用于侧发射的具有成形的生长衬底的led的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发光二极管(LED)，并且具体地涉及用于使LED具有增强的侧发射的技术。
【背景技术】
[0002]从LED管芯发射的所有光的绝大部分是来自与LED的安装表面相对的其顶表面。这本质上创建针点型光，因为顶表面面积在Imm2的量级上。
[0003]图1表示针对LED的常见用途，其中LED位于用于在特定方向上引导光的反射杯中，诸如用于智能电话相机中的LED闪光灯。图1是使其阳极接触件12和其阴极接触件14形成在管芯10的底表面上的典型倒装芯片LED管芯10的截面视图。接触件12和14占据LED管芯10的底表面的大面积并且是反射的。管芯10可以可选地安装在具有用于接合到封装20的电极的更鲁棒的金属垫的基板上。
[0004]接触件12和14接合到封装20中的电极16和18。封装电极16和18然后可以连接到任何其它端子，诸如印刷电路板上的金属垫、衬底、用于插入到插座中的细长插针等。
[0005]LED管芯10位于反射杯22中。反射杯22的反射壁24可以涂敷有反射金属或涂料，或者杯22自身可以由反射金属形成。
[0006]LED管芯10可以是基于GaN的并且发射蓝光。杯22填充有包括灌注在硅树脂、环氧树脂或其它包封粘合剂材料25中的磷光体粉末26的材料。磷光体粉末26可以是YAG(发射黄绿光)，或者是混合物或红色和绿色磷光体粉末，或者是(多个)磷光体的任何其它类型。一些蓝光逸出，并且所得蓝光和磷光体光的混合物创建白光或任何其它颜色的光，这取决于磷光体的磷光体类型和密度。
[0007]LED管芯10在其图1的简化示例中具有η型半导体层28、有源层30和p型半导体层32。在异质结GaN LED中典型地存在许多其它层。LED层外延生长在生长衬底之上。导体34延伸通过P型半导体层32和有源层30以将阴极接触件14连接到η型半导体层28。在图1的示例中，已经移除生长衬底，诸如蓝宝石。
[0008]一般地，LED管芯10吸收撞击于其上的可见光的大约15%。在图1的示例中，来自LED管芯10的蓝色光线36激发磷光体粉末26的特定颗粒38，并且从颗粒38发射的光(例如黄光)在所有方向上发射。所发射的射线40之一被不出朝向LED管芯10返回，其中大约15%的光被LED管芯10吸收。
[0009]由于LED管芯10所发射的所有光的绝大部分通过其顶表面，并且LED管芯10上方的磷光体所发射的光的几乎一半向下朝向LED管芯10，因此存在被LED管芯10吸收的大量光，这降低了 LED模块的效率。
[0010]所需要的是用于改进诸如反射杯中的LED管芯之类的LED模块的效率的低廉技术。
【发明内容】
[0011]在一个实施例中，通过掩蔽和蚀刻或任何其它适合的方法图案化透明生长衬底晶片，诸如蓝宝石、SiC、GaN或其它生长衬底晶片，以具有带有成角侧的光学特征，其侧向反射大部分LED光使得大部分LED光从LED的侧壁发射。光学特征与生长衬底相对形成(即在整个LED的外侧上)。由于可能存在生长于单个生长衬底晶片上的数千个LED，因此将存在形成于衬底中的数以千计的光学特征。在一个实施例中，光学特征是近似关于其相关联的LED定中心的具有顶点的凹锥或凹坑。还设想到其它光学特征形状。
[0012]生长衬底晶片优选地比常规生长衬底晶片厚得多。例如，常规生长衬底晶片典型地小于100微米(理想地，在处理期间实现期望的机械支撑的最小厚度)。为了实现光学特征(例如锥体)的期望深度并且创建用于侧壁的相对大的表面积，生长衬底晶片可以大于常规生长衬底晶片的厚度的两倍，诸如0.
