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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Leuchtdioden (LEDs) und konkreter neue Strukturen
zur Verbesserung der Auskopplung von Licht aus LEDs.
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Beschreibung des verwandten
Fachgebiets
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Leuchtdioden
(LEDs) sind eine wichtige Kategorie von Festkörperbauelementen, die elektrische Energie
in Licht umwandeln und allgemein eine aktive Schicht eines zwischen
zwei unterschiedlich dotierten Schichten angeordneten Halbleitermaterials umfassen.
Wenn über
die dotierten Schichten eine Vorspannung angelegt wird, werden Löcher und Elektronen
in die aktive Schicht injiziert, wo sie sich rekombinieren, um Licht
zu erzeugen. Licht wird rundstrahlend von der aktiven Schicht und
von allen Oberflächen
der LED ausgestrahlt.
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In
letzter Zeit gibt es ein großes
Interesse an LEDs, die aus auf Gruppe-III-Nitrid basierenden Materialsystemen
gebildet werden, da sie eine einmalige Kombination von Materialeigenschaften
aufweisen, einschließlich
hoher Durchbruchfelder, großer Bandabstände (3.36
eV für
GaN bei Zimmertemperatur), einem großen Leitungsband-Offset und
einer hohen gesättigten
Elektronendriftgeschwindigkeit. Die dotierten und aktiven Schichten
werden typischerweise auf einem Substrat gebildet, das aus verschiedenen
Materialien wie Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und Saphir (Al
2O
3) bestehen kann.
Häufig
werden SiC-Wafer bevorzugt, da sie eine erheblich genauere Kristallgitterübereinstimmung
mit Gruppe-III-Nitriden haben, was zu Gruppe-III-Nitridfilmen von
höherer
Qualität
führt.
SiC hat ferner eine äußerst gute
Wärmeleitfähigkeit,
so dass die Gesamtausgangsleistung von Gruppe-III-Nitrid-Bauelementen
auf SiC nicht durch den Wärmewiderstand
des Wafers beschränkt
ist (wie es bei einigen auf Saphir oder Si gebildeten Bauelementen
der Fall ist). Des Weiteren stellt die Verfügbarkeit von halbisolierenden SiC-Wafern
die Kapazität
für die
Bauelementisolierung und eine verringerte parasitäre Kapazität bereit, wodurch
kommerzielle Bauelemente möglich
werden. SiC-Substrate gibt es von Cree Inc., aus Durham, North Carolina,
und Herstellungsverfahren für diese
Substrate sind in der wissenschaftlichen Literatur sowie in den
U.S. Patenten Nr. Re. 34 861 ,
4 946 547 und
5 200 022 dargelegt.
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Die
effiziente Auskopplung von Licht aus LEDs ist ein Hauptanliegen
bei der Herstellung von hocheffizienten LEDs. Die externe Quantenausbeute herkömmlicher
LEDs mit einer einzelnen Auskopplungsoberfläche ist durch die innere Totalreflexion (TIR,
englisch für „total
inner reflection")
des Lichts von dem Emissionsbereich der LED, das durch das Substrat
durchgeht, begrenzt. TIR kann durch die große Differenz des Brechungsindex
zwischen dem Halbleiter und dem Umgebungsmaterial der LED verursacht
werden. LEDs mit SiC-Substraten haben auf Grund des hohen Brechungsindex
von SiC (ungefähr 2,7),
verglichen dem Brechungsindex des Umgebungsmaterials wie Epoxid
(ungefähr
1,5), relativ niedrige Lichtauskopplungswirkungsgrade. Diese Differenz
verursacht einen kleinen Austrittskegel, aus dem Lichtstrahlen aus
dem aktiven Bereich von dem SiC-Substrat in das Epoxid geleitet
werden können und
letztendlich das LED-Gehäuse verlassen
können.
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Es
wurden verschiedene Ansätze
zur Verringerung von TIR und zur Verbesserung der Gesamtlichtauskopplung
entwickelt, von denen einer der beliebteren die Oberflächentexturierung
ist. Oberflächentexturierung
erhöht
die Lichtaustrittswahrscheinlichkeit durch Bereitstellung einer
veränderlichen Oberfläche, die
Photonen mehrere Möglichkeiten bietet,
einen Austrittskegel zu finden. Licht, das keinen Austrittskegel
findet, erfährt
weiter eine TIR und wird von der texturierten Oberfläche in unterschiedlichen
Winkeln reflektiert, bis es einen Austrittskegel findet. Die Vorteile
von Oberflächentexturierung
wurden in mehreren Artikeln erörtert.
[Siehe Windisch et al., Impact of Texture-Enhanced Transmission
an High-Efficiency Surface Textured Licht Emitting Diodes, Appl.
Phys. Lett., Vol. 79, Nr. 15, Okt. 2001, Seiten 2316–2317; Schnitzer
et al. 30% External Quantum Efficiency From Surface Textured, Thin
Film Light Emitting Diodes, Appl. Phys. Lett., Vol 64, Nr. 16, Okt.
1993, Seiten 2174–2176; Windisch
et al. Light Extraction Mechanisms in High-Efficiency Surface Textured
Light Emitting Diodes, IEEE Journal an Selected Topics in Quantum
Electronics, Vol. 8, Nr. 2, März/April
2002, Seiten 248–255; Streubel
et al. High Brightness AlGaNInP Light Emitting Diodes, IEEE Journal
an Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 8, Nr. März/April
2002].
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Das
U.S. Patent Nr. 6 410 942 , übertragen auf
Cree Lighting Company, offenbart eine LED-Struktur, die ein Array
von elektrisch miteinander verbundenen Mikro-LEDs umfasst, die zwischen einer
ersten und einer zweiten Ausbreitungsschicht gebildet werden. Wenn über die
Ausbreitungsschichten eine Vorspannung angelegt wird, strahlen die Mikro-LEDs
Licht aus. Das Licht von jeder der Mikro-LEDs erreicht eine Oberfläche, nachdem
es lediglich eine kurze Entfernung zurückgelegt hat, wodurch die TIR
verringert wird.
