CN103650172A - 用于反射来自发光二极管的多波长光的分布式布拉格反射器 - Google Patents

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Abstract

一种蓝光LED具有透明基板以及位于基板背面上的反射器结构。反射器结构包括具有配置成反射黄光以及蓝光的层的分布式布拉格反射器（DBR）结构。在一个范例中，DBR结构包括其中层的厚度较大的第一部分，且包括其中层的厚度较小的第二部分。总体的反射器结构除对于波长介于440nm至470nm的第一范围中的光具有大于97.5%的反射率以外，对于波长介于500nm至700nm的第二范围中的光也具有大于90%的反射率。

Description

用于反射来自发光二极管的多波长光的分布式布拉格反射器
相关申请的交叉引用
本申请依据美国专利法35U.S.C.§119主张于2011年9月1日提交的，申请号为61/530,385，发明名称为“Distributed Bragg Reflector for ReflectingLight of Multiple Wavelengths from an LED”的美国临时专利申请的优先权，其主题通过引用并入。
技术领域
本发明总体上涉及发光二极管（LED），尤其涉及具有良好地反射蓝光与黄光的反射器结构的蓝光LED。
背景技术
图1（现有技术）为一种所谓白光LED组件1的简化截面图。组件1包括横向的蓝光LED装置2。蓝光LED装置2的有源层3在所有方向上发出光，并且光在LED装置内任意反弹。相当量（大约50%）的光向下形进。如果向下行进的光4没有向上反射回来以使得光4可以从LED装置顶部表面逃逸，而是被固晶粘结剂或铝核心PCB吸收，则总体白光LED组件的发光效率将变差。
横向LED装置的结构需要实质上对于蓝光来说是透明的蓝宝石基板5。据此，反射器结构6被放置在透明基板5的背面上（也就是图中的底面），以将朝向下方向中行进的光反射。反射器结构6反射向下行进的光，将此光传回通过透明基板并且通过LED装置的外延层。然后反射光脱离LED装置并且到达嵌入在例如硅酮(silicone)的封装内的荧光体(phosphor)7。荧光体吸收蓝光的一部分并发荧光，从而再发出波长较长的光，包括绿光、黄光与红光。因此，从总体LED组件1所发出的总体光谱称为白光。此白光为组件产生的有用光。
反射器结构6可为单一层的高反射金属，例如银。遗憾的是，银具有污染以及电迁徙的问题。基于此理由及其它理由，例如图1的LED装置2的LED装置可具有反射器结构，此结构包括全内反射（TIR）层8、分布式布拉格反射器（DBR）结构9以及反射金属底层10。这些层的组合在反射性方面优于高反射金属的单一反射镜层。
根据斯涅耳（Snell）定律，从具有较高折射率的材料以大于临界角的角度朝向具有较低折射率的材料行进的光将反射回到较高折射率的材料内且无任何能量耗损。此机制是已知的全内反射（TIR）。TIR层8用于反射以大于临界角的角度射向反射器的蓝光。反射器结构的两个下方部分9和10（DBR和反射金属层）提供用于反射任何通过TIR层的残留光。
在其最简单的形式中，DBR为介电材料的四分之一波叠置体。四分之一波叠置体由多个层的叠置体构成，其中制成这些层的材料从叠置体往下逐层交替。这些材料选择为使得从叠置体往下为交替层具有高折射率的层、低折射率的层、然后高折射率的层，以此类推。针对从叠置体的顶部进入叠置体的给定波长的光，上层制成为具有四分之一波长的厚度，其中此波长为光通过该层时光的波长。由等式λ=v/f给出光的波长λ、频率f和速度v。光离开一个介质进入另一个介质时，光的速度与波长会改变，但是频率不变。因此，制作上层的材料确定了光在介质内的速度v。因此，材料也影响上层内光的波长λ。
每一材料都具有折射率η。折射率η为光在真空中的速度与光在介质中速度的比例。由等式λ=λo/η给出光在介质内的波长，其中λo为光在真空中的波长。光通过空气的速度接近光在真空内的速度，因此光在空气中的波长接近光在真空中的波长。在考虑DBR对于入射角在零度与临界角之间的光的反射率时，DBR的设计波长λo通常比LED发射波长长。例如，对于450nm的LED，最优DBR设计波长大约是510nm。关系式QWOT=λo/4η用于确定一层介质内的四分之一波长，其中η为制成层的材料的折射率。如此，叠置体的各个层的材料的折射率用于确定叠置体的每一层的厚度，使得每一层厚度为四分之一波长。
