CN100391016C - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过保证用导电粘合剂材料(20)将发光元件(11a)连接到引线框架(30)上而制造的发光二极管(10A)，其中发光元件(11a)包括半导体层(9)，所述半导体层(9)包括位于半透明衬底(12)的第一表面(12a)上的发光层(16)，与第一表面(12a)相反的第二表面(12b)用做发光观察表面。半导体层(9)具有相对于第一表面(12a)倾斜的侧表面，并且倾斜侧表面(19)的法线(a)和其上生长发光层(16)的晶体表面之间的角度θ等于从发光层(16)发射的光朝向半透明衬底(12)全反射的角度。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及一种具有发光元件的发光二极管，其中该发光元件由置于半透明衬底顶部的半导体层构成。
背景技术
关于发光器件如发蓝光的二极管和蓝光激光器二极管等的挑战之一是怎样增加从发光元件提取光的效率。特别是，发白光二极管的发光效率每年都在提高，几乎是每两年提高两倍。甚至利用这种快速提高，可以说再利用几年的时间就可以赶上通常在家庭中使用的荧光灯的60lm/W的发光效率。
另一方面，在目前正在发展的发光二极管中，大约浪费了产生的光的80％。没有射出发光元件的部分光在元件内多次重复反射，同时被转换成热能，然后消散掉。
因此，为了提高发光效率，人们正在热切地进行研究和发展。增加发光效率的一种方式是注意到了发光元件的材料。具体地说，在由发蓝光元件和将蓝光转换成黄光的荧光材料构成的发白光的二极管中，发光元件中的晶体的缺陷减少了，并由此提高了晶体的质量。这使得在发光元件的发光层中将电能转换成热能更困难了，因此有助于增加光能。
另一种方式是改变发光元件的形状。在发光层中产生的光在其射出发光元件之前在发光元件内部多次反射。这中多次反射被减少了并由此提高了发光效率。例如，处理蓝宝石衬底，以便减少蓝宝石衬底界面上的反射。或者，剥离蓝宝石衬底，以便形成反射层，由此改变朝向底表面穿行的光的方向。然而，蓝宝石衬底的这种处理仍然处于研究之中，并且希望用几年时间来投入实际使用。
另一方面，专利公报1公开了一种不需要蓝宝石衬底的这种麻烦处理而是通过简单形状改变来提高发光效率的方法。在这种发光二极管中，从半透明衬底的发光观察表面侧到(氮化镓化合物)发光层以锐角切割发光元件的侧表面。从氮化镓化合物发射的蓝光，特别是从发光元件的侧表面周围发射的蓝光，在半透明衬底上反射，从而有效地被提取到发光观察表面。这种发光二极管不需要杯形引线框架，这种引线框架通常是这种类型的发光二极管所需要的。这有助于提高产量，并允许将陶瓷衬底用做引线框架和支撑部件。
而且，在专利公报1中，可以说，从制造工程学角度来看，不可能将这种发光二极管应用于具有杯形引线框架的发光二极管。具体地说，利用杯形引线框架，不能组装如此构成的化合物半导体发光元件，使其具有在顶部的半透明衬底和在底部的电极。
另一方面，图6是采用杯形引线框架的常规发光二极管的剖面图。发光二极管10具有设置在杯形引线框架30顶部的发光元件(以下称为“LED芯片”)11。LED芯片11具有由绝缘蓝宝石构成的半透明衬底12，并且第一导电类型半导体层14和第二导电类型半导体层15经过缓冲层13而位于衬底12的第一表面12a上。在第一导电类型半导体层14和第二导电类型半导体层15之间形成发光层16。背向第一表面12a的第二表面12b用做发光观察表面。
而且，LED芯片11具有利用导电粘合剂20电连接到引线框架30上的电极17。尽管未示出，还设置n和p电极，它们彼此适当地绝缘。LED芯片11利用导电粘合剂20耦合到引线框架30上，并稍微向LED芯片11的侧表面上突出。通常用做导电粘合剂20的是呈现粘性的导电材料。
专利公报1：日本专利登记No.2964822(图1：第2-3页)
发明内容
图7是示意性地表示LED芯片11内部的光束路径的剖面图。在发光二极管10中，从发光层16向LED芯片11上方(由箭头18c和18d所示)和向侧表面(由箭头18a和18b表示)发射光。这些发射光束18a-18d中，朝向侧表面发射的光，即发射光束18a和18b被导电粘合剂20屏蔽。因此，不能有效地利用发射光束18a和18b，降低了整个芯片的发光强度。
