專利名稱：光發(fā)射裝置和光發(fā)射元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光發(fā)射裝置和光發(fā)射元件，并且具體來說，涉及一種光發(fā)射裝置，可從其中有效地取出已從光發(fā)射元件發(fā)射的光，以及一種光發(fā)射元件。
背景技術(shù)：
通過在諸如藍(lán)寶石的基底襯底(base substrate)上生長由基于III族氮化物的化合物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體晶體來制造LED(光發(fā)射二極管)元件的常規(guī)方法是公知的。在這種LED元件中出現(xiàn)這樣的問題已在光發(fā)射層中產(chǎn)生的光被限制在具有高光學(xué)吸收系數(shù)的層中或者在該層內(nèi)被吸收，并由此降低了到外部的輻射效率。
為了解決這個問題，將不平坦(unevenness)提供到一些類型的LED元件的表面，從而增加光的取出效率(見例如公開的2003-69075號日本專利申請(圖1， ))。
在公開的2003-69075號日本專利申請(圖1， )中所描述的LED元件中，基于氮化鎵的化合物半導(dǎo)體層(在下文中被稱作基于GaN的半導(dǎo)體層)被層化在藍(lán)寶石襯底上以形成GaN襯底，并隨后在其頂部依次層化其它基于GaN的半導(dǎo)體層。藍(lán)寶石襯底被從該層化體去除，并在GaN襯底的后表面(與其上層化有元件的表面相反的表面)上執(zhí)行蝕刻，并由此形成臺階形式的凹坑。
在公開的2003-69075號日本專利申請(圖1， )中所描述的LED元件中，GaN襯底的后表面具有特定的形式，在那里產(chǎn)生了臺階形式的凹坑，因此通過防止由基于GaN的半導(dǎo)體層內(nèi)的多重反射所導(dǎo)致的光干涉，可將光有效地取到外部。
然而在公開的2003-69075號日本專利申請(圖1， )中所描述的LED元件中，取出已經(jīng)限制在基于GaN的半導(dǎo)體層內(nèi)的光(限制在層內(nèi)的光)的能力取決于相對于元件周圍的密封組件的折射率差，并且在基于相對于密封組件的折射率差而發(fā)生來自界面的反射的狀態(tài)下，即使在已經(jīng)在元件的表面上執(zhí)行不平坦處理的情況中，也不能獲得足夠的取出光的能力。另外，盡管可通過散射已被限制在基于GaN的半導(dǎo)體層中的光來實現(xiàn)光取出效率的增加，但這不是理想的形式或者接近于此的任何情況。關(guān)于被限制在層內(nèi)的這種光也出現(xiàn)問題當(dāng)光在具有大光學(xué)吸收系數(shù)的層內(nèi)長距離傳播以致衰減時，光量被減小，此外，在元件內(nèi)所產(chǎn)生的熱量增加。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種光發(fā)射裝置，可從其中有效地取出已從光發(fā)射元件發(fā)射的光，以及一種光發(fā)射元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光發(fā)射裝置，其中用于使從LED元件的內(nèi)部取出光的效率有可能增加的預(yù)定光學(xué)形式被提供到安裝在基底(base)上的LED元件的表面，其被密封在折射率不小于1.6的密封材料中，并且上述預(yù)定光學(xué)形式被形成在具有與上述LED元件的光發(fā)射層近似相同的折射率的襯底中。
(1)根據(jù)本發(fā)明的一個方面，光發(fā)射裝置包括預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在安裝在基底上的LED元件的表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允許從LED元件的內(nèi)部取出光的效率增加；以及密封材料，其密封所述預(yù)定光學(xué)形式，
其中所述密封材料具有1.6或者以上的折射率，所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在LED元件的襯底的表面中，并且所述襯底具有與LED元件的光發(fā)射層的折射率接近相等的折射率。
(2)根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，光發(fā)射裝置包括預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在安裝于基底上的LED元件的表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允許從LED元件的內(nèi)部取出光的效率增加；以及密封材料，其密封所述預(yù)定光學(xué)形式，其中所述密封材料具有1.6或者以上的折射率，所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在通過剝落LED元件的襯底而暴露的半導(dǎo)體層的表面中。
(3)根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，光發(fā)射元件包括半導(dǎo)體層，其包括光發(fā)射層；預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在該半導(dǎo)體層的一個表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允許從LED元件的內(nèi)部取出光的效率增加；以及電極部分，其被提供在該半導(dǎo)體層的另一個表面上，其中所述預(yù)定光學(xué)形式是具有臺階形式的不平坦表面，其相對于光發(fā)射層的法線方向的傾斜角度不大于sin-1(n2/n1)(其中n1是LED元件的光發(fā)射層的折射率，而n2是密封材料的折射率)。
(4)根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，光發(fā)射元件包括半導(dǎo)體層，其包括光發(fā)射層；預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在該半導(dǎo)體層的一個表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允許從LED元件的內(nèi)部取出光的效率增加；以及電極部分，其被提供在該半導(dǎo)體層的另一個表面上；以及光透射材料層，其被提供在所述半導(dǎo)體層的一個表面上，其中所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在該光透射材料層的表面中。


