CN104124326B - 半导体发光器件光学封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光器件光学封装结构，包括：半导体发光芯片，包括外延材料层，该外延材料层的出光面上依次覆盖有透明导电层、透明保护介质层；以及，覆盖于该透明保护介质层上的透明封装材料层，该透明封装材料层对于该外延材料层发射的光的折射率小于1.5，尤其优选小于1.45，但大于1.30；并且该透明封装材料层对于该外延材料层发射的光的折射率小于该外延材料层、透明导电层和透明保护介质层中的任一者。本发明通过采用低折射率的透明封装材料取代业界一贯使用的高折射率透明封装材料组成层状光学封装结构，不仅可以提高出光效率，而且还可有效降低成本，提高其抗高温特性，以及提升半导体发光器件的工作稳定性，延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件，特别涉及一种半导体发光器件光学封装结构。
背景技术
在LED器件的制备工艺中，一个重要的技术环节是封装，这一环节对于提高LED光提取效率非常重要。目前，常用于封装LED的材料主要有环氧树脂、硅氧烷树脂胶(简称“硅胶”)等，尤其是后者因具有透光率高、耐紫外性能较好、热稳定性好和应力小等优点，在大功率LED封装中得到广泛应用。
由于当前的LED外延材料通常具有较高折射率，例如，对于波长为460nm左右的蓝光，GaN的折射率高达2.5，其与空气折射率反差很大，导致LED的光提取效率偏低。为此，业界长久以来一直通过致力于提高封装材料折射率的方式，以期提高LED芯片的出光率。例如，David W.Mosley等人(Proc.of SPIE，2008.1.13，Vol.6910 191017-1)研究发现，随封装材料的折射率上升，LED的光提取效率会相应提高，而Ann W.Norris等人(Proc.of SPIE，2005.9.14，Vol.5941 594115-1)亦有类似研究结论。
然而，对于硅胶等封装材料而言，为提高其折射率，通常需要对其改性，这也使得其生产成本大幅提升，价格较高，并且还会导致其耐热能力较差，因此在应用于封装LED，特别是大功率LED器件时存在较大的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体发光器件光学封装结构，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种半导体发光器件光学封装结构，包括：
半导体发光芯片，包括外延材料层，所述外延材料层的出光面上覆盖有透明导电层，所述透明导电层上覆盖有透明保护介质层，
以及，覆盖于所述透明保护介质层上的透明封装材料层，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.5，
并且，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于所述外延材料层、透明导电层和透明保护介质层中的任一者。
优选的，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.45。
尤为优选的，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.45，但大于1.30。
作为较佳实施方案之一，所述透明封装材料层具有非球面层状结构。
作为较佳实施方案之一，所述透明封装材料层具有半球形或球冠形结构，且所述半球形结构的直径小于或等于所述芯片长边或宽边边长的1.5倍，尤其优选的，所述半球形结构的直径小于或等于所述芯片长边或宽边边长的1倍。
作为较佳实施方案之一，所述透明导电层和所述透明保护介质层的光学厚度之和是发光中心波长的的四分之一光学厚度(QWOT)的奇数倍
作为较为优选的实施方案之一，所述透明保护介质层与透明封装材料层之间还分布有透明防硫化层；
和/或，在所述透明封装材料层上还覆盖有透明防硫化层。
较为优选的，分布在所述透明保护介质层与透明封装材料层之间的透明防硫化层对于所述外延材料层发射的光的折射率大于1.46，例如，可以大于1.46，而小于或等于1.57。
较为优选的，覆盖于透明封装材料层上的透明防硫化层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于所述透明封装材料层。
进一步的，所述透明防硫化层主要由耐紫外光及耐硫化的有机透明材料和/或无机透明材料组成，例如，可选用透明硅氧烷树脂、SiO2、聚氯乙烯、氟素涂布剂等，且不限于此。
进一步的，所述半导体发光芯片为LED芯片，例如GaN基LED芯片。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过采用低折射率的透明封装材料(例如低折射率透明硅氧烷树脂)取代业界一贯使用的高折射率透明封装材料组成半导体发光器件的光学封装结构，不仅取得了出乎本领域技术人员意料的高出光效率，而且还可有效降低成本，提高其抗高温特性，以及提升半导体发光器件的工作稳定性，延长其使用寿命。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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所示为本发明实施例1中LED发光器件的结构示意图；
图2所示为本发明实施例1中不同光学封装结构的出光效率的计算结果；
图3所示为本发明实施例2中LED发光器件的结构示意图；
图4所示为本发明实施例3中LED发光器件的结构示意图。
