專利名稱：高功率AlInGaN基多芯片發(fā)光二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及發(fā)光二極管(LED)，及其制造和操作方法。具體地，本發(fā)明涉及具有改進設計的LED，其提供增強的輸出特性。更具體地，本發(fā)明涉及高功率AlInGaN LED組件，其包括組裝在優(yōu)化的反射杯封裝體(package)中的多個高效、細長的芯片。
背景技術：
用作指示器的發(fā)光二極管(LED)是公知的。在消費電子設備中LED已經廣泛地用于此目的。例如，紅色LED通常用于指示電能已經施加到諸如收音機、電視機、錄像機(VCR)等裝置。
雖然這樣的現(xiàn)有LED已經證明通常適合于它們的計劃目的，但它們具有內在不足，其降低了它們的總體效率和合意度。例如，這樣的現(xiàn)有LED的功率輸出不像有時期望的那么大。這限制了現(xiàn)有LED在一些應用中起作用的能力，例如提供普通照明，比如環(huán)境照明。即使高功率的現(xiàn)有LED也不能提供用于這樣的目的的足夠照明。
現(xiàn)有LED還比期望的效率低，由此使它們用于普通照明的吸引力降低。高功率現(xiàn)有LED甚至比標準LED的效率低，因此使高功率LED對一些應用的吸引力更低。
克服與不足的功率輸出有關的現(xiàn)有LED的局限性的嘗試包括成組的多個LED的使用以便提供所需的照明。然而，多個LED的使用比預期更昂貴且本質上增大了照明裝置的尺寸或體積，使它不適合于一些應用。
近些年，AlInGaN基LED因為其用作適于取代傳統(tǒng)白熾照明設備和熒光照明設備的固態(tài)光源的大的潛力而吸引了很多關注。雖然仍不象期望的那樣有效，但是現(xiàn)有LED的效率在近十年已經提高很多，使得它現(xiàn)在比普通鎢絲燈的效率更高。
LED產生單色光。因此，它們通常不適于一般需要白色光的普通照明。然而，通過結合藍色AlInGaN LED和黃色磷光體(phosphor)，可以產生白光。該方法現(xiàn)在正廣泛應用于白色LED的制造中。
然而，白色LED比用于普通照明更廣泛地用于液晶顯示器(LCD)的背光應用中。與性能考慮因素相比這更多地歸因于制造AlInGaN LED的成本。最終需要優(yōu)化成本和性能二者，使得LED可以與傳統(tǒng)光源競爭。
與LED有關的一個問題是，器件本身內產生的熱可以負面影響它們的效率。這限制了可以用來驅動LED的電功率的量，由于可以產生的光的量大體上與輸入電功率成比例，因此導致對LED最大輸出光功率的限制。
熱引起較低效率的基本原因是由于LED管芯(die)中溫度上升。較高的運行溫度不僅降低了光輸出效率，而且顯著減小了LED的壽命。由于LED中發(fā)熱是不可避免的，因此科學家已經努力通過提高散熱速率(heat removalrate)來降低溫度上升。這可以通過在器件的有源區(qū)附近設置熱沉(heat sink)且通過為該熱沉選擇高熱導率的材料來實現(xiàn)。
另一方法是使用較大的器件尺寸，使得對外部熱接觸的接觸面積以及總的熱容量兩者都增大。對于相同量的發(fā)熱來說，較大的器件將比較小的器件保持更涼，從而便于以較高輸入功率運行。當然，輸入功率越高，輸出光功率就越高。因此，對于較大的LED芯片來說，由于一個大尺寸器件取代了若干小尺寸器件，因此可以從單個器件產生的總功率增大，并且預期可節(jié)約成本。
現(xiàn)在參考圖1，示出了藍寶石上AlInGaN LED的簡化示意圖。用于藍寶石上AlInGaN LED的最通常使用的器件尺寸是約300×300微米。器件在20-30毫安和3.5伏特正常運行。一些現(xiàn)有設計可具有不同的幾何形狀，但是側邊的尺寸大致相似，即，現(xiàn)有LED兩條側邊之間的長寬比約為1。這主要歸因于傳統(tǒng)LED封裝的尺寸，其中構造杯形凹陷使得LED芯片安裝在其內且具有圓的或方的約400微米的尺寸。
現(xiàn)在參考圖2，示出現(xiàn)有大尺寸(高功率)LED芯片的簡化示意圖。近來，這樣的大尺寸AlInGaN基LED芯片已經變得容易得到了。這些大尺寸芯片的尺寸約為1000×1000微米。通常，設計并優(yōu)化大芯片的實際器件面積(除結合焊盤和蝕刻凹陷之外)以在與較小的現(xiàn)有LED有關的較小電流密度下工作，使得每單位面積的發(fā)熱率在兩種情況下大約相同。通常，大尺寸芯片運行在約250-350毫安和3.5伏特。
當設計大尺寸器件時，需要額外注意電流在器件中是如何散布的，以產生最小化的電流聚集。這樣的電流聚集的發(fā)生是因為橫向電阻隨芯片尺寸一起增大且因為電流趨向于在縱向傳播前不會橫向傳播較遠。當電流聚集發(fā)生時，需要提供足夠的電接觸分布以確保所有橫向電流基本均勻分布。在實際實踐中，使用交叉指型指狀圖案(inter-digital finger pattern)，例如如圖2所示的圖案。
雖然大尺寸器件可提供更大的每器件輸出功率，但存在與大尺寸器件相關的光取出問題。當在LED中產生光時，取決于光照射在LED和外部介質之間的界面上的角度，一些光容易從芯片逃逸，而一些光不會。當介質的光學折射率小于LED材料的折射率時，當入射角大于臨界角時，LED內的光將被反射回LED。然后被反射的光在LED內部反射，直到它找到出路或被吸收。光強由于體材料中的吸收而減弱。
