层25上制作三维微结构阵列，减少光 在导光层25与外界物质(胶或空气)界面处的全反射，提高出光效率。在导光层25上，用刻蚀的方法在制作微结构阵列，微结构阵列为部分 球体或部分椭球体或菱形或梯台或长方体或正方体或四面体阵列，但不限于 上述几种结构。在导光层25上制作微米级的微结构阵列， 一方面可以通过 设计微结构表面的曲率函数，减小大部分从有源层22发出的光在界面处的 入射角，从根本上破坏出光界面处的全反射条件，大大提高出光效率。另一方面，微米级的微结构与纳米级的相比，便于设计、计算预测与工艺实现,图中23为N型GaN、 24为蓝宝石衬底或SiC衬底。参见图2 。 实施例2实施例2与实施例1相同，所不同的是LED芯片采用倒装结构，对于倒 装结构LED芯片根据本发明的方法，在外延过程中增厚N型GaN 33层的 厚度3微米以上，用增厚N型GaN 33层作为导光层，由于折射率几乎一 样，有源层32发出的光可顺利进入该导光层。经衬底34剥离后，在增厚的 导光层上可以制作微米级的三维微结构阵列而不破坏有源层32结构，该三 维微结构可大大减少光在导光层与外界物质(胶或空气)界面处的全反射， 提高出光效率，并把芯片键合到新的导热衬底35上。图中31为P型GaN。 参见图3a、图3b。 实施例3实施例3与实施例1、实施例2相同，所不同的是无论对于正装还是倒装 (衬底剥离后)结构LED芯片，根据本发明的的方法，都可以用晶片键合 (wafer bonding)的方法在芯片表面键合上一层大于3微米厚的其他材料41 作为导光层，该材料对蓝光有高透过率，折射率近似或大于GaN并且易于 进行微结构加工，这样有源层发出的光几乎全部进入导光层41，然后在导光 层41上制作三维微结构阵列并把芯片键合到新的蓝宝石衬底或SiC衬底或 导热衬底43上。图中42为正装或倒装LED芯片pn结。参见图4。
权利要求
1. 一种提高大功率发光二极管光提取效率的方法，主要包括发光二极管(LED)芯片、导光层、衬底，其特征在于所述正装或倒装的LED芯片生长过程中或生长完成后加工一个导光层结构，导光层上设有三维微结构阵列。
2. 根据权利要求1所述的一 种提高大功率发光二极管光提取效率的方法， 其特征在于所述在LED芯片表面加工的导光层其厚度为大于3微米。
3. 根据权利要求1所述的一种提高大功率发光二极管光提取效率的方法， 其特征在于所述正装结构LED芯片生长完成后，在P型氮化镓(GaN) 层上外延一层大于3微米厚的P型GaN或本征GaN作为导光层，并在 导光层上制作三维微结构阵列。
4. 根据权利要求1所述的一种提高大功率发光二极管光提取效率的方法， 其特征在于所述倒装结构LED芯片在生长过程中，增厚N型GaN层的 厚度3微米以上 用该GaN层作为导光层，芯片生长完成后，剥离衬底， 在厚N型GaN层上制作三维微结构阵列。
5. 根据权利要求1所述的一种提高大功率发光二极管光提取效率的方法， 其特征在于所述无论正装或倒装结构LED芯片衬底剥离后，外延生长完 成以后，采用薄膜沉积工艺或晶片键合再减薄的方式在芯片表面加工一个 微米级厚度的导光层，导光层的材料对蓝光有高透过率，折射率近似或大 于GaN折射率值并且易于进行微加工。
6. 根据权利要求5所述的一种提高大功率发光二极管光提取效率的方法，其特征在于所述晶片键合的方式为阳极键合或低温活化直接键合。
7. 根据权利要求1所述的一种提高大功率发光二极管光提取效率的方法， 其特征在于所述在导光层上的三维微结构阵列包括部分球体或部分椭球 体或菱形或梯台或长方体或正方体或四面体。
8. 根据权利要求1所述的一种提高大功率发光二极管光提取效率的方法，其特征在于所述导光层包括基于GaN、 GaAs、 GaP材料的大功率发光 二极管。
全文摘要
提高大功率发光二极管光提取效率的方法，主要包括发光二极管(LED)芯片、导光层、衬底，其特征在于所述正装或倒装的LED芯片生长过程中或生长完成后加工一个导光层结构，导光层上设有三维微结构阵列。本发明的优点是采用LED芯片引入导光层的结构，导光层上设有三维微结构阵列，有效地提高了发光二极管的光提取效率，增加发光二极管的寿命，减低了生产成本。
文档编号H01L33/00GK101257068SQ20071003779
公开日2008年9月3日 申请日期2007年3月2日 优先权日2007年3月2日
发明者胜 刘, 恺 王, 甘志银, 罗小兵, 陈明祥 申请人:甘志银