CN104885234A - 用于增强的光提取效率的成形led - Google Patents

Abstract

发光元件（400；500）的形状被设计成增加能够从发光元件（400；500）的表面逸出的光的量。发光元件（400；500）和周围环境的折射率限定逸出区段，光可以通过该逸出区段通过发光元件（400；500）的表面逸出。在逸出区段外部行进的光在表面处被全内反射（TIR）。通过增加发光元件（400；500）上的表面数目，逸出区段（410a-f，411a-f；510a-h，511a-h）的数目可以增加，光从表面逸出的可能性随之对应增加。相比于包括矩形表面区域的一个，包括具有多于四个边（402a-f；502a-h）的多边形表面区域的发光元件（400；500）展现出更高的光提取效率，并且还允许更均匀的电流注入，并且感受减小的机械应力。

Description

用于增强的光提取效率的成形LED

技术领域

本发明涉及发光设备的领域，并且具体地涉及被成形以增加来自设备的表面的光提取效率的发光设备。

背景技术

用于照明应用的固态发光设备（LED）的增加的使用已经创建了高度竞争的市场，其中成本和照明效率是主导因素。改进设备和/或照明组件的光输出效率的技术对于从竞争中区分出设备并且增加市场份额是合期望的。

用于改进光输出效率的常用技术是将发光设备110围封在反射结构120（典型地为抛物面）中，其将所发射的光引导在期望的方向上，如图1A中所示。这样的反射体120可以例如用于引导来自相机或诸如手机之类的其它便携式设备中的闪光元件的光。为了最大化由这样的反射体120提供的优点，大多数所发射的光应当被引导朝向反射表面，使得其被重定向成朝向期望的方向130，如由光线140所示。没有撞击反射表面120的光可能在不想要的方向上行进，如由光线150所示。因此，使用抛物面反射体的常规发光设备110通常被配置成在相对于发光元件112的“上”发光表面114的侧向方向上朝向反射表面120发射光。诸如图1B中所示的同心侧反射透镜118通常被用于提供从发光元件112的上表面114发射的光的重定向。

以类似方式，半导体发光元件通常被用作用于光照显示屏的背光。通常，侧发射结构邻近位于显示面板下方的光导安置或安置在所述光导内。侧发射光光照光导，其随后光照显示面板。

发明内容

将有利的是增加发光设备的光输出效率。还将有利的是改进光输出的均匀性和/或改进发光设备的可靠性。

为了更好地解决这些关注点中的一个或多个，在本发明的实施例中，发光元件的形状被设计成增加从发光元件的表面逸出的光的量。发光元件和周围环境的折射率限定逸出区段，光可以通过该逸出区段通过发光元件的表面逸出。在逸出区段外部行进的光在表面处被全内反射（TIR）。通过增加发光元件上的表面的数目，逸出区段的数目可以增加，光从表面逸出的可能性随之对应增加。相比于矩形表面，具有多于四个边的多边形表面还提供更均匀的电流注入和减小的机械应力。

发光元件包括横截面视图轮廓和顶视图轮廓，并且在本发明的实施例中，这些轮廓中的至少一个大大不同于矩形。在示例实施例中，轮廓包括至少五个边的多边形或至少7个平面的多面体。轮廓中所勾勒的一个或多个表面可以是反射的，其将朝向期望的方向重定向光。轮廓中所勾勒的一个或多个表面（平面）可以用于电气接触或电流注入的目的。发光元件可以位于衬底上，并且衬底的顶视图轮廓可以对应于发光元件的顶视图轮廓，或者其可以不同。衬底可以包括促进具有非矩形轮廓的发光元件的创建的特征。LED可以通过其侧面侧向成形（2D），其中顶视图将看起来具有多边形性质，或者可以在三个方向上（3D）以多面体形状成形。

