專利名稱：Led發(fā)光芯片的光提取層及l(fā)ed裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光器件，尤其涉及一種能夠同時提高取光效率和出光效率的LED芯片的光提取層及LED裝置。
背景技術：
近年來，隨著半導體照明的不斷深入發(fā)展，發(fā)光二極管(LED)以其高電光轉換效率和綠色環(huán)保的優(yōu)勢受到越來越廣泛的關注。半導體照明產品中的核心組成部分是LED芯片，其研究與生產技術有了飛速的發(fā)展，芯片亮度和可靠性不斷提高。在LED芯片的研發(fā)和生產過程中，器件外量子效率的提高一直是核心內容，因此，光提取效率的提高顯得至關重要。LED芯片的光提取效率是指出射到芯片外可供利用的光子與外延片的有源區(qū)由電子空 穴復合所產生的光子的比例。在傳統(tǒng)LED芯片中，由于襯底吸收、電極阻擋、出光面的全反射等因素的存在，光提取效率很低，并且絕大部分光子被限制在芯片內部無法出射而轉變成熱，從而成為影響芯片可靠性的不良因素。為提高光提取效率，公開號CN101071840A (
公開日為2007年11月14日)的專利申請公開了一種發(fā)光器件，包括半導體層和光提取層，其中，光提取層由折射率等于或者高于該半導體層的折射率的材料制成，且該光提取層為多孔結構，孔內填充透明導電氧化物。該發(fā)光器件雖然提高了半導體層與光提取層界面上的光提取效率，但是在光提取層與環(huán)氧樹脂界面上發(fā)生全反射的臨界角減小了，不利于LED芯片封裝器件的出光，仍然存在LED發(fā)光器件出光效率低的問題。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種LED發(fā)光器件，以能夠同時提高LED發(fā)光器件的光提取效率和出光效率。基于此，本發(fā)明還提供了一種LED芯片及其制作方法和LED裝置。本發(fā)明采用如下技術方案—種LED發(fā)光芯片的光提取層,所述LED發(fā)光芯片包括半導體層和與所述半導體層直接接觸的光提取層，所述光提取層與所述半導體層直接接觸的表面為第一表面，所述光提取層與外部介質直接接觸的表面為第二表面，所述第一表面的折射率不小于所述半導體層的折射率，且所述光提取層的折射率從所述第一表面至所述第二表面呈遞減變化趨勢，且所述第二表面的折射率不大于所述外部介質的折射率。進一步地，所述光提取層只有一層，制備所述光提取層的材料的各組分的含量隨著所述光提取層厚度的變化而變化，使所述光提取層的折射率隨著所述光提取層的厚度的增加而減小。進一步地，所述光提取層由k層光提取子層組成，第i層光提取子層的折射率大于第i+1層的光提取子層的折射率；
其中，所述第i層光提取子層比所述第i+Ι層光提取子層靠近所述半導體層，i, k均為整數(shù)，k>l，l≤i〈k進一步地，所述LED發(fā)光芯片為垂直結構、正裝結構或倒裝結構。進一步地，所述LED發(fā)光芯片包括襯底、位于所述襯底的第一端面之上的P型氮化鎵層、位于所述P型氮化鎵層之上的量子阱發(fā)光層、位于所述量子阱發(fā)光層之上的所述N型氮化鎵層、位于所述N型氮化鎵層的第一區(qū)域之上的N電極、位于所述N型氮化鎵層的第二區(qū)域之上的光提取層以及位于所述襯底的第二端面之上的P電極；其中，所述N型氮化鎵層的第一區(qū)域和第二區(qū)域構成N型氮化鎵層；所述第一端面和所述第二端面為所述襯底相對的兩個端面。進一步地，所述LED發(fā)光芯片還包括導電層，所述導電層內含有若干個孔，所述孔內填充如上述任一項所述的光提取層。進一步地，所述LED發(fā)光芯片包括襯底、位于所述襯底之上的N型氮化鎵層、位于所述N型氮化鎵層的第一區(qū)域之上的量子阱發(fā)光層、位于所述N型氮化鎵層的第二區(qū)域之上的N電極、位于所述量子阱發(fā)光層之上的P型氮化鎵層、位于所述P型氮化鎵層之上的導電層、以及位于導電層之上的P電極；其中，N型氮化鎵層的第一區(qū)域和第二區(qū)域構成N型氮化鎵層。進一步地，所述導電層由透明導電氧化物制成。進一步地,采用復合物XTiO2/ (1-X)SiO2或XNb2O5/ (1-X)SiO2制作所述光提取層，其中，O≤X≤I。一種LED裝置，包括，支架、位于所述支架之上的LED芯片和金屬引線，其中，所述LED芯片采用上述任一項所述的結構。