专利名称：Led装置中的低折射率间隔层的制作方法
LED装置中的低折射率间隔层发明背景 发明领域本发明涉及LED装置，而更准确地说，涉及具有低折射率间隔层的LED装置和制造这些装置的方法。相关技术说明固态发光装置，如无机或有机发光二级管(LEDs)，将能转变成光并广泛地用于许 多应用。如该领域的技术人员众所周知，无机固态装置一般包括一个或多个半导体材料的 激活区，所述激活区置于对置的掺杂区之间。当横过掺杂区加一偏压时，就发生电子-空穴 复合作用以便产生光，且光从激活区朝LED的所有表面中的全向路线发射。常规的LED可 以包括反射器和/或镜面，以便将所发射的光导向所需的方向。由LED所发射的颜色或波长主要依赖于所述颜色或波长由其产生的材料的性能， 如激活区的带隙。LEDs已建造成发射在可见光谱的颜色范围内的光，所述光包括红光、黄 光、绿光、和蓝光。另一些LEDs在电磁谱的紫外(UV)范围中发射。经常理想情况是将磷光 体加到LED中，以便在光发射之前通过将从LED发射的一部分光转变来制作发射光谱。例 如，在某些蓝LED中，将一部分蓝光“降频转换(downconvert)”到黄光。因此，LED发射蓝 光和黄光的组合，以便产生对人眼显示白光的光谱。如本文所用的，术语“磷光体” 一般用 来表示任何光致发光材料。磷光体已设在LED结构内各种不同的区域中。例如，磷光体可以分散在圆顶形封 装剂的内部和/或涂敷在该圆顶形封装剂的外部，所述封装剂覆盖装置。磷光体可以远离 发光模具设置，如美国专利No. 7286926中所表明的。磷光体也可以涂敷或沉积在模具自身 上。一些技术经常用来加入磷光体，所述技术包括电泳沉积、模板印刷、旋涂或喷涂等。另 一种技术使用磷光体分散法，此处可以将其中含有磷光体的一滴材料，如环氧树脂、硅酮封 装剂等，放置在模具上，并因此以便在模具上形成外壳。这有时称之为“滴顶”(glob top) 法。在另一种技术中，可以将含磷光体的材料滴放置在模具上并令其沉降。这种技术可以 称之为“远程沉降法”(remote setteling)。许多应用要求LED发射白光。如本文所用的，术语“白光”在一般意义上使用，并 包括不同的个人或检测器可以觉察为朝例如黄光或蓝光方向具有浅色调的光。如上所述， 某此常规LED装置将黄磷光体结合在蓝LED上，以便得到白光。从LED发射的蓝光的一部 分穿过磷光体而不转变，而所发射的蓝光的一部分降频转换到黄光。逸出发光装置的蓝光 和黄光的组合提供白光输出。LED已制造成包括若干另外的功能特色，例如，像反射/折射层、透镜和光散射元 件。某些LED包括下述表面，该表面已形成纹理，以便通过减少在各种不同材料界面处的全 内反射来增加光提取作用。在该技术中众所周知的许多另外的功能特色可以组合，以便建 造具有特定特征的LED。图A示出众所周知的LED装置10。LED芯片11设在安装面12上。一层波长转换材料13围绕LED芯片11。封装剂14覆盖LED芯片11和转换层13。LED芯片具有一有纹理的发射表面15，该有纹理的发射表面15通过抵销折射率降低的作用来帮助提取在LED芯 片11和转换层13的界面处的光。从LED芯片11发射的光的一部分在转换层13的内部、 在与封装剂的界面处，或者在封装剂14内，背向有纹理的表面12反射或后向散射。由于有 纹理的表面12与界面处折射率的升高耦合，所以，该入射光的主要部分重新进入LED芯片 11，在该处入射光可以被吸收，从而降低了装置10的光提取效率。发明提要本发明的LED装置和一个实施例包括下列元件。LED芯片设在安装面上。LED芯 片具有一有纹理的发光表面和第一折射率。间隔层设在LED芯片上并覆盖发光表面。间隔 层具有第二折射率，该第二折射率小于第一折射率。至少一个功能层设在间隔层上。LED装置的另一个实施例包括下列元件。LED芯片设在安装面上，并具有一有纹理 的发光表面和第一折射率。LED芯片发射蓝光。间隔层设在LED芯片上，并覆盖发光表面。 间隔层具有一平表面和第二折射率，所述平表面与LED芯片相对，而第二折射率小于第一 折射率。波长转换层设在间隔层上。波长转换层转换一部分蓝光并发射黄光。封装剂设在 安装面上，并覆盖LED芯片。LED装置这样建造，以便发射蓝光和黄光的组合，因此该组合显 示白光。制造LED装置的一种方法包括下列步骤。提供LED芯片，该LED芯片具有第一折 射率和有纹理的发光表面。间隔层设在LED芯片上而具有第二折射率，其中第二折射率小 于第一折射率。在间隔层上设置功能层，该功能层具有第三折射率，其中第二折射率小于第 三折射率，及选择第二折射率以使光提取效率最大。
