CN108886076A

CN108886076A - 宽带反射镜

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Publication number: CN108886076A
Application number: CN201780023785.6A
Authority: CN
Inventors: T.洛佩斯; J.法洪
Original assignee: Lumileds Holding BV
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: US20190131498A1; JP6704065B2; JP2019514219A; EP3443598A1; KR20180124153A; WO2017178299A1; CN108886076B; US11302848B2; EP3443598B1; KR101986982B1

Abstract

本发明描述了一种宽带反射镜（1），包括：外表面层（10）；和布置在外表面层（10）下方的电介质层叠层（11A、11B、12）；其特征在于，该电介质层叠层（11A、11B、12）包括在电介质层叠层（11A、11B、12）的相邻电介质层（11A、12）之间的界面处的至少一个图案化表面（110、120）。本发明还描述了一种发光二极管（1）。本发明还描述了一种制造宽带反射镜（1）的方法，该方法包括下列步骤：提供外表面层（10）并在外表面层（10）下方应用多个电介质层（11A、11B、12）以构建电介质层叠层（11A、11B、12），其特征在于下列步骤：在将后续电介质层（11B、12）应用到图案化表面（110、120）之前，图案化至少一个电介质层（11A、12）的表面。

Description

宽带反射镜

技术领域

本发明描述了宽带反射镜、发光二极管和制造宽带反射镜的方法。

背景技术

宽带反射镜用于最大化光学系统的效率并保持颜色完整性。例如，增加光引擎和投影仪中使用的反射镜的反射率与亮度的改进或增加直接相关。分布式布拉格反射器（DBR）是一种半导体反射镜，包括多层精确沉积的材料。然而，DBR的缺点是其波长依赖性，因为特定的DBR只可以反射某波长带内的光。此带外的光将不被多层叠层反射。此外，DBR的反射率响应可以取决于光的入射角度。因此，DBR只可以在有限的波长范围和入射角度内有效地反射光。

作为DBR的替代，可以将现有技术的金属反射镜布置为反射背衬，以确保尽可能多的光通过光发射面离开管芯。反射背衬和发光表面通常是复合管芯的相对侧上的平行平面。反射背衬还可以有效地用于使热量穿过器件的背部以及将电流注入pn结（金属-半导体接触）。反射背衬通常由一些合适的金属（诸如银、铝或金）制成。然而，不可能实现100％的反射率，并且因此金属反射背衬层将吸收到达它的一些百分比的光而不是将该百分比的光返回到管芯的发射面。反射金属层的另一个缺点是其温度依赖性，因为必须小心来确保器件在安全温度范围内的可靠操作。然而，在这种复合管芯中的p-n二极管结处出现的高温可能引起金属反射背衬的问题。然而，当LED在高温下操作时，是LED的良好光学反射器的金属可能引起可靠性问题。由于这个原因，一些现有技术的LED已被构造成使用不太反射的金属作为反射背衬，并且企图补偿反射不良的金属而并入附加的电介质层。即便如此，这种复合管芯的净反射系数对于一些应用可能不足够。

因此，本发明的目的是提供克服上述问题的改进的反射镜。

发明内容

本发明的目的是通过根据权利要求1的宽带反射镜、通过权利要求10的发光二极管、以及通过制造宽带反射镜的权利要求11的方法来实现的。

根据本发明，宽带反射镜包括外表面层和应用在外表面层下方的电介质层叠层-低指数层和高指数层的交替布置，其特征在于，电介质层叠层包括至少一个图案化表面和至少一个非图案化表面，其中图案化表面形成在高指数层在高指数层和第一相邻低指数层之间的界面处的一侧上，并且非图案化表面形成在高指数层在高指数层和第二相邻低指数层之间的界面处的另一侧上。在本发明的上下文中，电介质层要理解为在半导体管芯的制造中使用的半透明电介质材料的平面层。电介质层叠层也可以称为平面层叠层或多层薄膜叠层。

本发明的宽带反射镜的优点在于通过在层叠层中集成粗糙化的电介质层来实现反射率的显著改进。取决于本发明的宽带反射镜的构造，即取决于层数、所使用材料等，可以在宽的入射角度范围和宽的波长范围内观测到反射率的改进。本发明的宽带反射镜通过在不同折射率的两个电介质层之间包含粗糙化或图案化界面而有效地增加了入射光反射。本发明的宽带反射镜的另一个优点在于，图案化界面引起发光层中的散射。这是有益的效果，因为散射有利于光从器件输出耦合。