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U.S. Patent Nr. 6 657 236 ,
ebenfalls auf Cree Lighting Company übertragen, offenbart Strukturen zur
Verbesserung der Lichtextraktion in LEDs durch die Verwendung von
internen und externen optischen Elementen, die in einem Array angeordnet
sind. Die optischen Elemente haben viele unterschiedliche Formen
wie Halbkugeln und Pyramiden und können sich auf der Oberfläche oder
innerhalb von diversen Schichten der LED befinden. Die Elemente
stellen Oberflächen
bereit, von denen das Licht reflektiert, gebrochen oder gestreut
werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Kurz
und allgemein gesehen richtet sich die Erfindung auf Leuchtdioden
(LEDs), die Bereiche zur Bereitstellung einer höheren Lichtausbeute haben.
In einem von mehreren Aspekten betrifft die Erfindung eine LED,
die eine p-leitende Materialschicht, eine n-leitende Materialschicht
und eine aktive Schicht zwischen der p-leitenden Schicht und der
n-leitenden Schicht hat. Die LED umfasst ebenfalls eine aufgeraute
Schicht aus transparentem Material, die sich entweder neben der
p-leitenden Materialschicht oder der n-leitenden Materialschicht
befindet.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls eine LED mit einer p-leitenden Materialschicht,
einer n-leitenden Materialschicht, einer aktiven Schicht zwischen
der p-leitenden Schicht und der n-leitenden Schicht und einer Schicht
aus transparentem, leitendem Material, die sich entweder neben der
p-leitenden Materialschicht oder der n-leitenden Materialschicht
befindet. Die LED umfasst ebenfalls eine aufgeraute Schicht aus
transparentem Material, die sich neben der transparenten, leitenden
Schicht befindet.
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In
einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine LED mit einer p-leitenden Materialschicht, einer
n-leitenden Materialschicht, einer aktiven Schicht zwischen der
p-leitenden Schicht und der n-leitenden Schicht und einer Schicht
aus metallischem, leitendem Material, die sich entweder neben der
p-leitenden Materialschicht oder der n-leitenden Materialschicht
befindet. Die LED umfasst ebenfalls eine aufgeraute Schicht aus
transparentem Material, die sich neben der Schicht aus metallischem
Material befindet.
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In
mehreren anderen Aspekten betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung
einer LED. Ein Verfahren umfasst das Aufwachsen einer LED-Grundstruktur, die
eine p-leitende Materialschicht, eine n-leitende Materialschicht
und eine aktive Schicht zwischen der p-leitenden Schicht und der
n-leitenden Schicht umfasst. Das Verfahren umfasst ferner das Abscheiden
einer Schicht aus transparentem Material entweder neben der p-leitenden
Materialschicht oder der n-leitenden
Materialschicht und das Aufrauen der Schicht aus transparentem Material.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung einer LED umfasst ebenfalls das
Aufwachsen einer LED-Grundstruktur, die eine p-leitende Materialschicht,
eine n-leitende
Materialschicht und eine aktive Schicht zwischen der p-leitenden
Schicht und der n-leitenden Schicht umfasst. Das Verfahren umfasst ebenfalls
das Abscheiden einer Schicht aus transparentem, leitendem Material
entweder neben der p-leitenden Materialschicht oder der n-leitenden
Materialschicht und das Abscheiden einer Schicht aus transparentem
Material neben der Schicht aus transparentem, leitendem Material.
Das Verfahren umfasst ferner das Aufrauen der Schicht aus transparentem Material.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung einer LED umfasst ebenfalls das
Aufwachsen einer LED-Grundstruktur, die eine p-leitende Materialschicht,
eine n-leitende
Materialschicht und eine aktive Schicht zwischen der p-leitenden
Schicht und der n-leitenden Schicht umfasst. Ebenfalls enthalten
in diesem Verfahren sind das Abscheiden einer Schicht aus metallischem
Material entweder neben der p-leitenden
Materialschicht oder der n-leitenden Materialschicht und das Abscheiden
einer Schicht aus transparentem Material neben der Schicht aus metallischem Material.
Das Verfahren umfasst ferner das Aufrauen der Schicht aus transparentem
Material.
