CN104701442B - 一种半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光器件，包括：半导体发光芯片；以及，覆盖于所述半导体发光芯片上的透明封装材料层，所述透明封装材料层包括具有第一折射率的第一封装层和具有第二折射率的第二封装层，所述第二封装层覆设在所述第一封装层上，所述第二折射率大于所述第一折射率，所述透明封装材料层表面形成有粗糙面。本发明在SMD(表面贴装)和COB(集成封装)胶体表面制作出微、纳米级的微结构，使光不被胶体表面限制，减少了由于硅胶的折射率比空气高而造成的全内发射，同时也提高了半导体发光器件的抗硫化性能，既保持了封装体积小、成本低的优点，又解决了其出光光效较低和可靠性较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件，特别涉及一种新型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.6910191017-1)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.5941594115-1)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。
另外，目前LED封装以SMD(表面贴装)和COB(集成封装)形式为主：它们的优点是体积小，成本低，但是由于封装胶(通常为有机硅胶)具有平面结构，所以出光光效也较低。为了增加出光效率，通常在上面制作一个透镜，或者将透镜粘贴在LED封装胶的上面。而设置透镜势必会增大体积和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体发光器件，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种半导体发光器件，包括：
半导体发光芯片；
以及，覆盖于所述半导体发光芯片上的透明封装材料层，所述透明封装材料层包括具有第一折射率的第一封装层和具有第二折射率的第二封装层，所述第二封装层覆设所述第一封装层上，所述第二折射率大于所述第一折射率，并且所述透明封装材料层表面形成有粗糙面。
优选的，所述粗糙面为微纳米结构，所述微纳米结构的尺寸为发光波长的1/10至十微米。
尤为优选的，所述微纳米结构包含阵列设置的纳米椎体、柱体或半圆冠体。
作为较佳实施方案之一，所述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依次覆盖有透明导电层和透明保护介质层，所述第一封装层覆盖于所述透明保护介质层上，所述第一封装层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.5，并且，所述第一封装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。
较为优选的，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。
较为优选的，所述透明保护介质层与第一封装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。
较为优选的，所述透明保护介质层的材质包括氮化硅基材料。
较为优选的，覆盖于所述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第二封装层。
较为优选的，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。
较为优选的，所述第二封装层对于所述外延材料层发射的光的折射率大于1.5，但小于2.5。
较为优选的，所述第一封装层的材质包括透明硅氧烷树脂，第二封装层的材质包括硅苯基树脂。
较为优选的，所述第一封装层的厚度为100μm～1mm，第二封装层的厚度为30μm～2mm。
较为优选的，所述透明封装材料层表面的粗糙面采用如下方式，例如光刻(lithography)、压印、掩膜刻蚀(masked etching)、喷墨印刷(ink jetting)、丝网印刷(stencil/screen printing)、印记(imprinting)、铸造(molding)方式或其它任何合适制成或者来源于直接贴附在透明材料层表面的具有粗糙面的膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)第一封装层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。
2)在具有低折射率的第一封装层上进一步制作一层具有高折射率的第二封装层，同时第二封装层的表面形成有微纳米结构，特别是纳米结构，一方面提高了抗硫化性能，并进一步提高了其出光效率；另一方面还降低了成本。
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所示为本发明具体实施例中封装层表面在不同粗糙度情况下出光率的示意图；
图2所示为本发明具体实施例中半导体发光器件的结构示意图；
图3所示为本发明一具体实施例中粗糙面的制作流程图；
图4所示为本发明另一具体实施例中粗糙面的制作流程图；
图5所示为本发明又一具体实施例中粗糙面的制作流程图。
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。
为了进一步提高出光率，本案进一步在低折射率的封装层上制作一层具有高折射率的封装层，同时在高折射率封装层的表面形成微纳米结构，特别是纳米结构。在SMD和集成封装(即所谓的COB)胶体表面制作出纳米级的微结构：使光不被胶体表面限制，减少了由于封装层的折射率比空气高而造成的全内发射。这样，既保持了SMD体积小、成本低的优点，又解决了它们出光光效较低的问题。参图1所示，与平面胶体结构相比，不同粗糙度时出光效率的提高值。可以看出最高光效可以提升45％左右。
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。
