CN111816750A - 具有小源尺寸的波长转换发光设备 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的实施例的照明结构包括半导体发光设备和附接到该半导体发光设备的平坦的波长转换元件。该平坦的波长转换元件包括用于吸收由半导体发光设备发射的光并且发射不同波长的光的波长转换层。该平坦的波长转换元件进一步包括透明层。该波长转换层在透明层上形成。

Description

具有小源尺寸的波长转换发光设备

技术领域

本发明涉及波长转换半导体发光设备。

背景技术

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）和边发射激光器的半导体发光设备是当前可用的最高效的光源之一。在能够跨越可见光谱操作的高亮度发光设备的制造中当前令人感兴趣的材料体系包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也被称为III族氮化物材料。典型地，通过在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其他合适的衬底上经由金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其他外延技术外延生长不同的成分和掺杂浓度的半导体层的堆叠来制作III族氮化物发光设备。该堆叠通常包括在衬底之上形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、在该一个或多个n型层之上形成的有源区中的一个或多个发光层以及在该有源区之上形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。在n型区和p型区上形成电接触。

图1A、1B、1C和1D图示了在US2013/0187174中更详细地描述的一种形成磷光体转换LED的方法。在图1A中，基底410被提供并且发光元件（LEE）210利用邻近基底410的接触件220附着到基底410或者被置于基底410上。LEE 210在邻近元件之间具有间隔405。基底410也可以被称为“成型衬底”。在一个实施例中，基底410包括胶膜或胶带或基本上由胶膜或胶带构成。在一些实施例中，基底401包括对磷光体230具有相对低的附着力的材料（即，它允许固化的磷光体230从基底410移除）或基本上由该材料构成。

在图1B中，形成屏障450。屏障450被示出为垂直于或基本垂直于表面435。邻近LEE210之间的间隔405可以被调节以控制LEE 210的侧面周围的固化磷光体230的宽度，如图1D所示。LEE 210之间的间隔405由磷光体的期望侧壁厚度的两倍与切口的和（其中该切口是在成品管芯200的单个化过程期间移除的区域的宽度，例如在图1D的中被标识为切口470）近似地确定。通过控制如图1B中所示被形成或分配的磷光体420的厚度425，可以控制LEE210之上的固化磷光体230的厚度。LEE 210之上的固化磷光体230的厚度260通过所分配的磷光体的厚度425减去LEE的厚度445而近似给出。磷光体420包括磷光体和粘合剂或基本上由磷光体和粘合剂构成。磷光体420被基底410的表面435和可选侧面或屏障450包含或定界。磷光体420具有底表面或底面460和顶表面或顶面440，它们基本上相互平行。

磷光体420随后被固化，从而产生如图1C中所示的固化磷光体230。

在图1D中，白色管芯200从图1D中所示的结构中分离或单个化（singulate）。白色管芯200可以具有处于从大约0.25mm到大约5mm的范围中的尺寸。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有小源尺寸的波长转换半导体发光设备。

根据本发明的实施例的照明结构包括半导体发光设备和附接到该半导体发光设备的平坦的波长转换元件。该平坦的波长转换元件包括用于吸收由半导体发光设备发射的光并且发射不同波长的光的波长转换层。该平坦的波长转换元件进一步包括透明层。波长转换层在透明层上形成。

根据本发明的实施例的方法包括：形成包括设置在透明层上的波长转换层的波长转换元件。波长转换元件然后被附接到半导体发光设备的晶片。波长转换元件和半导体发光设备的晶片然后被切块以形成多个照明元件。该多个照明元件然后设置在处置衬底上。反射材料设置在该多个照明元件之间。

根据本发明的实施例的方法包括形成波长转换元件，该波长转换元件包括设置在透明层上的波长转换层。波长转换元件然后附接到设置在处置衬底上的多个切块的半导体发光设备。波长转换元件然后被切块以形成多个照明元件。