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Diese
und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, die die Merkmale der Erfindung beispielhaft darstellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht einer LED, mit der p-leitenden Seite obenliegend,
die einen Lichtauskopplungsbereich, einschließlich einer aufgerauten Schicht
aus einem transparenten Material, umfasst;
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2a–2f sind
Schnittansichten von diversen Stufen eines Herstellungsverfahrens
einer LED gemäß 1,
bei welcher der Lichtauskopplungsbereich eine aufgeraute Schicht
aus transparentem Material umfasst;
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3a–3f sind
Schnittansichten von diversen Stufen eines Herstellungsverfahrens
einer LED gemäß 1,
bei welcher der Lichtauskopplungsbereich eine aufgeraute Schicht
aus transparentem, leitendem Material umfasst;
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4a–4f sind
Schnittansichten von diversen Stufen eines Herstellungsverfahrens
einer LED gemäß 1,
bei welcher der Lichtauskopplungsbereich eine Schicht aus transparentem,
leitendem Material und eine aufgeraute Schicht aus transparentem
Material umfasst;
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5a–5f sind
Schnittansichten von diversen Stufen eines Herstellungsverfahrens
einer LED gemäß 1,
bei welcher der Lichtauskopplungsbereich eine Schicht aus metallischem
Material und eine aufgeraute Schicht aus transparentem Material
umfasst;
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6 ist
eine Schnittansicht einer LED, mit der n-leitenden Seite obenliegend,
die einen Lichtauskopplungsbereich, einschließlich einer aufgerauten Schicht
aus transparentem Material, umfasst;
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7a–7d sind
Schnittansichten von diversen Stufen eines Herstellungsverfahrens
einer LED-Grundstruktur gemäß 6;
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8a–8c sind
Schnittansichten von diversen Stufen eines Herstellungsverfahrens
einer LED gemäß 6,
bei welcher der Lichtauskopplungsbereich eine aufgeraute Schicht
aus transparentem Material umfasst;
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9a–9c sind
Schnittansichten von diversen Stufen eines Herstellungsverfahrens
einer LED gemäß 6,
bei welcher der Lichtauskopplungsbereich eine aufgeraute Schicht
aus transparentem, leitendem Material umfasst;
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10a–10c sind Schnittansichten von diversen Stufen
eines Herstellungsverfahrens einer LED gemäß 6, bei welcher
der Lichtauskopplungsbereich eine Schicht aus transparentem, leitendem
Material und eine aufgeraute Schicht aus transparentem Material
umfasst; und
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11a–11c sind Schnittansichten von diversen Stufen
eines Herstellungsverfahrens einer LED gemäß 6, bei welcher
der Lichtauskopplungsbereich eine Schicht aus metallischem Material und
eine aufgeraute Schicht aus transparentem Material umfasst.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Lichtauskopplung für Leuchtdioden
(LEDs) durch eine aufgeraute Schicht aus transparentem Material
bereit, die direkt auf einer LED-Oberfläche, die einen zugehörigen LED-Kontakt
hat, abgeschieden wird. Die aufgeraute Schicht aus transparentem Material
hat einen Brechungsindex, der nahe an dem Brechungsindex des LED-Materials
neben der Schicht aus transparentem Material liegt oder im Wesentlichen
gleich ist wie dieser. Die Nähe
der Brechungsindizes stellt sicher, dass ein Großteil des von der LED ausgestrahlten
Lichts von dem LED-Material in die aufgeraute Schicht aus transparentem
Material übergeht.
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Die
Schicht aus transparentem Material kann aus einem Material mit hoher
Transparenz gebildet sein und hat eine Dicke, die es gestattet,
eine aufgeraute Oberfläche
zu bilden, die ausreicht, um Licht zu streuen und die Lichtauskopplung
zu erhöhen.
Die Schicht aus transparentem Material kann ein elektrisch leitendes
Material sein, in welchem Fall die elektrische Übertragung zwischen dem LED-Material und dem
zugehörigen
LED-Kontakt durch die transparente Schicht stattfindet.
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In
einigen Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die aufgeraute Schicht aus einem hochtransparenten
Material gebildet sein, das nicht unbedingt leitend ist. In diesen
Fällen
kann die elektrische Übertragung
zwischen dem LED-Material und dem zugehörigen LED-Kontakt durch einen direkten
Kontakt zwischen dem LED-Kontakt und der LED-Oberfläche oder
alternativ durch Bereitstellung einer zusätzlichen Schicht aus leitendem
Material zwischen der aufgerauten Schicht aus transparentem Material
und der LED-Oberfläche
bereitgestellt werden. Diese zusätzliche
Schicht kann eine Schicht aus transparentem, leitendem Material
wie eine Schicht aus transparentem, leitendem Oxidmaterial (TCO,
englisch für "transparent conducting
oxide") oder aus
transparentem, metallischem Material sein. Während das leitende Material
als ohmscher Stromausbreitungskontakt für den LED-Kontakt dient, ist
die zusätzliche
Schicht aus leitendem Material im Allgemeinen weniger transparent
als die aufgeraute Schicht aus transparentem Material und somit
wesentlich dünner
als die aufgeraute Schicht.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, und insbesondere auf 1,
ist eine LED-Grundstruktur 10 mit der p-leitenden Seite
obenliegend gezeigt, die eine Schicht aus p-leitendem Material 12, eine
Schicht aus n-leitendem Material 14 und eine Schicht aus
aktivem Material 16 umfasst, die zwischen der p-leitenden
Schicht und der n-leitenden Schicht angeordnet ist. Ein aufgerauter
Lichtauskopplungsbereich 18 wird der LED-Grundstruktur hinzugefügt, um eine
LED mit guten Lichtauskopplungseigenschaften zu bilden. Wie nachfolgend
beschrieben, kann der aufgeraute Lichtauskopplungsbereich 18 jede
beliebige von mehreren Formen annehmen. Ein p-Kontakt 20 ist
mit dem Lichtauskopplungsbereich 18 verbunden, und ein
n-Kontakt 22 ist mit der Schicht aus n-leitendem Material
verbunden.
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Die
LED-Grundstruktur kann aus unterschiedlichen Materialsystemen wie
den auf Gruppe-III-Nitrid basierenden Materialsystemen hergestellt
werden. Gruppe-III-Nitride beziehen sich auf die Halbleiterverbindungen,
die zwischen Stickstoff und den Elementen in der Gruppe III des
Periodensystems gebildet werden, normalerweise Aluminium (Al), Gallium
(Ga) und Indium (In). Der Begriff betrifft ebenso ternäre und tertiäre Verbindungen
wie AlGaN und AlInGaN. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das p-leitende
Material und das n-leitende Material GaN, und das aktive Material
ist InGaN. In alternativen Ausführungsformen
können
das p-leitende und das n-leitende Material AlGaN, AlGaAs oder AlGaInP
sein.
