TW201507197A - 在基板內具有散射特徵之發光二極體 - Google Patents
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Abstract
在一項實施例中，一LED晶粒之透明生長基板經形成以具有諸如藉由一雷射形成之空隙之光散射區。在另一實施例中，該生長基板被移除且由經形成具有光散射區之另一基板替換。在一項實施例中，該等光散射區形成於該LED晶粒之光吸收區上方以減少入射光在彼等吸收區上之量，且形成於該基板之側上方以減少光導。該替換基板可經形成以在選定區中包含反射粒子。一3D結構可藉由堆疊含有反射區之基板層而形成。該基板可係貼附至該LED之頂部之一透明基板或一磷光體塊。
Description
本發明係關於發光二極體(LED)且特定而言係關於一種用於在一LED晶粒內散射光之技術。
在發射藍色光之一基於GaN之LED中，生長基板通常係一透明藍寶石基板、一SiC基板或甚至一GaN基板。對於一覆晶LED，光由一作用層產生且射出穿過透明基板。
圖1圖解說明一習用基於GaN之覆晶LED晶粒10。半導體層包含一N型層12、一作用層14(形成量子井)及一P型層16。此等層生長於一透明生長基板18(通常藍寶石)之一表面上。在基板18之頂部上沈積有一磷光體層20。磷光體粒子22由作用層14所發射之藍色光激勵且使光波長移位。若磷光體的所發射色彩係黃色的，則黃色光與藍色光之組合形成白色光。實際上，任何色彩光可以此方式形成。
光提取效率與逸出LED晶粒10之所產生光子之百分比有關。設計一LED晶粒之一個目標係最小化光吸收以便增加光提取效率。光吸收之一個貢獻係基板18所致之全內反射(TIR)，此由陷獲於基板18內側之光線24展示，其中基板18充當一光導。材料的界面處之不匹配折射率產生以淺角之此等反射。作為一粗略近似值，GaN之折射率(n)係2.5至3，藍寶石之折射率係1.77，磷光體之折射率係1.6至1.8，且空氣之折射率係1。
另外，LED半導體層、底部金屬觸點及觸點之間的空間具有不同反射性。在圖1中所展示之實例中，接觸曝露之P型層16之P金屬觸點26係銀(Ag)，因此係高反射的(>95%)。在其中蝕除P型層16及作用層14以允許N金屬觸點28與N型層12之間的歐姆接觸之區中，使用諸如鋁之一較不反射金屬，且彼等接觸區域上不產生任何光。在觸點26與28之間亦存在不反射光之空間。亦可存在亦吸收光之半導體結構。所發射磷光體光通常係各向同性的，因此一顯著百分比之此光(諸如光線30)照射於LED晶粒10之光吸收區上。另一光線32經展示自基板18之側內部反射且反射回至LED晶粒10中以部分吸收。一光線33經展示被P金屬觸點26高效地反射。
所有吸收區減少LED晶粒之光提取效率。
需要用於藉由減少光在一LED晶粒內之吸收而增加光提取效率之一技術。
在一項實施例中，一LED晶粒之透明生長基板經形成具有諸如使用一雷射或其他方法形成之空隙之光散射區。在另一實施例中，該生長基板被移除並由含有光散射區之另一透明基板替換。在一項實施例中，該等光散射區形成於不產生光的該LED晶粒之光吸收區中之某些或所有光吸收區上方以減少入射光在彼等吸收區上之量且形成於該基板之側上方以減少光導。
若該基板替換該生長基板，則該基板可經形成以在選定區中包含反射粒子，諸如TiO2粒子或反射金屬片。一3D結構可藉由堆疊含有反射區之基板層而形成。
在另一實施例中，該基板係經形成以具有光散射側壁之一不透明磷光體層。
該磷光體層可係貼附至該LED之頂部之一塊，或可在一液體黏結
劑中沈積為粒子，或可藉由電泳沈積，或藉由其他方法沈積。
闡述其他實施例。
10‧‧‧覆晶發光二極體晶粒/發光二極體晶粒
12‧‧‧N型層
14‧‧‧作用層
16‧‧‧P型層
18‧‧‧透明生長基板/基板
20‧‧‧磷光體層
22‧‧‧磷光體粒子
22A‧‧‧磷光體粒子
22B‧‧‧磷光體粒子
22C‧‧‧磷光體粒子
24‧‧‧光線
26‧‧‧P金屬觸點/觸點/金屬觸點/高反射銀觸點
28‧‧‧N金屬觸點/觸點/金屬觸點
30‧‧‧光線
32‧‧‧光線
33‧‧‧光線
36‧‧‧發光二極體