根据本发明，发光二极管是复合管芯并且包括这种宽带反射镜。本发明的发光二极管的特征在于有利地高的光输出，因为基本上所有在二极管的p-n结处生成的光可以在发光表面离开二极管。这与可比较的现有技术LED管芯有利地对比，对于可比较的现有技术LED管芯而言，光的显著部分被反射金属层吸收。

根据本发明，制造宽带反射镜的方法包括下列步骤：提供外发光表面层并应用低指数层和高指数层的交替布置，以在外表面层下方构建电介质层叠层，其特征在于下列步骤：图案化至少一个电介质层的表面，以在高指数层在高指数层和第一相邻低指数层之间的界面处的一侧上实现至少一个图案化表面，以及在高指数层在高指数层和第二相邻低指数层之间的界面处的另一侧上实现至少一个非图案化表面。

本发明的方法的优点在于，需要相对少的努力来实现具有有利性能特性的宽带反射镜。从半导体制造中已知的常规技术可以用于应用电介质层和图案化的步骤。因此，可以以小的附加成本实现构造成并入本发明的宽带反射镜的器件。

从属权利要求和下面的描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。可以适当地组合实施例的特征。在一个权利要求类别的上下文中描述的特征可以同等地应用于另一个权利要求类别。

在下文中，表述“低折射率材料”和“低指数”可以互换使用。因此，“低指数层”要理解为包括低折射率材料的层。类似地，表述“高折射率材料”和“高指数”可以互换使用。术语“层”和“电介质层”是同义的。

优选地，外表面层-其将是宽带反射镜的发光表面-包括合适材料的高指数层。例如，为了实现蓝色/绿色LED，外表面层优选地包括氮化镓（GaN）层。

为了构造本发明的宽带反射镜，可以在将随后充当宽带反射镜的发射面的上层或外层下方应用连续的电介质层。优选地，电介质层具有在500nm至2μm的范围内的厚度。可以使用任何合适的技术来应用连续层，例如通过气相沉积。优选地，平面层叠层的电介质层以低指数层和高指数层的交替布置构建。用于高指数层的合适材料可以是氮化硅（Si₃N₄），而用于低指数层的合适材料可以是二氧化硅（SiO₂）。优选地，任何高指数层以夹层方式布置在低指数层之间。

如对于技术人员将明显的是，可以为各层选择不同的材料，因为在宽带反射镜的外表面处发射的光的颜色将在大的程度上取决于所使用的层材料以及它们如何掺杂。

本发明基于下列见解：并入在平面层叠层中的图案化或粗糙化的电介质层可以显著改进平面层叠层的反射系数。反射系数的增加可以通过由菲涅耳方程控制的效应的组合来解释，即反射的增加和由在高指数层和低指数层之间的界面引起的透射的对应减少，由电介质层的粗糙化表面引起的内反射的增加等。

令人惊讶地，已经观测到平面层叠层的反射系数通过在具有不同折射率的电介质层之间的图案化界面而显著增加。因此，本发明的方法的一个优选实施例包含将至少一个低指数层应用到外表面层、将高指数层（诸如氮化硅层）应用到该低指数层、图案化高指数层以将下表面粗糙化、并将另一低指数层应用到高指数层的粗糙化表面。以这种方式，在具有不同折射率的两个电介质层之间形成图案化界面。通过将反射金属层应用到最后的低指数层，可以在此阶段终止层沉积工艺。平面层叠层内的“粗糙化界面”用于减少宽带反射镜的反射系数并增加其反射率，因为它有效地在发光表面的方向上返回较大部分的光子，并且仅朝向反射背衬通过较小部分的光子，该反射背衬将转而将这些光子的大多数朝向发光表面返回。

在本发明的优选实施例中，上述层沉积过程至少再重复一次，以实现具有两个或更多个这种“粗糙化界面”的层叠层。若干这种“粗糙化界面”的组合效果是显著增加宽带反射镜的整体反射系数。每个“粗糙化界面”对宽带反射镜的反射率的增加做出贡献。

