CN1838439A - 一种提高半导体发光二极管外量子效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高半导体发光二极管(LED)外量子效率的方法，先在LED出光面外镀上一组薄膜，可以是一层或多层。该组薄膜在LED发射光波长下折射率介于LED半导体发光介质与封装用树脂或相当于封装用空气折射率之间，三组介质折射率大小顺序为：η_半＞η_x＞η_封，而后再灌注高分子树脂进行封装的方法。每一组中每一层薄膜在LED发射光波长下的折射率(η_x)的平方值为其前一层薄膜折射率(η_x+1)与后一层薄膜折射率(η_x－1)乘积(η_x ²＝η_x－1·η_x+1)或与其相差10±2％的值，因此多层薄膜之间折射率大小顺序为：η_x+1＞η_x＞η_x－1，式中X＝1、2、3、4、5、7或9。由于所镀薄膜具有高透光性、良好色散性，因此提高了LED芯片的外量子效率、发光效率和光通量。

Description

一种提高半导体发光二极管外量子效率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高半导体发光二极管(LED)外量子效率的方法。

背景技术

半导体发光二极管(LED)因具有特殊的物理和化学性能，备受关注。如高效节能，耗电为白炽灯的八分之一、荧光灯的二分之一；全固结构，可在恶劣环境中使用，使用寿命长达十万小时，比目前的白炽灯高十倍；无汞、铬等有毒重金属元素，易回收，实现真正绿色照明；结构简单，体积小，重量轻，响应快，低工作电压，安全，抗震等优点，被国际公认为不久将来替代白炽灯的新一代光源。世界各国和各大公司为抢占LED新兴照明产业的制高点，纷纷投入巨资和人力，全力以赴进行研究和开发。

目前LED光源的关键技术主要涉及高质量、高功率LED芯片生产技术和提高LED外量子效率两方面。所谓LED外量子效率是指LED以极高内量子效率(≥90％)将电能转化为光之后，其中能辐射出来用于照明的光所占的百分率。就目前标准5mm白光LED而言，理论外量子效率仅12％，换言之，仍有约88％光不能导出而在器件中以热形式消耗掉，造成电能浪费，更重要的是器件发热、升温致使LED光效剧降，同时芯片、焊线和封装材料等严重老化，缩短寿命。为了解决这一难题，十几年来各国科学家提出多种解决方案，其中包括采用生长分布布喇格反射层(DBR)结构(Kato T.Susawa H.Hirotani M.et al.GaAs/GaAlAs surfaceemitting IR led with bragg reflector grown by MOCVD，J Cryst Growth，1991，107：832)、透明衬底技术(TS-LED)(Kish F A.Steranka F M，Defevere DC，et al.Vary high-efficiency semiconductor wafer-bonded transpatent-substrate(AlxGa1-x)In_0.5P/GaP light-emitting diodes.Appl Phys Lett，1994，64：2839)、倒金字塔形LED(Kmmes M R.Ochini-Holcomb M，Hofler GE，etal.High-powertrucated-inverted-pyramid(AlxGa1-x)0.5P/GaP light-emitting diodes exhibiting＞50％ extemal quantum efficiency，Appl PhysLett，1999，75：2365)和表面粗化技术等(Windisch R Rooman C.Meinisch-midtS.et al，Impact of texture-enhanced transmission on high-efficiency sur-face-textured light-emitting diodes Appl Phys Lett，2001，79(15)：2315)，实际上仅第一种方法被采用，理论外量子效率可达23.7％，发光效率达50lm/W，其余均因种种原因未能实用。

与此同时，从改进LED透明封装材料来提高LED的外量子效率的途径也引起人们极大重视。因为LED的外量子效率除了与芯片结构和质量有关之外，封装高分子树脂折射率与芯片半导体折射率相太大是外量子效率低的另一个重要原因。目前广泛用于蓝光LED芯片封装的环氧树脂折射率仅1.5，其内光逸出封装树脂界面效率约12-16％，尚未封装的LED仅为4.0％，显然若能保持或提高封装树脂透明度，耐紫外光、热、氧老化等前提下，采用更高折射率的新型高分子树脂作为LED封装，无疑会使LED的光逸出率大大提高。据估算，在其他条件相同的情况下封装树脂折射率每提高0.1其光效大约提高10％。因此国内外许多大公司和研究单位竞相研究高折射的新型高分子封装树脂。至今已陆续有高折射高分子树脂研究报告，大多采用了含溴、碘、硫、磷、氮或铅、钡等重金属原子或芳香稠环、多脂环结构的复杂组分，虽然折射率可提高到1.7，但因易发黄变色、透光度差、色散性差、耐光热氧稳定性差，或有异味恶臭等原因均难以实用。