附图说明

图1A、1B、1C和1D图示了一种形成磷光体转换发光元件的方法。

图2图示了III族氮化物LED的一个示例。

图3图示了设置在透明层上的波长转换层。

图4图示了附接到LED的晶片的图3的结构。

图5图示了在将晶片切块成单独的LED、将LED附接到处置衬底且在LED之上形成反射材料之后的图4的结构。

图6图示了在移除多余的反射材料之后的图5的结构。

图7图示了设置在处置衬底上的单独的LED，其中波长转换层设置在附接到LED的透明层上。

图8图示了将图7中图示的两个LED单个化。

图9图示了设置在处置衬底上的经单个化的图7的LED，其中反射材料设置在LED之上。

图10图示了在移除多余的反射材料之后的图9的结构。

图11图示了在从波长转换层移除衬底之后的图10的结构。

具体实施方式

因为磷光体遍布图1D中的LEE的边缘，所以图1D中图示的设备具有比没有磷光体层的发光二极管更大的源尺寸。由于大源尺寸的缘故，图1D中图示的设备可能没有在更小源尺寸中发射的相同量的光那么明亮。大源尺寸使得图1D中图示的设备在一些应用中是不合需要的。

本发明的实施例包括具有相对小源尺寸的波长转换设备，其可以廉价制造。

虽然在下面的示例中半导体发光设备是发射蓝色或UV光的III族氮化物LED，但是可以使用除LED之外的诸如激光二极管之类的半导体发光设备和由诸如其他III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、ZnO或硅基材料之类的其他材料体系制成的半导体发光设备。

图2图示了可以在本发明的实施例中使用的III族氮化物LED 1。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2中图示的设备。如本领域中已知，图2的设备通过在生长衬底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，但是可以是任何合适的衬底，比如例如SiC、Si、GaN或复合衬底。在其上生长III族氮化物半导体结构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，这可以改进光从设备的提取。生长衬底的与生长表面（即，在倒装芯片配置中通过其提取大部分光的表面）相对的表面可以在生长之前或之后被图案化、粗糙化或纹理化，这可以改进光从设备的提取。

半导体结构包括夹在n型区域与p型区域之间的发光或有源区域。n型区域16可以首先生长并且可以包括不同成分和掺杂浓度的多个层，该多个层例如包括：诸如缓冲层或成核层之类的制备层；和/或设计成促进生长衬底的移除的层，其可以是n型的或意外掺杂的；以及针对为了发光区域高效发光而合需要的特定光学、材料或电气属性设计的n型或者甚至p型设备层。发光或有源区域18在n型区域之上生长。合适的发光区域的示例包括：单个厚或薄的发光层，或者包括由屏障层分隔的多个薄或厚的发光层的多量子阱发光区域。p型区域20然后可以在发光区域之上生长。与n型区域一样，p型区域可以包括不同成分、厚度和掺杂浓度的多个层，包括意外掺杂的层或n型层。

在生长之后，在p型区域的表面上形成p-接触。该p-接触21通常包括多个导电层，比如反射金属和可以防止或减少反射金属的电迁移的防护金属。反射金属通常是银，但是可以使用任何合适的一种或多种材料。在形成p-接触21之后，p-接触21的部分、p型区域20和有源区域18被移除以暴露n型区域16的部分，在n型区域16的该部分上形成n-接触22。n-接触22和p-接触21通过间隙25彼此电气隔离，该间隙25可以用诸如硅氧化物之类的电介质或任何其他合适的材料填充。可以形成多个n-接触通孔；n-接触22和p-接触21不限于图2中图示的布置。n-接触和p-接触可以被重新分布以形成具有电介质/金属堆叠的接合焊盘，如本领域中已知的那样。

为了形成到LED 1的电连接，一个或多个互连26和28在n-接触22和p-接触21上形成或电连接到n-接触22和p-接触21。在图2中，互连26电连接到n-接触22。互连28电连接到p-接触21。互连26和28通过电介质层24和间隙27与n-接触22和p-接触21电气隔离并且相互电气隔离。互连26和 28可以例如是焊料、柱形凸起物（stud bump）、金层或任何其他合适的结构。半导体结构、n-接触22和p-接触21以及互连26和28在下面的图中被示出为LED结构12。

