CN105531833A - 具有衬底中的散射特征的led - Google Patents
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Abstract
在一个实施例中，LED管芯的透明生长衬底（38）形成为具有光散射区域（40A-C），诸如通过激光器形成的空隙。在另一实施例中，生长衬底被移除并且被形成有光散射区域的另一衬底取代。在一个实施例中，光散射区域形成在LED管芯的光吸收区域之上以降低那些吸收区域上的入射光的量，并且形成在衬底的侧面（42A，42B）之上以降低光引导。另一实施例包括取代衬底，其可以形成为包括其中不存在诸如-型金属接触件（28）之类的LED半导体层中的对应光生成区域的所选区域中的反射颗粒。这防止到半导体层的吸收区中的再吸收，从而增强器件的外部效率。3D结构可以通过堆叠包含反射区域的衬底层而形成。衬底可以是透明衬底或者贴附到LED顶部的磷光体瓦片（20）。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED），并且具体地涉及用于散射LED管芯内的光的技术。
背景技术
在发射蓝光的基于GaN的LED中，生长衬底典型地是透明蓝宝石衬底、SiC衬底或者甚至GaN衬底。对于倒装芯片LED，光由有源层生成并且通过透明衬底出射。
图1图示了常规的基于GaN的倒装芯片LED管芯10。半导体层包括N型层12、有源层14（形成量子阱）和P型层16。这些层生长在透明生长衬底18（典型地为蓝宝石）的表面上。在衬底18的顶部上沉积磷光体层20。磷光体颗粒22被有源层14所发射的蓝光激发并且使光波长偏移。如果磷光体发射的颜色是黄色，黄光与蓝光的组合创建白光。实际上，可以以该方式创建任何颜色的光。
光提取效率涉及从LED管芯10逸出的所生成的光子的百分比。设计LED管芯中的一个目标是最小化光吸收以便增加光提取效率。对光吸收的一种贡献是通过衬底18的全内反射（TIR），其通过光线24被俘获在衬底18内部而示出，其中衬底18充当光导。材料界面处的非匹配折射率在浅角度处引起这样的反射。作为粗略近似，GaN的折射率（n）是2.5-3，针对蓝宝石的折射率为1.77，针对磷光体的折射率为1.6-1.8，并且针对空气的折射率为1。
此外，LED半导体层、底部金属接触件和接触件之间的空间具有不同的反射率。在图1中所示的示例中，接触所暴露的P型层16的P金属接触件26是银（Ag），因此是高度反射的（＞95%）。在其中P型层16和有源层14被蚀刻掉以允许N金属接触件28和N型层12之间的欧姆接触的区域中，使用较少反射的金属，诸如铝，并且在那些接触区之上不生成光。还存在不反射光的接触件26和28之间的空间。还可能存在还吸收光的半导体特征。所发射的磷光体光一般是各向同性的，因此这样的光的大百分比撞击在LED管芯10的光吸收区域上，诸如光线30。另一光线32被示出为在内部反射离开衬底18的侧面并且回到LED管芯10中以被部分地吸收。光线33被示出为被P金属接触件26高效地反射。
所有吸收区域降低LED管芯的光提取效率。
所需要的是一种用于通过降低LED管芯内的光的吸收来增加光提取效率的技术。
发明内容
在一个实施例中，将LED管芯的透明生长衬底形成为具有光散射区域，诸如使用激光器或其它方法形成的空隙。在另一实施例中，生长衬底被移除并且由包含光散射区域的另一透明衬底取代。在一个实施例中，光散射区域形成在不生成光的LED管芯的一些或全部光吸收区域之上以降低那些吸收区域上的入射光的量，并且形成在衬底的侧面之上以降低光引导。
如果衬底取代生长衬底，则衬底可以形成为在所选区域中包括反射颗粒，诸如TiO2颗粒或反射金属片。可以通过堆叠包含反射区域的衬底层来形成3D结构。
