CN101379625A - 发光二极管设备及其制造和使用 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管设备(300)包括一个多层材料叠层，其包括一个p－层(303)、一个n－层(328)、以及一个光产生区(307)，以便在主发光方向(331，337，335，333)上发射光，主发光方向朝向p－层和n－层中的一个层；一个完全透明层(321)，靠近位于所述p－层和n－层中的一个层，具有一个第一表面朝向所述p－层和n－层中的一个层和一个相反的第二表面；以及一个反射表面(319)，在或靠近透明层的第二表面上形成，用来引导至少一部分发射光偏离主发光方向，从而增强发光二极管设备侧面(330)发出的光。

Description

发光二极管设备及其制造和使用
技术领域
本发明涉及发光二极管(LEDs)，特别涉及具有增强侧面发光的LEDs。
背景技术
当有电力供应时，LEDs是发光的半导体设备。如图1a和图1b所示，通常LED100是由多层材料制成，其具有一个p掺杂材料层或p型半导体层(“p-层”)101、一个n掺杂材料层或n-型半导体层(“n-层”)103、以及一个光产生区或p-n结105。当有电力供应时，p-n结在主方向107上发射光，沿着平行于方向107的纵轴粗略形成一个光场109。
在某些LEDs的应用方面，例如在一个背光照明系统里，人们期望将LED光场109转变成一个如图2所示的“状似蝙蝠翼状”的光场201。传统上，人们已经采用复杂的光设计应用到LED封装内，但是有可能使LED封装体积增大。
本发明的目的是提供一种发光设备，其至少能够克服现有技术所具有的一些缺陷。
发明概述
依照本发明的第一方面，提供一种发光二极管设备。发光二极管设备包括一个多层材料叠层，其包括一个p-层、一个n-层、以及一个光产生区用来在主发光方向上发射光，主发光方向朝向p-层和n-层中的任何一个层；一个完全透明层，位于或靠近所述p-层和n-层中的任何一个层，其具有一个第一表面朝向所述p-层和n-层中的一个层和一个相反的第二表面；以及一个反射表面，其在或靠近透明层的第二表面上形成，用来引导至少一部分发射光偏离主发光方向，从而增强发光二极管设备侧面发出的光。
依照本发明的第二方面，提供一种照明系统。此照明系统包括：
一个伸长基板；
多个发光二极管设备，位于基板的上面，每个发光二极管设备包括：
一个多层材料叠层，其包括一个p-层、一个n-层、以及一个光产生区，用来在主发光方向上发射光，主发光方向朝向p-层和n-层中的一个层；
一个完全透明层，位于或靠近所述p-层和n-层中的一个层上，有一个第一表面朝向p-层和n-层中的一个层和一个相反的第二表面；和
一个反射表面，在或靠近透明层的第二表面上形成，用来引导至少一部分发射光偏离主发光方向，从而增强发光二极管设备侧面发出的光。
依照本发明的另一方面，提供一个制作发光二极管设备的过程。此过程包括：
形成一个多层材料叠层，其包括一个p-层、一个n-层、以及一个光产生区，用来在主发光方向上发射光，主发光方向朝向p-层和n-层中的一个层；
安置一个完全透明层在或靠近所述p-层和n-层中的一个层，透明层有一个第一表面朝向所述p-层和n-层中的一个层和一个相反的第二表面；和
形成一个反射表面在或靠近透明层的顶表面上，用来反射至少一部分发射光偏离主发光方向，从而增强发光二极管设备侧面发出的光。
通过以下的详细描述，并结合通过范例描述本发明原理的附图，本发明的其它方面和优点将越发明显。
附图说明
现通过范例并参考附图描述本发明，其中：
图1a和图1b描述一种现有技术的发光二极管设备及其光场；
图2描述一种期望的LED设备光场；
图3a是依照本发明的LED设备的第一实施例的截面图；
图3b是图3a的LED设备的反射层的透视图；
图3c是图3a的LED设备的角度强度分布的示意图；
图3d描述图3a的LED设备的光场；
图4是依照本发明的LED设备的第二实施例的截面图；
图5是依照本发明的LED设备的第三实施例的截面图；
图6a是依照本发明的LED设备的第四实施例的截面图；
图6b是依照本发明的LED设备的第五实施例的截面图；
图7是本发明的一种反射表面的截面图；