38‧‧‧基板
40A‧‧‧光散射區/散射區
40B‧‧‧光散射區/散射區
40C‧‧‧光散射區/散射區
42A‧‧‧光散射區/散射區
42B‧‧‧光散射區/散射區
46‧‧‧光線
48‧‧‧光線
50‧‧‧光線
52‧‧‧光線
56A‧‧‧散射區
56B‧‧‧散射區
56C‧‧‧散射區
57‧‧‧基板
58‧‧‧光線
60‧‧‧中央散射區
62A‧‧‧散射區
62B‧‧‧散射區
64‧‧‧基板
68‧‧‧散射區
70‧‧‧磷光體層
72‧‧‧基台
73‧‧‧基板
76A‧‧‧側壁散射區/散射區
76B‧‧‧側壁散射區/散射區
78‧‧‧磷光體塊
80A‧‧‧散射區
80B‧‧‧散射區
80C‧‧‧散射區
82‧‧‧第一基板層
84‧‧‧第二基板層
86A‧‧‧額外散射區
86B‧‧‧額外散射區
圖1係展示其中一LED晶粒吸收光線之各種方式之該LED晶粒之一剖面圖。
圖2係根據本發明之一項實施例之併入含有光散射區之一基板之一LED晶粒之一剖面圖。
圖3圖解說明在圖2之結構中如何重新引導光線遠離LED晶粒之光吸收區且遠離基板之側。
圖4係展示基板中之光散射區之一替代圖案之一LED晶粒之一剖面圖。
圖5圖解說明可如何將具有散射區之一基板貼附至LED半導體層。
圖6圖解說明可如何形成具有光散射側壁之基板。
圖7圖解說明具有用於形成一蝙蝠翼形光發射圖案之一中央光散射區之一基板。
圖8圖解說明貼附於LED半導體層上之一磷光體塊，其中該塊具有光散射側壁。
圖9圖解說明可如何使用多個層來形成所要光散射區以形成一基板。
用相同編號標示相同或類似之元件。
圖2圖解說明可與圖1中之LED晶粒10相同(惟基板38除外)之一LED 36。基板38可係其上已磊晶生長LED半導體之生長基板，或可係在移除生長基板後已貼附至LED半導體層之一基板。
基板38經形成在光吸收區中之某些或所有光吸收區上方具有光
散射區40A、40B及40C且在側壁中之某些或所有側壁上方具有光散射區42A及42B以減少基板38內之光導。散射區42A及42B可係側壁周圍之一連續散射區環之部分。
在一項實施例中，基板38係其上已磊晶生長LED半導體層之一藍寶石生長基板。散射區40A至40C、42A及42B可在生長半導體層之前或之後形成為一空隙陣列。散射區40A至40C、42A及42B可具有任何3D形狀，諸如一多面體或圓形。一脈衝式雷射可用以形成空隙。使用脈衝式雷射在透明材料內使用點(空隙)來寫入或形成影像係眾所周知的；然而，此技術還未用於在一LED晶粒中散射光。
在另一實施例中，在生長半導體層之後(諸如)藉由雷射剝離移除生長基板，且將另一基板貼附至諸如N型層12之半導體層。此等基板可係(舉例而言)玻璃、藍寶石、SiC、塑膠、環氧樹脂或陶瓷。基板38可藉由任何適合黏合劑(諸如環氧樹脂或聚矽氧)或藉由將基板材料直接熔融至LED半導體層而貼附至LED半導體層。對於所貼附基板，散射區40A至40C、42A及42B可形成為空隙或光散射粒子。基板38可承受一脈衝式雷射處理以形成空隙或可經模製以在選定區中包含光散射粒子。針對模製，可提供一大基板晶圓模具且可在基板材料呈液體形式時使用一絲網印刷程序或其他程序將反射粒子注入於選定區中。然後，經模製基板被固化並在移除生長基板之後貼附至LED晶圓。預想形成基板38之其他方式，諸如堆疊層(圖9中所展示)或使用3D印刷方法。所附接基板然後為LED製作程序之其餘部分提供機械支撐。然後，LED被單粒化。
反射粒子可係(舉例而言)TiO2片或反射金屬片(諸如Ag片)。在一項實施例中，該等片可介於0.1微米至10微米寬之範圍內。由於該等片意欲散射光，因此該等片之反射表面可係在隨機角度處。一LED晶粒之一典型寬度係大約1mm。
在圖2之實例中，散射區40A、40B及40C通常形成於其中不產生光的LED晶粒之非作用部分上方。因此，散射區40A至40C不會阻擋向上發射之任何光。散射區40A至40C亦較佳地形成於為不良反射表面之區(諸如在金屬觸點26與28之間)上方或形成於N金屬觸點28上方。在觸點26與28之間通過之光將必須由通常為不良反射體之任何下伏基台或印刷電路板向上反射。較佳地，在用於接觸P型層16之高反射銀觸點26上方不存在散射區。
