TW201210075A - Light-emitting devices with substrate coated with optically denser material - Google Patents

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TW201210075A
TW201210075A TW099137914A TW99137914A TW201210075A TW 201210075 A TW201210075 A TW 201210075A TW 099137914 A TW099137914 A TW 099137914A TW 99137914 A TW99137914 A TW 99137914A TW 201210075 A TW201210075 A TW 201210075A
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Jian-Ping Zhang
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Description

201210075 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於發光器件，具體而言，本發明係有關 於具有光學高密度材料塗層的襯底以增強光輪出的發光哭 件0 【先前技術】 最近，由於技術和經濟上的優勢’固體光源如發光二 鲁極體（LEDs)正在逐漸取代傳統光源。不像傳統光源，固體 光源在固體材料中產生光，這些固體材料的折射率η通常 大於2，比空氣和自由空間的折射率（η等於（）大很多。 例如在以氮化鎵為基礎的可見光二極體中，根據銦的組 分，發光介質銦鎵氮在可見光譜裏的折射率大於2 46。這 思味著在銦鎵氮中產生的光，在全反射和與其相關的由臨 界角定義的出射錐體的物理限制下，只有一小部分可以從 • 光學高密度介質射出到自由空間。對於傳統的薄層氮化鎵 LED結構，如果沒有採用任何改進光輸出的措施，銦鎵氮 中所產生的光只有約8%會射出到自由空間。 鑒於此，現有技術引入一些改進方法，像表面粗化（例 如美國專利7,422,962，7,355,21 0，目的在於降低全反 射），重塑LED晶片側壁（例如美國專利7, 652, 299， 6’229’160’目的在於增加光出射錐體的數目），和置入光 子晶粒（例如美國專利 5, 955, 749, 7, 1 66, 87()，1 615 398， 7’ 173’ 289 ’ 7, 642’ 108 ’ 7, 652, 295，7, 250, 635，目的在 3 201210075 於增強特定波長的自發光效率和光輪出）。除此之外，另 一個眾所周知的增強光從光學高密度介質向光學低密度介 質輸出效率的方法，就是插入—個折射率漸變（簡稱 層。在現有技術中，GRIN層的平均折射率小於光學高密度 介質的折射率，但是大於光學低密度介質的折射率。並且 它的折射率在從光學高密度介質到光學低密度介質的方向 上逐漸遞減，因此在相鄰層之間可以得到較大的光出射臨 界角。美國專利7,483,212給出了一個GRIN設計的示例。
同時，在現有的LED中，光主要是從一個表面射出。 射向襯底的光通常被澱積在襯底上面或背面的反射鏡反射 回上表面。或者，替換地，在倒袭LED巾，射向p電極的 光被反射性P電極反射回來而射出晶片。在現有技術中已 有在襯底上製作反射鏡的方法，如美國專利7，ιΐ 9,375和 6, 861，281。對於反射p電極的製作方法則見於美國專利 7’ 714, 340。另外’美國專利7，⑻，813中還有封裝設計，