進一步地，還包括，位于所述LED芯片之上的環(huán)氧樹脂。本發(fā)明提供的LED發(fā)光芯片的光提取層，其光提取層的第一表面的折射率不小于與其直接接觸的半導體層的折射率，從而減少了光的反射，提高了 LED發(fā)光芯片的取光效率，同時，將光提取層的第二表面的折射率設置為不大于與其直接接觸的外部介質的折射率，并且，光提取層的折射率從第一表面到第二表面逐漸降低，這樣光在從光提取層入射到外部介質時，不會發(fā)生全反射，提高了 LED發(fā)光芯片的出光效率。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明實施例一的結構示意圖；圖2是本發(fā)明實施例二的結構示意；圖3 Ca)和圖3 (b)是本發(fā)明實施例三的結構示意圖；圖4 Ca)和圖4 (b)是本發(fā)明實施例四的結構示意圖；圖5是本發(fā)明實施例五的結構圖；圖6是本發(fā)明實施例六的結構圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。應當理解，當層、區(qū)域或襯底這樣的部件被稱為位于另一部件“之上”或“之下”時，它可以直接位于另一部件之上或之下，或可以存在中間部件。
實施例一請參閱圖1。圖1是本發(fā)明實施例一的LED發(fā)光芯片的的結構示意圖。該LED發(fā)光芯片包括半導體層11和與該半導體層11直接接觸的光提取層12。光提取層12與半導體層11直接接觸的表面為第一表面12-1，光提取層12與外部介質(圖中未示出)直接接觸的表面為第二表面12-2，第一表面12-1的折射率不小于半導體層11的折射率，需要提出的是，這里所說的不小于應理解為等于或略大于，即光提取層的第一表面12-1的折射率與半
導體層11的折射率相近，根據(jù)反射率計算公式，當光垂直入射時，反射率為^ ^ 2，可知，
("I + "■ I
當光提取層12的第一表面與12-1半導體層11的折射率相近時，即兩者的折射率相差越小時，反射率較小，能夠解決傳統(tǒng)結構的光提取層與半導體層之間因折射率相差較大而引起的高反射率，進而導致較低的光提取效率的問題，同時，第一表面12-1處不會產生全反射現(xiàn)象，提聞了光的提取效率。此外，通常情況下，LED發(fā)光芯片的半導體層11為氮化鎵基材料，半導體層11可以包括P型氮化鎵層、量子阱發(fā)光層、N型氮化鎵層。半導體層11的折射率為2. 4，用來封裝芯片的環(huán)氧樹脂的折射率為1. 4，如上述所述，為了提高光在半導體層的光提取效率，光提取層的折射率通常不小于半導體層的折射率，即，光提取層的折射率不小于2. 4。而現(xiàn)有技術中，整個光提取層具有單一的光折射率，所以在光提取層的第二表面處的折射率仍不小于2. 4，明顯大于外部介質的折射率(如環(huán)氧樹脂的折射率為1. 4，空氣的折射率為1. O)。由于光提取層的折射率遠遠大于外部介質的折射率，當光從光提取層入射到外部介質時，光在光提取層與外部介質的界面即第二表面上發(fā)生全反射的臨界角變小，從而導致易發(fā)生全反射，進而導致LED發(fā)光芯片的出光率較低。為解決出光效率較低的問題，本發(fā)明實施例一的光提取層第二表面12-2的折射率不大于與其直接接觸的外部介質的折射率，這里所說的不大于應理解為等于或略小于，即光提取層的第二表面12-2的折射率與外部介質的折射率相近，這樣，光從第二表面12-2入射到外部介質(環(huán)氧樹脂或空氣)中時，解決傳統(tǒng)結構的光提取層與外部介質之間因折射率相差較大而引起的高反射率，進而導致較低的光提取效率的問題，同時，第二表面12-2處不會產生全反射現(xiàn)象，光最大可能地射到發(fā)光芯片的外部，而沒有被全反射到發(fā)光芯片的內部，相較于現(xiàn)有技術明顯提高了 LED發(fā)光芯片的出光率。本實施例提供的光提取層一般可以通過PECVD或濺射等方法采用透明氧化物或透明氮化物形成。
上述所述的LED發(fā)光芯片的光提取層可以為單層結構。當該光提取層為單層結構時，可以采用至少兩種化合物的復合物形成。例如，可以采用復合物XTiO2/(1-x) SiO2或XNb2O5/(1-x) SiO2制作光提取層，隨著光提取層的厚度變化，光提取層中的復合物中的各組分的含量會發(fā)生變化，即，X的值在區(qū)間