光进入叠置体并且通过上层，然后光的一部分从上层与叠置体内往下的下一层间的界面反射。部分光往下行进到叠置体的下一层至下一个界面。如果界面为从低折射率介质至高折射率介质，则从界面反射的任何光都将具有180度的相偏移。在另一方面，如果界面为从高折射率介质至低折射率介质，则任何反射光都不具有相偏移。每一界面导致部分反射光传递进入叠置体。相偏移结合叠置体的层厚度，使得从界面反射的光的部分全都返回彼此同相的叠置体的上表面。反射越多，则越多界面将相长干涉结合到叠置体的顶部上。结果是分布式布拉格反射器在已知为阻带(stop-band)的有限光谱范围内具有高反射率。最后在反射器结构6的底部为反射金属层10。
图2（现有技术）为记载基于设计波长510nm的，图1中现有技术LED装置2的分布式布拉格反射器的各层的厚度与材料的表。两行之间的线上的П记号表示：两行材料之间的界面反射的光具有180度的相位偏移。上方SiO2层的厚度为4101埃，并且为TIR层8。DBR结构9包括三个周期，每一周期具有厚度为447埃的第一层TiO2以及厚度820埃的第二层SiO2。
图3为显示具有图2内所述反射器设计的正常入射反射率光谱的曲线图。光谱阻带的中央大约为510nm，并且阻带的短波长侧对准450nm。根据理论计算，光入射角从表面法线朝反射器的掠过角增加时，反射率光谱朝向短波长蓝移。反射器经过最优化，以确保波长450nm的光在宽入射角范围上具有高反射率。图4A为具有450nm波长的光到达反射器上点11时，反射器结构6的反射率相对于入射角的曲线图。入射角介于0与58度之间的光由DBR和金属反射器反射，而入射角大于58度的光由TIR层反射。为了以所有入射角评估反射器的总反射率，定义归一化角度反射率。参照图B，假设光从所有方向以一致的角度分布，传输朝向反射器上的点11。考虑以入射角θ到达点11的入射到点11的光量。许多不同的光线实际上以此入射角到达点，在此光线可以认为以圆锥形进入点。图4B内所示的圆锥12的上唇代表入射角θ的光线的原点的圆形。因此，在点11上一度入射角比零度入射角有更多光入射。考虑以较大角度的较大量的光，并且确定零度（正交）到90度（掠角）的对应反射光总量。然后通过将角度反射率（图4A）与入射角的正弦依赖性积分并且归一化至完美角度反射率光谱，来计算归一化角度反射率。此分析针对给定波长，例如450nm的光执行，以比较反射器针对图1中白光LED组件的LED所发出的蓝光的性能。以此方式分析时，图1的LED装置的现有技术反射器结构对于入射蓝光（具有450nm的波长）具有大约97%的反射率。因此，大部分往下行进的蓝光4反射回反射器，使得其可以从LED装置出射。包括DBR9的反射器结构比例如银的反射金属的简单反射镜层更有效。
发明内容
蓝光LED装置具有包含铟、镓和氮的有源层。有源层配置成发出准单色并且非相干的蓝光。蓝光LED还具有透明基板（基于上对可见光透明）以及设置于基板的背面上的反射器结构。反射器结构包括分布式布拉格反射器（DBR）结构，其具有配置为反射绿光、黄光、红光以及蓝光的多个层。在一个范例中，DBR结构包括其中层的厚度相对较大的第一部分，并且也包括其中层的厚度相对较小的第二部分。总体反射器结构除对于波长介于440nm至470nm的第一范围中的光具有大于97.5%的归一化角度反射率以外，对于波长介于500nm至700nm的第二范围中的光具有大于95%的归一化角度反射率。反射器结构反射从透明基板传输至反射器结构的光，使得总体LED装置对于波长范围从500nm至700nm的光具有大于85%的光子回收效率（PRE）。
以下详细说明中描述进一步细节以及具体实施例和技术。本发明内容并不用于限定本发明。本发明由权利要求限定。
附图说明
附图例示本发明的实施例，其中同样的编号代表同样的组件。
图1（现有技术）为传统的所谓白光LED的简化截面图。
图2（现有技术）为记载图1的现有技术LED装置的分布式布拉格反射器的各层的厚度与构造材料的表。
图3（现有技术）为图1的现有技术LED装置的反射器结构在法线入射角上的入射光波长相对其反射率的曲线图。
图4A（现有技术）为图1的现有技术LED装置的反射器结构的反射率相对于到达反射器上的点的具有450nm波长的光的入射角的曲线图。