圖1A-1C示出根據(jù)第一實施例的光發(fā)射裝置；圖1A是豎直橫截面視圖，圖1B是示出LED元件的放大部分的橫截面視圖，而圖1C是示出光取出側(cè)上的LED元件表面的放大部分的圖解；圖2是示出所述LED元件的配置的豎直橫截面視圖；圖3A-3D是說明根據(jù)第一實施例的光發(fā)射裝置的制造過程的圖解；圖4是示出根據(jù)第二實施例的光發(fā)射裝置的橫截面視圖；圖5A-5C示出根據(jù)第三實施例的LED元件；圖5A是示出從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖，圖5B是沿圖5A的線A-A的橫截面視圖，而圖5C是示出在光取出表面上形成的不平坦形式的放大部分的圖解；圖6A-6C示出根據(jù)第四實施例的LED元件；圖6A是示出從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖，圖6B是沿圖6A的線B-B的橫截面視圖，而圖6C是示出在光取出表面上形成的不平坦形式的放大部分的圖解；圖7A-7C示出根據(jù)第五實施例的LED元件；圖7A是示出從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖，圖7B是沿圖7A的線C-C的橫截面視圖，而圖7C是示出在光取出表面上形成的不平坦形式的放大部分的圖解；圖8A和8B示出根據(jù)第六實施例的LED元件；圖8A是示出從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖，而圖8B是說明怎樣從圖8A的突起取出光的圖解；圖9A和9B示出根據(jù)第七實施例的LED元件；圖9A是示出從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖，而圖9B是沿圖9A的線D-D的橫截面視圖；圖10是示出根據(jù)第八實施例的光發(fā)射裝置的豎直橫截面視圖；圖11是示出根據(jù)第九實施例的倒裝芯片(flip chip)型LED元件的豎直橫截面視圖；圖12是示出根據(jù)第十實施例的倒裝芯片型LED元件的豎直橫截面視圖；圖13是示出根據(jù)第十一實施例的倒裝芯片型LED元件的豎直橫截面視圖；圖14是示出根據(jù)第十二實施例的倒裝芯片型LED元件的豎直橫截面視圖；圖15A和15B示出根據(jù)第十三實施例的LED燈；圖15A是示出LED燈的豎直橫截面視圖，而圖15B是安裝在LED燈上的LED元件的豎直橫截面視圖；以及圖16是曲線圖，其示出指示密封材料的折射率與光到LED元件外部的輻射效率比之間的關(guān)系的曲線。
具體實施例方式
(第一實施例)(光發(fā)射裝置1的配置)圖1A-1C示出根據(jù)第一實施例的光發(fā)射裝置；圖1A是豎直橫截面視圖，圖1B是示出LED元件的放大部分的橫截面視圖，而圖1C是示出光取出側(cè)上的LED元件表面的放大部分的圖解。
如圖1A所示，該光發(fā)射裝置1由基于III族氮化物的化合物半導(dǎo)體制成，并具有倒裝芯片型LED元件2，其在光取出側(cè)上的表面上具有不平坦形式部分20A；Al2O3襯底3，其是無機襯底，LED元件2被安裝于其上；玻璃密封部分4，其由無機密封材料制成；以及Au柱形凸塊(studbump)5，用于將LED元件2的電極電連接到電路圖案30，電路圖案30由鎢(W)形成在Al2O3襯底3上。
在該橫截面中Al2O3襯底3具有通孔31，并且通過提供在這些通孔31中的由W制成的導(dǎo)電部分來電連接在該襯底的兩側(cè)上的電路圖案30。
玻璃密封部分4由基于SiO2-Nb2O5(折射率n＝1.8)的低熔點玻璃形成，并具有平坦側(cè)41和平坦上表面40。
根據(jù)本實施例，LED元件2以平坦的形式形成，如圖1B所示，并且被形成為具有W1＝300μm和H1＝10μm。此處，從該LED元件2發(fā)射的光的波長為460nm。
此外，在LED元件2中，如圖1C所示，突起20a(w1＝4μm，h1＝2μm)和平坦部分20b(w2＝8μm)被設(shè)置于光取出側(cè)上的表面上，從而形成不平坦形式部分20A。該部分被稱作不平坦形式部分20A是因為跨過平坦部分20b的相鄰?fù)黄?0a形成一凹陷。
(LED元件2的配置)圖2是示出所述LED元件的配置的豎直橫截面視圖。LED元件2是通過在藍(lán)寶石襯底(未示出)上依次層化n-GaN:Si層20，InGaN層21，GaN層22，AlGaN層23，MQW 24，p-AlGaN層25，p-GaN層26以及p+-GaN層27作為基于GaN的半導(dǎo)體層100而形成的。此外，該LED元件具有在p+-GaN層27上的p-電極28和在n-GaNSi層20的暴露部分上的n電極29，其中通過從p+-GaN層27開始、直到n-GaNSi層20進行蝕刻來去除所述層。不平坦形式部分20A包括上述的突起20a和平坦部分20b，它們被形成在n-GaN:Si層20的表面上。
盡管用于形成基于GaN的半導(dǎo)體層100的方法不被特別限制，但是它可借助于眾所周知的金屬有機化學(xué)氣相沉積方法(MOCVD方法)、分子束外延生長方法(MBE方法)、基于鹵化物的化學(xué)氣相沉積方法(HVPE方法)、濺射方法、離子鍍方法、電子簇射(electron shower)方法等等來形成。此處，LED元件的配置可以是同質(zhì)結(jié)構(gòu)(homo structure)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)(hetero structure)或者雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。另外，可以采用量子阱結(jié)構(gòu)(單量子阱結(jié)構(gòu)或者多量子阱結(jié)構(gòu))。
(光發(fā)射裝置1的制造過程)圖3A-3D是說明根據(jù)第一實施例的光發(fā)射裝置的制造過程的圖解。以下描述用于制造使用事先已經(jīng)在單獨過程中形成的LED元件2的光發(fā)射裝置的過程。
(LED元件2的安裝過程)首先，如圖3A所示，準(zhǔn)備LED元件2和Al2O3襯底3并且定位Al2O3襯底3上的電路圖案30和LED元件2上的電極，使得LED元件2經(jīng)由Au柱形凸塊5電連接到電路圖案30，并且同時安裝在Al2O3襯底3上。然后，LED元件2和Al2O3襯底3之間的間隙用未示出的空間填充材料來填充在其中。優(yōu)選地，這種空間填充材料具有小的熱膨脹系數(shù)。
(藍(lán)寶石襯底S的剝落過程)接下來，如圖3B所示，在藍(lán)寶石襯底S側(cè)用激光束照射LED元件2。通過激光束的照射，藍(lán)寶石襯底和基于GaN的半導(dǎo)體層100之間的界面被熔化。其結(jié)果是，從基于GaN的半導(dǎo)體層100剝落的藍(lán)寶石襯底S被去除。此時，殘余物可留在基于GaN的半導(dǎo)體層100的表面上，因此執(zhí)行酸洗以去除殘余物，從而暴露n-GaN:Si層20。
(不平坦形式部分20A的形成過程)接下來，通過執(zhí)行不平坦處理，包括通過激光照射的蝕刻，在LED元件2的光取出表面上形成不平坦形式部分20A。具有近似垂直的臺階的不平坦被形成為不平坦形式部分20A。
(使用低熔點玻璃的玻璃密封過程)接下來，使用基于SiO2-Nb2O5的玻璃對其上已經(jīng)形成不平坦形式部分20A的LED元件2以及LED元件2和Al2O3襯底3之間的間隙執(zhí)行熱壓處理。作為該熱壓處理的結(jié)果，所述玻璃粘附到不平坦形式部分20A的表面。此外，該玻璃被使得粘附到Al2O3襯底3的表面，由此，整個LED元件2被密封在玻璃中。在玻璃密封之后，封裝通過切割(dicing)，被分成單個件，這樣得到具有上表面40和側(cè)41的光發(fā)射裝置1。此處，除了切割以外，通過諸如刻線(scribing)的分離方法來分離封裝也是可能的。
(光發(fā)射裝置1的工作)當(dāng)從上述光發(fā)射裝置1的Al2O3襯底3的底部暴露的電路圖案30連接到未示出的電源單元以供能時，經(jīng)由通孔31的導(dǎo)電部分，電壓以正向施加在LED元件2的n電極和p電極之間，并且在LED元件2的MQW24中發(fā)生空穴和電子載流子的復(fù)合，使得光被發(fā)射。將要從光取出表面輻射的光從不平坦形式部分20A進入玻璃密封部分4，透射過玻璃密封部分4，并被輻射到外部，所述被取出的光是從在MQW 24中的所述光發(fā)射過程中所產(chǎn)生的光當(dāng)中取出的。