之間發(fā)生變化。光提取層的組分含量變化會導致光提取層的折射率發(fā)生變化，從而實現(xiàn)光提取層的折射率隨著光提取層厚度的增加而減小。當光提取層為一層結構時，光提取層的折射率從第一表面到第二表面是連續(xù)變化、逐漸降低的，光在光提取層內部傳播過程中，不存在界面反射，提高了 LED發(fā)光芯片的出光效率。實施例一中的LED發(fā)光芯片的光提取層僅有一層結構,通過制備該光提取層12的材料的各組分的含量隨著光提取層12的厚度變化而變化，實現(xiàn)光提取層12折射率隨著光提取層12的厚度的增加而減小。此外，本發(fā)明提供的LED發(fā)光芯片的光提取層還可以通過形成多層光提取子層實現(xiàn)光提取層12折射率的變化。實施例二 實施例二提供的LED發(fā)光芯片與實施例一的不同點僅在于光提取層12由具有不同折射率的多層光提取子層構成，其它部分的結構、制作方法與實施例一中的相同。為了簡要起見，本實施例僅對光提取層進行詳細說明，其它部分請參閱實施例一。結合圖2，光提取層12由k層光提取子層組成，且每層光提取子層的折射率呈階躍式變化，與半導體層11接觸的光提取子層為第I層光提取子層，依次為第2層光提取子層，……，第i層光提取子層，第i+Ι層光提取子層……，第k層光提取子層，第k層光提取子層與外部介質(圖中未標出)接觸?？梢钥闯?，第i層光提取子層比第i+Ι層光提取子層靠近半導體層11。其中，第I層光提取子層(相當于光提取層1202的第一表面)的折射率不小于與其直接接觸的半導體層11的折射率，并且第i層光提取子層的折射率大于第i+1層光提取子層的折射率，第k層光提取子層(相當于光提取層1202的第二表面)的折射率不大于與其直接接觸的外部介質的折射率，其中，i，k均為整數(shù)，k>l, I ( i〈k?？梢钥闯?，越遠離半導體層11的光提取子層的折射率越小，所以，當光從半導體層11入射到光提取層12中的各光提取子層時，由于第I光提取子層的折射率不小于半導體層的折射率，且光提取子層的折射率隨著與半導體層11距離的增加呈階躍式遞減，且相鄰的兩層光提取子層
( -P Y
之間的折射率差值較小，根據(jù)反射率計算公式，當光垂直入射時，反射率為~可知，
("I +":)
當相鄰兩層光提取子層的折射率相近時，反射率較小，能夠解決傳統(tǒng)結構的光提取層與半導體層之間因折射率相差較大而引起的高反射率問題，有利于提高光提取層的提取效率。此外，第k層光提取子層的折射率不大于與其接觸的外部介質的折射率，即外部介質的折射率不小于第k層光提取子層的折射率，這樣，光從第k層光提取子層入射到外部介質中時，解決了傳統(tǒng)結構的光提取層與外部介質之間因折射率相差較大而引起的高反射率問題，同時，不會產生全反射現(xiàn)象，提高了 LED發(fā)光芯片的出光率。上述實施一或實施例二所述的LED發(fā)光芯片結構,還可以包括導電層，該導電層位于半導體層之上。詳細參閱實施例三。實施例三結合圖3 Ca)和圖3 (b)，圖3 Ca)是實施例三中的LED芯片結構剖面示意圖，圖3 (b)是實施例三的LED芯片結構的俯視圖。該LED發(fā)光芯片包括半導體層11、位于半導體層11之上的導電層13，其中該導電層13為多孔結構，該孔可以通過濕法腐蝕或干法刻蝕等方法在導電層13上形成，該孔可以是圓形、矩形、橢圓形或其它規(guī)則或不規(guī)則形狀。在所述孔內填充有實施例一或實施例二所述的光提取層12，通過調整光提取層12的表面面積和導電層13的表面面積以及各孔之間的間距，來控制導電層的導電性能。該光提取層12的形成方法可以首先通過PECVD或濺射等方法在導電層13上沉積形成光提取層，然后通過濕法腐蝕或干法刻蝕等方法去除導電層13上除孔位置以外的光提取層部分，這種方法形成的光提取層12僅在導電層13的孔內。該光提取層12的形成方法還可以通過濕法腐蝕或干法刻蝕等方法僅去除導電層13上預留的電極焊墊部分(在該焊墊區(qū)域制作LED芯片的電極)的光提取層13，此時，光提取層13覆蓋導電層并且填充孔結構內部，由于導電層13的折射率(一般為2. O左右)小于光提取層12的第一表面處的折射率(大于等于2. 4)，所以在導電層13與光提取層12接觸界面處不會產生全反射，即不會降低取光效率。半導體層11可以由GaN基半導體材料制成。