CN1495922A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的之一是提供通过使用一种简单配置来提供一种改善发光效率的波长转换LED。一种LED包括电极端、一LED芯片、一具有将从LED发射的光反射到一开口的一反射罩的反射体、填充到反射罩中的封装树脂，和混合到封装树脂中的波长转换材料，该波长转换材料吸收从LED芯片发射的光，并发射具有比吸收光波长更长的波长的光，该LED的特征在于，LED芯片连接到反射罩内的电极端，此外，在LED芯片的顶面具有一导电反射元件，其用于反射从连接面发射的光且在基本整个表面上不透光，混合到封装树脂中的波长转换材料的密度在所述LED芯片的连接面底部比在其顶部更大；和/或在具有反射罩的反射体的内部表面上形成一预定形状的波长转换层。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及一种波长转换LED，例如发白色光的二极管，在该发白色光的二极管中，蓝色光从pn结接合面发出，并入射到一荧光体上以提取出黄色光，通过将蓝色光和黄色光混合从而发出白色光，或可选地，紫外线光从pn结接合面发出，并入射到荧光体上从而提取出诸如白色光等中间色的光。
背景技术
图6显示了作为现有技术中公知的波长转换LED的一个示例的白色LED。
在图6中，白色LED 1包括：具有形成向上开口的反射罩2a的白色反射体2、放置在反射体2的反射罩2a中心附近的LED芯片3、以及填充到反射罩2a中的包含有波长转换材料4a的封装树脂4。
反射体2具有电极端2b、2c，它们通过夹物模压(insert molding)或其他等效的方法结合成一体。
形成LED芯片3，使得其通过结合InGaN(p型)和SiC(n型)构成一蓝色LED芯片，且构成其发光层的pn连接面(junctionsurface)3a位于上边界附近的扩展区域上。
在LED芯片3中，其n端被电连接至暴露在反射体2的反射罩2a底部的电极端2b，同时使用例如导电粘合剂固定；而其p端表面上的电极3b通过金属线3c等连接到暴露在反射罩2a底部的另一电极端2c上。
封装树脂4由半透明树脂构成，并包含暴露在蓝色光下时会发射出黄色光的荧光体4a。因为荧光体4a通常具有比封装树脂4更大的比重，因此作为沉降的结果，封装树脂的较低部分包含如图所示的密度较大的荧光体层4b。
在如上述配置的白色LED1中，当通过电极端2b、2c向LED芯片3的n端和p端之间加以驱动电压时，从其连接面3a射出蓝色光L1。从LED芯片3发出的蓝色光L1被引导向反射体2的反射罩2a的开口和底部，并近似均匀地向这两处入射。
被引导向反射体2的反射罩2a的开口的蓝色光L1原样向上射出。同时，被引导向反射体2的反射罩2a的底部的蓝色光L1入射到位于反射罩2a底部的荧光体层4b。相应地，荧光体层4b中的荧光体4a吸收蓝色光L1，其激发的结果就是以荧光的形式发出黄色光L2。该黄色光L2与如前所述从开口原样向上射出的蓝色光混合，总体上就产生了白色光；并且它也是向上射出的。
相比之下，如图7所示配置的白色LED5在现有技术中也是公知的。
在图7中，白色LED5在构造上与图6中的白色LED1的不同之处在于LED芯片3的在垂直方向上的反向的配置；因此，LED芯片3的pn连接面3a朝向底部配置在封装树脂4中的荧光体4a的荧光体层4b中。
类似地，在如前述配置的白色LED5中，当在LED芯片3的连接面处发射出的蓝色光的一部分通过荧光体层4b时，被荧光体4a吸收，并且发射出黄色光；此外，蓝色光的剩余部分在LED芯片3中透射通过荧光体层4b上面的封装树脂4，并且从该封装树脂4向上射出。
结果，如前所述的黄色光和蓝色光被混合，并且向上射出白色光。
