EP2859593A1 - Optische anpassungsvorrichtung für leuchtdiode - Google Patents

Optische anpassungsvorrichtung für leuchtdiode

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EP2859593A1
EP2859593A1 EP12737868.5A EP12737868A EP2859593A1 EP 2859593 A1 EP2859593 A1 EP 2859593A1 EP 12737868 A EP12737868 A EP 12737868A EP 2859593 A1 EP2859593 A1 EP 2859593A1
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EP
European Patent Office
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light
emitting diode
matching device
optical
optical matching
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12737868.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Petr Nikolaevich Luskinovich
Vladimir Alexandrovich ZHABOTINSKIY
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Individual
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Individual
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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    • H01L2933/0091—Scattering means in or on the semiconductor body or semiconductor body package

Definitions

  • the invention relates to the field of optical matching devices for LED, G02, which can serve as matching devices in the production of light emitting diodes with increased light output.
  • the invention can be used both for the production of energy-saving lamps as well as high-intensity light emitting diode emitters.
  • Optical matching devices based on a hemisphere of a semiconductor material corresponding to that from which the light-generating region is fabricated, e.g. that of the AL107A infrared light emitting diode and the LED described in HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE KR101078063- 2011-10-31.
  • Optical matching devices based on a Weierstrass hemisphere of the same semiconductor material are known, from which also the light-generating region of a type 3L1 15 light-emitting diode consists and also consists
  • the method for increasing the light output is to introduce between the material of the light emitting diode and an optical matching device made of a material having a similar refractive index as the light emitting diode, an additional layer having a low elastic modulus, lower than that of the light emitting diode and the matching device, and a thickness significantly below the wavelength of the light emitted by the light emitting diode, which allows efficient tunneling of the light through the layer.
  • the device for implementing this method consists of a light-emitting diode, in which by tunneling a transparent additional layer with a low elastic modulus and the optical matching device with a refractive index similar to that of the light-emitting diode material is added.
  • the stated objective of preserving the life is achieved by the low value of the modulus of elasticity of the material of the additional layer, which reduces the mechanical stresses which arise between the material of the light-emitting diode and that of the optical matching device due to the difference in the thermal expansion coefficients.
  • the introduction of the additional layer makes it possible to use materials for the optical matching device which have a similarly high refractive index but quite another Have thermal expansion coefficients as the material of the light emitting diode.
  • the stated goal is also achieved by the use of an additive layer with inhomogeneities which reduce the modulus of elasticity of the material.
  • the stated goal of increasing the efficiency is achieved by the use of an additional layer, which is transparent with its thickness (many times lower than the wavelength of the light emitted by the light emitting diode) for the light emitted by the light emitting diode through tunneling.
  • the stated aim of increasing the efficiency is achieved by the use of an additional layer which, with its thickness (many times less than the wavelength of the light emitted by the light emitting diode), is transparent to the light emitted by the light emitting diode through tunneling and filled with nanoparticles whose refractive index comes close to the LED material.
  • the optical matching device is composed of the spherical optical element 1 made of a material having a refractive index similar to that of the material of the light emitting diode and the additive layer 2 having a low elastic modulus, mounted between the spherical matching element and the emitting surface of the light emitting diode.
  • the technology for producing such a device is based on microelectronic
  • Hybrid technologies and consists in the application of only the additional layer and then the optical adjustment device on the surface.
  • an additional layer 2 which consists of the material of the optical adapter or the light emitting diode surface and contains cavities to reduce the transverse stiffness of the material (Figure 3).
  • the method presented here for increasing the efficiency of the optical matching device and the device made on the basis of this principle provide for an increase in the luminous efficacy of the active surface of the light-emitting diode, without reducing the life.

Abstract

Die Vorrichtung ist als optische Anpassungsvorrichtung aus einem durchsichtigen Material mit erhöhtem Brechungsindex mit einer Schicht zwischen der Abstrahlfläche des Halbleiters und der optischen Anpassungsvorrichtung ausgestaltet, welch letztere aus einem Material mit niedrigem elastischen Deformationskoeffizienten hergestellt ist und eine Dicke hat, die das Durchtunneln des abgestrahlten Lichts ermöglicht.

