DE112011104415T5

DE112011104415T5 - Hochleistungs-LEDs mit Linsen aus nichtpolymerem Material und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE112011104415T5
Application number: DE112011104415T
Authority: DE
Inventors: Zhimin Yao Jamie
Original assignee: Cree Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-09-26
Also published as: WO2012083217A1; US20150137151A1; US20120153306A1; US9391247B2

Abstract

Es werden LED-Chips und Packungen mit Linsen offenbart, die Materialien aufweisen, die resistent gegen eine Degradierung bei höheren Betriebstemperaturen und Feuchtigkeit sind. Des Weiteren werden Verfahren zur Herstellung dieser offenbart. Die Linsen können bestimmte Materialien aufweisen, die resistent gegen hohe Temperaturen und Feuchtigkeit sind. Dabei werden die Linsen auf der LED angebracht, bevor bestimmte wichtige Metallisierungsschritte erfolgen. Dadurch wird eine Schädigung der metallisierten Teile aufgrund der hohen Befestigungs- oder Bondingtemperatur für die Linse verhindert. Eine Ausführungsform eines LED-Chips umfasst eine Flip-Chip-LED und eine Linse, die auf der obersten Schicht der Flip-Chip-LED angebracht wird. Die Linsen können mit den LEDs auf Wafer- oder auf Chip-Ebene verbunden werden. Die Linse umfasst ein nichtpolymeres Material und der LED-Chip zeichnet sich dadurch aus, dass im Wesentlichen keine Polymermaterialien mit dem LED-Chip in Kontakt kommen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
FELD DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Leuchtdioden (LEDs) und insbesondere LEDs mit Linsen aus nichtpolymerem Material.
Beschreibung des Standes der Technik
Leuchtdioden (LED oder LEDs) sind Festkörpervorrichtungen, welche elektrische Energie in Licht umwandeln, und umfassen im Allgemeinen eine oder mehrere aktive Schichten aus Halbleitermaterial, welche bzw. welches zwischen umgekehrt dotierten Schichten eingebracht ist. Wenn eine Bias-Spannung über die dotierten Schichten angelegt wird, werden Löcher und Elektronen in die aktive Schicht bzw. Aktivschicht injiziert, wo sie zur Erzeugung von Licht rekombinieren. Licht wird von der aktiven Schicht und von allen Oberflächen der LED emittiert.
Um einen LED-Chip in einer Schaltung oder ähnlichen Anordnung zu verwenden, ist es bekannt, einen LED-Chip in einer Packung (Package) bzw. Verpackung zu umschließen, um einen Schutz vor Umwelteinflüssen und/oder einen mechanischen Schutz, Farbauswahl, Lichtextraktion, Lichtfokussierung und ähnliches zur Verfügung zu stellen. Eine LED-Packung kann auch elektrische Leitungen, Kontakte oder Spuren bzw. Traces zur elektrischen Verbindung der LED-Packung mit einem äußeren Schaltkreis bzw. einer äußeren Schaltung aufweisen. Die 1 zeigt eine herkömmliche LED-Packung, welche im allgemeinen einen einzelnen LED-Chip 12 aufweist, welcher mittels einer Lötverbindung oder einem leitenden Harz auf einem reflektierenden Becher 13 angebracht ist. Eine oder mehrere Drahtverbindungen 11 verbinden die ohmschen Kontakte des LED-Chips 12 mit Leitungen 15A und/oder 15B, welche mit dem reflektierenden Becher 13 verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet sein können. Der reflektierende Becher 13 kann mit einem Verkapselungsmaterial 16 gefüllt sein, welches ein Wellenlängenumwandlungsmaterial, wie etwa ein Phosphor, beinhalten kann. Durch die LED mit einer ersten Wellenlänge emittiertes Licht kann durch den Phosphor absorbiert werden, welcher ansprechend hierauf Licht mit einer zweiten Wellenlänge emittieren kann. Die gesamte Anordnung wird dann in einem klaren Schutzharz 14 verkapselt, welches in Form einer Linse oder Haube über den LED-Chip 12 geformt werden kann.
Konventionelle Schutzharze oder Linsen können aus polymeren Materialien, wie Silikonen oder Epoxiden, bestehen, wobei der Erweichungspunkt der Polymermaterialien relativ niedrig ist. Dadurch können erweichte Polymermaterialien direkt auf der LED platziert werden, ohne dass die metallisierten Bauteile der LED, wie Kontakte, Bonddrähte, Spiegel, reflektierende Becher, Leitungen, usw., beschädigt werden.
2 zeigt eine weitere herkömmliche LED-Packung 20, welche für einen Betrieb mit höherer Leistung, welche größere Wärmemengen erzeugt, geeigneter sein kann. In der LED-Packung 20 sind eine oder mehrere LED-Chips 22 auf einem Träger, wie etwa einer gedruckten Leiterplatte (PCB), einem Substrat oder einem Submount bzw. Unterhalter 23, angebracht. Ein Reflektor 24 kann auf dem Submount 23, der die LED-Chips bzw. den LED-Chip 22 umgibt, beinhaltet sein, um durch die LED-Chips emittiertes Licht weg von der Packung 20 zu reflektieren. Unterschiedliche Reflektoren können verwendet werden, wie etwa Metall-Reflektoren, Omni-direktionale-Reflektoren (ODRs) und verteilte bzw. distribuierte Bragg-Reflektoren (DBRs). Der Reflektor 24 kann auch einen mechanischen Schutz für die LED-Chips 22 zur Verfügung stellen. Eine oder mehrere Drahtbondverbindungen 11 werden zwischen ohmschen Kontakten auf den LED-Chips 22 und elektrischen Spuren 25A, 25B auf den Submount 23 erzeugt. Die montierten bzw. angebrachten LED-Chips 22 werden dann mit einem Verkapselungsmaterial 26 bedeckt, welches für die Chips Schutz bezüglich Umwelt und mechanischen Einflüssen zur Verfügung stellen kann, und gleichzeitig als Linse fungieren kann. Der Metallreflektor 24 ist typischerweise mittels eines Lötmittels oder eines Harzbonds mit dem Träger verbunden. Das Verkapselungsmaterial kann ein Material mit einem relativ geringen Schmelzpunkt sein, um Schäden an den metallisierten Komponenten der Packung 20 zu vermeiden.
Viele LED-Komponenten für Festkörper-Beleuchtungsapplikationen versuchen, eine hohe Lichtausbeute zu erzeugen, indem einzelne LED-Chips mit höchstmöglichem Strom und einer niedrigen Spannung, welche typisch für individuelle LEDs ist bzw. sind, betrieben werden. Die 3a und 3b zeigen eine kommerziell verfügbare LED 30, welche unter der Produktbezeichnung EZ700^TM LED von der Cree^® Inc. vertrieben wird. Die LED umfasst einen einzelnen LED-Übergang 32 sowie eine Stromausbreitungsstruktur 34 auf ihrer Oberseite, um Strom von dem oberen Kontakt 36 auszubreiten bzw. zu verteilen. Stromverbreitungsschichten können ebenfalls beinhaltet sein. Das spezielle Spannungsniveau für diese Art von Einzelübergangs-LED-Chips kann abhängig sein von dem besonderen Materialsystem, welches für die LEDs verwendet wird und der notwendigen Spannung, basierend auf der Übergangsspannung. Beispielsweise können einige Gruppe-III-Nitrid-basierte LEDs Übergangsspannungen im Bereich von 2,5–3,5 Volt aufweisen, und ein erhöhter Lichtstrom für derartige LEDs kann durch Anwendung erhöhter Strompegel erreicht werden. Solche LEDs sind wie oben beschrieben auch mit einer Linse oder einem Verkapselungsmaterial verfügbar.
Der Betrieb eines LED-Chips mit hoher Stromzufuhr kann zu erhöhten Chip-Temperaturen führen, und die Hitze des LED-Chips kann sich auf die anliegenden Teile der LED-Packung ausbreiten, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die PCB, das Substrat oder Submount, sowie auf die Linse oder das Verkapselungsmaterial („Linse”). Viele Linsen können aus einer oder mehreren Polymerverbindung/en, wie Epoxiden und Silikonen bestehen. Diese können auf unterschiedliche Art und Weise hergestellt werden. Sie können zum Beispiel direkt über der LED geformt oder separat geformt und anschließend über der LED angebracht werden. Für die gewünschte Betriebsart sollten diese Linsen über ihre Lebensdauer im Wesentlichen die gleiche Durchlässigkeit beibehalten. Die hohen Temperaturen von den unter hoher Leistung stehenden LEDs können auf die Linse übergehen und dort eine Aufheizung verursachen. Das kann dazu führen, dass das Polymermaterial der Linsen schneller degradiert, als dies gewöhnlich bei einem Betrieb mit niedrigeren Temperaturen der Fall wäre. Diese Degradierung kann zu bestimmten unerwünschten Effekten für die LED-Packung führen. In einigen Fällen kann die Linse verfärben, braun werden oder sogar Risse bekommen, wodurch die Durchlässigkeit der Linse stark beeinträchtigt wäre und was zu einer Absorption des durch die Linse dringenden LED-Lichts führen kann. Dies wiederum kann die gesamte Emissionsleistung der Packung reduzieren. Diese Verfärbung kann zudem eine Farbänderung des von der Packung emittierten Lichts zur Folge haben.