針對待阻擋之特定下伏區將修整每一散射區40A至40C之形狀。該等形狀可係矩形、圓形等。每一散射區40A至40C之厚度取決於散射區40A至40C之結構。舉例而言，若散射區40A至40C含有反射片，且僅需要該等片之一極薄層來適當地阻擋光照射於下伏區上，則僅需要一薄層。該層可薄達10微米，但通常將大約50微米厚。
在一項實施例中，基板38係大約75微米至300微米厚。因此，基板38之底部附近之散射區40A至40C可遠離磷光體層20達25微米至250微米。
在圖2及某些其他圖中，磷光體層20展示為僅在LED晶粒之頂部上方。然而，在所有實施例中磷光體層亦可覆蓋基板38及半導體層之側壁。
圖3圖解說明由作用層14及磷光體粒子22產生之照射於一散射區上之各種光線。光線46由作用層14產生且由散射區42B沿各種方向而非以入射角散射以使得基板38將係一極不良光導(亦即，光在僅幾次反射之後將逸出)。
光線48自一磷光體粒子22A發射且被散射區40A重新引導遠離一光吸收區。光線50被一磷光體粒子22B發射且自P金屬觸點26反射。光線52被一磷光體粒子22C發射且被散射區42A中之多個反射表面既向上又向下重新引導。
圖4圖解說明散射區56A至56C可形成於上覆於LED晶粒之吸收區上或上覆於LED晶粒之非光產生區上之基板57之頂部附近。一光線58展示為自散射區56A反射，此避免被半導體層或下伏層之任何吸收。
圖5圖解說明可如何形成圖4之LED結構。在生長LED半導體層之後，移除生長基板，且將基板57貼附至N型層12之頂部。一薄聚矽氧層可用作黏合劑。可在一真空環境中在熱及壓力下執行該貼附。另一選擇係，將基板57軟化並直接熔融至N型層12。可首先將N型層12粗糙化以用於增加光提取並用於輔助黏合。
在一項實施例中，在形成基板晶圓時將散射區42A、42B及56A至56C模製至基板中。
然後在基板57上方形成一磷光體層20。亦可在基板57及LED層之側上方形成磷光體層20。在一項實施例中，磷光體層20係用一薄聚矽氧層貼附至基板57之一塊。亦可將磷光體層20沈積為一液體且固化，或藉由電泳沈積。
圖6圖解說明具有一中央散射區60及形成基板64之側壁之散射區62A及62B之另一實施例。散射區62A及62B可係沿著側壁之一連續散射區環之部分。為達成一所要發射圖案，可將散射區定位於任何地方，無論如何使用散射區來減少光吸收。在(諸如)藉由一抛物面鏡或一投影機放大LED影像時，達成一特定發射圖案尤其係重要的。若來自散射區62A及62B之散射較大，則此實施例應增加射出穿過磷光體層20之光之量。此改良裝置之表面上方之色彩均勻性。
可消除中央散射區60，且散射區62A及62B限制來自LED晶粒之任何側發射且增強前發射。
圖7圖解說明用於形成一蝙蝠翼形發射圖案之一散射區68之另一形狀。在自頂部向下觀看時，散射區68可形成一中央正方形或圓以提供所要發射圖案。在一項實施例中，散射區68之直徑係約300微米。
磷光體層70經展示為在裝置之側上方延伸並向下延伸至一基台72或印刷電路板表面之一保形層。基板73亦可具有形成其側壁之任何部分之散射區。
圖8圖解說明在一磷光體塊78中形成之側壁散射區76A及76B。散射區76A及76B可係沿著側壁之一連續散射區環之部分。在圖8中，不使用任何透明基板，且已移除生長基板。磷光體塊78可係在貼附至半導體層之前預先形成之注入於一聚矽氧黏結劑中之磷光體粉末。在形成一磷光體晶圓時，可將反射片絲網印刷至一磨具中。然後，可用一薄(<10微米)聚矽氧層將磷光體晶圓貼附至一LED晶圓之頂部，其中所得晶圓最終被單粒化。散射區76A及76B限制任何側發射。在此結構中，磷光體塊78亦用作一基板。此結構可尤其適用於汽車前照燈及投影機。
圖9圖解說明可如何形成一3D基板，其中(諸如)藉由絲網印刷或使用一磨具在一第一基板層82之頂部表面中形成散射區80A至80C，後續接著在熱及壓力下層壓至一第二基板層84。第二基板層84經展示具有形成其側壁之額外散射區86A及86B。散射區之任何3D圖案可藉由堆疊基板材料層而形成。以此方式，一散射區可形成於一基板內側。