图8a和图8b是制作本发明典型实施例里的反射表面的第一过程；和
图9a、图9b和图9c是制作本发明典型实施例里的反射表面的第二过程。
发明详述
以下描述本发明半导体发光设备的典型实施例。在描述典型实施例的发光二极管时，参考了附图。附图之间的类似元件用相同的参考编号标识。
在图3a和图3b里，显示了一个依照本发明的倒装发光二极管(LED)设备300的典型实施例。如本领域的技术人员所通常理解的那样，倒装LED设备300有一个多叠层301，其包括一个p掺杂材料层或p型半导体层303、一个n掺杂材料层或n型半导体层305、以及一个光产生区或p-n结307。当有电力供应时，p-n结307朝所有方向发光，但是，大部分发射光将沿着由箭头311所示的主发光方向，穿过一个完全透明的基板309，该基板粘在n-层305的顶表面上。本领域技术人员将会理解，倒装LED设备300有p电极313和n电极315，用来分别供电给p-层和n-层303、307，且也可能有一个导电的透明层，如ITO薄膜316，夹在电极313、315和各个半导体层303、307之间，用来改善彼此的电连接。本领域技术人员将会理解，倒装LED设备300还可以有一个金属镜层317，位于ITO膜316和各个电极313、315之间，用来反射光到主发光方向311。
倒装LED设备300还包括一个图案化的反射层319，其形成倒装LED设备300的顶表面，以及还有一个完全透明层321，夹在反射层319和基板309之间。在典型实施例里，反射层319是由反射材料如铝、金、银、鉻、1维光学晶体结构等制成，并有多个穿透反射层的孔323，从而形成多个间隔分离的反射镜325。
如图3a所示，p-n结307在所有方向上发光。一些光329可能直接从基板309的侧表面328出来；一些光可能穿过基板309，并从透明层321的侧表面330出来。一些光333可能穿过基板309、透明层321、以及反射层319上的孔323，使得这些光穿过由反射层319定义的顶表面从倒装LED设备300出来。一些光335可能穿过基板309以及透明层321，然后可能在一个方向被反射镜325反射，使得这些光穿过透明层321的侧表面330从倒装LED设备300出来。一些光337可能穿过基板309和透明层321，由反射镜325反射，并进一步在一个方向上由基板309的顶表面338反射，使得这些光穿过透明层321的侧表面330从倒装LED设备300出来。
所以，本领域技术人员将会理解，这种具有一个远离p-n结的图案化反射层的LED设备可以增强从其侧面发出的光，其可能包括多层叠层、基板和透明层的侧面，然后可以产生一个期望的“状似蝙蝠翼的”光场。图3c和图3d分别描述这种LED设备的角度强度分布和光场。
本领域技术人员还将会理解，可以在晶片级别(wafer level)上获得这种具有增强侧面发光的LED设备，所以在封装级别(package level)上不需要多余的复杂光设计。由此，可以获得一个相当紧凑小型的侧面发光LED设备。
在典型LED设备300里，透明层321的厚度大约等于基板的厚度。本领域技术人员将会理解，较厚的透明层可能导致更多的侧面发光。所以，透明层的厚度将取决于期望的光场型和LED设备上的尺寸要求，尽管优选地讲，至少是1/3的基板厚度。本领域普通技术人员也将理解，在一个倒装LED设备里，透明层可能不是必需的，反射层可以形成在透明基板的顶表面上，使得由反射层反射的光穿过透明基板的侧面从倒装LED设备出来。
另外，透明层321可以由诸如氧化硅(SiO2)、环氧、聚合材料、玻璃等透明材料制成，且优选地，其折射率大于基板的折射率，在典型LED设备里基板通常是由蓝宝石制成。选择这种折射率可以增强侧面发光，当光从基板到透明层里时降低光折射，以及当光从透明层到基板时增强反射。
在图4里，第二倒装LED设备实施例400还包括一个2维光学晶体结构401，其在基板403和透明层405之间形成，用来吸取从基板403来的光到透明层405，并且2维光学晶体结构401的光学带隙(photonic bandgap)，覆盖至少由p-n结407发出光的一段波长范围。在待决的美国专利申请(标题为“Semiconductor Light Emitting Device(半导体发光设备)”、由Yan Hung等申请)里，详细描述了这种2维光学晶体结构的制造和应用，在此其内容通过引用结合到本文。