鉴于常规遇到的上述问题，本发明的目的是提供一种发光二极管，通过有效地利用从发光元件的侧表面发射的光而提高发光效率。
为了实现上述目的，根据本发明，在具有利用导电粘合剂材料固定到引线框架上的发光元件的发光二极管中，发光元件具有包括设置在半透明衬底的第一表面上的发光层的半导体层，其中半透明衬底的背向第一表面的第二表面用做发光观察表面，
半导体层的侧表面是相对于第一表面倾斜的倾斜表面，并且倾斜表面的法线和第一表面之间的角度等于发光层发射的光向半透明衬底全反射的角度。
而且，根据本发明，在如上所述构成的发光二极管中，半导体层具有通过从半透明衬底一侧依次叠置第一导电类型化合物半导体和第二导电类型化合物半导体形成的第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层，从而第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层彼此相邻，而且发光层夹在其间，并且垂直孔形成得如此深以至于穿透半透明衬底并到达第一导电类型半导体层，但是不到达第二导电类型半导体层，并且沿着垂直孔形成导电材料，从而导通到第一导电类型半导体层。
而且，根据本发明，在如上所述构成的发光二极管中，半导体层具有通过从半透明衬底一侧依次叠置第一导电类型化合物半导体和第二导电类型化合物半导体形成的第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层，从而第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层彼此相邻，而且发光层夹在其间，并且绝缘部件填充形成在第二导电类型半导体层中的开口，垂直孔形成在开口的上方，以便穿透半透明衬底以及第一导电类型半导体层，而且导电材料沿着垂直孔的内壁表面形成，从而导通到第一导电类型半导体层。
而且，根据本发明，在如上所述构成的发光二极管中，垂直孔被形成在半透明衬底的第二表面上的焊盘电极封闭。
而且，根据本发明，在如上所述构成的发光二极管中，垂直孔随着深度增加而逐渐变小。
而且，根据本发明，在如上所述构成的发光二极管中，导电材料是半透明的。
而且，根据本发明，在如上所述构成的发光二极管中，所述角度在40-50度范围内。
而且，根据本发明，在如上所述构成的发光二极管中，用绝缘膜涂覆倾斜表面。
根据本发明，发光层的侧表面的法线和第一表面之间的角度等于从发光层发射的光向半透明衬底全反射的角度，其中所述发光层的侧表面上暴露发光层并形成为倾斜表面。因此，从发光层向发光元件的侧表面穿行的光具有改变的其行程，以便通过发光观察表面射出。因此，从发光层发射的光不被粘合剂材料屏蔽，而是所有光都通过发光观察表面射出。这提高了发光元件的发光输出。
而且，根据本发明，提供如此深的垂直孔，以便到达第一导电类型半导体层但是不到达第二导电类型半导体层，并且导电材料沿着垂直孔形成以便导通到第一导电类型半导体层。因此，导通到导电材料并用于给半导体层施加电压的电极可以形成在半透明衬底的发光观察表面上。这允许电极分开设置在半透明衬底的第一表面和第二表面上。因此，可以减轻光被电极的屏蔽，并由此提高了发光效率。而且，用于电极与引线的线键合必须只在一个点上进行。这大大提高了组件的可使用性。
而且，根据本发明，垂直孔形成得穿透薄第一导电类型半导体层。这可以使发光二极管容易制造。
而且，根据本发明，提供具有大于垂直孔的横截面面积的面积的焊盘电极。这使引线的线键合容易。
而且，根据本发明，垂直孔随着深度增加而逐渐变小。这可以更容易地通过汽相淀积或溅射在垂直孔的内表面上形成具有预定厚度的导电材料。
而且，根据本发明，导电材料是半透明的。这减少了垂直孔内部的光的吸收，因此允许发光层发射的光被有效地没有损失地提取到外部。
而且，根据本发明，半导体层的侧表面的倾斜度为40-50度。这就更容易实现在该侧表面上实现全反射的发光二极管。
