發光二極體設備及其製造和使用的製作方法

2023-08-02 06:52:51 2

專利名稱：發光二極體設備及其製造和使用的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體(LEDs)，特別涉及具有增強側面發光的LEDs。
背景技術：
當有電力供應時，LEDs是發光的半導體設備。如圖la和圖lb所示， 通常LED 100是由多層材料製成，其具有一個p摻雜材料層或p型半導體 層("p-層")101、 一個n摻雜材料層或n-型半導體層("n-層")103、以 及一個光產生區或p-n結105。當有電力供應時，p-n結在主方向107上發 射光，沿著平行於方向107的縱軸粗略形成一個光場109。
在某些LEDs的應用方面，例如在一個背光照明系統裡，人們期望將 LED光場109轉變成一個如圖2所示的"狀似蝙蝠翼狀"的光場201。傳 統上，人們已經採用複雜的光設計應用到LED封裝內，但是有可能使LED 封裝體積增大。
本發明的目的是提供一種發光設備，其至少能夠克服現有技術所具有 的一些缺陷。
發明概述
依照本發明的第一方面，提供一種發光二極體設備。發光二極體設備 包括一個多層材料疊層，其包括一個p-層、 一個n-層、以及一個光產生區 用來在主發光方向上發射光，主發光方向朝向p-層和n-層中的任何一個層; 一個完全透明層，位於或靠近所述p-層和n-層中的任何一個層，其具有一 個第一表面朝向所述p-層和n-層中的一個層和一個相反的第二表面；以及 一個反射表面，其在或靠近透明層的第二表面上形成，用來引導至少一部 分發射光偏離主發光方向，從而增強發光二極體設備側面發出的光。
依照本發明的第二方面，提供一種照明系統。此照明系統包括 一個伸長基板；多個發光二極體設備，位於基板的上面，每個發光二極體設備包 括
一個多層材料疊層，其包括一個p-層、 一個n-層、以及一 個光產生區，用來在主發光方向上發射光，主發光方向朝向
p-層和n-層中的一個層；
一個完全透明層，位於或靠近所述p-層和n-層中的一個層 上，有一個第一表面朝向p-層和n-層中的一個層和一個相反 的第二表面；和
一個反射表面，在或靠近透明層的第二表面上形成，用來引 導至少一部分發射光偏離主發光方向，從而增強發光二極體設 備側面發出的光。
依照本發明的另一方面，提供一個製作發光二極體設備的過程。此過 程包括
形成一個多層材料疊層，其包括一個p-層、 一個n-層、以及一個
光產生區，用來在主發光方向上發射光，主發光方向朝向p-層和n-層中的一個層；
安置一個完全透明層在或靠近所述p-層和n-層中的一個層，透明 層有一個第一表面朝向所述p-層和n-層中的一個層和一個相反的第
二表面；和
形成一個反射表面在或靠近透明層的頂表面上，用來反射至少一 部分發射光偏離主發光方向，從而增強發光二極體設備側面發出的 光。
通過以下的詳細描述，並結合通過範例描述本發明原理的附圖，本發 明的其它方面和優點將越發明顯。


現通過範例並參考附圖描述本發明，其中
圖la和圖lb描述一種現有技術的發光二極體設備及其光場;
圖2描述一種期望的LED設備光場；
圖3a是依照本發明的LED設備的第一實施例的截面圖3b是圖3a的LED設備的反射層的透視圖3c是圖3a的LED設備的角度強度分布的示意圖3d描述圖3a的LED設備的光場；
圖4是依照本發明的LED設備的第二實施例的截面圖5是依照本發明的LED設備的第三實施例的截面圖6a是依照本發明的LED設備的第四實施例的截面圖6b是依照本發明的LED設備的第五實施例的截面圖7是本發明的一種反射表面的截面圖8a和圖8b是製作本發明典型實施例裡的反射表面的第一過程；和 圖9a、圖9b和圖9c是製作本發明典型實施例裡的反射表面的第二過
程'
發明詳述
以下描述本發明半導體發光設備的典型實施例。在描述典型實施例的 發光二極體時，參考了附圖。附圖之間的類似元件用相同的參考編號標識。
在圖3a和圖3b裡，顯示了一個依照本發明的倒裝發光二極體(LED) 設備300的典型實施例。如本領域的技術人員所通常理解的那樣，倒裝LED