Linsen aus nichtpolymeren Materialien wie Glas, Quarz und Saphir können robuster als Linsen aus Polymermaterialien und resistent gegen Farbveränderung aufgrund von erhöhten Temperaturen sein. Es ist jedoch nicht sinnvoll, diese in der gleichen Weise über herkömmlichen LEDs zu formen wie die Polymerlinsen. Die Formung von nichtpolymeren Linsen auf einem LED-Chip kann bestimmte Herstellungsschwierigkeiten bergen. Bei Glas kann die Temperatur für die maßgebliche Erweichung bei ungefähr 400°C oder höher liegen, je nach Zusammensetzung des Glases. Andere kristalline durchlässige Materialien, wie Quarz, haben sehr hohe Schmelztemperaturen. Diese kristallinen nichtpolymeren Linsen könnten separat geformt und anschließend über einer LED mit einem Polymermaterial, wie Silikon oder Epoxid, angebracht werden. Dies birgt jedoch das gleiche potenzielle Problem, das heißt, dass Polymermaterial bei erhöhten Temperaturen degradieren kann. Die erhöhten Temperaturen können metallisierte Komponenten der LED, wie Kontakte, Bonddrähte, Reflektoren usw., schädigen. Den größten Schaden kann der Metall-zum-Halbleiter-Kontakt erleiden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen LED-Chips und Packungen mit Linsen aus Materialien, die resistent gegen eine Degradierung bei höheren Betriebstemperaturen und/oder Feuchtigkeit sind, und Verfahren zur Herstellung derselben. Diese Linsen können auf der LED angebracht werden, bevor bestimmte wichtige Metallisierungsschritte erfolgen. Dadurch wird eine Schädigung der metallisierten Teile aufgrund der hohen Befestigungs- oder Bondingtemperatur für die Linse verhindert.
Eine Ausführungsform eines LED-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Flip-Chip-LED und eine Linse, die auf der obersten Schicht der Flip-Chip-LED angebracht wird. Die Linse umfasst ein nichtpolymeres Material und der LED-Chip zeichnet sich dadurch aus, dass im Wesentlichen keine Polymermaterialien mit dem LED-Chip in Kontakt kommen.
Eine Ausführungsform eines LED-Chip-Wafers gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst mehrere LEDs in einem Wafer, der Flip-Chip-artig ausgerichtet ist. Mehrere Linsen werden auf der obersten Schicht des Wafers angebracht, wobei die Linsen ein nichtpolymeres Material aufweisen und kein Polymermaterial in Kontakt mit dem Wafer kommt, durch den emittiertes Licht dringt.
Ein Verfahren zur Formung mehrerer LED-Chips, das die Herstellung mehrerer LEDs und mehrerer Linsen aus einem oder mehreren nichtpolymeren Material bzw. Materialien umfasst. Mehrere Linsen werden auf mehreren LEDs mit einem oder mehreren nichtpolymeren Bondingmaterial/ien angebracht.
Ein Verfahren zur Herstellung von LED-Chips, das die Herstellung mehrerer LEDs auf einem Halbleiter-Wachstumswafer umfasst und bei der der Wafer Flip-Chip-artig ausgerichtet wird, so dass der Wachstumswafer die oberste Schicht darstellt und mehrere Linsen auf dem Wachstumswafer geformt werden, wobei die Linsen ein nichtpolymeres Material umfassen.
Diese und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden genauen Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen hervor, die die Merkmale der Erfindung anhand von Beispielen veranschaulichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Schnittansicht einer LED-Packung gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren LED-Packung gemäß dem Stand der Technik.
3a zeigt eine Draufsicht eines bekannten LED-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung.
3b ist ein Seitenaufriß eines LED-Chips gemäß 3a.
4 ist ein Flussdiagramm für eine Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorlegenden Erfindung.
5 ist eine Schnittansicht eines LED-Wafers gemäß der vorliegenden Erfindung während der Herstellung.
6 ist eine Schnittansicht eines LED-Wafers aus 5 während der Herstellung.
7 ist eine Schnittansicht eines LED-Chips, der vom LED-Wafer aus 6 vereinzelt ist.
8 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines LED-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines LED-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer LED-Packung gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines LED-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer LED-Packung gemäß der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft LED-Chips und LED-Packungen und Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung LED-Chips und LED-Packungen („LED-Chip” oder „LED-Chips”), die Linsen aufweisen (oder Verkapselungsmaterialien), die einer Degradierung durch Umwelteinflüsse, wie erhöhte Temperaturen, widerstehen. Die Linsen können aus vielen verschiedenen Materialien gefertigt sein, die einige oder alle der folgenden Eigenschaften aufweisen können. Das Material sollte im Wesentlichen für das vom LED-Chip emittierte Licht und das von Wellenlängenumwandlern umgewandelte Licht durchlässig sein, die Durchlässigkeit über die Zeit aufrechterhalten, selbst wenn es hohen Temperaturen und/oder hoher Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Das Material sollte zudem einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweisen, der mit dem des LED-Halbleitermaterials vergleichbar ist. Das ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb über verschiedene Temperaturzyklen.
Das Linsenmaterial sollte zudem einen Brechungsindex (IR) aufweisen, der eine effiziente Lichtextraktion vom LED-Chip ermöglicht. In einigen Ausführungsformen kann der Brechungsindex im Bereich 1 bis 2 liegen, während er bei anderen Ausführungsformen im Bereich 1,4 bis 1,6 liegen kann. In einigen Ausführungsformen kann der Brechungsindex bei ungefähr 1,5 liegen. Das Linsenmaterial sollte sich auch in eine Wölbung formen lassen, wie durch Formung, Ätzen oder Schleifen.
Die Linse kann an dem LED-Chip ohne Verwendung von Polymermaterialien, wie Silikone oder Epoxide, befestigt werden. Dadurch sind einige LED-Chip-Ausführungsformen verfügbar, bei denen die Polymermaterialien nicht mit dem epitaktischen Material oder Wachstumssubstrat der LED in Kontakt kommen. Dementsprechend ist die Menge des nichtpolymeren Materials, das der Hitze der LEDs ausgesetzt ist, minimiert oder vollständig beseitigt, was dazu führt, dass der LED-Chip einer Degradierung aufgrund von erhöhten Temperaturen und Feuchtigkeit widersteht. In einigen Ausführungsformen können die Linsen nichtpolymere Materialien, wie Glas, Saphir oder Quarz, umfassen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch andere Materialien verwendet werden können. Glas ist relativ kostengünstig und kann zu einer Wölbung geformt werden, wie in einer Gießform. Die gewünschten Formen können auch durch chemisches Ätzen erreicht werden. In einigen Ausführungsformen können die Linsen gemäß der vorliegenden Erfindung direkt auf der LED geformt werden, während die Linse in anderen Ausführungsformen mit einem oder mehreren nichtpolymeren, durchlässigen Material/ien befestigt wird. In Ausführungsformen, bei denen die Linsen an den LEDs befestigt werden, können unterschiedliche Materialien zur Befestigung der Linse verwendet werden, insbesondere auch Aufschleuderglas oder fließfähiges Glas, die jeweils im Handel erhältlich sind. Es können auch andere anorganische Klebemittel verwendet werden, wie Glas oder Keramik.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Einsatz von Materialien mit hoher Erweichungs- und Schmelztemperatur für die Linsen, deren Verwendung sonst unzweckmäßig wäre. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Metallisierung des LED-Chips nach der Formung oder Anbringung der Linse. Die vorliegende Erfindung ist besonders für LEDs mit lateraler Geometrie oder andere LEDs geeignet, die von einer Seite kontaktiert werden können. Vor der Metallisierung kann die Linse auf einer Seite der LED geformt oder befestigt und die andere Seite kann metallisiert werden, so dass sie Merkmale wie Reflektoren, Kontakte, Elektroden, usw. aufweist. Das ermöglicht drahtbondfreie Geräte, die direkt auf der Packung, dem Submount oder der PCB angebracht werden können. Die Metallisierung nach Anbringung der Linse verhindert Schäden an diesen metallisierten Komponenten bei der Formung oder dem Bonding der Linse.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung mit verschiedenen Arten von LEDs mit verschiedenen Geometrien, mit einer einzelnen LED und mit solchen LEDS verwendet werden kann, die mehrere oder ein LED-Array aufweisen. Es versteht sich weiterhin, dass die vorliegende Erfindung für die Waferlevel-Herstellung des LED-Chip oder der Packung oder für die Herstellung eines einzelnen LED-Chips oder von LED-Gruppen mit weniger als allen LED-Chips auf dem Wafer verwendet werden kann.
Wie unten beschrieben, können bei der Waferlevel-Herstellung mehrere LED-Chips auf dem Wachstumswafer oder einem Teil desselben hergestellt werden. Es können weitere Herstellungsschritte erfolgen, und ein Schritt des Herstellungsprozesses kann die Anbringung eines Linsenarrays auf dem Wafer sein, wobei jede der Linsen über der gewünschten Anzahl an LED-Chips angeordnet wird. In anderen Ausführungsformen können einzelne Linsen auf dem Wafer über der gewünschten Anzahl von LEDs angebracht werden. Der LED-Wafer kann dann metallisiert und mittels bekannter Vereinzelungsverfahren in einzelne oder LED-Chip-Gruppen vereinzelt werden. Es versteht sich, dass andere Merkmale in die LEDs auf Waferlevel oder nach der Signalisierung zur Verbesserung der Lichtextraktion eingeschlossen werden können, wie Texturieren, Formung oder Aufrauen.
Die vorliegende Erfindung wird hierin mit Bezug zu bestimmten Ausführungsformen beschrieben. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Erfindung in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden kann. Sie sollte nicht nur auf die hier aufgeführten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung unten mit Bezug zur Anbringung von Linsen über speziellen Arten von Emittern beschrieben. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Linsen auch über vielen verschiedenen anderen Emittern als den hierin beschriebenen angebracht werden können. Die vorliegende Erfindung ist zum Beispiel auch bei LEDs anwendbar, die in der US-amerikanischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/905,995 und dem Titel „High Voltage Wire Bond Free LEDs” offenbart sind, welche hierin mit Bezugnahme einbezogen ist.