在以如上所述的白色LED1、5为特征的配置中出现了下列问题。在白色LED1和5中，部分蓝色光从反射体2的反射罩2a的开口原样向上射出，而为了获得白色光，黄色光的光量需要能均衡该过强的蓝色光光量。相应地，将蓝色光转换为黄色光的荧光体4a的量必须增加。因为蓝色光和黄色光会被荧光体微粒遮挡，因此，在反射罩的开口处可能提取的光量下降了，并且白色LED1和5的整体发光效率降低了。
此外，在LED芯片发射紫外线的情况下，通常使用发射红色、绿色和蓝色光的荧光体的混合物。但是，因为在这种情况下紫外线从芯片的顶部直接向反射罩的开口射出而没有入射到荧光体上，而该光对从顶部提取出的可见光的强度没有贡献，因而降低了发光效率。
在其它具有相同配置的、修改荧光体成分或LED芯片从而发射出单色光、红外线或者中间色光的波长转换LED中，也会发生相似的问题。
发明概述
因此，本发明的一个目的是通过使用一种简单配置提供一种改善发光效率的波长转换LED。
该目的可以通过本发明第一实施例的LED实现，该LED包括电极端、一LED芯片、一具有将从LED芯片发出的光反射到一开口的一反射罩(bowl)的反射体、填充到反射罩中的封装树脂和混合到封装树脂中的波长转换材料，它吸收从LED芯片发射出的光，并发射出具有比所吸收光波长更长的波长的光，其特征在于，LED芯片连接到反射罩中的电极端，此外，在LED芯片的顶面上设置有一导电反射元件，其用于反射从连接面(junction surface)发射的光，且在基本整个表面上不透明；混合到封装树脂中的波长转换材料的密度在LED芯片的连接面以下比在其上更大；和/或在具有反射罩的反射体的内部平面上形成一预定形状的波长转换材料层。
在该第一实施例中，通过导电反射元件将驱动电压从两个电极端加到LED芯片，光从LED芯片的连接面射出，并且被导电反射元件向下反射。
所有的或一部分的被向下引导的光被波长转换层吸收，并且在那里射出经过波长转换的光。
相应地，当由LED芯片射出的光的颜色为蓝色时，没有被波长转换层吸收的蓝色光与由波长转换层射出的黄色光混合，并作为白色光从顶部向外射出。此外，当LED芯片发射紫外光时，该紫外线被波长转换层转换，并以白色光向外射出。已经考虑了使用波长转换材料和LED芯片的组合发射非白色光的二极管，例如，通过蓝色LED芯片和发射红色光的荧光体的组合发射紫色光的紫外光发射二极管、通过紫外线LED芯片和发射红外光的荧光体的组合发射红外光的LED。但是，根据本发明的结构在波长转换材料或LED芯片类型方面没有任何区别。
在这种情况下，被导电反射元件向下反射的光总是被引导至LED底部的波长转换材料的高密度层，并因此减少了从芯片顶部直接向外射出而未经波长转换材料转换的光。因此，与现有技术中，必须在封装树脂中包含适当量的波长转换材料以完全转换向上发射的光的波长，从而可以获得白色光或任何其它期望颜色的光相比，本发明允许减少荧光体的所需的量。结果，被过量的波长转换材料的微粒遮挡而不能到达外部的光可以在外部获得，并且对于发射到外部的光而言，其提取效率增加了。
根据本发明第二个实施例的LED的特征在于，在根据本发明第一实施例的LED中，形成LED芯片的连接面的主要一侧的表面，使得它比其次要一侧的表面有更大的面积，并且该芯片的侧表面是倾斜的。
在本发明的第二实施例中，从连接面一侧朝稍微向上的方向前进的光被沿着主要表面侧方向延伸的延伸部分向下反射；因此，从LED芯片直接向上发射的光可以完全消除。
根据本发明第三实施例的LED进一步的特征在于，在根据本发明第一实施例或第二实施例的LED中，在LED芯片的底面设置有第二导电反射元件，其用于反射从连接面发射的光，且在基本整个表面上不透明。
