CN103972374A - 多垂直led封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管(LED)封装结构。该LED封装结构包括：具有衬底和位于衬底上的多个接合焊盘的基座。该LED封装结构包括通过接合焊盘的第一子集与衬底接合的多个p型LED。该LED封装结构包括通过接合焊盘的第二子集与衬底接合的多个n型LED。一些接合焊盘既属于接合焊盘的第一子集又属于接合焊盘的第二子集。p型LED和n型LED被布置成交替对。该LED封装结构包括多个透明且导电的元件，该多个透明且导电的元件均设置在多对p型LED和n型LED中的一对的上方并且与多对p型LED和n型LED中的一对电互连。该LED封装结构包括设置在n型LED和p型LED的上方的一个或多个透镜。本发明还提供了多垂直LED封装结构。

Description

多垂直LED封装结构
技术领域
本发明一般地涉及发光器件，更具体地，涉及具有更好的光输出的低成本发光二极管(LED)结构。
背景技术
LED是在施加电压时发光的半导体光子器件。LED由于诸如器件尺寸小、寿命长、高效的能耗以及良好的耐久性和可靠性的有利特征而越来越受到欢迎。近几年来，LED已经用在包括指示器、光敏传感器、红绿灯、宽带数据传输、LCD显示器的背光单元以及其他合适的照明装置的各种应用中。例如，LED通常被设置在照明装置中来代替传统的白炽灯泡(诸如典型灯中使用的那些)。
然而，现有的LED仍然具有缺点。例如，传统的LED封装结构通常利用引线接合来建立用于多个LED的电连接。这种类型的封装结构很难提供高密度流明的光输出并且也会很昂贵。
因此，虽然现有的LED通常足以用于它们的预期目的，但是它们不能在每个方面都完全令人满意。需要继续寻找提供更好的光输出和更低的成本的LED封装结构。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种发光二极管(LED)封装结构，包括：基座衬底；多个导电焊盘，位于所述基座衬底上；以及多个LED，通过所述多个导电焊盘与所述基座衬底接合，所述多个LED包括以交替方式布置的p型垂直LED和n型垂直LED；其中：所述p型垂直LED和所述n型垂直LED均包括各自的p型掺杂半导体层和n型掺杂半导体层；对于所述p型垂直LED，所述p型掺杂半导体层比所述n型掺杂半导体层更接近所述基座衬底；以及对于所述n型垂直LED，所述n型掺杂半导体层比所述p型掺杂半导体层更接近所述基座衬底。
该LED封装结构还包括：设置在所述多个LED上方的多个透明覆盖层(TCL)元件，其中，每个TCL元件都被配置为将一个所述p型垂直LED和相邻的一个所述n型垂直LED电连接在一起。
在该LED封装结构中，所述LED封装结构没有接合引线。
在该LED封装结构中，所述结合焊盘的子集均被配置成将p型垂直LED和相邻的n型垂直LED电连接在一起。
该LED封装结构还包括：发光膜，设置在所述多个LED的上方；以及保护层，设置在所述发光膜的上方，所述保护层具有粗糙表面。
该LED封装结构还包括：设置在所述多个LED上方的一个或多个透镜，所述一个或多个透镜和所述基座衬底设置在所述LED的相对侧。
在该LED封装结构中，所述多个导电焊盘包括位于所述基座衬底的第一表面上的导电焊盘的第一子集和位于与所述基座衬底的所述第一表面相对的第二表面上的导电焊盘的第二子集；以及所述基座衬底包括将所述第二子集中的导电焊盘与所述第一子集中的一些导电焊盘电互连的多个硅通孔。
根据本发明的另一方面，提供了一种光子照明设备，包括：基座，包括衬底和设置在所述衬底上的多个接合焊盘；多个p型发光二极管(LED)，通过所述接合焊盘的第一子集与所述衬底接合；多个n型LED，通过所述接合焊盘的第二子集与所述衬底接合，其中，一些所述接合焊盘既属于所述接合焊盘的所述第一子集又属于所述接合焊盘的所述第二子集，其中，所述p型LED和所述n型LED交替成对布置；多个透明且导电的元件，均设置在所述p型LED和所述n型LED中的一对的上方并且与这一对p型LED和n型LED电互连；以及一个或多个透镜，设置在所述n型LED和所述p型LED的上方。
在该光子照明设备中，在没有结合引线的情况下电互连所述光子照明设备的所述p型LED和所述n型LED。
在该光子照明设备中，所述多个p型LED和所述多个n型LED利用所述接合焊盘和所述透明且导电的元件电互连在一起。
在该光子照明设备中，所述p型LED和所述n型LED均包括垂直LED。
在该光子照明设备中，所述基座包括与一些所述接合焊盘电连接的多个硅通孔(TSV)；所述基座包括位于所述衬底的第二面上的附加接合焊盘，所述衬底的第二面与接合所述LED的第一面相对；以及所述附加接合焊盘与所述TSV电连接。
根据本发明的又一方面，提供了一种封装发光二极管(LED)的方法，所述方法包括：制造多个p型垂直LED；制造多个n型垂直LED；将所述p型垂直LED和所述n型垂直LED接合至基座；以及在所述p型垂直LED和所述n型垂直LED的上方形成多个透明覆盖层(TCL)元件，每个TCL元件均将所述p型垂直LED中的一个和所述n型垂直LED中的一个电互连。