可以以任何合适的方式形成电介质层的粗糙化表面。例如，可以实施光电化学（PEC）蚀刻、微加工、光刻、纳米压印光刻等技术中的一种或多种以实现期望的表面结构或拓扑。例如，所选择的技术可以用于在先前沉积的电介质层上形成随机图案或规则图案，诸如波纹或脊状结构。可以选择图案和图案密度以在图案化的电介质层和后续电介质层之间的界面处实现期望的反射系数。例如，图案特征优选地具有100nm-2μm范围中的尺寸。

本发明的宽带反射镜的有利地高反射率可以仅用三个电介质层（即低指数层、具有图案化表面的高指数层和布置在发光表面和反射背衬之间的另一低指数层）来实现。通过增加图案化层界面的数量，可以进一步改进本发明的宽带反射镜的反射率。优选地，选择布置在本发明的宽带反射镜的平面层叠层中的粗糙化的低指数/高指数界面的数量，以避免或排除使用反射背衬层。因此，在本发明的优选实施例中，宽带反射镜包括高达五个图案化层界面，如上述那样以低指数层和高指数层的交替布置而分布。这种构造可以实现非常有利的反射率，超过已知反射镜的反射率若干百分比。

与DBR相比，DBR需要数十个电介质层以便实现期望的反射率，本发明的宽带反射镜的电介质层叠层优选包括至多十五个电介质层，最优选至多三个电介质层以实现相当的反射率。此外，本发明的宽带反射镜的反射率独立于波长，不同于DBR，DBR内在地是波长依赖的。

根据下面结合附图考虑的详细描述，本发明的其他目的和特征将变得明显。然而，要理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为本发明的限制的限定。

附图说明

图1示出了根据本发明的宽带反射镜的第一实施例；

图2示出了根据本发明的宽带反射镜的第二实施例；

图3示出了根据本发明的宽带反射镜的第三实施例；

图4示出了图案化的电介质布置；

图5示出了图案化的电介质布置；

图6示出了图4和图5的图案化的电介质布置的反射率的曲线图；

图7示出了归一化辐射强度的曲线图；

图8示出了现有技术反射镜的实施例；

图9示出了现有技术反射镜的另一实施例。

在附图中，相同的标号始终指代相同的对象。图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的宽带反射镜1的第一实施例（在此图和下面的图中，复合管芯多层叠层以夸大的比例示出；复合管芯的高度通常在5μm至15μm的范围内）。在此示例性实施例中，宽带反射镜1被构造为复合管芯，其包括四个平面层10、11A、12、11B和反射背衬13的叠层。合适材料的层11A、12、11B一个接一个地沉积，并且最后的层11B由反射背衬13终止。平面层11A、12、11B可以以通常的方式、通过气相沉积或任何其它合适的技术、从最上层10开始并“向下”工作、应用第一低指数层11A、高指数层12和第二低指数层11B而构建。使用本发明的方法，将高指数层12应用到第一相邻低指数层11A的非图案化表面N。在沉积下一个或第二低指数层11B之前，高指数层12的表面被粗糙化。为简单起见，将粗糙化图案120指示为曲折的线。图案尺寸可以在几纳米到几微米的区域内。图案尺寸和层性质可以是相互关联的，例如合适的图案尺寸可以取决于高指数层12的厚度、以及高指数层12的折射率和相邻的低指数层11B的折射率。

最上层10的外表面100是光发射面100。为了用作蓝色或绿色LED，最外层10包括诸如氮化镓（GaN）的高指数材料，并且低指数层11A、11B包括诸如（SiO₂）的低指数材料。以通常的方式提供电接触（未示出）。在最外层10和邻接层11A之间的p-n结处生成光。由于光子最初在基本上所有方向上行进，因此反射背衬13的目的是将光子重定向回发射面100的方向。然而，由于不存在完美的反射器材料，到达反射背衬13的光子的一些部分将被吸收。这种不期望的效果被本发明的宽带反射镜1的结构抵消，因为在低指数/高指数边界处具有图案化或粗糙化表面120的高指数层12的存在，通过在高指数图案化层12中基本上捕获一些的光子并将它们在光发射面100的方向上发送回而不是允许它们在反射背衬13的方向上行进，来影响光子的轨迹。有效地，较少的光子将成功地到达反射背衬13，并且，对应地较小的部分将由于反射背衬的吸收而丢失。以这种方式，高指数图案化层12（具有其粗糙化表面120）增加了本发明的宽带反射镜1的光输出L。