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Unter
Bezugnahme auf 2a wird eine Ausführungsform
einer LED mit hoher Lichtauskopplung gemäß der Erfindung gebildet, indem
Schichten aus p- GaN 24,
n-GaN 26 und aktiven Materialien 28 auf einem
Substrat 30 aufgewachsen werden. Wie gezeigt, befindet
sich das n-GaN 26 neben dem Substrat 30, die aktiven
Materialien 28 sind auf dem n-GaN 26, und das
p-GaN ist auf den aktiven Materialien 28. In anderen Ausführungsformen
kann die Reihenfolge dieser Schichten unterschiedlich sein, wobei
das p-GaN neben dem Substrat 30 liegt und das n-GaN 26 die
obere Schicht bildet und die aktiven Materialien 28 zwischen
den beiden Schichten liegen.
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Das
Substrat
30 kann aus vielen Materialien wie Saphir, Siliziumkarbid,
Aluminiumnitrid (AlN), GaN bestehen, wobei ein geeignetes Substrat
ein 4H-Polytype
aus Siliziumkarbid ist, obwohl ebenso andere Siliziumkarbid-Polytypen
verwendet werden können,
einschließlich
3C-, 6H- und 15R-Polytypen. Siliziumkarbid hat eine erheblich genauere
Kristallgitterübereinstimmung
mit Gruppe-III-Nitriden als Saphir und führt zu Gruppe-III-Nitridfilmen
von höherer Qualität. Siliziumkarbid
hat ferner eine äußerst gute Wärmeleitfähigkeit,
so dass die Gesamtausgangsleistung von Gruppe-III-Nitrid-Bauelementen
auf Siliziumkarbid nicht durch die Wärmeabfuhr des Substrats beschränkt ist
(wie es bei einigen auf Saphir gebildeten Bauelementen der Fall
sein kann). Des Weiteren stellt die Verfügbarkeit von Siliziumkarbidsubstraten
die Kapazität
für die
Bauelementisolierung und eine verringerte parasitäre Kapazität bereit,
wodurch kommerzielle Bauelemente möglich werden. SiC-Substrate
gibt es von Cree Research, Inc., aus Durham, North Carolina, und
Herstellungsverfahren für
diese Substrate sind in der wissenschaftlichen Literatur sowie in
den
U.S. Patenten Nr. Re. 34 861 ,
4 946 547 und
5 200 022 dargelegt.
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In
einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die Schichten 24, 26, 28 auf
dem Substrat 30 unter Verwendung von metallorganischer
Gasphasenabscheidung (MOCVD, englisch für „metal organic chemical vapor
deposition") aufgewachsen.
Wie in 2b gezeigt, wird eine Schicht
aus transparentem Material 32 vorzugsweise ebenfalls durch
MOCVD direkt auf der Oberfläche der
p-leitenden Schicht 24 abgeschieden. Die Verwendung derselben
Technik sowohl zum Abscheiden der Schicht aus transparentem Material 32 als
auch zum Aufwachsen der LED-Grundstrukturschichten 24, 26, 28 ist
vorteilhaft, da dies durch die Verwendung eines einzigen Fertigungssystems
für einen
höheren
Wirkungsgrad und für
Kostenreduktion sorgt. Andere Verfahren zur Abscheidung der Schicht
aus transparentem Material 32 umfassen Zerstäubungs- und
Elektronenstrahlabscheidung.
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Unter
Bezugnahme auf 2c wird ein Teil der Schicht
aus transparentem Material 32 zum Beispiel durch Laserätzen oder
chemisches Ätzen
entfernt, und es wird unter Verwendung von im Fachgebiet wohlbekannten
Techniken neben dem freigelegten Teil der p-GaN-Schicht 24 ein
p-Kontakt 34 gebildet. Wie in 2d gezeigt,
wird die Schicht aus transparentem Material 32 dann unter
Verwendung von zum Beispiel einer Kombination aus Photolithographie
zur Erzeugung eines Musters und nassem oder trockenem photoelektrochemischem
(PEC) Ätzen
zur Erzeugung einer Textur aufgeraut. Unter Bezugnahme auf die 2e und 2f wird
zu der LED ein n-Kontakt 36 hinzugefügt, entweder durch Trennung
des Substrats 30 von der n-leitenden Schicht 26 zum
Beispiel durch ein bekanntes Laser-lift-off-(LLO-)Verfahren und
durch Bildung des n-Kontakts auf der n-leitenden Schicht (2e)
oder durch Bildung des n-Kontakts auf dem Substrat (2f).
Erstere Bildung wird verwendet, wenn das Substrat 30 aus
einem Isoliermaterial wie AlN oder Saphir besteht. Letztere Bildung
kann verwendet werden, wenn das Substrat 30 aus einem leitenden Material
wie SiC oder GaN besteht. Wie der p-Kontakt wird auch der n-Kontakt unter
Verwendung von im Fachgebiet wohlbekannten Techniken gebildet.
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In
dieser Konfiguration umfasst der Lichtauskopplungsbereich 18 (1)
der LED die aufgeraute Schicht aus transparentem Material 32.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein transparentes Material ausgewählt, dessen Brechungsindex
nahe an dem des p-leitenden Materials liegt oder im Wesentlichen
gleich ist wie dieser, so dass das Licht, das durch die p-leitende
Schicht in Richtung des Übergangs
zwischen der p-leitenden Schicht und der Schicht aus transparentem
Material durchgeht, ohne nennenswerte Reflexion durch den Übergang
in das transparente Material übergeht.
Ein beispielhaftes quantitatives Maß der Nähe zwischen Brechungsindizes
ist ± 0,3.
Somit kann das transparente Material zum Beispiel einen Brechungsindex
zwischen 2,15 und 2,75 haben, wenn das Material aus der p-leitenden
Schicht GaN ist und einen Brechungsindex von ungefähr 2,45
(n ≈ 2,45)
hat. Mögliche
Materialien mit Brechungsindizes, die in diesen Bereich fallen,
umfassen Oxidmaterialien wie zum Beispiel ZnO, MgO, In2O3, TiO2, PbO, ZnSnO,
NiO und Indiumzinnoxid (ITO, englisch für „indium tin oxide") sowie andere Materialien
wie ZnS und CdS.