Es ist darüber hinaus davon auszugehen, dass, falls ein Element, wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat, als „auf” einem anderen Element befindlich beschrieben wird, dies so zu interpretieren ist, dass es direkt auf dem anderen Element ist oder dass auch Zwischenelemente vorhanden sein können. Weiterhin können relative Begriffe, beispielsweise „innere”, „äußere”, „obere”, „oberhalb”, „untere”, „unterhalb”, „unter”, „erste” und „zweite” und ähnliche Begriffe, hier benutzt werden, um eine Beziehung einer Schicht oder eines anderen Bereichs zu beschreiben. Diese Begriffe sollen dahingehend verstanden werden, dass sie verschiedene Orientierungen einer Vorrichtung zusätzlich zu derjenigen Orientierung umfassen, die in den Figuren dargestellt ist.
Dabei ist anzumerken, dass die Begriffe „Schicht” und „Schichten” in der Anmeldung austauschbar verwendet werden. Ein gewöhnlicher Fachmann wird verstehen, dass eine einzelne „Schicht” eines Halbleitermaterials auch mehrere verschiedene Schichten von Material beinhalten kann. Entsprechend können mehrere „Schichten” von Material funktionell auch als eine einzige Schicht betrachtet werden. Mit anderen Worten bezeichnet der Begriff „Schicht” nicht eine homogene Schicht von Halbleitermaterial. Eine einzelne ”Schicht” kann verschiedene Dotierungskonzentrationen und Legierungszusammensetzungen enthalten, die in Unterschichten angeordnet sind. Solche Unterschichten („Sub-Layers”) können als Pufferschichten, Kontaktschichten oder Ätzstoppschichten („Etch-Stop-Layers”) dienen. Solche Unterschichten können in einem einzelnen Herstellungsschritt oder in mehreren Schritten gebildet werden. Sofern nicht anderweitig beschrieben, beabsichtigt der Anmelder nicht, den Schutzbereich der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, durch Beschreibung eines Elements als eine „Schicht” oder „Schichten” von Material umfassend zu beschränken.
Obwohl die Begriffe erster, zweiter, usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte durch diese Begriffe nicht beschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Daher kann ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, wie unten genannt, auch als zweites Element, zweite Komponente, zweiter Bereich, zweite Schicht oder zweiter Abschnitt benannt werden, ohne die Lehre der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsformen der Erfindung werden hier in Bezug auf Querschnittsdarstellungen beschrieben, die schematische Darstellungen von Ausführungsformen der Erfindung sind. Die eigentliche Dicke der Schichten kann folglich unterschiedlich sein und Variationen in der Form dieser Beispiele, beispielsweise der Herstellungstechniken und/oder der Toleranzen, können im Ergebnis erwartet werden. Ausführungsformen der Erfindung sollen nicht dahingehend ausgelegt werden, auf die besonderen Formen der dort dargestellten Bereiche beschränkt zu sein, sondern sollen Abweichungen der Formen beinhalten, beispielsweise Abweichungen, die vom Herstellungsprozess herrühren. Ein als viereckig oder rechteckig dargestellter oder beschriebener Bereich wird aufgrund normaler Herstellungstoleranzen typischerweise abgerundete oder gebogene Charakteristiken haben. Daher sind die in den Figuren dargestellten Bereiche von Natur aus schematisch, und ihre Formen sollen nicht die präzise Form eines Bereichs einer Einheit darstellen und nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken.
4 zeigt eine Ausführungsform von Verfahren 10 zur Herstellung von LED-Chips entsprechend der vorliegenden Erfindung. Obwohl die Schritte in einer bestimmten Reihenfolge veranschaulicht sind, ist davon auszugehen, dass die Schritte auch in einer anderen Reihenfolge erfolgen können und dass unterschiedliche Schritte zur Anwendung kommen können. Das vorliegende Verfahren wird mit Bezug auf die Herstellung von LEDs beschrieben, wobei jedoch davon auszugehen ist, dass es auch zur Herstellung anderer Festkörper-Emitter und anderer Halbleiter-Vorrichtungen verwendet werden kann.
In Schritt 12 ist ein Wachstumswafer bereitgestellt, auf dem mehrere LEDs unter Verwendung bekannter Halbleiterherstellungsverfahren hergestellt werden können. Der Wafer kann aus vielen Materialien, wie z. B. Saphir, Aluminiumnitrid (AlN), GaN, Siliziumkarbid bestehen, wobei ein geeigneter Wafer ein 4H-Polytyp von Siliziumkarbid ist, obwohl andere Siliziumkarbidpolytypen einschließlich 3C-, 6H- und 15R-Polytypen, auch verwendet werden können. Siliziumkarbid hat einige Vorteile, wie z. B. dass das Kristallgitter besser mit bestimmten Materialien, wie den Nitriden der Gruppe III, zusammenpasst als andere Wafer-Materialien wie Saphir. Die Verwendung von Siliziumkarbid kann in qualitativ höherwertigen Schichten aus Nitriden der Gruppe III resultieren. Siliziumkarbid hat auch eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit, so dass die Gesamtausgangsleistung von Vorrichtungen aus Nitriden der Gruppe III auf Siliziumkarbid nicht durch die thermische Dissipation des Wafers begrenzt wird (wie es bei einigen Vorrichtungen, die auf Saphir gebildet sind, der Fall ist). SiC-Wafer sind erhältlich von Cree Research Inc., Durham, North Carolina, und Verfahren zu deren Herstellung sind in der wissenschaftlichen Literatur genauso wie in den US-Patenten Nr. Re. 34,861 ; 4,946,547 und 5,200,022 dargestellt.
In Schritt 14 werden LEDs auf einem Wachstumswafer oder Substrat hergestellt, und die LEDs können viele unterschiedliche Halbleiterschichten haben, die auf unterschiedliche Weise angeordnet sind. Die Herstellung und der Betrieb der LEDs ist im Stand der Technik im Allgemeinen bekannt und soll hier nur kurz diskutiert werden. Die Schichten der LEDs können unter Verwendung bekannter Prozesse hergestellt werden, wobei ein geeigneter Prozess z. B. die metallorganische chemische Dampfdeposition (MOCVD) ist. Die Schichten der LEDs weisen im Allgemeinen eine aktive Schicht bzw. einen aktiven Bereich auf, der zwischen einer ersten und einer zweiten gegensätzlich dotierten epitaktischen Schicht eingeschlossen ist, von denen alle der Reihe nach auf einem Wachstumssubstrat oder Substrat („Wafer”) gebildet werden. Die LED-Schichten können anfangs als zusammenhängende Schichten auf dem Substrat geformt werden. Die Schichten werden anschließend partitioniert oder in einzelne LEDs unterteilt. Diese Unterteilung kann bewerkstelligt werden, indem Teile des aktiven Bereichs und dotierte Schichten bis zum Wafer hin abgeätzt werden und somit die offenen Bereiche zwischen den LEDs bilden. In anderen Ausführungsformen können die aktive Schicht und die dotierten Schichten als zusammenhängende Schichten auf dem Wafer bestehen bleiben und bei der Vereinzelung der LED-Chips in einzelne Vorrichtungen unterteilt werden.
Es versteht sich, dass zusätzliche Schichten und Elemente in jede der LEDs eingeschlossen sein können, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Puffer-, Nukleations-, Anschluss- und Stromverteilungsschichten, genauso wie Lichtextraktionsschichten und -elemente. Der aktive Bereich kann einen Einzelquantentrog (engl. Single Quantum Well – SQW), einen Mehrfachquantentrog (engl. Multiple Quantum Well – MQW), eine doppelte Heterostruktur oder Übergitterstrukturen aufweisen, und es ist im Stand der Technik bekannt, dass die gegensätzlich dotierten Schichten im Allgemeinen als n-leitende und als p-leitende dotierte Schichten bezeichnet werden.
Die LEDs können aus unterschiedlichen Materialsystemen hergestellt werden, wobei bevorzugte Materialsysteme auf einem Nitrid der Gruppe III basierende Materialsysteme sind. Nitride der Gruppe III beziehen sich auf die Halbleiterverbindungen, die zwischen Stickstoff und den Elementen in der Gruppe III des Periodensystems, üblicherweise Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In), gebildet werden. Der Begriff betrifft auch ternäre und quaternäre Verbindungen, wie z. B. Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und Aluminiumindiumgalliumnitrid (AlInGaN). In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die n- und p-leitenden Schichten Galliumnitrid (GaN) und der aktive Bereich ist InGaN. In alternativen Ausführungsformen können die n- und p-leitenden Schichten AnGaN, Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) oder Aluminiumgalliumindiumarsenid (AlGaInAsP) sein.
Es versteht sich, dass die LEDs auf dem Wafer unterschiedliche Geometrien aufweisen können. Einige Ausführungsformen weisen eine laterale Geometrie auf, wobei sowohl die n-leitenden als auch die p-leitenden Schichten von einer Seite des LED-Chips kontaktiert werden können. LEDs mit einer lateralen Geometrie eignen sich insbesondere für den Einsatz der Flip-Chip-Technik in Packungen, wobei die n-leitende Schicht und/oder das Wachstumssubstrat (bei Ausführungsformen, in denen das Wachstumssubstrat nicht entfernt wird) die Primäremissionsoberfläche der LEDs darstellen. LEDs mit einer vertikalen Geometrie können gemäß der vorliegenden Erfindung auch mit einer ersten Schicht oder einem ersten Anschluss hergestellt werden, die bzw. der von einer Seite kontaktiert werden kann, und einem zweiten Anschluss oder einer zweiten Schicht, der bzw. die von der gegenüberliegenden Seite kontaktiert werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann dies jedoch zusätzliche Verarbeitungsschritte erfordern, um einen Zugang zu einer der Schichten durch den Linsenwafer für eine elektrische Verbindung bereitzustellen.
