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CN107078195B - 具有反射层的底座上的发光设备 - Google Patents

具有反射层的底座上的发光设备 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例包括附接到底座顶表面的半导体发光二极管（LED）。多层反射体设置在与LED相邻的底座的顶表面上。多层反射体包括低折射率材料和高折射率材料的交替层的层对。与多层反射体直接接触的顶表面的部分是非反射性的。

Description

具有反射层的底座上的发光设备
技术领域
本发明涉及一种设置在底座上的发光设备，该底座具有设置在该发光设备旁边的反射层。
背景技术
半导体发光设备（包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器）属于当前可用的最高效的光源。在能够在可见光谱各处操作的高亮度发光设备的制造中当前引起兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，其也被称作III族氮化物材料。典型地，III族氮化物发光设备通过下述制作：通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术，在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它合适的衬底上外延生长不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层。叠层通常包括：在衬底上形成的掺杂以例如Si的一个或多个n型层、在该一个或多个n型层上形成的有源区中的一个或多个发光层、以及在有源区上形成的掺杂以例如Mg的一个或多个p型层。电气接触在n型和p型区上形成。
图1图示在US 8,680,556中更详细地描述的经封装磷光体转换的发光设备。图2更详细地图示图1的复合反射层。图1的设备包括设置在封装件300上并由包括磷光体的密封剂304覆盖的LED 302。从LED 302发射出的光、从密封剂304中的磷光体发射的光以及从密封剂304的出射表面反射的光可以朝向衬底300发射。此光的至少一部分从复合层362反射并被重定向，使得其可以离开封装件。
图2示出反射复合层362的一种可能配置。在此配置中，一组介电层308在一组金属层上形成。与金属层310相邻的介电层308的部分可以是粘附层312。与衬底300相邻的金属层310的部分也可以是粘附层312。在US 8,680,556中描述的实施例中，最靠近衬底300的复合层中的材料是银。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种设置在底座上的LED，该底座具有设置在该底座上的LED旁边的反射层。
本发明的实施例包括附接到底座顶表面的半导体发光二极管（LED）。多层反射体设置在与LED相邻的底座的顶表面上。多层反射体包括低折射率材料和高折射率材料的交替层的层对。与多层反射体直接接触的顶表面的部分是非反射性的。
本发明的实施例包括附接到底座顶表面的半导体发光二极管（LED）。一层设置在与LED相邻的底座顶表面上。透镜设置在LED和该层上。该层具有比该透镜的折射率低的折射率。
附图说明
图1是一种具有反射性封装表面的现有技术的经封装LED的横截面视图。
图2是图1的设备中的反射表面的一个示例的横截面视图。
图3是LED的一个示例的横截面视图。
图4是设置在底座上的LED的横截面视图，该底座具有与该底座直接接触的多层反射体。
图5是设置在底座上的LED的横截面视图，该底座具有与该底座上的导电垫直接接触的多层反射体。
图6是设置在底座上的LED的横截面视图，该底座具有多层反射体和低折射率层。
图7是设置在底座上的LED的横截面视图，该底座具有低折射率层。
具体实施方式
在本发明的实施例中，诸如半导体发光二极管的照明设备设置在具有至少一个反射层的封装件上。图3图示III族氮化物LED的一个示例。可以使用任何合适的半导体发光设备，并且本发明的实施例不限于图3中图示的LED。
在图3的设备中，大部分光穿过生长衬底从LED提取。这样的设备可以称为倒装芯片设备。如本领域中已知的，图3的LED通过在生长衬底10上生长III族氮化物半导体结构而形成。生长衬底通常是蓝宝石，但可以是任何合适的衬底，诸如例如非III族氮化物材料、SiC、Si、GaN或复合衬底。III族氮化物半导体结构在其上生长的生长衬底的表面可以在生长之前被图案化、粗糙化或纹理化，这会改进光从设备的提取。与生长表面相对的生长衬底的表面（即，在倒装芯片配置中，大部分光穿过其被提取的表面）可以在生长之前或之后被图案化、粗糙化或纹理化，这会改进光从设备的提取。