設備300有一個多疊層301 ，其包括一個p摻雜材料層或p型半導體層303 、 一個n摻雜材料層或n型半導體層305、以及一個光產生區或p-n結307。 當有電力供應時，p-n結307朝所有方向發光，但是，大部分發射光將沿 著由箭頭311所示的主發光方向，穿過一個完全透明的基板309，該基板 粘在n-層305的頂表面上。本領域技術人員將會理解，倒裝LED設備300 有p電極313和n電極315，用來分別供電給p-層和n-層303、 307，且也 可能有一個導電的透明層，如ITO薄膜316，夾在電極313、 315和各個半 導體層303、 307之間，用來改善彼此的電連接。本領域技術人員將會理解， 倒裝LED設備300還可以有一個金屬鏡層317，位於ITO膜316和各個電 極313、 315之間，用來反射光到主發光方向311。
倒裝LED設備300還包括一個圖案化的反射層319,其形成倒裝LED 設備300的頂表面，以及還有一個完全透明層321，夾在反射層319和基 板309之間。在典型實施例裡，反射層319是由反射材料如鋁、金、銀、 鉻、l維光學晶體結構等製成，並有多個穿透反射層的孔323，從而形成多 個間隔分離的反射鏡325。
如圖3a所示，p-n結307在所有方向上發光。 一些光329可能直接從 基板309的側表面328出來； 一些光可能穿過基板309，並從透明層321 的側表面330出來。 一些光333可能穿過基板309、透明層321、以及反射 層319上的孔323，使得這些光穿過由反射層319定義的頂表面從倒裝LED 設備300出來。 一些光335可能穿過基板309以及透明層321，然後可能 在一個方向被反射鏡325反射，使得這些光穿過透明層321的側表面330 從倒裝LED設備300出來。 一些光337可能穿過基板309和透明層321， 由反射鏡325反射，並進一步在一個方向上由基板309的頂表面338反射， 使得這些光穿過透明層321的側表面330從倒裝LED設備300出來。
所以，本領域技術人員將會理解，這種具有一個遠離p-n結的圖案化 反射層的LED設備可以增強從其側面發出的光，其可能包括多層疊層、基 板和透明層的側面，然後可以產生一個期望的"狀似蝙蝠翼的"光場。圖 3c和圖3d分別描述這種LED設備的角度強度分布和光場。
本領域技術人員還將會理解，可以在晶片級別(waferlevel)上獲得這 種具有增強側面發光的LED設備，所以在封裝級別(package level )上不 需要多餘的複雜光設計。由此，可以獲得一個相當緊湊小型的側面發光 LED設備。
在典型LED設備300裡，透明層321的厚度大約等於基板的厚度。本 領域技術人員將會理解，較厚的透明層可能導致更多的側面發光。所以， 透明層的厚度將取決於期望的光場型和LED設備上的尺寸要求，儘管優選 地講，至少是1/3的基板厚度。本領域普通技術人員也將理解，在一個倒 裝LED設備裡，透明層可能不是必需的，反射層可以形成在透明基板的頂 表面上，使得由反射層反射的光穿過透明基板的側面從倒裝LED設備出 來。
另外，透明層321可以由諸如氧化矽(Si02)、環氧、聚合材料、玻璃 等透明材料製成，且優選地，其折射率大於基板的折射率，在典型LED設 備裡基板通常是由藍寶石製成。選擇這種折射率可以增強側面發光，當光 從基板到透明層裡時降低光折射，以及當光從透明層到基板時增強反射。
在圖4裡，第二倒裝LED設備實施例400還包括一個2維光學晶體結 構401，其在基板403和透明層405之間形成，用來吸取從基板403來的 光到透明層405，並且2維光學晶體結構401的光學帶隙(photonic band gap)，覆蓋至少由p-n結407發出光的一段波長範圍。在待決的美國專利 申請(標題為"Semiconductor Light Emitting Device (半導體發光設備)"、 由Yan Hung等申請)裡，詳細描述了這種2維光學晶體結構的製造和應 用，在此其內容通過引用結合到本文。
在如圖5所述的第三倒裝LED設備實施例500裡，在反射層501上的 反射鏡503是U型或凸型。形成凸型反射鏡時，可以首先在透明層509的 頂表面506上形成多個凹形凹處504，然後沉積一層反射材料在每個凹處 504。
與如圖3a和圖4所示的平面反射鏡相比，凸型反射鏡設計可以降低光反射到p-n結，從而可以提高從LED設備出來的光。而且，這種LED設 備通過調整凸型反射鏡503的大小和尺寸、反射鏡503之間孔徑507的大 小、以及透明層509的厚度可以實現更複雜和/或更好控制的光場圖形。