在该方法中，制造所述多个p型垂直LED包括：在生长衬底的上方生长多个外延层，所述外延层包括n型半导体层、p型半导体层、和设置在所述n型半导体层和所述p型半导体层之间的多量子阱(MQW)层；在所述外延层的上方形成欧姆接触层；在所述欧姆接触层和所述外延层中形成多个开口，从而形成通过所述开口互相分离的多个台式结构；在每个所述台式结构中的所述欧姆接触层上方形成反射层；在每个所述台式结构中的所述反射层上方形成阻挡层；在每个所述台式结构中的所述阻挡层上方形成接合焊盘；以及实施切割工艺以延伸所述开口穿过所述生长衬底，从而形成多个分离的p型垂直LED。
该方法还包括：在接合之后，从每个所述p型垂直LED去除所述生长衬底。
在该方法中，制造所述多个n型垂直LED包括：在生长衬底的上方生长多个外延层，所述外延层包括n型半导体层、p型半导体层、和设置在所述n型半导体层和所述p型半导体层之间的多量子阱(MQW)层；将载体衬底与所述生长衬底和设置在所述生长衬底上的所述外延层接合；然后去除所述生长衬底；在所述外延层中形成多个开口，从而形成通过所述开口互相分离的多个台式结构；在每个所述台式结构中的所述n型半导体层上方形成欧姆接触层；在每个所述台式结构中的所述欧姆接触层上方形成反射层；在每个所述台式结构中的所述反射层上方形成阻挡层；在每个所述台式结构中的所述阻挡层上方形成接合焊盘；以及实施切割工艺以延伸所述开口穿过所述载体衬底，从而形成多个分离的n型垂直LED。
在该方法中，所述基座包括多个接合焊盘，其中，所述p型垂直LED和所述n型垂直LED通过所述接合焊盘与所述基座接合。
在该方法中，至少所述接合焊盘的子集被配置为将一个所述p型垂直LED与相邻的一个所述n型垂直LED电互连。
该方法还包括：在所述p型垂直LED和所述n型垂直LED的上方形成发光材料；在所述发光材料的上方形成保护层；以及在所述保护层的上方形成一个或多个透镜。
该方法还包括：使所述保护层的表面变得粗糙以制造用于所述保护层的粗糙表面。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，对各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚讨论起见，各种部件的尺寸可以被任意地增大或缩小。
图1至图14是根据本发明的各个实施例的处于制造和封装的不同阶段的LED结构的示意性部分截面侧视图。
图15是包括根据本发明的各个方面的图1至图14所示的LED封装结构的照明模块的示意性截面侧视图。
图16是包括根据本发明的各个方面的图15的LED照明装置的照明模块的示意图。
图17是示出根据本发明的各个方面封装LED的方法的流程图。
具体实施方式
应该理解，为了实施各个实施例的不同部件，以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例。以下描述元件和布置的特定实例以简化本发明。当然这些仅仅是实例并不打算限定。例如，以下描述中第一部件形成在第二部件上方或上可以包括其中以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，并且也可以包括其中在第一部件和第二部件之间形成附加部件的实施例，使得第一部件和第二部件不直接接触。再者，术语“顶部”、“底部”、“在...下方”、“在...上方”等是为了方便而使用并且并不打算将实施例的范围限定成任何特定的方向。为了简单和清晰的目的，也可以以不同的比例任意地绘制各个部件。另外，本发明可以在各个实施例中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简单和清晰的目的且其本身并不指定所讨论的各个实施例和/或结构之间的关系。
半导体器件可以用于制造诸如发光二极管(LED)的光子器件。当导通LED时，LED可以发射诸如可见光谱中的不同颜色的光的辐射，以及具有紫外线波长或红外线波长的辐射。与传统的光源相比(例如白炽灯泡)，利用LED作为光源的照明设备提供诸如尺寸更小、能耗更低、寿命更长、可用颜色的多样化以及耐久性和可靠性更强的优点。在最近几年中，这些优点以及使LED更便宜和更稳定的LED制造技术的进步促进了基于LED的照明设备的不断普及。
然而，现有LED仍然具有缺点。例如，传统的LED封装结构通常包含水平LED并且可以利用引线接合以建立用于这些水平LED的电连接。由于接合引线，会对LED的光输出产生不利影响。另外，利用引线接合方案的传统LED封装结构偏向于消耗更多的芯片面积，从而使制造成本上升。
根据本发明的实施例，公开了一种改进的LED封装结构，其提供LED之间更好的电连接、更高的光输出和更低的成本。以下参照图1至图17讨论用于根据一些实施例制造这种LED封装结构的工艺，已经简化了用于本发明的图1至图17。