具体实施方式
如前所述，长久以来，本领域技术人员一直认为只有通过增加封装材料的折射率，才能提升LED器件的光提取率。然而，本案发明人在大量研究和实践中非常意外的发现，当将具有较低折射率的封装材料应用于LED的某些封装结构中时，所获LED器件的出光率不低于，甚至在某些情况下远高于采用高折射率封装材料形成的光学封装结构。
基于这样的意外发现，本案发明人得以提出本发明的技术方案，即：通过采用具有较低折射率的封装材料封装LED等半导体发光器件，一方面可以取代价格昂贵的高折射率材料，降低成本，另一方面也可利用低折射率封装材料具有较高耐热能力的特点，使半导体发光器件的工作性能更为稳定，延长其使用寿命。
概括的讲，本发明的主要是通过如下技术方案实施的：
一种半导体发光器件光学封装结构，包括：
半导体发光芯片，包括外延材料层，所述外延材料层的出光面上覆盖有透明导电层，所述透明导电层上覆盖有透明保护介质层，
以及，覆盖于所述透明保护介质层上的透明封装材料层，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.5，
并且，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于所述外延材料层、透明导电层和透明保护介质层中的任一者。
优选的，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.45，特别是小于1.45，但大于1.30。
在一较为优选的实施方案之中，所述透明封装材料层可采用半球形结构或球冠形结构，且所述半球形结构或球冠形结构的直径小于或等于所述芯片长边或宽边边长的1.5倍，使该光学封装结构的出光率至少与采用高折射率透明封装材料组成的光学封装结构相当，尤其优选的，所述半球形结构或球冠形结构的直径小于或等于所述芯片长边或宽边边长的1倍，使该光学封装结构的出光率高于采用高折射率透明封装材料组成的光学封装结构。
而在一更为优选的实施方案之中，所述透明封装材料层可采用非球面层状结构，使该光学封装结构的出光率远远高于采用高折射率透明封装材料组成的光学封装结构。
作为较佳实施方案之一，所述透明导电层和所述透明保护介质层的光学厚度之和是发光中心波长的四分之一光学厚度的奇数倍。
而在一较为优选的实施方案之中，还可在所述透明保护介质层与透明封装材料层之间还分布有透明防硫化层，和/或，也可在所述透明封装材料层上覆盖透明防硫化层。如此，可进一步提升该光学封装结构的抗硫化性能。
较为优选的，分布在所述透明保护介质层与透明封装材料层之间的透明防硫化层对于所述外延材料层发射的光的折射率大于1.46，例如，可选用对于所述外延材料层发射的光具有高折射率的透明硅氧烷树脂形成该防硫化层。
较为优选的，覆盖于透明封装材料层上的透明防硫化层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于所述透明封装材料层。
进一步的，所述透明防硫化层主要由耐紫外光及耐硫化的有机透明材料和/或无机透明材料组成，例如，可选用透明硅氧烷树脂、SiO2、聚氯乙烯、氟素涂布剂等，且不限于此。
又及，所述防硫化层可采用涂布、喷涂、印刷、物理或化学沉积等多种方式形成。
进一步的，所述半导体发光芯片为LED芯片。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1参阅图1，该实施例涉及一种LED器件光学封装结构，其主要由LED芯片(本实施例中芯片为正方形，其边长为300μm)和透明封装材料层1组成。其中，透明封装材料层1系由折射率n为1.41的低折射率透明硅氧烷树脂组成。
其中，LED芯片可主要由外延材料层4、透明导电层3和透明保护介质层2组成。很显然，在本实施例的LED芯片中，亦可包含诸如衬底、金属引线等元件，此处不再特别说明。
其中，外延材料层4可由业界习知的GaN材料等组成，其折射率n4可以在如下范围内，即：2.4<n4<3.8。
其中，透明导电层可由ITO、ZnO等材料组成，其折射率n3可以在如下范围内，即：1.8<n3<2.2。
其中，透明保护介质层可由SiO2,Si3N4,Al2O3等材料组成，其折射率n2可以在如下范围内，即：1.46<n2<2.1。
其中，该LED芯片可以是长边或宽边尺寸为300-2000μm的正方形或者长方形的LED芯片。
优选的，所述透明导电层与所述透明保护介质层的光学厚度之和是发光中心波长的四分之一光学厚度的奇数倍。
本实施例采用了一系列具有不同尺寸(长、宽方向或直径)的透明封装材料层1与前述LED芯片配合形成光学封装结构，并对所形成的LED器件的出光率进行了测试。
而在一对照例中，还采用折射率n约为1.53的高折射率透明硅氧烷树脂组成的透明封装材料层与相同LED芯片亦配合形成光学封装结构，并同样对所形成的LED器件的出光率进行了计算和测试。
参阅表1，本实施例与对照例的计算结果如下表1和图2所示。
表1对照例与实施例1中所构建的LED器件的出光率计算结果
| 透明封装材料层长、宽、直径等尺寸 | 对照例(n＝1.41) | 对照例(n＝1.53) |
| 层状方形(厚度1mm) | 0.30310 | 0.24752 |
| 半球(直径426μm) | 0.32213 | 0.28985 |
| 半球(直径600μm) | 0.34565 | 0.36102 |
| 半球(直径1200μm) | 0.34341 | 0.36040 |
| 半球(直径1800μm) | 0.34276 | 0.35899 |