越多的光在LED內傳播且LED材料的折射率越大，就有越少的光逃逸。因此，對LED的任何光透射層來說，需要最小化光能夠逃逸之前的反射次數和總的傳播距離。
現(xiàn)在參考圖3A，隨著器件尺寸增加，光具有在射出器件之前反射更多次且因此傳播更長距離的傾向，導致光損失增大。圖3B示出在較小器件中光傾向于反射較少次且因此傳播較短的距離。對藍寶石上AlInGaN LED來說這是特別嚴重的問題，因為與其它LED材料例如GaAs和AlInGaP(用于紅外和紅到琥珀色)相比，AlInGaN和藍寶石兩者都具有相對較高的折射率。因為AlInGaN和藍寶石的高折射率，大部分光實際上在這兩個區(qū)域中傳播且從側面逃逸。因此，對AlInGaN LED來說器件的橫向尺寸是重要的考慮因素。
對該問題的一個補救包括上面朝下安裝芯片并在外延側上提供鏡面涂層，從而使光輸出改變方向朝向襯底側。由于藍寶石的折射率(n＝1.7)小于AlInGaN的折射率(n＝2.5)，因此藍寶石在AlInGaN LED和介質(對大多數環(huán)氧樹脂來說n＝1.5)之間提供了良好的系數匹配(index matching)。外延側上的鏡面涂層將光反射向襯底。該設計提供了較好的路徑用于光從其逃逸。在實際實踐中，光效率是未翻轉大尺寸LED的兩倍。然而，由于不僅在芯片和最終封裝體之間需要輔助底座(sub-mount)，而且需要精確的對齊來確保芯片接觸焊盤和輔助底座之間適當的電接觸，因此，制造該器件的成本高。迄今為止，沒有跡象表明這樣的制造可以是高產率工藝。
在圖2所示的器件中，關于光取出有兩個問題。除了從器件逃逸沒有反射的光之外，其余的光在找到出口之前基本在外延層區(qū)域和襯底區(qū)域中傳播。大部分光從器件的側面射出。對于在襯底區(qū)域中傳播的光來說，它遇到與上面參考圖3A的論述的相同的問題。即，光由于體和界面吸收而削弱了。這對兩個方向，即，平行于和垂直于指狀物(finger)的方向來說都是真實存在的。
對于在外延層中傳播的光來說，歸因于大尺寸的光損失僅沿著平行于指狀物的方向。由于照射到兩側之前，光垂直于指狀物傳播的距離短得多，因此，與其它較長方向相比，光相對容易地逃逸，有小得多的損失。
然而，從側面之一射出的光會碰到金屬指狀物且然后被吸收。不幸地，大部分通常使用的金屬，例如Au或Au基合金，容易吸收藍光譜中的光。
在實際實踐中，如圖1和2所示，由于上面詳細論述的問題，1000×1000微米器件的光取出效率僅是300×300微米器件的光取出效率的1/3。鑒于此，雖然1000×1000微米芯片的器件面積是300×300微米芯片的10倍以上，但輸出功率僅約為3-4倍。
如所述，雖然在有限的程度上現(xiàn)有技術已經認識到照明不足和效率低下的問題，但是迄今為止提議的解決方案在提供滿意的補救方面是無效的。因此，期望提供一種具有增大的光輸出功率和提高的效率的LED。更具體地，期望提供一種具有較大有源表面的LED，從而提供相對于現(xiàn)有LED提高的亮度和效率。

發(fā)明內容
雖然為了語法流暢而已經或將要用功能性說明描述裝置和方法，但是將清楚明白的是，除非在35USC 112下清楚明確地表達，權利要求不應被解釋為以任何方式受“裝置”構造或“步驟”的必要限制，而是在公正的等價原則下與權利要求提供的定義的含義和等價物的完整范圍一致，并且在權利要求在35USC 112下明確表達的情況下，權利要求在35USC 112下與所有法定等價物一致。
本發(fā)明明確指出并減少上述與現(xiàn)有技術有關的缺點。更具體地，本發(fā)明包括一種具有基本透明的襯底且具有定義細長幾何形狀的長寬比的發(fā)光二極管芯片及其形成方法，從而提供提高的效率和亮度。
根據下面的描述和附圖，本發(fā)明的這些及其它優(yōu)點將更加明顯。應理解的是，在權利要求的范圍中可產生所示和所描述的具體結構的變化而不偏離本發(fā)明的主旨。
現(xiàn)在借助于以下附圖本發(fā)明將更直觀，附圖中相同的附圖標記表示相同的元件。


現(xiàn)在可以通過借助下面的優(yōu)選實施例的詳細描述更好地理解本發(fā)明及其各種實施例，優(yōu)選實施例作為權利要求中定義的本發(fā)明的說明性示例給出。清楚理解的是，如權利要求所定義的本發(fā)明可以比下面描述的說明性實施例范圍更寬。
圖1是形成在透明藍寶石襯底上的普通現(xiàn)有標準(300×300微米)AlInGaN LED的半示意性示圖；圖2是現(xiàn)有高功率(1000×1000微米)AlInGaN LED的半示意性示圖，示出其交叉指型接觸指；圖3A是示出光在較高折射率材料(例如藍寶石襯底或外延LED層)內沿長路徑傳播直到它最終逃逸到較低折射率材料(例如空氣)中的側視圖；圖3B是示出光在較高折射率材料(例如藍寶石襯底或外延LED層)內沿短路徑傳播直到它最終逃逸到較低折射率材料(例如空氣)中的側視圖；圖4是根據本發(fā)明的具有高的長寬比且具有形成在其一側壁上的反射涂層的細長功率LED的透視圖；圖5A是示出設置在凹陷封裝體中的四個250×1000微米LED的一示例性布置的平面圖，所述凹陷封裝體具有形成在該封裝體內表面上的反射涂層；圖5B是沿圖5A的5B線截取的圖5A的設置在凹陷封裝體內的四個250×1000微米LED的示例性布置的截面圖側視圖；圖6A是示出設置在凹陷封裝體中的四個250×1000微米LED的另一示例性布置的平面圖，所述凹陷封裝體具有形成在該封裝體內表面上的反射涂層；圖6B是沿圖6A的6B線截取的圖6A的設置在凹陷封裝體內的四個250×1000微米LED的示例性布置的截面圖側視圖；