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Die
Schicht aus transparentem Material 32 kann viele verschiedene
Dicken haben, wobei eine typische Dicke im Bereich zwischen 1000
und 15000 Angström
(Å) liegt
und eine bevorzugte Dicke ungefähr
2500 Å beträgt. Diese
Dicken ermöglichen
die Bildung einer aufgerauten Oberfläche mit geometrischen Strukturen
mit ausreichenden Dimensionen zur Verbesserung der Lichtauskopplung.
Derartige geometrische Strukturen können zum Beispiel Pyramiden,
Halbkugeln oder sechseckige Kegel umfassen. Diese geometrischen
Strukturen verringern die interne Lichtreflexion an der Schnittstelle
zwischen Material und Luft und streuen das Licht nach außen.
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Unter
Bezugnahme auf 3a wird eine weitere Ausführungsform
einer LED mit hoher Lichtauskopplung gemäß der Erfindung anfangs ebenfalls
durch Aufwachsen von Schichten aus p-GaN 40, n-GaN 42 und
aktiven Materialien 44 auf einem Substrat 46 gebildet,
wobei die Schichten in unterschiedlichen Ausführungsformen unterschiedliche
Anordnungen haben und das Substrat aus vielen verschiedenen, wie
oben beschriebenen Materialien besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Schichten 40, 42, 44 unter
Verwendung von MOCVD auf dem Substrat 46 aufgewachsen.
Wie in 3b gezeigt, wird eine Schicht
aus transparentem, leitendem Material 48 vorzugsweise ebenfalls durch
MOCVD direkt auf der oberen Fläche
der p-leitenden Schicht 40 abgeschieden. Andere Verfahren zur
Abscheidung der transparenten, leitenden Schicht 48 umfassen
Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung.
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Unter
Bezugnahme auf 3c kann neben der transparenten,
leitenden Schicht 48 ein p-Kontakt 50 gebildet
werden. Wie in 3d gezeigt, kann die den p-Kontakt 50 umgebende,
transparente, leitende Schicht 48 dann zum Beispiel durch
PEC-Ätzen
aufgeraut werden. Wie in den 3e und 3f gezeigt,
kann zu der LED ein n-Kontakt 52 hinzugefügt werden,
entweder durch Trennung des Substrats 46 von der n-leitenden
Schicht 42 unter Verwendung eines LLO-Verfahrens und Bildung des n-Kontakts
auf der n-leitenden Schicht (3e) oder,
im Falle eines leitenden Substrats 46, durch Bildung des
n-Kontakts auf dem Substrat (3f).
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In
dieser Konfiguration umfasst der Lichtauskopplungsbereich 18 (1)
der LED die aufgeraute, transparente, leitende Schicht 48.
Wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform wird die transparente,
leitende Schicht vorzugsweise aus einem Material gebildet, dessen
Brechungsindex nahe an dem des Materials der p-leitenden Schicht 40 liegt oder
im wesentlichen gleich ist wie dieser. Zu Beispielen für derartige
transparente, leitende Materialien gehören u.a. transparente, leitende
Oxide (TCOs, englisch für „transparent
conducting Oxides") wie
Ga2O3, InO, ZnO,
In2O3 und ITO. Die
transparente, leitende Schicht 48 kann eine gleichmäßigere Verteilung
des Stroms über
die p-leitende und die n-leitende Schicht bereitstellen und somit
eine gleichmäßigere Erzeugung
von Licht innerhalb des aktiven Bereichs.
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Die
transparente, leitende Schicht 48 kann viele verschiedene
Dicken haben, wobei eine typische Dicke im Bereich zwischen 1000
und 15000 Å liegt
und eine bevorzugte Dicke ungefähr
2500 Å beträgt. Diese
Dicken ermöglichen
die Bildung sowohl einer aufgerauten Oberfläche mit geometrischen Strukturen
mit ausreichenden Dimensionen zur Verbesserung der Lichtauskopplung
als auch einer Restschicht aus transparentem, leitendem Material
neben der p-leitenden Schicht 40 zum Zweck der Stromverteilung.
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Unter
Bezugnahme auf 4a wird eine weitere Konfiguration
einer LED mit hoher Lichtauskopplung gemäß der Erfindung anfangs ebenfalls durch
Aufwachsen von Schichten aus p-GaN 60, n-GaN 62 und
aktiven Materialien 64 auf einem Substrat 66 gebildet,
wobei die Schichten in anderen Ausführungsformen unterschiedliche
Anordnungen haben und das Substrat aus verschiedenen, wie oben beschriebenen
Materialien besteht. In einer Ausführungsform werden die Schichten 60, 62, 64 unter
Verwendung von MOCVD auf dem Substrat 66 aufgewachsen.
Wie in 4b gezeigt, wird eine Schicht
aus transparentem, leitendem Material 68 direkt auf der
oberen Fläche
der p-leitenden Schicht 60 abgeschieden. Eine Schicht aus
transparentem Material 70 wird direkt auf der oberen Fläche der
transparenten, leitenden Schicht 68 abgeschieden. Die Abscheidung
der transparenten, leitenden Schicht 68 und des transparenten
Materials 70 wird vorzugsweise durch MOCVD durchgeführt. Andere
Verfahren zur Abscheidung der Schichten 68, 70 umfassen
Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung.