图1至图3是示出形成p型垂直LED30A的示意性截面图。现在参照图1，LED30A包括衬底40。在一些实施例中，衬底40包括适合用于在其上外延生长III-V族化合物材料的蓝宝石材料。III-V族化合物包含来自元素周期表的“III”族(group)(或族(family))的元素和来自元素周期表的“V”族(或族)的另一元素。例如，IⅡ族元素可以包括硼、铝、镓、铟和钛，而V族元素可以包括氮、磷、砷、锑和铋。在其他实施例中，衬底40可以包含硅、碳化硅、砷化镓或氮化镓。在一些实施例中，衬底40可以的厚度在约50um至约1000um的范围内。
在某些实施例中，可以在衬底40的上方形成未掺杂的半导体层。该未掺杂的半导体层没有p型掺杂剂或n型掺杂剂。在一些实施例中，该未掺杂的半导体层包括含有来自元素周期表的“III”族(或族)的元素，和来自周期表的“V”族(或族)的另一元素的化合物，例如未掺杂的氮化镓(GaN)材料。该未掺杂的半导体层可以用作衬底40和要在未掺杂的半导体层的上方形成的多层之间的缓冲层(例如，为了减小应力)。为了有效地执行其作为缓冲层的功能，该未掺杂的半导体层具有减少的位错缺陷和良好的晶格结构质量。在一些实施例中，该未掺杂的半导体层的厚度在约1um至约5um的范围内。为了简化，附图中没有示出低温缓冲膜。
在衬底40的上方(或在未示出的未掺杂半导体层的上方)形成n型III-V族化合物层50。n型III-V族化合物层50被诸如碳(C)或硅(Si)的n型掺杂剂掺杂。在本实施例中n型III-V族化合物层50包括氮化镓(GaN)，因此也可以被称为n-GaN层。在一些实施例中，该n型III-V族化合物层50的厚度在约2um至约6um的范围内。
在n型III-V族化合物层50的上方可以形成预应变层。该预应变层可以掺杂有诸如硅的n型掺杂剂。在各个实施例中，该预应变层可以包含多对(例如20至40对)交错的InxGa1-xN和GaN子层，其中，x大于或等于0但是小于或等于1。预应变层可以用于释放应变并且降低量子限制斯塔克效应(QCSE)(描述外电场对预应变层上形成的量子阱层的光吸收光谱的影响)。在一些实施例中，预应变层的总厚度可以在约30纳米(nm)至约80nm范围内。为了简化，附图中没有示出预应变层。
在n型III-V族化合物层50的上方(或未示出的预应变层的上方)形成多量子阱(MQW)层60。MQW层60包括多个交替的(或交错的)有源子层和阻挡子层。例如，有源子层可以包括氮化铟镓(InxGa1-xN)，而阻挡子层可以包括氮化镓(GaN)。在一些实施例中阻挡子层的厚度均可以在约2nm至约5nm的范围内，而有源子层的厚度均可以在约4nm至约17nm的范围内。
任选地，可以在MQW层60的上方形成电子阻挡层。电子阻挡层有助于限制MQW层60内的电子空穴载流子再结合，从而可以改进MQW层60的量子效率并且降低非期望带宽中的辐射。在一些实施例中，电子阻挡层可以包括被掺杂的InxAlyGa1-x-yN材料，其中x和y都大于或等于0但是小于或等于1，并且掺杂剂可以包括诸如镁的p型掺杂剂。电子阻挡层的厚度可以在约7nm至约25nm的范围内。为了简化，附图中未示出电子阻挡层。
在电子阻挡层的上方形成p型III-V族化合物层70。p型III-V族化合物层70掺杂有诸如镁的p型掺杂剂。在本实施例中，p型III-V族化合物层70包括氮化镓(GaN)，因此可以被称为p-GaN层。在一些实施例中，p型III-V族化合物层70的厚度在约150nm至约200nm的范围内。
n型半导体层50、MQW层60和p型半导体层70构成LED的核心部分。当对LED的掺杂层(例如p-GaN层和N-GaN层)施加电压(或电荷)时，MQW发出诸如光的辐射。MQW层所发出的光的颜色对应于辐射波长。辐射可以是诸如蓝光的可见光或诸如紫外线(UV)光的不可见。可以通过改变组成MQW层的材料的成分和结构来调节光的波长(从而调节光的颜色)。
在p型半导体层70的上方形成欧姆接触层80。欧姆接触层80包含诸如金属的导热和导电材料。
现在参照图2，实施光刻工艺以在层50至80中形成多个开口或沟槽90。在一些实施例中，光刻工艺可以包括一种或多种沉积、曝光、蚀刻、烘焙和冲洗工艺(不一定按照这个顺序实施)。开口90将层50至80划分成多个台式结构。也可以将该台式结构称为LED台式结构。
然后，在每个LED台式结构中反射层100形成在欧姆接触层80的上方。反射层100包含能够反射诸如光的辐射的反射材料。例如，反射层100可以包含铝、银或另一合适的金属材料。在一些实施例中，反射层100被配置为用于将LED台式结构所发出的光(例如由MQW层60生成的光)反射回LED台式结构。
在每个LED台式结构中阻挡层110形成在反射层100的上方。在一些实施例中，阻挡层110包含诸如钛或镍的金属材料。阻挡层110改善可能与反射层100相关的粘合问题。
在每个LED台式结构中接合层120形成在阻挡层110的上方。接合层120包含适合用于接合另一导电材料以及建立与另一导电材料的电接触和物理接触的金属材料。也可以将接合层120称为导电接合焊盘或接合焊盘。由于接合焊盘120、阻挡层110、反射层100和欧姆接触层都导电，所以通过与接合焊盘120连接可能与p型半导体层70电连接。
