CN110814515A

CN110814515A - 一种led的中空微结构及其制造方法

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Publication number: CN110814515A
Application number: CN201911118468.XA
Authority: CN
Inventors: 张帆; 赵于前; 段吉安
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: CN110814515B

Abstract

本发明涉及光学和激光技术领域，本发明公开了一种LED的中空微结构，包括位于LED上的中空区域和微结构区域，所述微结构区域遍布微结构阵列，环绕无任何微结构阵列的中空区域，所述中空区域位于LED发光源的上方，与微结构阵列所处高度的全反射光锥的横截面重叠；也公开了一种LED的中空微结构的制造方法及该制造方法所采用的光路系统，该结构能有效提高LED的出光强度和出光效率。

Description

一种LED的中空微结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及光学与激光技术领域，尤其涉及LED的微结构技术及其制造方法。

背景技术

半导体发光二极管(LED)是一种新型的绿色光源，以其独特的优势在照明领域将引领未来发展的趋势，将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的“第四代光源”。同时LED具有体积小、重量轻、方向性好、寿命长、节能、环保等优点，广泛应用到了我们日常生活的很多方面，但考虑到高性能LED的初始制造成本较高，要实现在照明领域全面取代现有的传统照明光源需要进一步提高LED的发光效率。提高LED的发光效率，主要包括两个方面：内量子效率和外量子效率，内量子效率是指载流子到光子的辐射复合转化效率，外量子效率是指载流子辐射复合产生的光子从LED中发射出来的效率。目前内量子效率的提高主要通过半导体材料的质量和结构来实现，随着LED制造工艺水平的不断发展和材料质量的不断提高，GaN基LED的内量子效率早已经超过70％，有的材料甚至接近了理论极限100％。但大部分的LED产品的总体效率约为33％，因此当前制约LED发光效率的一个主要因素就是外量子效率。通常影响外量子效率的因素主要包括两个部分损耗：一部分是光在不同介质的分界面上产生的菲涅尔反射损耗，另一个主要部分是LED表面材料与空气的折射率差太大而导致的全反射损耗。当光束从LED材料进入空气中时，若LED光源出射角大于全反射特征角度，则载流子辐射复合产生的大部分光会因为全反射被返回到LED内部，并经多次反射后最终被LED吸收转化为热量。而这部分热量会反过来进一步降低LED的发光性能和使用寿命。因此如何合理的设计和制造LED的出光结构，使其具有较高的出光效率，便成为目前行业亟需解决的问题。

现阶段，LED领域提高出光效率的方法主要有：表面粗化技术、图形化衬底技术、倒装芯片技术、表面微结构技术等。表面粗化一般只能使LED光提取效率获得小幅提高，难以持续改进和产业量化；图形化衬底技术可以有效扩展出光面积实现外量子效率的提升，但其实现过程需要复杂的多步半导体制造工艺，且需要昂贵的精密光刻掩膜板；倒装芯片技术有效地避免了正装芯片中因电极挤占发光面积影响发光效率，使发光层激发出的光直接从电极的另一面发出，但倒装芯片技术颠覆了传统LED工艺，从芯片一直到封装过程对设备要求更高，在中小功率LED的应用上，成本竞争力还不是很强；表面微结构技术随着表面结构制造工艺水平的不断提高，研究人员开始探索通过在LED表面加工微米纳米结构阵列，利用阵列的波导特性来提高LED的外量子效率，同时这种方法由于主要采用外部制造的工艺来实现，可以避免对LED芯片的破坏，且不需要改变LED原有的制造工艺过程，受到越来越多的关注，但表面微结构技术会抑制全反射光锥以内的光的出射。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种LED中空微结构及其制造方法，在不破坏LED内部结构的情况下，提高LED的发光效率。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种LED的中空微结构，包括位于LED上的中空区域和微结构区域，所述微结构区域遍布微结构阵列，环绕无任何微结构阵列的中空区域，所述中空区域位于LED发光源的上方，与微结构阵列所处高度的全反射光锥的横截面重叠。