Description

OPTISCHE ANPASSUNGSVORRICHTUNG FÜR LEUCHTDIODE
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Anpassungsvorrichtungen für LED, G02, die als Anpassungsvorrichtungen bei der Herstellung von Leuchtdioden mit erhöhter Lichtausbeute dienen können. Die Erfindung kann sowohl für die Herstellung von Energiesparlampen als auch von lichtstarken Leuchtdiodenstrahlern benutzt werden.
Die hohen Brechungsindizes von Halbleitermaterialien - mehr als 2,5 für Siliziumkarbid und 3,3 für Galliumarsenid - sowie die vergleichsweise niedrigen Brechungsindizes der in der Massenproduktion zur Anwendung kommenden Kunststoffmaterialien von 1 ,6 führen zu beträchtlichen Reflektionen des Lichts an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter der LED und dem Kunststoff der optischen Anpassungsvorrichtung. Die Anwendung von Materialien mit hohem Brechnungsindex wie Chalkogenidgläsern u. ä. für optische Anpassungsvorrichtungen ist in den meisten Fällen nicht möglich, da sich die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu stark unterschieden, was zur Entstehung zusätzlicher Spannungen und einer Verkürzung der Lebensdauer der Leuchtdiode führt. Bekannt sind optische Anpassungsvorrichtungen auf der Grundlage einer Halbkugel aus einem Halbleitermaterial, das dem entspricht, aus dem der lichtgenerierende Bereich gefertigt wird, z.B. derjenige der Infrarot-Leuchtdiode AL107A und der Leuchtdiode, die im Patent HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE KR101078063- 2011-10-31 beschrieben wird.
Bekannt sind optische Anpassungsvorrichtungen auf der Grundlage einer Weierstrassschen Halbkugel aus demselben Halbleitermaterial, aus dem auch der lichtgenerierende Bereich einer Leuchtdiode vom Typ 3L1 15 besteht und auch aus
(54) Title: HIGH EFFICIENCY LED WITH MULTI-LAYER REFLECTOR STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME (10) International Publication Number
WO 2007/123289 AI
Bei dieser Konstruktion ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Leuchtdiode und der optischen Anpassungsvorrichtung gleich, was für eine hohe Lichtausbeute und Lebensdauer sorgt. Nachteil dieser Konstruktion ist die
BESTÄTIGUNGSKOPIE Vervielfachung des Halbleiterverbrauchs und die entsprechende Verteuerung der Leuchtdiode.
Bekannt sind optische Anpassungsvorrichtungen auf Kunststoffbasis, in denen die aus dem Halbleiter abgegebene Strahlung durch die kuppeiförmige Bedeckung an die Umgebung abgegeben wird
(54) Title: LIGHT EMITTING DIODE LIGHT ENGINE
WO 2011/002508 A2
Nachteil dieser Konstruktion ist die niedrige Lichtausbeute auf Grund der grossen Differenz zwischen dem Brechungsindex des Halbleiters der Leuchtdiode und dem des Kunststoffes der optischen Anpassungsvorrichtung.
Das hier zur Anmeldung als Erfindung vorgestellte Verfahren zur Erhöhung der Lichtausbeute sowie die zu dessen Verwirklichung nötige optische Anpassungsvorrichtung zielen darauf, die Effizienz der Umwandlung der elektrischen Energie in Licht bei gleich bleibender Lebensdauer zu steigern.
Das Verfahren zur Erhöhung der Lichtausbeute besteht darin, zwischen das Material der Leuchtdiode und eine optische Anpassungsvorrichtung aus einem Material mit einem ähnlichen Brechungsindex wie die Leuchtdiode eine zusätzliche Schicht einzubringen, die ein niedriges Elastizitätsmodul hat, niedriger als das von Leuchtdiode und Anpassungsvorrichtung, und eine Dicke deutlich unter der Wellenlänge des von der Leuchtdiode ausgestrahlten Lichts, welche eine effiziente Tunnelung des Lichts durch die Schicht ermöglicht.
Die Vorrichtung zur Umsetzung dieses Verfahrens besteht aus einer Leuchtdiode, in die durch Tunnelung eine durchsichtige Zusatzschicht mit niedrigem Elastizitätsmodul sowie der optischen Anpassungsvorrichtung mit einem Brechungsindex ähnlich dem des Leuchtdiodenmaterials zugesetzt wird.
Das angegebene Ziel der Bewahrung der Lebensdauer wird durch den niedrigen Wert des Elastizitätsmoduls des Materials der Zusatzschicht erreicht, das die mechanischen Spannungen verringert, die zwischen dem Material der Leuchtdiode und dem der optischen Anpassungsvorrichtung auf Grund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten entstehen. Durch die Einführung der Zusatzschicht wird es möglich, für die optische Anpassungsvorrichtung Materialien zu verwenden, die einen ähnlich hohen Brechungsindex, aber einen ganz anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material der Leuchtdiode haben.
Das angegebene Ziel wird auch erreicht durch die Verwendung einer Zusatzschicht mit Inhomogenitäten, die das Elastizitätsmodul des Materials reduzieren.
Das angegebene Ziel der Effizienzsteigerung wird erreicht durch die Verwendung einer Zusatzschicht, welche mit ihrer Dicke (um ein Vielfaches geringer als die Wellenlänge des von der Leuchtdiode ausgestrahlten Lichts) für das von der Leuchtdiode ausgestrahlte Licht durch Tunnelung durchsichtig ist.
Das angegebene Ziel der Effizienzsteigerung wird erreicht durch die Verwendung einer Zusatzschicht, welche mit ihrer Dicke (um ein Vielfaches geringer als die Wellenlänge des von der Leuchtdiode ausgestrahlten Lichts) für das von der Leuchtdiode ausgestrahlte Licht durch Tunnelung durchsichtig ist und angefüllt mit Nanoteilchen, deren Brechungsindex dem des Leuchtdiodenmaterials nahe kommt.
Das Prinzip des vorgeschlagenen Verfahrens und der zu seiner Umsetzung nötigen
Vorrichtung erklärt sich an Hand des Realisierungsbeispiels und der Zeichnung 1 , auf welcher das Prinzip schematisch dargestellt ist (in Schnitt und Draufsicht).
Die optische Anpassungsvorrichtung besteht aus dem kugelförmigen optischen Element 1 aus einem Material mit einem Brechungsindex ähnlich dem des Materials der Leuchtdiode und der Zusatzschicht 2 mit einem niedrigen Elastizitätsmodul, angebracht zwischen dem kugelförmigen Anpassungselement und der Abstrahlfläche der Leuchtdiode.
Die Technologie zur Herstellung einer solchen Vorrichtung basiert auf mikroelektronischen
Hybridtechnologien und besteht in der Auftragung erst der Zusatzschicht und danach der optischen Anpassungsvorrichtung auf der Oberfläche.
Zulässig ist die Verwendung einer Zusatzschicht 2, welche Nanoteilchen mit einem Brechungsindex ähnlich dem des Materials 3 der Leuchtdiode (Zeichnung 2) enthält.
Zulässig ist auch die Verwendung einer Zusatzschicht 2, welche aus dem Material der optischen Anpassungsvorrichtung oder dem der Leuchtdiodenoberfläche besteht und Hohlräume enthält, um die Quersteifigkeit des Materials zu verringern (Zeichnung 3).
Auf diese Weise sorgen das hier vorgestellte Verfahren zur Erhöhung der Effizienz der optischen Anpassungsvorrichtung und die auf der Grundlage dieses Prinzip hergestellte Vorrichtung für eine Erhöhung der Lichtausbeute von der aktiven Fläche der Leuchtdiode, ohne die Lebensdauer herabzusetzen.