衬底10可以被减薄或完全移除。在一些实施例中，通过减薄暴露的衬底10的表面被图案化、纹理化或粗糙化以改进光提取。

许多单独的LED在单个晶片上形成，然后从设备的晶片中被切块。可以使用任何合适的设备。本发明不限于图2中图示的特定LED。衬底10和LED结构12的组合厚度在一些实施例中可以为至少50μm，在一些实施例中可以为不超过500μm，在一些实施例中可以为至少100μm，并且在一些实施例中可以为不超过250μm。衬底10在一些实施例中可以为不超过250μm厚，在一些实施例中可以为不超过150μm厚，并且在一些实施例中可以为至少100μm厚。

如图3中所图示，波长转换元件与LED分离地形成。波长转换元件包括支撑衬底30和波长转换层32。波长转换元件在晶片级上形成，意味着图3中图示的波长转换元件可以被认为是许多单独的波长转换元件的晶片。

在一些实施例中，支撑衬底30变成发光设备的部分。在这些实施例中，支撑衬底30可以对由LED发射的光和/或由磷光体发射的光而言是透明的。支撑衬底也可以是足够鲁棒的以承受在将波长转换元件附接到LED之后发生的任何处理步骤并且承受发光设备的操作条件，并且可以由光学地适合用于发光设备的材料形成。支撑衬底30可以例如是玻璃、硅树脂、聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或任何其他合适的材料。

在一些实施例中，支撑衬底30被移除，并且未变成发光设备的部分。在这些实施例中，针对成本和对支撑衬底30所经受的处理步骤的适用性来选择支撑衬底30材料。如果支撑衬底30在处理之后被移除，则该支撑衬底不需要是透明的。

波长转换层32包括波长转换材料，其可以例如是常规的磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI或III-V族半导体、II-VI或III-V族半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或其他发光的材料。波长转换材料吸收由LED发射的光并且发射一个或多个不同波长的光。未经转换的由LED发射的光通常是从结构提取的光的最终光谱的部分，尽管它不需要是。常见组合的示例包括与黄色发射波长转换材料组合的蓝色发射LED、与绿色和红色发射波长转换材料组合的蓝色发射LED、与蓝色和黄色发射波长转换材料组合的UV发射LED以及与蓝色、绿色和红色发射波长转换材料组合的UV发射LED。发射其他颜色光的波长转换材料可以被添加以定制从结构提取的光的光谱。

波长转换层32可以包括与波长转换材料混合的诸如硅树脂之类的透明材料。波长转换层32通过任何合适的技术形成并附接到支撑衬底30。在一些实施例中，作为与透明材料混合的波长转换材料的波长转换层32被分配、丝网印刷、模板印刷、旋转浇铸、层压、成型或以其他方式形成在玻璃支撑衬底30上。波长转换层32可以通过包括固化的过程而形成，例如通过将波长转换层暴露于光和/或升高的温度而形成。例如，层压的波长转换层32可以在一些实施例中在大于120℃并且在一些实施例中在小于180℃的温度下被固化。在一些实施例中，波长转换层32当它设置在支撑衬底上时被部分固化，并且在稍后的处理步骤期间（比如例如，当它被附接到发光设备时）被部分固化。

波长转换层32可以具有在一些实施例中至少30μm、在一些实施例中不超过100μm、在一些实施例中至少50μm且在一些实施例中不超过80μm的厚度。支撑衬底30在一些实施例中可以比波长转换层32更薄，尽管这不是所要求的。诸如玻璃之类的透明支撑衬底30可以具有在一些实施例中至少10μm、在一些实施例中至少20μm、在一些实施例中不超过200μm、在一些实施例中不超过150μm、在一些实施例中不超过60μm且在一些实施例中不超过50μm的厚度。

在图4中，在LED晶片被切块之前，图3中图示的波长转换元件被附接到LED的晶片。波长转换层32的与支撑衬底30相对的表面附接到与LED结构12A-12F相对的衬底10的表面。波长转换元件可以通过任何合适的技术附接到LED晶片，比如利用硅树脂或任何其他合适的粘合剂进行粘合、或者加热波长转换元件以使得波长转换层32中的透明材料附着到衬底10。

