专利名称：带有耦合输出结构的发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有一个耦合输出结构以提高效率的发光二极管(LED)。
在传统的发光二极管中，产生辐射的部位通常作为活性层位于一个整体层平面之上或者层平面的一个条状区域之上。通常在结构元件的前面有一个连接触头(焊点)用于电流注入。对应电极可以作为全平面触头金属化涂装在基底的背面上或者通过一个在产生辐射的条旁边装在前面的触头构成，该触头通过适当安置的导电掺杂区与活性层的下面相连。在表面发光的发光二极管中或者在棱边和表面发光的发光二极管中，可以在前面设置一个耦合输出层，该耦合输出层能够改善光从芯片的耦合输出。
所产生的辐射应尽可能地直接从发光二极管耦合输出。因为半导体材料的折射率(通常为3.5)比周围的空气或者与该半导体材料相邻的另一种材料的折射率(例如树脂，其折射率通常为1.5)高，在射线入射到界面上不够陡时会出现全反射。射线在半导体材料中多次反射直到辐射功率大大降低后才离开发光二极管。在长方六面体的商业通用发光二极管中，射线不在相对垂线的全反射临界角例如大约25.38°内入射到界面上，从而会在相对峙的界面之间以该同一角度多次反射，然后在触头部位或者活性区部位或者基底中被吸收。在发光二极管上面涂装一层厚的半导体层产生了这样一种结构，即射线很大可能以一个对于射线从半导体材料射出来说足够陡的角度入射到结构元件的侧面(棱边)上。
在GB 2 326 023 A中描述了一种产生辐射半导体结构元件，其中外部的侧面与活性层平面形成一个斜角。由此实现了所产生的辐射在侧面发生全反射时转到一个基本垂直于结构元件平表面的射线方向，从而射线可以从这里射出。因此所产生的辐射大部分在至多一次全反射之后就从发光二极管耦合输出，这提高了光效率。
US 5,087,949中公开了一种带有侧面斜切的半导体的发光二极管。这种n型掺杂的半导体对辐射透明并在背面上设有一层p型导电掺杂的层。在pn-结中的电流注入通过前面和背面的触头实现。背面的触头限制在p型掺杂的层的一个很小的中间部位，除该层之外通过一个绝缘层隔开。这样电流电路限制在二极管的中间部位。因此只有在该中间部位产生的辐射才到达发光二极管的前面并以很陡的角入射到半导体内的斜侧面上，使得辐射能够迅速地从半导体耦合输出。
本发明的任务是提供一种改善了辐射输出的发光二极管。
该任务是用一种具有权利要求1所述特征的发光二极管解决。优选设计方案由从属权利要求给出。
在本发明的发光二极管中，在上表面有一个结构化的耦合输出层。耦合输出层的侧边与层平面成一个45°到88°之间的角，最好是60°到88°之间。耦合输出层有多个相互错置的用于辐射射出的耦合输出部位。这些耦合输出部位可以分别限定为圆形并与耦合输出层的平坦上界面和下界面构成扁平的截锥。活性层的产生辐射的部位最好限制在这样的区域，这些区域在垂直于层平面的投影面中分别处于相关耦合输出部位的圆形限制内部。如果产生辐射的部位不以这种方式或类似方式受限制，则耦合输出层的侧面在耦合输出部位的边缘最好具有交替的锐角和钝角或者具有锥形逐渐变细的锯齿或者具有隆起和凹坑。
下面借助附图中所示的实施例详细描述发光二极管。图示为
图1发光二极管的一个实施例的简化剖面图；图2另一种实施例的顶视图；图3表示耦合输出效率与侧面角关系的曲线图。
图1中示出了一种发光二极管，其中在一个例如用砷化镓(GaAs)制成的基底上有一个层结构，该层结构在本实施例中包括一个限流层2、一个外护层3、一个活性层4、一个覆盖层5和一个耦合输出层6。在基底的背面有一个背面触头11用于电流注入；在耦合输出层6的上面有一个接触面9，该接触面借助各自的引线8连到配属于各耦合输出部位的触头7。
在这些触头7和活性层4之间的半导体材料至少在用于产生和耦合输出辐射的部位掺杂为第一导电类型的导电性；在活性层4和背面触头11之间的半导体材料掺杂为相反的第二导电类型的导电性。活性层4可以不掺杂或者掺杂两种导电类型的每一种。基底1例如是n型导电掺杂的，覆盖层5至少在耦合输出部位60是p型导电掺杂的。覆盖层5可以在耦合输出部位之外是绝缘的。可以在发光二极管的表面上覆盖层上的耦合部位旁边涂装另一未示出的钝化层。当耦合输出层6作为活性层4的上部限制时，也可以取消覆盖层5。此外，耦合输出层6可以包围所有的或者一部分层2至5。
耦合输出层6至少在设有触头7的部位为第一导电类型(例如p+导电)高度掺杂，以实现良好的金属半导体接触。必要时可以在耦合输出层6和各触头7之间安置一个薄的高度掺杂的接触层。
耦合输出层6具有多个相互错置的耦合输出部位，在本实施例中是八个，其中侧面16呈星形锯齿状，其中耦合输出层6在每个锯齿上是锥形逐渐变细的。用这种锯齿结构或者凿沟结构实现了射线在大部分情况下都在至多一次全反射后以一个为能够从半导体材料射出而足够陡的角度入射到侧面的表面之一上。
优选的是，辐射的产生被限制在耦合输出部位内部的活性层4中或者在围绕耦合输出部位的一个很窄的区域内。这可以通过活性层只在局部构成从而辐射只在垂直于层平面的耦合部位投影中产生来实现。对辐射产生的限制在图1所示实施例中用一种全平面的活性层4通过使为电流注入活性层中而设置的触头7的横向尺寸很小来实现。此外，覆盖层可以在各耦合输出部位60之外绝缘(例如通过一种适当的植入物)或者设计为固有导电(intrinsisch leitend)并且只有在耦合输出部位具有良好的导电性。这在图1所示的剖面中通过表示覆盖层5的条中的垂直虚线示出。此处是在耦合输出层6为星形结构情况下存在的耦合输出部位60的边缘。