圖7是根據本發(fā)明形成的手電筒的半示意性橫截面圖；圖8A是圖5A的設置在凹陷封裝體內的四個LED的示例性布置，示出彼此串聯(lián)電連接的LED；圖8B是圖5A的設置在凹陷封裝體內的四個LED的示例性布置，示出彼此并聯(lián)電連接的兩個LED對；以及圖8C是圖6A的設置在凹陷封裝體內的四個LED的示例性布置，示出了全部四個彼此并聯(lián)電連接的LED。
具體實施例方式
在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領域普通技術人員可以進行許多替換和修改。因此，必須明白陳述圖示的實施例僅是為了舉例，并且它不應被認為是對后附權利要求所定義的本發(fā)明的限制。例如，盡管下面以一定的結合陳述了權利要求的組元(element)，但是必須清楚明白，本發(fā)明包括上面公開的更少、更多或者不同組元的其它結合，即使最初沒有以這樣的結合要求保護。
在本說明書中用來描述本發(fā)明及其各種實施例的措辭不僅應在其普通定義意思上理解，而且應包括結構、材料或作用的超越普通定義意思的范圍的在本說明書中的特殊定義。因此，在該說明書的上下文中如果一組元可以被理解為包括不止一種意思，那么其在權利要求中的使用必須理解為對說明書和措辭本身所支持的全部可能意思是適用的。
因此，下面的權利要求的措辭或組元的解釋定義在該說明書中，從而不僅包括字面上陳述的組元的結合，而且包括用于以基本相同的方式實施基本相同的功能以獲得基本相同的結果的所有等價的結構、材料或作用。因此在該意義上可以預期對后面權利要求中的組元中的任何一個，可以用兩個或更多組元等價替換，或者單個組元可替換權利要求中的兩個或更多組元。盡管前面組元被描述為以一定的結合起作用且甚至這些地初始要求保護，但是應清楚明白，來自要求保護的結合的一個或更多組元在某種情況下能從該結合中去除，且要求保護的結合可指向子結合或子結合的變體。
本領域普通技術人員認為的、現(xiàn)在已知或后來設計的來自要求保護的主旨的無實質的變化清楚地預期為在權利要求范圍內是等效的。因此，本領域普通技術人員現(xiàn)在或以后公知的顯而易見的替換被定義為在定義的組元的范圍內。
因此權利要求可以理解為包括上面詳細說明和描述的內容、概念等價的內容、能顯而易見地替換的內容、以及本質上結合了本發(fā)明的實質思想的內容。
因此，下面結合附圖陳述的詳細描述用于作為本發(fā)明的當前優(yōu)選實施例的描述，而不用于僅描繪構建或利用本發(fā)明的形式。該描述結合圖示的實施例闡明了用于構建和操作本發(fā)明的功能和步驟順序。然而，應理解，相同或等價的功能可以通過同樣包含在本發(fā)明精神中的不同實施例來實現(xiàn)。
根據一方面，本發(fā)明包括一種用于制造發(fā)光二極管(LED)芯片的方法，該方法包括形成具有定義細長幾何形狀的長寬比的基本透明襯底。更具體地，本發(fā)明包括一種用于形成高功率發(fā)光二極管芯片的方法，其中該方法包括提供基本透明的襯底；在該襯底上形成至少一個有源區(qū)；以及切開(cutting)例如切割(dicing)該襯底以形成具有有源區(qū)的至少一個發(fā)光二極管芯片，該有源區(qū)具有大于約1.5比1的長寬比。
優(yōu)選地，該有源區(qū)的長寬比大于約2比1。優(yōu)選地，該有源區(qū)的長寬比在約1.5比1到約10比1之間。優(yōu)選地，該有源區(qū)的長寬比約為4比1。優(yōu)選地，其寬度約為250微米且其長度約為1000微米。
然而，本領域普通技術人員將意識到，有源區(qū)的各種等價細長結構同樣合適。例如該有源區(qū)可選地可以由彼此作為整體形成的多個細長結構確定，以定義更復雜的結構。由細長結構形成的這樣的復雜結構的一個示例是交叉(cross)。另一示例是從公共中心點輻射的多個輻條，很象貨車輪的輻條，這樣一般提供星號外觀。
優(yōu)選地，配置有源區(qū)以運行在約3.0伏特和約3.5伏特之間且在約60毫安和約90毫安之間。然而，本領域普通技術人員將意識到，各種其它運行參數同樣合適，尤其當有源區(qū)由AlInGaN之外的材料確定時。
有源區(qū)可選地彼此電連接以定義一網絡，使得網絡中的電壓傾向于最大化而經過任何發(fā)光二極管芯片的電流不大于預定值。通過在網絡中最大化電壓，合意地提高了其中的功率傳輸效率。
優(yōu)選地，在每個襯底上形成一個發(fā)光二極管器件，且有源區(qū)基本覆蓋每個襯底的基本整個表面。然而，多個細長的有源區(qū)可選地可形成在公共襯底上。在這種情況下，有源區(qū)將不會完全覆蓋襯底。