在另一实施例中，衬底是形成为具有光散射侧壁的非透明磷光体层。
磷光体层可以是贴附到LED顶部的瓦片，或者可以作为液体粘结剂中的颗粒来沉积，或者可以通过电泳沉积，或者通过其它方法沉积。
描述其它实施例。
附图说明
图1是示出了其中光线被LED管芯吸收的各种方式的LED管芯的横截面视图。
图2是依照本发明的一个实施例的并入包含光散射区域的衬底的LED管芯的横截面视图。
图3图示了图2的结构中的光线如何被重定向成远离LED管芯的光吸收区域和远离衬底的侧面。
图4是示出了衬底中的光散射区域的可替换图案的LED管芯的横截面视图。
图5图示了具有散射区域的衬底可以如何贴附到LED半导体层。
图6图示了衬底可以如何形成有光散射侧壁。
图7图示了具有用于创建蝙蝠翼状光发射图案的中央光散射区域的衬底。
图8图示了贴附在LED半导体层上的磷光体瓦片，其中瓦片具有光散射侧壁。
图9图示了如何可以使用多个层形成衬底以创建期望的光散射区域。
相同或相似的元件利用相同的标号标记。
具体实施方式
图2图示了除衬底38之外可以与图1中的LED管芯10相同的LED36。衬底38可以是已经在其上外延生长LED半导体的生长衬底，或者可以是在已经移除生长衬底之后已经贴附到LED半导体层的衬底。
衬底38形成为具有一些或全部光吸收区域之上的光散射区域40A、40B和40C并且具有一些或全部侧壁之上的光散射区域42A和42B以降低衬底38内的光引导。散射区域42A和42B可以是侧壁周围的连续散射区域环的部分。
在一个实施例中，衬底38是在其上已经外延生长LED半导体层的蓝宝石生长衬底。散射区域40A-40C、42A和42B可以在生长半导体层之前或之后形成为空隙的阵列。散射区域40A-40C、42A和42B可以具有任何3D形状，诸如多面体或圆形。脉冲激光器可以用于创建空隙。使用透明材料内的点（空隙）写入或创建图像的脉冲激光器的使用是公知的；然而，该技术尚未用于在LED管芯中散射光。
在另一实施例中，在已经生长半导体层之后，诸如通过激光剥离移除生长衬底，并且将另一衬底贴附到半导体层，诸如贴附到N型层12。这样的衬底可以例如是玻璃、蓝宝石、SiC、塑料、环氧树脂或陶瓷。衬底38可以通过任何合适的粘合剂（诸如环氧树脂或硅树脂）或者通过将衬底材料直接熔合到LED半导体层而贴附到LED半导体层。对于所贴附的衬底，散射区域40A-40C、42A和42B可以形成为空隙或光散射颗粒。衬底38可以经历脉冲激光处置以形成空隙或者可以被模制成包括所选区域中的光散射颗粒。为了模制，可以提供大衬底晶片模具，并且可以使用丝网印刷过程或其它过程将反射颗粒注入在所选区域中而同时衬底材料处于液体形式。然后使经模制的衬底固化并且在已经移除生长衬底之后将其贴附到LED晶片。预期到形成衬底38的其它方式，诸如堆叠层（在图9中示出）或者使用3D打印方法。所贴附的衬底然后为LED制造过程的其余部分提供机械支撑。LED晶片然后被单分。
反射颗粒可以例如是TiO2片或反射金属片，诸如Ag片。在一个实施例中，片的范围可以在0.1-10微米宽之间。由于片意图散射光，所以片的反射表面可以处于随机角度处。LED管芯的典型宽度在1mm的量级上。
在图2的示例中，散射区域40A、40B和40C一般形成在LED管芯的非有源部分之上，其中不生成光。因此，散射区域40A-40C不阻挡向上发射的任何光。散射区域40A-40C还优选地形成在作为欠佳反射表面的区域之上，诸如在金属接触件26和28之间或者在N金属接触件28之上。经过接触件26和28之间的光将必须通过任何下面的基板或印刷电路板（其典型地是欠佳反射体）向上反射。优选地，不存在用于接触P型层16的高度反射的银接触件26之上的散射区域。
