[发明专利]具有内部高折射率柱的LED圆顶

说明书

粘附在LED管芯（30）的透明生长衬底（34）之上的是透明矩形柱（40），其具有与LED管芯大小近似相同的足迹。柱高度大于LED管芯的长度，并且柱具有与衬底的折射率（例如1.8）近似相等的折射率（n），因此由于匹配的折射率而在界面处实际上不存在TIR。围绕柱和LED管芯的是具有在LED管芯的长度的1.5‑3倍之间的直径的透镜部分（42）。透镜部分的折射率为衬底的折射率的大约0.8倍。透镜部分可以具有圆顶形状（46）。离开衬底的大部分光在内部反射离开横向柱/柱体界面并且离开柱的顶表面。因此，发射缩窄并且光提取效率增加。

技术领域

本发明涉及发光二极管（LED），并且特别地涉及用于增加这样的LED的光提取效率的技术。

背景技术

LED器件的光提取效率（ExE）受到其中生成光的高折射率（n）外延层中的全内反射（TIR）的限制。为了缓解该TIR，广泛地采用高折射率包封圆顶透镜，因为它们可以有效地使ExE提升如20%那样多。基于GaN的LED的折射率在2-3之间，并且包封材料的折射率典型地在1.4-1.8之间以提供GaN与空气之间的良好过渡。

在诸如薄膜倒装芯片（TFFC）直接发射器之类的LED管芯架构中，光主要从外延层的单侧提取。光提取侧通常是在移除生长衬底（例如通过激光辅助剥离过程）之后暴露于空气的一个。利用光提取表面的适当表面粗糙化处置，在圆顶包封之后的这样的直接发射器中的提取效率可以如80%那样高，甚至是在相当低劣的基板反射率的情况下，因为存在来自薄外延层的极少向下侧光。

情况可以在倒装芯片（FC）架构中显著改变，诸如在基于图案化的蓝宝石衬底（PSS）的LED中，其中蓝宝石生长衬底未被移除，而是出于各种原因而保留。在这样的器件中，来自外延层的光进入透明衬底，并且衬底的相对表面发射光。因而必须将光从外延材料（例如GaN）提取到衬底中，并且从衬底提取到空气或圆顶包封材料中并且然后提取到空气中。这样的LED器件的场发射宽得多，因为大部分光从衬底（典型地为几百微米厚）的四个横向侧提取。所提取的横向发射的相当一部分向下定向在基板处，其中其有损失地被反射回来。照此，诸如基于PSS的管芯之类的FC架构依赖于高反射封装基板来提供与TFFC的那些相当的提取效率。这样的基于FC的LED器件的示例在图1和2中示出，其中图2是图1的器件的左侧视图。

在图1和2中，包括有源层的LED外延层12生长在图案化（粗糙化）的蓝宝石衬底14表面上。外延层12在图1中为了简化而未被标识，并且相对于衬底14比在图2中所示的薄得多。

反射金属电极15A和15B形成在LED管芯16的底表面上，并且电极直接键合到基板22上的阳极和阴极金属垫18A和18B。基板22的主体可以是陶瓷或某种其它热传导材料。垫18A和18B使用基板22内部的过孔连接到相关联的底部金属垫23（在侧视图中仅示出一个垫23）。底部垫23可以稍后焊接到印刷电路板。金属垫18A和18B可以是反射性的以反射从衬底14的横向侧发射的光（诸如光线26）。要指出的是，在图2中由外延层12发射的光线26如何以浅角度撞击在衬底14顶表面上，通过TIR反射，离开衬底14的侧壁，并且由基板22上的垫18A向上反射。因而，光线26通过每一次反射和在各种材料内行进的额外距离而衰减。

然后通过模制或通过利用粘性包封物（例如硅树脂或环氧树脂）将预形成的透镜粘附在LED管芯16之上而将圆顶化透镜28粘附在LED管芯16之上。

已知增加衬底14的厚度（可能增加如800微米那样多）产生ExE增益，但是创建制备问题并且增加成本。利用较厚的衬底14，撞击在其顶表面上的光是以更接近于直角的角度并且因而发生较少TIR。另外，更多浅角度光从厚衬底的侧壁发射。这创建对于一些应用而言可能不合期望的宽发射角。

因此，所需要的是增加LED器件的光提取效率（ExE）而不必增加生长衬底的厚度的技术。

发明内容