Wie oben dargelegt, sofern die Anschlüsse oder Stromverteilernetze Metalle oder andere Materialien mit relativ niedrigen Schmelztemperaturen und temperaturempfindlichen Metall-Halbleiteranschlüsse umfassen, kann der Schritt der Ablage oder Formung erst erfolgen, nachdem eine Linse auf der LED geformt oder angebracht wurde. Dies verhindert Schäden an diesen metallisierten Komponenten, die bei der Anbringung von Linsen aus nichtpolymeren Materialien bei erhöhten Temperaturen entstehen können. Das gleiche gilt für andere Merkmale, die Metalle, wie Kontakte, Reflektoren, Drahtbonds, usw., enthalten.
In Schritt 16 kann das Wachstumssubstrat einen optionalen Formungs- oder Texturierungsschritt durchlaufen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das die Bildung von Anfasungen oder Waffelschnitten im Substrat einschließen oder ansonsten die Texturierung oder Formung der Substratoberfläche zur Verbesserung der Lichtextraktion. In anderen Ausführungsformen kann das Wachstumssubstrat verdünnt oder entfernt werden, und in den Ausführungsformen, in denen es entfernt wird, können die epitaktischen Schichten so verarbeitet werden, dass sie auch Texturierung oder Formung einschließen. Dies wiederum erfordert, dass der Wachstumswafer mit einem temporären Wafer/Substrat als Träger verbunden wird. Viele unterschiedliche Substratverdünnungs- oder Entfernungsprozesse können verwendet werden, wie Aufrauungs- oder Ätzprozesse. In anderen Ausführungsformen kann ein Teil der Wachstumssubstratreste geformt werden. Alle diese Prozesse können die Lichtextraktion von der LED verbessern.
In Schritt 18 werden Linsen oder ein Linsenmaterial auf dem LED-Wafer angebracht, wobei das gewünschte Linsenmaterial über dem gewünschten Bereich des Wachstumswafers angeordnet wird. Das Linsenmaterial kann in der gewünschten Form, wie z. B. Wölbungen, bereitgestellt werden. Es kann auch als eine Schicht des Linsenmaterials bereitgestellt werden, die später, wie unten beschrieben, in die gewünschte Form gebracht werden kann. In einer Ausführungsform umfasst das Linsenmaterial ein verbundenes Linsenarray. Wie oben beschrieben, sind die Linsen vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das für das von der LED emittierte Licht und/oder von Umwandlern umgewandelte Licht durchlässig und gegen eine Degradierung aufgrund von Umwelteinflüssen, wie erhöhte Temperaturen und hohe Feuchtigkeit, widerstandsfähig ist. Insbesondere sollte die Linse ihre physikalischen und optischen Eigenschaften, wie Form, Durchlässigkeit und Brechungsindex, über die Zeit beibehalten, selbst wenn sie hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Das Material sollte zudem einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweisen, der mit dem des LED-Halbleitermaterials vergleichbar ist, um einen zuverlässigen Betrieb über verschiedene Temperaturzyklen zu ermöglichen. Das Linsenmaterial sollte zudem einen Brechungsindex aufweisen, der eine effiziente Lichtextraktion ermöglicht. In einigen Ausführungsformen kann der Brechungsindex im Bereich 1 bis 2 liegen, während er bei anderen Ausführungsformen im Bereich 1,4 bis 1,6 liegen kann. In einigen Ausführungsformen kann der Brechungsindex bei ungefähr 1,5 liegen. Das Linsenmaterial sollte sich auch in eine Wölbung formen lassen, wie durch Formung, Ätzen oder Schleifen.
Die Linsen gemäß der vorliegenden Erfindung können, wie oben dargelegt, aus vielen verschiedenen Materialien gefertigt sein, wobei Glas ein geeignetes, einfach erhältliches und relativ kostengünstiges Material ist, das in eine bestimmte Form, wie eine Wölbung, gebracht werden kann. Unterschiedliche Glasarten weisen unterschiedliche Schmelztemperaturen auf. Bei einigen Arten liegen die Schmelztemperaturen bei nur ungefähr 400°C, während sie bei anderen Arten bei 1700°C oder höher liegen.
In den Ausführungsformen, in denen die Linsen in einem Array aus verbundenen Linsen bereitgestellt werden, kann die Größe dieses Linsenarrays so angepasst werden, dass es nach Anbringung auf dem LED-Wafer alle oder einige der angehenden LED-Chip-Bereiche abdeckt. In einigen Ausführungsformen kann das Linsenarray eine Größe aufweisen, dass es den gesamten LED-Wafer abdeckt, und es kann auf dem LED-Wafer unter Verwendung verschiedener Befestigungsarten angebracht werden. In Flip-Chip-Ausführungsformen kann das Linsenarray direkt auf dem Wachstumssubstrat, oder in Ausführungsformen, in denen das Wachstumssubstrat entfernt wird, auf der freiliegenden epitaktischen Schicht (z. B. n-leitende Schicht) angebracht werden. Die Flip-Chip-LEDs in dem Array sind noch nicht metallisiert worden, um Kontakte, Reflektoren, Drahtbonds, usw., ein zuschließen. Dementsprechend können der Wafer und seine epitaktischen Schichten der Anbringung von Linsen bei erhöhten Temperaturen widerstehen, ohne dabei einen Schaden an den metallisierten Teilen zu erleiden.
Die Linsen können auf dem Wafer unter Anwendung verschiedener Verfahren angebracht werden. Sie können zum Beispiel direkt auf dem Wafer geformt werden. Die Linsenwaferoberfläche kann bei einer bestimmten erhöhten Temperatur und Druck erweichen und bildet wiederum eine Verbindung mit der LED-Wachstumswaferoberfläche. Alternativ kann das Linsenarray separat vom LED-Wafer geformt und anschließend mit dem Wafer mit einem nichtpolymeren Material verbunden werden, das ebenso resistent gegen eine Degradierung bei erhöhten Temperaturen und Feuchtigkeit ist. Es können verschiedene, im Handel erhältliche, durchlässige Bondingmaterialien verwendet werden, wie das im Handel erhältliche Aufschleuderglas oder fließfähige Glas, das bei der Dow Corning Corporation erhältlich ist. Es versteht sich, dass auch viele andere Materialen verwendet werden können.
In Schritt 20 kann das Linsenmaterial oder Linsenarray einen optionalen Schritt der Formung in die gewünschte Endform durchlaufen, sofern das Material nicht in seiner endgültigen Linsenform bereitgestellt wird. Viele unterschiedliche Formgebungsverfahren können bereitgestellt werden, wie Ätz-, Schnitt- und Aufrauverfahren.
In Schritt 22 sind die nichtpolymeren Linsen nun auf dem LED-Wafer platziert und der Wafer kann metallisiert werden, um die Metallmerkmale einzuschließen. Jede der LEDs kann erste und zweite Anschlüsse aufweisen, und in den Fällen, in denen die LEDs eine laterale Geometrie aufweisen, können beide Anschlüsse von einer Oberfläche der LEDs, wie unten näher erläutert, kontaktiert werden. In solch einer Ausführungsform kann einer der Anschlüsse in elektrischem Kontakt mit der n-leitenden Schicht der LED sein, und der andere Anschluss kann in elektrischem Kontakt mit der p-leitenden Schicht der LED sein.
Der erste und zweite Anschluss kann viele verschiedene Materialien, wie Au, Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Indium (In), Aluminium (Al), Silber (Ag) oder Kombinationen dieser aufweisen. In noch anderen Ausführungsformen können sie leitfähige Oxide und transparente leitfähige Oxide, wie z. B. Indiumzinnoxid, Nickeloxid, Zinkoxid, Kadmiumzinnoxid, Titan-Wolfram-Nickel, Indiumoxid, Zinnoxid, Magnesiumoxid, ZnGa₂O₄, ZnO₂/Sb, Ga₂O₃/Sn, AgInO₂/Sn, In₂O₃/Zn, CuAlO₂, LaCuOS, CuGaO₂ und SrCu₂O₂ aufweisen. Die Wahl des verwendeten Materials kann vom Ort der Kontakte sowie den gewünschten elektrischen Charakteristiken, wie z. B. Übergangswiderstand und Blattwiderstand, sowie von optischen Charakteristiken, wie Transparenz, Reflexionsvermögen, Absorption und Reflexionsvermögen, abhängen. Im Fall der Vorrichtungen der Nitride der Gruppe III ist bekannt, dass deren dünne, halbdurchlässige, stromverteilende Schicht gewöhnlich Teile der LED abdecken kann, um die Stromverteilung von den Kontakten zur LED zu unterstützen. Die LEDs können zudem zusätzliche Stromverteilungsstrukturen oder -netze aufweisen. Die Kontakte können unter Verwendung verschiedener Techniken, wie z. B. Zerstäubung und Verdampfung, geformt werden. Andere metallisierte Merkmale, wie z. B. Kontakte, Elektroden, Reflektoren, elektrische Spuren, Kontaktlöcher, usw., können auch unter Verwendung bekannter Verfahren wie unten beschrieben geformt werden. Bei lateralen Flip-Chip-LEDs kann die Metallisierung auf dem LED-Wafer Metallmerkmale auf der den Linsen gegenüberliegenden Oberfläche bereitstellen.