图4B（现有技术）为例示涉及确定归一化角度反射率的考虑的概念图。
图5为根据一个创新方面的白光LED组件的图式。
图6为图5的白光LED组件内的蓝光LED装置的简化截面图。
图7为记载图5和图6的创新反射器结构的各层的厚度与构造材料的表。
图8为反射率相对垂直于图5至图7的创新反射器结构的反射器表面的入射光波长的曲线图。
图9为比较图5至图7的创新反射器结构与图1至图4的现有技术反射器结构在波长为450nm以及波长为580nm时的归一化角度反射率的表。
图10为比较（在450nm、580nm以及630nm时）图5至图7的创新反射器结构的所测量的PRE值与图1至图4的现有技术反射器结构的所计算PRE值的表。
图11为在蓝光LED上形成反射器结构的方法的流程图，反射器结构针对波长在介于500nm至700nm的范围以及介于440nm至470nm的另一范围的光表现出高归一化角度反射率。
具体实施方式
在此将详细参考本发明的某些具体实施例，其范例将在所附的附图中示出。
图5为根据一个创新方面的白光LED组件20的简化截面图。白光LED组件20包括蓝光LED装置21、铝核心PCB22、一对线接合23和24以及一定量的荧光体25。如图所示，荧光体的颗粒悬浮在硅酮的圆顶结构内。LED装置21包括外延层部分，其（尚有其它部分未示出）包括p型层26、有源层27、n型层28、缓冲层29以及两个金属电极30和31。层26-28由氮化镓材料制成，并且有源层包括铟，使得有源层发出在GaN蓝光LED领域中已知所谓的蓝光。该光是准单色并且非相干的。在本范例中，有源层27发出的光的波长具有相对窄的带宽，并且集中在大约450nm。
外延层设置于透明基板32上。透明基板32由透明材料制成，例如蓝宝石、SiC、GaN或AlN。在本范例中，透明基板32为蓝宝石基板。基板32下方为创新的反射器结构34。反射器结构34包括全内反射（TIR）层35、一多层分布式布拉格反射器（DBR）结构36以及反射金属层37。TIR层35以及DBR36的低折射率层可由低折射率介电材料制成，例如SiO2、MgF2或CaF2，并且DBR36的高折射率层可由高折射率介电材料制成，例如TiO2、ZnSe、Si3N4、Nb2O5或Ta2O5。反射金属层37可由任何反射金属制成，例如铝、银、铑、铂或镍。反射器结构34设置于基板的与外延层相对的一侧的基板的“背面”上。图6为图5的白光LED组件20的蓝光LED装置21的更详细截面图。
如传统上所认知的，从LED的有源层发出的光有一半朝下行进。在本范例中具有大约450nm的波长的光应由反射器结构往上反射回去，如以上背景技术部分中说明的。此光在图5中由线38和39表示。
根据一个创新方面，现在认识到，光40的一部分往上行进脱离LED装置并且到达荧光体25，但是随后由荧光体下转成波长较长的光。然后此已转换光41的一部分朝向LED装置返回，以进入LED装置。由荧光体射回在LED装置的光一般在介于500nm至700nm的范围内，并且在此简称为“黄光”。此光在图5由线41-42表示。相对于上面结合图1至图4说明的现有技术反射器结构中，反射器结构并未最优化来反射该黄光波长的光，图5的创新反射器结构34设计成改善此波长的光的反射率。创新反射器结构34并非针对仅仅反射蓝光进行最优化，且并非针对仅仅反射黄光进行最优化，而是创新反射器结构的层配置成以高反射率反射蓝光和黄光两者。如此，创新反射器结构34具有DBR，其实质上最优化以用于反射大约450nm的蓝光以及大约580nm的黄光。在一个范例中，反射器结构34对于波长范围介于500nm至700nm的第一光（在此称为黄光）具有超过95.5%的归一化角度反射率，也对于波长范围从440nm至470nm的第二光（在此称为蓝光）具有超过97.5%的归一化角度反射率。相较于图1的整体传统LED组件1的光子效率（每瓦流明），图5的总体创新LED组件20的光子效率有所改善，这主要是由于反射器结构34在反射范围500nm至700nm的光的反射率得到改善。
设计DBR结构34并不像设计最优化为反射黄光的第一DBR、设计最优化为反射蓝光的第二DBR，然后将两个DBR组合成单一合成DBR结构那样简单。从DBR结构的一个部分通过到达另一部分的光受到相当复杂的影响，这使各个层的厚度的确定复杂化，并且DBR并非针对黄光或蓝光整体地进行最优化，而是简单来说，DBR34的第一部分43主要用于反射黄光，而DBR34的第二部分44主要用于反射蓝光。第一部分43的层的厚度较大，而第二部分44的层的厚度较小。
