CN111201619A - 具有反射侧壁的发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例包括包含半导体结构的半导体发光器件。半导体结构包括设置在n型区和p型区之间的发光层。波长转换结构设置在由发光层发射的光的路径中。漫反射器沿着半导体发光器件和波长转换结构的侧壁设置。漫反射器包括颜料。反射层设置在漫反射器和半导体结构之间。反射层是与漫反射器不同的材料。

Description

具有反射侧壁的发光器件
背景技术
发光二极管（“LED”）是固态器件，其以某个频率发射光。诸如磷光体层的频率修改元件被用来将从固态光发射器发射的至少一些光转换成以其他频率的光，以产生与从LED发射的光不同颜色的光。其他颜色调解元件可以被包括在用于一个或多个LED的封装中，以修改来自LED的光。不断进行改进LED颜色调解技术。
附图说明
图1是III族氮化物LED的一个示例的截面图。
图2是图示图1的器件中的接触部的布置的平面图。
图3图示了一器件，该器件包括LED、波长转换结构以及设置在LED和波长转换结构的侧壁上的反射材料。
图4是图3中图示的器件的俯视图。
图5、6和7是包括设置在漫反射侧壁与LED和/或波长转换结构之间的薄反射层的器件的截面图。
图8是包括冷白色发射器、暖白色发射器和漫反射侧壁的器件的截面图。
图9是图8的器件的俯视图。
具体实施方式
本发明的实施例包括LED，该LED包括形成在半导体结构的侧壁上的第一反射器以及与该第一反射器相邻形成的第二反射器。当从器件的顶部观看时，可以针对第二反射器的特定切断状态外观来选择第二反射器。
尽管在下面的示例中，半导体发光器件是发射蓝光或UV光的III族氮化物LED，但是除了LED之外的半导体发光器件（诸如激光二极管）以及由其他材料系统（诸如其他III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、ZnO或基于Si的材料）制成的半导体发光器件可以被使用。
包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器的半导体发光器件位于目前可获得的最高效的光源之列。在能够跨可见谱操作的高亮度发光器件的制造中，目前感兴趣的材料系统包括Ⅲ-Ⅴ族半导体，尤其是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，它们也被称作Ⅲ-氮化物材料。典型地，Ⅲ-氮化物发光器件通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其他外延技术，通过在蓝宝石、碳化硅、Ⅲ-氮化物或其他合适的衬底上外延生长具有不同成分和不同掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制造。该叠层通常包括在衬底之上形成的一个或多个掺杂有例如Si的n型层、在一个或多个n型层之上形成的一个或多个处于有源区的发光层、以及在有源区之上形成的一个或多个掺杂有例如Mg的p型层。在n型区和p型区上形成电气接触部。
图1图示出了适合于用于本发明实施例中的半导体发光器件1。图1中图示的器件仅仅是可以供本发明的实施例使用的器件的一个示例。任何合适的器件都可以供本发明的实施例使用——本发明的实施例不限于图1中图示的细节。例如，尽管图1图示了倒装芯片器件，但是本发明的实施例可以供其他器件几何形状使用，并且不限于倒装芯片器件。