圖6a描述一個頂端發光LED設備600的典型實施例，其包括 一個在 基板603上形成的多層材料疊層601。正如本領域技術人員通常理解的那 樣，多層疊層601包括一個p摻雜材料層或p型半導體層("p-層")605、 一個n摻雜材料層或n型半導體層("n-層")607、以及一個光產生區或 p-n結609。本領域的技術人員將會理解，當有電力供應時，p-n結609朝 所有方向發光，但是大部分發射光將按照箭頭611所示的主發光方向，從 頂端發光半導體發光設備600出來。頂端發光半導體發光二極體600也可 以有p電極613和n電極615，用來供電給p-層和n-層605、 607。有選擇 地，反射層可以粘在基板603的底表面，用來反射光到主發光方向611。 頂端發光LED設備還包括一個厚透明層619在或靠近p-層605，還包括一 個圖案化的反射層621粘在透明層619的頂表面，有間隔分離的多個凸型 反射鏡625的多個孔徑623。
圖6b描述頂端發光LED設備的另一個實施例，其類似於圖6a的那種， 除反射鏡是完全平坦之外。另外， 一個具有合適光學帶隙的2維光學晶體 結構可以位於p-層和透明層之間，用來增強進入透明層的發射光。
圖7描述依照本發明形成反射鏡的另一種方法。通過例子來描述凸型 反射鏡的形成，但是本領域技術人員將會理解，這種工藝也可以適用於形 成平坦的反射鏡。如圖7所示，首先，透明層703的頂表面701被蝕刻或 通過其它方法以形成多個凹處705。其後，第二透明層707，其折射率不同 於並且小於透明層703的折射率，被塗敷在透明層703的頂表面701上， 充滿凹處705。在此兩個透明層703、 707之間的界面709使用作為反射鏡。
有多種工藝可以被用來形成透明層上的凹處。例如，如圖8a和圖8b 所示，首先， 一個具有孔徑802的防蝕刻層801被粘在透明層803上，然 後通過一個化學蝕刻工藝以形成凹處804。或者，如圖9a-9c所示， 一個具 有多個突起903的物理印字機901可以被用來施加一個物理作用力在透明
層905上以在透明層上形成凹處907。
具有增強側面發光的LED設備可以有各種應用。例如，可以用於一個 背光照明系統，其通常有一個伸長基板，其上裝有多個這種LEDs。由於 現在每個LED設備都有增強的側面發光，而且其光場型可以控制，所以可 以實現降低封裝複雜性和控制這種照明系統的光強度。
應該理解，在此披露和定義的本發明可以擴展到以上文字或附圖的兩 個或多個特徵的所有替代組合。所有這些不同組合構成本發明的各個方面。 本領域技術人員將會明白，前面描述了本發明的一個實施例及對其所作改 進，而沒有偏移本發明的範圍。
儘管在此描述了本發明，然而不是意在受制於所述細節，因為可以對 其作出各種改進和結構改變，而沒有偏移本發明的精神，並屬於本發明和 權利要求的範圍。
而且，應該理解，在說明書裡用來描述本發明及其各種實施例的單詞 不僅可以理解為通常涵義，而且可以包括超出通常涵義範圍之外的說明書 結構、材料或行為上作出的特別定義。因此，如果一個元素在說明書的上 下文裡可以被理解為包括多於一個涵義，其在權利要求裡的使用必須被理 解為由說明書及其單詞本身支持的所有可能涵義。所以，以下權利要求的 單詞和元素定義在說明書裡設定，不僅包括字面上闡述的元素組合，且包 括所有等同的結構、材料或動行為以實質相同的方式執行實質相同的功能 以獲得實質相同的結果，而沒有偏移本發明的範圍。
權利要求
1. 一種發光二極體設備，包括一個多層材料疊層，其包括一個p-層、一個n-層、以及一個光產生區，用來在主發光方向上發射光，主發光方向朝向p-層和n-層中的任何一個層；一個完全透明層，其位於或靠近p-層和n-層中的任何一個層上，具有第一表面，其朝向所述p-層和n-層中的任何一個層，和一個相反的第二表面；和一個反射表面，在或靠近透明層的第二表面上形成，用來引導至少一部分發射光偏離主發光方向，從而增強發光二極體設備側面發出的光。
2. 根據權利要求1所述的發光二極體設備，其中發光設備是一種倒裝 發光設備，其中該發光二極體設備還包括一個完全透明的基板，其上形成 有多層疊層，且基板被夾在所述p-層和n-層中的一個層和透明層之間。
3. 根據權利要求2所述的發光二極體設備，其中透明層的厚度至少是 1/3的基板厚度。
