CN101207173B - 一种具有一维光子晶体的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种具有一维光子晶体的发光二极管，属于半导体发光二极管技术领域。包括倒装型LED晶粒发光源和导线架，LED晶粒包括衬底、N型电极、N型氮化镓层、P型电极、P型氮化镓层、活性层、铝反射镜、出光面，P型电极、N型电极上下两层分别通过焊料焊接，焊料上焊接固定导线架，LED晶粒的出光面上镀制一组一维光子晶体，镀有一维光子晶体的LED晶粒用荧光粉及封装胶体进行封装。该一维光子晶体对LED晶粒出射的光具有高透射性，被封装材料反射回来的光具有高反射性，提高LED晶粒出射率的同时减小被封装材料反射回来而被晶粒吸收的光来提高外量子效率，大大改善了LED的出光效率，适用于荧光转换类发光二极管。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光二极管技术领域，具体涉及一种在出光面上镀有一维光子晶体的发光二极管。
背景技术
LED具有节能、寿命长、响应时间短、环保、安全等诸多优点，从而其应用非常广泛。特别是随着高效紫光和蓝光发光二极管的关键技术领域的突破，白光LED已经日益成为人们关注的焦点，将有部分取代传统白光光源的趋势。目前，获得白光LED的技术方案主要分为LED晶粒组合和荧光转换，而荧光转换是目前白光LED领域的主流技术。其中，主流的荧光转换类的白光LED主要有以下几种方式：一种是由蓝光LED芯片加荧光粉的方式组成，以蓝色光激发荧光粉产生黄色光，与原来蓝光LED晶粒所发的蓝光混合，以黄、蓝互补的方式，产生两波长的白光LED。另一种是以紫外光LED晶粒加红、蓝、绿三基色荧光粉方式，以紫外光激发红、蓝、绿混合荧光粉，使产生三波长白光。第三种方式是以紫光LED晶粒激发三基色荧光粉，以紫光激发红、蓝、绿混合荧光粉，使产生三波长的白光。这三种激发光照在荧光粉上也可以获得其他颜色的光。
为了使白光LED得到普及应用，需要获得高效率、高亮度的发光二极管，即需要提高器件的外量子效率。因为制备发光二极管的半导体材料与空气的折射率差值大，导致光的出射角度小且界面反射率高。当光入射到折射率为n1和n2两种物质的界面上时，入射角θ1和折射角θ2遵守斯涅耳定则，即n1sinθ1＝n2sinθ2。发光二极管的半导体材料的折射率很高，这种晶体与空气交界的临界角为θ1＝sin-1(1/n1)，入射角大于临界角时形成全反射。就在4π立体角内各项均匀发射的复合发光而言，临界角内的光只占1/2(1-cosθ1)。因此在功率型LED设计中采用倒装结构，即改变光线的出射方向，光线从透明衬底出射，避免了电极的阻挡，同时透明衬底的折射率与封装材料与空气相对折射率差减小，全反射角度增大，相应的光子提取效率提高。但是出射的光(包括一部分荧光粉激发后发射的光)仍有一部分被封装介质反射回LED晶粒上，如果不能从其他表面出射，就会被LED晶粒吸收。大量的光损失在LED内部，只有很少量的光能够出射到外部，致使LED的外量子效率低，LED的出光效率低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有一维光子晶体的发光二极管技术方案，一维光子晶体对LED晶粒发出的光具有高透过性，对LED晶粒激发荧光粉后发出的光具有高反射性，减少被LED晶粒吸收的光。
所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于包括倒装型LED晶粒发光源和导线架，LED晶粒包括衬底、N型电极、N型氮化镓层、P型电极、P型氮化镓层、活性层、铝反射镜、出光面，P型电极、N型电极上下两层分别通过焊料焊接，焊料上焊接固定导线架，LED晶粒的出光面上镀制一组一维光子晶体，镀有一维光子晶体的LED晶粒用荧光粉及封装胶体进行封装。
所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于一维光子晶体采用低折射率材料和高折射率材料交替镀膜构成，所述的低折射率材料为SiO2；所述的高折射率材料为TiO2、Ta2O5、ZrO2中的一种或一种以上的混合物。
所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于一维光子晶体的膜系初始结构为Sub1(LH)^nL Sub2，其中Sub1为出光面，采用蓝宝石或ZnO；Sub2为荧光粉及封装胶体，封装胶体采用环氧树脂或硅胶；L为低折射率材料SiO2；H为高折射率材料，采用TiO2、Ta2O5、ZrO2中的一种或一种以上的混合物；n＝5-60，为膜系层数。
所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于LED晶粒的出光面上采用真空蒸镀并离子辅助的成膜方式镀制一维光子晶体，在20℃-300℃温度下进行冷镀或热镀。
所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于LED晶粒采用蓝光LED晶粒、紫外光LED晶粒或紫光LED晶粒，相应采用被激发后产生混合白光的荧光粉。