附图简介图A是该技术中众所周知的LED装置的剖视图。
图1是本发明的LED装置的实施例的剖视图。图2是本发明的LED装置的实施例的剖视图。图3是本发明的LED装置的实施例的剖视图。图4是本发明的LED装置的实施例的剖视图。图5是本发明的LED装置的实施例的剖视图。发明的详细说明本发明的一些实施例提供经过改进的发光装置，其中光提取效率通过加入薄间隔 层改进，该薄间隔层置于有纹理的LED芯片和功能层之间。间隔层具有比LED芯片和功能 层低的折射指数或折射率(RI)。LED芯片具有有纹理的表面，以便提取更多的LED中所产 生的光；然而，有纹理的表面也可供将光反射回到LED芯片中，在该处光可以被吸收。间隔 层减少了重新进入LED芯片的光量，从而改进了总体光提取效率。应该理解，当一个元件如一层、区域或衬底被认为是“在另一个元件上”时，该元件 能直接在另一个元件上，或者穿插的元件也可以存在。而且，相关的术语如“内部”、“外部”、 “上面”、“在上方”、“下面”、“底下”、“在下方”、和类似的术语在本文中可以用来说明一层或 另一个区域的关系。应该理解，除了附图中所描述的方位之外，这些术语打算包括装置的不 同方位。
尽管术语第一、第二等在本文中可以用来说明各种不同的元件、部件、区域、层和/ 或分段，但这些元件、部件、区域、层和/或分段不受这些术语限制。这些术语仅用来把一个 元件、部件、区域、层或分段与另一个区别开。因此，在不脱离本发明的讲述的情况下，下面 所论述的第一元件、部件、区域、层或分段能叫做第二元件、部件、区域、层或分段。 应该注意，术语“层”或“多层”在整个申请中可交换地使用。该领域的技术人员 应该理解，材料的单“层”实际上可以包括材料的若干单独的层。同样，材料的“若干层”在 功能上可以看做是单层。换句话说，术语“层”不代表材料的均勻层。“单层”可以包含位于 子层中的各种不同材料浓度和组成。这些子层可以用一个形成步骤或用多个步骤形成。除 非特别地另有说明，否则不打算通过把元件说成包括材料的“一层”或“多层”来限制如权 利要求书中所包括的本发明的范围。本发明的实施例本文参照剖视图进行说明，所述剖视图是本发明的理想化的实施 例的示意图。照这样，可以预料由于例如制造技术和/或允差的结果而产生示图形状的变 动。本发明的实施例不应看成是限于本文所示的区域或粒子的特定形状，而是包括例如由 于制造的结果所产生的形状的偏差。例如，图示或说成矩形的区域由于正常制造技术而通 常具有变圆或弯曲的特色。因此，各附图中所示的区域实质上是示意性的；它们的形状不打 算示出区域或粒子的精密形状，且不打算限制本发明的范围。如本文所用的术语“光”不限于在可见光谱内的电磁辐射。为了方便起见，“光”也 可以例如包括在可见光谱之外的电磁谱的部分，如红外或紫外光谱。图1示出本发明的实施例的LED装置100的剖视图。LED芯片102设在一安装面 104上。LED芯片102可以例如发射任何颜色的光，如蓝光，或者它可以发射在可见光谱之 外的辐射。安装面104可以包括半导体材料。在一个实施例中，安装面是LED芯片在其上 生长的原始初底。在另一个实施例中，安装面104是载体衬底而不是原始的生长衬底。如 果LED芯片102用倒装片技术制造，则可以使用载体衬底。将LED芯片102安装在许多不 同种类的表面上也是可行的。LED芯片102具有有纹理的发光表面106，包括有纹理的表面106以便通过减少内 全反射(TIR)来增从LED芯片102的光提取作用。有许多众所周知的技术，这些技术可以用 来修改半导体材料的表面。表面可以通过加成法修改，其中将材料加到使它具有经过修改 的纹理的表面上。表面也可以用扣减法修改，其中将材料从表面中除去，以便产生经过修改 的纹理。