導電層13至少部分透明，可以由透明導電氧化物制成，例如為氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋁鋅、氧化鎂鋅或氧化鎵鋅，優(yōu)選氧化銦錫。實施例一或實施例二所述的LED發(fā)光芯片還可以為垂直結構。詳細參閱實施例四。實施例四結合圖4 (a)和圖4 (b)。圖4 (a)是垂直結構的LED發(fā)光芯片的結構剖面示意圖，圖4 (b)是垂直結構的LED發(fā)光芯片的俯視圖。該垂直結構LED發(fā)光芯片包括襯底41、位于襯底41的第一端面之上的P型氮化鎵層42、位于P型氮化鎵層42之上的量子阱發(fā)光層43、位于量子阱發(fā)光層43之上的N型氮化鎵層44、位于N型氮化鎵層44的第一區(qū)域之上的N電極45和位于N型氮化鎵層44的第二區(qū)域之上的光提取層12、以及位于襯底41的第二端面之上的P電極46。N型氮化鎵層44根據(jù)其表面上存在的是N電極45還是光提取層12進行區(qū)域的劃分。存在N電極45的N型氮化鎵層44的區(qū)域為第一區(qū)域，存在光提取層12的N型氮化鎵層44的區(qū)域為第二區(qū)域。所以，N型氮化鎵層44的表面上要么存在N電極45，要么存在光提取層12，沒有空白區(qū)域。結合圖4 (b)，很清楚地得知，N電極45僅占N型氮化鎵層44的第一區(qū)域，光提取層12位于N型氮化鎵層上的第二區(qū)域，光提取層12位于N電極45的周圍且覆蓋光提取層12的第二區(qū)域。該LED發(fā)光芯片還包括位于襯底41的第二端面之上的P電極46，其中，襯底41的第一端面和第二端面為襯底41兩個相對的端面。襯底41可以采用S1、合金、金屬或其它導熱導電材質等。由于該垂直結構的LED發(fā)光芯片的光提取層12采用實施例一或實施例二所述的結構，所以該LED發(fā)光芯片相較于現(xiàn)有技術，能提高光提取效率和出光效率。實施例五 進一步地，該LED發(fā)光芯片可以為正裝結構。如圖5所示，該正裝結構的LED發(fā)光芯片包括，襯底41、位于襯底41之上的N型氮化鎵層44、位于N型氮化鎵層44的第一區(qū)域之上的量子阱發(fā)光層43、位于量子阱發(fā)光層43之上的P型氮化鎵層42、位于P型氮化鎵層42之上的導電層13、位于N型氮化鎵層44的第二區(qū)域之上的N電極45以及位于導電層13之上的P電極46。其中，N型氮化鎵層44分為第一區(qū)域和第二區(qū)域。N型氮化鎵層44的第一區(qū)域被量子阱發(fā)光層43覆蓋，N型氮化鎵層44的第二區(qū)域之上設置有N電極45，N電極45不完全覆蓋N型氮化鎵層44的第二區(qū)域。其中，襯底41可以采用藍寶石、氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等。為了提高晶格匹配率，還可以在襯底41上生成一層緩沖層50，該緩沖層可以由GaN或AlGaN生成。所述導電層13采用上述實施例三所述的結構，該導電層13為多孔結構，孔內填充有實施例一或實施例二所述的光提取層12，所以該LED發(fā)光芯片同時提高光提取效率和出光率。實施例六基于上述任一實施例的LED芯片，實施例六提供了一種LED裝置，包括支架60、位于支架60之上的LED芯片61和金屬引線62，其中，LED芯片采用實施例三所述的結構。該LED裝置能夠同時提高光提取效率和出光率。
所述支架60為PLCC (帶引線的塑料芯片載體)型支架、PCB板、金屬芯線路板或陶瓷基板。LED芯片61的數(shù)量至少為一個。本實施例提供的LED裝置，可以不被樹脂封裝，直接暴露在空氣中，還可以包括位于LED芯片61上方的透明環(huán)氧樹脂63。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非以限定本發(fā)明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發(fā)明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質上對以上實施例所做的任何簡單修改，等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種LED發(fā)光芯片的光提取層,所述LED發(fā)光芯片包括半導體層和與所述半導體層直接接觸的光提取層，其特征在于，所述光提取層與所述半導體層直接接觸的表面為第一表面，所述光提取層與外部介質直接接觸的表面為第二表面，所述第一表面的折射率不小于所述半導體層的折射率，且所述光提取層的折射率從所述第一表面至所述第二表面呈遞減變化趨勢，且所述第二表面的折射率不大于所述外部介質的折射率。