In Schritt 24 kann der LED-Wafer in einzelne LED-Chips oder LED-Chip-Gruppen unter Verwendung bekannter Verfahren wie Trennen, Ritzen, Brechen oder Ätzen, vereinzelt werden. Der Vereinzelungsprozess trennt jede der Linsen in dem Array, so dass sich jede nichtpolymere Linse über der gewünschten Anzahl LEDs befindet. In einigen Ausführungsformen umfasst jede vereinzelte Vorrichtung mindestens einen LED-Chip mit einer Linse oder mehreren Linsen. Die vereinzelten LED-Chips haben den Vorteil, dass keine Polymermaterialien mit den epitaktischen Schichten oder dem Wachstumssubstrat in Kontakt kommen. Dadurch wird die Verfärbung verringert, die durch die Degradierung des nichtpolymeren Materials aufgrund von hohen Temperaturen und/oder Betrieb bei hoher Feuchtigkeit verursacht werden kann.
In einigen Ausführungsformen können einige Polymermaterialien mit den epitaktischen Schichten in Kontakt kommen. Sie kommen jedoch nicht in Kontakt mit der Primäremissionsoberfläche oder den Oberflächen der LED. Sofern eine Verfärbung aufgrund von Hitze im Polymermaterial auftritt, verringert dies die Emission der LED durch die Primäremissionsoberflächen nicht wesentlich. Nach der Vereinzelung können die Vorrichtungen in einer Packung, auf einem Submount oder einer Leiterplatte angebracht werden mit einer elektrischen Verbindung auf den metallisierten Elementen auf dem LED-Chip und elektrischen Spuren auf der Packung/dem Submount/der Leiterplatte.
Es versteht sich, dass die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch über die Anbringung nichtpolymerer Linsen an LEDs auf Wafer-Ebene hinaus verwendet werden können. Sie können auch zur Anbringung einer Linse auf einer einzelnen LED oder zur Anbringung einer Linse über einer LED-Gruppe verwendet werden. Der Prozess ist ähnlich und der entstehende LED-Chip oder die Packung wird metallisiert, nachdem die nichtpolymere Linse angebracht wurde. Die Linse kann ohne die Verwendung eines nichtpolymeren Materials angebracht werden, so dass kein Polymermaterial vorhanden ist, das aufgrund des LED-Betriebs degradieren kann.
5 zeigt eine Ausführungsform eines LED-Wafers 40 und eines Linsenarrays 42, das in dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung von LED-Chips entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der LED-Wafer 40 umfasst ein epitaktisches Material 44, das auf einem Wachstumssubstrat 46 wie oben beschrieben gewachsen ist. Das epitaktische Material 44 ist als einfache Schicht dargestellt, aber es versteht sich, dass es viele Schichten umfassen kann, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, eine p-leitende Schicht, einen aktiven Bereich und eine n-leitende Schicht, so wie oben beschrieben. Der LED-Wafer 40 wird so gewendet, dass das Wachstumssubstrat 46 die oberste Schicht darstellt; diese Anordnung wird in Flip-Chip-Anordnungen verwendet. Das Wachstumssubstrat umfasst Anfasungen 48 in der obersten Schicht, die durch bekannte Ätz-, Schnitt- oder Aufrauverfahren geformt werden können. Die Anfasungen sollen die Lichtextraktion vom LED-Chip verbessern, und es versteht sich, dass andere Lichtextraktionsmerkmale hinzugefügt werden können, wie z. B. maßstabsgerechte Texturierung oder Formung im Mikrometerbereich. Bei dem dargestellten Herstellungszustand ist der LED-Wafer noch nicht metallisiert worden, so dass er der Hitze bei der Anbringung der Linsen bei erhöhten Temperaturen widerstehen kann.
Das Linsenarray 42 umfasst mehrere verbundene Linsen 50 mit dem Array 42, das auf dem LED-Wafer 40 angebracht werden kann. Wie oben erwähnt, wird das LED-Array vorzugsweise aus einem durchlässigem Material gebildet, das resistent gegen Degradierung durch Hitze und Feuchtigkeit ist und die oben beschriebenen CTE- und IR-Eigenschaften aufweist. In einigen Ausführungsformen kann das Linsenarray 42 ein nichtpolymeres Material, wie die oben beschriebenen, umfassen, wobei Glas ein geeignetes Material darstellt. In einigen Ausführungsformen kann das LED-Array direkt auf dem LED-Wafer unter Anwendung von Formgebungsverfahren geformt werden, wobei das erweichte Glas auf dem Wafer geformt wird. Bei diesem Verfahren füllt das Glas der Linse die Anfasungen 48.
Bezugnehmend auf 6 ist nun in der dargestellten Ausführungsform das Linsen-Array 42 unter Verwendung einer alternativen Methode zur Formung auf dem LED-Wafer 40 angebracht. Das Linsen-Array 42 ist unter Verwendung eines Bondingmaterials 52 auf dem LED-Wafer angebracht, und in dieser Ausführungsform umfasst das Bondingmaterial vorzugsweise ein nichtpolymeres Bondingmaterial wie z. B. die oben beschriebenen. Das Bondingmittel kann auf den LED-Wafer 40 mit dem auf diesem angebrachten Linsen-Array so aufgetragen werden, dass das Bondingmittel im Wesentlichen den Raum zwischen LED-Wafer und Linsen-Array füllt.
Das LED-Array kann mit den Linsen 50 in der gewünschten Form ausgestattet werden, so dass keine weitere Verarbeitung oder Formung der Linsen, wie in dem o. g. Verfahren beschrieben, erforderlich ist. Nach Anbringen des Linsen-Array 42 kann die LED geätzt werden, um die LEDs auf dem Wafer in die gewünschte seitliche Geometrie zu formen, so dass die LEDs von derselben Seite in Kontakt gebracht werden können. Der Wafer kann auch geätzt werden, um weitere Merkmale und Schichten zu erstellen, insbesondere auch Vias, Isolierschichten, reflektierende Schichten, usw. Diese Merkmale werden nachfolgend beschrieben, sind aber in 5 bis 7 nicht dargestellt, um die Zeichnungen und diese Beschreibung zu vereinfachen. Metallschichten/-materialien 54 können jetzt mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Verfahren auf den LED-Wafer aufgebracht werden, wobei die Metallschichten/-materialien 54 Kontakte, Reflektoren, Leiterbahnen usw. umfassen können.
In 6 werden Phantomlinien 56 gezeigt, um Vereinzelungsstellen darzustellen, die bei der Vereinzelung des Wafers in einzelne LED-Chips verwendet werden können. Unter Bezugnahme auf 7 werden nun vom LED-Wafer 40 vereinzelte LED-Chips 58 dargestellt. Obwohl nur drei LED-Chips 58 dargestellt sind, versteht es sich, dass aus einem einzigen Wafer viele weitere LED-Chips gebildet werden können. Beispielsweise können bei der Herstellung von LED-Chips mit einer Größe von 1 mm² auf einem 3-Zoll-Wafer bis zu 4500 LED-Chips hergestellt werden. Jeder LED-Chip hat eine eigene Linse 50, einen Anteil des epitaktischen Materials 44, einen Anteil des Wachstumssubstrats 46 und Metallschichten 54, an denen ein elektrisches Signal zum LED-Chip 58 angelegt wird. Jeder der LED-Chips 58 kann wie oben beschrieben an einer LED-Packung, einen Unterhalter bzw. Submount oder einer Leiterplatte angebracht werden.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines LED-Chips 70 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem epitaktischen Material 72, das die oben beschriebenen Schichten umfassen kann. Eine Linse 74 ist auf dem epitaktischen Material 72 durch die oben beschriebenen Formungs- oder Bondingverfahren enthalten. Die Linse 74 sollte transparent und bruchfest sein, die oben beschriebenen CTE- und IR-Eigenschaften aufweisen, und aus nichtpolymeren Materialien wie beispielsweise Glas bestehen.
In dieser Ausführungsform ist das Wachstumssubstrat für das epitaktische Material entfernt worden, und wie vorstehend erwähnt kann das epitaktische Material, wie oben beschrieben, viele verschiedene Schichten/Bereiche enthalten, insbesondere auch einen zwischen einer n-Typ-Schicht und einer p-Typ-Schicht eingelagerten aktiven Bereich. Die Oberseite der epitaktischen Schicht umfasst Texturen in Mikrometergröße, die unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren gebildet werden können, wobei mit der Textur die Lichtextraktion erhöht werden soll.
Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren können nach Anbringen der Linse 74 ein oder mehrere LED-Chips 70 metallisiert werden. Die LED-Chips 70 können vor der Metallisierung (entweder vor oder nach Anbringen der Linse) geätzt werden, um den LED-Chip in die gewünschte Geometrie zu formen. In der dargestellten Ausführungsform kann der LED-Chip 70 in eine laterale Geometrie geätzt werden, so dass der LED-Chip von der der Linse 74 gegenüberliegenden Seite kontaktiert werden kann, oder er kann mit anderen Merkmalen versehen werden, um den elektrischen Kontakt mit der n-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht zu ermöglichen. Das Formen in eine laterale Geometrie kann das Entfernen eines Teils der genannten n-Typ- und p-Typ-Schichten und eines Teils des aktiven Bereichs beinhalten, um auf der n-Typ-Schicht eine Kontaktmesa zu bilden. Bei Ausführungsformen, in denen die p-Typ-Schicht die unterste Schicht ist, können Teile der p-Typ-Schicht und des aktiven Bereichs entfernt werden, um eine Kontaktmesa auf der n-Typ-Schicht zu bilden. In alternativen Anordnungen können durch die unterste der n-Typ- und p-Typ-Schichten und durch den aktiven Bereich Kontaktlöcher („Vias”) gebildet werden, um die jeweils andere der n-Typ- bzw. p-Typ-Schichten zu kontaktieren.