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Unter
Bezugnahme auf 4c wird ein Teil der Schicht
aus transparentem Material 70 zum Beispiel durch Laserätzen oder
chemisches Ätzen
entfernt, und es wird neben dem freigelegten Teil der transparenten,
leitenden Schicht 68 ein p-Kontakt 72 gebildet. Wie in 4d gezeigt,
kann die den p-Kontakt 72 umgebende Schicht aus transparentem
Material 70 dann zum Beispiel unter Verwendung von PEC-Ätzen aufgeraut
werden. Unter Bezugnahme auf die 4e und 4f kann,
wie bei vorher beschriebenen Konfigurationen, zu der LED ein n-Kontakt 74 hinzugefügt werden,
entweder durch Trennung des Substrats 66 von der n-leitenden Schicht 62 und
durch Bildung des n-Kontakts auf der n-leitenden Schicht (4e)
oder, im Falle eines leitenden Substrats, durch Bildung des n-Kontakts
auf dem Substrat (4f).
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In
dieser Konfiguration umfasst der Lichtauskopplungsbereich 18 (1)
der LED die aufgeraute Schicht aus transparentem Material 70 und
die transparente, leitende Schicht 68. Die transparente,
leitende Schicht 68 stellt eine gleichmäßigere Verteilung des Stroms über die
p-leitende Schicht und die n-leitende
Schicht bereit und somit eine gleichmäßigere Erzeugung von Licht
innerhalb des aktiven Bereichs, während die Schicht aus transparentem
Material 70 eine Plattform für ein Material mit höherer Transparenz,
als die transparente, leitende Schicht aufweist, bereitstellt.
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Sowohl
die transparente, leitende Schicht 68 als auch die Schicht
aus transparentem Material 70 können aus Materialien gebildet
werden, deren Brechungsindizes nahe an dem des Materials der p-leitenden
Schicht liegt oder im wesentlichen gleich sind wie dieser. Ähnlich wie
oben, umfassen Beispiele für transparente,
leitende Materialien Ga2O3,
InO, ZnO, In2O3 und
ITO. Mögliche
Materialien für
die Schicht aus transparentem Material 70 umfassen Oxidmaterialien
wie zum Beispiel ZnO, MgO, In2O3,
TiO2, PbO, ZnSnO, NiO und ITO sowie andere
Materialien wie ZnS und CdS. Während
die transparente, leitende Schicht 68 und die Schicht aus
transparentem Material 70 aus demselben Material gebildet
werden können,
wird die Schicht aus transparentem Material in einer bevorzugten
Ausführungsform
aus einem Material gebildet, das einen höheren Transparenzpegel als
das Material der transparenten, leitenden Schicht hat.
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Die
transparente, leitende Schicht 68 und die Schicht aus transparentem
Material 70 können
ebenfalls viele verschiedene Dicken haben, wobei der typische Bereich
an Dicken für
beide zwischen 1000 und 15000 Å liegt.
Die transparente, leitende Schicht 68 ist dick genug, um
ihre Stromverteilungsfunktion auszuführen, während sie dünn genug ist, damit ihre niedrigere
Transparenz die Lichtauskopplung nicht beeinträchtigt. Die Schicht aus transparentem
Material 70 ist typischerweise dicker als die transparente, leitende
Schicht 68, um die Bildung einer aufgerauten Oberfläche mit
geometrischen Strukturen mit ausreichenden Dimensionen zur Verbesserung
der Lichtauskopplung zu ermöglichen.
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Unter
Bezugnahme auf 5a wird eine weitere Konfiguration
einer LED mit hoher Lichtauskopplung gemäß der Erfindung anfangs ebenfalls durch
Aufwachsen von Schichten aus p-GaN 80, n-GaN 82 und
aktiven Materialien 84 auf einem Substrat 86 in
derselben Anordnung wie gezeigt oder in einer unterschiedlichen
Anordnung gebildet. Das Substrat kann aus vielen verschiedenen,
wie oben beschriebenen Materialien bestehen, und die Schichten 80, 82, 84 können in
einer bevorzugten Ausführungsform
unter Verwendung von MOCVD auf dem Substrat 86 aufgewachsen
werden. Wie in 5b gezeigt, wird auf der p-leitenden
Schicht 80 eine dünne
Schicht aus metallischem Material 88 abgeschieden. Das
metallische Material 88 dient als ohmscher Stromausbreitungskontakt
und wird vorzugsweise aus einem halbtransparenten Metall wie Pd,
Pt, Pd/Au, Pt/Au, Ni/Au, NiO/Au oder einer Legierung derer gebildet.
Die Abscheidung der metallischen Schicht kann unter Verwendung von
MOCVD oder anderen wohlbekannten Verfahren wie zum Beispiel Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung durchgeführt werden.
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Unter
Bezugnahme auf 5c wird neben der Schicht aus
metallischem Material 88 ein p-Kontakt 90 gebildet,
und um den p-Kontakt herum wird eine Schicht aus transparentem Material 92 abgeschieden.
Die Schicht aus transparentem Material 92 kann unter Verwendung
von MOCVD oder anderen wohlbekannten Verfahren, einschließlich zum
Beispiel Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung, abgeschieden werden. Wie in 5d gezeigt, wird
die Schicht aus transparentem Material 92, die den p-Kontakt 90 umgibt,
dann zum Beispiel unter Verwendung von PEC-Ätzen aufgeraut. Unter Bezugnahme
auf die 5e und 5f wird,
wie bei vorher beschriebenen Konfigurationen, zu der LED ein n-Kontakt 94 hinzugefügt, entweder
durch Trennung des Substrats 86 von der n-GaN-Schicht 82 durch
ein LLO-Verfahren und durch Bildung des n-Kontakts auf der n-GaN-Schicht
(5e) oder durch Bildung des n-Kontakts auf dem
Substrat (5f).
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In
dieser Konfiguration umfasst der Lichtauskopplungsbereich 18 (1)
der LED die Schicht aus metallischem Material 88 und die
aufgeraute Schicht aus transparentem Material 92.