2.根據(jù)權利要求1所述的光提取層，其特征在于，所述光提取層只有一層，制備所述光提取層的材料的各組分的含量隨著所述光提取層厚度的變化而變化，使所述光提取層的折射率隨著所述光提取層的厚度的增加而減小。
3.根據(jù)權利要求1所述的光提取層，其特征在于，所述光提取層由k層光提取子層組成，第i層光提取子層的折射率大于第i+1層的光提取子層的折射率； 其中，所述第i層光提取子層比所述第i+1層光提取子層靠近所述半導體層，i，k均為整數(shù)，k>l，l ( i〈k。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的光提取層，其特征在于，所述LED發(fā)光芯片結構為垂直結構、正裝結構或倒裝結構。
5.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的光提取層，其特征在于，所述LED發(fā)光芯片包括襯底、位于所述襯底的第一端面之上的P型氮化鎵層、位于所述P型氮化鎵層之上的量子阱發(fā)光層、位于所述量子阱發(fā)光層之上的N型氮化鎵層、位于所述N型氮化鎵層的第一區(qū)域之上的N電極、位于所述N型氮化鎵層的第二區(qū)域之上的光提取層以及位于所述襯底的第二端面之上的P電極； 其中，所述N型氮化鎵層的第一區(qū)域和第二區(qū)域構成N型氮化鎵層；所述第一端面和所述第二端面為所述襯底相對的兩個端面。
6.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的光提取層，其特征在于，所述LED發(fā)光芯片還包括導電層，所述導電層內含有若干個孔，所述孔內填充如權利要求1-3任一項所述的光提取層。
7.根據(jù)權利要求6所述的光提取層，其特征在于，所述LED發(fā)光芯片包括襯底、位于所述襯底之上的N型氮化鎵層、位于所述N型氮化鎵層的第一區(qū)域之上的量子阱發(fā)光層、位于所述N型氮化鎵層的第二區(qū)域之上的N電極、位于所述量子阱發(fā)光層之上的P型氮化鎵層、位于所述P型氮化鎵層之上的所述導電層、以及位于所述導電層之上的P電極； 其中，N型氮化鎵層的第一區(qū)域和第二區(qū)域構成N型氮化鎵層。
8.根據(jù)權利要求1所述的光提取層，其特征在于，所述光提取層由透明氧化物或透明氮化物制成。
9.根據(jù)權利要求1所述的光提取層，其特征在于，采用復合物xTi02/(l-X)Si02*XNb2O5/(1-x) SiO2制作所述光提取層，其中，0 ^ X ^ I0
10.一種LED裝置，包括，支架、位于所述支架之上的LED芯片和金屬引線，其特征在于，所述LED芯片采用權利要求1-10任一項所述的結構。
11.根據(jù)權利要求11所述的LED裝置，其特征在于，還包括，位于所述LED芯片之上的環(huán)氧樹脂。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種LED發(fā)光芯片的光提取層及LED裝置，所述LED發(fā)光芯片包括半導體層和與所述半導體層直接接觸的光提取層，所述光提取層與所述半導體層直接接觸的表面為第一表面，所述光提取層與外部介質直接接觸的表面為第二表面，所述第一表面的折射率不小于所述半導體層的折射率，且所述光提取層的折射率從所述第一表面至所述第二表面呈遞減變化趨勢，且所述第二表面的折射率不大于所述外部介質的折射率。本發(fā)明提供的LED發(fā)光芯片的光提取層能同時提高其取光效率和出光效率。
文檔編號H01L33/48GK103022310SQ20121058562
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月30日 優(yōu)先權日2012年12月30日
發(fā)明者康學軍, 李鵬, 張冀 申請人:佛山市國星半導體技術有限公司