现在参照图3，实施切割工艺将开口90进一步延伸至衬底40中。换句话说，通过切割工艺将衬底40位于每个LED台式结构下方的部分与衬底40位于相邻LED台式结构下方的其他部分分离。通过切割工艺将开口90转换成开口90A。在该制造阶段处，形成多个p型垂直LED30A。因为将要实施将该p型垂直LED30A合并到完成的LED封装件中的附加工艺(以下讨论的)，所以可以将p型垂直LED30A看成半成品。
图4至图8是示出形成n型垂直LED30B的示意性截面图。现在参照图4，LED30B包括与以上所讨论的p型LED30A的衬底40相似的衬底40。在衬底40的上方还形成n型半导体层50、MQW层60和p型半导体层70(构成LED的核心部分)。此外，为了简化，附图中没有具体示出LED的诸如缓冲层、预应变层和电子阻挡层的其他层。
现在参照图5，LED30B暂时地接合至衬底150。为了帮助接合，可以在衬底150和p型半导体层70之间设置接合缓冲层160。
现在参照图6，例如，利用激光剥离工艺去除生长衬底40。现在，衬底150在进一步加工LED30B期间提供支撑。为了有助于随后的讨论，在图6和后续的附图中，将LED30B示出为垂直地“翻转”。换句话说，现在将衬底150示出为邻近附图的底部，而n型半导体层50示出为邻近附图的顶部。
现在参照图7，实施光刻工艺以在层50至70中形成多个开口或凹槽160。在一些实施例中，光刻工艺可以包括一种或多种沉积、曝光、蚀刻、烘焙和清洗工艺(不一定以这个顺序实施)。开口160将层50至70划分成多个台式结构。也可以将该台式结构称为LED台式结构。
在每个LED台式结构中欧姆接触层170形成在n型半导体层50的上方。欧姆接触层170包含诸如金属的导热和导电材料。
然后，在每个LED台式结构中反射层180形成在欧姆接触层170的上方。反射层180包含能够反射诸如光的辐射的反射材料。例如，反射层180可以包含铝、银或另一合适的金属材料。在一些实施例中，反射层180被配置为用于将LED台式结构所发出的光(例如由MQW层60生成的光)反射回LED台式结构。
在每个LED台式结构中阻挡层190形成在反射层180的上方。在一些实施例中，阻挡层190包含诸如钛或镍的金属材料。
在每个LED台式结构中接合层200形成在阻挡层190的上方。接合层200包含适合用于接合以及建立与另一金属材料的电连接的金属材料。也可以将接合层200称为接合焊盘(bond pad)或接合的焊盘(bonding pad)。由于接合焊盘200、阻挡层190、反射层180和欧姆接触层170都导电，所以通过与接合焊盘200连接可能与n型半导体层50电连接。
现在参照图8，去除衬底150。在该制造阶段，形成多个n型垂直LED30B。因为要实施将该n型垂直LED30B合并到完成的基于LED的照明产品中的附加工艺(以下讨论)，可以将n型垂直LED30B看成半成品。
现在参照图9，多个p型垂直LED30A和n型垂直LED30B都与基座220接合。在各个实施例中，基座220可以是硅基座、陶瓷基座、印刷电路板(PCB)基座或另一合适的基座。基座220包括衬底230、位于衬底230的一侧上的多个接合焊盘240、位于衬底230的另一侧上的多个接合焊盘245以及延伸穿过衬底230并且使一些接合焊盘240与另一些接合焊盘245互连的多个硅通孔(TSV)250。多个p型垂直LED30A和n型垂直LED30B通过接合焊盘240与基座220接合。接合焊盘240的子集(例如图9中所示的两个中间接合焊盘240)也用于将相邻的p型LED30A和n型垂直LED30B电连接在一起。
现在参照图10，通过例如激光剥离工艺从p型垂直LED30A去除生长衬底40。此后，环绕p型垂直LED30A和n型LED30B形成透明层235。在一些实施例中，透明层235包括诸如电介质或光刻胶的液体材料。在一些实施例中，通过旋涂玻璃(SOG)工艺来形成透明层235。在透明层235之后可以增加任选的热步骤。可以平坦化透明层235以获得光滑的暴露表面。然后，在透明层235中形成多个开口240从而暴露p型垂直LED30A和n型垂直LED30B中的每个的一部分。结果，开口240暴露p型垂直LED30A的n型半导体层50，以及n型垂直LED30B的p型半导体层70。
现在参照图11，形成多个透明覆盖层(TCL)元件250以填充开口240。每个TCL元件250都横向扩展以覆盖p型LED30A中的一个和n型LED30B中的一个。每个TCL元件250均包含透明的但是导电的材料。这样，每个TCL元件250将一对相邻的LED电连接在一起：p型垂直LED30A和n型垂直LED30B。换句话说，p型垂直LED30A的n型半导体层50和n型垂直LED30B的p型半导体层70通过TCL元件250电连接在一起。在一些实施例中，TCL元件250的材料可以包括：掺锡氧化铟、掺铝氧化锌、掺铟氧化镉、诸如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、或聚噻吩、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、PEDOT：聚(苯乙烯磺酸盐)的透明导电聚合物、或碳纳米管。