进一步的，所述中空区域即全反射光锥的横截面为圆形，且直径为：

D＝2×H×tanθ_c，

式中，H为LED发光源距离微结构阵列顶部的垂直高度，θ_c为全反射临界角。

进一步的，所述全反射临界角θ_c的计算公式为：

式中，n_polymer为LED表面材料的折射率。

进一步的，所述微结构阵列不能与LED发光源位于同一平面。

一种LED的中空微结构的制造方法，包括以下步骤：

S1、将一个待加工LED放置并固定在三维平台上，选取合适的光学元件，搭建光路系统，并将物镜对准待加工LED；

S2、调节观测光路，并结合三维平台的移动，使飞秒激光聚焦点定位到待加工LED的表面或内部的目标位置；

S3、通过计算机程序控制三维平台的移动和光路系统的通断的配合，完成微结构轨迹，加工实现中空微结构的LED。

一种LED的中空微结构的制造方法所使用的光路系统，步骤S1中所述的光路系统包括依次设置的飞秒激光器、光闸、激光处理光路、二向色镜、物镜、以及观测系统，观测系统、二向色镜、物镜的中心点在一条直线上，物镜对准放置在三维平台上的LED，飞秒激光器、光闸、激光处理光路、二向色镜的中心点对齐；所述二向色镜倾斜一定角度，将观测系统、物镜和激光处理光路隔开在两侧，用于将激光处理光路后的激光反射进入物镜中，同时透射观测系统的光，所述光闸用于控制光路系统的通断，所述物镜用于聚焦激光束，提高激光的功率密度，实现LED材料的去除。

进一步的，所述激光处理光路包括中心点对齐的光阑、衰减片、倍频晶体、滤光片；所述光阑用于控制光束的光斑大小，使光斑大小不大于物镜的入光孔径的大小；所述衰减片用于调节入射激光的能量，以达到材料的加工阈值的同时减少喷溅物；所述倍频晶体用于调节入射激光的波长，以满足微结构加工的尺寸；所述滤光片用于滤波，滤光片的截止波长在通过倍频晶体激光的原始波长和目标波长之间。

进一步的，所述观测系统包括光源、分光镜、透镜和电荷耦合器，分光镜、透镜和电荷耦合器的中心点对齐，光源、分光镜、二向色镜、物镜的中心点在一条直线上，所述分光镜倾斜一定角度，将光源、二向色镜和透镜隔开在两侧，用于透射光源发出的白光，并将从LED反射回的白光反射给透镜，所述透镜用于将反射回的白光缩束；所述电荷耦合器用于观测激光聚焦点与LED。

优选地，所述飞秒激光器发射的激光波长为800nm，所述物镜的放大倍数为20倍，入射孔径为8mm，所述光阑将激光束的光斑直径控制为8mm，所述衰减片将入射激光功率调节为10mW，所述倍频晶体为二倍频晶体，将800nm的原始激光束部分转化成400nm的目标激光束，所述滤光片为截止波长为720nm的低通滤光片，所述二向色镜为长波通二向色镜的透射光波段为440nm-800nm，反射光波段为380nm-410nm。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明的中空微结构能更高效地提升LED的出射光强度和出射光效率，提高LED的外量子效率，且不会破坏LED内部的发光层结构，更不会影响LED的封装工艺流程；

(2)本发明采用飞秒激光技术，并通过对激光的能量控制、波长控制、滤波，减少加工的喷溅物，使加工的微结构更精细，从而减少出射光的散射，提高出射光强度；

(3)本发明制造方法简单，但具有显著的效果，应用范围广泛。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例本发明的光路系统示意图；