鉴上，提高LED外量子效率是提高其发光效率、光通量的根本所在，迄今未有重大突破。

发明内容

由于目前LED芯片半导体折射率基本上均在3.0以上，如磷砷化镓折射率3.2，而封装LED芯片的高分子树脂折射率大约在1.4～1.5，未封装时表面外空气折射率为1，其面反射角仅16.6°，发光效率低于2％；用折射率约为1.5的环氧树脂封装后，其面反射角为26.2°，发光效率仍不到5％，因此LED半导体发光介质与外表面介质两者折射率相差太大是LED外量子效率低的重要原因之一。

考虑到LED发射光在穿透其外表界面时发射光能＝反射光能+折射光能+被介质吸收光能因此提高LED外量子效率或发光效量或光通量，应尽量减少LED发射光在其界面上的反射和被介质吸收的损耗，而最大限度提高经过界面被折射出来的发射光。

基于此，本发明的具体内容如下：

1.本发明提出在用高分子树脂封装LED芯片或器件之前，先在LED出光面外镀上一组薄膜，该组薄膜的镀层可以是一层或多层，在LED发射光波长下折射率(η_x)介于LED半导体发光介质(η_半)与封装用树脂折射率(η_封)或相当于封装用空气折射率(η_空)之间，三组介质折射率大小顺序为：η_半＞η_x＞η_封，而后再灌注高分子树脂进行封装的方法。由于所镀薄膜具有高透光性、良好色散性，因此提高了LED芯片的外量子效率、发光效率和光通量。当不采用树脂封装时，η_封等于η_空。

2.本发明所述的提高LED外量子效率的方法，是指在LED出光面外镀的一层或多层薄膜，其每一层薄膜在LED发射光波长下的折射率(η_x)的平方值为其前一层薄膜折射率(η_x+1)与后一层薄膜折射率(η_x-1)乘积(η_x ²＝η_x-1·η_x+1)或与其相差10±2％的值，因此多层薄膜之间折射率大小顺序为：η_x+1＞η_x＞η_x-1，式中X＝1、2、3、4、5、7或9。以上多层薄膜能使LED发射光在其外表界面上反射率最小而有最大透射率，因而能有效提高LED的发光效率和光通量。

3.本发明所述的提高LED外量子效率的方法，要求在LED出光面外镀的一层或多层薄膜，其每一层薄膜厚度D为：

$D=K\frac{\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\η}}_x}$

式中λ为LED发射光波长，η_x为第x镀层薄膜在发射光波长为λ的折射率，K为1、3、5、7或9。

4.当LED芯片采用高分子树脂封装时，由于LED发射光在穿透表界面时被介质吸收光能，因而用作LED外表面镀膜介质必须选用在LED工作条件下具有绝缘、高透光和良好色散性，无色或色浅的，无毒的具有良好抗热、氧及化学性质稳定的，且在LED发射光波长下折射率在3.4-1.5之间的无机物或其混合物，因此本发明所述的提高LED外量子效率的方法，要求在LED出光面外镀上一层或多层薄膜物质是钛、锆、锌、铅、钽、铌、硅、镓、铟、钡的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、钛酸盐、硼酸盐、铝酸盐、锌酸盐、铜酸盐和金刚石、类金刚石、富勒烯、卡宾烯(carbyne)和无定型碳或其混合物。在LED芯片或器件出光面外镀膜的方法，可以采用目前已十分成熟的真空气相镀膜法，包括物理气相沉积与化学气相沉积法和各种溅射法。当LED芯片采用空气封装时，η_封等于η_空。

5.本发明所述的提高LED外量子效率的方法，要求在LED出光面外的镀膜，还可以采用一层在其LED发射光波长下折射率在η_半至η_封区间呈梯度递降分布的薄膜。采用真空气相沉积或溅射法镀膜时，可同时选用高折射率和低折射率两种物质作为镀膜原料，控制其高折射率和低折射率两种物质随镀膜时间或镀膜厚度在沉积薄膜中的相对含量变化，使LED出光面外镀膜折射率在η_半至η_封区间呈梯度递降分布。

6.本发明所述的提高LED外量子效率的方法，若在LED出光面外镀一层折射率在η_半至η_封区间呈梯度递降分布的一组薄膜，其中选用的物质是二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化镁(MgO)、氟化钙(CaF₂)、氟化镁(MgF₂)或其混合物。

7.考虑到在LED芯片或器件出光面外的镀膜必须在反复升温降温的工作条件下有优良的附着强度，因而要求镀膜物质组分与LED半导体两者在晶格参数、热膨胀系数上有较大匹配程度，即两者晶格参数、热膨胀系数相差不超过10％。

具体实施方式

以下用非限定性实例对本发明的一种提高LED外量子效率的方法作进一步说明，将有助于对本发明及其优点的理解，而不作为对本发明的限定，本发明的保护范围由权利要求书来决定。

实施例1

以单个标准φ5mm蓝光LED(460nm±5nm)为例，目前其单个光通2.0lm，外量子效率通常为12-16％，采用真空气相镀膜法或离子溅射方法在LED出光面镀上一层厚度为D_TiO2±10nm TiO₂薄膜，其单个光通达2.2lm，光效约提高10％。