而且，根据本发明，半导体层的倾斜侧表面用绝缘层涂覆。这有助于防止经过导电粘合剂而使半导体层短路，这种短路在用导电粘合剂将发光元件固定在引线框架上时可能发生。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的发光二极管的剖面图。
图2是表示本发明第一实施例的发光二极管中的元件内部的光束路径的示意剖面图。
图3是表示本发明第二实施例的发光二极管的剖面图。
图4是表示本发明第三实施例的发光二极管的剖面图。
图5是表示本发明第四实施例的发光二极管的剖面图。
图6是表示常规发光二极管的剖面图。
图7是示意性地表示常规发光二极管中的元件内的光束路径的剖面图。
参考标记的列表
9半导体层
10、10A-10D发光二极管
11、11a-11d发光元件(LED芯片)
12半透明衬底
13缓冲层
14第一导电类型半导体层
15第二导电类型半导体层
16发光层
17电极
18a-18d发射的光束
19倾斜表面
19a绝缘膜
20导电粘合剂
21导电材料
22焊盘电极
24垂直孔
26绝缘部件
27开口
30引线框架
31引线电极
具体实施方式
下面参照附图介绍本发明的实施例。为了清楚起见，与前述图6和7中相似的部件用相同参考标记表示。应该理解的是，本发明可以用附图中具体示出的方式以外的任何方式来实施。图1是表示本发明第一实施例的发光二极管的剖面图。
发光二极管10A具有设置在杯形引线框架30顶部的LED芯片11a。LED芯片11a具有由绝缘蓝宝石形成的半透明衬底12，在蓝宝石衬底12的第一表面12a上经由缓冲层13形成半导体层9。半导体层9由第一导电类型半导体层14和第二导电类型半导体层15构成，其中第一导电类型半导体层14由p和n型半导体之一形成，第二导电类型半导体层15由p和n型半导体中的另一种形成。在第一导电类型半导体层14和第二导电类型半导体层15之间形成发光层16，电极17形成在第二导电类型半导体层15上。远离第一表面12a的是第二表面12b，它用做发光观察表面。
LED芯片11a利用导电粘合剂20固定到引线框架30上，电极17电连接到引线框架30上。尽管未示出，电连接到第一和第二导电类型半导体层14和15的n和p电极彼此绝缘地设置。LED芯片11a利用导电粘合剂20耦合到引线框架30上并稍微向LED芯片11a的侧表面上突出。通常用做引线框架30的是呈现粘性的导电材料。
半导体层9的侧表面形成为倾斜表面19，倾斜表面19相对于半透明衬底12的第一表面12a是倾斜的。倾斜表面19如此倾斜，从而在露出发光层16的两端面上，在半导体层9上方越高，就越远离LED芯片11a。因此，半导体层9越远离半透明衬底12，就变得越窄。
倾斜表面19是在具体选择的干刻蚀条件下、在半导体层9的制造工艺过程中形成的。具体地说，使干刻蚀中使用的掩模的端面适当地倾斜。通过使将被晶体的刻蚀端面取代的掩模的端面倾斜，可以形成倾斜表面19。
或者，可以通过用具有锥形边缘的切割刀片形成沟槽来形成倾斜表面19。当如此进行时，切割损伤了发光层16，但是可以通过干刻蚀等减少由该损伤造成的晶体缺陷。
图2是示意性地表示LED芯片11a内部的光束路径的剖面图。倾斜表面19的法线“a”和其上生长发光层16的晶面之间的角度θ大于落在倾斜表面19上的光18a和18b相对于倾斜表面19的临界角。结果是，从发光层16发射的所有光18a和18b朝向半透明衬底12反射，从而全反射到LED芯片11a的内部。设置角度θ在40-50度范围内可以保证全反射，并且容易形成倾斜表面19。
作为其上露出发光层16的半导体层9的侧表面的结果，该侧表面形成为倾斜表面19，从发光层16穿行到发光层16侧表面的光18e和18f具有改变的其行程，以便通过发光观察表面射出。因此，没有光被粘合剂材料屏蔽，如常规情况经历的那样。而是，从发光层16发射的所有光都从倾斜表面19反射，这提高了LED芯片11a的发光输出。
特别优选的是，上述结构将要适用于具有由氮化镓化合物形成的发光层16的发蓝光二极管。这允许以低发光效率发射的蓝光在倾斜表面19上全反射，以便通过发光观察表面射出。通过这种方式，可以大大增加发光输出。