(第一實施例的效果)根據(jù)第一實施例得到如下效果。
(1)藍(lán)寶石襯底S從已經(jīng)安裝在Al2O3襯底3上的LED元件2去除，具有近似垂直的臺階的不平坦形式部分20A被提供到LED元件2，由此，以與在GaN被形成在平坦藍(lán)寶石襯底上的常規(guī)LED元件2中相同的方式，在光以不大于臨界角度的角度從GaN進入藍(lán)寶石襯底的方向上輻射的光可被取到所述元件的外部。此外，當(dāng)光進入不平坦形式部分20A的不平坦部分時，在光以不小于臨界角度的角度從GaN進入藍(lán)寶石襯底的方向上輻射并且已經(jīng)被限制在LED元件2內(nèi)部的層內(nèi)的光也可被取到所述元件的外部。從不平坦表面的平坦表面輻射到外部的光的表現(xiàn)與從沒有臺階形成的不平坦表面輻射的光的方式相同，此外，被限制在層內(nèi)的光從不平坦表面的豎直臺階表面輻射到外部。因此，從GaN層向上輻射的光量可必然增加。
此外，所述豎直橫截面不相對于GaN層的光發(fā)射層的法線傾斜，并因此被提供在使關(guān)于層內(nèi)所限制的光的立體角最大的方向上，并且這是增加所述效果的因素。此外，從所述豎直橫截面中的界面反射的光不改變關(guān)于光發(fā)射層法線方向的角度的大小。
(2)另外，根據(jù)第一實施例，藍(lán)寶石襯底S被去除，并且作為替代，使用基于SiO2-Nb2O5的具有n＝1.8的玻璃，并因此，關(guān)于LED元件2的臨界角θc成為大約50度。所述密封材料可被選擇為使得在該LED元件2和玻璃密封部分4之間的臨界角θc成為不小于45℃，并因此，與具有n＝1.7的藍(lán)寶石襯底相比，限制在層內(nèi)的通過基于GaN的半導(dǎo)體層100橫向傳播的光量可被減少，此外，當(dāng)進入不平坦形式部分20A時限制在基于GaN的半導(dǎo)體層100內(nèi)的光被輻射到元件外部的可能性變高。除此以外，基于GaN的半導(dǎo)體層100具有10μm的厚度，并且光到達不平坦形式部分20A的可能性是高的，因此，光可在理想的水平以極高的效率輻射到外部。此外，即使在由于工藝的限制，不平坦表面的平坦性不足的情況下，具有高折射率的密封材料為此進行補償，由此，可實現(xiàn)提供接近于理論上可實現(xiàn)的極限的效率的特性。此處，不平坦的形成是在p-GaN:Si層20上進行的，該層離MQW 24有一距離，MQW 24是基于GaN的半導(dǎo)體層100中的光發(fā)射層，因此，在形成不平坦時可避免對光發(fā)射層的損傷。因此，可維持內(nèi)量子效率，并且可大大增加光到LED元件2外部的輻射效率。
(3)LED元件2被密封在玻璃密封部分4中，其對于所發(fā)射的光波長是穩(wěn)定的并且具有優(yōu)良的光透射特性，由此得到光發(fā)射裝置1，其光取出特性對于長時間段是穩(wěn)定的并且其具有優(yōu)良的耐用性，即使在使用發(fā)射大量光的高輸出型LED元件2的情況中。具體而言，在內(nèi)量子效率與理想水平一樣高的情況中，光到平坦藍(lán)寶石襯底S上的LED元件2外部的輻射效率可從25％增加到75％。此時，熱發(fā)射被減少到不大于1/3。此外，由于熱發(fā)射降低，使允許流過的電流量加倍成為可能，由此，作為LED元件2的效率的增加和允許流過的電流量的增加之間的協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果，光量可被增加。此外，對于這樣的具有高密度的光輻射，保證了穩(wěn)定的光透射特性。另外，即使由于工藝的限制，在不平坦表面的平坦性不足的情況中，具有高折射率的密封材料為此進行補償，由此，可實現(xiàn)提供接近于理論上可實現(xiàn)的極限的效率的特性。此外，該裝置對于具有不大于470nm的波長的光是穩(wěn)定的，例如，365nm的波長，因此，可被用于容納發(fā)射紫外線的LED元件。
此外，目前廣泛使用的環(huán)氧樹脂或者硅樹脂的折射率為大約1.5。然而，許多現(xiàn)有的玻璃材料提供高透射特性，以及不小于1.6的高折射率。通過使用這種玻璃材料，可實施用高折射率材料來密封在其中的LED元件2，因此，可增加從LED元件2取出光的效率。
(4)此外，形成封裝的Al2O3襯底3和玻璃密封部分4的熱膨脹系數(shù)近似相同，由此，可提供這樣的結(jié)構(gòu)，其中不易發(fā)生諸如由熱應(yīng)力引起的破裂的不便。結(jié)果，獲得了除對于熱沖擊的可靠性以外，還可增加允許流過的電流值的效果。由于環(huán)氧樹脂的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg點)，常規(guī)環(huán)氧樹脂密封限制了允許流過的電流。這是因為在不低于Tg點的溫度處熱膨脹系數(shù)變大，并且在電連接部分中容易發(fā)生斷開。玻璃密封部分4的Tg點比環(huán)氧樹脂的Tg點高300℃或者以上，并且在不高于Tg點的溫度處，其熱膨脹系數(shù)不大于環(huán)氧樹脂的1/7。
(5)Al2O3襯底3和玻璃密封部分4的材料被選擇為具有相同的熱膨脹系數(shù)，并且LED元件2被使得成為沒有使用Au線的倒裝類型，由此實現(xiàn)具有高折射率的高度穩(wěn)定LED元件的玻璃密封。也就是說，以沒有由處理溫度和室溫之間的差造成破裂或者剝落的方式，通過施加高壓力來處理高粘度狀態(tài)下的玻璃，并且在處理時可防止對LED元件2造成的熱損傷。此外，Al2O3襯底3和玻璃密封部分4經(jīng)由氧化物進行化學(xué)組合，并因此提供高強度的粘附。此外，使用了倒裝型LED元件2，從而使連線空間成為不必要，因此提供小封裝成為可能。
(6)從LED元件2所安裝的表面將電路圖案讀出到Al2O3襯底3的后表面，從而可以以優(yōu)良的生產(chǎn)率來制造產(chǎn)品。也就是說，大數(shù)目的LED元件2安裝在Al2O3襯底3上，并且可通過使用玻璃板將玻璃密封實施為集體工藝(collective process)。
(7)在將LED元件2安裝在作為基底的Al2O3襯底3上之后將藍(lán)寶石襯底S剝落，然后提供不平坦形式部分20A，因此，有可能容易地形成除玻璃密封部分4以外的各種密封材料的封裝，如，例如環(huán)氧樹脂材料、包含透光樹脂材料的熒光團(fluorophore)以及包含熒光團的玻璃材料。此外，也容易制作不平坦形式部分20A，其中不平坦形式對應(yīng)于相對于密封材料的折射率差。
此處，當(dāng)與用于增加LED元件2的光發(fā)射面積的配置組合時，上述用于增強光取出特性的不平坦形式部分20A是有效的。例如，通過增加該元件的面積中用于供應(yīng)電流給基于GaN的半導(dǎo)體層100的p電極所占據(jù)的面積的比率可增大光發(fā)射面積。此外，可使用Ag糊或者焊鍍(solder plating)而不是凸塊(bump)來執(zhí)行安裝。此時，GaN半導(dǎo)體層100的接觸電極和外部端子電極經(jīng)由絕緣層分開提供。
此外，p電極可由具有光透射特性的ITO(氧化銦錫)和金屬反射膜形成。通過基于GaN的半導(dǎo)體層100橫向傳播的限制在層內(nèi)的光從ITO反射，并由此，減小當(dāng)限制在層內(nèi)的光到達金屬反射膜時由金屬吸收造成的損失成為可能，并且可增加從LED元件2輻射到外部的光量。