实施例2

以单个标准φ5mm蓝光LED(460nm±5nm)为例，目前其单个光通2.0lm，外量子效率通常为12-16％，采用真空气相镀膜法或离子溅射方法在LED出光面镀上一层厚度为D_ZrO2±10nm的ZrO₂薄膜，其单个光通达2.4lm，光效约提高20％。

实施例3

以单个标准φ5mm蓝光LED(460nm±5nm)为例，目前其单个光通2.0lm，外量子效率通常为12-16％，采用真空气相镀膜法或离子溅射方法在LED出光面镀上一层厚度为D_Ta2O5±10nm Ta₂O₅薄膜，其单个光通达2.3lm，光效约提高15％。

实施例4

以单个标准φ5mm蓝光LED(460nm±5nm)为例，目前其单个光通2.0lm，外量子效率通常为12-16％，采用真空气相镀膜法或离子溅射方法在LED出光面镀上一层厚度为D_diamond±5nm金刚石薄膜，其单个光通达2.5lm，光效约提高25％。

实施例5

以单个标准φ5mm蓝光LED(460nm±5nm)为例，目前其单个光通2.0lm，外量子效率通常为12-16％，采用真空气相镀膜法或离子溅射方法在LED出光面镀上一层厚度为D_C60±10nm的富勒烯C₆₀薄膜，其单个光通达2.4lm，光效约提高20％。

实施例6

以单个标准φ5mm蓝光LED(460nm±5nm)为例，目前其单个光通2.0lm，外量子效率通常为12-16％，采用真空气相镀膜法或离子溅射方法在LED出光面按顺序分别镀上一层厚度为D±5nm的类金刚石和TiO₂薄膜，其单个光通达2.6lm，光效约提高30％。

实施例7

以单个标准φ5mm蓝光LED(460nm±5nm)为例，目前其单个光通2.0lm，外量子效率通常为12-16％，采用真空气相镀膜法或离子溅射方法在LED出光面按顺序分别镀上一组两层厚度为D±10nm的富勒烯C₆₀和Ta₂O₅薄膜，其单个光通达2.5lm，光效约提高25％。

实施例8

以单个标准φ5mm蓝光LED(460nm±5nm)为例，目前其单个光通2.0lm，外量子效率通常为12-16％，采用真空气相镀膜法或离子溅射方法在LED出光面按顺序分别镀上一组三层厚度为D±5nm的金刚石、ZrO₂和Ta₂O₅薄膜，其单个光通达2.7lm，光效约提高35％。

Claims (7)

1.本发明涉及一种提高LED外量子效率的方法，其特征是先在LED出光面外镀上一组薄膜，该组薄膜可以是一层或多层，且在LED发射光波长下折射率η_x介于LED半导体发光介质与封装用树脂折射率η_封或相当于封装用空气折射率η_空之间，三组介质折射率大小顺序为：η_半＞η_x＞η_封。

2.根据权利要求1所述的提高LED外量子效率的方法，其特征是在LED出光面外镀的一层或多层薄膜，其每一层薄膜在LED发射光波长下的折射率η_x的平方值为其前一层薄膜折射率η_x-1与后一层薄膜折射率η_x+1乘积或与其相差10±2％的值，因此多层薄膜之间折射率大小顺序为：

η_x+1＞η_x＞η_x-1

式中X＝1、2、3、4、5。

3.根据权利1所述的提高LED外量子效率的方法，其特征是在LED出光面外镀的一层或多层薄膜，其每一层薄膜厚度D为：

$D=K\frac{\mathrm{\λ}}{{4\mathrm{\η}}_x}$

式中λ为LED发射光波长，η_x为第x镀层薄膜在发射光波长为λ的折射率，K为1、3、5、7或9。

4.根据权利1所述的提高LED外量子效率的方法，，其特征是在LED出光面外镀上一层或多层薄膜物质是钛、锆、锌、铅、钽、铌、硅、镓、铟、钡的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、钛酸盐、硼酸盐、铝酸盐、锌酸盐、铜酸盐和金刚石、类金刚石、富勒烯、卡宾烯(carbyne)和无定型碳或其混合物。

5.根据权利1所述的提高LED外量子效率的方法，其特征是在LED出光面外的镀膜，还可以采用一层在其LED发射光波长下折射率在η_半至η_封区间呈梯度递降分布的一组薄膜。采用真空气相沉积或溅射法镀膜时，可同时选用高折射率和低折射率两种物质作为镀膜原料，控制其高折射率和低折射率两种物质随镀膜时间或镀膜厚度在沉积薄膜中的相对含量变化，使LED出光面外的镀膜折射率在η_半至η_封区间呈梯度递降分布。

6.根据权利1所述的提高LED外量子效率的方法，，其特征是选用的物质是二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氟化钙、氟化镁或其混合物。

7.根据权利1所述的提高LED外量子效率的方法，，其特征是镀膜物质与LED半导体两者在晶格参数、热膨胀系数上有较大的匹配程度，即两者晶格参数、热膨胀系数相差不超过10％。