如本领域中已知的，可以通过首先在生长衬底10上生长半导体结构来形成图1中图示的器件。生长衬底10可以是任何合适的衬底，诸如例如蓝宝石、SiC、Si、GaN或复合衬底。n型区14可以首先生长，并且可以包括不同组分和掺杂剂浓度的多层，包括例如诸如缓冲层或成核层的制备层，和/或被设计成便于生长衬底的去除的层，其可以是n型或非有意掺杂的，以及针对特定光学、材料或电气属性而设计的n型或甚至p型器件层，这些属性对于使发光区高效地发射光是合乎期望的。在n型区之上生长发光区或有源区16。合适的发光区的示例包括单个厚的或薄的发光层，或者包括由阻挡层分离的多个薄的或厚的发光层的多量子阱发光区。在发光区之上生长p型区18。像n型区一样，p型区可以包括不同组分、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非有意掺杂的层或n型层。在一些实施例中，器件中所有半导体材料的总厚度小于10μm，并且在一些实施例中小于6μm。
在p型区上形成p接触部金属20。p接触部金属20可以是反射性的并且可以是多层堆叠。例如，p接触部金属可以包括用于与p型半导体材料进行欧姆接触的层、反射金属层以及防止或减少反射金属迁移的保护金属层。然后，半导体结构通过标准光刻操作被图案化并且被蚀刻，以去除p接触部金属的整个厚度的一部分、p型区的整个厚度的一部分以及发光区的整个厚度的一部分，以形成至少一个台面，该至少一个台面展现其上形成有金属n接触部22的n型区14的表面。n接触部和p接触部通过间隙24电气隔离，间隙24可以填充有固体、电介质、电气绝缘材料、空气、环境气体或任何其他合适的材料。
图2是图1的器件的平面图，图示了图1的p接触部和n接触部的布置的一个示例。在图2中，p接触部20围绕n接触部22。n接触部22可以是圆形的，或任何其他合适的形状。p接触部和n接触部通过例如设置在位于p接触部和n接触部之间的间隙24中的电介质材料而电气隔离。p接触部和n接触部可以是任何合适的形状并且可以以任何合适的方式布置。图案化半导体结构并形成n接触部和p接触部是本领域技术人员公知的。因此，n接触部和p接触部的形状和布置不限于图1和2中图示的实施例。
在位于器件晶片上的各个器件之间的区13中，可以将半导体结构向下蚀刻至绝缘层，该绝缘层可以是绝缘半导体层，该绝缘半导体层是生长衬底或者半导体结构的一部分，如图1中图示的。在半导体结构的生长之后，生长衬底可以被去除或可以保留器件的一部分，完整的或被减薄的。图1和2中图示的结构可以附接到底座，使得射出器件的大部分光通过生长衬底10、或通过由去除生长衬底（如果生长衬底被去除）暴露的半导体结构的表面而射出。可替代地，支撑半导体结构并与该半导体结构形成电气接触部的厚金属焊盘可以形成在图1中图示的取向上的器件的顶表面上或附接至该器件的顶表面。
在下面附图中将半导体结构以及n接触部和p接触部表示为框12。
图3是包括波长转换结构40的LED的截面图。波长转换结构40在从LED提取的光的路径中设置在生长衬底10之上（在生长衬底保留在器件中的实施例中）。
在一些实施例中，波长转换结构40可以是例如预先制备的波长转换构件（即，与LED分离形成的自支撑波长转换构件），其包括吸收由LED发射的光并且发射不同波长的光的一种或多种波长转换材料。合适的波长转换结构40的一个示例是自支撑波长转换陶瓷板。波长转换陶瓷可以是例如被烧结成自支撑板的粉末磷光体。除了磷光体本身以外，板通常不包含粘合剂材料。合适的板在一些实施例中可以是例如至少50 μm厚，在一些实施例中不超过500 μm厚，在一些实施例中至少100 μm厚，并且在一些实施例中不超过300 μm厚。合适的波长转换结构40的另一示例是设置在透明材料中以形成自支撑结构的粉末波长转换材料。合适的透明材料的示例包括硅树脂、玻璃和环氧树脂。预先制备的波长转换结构40可以通过粘合剂层42连接到LED，该粘合剂层42可以是例如硅树脂或任何其他合适的材料。
在一些实施例中，波长转换结构40不是单独形成的结构，而是形成在LED之上。例如，波长转换结构可以是诸如磷光体的波长转换材料，其设置在透明材料中并且被层压、模板印刷、分涂或以其他方式设置在LED之上。
在一些实施例中，可以省略粘合剂层42。
