CN103022310B

CN103022310B - Led发光芯片的光提取层及led装置

Info

Publication number: CN103022310B
Application number: CN201210585623.0A
Authority: CN
Inventors: 康学军; 李鹏; 张冀
Original assignee: Foshan Nationstar Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Foshan Nationstar Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2012-12-30
Filing date: 2012-12-30
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2032-12-30
Also published as: CN103022310A

Abstract

本发明提供了一种LED发光芯片的光提取层及LED装置，所述LED发光芯片包括半导体层和与所述半导体层直接接触的光提取层，所述光提取层与所述半导体层直接接触的表面为第一表面，所述光提取层与外部介质直接接触的表面为第二表面，所述第一表面的折射率不小于所述半导体层的折射率，且所述光提取层的折射率从所述第一表面至所述第二表面呈递减变化趋势，且所述第二表面的折射率不大于所述外部介质的折射率。本发明提供的LED发光芯片的光提取层能同时提高其取光效率和出光效率。

Description

LED发光芯片的光提取层及LED装置

技术领域

本发明涉及半导体发光器件，尤其涉及一种能够同时提高取光效率和出光效率的LED芯片的光提取层及LED装置。

背景技术

近年来，随着半导体照明的不断深入发展，发光二极管（LED）以其高电光转换效率和绿色环保的优势受到越来越广泛的关注。半导体照明产品中的核心组成部分是LED芯片，其研究与生产技术有了飞速的发展，芯片亮度和可靠性不断提高。在LED芯片的研发和生产过程中，器件外量子效率的提高一直是核心内容，因此，光提取效率的提高显得至关重要。LED芯片的光提取效率是指出射到芯片外可供利用的光子与外延片的有源区由电子空穴复合所产生的光子的比例。

在传统LED芯片中，由于衬底吸收、电极阻挡、出光面的全反射等因素的存在，光提取效率很低，并且绝大部分光子被限制在芯片内部无法出射而转变成热，从而成为影响芯片可靠性的不良因素。

为提高光提取效率，公开号CN101071840A（公开日为2007年11月14日）的专利申请公开了一种发光器件，包括半导体层和光提取层，其中，光提取层由折射率等于或者高于该半导体层的折射率的材料制成，且该光提取层为多孔结构，孔内填充透明导电氧化物。该发光器件虽然提高了半导体层与光提取层界面上的光提取效率，但是在光提取层与环氧树脂界面上发生全反射的临界角减小了，不利于LED芯片封装器件的出光，仍然存在LED发光器件出光效率低的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种LED发光器件，以能够同时提高LED发光器件的光提取效率和出光效率。

基于此，本发明还提供了一种LED芯片及其制作方法和LED装置。本发明采用如下技术方案：

一种LED发光芯片的光提取层，所述LED发光芯片包括半导体层和与所述半导体层直接接触的光提取层，所述光提取层与所述半导体层直接接触的表面为第一表面，所述光提取层与外部介质直接接触的表面为第二表面，所述第一表面的折射率不小于所述半导体层的折射率，且所述光提取层的折射率从所述第一表面至所述第二表面呈递减变化趋势，且所述第二表面的折射率不大于所述外部介质的折射率。

进一步地，所述光提取层只有一层，制备所述光提取层的材料的各组分的含量随着所述光提取层厚度的变化而变化，使所述光提取层的折射率随着所述光提取层的厚度的增加而减小。

进一步地，所述光提取层由k层光提取子层组成，第i层光提取子层的折射率大于第i+1层的光提取子层的折射率；

其中，所述第i层光提取子层比所述第i+1层光提取子层靠近所述半导体层，i，k均为整数，k>1，1≤i<k。

进一步地，所述LED发光芯片为垂直结构、正装结构或倒装结构。

进一步地，所述LED发光芯片包括:衬底、位于所述衬底的第一端面之上的P型氮化镓层、位于所述P型氮化镓层之上的量子阱发光层、位于所述量子阱发光层之上的所述N型氮化镓层、位于所述N型氮化镓层的第一区域之上的N电极、位于所述N型氮化镓层的第二区域之上的光提取层以及位于所述衬底的第二端面之上的P电极；