以使光不只從一個主出射面射出，還可以從平行於⑽外 延層所在平面的方向射出到自由空間。 在現有_方法中，如美國專利7,483,212，根據斯 爾定律（Μ1，S laW)，通過在光傳輸方向上逐漸降 低折射率，可以使得光的人射角小於臨界角，以避免 射。這個方法通常有關四個以上的光交界面，以㈣所兩 發光效率，從而導致製作工藝複雜。 而 【發明内容】 4 201210075 本發明引進一種新的方法 發光器件的光輪出 效率。 來增強長在透明襯底上的 並且只需兩個交界面就可以增加出光 本發明的一個方面摇供__ ^ 面杈供種增強固體發光器件發光效 率的方法。在一些實施例中，恭止您.& , 、 ^光件的發光表面被塗覆 一透明光學高密度材料層，澎 ^次者與一個透明光學高密度材 料層相接觸。該光學高痒A 疋干Π»在度材枓層的折射率比固體發光器 件的發光面的折射率$ Φ古) no/ . ^
外町半至乂阿10%。適當選擇光學高密度材 料和發光面的折射率之差，以使所有的光從發光面射入到 光學高密度材料中，除了不可避免的弗雷斯耐爾損失 (Fresnel loss，反射損失）所損失的光。通過光學高密 度材料層表面的幾何設計’冑光學高密度材料層中的光進 一步射入到自由空間或封裝介質中。 本發明的另一個方面提供一種發光器件，其包括透明 襯底和澱積在襯底上的發光結構，其中發光結構的光學密 度高於襯底…卜’在襯底背面覆蓋一個光學高密度材料 層。該光學高密度材料層可以具有圖形或粗化表面。襯底 的背面也可以具有圖形或粗化。 _ 本發明的另一個方面提供一種發光器件，其包括透明 襯底和澱積在襯底上的發光結構，其中發光結構的光學密 度高於襯底，與發光結構相反的襯底的背面與一個適當形 狀的光學高密度材料相粘接以提高發光效率。 根據本發明的另一個方面，發光效率增強的發光器件 包括透明襯底和澱積在襯底上的發光結構’其中發光結構 5 201210075 的光學密度高於襯底，在襯底背面覆蓋_層適當形狀的光 學高密度材料以增強發光效率。發光器件還進一步包括一 個具有優化的内反射鏡的光學元件或封裝件，以收集從發 光結構的發光表面出射的光◎發光結構、襯底和光學高密 度材料内置於光學元件或封裝件中。光從發光結構以垂直 于發光結構的外延層平面的方向射向自由空間。 根據本發明的另一方面，發光器件包括透明襯底，該 透明襯底具有第一面和相對第二面；澱積於襯底的第一面 之上的發光結構；形成於襯底的相對第二面上的透明層， 其中襯底的第二面被粗化，而透明層的折射率大於襯底的 折射率。透明層的折射率比襯底的優選至少大5%或i 〇%。 襯底第一面的粗化均方根值優選大於5〇納米。優選透明層 表面的粗化均方根值大於50納米，並且優選由選自包括 ΙΤ0、SiNx、GaN、AlGaN、AIN、InAlGaN、ZnO、金剛石、
Ti02或SiC的組中的材料製成。優選透明層由【το製成及 襯底由藍寶石製成。透明層可以具有錐體形狀的表面，並 被粘結於襯底的第二面。優選在襯底的側壁也形成有透明 層。 根據本發明另一方面’發光器件包括具有反射傾斜側 壁和發光表面的封裝杯體’以及包裹在封裝杯體封裝介質 中的發光二極體（LED )’該LED包括透明襯底、在襯底第 —面上形成的發光結構和在襯底第二面上形成的透明層， 其中反射傾斜側壁具有位於封裝杯體的中心區域的第一部 分和位於封裝杯體的周邊區域的第二部分，反射傾斜側壁 201210075 的第一部分將從透明層發出的光反射到反射傾斜側壁的第 一。卩刀’然後第二部分進一步將接收的光反射到封裝杯體 的發光表面。反射傾斜側壁的第―部分優選具有錐體形狀 或截去了頁端的錐體形狀。從透明層發出的光線與第一部分 的反射傾斜側壁優選成4 5度角。反射傾斜側壁的第二部分 優選具有翻轉的截去頂端的錐體形狀。從LED側壁出射的 光線與第二部分的反射傾斜側壁優選成45度角。 所附各圖是用來幫助進一步理解本發明，被結合入本 發明且是本發明的—部分’肖以說明本發明的實施例，並 與下列說明-起來闡明本發明的宗旨。圖中相同數位在全 文中代表相同部件，以及一個層可以代表具有相同功能的 一組層。 【實施方式】 圖1是根據本發明實施例的LED器件的剖面示意圖， # 其中在襯底10上形成LED結構1，該襯底1 〇對於LED結 構1所產生的光是透明的。在以GaN為基礎的LED中，襯 底10優選是藍寶石、氮化鎵、氮化鋁、銦鋁鎵氮、碳化矽、 氧化鋅及類似材料。LED結構1可以是任何傳統的已知LED 結構。圖1中的LED結構1包括在襯底1〇上形成的N型層 20、P型層40和夾在N型層20和P型層4〇之間的發光層 〇在P型層4〇上开> 成透明電流擴展層42。通過標準光 刻腐蝕工藝，在N型層20上形成陰極接觸墊51，及在電 流擴展層42上形成陽極接觸墊52。發光層3〇可以是單個 201210075