图3是表示本发明第二实施例的发光二极管的剖面图。为了清楚起见，与前述图1和2中相似的部件用相同参考标记表示。在本实施例的发光二极管10B中，倾斜表面19用绝缘膜19a涂覆。在其它方面，发光二极管10B与第一实施例的发光二极管10A相同。
在发光二极管10B中，具有倾斜表面19的LED芯片11b利用导电粘合剂20固定在杯形引线框架30的顶部。这里，即使导电粘合剂20稍微向LED芯片11b的侧表面上突出，绝缘膜19a也可以防止由导电粘合剂20和第一导电类型半导体层14彼此接触造成的短路。
图4是表示本发明第三实施例的发光二极管的剖面图。为了清楚起见，与前述图1和2中相似的部件用相同参考标记表示。在本实施例的发光二极管10C中，LED芯片11c具有形成在其中并垂直延伸的垂直孔24。在其它方面，发光二极管10C与第一实施例的发光二极管10A相同。
垂直孔24是通过例如在半透明衬底12的四个角之一中的周边部分中进行激光照射等形成的。垂直孔24形成得如此深，从而穿透半透明衬底12并达到第一导电类型半导体层14，但是不达到第二导电类型半导体层15。垂直孔24横向为几十μm，并形成为圆柱形或圆锥形。
垂直孔24用做在LED芯片11c内部垂直穿行的电通路。为了形成电通路，通过汽相淀积、溅射等沿着垂直孔24的内表面形成导电材料21。通过使其横截面积随着深度增加而减小的方式形成垂直孔24，使得容易在垂直孔24的内表面上形成具有预定厚度的导电材料21。
用焊盘电极22封闭垂直孔24，其中该焊盘电极22具有比形成在半透明衬底12的第二表面12b上的开口大的面积。这允许焊盘电极22经过导电材料21电连接到第一导电类型半导体层14上。焊盘电极22经过线键合线23连接到引线电极31。用半透明材料形成全部或部分导电材料21有助于减轻由导电材料21对光的屏蔽，由此防止发光输出的减小。
在如上所述构成的发光二极管11C中，当在由引线框架30形成的电极和引线电极31之间施加预定电压时，从引线框架30通过导电粘合剂20、电极17、第二导电类型半导体层15、发光层16、第一导电类型半导体层14、导电材料21、焊盘电极22、线23、到引线电极31形成通路，使发光层16发射光。
在本例中，获得了与第一实施例所获得的效果相同的效果。此外，由于包括电流通路中减少数量的电场集中点的结构，可以提高发光二极管11C的静电承受电压。而且，常规发光二极管通常具有设置在半透明衬底12的一侧、即发光观察表面侧上的电极，在电极之间将要施加电压，而发光二极管11C具有分开设置在半透明衬底12的第一和第二表面12a和12b上的电极。这有助于减少光被电极的屏蔽，并由此提高了光提取效率。而且，线键合必须只在一个点上进行，这增强了发光二极管11C的组件可使用性。倾斜表面19可以用绝缘膜19a(见图3)涂覆，如第二实施例中那样。
图5是表示本发明第四实施例的发光二极管的剖面图。为了清楚起见，与前述图4中相似的部件用相同参考标记表示。在本实施例的发光二极管10D中，LED芯片11d具有形成在第二导电类型半导体层15中的开口27。垂直孔24形成在开口27的上方，以便穿透半透明衬底12和第一导电类型半导体层14。在其它方面，发光二极管10D与第三实施例的发光二极管10C相同。
开口27是在形成第二导电类型半导体层15之后通过刻蚀等形成的。垂直孔24是通过激光照射等形成的，并且形成得穿透半透明衬底12和第一导电类型半导体层14并到达开口27。通过溅射等沿着垂直孔24的内壁形成导电材料21。这允许导电材料21导通到第一导电类型半导体层14。
而且，在开口27的内部形成覆盖垂直孔24的导电膜25。导电膜25保证了导电材料21和第一导电类型半导体层14彼此导电。导电膜25从周围被填充开口27的绝缘部件26覆盖。这防止了第一和第二导电类型半导体层14和15之间的短路。
在本例中，获得了与前述图3中所示的第三实施例中所获得的效果相同的效果。此外，在第三实施例的发光二极管10C中，难以控制激光照射，因为垂直孔24必须形成得不穿透第一导电类型半导体层14，但是在本例中，容易控制激光照射，因为预先在第二导电类型半导体层15中形成开口27，之后形成穿透第一导电类型半导体层14的垂直孔24。