波长转换结构40中的（多种）波长转换材料可以是常规磷光体、粉末磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI族或III-V族半导体、II-VI族或III-V族半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或发光材料。可以使用任何合适的粉末磷光体，包括但不限于基于石榴石的磷光体，诸如(Y,Gd,La,Lu,T,Pr,Sm)3(Al,Ga,In)5O12:Ce，(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb，其中0 <x <1，0 <y <1，0 <z≤0.1，0 <a≤0.2和0 <b≤0.1，Y3Al5O12:Ce (YAG)，Lu3Al5O12:Ce (LuAG)，Y3Al5-xGaxO12:Ce (YAlGaG)，(Ba1-xSrx)SiO3:Eu (BOSE)，以及基于氮化物的磷光体，诸如(Ca,Sr)AlSiN3:Eu和(Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu。
波长转换结构40可以形成为使得由发光器件发射并入射在波长转换材料上的光的全部或仅一部分可以由波长转换材料转换。由发光器件发射的未转换的光可以是光的最终谱的一部分，尽管并不需要这样。常见组合的示例包括：与黄色发射波长转换材料组合的蓝色发射LED、与绿色和红色发射波长转换材料组合的蓝色发射LED、与蓝色和黄色发射波长转换材料组合的UV发射LED以及与蓝色、绿色和红色发射波长转换材料组合的UV发射LED。可以添加发射其他颜色的光的波长转换材料以调整从器件发射的光的谱。
波长转换结构40可以包括形成为单独层而不是混合在一起的单个波长转换材料、波长转换材料的混合物或多个波长转换材料。发射不同颜色的光的波长转换材料可以设置在波长转换结构40的单独区中或混合在一起。
为了防止光从器件的侧面射出，可以沿着器件的侧面设置反射材料44，使得反射材料44沿着LED和波长转换结构40的侧壁设置。反射材料通常是漫反射器，诸如可以是反射的和/或可以引起折射率对比的颗粒，它与透明材料混合。一个示例是设置在硅树脂中的TiO2颗粒。反射材料44可以通过任何其他合适的技术来模制、分涂、压制或形成。在一些实施例中，在形成反射材料44之后，诸如喷砂处理的附加处理步骤可以去除任何过量的反射材料。
尽管为了节省语言，图3中的结构44和其他图中的类似结构（即，图5中的厚的漫反射侧涂层52、图6中的56、图7中的60、以及图8和9中的80）在本文中被称为反射的或反射器，在一些实施例中，由于存在下述薄反射层，所以到达反射材料44的光的量并不显著。在这样的实施例中，结构44仍被包括在器件中，在该器件中它用作光阻挡层，以防止源尺寸因到达反射材料44的光而增加。在这样的实施例中，结构44可以不良地反射光，至少部分吸收光，或完全吸收光。在这样的实施例中，结构44不需要是反射的。
图4是图3中图示的器件的俯视图。反射材料44包围波长转换结构40。当图4中图示的器件被切断时，波长转换结构40可以吸收一些环境光并作为响应发射波长转换的光。例如，钇铝石榴石（YAG）波长转换结构在切断状态下可以呈现淡黄色。由于与波长转换结构相比，周围的反射材料44可以具有显著的宽度，所以当LED切断时，周围的反射材料44是可见的。周围的反射材料44在切断状态下可以呈现发白色的。波长转换结构40和反射材料44的不同的切断状态颜色可能是不吸引人的。
对反射材料44和波长转换结构40的不同切断状态颜色的一个解决方案是向反射材料44添加颜料，以改变切断状态外观以匹配波长转换结构40的切断状态颜色。添加颜料以改变反射材料的颜色的一个缺点是添加颜料可能导致器件的光学效率的显著下降。
在本发明的实施例中，在具有设置在LED和/或波长转换结构的侧壁上的漫反射器或光阻挡结构的器件中，薄反射层设置在漫反射器和侧壁的至少一部分之间。图5、6和7图示了包括沿着器件的侧壁设置的薄反射层的器件。漫反射器的顶表面与图5、6和7的器件中的波长转换结构的顶表面处于基本相同的高度。