InGaN層或GaN/InGaN多量子井層（MQW)，而n型層別 和P型層40可以分別是矽摻雜和鎂摻雜的氮化鎵層。透明 電流擴展層42可以由金屬氧化物如IT0或Zn〇製成。在襯 底的背面和側壁形成透明層18。透明層18的材料由折 射率高於襯底10的光學高密度材料製成，這意味著透明層 18的折射率（n) A於襯底10的折射率，以消除從層^ 射向襯底1。的光線在透明層18和襯底10介面處的曰全反 射。襯底10的折射率（nsub)與層18的折 “丁 V Utran )之 可大於5% (也就是（ntran _ nsub)/ 乏5%)，如大於 ι〇/°。在一些實施例例中，襯底10是藍寶石（n=1.76)， 則透明層18的材料可以從IT〇 ( n = 2. 1 ) 、siNx (η=2·"_3)、GaN(n = 2.46)、AlGaN(n = 2.2-2.46)、
AlN(n = 2.2)、InAlGaN、Zn〇(n = 2.05)、金剛石（η = 2·4)、
Tl〇2 (η = 2·5) 、SiC (n=2.7)及類似材料中選擇。透明層 ^的表面優選粗化或圖形化、紋理化’使得光在從層Μ 卒取到封裝介質並進入環境時具有最小的全内反射。根據 層18和封裝介質的折射率之差，在用表面測量工具如原子 ^顯微鏡測量時，粗化的RMS (均方根）值要不低於5〇納 j，不低於200納米更好，優選在200到300納米之間， 或可達到5 0 0納米。層丨8粗化表面的微觀特徵優選是微型 金字塔或錐體。 可以在襯底10上形成LED結構i之前或之後形成層 18，其可以通過電子束澱積、濺射或化學氣相澱積的方法 形成。在一個實施例中，首先，通過金屬有機化學蒸汽澱 201210075 積（M0CVD)在襯底l〇上形成LED結構！。然後用光刻膠 膜保護LED結構1，襯底10的其他部分，包括背面和側壁， 置於在電子束澱積腔中暴露在IT〇氣體裏一個預定時間間 隔。層18的表面粗化可以通過濕法化學腐蝕或離子耦合幹 法腐蝕用預設圖形掩膜而得到。 在另一個實施例中，層18可以在襯底上形成UD結構 1之前形成。在這種情況下，將襯底10裝進金屬有機化學 ?备邝澱積反應中，將其背面朝向進入的反應物，而用於 ® 外延生長的表面（也就是前面）朝下。通過選擇適當的金 屬有機物的流速，層18如GaN或AlGaN或A1N層可以殿積 在襯底1 0的背面。通過澱積溫度和時間可以控制層1 8的 粗化。優選澱積溫度在400-1 1 00攝氏度之間，在5〇〇_1〇〇〇 攝氏度之間更好’優選在600-800攝氏度之間，以在襯底 1 0的背面上得到粗化氮化物膜。 層18具有大於LED結構1的發光波長的厚度。層18 φ 的厚度一般大於0.2微米’優選大於0.5微米，例如在 〇· 4-2. 0微米之間。 在上述實施例中’N型層20生長在襯底1〇上。替換 地’可以在襯底1 0上生長P型層’然後順序地形成發光層 和N型層。 在另一個實施例中，層18可以由如圖2中所示的具有 一定形狀的透明材料體18’代替。透明材料體18，可以由 ZnO、藍寶石、SiC、GaN及折射率高於襯底1 〇的類似材料 製成。其表面優選粗化，以增強發光效率。透明材料體18，