图2示出了根据本发明的宽带反射镜1的第二实施例。这里，宽带反射镜1也被构造为四个平面层10、11A、12、11B和反射背衬13的叠层。在此实施例中，在沉积高指数层12之前，第一低指数层11A的表面被图案化或粗糙化。第二低指数层11B被应用到高指数层12的非图案化表面N。第一高指数层12A的图案化表面110，与低指数/高指数边界相结合，也用于防止光子在反射背衬13的方向上通过，并且如上所述有效地将它们朝向光发射面100重定向。

图3示出了根据本发明的宽带反射镜1的第三实施例。在此实施例中，宽带反射镜1被构造为八个平面层10、11A、12、11B的叠层。三个高指数层12夹在低指数层11A、11B之间。每个高指数层12被应用到前一个低指数层11A、11B的非图案化表面N。在沉积后续低指数层11A、11B之前，每个高指数层12的表面被粗糙化。由于每个高指数层12（具有其粗糙化表面120）在光发射面100的方向上有效地“发送回”了比它在相反方向上“允许通过”的光子更多的光子，因此使用若干这样的高指数层12的最终结果是，很少或没有光子到达反射镜1的最下的面101。因此，不需要将反射背衬应用到此背面101。存在与不需要反射背衬相关联的优点，即节省成本以及温度独立性。如在介绍中所解释的，令人满意的反射金属背衬是昂贵的，并且还对高温敏感。

图4-6图示了本发明的原理。当在一侧图案化蓝宝石晶片时，可以观测到总反射系数的增加。在涉及本发明的实验中，图案化的蓝宝石晶片14布置在吸收体层15之上，吸收体层15包括在可见光范围内具有接近零反射率的材料。合适的材料可以是植绒哑光黑纸层。蓝宝石衬底具有高折射率，而空气具有低折射率。已知的折射定律适用于空气/晶片边界（在晶片的每一侧）。由于高指数/低指数界面和图案几何形状，图案化表面140将用于在晶片内散射光子。通过散射光子，晶片内的全内反射的发生率增加。为了测量图案化晶片14的反射率，将入射光L_i定向通过晶片14并测量所反射光L_r的量。对图4中的具有面向吸收体15的图案化表面140的布置进行实验，并且对图5中的具有背离吸收体15的图案化表面140的布置进行实验。图6中示出了观测到的结果，图6示出了图4的布置的第一反射率曲线图40，和图5的布置的第二反射率曲线图50。观测是在从400nm至750nm（X轴）的波长范围内进行的。在图案化表面140面向吸收体15的情况下，图案化的蓝宝石衬底14在整个波长范围内表现出超过50％的反射率，即，无论波长如何，大约一半的光通过晶片14被反射回。在图案化表面140背向吸收体14的情况下，图案化的蓝宝石衬底14表现出约15％的反射率，即约85％的光穿过晶片14。在每种情况下，晶片14用于防止光子的所反射百分比到达背吸收体。

由于氮化硅的折射率高于蓝宝石的折射率，而二氧化硅的折射率高于空气但低于氮化硅和蓝宝石，所以观测到的结果可转移到本发明的电介质反射镜上。观测到的效果在上面图1中描述的本发明的宽带反射镜中有利地使用：在高指数层12的图案化表面面向反射背衬13的情况下，大约50％或一半的光将被朝向光发射面100反射回。另一半穿过高指数层12到达反射背衬13，经历反射，并且这种光的大部分，即约85％，将穿过高指数层12并到达光发射面100。高指数层12与高指数/低指数边界处的图案化表面相结合，显著增加了宽带反射镜1的净反射系数（封装反射率）。观测到的效果独立于波长，并且因此可以用于范围广泛的应用中，例如用于改进任何颜色的LED的光输出。

图7示出了相对于入射角度θ（X轴）的归一化辐射强度（Y轴）的各种曲线图。参考曲线图R指示入射辐射的角分布。另外两个曲线图P₈、P₉图示了如分别在图8和9中示出的现有技术电介质反射镜8、9的性能。现有技术的电介质反射镜8包括背衬有反射背衬13的GaN层10，并且其曲线图P₈在整个角范围内示出与参考曲线R的一致差异。图9的现有技术电介质反射镜9包括在GaN层10和反射背衬13之间的低指数SiO₂层91，并且其曲线图P₉示出超过由GaN和SiO₂的不同折射率确定的临界角度（全内反射角度）的反射率的增加。超过该角度，其反射率曲线P₉基本上与曲线R重合。曲线P₁是如图1中所示的本发明的宽带反射镜的反射率，而曲线P₂是图2的实施例的本发明的宽带反射镜的反射率。这些曲线P₁、P₂图示了45°附近区域（即最大入射辐射区域）的显著改进。因此，图1和图2的实施例比图8的现有技术反射镜在整个可见光谱内多反射约11.5％，并且比图9的现有技术反射镜多反射约2％。

尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。例如，代替使用本发明的宽带反射镜作为“底反射镜”，它可以实现为侧反射镜。这种应用的示例可能是涂覆芯片级封装管芯的蓝宝石壁。

为了清楚起见，要理解，贯穿本申请中使用“一”或一个不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

附图标记：

宽带反射器 1

外层 10

光发射表面 100

背表面 101

低指数层 11A、11B

图案化表面 110

高指数层 12

图案化表面 120

反射器 13

图案化蓝宝石衬底 14

图案化表面 140

吸收体 15

反射率曲线图 40、50

现有技术反射器 8、9

所发射光 L

入射光 L_i

所反射光 L_r

辐射强度 R

辐射强度 P₈、P₉

辐射强度 P₁、P₂

Claims

1. 一种宽带反射镜（1），包括

- 外表面层（10）；和

- 电介质层叠层（11A、11B、12），其布置在所述外表面层（10）下方，并包括低指数层（11A、11B）和高指数层（12）的交替布置；

其特征在于，所述电介质层叠层（11A、11B、12）包括至少一个图案化表面（110、120）和至少一个非图案化表面（N），所述图案化表面（110、120）形成在高指数层（12）在所述高指数层（12）和第一相邻低指数层（11A、11B）之间的界面处的一侧上；并且所述非图案化表面（N）形成在所述高指数层（12）在所述高指数层（12）和第二相邻低指数层（11A、11B）之间的界面处的另一侧上。

2.根据权利要求1所述的宽带反射镜，其中，所述图案化表面（120）形成在包括具有高折射率的材料的电介质层（12）上。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的宽带反射镜，其中，所述电介质层叠层（11A、11B、12）由反射背衬（13）终止。

4.根据前述权利要求中任一项所述的宽带反射镜，其中，高折射率材料的层（12）布置在低折射率材料的层（11A、11B）之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的宽带反射镜，其中，图案化表面（110、120）包括具有在100nm至2.0μm范围内的特征尺寸的图案。

6.根据前述权利要求中任一项所述的宽带反射镜，其中电介质层（10、11A、11B、12）具有在500nm至2.0μm的范围的范围内的厚度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的宽带反射镜，包括至多15个电介质层（10、11A、11B、12），更优选至多9个电介质层（10、11A、11B、12），最优选至多3个电介质层（10、11A、11B、12）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的宽带反射镜，其中，所述电介质层叠层（11A、11B、12）包括至少两个图案化表面（110、120）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的宽带反射镜，其中，所述外表面层（10）包括高折射率材料的层。

10.一种发光二极管（1），包括根据权利要求1至9中任一项所述的宽带反射镜（1）。

11.一种制造宽带反射镜（1）的方法，所述方法包括下列步骤：

- 提供外表面层（10）；

- 应用低指数层（11A、11B）和高指数层（12）的交替布置，以在所述外表面层（10）下方构建电介质层叠层（11A、11B、12）；

- 在高指数层（12）在所述高指数层（12）和第一相邻低指数层（11A、11B）之间的界面处的一侧上形成至少一个图案化表面（110、120），以及在所述高指数层（12）在所述高指数层（12）和第二相邻低指数层（11A、11B）之间的界面处的另一侧上形成至少一个非图案化表面（N）。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，应用多个电介质层（11A、11B、12）的步骤包括交替应用高折射率材料层（12）和低折射率材料层（11A、11B）。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，图案化层表面的步骤包括光电化学（PEC）蚀刻步骤、微加工步骤、光刻步骤、纳米压印光刻步骤中的任一个。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，所述图案化步骤包括形成规则表面结构，以在所述图案化层（11A、12）和后续层（12、11B）之间的边界处实现全内反射。

15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，其中，通过交替应用二氧化硅层（11A、11B）和氮化硅层（12）来构建所述电介质层叠层。