附图说明

更详细地并且通过示例的方式参照附图来解释本发明，其中：

图1A图示了具有抛物面反射体的示例现有技术发光设备，以及

图1B图示了用于与这样的反射体一起使用的示例现有技术侧发射设备。

图2A和2B图示了矩形发光元件的侧视图和顶视图。

图3A和3B图示了矩形发光元件的示例逸出区段。

图4A和4B图示了六边形发光元件的示例逸出区段。

图5A和5B图示了来自八边形发光元件的示例逸出区段。

图6A-6D图示了用于非矩形发光元件的示例可替换形状。

图7A-7E图示了包括非矩形发光元件的示例晶片。

图8A-8B图示了具有非矩形横截面轮廓的示例发光元件。

贯穿各图，相同参考标记指示类似或对应的特征或功能。出于说明性目的而包括附图并且附图不意图限制本发明的范围。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述具体细节，诸如特定架构、界面、技术等，以便提供对本发明的概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在脱离这些具体细节的其它实施例中实践本发明。以类似方式，该描述的文本针对如图中所示的示例实施例，并且不意图超出权利要求中明确包括的限制之外地限制所要求保护的发明。出于简化和清楚的目的，省略众所周知的设备、电路和方法的详细描述以免以非必要的细节混淆本发明的描述。

在本发明的示例实施例中，控制发光元件的形状以减小从设备内的点发射的光将以大于相对于表面法向的临界角撞击表面的可能性。临界角由表面的任一侧上的材料的折射率n1和n2确定，并且对于从具有折射率n1的介质行进到具有折射率n2的介质的光而言，等于：

arcsin(n2/n1)          （等式1）

以大于临界角撞击表面的光将被全内反射，并且将不通过表面逸出。术语“逸出区段”被用于限定其内的光将通过表面逸出的角度范围。

在理想情形中，来自球体中心处的点源的撞击球体表面的所有光将通过表面逸出，因为从元件中心发射的光将以表面法向的角度撞击球体表面。然而，点源当前是不可行的，并且考虑到光源将消耗球体内的一些空间，并非所有光将从球体的精确中心发射。

从偏离中心的点生成的光可能以并非表面法向的角度撞击球体表面，但是光以大于临界角的角度撞击球体表面的可能性大大小于光以大于临界角的角度撞击平面表面的可能性。这是由于以下事实：球体表面上的每一个点具有相对于表面切向的逸出区段；并且相对于球体内的每一个点，这些逸出区段将重叠。

类似地，来自柱体表面的侧面的逸出区段也将重叠，从而为弯曲外表面的方向上所发射的光提供高光提取效率。

尽管可以通过使用围绕光源的球体或柱体表面来获得效率，但是与形成球体或柱体形状中的发光元件相关联的成本排除了其用于发光元件的商业生产的用途。从多个发光元件的晶片形成这样的形状一般将要求每一个发光元件的铣削、激光切割或机械锯切，这带有由这样的过程产生的每一个发光元件之间的材料的明显浪费。

尽管球体或柱体发光设备当前可能不是可行的，但是该范例的原理可以应用于使用改进光直接从发光区内的点逸出的可能性的其它形状。在本发明的示例实施例中，例如，多边形状被用于增加逸出区段的数目，从而增加从发光元件内的点生成的光将处于逸出区段内的可能性。优选地，使用多个平面表面形成形状，从而避免对弯曲表面成形的需要；并且如果相邻发光元件的平面表面对准布置在晶片上，则可以使用单个切分操作来提供这些对准的表面。此外，如果平面表面彼此邻接，则在形成个体化（“单个化”）的发光元件中浪费较少材料。例如，规则六边形棋盘布置提供没有六边形之间的空间的六边形图案。尽管这样的设计不提供简单的切割/切分图案，但是随着诸如激光切分之类的技术中的发展，实现六边形切分的成本可以通过消除需要被允许和部署的废料来抵消。

图2A和2B图示了矩形发光元件200的侧视图和顶视图。如图2A中所示，来自发光元件200的光的大部分从发光元件的上表面204发射。光210在发光元件200的内部生成，并且撞击表面204。如果光210相对于表面204处于发光元件200的逸出区段内，则其能够作为所发射的光210'通过表面逸出；如果光211不在逸出区段内，则光211将被全内反射（TIR）为光211'。