然后，在透明层235的上方和TCL元件250的上方形成发光材料(phosphor material)260。发光材料260可以包括磷光材料和/或荧光材料。磷光材料260可以用于转换由p型和n型垂直LED30A-30B所发出的光的颜色。通过改变发光材料260的材料组成，可以获得期望的光颜色。
现在参照图12，可以在发光材料260的上方形成保护层270。保护层270保护下面的各个元件以避免诸如灰尘或湿气的污染物。在一些实施例中，保护层270包括胶粘物、玻璃、诸如氧化硅、氮氧化硅或氮化硅的电介质和其他透明材料。此外，保护层270可以经历表面粗化工艺从而使得保护层270的上表面270A变得粗糙。粗糙的上表面270A有助于分散由LED30A和30B所生成的光，从而增加光分布的均匀性。
图13和图14示出p型垂直LED30A和n型垂直LED30B的不同圆顶状结构的实施例。在图13中，在保护层270的上方形成透镜280。由于透镜280覆盖多对p型垂直LED30A和n型垂直LED30B，也可以将透镜280称为大透镜。在图14中，在保护层270的上方形成多个更小的透镜200。由于每一个微透镜都覆盖不同的LED30A或30B，所以也可以将透镜290称为微透镜。然而，圆顶状结构构造并不一定限于图13和图14所示的两个实施例，并且在可选实施例中可以使用其他类型的透镜。
基于以上参照图1至图14的讨论，可以发现本发明提供一种不使用接合引线的LED封装结构，传统的LED封装方案通常需要用于互连LED的接合引线。相反，本发明将多个p型垂直LED30A和n型垂直LED30B接合至基座220。P型LED30A和n型LED30B以交替或周期成对的方式(例如，以p-n-p-n-p-n构造)接合。然后，多个导电透明覆盖层(TCL)元件250用于电连接每对相邻的p型LED30A和n型LED30B。
例如，p型LED30A的n型半导体层50可以通过TCL元件250与n型LED30B的p型半导体层70电连接。另外，设置在基座220的衬底230上的导电接合焊盘240可以用于将不同的成对LED电连接在一起。例如，n型LED30B的n型半导体层50可以通过接合焊盘240(以及LED30A-30B和接合焊盘240之间的其他导电元件)与p型LED30A的p型半导体层70电连接。这样，多个p型垂直LED和n型垂直LED可以互连在一起。在所示的实施例中，p型垂直LED30A和n型垂直LED30B可以都串联地电连接在一起。然而，在其他实施例中，它们也可以并联地电连接在一起。
通过本发明的LED封装结构去除接合引线提供了优于传统封装结构的优点。然而，应该理解，该LED封装结构的不同实施例可以提供不同的优点，本文中没有必要讨论所有的优点，而且没有特定的优点是所有实施例都必需的。
本发明的LED封装结构的一个优点涉及改进的光输出，例如更大的流明密度。在传统的LED封装结构中，接合引线会阻碍光路和/或导致更小的有效LED光生成区，从而降低光输出。相比之下，本发明通过实现上述交替的多个n型垂直LED和p型垂直LED来省略接合引线。每个LED都具有基本上不受阻碍的光程，从而允许本发明的LED具有更好的光输出和更大的流明密度。
本发明的LED封装结构的另一优点涉及更低的成本。如上所述，接合引线的省略不仅节省用于接合引线的材料成本，而且节省不得不附接接合引线的相关的制造成本。p型垂直LED和n型垂直LED的制造及其随后与基座的接合与当前加工流程兼容并且不需要附加的昂贵制造设备。另外，接合引线可能具有比本文中所公开的电互连方案更高的故障率。因此，本发明的LED封装更稳定且更耐用。另外，本发明的LED封装方案允许多个LED紧密地间隔开，从而提高给定封装件中的LED的密度。增加的LED密度也有助于降低成本。
本发明的LED封装结构的又一优点涉及其用于不同类型的应用的多样性。例如，由于多个LED可以很容易串联地电连接在一起，因此，可以将它们用在需要操作高达50伏特至约250伏特的电压的高压LED应用中。同样地，它们可以用于交流电(AC)应用，从而也可能涉及高压的使用。另外，增加的LED密度可以允许LED用于需要高密度光源的器件中。
应该理解，本发明的LED封装结构可以提供附加优点，但是为了简化，本文不讨论这些优点。
可以作为照明设备的一部分实现以上讨论的LED封装结构。例如，可以作为基于LED的照明设备300的一部分来实现多个交替的n型和p型垂直LED，图15示出该设备的简化截面图。图15所示的基于LED的照明设备300的实施例包括多个交替的n型和p型垂直LED，本文统一示出为LED结构305。LED(或其被选择的子集)串联地电连接在一起。
如上所述，LED结构305中的每个垂直LED都包括n掺杂III-V族化合物层、p掺杂III-V族化合物层和设置在n掺杂III-V族化合物层和p掺杂IⅡ-V族化合物层之间的MQW层。由于如上所述的这些LED的构造和互连，与传统LED相比，LED结构305提供更好的光输出、更大的LED密度、更灵活和更耐用的互连和降低的成本。