Der LED-Chip 70 umfasst eine erste Kontaktfläche 78 zum Anlegen eines elektrischen Signals an eine der n-Typ- und p-Typ-Schichten, sowie eine zweite Kontaktfläche 80 zum Anlegen eines elektrischen Signals an die jeweils andere der besagten n-Typ- und p-Typ-Schichten. Durch die unterste der n-Typ- und p-Typ-Schichten und durch den aktiven Bereich zu der jeweils anderen der n-Typ- und p-Typ-Schichten sind Kontaktlöcher 82 ausgebildet. Ein Reflektor 84 ist auf jede der ersten und zweiten Kontaktflächen 78, 80 aufgebracht, um Licht, das in Richtung der Unterseite des LED-Chips 70 abgegeben wird, zurück zur Linse 74 zu reflektieren. Dieses Licht kann dann zur nutzbaren Emission aus dem LED-Chip 70 beitragen. Für den Reflektor 84 können verschiedene Materialien verwendet werden, wie z. B. eine oder mehrere Metallschichten oder eine oder mehrere Halbleiterschichten in einem distribuierten Bragg-Reflektor (DBR) oder Kombinationen aus diesen. In der dargestellten Ausführungsform befinden sich die Kontaktlöcher 82 nur unter der ersten Kontaktfläche 78, und der Reflektor 84 weist Öffnungen auf, die mit den Kontaktlöchern 82 ausgerichtet sind.
Ein erster Kontakt/eine erste Elektrode 86 ist auf der ersten Kontaktfläche 78 enthalten, und ein zweiter Kontakt/eine zweite Elektrode 88 ist auf der zweiten Kontaktfläche 80 enthalten. Über dem Reflektor und an den Innenflächen der Kontaktlöcher 82 kann eine isolierende Schicht 90 vorgesehen werden, um die elektrische Isolierung zwischen den n-Typ- und p-Typ-Halbleiterschichten und die Isolierung zwischen Metallisierungs- und Halbleiterschichten zu gewährleisten.
Es versteht sich, dass verschiedene LED-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weise mit vielen verschiedenen Schichten und Merkmalen angeordnet sein können. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines LED-Chips 100 gemäß der vorliegenden Erfindung mit epitaktischem Material 102, bei dem das Wachstumssubstrat entfernt wurde. Die Oberfläche des epitaktischen Materials 102 ist texturiert, um die Lichtextraktion zu verbessern, und eine Linse 104 ist wie vorstehend beschrieben unter Verwendung eines Bondingmaterials 106 an dem epitaktischen Material angebracht. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein temporärer Trägerwafer mit dem LED-Wafer mittels Bonden verbunden, bevor das Wachstumssubstrat entfernt wird. Dieser temporäre Trägerwafer wird entfernt, nachdem der Linsenwafer auf den LED-Wafer gebondet wurde. Vor oder nach Anbringen der Linse 104 kann der LED-Chip geätzt werden, um ihn in die gewünschte Geometrie zu formen und/oder Kontaktlöcher 108 zu bilden, wie oben beschrieben. Der LED-Chip 100 umfasst die erste und zweite Kontaktfläche 110, 112 und kann nach Einbau der Linsen metallisiert werden.
Reflektoren 114 können auf die Oberfläche der ersten und zweiten Kontaktfläche 110, 112 aufgebracht werden, wobei Löcher in den Reflektoren in der ersten Kontaktfläche 110 mit den Durchgangslöchern 108 ausgerichtet sind. Über jedem der Reflektoren 114 befindet sich eine Barriereschicht 116, um die Migration von Elementen von und zu den Reflektoren 114 zu blockieren. Über der Barriereschicht 116 unter der ersten Kontaktfläche befindet sich eine isolierende Schicht 118, um für eine elektrische Isolierung zwischen den Reflektoren 114 und den Schichten über der isolierenden Schicht 118 zu sorgen. Diese Schicht 118 sorgt auch für die elektrische Isolierung der p-Typ- und der n-Typ-Halbleiterschichten. Eine erste Elektrode 122 und eine zweite Elektrode 124 können über der ersten und zweiten Kontaktfläche 110, 112 aufgebracht werden. Ein isolierender Lückenfüllstoff 126 kann dann verwendet werden, um die durch die Herstellung verursachten Lücken zu füllen.
Beim Betrieb der oben beschriebenen Ausführungsformen kann ein elektrisches Signal an die erste und zweite Elektrode angelegt werden, was dazu führt, dass die LED Licht emittiert. Die vorliegende Erfindung ist auf Niedrig- oder Hochleistungs-LEDs anwendbar, die in Reaktion auf unterschiedliche Steuersignale arbeiten. Einige Ausführungsformen können mit einer relativ hohen Leistung betrieben werden, was ggf. dazu führen kann, dass sie erhöhte Mengen an Wärme erzeugen. Ein Teil der Wärme wird sich auf die Linse ausbreiten, aber weil die Linse aus den oben beschriebenen Materialien hergestellt ist, ist sie gegen Degradierung resistent.
Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mit Umwandlungsmaterialien verwendet werden, um mindestens einen Teil des Lichts, das von der LED emittiert wird, umzuwandeln, wobei der LED-Chip insgesamt eine Kombination aus Licht von der LED und dem Umwandlungsmaterial emittiert. In einigen Ausführungsformen kann der LED-Chip eine Weiß-Licht-Kombination aus Licht von der LED und dem Umwandlungsmaterial abgeben, und in einigen Ausführungsformen können zusätzliche LED-Chips enthalten sein. Zur Verbesserung des Farbwiedergabeindex (CRI) mit der gewünschten Farbtemperatur wurden Techniken zur Erzeugung von weißem Licht aus mehreren Lichtquellen entwickelt, die verschiedene Farbtöne aus verschiedenen diskreten Lichtquellen nutzen. Diese Techniken sind im US-Patent Nr. 7,213,940 mit dem Titel „Beleuchtungsvorrichtung und Beleuchtungsverfahren” beschrieben. In einer solchen Anordnung wurden blaue InGaN LEDs mit einer Peakwellenlänge von 452 nm mit einem gelben Umwandlungsmaterial, wie z. B. einem YAG:Ce-Leuchtstoff beschichtet, um eine Farbe zu erzeugen, die deutlich gelb war und einen Farbpunkt aufweist, der im CIE-Diagramm deutlich über der Schwarzkörper-Ortskurve lag. Blaues Licht emittierende LEDs, die mit gelben Umwandlungsmaterialien beschichtet sind, werden oft als blau verschobene gelbe (blue shifted yellow bzw. BSY) LEDs oder LED-Chips bezeichnet. Das BSY-Licht wird mit dem Licht von rötlichen LEDs kombiniert, das die gelbe Farbe der gelben LEDs zur Schwarzkörperkurve „zieht”, um warmweißes Licht zu erzeugen.
Das Umwandlungsmaterial in der dargestellten Ausführungsform kann in vielen verschiedenen Weisen angeordnet werden und viele verschiedene Materialien umfassen. In einigen Ausführungsformen kann es Bestandteil des LED-Chips sein, wie beispielsweise durch eine Schicht oder Beschichtung. In anderen Ausführungsformen kann das Umwandlungsmaterial fester Bestandteil bzw. Teil der Linse oder auch der Packung sein, in der der LED-Chip angebracht ist.
10 ist eine Ausführungsform einer LED-Packung 130 gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen LED-Chip 132 wie oben beschrieben umfasst, der an der Basis eines reflektierenden Bechers 134 montiert ist. Der reflektierende Becher 134 kann reflektierende Seitenflächen 136 haben, wobei Licht aus dem LED-Chip 132 direkt aus der Öffnung in dem reflektierenden Becher 134 strahlt oder von den reflektierenden Oberflächen 136 reflektiert aus der Öffnung strahlt. Über der Öffnung des reflektierenden Bechers kann ein Umwandlungsmaterial 138 enthalten sein, welches die Öffnung des reflektierenden Bechers vollständig oder teilweise abdeckt. Das Umwandlungsmaterial kann mittels vieler verschiedener bekannter Verfahren über der Öffnung geformt werden, einschließlich solcher Verfahren wie Verguss, Schleuderbeschichtung (Spin Coating) und elektrophoretische Deposition. In anderen Ausführungsformen kann das Umwandlungsmaterial separat von der LED-Packung geformt und über der Öffnung des reflektierenden Bechers angebracht werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Umwandlungsmaterial 138 ein Bindemittel und eine Leuchtstoffmischung enthalten, und unterschiedliche Faktoren bestimmen die Menge an LED-Licht, die von der Leuchtstoff/Bindemittelbeschichtung im fertigen LED-Chip absorbiert wird. Zu diesen Faktoren gehören u. a. die Größe der Leuchtstoffpartikel, der prozentuale Anteil der Phosphorbeaufschlagung, die Art des Bindemittels, die Effizienz der Übereinstimmung zwischen dem Phosphortyp und der Wellenlänge des emittierten Lichts, und die Dicke der Leuchtstoffschicht/Bindeschicht. Diese verschiedenen Faktoren können gesteuert werden, um die Emissionswellenlänge der LED-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung zu steuern.