每一个散射区域40A-40C的形状将针对要阻挡的特定下面的区域来定制。形状可以是矩形、圆形等。每一个散射区域40A-40C的厚度取决于散射区域40A-40C的结构。例如，如果散射区域40A-40C包含反射片，并且仅需要非常薄的片层以适当地阻挡光撞击在下面的区域上，则仅要求薄层。层可以如10微米那样薄，但是将典型地大约50微米厚。
在一个实施例中，衬底38为近似75-300微米厚。因此，靠近衬底38的底部的散射区域40A-40C可以离磷光体层2025-250微米远。
在图2和一些其它图中，仅在LED管芯的顶部之上示出磷光体层20。然而，在所有实施例中，磷光体层还可以覆盖半导体层和衬底38的侧壁。
图3图示了由有源层14和磷光体颗粒22生成的撞击在散射区域上的各种光线。光线46由有源层14生成并且由散射区域42B散射在各种方向上而不是在入射角处，使得衬底38将是非常差的光导（即光将在仅几次反射之后逸出）。
光线48从磷光体颗粒22A发射并且通过散射区域40A重定向成远离光吸收区域。光线50由磷光体颗粒22B发射并且反射离开P金属接触件26。光线52由磷光体颗粒22C发射并且通过散射区域42A中的多个反射表面既向上又向下重定向。
图4图示了散射区域56A-56C可以靠近衬底57的顶部形成，其叠覆LED管芯的吸收区域或者叠覆LED管芯的非光生成区域。光线58被示出为反射离开散射区域56A，从而避免通过半导体层或下面的层的任何吸收。
图5图示了可以如何形成图4的LED结构。在生长LED半导体层之后，移除生长衬底，并且将衬底57贴附到N型层12的顶部。可以将硅树脂薄层用作粘合剂。贴附可以在真空环境中在加热和压力之下执行。可替换地，使衬底57软化并且直接熔合到N型层12。N型层12可以首先被粗糙化以用于增加光提取并且用于帮助粘合。
在一个实施例中，当形成衬底晶片时，将散射区域42A、42B和56A-56C模制到衬底中。
然后在衬底57之上形成磷光体层20。磷光体层20还可以形成在LED层和衬底57的侧面之上。在一个实施例中，磷光体层20是利用硅树脂薄层贴附到衬底57的瓦片。磷光体层20还可以作为液体沉积并且被固化，或者通过电泳沉积。
图6图示了具有形成衬底64的侧壁的散射区域62A和62B以及中央散射区域60的另一实施例。散射区域62A和62B可以是沿着侧壁的连续散射区域环的部分。散射区域可以定位在任何地方以实现期望的发射图案，而与降低光吸收的散射区域的使用无关。实现某个发射图案在诸如通过抛物面镜或投影仪放大LED图像时尤其重要。如果来自散射区域62A和62B的散射是大的，则该实施例应当增加通过磷光体层20出射的光的量。这改进了器件表面之上的颜色均匀性。
可以除去中央散射区域60，并且散射区域62A和62B限制来自LED管芯的任何侧发射并且增强前发射。
图7图示了用于形成蝙蝠翼状发射图案的散射区域68的另一形状。散射区域68可以形成当自顶向下观看时的中央方形或圆形以提供期望的发射图案。在一个实施例中，散射区域68的直径是大约300微米。磷光体层70被示出为在器件的侧面之上延伸且向下延伸到基板72或印刷电路板表面的保形层。衬底73还可以具有形成其侧壁的任何部分的散射区域。
图8图示了形成在磷光体瓦片78中的侧壁散射区域76A和76B。散射区域76A和76B可以是沿着侧壁的连续散射区域环的部分。在图8中，不存在所使用的透明衬底，并且已经移除生长衬底。磷光体瓦片78可以是在贴附到半导体层之前预形成的注入在硅树脂粘结剂中的磷光体粉末。当形成磷光体晶片时，可以将反射片丝网印刷到模具中。磷光体晶片然后可以利用硅树脂薄（＜10微米）层贴附到LED晶片的顶部，其中所得晶片最终被单分。散射区域76A和76B限制任何侧发射。在该结构中，磷光体瓦片78还充当衬底。该结构可以特别适于机动车头灯和投影仪。