扣减法，如蚀刻、切割和研磨，在该技术中众所周知，并经常用来给表面形成纹理。 与有纹理的发光表面106相对，LED芯片102具有反射元件107，如一层反射材料。反射元 件107使LED芯片102中所产生的光的一部分改向向后朝向有纹理的发光表面106。间隔层108设在LED芯片102上。间隔层108能用许多不同的材料如硅酮、环氧 树脂、油、电介质类、和其它材料制成。材料应这样选择，以使间隔层108的RI小于下面所 述的LED芯片102的RI和功能层112的RI。用于间隔层108的RI应为1. 4-2. 0，而可接 受的RI为1.5。间隔层108的厚度近似为1-25微米。薄间隔层108可以例如用高RPM(转 速)旋涂法沉积在LED芯片102上。薄间隔层108也可以通过分配或用介电沉积技术像电 子束蒸发、溅射、磁控管溅射等形成。间隔层的发射表面110基本上是平面。至少一个功能层112这样设在间隔层108上，以使功能层112和LED芯片102实际 上分离。功能层112可以包括许多不同的光学元件，如转换层、滤光层、抗反射层、单晶体转换器层、及光散射层。其它类型的功能层也是可行的。功能层Iio具有RI大于间隔层108 的RI。 在LED芯片102中所产生的光的一部分按所设计的正向顺序通过各层，以便改进 装置100的提取效率。来自LED芯片102的光首先进入间隔层108中。有纹理的表面106 补偿LED芯片102和间隔层108在它们的界面处RIs的大的差值(ARI)。在一个实施例 中，LED芯片包括氮化镓(GaN)，该氮化镓具有RI为约2. 5。间隔层108的RI可以选择为 1.5。在这种情况下，RI的较大降低(ARI ^ 1.0)限制透射的光量而没有显著的反射。为 了抵销这种作用，有纹理的表面106提供许多小表面，光可以从该小表面逸出。然而，作用 是往复的任何向后反射朝向有纹理的表面的光都可能进入LED芯片，在该处光可以被吸 收。为了尽量减少这种光损失，选择间隔层108具有RI小于功能层112的RI。进入间隔层 108的光的一部分入射在间隔层108和功能层112之间的边界上。因此，光看到RI升高，并 在最小反射情况下进入功能层。如果光在功能层112中反射或后向反射，则将看到RI在间 隔层108边界处下降，且由于TIR而具有反射回到功能层112中的有限机会。在该边界处 的TIR理想的是使重新进入间隔层108和LED芯片102的光减至最少。在功能层112内内 部反射的光具有更好的出射到周围材料例如封装剂或环境中的机会。在优选实施例中，在 LED芯片102的有纹理的表面106和间隔层108的界面处出现最大的RI阶跃(ARI)。在LED装置200的一个实施例中，功能层112的其中之一包括波长转换层，该波长 转换层加有磷光体，如图2的剖视图所示。波长转换层202将一部分发射的光转变到不同 的波长，这是该技术中众所周知的方法。作为例子，图2示出未转变的蓝射线和经过转变的 黄射线。其它颜色和转换方案也可以使用。转换作用204示出在转换层202内发生。钇铝 石榴石(YAG)是可以使用的常规磷光体的例子。在一个实施例中，磷光体包括单独或成组合的许多不同的组成和磷光体材料。在 一个实施例中，单结晶磷光体能包括钇铝石榴石(YAG，化学分子式为Y3Al5O12)。YAG主体能 与其它化合物化合，以便达到所需的发射波长。在一个实施例中，此处单结晶磷光体吸收蓝 光并重新发射黄光，单结晶磷光体能包括YAG:Ce。该实施例尤其适用于其发射蓝光和黄光 的白光组合的LED。利用基于(Gd，Y)3(Al，Ga)5012:Ce系统的磷光体制成的转换粒子实现全 范围宽黄色光谱发射是可行的，上述系统包括Y3Al5O12 = Ce(YAG)。能用于发射白光的LED芯 片的其它黄磷光体包括Tb3^xRExO12: Ce (TAG)；RE = Y、Gd、La、Lu ；或Sr2_x_yBaxCaySi04:Eu。在另一些实施例中，能将其它化合物与YAG主体一起使用，用于吸收和重新发射 不同波长的光。例如，YAG:Nb单晶磷光体能提供吸收蓝光和重新发射红光。