例如，細長有源區(qū)的陣列可被蝕刻在單個襯底上。如另一示例，交叉或輻射輻條圖案的有源區(qū)可形成在襯底上。在這兩種示例中，有源區(qū)將不覆蓋襯底的基本整個表面。例如，它將不覆蓋輻射輻條之間的區(qū)域。
優(yōu)選地，襯底包括從含有藍寶石、尖晶石、玻璃、ZnO、SiC、MgO、GaN、AlN和AlGaN的組選擇的材料。優(yōu)選地，有源區(qū)包括AlInGaN。然而，本領域普通技術人員將意識到，用于襯底和/或有源區(qū)的其它材料同樣合適。
根據一方面，本發(fā)明的方法包括形成上LED層和下LED層(相對上LED層具有相反的類型)，其共同作用以定義有源區(qū)；在上LED層上形成上接觸指；在下LED層上形成下接觸指；以及在有源區(qū)和下接觸指之間形成反射體，構造反射體從而將從有源區(qū)導向下接觸指的光反射遠離下接觸指，以增強發(fā)光二極管芯片的亮度。優(yōu)選地，反射體形成在有源區(qū)和下接觸指之間有源區(qū)上。
反射體可以包括電介質反射體或金屬反射體。如果反射體包括金屬反射體，那么透明絕緣體優(yōu)選形成在有源區(qū)和下接觸指之間有源區(qū)上，從而使反射體與有源區(qū)電絕緣。
根據一方面，本發(fā)明包括一種發(fā)光二極管芯片，其包括基本透明的襯底且具有定義細長幾何形狀的長寬比。更具體地，本發(fā)明包括一種高功率發(fā)光二極管芯片，其包括基本透明的襯底、形成在該襯底上的有源區(qū)，其中該有源區(qū)的長寬比大于約1.5比1。
根據一方面，本發(fā)明包括一種高功率發(fā)光二極管芯片，其包括設置在有源區(qū)和下接觸指之間的反射體，該反射體被構造為將從有源區(qū)導向下接觸指的光反射遠離下接觸指，以增強發(fā)光二極管的亮度。
根據一方面，本發(fā)明包括一種高功率發(fā)光二極管燈，其包括封裝體和設置在該封裝體內的至少一個發(fā)光二極管芯片。
封裝體優(yōu)選包括四個反射側面和反射底部。封裝體優(yōu)選定義矩形。封裝體優(yōu)選定義方形。然而，本領域技術人員將意識到，封裝體可選地可定義任何其它所需形狀。例如，封裝體可選地可以是圓的。
該高功率發(fā)光二極管燈優(yōu)選包括多個發(fā)光二極管芯片。發(fā)光二極管芯片可以彼此串聯(lián)電連接、彼此并聯(lián)電連接、或者彼此以串聯(lián)和并聯(lián)的某一結合電連接。例如，在具有四個發(fā)光二極管的高功率發(fā)光二極管燈中，成對的發(fā)光二極管可以單獨彼此并聯(lián)，然后兩個對彼此串聯(lián)。
優(yōu)選地，配置封裝體，使得將本發(fā)明的高功率發(fā)光二極管燈結合到照明產品中的制造者可以容易地選擇發(fā)光二極管的所需電結構(串聯(lián)、并聯(lián)或者串聯(lián)和并聯(lián)的結合)。例如，這樣的選擇可以通過將導體連接到高功率發(fā)光二極管燈的選定焊盤、通過選擇開關的位置、通過增加或移動跳線、通過燒或去除跳線、或者通過任何其它所需方法來進行。
高功率發(fā)光二極管燈優(yōu)選包括四個發(fā)光二極管芯片。優(yōu)選配置該四個發(fā)光二極管芯片以通常定義方形。
可選地，發(fā)光二極管芯片可以配置為定義線性陣列。供選地，發(fā)光二極管可以首尾相連設置，以定義方形輪廓。
封裝體優(yōu)選包括至少一個其中有反射涂層的凹陷，發(fā)光二極管設置在凹陷內。封裝體可選地包括多個凹陷，每個凹陷其中具有反射涂層，在每個凹陷內至少設置一個發(fā)光二極管。例如，封裝體可以包括具有四個凹陷的凹陷封裝體，每個凹陷其中具有反射涂層，在四個凹陷的每個內設置一個發(fā)光二極管。
根據本發(fā)明的一方面，封裝體包括具有四個細長凹陷的凹陷封裝體，每個細長凹陷具有形成在其中的反射涂層，且在每個細長凹陷內設置一個發(fā)光二極管。
根據本發(fā)明的一方面，一種照明器件包括電源和與該電源電連接的至少一個高功率發(fā)光二極管燈。該電源可包括例如至少一個電池，一插塞被構造來連接到壁插座，或者AC電源和耦合從而將來自AC電源的AC電流轉換為適于操作發(fā)光二極管的DC電能的DC供電器(power supply)。
因此，本發(fā)明提供了一種LED芯片設計，其消除了與現(xiàn)有LED芯片有關的問題(比如差的效率和不夠的亮度)。該芯片在其兩條相鄰側邊之間具有高的長寬比，使得光能容易地從長尺寸側逃逸，這樣基本上增強了器件的亮度。LED芯片的細長結構還增強了散熱，因此允許器件運行在更高電流級別以促進光輸出的進一步增強，以及用于其效率的提高。
本發(fā)明示出在圖1-6B中，其描述本發(fā)明的當前優(yōu)選實施例。
現(xiàn)在參考圖1，示出形成在透明藍寶石襯底上的現(xiàn)有標準300×300微米AlInGaN LED。該現(xiàn)有器件包括透明藍寶石襯底11、形成在襯底11上的AlInGaN外延層12、由AlInGaN外延層12定義的有源區(qū)13、形成在外延層12的上部的一些層上的上或P結合焊盤14、形成在外延層12的下部的一些層上的下或N結合焊盤15、以及P電流散布層(P current spreading layer)16。