图9图示了可以如何形成3D衬底，其中散射区域80A-80C形成在第一衬底层82的顶表面中，诸如通过丝网印刷或者使用模具，之后在加热和压力之下层压到第二衬底层84。第二衬底层84被示出为具有形成其侧壁的附加散射区域86A和86B。散射区域的任何3D图案可以通过堆叠衬底材料层而形成。以此方式，散射区域可以形成在衬底内部。
一般地，散射区域不定位在其中它们将对性能有害的地点，除非散射区域被用于对光发射成形。可以执行模拟以确定最佳的区域和散射区域形状以最大化光提取效率。典型地高度吸收且不生成光的地点包括LED半导体层的边缘。在一个实施例中，散射区域被形成为靠近衬底底部的单个环，其叠覆其中不生成光的半导体层的边缘。
在一些应用中，衬底表面被纹理化以附加地散射光和/或改进光提取。本发明与这样的表面纹理化的区别在于，本发明的实施例在衬底内（而不是仅仅在表面上）引入反射颗粒或反射空隙来散射光。
在一个实施例中，所贴附的衬底利用固有地散射某种光的体块材料形成，诸如均匀注入有光漫射颗粒（例如TiO2）的衬底。本发明的光散射区域将通过修改衬底的体块材料来增强某些区域之上的散射。
在LED的某些应用中，LED管芯位于具有其它LED管芯的系统中或者反射腔室中。在这样的情况下，外部生成的光撞击在LED管芯上。本发明还可以用于降低其中在外部生成光的LED管芯对光的吸收。相应地，系统效率得以改进。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员将显而易见的是，可以做出改变和修改而不脱离以其较宽方面的本发明，并且因此随附权利要求要在其范围内涵盖如落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变和修改。
Claims (17)
1.一种发光器件，包括：
生成光的发光二极管（LED）半导体层，LED半导体层具有发光表面；
叠覆发光表面并且贴附到LED半导体层的衬底；以及
形成在衬底内的一个或多个光散射区域。
2.权利要求1的器件，其中光散射区域包括在衬底的仅所选区域中并且不遍及衬底的衬底内的反射颗粒。
3.权利要求1的器件，其中光散射区域包括形成在衬底内的反射空隙。
4.权利要求1的器件，其中衬底是在其上已经外延生长LED半导体层的生长衬底。
5.权利要求1的器件，其中衬底利用粘合剂贴附到LED半导体层的发光表面。
6.权利要求1的器件，其中光散射区域包括反射金属颗粒。
7.权利要求1的器件，其中至少一个光散射区域形成为叠覆LED半导体层内或LED半导体层下面的光吸收区域。
8.权利要求1的器件，还包括用于LED半导体层的金属接触件，其中LED半导体层包括N型层和P型层，并且其中至少一个光散射区域形成在用于N型层的金属接触件之上。
9.权利要求1的器件，其中LED半导体层包括生成光的区域和不生成光的区域，其中光散射区域位于不生成光的至少一个LED半导体层区域之上。
10.权利要求9的器件，其中光散射区域不形成在生成光的LED半导体层区域之上。
11.权利要求1的器件，其中光散射区域沿着衬底的侧壁形成。
12.权利要求1的器件，其中衬底包括波长转换材料。
13.权利要求1的器件，其中LED半导体层包括生成光的区域和不生成光的区域，其中光散射区域至少形成在不生成光的LED半导体层的部分之上并且沿着衬底的侧壁形成。
14.权利要求1的器件，还包括叠覆衬底的磷光体层，光散射区域定位成散射来自磷光体层的已经朝向LED半导体层发射的光，使得一些光朝向磷光体层反射回来。
15.权利要求1的器件，其中至少一个光散射区域定位成接近靠近LED半导体层的衬底的底表面。
16.权利要求1的器件，其中至少一个散射区域定位成接近远离LED半导体层的衬底的顶表面。
17.权利要求1的器件，其中除光散射区域之外，衬底是透明的。
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