其中，所述N型氮化镓层的第一区域和第二区域构成N型氮化镓层；所述第一端面和所述第二端面为所述衬底相对的两个端面。

进一步地，所述LED发光芯片还包括导电层，所述导电层内含有若干个孔，所述孔内填充如上述任一项所述的光提取层。

进一步地，所述LED发光芯片包括：衬底、位于所述衬底之上的N型氮化镓层、位于所述N型氮化镓层的第一区域之上的量子阱发光层、位于所述N型氮化镓层的第二区域之上的N电极、位于所述量子阱发光层之上的P型氮化镓层、位于所述P型氮化镓层之上的导电层、以及位于导电层之上的P电极；

其中，N型氮化镓层的第一区域和第二区域构成N型氮化镓层。

进一步地，所述导电层由透明导电氧化物制成。

进一步地，采用复合物xTiO₂/(1-x)SiO₂或xNb₂O₅/(1-x)SiO₂制作所述光提取层，其中，0≤x≤1。

一种LED装置，包括，支架、位于所述支架之上的LED芯片和金属引线，其中，所述LED芯片采用上述任一项所述的结构。

进一步地，还包括，位于所述LED芯片之上的环氧树脂。

本发明提供的LED发光芯片的光提取层，其光提取层的第一表面的折射率不小于与其直接接触的半导体层的折射率，从而减少了光的反射，提高了LED发光芯片的取光效率，同时，将光提取层的第二表面的折射率设置为不大于与其直接接触的外部介质的折射率，并且，光提取层的折射率从第一表面到第二表面逐渐降低，这样光在从光提取层入射到外部介质时，不会发生全反射，提高了LED发光芯片的出光效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例二的结构示意图图；

图3（a）和图3（b）是本发明实施例三的结构示意图；

图4（a）和图4（b）是本发明实施例四的结构示意图；

图5是本发明实施例五的结构图；

图6是本发明实施例六的结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

应当理解，当层、区域或衬底这样的部件被称为位于另一部件“之上”或“之下”时，它可以直接位于另一部件之上或之下，或可以存在中间部件。

实施例一

请参阅图1。图1是本发明实施例一的LED发光芯片的的结构示意图。该LED发光芯片包括半导体层11和与该半导体层11直接接触的光提取层12。光提取层12与半导体层11直接接触的表面为第一表面12-1，光提取层12与外部介质（图中未示出）直接接触的表面为第二表面12-2，第一表面12-1的折射率不小于半导体层11的折射率，需要提出的是，这里所说的不小于应理解为等于或略大于，即光提取层的第一表面12-1的折射率与半导体层11的折射率相近，根据反射率计算公式，当光垂直入射时，反射率为可知，当光提取层12的第一表面与12-1半导体层11的折射率相近时，即两者的折射率相差越小时，反射率较小，能够解决传统结构的光提取层与半导体层之间因折射率相差较大而引起的高反射率，进而导致较低的光提取效率的问题，同时，第一表面12-1处不会产生全反射现象，提高了光的提取效率。

此外，通常情况下，LED发光芯片的半导体层11为氮化镓基材料，半导体层11可以包括P型氮化镓层、量子阱发光层、N型氮化镓层。半导体层11的折射率为2.4，用来封装芯片的环氧树脂的折射率为1.4，如上述所述，为了提高光在半导体层的光提取效率，光提取层的折射率通常不小于半导体层的折射率，即，光提取层的折射率不小于2.4。而现有技术中，整个光提取层具有单一的光折射率，所以在光提取层的第二表面处的折射率仍不小于2.4，明显大于外部介质的折射率（如环氧树脂的折射率为1.4，空气的折射率为1.0）。由于光提取层的折射率远远大于外部介质的折射率，当光从光提取层入射到外部介质时，光在光提取层与外部介质的界面即第二表面上发生全反射的临界角变小，从而导致易发生全反射，进而导致LED发光芯片的出光率较低。