图4中图示的结构然后被切块成单独的LED，或LED的组。图4中图示的结构例如通过切割穿过支撑衬底30、波长转换层32、衬底10以及图4中图示的区域34中的LED结构12A-12F的部分来切块。这些层可以在单个切割步骤中一起切割，或者各个层可以在多个切割步骤中分别切割。例如，衬底10和LED结构12可以在支撑衬底30和波长转换层32例如通过锯切而被切割之前或之后例如通过划线和折断而切割。可以使用任何（多种）合适的切割技术，比如例如锯切、激光划线、划线及折断、刀片切割或任何其他合适的工艺。尽管图4中仅图示了六个单独的LED，但是LED晶片可以包括更多单独的LED。

在图5中，在图4中被切块的LED被置于处置衬底40上。图5中仅图示了单个处置衬底40的包括三个LED 38A、38B和38C的部分。图5和图6中图示的过程可以在其中数百或数千个LED设置在单个处置衬底40上的规模下进行。处置衬底40是LED可以稍后从中被移除的任何合适的结构，比如例如晶片处置带。LED可以在一些实施例中间隔至少100μm、在一些实施例中间隔至少150μm、在一些实施例中间隔至少200μm且在一些实施例中间隔不超过500μm。

反射材料36设置在LED 38A、38B和38C之上。反射材料可以例如是设置在透明材料中的白色或反射颗粒，比如TiO₂。反射颗粒和透明材料可以折射率的反差，其散射和/或反射光。反射材料可以通过任何合适的技术形成；例如反射材料可以在LED之上成型、分配、层压或以其他方式设置。

在一些实施例中，如图5中所图示，多余的42反射材料36在LED 38A、38B和38C的顶部之上形成。图5中图示的多余材料42可以被移除，如图6中所图示。该多余材料42可以通过任何合适的技术移除，包括干喷砂（bead blasting）、湿喷砂、研磨、抛光、机械技术或刻蚀。在多余材料被移除之后，LED 38A、38B和38C的顶部46被暴露。顶表面46是支撑衬底30的与波长转换层32相对的表面。在一些实施例中，用于移除多余材料42的技术被选择以粗糙化、抛光、纹理化或图案化顶表面46，例如以便改进光从设备的提取。可替换地，顶表面可以在单独的处理步骤中被粗糙化、抛光、纹理化或图案化。

在一些实施例中，在移除了图5中所示的多余材料42之后，LED之间的反射材料36的顶表面48与LED 38A、38B和38C的顶表面处于相同水平。在一些实施例中，如图6中所图示，在移除多余的反射材料之后，LED之间的反射材料36的顶表面48与LED 38A、38B、38C的顶表面处于不同的水平。特别地，LED之间的反射材料36的顶表面48可以低于LED 38A、38B、38C的顶表面。将反射材料的厚度减小至低于LED的顶表面可能例如在下文描述的其中在形成反射材料之后移除支撑衬底30的实施例中是有用的。

LED然后可以通过切割LED之间的反射材料（例如在图6中图示的区域50中）被分离成单独的设备或设备的组。LED然后可以通过任何适合于所使用的特定处置衬底的技术而从处置衬底40移除。因为反射材料36被设置在LED的侧面上，所以主要通过LED的顶表面（图6中图示的实施例中的波长转换构件的支撑衬底30的表面）从最终设备提取光。在切割之后，LED的侧面上的反射材料的厚度可以在一些实施例中至少为30μm、在一些实施例中至少为50μm、在一些实施例中至少为100μm且在一些实施例中不超过500μm。

在一些实施例中，如图7、8、9、10和11中所图示，图3中图示的波长转换元件晶片在LED从LED晶片分离之后被附接到LED的组。在这些实施例中，LED晶片在波长转换元件晶片之前被切块。可能难以同时对波长转换元件和LED晶片切块，如上文参照图4所描述。