在一些实施例中，每个LED具有涂覆在其上的发光材料层(诸如图11中所示的发光材料260)。发光材料层可以包括磷光材料和/或荧光材料。可以将浓缩的粘性流体介质(例如，液体胶)中发光材料层涂覆在LED的表面上。当该粘性流体凝固或固化时，发光材料变成LED封装件的一部分。在实际LED应用中，发光材料层可以用于转换LED所发出的光的颜色。例如，该发光材料层可以由LED所发出的蓝光转换成不同波长的光。通过改变发光材料层的材料组成，可以获得期望的光颜色。
LED结构305安装在基座320上。在一些实施例中，基座320类似于上述基座220(图9中示出)。例如，基座320可以包括金属芯印刷电路板(MCPCB)衬底和位于MCPCB上的多个导电接合焊盘。MCPCB包括可以由铝(或其合金)所制成的金属基底。MCPCB还包括设置在金属基底上的导热但是电绝缘的介电层。MCPCB还可以包括在介电层上设置的由铜制成的薄金属层。在可选实施例中，基座320可以包括诸如硅基座或陶瓷基座的其他合适的导热结构。
照明设备300包括扩散覆盖件(diffuser cap)350。扩散覆盖件350提供用于下面的LED结构305覆盖件。换句话说，通过扩散覆盖件350和衬底320共同地封装LED结构305。在一些实施例中，扩散覆盖件350具有弧形的表面或轮廓。在一些实施例中，该弧形的表面可以基本上采用半圆的轮廓，使得LED结构305的LED发射的每束光都可以以基本上垂直的入射角(例如，在90几度内)到达扩散覆盖件350的表面。扩散覆盖件350的弧形形状有助于降低LED结构305的LED所发出的光的全内反射(TIR)。
扩散覆盖件350可以具有粗糙表面。例如，该粗糙表面可以是不平的，或可以包含诸如多边形或圆的多个小图案。这种粗糙的表面有助于分散由LED结构305的LED所发出的光，从而使光分布更均匀。在一些实施例中，用包含扩散颗粒的扩散层涂覆扩散覆盖件350。
在一些实施例中，用空气填充LED结构305和扩散覆盖件350之间的空间360。在其他实施例中，可以用光学级硅基粘合剂材料(也被称为光学胶)填充空间360。在该实施例中，可以在光学胶内混合发光材料颗粒从而进一步扩散由LED结构305的LED所发出的光。
虽然所示的实施例示出了被封装在单个扩散覆盖件350内的LED结构305的所有LED，但是应该理解，在其他实施例中可以使用多个扩散覆盖件。例如，LED结构305的每个LED都可以被封装在多个扩散覆盖件的相应一个中。
任选地，照明设备300还可以包括反射结构370。可以将反射结构370安装在衬底320上。在一些实施例中，反射结构类似于杯形，因此，也可以将该反射结构称为反射杯。从上往下看时，反射结构以360度围绕或环绕LED结构305和扩散覆盖件350。从上往下看时，反射结构370可以具有围绕扩散覆盖件350的环形轮廓、蜂窝状六边形轮廓或其他合适的蜂窝轮廓。在一些实施例中，LED结构305和扩散覆盖件350位于反射结构370的底部附近。换句话说，反射结构370的顶开口或上开口位于LED结构305和扩散覆盖件350之上或上方。
反射结构370被配置为用于反射从扩散覆盖件350传播出来的光。在一些实施例中，反射结构370的内表面涂覆有诸如铝、银或它们的合金的反射膜。应该理解，在一些实施例中，反射结构370的侧壁的表面可以是粗糙的，类似于扩散覆盖件350的粗糙表面。因此，反射结构370可操作地进一步分散由LED结构305的LED所发出的光，从而降低了照明设备300的光输出的眩光并且使得该光输出对于人眼更柔和。在一些实施例中，反射结构370的侧壁具有倾斜或逐渐减小的轮廓。反射结构370的逐渐减小的轮廓提高了反射结构370的光反射效率。
照明设备300包括热耗散结构380，也称作散热器380。散热器380通过衬底320与LED结构305(其在工作过程中发热)热连接。换句话说，散热器380附接至衬底320，或衬底320位于散热器380的表面上。散热器380被配置为促进热散发至周围环境中。散热器380包含诸如金属材料的导热材料。将散热器380的形状和几何尺寸设计成为提供用于熟悉的灯泡的框架而同时从LED结构305散发或传导热。为了提高热传递，散热器380可以具有从散热器380的主体向外突出的多个鳍片390。鳍片390可以具有暴露给周围环境的大量表面积以促进热传递。
图16示出包括上述照明设备300的一些实施例的照明模块400的简化示意图。照明模块400具有底座410、附接至底座410的主体420和附接至主体420的灯430。在一些实施例中，灯430是筒灯(或筒灯照明模块)。灯430包括以上参照图15讨论的照明设备300。灯430可操作地有效照射光束440。另外，与传统的白炽灯相比，灯430可以提供更强的耐久性和更长的寿命。应该理解，其他照明应用可以通过利用上述发明内容的LED而获益。例如，本发明的LED可以用在包括但不限于车辆前灯或尾灯、车辆仪表面板显示器、投影机的光源、诸如液晶显示器(LED)电视机或LCD监控器、平板电脑、移动电话或笔记本/便携式电脑的电子器件的光源的照明应用中。