在本发明的该第三实施例中，从LED芯片的连接面向下射出的光在LED芯片的底部被第二导电反射元件向上反射；因此，没有光从LED芯片的底部向下透过，并且位于其下面的电极端、导电粘合剂等也不吸收光。因此，LED的光输出的效率和发光效率得到了改善。
根据本发明第四实施例的LED包括电极端、位于一导电基底上的氮化物半导体类型LED芯片、一具有将从LED发射的光反射到一开口的一反射罩的反射体、填充到反射罩中的封装树脂和混合到封装树脂中的波长转换材料，它吸收从LED芯片发射的光并发射可见光；其特征在于，LED芯片连接到反射罩内部的电极端，此外，在LED芯片的顶面上设置有一导电反射元件，其用于反射从连接面发射的光，且在基本整个表面上不透明；混合到封装树脂中的波长转换材料的密度在LED芯片结表面以下比在其上更大；和/或在具有反射罩的反射体的内表面形成一预定形状的波长转换材料层。
在该第四实施例中使用了一导电基底，因为这个原因，只需要一条线来形成与导电反射层上的电极之间的电连接；因此，降低了因为线遮挡导致外部无法获得的光的量。而且，因为使用氮化物半导体类型LED芯片进行紫外光和蓝色光的发射，可以结合宽泛的不同类型的荧光体从而可有效地发出具有更长波长的可见光，因此，可以以高强度水平发出具有较宽范围颜色的光。
附图简述
通过下面参照附图的描述，本发明的这些以及其它优点将更为明显，其中，
图1是显示根据本发明第一实施例的白色LED的截面示意图。
图2是白色LED中的LED芯片的放大的侧视图。
图3是显示图1中白色LED的LED芯片的另一种典型配置的透视图。
图4是根据本发明第二实施例的白色LED中的LED芯片的放大的侧视图。
图5是显示图1的白色LED的试验样本中的LED芯片的实际配置的侧视图。
图6是显示现有技术中公知的典型白色LED的示意图的剖视图。
图7是显示现有技术中公知的另一种白色LED的示意图的剖视图。
具体实施方式
在下文中将参照图1到图5详细描述本发明的优选实施例。
因为后面描述的实施例构成了本发明的优选实例，所以应用了各种的技术限制；但是，除非在后面指明，本发明的范围并不局限于这些实施例。
图1显示根据本发明的白色LED的第一实施例的示意图。
在图1中，白色光二极管10包括具有形成向上开口的反射罩11a的白色反射体11、位于反射体11的反射罩11a的中心附近的LED芯片12、以及包括荧光基底13a并填充到反射罩11a中的封装树脂13。
反射体11具有电极端11b和11c，它们利用诸如塑料等不透明材料通过夹物模压等结合为一体。
形成LED芯片12，使得其通过结合例如InGaN(p型)和SiC(n型)成为一蓝色光二极管芯片并向导电反射体扩展，而pn连接面12a作为发光层位于扩展区域中靠近上边界。
LED芯片形状为蘑菇形，其中，离pn连接面12a更近的主表面(顶面)具有比另一主表面(底面)更大的面积。蘑菇形倾斜端的角度这样确定，使得其延长线12b与反射体11的反射罩11a的边壁在上边界以下相交。
虽然LED芯片12使用在导电且半透明的n型SiC基底上的p型InGaN层所构成的示例来说明，但是，也可以使用例如在绝缘的蓝宝石基底上的GaN类型的层进行生产。
此外，作为本发明的一个特征，在LED芯片的顶面上依次形成导电反射层21和电极22，它们构成了一个导电反射元件，如图2所示。
导电反射层21和电极22扩展到LED芯片12的整个顶面。
导电反射层21由诸如铂Pt、Ag或Rh等高反射性金属构成。相对于在现有技术中使用的Au，这些高反射性的金属对于蓝色光具有更高的光视效率(luminous efficiency)，这种蓝光具有与用于激发波长转换材料的光相等的波长。而且，因为它们的电阻特性也更优良，所以在本发明中优选使用。此外，优选使用的高反射性金属可根据LED芯片、波长转换材料和其它使用的构件适当地选择。