除撞击上表面204的光210,211之外，一些光220,221将撞击发光元件200的侧面202或边缘，如图2B中进一步图示的。如果光220相对于侧面202处于逸出区段内，则其将作为光220'发射；如果光221不在逸出区段内，则其将被全内反射为光221'。

从表面204,202反射的光211,221最终可以在另一表面的逸出区段内撞击该表面并且将从该表面发射，如图2B中的221''所示。然而，一些反射光可能在其能够逸出之前在发光元件200内被吸收；其还可能继续被内反射，从而进一步增加该反射光将在发光元件200内被吸收并被转换成热能的可能性，如图2B中222处的终止的反射光所示。

如上文所指出的，光通过表面发射的可能性取决于与表面相关联的逸出区段。该逸出区段由表面的任一侧上的折射率确定。如果光在“临界角”内撞击表面，则光将行进通过该表面；如果不是，则其将被全内反射。相对于表面，从结构内的点大约表面法向的临界角的程度的投影限定用于使从该点生成的光通过表面逸出的区段。

AlInGaP有源区的折射率大约为3.5，并且硅酮封装的折射率大约为1.4。因此，使用上文的等式1，这样的有源区内所生成的光通过表面逸出并进入硅酮封装的临界角为大约23.6度。因而，从有源区内的点生成的光的逸出区段是锥体，其横截面对向角度2*23.6度（相对于表面法向的+/-23.6度），其相当于大约0.53立体弧度的立体角。用于使光从AlInGaP进入空气的逸出区段大约为+/-17.5度，其相当于大约0.3立体弧度。

尽管逸出区段由立体角限定，但是本公开使用二维模型来呈现，以便于呈现和理解。本领域技术人员将认识到，从二维光学模型的以下分析得出的结论与将从使用三维模型的更复杂分析得出的那些相同。

在随后呈现中，为了便于理解，示例临界角大约为24度，其对应于AlInGaP有源区和硅酮封装的该示例组合。本领域技术人员将认识到，本发明的原理适用于材料的任何特定组合和/或临界角的任何特定值。

图3A图示了使用大约24度的临界角的以上示例的分别相对于侧面202a，202b，203c和203d（集体地，侧面202）中的每一个的从发光元件200的中心处的点320的示例逸出区段310a，310b，310c，310d（集体地，锥体310）的顶视图。以逸出区段310内的角度从中心点320发射的任何光将通过表面202逸出；以逸出区段310外部的角度从中心点320发射的光将被全内反射。所图示的逸出区段310外部的区330在图3A中具有阴影。

可以从中心点320生成的光可以以任何角度发射。通过使用二维模型，所发射的光可以在0-360度的范围之上朝向侧面202发射。在这整个360度范围中，光将处于逸出区段310内或TIR区330内。假定24度的临界角，则逸出区段相当于192度（4*48度），或者正好在所发射的光的范围的一半（192/360）之上。因而，从有源区的中心320朝向侧面202发射的光的几乎一半（178/360）将在其撞击发光元件200的侧面202时被内反射。如上文所指出的，被内反射的光在其可以逸出之前进一步通过有源区行进，从而增加其将在能够逸出之前被吸收的可能性。

对于有源区中的任何特定点，逸出区段将取决于该特定点与发光元件200的每一个侧面202之间的关系。能够从远离中心320的点逸出的光的量一般将甚至小于来自发光元件200的中心点320的该估计的53%（192/360），如图3B中所示。