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Wie
bei vorhergehenden Konfigurationen wird die Schicht aus transparentem
Material 92 vorzugsweise aus einem Material gebildet, dessen
Brechungsindex nahe an dem des Materials der p-leitenden Schicht
liegt oder im Wesentlichen gleich ist wie dieser. Mögliche Materialien
für die
Schicht aus transparentem Material 92 umfassen Oxidmaterialien
wie zum Beispiel ZnO, MgO, In2O3,
TiO2, PbO, ZnSnO, NiO und ITO sowie andere
Materialien wie ZnS und CdS.
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Bezüglich der
Dicke der Schicht aus metallischem Material 88 relativ
zu der Schicht aus transparentem Material 92 liegt die
Dicke der Schicht aus metallischem Material 88 allgemein
im Bereich zwischen 10 und 1000 Å, während die Dicke der Schicht aus
transparentem Material 70 allgemein im Bereich zwischen
1000 und 15000 Å liegt.
In einer Ausführungsform
ist die metallische Schicht ungefähr 100 Angström dick.
Die Schicht aus metallischem Material 88 ist typischerweise
gerade dick genug, um ihre Stromverteilungsfunktion auszuführen, während sie dünn genug
ist, damit ihre halbtransparente Beschaffenheit die Lichtauskopplung
nicht nennenswert beeinträchtigt.
Die Schicht aus metallischem Material 88 kann aus vielen
verschiedenen Materialien bestehen, einschließlich, aber nicht ausschließlich Pd,
Au und NiAu. Die Schicht aus transparentem Material 92 ist
typischerweise dicker als die Schicht aus metallischem Material 88,
um die Bildung einer aufgerauten Oberfläche mit geometrischen Strukturen
mit ausreichenden Dimensionen zur Verbesserung der Lichtauskopplung
zu ermöglichen.
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Unter
Bezugnahme auf 6, ist eine LED-Grundstruktur 100 mit
der n-leitenden
Seite obenliegend gezeigt, die eine Schicht aus p-leitendem Material 102,
eine Schicht aus n-leitendem Material 104 und eine Schicht
aus aktivem Material 106 umfasst, die zwischen der p-leitenden
Schicht und der n-leitenden Schicht angeordnet ist. Die LED-Struktur 100 umfasst
ebenfalls einen aufgerauten Lichtauskopplungsbereich 108,
der, wie nachfolgend beschrieben, jede beliebige von mehreren Formen
annehmen kann. Ein n-Kontakt 110 ist dem Lichtauskopplungsbereich 108 zugeordnet,
und ein p-Kontakt 112 ist der Schicht aus p-leitendem Material
zugeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das p-leitende
Material und das n-leitende Material GaN, und das aktive Material
ist InGaN. In alternativen Ausführungsformen
können
das p-leitende und das n-leitende
Material AlGaN, AlGaAs oder AlGaInP sein.
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Unter
Bezugnahme auf 7a wird eine LED-Grundstruktur
durch Aufwachsen von Schichten aus p-GaN 114, n-GaN 116 und
aktiven Materialien 118 auf einem Substrat 120 gebildet,
das aus den oben beschriebenen Substratmaterialien bestehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Schichten 114, 116, 118 unter
Verwendung von MOCVD auf einem Substrat 120 aufgewachsen.
Wie in 7b gezeigt, wird auf der Schicht
aus p-leitendem Material 114 ein p-Kontakt 122 gebildet.
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Unter
Bezugnahme auf 7c wird die Struktur umgedreht
und mit einer Montagebasis 124 verbunden. Die Montagebasis 124 kann
viele verschiedene Strukturen aufweisen, die aus unterschiedlichen
Materialien bestehen, wie zum Beispiel eine Au-überzogene Si-Montagebasis.
Das in 7c gezeigte Substrat 120 kann
von der n-leitenden Schicht 116 getrennt werden, wodurch
die in 7d gezeigte LED-Grundstruktur 126 übrigbleibt.
Das Substrat 120 kann durch viele bekannte Verfahren entfernt
werden, einschließlich
eines LLO-Verfahrens. Wie nachfolgend beschrieben, kann zu der LED-Grundstruktur 126 ein
beliebiger der mehreren aufgerauten Lichtauskopplungsbereiche 118 hinzugefügt werden,
um eine LED mit guten Lichtauskopplungseigenschaften zu bilden.
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Wie
in 8a gezeigt, wird eine Konfiguration einer LED
mit hoher Lichtauskopplung gemäß der Erfindung
durch Abscheiden einer Schicht aus transparentem Material 130 direkt
auf der oberen Fläche der
n-leitenden Schicht 116 der LED-Grundstruktur gebildet.
Die Schicht aus transparentem Material 130 kann unter Verwendung
eines beliebigen von mehreren Verfahren, einschließlich MOCVD,
Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung abgeschieden werden.
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Unter
Bezugnahme auf 8b wird ein Teil der Schicht
aus transparentem Material 130 zum Beispiel durch Laserätzen oder
chemisches Ätzen
entfernt, und neben dem freigelegten Teil der n-leitenden Schicht 116 wird
ein n-Kontakt 132 gebildet. Wie in 8c gezeigt,
wird die Schicht aus transparentem Material 130 dann zum
Beispiel durch PEC-Ätzen aufgeraut.
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In
dieser Konfiguration umfasst der Lichtauskopplungsbereich 108 (6)
der LED die aufgeraute Schicht aus transparentem Material 130.
Diese aufgeraute Schicht aus transparentem Material 130 hat
dieselben Eigenschaften, wie vorher in Bezug auf die Konfiguration
gemäß 2a–2f beschrieben wurde.