半导体结构包括夹置在n型区和p型区之间的发光区或有源区。n型区16可以首先生长，并且可以包括不同组分和掺杂剂浓度的多个层，该多个层例如包括准备层（诸如缓冲层或成核层，其可以是n型或非有意掺杂的），以及n型或甚至p型设备层（其针对对于使发光区高效发光而言所期望的特定光学、材料或电气性质而设计）。发光区或有源区18在n型区上生长。合适的发光区的示例包括单个的厚或薄的发光层，或多量子阱发光区，其包括由垒层分开的多个薄或厚的发光层。p型区20然后可以在发光区上生长。与n型区类似，p型区可以包括不同组分、厚度和掺杂剂浓度的多个层，其包括非有意掺杂的层或n型层。
在半导体结构的生长之后，反射性p接触在p型区的表面上形成。p接触21通常包括多个导电层，诸如反射金属和保护金属，其可以阻止或减少反射金属的电迁移。反射金属通常是银，但是任何合适的一种或多种材料可被使用。在形成p接触21之后，p接触21、p型区20和有源区18的部分被移除，以暴露n接触22在其上形成的n型区16的部分。n接触22和p接触21通过间隙25彼此电气隔离，间隙25可以填充以电介质，诸如硅的氧化物或任何其它合适的材料。可以形成多个n接触过孔；n接触22和p接触21不限于图3图示的布置。如本领域中已知的，n接触和p接触可以重新分配以形成具有电介质/金属叠层的接合垫。
为了将LED电气和物理地附接到另一结构，一个或多个互连26和28形成于n接触22和p接触21上，或电气连接到n接触22和p接触21。图3中，互连26电气连接到n接触22。互连28电气连接到p接触21。互连26和28与n接触22和p接触21电气隔离，并且通过介电层24和间隙27彼此电气隔离。互连26和28例如可以是焊料、柱形凸块、金层或任何其它合适的结构。许多单独的LED在单个晶片上形成，然后从设备的晶片上切块。衬底10可以在半导体结构的生长之后减薄，或者在形成单独的设备之后减薄。在一些实施例中，衬底从图3的设备移除。从图3的设备提取的大部分光穿过衬底10（或通过移除衬底10而暴露的半导体结构的表面）而提取。
图4、5、6和7图示经封装LED，其具有在底座上形成的不同反射层。在图4、5、6和7中的每一个中，LED 1电气和物理地连接到底座40的顶表面42。
LED 1可以电气地连接到在表面42上形成的电气传导结构44。电气传导结构44典型为金属垫。金属垫可以具有与LED 1基本相同的尺寸（如在例如图4中所图示的），或者可以覆盖未被LED 1覆盖的顶表面42的全部或部分（如在例如图5中所图示的）。金属垫44电气连接到接合垫（没有在附图中示出），其例如在顶表面42上或者在底座40的底表面上形成。底座40的底表面上的接合垫可以例如穿过在底座内形成的过孔（未示出）或穿过任何其它合适的结构连接到金属垫44。
底座40例如可以是陶瓷结构、塑料结构、具有一个或多个电气隔离层的金属结构、引线框或任何其它合适的结构。
在图4、5、6和7的每一个中，透明覆盖物46设置在LED 1和底座40上。如4、5、6和7所图示的，覆盖物46通常是光学元件，诸如圆顶透镜、菲涅尔透镜或任何其它合适的结构。在一些实施例中，覆盖物46仅仅是适形透明的材料片。覆盖物46可以与LED和底座分开形成，并通过胶合或任何其它合适的技术附接；或者例如通过层压、模成型或任何其它合适的过程在原位形成。在一些实施例中，一种或多种材料与形成覆盖物46的透明材料混合。与透明材料混合的合适材料的示例包括一种或多种波长转换材料，诸如粉末磷光体、调节折射率的材料、导致散射的粒子或任何其它合适的材料。
在图4、5、6和7的每一个中，未被LED 1覆盖的底座40的顶表面42的全部或部分被一个或多个反射层覆盖。反射层通过反射由LED 1发射的未转换光和/或由覆盖物46中的磷光体发射的经转换光，可以阻止光被底座40吸收，或者可以减少由底座40吸收的光的量。反射层可增加从覆盖物46的提取，这会提高设备的效率。
在图4和5中，多层反射体48设置在底座40的顶表面42上。多层反射体可以是例如高折射率材料和低折射率材料的交替层的多个层对。低折射率材料在一些实施例中可以具有至少1.2的折射率，并且在一些实施例中可以具有不超过1.6的折射率。高折射率材料在一些实施例中可以具有至少2的折射率，并且在一些实施例中可以具有不超过3的折射率。低折射率材料可以是SiO2或任何其它合适的材料。高折射率材料可以是TiO2、Ta2O5或任何其它合适的材料。
多层反射体可以是分布式布拉格反射体（DBR）。可以使用任何合适数量的层对；在一些实施例中至少2对、在一些实施例中不超过50个层对、在一些实施例中至少5对、在一些实施例中不超过40对以及在一些实施例中不超过12对。DBR的总厚度在一些实施例中至少为100nm、在一些实施例中不超过2μm、在一些实施例中至少为500nm以及在一些实施例中不超过5μm。在一些实施例中，DBR中的一个或多个层是聚合物。
在图4的设备中，金属垫44被限制于与LED 1的尺寸基本相同的区域，使得多层反射体48设置在底座40的顶表面42上并与其直接接触。在一些实施例中，底座40的顶表面42可以是不反射的表面。在图5的设备中，金属垫覆盖大于LED 1的占据面积的顶表面42的部分，使得多层反射体48设置在金属垫44上并与其直接接触。金属垫可以是基本上不反射由LED 1发射的光的金属。这样的非反射性金属的示例包括Cu、Al、Au、其组合或任何其它合适的金属或导电材料。