图7为记载一个具体实施例中反射器结构34的各层的厚度与成分的表。行45对应于TIR层35。行46对应于DBR结构36的第一部分43，并且行47对应于DBR结构36的第二部分44。行48对应于反射金属层37。表中的值是针对480nm的设计波长。因此，四分之一波光学厚度（QWOT）值接近行47中的值，表明DBR结构的第二部分44将良好地反射蓝光。
图8为整体反射器结构34的法线入射角的反射率49相对波长的曲线图。该图将现有技术反射器的反射率光谱与创新反射器的反射率光谱进行比较。创新反射器具有两个分开的阻带特征，表明反射器设计的复杂度。虚线曲线50为图3的反射率相对波长的曲线50，其为了比较目的而再现于图8中。
图9为阐述比较的表格。针对具有波长580nm从基板通过并进入反射器结构的第一光（一般称为黄光），图5至图7的创新反射器结构34具有大于95.0%的反射率。针对具有波长450nm从基板通过并进入反射器结构的第二光（一般称为蓝光），图5至图7的创新反射器结构34具有大于97.5%的反射率。
参照图5的白光LED组件20，荧光体吸收从LED装置21发出的蓝光，并将其下转成较长波长（500nm-700nm）的光。长波长光从荧光体颗粒各项同性地重新发出，并且长波长光的某些部分将不可避免地回到LED表面。返回光脱离LED装置21的可能性称为光子回收效率（PRE）。从LED装置发出的未吸收的蓝光也可由荧光体背向散射，并且返回到LED装置。利用综合的光线追踪模型，以估计各个波长光的PRE。氧化铟锡（ITO）的吸收、金属电极、GaN材料耗损、散射结构以及反射器全都包括在此模拟中。
模拟使用450nm光、580nm光以及630nm光来进行。图10的表内记载反射光的百分比（或“PRE”）。由于LED装置内的光常常会在装置内多次回弹，则如图9表格内所指出的，在真实装置内创新反射器结构与传统反射器结构之间反射率的相对小的差异被放大。模拟表明从图1的传统反射器结构6切换至图5的创新反射器结构34，导致针对580nm光与630nm光两者超过5.0%的光子回收效率改善。
图11为根据一个创新方面的方法100的流程图。反射器结构形成于蓝光LED装置的基板背面上（步骤101）。蓝光LED装置的有源层配置成发出波长大约440-470nm的光，其中反射器结构在波长从500nm至700nm的光中具有大于95.0%的归一化角度反射率。在一个特定范例中，反射器结构针对波长440-470nm的光也具有大于97.5%的归一化角度反射率。在一个特定范例中，步骤101中形成的反射器结构为图5和图6的反射器结构34，其中此反射器结构34具有TIR层、DBR结构以及图7中所揭示厚度与构造材料的金属底层。
虽然上面已经针对指示的目的描述某些特定具体实施例，不过本专利文件的教示具有通用的应用性，并且不受限于上述的特定具体实施例。因此，在不偏离权利要求所述的本发明的范围，可实现所描述具体实施例许多特征的许多修改、调整以及组合。

Claims (24)

1.一种发光二极管(LED)装置，包括：
基板；以及
反射器结构，设置于所述基板下方，所述反射器结构包括：
低折射率全内反射层（TIR），设置于所述基板下方；
分布式布拉格反射器（DBR），设置于所述TIR下方；以及
反射金属层，设置于所述DBR下方，其中所述DBR包括第一多个周期以及第二多个周期，其中所述第一多个周期中的每一个包括具有第一厚度的高折射率介电材料的第一层，以及具有第二厚度的低折射率介电材料的第二层，并且其中所述第二多个周期中的每一个包括具有第三厚度的所述高折射率介电材料的第一层，以及具有第四厚度的所述低折射率介电材料的第二层。
2.如权利要求1所述的LED装置，其中所述高折射率介电材料取自由以下构成的组：TiO2、ZnSe、Si3N4、Nb2O5和Ta2O5；并且其中所述低折射率介电材料取自由以下构成的组：SiO2、MgF2和CaF2。
3.如权利要求1所述的LED装置，其中所述反射器结构对于从所述基板传输至所述反射器结构的第一光具有大于90%的反射率，并且其中所述第一光具有介于500nm至700nm的第一范围中的波长。
