TWI462333B - 用於反射來自發光二極體的多重波長光線之分配型布拉格反射器 - Google Patents

用於反射來自發光二極體的多重波長光線之分配型布拉格反射器 Download PDF

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Description

用於反射來自發光二極體的多重波長光線之分配型布拉格反射器
本發明一般係關於發光二極體(light-emitting diodes，LEDs)，尤其係關於具有一反射器結構良好地反射藍光與黃光的藍光LED。
第一圖(先前技術)為俗稱白光LED的一種組合1的簡化剖面圖。該組合1包括一橫向的藍光LED裝置2。該藍光LED裝置主動層3朝所有方向發出光線，並且該光線在該LED裝置內任意反彈。一相當量(大約50%)的光線向下前進。若向下前進的光線4沒有向上反射回來以使得光線4從LED裝置頂端表面逃逸，而是被該晶粒附著的黏著劑或被鋁核心PCB所吸收，則總體白光LED組合的發光效率將變差。
該橫向LED裝置的結構需要一實質上對於藍光來說是透光的藍寶石基板5。據此，一反射器結構6被放置在該透光基板5的背面上(也就是圖中的底面)，以將朝一向下方向中前進的光線反射。該反射器結構6反射向下前進的光線，將此光線傳回通過該透光基板並且通過該LED裝置的該等磊晶層。然後該反射光脫離該LED裝置並且到達嵌入在例如矽氧樹脂(silicone)的封裝內的螢光體(phosphor)7。該螢光體接收該藍光及螢光的一部分並放螢光，藉此再發出波長較長的光線，包括綠光、黃光與紅光。因此，從總體該 LED組合1所發出的完整光譜稱為白光。此白光為該組合所產生的有用光線。
該反射器結構6可為單一層的高反射金屬，例如銀。不幸的是，銀伴隨有污染以及電遷徙的問題。基於此理由及其他理由，例如第一圖所示的LED裝置2的這類LED裝置可具有反射器結構，此結構牽涉到一全內反射(total internal reflection，TIR)層8、一分配型布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)結構9以及一反射金屬底層10。這些層的組合在反射性方面優於高反射金屬的單一反射鏡層。
根據司乃耳定律(Snell's law)，從具有較高折射係數的材料以大於臨界角的角度朝向具有較低折射係數的材料前進之光線將反射回到較高折射係數的材料內且無任何能量耗損。此機制就是已知的全內反射(TIR)。該TIR層8用於反射以大於臨界角的角度射向該反射器之藍光。該反射器結構兩下方部分9和10(該DBR和該反射金屬層)提供用於反射任何通過該TIR層的殘留光線。
在其最簡單的形式中，DBR為介電材料的四分之一波堆疊。該四分之一波堆疊由多個層的堆疊構成，其中該等層的材料從該堆疊往下分層交替。該等材料都經過選擇，如此從該堆疊往下為該等交替層中具有高折射係數的層、低折射係數的層、然後高折射係數的層，以此類推。針對從堆疊的頂端進入該堆疊的已知波長光線，該上層製作成具有四分之一波長的厚度，其中此波長為光線通過該層時該光線的波長。由等式λ=v/f可獲知該光線的波長λ、頻率f和速度v。光線離開一個媒介進入另一個媒介時，該光線的速度與波長會改變，但是頻率不變。因此，製作該上層的材料決定了光線在該媒介內的速度v。因此，該材料也影響該上層內該光線的波長λ。
每一材料都具有折射係數η，該折射係數η為光線在真空中速度與光線在媒介中速度的比例。由等式λ=λo/η可獲知光在媒介內 的波長，其中λo為光在真空中的波長。光線通過空氣的速度接近光線在真空內的速度，因此光線在空氣中的波長接近光線在真空中的波長。考慮到該DBR對於入射角在零度與臨界角之間的光之反射能力時，該DBR的設計波長λo通常會比該LED發射波長還要長。例如：對於450nm的LED，最佳DBR設計波長大約是510nm。關係式QWOT=λo/4η被使用來決定一層媒介內的四分之一波長，其中η為製作該層的材料之折射係數。如此，該堆疊中不同層的材料之折射係數用來決定該堆疊每一層的厚度，使得每一層厚度為四分之一波長。