在图6中，多层反射体48与低折射率层50组合。多层反射体48（其可以是任何在上面伴随图4和5的文本中描述的多层反射体）设置成如图示地与顶表面42直接接触，或如图5所图示地与金属垫44直接接触。低折射率层50在多层反射体48上形成，使得多层反射体48设置在底座40和低折射率层50之间。
低折射率层50可以是这样的材料，其折射率在一些实施例中小于1.4、在一些实施例中不超过1.3、在一些实施例中不超过1.2、以及在一些实施例中至少1.1。在一些实施例中，低折射率材料50是空气，其典型具有为1的折射率。在低折射率层50和覆盖物46之间的界面处，这两个层之间的折射率的反差可以至少引起入射到该界面上的一些光通过全内反射而被反射。覆盖物46通常是硅树脂，其一般具有在1.4和1.6之间的折射率。材料可以添加到硅树脂形成的覆盖物46，以便增加覆盖物46的折射率，这将增加低折射率层和覆盖物之间的反差，其可以增加被反射的光的量。例如，覆盖物46的折射率在一些实施例中可以至少为1.5、在一些实施例中可以至少为1.8、在一些实施例中可以至少为2、以及在一些实施例中不超过2.5。
合适的低折射率材料包括低折射率玻璃（诸如MgF或其它氟化物玻璃）、低折射率聚合物和多孔材料（诸如多孔SiO2）。低折射率材料可以通过任何合适的过程形成。多孔或其它低折射率材料可以使用例如溶胶凝胶过程来沉积。
在图7中，低折射率层50在没有多层反射体的情况下被使用。低折射率层50可以是任何在上面伴随图6的文本中描述的低折射率层，可以设置成如图示地与顶表面42直接接触，或者如图5图示地与金属垫44直接接触。
图4、5、6和7中图示的反射层可以通过任何合适技术形成。例如，反射层可以在LED1附接到底座之后并且在覆盖物形成/附接之前，例如通过掩蔽LED 1或以其它方式阻止反射层在LED 1上形成而形成。反射层可以在LED 1附接到底座之前形成。反射层可以例如通过选择性生长或任何其它合适技术而不在LED 1之后将被放置的区域中形成，或者例如通过常规光刻技术而改变以形成LED 1将被放置的开口。在LED 1和反射层之间可存在间隙，或者LED 1和反射层可以没有间隙地放置，如图4、5、6和7所图示的。反射层的顶表面可以与LED 1的顶表面处于相同的高度，或者反射层的顶表面可以高于或低于LED 1的顶表面。
在一些实施例中，多于一个LED可以设置在具有反射层的底座上。在一些实施例中，除LED之外的设备设置在具有反射层的底座上。
尽管在上面的示例中，半导体发光设备是发射蓝光或UV光的III族氮化物LED，可使用除LED之外的半导体发光设备（诸如激光二极管）和由其它材料系统（诸如其它III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、ZnO或Si基材料）制成的半导体发光设备。
在已经详细描述了本发明之后，本领域技术人员鉴于本公开后将领会，可以对本发明做出修改，而不脱离本文所描述的发明概念的精神。例如，本文描述的任何实施例中描述的任何特征可以被包括于本文描述的任何实施例或从其中省略。因此，不意图将本发明的范围限于图示和描述的具体实施例。

Claims (10)

1.一种设备，包含：
具有非反射性顶表面的底座，
附接到所述底座的所述非反射性顶表面的部分的半导体发光二极管（LED）；以及
设置在与所述LED相邻的所述底座的所述非反射性顶表面上的多层反射体，所述多层反射体包含低折射率材料和高折射率材料的交替层；
设置在所述LED和所述多层反射体上并具有第一折射率的透镜；以及
设置在所述多层反射体和所述透镜之间的低折射率层，所述低折射率层具有比所述第一折射率低的第二折射率。
2.根据权利要求1所述的设备，其中与所述多层反射体直接接触的所述底座的所述非反射性顶表面的所述部分是金属。
3.根据权利要求1所述的设备，其中与所述多层反射体直接接触的所述底座的所述非反射性顶表面的所述部分是陶瓷、塑料和引线框中的一种。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述低折射率层具有不超过1.3的折射率。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述低折射率层选自由下述组成的组：玻璃、MgF和多孔材料。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述低折射率层包括氟化物玻璃。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述低折射率层包括多孔SiO2。
8.根据权利要求1所述的设备，还包含设置在所述透镜中的波长转换材料。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述多层反射体包含至少一个聚合物层。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述低折射率层包含空气。
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