图17示出封装LED的简化方法500的流程图。方法500包括步骤510，其中制造多个p型垂直LED。在一些实施例中，步骤510包括以下子步骤：在生长衬底的上方生长多个外延层。外延层包括n型半导体层、p型半导体层和设置在n型半导体层和p型半导体层之间的多量子阱(MQW)层。在外延层的上方形成欧姆接触层。在欧姆接触层和外延层中形成多个开口，从而形成通过开口互相分离的多个台式结构。在每个台式结构中反射层形成在欧姆金属层的上方。在每个台式结构中阻挡层形成在反射层上方。在每个台式结构中接合层形成在阻挡层的上方。实施切割工艺以延伸穿过生长衬底的开口，从而形成多个分离的p型垂直LED。
方法500包括步骤520，其中，制造多个n型垂直LED。应该理解，不一定需要按照特定顺序实施步骤510和520。也就是说，可以在步骤520之前实施步骤510，反之亦然。在一些实施例中，步骤520包括以下子步骤：在生长衬底的上方生长多个外延层。外延层包括n型半导体层、p型半导体层和设置在n型半导体层和p型半导体层之间的多量子阱(MQW)层。载体衬底与生长衬底和其上设置的外延层接合。然后，去除生长衬底。在外延层中形成多个开口，从而形成通过开口互相分离的多个台式结构。在每个台式结构中欧姆接触层形成在n型半导体层的上方。在每个台式结构中反射层形成在欧姆接触层的上方。在每个台式结构中阻挡层形成在反射层的上方。在每个台式结构中接合焊盘形成在阻挡层的上方。实施切割工艺以延伸穿过载体衬底的开口，从而形成多个分离的n型垂直LED。
方法500包括步骤530，其中，p型LED和n型LED接合至基座。基座包括衬底(例如PCB衬底、硅衬底、陶瓷衬底等)和位于衬底上的多个接合焊盘。p型垂直LED和n型垂直LED通过接合焊盘接合至基座。至少接合焊盘的子集均被配置成使p型垂直LED中的一个与n型垂直LED中的相邻一个电互连。
方法500包括步骤540，其中，在p型垂直LED和n型垂直LED的上方形成多个透明覆盖层(TCL)元件。每个TCL元件使p型垂直LED中的一个与n型垂直LED中的一个电互连。
方法500包括步骤550，其中，在p型垂直LED和n型垂直LED的上方形成发光材料。
方法500包括步骤560，其中，在发光材料的上方形成保护层。
方法500包括步骤570，其中，在保护层的上方形成一个或多个透镜。
可以在本文中讨论的步骤510至570之前、期间或之后实施附加工艺以完成LED的封装。为了简化，本文中没有详细讨论这些其他的工艺。
本发明的一个方面涉及发光二极管(LED)封装结构。该LED封装结构包括：基座衬底；位于基座衬底上的多个导电焊盘；和通过多个导电焊盘接合至基座衬底的多个LED，其中，多个LED包括以交替方式布置的p型垂直LED和n型垂直LED。p型垂直LED和n型垂直LED均包括各自的p型掺杂半导体层和n型掺杂半导体层；对于p型垂直LED，p型掺杂半导体层比n型掺杂半导体层更接近基座衬底；以及对于n型垂直LED，n型掺杂半导体层比p型掺杂半导体层更接近基座衬底。
在一些实施例中，该LED封装结构还包括：设置在多个LED的上方的多个透明覆盖层(TCL)元件。每个TCL元件被配置为将其中p型垂直LED中一个和n型垂直LED中的相邻一个电连接在一起。
在一些实施例中，该LED封装结构没有接合引线。
在一些实施例中，接合焊盘的子集均被配置为将p型垂直LED和相邻的n型垂直LED电连接在一起。
在一些实施例中，该LED封装结构，还包括：设置在多个LED的上方的发光材料膜；和设置在发光材料膜的上方的保护层，该保护层具有粗糙表面。
在一些实施例中，该LED封装结构还包括：设置在多个LED的上方的一个或多个透镜，其中，该一个或多个透镜和基座衬底设置在LED的相对侧上。
在一些实施例中，多个导电焊盘包括：位于基座衬底的第一表面上的导电焊盘的第一子集和位于与基座衬底的第一表面相对的第二表面上的导电焊盘的第二子集；以及该基座衬底包括使第二子集中的导电焊盘与第一子集中的一些导电焊盘电互连的多个硅通孔。
本发明的另一方面涉及一种光子照明设备。该光子照明设备包括：基座，包括衬底和设置在衬底上的多个接合焊盘；多个p型发光二极管(LED)，通过接合焊盘的第一子集与衬底接合；多个n型LED，通过接合焊盘的第二子集与衬底接合，其中，一些接合焊盘既属于接合焊盘的第一子集又属于接合焊盘的第二子集，其中，p型LED和n型LED被布置成交替对；多个透明且导电的元件，均设置在多对p型LED和n型LED中的一对的上方并且与多对p型LED和n型LED中的一对电互连；和一个或多个透镜，设置在n型LED和p型LED的上方。
在一些实施例中，电互连光子照明设备的p型LED和n型LED而没有接合引线。
在一些实施例中，多个p型LED和多个n型LED利用接合焊盘和透明且导电的元件电互连在一起。
在一些实施例中，p型LED和n型LED均包括垂直的LED。
在一些实施例中，基座包括：多个硅通孔(TSV)，与一些接合焊盘电连接；基座包括附加接合焊盘，该附加接合焊盘位于衬底的第二面上，衬底的第二面与接合LED的第一面相对；以及附加接合焊盘与TSV电连接。
本发明的又一方面还涉及一种封装发光二极管(LED)的方法。该方法包括：制造多个p型垂直LED；制造多个n型垂直LED；将p型垂直LED和n型垂直LED接合至基座；以及在p型垂直LED和n型垂直LED的上方形成多个透明覆盖层(TCL)元件，每个TCL元件都将p型垂直LED中的一个和n型垂直LED中的一个电互连。