光線進入該堆疊並且通過該上層，然後該光線的一部分從該上層與堆疊內往下的下一層間之介面反射。部分光線往下進入該堆疊的下一層而到下一個介面。若該介面為從低係數媒介至高係數媒介，則從該介面反射的任何光線都將具有180度的相位移。在另一方面，若該介面為從高係數媒介至低係數媒介，則任何反射光線都不具有相位移。每一介面都導致部分反射光線傳遞進入該堆疊。該相位移結合該堆疊層的厚度，如此從介面反射的光線的部份全都回到彼此相位相同的堆疊上表面。反射越多，則堆疊頂端上所有結合的介面就有越多個具有建設性干涉。結果就是該分配型布拉格反射器在有限光譜範圍內，也就是阻帶內(stop-band)，具有高反射能力。最後在該反射器結構6的底部為該反射金屬底層10。
第二圖(先前技術)為揭示根據設計波長510nm，第一圖中先前技術LED裝置2的分配型布拉格反射器的許多層的厚度與材料表。兩列之間線條上的π記號代表：兩列材料之間介面所反射的光線具有180度之相位位移。上方SiO2 層的厚度為4101埃，並且為該TIR層8。該DBR結構9包括三個週期，每一週期具有厚度為447埃的第一層TiO2 層以及厚度820埃的第二層SiO2 層。
第三圖為顯示具有第二圖內所述反射器設計的正常入射反射能力光譜圖。該光譜阻帶的中央大約為510nm，並且該阻帶的短波 長側對準450nm。根據理論計算，該光線入射角從表面法線朝該反射器的掠過角增加時，該反射能力光譜朝向該短波長藍位移。該反射器經過最佳化，確定波長450nm的光線在寬廣的入射角範圍上有高反射能力。第四A圖為具有450nm波長的光線到達該反射器上點11時，該反射器結構6的反射能力與入射角間之關係圖。入射角介於0與58度之間的光線會由該DBR和該金屬反射器反射，而入射角大於58度的光線則由該TIR層反射。為了評估該反射器所有入射角的總反射能力，因此定義一常態化角度反射率。請參閱第四B圖，假設光線要從所有方向以一致的角度分配，傳輸朝向該反射器上的點11。考慮以入射角θ入射在該點上並到達點11的光線量。許多不同的光線實際上從此入射角到達該點，在此該等光線想像成以圓錐形進入該點。第四B圖內所例示圓錐12的上唇代表入射角θ的該等射線之原點之圓形。因此，在點11上一度入射角比零度入射角有更多光線入射。考慮這種在較大角度上較大量的光線，並且決定零度(正交)到90度(掠角)的對應反射光線總量。然後利用整合該角度反射能力(第四A圖)與入射角的正弦相依性，常態化至一完美角度反射能力光譜，來計算該常態化角度反射率。此分析針對已知波長，例如波長為450nm的光線執行，以比較該反射器針對第一圖中白光LED組合中的LED所發出藍光的效能。以此方式分析時，第一圖中該LED裝置中該先前技術反射器結構對於入射藍光(具有450 nm的波長)具有大約97%的反射能力。因此，大部分往下前進的藍光4反射回該反射器，然後脫離該LED裝置。牽涉到該DBR 9的該反射器結構比起例如銀的反射金屬的簡單反射鏡層更有效率。
 相關申請案交叉參照
本申請案依據美國專利法35 U.S.C.§119主張於2011年9月1日申請，申請案號為61/530,385，發明名稱為”Distributed Bragg Reflector for Reflecting Light of Multiple Wavelengths from an LED”的美國臨時專利申請案之優先權，其全文以前揭索引方式併入本案。