导电反射层21在LED芯片的晶片类型(wafer-type)的上部表面上通过汽相淀积等形成预定的形状。
此外，电极22使用诸如Au或AuZn等金属通过汽相淀积等形成预定的形状。
如图3所示，当LED芯片使用如前所述的GaN类型的层在蓝宝石基底上形成时，就应该通过照相平版印刷术等执行蚀刻，仅仅将提取电极的区域21a置于暴露环境下以暴露n型导电层。然后，使用照相平版印刷术等结合掩膜法(masking)使导电反射层21和电极22形成预定形状。
LED芯片12的n端被固定并使用例如导电粘合剂或共晶接合(eutectic bonding)电连接到暴露在反射体11的反射罩11a中的电极端11b。此外，LED芯片12的p端表面上的电极22利用金属线12b等连接到暴露在反射体11的反射罩11a中的另一个电极端11c。
封装树脂13由诸如环氧树脂等半透明树脂构成，并且在本发明的该实施例中，它包含浮动的(floating)波长转换材料13a，其被蓝色光照射以后可产生黄色光。
包括浮动的波长转换材料13a的同时，封装树脂13被填充到反射体11的反射罩11a中并通过加热等方式硬化。
因为浮动的波长转换材料13a通常具有比封装树脂13更大的比重，因此在硬化过程中可能发生自然沉降，并且在底部形成高密度的波长转换材料层13b，如图所示。
因此，选定混合到封装树脂13中的波长转换材料13a的量，以便形成所需厚度的波长转换材料层13b。
如上所述对根据本发明该实施例的白色光二极管10进行配置，当驱动电压从电极端11b和11c分别通过电极22和导电反射层21直接加到LED芯片12的n端和LED芯片12的p端时，蓝色光L1从其连接面12a发出。
因为导电反射层21形成在LED芯片12的整个顶面上，因此从pn结接合面向上引导的蓝色光L1被导电反射层21向下反射。即使此时蓝色光L1将渗透过导电反射层21，它还是会被置于其上面的电极22完全反射下来，因此，蓝色光L1不会从LED芯片12的上表面直接向上射出。
而且，从LED芯片12的侧面向上发出的蓝色光L1被沿LED芯片12的顶部的导电反射元件方向扩展的部分向下反射，因此，光不会从封装树脂13直接向上射出。
所以，从LED芯片12的连接面12a向下引导的蓝色光L1入射在反射体11的反射罩11a的底部。
相应地，被朝向反射体11的反射罩11a的底部引导的部分蓝色光L1入射在沉降在反射罩11a底部的波长转换材料层13b上。结果，波长转换材料层13b的波长转换材料13a吸收蓝色光L1并通过激发射出构成波长转换光的黄色光L2。黄色光L2向上射出。
以这种方式，向上射出的黄色光L2，与由LED芯片12从反射体11的反射罩11a的开口，作为在反射罩2a的侧壁处反射而没有被荧光体13a吸收而产生的向上射出的蓝色光混合；总体上产生白色光；并且其向上射出。
这里，从连接面12a发射到LED芯片12外部和直接朝向反射体11的反射罩11a的开口射出的蓝色光L1完全被导电反射层21和电极22遮挡，因此，蓝色光没有直接泄漏到外部。这样，因为没有必要增加黄色光L2的量以平衡蓝色光L1的泄漏，所以，不需要大量的波长转换材料13a。相应地，因为少量的波长转换材料13a已经足够，所以有可能降低波长转换材料自己遮挡的光的量，使得蓝色光L1的发光效率得到改善，并且使得整个白色光L的发光效率得到提高。
反射体或其它构件可以使用高反射系数金属涂敷的导引盖(leadcap)和位于其附近的电极端来改变；此外，LED芯片产生的光的波长和波长转换材料可以自由选择，从而获得所需颜色的光。这些修改自然包含在本发明范围之内。