为解决出光效率较低的问题，本发明实施例一的光提取层第二表面12-2的折射率不大于与其直接接触的外部介质的折射率，这里所说的不大于应理解为等于或略小于，即光提取层的第二表面12-2的折射率与外部介质的折射率相近，这样，光从第二表面12-2入射到外部介质（环氧树脂或空气）中时，解决传统结构的光提取层与外部介质之间因折射率相差较大而引起的高反射率，进而导致较低的光提取效率的问题，同时，第二表面12-2处不会产生全反射现象，光最大可能地射到发光芯片的外部，而没有被全反射到发光芯片的内部，相较于现有技术明显提高了LED发光芯片的出光率。

本实施例提供的光提取层一般可以通过PECVD或溅射等方法采用透明氧化物或透明氮化物形成。

上述所述的LED发光芯片的光提取层可以为单层结构。当该光提取层为单层结构时，可以采用至少两种化合物的复合物形成。例如，可以采用复合物xTiO₂/(1-x)SiO₂或xNb₂O₅/(1-x)SiO₂制作光提取层，随着光提取层的厚度变化，光提取层中的复合物中的各组分的含量会发生变化，即，x的值在区间[0,1]之间发生变化。光提取层的组分含量变化会导致光提取层的折射率发生变化，从而实现光提取层的折射率随着光提取层厚度的增加而减小。当光提取层为一层结构时，光提取层的折射率从第一表面到第二表面是连续变化、逐渐降低的，光在光提取层内部传播过程中，不存在界面反射，提高了LED发光芯片的出光效率。

实施例一中的LED发光芯片的光提取层仅有一层结构，通过制备该光提取层12的材料的各组分的含量随着光提取层12的厚度变化而变化，实现光提取层12折射率随着光提取层12的厚度的增加而减小。此外，本发明提供的LED发光芯片的光提取层还可以通过形成多层光提取子层实现光提取层12折射率的变化。

实施例二

实施例二提供的LED发光芯片与实施例一的不同点仅在于光提取层12由具有不同折射率的多层光提取子层构成，其它部分的结构、制作方法与实施例一中的相同。为了简要起见，本实施例仅对光提取层进行详细说明，其它部分请参阅实施例一。

结合图2，光提取层12由k层光提取子层组成，且每层光提取子层的折射率呈阶跃式变化，与半导体层11接触的光提取子层为第1层光提取子层，依次为第2层光提取子层，……，第i层光提取子层，第i+1层光提取子层……，第k层光提取子层，第k层光提取子层与外部介质（图中未标出）接触。可以看出，第i层光提取子层比第i+1层光提取子层靠近半导体层11。其中，第1层光提取子层（相当于光提取层1202的第一表面）的折射率不小于与其直接接触的半导体层11的折射率，并且第i层光提取子层的折射率大于第i+1层光提取子层的折射率，第k层光提取子层（相当于光提取层1202的第二表面）的折射率不大于与其直接接触的外部介质的折射率，其中，i，k均为整数，k>1,1≤i<k。可以看出，越远离半导体层11的光提取子层的折射率越小，所以，当光从半导体层11入射到光提取层12中的各光提取子层时，由于第1光提取子层的折射率不小于半导体层的折射率，且光提取子层的折射率随着与半导体层11距离的增加呈阶跃式递减，且相邻的两层光提取子层之间的折射率差值较小，根据反射率计算公式，当光垂直入射时，反射率为可知，当相邻两层光提取子层的折射率相近时，反射率较小，能够解决传统结构的光提取层与半导体层之间因折射率相差较大而引起的高反射率问题，有利于提高光提取层的提取效率。