一藍光LED裝置具有牽涉到銦、鎵和氮的主動層，該主動層設置成發出準單色(quasic-monochromatic)並且非同調(non-coherent)的藍光。該藍光LED也具有一透光基板(實質上對可見光透光)以及設置於該基板背面上的一反射器結構。該反射器結構包括一分配型布拉格反射器(DBR)結構，其具有許多層以反射綠光、黃光、紅光以及藍光。在一個範例中，該DBR結構包括一第一部分，其中該等層的厚度相對較厚，並且也包括一第二部分，其中該等層的厚度相對較薄。該總體反射器結構除對於波長介於440nm至470nm之間的第一範圍的光線具有超過97.5%之常態化角度反射率以外，對於波長介於500nm至700nm之間的第二範圍的光線超過95%之常態化角度反射率。該反射器結構反射通過該透光基板至該反射器結構的光線，如此該總體LED裝置對於波長範圍從500nm至700nm的光線具有超過85%的光子回收效率(Photon Recycling Efficiency，PRE)。
底下的詳細說明當中描述進一步細節以及具體實施例和技術。本發明摘要並不用於定義本發明。本發明由該等申請專利範圍所定義。
1‧‧‧白光LED組合
2‧‧‧藍光LED裝置
3‧‧‧主動層
4‧‧‧光線
5‧‧‧透光基板
6‧‧‧反射器結構
7‧‧‧螢光體
8‧‧‧全內反射層
9‧‧‧分配型布拉格反射器結構
10‧‧‧底層(鋁)
11‧‧‧點
12‧‧‧圓錐
20‧‧‧白光LED組合
21‧‧‧藍光LED裝置
22‧‧‧鋁核心PCB
23‧‧‧打線接合
24‧‧‧打線接合
25‧‧‧螢光體
26‧‧‧p型層
27‧‧‧主動層
28‧‧‧n型層
29‧‧‧緩衝層
30‧‧‧金屬電極
31‧‧‧金屬電極
32‧‧‧透光基板
34‧‧‧反射器結構
35‧‧‧全內反射層
36‧‧‧分配型布拉格反射器結構
37‧‧‧反射金屬層(鋁)
38‧‧‧射線
39‧‧‧射線
40‧‧‧光線
41-42‧‧‧射線
43‧‧‧第一部分
44‧‧‧第二部分
45‧‧‧列
46‧‧‧列
47‧‧‧列
48‧‧‧列
49‧‧‧反射能力
50‧‧‧曲線
51‧‧‧螢光體粒子
61‧‧‧第一高係數層
62‧‧‧第一低係數層
63‧‧‧第二高係數層
64‧‧‧第二低係數層
附圖例示本發明的具體實施例，其中同樣的編號代表同樣的元件。
第一圖(先前技術)為一種俗稱白光LED的簡化剖面圖。
第二圖(先前技術)為第一圖中先前技術LED裝置的分配型布拉格反射器的許多層之厚度與構造材料表。
第三圖(先前技術)為第一圖中先前技術LED裝置的反射器結構法線入射角上的入射光波長相對其反射能力之關係圖。
第四A圖(先前技術)為第一圖中先前技術LED裝置的該反射器結構之反射能力相對到達該反射器上一點之具有450nm波長的光線之入射角之關係圖。
第四B圖(先前技術)為例示一種牽涉到決定該常態化角度反射率的考量之概念圖。
第五圖為根據一個創新態樣的白光LED組合之圖式。
第六圖為第五圖中白光LED組合內一藍光LED裝置的簡化剖面圖。
第七圖為揭示第五圖和第六圖中創新反射器結構的不同層之厚度與構造材料表。
第八圖為反射能力相對垂直於第五圖至第七圖中該創新反射器結構的該反射器表面之入射光波長之關係圖。
第九圖為第五圖至第七圖中該創新反射器結構與第一圖至第四圖中該先前技術反射器結構在波長為450nm以及波長為580nm時的常態化角度反射率之比較表。
第十圖為在波長為450nm、580nm以及630nm時第五圖至第七圖中該創新反射器結構的所測量的PRE值與第一圖至第四圖中所示該先前技術反射器結構的所計算PRE值之比較表。
第十一圖為在藍光LED上形成一反射器結構之方法流程圖，該反射器結構針對波長在介於500 nm至700 nm的範圍以及介於440 nm至470 nm的另一範圍之光線展現出高常態化角度反射率。
在此將詳細參考本發明的某些具體實施例，其範例將在所附的圖式內說明。
第五圖為根據一個創新態樣的白光LED組合20之簡化剖面圖。該白光LED組合20包括一藍光LED裝置21、一鋁核心PCB 22、一對打線接合23和24以及一定量的螢光體25。如圖所示，螢光粉粒子懸浮在矽氧樹脂的圓頂結構內。該LED裝置21包括一磊晶層部分，其中(尚有其他部分未例示)包括一p型層26、一主動層27、一n型層28、一緩衝層29以及兩個金屬電極30和31。該等層26-28由氮化鎵材料製成，並且該主動層包括銦，如此該主動層發出已知在GaN藍光LED所發出的藍光。該藍光為準單色並且非同調光。在本範例中，該主動層27所發出光線的波長具有相對窄的譜寬，並且集中在大約450nm。
