專利名稱：一種提高半導體發光二極管外量子效率的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高半導體發光二極管(LED)外量子效率的方法。
背景技術：
半導體發光二極管(LED)因具有特殊的物理和化學性能，備受關注。如高效節能，耗電為白熾燈的八分之一、熒光燈的二分之一；全固結構，可在惡劣環境中使用，使用壽命長達十萬小時，比目前的白熾燈高十倍；無汞、鉻等有毒重金屬元素，易回收，實現真正綠色照明；結構簡單，體積小，重量輕，響應快，低工作電壓，安全，抗震等優點，被國際公認為不久將來替代白熾燈的新一代光源。世界各國和各大公司為搶占LED新興照明產業的制高點，紛紛投入巨資和人力，全力以赴進行研究和開發。
目前LED光源的關鍵技術主要涉及高質量、高功率LED芯片生產技術和提高LED外量子效率兩方面。所謂LED外量子效率是指LED以極高內量子效率(≥90％)將電能轉化為光之后，其中能輻射出來用于照明的光所占的百分率。就目前標準5mm白光LED而言，理論外量子效率僅12％，換言之，仍有約88％光不能導出而在器件中以熱形式消耗掉，造成電能浪費，更重要的是器件發熱、升溫致使LED光效劇降，同時芯片、焊線和封裝材料等嚴重老化，縮短壽命。為了解決這一難題，十幾年來各國科學家提出多種解決方案，其中包括采用生長分布布喇格反射層(DBR)結構(Kato T.Susawa H.Hirotani M.et al.GaAs/GaAlAs surfaceemitting IR led with bragg reflector grown by MOCVD，J Cryst Growth，1991，107832)、透明襯底技術(TS-LED)(Kish F A.Steranka F M，Defevere DC，et al.Vary high-efficiency semiconductor wafer-bonded transpatent-substrate(AlxGa1-x)In0.5P/GaP light-emitting diodes.Appl Phys Lett，1994，642839)、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，1999，752365)和表面粗化技術等(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)，實際上僅第一種方法被采用，理論外量子效率可達23.7％，發光效率達50lm/W，其余均因種種原因未能實用。
與此同時，從改進LED透明封裝材料來提高LED的外量子效率的途徑也引起人們極大重視。因為LED的外量子效率除了與芯片結構和質量有關之外，封裝高分子樹脂折射率與芯片半導體折射率相太大是外量子效率低的另一個重要原因。目前廣泛用于藍光LED芯片封裝的環氧樹脂折射率僅1.5，其內光逸出封裝樹脂界面效率約12-16％，尚未封裝的LED僅為4.0％，顯然若能保持或提高封裝樹脂透明度，耐紫外光、熱、氧老化等前提下，采用更高折射率的新型高分子樹脂作為LED封裝，無疑會使LED的光逸出率大大提高。據估算，在其他條件相同的情況下封裝樹脂折射率每提高0.1其光效大約提高10％。因此國內外許多大公司和研究單位競相研究高折射的新型高分子封裝樹脂。至今已陸續有高折射高分子樹脂研究報告，大多采用了含溴、碘、硫、磷、氮或鉛、鋇等重金屬原子或芳香稠環、多脂環結構的復雜組分，雖然折射率可提高到1.7，但因易發黃變色、透光度差、色散性差、耐光熱氧穩定性差，或有異味惡臭等原因均難以實用。
鑒上，提高LED外量子效率是提高其發光效率、光通量的根本所在，迄今未有重大突破。
發明內容
由于目前LED芯片半導體折射率基本上均在3.0以上，如磷砷化鎵折射率3.2，而封裝LED芯片的高分子樹脂折射率大約在1.4～1.5，未封裝時表面外空氣折射率為1，其面反射角僅16.6°，發光效率低于2％；用折射率約為1.5的環氧樹脂封裝后，其面反射角為26.2°，發光效率仍不到5％，因此LED半導體發光介質與外表面介質兩者折射率相差太大是LED外量子效率低的重要原因之一。
考慮到LED發射光在穿透其外表界面時發射光能＝反射光能+折射光能+被介質吸收光能因此提高LED外量子效率或發光效量或光通量，應盡量減少LED發射光在其界面上的反射和被介質吸收的損耗，而最大限度提高經過界面被折射出來的發射光。