所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于膜系层数n＝5-50。
所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于所述的冷镀温度为20℃-60℃。
所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于所述的热镀温度为260℃-300℃。
本发明在LED晶粒的出光面上镀一组一维光子晶体，一维光子晶体的层数及每层的厚度依据一维光子晶体所用的材料进行设置，结构简单。该一维光子晶体对LED晶粒出射的光具有高透射性，被封装材料反射回来的光具有高反射性，提高LED晶粒出射率的同时减小被封装材料反射回来而被晶粒吸收的光来提高外量子效率，大大改善了LED的出光效率，适用于荧光转换类发光二极管。
附图说明
图1本发明的镀有一维光子晶体的LED晶粒结构示意图；
图2本发明的一维光子晶体的放大结构示意图；
图3实施例1的透射光光谱图；
图4实施例1的反射光光谱图；
图5实施例2的透射光光谱图；
图6实施例2的反射光光谱图；
图7实施例3的透射光光谱图；
图8实施例3的反射光光谱图；
图9实施例4的透射光光谱图；
图10实施例4的反射光光谱图；
图11实施例5的透射光光谱图；
图12实施例5的反射光光谱图。
具体实施方式
以倒装型LED晶粒作为发光源，LED晶粒包括衬底6、N型电极4、N型氮化镓层3、P型电极7、P型氮化镓层8、活性层9、铝反射镜5、出光面2，P型电极7、N型电极4上下两层分别通过焊料焊接，焊料上焊接固定导线架，在LED晶粒的出光面2上采用真空蒸镀并离子辅助的成膜方式镀一组一维光子晶体1，真空蒸镀并离子辅助的成膜方式采用热镀或冷镀的方式，温度在50℃-300℃，冷镀温度为20℃-60℃，热镀温度为260℃-300℃。
一维光子晶体1有5-60层，采用高折射率材料与低折射率材料交替镀膜构成，低折射率材料为SiO2，高折射率材料为TiO2、Ta2O5、ZrO2中的一种或一种以上的混合物。镀有一维光子晶体1的LED晶粒用荧光粉和封装胶体10进行封装，LED晶粒发出的光与荧光粉被激发后产生的光混光后产生白光。
一维光子晶体1的膜系结构为Sub1(LH)^nL Sub2，其中Sub1为出光面，出光面材料采用蓝宝石或ZnO；Sub2为荧光粉和封装胶体10，封装胶体为环氧树脂或硅胶，这里我们采用硅胶；L为低折射率材料SiO2；H为高折射率材料，为TiO2、Ta2O5、ZrO2中的一种或一种以上的混合物。n＝5-60为膜系层数，低折射率材料和高折射率材料合在一起为一层。由该膜系结构组成的一维光子晶体1对LED晶粒发出的光具有高透过性，提高了LED晶粒的出射率，对荧光粉被激发后发出的光和被封装材料反射回来的光具有高反射性，通过减小被封装材料反射回来而被LED晶粒吸收的光来提高外量子效率，提高了LED的光效。
实施例1：采用蓝色LED晶粒，蓝宝石为出光面，LED晶粒发蓝光，激发相应的荧光粉发出黄绿光，一维光子晶体1的膜系结构数据如表1所示，此膜系结构Sub1(LH)^nL Sub2中所对应参数分别为：
Sub1：蓝宝石折射率Index＝1.71
Sub2：硅胶折射率Index＝1.47
H：TiO2折射率Index＝2.38
L：SiO2折射率Index＝1.45
n：9
表1：采用蓝光LED晶粒、蓝宝石为出光面的一维光子晶体的结构参数表；
采用此膜系结构LED的透射光光谱如图3，横坐标为波长，纵坐标为透射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长在460±20nm范围时，透射率接近100％。反射光光谱如图4，横坐标为波长，纵坐标为反射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长在560±20nm时，反射率接近100％。从光谱图中可以看出，未透射出的光都可以再被反射出而不被吸收。
实施例2：采用紫光或紫外光LED晶粒，蓝宝石为出光面，LED晶粒激发相应的荧光粉发出R、G、B三色光，一维光子晶体1的膜系结构数据如表2所示，此膜系结构Sub1(LH)^nL Sub2中所对应参数分别为：
Sub1：蓝宝石折射率Index＝1.71
Sub2：硅胶折射率Index＝1.47
H：Ta2O5折射率Index＝2.15
L：SiO2折射率Index＝1.45
n：25
表2：采用紫光或紫外光LED晶粒、蓝宝石为出光面的一维光子晶体的结构参数表；
采用此膜系结构LED的透射光光谱如图5，横坐标为波长，纵坐标为透射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长小于400nm时，透射率接近100％，反射光光谱如图6，横坐标为波长，纵坐标为反射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长大于440nm时，反射率接近100％。从光谱图中可以看出，未透射出的光都可以再被反射出而不被吸收。