該等磊晶層位於一透光基板32上。該透光基板32由一種透明材料製成，例如藍寶石、SiC、GaN或AlN。在本範例中，該透光基板32為藍寶石基板。該基板32底下為一創新的反射器結構34。該反射器結構34包括一全內反射(TIR)層35、一多層分配型布拉格反射器(DBR)結構36以及一反射金屬層37。該TIR層35以及DBR 36的低折射係數層可由低係數介電材料製成，例如SiO2 、MgF2 或CaF2 ，並且該DBR 36的高係數層可由高係數介電材料製成，例如TiO2 、ZnSe、Si3 N4 、Nb2 O5 或Ta2 O5 。該反射金屬層37可由任何反射金屬製成，例如鋁、銀、銠、鉑或鎳。該反射器結構34設置於該基板的「背面」上，就是該基板上與該等磊晶層相對的一側的表面上。第六圖為第五圖中該白光LED組合20內該藍光LED裝置21的更詳細剖面圖。
為人所習知，從LED主動層發出的光線有一半朝下發射。在本範例中具有大約450 nm的波長的光線應該由該反射器結構往上反射回去，如上面先前技術章節中的說明。此光線在第五圖中由射線38和39表示。
根據一個創新態樣，現在可以瞭解光線40的一部分往上前進脫離該LED裝置並且到達該螢光體25，然後由該螢光體降轉成波長較長的光線。然後此已轉換光線41的一部分傳回至該LED裝置，以進入該LED裝置。由該螢光體射回在該LED裝置上的該光線一般在介於500nm至700nm的範圍內，在本說明書中簡稱為「黃光」。此光線在第五圖由射線41-42表示。鑑於上面結合第一圖至第四圖說明的先前技術反射器結構，該反射器結構並未最佳化來反射該等黃光波長光線，第五圖的該創新反射器結構34設計成改善對此波長光線的反射能力。該創新反射器結構34並未只對於反射藍光最佳化，且並未只對於反射黃光最佳化，而是該創新反射器結構的該等層設置成以高反射能力來反射藍光與黃光。如此，該具有一分配型布拉格反射器(DBR)的該創新反射器結構34，其實質上最佳化以用於反射波長大約450 nm的藍光以及波長大約580 nm的黃光。在一個範例中，該反射器結構34對於波長範圍介於500nm至700nm的第一光線(在此稱為黃光)具有超過95.5%的常態化角度反射率，也對於波長範圍從440nm至470nm的第二光線(在此稱為藍光)具有超過97.5%的常態化角度反射率。相較於第一圖中該整體傳統LED組合1的光子效率(每瓦流明)，第五圖中該總體創新LED組合20的光子效率有所改善，其主要是由於該反射器結構34在反射範圍500nm至700nm的光線的反射能力已經改善了。
設計該DBR結構34並不像設計一第一DBR最佳化用於反射黃光的、設計一第二DBR最佳化用於反射藍光的，然後將該兩DBR結合成單一合成DBR結構那樣簡單。從該DBR結構的一個部分通過到達另一部分的光線受到相當複雜的影響，讓該等許多層厚度的決定複雜化，並且該DBR並未針對黃光或藍光整體地最佳化，最簡單來說，該DBR 34的第一部分43主要用於反射黃光，而該DBR 34的第二部分44主要用於反射藍光。該等第一部分43的層厚度較厚，而該等第二部分44的層之厚度較薄。
第七圖為揭示一個特定具體實施例中該反射器結構34的許多層之厚度與成分表。列45對應至該TIR層35。列46對應至該DBR結構36的第一部分43，並且列47對應至該DBR結構36的第二部分44。列48對應至該反射金屬層37。該表中的值係用於480 nm的設計波長。因此，四分之一波光學厚度(quarter-wave optical thickness，QWOT)值接近列47之值，表示該DBR結構的第二部分44將反射藍光。
第八圖為該整體反射器結構34法線入射角的反射能力49相對波長之關係圖。該關係圖將該先前技術反射器的該反射能力光譜與該創新反射器做比較。該創新反射器具有兩個分開的阻帶(stop-band)，表示該反射器設計的複雜度。虛線曲線50為該反射能力相對第三圖的波長曲線50，為了比較而再度呈現於第八圖中。