在如图5所述的第三倒装LED设备实施例500里，在反射层501上的反射镜503是U型或凸型。形成凸型反射镜时，可以首先在透明层509的顶表面506上形成多个凹形凹处504，然后沉积一层反射材料在每个凹处504。
与如图3a和图4所示的平面反射镜相比，凸型反射镜设计可以降低光反射到p-n结，从而可以提高从LED设备出来的光。而且，这种LED设备通过调整凸型反射镜503的大小和尺寸、反射镜503之间孔径507的大小、以及透明层509的厚度可以实现更复杂和/或更好控制的光场图形。
图6a描述一个顶端发光LED设备600的典型实施例，其包括一个在基板603上形成的多层材料叠层601。正如本领域技术人员通常理解的那样，多层叠层601包括一个p掺杂材料层或p型半导体层(“p-层”)605、一个n掺杂材料层或n型半导体层(“n-层”)607、以及一个光产生区或p-n结609。本领域的技术人员将会理解，当有电力供应时，p-n结609朝所有方向发光，但是大部分发射光将按照箭头611所示的主发光方向，从顶端发光半导体发光设备600出来。顶端发光半导体发光二极管600也可以有p电极613和n电极615，用来供电给p-层和n-层605、607。有选择地，反射层可以粘在基板603的底表面，用来反射光到主发光方向611。顶端发光LED设备还包括一个厚透明层619在或靠近p-层605，还包括一个图案化的反射层621粘在透明层619的顶表面，有间隔分离的多个凸型反射镜625的多个孔径623。
图6b描述顶端发光LED设备的另一个实施例，其类似于图6a的那种，除反射镜是完全平坦之外。另外，一个具有合适光学带隙的2维光学晶体结构可以位于p-层和透明层之间，用来增强进入透明层的发射光。
图7描述依照本发明形成反射镜的另一种方法。通过例子来描述凸型反射镜的形成，但是本领域技术人员将会理解，这种工艺也可以适用于形成平坦的反射镜。如图7所示，首先，透明层703的顶表面701被蚀刻或通过其它方法以形成多个凹处705。其后，第二透明层707，其折射率不同于并且小于透明层703的折射率，被涂敷在透明层703的顶表面701上，充满凹处705。在此两个透明层703、707之间的界面709使用作为反射镜。
有多种工艺可以被用来形成透明层上的凹处。例如，如图8a和图8b所示，首先，一个具有孔径802的防蚀刻层801被粘在透明层803上，然后通过一个化学蚀刻工艺以形成凹处804。或者，如图9a-9c所示，一个具有多个突起903的物理印字机901可以被用来施加一个物理作用力在透明层905上以在透明层上形成凹处907。
具有增强侧面发光的LED设备可以有各种应用。例如，可以用于一个背光照明系统，其通常有一个伸长基板，其上装有多个这种LEDs。由于现在每个LED设备都有增强的侧面发光，而且其光场型可以控制，所以可以实现降低封装复杂性和控制这种照明系统的光强度。
应该理解，在此披露和定义的本发明可以扩展到以上文字或附图的两个或多个特征的所有替代组合。所有这些不同组合构成本发明的各个方面。本领域技术人员将会明白，前面描述了本发明的一个实施例及对其所作改进，而没有偏移本发明的范围。
尽管在此描述了本发明，然而不是意在受制于所述细节，因为可以对其作出各种改进和结构改变，而没有偏移本发明的精神，并属于本发明和权利要求的范围。
而且，应该理解，在说明书里用来描述本发明及其各种实施例的单词不仅可以理解为通常涵义，而且可以包括超出通常涵义范围之外的说明书结构、材料或行为上作出的特别定义。因此，如果一个元素在说明书的上下文里可以被理解为包括多于一个涵义，其在权利要求里的使用必须被理解为由说明书及其单词本身支持的所有可能涵义。所以，以下权利要求的单词和元素定义在说明书里设定，不仅包括字面上阐述的元素组合，且包括所有等同的结构、材料或动行为以实质相同的方式执行实质相同的功能以获得实质相同的结果，而没有偏移本发明的范围。

Claims (23)

1.一种发光二极管设备，包括：