在一些实施例中，制造多个p型垂直LED包括：在生长衬底的上方生长多个外延层，该外延层包括n型半导体层、p型半导体层、和设置在n型半导体层和p型半导体层之间的多量子阱(MQW)层；在外延层的上方形成欧姆接触层；在欧姆接触层和外延层中形成多个开口，从而形成通过开口互相分离的多个台式结构；在每个台式结构中反射层形成在欧姆接触层的上方；在每个台式结构中阻挡层形成在反射层的上方；在每个台式结构中接合焊盘形成在阻挡层的上方；以及实施切割工艺以延伸开口穿过生长衬底，从而形成多个分离的p型垂直LED。在一些实施例中，该方法还包括：在接合之后，从每个p型垂直LED都去除生长衬底。
在一些实施例中，制造多个n型垂直LED包括：在生长衬底的上方生长多个外延层，外延层包括n型半导体层、p型半导体层和设置在n型半导体层和p型半导体层之间的多量子阱(MQW)层；将载体衬底与生长衬底和设置生长衬底上的外延层接合；然后去除生长衬底；在外延层中形成多个开口，从而形成通过开口互相分离的多个台式结构；在每个台式结构中欧姆接触层形成在n型半导体层的上方；在每个台式结构中反射层形成在欧姆接触层的上方；在每个台式结构中阻挡层形成在反射层的上方；在每个台式结构中接合焊盘形成在阻挡层的上方；以及实施切割工艺以延伸开口穿过载体衬底，从而形成多个分离的n型垂直LED。
在一些实施例中，基座包括多个接合焊盘，其中，p型垂直LED和n型垂直LED通过接合焊盘与基座接合。在一些实施例中，至少接合焊盘的子集均被配置成将p型垂直LED中的一个与n型垂直LED中的相邻一个电互连。
在一些实施例中，该方法还包括：在p型垂直LED和n型垂直LED的上方形成发光材料；在发光材料的上方形成保护层；以及在保护层的上方形成一个或多个透镜。在一些实施例中，可以使保护层的表面变得粗糙以产生粗糙表面。
上面论述了若干实施例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解以下详细描述。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种发光二极管(LED)封装结构，包括：
基座衬底；
多个导电焊盘，位于所述基座衬底上；以及
多个LED，通过所述多个导电焊盘与所述基座衬底接合，所述多个LED包括以交替方式布置的p型垂直LED和n型垂直LED；
其中：
所述p型垂直LED和所述n型垂直LED均包括各自的p型掺杂半导体层和n型掺杂半导体层；
对于所述p型垂直LED，所述p型掺杂半导体层比所述n型掺杂半导体层更接近所述基座衬底；以及
对于所述n型垂直LED，所述n型掺杂半导体层比所述p型掺杂半导体层更接近所述基座衬底。
2.根据权利要求1所述的LED封装结构，还包括：设置在所述多个LED上方的多个透明覆盖层(TCL)元件，其中，每个TCL元件都被配置为将一个所述p型垂直LED和相邻的一个所述n型垂直LED电连接在一起。
3.根据权利要求1所述的LED封装结构，其中，所述LED封装结构没有接合引线。
4.根据权利要求1所述的LED封装结构，其中，所述结合焊盘的子集均被配置成将p型垂直LED和相邻的n型垂直LED电连接在一起。
5.根据权利要求1所述的LED封装结构，还包括：
发光膜，设置在所述多个LED的上方；以及
保护层，设置在所述发光膜的上方，所述保护层具有粗糙表面。
6.根据权利要求1所述的LED封装结构，还包括：设置在所述多个LED上方的一个或多个透镜，所述一个或多个透镜和所述基座衬底设置在所述LED的相对侧。
7.根据权利要求1所述的LED封装结构，其中：
所述多个导电焊盘包括位于所述基座衬底的第一表面上的导电焊盘的第一子集和位于与所述基座衬底的所述第一表面相对的第二表面上的导电焊盘的第二子集；以及
所述基座衬底包括将所述第二子集中的导电焊盘与所述第一子集中的一些导电焊盘电互连的多个硅通孔。
8.一种光子照明设备，包括：
基座，包括衬底和设置在所述衬底上的多个接合焊盘；
多个p型发光二极管(LED)，通过所述接合焊盘的第一子集与所述衬底接合；
多个n型LED，通过所述接合焊盘的第二子集与所述衬底接合，其中，一些所述接合焊盘既属于所述接合焊盘的所述第一子集又属于所述接合焊盘的所述第二子集，其中，所述p型LED和所述n型LED交替成对布置；
多个透明且导电的元件，均设置在所述p型LED和所述n型LED中的一对的上方并且与这一对p型LED和n型LED电互连；以及
一个或多个透镜，设置在所述n型LED和所述p型LED的上方。
9.根据权利要求8所述的光子照明设备，其中，在没有结合引线的情况下电互连所述光子照明设备的所述p型LED和所述n型LED。
10.一种封装发光二极管(LED)的方法，所述方法包括：
制造多个p型垂直LED；
制造多个n型垂直LED；
将所述p型垂直LED和所述n型垂直LED接合至基座；以及
在所述p型垂直LED和所述n型垂直LED的上方形成多个透明覆盖层(TCL)元件，每个TCL元件均将所述p型垂直LED中的一个和所述n型垂直LED中的一个电互连。
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