图2为本发明实施例LED的中空微结构示意图；

图3为本发明实施例LED的表面中空微结构的侧边观测图；

图4为本发明实施例原始GaN基LED、全表面加工微结构的LED、表面中空微结构的LED的发光光谱图；

图中：1：飞秒激光器；2：光闸；3：光阑；4：衰减片；5：倍频晶体；6：滤光片；7：电荷耦合器；8：透镜；9：光源；10：分光镜；11：二向色镜；12：物镜；13：待加工LED；14：三维平台；15：微结构区域；16：中空区域；17：LED发光源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明公开了一种LED的中空微结构的制造方法，包括以下步骤：

S1、将一个待加工LED13放置并固定在三维平台14上，选取合适的光学元件，搭建光路系统，并将物镜对准待加工LED13；

S2、调节观测光路，并结合三维平台14的移动，使飞秒激光聚焦点定位到待加工LED13的表面或内部的目标位置；

S3、通过计算机程序控制三维平台14的移动和光路系统的通断的配合，完成微结构轨迹，加工实现中空微结构的LED。

如图1所示，步骤S1中所述的光路系统包括依次设置的飞秒激光器1、光闸2、激光处理光路、二向色镜11、物镜12，以及观测系统，所述激光处理光路包括光阑3、衰减片4、倍频晶体5、滤光片6，所述观测系统包括光源9、分光镜10、透镜8和电荷耦合器7(CCD)；观测系统的光源9和分光镜10、二向色镜11、物镜12的中心点在一条直线上，物镜12对准放置在三维平台14上的LED；飞秒激光器1、光闸2、激光处理光路、二向色镜11的中心点对齐，分光镜10、透镜8和电荷耦合器7的中心点对齐；所述二向色镜11倾斜一定角度，将观测系统、物镜12和激光处理光路隔开在两侧，所述分光镜10倾斜一定角度，将光源9、二向色镜11和透镜8隔开在两侧；光路系统的各光学元件之间可以通过反射镜改变激光光束的方向，对光路系统根据实际情况做出调整，例如飞秒激光器1和光闸2垂直向上布置，激光光束垂直向上射出，在光闸2和光阑3之间布设一个45°角倾斜的反射镜，使激光光束水平进入光阑3。

所述飞秒激光器1用于产生激光束，所述光闸2用于控制光路系统的通断，由计算机控制，与三维平台14配合使用；所述光阑3用于控制光束的光斑大小，使光斑大小不大于物镜12的入光孔径的大小；所述衰减片4用于调节入射激光的能量，这是因为过高的激光功率容易引起LED喷溅物增多，不利于出光功率的提升，过小的激光功率则无法达到材料的加工阈值，也无法形成微结构；所述倍频晶体5用于调节入射激光的波长，波长的减小，加工出的单个微结构的直径减小，微结构更加精细，更加有利于LED出光效率的提升；但这种转化波长的倍频效应并不是很完全，原始波长激光在经过倍频晶体5之后仍旧存在光路系统中与目标波长激光混合，所以通过所述滤光片6，滤光片6的截止波长在通过倍频晶体5激光的原始波长和目标波长之间；所述二向色镜11用于将倍频后的激光反射进入物镜12中，同时透射观测系统的白光；所述物镜12用于聚焦激光束，提高激光的功率密度，实现LED材料的去除；装载LED的三维平台14通过计算机程序控制并配合光闸2的通断，完成LED中空微结构制造的轨迹运动；所述光源9用于发射白光，照亮整个观测系统，所述分光镜10用于透射光源9发出的白光，并将反射回的白光反射给透镜8；而反射回的白光光束太大，电荷耦合器7的感光元件很小，所述透镜8用于将反射回的白光缩束；所述电荷耦合器7用于观测激光聚焦点与LED。