[0013]光学特征的成角侧可以通过全内反射(TIR)反射LED光，或者薄反射金属层可以沉积在生长衬底晶片之上以涂敷光学特征的外表面。生长衬底晶片的蚀刻优选地在生长LED半导体层之前执行以避免对LED的损坏。将假定LED是发射蓝光或紫外光的基于GaN的LED。在LED形成于生长衬底晶片之上之后，晶片被单个化以形成单独的侧发射LED管芯。
[0014]因此，由LED管芯的有源层发射的所有光的大部分将被光学特征侧向反射。
[0015]当所得LED管芯安装在反射杯中，并且该杯填充有磷光体材料时，通过蓝光激发的磷光体颗粒将不在LED管芯之上，而是将在杯的反射表面之上。因此，当颗粒在所有方向上发射光时，较小百分比的磷光体光将撞击在有源层上并且被LED吸收，并且较大百分比将被杯的反射壁表面向上反射。这大幅增加LED模块的光输出并且以非常少的附加成本改进效率。
[0016]本发明不限于倒装芯片LED，并且可以使用垂直LED或具有顶接触件的LED而不是倒装芯片LED。
[0017]通过将分离的侧发射透镜附连在LED管芯的顶部之上来创建侧发射LED是已知的，诸如用于背光源中的使用。然而，本技术消除了这样的侧发射透镜。由于没有使用分离的侧发射透镜，因此避免了用于透镜的成本和额外的处理步骤，并且LED模块可以制作得更浅。使用生长衬底中的光学特征反射LED光比使用侧发射透镜在光学上还更加高效。
[0018]公开了各种其它实施例。
【附图说明】
[0019]图1是安装在填充有磷光体材料的反射杯中的现有技术蓝色或UV倒装芯片LED管芯的截面简化视图。
[0020]图2是相对厚的透明生长衬底晶片的小部分的截面视图。
[0021]图3图示了在粗糙化底表面以改进光提取之后并且在形成顶表面以具有使LED成为侧发射LED的光学特征之后图2的晶片。
[0022]图4是形成在图3的生长衬底晶片上的两个简化LED的截面视图。
[0023]图5是安装在填充有磷光体材料的反射杯中的经单个化的LED管芯的截面视图，其中磷光体颗粒远离LED管芯的顶表面发射光以减少被LED管芯吸收的量。
[0024]图6图示了图5的结构但是添加有LED基板。
[0025]图7是LED管芯的另一实施例的截面视图，其中形成在生长衬底中的光学特征具有碗或抛物面形状。
[0026]图8是LED管芯的另一实施例的截面视图，其中形成在生长衬底中的光学特征具有圆顶形状以用于在LED管芯的顶表面之上将光折射离开。
[0027]相同或类似的元件利用相同标号来标记。
【具体实施方式】
[0028]本发明技术可以适用于许多类型的不同LED，并且将描述LED结构的一个示例以说明本发明的应用。在示例中，LED是发射蓝光的基于GaN的LED。用于基于GaN的LED的适合的透明生长衬底典型地为蓝宝石、SiC或GaN。
[0029]图2图示了蓝宝石生长衬底晶片42。这样的晶片在2-6英寸的直径之间是可得到的，尽管在本发明的范围内预期到并包括更大的晶片。由于典型的LED仅大约1_2，因此数千个LED可以形成在单个晶片42上。这样的晶片的常规厚度小于100微米，或者是制造商所认为的用于在处理期间对LED层的机械支撑所需的最小厚度。然而，在本过程中，使用厚得多的晶片42来容纳侧发射光学特征的深度并且创建大侧壁表面积。在一个实施例中，晶片42的厚度大约为0.3mm-lmm,并且优选地大于0.5mm。
[0030]晶片42的底表面43 (GaN生长表面)被粗糙化以通过减少全内反射(TIR)来增加光提取。这样的粗糙化是常规的并且可以通过碾磨、化学蚀刻、等离子体蚀刻等执行。
[0031]在一个实施例中，使用金属(Ni)掩模或光致抗蚀剂掩模来掩蔽晶片42的顶表面，并且对其进行化学蚀刻以形成用于要形成的每一个LED—个的数以千计的光学特征44。在一个实施例中，利用Ni掩模图案化晶片42表面，并且使用基于氯的感应耦合等离子体RIE过程来形成锥体光学特征。Ni掩模的厚度创建每一个掩模开口的边缘附近的阴影效果，使得蚀刻速率朝向Ni开口的边缘逐渐缩小。蓝宝石中的蚀刻特征是已知的。激光器或碾磨工具也可以用于蚀刻晶片