Claims

Patentansprüche
. Verfahren zur Steigerung der Effizienz der optische Anpassungsvorrichtung einer Leuchtdiode, welches darin besteht, zwischen die Abstrahlfläche der Leuchtdiode und die optische Anpassungsvorrichtung eine zusätzliche Schicht einzubringen, die ein niedriges Elastizitätsmodul hat und durch Tunnelung für das von der
Leuchtdiode ausgestrahlte Licht durchsichtig ist.
2. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens als optische Anpassungsvorrichtung aus einem durchsichtigen Material mit erhöhtem Brechungsindex mit Schicht
zwischen der Abstrahlfläche des Halbleiters und der optischen
Anpassungsvorrichtung, welche aus einem Material mit niedrigem elastischem
Deformationskoeffizienten hergestellt ist und eine Dicke hat, die das Durchtunneln des abgestrahlten Lichts ermöglicht.
3. Optische Anpassungsvorrichtung einer Leuchtdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht der optischen Anpassungsvorrichtung zwischen der Abstrahlfläche des Halbleiters und der optischen Anpassungsvorrichtung aus einem Material mit geringer elastischer Verformung besteht, in das Nanoteilchen kleiner als die effektive Wellenlänge des durchgelassenen Lichts und mit einem Brechungsindex grösser als der Brechungsindex des elastischen Materials eingelassen sind.
4. Optische Anpassungsvorrichtung einer Leuchtdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht der optischen Anpassungsvorrichtung mit der Abstrahlfläche des Halbleiters verbunden und aus einem Material mit Nano- und Mikroleerräumen verfertigt ist.
EP12737868.5A 2012-06-11 2012-06-11 Optische anpassungsvorrichtung für leuchtdiode Withdrawn EP2859593A1 (de)

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