图3B图示了相对于侧面202a，202b，202c和202d的发光元件200内的示例点321的示例逸出区段311a，311b，311c和311d。如该示例二维模型中所示，逸出区段311a和311b将允许完整的48度范围内的光各自通过表面202a和202b逸出。然而，因为点321明显偏离中心，所以逸出区段311c和311d的跨度被截断，因为如虚线312,313所示，完整的48度跨度延伸超出表面202c和202d。因而，逸出区段311c和311d提供小于完整的48度的逸出范围。因此，在点321处生成的将通过侧面202c和202d逸出的光的量减小，并且将在这些侧面202c和202d处被全内反射的光的量增加。在该示例中，逸出区段311相当于大约150度，并且从点321朝向表面202a-202d直接发射的光的比例减小至大约42%（150/360）。

可以预期从发光元件200直接离开表面202的光的总比例将是可以预期从发光元件200内的每一个点离开表面202的光的比例的积分。然而，如图3B的示例所图示的，该积分一般将小于可以预期从发光元件的中心中的点离开表面202的光的比例。因而，基于从发光元件的中心发射的光所确定的比例一般可以被视为可以预期直接离开表面202而不被全内反射的光的最大比例。

光提取效率（所发射的光的量对比所生成的光的量）通常通过增加逸出区段的大小来增加，典型地通过减小折射率中的差异来增加。然而，折射率匹配的成本和复杂性限制可行的和/或实际的改进量。

图4A和4B图示了六边形发光元件400中的示例逸出区段。如在具有由硅酮封装围绕的AlInGaP有源区的矩形发光元件的先前示例中那样，每一个示例逸出区段的宽度大约为48度。

图4A的逸出区段410a-f是针对在发光元件400的中心420处所生成的光而图示的。因为存在六个逸出区段，所以相比于图3A的矩形发光元件200中的53%（4*48/360），从中心420朝向侧壁402a-f的将通过六边形发光元件400的侧壁402a-f直接逸出的光的比例大约为80%（6*48/360）。

图4B的逸出区段411a-f是针对大大远离中心420的点421处所生成的光而图示的。尽管将从侧面402a-f被全内反射（阴影的TIR区）的所生成的光的比例大于图4A的示例，但是可以示出的是，这些TIR区所包含的角度相当于小于由图3B的TIR区所包含的角度。在该示例中，相比于图3B中的大约160度，逸出区段相当于大约180度。[并不是直接的。在图3B的示例中，逸出锥体311a和311b相当于非常少的边缘。然而，假定光在随机方向上发射，则这些锥体将相当于大于能够直接从发光元件200逸出的光的一半]。

当形状更紧密地近似于圆形周界时，光提取效率将进一步增加。图5A和5B图示了八边形发光元件500中的示例逸出区段。

图5A图示了使用由硅酮封装围绕的相同示例AlInGaP有源区的相对于每一个表面502a-h从发光元件500的中心520的逸出区段510a-h。因为每一个逸出区段包含48度，并且每一个侧面502a-h相对于中心520延伸45度，所以不存在从中心520朝向侧壁502a-h的不在逸出区段510a-h内的方向。因此，相比于图3A的矩形发光元件200中的53%（4*48/360），以及图4A的六边形发光元件400中的80%（6*48/360），在八边形发光元件500的中心处朝向侧壁502a-h生成的所有光（8*45/360=100%）将离开发光元件500。

图5B图示了相对于侧壁502a-h的来自离心点511的逸出区段511a-h。如可以看到的，八边形发光元件500的逸出区段511a-h包含比图4B的六边形发光元件400的逸出区段411a-f以及图2B的矩形发光元件200的逸出区段311a-d更大的区域。

光提取效率中的进一步改进可以通过进一步增加发光元件的边数以及对应地逸出区段的数目来实现。

当发光元件的形状近似于圆形形状时，相比于矩形形状，还将实现其它优点。

半导体发光元件依赖于通过半导体层且进入这些层之间的发光区的电流注入。为了提供跨半导体层和发光区的整个区域的电流注入，向半导体层提供电流的接触件被成形为覆盖尽可能多的半导体层的表面区域。