Für das Bindemittel können unterschiedliche Materialien verwendet werden, wobei diese Materialien vorzugsweise nach dem Aushärten robust und im Wesentlichen im sichtbaren Wellenlängenspektrum transparent sein sollten. Geeignete Materialien umfassen u. a. Glas, BCB, Polymide und Silikone begrenzt. Nichtpolymere Materialien, wie z. B. Glas, sind die bevorzugten Materialien, da sie eine höhere Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Feuchtigkeit aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann das Bindemittel so formuliert werden, dass sein Index mit Merkmalen wie z. B. dem Chip (Halbleitermaterial) und dem Wachstumssubstrat abgestimmt ist, wodurch die innere Totalreflexion (TIR) reduziert und die Lichtextraktion verbessert werden kann.
In dem Umwandlungsmaterial 138 gemäß der vorliegenden Erfindung können viele verschiedene Leuchtstoffe verwendet werden. (nicht wahr) In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung können LED-Chips 132 Licht im blauen Wellenlängenspektrum emittieren, und der Leuchtstoff absorbiert einen Teil des blauen Lichts und reemittiert gelbes und/oder rotes und/oder grünes Licht. Die LED-Packung 130 emittiert eine Weißlichtkombination von blauem und gelbem Licht. In einer Ausführungsform umfasst der Leuchtstoff im Handel erhältliches YAG:Ce, obwohl unter Verwendung von Umwandlungsteilchen, die aus den auf dem System (Gd,Y)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce basierenden Leuchtstoffen, wie z. B der Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG), bestehen, eine ganze Palette von breiten gelben, roten und grünen Spektralemissionen möglich ist. Andere gelbe Leuchtstoffe, die für weißes Licht emittierende LED-Chips verwendet werden können, umfassen:
Tb_3-xRE_xO₁₂:Ce (TAG); RE = Y, Gd, La, Lu; oder
Sr_2-x-yBa_xCa_vSiO₄:Eu.
Es kann auch ein erster und ein zweiter Leuchtstoff kombiniert werden, um ein Weiß mit einem höheren CRI-Wert mit einem unterschiedlichen Weißton (warmweiß) zu erzielen, wobei die o. g. gelben Leuchtstoffe mit roten Leuchtstoffen kombiniert werden. Es können verschiedene rote Leuchtstoffe verwendet werden, einschließlich:
Sr_xCa_1-xS:Eu, Y; Y = Halogenid;
CaSiAlN₃:Eu
SR_2-yCa_ySiO₄:Eu
Andere Leuchtstoffe können verwendet werden, um eine gesättigte Farbemission zu schaffen, indem im Wesentlichen das gesamte Licht in eine bestimmte Farbe umgewandelt wird. Zum Beispiel können die folgenden Leuchtstoffe verwendet werden, um gesättigtes grünes Licht zu erzeugen:
SrGa₂S₄:Eu
Sr_2-yBa_ySiO₄:Eu
SrSi₂O₂N₂:Eu.
Im Folgenden werden einige weitere geeignete Leuchtstoffe aufgelistet, die als Umwandlungspartikel in LED-Packung 130 verwendet werden können, wobei jedoch auch andere verwendet werden können. Jeder dieser Leuchtstoffe zeigt eine Anregung im Blau- bzw. UV-Emissionsspektrum, stellt eine erwünschte Peak-Emission bereit, hat eine effiziente Lichtumwandlung und eine akzeptable Stokesverschiebung:
GELB/GRÜN

(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)₂S₄:Eu²⁺
Ba₂(Mg,Zn)Si₂O₇:Eu²⁺
Gd_0.46Sr_0.31Al_1.23O_xF_1.38:Eu²⁺ _0.06
(Ba_1-x-ySr_xCa_y)SiO₄:Eu
Ba₂SiO₄:Eu²⁺

ROT

Lu₃O₃:Eu³⁺
(Sr_2-xLa_x)(Ce_1-xEu_x)O₄
Sr₂Ce_1-xEu_xO₄
SR_2-xEu_xCeO₄
SrTiO₃:Pr³⁺,Ga³⁺
CaAlSiN₃:Eu²⁺
Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺

Es können unterschiedlich große Leuchtstoffpartikel verwendet werden, u. a. z. B. Partikel in einer Größe von 10–100 Nanometer (nm) bis zu Partikeln in einer Größe von 20–30 μm oder größer. Kleinere Partikelgrößen streuen und mischen Farben in der Regel besser als größere Partikel, um ein gleichmäßigeres Licht zu erzeugen. Größere Partikel sind im Vergleich zu kleineren Partikeln in der Regel effizienter bei der Umwandlung von Licht, emittieren jedoch ein weniger gleichmäßiges Licht. In einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen im Bereich von 2–5 μm.
Das Umwandlungsmaterial 138 kann auch unterschiedliche Konzentrationen von Leuchtstoffmaterialien bzw. eine unterschiedliche Leuchtstoffbeladung im Bindemittel aufweisen, wobei eine typische Konzentration im Bereich von 30–70 Gew.-% liegt. In einer Ausführungsform liegt die Leuchtstoff-konzentration bei etwa 65 Gew.-% und ist vorzugsweise gleichmäßig im Bindemittel dispergiert. In wieder anderen Ausführungsformen kann die Beschichtung mehrere Schichten verschiedener Konzentrationen von Leuchtstoffarten aufweisen, oder es kann eine erste Schicht aus klarem Silikon oder Glas aufgebracht werden, gefolgt von den leuchtstoffbeladenen Schichten.
Es wird davon ausgegangen, dass das Umwandlungsmaterial 138 auch streuende Partikel in einem Bindemittel enthalten kann, um das durch das Umwandlungsmaterial dringende Licht weiter zu dispergieren und zu mischen. Je nach Anwendung und verwendeten Materialien können die Streupartikel in verschiedenen Konzentrationen vorgesehen werden. Ein geeigneter Bereich für die Konzentration von Streupartikeln reicht von 0,01% bis 0,2%, aber es versteht sich, dass die Konzentration höher oder niedriger sein kann. In einigen Ausführungsformen kann die Konzentration bei nur 0,001% liegen. Es versteht sich auch, dass die Streupartikelschicht in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Konzentrationen von Streupartikeln aufweisen kann. Für einige Streupartikel kann es auf Grund von Absorption bei höheren Konzentrationen zu einem erhöhten Verlust kommen. Somit kann die Konzentration der Streupartikel so gewählt werden, dass ein akzeptabler Verlustwert gewährleistet wird, gleichzeitig aber das Licht so dispergiert wird, dass das gewünschte Abstrahlmuster erzielt wird.
Die Streupartikel können viele verschiedene Materialien umfassen, insbesondere auch die folgenden:
Kieselgel
Zinkoxid (ZnO)
Yttriumoxid (Y₂O₃)
Titandioxid (TiO₂)
Bariumsulfat (BaSO₄)
Aluminiumoxid (Al₂O₃)
Quarzglas (SiO₂)
Quarzstaub (SiO₂)
Aluminiumnitrid
Glasperlen
Zirkoniumdioxid (ZrO₂)
Siliziumcarbid (SiC)
Tantaloxid (TAO₅)
Siliziumnitrid (Si₃N₄)
Nioboxid (Nb₂O₅)
Bornitrid (BN)
Leuchtstoffpartikel (z. B. YAG:Ce, BOSE)
Es kann mehr als eine Streupartikelschicht in diversen Materialkombinationen oder Kombinationen aus verschiedenen Formen des gleichen Materials verwendet werden, um einen bestimmten Streueffekt zu erzielen. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsformen die Streupartikel in anderen Teilen der LED-Packung 130 enthalten sein können.
11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines LED-Chips 150 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem texturierten Wachstumssubstratmaterial, ersten und zweiten Kontakten 154, 156 zum Anlegen eines elektrischen Signals, und einer Linse 158, die aus den vorstehend beschriebenen Materialien hergestellt werden kann. Die Linse 158 weist ein Umwandlungsmaterial 160 auf, das als Teil der Linse 158 oder als Schicht zwischen der Linse 159 und dem Wachstumssubstrat enthalten sein kann. In einer Ausführungsform kann es im Bindemittel enthalten sein, das verwendet wird, um die Linse 158 mit dem epitaktischen Material 152 zu verbinden. Es kann jedes der oben genannten Bindemittel verwendet werden, das ein nichtpolymeres Material enthält, welches gegen Degradierung auf Grund von Hitze und Feuchtigkeit resistent ist. Alternativ kann das Umwandlungsmaterial 160 als Teil der Linse enthalten sein oder als eine separate Schicht auf dem Wachstumssubstrat gebildet werden. Eine Vorform des Umwandlungsmaterials kann unter Verwendung eines nichtpolymeren Materials auf das Wachstumssubstrat geklebt/auf dem Wachstumssubstrat befestigt werden. Das Umwandlungsmaterial 160 oder die Linse 158 kann auch wie oben beschrieben Streupartikel enthalten.
12 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel eines LED-Chips 170 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Wachstumssubstratmaterial 200, ersten und zweiten Kontakten 174, 176 zum Anlegen eines elektrischen Signals, und eine Linse 178, die aus den oben beschriebenen Materialien hergestellt werden kann. In dieser Ausführungsform kann ein Umwandlungsmaterial 180 entweder als leuchtstoffmaterial- und bindemittelhaltige separate Schicht auf der Linse 178 oder aber als Schicht innerhalb der Linse 178 enthalten sein. Das Umwandlungsmaterial 180 kann unter Verwendung vieler bekannter Techniken aufgebracht werden, wie Verguss, Spritzen oder Sprühen, und in dieser Ausführungsform ist zwischen dem Leuchtstoff im Umwandlungsmaterial und dem aktiven Bereich der LED ein Abstand vorgesehen, so dass bei Betrieb weniger Wärme an das Umwandlungsmaterial abgegeben wird.