S 9 201210075 的形狀優選是金字塔或錐體。透明材料體18，的底面和傾 斜面之間形成的角度188優選不小於，或者不大於 其中夕。是光線從透明材料體18’射向其封裝介質的 臨界角。透明材料體18，也可以是半球體形狀或其他類似 形狀。透明材料體18’是用粘合劑如環氧膠粘在襯底1〇 的背面。 在另一實施例中，襯底10和層18之間的介面也被粗 化以具有改善的發光效率，如圖3示意地所示。襯底1〇的 背面可以用任何已知的傳統方法來粗化。 圖4不出根據本發明的實施例的倒裝LED裝置。該[ED 晶片類似於圖1中的LED結構，被倒裝在透明基座丨3上， 該透明基座可以從如玻璃、石英、藍寶石、透明塑膠及類 似材料的組中選擇。在基座13上形成的金屬電極墊對133 和134,通過頂部電極墊和焊錫或金球凸點6〇與l肋晶片 電連接’及通過底部電極塾提供和外部電源的連接。如曰圖 4所示，電極墊對133和134中的墊分別通過填充有金屬 的通孔相連。襯底10被表面粗化的光學高密度透明層Μ 覆蓋’而透明導電層42也優選具有粗化或紋理化表面。整 個晶片，包括基座和LED晶片之間的空隙，在最後的封裳 過程都被封裝”或環氧膠封起，以獲得改善的發光效率。 上面公開的實施例通過至少兩個主表面發射光。圖5 和圖6公開兩種封裝設計，以收集從發光層產生的光，然 後將光從封裝100# 200的光發射表面沿著箭頭所指方向 傳送出。封裝100、200分別包括根據本發明的UD晶片2 201210075 立：何具有透明襯底的傳統led晶片 '封裝介質80、電極 :90和晶片封裝杯冑75。在封裝1〇"，封裝在晶片
政\體75裏的本發明的LED晶片2被封裝介質80如矽 ，或衣氧膠所包圍。LED晶片2的陰極5】和陽極Μ分別 k導線511 # 522與電極支架9Q相連。晶片封裝杯體 5可以由鋁製成，纟帶有用於光反射的拋光内表面。封裝 :體75也可以由塑膠材料製成，其帶有用於光反射的鍍鋁 j銀内表面。在晶片封裝杯體75裏形成的封裝介質⑽有 一個發光表面801。晶片封裝杯體75有傾斜反射側壁7〇。 、斜反射側壁70可以具有任何合適的形狀，以將從lED晶 片2發出的光通過傾斜反射側壁7〇反射到發光表面8〇1， 而不疋返回到LED晶片2。在圖.5和6的剖面圖中，在晶 片封裝杯體75下部的傾斜反射側壁具有一個“ w”形 狀，以將從LED晶片2產生的光沿著與led晶片2發光表 面垂直的方向向上反射到發光表面8〇1。圖5和圖6中， 傾斜側壁7 0在W形狀的不同部分相當於一個傾斜直 線，如果需要，也可以在“W”的不同部分採用凸起或凹陷 的曲線形狀，以聚集或岔開射向發光表面8 〇丨的光。選擇 W形狀三個頂點處的封裝杯體75的傾斜反射侧壁70的 頂角α和/3，以確保LED晶片2的光被傾斜反射側壁70反 射向發光表面801，而不是返回到LED晶片2。例如，頂角 α和/5可以分別在90度附近。 總的來說’傾斜反射側壁7 0可以包括兩個部分，第一 部分是在中心區域（如圖5和圖6所示‘‘ w”形傾斜反射側
S η 201210075 壁70的中心部分）’第二部分是在周圍區域（如圖5和圖 6所示“ w”形傾斜反射側壁70的週邊部分）。傾斜反射 側壁70的第—部分將LED晶片2背面的發出光反射到傾斜 反射側壁70的第二部分，而第二部分則進一步將光反射到 發光表面801，如圖5和6中箭頭所示。為了更好地反射 和傳輸來自LED晶片2背面的光，LED晶片2優選安放在 傾斜反射側壁70的第一部分之上且在其範圍内，這樣從 LED晶片2的背侧豎直向下發射的光將落在傾斜反射側壁 7〇的第一部分的邊界之内。從透明層1 8發出射的光線與 籲 第一部分的傾斜反射側壁70之間的角度α ,優選在45度左 右。攸LED晶片2側壁發射的光線與第二部分的傾斜反射 側壁70之間的角度点，也優選在45度左右。角度α i、石i、 α和/5可以為任何值，只要光能從LED晶片2被有效地反 射和傳輸到發光表面8 01。晶片封裝杯體7 5和傾斜反射惻 壁70可以具有任何合適的形狀，只要從led晶片2發出的 光能被有效地反射和傳輸到發光表面8〇 1。例如，傾斜反 籲 射側壁70可以具有位於中心的錐體形或金字塔形第一部 为’以將LED晶片2背面的光反射到位於周圍區域的倒置 的截去頂端的錐體形或倒置的截去頂端的金字塔形的第二 部分’然後該倒置的截去頂端的圓錐體形的第二部分再將 光反射到發光表面80 1。優選是傾斜反射侧壁7〇的第二部 分也可以直接將從LED晶片2側壁橫向射出的光反射到發 光表面8 01。 在圖5中’封裝杯體7 5的中心區域的傾斜反射側壁的 12 201210075 第邛刀沒有直接與LED晶片2背面的透明層i 8相接觸。 