矩形发光元件典型地将具有连接到N型和P型半导体层中的每一个的矩形接触件。然而，矩形接触件将展现出非均匀的电流注入和电流拥挤，其将引起非均匀的光输出图案。这些不利效应中的一些，诸如电流拥挤，较可能在接触件的角落处发生，并且能够随着形成在接触件角落处的角度变得更窄而变得更显著。因此，矩形管芯的角落将更加易受非均匀电流扩散和其它电气边缘效应影响。

在矩形中，角落具有90度的角度。在六边形中，角度增加至120度，并且在八边形中，角度增加至135度。因此，诸如非均匀的电流注入、电流拥挤和其它之类的不利效应将在发光元件的边数增加时大幅减小。

此外，矩形结构展现出正交角落处的集中的机械应力，并且机械故障较可能在这些角落处产生。另一方面，具有比矩形结构更多的边的结构上的角落将展现出较少的机械应力，因为角落是钝的。通过增加沿着发光元件的周界的边数，内角增加，从而减小在发光元件的顶点处所出现的机械应力。

由于可以预期的侧发射效率中的明显增加，多边的多边形的使用可以允许仅仅或主要地通过侧面进行发射的发光元件。这样的实施例可以例如允许用于到发光元件的顶部和底部接触件的完整毡片（blanket sheet）的接触件沉积，并且允许这些接触件是不透明的，从而扩展可以用于接触件的材料范围，包括反射材料。

本领域技术人员将认识到，可以采用任何各种形状来实现来自发光元件的侧面的期望的光输出图案，并且这些形状不需要是规则多边形，甚至也不需要是对称的。图6A-6D图示了其它示例形状610,612,614和616。在图6C和6D中，在发光元件614和616的一个侧面上形成反射表面650以重定向撞击该表面的光，而不管入射角度如何，以便产生来自发光元件614,616的侧面的光的不对称分布。这样的不对称分布可以例如有利地沿着向显示器提供背光照明的波导的边缘使用。

图7A图示了包括多个六边形发光元件400的示例晶片。粗体线710,720,730图示了可以通过晶片做出以单个化各个六边形发光元件400的切割，如图7B中所示，图7B图示了衬底770上的单个化的发光元件400的侧视图。如所图示的，包括衬底770和发光元件400的所得管芯将是六边形的，并且残余废料是最少的。在图7A的示例中，发光元件400可以被创建为矩形发光元件，其通过沿着线720和730切分而被成形为六边形，如图7C中所示。

可替换地，如果发光元件作为具有多边形周界的各个元件形成在晶片上，则晶片可以以正交方式切割以产生非矩形发光元件位于其上的衬底的矩形部分，如图7D和7E中所示。

图7D图示了其中形成各个八边形发光元件500的晶片的顶视图。这样的形成可以通过使用常规光刻技术或半导体制造领域中常用的其它技术利用位于元件500之间的可移除材料来完成。也可以使用其它形成技术，诸如DRIE（深反应离子蚀刻）、FIB（聚焦离子束）蚀刻以及ICP（电感耦合等离子体）蚀刻。在形成各个元件之后，可以沿着线740,750对晶片进行切分，以单个化各个发光元件500。

图7E图示了在这样的切分以及元件500之间的材料（如果有的话）的移除之后的各个发光元件500的横截面。如所图示的，八边形发光元件500位于晶片衬底780上，该晶片衬底780被成形为矩形形状的管芯。使发光元件安置在矩形管芯上可以促进常规拾取和放置技术的使用以用于随后对管芯的处理。

鉴于本公开内容，用于在常规或非常规衬底上形成和单个化非矩形发光元件的其它技术将对于本领域技术人员而言是显而易见的。例如，图7A或7C的晶片（生长衬底）上的发光元件可以在倒装芯片实施例中附着到另一衬底，并且生长衬底可以随后被移除。在该示例中，管芯的形状将通过如何对第二衬底进行切分来确定，而不管发光元件在生长衬底上的放置。