在图7中，先前切块的LED设置在处置衬底40上。图7中仅图示了包括四个LED 52A、52B、52C和52D的单个处置衬底40的部分。图7-11中图示的过程可以在其中数百个LED设置在单个处置衬底40上的规模下进行。处置衬底40是LED可以稍后从中被移除的任何合适的结构，比如例如晶片处置带。

如上面图3中所描述的波长转换元件晶片通过任何适当的材料或技术附接到LED的顶表面。波长转换元件晶片可以被附接成使得波长转换层32设置在LED与支撑衬底30之间，如图7中所图示，尽管相对的取向（其中支撑衬底30设置在LED与波长转换层32之间）也是可能的。

波长转换元件晶片然后在区域51中被切割以形成单个设备或设备的组。图8中图示了在两个LED 52A和52B之间切割波长转换元件晶片。

在完整的设备中，单个LED之上的波长转换构件优选地尽可能接近LED的顶表面的尺寸，以便限制源尺寸并且由此改进设备的效率。示例性LED 52A和52B因此尽可能在处置衬底40上靠近在一起地间隔。LED 52A和52B的间距可以通过由于切割波长转换元件造成的切口56的宽度和波长转换元件切割操作的公差确定。

切口的宽度可以取决于所使用的切割技术而变化。通过例如锯切形成的切口56可以在一些实施例中不超过75μm宽、在一些实施例中不超过50μm宽、在一些实施例中不超过25μm宽且在一些实施例中至少为10μm宽。

相邻设备之间的间距54可以在一些实施例中不超过150μm、在一些实施例中不超过100μm、在一些实施例中不超过50μm且在一些实施例中至少为30μm。在切割之后波长转换构件向外延伸超出LED的长度或突出部分58可以在一些实施例中不超过50μm、在一些实施例中不超过30μm、在一些实施例中不超过20μm且在一些实施例中至少为10μm。

如图8中所图示，每个LED之上的波长转换层32是基本上平坦的，因为它没有在LED侧面之上向下延伸。在一些实施例中，波长转换层的面积大于LED的顶表面的面积。波长转换层的面积可以在一些实施例中至少是LED的顶表面的面积的100%，在一些实施例中至少是LED的顶表面的面积的110%，在一些实施例中不超过LED的顶表面的面积的125%，在一些实施例中不超过LED的顶表面的面积的150%，且在一些实施例中不超过LED的顶表面的面积的200%。在一些实施例中，波长转换层的面积与LED的顶表面的面积相同，或者甚至稍小于LED的顶表面的面积。

在图9中，在切割如图8中图示的波长转换元件晶片以形成单独的LED或LED的组之后，LED 60A、60B和60C从处置衬底40移除并且被置于不同的处置衬底41上。该不同的处置衬底41可以是任何合适的材料并且可以是与处置衬底40相同类型的处置衬底，比如例如晶片处置带。可替换地，LED可以留在图8中图示的处置衬底40上，该处置衬底40可以被拉伸以使LED更远地间隔开。图9中的LED可以在一些实施例中间隔至少100μm，在一些实施例中间隔至少150μm，在一些实施例中间隔至少200μm且在一些实施例中间隔不超过500μm。

反射材料36在LED之上成型，如上文参照图5所描述。

在图10中，LED的顶部之上的多余反射材料被移除，如上文参照图6所描述。如上文参照图6所描述，在多余材料被移除之后，LED 60A、60B和60C的顶部64被暴露。顶表面64是支撑衬底30的与波长转换层32相对的表面。在一些实施例中，用于移除多余反射材料的技术被选择以粗糙化、抛光、纹理化或图案化顶表面64，例如以便改进光从设备的提取。

在一些实施例中，在移除多余反射材料之后，LED之间的反射材料36的顶表面62与LED 60A、60B和60C的顶表面处于相同水平。在一些实施例中，如图10中所图示，在移除多余反射材料之后，LED之间的反射材料36的顶表面62与LED 60A、60B和60C的顶表面64处于不同水平。特别地，LED之间的反射材料36的顶表面62可以低于LED 60A、60B和60C的顶表面64。将反射材料的厚度减小至低于LED的顶表面可能例如在如下文描述的其中在形成反射材料之后移除支撑衬底30的实施例中是有用的。