飞秒激光加工技术是一种能够实现无热影响区的精密激光制造技术，加工出的LED微结构周围的喷溅物越少，对出射的光束阻碍也就越小，因为喷溅物的散射效应会严重降低出射光束的光强度，使较多的光束在LED内部转化为热能而被损耗，所以飞秒激光加工技术具有加工这种LED出光结构的独特优势。且该光路系统中通过倍频晶体5实现激光波长的减小，使加工出的微结构尺寸更小，减少LED出射光线的散射。

通过实施例来具体说明本发明，将一个LED放置并固定在三维平台14上，搭建好光路系统，以波长为800nm的飞秒激光作为入射激光束传输进入所述光路系统中；光路依次通过光闸2、光阑3、衰减片4、倍频晶体5、滤光片6、二向色镜11、物镜12到LED。此实施例中物镜12的入光孔径为8mm，光阑3将激光束的光斑直径控制为8mm，衰减片4将入射激光功率调节为10mW，二倍频晶体将800nm的原始激光束部分转化成400nm的目标激光束，再通过截止波长为720nm的低通滤光片，在保留400nm的目标激光束的同时滤掉800nm的原始激光束，将波长为800nm的激光完全转化为400nm；长波通二向色镜的透射光波段为380nm-410nm，反射光波段为440nm-800nm，波长为400nm的激光经长波通二向色镜反射进入20倍放大倍数的物镜12中。根据聚焦到LED的激光束的实际需求，可以做出相应调整，如倍频晶体5也可以是三倍频晶体，使出射激光的波长更小，加工出的微结构尺寸更小，更精细，滤光片6、二向色镜11的选型也做出相应的调整。

而观测系统的光源9发射的白光先依次穿透分光镜10、二向色镜11、物镜12照亮LED，从LED反射回的白光沿着原路返回并在反光镜处反射，经透镜8到电荷耦合器7(CCD)中，通过电荷耦合器7观测激光聚焦点与LED的成像，实现激光加工的精确定位。

由上述方法制造的LED的中空微结构，包括位于LED上的中空区域16和微结构区域15，所述微结构区域15遍布微结构阵列，环绕无任何微结构阵列的中空区域16，所述中空区域16位于LED发光源17的上方，与微结构阵列所处高度的全反射光锥的横截面重叠；微结构阵列根据需要布设在LED的表面或内部，微结构阵列不能与LED发光源17位于同一平面，否则飞秒激光的聚焦会破坏发光层材料，影响LED的内量子效率。

微结构区域15位于全反射光锥以外，且遍布微结构阵列，光可以更多通过多次反射溢出，从而有效提高LED全包围区域的出光效率。中空区域16位于全反射光锥以内，反射光锥以内的光不需要结构阵列也能溢出，增加的结构反而会抑制光的出射，因此中空区域16无微结构阵列反而能提高LED中空区域16的出光效率，从而该LED的中空出光结构的出光效率实现极大地提高。

如图2所示为制作好的LED的中空微结构，设定LED发光源17距离微结构阵列的垂直高度为H，根据图3所示的几何关系，可得圆形中空区域16的直径D为：

D＝2×H×tanθ_c，

式中，H为LED发光源17距离微结构阵列顶部的垂直高度，θ_c为全反射临界角；

LED一般通过聚合物封装，在LED封装用的表面材料聚合物与空气界面处，由Snell定律得到公式：

n_polymersinθ_inner＝n_airsinθ_outer

式中，n_polymer和n_air分别为LED表面材料、空气的折射率，θ_inner和θ_outer分别为LED的内部折射角和外部折射角。当外部折射角θ_outer等于90°时，即表明光在表面材料与空气的界面处发生了全反射，此时的全反射临界角θ_c的计算公式为：

以微结构阵列在LED表面时为例，将封装聚合物的折射率n_polymer＝1.49和高度H＝2mm代入公式，可得临界角θ_c＝42.1°和圆形中空区域16的直径D＝3.6mm。