通过使用理想球体发射器的前述范例，本领域技术人员将认识到，本发明的原理不限于对发光元件的周界进行成形。

发光设备可以具有矩形横截面（或侧视图轮廓），以及矩形周界（或顶视图轮廓）。因此，改变这些矩形轮廓中任一者的形状可以增强来自由这些轮廓所勾勒的表面的光输出效率。具体地，通过增加发光层“上方”或“下方”的表面的数目来改变发光元件的侧视图轮廓可以增强从这些表面逸出的光的光输出效率。

图8A-8B图示了非平面发光元件801,802的示例横截面。在这些示例中，发光元件801,802中的每一个形成在形成于衬底820A，820B上或其中的特征821,822上。发光元件801,802中的每一个包括夹在N型和P型半导体层810A，810B和814A，814B之间的有源层812A，812B。由于特征821,822，发光元件801-804的层810A，810B，812A，812B和814A，814B是非平面的。

在图8A中，发光元件801是凸形的，其具有在外区上方延伸的中心区。发光元件的非平面形状将通过减小层814A的外表面处的全内反射的可能性而增强离开上层814A的光的光提取效率。

在图8B中，发光元件802是凹形的，其具有在外区下方延伸的中心区。该配置可以在“倒装芯片”实施例中使用，其中光意图在移除衬底820B之后通过下层810发射。发光元件802的非平面形状将通过减小层810B的外表面处的全内反射的可能性而增强离开下层810B的光的光提取效率。

本领域技术人员将认识到，在这些图中图示的层的特定形状仅仅是出于说明性目的而呈现的，并且可以形成如技术所准许的其它形状。本领域技术人员还将认识到，横截面成形和周界成形的组合可以用于增加直接从发光元件的表面逸出的光的量，包括创建类似于820A和820B的衬底的凹形或凸形表面上的刻面。

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，能够理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示不能使用这些措施的组合来获益。权利要求中的任何参考标记不应解释为限制范围。

Claims (18)

1.一种发光元件，包括：

N型层，

P型层，

位于N型和P型层之间的有源层，

其中发光元件包括横截面视图轮廓和平面轮廓，并且这些轮廓中的至少一个包括具有多于四个边的多边形。

2.权利要求1的发光元件，其中顶轮廓包括具有多于四个边的多边形。

3.权利要求1的发光元件，其中横截面视图轮廓包括具有多于四个边的多边形。

4.权利要求1的发光元件，包括衬底，所述衬底包括N型、P型和有源层位于其上的矩形表面。

5.权利要求1的发光元件，其中多边形是规则多边形。

6.权利要求1的发光元件，其中发光元件是至少七个侧面的多面体。

7.权利要求1的发光元件，其中发光元件包括一个或多个反射表面。

8.权利要求1的发光元件，其中发光元件具有对应于多个多边形或多面体的组合的形状。

9.一种衬底，包括：

多个发光元件，每一个发光元件具有横截面视图轮廓和顶视图轮廓，并且

这些轮廓中的至少一个包括具有多个四个边的多边形。

10.权利要求9的衬底，其中顶视图轮廓包括具有多于四个边的多边形。

11.权利要求9的衬底，其中衬底包括使至少一个轮廓为具有多于四个边的多边形的特征。

12.一种方法，包括：

在衬底上形成多个发光元件，每一个发光元件具有横截面视图轮廓和平面轮廓，

其中这些轮廓中的至少一个包括具有多于四个边的多边形。

13.权利要求12的方法，其中至少一个轮廓包括至少七个面的多面体。

14.权利要求12的方法，其中每一个发光元件的至少一个表面是反射的。

15.权利要求12的方法，包括对衬底进行切分以单个化发光元件。

16.权利要求15的方法，其中在两个正交方向上执行切分以提供矩形衬底的一部分上的单个化的发光元件。

17.权利要求15的方法，其中在至少两个非正交方向上执行切分以提供包括具有多于四个边的多边形的衬底的一部分上的单个化的发光元件。

18.权利要求12的方法，包括使用多个直线切割来切分衬底以将发光元件单个化成具有一个或多个轮廓的发光设备，所述一个或多个轮廓包括具有多于四个边的多边形。