此外，第k层光提取子层的折射率不大于与其接触的外部介质的折射率，即外部介质的折射率不小于第k层光提取子层的折射率，这样，光从第k层光提取子层入射到外部介质中时，解决了传统结构的光提取层与外部介质之间因折射率相差较大而引起的高反射率问题，同时，不会产生全反射现象，提高了LED发光芯片的出光率。

上述实施一或实施例二所述的LED发光芯片结构，还可以包括导电层，该导电层位于半导体层之上。详细参阅实施例三。

实施例三

结合图3（a）和图3（b），图3（a）是实施例三中的LED芯片结构剖面示意图，图3（b）是实施例三的LED芯片结构的俯视图。该LED发光芯片包括半导体层11、位于半导体层11之上的导电层13，其中该导电层13为多孔结构，该孔可以通过湿法腐蚀或干法刻蚀等方法在导电层13上形成，该孔可以是圆形、矩形、椭圆形或其它规则或不规则形状。在所述孔内填充有实施例一或实施例二所述的光提取层12，通过调整光提取层12的表面面积和导电层13的表面面积以及各孔之间的间距，来控制导电层的导电性能。

该光提取层12的形成方法可以首先通过PECVD或溅射等方法在导电层13上沉积形成光提取层，然后通过湿法腐蚀或干法刻蚀等方法去除导电层13上除孔位置以外的光提取层部分，这种方法形成的光提取层12仅在导电层13的孔内。

该光提取层12的形成方法还可以通过湿法腐蚀或干法刻蚀等方法仅去除导电层13上预留的电极焊垫部分（在该焊垫区域制作LED芯片的电极）的光提取层13，此时，光提取层13覆盖导电层并且填充孔结构内部，由于导电层13的折射率（一般为2.0左右）小于光提取层12的第一表面处的折射率（大于等于2.4），所以在导电层13与光提取层12接触界面处不会产生全反射，即不会降低取光效率。

半导体层11可以由GaN基半导体材料制成。导电层13至少部分透明，可以由透明导电氧化物制成，例如为氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铝锌、氧化镁锌或氧化镓锌，优选氧化铟锡。

实施例一或实施例二所述的LED发光芯片还可以为垂直结构。详细参阅实施例四。

实施例四

结合图4（a）和图4（b）。图4（a）是垂直结构的LED发光芯片的结构剖面示意图，图4（b）是垂直结构的LED发光芯片的俯视图。该垂直结构LED发光芯片包括衬底41、位于衬底41的第一端面之上的P型氮化镓层42、位于P型氮化镓层42之上的量子阱发光层43、位于量子阱发光层43之上的N型氮化镓层44、位于N型氮化镓层44的第一区域之上的N电极45和位于N型氮化镓层44的第二区域之上的光提取层12、以及位于衬底41的第二端面之上的P电极46。

N型氮化镓层44根据其表面上存在的是N电极45还是光提取层12进行区域的划分。存在N电极45的N型氮化镓层44的区域为第一区域，存在光提取层12的N型氮化镓层44的区域为第二区域。所以，N型氮化镓层44的表面上要么存在N电极45，要么存在光提取层12，没有空白区域。结合图4（b），很清楚地得知，N电极45仅占N型氮化镓层44的第一区域，光提取层12位于N型氮化镓层上的第二区域，光提取层12位于N电极45的周围且覆盖光提取层12的第二区域。该LED发光芯片还包括位于衬底41的第二端面之上的P电极46，其中，衬底41的第一端面和第二端面为衬底41两个相对的端面。衬底41可以采用Si、合金、金属或其它导热导电材质等。由于该垂直结构的LED发光芯片的光提取层12采用实施例一或实施例二所述的结构，所以该LED发光芯片相较于现有技术，能提高光提取效率和出光效率。