現(xiàn)在參考圖2，示出形成在透明藍寶石襯底上的現(xiàn)有高功率1000×1000微米的AlInGaN LED。該高功率LED是提供比圖1所示的標準LED更亮的LED的嘗試。由于其較大的尺寸，所以交叉指型接觸指26、27被用來散布通過有源層的電流。該較大的現(xiàn)有器件包括透明藍寶石襯底21、形成在襯底21上的AlInGaN外延層22、由AlInGaN外延層22定義的有源區(qū)23、形成在外延層22的上部的一些層上的上或P指互連24、以及形成在外延層22的下部的一些層上的下或N指互連25。上或P接觸指26從P指互連24延伸且下或N接觸指27類似地從N指互連25延伸。
現(xiàn)在參考圖1和2，當現(xiàn)有芯片的尺寸從300×300微米(圖1)增加到1000×1000微米(圖2)時，光輸出效率下降約60％-70％。因此，盡管高功率LED提供了增加的亮度，但是這是以犧牲效率來實現(xiàn)的。
現(xiàn)在參考圖3A和3B，光輸出效率隨著芯片尺寸的增加而減小是因為光射出器件之前必須傳播的平均路徑長度增加。在LED的任何層比如有源層或襯底中傳播的光在射出器件之前通常必須被反射數次。當然，LED越大，路徑就越長，并且就存在更大的在層中和在相鄰層之間的界面處光吸收的機會。因此，如圖3A所示，沿著較長路徑(比如穿過較大芯片)傳播的光比圖3B中所示的沿著較短路徑(比如穿過較小芯片)的光將平均衰減更多。
現(xiàn)在參考圖4，示出根據本發(fā)明的具有細長幾何形狀的LED。本發(fā)明包括透明藍寶石襯底41、形成在襯底41上的AlInGaN外延層42、由AlInGaN外延層42定義的有源區(qū)43、形成在外延層42的上部的層上的上或P結合焊盤44、形成在外延層42的下部層上的下或N結合焊盤15、從P結合焊盤44延伸的P接觸指46、以及從N結合焊盤45延伸的N接觸指47。
可選地，反射涂層48形成在外延層42上(且因此形成在有源區(qū)43上)。可選地，反射涂層可形成在N接觸指47上或另外可以形成在外延層42和N接觸指47之間。反射體被配置為將來自外延層43的光反射回到外延層43中且因此遠離N接觸指47。以該方式，反射的光可以在某其它位置(而不是在N接觸指47附近)離開該外延層43且因此對LED的亮度有貢獻(而不是被N接觸指47吸收)。
反射體48可以是電介質反射體或者金屬反射體。如果使用金屬反射體，那么絕緣體49形成在反射體48和外延層42之間外延層42上從而防止不需要的電流流經反射體48。
根據本發(fā)明，光的損失可通過在一維上減小芯片的尺寸進而有源區(qū)尺寸和襯底尺寸(于是定義細長幾何形狀)來顯著減小。通過在臺面(mesa)的一側提供反射涂層或反射體來避免不期望的通過N接觸指47的光吸收，能提供光損失的進一步減小。
由于關于現(xiàn)有高功率LED器件的總面積現(xiàn)在也減小了，所以能使用多個LED來增加功率容量(power capacity)。圖4示出作為本發(fā)明一示例性實施例的250×1000微米的器件。本領域普通技術人員將意識到，本發(fā)明的其它尺寸和結構同樣合適。
為了在本發(fā)明的運行期間維持與現(xiàn)有器件中相同的電流密度，本發(fā)明優(yōu)選配置為運行在3.0-3.5伏特和60-90毫安(因為本發(fā)明的有源區(qū)是現(xiàn)有1000×1000微米器件的有源區(qū)的約25％)。為了產生與現(xiàn)有1000×1000微米器件一樣大的光輸出功率，可將一組四個250×1000微米的器件組裝在一個封裝體中。
現(xiàn)在參考圖5A-6B，示出本發(fā)明的兩個封裝體構造。在許多應用中，點光源是優(yōu)選的，因為它產生球形光圖案(spherical light pattern)，其對于通過以陣列布置點光源來構建任何形狀的平面是有用的。為了提供這樣的點光源，可選地數個細長芯片可被布置在單個封裝體中從而產生球形光圖案。
圖5A和6A的兩個封裝體實例都使用四個250×1000微米的芯片。每個芯片單獨布置在被構造來向上引導側光的反射杯中。
圖5A和5B所示的封裝體是單個凹陷杯51，其具有以管狀平底鍋(tubepan)或邦特(Bundt)平底鍋形式向上延伸的中心件52。凹陷56適于容納多個例如四個單獨的LED芯片57a-57d。封裝體的內部側面53和底部54，包括中心件52，是反射的，以提高LED提供的光的量。
圖6A和6B所示的封裝體是具有形成在其中的多個單獨凹陷的多凹陷杯61。配置每個凹陷以容納單獨的LED芯片67a-67d。每個凹陷66a-66d的內部，包括側面63和底部64，是反射的。
用于每個芯片67a-67d的單個反射凹陷66a-66d是優(yōu)選的，因為沒有它來自芯片的側光將從它的側面再進入鄰近芯片。
現(xiàn)在參考圖7，手電筒的半示意性橫截面圖示出根據本發(fā)明形成的高功率LED封裝體72，其設置在聚焦光學涂層或反射體71之后。到電池75的電連接73與彈簧電接觸76、導體77、以及開關74共同作用促進根據當前實踐的手電筒的運行。根據該示例性手電筒實施例，LED由三個電池以4.5伏特供電。然而，本領域普通技術人員將意識到，手電筒的各種其它結構同樣適用。實際上，本發(fā)明可以發(fā)現(xiàn)在各種不同便攜式(電池運行的)照明裝置中的應用。