反射材料可以在区域68中切割以形成单独的LED或LED的组，然后这些设备从处置衬底41中移除，如上文参照图6所描述。

图11图示了其中支撑衬底30从波长转换层32移除的设备。在图11中图示的结构中，在形成反射材料且移除多余反射材料之后，但在切割反射材料以形成图6或图10中图示的单独LED或LED的组之前，支撑衬底30从设备中移除。

在其中支撑衬底被移除的实施例中，支撑衬底可以是为易于移除而选择的材料。例如，支撑衬底可以是PET。当形成图3中图示的波长转换元件时，诸如硅树脂粘合剂或热释放粘合剂之类的粘合剂的层可以设置在波长转换层32与支撑衬底30之间。

图6或10中图示的支撑衬底件30可以例如通过带到带传递、热释放或任何其他合适的技术移除，从而导致图11中图示的结构。

在移除支撑衬底之后，三个LED 72A、72B和72C中的每一个的顶表面66是波长转换层32的表面。在支撑衬底的移除期间或之后，波长转换层32的表面可以被纹理化、图案化或粗糙化，例如以便改进光提取。在多余反射材料的移除期间，反射材料可以被减薄，以使得在移除支撑衬底之后，LED的顶表面66与反射材料36的顶表面62基本上处于相同的水平，尽管这不是所要求的—LED的顶表面66可以高于或低于反射材料的顶表面62。

在移除支撑衬底之后，LED之间的反射材料在区域70中被切割，以将设备分离成单独的LED或LED的组。

在已经详细描述了本发明之后，本领域技术人员将领会，在给定本公开的情况下，可以在不背离本文描述的创造性概念的精神的情况下对本发明进行修改。因此，并非意在使本发明的范围被限于所图示和描述的特定实施例。

Claims (14)

1.一种制造发光设备的方法，所述方法包括：

通过在透光支撑衬底上设置波长转换层来形成波长转换元件；

在所述形成之后，将所述波长转换元件附接到半导体发光设备的晶片；

在所述附接之后，将所述波长转换元件和所述半导体发光设备的晶片切块以形成多个照明元件；

在所述切块之后，将所述多个照明元件设置在处置衬底上；以及

在所述多个照明元件之间设置反射材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述波长转换元件包括将所述波长转换层层压到所述支撑衬底上。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述波长转换元件包括将所述波长转换层成型到所述支撑衬底上。

4.根据权利要求1所述的方法，包括纹理化所述支撑衬底的表面。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反射材料包括设置在透明材料中的颗粒。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述多个照明元件之间设置所述反射材料包括利用反射材料覆盖所述透光支撑衬底的顶表面，所述方法进一步包括移除设置在所述透光支撑衬底的顶表面上的反射材料。

7.根据权利要求1所述的方法，包括切割所述多个照明元件之间的所述反射材料。

8.一种制造发光设备的方法，所述方法包括：

通过在透光支撑衬底上设置波长转换层来形成波长转换元件；

在所述形成之后，将所述波长转换元件附接到多个切块的半导体发光设备；

在所述附接之后，将所述波长转换元件和支撑衬底切块，以形成多个照明元件；

在所述切块之后，将所述多个照明元件设置在处置衬底上；以及

在所述多个照明元件之间设置反射材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述波长转换元件包括将所述波长转换层层压到所述支撑衬底上。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述波长转换元件包括将所述波长转换层成型到所述支撑衬底上。

11.根据权利要求8所述的方法，包括纹理化所述支撑衬底的表面。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述反射材料包括设置在透明材料中的颗粒。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述多个照明元件之间设置所述反射材料包括利用反射材料覆盖所述透光支撑衬底的顶表面，所述方法进一步包括移除设置在所述透光支撑衬底的顶表面上的反射材料。

14.根据权利要求8所述的方法，包括切割所述多个照明元件之间的所述反射材料。

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