此外，ITO和Al2O3具有近似相同的熱膨脹系數(shù)，并且ITO和GaN被使得相對強地彼此粘附，因此，在用于玻璃密封的處理時可防止電極由于熱應(yīng)力而剝落。
此處，盡管在上述描述中密封材料是玻璃，然而該密封材料可以是在處理時部分結(jié)晶化的玻璃或者是不處于玻璃態(tài)的無機材料，并提供相同的效果。
(第二實施例)(光發(fā)射裝置1的配置)圖4是示出根據(jù)第二實施例的光發(fā)射裝置的橫截面視圖。該光發(fā)射裝置1是使用根據(jù)第一實施例的LED元件2的表面安裝型光發(fā)射裝置1，并具有樹脂室(case)部分，其由諸如尼龍的白樹脂材料制成，具有用于容納LED元件2的容器部分10A；子支座(sub-mount)6，其由AlN制成，LED元件2被安裝于其上；硅酮樹脂(silicone resin)密封部分7，用于整體密封被容納在樹脂室部分10的容器部分10A中的LED元件2以及子支座6；引線部分9，用于供應(yīng)電流給LED元件2，子支座6緊固到該LED元件2上；以及線8，用于將引線部分9電連接到子支座6。此處，在以下描述中，相同的參考號被附著于具有與在第一實施例中相同的配置和功能的部分。
LED元件2被安裝在作為基底的子支座6上，之后，以與在第一實施例中相同的方式，通過剝落藍(lán)寶石襯底S來提供不平坦形式部分20A。此處，LED元件2和子支座6之間的空間用由SiO2制成的未示出的空間填充物來填充在其中。
子支座6具有在上表面和下表面的電路圖案60，其由W形成。上表面和下表面上的電路圖案60通過提供在通孔61中的W導(dǎo)電部分來電連接。此外，來自電路圖案60當(dāng)中的連接到LED元件2的p電極側(cè)的電路圖案6通過由Au制成的線8電連接到引線部分9。
硅酮樹脂密封部分7具有n＝1.5的折射率，并具有密封LED元件2和子支座6并且將從LED元件2發(fā)射的光輻射到樹脂室部分10的外部的功能。此處，硅酮樹脂密封部分7可包含由從LED元件2輻射的光激發(fā)的熒光團，并且亦有可能形成波長轉(zhuǎn)換型光發(fā)射裝置1，其用于在從受激發(fā)熒光團輻射的光與從LED元件2輻射的光的混合的基礎(chǔ)上發(fā)射預(yù)定顏色的光。
(第二實施例的效果)根據(jù)第二實施例，在光取出表面上具有不平坦形式部分20A的LED元件2被密封在硅酮樹脂密封部分7中，由此，可得到具有高亮度的表面安裝型光發(fā)射裝置1，其中作為限制在層內(nèi)的光的通過LED元件2的內(nèi)部橫向傳播的光可被有效地輻射到外部。
此處，在第一實施例中所描述的具有n＝1.8的折射率的基于SiO2-Nb2O5的玻璃可通過熱壓處理以層的形式與在第二實施例中所描述的LED元件2的不平坦形式部分20A成為整體，并且與該玻璃成為整體的LED元件2以及子支座6可被密封在硅酮樹脂密封部分7中。在這樣的情況中，光經(jīng)由具有n＝1.8的玻璃組件從具有n＝2.4的LED元件2進入具有n＝1.5的硅酮樹脂密封部分7，并因此可減少由材料之間的折射率差所引起的全反射的發(fā)生，使得可增加從LED元件2發(fā)射的光到外部的輻射。
(第三實施例)(LED元件2的配置)圖5A-5C示出根據(jù)第三實施例的LED元件；圖5A是從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖，圖5B是沿圖5A的線A-A的橫截面視圖，以及圖5C是示出形成在光取出表面上的放大的不平坦形式部分的圖解。在該LED元件2中，不平坦形式部分20A被形成為具有有小節(jié)距的突起20a和平坦部分20b的顯微形式，如圖5A和5B所示。LED元件2具有300μm的寬度W1并以正方形的形式形成。LED元件2的厚度H1是6μm，并且在光取出側(cè)的表面具有不平坦形式部分20A。
不平坦形式部分20A是通過在光取出側(cè)的表面上設(shè)置突起20a(w1＝2μm，h1＝1μm)和平坦部分20b(w2＝2μm)而形成的，如圖5C所示。
(第三實施例的效果)根據(jù)第三實施例，不平坦形式部分20A以淺且顯微的形式被提供在LED元件2的光取出側(cè)上，并且因此，在不平坦處理時可防止對MQW所造成的損傷，并且可獲得光發(fā)射特性穩(wěn)定的可靠LED元件2。另外，通過使不平坦的深度成為淺的，通過在制造光發(fā)射裝置時施加壓力，可防止在用密封材料密封不平坦形式部分20A的過程之后在不平坦中留下氣泡。此處，所述突起的頂表面為正方形的形式并且具有環(huán)繞的溝槽，并因此，在施壓時空氣容易逸出。
(第四實施例)(LED元件2的配置)圖6A-6C示出根據(jù)第四實施例的LED元件；圖6A是從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖；圖6B是沿圖6A的線B-B的橫截面視圖，以及圖6C是示出形成在光取出表面上的放大的不平坦形式部分的圖解。該LED元件2是大尺寸的LED元件2并且以具有1000μm寬度W1的矩形形式形成，如圖6B所示。LED元件2具有6μm的厚度H1并且在光取出側(cè)的表面上具有不平坦形式部分20A。
如圖6C所示，突起20a(w1＝2μm，h1＝1μm)和平坦部分20b(w2＝2μm)，以及將形成有突起20a和平坦部分20b的區(qū)域劃分成9個的深溝槽20c(w3＝5μm，h2＝4μm)，設(shè)置在光取出側(cè)的表面上，并由此形成不平坦形式部分20A。
此外，LED元件2具有n電極20n，其被提供為定位在形成有深溝槽20c的部分中；p電極20p，其被提供在與不平坦形式部分20A相反的側(cè)的表面上；以及MQW 20d，其是通過經(jīng)由n電極20n和p電極20p供電來發(fā)射光的光發(fā)射層。
(第四實施例的效果)
根據(jù)第四實施例，不平坦形式部分20A的不平坦被形成為使得在被提供于LED元件2的光取出側(cè)上的不平坦形式部分20A中是淺的，并因此，以與在第三實施例中相同的方式，在不平坦處理時可防止MQW20d的損傷，因此，可得到發(fā)射均勻光的LED元件2。此外，通過使不平坦的深度成為淺的，通過在制造光發(fā)射裝置1時施加壓力，可防止在用密封材料密封不平坦形式部分20A的過程之后在不平坦中留下氣泡，并且可防止密封特性的惡化和光學(xué)特性的分散。
此外，通過在不平坦形式部分20A中提供深溝槽20c，被限制在層內(nèi)的通過LED元件2的基于GaN的半導(dǎo)體層100橫向傳播的光進入溝槽20c的諸側(cè)，并由此使光輻射到外部。其結(jié)果是，在大尺寸的LED元件2中改善了取出光的特性。此處，盡管根據(jù)第四實施例描述了大尺寸的LED元件2，本發(fā)明可適用于在第一實施例中所描述的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的LED元件2(具有300μm邊的正方形)。
此外，形成有成為光發(fā)射區(qū)的p接觸電極的區(qū)域已被分成9個，并且如圖6A所示，如從前面所看到的，每個p接觸電極區(qū)被深溝槽20c環(huán)繞。其結(jié)果是，通過基于GaN的半導(dǎo)體層100橫向傳播到周圍的光從每個p接觸電極輻射到基于GaN的半導(dǎo)體層100的外部。所述n接觸電極直接形成在深溝槽20c之下，在那里不存在成為光發(fā)射層的MQW，因此，已形成的深溝槽不影響直接存在于下面的光發(fā)射層。