基于此，本發明的具體內容如下1.本發明提出在用高分子樹脂封裝LED芯片或器件之前，先在LED出光面外鍍上一組薄膜，該組薄膜的鍍層可以是一層或多層，在LED發射光波長下折射率(ηx)介于LED半導體發光介質(η半)與封裝用樹脂折射率(η封)或相當于封裝用空氣折射率(η空)之間，三組介質折射率大小順序為η半＞ηx＞η封，而后再灌注高分子樹脂進行封裝的方法。由于所鍍薄膜具有高透光性、良好色散性，因此提高了LED芯片的外量子效率、發光效率和光通量。當不采用樹脂封裝時，η封等于η空。
2.本發明所述的提高LED外量子效率的方法，是指在LED出光面外鍍的一層或多層薄膜，其每一層薄膜在LED發射光波長下的折射率(ηx)的平方值為其前一層薄膜折射率(ηx+1)與后一層薄膜折射率(ηx-1)乘積(ηx2＝ηx-1·ηx+1)或與其相差10±2％的值，因此多層薄膜之間折射率大小順序為ηx+1＞ηx＞ηx-1，式中X＝1、2、3、4、5、7或9。以上多層薄膜能使LED發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的發光效率和光通量。
3.本發明所述的提高LED外量子效率的方法，要求在LED出光面外鍍的一層或多層薄膜，其每一層薄膜厚度D為D=Kλ4ηx]]>式中λ為LED發射光波長，ηx為第x鍍層薄膜在發射光波長為λ的折射率，K為1、3、5、7或9。
4.當LED芯片采用高分子樹脂封裝時，由于LED發射光在穿透表界面時被介質吸收光能，因而用作LED外表面鍍膜介質必須選用在LED工作條件下具有絕緣、高透光和良好色散性，無色或色淺的，無毒的具有良好抗熱、氧及化學性質穩定的，且在LED發射光波長下折射率在3.4-1.5之間的無機物或其混合物，因此本發明所述的提高LED外量子效率的方法，要求在LED出光面外鍍上一層或多層薄膜物質是鈦、鋯、鋅、鉛、鉭、鈮、硅、鎵、銦、鋇的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、鈦酸鹽、硼酸鹽、鋁酸鹽、鋅酸鹽、銅酸鹽和金剛石、類金剛石、富勒烯、卡賓烯(carbyne)和無定型碳或其混合物。在LED芯片或器件出光面外鍍膜的方法，可以采用目前已十分成熟的真空氣相鍍膜法，包括物理氣相沉積與化學氣相沉積法和各種濺射法。當LED芯片采用空氣封裝時，η封等于η空。
5.本發明所述的提高LED外量子效率的方法，要求在LED出光面外的鍍膜，還可以采用一層在其LED發射光波長下折射率在η半至η封區間呈梯度遞降分布的薄膜。采用真空氣相沉積或濺射法鍍膜時，可同時選用高折射率和低折射率兩種物質作為鍍膜原料，控制其高折射率和低折射率兩種物質隨鍍膜時間或鍍膜厚度在沉積薄膜中的相對含量變化，使LED出光面外鍍膜折射率在η半至η封區間呈梯度遞降分布。
6.本發明所述的提高LED外量子效率的方法，若在LED出光面外鍍一層折射率在η半至η封區間呈梯度遞降分布的一組薄膜，其中選用的物質是二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氟化鈣(CaF2)、氟化鎂(MgF2)或其混合物。
7.考慮到在LED芯片或器件出光面外的鍍膜必須在反復升溫降溫的工作條件下有優良的附著強度，因而要求鍍膜物質組分與LED半導體兩者在晶格參數、熱膨脹系數上有較大匹配程度，即兩者晶格參數、熱膨脹系數相差不超過10％。
具體實施例方式
以下用非限定性實例對本發明的一種提高LED外量子效率的方法作進一步說明，將有助于對本發明及其優點的理解，而不作為對本發明的限定，本發明的保護范圍由權利要求書來決定。
實施例1以單個標準φ5mm藍光LED(460nm±5nm)為例，目前其單個光通2.0lm，外量子效率通常為12-16％，采用真空氣相鍍膜法或離子濺射方法在LED出光面鍍上一層厚度為DTiO2±10nm TiO2薄膜，其單個光通達2.2lm，光效約提高10％。
實施例2以單個標準φ5mm藍光LED(460nm±5nm)為例，目前其單個光通2.0lm，外量子效率通常為12-16％，采用真空氣相鍍膜法或離子濺射方法在LED出光面鍍上一層厚度為DZrO2±10nm的ZrO2薄膜，其單個光通達2.4lm，光效約提高20％。
實施例3以單個標準φ5mm藍光LED(460nm±5nm)為例，目前其單個光通2.0lm，外量子效率通常為12-16％，采用真空氣相鍍膜法或離子濺射方法在LED出光面鍍上一層厚度為DTa2O5±10nm Ta2O5薄膜，其單個光通達2.3lm，光效約提高15％。