在上述黄磷光 体和红磷光体化合的情况下，也能将第一和第二磷光体化合用于更高的CRI白光(亦即，热 白光)。各种不同的红磷光体能使用，其中包括SrxCahSEu，Y ;Y =卤化物；CaSiAlN3 = Eu ；或Sr2_yCaySi04:Eu。另一些磷光体能用来通过基本上将所有的光转换成特定的颜色而产生饱和色发射。例如，能用下面磷光体来产生绿色饱和的光SrGa2S4 Eu ；Sr2_yBaySi04:Eu ；或SrSi2O2N2: Eu。下面列举某些另外的合适的磷光体，所述磷光体能用作转换粒子，不过另一些磷 光体也能使用。每种磷光体都显示在蓝色和/或紫外(UV)发射光谱中激发，提供理想的峰 值发射，具有有效的光转换，和具有可接受的StOkes频移黄/ 绿:(Sr, Ca, Ba) (Al，Ga) 2S4Eu2+Ba2 (Mg, Zn) Si2O7 Eu2+Gd0.46Sr0.31A1L 230XFL 38 Eu2+0.06(Ba1TySrxCay) SiO4: EuBa2SiO4: Eu2+红Lu2O3 Eu3+(Sr2_xLax) (Ce1^xEux) O4Sr2Ce1^xEuxO4Sr2^xEuxCeO4SrTiO3: Pr3+，Ga3+CaAlSiN3: Eu2+Sr2Si5N8IEu2+磷光体粒子206分散在整个粘合剂材料208中，磷光体粒子206的RI和粘合到 208的RI能相同，或者它们能不同。然而，差值通常尽量减小，以便减少散射。表1示出对有和没有间隔层的装置用于间隔层和粘合剂的不同折射率组合的光 激发效率(LEE，以％计)。在芯片内部的镜面折射率假定是常数，而磷体的RI假定为1. 8。表 权利要求
1.一种发光二极管(LED)装置，包括LED芯片，该LED芯片设在安装面上，上述LED芯片具有有纹理的发光表面和第一折射率；间隔层，该间隔层设在上述LED芯片上并覆盖上述发光表面，上述间隔层具有第二折 射率，该第二折射率小于上述第一折射率；和至少一个功能层，该功能层设在上述间隔层上。
2.如权利要求1所述的LED装置，上述至少一个功能层包括波长转换层。
3.如权利要求2所述的LED装置，上述波长转换层包括粘合剂材料，该粘合剂材料具有第三折射率，所述第三折射率大于上述第二折射率；和 许多磷光体粒子，该许多磷光体粒子分布在整个上述粘合剂材料中。
4.如权利要求3所述的LED装置，其中上述第二折射率近似地为1.5，而上述第三折射 率近似地为1.8。
5.如权利要求2所述的LED装置，上述波长转换层包括单晶磷光体材料。
6.如权利要求2所述的LED装置，上述波长转换层包括纳晶磷光体，所述纳晶磷光体分 散在整个粘合剂材料中。
7.如权利要求2所述的LED装置，上述至少一个功能层还包括滤光层，所述滤光层可透 射第一波长范围的光和反射第二波长范围的光，其中上述滤光层置于上述间隔层和波长转 换层之间。
8.如权利要求2所述的LED装置，其中上述LED芯片配置成发射蓝光，而上述波长转换 层配置成将一部分上述蓝光变换成黄光，以使上述LED装置发射组合以显示白光的上述蓝 光禾口黄光。
9.如权利要求2所述的LED装置，其中上述至少一个功能层包括光散射元件。
10.如权利要求9所述的LED装置，其中上述光散射元件包括光散射粒子。
11.如权利要求1所述的LED装置，其中上述间隔层包括一基本上是平的表面，该平的 表面与上述LED芯片相对。
12.如权利要求1所述的LED装置，其中上述功能层包括抗反射涂层。
13.如权利要求1所述的LED装置，其中上述间隔层具有厚度近似为1-25微米。
14.如权利要求1所述的LED装置，还包括半球形的封装剂，该封装剂设在上述安装面 上并覆盖上述LED芯片。
15.如权利要求14所述的LED，上述封装剂具有折射率近似地为1.5。
16.如权利要求1所述的LED装置，其中上述安装面是反射性的。
17.如权利要求1所述的LED装置，其中上述LED芯片包括铝镓铟氮化物(AlGaInN)半 导体层。
18.如权利要求1所述的LED装置，其中上述间隔层将上述功能层与上述LED芯片绝热。
19.如权利要求1所述的LED装置，其中上述间隔层使上述LED芯片钝化。