(第五實施例)(LED元件2的配置)圖7A-7C示出根據(jù)第五實施例的LED元件；圖7A是從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面圖，圖7B是沿圖7A的線C-C的橫截面視圖，以及圖7C是示出在光取出表面上形成的放大的不平坦形式部分。該LED元件2是通過如下形成的LED元件2在GaAs襯底上形成折射率類似于GaAs襯底折射率(n＝3.5)的基于AlInGaP的半導(dǎo)體層201，如圖7B所示，并且通過研磨來去除GaAs襯底，隨后使GaP襯底200(n＝3.5)粘附到該半導(dǎo)體層；并且被形成為具有300μm寬度W1的正方形形式。通過研磨GaP襯底200，LED元件2被形成為具有100μm厚度H1。在光取出側(cè)的表面具有不平坦形式部分20A。
如圖7C所示，不平坦形式部分20A是通過如下形成的通過用切割機(dicer)切割，在光取出側(cè)上的表面上提供突起20A(w1＝50μm，h1＝25μm)和平坦部分20b(w2＝50μm)，隨后通過化學(xué)蝕刻在所述表面上提供顯微平坦性。
(第五實施例的效果)根據(jù)第五實施例，GaP襯底200在光取出側(cè)上被研磨到所需的厚度，此外，通過用切割機切割來提供不平坦形式部分20A，由此得到具有優(yōu)良的光取出特性的LED元件2。另外，此時可防止在對GaP襯底200側(cè)的處理期間損傷光發(fā)射層。在n＝3.5的GaP襯底200的情況中，當(dāng)不平坦形式部分20A被形成為具有上述尺寸時，大約n＝2.4的密封材料被使用，從而可能使已從LED元件2的端部發(fā)射的光被輻射到LED元件2的外部而在進入不平坦形式部分20A時沒有橫向傳播的光的全反射。在實際中難以實施超過作為當(dāng)前水平的n＝2的用于LED元件2的密封材料。然而，即使在不能以理想水平來實現(xiàn)到外部的光輻射的情形中，光也可被使得從近似豎直的臺階形式的不平坦側(cè)以相對于光發(fā)射層法線方向的處于覆蓋從90°-sin-1(n1/n2)到90°的方向的大角度范圍的立體角輻射到外部(此處，n1是LED元件2的光發(fā)射層的折射率，而n2是密封材料的折射率)。特別地，該形式與n＝1.6或者以上的密封材料組合，由此可得到比在所述形式?jīng)]有被處理并且使用n＝1.5的環(huán)氧樹脂密封的情況中高得多的增加。
此處，在不平坦臺階部分中可形成具有LED元件的光發(fā)射層和密封材料之間的臨界角度的限制的錐度(傾斜角)。在該限制內(nèi)，可提供臺階形式的有效不平坦側(cè)。也就是說，該傾斜被提供以使光以相對于光發(fā)射層法線方向的90°方向輻射到外部，這使所述立體角最大。另外，該LED元件可通過如下來形成將LED元件2的光發(fā)射層與具有與該光發(fā)射元件相同的折射率的襯底組合，例如，GaN襯底和基于GaN的半導(dǎo)體層，或者SiC襯底和基于GaN的半導(dǎo)體層，取代由GaP襯底200和基于AlInGaP的半導(dǎo)體層201所形成的層化結(jié)構(gòu)。
(第六實施例)(LED元件2的配置)圖8A和8B示出根據(jù)第六實施例的LED元件；圖8A是從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖，而圖8B是用于說明怎樣在圖8A的突起形式的部分中取出光的圖解。該LED元件2具有不平坦形式部分20A，其中六邊形形式的集合體(collective body)經(jīng)由平坦部分20b以交錯的形式被設(shè)置(具有10μm的間隔)，并且在這些集合體的每個中，三個菱形形式(相鄰臺階側(cè)形成60°或者120°)的突起20a(具有2μm的高度)被組合在光取出的n-GaN:Si層的表面上，如圖8A所示。
當(dāng)在LED元件2的MQW(未示出)中產(chǎn)生的光L，未示出，進入突起20a時，如圖8B所示，它從第一側(cè)210全反射從而進入第二側(cè)211。第二側(cè)211與第一側(cè)210形成銳角，并且當(dāng)入射角變得小于臨界角度θc時，進入第二側(cè)211的光L被輻射到外部。這是因為突起20a被形成為具有這樣的側(cè)面它們之間的角度比臨界角度θc大2倍或者更多倍。
(第六實施例的效果)根據(jù)第六實施例，突起20a被形成為具有這樣的側(cè)面它們之間的角度比臨界角度θc大2倍或者更多倍，因此，可防止進入突起20a的光L成為處于不從突起20a輻射到外部的模式中的光，因此，已進入突起20a的被限制在層內(nèi)的光可必然輻射到外部。
此外，不平坦形式部分20A由突起20a的集合體形成，因此，使限制在層內(nèi)的光有效地輻射到外部成為可能。此處，盡管在第六實施例中描述了以交錯形式設(shè)置7個不平坦形式部分20A的配置，不平坦形式20A中的突起的設(shè)置不限于所示的配置，而是可提供任意數(shù)目的不平坦形式部分20A。
(第七實施例)(LED元件2的配置)圖9A和9B示出根據(jù)第七實施例的LED元件；圖9A是從光取出側(cè)所觀察的LED元件的平面視圖，以及圖9B是沿圖9A的線D-D的橫截面視圖。如圖9A所示，該LED元件2具有不平坦形式部分20A，其每個具有六邊形突起20d，其中從n-GaN:Si層取出光的表面形成外六邊形形狀；以及溝槽20e，其被產(chǎn)生在該六邊形突起20d的上表面中從而以60度彼此交叉，并且這些不平坦形式部分20A以交錯的形式設(shè)置在平坦部分20b上。
(第七實施例的效果)根據(jù)第七實施例，每個都由六邊形突起20d和溝槽20e制成的不平坦形式部分20A被提供在LED元件2的光取出表面上，由此，進入具有光進入的可能性高的形式的六邊形突起20d的光以高效率從不平坦形式 部分輻射到外部，因此，被限制在層內(nèi)并進入六邊形突起20d的側(cè)面和溝槽20e的側(cè)面的光輻射到外部的效率可被增加。
(第八實施例)(光發(fā)射裝置1的配置)圖10是示出根據(jù)第八實施例的光發(fā)射裝置的豎直橫截面視圖。該光發(fā)射裝置1不同于第一實施例之處在于，在第八實施例中，光發(fā)射裝置1的玻璃密封部分4具有半球形式的光學(xué)形式表面42。其上安裝有LED元件2的電路圖案30B通過被提供在通孔31中的通路圖案30c連接到Al2O3襯底3的底表面上的電路圖案30A。此外，在該圖解中所示的玻璃密封部分4的折射率n為1.9，并且LED元件2以具有W＝300μm的正方形形式形成。
當(dāng)提供半球形式的玻璃密封部分4時，LED元件2周圍的光學(xué)形式表面42在理想情況下是從LED元件2輻射的光可垂直進入的光學(xué)形式。此處，光學(xué)形式表面42的臨界角度θ成為θ＝sin-1(n0/n2)＝31.8°，其中空氣折射率n0＝1.0而玻璃密封部分4的折射率是n2＝1.9，并且盡管對于以處于臨界角θ的限制內(nèi)的角度進入的光不發(fā)生全反射，但是在-5°的臨界角度θ附近，界面反射趨于增加，并且優(yōu)選地提供一種光學(xué)形式，其允許以使所述界面反射小的一個范圍內(nèi)的角度而進入的光量增加。
(第八實施例的效果)根據(jù)第八實施例，得到以LED元件為原點的半徑(高度)L，元件的寬度W和相對于光學(xué)形式表面42的臨界角度θ之間的關(guān)系θ＝tan-1(W/2L)，由此在第八實施例中，當(dāng)半徑L不小于0.24mm時，通過調(diào)節(jié)上述LED元件2的尺寸和臨界角度θ可抑制界面反射對光取出效率的作用。如上所述，玻璃密封部分4被提供為使得半球形式的光學(xué)形式表面42被提供有不小于L的半徑，并因此可獲得界面反射被抑制并且光取出特性優(yōu)良的光發(fā)射裝置1。