实施例五

进一步地，该LED发光芯片可以为正装结构。如图5所示，该正装结构的LED发光芯片包括，衬底41、位于衬底41之上的N型氮化镓层44、位于N型氮化镓层44的第一区域之上的量子阱发光层43、位于量子阱发光层43之上的P型氮化镓层42、位于P型氮化镓层42之上的导电层13、位于N型氮化镓层44的第二区域之上的N电极45以及位于导电层13之上的P电极46。其中，N型氮化镓层44分为第一区域和第二区域。N型氮化镓层44的第一区域被量子阱发光层43覆盖，N型氮化镓层44的第二区域之上设置有N电极45，N电极45不完全覆盖N型氮化镓层44的第二区域。

其中，衬底41可以采用蓝宝石、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。为了提高晶格匹配率，还可以在衬底41上生成一层缓冲层50，该缓冲层可以由GaN或AlGaN生成。所述导电层13采用上述实施例三所述的结构，该导电层13为多孔结构，孔内填充有实施例一或实施例二所述的光提取层12，所以该LED发光芯片同时提高光提取效率和出光率。

实施例六

基于上述任一实施例的LED芯片，实施例六提供了一种LED装置，包括：支架60、位于支架60之上的LED芯片61和金属引线62，其中，LED芯片采用实施例三所述的结构。该LED装置能够同时提高光提取效率和出光率。

所述支架60为PLCC（带引线的塑料芯片载体）型支架、PCB板、金属芯线路板或陶瓷基板。LED芯片61的数量至少为一个。

本实施例提供的LED装置，可以不被树脂封装，直接暴露在空气中，还可以包括位于LED芯片61上方的透明环氧树脂63。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质上对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种LED发光芯片的光提取层，所述LED发光芯片包括半导体层和与所述半导体层直接接触的光提取层，其特征在于，所述光提取层与所述半导体层直接接触的表面为第一表面，所述光提取层与外部介质直接接触的表面为第二表面，所述第一表面的折射率不小于所述半导体层的折射率，且所述光提取层的折射率从所述第一表面至所述第二表面呈递减变化趋势，且所述第二表面的折射率不大于所述外部介质的折射率；所述光提取层的材料的各组分的含量随着所述光提取层厚度的变化而变化，使所述光提取层的折射率从第一表面到第二表面逐渐减小；

其中，采用复合物xNb₂O₅/(1-x)SiO₂制作所述光提取层，其中，0≤x≤1。

2.根据权利要求1所述的光提取层，其特征在于，所述光提取层由k层光提取子层组成，第i层光提取子层的折射率大于第i+1层的光提取子层的折射率；

3.根据权利要求1或2所述的光提取层，其特征在于，所述LED发光芯片结构为垂直结构、正装结构或倒装结构。

4.根据权利要求1或2所述的光提取层，其特征在于，所述LED发光芯片包括:衬底、位于所述衬底的第一端面之上的P型氮化镓层、位于所述P型氮化镓层之上的量子阱发光层、位于所述量子阱发光层之上的N型氮化镓层、位于所述N型氮化镓层的第一区域之上的N电极、位于所述N型氮化镓层的第二区域之上的光提取层以及位于所述衬底的第二端面之上的P电极；

5.根据权利要求1或2所述的光提取层，其特征在于，所述LED发光芯片还包括导电层，所述导电层内含有若干个孔，所述孔内填充如权利要求1-3任一项所述的光提取层。

6.根据权利要求5所述的光提取层，其特征在于，所述LED发光芯片包括：衬底、位于所述衬底之上的N型氮化镓层、位于所述N型氮化镓层的第一区域之上的量子阱发光层、位于所述N型氮化镓层的第二区域之上的N电极、位于所述量子阱发光层之上的P型氮化镓层、位于所述P型氮化镓层之上的所述导电层、以及位于所述导电层之上的P电极；

7.根据权利要求1所述的光提取层，其特征在于，所述光提取层由透明氧化物或透明氮化物制成。

8.一种LED装置，包括，支架、位于所述支架之上的LED芯片和金属引线，其特征在于，所述LED芯片采用权利要求1-7任一项所述的结构。

9.根据权利要求8所述的LED装置，其特征在于，还包括，位于所述LED芯片之上的环氧树脂。