图5、6和7中的薄反射层设置在漫反射侧壁与波长转换结构和LED中的一个或两个之间。薄反射层可以是与漫反射侧壁不同的材料。在一些实施例中，漫反射侧壁包括更改漫反射侧壁的颜色的颜料，例如，以更紧密地匹配设置在LED之上的波长转换结构的切断状态颜色。在一些实施例中，漫反射侧壁为非白色的。漫反射侧壁可以是反射材料44，如以上在伴随图3和4的文本中描述的那样。在一个示例中，漫反射侧壁是设置在诸如硅树脂的透明材料中的诸如TiO2的颗粒。颜料可以与透明材料和颗粒混合，或者在漫反射侧壁之后形成，例如通过在漫反射侧壁的表面上喷涂。
在各种实施例中，薄反射层是单个薄层，或者可以具有相同或不同厚度并且可以包含相同或不同材料的多个薄膜层的堆叠。在各种实施例中，薄反射层是绝缘材料的单个层，诸如氧化物、硅的氧化物或硅的氮化物的一层，绝缘材料的多个层，通过绝缘层与LED电气隔离的一个或多个金属层，分布式布拉格反射器，诸如具有不同折射率的绝缘层的交替堆叠，SiO2/TiO2层的交替堆叠，Al2O3/TiO2层的交替堆叠或SiO2/Nb2O5层的交替堆叠。通常，薄反射层在一些实施例中可以包括至少两个层，在一些其他实施例中不超过80层，在一些实施例中至少20层，在一些实施例中不超过50层，并且在一些实施例中大约40层。薄反射层中的每个薄膜层在一些实施例中可以是至少100 nm厚，在一些实施例中不超过10微米厚，在一些实施例中至少500 nm厚，并且在一些实施例中不超过2微米厚。薄反射层的总厚度在一些实施例中可以是至少1微米，在一些实施例中不超过50微米，在一些实施例中至少5微米，并且在一些实施例中不超过25微米。在一些实施例中，薄反射层可以为具有由LED的有源区和/或波长转换结构发射的波长中的一些或全部的光提供高达约99％的反射率。
用于形成薄反射层的一些合适的材料的示例包括：金属，诸如银（Ag）、金（Au）、铝（Al）、镍（Ni）、铂（Pt）和钯（Pd）；金属氧化物，诸如TiO2、Al2O3、Nb2O5、HfO2和ZrO；金属氮化物，诸如TiNx和AlN，其他电介质材料，诸如SiO2或SiNx；绝缘层；以及其组合。在一些实施例中，薄反射层是或包括分布式布拉格反射器。在一些实施例中，薄反射层包括交替高折射率层和低折射率层的层的堆叠。在一些实施例中，薄反射层是包括两个、三个或更多个层的重复组的多层堆叠。在一些实施例中，薄反射层包括与金属层组合的电介质层。
在一些实施例中，薄反射层可以包括多孔材料（诸如多孔金属氧化物材料或多孔玻璃）的一层或多层。这种材料可以制成多孔的，即，包含气体或气穴，以便操纵该材料的折射率。多孔材料的折射率通常小于块状材料的折射率。多孔材料可以通过例如任何合适的工艺（包括凝胶工艺或脉冲激光沉积）形成。在一些实施例中，可以对薄反射层中的层的孔隙率（以及因此的折射率）进行分级。
在一些实施例中，可以通过薄膜沉积方法（诸如例如溅射沉积、原子层沉积（ALD）和真空蒸发）或通过液相-固相技术（诸如例如溶胶-凝胶法）在LED管芯的表面上和/或其他结构（诸如波长转换结构、底座、支撑件等）的表面上形成上述薄反射层。
在图5的器件中，薄反射层50设置在LED的侧壁上，该LED包括衬底10和半导体/接触结构12、粘合剂42（如果存在）以及波长转换结构40。波长转换结构40与LED基本相同的宽度。薄反射层50设置在漫反射侧壁52与LED和波长转换结构之间。
在图6的器件中，薄反射层54仅设置在LED的半导体和接触结构12的侧壁上。薄反射层54不设置在波长转换结构40、粘合剂42和衬底10的侧壁上。薄反射层54设置在漫反射侧壁56与半导体和接触结构12之间。衬底10、波长转换结构40和粘合剂42的侧壁与漫反射侧壁56直接接触。作为图6中图示的布置的可替代方案，薄反射层54可以仅沿着波长转换结构40的侧壁设置、仅沿着粘合剂42的侧壁设置、仅沿着衬底10的侧壁设置，或者沿着波长转换结构40、粘合剂42、半导体和接触结构12以及衬底10的任何组合的侧壁设置。