图4显示了根据本发明的白色LED的第二实施例的LED芯片的视图。这里，LED芯片30的配置与图1中白色LED10中的LED芯片12的配置相似，区别仅在于形成有第二导电反射层31和第二电极32，第二导电反射层31和第二电极32以类似于上表面上的导电反射层21和电极22的方式，在其整个底面上形成预定的形状。
根据使用上述配置的LED芯片30的白色LED，从LED芯片30的连接面12a向上引导的蓝色光L1部分被位于顶面上的导电反射层21和电极22完全向下反射，另外，其被向下引导部分被位于底面上的第二导电反射层31和第二电极32完全向上反射。此外，共晶接合适合于第二反射层31和第二电极32的互相连接。
相应地，与图1中的白色LED10相比，电极端11b、导电粘合剂或任何位于其下面的其它构件并不吸收入射在LED芯片30底面上的光。结果，从LED芯片30进入封装树脂13的蓝色光L1在量上增加了，因此，白色LED产生白色光L的效率进一步提高。
此外，在从LED芯片30的连接面发射出的光当中，被引导向芯片顶部的部分被电极22和/或导电反射层21向下反射，并且几乎没有光从芯片顶部向上射出。相应地，当观察白色LED1时，直接从较强的LED芯片30射出的光减少了，而从波长转换材料13a射出的光几乎构成了所有可观察到的光。也就是说，当如现有技术中所公知的出现直接朝向芯片顶部的光时，由于这种被直接引导向芯片顶部的光比较强，所以，通过波长转换层的光会被观察到从LED芯片发出的光与来自波长转换材料的光混合的一种颜色特征；此外，当使用蓝色LED并测量白色LED发出的光的分布时，颜色的不一致性在白色LED附近，以在前表面上的蓝色光斑的形式出现。然而，在本发明中，较强的向上引导的光被反射，因此，减少了光的直接射出，射出的光不会具有颜色不一致性。
在本发明中，可适当地使用任何能够发射可以激发荧光体的光的LED芯片。氮基化合物半导体发光元件、基于硒化锌的化合物半导体发光元件、基于氧化锌的化合物半导体发光元件放置在蓝宝石基底或SiC基底上都是典型的实例。根据SiC基底导电并且在相应的发光波长上透明，以及它因此不吸收pn结或荧光体发射的光的事实，放置在SiC基底上的氮基化合物半导体发光元件是最优选的实例；此外，因为没有必要在芯片的相同表面上制造电极，所以，导电反射层可以在芯片顶部形成更完整的形状。
在本发明中，可以使用任何优选的能够在LED芯片发光波长上被激发并能发射更长波长光的波长转换材料。基于YAG的荧光材料、基于SrS的荧光材料、基于YBO2的荧光材料、基于YVO4的荧光材料和基于CaLa2S4的荧光材料，是众多类型的在上述优选LED芯片中优选使用的波长材料中的典型实例。
在下文中将描述上述白色LED10的实际试验样本。在图5中显示的是根据上述的LED芯片12所制造的LED芯片。这里，LED芯片12形成蘑菇状，以便在所有四边都具有200μm的总宽度W1、250μm的高度H1、在200μm的高度H2处开始的倾斜延长、以及在高度250μm处在所有的四边上的290μm的宽度。在这样的LED芯片的顶面，导电反射膜21由铂Pt的汽相淀积所形成，然后通过Au的汽相淀积形成电极22。
在一反射体11的反射罩11a中实现以这种方式配置的LED芯片12，且在其中填充封装树脂13并硬化，形成一白色LED10。
为了提供没有导电反射层21和电极22的现有技术的一个比较样本，通过在一反射体11的反射罩11a中以垂直翻转状态实现LED芯片12，形成一白色LED。
对于该试验样本和该比较样本，测量填充封装树脂13之前和之后的轴上的光强lv和总的光通量lm。对于比较样本，填充前的测量值为lv＝192 mcd，lm＝0.528，而填充后测量值为lv＝626mcd，lm＝1.623，而对于试验样本，填充前的测量值为lv＝162mcd，lm＝0.461，而填充后测量值为lv＝650mcd，lm＝1.689。