第九圖為揭示該比較的表格。針對具有波長580 nm的第一光線(一般稱為黃光)從該基板通過並進入該反射器結構，第五圖至第七圖的該創新反射器結構34具有高於95.0%的反射能力。針對具有波長450 nm的第二光線(一般稱為藍光)從該基板通過並進入該反射器結構，第五圖至第七圖的該創新反射器結構34具有高於97.5%的反射能力。
請參閱第五圖的該白光LED組合20，該螢光體吸收從該LED裝置21發出的藍光，並將其降轉成較長波長(500nm-700 nm)的光線。該長波長光線從該螢光體粒子以等方向重新發出，並且長波長光線的某些部分將不可避免地回到該LED表面。該返回光線脫離該LED裝置21的可能性稱為光子回收效率(Photon Recycling Efficiency,PRE)。從該LED裝置所發出未吸收的藍光也可由該螢光體往回散射，並且回到該LED裝置。本說明書運用廣泛的射線追蹤模型，以建立許多波長光線的PRE。氧化銦錫(ITO)的吸收、 該金屬電極、GaN材料耗損、該散射結構以及該反射器全都包含在此模擬當中。
該模擬使用450nm光、580nm光以及630nm光來執行。第十圖的表格內揭示光反射的百分比(或「PRE」)。由於該LED裝置內的光線通常會在該裝置內多次回彈，則如第九圖表格內所指出，會在真實裝置內放大該創新反射器結構與該傳統反射器結構之間反射能力的相對微小差異。模擬指出從第一圖的傳統該反射器結構6切換至第五圖的該創新反射器結構34，造成針對580 nm光與630 nm光超過5.0%的光子回收效率改善。
第十一圖為根據一個創新態樣的方法100之流程圖。一反射器結構形成於一藍光LED裝置的基板背面上(步驟101)。該藍光LED裝置的該主動層設置成發出波長大約440-470 nm的光線，其中該反射器結構在波長從500 nm至700 nm的光線中具有大於95.0%的常態化角度反射率。在一個特定範例中，該反射器結構針對波長440-470 nm的光線也具有超過97.5%的常態化角度反射率。在一個特定範例中，步驟101中形成的該反射器結構為第五圖和第六圖之反射器結構34，其中此反射器結構34具有一TIR層、一DBR結構以及第七圖中所揭示該厚度與構造材料的金屬底層。
雖然上面已經針對指示的目的描述某些特定具體實施例，不過本專利文件的教示具有通用的應用性，並且不受限於上述的特定具體實施例。因此，在不悖離申請專利範圍內揭示的本發明範疇之下，可實現所描述具體實施例許多特徵之許多修改、調整以及組合。
20‧‧‧白光LED組合
21‧‧‧藍光LED裝置
22‧‧‧鋁核心PCB
23‧‧‧打線接合
24‧‧‧打線接合
25‧‧‧螢光體
26‧‧‧p型層
27‧‧‧主動層
28‧‧‧n型層
29‧‧‧緩衝層
30‧‧‧金屬電極
31‧‧‧金屬電極
32‧‧‧透光基板
34‧‧‧反射器結構
35‧‧‧全內反射層
36‧‧‧分配型布拉格反射器結構
37‧‧‧反射金屬層(鋁)
38‧‧‧射線
39‧‧‧射線
40‧‧‧光線
41-42‧‧‧射線

Claims (14)

  1. 一種發光二極體(LED)裝置，包括：一基板；及一反射器結構，其配置於該基板下方，該反射器結構包含：一低係數全內反射層(TIR)，其配置於該基板下方；一分配型布拉格反射器(DBR)，其配置於該TIR下方；及一反射金屬層，其配置於該DBR下方；其中該DBR包含一第一複數個週期及一第二複數個週期，其中該第一複數個週期之每一者包含具有一第一厚度的一高係數介電材料之一第一層及具有一第二厚度的二氧化矽之一第二層，並且其中該第二複數個週期之每一者包含具有一第三厚度的該高係數介電材料之一第一層及具有一第四厚度的二氧化矽之一第二層；其中該TIR係一單一二氧化矽層(single layer of silicon dioxide)，且該單一二氧化矽層比該DBR的任何二氧化矽層厚。