圖5A-6B所示的布置的附加優(yōu)點是總封裝體的運行電壓或電流可以通過串聯(lián)、并聯(lián)或以兩者的組合連接芯片來容易地改變，如前所述。例如，如果全部四個器件串聯(lián)連接，那么運行參數將為12-14伏特和60-90毫安。如果它們并聯(lián)連接，那么運行參數將為3-3.5伏特和240-360毫安。如果兩個器件并聯(lián)兩個器件串聯(lián)，那么運行參數將為6-7伏特和120-180毫安。該靈活性對電路設計者是有用的，因為在功率系統(tǒng)應用中有不同的需求。通常為了減小在配電系統(tǒng)或本地電源中的電功率損失，與低電壓高電流相比更需要高電壓低電流。圖8A、8B和8C中提供了LED的不同電連接的示例，這在下面討論。
現(xiàn)在參考圖8A，圖5A的LED彼此串聯(lián)電連接。LED的該配置在高電壓和低電流下運行。例如，運行在該配置中的本發(fā)明的LED可運行在14伏特和90毫安。
現(xiàn)在參考圖8B，圖5A的兩個LED對彼此并聯(lián)電連接以提供2×2構造。例如，運行在該配置中的本發(fā)明的LED可運行在7伏和180毫安。
現(xiàn)在參考圖8C，圖5A的LED全部彼此并聯(lián)電連接。例如，運行在該配置中的本發(fā)明的LED可運行在3.5伏和360毫安。
本發(fā)明的優(yōu)點包括歸因于其細長的幾何形狀和細長芯片側面的反射涂層的出眾的光輸出效率。本發(fā)明提供功率LED器件組件和封裝體，與現(xiàn)有LED相比其以較高的光輸出功率產生近似球形光圖案。此外，本發(fā)明提供在封裝的功率LED中的運行電壓和電流方面的靈活性，以便于電路設計者能夠針對應用的要求優(yōu)化其設計。
應理解，在此描述且在圖中顯示的示例性高功率AlInGaN基多芯片發(fā)光二極管的各個方面僅代表本發(fā)明的當前優(yōu)選實施例。實際上，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對這樣的實施例進行各種修改和增加。例如，可以設想在公共或單個襯底上的有源區(qū)的各種不同形狀和結構。本領域普通技術人員應意識到，通過提供細長結構和/或一部分結構的寬的變化可以形成等價的結構、形狀和配置。這樣，不必整個有源區(qū)限定細長幾何形狀，而是有源區(qū)的某一部分或一些部分定義一個或更多細長幾何形狀。
因此，對于本領域普通技術人員來說這些和其它修改和增加是顯而易見的，并且可以被實施以使本發(fā)明適用于多種不同應用。
權利要求
1.一種用于制造發(fā)光二極管芯片的方法，該方法包括形成具有定義細長幾何形狀的長寬比的基本透明襯底。
2.一種用于形成發(fā)光二極管芯片的方法，該方法包括提供基本透明的襯底；在該襯底上形成至少一個有源區(qū)；以及切割該襯底以形成具有有源區(qū)的至少一個發(fā)光二極管芯片，該有源區(qū)具有大于約1.5比1的長寬比。
3.如權利要求2所述的方法，其中該有源區(qū)的長寬比大于約2比1。
4.如權利要求2所述的方法，其中該有源區(qū)的長寬比在約1.5比1與約10比1之間。
5.如權利要求2所述的方法，其中該有源區(qū)的長寬比約為4比1。
6.如權利要求2所述的方法，其中該有源區(qū)的寬度約為250微米且其長度約為1000微米。
7.如權利要求2所述的方法，其中該有源區(qū)的寬度約為200微米且其長度約為400微米。
8.如權利要求2所述的方法，其中該有源區(qū)配置為運行在約3.0伏特和約3.5伏特之間和約10amps/cm2和90amps/cm2之間。
9.如權利要求2所述的方法，其中一個發(fā)光二極管器件形成在該襯底上。
10.如權利要求2所述的方法，其中該有源區(qū)基本覆蓋該襯底的表面。
11.如權利要求2所述的方法，其中該襯底包括從含有藍寶石、尖晶石、玻璃、ZnO、SiC、MgO、GaN、AlN、以及AlGaN的組選擇的材料。
12.如權利要求2所述的方法，其中該有源區(qū)包括AlInGaN。
13.如權利要求2所述的方法，還包括形成上LED層和下LED層，其共同作用從而定義該有源區(qū)；在該上LED層上形成上接觸指；在該下LED層上形成下接觸指；以及在該有源區(qū)和該下接觸指之間形成反射體，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度。
14.如權利要求2所述的方法，還包括形成上LED層和下LED層，其共同作用從而定義該有源區(qū)；在該上LED層上形成上接觸指；在該下LED層上形成下接觸指；以及在該有源區(qū)和該下接觸指之間該有源區(qū)上形成反射體，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度。