此外，以表面C被圓化以便于提供沒有角的邊緣的形式，如在長方體形式(rectangular parallelepiped form)中，通過增加L可抑制界面反射，盡管這種形式不同于半球形式。
(第九實施例)(LED元件2的配置)
圖11是示出根據(jù)第九實施例的倒裝芯片型LED元件的豎直橫截面視圖。
該LED元件2具有n-GaN層113，其由GaN半導(dǎo)體化合物形成；光發(fā)射層114，其被層化在n-GaN層113上；p-GaN層115，其被層化在光發(fā)射層114上；n側(cè)電極116，其被提供在n-GaN層113上，該層通過借助蝕刻來去除范圍從p-GaN層115到n-GaN層113的部分而暴露；以及p側(cè)電極118，其被提供在p-GaN層115上，并且不同于第一實施例之處在于，根據(jù)第九實施例，在n-GaN層113的光取出側(cè)上提供由氧化鉭(Ta2O5)制成的具有高折射率的材料的光透射層119，而不是在第一實施例中所描述的LED元件2的不平坦形式部分20A。
通過借助于電子束氣相沉積方法加熱并氣化原材料Ta2O5，具有高折射率的材料層119在n-GaN層113的表面上被形成為具有1μm的膜厚度。Ta2O5具有n＝2.2的折射率，并且基于相對于n-GaN層113的折射率比，臨界角度θc為66°。此外，依照電子束沉積方法，粗糙表面部分119A被形成在光取出側(cè)上的具有高折射率的材料層119的表面上。
(第九實施例的效果)根據(jù)第九實施例，由n＝2.2的Ta2O5制成的具有高折射率的材料層119被提供在n-GaN層113的表面上，由此可實現(xiàn)立體角的擴展。此外，在Ta2O5的膜形成時，當(dāng)Ta2O5在n-GaN層113的表面上重結(jié)晶時形成粗糙表面部分119a，因此可提供在LED元件2和外部之間的界面中的光漫射性能，并且可增加光取出效率。
此處，上述具有高折射率的材料層119可由Ta2O5以外的材料形成，并且可以是，例如，ZnS(n＝2.4)、SiC(n＝2.4)、HfO2(n＝2.0)、ITO(n＝2.0)、GaN(n＝2.4)、TiO2、ZnO、SiC等等。用于膜形成的這些材料不需要是導(dǎo)電材料，并且可以是具有高粘附性和優(yōu)良光學(xué)特性的任何材料。
(第十實施例)(LED元件2的配置)圖12是示出根據(jù)第十實施例的倒裝芯片型LED元件的豎直橫截面視圖。
該倒裝芯片型LED元件2具有這樣的配置，其中熱膨脹系數(shù)為7.0×10-6/℃的ITO接觸電極120被提供，而不是在第九實施例中所描述的LED元件1的p側(cè)電極118。
(第十實施例的效果)根據(jù)第十實施例，提供了ITO接觸電極，其熱膨脹系數(shù)與基于GaN的半導(dǎo)體層100的熱膨脹系數(shù)近似相同，并因此得到高度可靠的LED元件2，其中除了第九實施例的優(yōu)選效果以外，還增加了所述p側(cè)電極的粘附性，使得p側(cè)電極不會作為對LED元件2的密封處理所產(chǎn)生的熱或者與光發(fā)射一起發(fā)射的熱的結(jié)果而剝落。此外，由于ITO的電流擴散特性，光發(fā)射的不均勻性可被減小。此處，p側(cè)電極可由除ITO以外的導(dǎo)電氧化物材料形成。
(第十一實施例)(LED元件2的配置)圖13是示出根據(jù)第十一實施例的倒裝芯片型LED元件的豎直橫截面視圖。
該倒裝芯片型LED元件2是通過在GaN襯底130上生長基于GaN的半導(dǎo)體層100而得到的，其是具有340μm邊和100μm厚度的正方形。
(第十一實施例的效果)根據(jù)第十一實施例，得到了GaN襯底130的厚度(側(cè)面的厚度)t、LED元件2的尺寸w、玻璃密封部分4的折射率n2、以及LED元件2的折射率n3之間的關(guān)系t≥W/(2tan(sin-1(n2/n3)))，使得從基于GaN的半導(dǎo)體層100輻射到GaN襯底130的所有光不從GaN襯底130和玻璃密封部分4之間的界面全反射，并因此，在圖10所示的光發(fā)射裝置1中使用GaN襯底130的情況中，其中，例如，W＝300μm，n2＝1.9，n2＝2.4，通過使GaN襯底130的厚度t≥116μm，從LED元件2取出光的特性可增加到理想的效率。此處已經(jīng)確認(rèn)，即使當(dāng)厚度t具有上限的大約一半的值時光取出特性也增加。在這樣的情況中，長方體形式的GaN襯底130處于光學(xué)形式，從而避免具有高光吸收比的基于GaN的半導(dǎo)體層100中的光學(xué)損失并使得從元件內(nèi)部取出光的效率的增加成為可能。
圖16示出模擬結(jié)果，其示出輻射到標(biāo)準(zhǔn)LED元件外部的效率比對密封材料折射率的依賴性。該模擬結(jié)果是使用具有下列物理值的預(yù)定形式的模型得到的外延層、襯底層和密封材料各自的折射率、透射比、光衰減距離，從而借助于光束追蹤方法產(chǎn)生1百萬個光束。此處，折射率指示針對光發(fā)射元件所發(fā)射的光波長的值。對于藍(lán)寶石襯底被用作襯底的元件，并且該元件用具有1.58的折射率的密封材料來密封，得到了到外部的輻射效率比率的基準(zhǔn)值。
在圖16中，曲線A示出到使用藍(lán)寶石襯底的長方體形式的LED元件(標(biāo)準(zhǔn)元件)外部的輻射效率比，曲線B0示出到使用GaN襯底或者具有與GaN相同的折射率的襯底的、長方體形式的LED元件外部的輻射效率比，以及曲線B1示出到使用GaN襯底或者具有與GaN相同的折射率的襯底并且其上已經(jīng)執(zhí)行表面處理的長方體形式的LED元件外部的輻射效率比。所有長方體形式的尺度為W＝300μm，半導(dǎo)體層的厚度t＝6μm，以及襯底的厚度為84μm(116μm的72％的厚度)。這是表面上的經(jīng)處理的形式為具有45°傾斜角度的棱鏡(具有2μm的底邊)的情形。此處，即使在傾斜角度在±15°的范圍內(nèi)改變的情形中，特征曲線也沒有大的改變，并且保持大致相同。這是因為光從光發(fā)射元件輻射到密封材料變得比較容易，同時當(dāng)傾斜角度增加時光重新進入經(jīng)處理的形式中的相鄰表面也變得比較容易。
在密封材料的折射率不小于1.6的情形中，可得到相對于基準(zhǔn)值不小于80％的效率的大增加。密封材料的折射率不小于1.7并且不大于2.1是更理想的。在折射率不小于1.7的情形中，從LED元件輻射到密封材料到外部的效率可近似達到理想水平。另一方面，在密封材料的折射率過高的情形中，這導(dǎo)致從密封材料進入空氣的輻射效率的降低。也就是說，在使全反射不發(fā)生的形式中的限制變得過大，并且當(dāng)光垂直于界面而入射時界面反射變大。因此，LED的密封材料的折射率與光發(fā)射層的折射率之比在0.68到0.85的范圍內(nèi)是理想的。
此處，盡管在第十一實施例中描述了將基于GaN的半導(dǎo)體層100提供到GaN襯底130的配置，但是也可提供例如在SiC襯底上提供基于GaN的半導(dǎo)體層100的LED元件2。此外，在已經(jīng)在藍(lán)寶石襯底上生長了基于GaN的半導(dǎo)體層100之后可借助于激光消除(lift-off)來去除藍(lán)寶石襯底，并且作為具有高折射率的材料層，GaN襯底130可以使得被粘附到所述半導(dǎo)體層。
此時，在具有高折射率的材料層中沒有對外延生長的限制，晶格常數(shù)與外延生長層的晶格常數(shù)相同是不必要的，并且外延層為單晶也是不必要的。該外延生長層僅具有用于光學(xué)組件的光透射特性，滿意的折射率和用于進行連接的熱膨脹系數(shù)是足夠的。因此，除了GaN以外，該外延生長層還可以是TiO2、Ga2O3、ZnO等等，或者可以是這些中的任何一種的多晶體。