参阅图2，该实施例涉及一种LED器件光学封装结构，其主要由LED芯片10(本实施例中芯片为正方形，其边长为300μm)和透明封装材料层20组成。
LED芯片10可主要由外延材料层11、透明导电层12和透明保护介质层13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11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12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13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。
透明封装材料层20包括形成于透明保护介质层12上的第一封装层21，其中第一封装层21系由折射率n为1.41的低折射率透明硅氧烷树脂组成。
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的高折射率透明苯基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 |
又及，本案发明人还参照图1所示器件结构(没有第二封装层)，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。
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。
透明封装材料层20还包括形成于第一封装层上的第二封装层22，第二封装层22系由折射率n为1.52的高折射率透明硅氧烷树脂组成。
进一步地，第二封装层22的表面还形成有粗糙面，粗糙面优选为纳米结构，其尺寸为发光波长的1/10至十微米以上。所述纳米结构为阵列设置的椎体、柱体、半圆冠等。
参图3和图4所示，上述的粗糙面优选采用压印方式制成，在其他实施例中，还可以直接在透明材料层表面粘贴一层具有纳米级粗糙面的膜，如图5所示。
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，该透明防硫化层可由折射率大于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。而且较之透明封装材料层完全由低折射率透明硅氧烷树脂组成的结构，其进一步提高了抗硫化性能，并提高了其出光效率。
在另外一实施例中，还可以在所述透明封装材料层上设置透明防硫化层，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。
需要注意的是，本案中亦可在半导体发光芯片上制作两层以上的透明封装层，优选的，封装层的折射率沿背离半导体发光芯片的方向上逐渐增大；另外，粗糙面的上方还可制作一透镜以进一步提高光的利用率。
综上所述，本发明具有如下优点：
1)第一封装层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。
2)在具有低折射率的第一封装层上进一步制作一层具有高折射率的第二封装层，同时第二封装层的表面形成有纳米结构，一方面提高了抗硫化性能，并进一步提高了其出光效率；另一方面还降低了成本。
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 (8)
1.一种半导体发光器件，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依次覆盖有透明导电层和透明保护介质层；
以及，覆盖于所述半导体发光芯片上的透明封装材料层，所述透明封装材料层包括具有第一折射率的第一封装层和具有第二折射率的第二封装层，所述第一封装层覆盖于所述透明保护介质层上，所述第二封装层覆设所述第一封装层上，所述第二折射率大于所述第一折射率，所述第一封装层对于所述外延材料层发射的光的折射率小于1.5，所述第二封装层对于所述外延材料层发射的光的折射率大于1.5但小于2.5，所述第一封装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，并且所述透明封装材料层表面形成有粗糙面，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。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述粗糙面为微纳米结构，所述微纳米结构的尺寸为发光波长的1/10至10微米，所述微纳米结构包含阵列设置的纳米椎体、柱体或半圆冠体。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述透明保护介质层与第一封装层之间还分布有透明防硫化层。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述透明封装材料层上还覆盖有透明防硫化层，且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第二封装层。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述透明保护介质层的材质包括氮化硅基材料。
6.根据权利要求3所述的半导体发光器件，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。
7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述第一封装层的厚度为100μm到1mm，第二封装层的厚度为30μm到2mm，所述第一封装层的材质包括透明硅氧烷树脂，所述第二封装层的材质包括硅苯基树脂。
8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述透明封装材料层表面的粗糙面至少是采用光刻、压印、掩膜刻蚀、喷墨印刷、丝网印刷、印记、铸造方式中的任一种制成或者来源于直接贴附在透明材料层表面的具有粗糙面的膜。
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