在圖6中’傾斜反射側壁7〇具有截去頂端的錐體形或截去 =端的金字塔料第—料，並且咖W 2位於傾斜反 射側壁70第一部分的頂部。否則 的結構相同。 圖6中、、，。構就與圖5中 本發明用上述示例性實施例進行了說明 '然而，可以 解，本發明的範圍並不局限在上述公開的 各種變型、類似社楳 、《*例，也包括 範圍書的範圍以it。因此，應該給予申請專利 ㈣^ ^的解釋以便涵蓋所有變L㈣構 圖式簡單說明】 圖1是根據本發明實施例的LED的剖面亍 圖2是根據本發明實施例 二圖 圖3菩舻妯士々 7 oJ面不意圖 '本^明實施例的LED的剖面 圖4是根據本發明實施例的 ' -圖 圖5是根據本發明_ 的°]面不意圖； 以及 發明貫施例的封裝LED的剖面示意圖 圖
6是根據本發明實施例的封裂LED 的剖面示意圖 主要元件付號說明 1〜LED結構； 2〜LED晶片； 1 〇〜襯底； 201210075 13〜透明基座； 18〜透明層； 18’〜透明材料體； 20〜N型層； 3 0〜發光層； 4 0〜P型層； 4 2〜透明電流擴展層； 51〜陰極接觸墊； 52〜陽極接觸墊； 133、134〜金屬電極墊對； 100、200〜封裝； 80〜封裝介質； 90~電極支架 90 ; 75〜晶片封裝杯體； 511、522〜導線； 801〜發光表面。 14

Claims (1)

  1. 201210075 七、申請專利範圍： 1. 一種發光器件，包括： 透明襯底，其具有坌 * ^ α 〃旁第一表面和相對的第二表面； 在上述概底的第一本工，., ^ 表面上形成的發光結構；及 在上述襯底的相對第-I 〜罘一表面上形成的透明層’其中上 述觀底的第二表面可以址如 乂破粗化，並且上述透明層的折射率 高於上述襯底的折射率。
    2·如申請專利範圍帛1項的發光器件，其中上述透明 層的折射率高於上述襯底的折射率至少5%。 3. 如申請專利範圍帛1項的發光器件，其中透明層的 折射率高於上述襯底的折射率至少10%β 4. 如申請專利範圍帛1項的發光器件，纟中襯底的第 表面被粗化以具有均方根大於5 〇納米的粗化均方根值。 5_如申請專利範圍第1項的發光器件，其中上述透明 層表面被粗化以具有均方根大於5 〇納米的粗化均方根值。 6.如申請專利範圍第1項的發光器件，其中在上述襯 底第二表面上殿積上述透明層，上述透明層由選自包括 ΙΤ0、SiNx、GaN、AlGaN、AIN、ΖηΟ、金剛石、Ti〇2 或 SiC 的組的材料製成。 7·如申請專利範圍第6項的發光器件，其中上述透明 層由ΙΤ0製成’而上述襯底由藍寶石、AM、GaN或inA1GaN 製成。 8.如申請專利範圍第1項的發光器件，其中上述透明 層具有錐體形表面，並被粘接在上述襯底的第二表面上。 15 201210075 9·如申請專利範圍第1中的發光器件，在襯底的侧壁 上也形成透明層。 10. —種發光器件，包括： 具有一定形狀的封裝杯體，其具有傾斜反射側壁和發 光表面；及 被封裝介質包裹在該封裝杯體内的發光二極體 (LED)’該LED包括透明襯底、在該襯底的第一表面上形 成的發光結構和在該襯底的第二表面上形成的透明層； 其中上述傾斜反射側壁具有在該封裝杯體的中心區域 的第一部分和在該封裝杯體的周圍區域的第二部分，上述 傾斜反射側壁的第一部分將從該透明層發出的光反射到上 述傾斜反射侧壁的第二部分，然後該第二部分再將光進_ 步反射到該封裝杯體的發光表面。 11 _如申請專利範圍第丨〇項的發光器件，其中上述傾 斜反射侧壁的第一部分具有圓錐體形狀或截去頂端的圓錐 體形狀。 12. 如申請專利範圍第1〇項的發光器件，其中從上述 透明層發出的光線與上述第—部分傾斜反射側壁之間成大 約45度角。 13. 如申請專利範圍第1〇項的發光器件，其中上述傾 斜反射側壁的第二部分具有倒置的截去頂端的圓錐體形 狀。 14. 如申請專利範圍第丨〇項的發光器件，其中從該l肋 的前侧發射的光線與上述第二部分傾斜反射側壁之間成大 201210075 約45度角。
    S 17
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