15.如權利要求2所述的方法，還包括形成上LED層和下LED層，其共同作用從而定義該有源區(qū)；在該上LED層上形成上接觸指；在該下LED層上形成下接觸指；在該有源區(qū)和該下接觸指之間該有源區(qū)上形成透明絕緣體；以及在該透明絕緣體上形成反射體，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度。
16.如權利要求2所述的方法，還包括形成上LED層和下LED層，其共同作用從而定義該有源區(qū)；在該上LED層上形成上接觸指；在該下LED層上形成下接觸指；以及在該有源區(qū)和該下接觸指之間該有源區(qū)上形成反射體，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度，且該反射體由電介質形成。
17.如權利要求2所述的方法，還包括形成上LED層和下LED層，其共同作用從而定義該有源區(qū)；在該上LED層上形成上接觸指；在該下LED層上形成下接觸指；在該有源區(qū)和該下接觸指之間該有源區(qū)上形成透明絕緣體；以及在該透明絕緣體上形成反射體，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度，且該反射體由金屬形成。
18.一種發(fā)光二極管芯片，包括基本透明的襯底且具有定義細長幾何形狀的長寬比。
19.一種發(fā)光二極管芯片，包括基本透明的襯底；形成在該襯底上的有源區(qū)；且其中該有源區(qū)的長寬比大于約1.5比1。
20.如權利要求19所述的器件，其中該有源區(qū)的長寬比大于約2比1。
21.如權利要求19所述的器件，其中該有源區(qū)的長寬比在約1.5比1與約10比1之間。
22.如權利要求19所述的器件，其中該有源區(qū)的長寬比約為4比1。
23.如權利要求19所述的器件，其中該有源區(qū)的寬度約為250微米且其長度約為1000微米。
24.如權利要求19所述的器件，其中該有源區(qū)被配置為運行在約3.0伏特和約3.5伏特之間和約60毫安培和約90毫安培之間。
25.如權利要求19所述的器件，其中一個發(fā)光二極管器件形成在該襯底上。
26.如權利要求19所述的器件，其中該有源區(qū)基本覆蓋該襯底的表面。
27.如權利要求19所述的器件，其中該襯底包括從含有藍寶石、尖晶石、ZnO、SiC、MgO、GaN、AlN、以及AlGaN的組選擇的材料。
28.如權利要求19所述的器件，其中該有源區(qū)包括AlInGaN。
29.如權利要求19所述的器件，還包括上LED層和下LED層，其共同作用以定義該有源區(qū)；形成在該上LED層上的上接觸指；形成在該下LED層上的下接觸指；以及反射體，其設置在該有源區(qū)和該下接觸指之間，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度。
30.如權利要求19所述的器件，還包括上LED層和下LED層，其共同作用以定義該有源區(qū)；形成在該上LED層上的上接觸指；形成在該下LED層上的下接觸指；以及反射體，其形成在該有源區(qū)和該下接觸指之間該有源區(qū)上，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度。
31.如權利要求19所述的器件，還包括上LED層和下LED層，其共同作用以定義該有源區(qū)；形成在該上LED層上的上接觸指；形成在該下LED層上的下接觸指；透明絕緣體，其形成在該有源區(qū)和該下接觸指之間該有源區(qū)上；以及形成在該透明絕緣體上的反射體，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度。
32.如權利要求19所述的器件，還包括上LED層和下LED層，其共同作用以定義該有源區(qū)；形成在該上LED層上的上接觸指；形成在該下LED層上的下接觸指；以及反射體，其形成在該有源區(qū)和該下接觸指之間該有源區(qū)上，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度，且該反射體由電介質形成。
33.如權利要求19所述的器件，還包括上LED層和下LED層，其共同作用以定義該有源區(qū)；形成在該上LED層上的上接觸指；形成在該下LED層上的下接觸指；透明絕緣體，其形成在該有源區(qū)和該下接觸指之間該有源區(qū)上；以及形成在該透明絕緣體上的反射體，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度，且該反射體由金屬形成。
34.一種發(fā)光二極管芯片，包括基本透明的襯底；形成在該襯底上的有源區(qū)；上LED層和下LED層，其共同作用以定義該有源區(qū)；形成在該上LED層上的上接觸指；形成在該下LED層上的下接觸指；以及反射體，其設置在該有源區(qū)和該下接觸指之間，該反射體被配置為將從該有源區(qū)導向該下接觸指的光反射遠離該下接觸指，從而增強該發(fā)光二極管芯片的亮度。
35.一種發(fā)光二極管燈，包括封裝體；設置在該封裝體內的至少一個發(fā)光二極管芯片，該發(fā)光二極管包括基本透明的襯底；形成在該襯底上的有源區(qū)；且其中該有源區(qū)的長寬比大于約1.5比1。