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Wie
in 9a gezeigt, wird eine weitere Konfiguration einer
LED mit hoher Lichtauskopplung gemäß der Erfindung durch Abscheiden
einer Schicht aus transparentem, leitendem Material 140 direkt
auf der oberen Fläche
der n-leitenden Schicht 116 einer LED-Grundstruktur gebildet.
Die Schicht aus transparentem, leitendem Material 140 kann
unter Verwendung eines beliebigen von mehreren Verfahren, einschließlich MOCVD,
Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung abgeschieden werden.
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Unter
Bezugnahme auf 9b wird neben der transparenten,
leitenden Schicht 140 ein n-Kontakt 142 gebildet.
Wie in 9c gezeigt, wird die Schicht 140 aus
transparentem, leitendem Material dann zum Beispiel durch PEC-Ätzen aufgeraut.
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In
dieser Konfiguration umfasst der Lichtauskopplungsbereich 108 (6)
der LED die aufgeraute, transparente, leitende Schicht 140.
Diese aufgeraute, transparente, leitende Schicht 140 hat
dieselben Eigenschaften, wie vorher in Bezug auf die Konfiguration
gemäß 3a–3f beschrieben
wurde.
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Wie
in 10a gezeigt, wird eine weitere Konfiguration einer
LED mit hoher Lichtauskopplung gemäß der Erfindung durch Abscheiden
einer Schicht aus transparentem, leitendem Material 150 direkt
auf der oberen Fläche
der n-leitenden Schicht 116 einer LED-Grundstruktur gebildet.
Eine Schicht aus transparentem Material 152 wird direkt
auf der transparenten, leitenden Schicht 150 abgeschieden. Die
Abscheidung der transparenten, leitenden Schicht 150 und
des transparenten Materials 152 wird vorzugsweise durch
MOCVD durchgeführt.
Andere mögliche
Verfahren zur Abscheidung der Schichten 150, 152 umfassen
Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung.
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Unter
Bezugnahme auf 10b wird ein Teil der Schicht
aus transparentem Material 152 zum Beispiel durch Laserätzen oder
chemisches Ätzen
entfernt, und neben dem freigelegten Teil der transparenten, leitenden
Schicht 150 wird ein n-Kontakt 154 gebildet. Wie
in 10c gezeigt, wird die Schicht aus transparentem
Material 152, die den n-Kontakt 154 umgibt, dann
zum Beispiel durch PEC-Ätzen
aufgeraut.
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In
dieser Konfiguration umfasst der Lichtauskopplungsbereich 108 der
LED die aufgeraute Schicht aus transparentem Material 152 und
die transparente, leitende Schicht 150. Diese aufgeraute Schicht
aus transparentem Material 152 und die transparente, leitende
Schicht 150 haben dieselben Eigenschaften, wie vorher in
Bezug auf die Konfiguration gemäß 4a–4f beschrieben
wurde.
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Unter
Bezugnahme auf 11a wird eine weitere Konfiguration
einer LED mit hoher Lichtauskopplung gemäß der Erfindung durch Abscheiden
einer dünnen
Schicht aus metallischem Material 160 auf der n-leitenden
Schicht 116 einer LED-Grundstruktur
gebildet. Die Schicht wird vorzugsweise aus einem halbtransparenten
Metall wie Pd, Pt, Pd/Au, Pt/Au, Ni/Au, NiO/Au oder einer Legierung
derer gebildet. Die Abscheidung der metallischen Schicht kann unter
Verwendung von MOCVD oder anderen wohlbekannten Verfahren wie zum
Beispiel Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung durchgeführt werden.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 11b neben
der Schicht aus metallischem Material 160 ein n-Kontakt 162 gebildet,
und um den n-Kontakt wird eine Schicht aus transparentem Material 164 abgeschieden.
Die Schicht aus transparentem Material 164 kann unter Verwendung
von MOCVD oder anderen wohlbekannten Verfahren wie zum Beispiel
Zerstäubungs-
und Elektronenstrahlabscheidung abgeschieden werden. Wie in 11c gezeigt, wird die Schicht aus transparentem
Material 164, die den n-Kontakt 162 umgibt, dann
zum Beispiel durch PEC-Ätzen
aufgeraut.
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In
dieser Konfiguration umfasst der Lichtauskopplungsbereich 108 (6)
der LED die Schicht aus metallischem Material 160 und die
aufgeraute Schicht aus transparentem Material 164. Diese Schicht
aus metallischem Material 160 und die aufgeraute Schicht
aus transparentem Material 164 haben dieselben Eigenschaften,
wie vorher in Bezug auf die Konfiguration gemäß 5a–5f beschrieben wurde.
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Aus
dem Obenstehenden ist ersichtlich, dass, obwohl bestimmte Formen
der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, diverse Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne von dem Gedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Entsprechend ist es nicht beabsichtigt, dass die Erfindung anders
als durch die beigefügten
Ansprüche
beschränkt
wird.
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Zusammenfassung
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Eine
Leuchtdiode (LED) weist eine p-leitende Materialschicht (12),
eine n-leitende
Materialschicht (14) und eine aktive Schicht (16)
zwischen der p-leitenden Schicht (12) und der n-leitenden Schicht
(14) auf. Eine aufgeraute Schicht (18) aus transparentem
Material befindet sich entweder neben der p-leitenden Materialschicht
(12) oder der n-leitenden Materialschicht. Die aufgeraute
Schicht (18) aus transparentem Material hat einen Brechungsindex,
der nahe an dem Brechungsindex des Materials neben der Schicht aus
transparentem Material liegt oder im Wesentlichen gleich ist wie
dieser, und kann ein transparentes Oxidmaterial oder ein transparentes
leitendes Material sein. Eine zusätzliche Schicht (68, 88)
aus leitendem Material kann zwischen der aufgerauten Schicht und
der n-leitenden bzw. der p-leitenden Schicht sein.