在比较样本中，封装树脂的填充(或者换句话说，通过激发荧光体产生黄色光)导致lv以3.26的系数增加而lm以3.07的系数增加，然而在试验样本中，封装树脂的填充导致lv以4.01的系数增加而lm以3.66的系数增加；因此，证实了在根据本发明的试验样本中发光效率相对于现有技术的典型比较样本增加了。
鉴于上述实施例中的导电反射膜21、31各自由诸如铂Pt等具有高反射系数的金属的单层薄膜构成，因此任何其它具有高反射系数的金属(例如Ag或Rh等)或任何具有高反射系数的金属合金也可以使用，而且，还可以形成包括多个这些金属和金属合金的叠层。此外，发射光的颜色不局限于白色，并且可以通过不同的LED芯片和荧光体的组合而自由变化。
这样，在本发明中，通过将驱动电压从两电极端经由导电反射元件加到LED芯片上，光从LED芯片的连接面发出并被导电反射元件向下反射，并且全部的或部分向下引导的光被波长转换层吸收，且在其中发出经过波长转换的光。因此，没有被波长转换材料层吸收的例如蓝色光和来自波长转换层的黄色光混合，并以白色光的形式向上射出至外部。
这里，直接从连接面向上发出的光被导电反射元件向下反射，并总是被引导到LED芯片底部的波长转换材料的高密度层上；因此，减少了未经波长转换材料转换直接向外部发射的光。这样，与在现有技术中，必须在封装材料中包含适当量的波长转换材料，以便将向上发出的光转换为足够强的白色光或其它期望的颜色光相比，本发明允许减少波长转换材料的所必需的量。结果，被过多的波长转换材料的微粒遮挡而不能到达外部的白色光可在外部获得，并且对于发射到外部的白色光而言，提取效率增加了。
因此，根据本发明，改善发光效率的波长转换LED能够通过使用简单的配置获得。
虽然已经显示和描述了本发明的优选实施例，但是应该理解，本发明不局限于此，本领域的技术人员可以做出各种变型和修改而不偏离所附权利要求阐明的范围。

Claims (4)

1.一种发光二极管，包括：
电极端、一LED芯片、一具有将从所述LED芯片发出的光反射到一开口的一反射罩的反射体、填充到反射罩中的封装树脂、和混合到所述封装树脂中的波长转换材料，所述波长转换材料吸收从所述LED芯片发出的光，并发出具有比吸收光波长更长的波长的光，其特征在于，
所述LED芯片连接到反射罩内的电极端，此外，在所述LED芯片的顶面上设置有一导电反射元件，其用于反射从一连接面发出的光，且在基本整个表面上不透光，混合到所述封装树脂中的波长转换材料的密度在所述LED芯片的连接面下面比在其上面更大；和/或在具有反射罩的反射体的内部表面上形成一波长转换材料层。
2.如权利要求1的发光二极管，进一步的特征在于，形成所述LED芯片的连接面的主要表面侧，使得它具有比其次要表面侧更大的面积，并且所述芯片的侧表面是倾斜的。
3.如权利要求1或2的发光二极管，进一步的特征在于，在所述LED芯片的底面上设置有一第二导电反射元件，其用于反射从连接面发出的光，且在基本整个表面上不透光。
4.一种发光二极管，包括：
电极端、一位于一导电基底上的氮化物半导体类型的LED芯片、一具有将从所述LED芯片发出的光反射到一开口的一反射罩的反射体、填充到反射罩中的封装树脂、和混合到所述封装树脂中的波长转换材料，所述波长转换材料吸收从所述LED芯片发出的光并发出可见光，其特征在于，
所述LED芯片连接到反射罩内的电极端，此外，在所述LED芯片的顶面上设有一导电反射元件，其用于反射从一连接面发出的光，且在基本整个表面上不透光，混合到所述封装树脂中的波长转换材料的密度在所述LED芯片的连接面下面比在其上面更大；和/或在具有反射罩的反射体的内部表面上形成一波长转换材料层。
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