如上所述，关于本发明的实际例子，根据本发明的上述发光二极管一般可适用于公知的发光二极管，在该发光二极管中利用导电材料21将发光元件固定在引线框架30上，其中发光元件具有半导体层9，半导体层9包括设置在半透明衬底12的第一表面12a上的发光层16，与第一表面12a相反的第二表面12b用做发光观察表面。
特别是，由于具有在半透明衬底12的顶部上由氮化镓化合物形成的发光层16的发蓝光二极管具有低发光效率，因此将本发明应用于该发蓝光二极管中有助于大大提高它们的发光输出。
工业实用性
本发明可以适用于具有杯形引线框架的发光二极管，从而提高发光输出。本发明特别适合于具有低发光效率的发光二极管。

Claims (14)

1.一种发光二极管，其具有利用导电粘合剂材料固定到引线框架上的发光元件，该发光元件具有半导体层，所述半导体层包括位于半透明衬底的第一表面上的发光层，该半透明衬底的与第一表面相反的第二表面用做发光观察表面，
其中半导体层的一个侧表面是相对于所述第一表面倾斜的倾斜表面，并且所述倾斜表面的法线和第一表面之间的角度等于所述发光层发射的光向所述半透明衬底全反射的角度，
其中所述半导体层具有通过从半透明衬底一侧依次叠置第一导电类型化合物半导体和第二导电类型化合物半导体而形成的第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层，从而所述第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层彼此相邻，而且使所述发光层夹在其间，并且一绝缘部件填充形成在所述第二导电类型半导体层中的开口，一垂直孔形成在所述开口的上方，并穿透所述半透明衬底以及第一导电类型半导体层，而且导电材料沿着所述垂直孔的内壁表面形成，从而导通到所述第一导电类型半导体层。
2.根据权利要求1的发光二极管，其中所述垂直孔被形成在半透明衬底的第二表面上的焊盘电极所封闭。
3.根据权利要求1的发光二极管，其中所述垂直孔随着深度增加而逐渐变小。
4.根据权利要求1的发光二极管，其中所述导电材料是半透明的。
5.根据权利要求1的发光二极管，其中所述角度在40-50度范围内。
6.根据权利要求1的发光二极管，其中用绝缘膜涂覆所述倾斜表面。
7.根据权利要求1的发光二极管，其中所述半导体层由氮化镓化合物形成。
8.一种发光二极管，其具有利用导电粘合剂材料固定到引线框架上的发光元件，该发光元件具有半导体层，所述半导体层包括位于半透明衬底的第一表面上的发光层，该半透明衬底的与第一表面相反的第二表面用做发光观察表面，
其中半导体层的一个侧表面是相对于所述第一表面倾斜的倾斜表面，并且所述倾斜表面的法线和第一表面之间的角度等于所述发光层发射的光向所述半透明衬底全反射的角度，
其中所述半导体层具有通过从半透明衬底一侧依次叠置第一导电类型化合物半导体和第二导电类型化合物半导体而形成的第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层，从而第一导电类型半导体层和第二导电类型半导体层彼此相邻，而且使所述发光层夹在其间；并且设有一垂直孔，该垂直孔形成得如此深以至于穿透所述半透明衬底并到达所述第一导电类型半导体层，但是不到达所述第二导电类型半导体层，并且沿着所述垂直孔形成导电材料，从而导通到所述第一导电类型半导体层；并且还设有封闭上述垂直孔的电极，该电极布置在部分所述半透明衬底上并导通至所述导电材料。
9.根据权利要求8的发光二极管，其中所述垂直孔被形成在半透明衬底的第二表面上的焊盘电极所封闭。
10.根据权利要求8的发光二极管，其中所述垂直孔随着深度增加而逐渐变小。
11.根据权利要求8的发光二极管，其中所述导电材料是半透明的。
12.根据权利要求8的发光二极管，其中所述角度在40-50度范围内。
13.根据权利要求8的发光二极管，其中用绝缘膜涂覆所述倾斜表面。
14.根据权利要求8的发光二极管，其中所述半导体层由氮化镓化合物形成。
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