在图7的器件中，与图5的器件中一样，薄反射层58设置在LED的侧壁上，该LED包括衬底10和半导体/接触结构12、粘合剂42（如果存在）、以及波长转换结构40。在图6和7的器件中，波长转换结构40比LED宽。在图8的器件中，薄反射层58设置在漫反射侧壁60与LED和波长转换结构之间。
在图5和7中图示的实施例中，薄反射层设置在LED和波长转换结构40两者的侧壁上。在一些实施例中，薄反射层被配置为反射来自LED的未转换光（通常为蓝色）和来自波长转换结构40的转换光（通常包括黄绿色、红色等）两者。在一些实施例中，不同的薄反射层设置在LED和波长转换结构40上。例如，调整设置在LED上的薄反射层以反射来自LED的未转换光，并且调整设置在波长转换结构上的薄反射层以反射波长转换的光。在一些实施例中，单个薄反射层设置在LED和波长转换结构两者上，但是调整薄反射层的不同部分以反射不同类型的光。例如，薄反射层可以具有两个段，包括被配置为反射来自LED的未转换光的层对的第一段，以及包括被配置为反射波长转换光的层对的第二段。第一段和第二段在彼此顶上堆叠，使得薄反射层的厚度的第一部分（例如，厚度的一半）被调整为反射来自LED的未转换光，并且薄反射层的厚度的第二部分被调整为反射波长转换光。
图8是图示包括两个波长转换的LED（冷白色发射器90和暖白色发射器92）的器件的截面图。漫反射器80围绕每个发射器90、92，并设置在它们之间，如在图9的俯视图中所图示的那样。冷白色发射器90包括如上所述的波长转换结构40。在切断状态下，波长转换结构40可以呈现黄色。暖白色发射器92包括波长转换结构85，该波长转换结构85比波长转换结构40包括更多红色发射的波长转换材料；因此，在切断状态下，波长转换结构85呈现橙色或橙红色。暖白色发射器92、冷白色发射器90和漫反射器80之间的切断状态外观的差异是不合乎期望的。
在图8中图示的器件中，如上所述，漫反射器包括用来匹配波长转换结构40的切断状态外观的颜料。如上所述，薄反射层82设置在冷白光发射器90的侧壁上，在LED和波长转换结构与漫反射器80之间。如上所述，薄反射层84设置在暖白色反射器92的侧壁上，在LED和波长转换结构与漫反射器80之间。
为了使暖白色发射器92的切断状态外观与冷白色发射器90和漫反射器80相匹配，在暖白色波长转换结构85之上设置了波长转换层88，该波长转换层88具有与波长转换结构40相同的切断状态外观。在切断状态下，当环境光落在波长转换层88上时，它激发波长转换层88，并发射与波长转换结构40相同颜色的光。可以是二向色滤色器或上述的合适的薄反射层中的任一个的薄反射层86，被设置在波长转换层88和暖白色波长转换结构85之间，并且被调整为反射诸如蓝光的短波长光。薄反射层减少了在切断状态下到达暖白色波长转换结构85并且可以激发暖白色波长转换结构85的环境光的量。到达波长转换结构85的暖白色波长转换结构85的激发谱内的任何环境光将使其发射比来自波长转换层88和波长转换结构40的光更红的光，这将改变波长转换层88的切断状态外观。尽管薄反射层86也反射来自LED的未转换光，但是暖白色发射器倾向于如此在很大程度上被波长转换，以使得薄反射层86的存在不明显影响暖白色发射器92的性能。
在一些实施例中，在图8中图示的结构之上形成可选的散射层94。散射层94可以进一步改进冷白色发射器90和暖白色发射器92的切断状态外观。在各种实施例中，散射层94仅形成在冷白色发射器90之上，仅形成在暖白色发射器92之上，形成在一个或两个发射器而不是漫反射器80之上，或形成在整个结构之上，如图8中所图示的那样。散射层94可以是例如设置在透明材料中引起散射的颗粒。可以使用任何合适的材料，包括例如TiO2和/或氧化铝颗粒，以及硅树脂或任何其他合适的透明材料。可选的散射层94可以供本文描述的示例和实施例中的任一个使用。