實施例4以單個標準φ5mm藍光LED(460nm±5nm)為例，目前其單個光通2.0lm，外量子效率通常為12-16％，采用真空氣相鍍膜法或離子濺射方法在LED出光面鍍上一層厚度為Ddiamond±5nm金剛石薄膜，其單個光通達2.5lm，光效約提高25％。
實施例5以單個標準φ5mm藍光LED(460nm±5nm)為例，目前其單個光通2.0lm，外量子效率通常為12-16％，采用真空氣相鍍膜法或離子濺射方法在LED出光面鍍上一層厚度為DC60±10nm的富勒烯C60薄膜，其單個光通達2.4lm，光效約提高20％。
實施例6以單個標準φ5mm藍光LED(460nm±5nm)為例，目前其單個光通2.0lm，外量子效率通常為12-16％，采用真空氣相鍍膜法或離子濺射方法在LED出光面按順序分別鍍上一層厚度為D±5nm的類金剛石和TiO2薄膜，其單個光通達2.6lm，光效約提高30％。
實施例7以單個標準φ5mm藍光LED(460nm±5nm)為例，目前其單個光通2.0lm，外量子效率通常為12-16％，采用真空氣相鍍膜法或離子濺射方法在LED出光面按順序分別鍍上一組兩層厚度為D±10nm的富勒烯C60和Ta2O5薄膜，其單個光通達2.5lm，光效約提高25％。
實施例8以單個標準φ5mm藍光LED(460nm±5nm)為例，目前其單個光通2.0lm，外量子效率通常為12-16％，采用真空氣相鍍膜法或離子濺射方法在LED出光面按順序分別鍍上一組三層厚度為D±5nm的金剛石、ZrO2和Ta2O5薄膜，其單個光通達2.7lm，光效約提高35％。
權利要求
1.本發明涉及一種提高LED外量子效率的方法，其特征是先在LED出光面外鍍上一組薄膜，該組薄膜可以是一層或多層，且在LED發射光波長下折射率ηx介于LED半導體發光介質與封裝用樹脂折射率η封或相當于封裝用空氣折射率η空之間，三組介質折射率大小順序為η半＞ηx＞η封。
2.根據權利要求1所述的提高LED外量子效率的方法，其特征是在LED出光面外鍍的一層或多層薄膜，其每一層薄膜在LED發射光波長下的折射率ηx的平方值為其前一層薄膜折射率ηx-1與后一層薄膜折射率ηx+1乘積或與其相差10±2％的值，因此多層薄膜之間折射率大小順序為ηx+1＞ηx＞ηx-1式中X＝1、2、3、4、5。
3.根據權利1所述的提高LED外量子效率的方法，其特征是在LED出光面外鍍的一層或多層薄膜，其每一層薄膜厚度D為D=Kλ4ηx]]>式中λ為LED發射光波長，ηx為第x鍍層薄膜在發射光波長為λ的折射率，K為1、3、5、7或9。
4.根據權利1所述的提高LED外量子效率的方法，，其特征是在LED出光面外鍍上一層或多層薄膜物質是鈦、鋯、鋅、鉛、鉭、鈮、硅、鎵、銦、鋇的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、鈦酸鹽、硼酸鹽、鋁酸鹽、鋅酸鹽、銅酸鹽和金剛石、類金剛石、富勒烯、卡賓烯(carbyne)和無定型碳或其混合物。
5.根據權利1所述的提高LED外量子效率的方法，其特征是在LED出光面外的鍍膜，還可以采用一層在其LED發射光波長下折射率在η半至η封區間呈梯度遞降分布的一組薄膜。采用真空氣相沉積或濺射法鍍膜時，可同時選用高折射率和低折射率兩種物質作為鍍膜原料，控制其高折射率和低折射率兩種物質隨鍍膜時間或鍍膜厚度在沉積薄膜中的相對含量變化，使LED出光面外的鍍膜折射率在η半至η封區間呈梯度遞降分布。
6.根據權利1所述的提高LED外量子效率的方法，，其特征是選用的物質是二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、氟化鈣、氟化鎂或其混合物。
7.根據權利1所述的提高LED外量子效率的方法，，其特征是鍍膜物質與LED半導體兩者在晶格參數、熱膨脹系數上有較大的匹配程度，即兩者晶格參數、熱膨脹系數相差不超過10％。
全文摘要
本發明涉及一種提高半導體發光二極管(LED)外量子效率的方法，先在LED出光面外鍍上一組薄膜，可以是一層或多層。該組薄膜在LED發射光波長下折射率介于LED半導體發光介質與封裝用樹脂或相當于封裝用空氣折射率之間，三組介質折射率大小順序為η
文檔編號H01L33/00GK1838439SQ20061000397
公開日2006年9月27日 申請日期2006年1月25日 優先權日2005年12月14日
發明者章文貢, 章儀 申請人:福建師范大學