一般而言，散射區並不定位於其中其將不利於效能之地方處，除非散射區用以塑形光發射。可執行模擬以判定最佳區及散射區形狀以最大化光提取效率。通常高吸收且不產生光之地方包含LED半導體層之邊緣。在一項實施例中，一散射區形成為上覆於其中不產生光之半導體層上之基板之底部附近之一單個環。
在某些應用中，基板表面經紋理化以另外散射光及/或改良光提取。本發明不同於此表面紋理化之處在於本發明之實施例將反射粒子或反射空隙引入基板內(不僅僅在一表面上)以散射光。
在一項實施例中，一所貼附基板係用固有地散射某些光之一塊體材料形成，諸如均勻地注入有光漫射粒子(例如，TiO2)之一基板。本發明之光散射區將藉由修改基板的塊體材料而增強特定區上方之散射。
在LED之特定應用中，LED晶粒位於具有其他LED晶粒之一系統中或一反射室中。在此一情形中，外部產生之光照射於LED晶粒上。本發明亦可用以在外部產生光之處減少LED晶粒之光吸收。因此，改良了系統效率。
雖然已展示及闡述了本發明之特定實施例，但熟習此項技術者將明瞭，可在其較廣泛態樣中在不背離本發明之情況下做出改變及修改。且因此，隨附申請專利範圍欲將所有此等改變及修改涵蓋於其範疇內，正如歸屬於本發明之真正精神及範疇內一樣。
20‧‧‧磷光體層
26‧‧‧P金屬觸點/觸點/金屬觸點/高反射銀觸點
28‧‧‧N金屬觸點/觸點/金屬觸點
36‧‧‧發光二極體
38‧‧‧基板
40A‧‧‧光散射區/散射區
40B‧‧‧光散射區/散射區
40C‧‧‧光散射區/散射區
42A‧‧‧光散射區/散射區
42B‧‧‧光散射區/散射區
Claims (17)
- 一種發光裝置，其包括：發光二極體(LED)半導體層，其產生光，該等LED半導體層具有一發光表面；一基板，其上覆於該發光表面上且貼附至該等LED半導體層；及一或多個光散射區，其形成於該基板內。
- 如請求項1之裝置，其中該等光散射區在該基板內僅在該基板之選定區中而非整個該基板包括反射粒子。
- 如請求項1之裝置，其中該等光散射區包括形成於該基板內之反射空隙。
- 如請求項1之裝置，其中該基板係其上已磊晶生長該等LED半導體層之一生長基板。
- 如請求項1之裝置，其中該基板係用一黏合劑而貼附至該等LED半導體層之該發光表面。
- 如請求項1之裝置，其中該等光散射區包括反射金屬粒子。
- 如請求項1之裝置，其中該等光散射區中之至少一者經形成而上覆於一光吸收區上，該光吸收區在該等LED半導體層內或下伏於該等LED半導體層下。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括用於該等LED半導體層之金屬觸點，其中該等LED半導體層包括一N型層及一P型層，且其中至少一個光散射區形成於用於該N型層之一金屬觸點上方。
- 如請求項1之裝置，其中該等LED半導體層包含產生光之區及不產生光之區，其中該等光散射區位於不產生光的該等LED半導體層區中之至少一者上方。
- 如請求項9之裝置，其中該等光散射區並不形成於產生光的該等LED半導體層區上方。
- 如請求項1之裝置，其中該等光散射區係沿著該基板之側壁形成。
- 如請求項1之裝置，其中該基板包括一波長轉換材料。
- 如請求項1之裝置，其中該等LED半導體層包含產生光之區及不產生光之區，其中該等光散射區至少形成於不產生光的該等LED半導體層之一部分上方且沿著該基板之側壁形成。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括上覆於該基板上之一磷光體層，該等光散射區經定位以散射來自已朝向該等LED半導體層發射之該磷光體層之光，以使得該光中之某些光朝向該磷光體層反射回去。
- 如請求項1之裝置，其中該等光散射區中之至少一者位於接近該基板之一底部表面處，該基板之該底部表面接近於該等LED半導體層。
- 如請求項1之裝置，其中該等散射區中之至少一者位於接近於遠離該等LED半導體層的該基板之一頂部表面處。
- 如請求項1之裝置，其中該基板係透明的，惟該等光散射區除外。
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