已经详细描述了本发明，本领域技术人员将认识到，在给出本公开的情况下，可以在不脱离本文描述的发明构思的精神的情况下对本发明进行修改。特别地，本文描述的不同器件的不同特征和部件可以在其他器件中的任一个中使用，或者特征和部件可以从器件中的任一个省略。在一个实施例的上下文中描述的结构的特性可以适用于任何实施例。因此，并不意图将本发明的范围限制于所图示和描述的特定实施例。

Claims (14)

1.一种器件，包括：
半导体发光器件，包括半导体结构，所述半导体结构包括设置在n型区和p型区之间的发光层；
波长转换结构，设置在所述发光层之上；
光阻挡结构，沿着所述半导体发光器件和所述波长转换结构的侧壁设置，所述光阻挡结构包括颜料；以及
反射层，设置在所述光阻挡结构和所述半导体结构之间，所述反射层包括交替的第一和第二绝缘层，所述第一绝缘层具有与所述第二绝缘层不同的折射率。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述光阻挡结构包括设置在透明材料中的颗粒。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述光阻挡结构的顶表面与所述波长转换结构的顶表面处于相同的高度。
4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述反射层包括氧化物，并且所述光阻挡结构包括硅树脂。
5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述光阻挡结构具有与所述波长转换结构的切断状态颜色相同的颜色。
6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述光阻挡结构为非白色的。
7.根据权利要求1所述的器件，其中，所述反射层包括被配置为反射来自所述半导体结构的未转换光的第一部分和被配置为反射来自所述波长转换结构的光的第二部分。
8.一种器件，包括：
半导体发光二极管，包括半导体结构，所述半导体结构包括设置在n型区和p型区之间的发光层；
波长转换结构，设置在所述发光层之上；
漫反射器，沿着半导体发光器件和所述波长转换结构的侧壁设置，所述漫反射器包括设置在透明材料中的颗粒；以及
反射层，设置在所述漫反射器和所述半导体结构之间，其中所述反射层包括氧化物层。
9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述颗粒是TiO2，并且所述透明材料是硅树脂。
10.根据权利要求8所述的器件，其中，所述反射层包括交替的第一和第二绝缘层，其中，所述第一绝缘层具有与所述第二绝缘层不同的折射率。
11.根据权利要求8所述的器件，其中，所述漫反射器具有与所述波长转换结构的切断状态颜色相同的颜色。
12.根据权利要求8所述的器件，其中，所述漫反射器为非白色的。
13.一种器件，包括：
第一半导体发光二极管，包括半导体结构，所述半导体结构包括设置在n型区和p型区之间的发光层；
第一波长转换结构，设置在所述第一发光二极管之上；
第二半导体发光二极管，包括半导体结构，所述半导体结构包括设置在n型区和p型区之间的发光层；
第二波长转换结构，设置在所述第二发光二极管之上；
第三波长转换结构，其中，所述第二波长转换结构设置在所述第三波长转换结构与所述第二半导体发光二极管之间；
反射层，设置在所述第二和第三波长转换结构之间；以及
光阻挡层，设置在所述第一和第二波长转换结构之间；其中：
所述光阻挡层与所述第一和第三波长转换结构的切断状态外观是相同的颜色；并且
所述第二波长转换结构的切断状态外观与所述第一和第三波长转换结构的切断状态外观是不同的颜色。
14. 根据权利要求13所述的器件，其中，所述反射层是第一反射层，所述器件还包括：
第二反射层，设置在所述第一半导体发光二极管和所述光阻挡结构之间；以及
第三反射层，设置在所述第二半导体发光二极管和所述光阻挡结构之间。
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