20.如权利要求1所述的LED装置，上述LED芯片包括反射元件，该反射元件与上述有 纹理的发光表面相对。
21.发光二极管(LED)装置，包括LED芯片，该LED芯片设在安装面上并具有有纹理的发光表面和第一折射率，上述LED 发射蓝光；间隔层，该间隔层设在上述LED芯片上并覆盖上述发光表面，上述间隔层具有与上述 LED芯片相对的平的表面和小于上述第一折射率的第二折射率而第二折射率；波长转换层，该波长转换层设在上述间隔层上，上述波长转换层将一部分上述蓝光转 换并发射黄光；和封装剂，该封装剂设在上述安装面上并覆盖上述LED芯片；其中上述发光二极管(LED)装置构造成发射上述蓝光和黄光的组合，使上述组合显示 白光。
22.如权利要求21所述的LED装置，还包括滤光层，该滤光层可透射第一波长范围的光 和反射第二波长范围的光，其中上述滤光层置于上述间隔层和上述波长转换层之间。
23.如权利要求21所述的LED装置，上述波长转换层包括硅酮粘合剂材料，该硅酮粘合剂材料具有第三折射率，所述第三折射率大于上述第二 折射率；和许多磷光体粒子，该磷光体粒子分布在整个上述粘合剂材料中。
24.如权利要求23所述的LED装置，其中上述第三折射率近似地为1.8。
25.如权利要求21所述的LED装置，其中上述第一折射率近似地为2.5。
26.如权利要求21所述的LED装置，其中上述第二折射率近似地为1.5。
27.如权利要求21所述的LED装置，其中上述间隔层具有厚度近似地为1-25微米。
28.如权利要求21所述的LED装置，上述波长转换层包括光散射粒子。
29.如权利要求21所述的LED装置，上其封装剂包括光散射粒子。
30.如权利要求18所述的LED装置，上述LED芯片包括反射元件，该反射元件与上述有 纹理的发光表面相对。
31.如权利要求21所述的LED装置，其中上述LED芯片包括铝镓铟氮化物(AlGaInN) 半导体层。
32.如权利要求21所述的LED装置，其中上述间隔层将上述波长转换层与上述LED芯 片绝热。
33.一种制造发光二级管(LED)装置的方法，包括提供LED芯片，该LED芯片具有第一折射率和有纹理的发光表面；将具有第二折射率的间隔层设在上述LED芯片上，其中上述第二折射率小于上述第一 折射率；将具有第三折射率的功能层设在上述间隔层上，其中上述第二折射率小于第三折射 率，且选择上述第二折射率以使光提取效率最大。
34.如权利要求33所述的方法，其中上述功能层包括波长转换层。
35.如权利要求33所述的方法，还包括将光散射粒子分散到整个上述功能层中。
36.如权利要求33所述的方法，还包括用封装剂封装上述LED芯片。
37.如权利要求36所述的方法，还包括将光散射粒子分散到整个上述封装剂中。
38.如权利要求33所述的方法，其中上述间隔层具有厚度近似地为1-25微米。
39.如权利要求33所述的方法，其中上述第二折射率近似地为1.5，而第三折射率近似地为1. 8。
40.如权利要求33所述的方法，其中上述LED芯片包括铝镓铟氮化物(AlGaInN)半导 体层。
全文摘要
一种发光二极管(LED)装置(100)，具有低折射率间隔层(108)，该间隔层(108)将LED芯片(102)与功能层(112)分开。LED芯片具有有纹理的发光表面(106)，以便增加从芯片中光提取作用。间隔层具有折射率，该折射率低于LED芯片和功能层二者的折射率。由于芯片的有纹理的表面，所以在LED芯片中所产生的光的大部分很容易进入间隔层。在间隔层和功能层的界面处，光可见到折射率升高，该折射升高有助于透射。一部分进入功能层的光将后向反射或散射朝向间隔层，此处一部分光经受内全反射。在该界面处内全反射可以通过减少重新进入间隔层并最终进入LED。芯片的光量增加提取效率，此处光可以被吸收。间隔层还在LED芯片和功能层之间提供绝热层。因此，功能层可以是例如包括磷光体的波长转换层，与从LED芯片直接热传递绝热。间隔层还能起钝化层作用。
文档编号H01L33/50GK102037577SQ200980118291
公开日2011年4月27日 申请日期2009年3月11日 优先权日2008年3月19日
发明者A·查克拉博尔蒂 申请人:克里公司