Die vorliegende Erfindung kann mit vielen, auf verschiedene Weisen angeordneten LEDs verwendet werden. Das Umwandlungsmaterial kann auf viele verschiedene Weisen angeordnet werden, und zwar sowohl vom LED-Chip entfernt als auch als fester Bestandteil desselben, und das Umwandlungsmaterial kann viele verschiedene Formen annehmen. Wie vorstehend erwähnt, kann die vorliegende Erfindung auch mit LEDs mit vertikaler Geometrie verwendet werden. Dies kann als zusätzlichen Verarbeitungsschritt das Ausbilden eines Zugangs durch die Linse erfordern, so dass eine der n-Typ- und p-Typ-Schichten durch das Loch kontaktiert werden kann. So kann dann durch das Loch eine Drahtverbindung mit der Schicht hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung kann in vielen verschiedenen Beleuchtungsanwendungen eingesetzt werden, insbesondere in Anwendungen mit einer kleinen Hochleistungs-Lichtquelle. Hierzu gehören u. a. Straßenbeleuchtung, Architekturbeleuchtung, Haus- und Bürobeleuchtung und Display-Beleuchtung.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausgestaltungen detailliert beschrieben wurde, sind andere Varianten möglich. Daher sollte der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 34861 [0040]
US 4946547 [0040]
US 5200022 [0040]
US 7213940 [0070]

Claims

Ein Leuchtdioden-Chip (LED-Chip) umfassend: eine Flip-Chip-LED, und eine Linse, die auf der obersten Oberfläche der Flip-Chip-LED angebracht ist, wobei diese Linse ein nichtpolymeres Material enthält und im Wesentlichen keine Polymermaterialien mit dem LED-Chip in Kontakt kommen bzw. sind.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei die Linse aus einem Material hergestellt ist, das gegen Degradierung bei hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit resistent ist.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei die Flip-Chip-LED ein Wachstumssubstrat umfasst und dieses Wachstumssubstrat die oberste Schicht darstellt.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei das Wachstumssubstrat Merkmale bzw. Eigenschaften zur Lichtextraktion aufweist.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei die Linse im Wesentlichen für das von der LED emittierte Licht und das durch den Umwandler umgewandelte Licht durchlässig ist.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei die Linse ein Material aufweist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im Wesentlichen identisch mit dem des LED-Materials ist.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei das Linsenmaterial einen Brechungsindex im Bereich von 1 bis 2 aufweist.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei das Linsenmaterial einen Brechungsindex im Bereich von 1,4 bis 1,6 aufweist.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei die Linse Glas, Saphir oder Quarz enthält.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, ferner umfassend ein nichtpolymeres Bondingmaterial zur Befestigung der Linse an der LED.
Der LED-Chip nach Anspruch 10, wobei das Bondingmaterial Aufschleuderglas oder fließfähiges Glas umfasst.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei die Linse direkt auf dem LED-Chip angebracht ist.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei die LED eine laterale Geometrie aufweist.
Ein LED-Chip-Wafer, umfassend: mehrere LEDs in einem Wafer, und mehrere auf der obersten Oberfläche des Wafers angebrachte Linsen, wobei diese Linsen ein nichtpolymeres Material aufweisen und im Wesentlichen keine Polymermaterialien mit dem Wafer in Kontakt kommen bzw. sind.
Der LED-Wafer nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Wachstumssubstrat, wobei sich die mehreren LEDs auf dem Wachstumssubstrat befinden und das Wachstumssubstrat die oberste Oberfläche bildet.
Der LED-Chip-Wafer nach Anspruch 14, ferner umfassend Merkmale bzw. Eigenschaften zur Verbesserung der Lichtextraktion.
Der LED-Chip-Wafer nach Anspruch 14, wobei die Linsen in einem Linsen-Array ausgebildet sind.
Der LED-Chip-Wafer nach Anspruch 14, wobei die Linse aus einem Material hergestellt ist, das gegen Degradierung bei hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit resistent ist.
Der LED-Chip-Wafer nach Anspruch 14, wobei jede der Linsen in dem Linsen-Array im Wesentlichen für das von den LEDs emittierte Licht und das durch die Leuchtstoffe umgewandelte Licht durchlässig ist.
Der LED-Chip nach Anspruch 14, wobei die Linsen einen Brechungsindex im Bereich von 1 bis 2 haben.
Der LED-Chip-Wafer nach Anspruch 14, wobei die Linse Glas, Saphir oder Quarz enthält.
Der LED-Chip nach Anspruch 14, ferner umfassend ein nichtpolymeres Bondingmaterial zur Befestigung der Linse an der LED.
Der LED-Chip nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der LEDs eine laterale Geometrie aufweisen.
Ein Verfahren zur Formung mehrerer LED-Chips, umfassend: die Herstellung mehrerer LEDs, die Herstellung mehrerer Linsen aus einem oder mehreren nichtpolymeren Materialien, und das Anbringen dieser mehreren Linsen auf den mehreren LEDs derart, dass kein Polymermaterial mit den emittierenden Oberflächen der LEDs in Berührung kommt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die mehreren Linsen unter Verwendung eines oder mehrerer nichtpolymerer Bondingmaterialien an den LEDs angebracht sind.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Linsen direkt an den mehreren LEDs angebracht sind.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die LEDs auf einem Wachstumssubstrat gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die LEDs vor dem Anbringen der Linsen oder des Linsen-Wafers nach Art eines Flip-Chips ausgerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die mehreren Linsen ein Linsen-Array enthalten.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend eine Metallisierung der LEDs nach Anbringen der mehreren Linsen.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend eine Trennung der LEDs, wobei jede der vereinzelten LEDs mindestens eine der mehreren Linsen enthält.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Wachstumssubstrat Merkmale zur Lichtextraktion enthält.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Linsen im Wesentlichen für das von den LEDs emittierte Licht und das durch die Umwandler umgewandelte Licht durchlässig sind.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Linsen einen Brechungsindex im Bereich von 1 bis 2 haben.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Linsen Glas, Saphir oder Quarz enthalten.
Verfahren zur Herstellung von LED-Chips, umfassend: die Herstellung mehrerer LEDs auf einem Wachstumswafer; Ausrichtung des Wafers nach Art eines Flip-Chips, so dass der Wachstumswafer die oberste Oberfläche darstellt; und Formung mehrerer Linsen auf dem Wachstumswafer, wobei die Linsen ein nichtpolymeres Material umfassen.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die mehreren Linsen ein Linsen-Array umfassen.
Verfahren nach Anspruch 36, ferner umfassend die Metallisierung der LEDs nach dem Formen der mehreren Linsen.
Verfahren nach Anspruch 36, ferner umfassend die Vereinzelung.
Verfahren zum Herstellen eines LED-Chips, umfassend: die Herstellung einer LED, die flip-chip-artige Ausrichtung der LED, und die Herstellung einer Linse aus einem nichtpolymeren Material, und das Anbringen dieser Linse an der LED, ohne dass dabei Polymermaterial mit einer emittierenden Oberfläche der LED in Kontakt kommt.
Ein LED-Chip, umfassend: eine LED, und eine Linse, die an der obersten Oberfläche der LED angebracht ist, wobei die Linse ein Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 400°C aufweist, das gegen die Degradierung der LED auf Grund von Hitze und Feuchtigkeit resistent ist.
Der LED-Chip nach Anspruch 41, wobei die Linse eine Schmelztemperatur von mehr als 1000°C aufweist.
Der LED-Chip nach Anspruch 41, wobei die Linse eine Schmelztemperatur von mehr als 1500°C aufweist.
Ein LED-Chip, umfassend: eine LED, metallisierte Komponenten auf der LED, und eine an einer Oberfläche der LED angebrachte Linse, wobei die Linse ein Material mit einer Schmelztemperatur aufweist, die höher ist als die der metallisierten Komponenten.
Ein Festkörper-Emitter, umfassend: einen LED-Chip, und eine direkt auf einer Oberfläche des LED-Chips angebrachte Linse.
Der Emitter nach Anspruch 45, wobei die Linse an einer Emissionsoberfläche des LED-Chips angebracht ist.
Der Emitter nach Anspruch 45, wobei die Linse aus einem Material hergestellt ist, das gegen Degradierung bei hohen Temperaturen und Feuchtigkeit resistent ist.
Der Emitter gemäß Anspruch 45, wobei die Linse einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie der LED-Chip.
Der Emitter nach Anspruch 45, wobei der LED-Chip Merkmale bzw. Eigenschaften zur Lichtextraktion aufweist.
Der Emitter gemäß Anspruch 45, wobei die Linse im Wesentlichen für das von dem LED-Chip emittierte Licht durchlässig ist.
Der Emitter gemäß Anspruch 45, wobei die Linse einen Brechungsindex im Bereich von 1 bis 2 besitzt.
Der Emitter gemäß Anspruch 45, wobei die Linse einen Brechungsindex im Bereich von 1,4 bis 1,6 besitzt.
Der Emitter nach Anspruch 45, wobei die Linse Glas, Saphir oder Quarz enthält.
Der Emitter nach Anspruch 45, ferner umfassend ein nichtpolymeres Bondingmaterial zum Anbringen der Linse an der der LED.
Der Emitter nach Anspruch 45, wobei der LED-Chip eine laterale Geometrie aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Festkörper-Emitters, umfassend: die Herstellung eines LED-Chips, und das Anordnen einer Linse direkt auf einer Emissionsoberfläche des LED-Chips.
Verfahren nach Anspruch 56, wobei die Linse ein nichtpolymeres Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 56, wobei die Linse auf dem LED-Chip geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 56, wobei die Linse vom LED-Chip getrennt hergestellt und am LED-Chip befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei die Linse unter Verwendung von nichtpolymerem Material am LED-Chip angebracht ist.