36.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該封裝體包括四個反射側面和一個反射底部。
37.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該封裝體定義矩形。
38.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該封裝體定義方形。
39.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括多個發(fā)光二極管芯片。
40.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括彼此電串聯(lián)的多個發(fā)光二極管芯片。
41.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括彼此電并聯(lián)的多個發(fā)光二極管芯片。
42.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括以串聯(lián)和并聯(lián)的結合彼此電連接的多個發(fā)光二極管芯片。
43.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括四個發(fā)光二極管芯片。
44.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括四個發(fā)光二極管芯片，所述四個發(fā)光二極管芯片配置為大致定義方形。
45.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括四個發(fā)光二極管芯片，所述四個發(fā)光二極管芯片配置為大致定義其線性陣列。
46.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括彼此電串聯(lián)的四個發(fā)光二極管芯片。
47.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括彼此電并聯(lián)的四個發(fā)光二極管芯片。
48.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括以串聯(lián)和并聯(lián)的結合彼此電連接的四個發(fā)光二極管芯片。
49.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該發(fā)光二極管芯片包括多個發(fā)光二極管芯片，該多個發(fā)光二極管芯片彼此電連接從而定義一網絡，使得網絡中的電壓傾向于最大化而經過任一發(fā)光二極管芯片的電流不大于預定值。
50.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該封裝體包括具有其中有反射涂層的至少一個凹陷的凹陷封裝體，該發(fā)光二極管設置在該凹陷中。
51.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該封裝體包括具有多個凹陷的凹陷封裝體，每個所述凹陷其中具有反射涂層，在每個所述凹陷中設置至少一個發(fā)光二極管。
52.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該封裝體包括具有四個凹陷的凹陷封裝體，每個所述凹陷其中具有反射涂層，在每個所述凹陷中設置一個發(fā)光二極管。
53.如權利要求35所述的發(fā)光二極管燈，其中該封裝體包括具有四個細長凹陷的凹陷封裝體，每個所述細長凹陷其中具有反射涂層，在每個所述細長凹陷中設置一個發(fā)光二極管。
54.一種照明器件，包括電源；與該電源電連接的發(fā)光二極管燈，該發(fā)光二極管燈包括封裝體；設置在該封裝體內的至少一個發(fā)光二極管芯片，該發(fā)光二極管包括基本透明的襯底；形成在該襯底上的有源區(qū)；且其中該有源區(qū)的長寬比大于約1.5比1。
55.如權利要求54所述的照明器件，其中該電源包括至少一個電池。
56.如權利要求54所述的照明器件，其中該電源包括構造為與壁插座連接的插塞。
57.如權利要求54所述的照明器件，其中該電源包括AC電源且還包括耦合從而將來自AC電源的AC電流轉換成適合操作該發(fā)光二極管的DC電能的DC供電器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管芯片，其具有基本透明的襯底且具有一長寬比，該長寬比定義提供增強的效率和亮度的細長幾何形狀。本發(fā)明還公開了用于形成并運行該發(fā)光二極管芯片的方法。
文檔編號H01L33/46GK1788331SQ200480012949
公開日2006年6月14日 申請日期2004年5月11日 優(yōu)先權日2003年5月13日
發(fā)明者劉恒 申請人:艾利特光電子股份有限公司