一个多层材料叠层，其包括一个p-层、一个n-层、以及一个光产生区，用来在主发光方向上发射光，主发光方向朝向p-层和n-层中的任何一个层；
一个完全透明层，其位于或靠近p-层和n-层中的任何一个层上，具有第一表面，其朝向所述p-层和n-层中的任何一个层，和一个相反的第二表面；和
一个反射表面，在或靠近透明层的第二表面上形成，用来引导至少一部分发射光偏离主发光方向，从而增强发光二极管设备侧面发出的光。
2.根据权利要求1所述的发光二极管设备，其中发光设备是一种倒装发光设备，其中该发光二极管设备还包括一个完全透明的基板，其上形成有多层叠层，且基板被夹在所述p-层和n-层中的一个层和透明层之间。
3.根据权利要求2所述的发光二极管设备，其中透明层的厚度至少是1/3的基板厚度。
4.根据权利要求2所述的发光二极管设备，其中透明层有一个折射率，其大于基板的折射率。
5.根据权利要求1所述的发光二极管设备，其中发光设备是一种倒装发光设备，其中透明层是由透明基板形成，多层叠层在其上形成。
6.根据权利要求1所述的发光二极管设备，还包括一个2维光学晶体结构，其形成在多层叠层和透明层之间，用于吸取从多层叠层来的光到透明层去，其中2维光学晶体结构有一个光学带隙(photonic band gap)，覆盖至少光产生区发出光的一段波长范围。
7.根据权利要求1所述的发光二极管设备，其中反射表面被图案化以允许至少一部分的光穿透反射表面。
8.根据权利要求6所述的发光二极管设备，其中反射表面包括在其中形成的多个孔径。
9.根据权利要求6所述的发光二极管设备，其中反射表面以这样的方式形成，使得有多个反射镜用来引导至少一部分发射光偏离主发光方向。
10.根据权利要求8所述的发光二极管设备，其中至少有一些反射镜是完全平的。
11.根据权利要求8所述的发光二极管设备，其中至少一些反射镜是凸型。
12.根据权利要求10所述的发光二极管设备，其中透明层包括在其第二表面上的多个凹处，用来形成凸型反射镜。
13.根据权利要求12所述的发光二极管设备，还包括第二透明层，其折射率低于透明层的折射率，并位于或靠近透明层的第二表面以形成反射表面。
14.根据权利要求1所述的发光二极管设备，其中反射表面是由沉积在透明层顶表面上的反射材料制成。
15.根据权利要求11所述的发光二极管设备，其中反射材料选自：铝、金、银、鉻、1维光学晶体等。
16.一个照明系统，包括：
一个伸长基板；
多个发光二极管设备，位于基板上，每个发光二极管设备包括：
一个多层材料叠层，其包括一个p-层、一个n-层、以及一个光产生区，用来在主发光方向上发射光，主发光方向朝向p-层和n-层中的一个层；
一个完全透明层，位于或靠近所述p-层和n-层中的一个层上，有一个第一表面，朝向p-层和n-层中的一个层，和一个相反的第二表面；和
一个反射表面，形成在或靠近透明层的第二表面上，用来引导至少一部分发射光偏离主发光方向，从而增强发光二极管设备侧面发出的光。
17.一种制作权利要求1的发光二极管设备的过程，包括：
形成一个多层材料叠层，其包括一个p-层、一个n-层、以及一个光产生区，用来在主发光方向上发射光，主发光方向朝向p-层和n-层中的一个层；
安置一个完全透明层在或靠近所述p-层和n-层中的一个层上，透明层有一个第一表面朝向所述p-层和n-层中的一个层，和一个相反的第二表面；和
形成一个反射表面在或靠近透明层的顶表面上，用来反射至少一部分发射光偏离主发光方向，从而增强发光二极管设备侧面发出的光。
18.根据权利要求17所述的过程，其中形成反射表面的步骤包括形成多个孔径延伸穿出反射表面，以允许至少一部分光穿过反射表面。
19.根据权利要求17所述的过程，其中形成反射表面的步骤包括形成多个相互间隔的反射镜，用来反射至少一部分发射光偏离主发光方向。
20.根据权利要求19所述的过程，其中至少一些反射镜是凸型。
21.根据权利要求20所述的过程，其中凸型反射镜是通过在透明层的顶表面上形成多个凹处而形成。
22.根据权利要求21所述的过程，其中凹处是通过蚀刻透明层而形成。
23.根据权利要求21所述的过程，其中凹处是通过施加一个外部作用力在透明层上而形成。
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