实施例3：采用蓝色LED晶粒，ZnO为出光面，LED晶粒发蓝光，激发相应的荧光粉发出黄绿光，一维光子晶体1的膜系结构数据如表3所示，此膜系结构Sub1(LH)^nL Sub2中所对应参数分别为：
Sub1：ZnO折射率Index＝1.90
Sub2：硅胶折射率Index＝1.47
H：TiO2折射率Index＝2.38
L：SiO2折射率Index＝1.45
n：9
表3：采用蓝光LED晶粒、ZnO为出光面的一维光子晶体的结构参数表；
采用此膜系结构LED的透射光光谱如图7，横坐标为波长，纵坐标为透射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长小于480nm时，透射率接近100％，反射光光谱如图8，横坐标为波长，纵坐标为反射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长大于540nm时，反射率接近100％。从光谱图中可以看出，未透射出的光都可以再被反射出而不被吸收。
实施例4：采用紫光或紫外光LED晶粒，ZnO为出光面，LED晶粒激发相应的荧光粉发出R、G、B三色光，一维光子晶体1的膜系结构数据如表4所示，此膜系结构Sub1(LH)^nL Sub2中所对应参数分别为：
Sub1：ZnO折射率Index＝1.90
Sub2：硅胶折射率Index＝1.47
H：Ta2O5折射率Index＝2.15
L：SiO2折射率Index＝1.45
n：25
表4：采用紫光或紫外光LED晶粒、ZnO为出光面的一维光子晶体的结构参数表；
采用此膜系结构LED的透射光光谱如图9，横坐标为波长，纵坐标为透射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长小于400nm时，透射率接近100％，反射光光谱如图10，横坐标为波长，纵坐标为反射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长大于440nm时，反射率接近100％。从光谱图中可以看出，未透射出的光都可以再被反射出而不被吸收
实施例5：采用蓝色LED晶粒，ZnO为出光面，LED晶粒发蓝光，激发相应的荧光粉发出黄绿光，一维光子晶体1的膜系结构数据如表5所示，此膜系结构Sub1(LH)^nL Sub2中所对应参数分别为：
Sub1：ZrO2折射率Index＝2.05
Sub2：硅胶折射率Index＝1.47
H：TiO2折射率Index＝2.38
L：SiO2折射率Index＝1.45
n：11
表5：采用蓝光LED晶粒、ZnO为出光面的一维光子晶体的结构参数表；
采用此膜系结构LED的透射光光谱如图11，横坐标为波长，纵坐标为透射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长小于480nm时，透射率接近100％，反射光光谱如图12，横坐标为波长，纵坐标为反射率，图中所示曲线从左至右依次为出射角为25°、20°、15°、10°、5°、0°的光，当波长大于540nm时，反射率接近100％。从光谱图中可以看出，未透射出的光都可以再被反射出而不被吸收。
Claims (5)
1.一种具有一维光子晶体的发光二极管，包括倒装型LED晶粒发光源和导线架，LED晶粒包括衬底(6)、N型电极(4)、N型氮化镓层(3)、P型电极(7)、P型氮化镓层(8)、活性层(9)、铝反射镜(5)、出光面(2)，P型电极(7)、N型电极(4)上下两层分别通过焊料焊接，焊料上焊接固定导线架，其特征在于LED晶粒的出光面(2)上镀制一组一维光子晶体(1)，镀有一维光子晶体(1)的LED晶粒用荧光粉及封装胶体(10)进行封装；LED晶粒的出光面(2)上采用真空蒸镀并离子辅助的成膜方式镀制一维光子晶体(1)，在20℃-300℃温度下进行冷镀或热镀；一维光子晶体(1)采用低折射率材料和高折射率材料交替镀膜构成，一维光子晶体(1)的膜系初始结构为Sub1(LH)^nL Sub2，其中Sub1为出光面(2)，采用蓝宝石或ZnO；Sub2为荧光粉及封装胶体(10)，封装胶体采用环氧树脂或硅胶；L为低折射率材料SiO2；H为高折射率材料，采用TiO2、Ta2O5、ZrO2中的一种或一种以上的混合物；n＝5-60，为膜系层数。
2.如权利要求1所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于LED晶粒采用蓝光LED晶粒、紫外光LED晶粒或紫光LED晶粒，相应采用被激发后产生混合白光的荧光粉。
3.如权利要求1所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于膜系层数n＝5-50。
4.如权利要求1所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于所述的冷镀温度为20℃-60℃。
5.如权利要求1所述的一种具有一维光子晶体的发光二极管，其特征在于所述的热镀温度为260℃-300℃。
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