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其中該高係數介電材料係選自包含下列構成的群組：TiO2 、ZnSe、Si3 N4 、Nb2 O5 和Ta2 O5 。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其中該反射器結構對於從該基板通過至該反射器結構的第一光線具有超過90%的反射率，並且其中該第一光線具有在500nm至700nm的第一範圍的一波長。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之LED裝置，其中該反射器結構對於從該基板通過至該反射器結構的第二光線具有超過90%的反射率，並且其中該第二光線具有在440nm至470 nm的第二範圍的一波長。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其中該等第一複數個週期的每一者的該第一層係厚度大約75nm的二氧化鈦，該等第一複數個週期的每一者的該第二層係厚度大約138nm的二氧化矽，該等第二複數個週期的每一者的該第一層係厚度大約46nm的二氧化鈦，且該等第二複數個週期的每一者的該第二層係厚度大約85nm的二氧化矽。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之LED裝置，其中該DBR的該等第一複數個週期之一二氧化鈦層係與該TIR接觸。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之LED裝置，其中該DBR的該等第二複數個週期之一二氧化鈦層係與該等第一複數個週期的一二氧化矽層接觸。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其中該反射金屬層係由取自於包含鋁、銀、銠、鉑及鎳的群組之金屬所製成。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其中該基板為一透光基板。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其中該第二厚度大於該第一厚度，並且該第四厚度大於該第三厚度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之LED裝置，其中該第一高係數介電材料係選自包含下列構成的群組：TiO2 、ZnSe、Si3 N4 、Nb2 O5 和Ta2 O5 ；且其中該第二高係數介電材料係選自包含下列構成的群組：TiO2 、ZnSe、Si3 N4 、Nb2 O5 和Ta2 O5 。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其進一步包含一主動層，該主動層係構成為發射波長低於500nm的一第一光線，其中該反射器結構對於從該基板通過至該反射器結構的一第二光線具有超過90.0%的反射率，且其中該第二光線具有在500nm至700nm的範圍的一波長。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其進一步包含一 主動層，該主動層係包含銦及鎵，且構成為發射波長低於500nm的光線，其中LED裝置整體係對於具有在500nm至700nm的範圍的一波長之光線，呈現出超過85%之光子回收效率(Photon Recycling Efficiency，PRE)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之LED裝置，其進一步包含一主動層，該主動層係構成為發射波長在大約440nm至470nm的一第一光線，其中該反射器結構對於從該基板通過至該反射器結構的一第二光線具有超過90.0%的反射率，且該第二光線具有大約500nm至700nm的一波長。
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