又及，本案发明人还参照图1所示器件结构，利用LED的7020封装架构，分别采用弗洛里光电材料(苏州)有限公司出品的A05-01H封装胶(折射率约1.41)、H06-09(折射率约1.53)及目前常用于LED封装的硅胶(折射率约1.53，例如道康宁公司出品的OE-6550封装胶等)进行了试验，试验结果如下表2所示(表2中的数值均为多次测试后的平均数值)。
表2利用不同封装胶形成的LED光学器件的性能测试数据
| 封装胶种类或型号 | Vf(V) | 光通量Ф(lm) | CIE-X | CIE-Y | 光效(lm/W) |
| A05-01H | 2.97 | 40.08 | 0.2591 | 0.2148 | 113.64 |
| H06-09 | 2.97 | 38.42 | 0.2624 | 0.2202 | 107.66 |
| 常用硅胶(n＝1.53) | 2.97 | 38.55 | 0.2612 | 0.2195 | 108.28 |
显然可以看到，通过采用廉价的低折射率的透明封装材料组成LED光学封装结构，在某些特定情况下其出光效率不低于甚至大大超过价格高昂的高折射率透明封装材料，这一效果是出乎本领域技术人员之预料的，不仅有利于降低生产成本，且可保证或提升器件的发光性能。
实施例2参阅图3，还可在所述透明保护介质层与透明封装材料层之间设置透明防硫化层5，该透明防硫化层5可由折射率大于1.5的高折射率透明硅氧烷树脂组成，其厚度可以较薄，例如，可控制在数微米以内，而经测试表明，该光学封装结构的抗硫化性能得以有效提升，但较之透明封装材料层完全由高折射率透明硅氧烷树脂组成的结构，其成本亦有显著下降，且出光率和抗温性能等亦有显著改善。
实施例3请参阅图4，较为优选的，可以在所述透明封装材料层上设置透明防硫化层5’，同样的，其厚度亦可较小，并可采用SiO2、聚氯乙烯等材料形成，并可实现对该光学封装结构的抗硫化性能的进一步提升。
另外，前述透明防硫化层5亦可采用其它具有耐紫外、耐硫化的无机和/或有机透明材料制成。
又及，本案发明人还对折射率小于1.45，但大于1.30的其余低折射透明硅氧烷树脂(例如含氟的硅氧烷树脂)进行了相应的测试，并亦取得了相似的测试结果。
综述之，本发明的新型半导体光学封装结构出光率较高，抗温性能好，成本低，适于普遍应用。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种半导体发光器件光学封装结构，其特征在于包括：
半导体发光芯片，包括外延材料层，所述外延材料层的出光面上覆盖有透明导电层，所述透明导电层上覆盖有透明保护介质层，
以及，覆盖于所述透明保护介质层上的透明封装材料层，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.5，所述透明封装材料层主要由透明硅氧烷树脂组成，
并且，所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于所述外延材料层、透明导电层和透明保护介质层中的任一者。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.45。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于所述透明封装材料层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.45，但大于1.30。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于所述透明封装材料层具有非球面层状结构。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于所述透明封装材料层具有半球形或球冠形结构，且所述半球形结构的直径小于或等于所述芯片长边或宽边边长的1.5倍。
6.根据权利要求1或5所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于所述透明封装材料层具有半球形或球冠形结构，且所述半球形结构的直径小于或等于所述芯片长边或宽边边长的1倍。
7.根据权利要求1所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于所述透明导电层和所述透明保护介质层的光学厚度之和是发光中心波长的四分之一光学厚度的奇数倍。
8.根据权利要求1、2、4、5和7中任一项所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于所述透明保护介质层与透明封装材料层之间还分布有透明防硫化层；
和/或，所述透明封装材料层上还覆盖有透明防硫化层。
9.根据权利要求8所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于分布在所述透明保护介质层与透明封装材料层之间的透明防硫化层对于所述外延材料层发射的光的折射率大于1.46。
10.根据权利要求8所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于覆盖于透明封装材料层上的透明防硫化层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于所述透明封装材料层。
11.根据权利要求8所述的半导体发光器件光学封装结构，其特征在于所述透明防硫化层主要由耐紫外光及耐硫化的有机透明材料和/或无机透明材料组成。
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