另一种限制电流电路的方案是借助当然不是必须存在的限流层2。限流层2具有一个设置在电流电路的边缘21之外的阻挡范围20，该阻挡范围或者为不导电的或者为第一导电类型掺杂。在后一情况下与为第二导电类型的导电性掺杂的下面的外护层3一起构成在电流方向阻挡的pn-结。
通过限制电流电路限制了在耦合输出层6的结构化部分下方部位产生辐射。为此作为举例给出a)侧向限制活性层4，b)侧向限制设置在耦合输出层上的触头7，c)一个在耦合输出部位之外绝缘的层和d)一个在耦合输出部位阻挡的pn-结。作为阻挡层也可以是一个结构化的氧化层，该氧化层例如通过局部氧化半导体层来获得。在传统结构元件中公知的其它电流限制方法同样可有利地应用在本发明的发光二极管中，以限制在耦合输出部位产生辐射。
图2示出了一种实施例的顶视图，其优选局部限制辐射产生。这里只有四个耦合输出部位，其各有一个触头7，触头7分别通过一根引线8与中央的接触面9相连。通过将活性层和/或电流电路限制在所标出的范围10上，使产生辐射的部位限制在具有陡侧面16的耦合输出层6的部分上。耦合输出部位在这里是基本圆形的，从而有关的耦合输出部分构成截锥。这些截锥的外面相对层平面具有45°到88°之间的倾斜度，最好是60°到88°之间。
耦合输出部位的各数目不是固定的。在发光二极管上可以有多个接触面9，从而在发光二极管上可以集成更多数目的耦合输出部位。这样做的优点是，耦合输出层结构可以更加精细和复杂，以实现辐射输出的更大效率。代替图1所示实施例中在耦合输出层6的边缘上具有锥形逐渐变细的锯齿的结构，也可以是一种带有相继凹凸圆整化的侧面的类似结构。对本发明的设计方案来说重要的是，耦合输出层的侧面与层平面构成的角在45°到88°之间，最好是60°到88°之间，并且至少有两个相互错置的耦合输出部位。其它方面，发光二极管的结构可以与传统结构元件相对应；具体说，可以不用一个背面触头，而在发光二极管上面安置另一个触头，该触头与外护层3或者一个相应的层导电连接。
为了说明耦合输出层与层平面构成的角的影响，在图3中以曲线图示出了耦合输出效率η与耦合输出层与层平面构成的角之间的关系，图中示出了90°到70°之间的范围。
耦合输出层与层平面构成的角在图3中用φ表示。耦合输出效率以任一单位表示。
图3示出的是根据图1所示实施例进行的计算结果。当然图3中只示出了90°到70°之间的角度范围。参照图3，借助外推法推断低于70°的角度φ可以看出，88°到60°之间的角度φ产生了特别大的耦合输出效率。当然在角度φ处于45°和88°之间的范围内时，耦合输出效率仍然很高。
权利要求
1.带有一个为产生辐射而设置的活性层(4)和两个用于电连接的触头(7，11)的发光二极管，其中活性层(4)处于为相反导电类型导电掺杂的层之间，其特征在于，在一个为辐射射出而设置的表面上有一个耦合输出层(6)，该耦合输出层通过侧面(16)限制，从而至少有两个相互错置的耦合输出层部分对应于所设置的耦合输出层(60)，侧面与耦合输出层平面构成的角度始终在45°和88°之间。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其中具有对应于所设置的耦合输出部位限制辐射产生的措施。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其中限制辐射产生的措施包括将活性层(4)侧向限制至少两个相互分开的产生辐射的部位。
4.根据权利要求2所示发光二极管，其中限制辐射产生的措施包括将各个安置在耦合输出层(6)上的触头(7)分别侧向限制在至少两个相互分开的耦合输出部位之一上。
5.根据权利要求2所述的发光二极管，其中限制辐射产生的措施包括一个在至少两个相互分开的部位中断的、在一个电流方向阻挡的pn-结。
6.根据权利要求2所述的发光二极管，其中限制辐射产生的措施包括一个在至少两个相互分开的部位中断的电绝缘层。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发光二极管，其中耦合输出层在耦合输出部位具有截锥形。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的发光二极管，其中耦合输出层(6)的侧面(16)具有星形设置在耦合输出部位的并锥形逐渐变细的锯齿。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的发光二极管，其中侧面与耦合输出层的平面所构成的角始终在60°和88°之间。
全文摘要
在一个上表面上有一个结构化的耦合输出层(6)，其带有侧面(16)，这些侧面与层平面构成一个60°和88°之间的角，并形成了对相互错置的、为辐射射出而设置的耦合输出部位的限制。耦合输出层在耦合输出部位的部分可以是扁平截锥体并在侧面形成凿沟或者锯齿，以增加以下可能性，即所产生的辐射以比全反射临界角更陡的角度入射到耦合输出层的外界面上。
文档编号H01L33/38GK1439177SQ01811993
公开日2003年8月27日 申请日期2001年5月23日 优先权日2000年6月30日
发明者N·林德, R·维尔斯, H·楚尔 申请人:奥斯兰姆奥普托半导体有限责任公司