(第十二實施例)(LED元件2的配置)圖14是示出根據(jù)第十二實施例的倒裝芯片型LED元件的豎直橫截面視圖。
該倒裝芯片型LED元件2是通過在第十一實施例的LED元件2的GaN襯底130拐角提供具有45°傾斜角度的被切割部分130A(以表面C在襯底的拐角處被圓化的形式)而得到。
(第十二實施例的效果)根據(jù)第十二實施例，可得到與圖16的曲線B1相同的到外部的輻射效率，所述曲線B1示出第十一實施例的優(yōu)選效果，并且通過LED元件2橫向傳播的光可以以高效率被取出到具有低折射率的介質(zhì)中。此外，可提供這樣的元件形式，其中從基于GaN的半導(dǎo)體層100輻射到GaN襯底130的所有光不從GaN襯底130和玻璃密封部分4之間的界面全反射，即使當(dāng)GaN襯底130的厚度不大于116μm時。另外，可使該表面形式中的處理成為容易的。
通過在該表面形式中執(zhí)行這樣的處理而得到200％的到外部的輻射效率比成為可能，即使在該元件用例如n＝1.7的密封材料來密封的情形中。具有n＝1.9或者以上的高折射率材料具有這樣的特性，使得在短波長區(qū)域內(nèi)吸收損失趨于增加，而用大約n＝1.7的密封材料可實現(xiàn)到外部的輻射效率的增加，因此，除了藍(lán)、藍(lán)綠等等以外，亦將本發(fā)明應(yīng)用到發(fā)射波長在370nm附近的紫外光的LED元件變得容易。
(第十三實施例)圖15A和15B示出根據(jù)第十三實施例的LED燈；圖15A是該LED燈的豎直橫截面視圖，以及圖15B是安裝在該LED燈上的LED元件的豎直橫截面視圖。
該LED燈70是通過如下而得到的將光發(fā)射裝置1安裝在引線部分9上，其中在圖15B中所示出的LED元件2用玻璃密封部分4來密封，此外，將這些集成化在由光透射樹脂制成的覆蓋模件(overmold)51中。覆蓋模件51具有光學(xué)形式表面51A，其為半球形式，使得光可以以高效率從光發(fā)射裝置1輻射到外部。
在LED元件2中，具有預(yù)定寬度和深度的溝槽形式的凹陷113A在n-GaN層113的光取出表面上以柵格形式排列，并且在該表面上提供由Ta2O5制成的具有高折射率的材料層119。借助于電子束氣相沉積方法在具有高折射率的材料層119的表面上形成粗糙表面部分119A。
(第十三實施例的效果)根據(jù)第十三實施例，溝槽形式的凹陷13A以柵格形式排列，并且具有高折射率的材料層119的LED元件2被提供在其表面上，因此光取出的LED元件2的面積被擴展，并且光取出表面包括水平表面和豎直表面，并因此提高了光取出效率。此外，具有粗糙表面部分119A的具有高折射率的材料層119被提供在n-GaN層113的表面上，因此，被限制在內(nèi)并通過n-GaN層113傳播的光在到達一側(cè)之前可從溝槽形式的凹陷113A輻射到外部，并且此時的臨界角可通過具有高折射率的材料層119擴大。因此，可得到具有高亮度的光發(fā)射裝置1。
此外，光發(fā)射裝置1是通過將LED元件2密封在玻璃中形成的，并因此具有優(yōu)良的機械強度，使得借助于注模的密封處理成為可能，并且覆蓋模件51可被容易地形成在光發(fā)射裝置1的周圍，因此，LED燈70的生產(chǎn)率是優(yōu)良的。
盡管為了完整而清楚的公開，已針對特定實施例描述了本發(fā)明，但是所附權(quán)利要求不應(yīng)由此限制，而應(yīng)被理解為體現(xiàn)本領(lǐng)域的技術(shù)人員可想到的清楚地落在本文所闡述的基本教導(dǎo)中的全部修改和可替換構(gòu)造。
權(quán)利要求
1.一種光發(fā)射裝置，包括預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在安裝于基底上的LED元件的表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允許增加從所述LED元件內(nèi)部取出光的效率；以及密封材料，其密封所述預(yù)定光學(xué)形式，其中所述密封材料具有1.6或者以上的折射率，所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在LED元件襯底的表面中，并且所述襯底具有與LED元件光發(fā)射層的折射率接近相等的折射率。
2.一種光發(fā)射裝置，包括預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在安裝于基底上的LED元件的表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允許增加從所述LED元件內(nèi)部取出光的效率；以及密封材料，其密封所述預(yù)定光學(xué)形式，其中所述密封材料具有1.6或者以上的折射率，所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在通過剝落所述LED元件的襯底而暴露的半導(dǎo)體層的表面中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的光發(fā)射裝置，其中所述預(yù)定光學(xué)形式由光透射材料層形成，所述光透射材料層具有不小于所述LED元件的光發(fā)射層和密封材料的折射率的平均值的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光發(fā)射裝置，其中所述預(yù)定光學(xué)形式形成在光透射材料層中，所述光透射材料層被提供到通過剝落所述LED元件的襯底而暴露的半導(dǎo)體層，并具有與該LED元件的光發(fā)射層的折射率相同的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的光發(fā)射裝置，其中所述預(yù)定光學(xué)形式是不平坦表面，該不平坦表面具有臺階形式的部分，其相對于光發(fā)射層法線方向的傾斜角度不大于sin-1(n2/n1)(其中n1是LED元件光發(fā)射層的折射率，而n2是所述密封材料的折射率)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光發(fā)射裝置，其中所述預(yù)定光學(xué)形式是具有近似垂直的臺階形式的不平坦表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的光發(fā)射裝置，其中所述不平坦表面是溝槽被形成在不平坦部分周圍的形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的光發(fā)射裝置，其中所述臺階形式的部分具有這樣的形式彼此相鄰的側(cè)以不同的角度相互接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光發(fā)射裝置，其中所述臺階形式的部分以菱形形式形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的光發(fā)射裝置，其中所述預(yù)定光學(xué)形式是通過組合具有不同形式和不同深度的不平坦形式而形成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求3的光發(fā)射裝置，其中在所述預(yù)定光學(xué)形式中，所述光透射材料層以如此方式被形成為具有厚度t，使得t≥W/(2tan(sin-1(n1/n2)))其中W是所述元件的寬度。