4. 根據權利要求2所述的發光二極體設備，其中透明層有一個折射率， 其大於基板的折射率。
5. 根據權利要求1所述的發光二極體設備，其中發光設備是一種倒裝 發光設備，其中透明層是由透明基板形成，多層疊層在其上形成。
6. 根據權利要求1所述的發光二極體設備，還包括一個2維光學晶體 結構，其形成在多層疊層和透明層之間，用於吸取從多層疊層來的光到透 明層去，其中2維光學晶體結構有一個光學帶隙(photonic band gap),覆蓋至少光產生區發出光的一段波長範圍。
7. 根據權利要求1所述的發光二極體設備，其中反射表面被圖案化以 允許至少一部分的光穿透反射表面。
8. 根據權利要求6所述的發光二極體設備，其中反射表面包括在其中 形成的多個孔徑。
9. 根據權利要求6所述的發光二極體設備，其中反射表面以這樣的方式形成，使得有多個反射鏡用來引導至少一部分發射光偏離主發光方向。
10. 根據權利要求8所述的發光二極體設備，其中至少有一些反射鏡 是完全平的。
11. 根據權利要求8所述的發光二極體設備，其中至少一些反射鏡是 凸型。
12. 根據權利要求10所述的發光二極體設備，其中透明層包括在其 第二表面上的多個凹處，用來形成凸型反射鏡。
13. 根據權利要求12所述的發光二極體設備，還包括第二透明層， 其折射率低於透明層的折射率，並位於或靠近透明層的第二表面以形成反 射表面。
14. 根據權利要求1所述的發光二極體設備，其中反射表面是由沉積 在透明層頂表面上的反射材料製成。
15. 根據權利要求11所述的發光二極體設備，其中反射材料選自-鋁、金、銀、鉻、1維光學晶體等。
16. —個照明系統，包括一個伸長基板；多個發光二極體設備，位於基板上，每個發光二極體設備包括一個多層材料疊層，其包括一個p-層、 一個n-層、以及一個光產生區，用來在主發光方向上發射光，主發光方向朝向p-層和n-層中的一個層；一個完全透明層，位於或靠近所述p-層和n-層中的一個 層上，有一個第一表面，朝向p-層和n-層中的一個層，和 一個相反的第二表面；和一個反射表面，形成在或靠近透明層的第二表面上，用來 弓I導至少一部分發射光偏離主發光方向，從而增強發光二極 管設備側面發出的光。
17. —種製作權利要求1的發光二極體設備的過程，包括形成一個多層材料疊層，其包括一個p-層、 一個n-層、以及 一個光產生區，用來在主發光方向上發射光，主發光方向朝向p-層和n-層中的一個層；安置一個完全透明層在或靠近所述p-層和n-層中的一個層上， 透明層有一個第一表面朝向所述p-層和n-層中的一個層，和一個 相反的第二表面；和形成一個反射表面在或靠近透明層的頂表面上，用來反射至少 一部分發射光偏離主發光方向，從而增強發光二極體設備側面發 出的光。
18. 根據權利要求17所述的過程，其中形成反射表面的步驟包括形 成多個孔徑延伸穿出反射表面，以允許至少一部分光穿過反射表面。
19. 根據權利要求17所述的過程，其中形成反射表面的步驟包括形 成多個相互間隔的反射鏡，用來反射至少一部分發射光偏離主發光方向。
20. 根據權利要求19所述的過程，其中至少一些反射鏡是凸型。
21. 根據權利要求20所述的過程，其中凸型反射鏡是通過在透明層的頂表面上形成多個凹處而形成。
22. 根據權利要求21所述的過程，其中凹處是通過蝕刻透明層而形成。
23. 根據權利要求21所述的過程，其中凹處是通過施加一個外部作 用力在透明層上而形成。
全文摘要
一種發光二極體設備(300)包括一個多層材料疊層，其包括一個p-層(303)、一個n-層(328)、以及一個光產生區(307)，以便在主發光方向(331，337，335，333)上發射光，主發光方向朝向p-層和n-層中的一個層；一個完全透明層(321)，靠近位於所述p-層和n-層中的一個層，具有一個第一表面朝向所述p-層和n-層中的一個層和一個相反的第二表面；以及一個反射表面(319)，在或靠近透明層的第二表面上形成，用來引導至少一部分發射光偏離主發光方向，從而增強發光二極體設備側面(330)發出的光。
文檔編號H01L33/44GK101379625SQ200780004143
公開日2009年3月4日 申請日期2007年7月5日 優先權日2006年9月7日
發明者劍 馮, 彭華軍, 褚宏深, 邱國安 申請人:香港應用科技研究院有限公司