将内部结构一样的没有微结构的原始GaN基LED、全表面加工微结构的LED、表面中空微结构的LED分别导通20mA电流，分别通过光谱仪测试各LED的出光强度，得到如图4所示的光谱图，由图4可以明显得知，表面中空微结构的LED的出光强度高于全表面加工微结构的LED和没有微结构的原始LED，特别是最大出光强度值明显高于其它两种LED；当微结构阵列在LED内部时，中空微结构LED的出光强度也具有同样的优势。由此证实在对LED的内部发光源完全没有破坏作用，对于LED的工艺流程也没有影响的情况下，中空微结构的LED能有效提升LED的出光强度，即有效提升出光效率。

综上可知，通过上述的一种LED的中空微结构及其制造方法，具有以下优点：

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种LED的中空微结构，其特征在于，包括位于LED上的中空区域和微结构区域，所述微结构区域遍布微结构阵列，环绕无任何微结构阵列的中空区域，所述中空区域位于LED发光源的上方，与微结构阵列所处高度的全反射光锥的横截面重叠。

2.根据权利要求1所述一种LED的中空微结构，其特征在于，所述中空区域即全反射光锥的横截面为圆形，且直径为：

D＝2×H×tanθ_c，

3.根据权利要求1所述一种LED的中空微结构，其特征在于，所述全反射临界角θ_c的计算公式为：

式中，n_polymer为LED表面材料的折射率。

4.根据权利要求1所述一种LED的中空微结构，其特征在于，所述微结构阵列不能与LED发光源位于同一平面。

5.一种权利要求1-4任一项所述的LED的中空微结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.一种根据权利要求5所述的LED的中空微结构的制造方法所使用的光路系统，其特征在于，步骤S1中所述的光路系统包括依次设置的飞秒激光器、光闸、激光处理光路、二向色镜、物镜、以及观测系统，观测系统、二向色镜、物镜的中心点在一条直线上，物镜对准放置在三维平台上的LED，飞秒激光器、光闸、激光处理光路、二向色镜的中心点对齐；所述二向色镜倾斜一定角度，将观测系统、物镜和激光处理光路隔开在两侧，用于将激光处理光路后的激光反射进入物镜中，同时透射观测系统的光，所述光闸用于控制光路系统的通断，所述物镜用于聚焦激光束，提高激光的功率密度，实现LED材料的去除。

7.根据权利要求6所述的一种光路系统，其特征在于，所述激光处理光路包括中心点对齐的光阑、衰减片、倍频晶体、滤光片；所述光阑用于控制光束的光斑大小，使光斑大小不大于物镜的入光孔径的大小；所述衰减片用于调节入射激光的能量，以达到材料的加工阈值的同时减少喷溅物；所述倍频晶体用于调节入射激光的波长，以满足微结构加工的尺寸；所述滤光片用于滤波，滤光片的截止波长在通过倍频晶体激光的原始波长和目标波长之间。

8.根据权利要求6所述的一种光路系统，其特征在于，所述观测系统包括光源、分光镜、透镜和电荷耦合器，分光镜、透镜和电荷耦合器的中心点对齐，光源、分光镜、二向色镜、物镜的中心点在一条直线上，所述分光镜倾斜一定角度，将光源、二向色镜和透镜隔开在两侧，用于透射光源发出的白光，并将从LED反射回的白光反射给透镜，所述透镜用于将反射回的白光缩束；所述电荷耦合器用于观测激光聚焦点与LED。

9.根据权利要求6或7所述的一种光路系统，其特征在于，所述飞秒激光器发射的激光波长为800nm，所述物镜的放大倍数为20倍，入射孔径为8mm，所述光阑将激光束的光斑直径控制为8mm，所述衰减片将入射激光功率调节为10mW，所述倍频晶体为二倍频晶体，将800nm的原始激光束部分转化成400nm的目标激光束，所述滤光片为截止波长为720nm的低通滤光片，所述二向色镜为长波通二向色镜，透射光波段为440nm-800nm，反射光波段为380nm-410nm。