12.根據(jù)權(quán)利要求3的光發(fā)射裝置，其中所述光透射材料層具有被切割的部分，其中角已經(jīng)被切割以便于提供傾斜表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求3的光發(fā)射裝置，其中相對于所述光發(fā)射層的折射率，所述密封材料的折射率范圍從0.68至0.85。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、11或者12的光發(fā)射裝置，其中許多錐形表面被形成在所述預(yù)定光學(xué)形式中。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的光發(fā)射裝置，其中所述密封材料的外部形式以一光學(xué)表面形式形成，其中從所述LED元件發(fā)射的光以不同于臨界角度的角度進入，該臨界角度由相對于所述密封材料的折射率比來限定。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的光發(fā)射裝置，其中所述密封材料是光透射材料，其折射率滿足n1·sin45°＜n2(其中n1是所述LED元件的光發(fā)射層的折射率，而n2是所述密封材料的折射率)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的光發(fā)射裝置，其中所述光發(fā)射元件倒裝在所述基底上。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的光發(fā)射裝置，其中所述密封材料是具有光透射特性的無機材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的光發(fā)射裝置，其中所述無機密封材料是玻璃。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或者19的光發(fā)射裝置，其中所述基底是無機材料襯底，其具有與所述密封材料相同的熱膨脹系數(shù)，其中形成了用于向所述光發(fā)射元件供應(yīng)功率的導(dǎo)電圖案。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的光發(fā)射裝置，其中所述導(dǎo)電圖案具有在安裝了所述光發(fā)射元件的側(cè)上的圖案、在其后側(cè)上的圖案以及用于電連接所述兩側(cè)的圖案。
22.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的光發(fā)射裝置，其中所述LED元件由基于GaN的半導(dǎo)體制成。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的光發(fā)射裝置，其中所述密封材料具有不小于1.7的折射率。
24.一種光發(fā)射元件，包括半導(dǎo)體層，其包括光發(fā)射層；預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在所述半導(dǎo)體層的一個表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允增加許從LED元件的內(nèi)部取出光的效率；以及電極部分，其被提供在半導(dǎo)體層的另一個表面上，其中所述預(yù)定光學(xué)形式是具有臺階形式的不平坦表面，其相對于光發(fā)射層法線方向的傾斜角度不大于sin-1(n2/n1)(其中n1是LED元件的光發(fā)射層的折射率，而n2是所述密封材料的折射率)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的光發(fā)射元件，其中所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在所述LED元件襯底的表面中，并且所述襯底具有與所述LED元件光發(fā)射層的折射率接近相等的折射率。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的光發(fā)射元件，其中所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在通過剝落所述LED元件的襯底而暴露的半導(dǎo)體層的表面中。
27.根據(jù)權(quán)利要求24至26中任何一項的光發(fā)射元件，其中所述預(yù)定光學(xué)形式是具有近似豎直的臺階形式的不平坦表面。
28.根據(jù)權(quán)利要求24至26中任何一項的光發(fā)射元件，其中所述臺階形式是這樣的形式彼此相鄰的側(cè)以不同的角度相互接觸。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的光發(fā)射元件，其中所述臺階形式是菱形形式。
30.根據(jù)權(quán)利要求24至26中任何一項的光發(fā)射元件，其中所述預(yù)定光學(xué)形式是通過組合具有不同形式和不同深度的不平坦形式而形成的。
31.根據(jù)權(quán)利要求24至26中任何一項的光發(fā)射元件，其中所述LED元件由基于GaN的半導(dǎo)體制成。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的光發(fā)射元件，其中所述密封材料具有不小于1.7的折射率。
33.一種光發(fā)射元件，包括半導(dǎo)體層，其包括光發(fā)射層；預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在所述半導(dǎo)體層的一個表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允許從LED元件的內(nèi)部取出光的效率增加；以及電極部分，其被提供在半導(dǎo)體層的另一個表面上；以及光透射材料層，其被提供在所述半導(dǎo)體層的一個表面上，其中所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在所述光透射材料層的表面中。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的光發(fā)射元件，其中所述光透射材料層是表面粗糙化的薄膜。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的光發(fā)射元件，其中所述光透射材料層由GaN制成。
全文摘要
一種光發(fā)射裝置，具有預(yù)定光學(xué)形式，其被提供在安裝于基底上的LED元件的表面上，該預(yù)定光學(xué)形式被使得允許從該LED元件內(nèi)部取出光的效率增加；以及密封材料，其密封所述預(yù)定光學(xué)形式。所述密封材料具有1.6或者以上的折射率，所述預(yù)定光學(xué)形式被形成在LED元件襯底的表面中，并且所述襯底具有與LED元件光發(fā)射層的折射率接近相等的折射率。
文檔編號H01L33/00GK1761079SQ200510093890
公開日2006年4月19日 申請日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月31日
發(fā)明者末広好伸, 田角浩二 申請人:豐田合成株式會社