4.如权利要求3所述的LED装置，其中所述反射器结构对于从所述基板传输至所述反射器结构的第二光具有大于90%的反射率，并且其中所述第二光具有介于440nm至470nm的第二范围中的波长。
5.如权利要求1所述的LED装置，其中所述第一多个周期中的每一个的所述第一层为厚度大约75nm的二氧化钛，其中所述第一多个周期中的每一个的所述第二层为厚度大约138nm的二氧化硅，其中所述第二多个周期中的每一个的所述第一层为厚度大约46nm的二氧化钛，且其中所述第二多个周期中的每一个的所述第二层为厚度大约85nm的二氧化硅。
6.如权利要求5所述的LED装置，其中所述DBR的所述第一多个周期的二氧化钛层与所述TIR接触。
7.如权利要求5所述的LED装置，其中所述DBR的所述第二多个周期的二氧化钛层与所述第一多个周期的二氧化硅层接触。
8.如权利要求1所述的LED装置，其中所述TIR为单个二氧化硅层。
9.如权利要求5所述的LED装置，其中所述TIR为比所述DBR的任一二氧化硅层厚的单个二氧化硅层。
10.如权利要求1所述的LED装置，其中所述反射金属层由取自由以下构成的组中的金属制成：铝、银、铑、铂以及镍。
11.如权利要求1所述的LED装置，其中所述基板为透明基板。
12.一种发光二极管（LED）装置，包括：
基板；
有源层，配置成发出波长低于500nm的第二光，其中所述有源层包括铟和镓；以及
反射器结构，设置于所述基板的与所述有源层相对的一侧，其中所述反射器结构包括分布式布拉格反射器（DBR），其中所述反射器结构对于从所述基板传输并到达所述反射器结构的第一光，具有大于90.0%的反射率，并且其中所述第一光具有介于500nm至700nm的范围中的波长。
13.如权利要求12所述的LED装置，其中所述DBR包括：
第一多个周期，其中所述第一多个周期中的每一个包括具有第一厚度的第一材料的第一层，以及具有第二厚度的第二材料的第二层；以及
第二多个周期，其中所述第二多个周期中的每一个包括具有第三厚度的所述第一材料的第一层，以及具有第四厚度的所述第二材料的第二层。
14.一种发光二极管（LED）装置，包括：
基板；
有源层，配置成发出波长低于500nm的光，其中所述有源层包括铟和镓；以及
构件，用于反射从所述基板传输至所述构件的光，以使得整体LED装置对于波长介于500nm至700nm范围中的光表现出大于85%的光子回收效率（PRE）。
15.如权利要求14所述的LED装置，其中所述PRE为当所述LED装置被波长介于500nm至700nm范围中的光照射时从所述LED装置反射的光的百分比。
16.如权利要求14所述的LED装置，其中所述构件包括金属层、设置于所述金属层与所述基板之间的分布式布拉格反射器（DBR）结构以及设置于所述DBR与所述基板之间的低折射率全内反射（TIR）层。
17.一种制造方法，包括：
在蓝光LED结构上形成反射器结构，其中所述蓝光LED结构包括蓝宝石基板以及有源层，其中所述有源层配置成发出波长为大约440nm至470nm的第二光，其中所述反射器结构对于从所述蓝宝石基板传输至所述反射器结构的第一光具有大于90.0%的反射率，并且其中所述第一光具有大约500nm至700nm的波长。
18.如权利要求17所述的方法，其中形成所述反射器结构包括：
形成第一多个周期，其中所述第一多个周期中的每一个包括厚度大约75nm的二氧化钛的第一层，以及厚度大约138nm的二氧化硅的第二层；以及
形成第二多个周期，其中所述第二多个周期中的每一个包括厚度大约46nm的二氧化钛的第一层，以及厚度大约85nm的二氧化硅的第二层。
19.如权利要求17所述的方法，其中形成所述反射器结构包括：
形成与所述基板接触的低折射率全内反射层（TIR）；
形成与所述TIR层接触的分布式布拉格反射器（DBR）；以及
形成与所述DBR接触的反射金属层。
20.一种发光二极管（LED）装置，包括：
基板；以及
反射器结构，设置于所述基板下方，所述反射器结构包括：
低折射率全内反射层（TIR），设置于所述基板下方；
分布式布拉格反射器（DBR），设置于所述TIR下方；以及
反射金属层，设置于所述DBR下方，其中所述DBR包括第一多个周期以及第二多个周期，其中所述第一多个周期中的每一个包括具有第一厚度的第一高折射率介电材料的第一层，以及具有第二厚度的第一低折射率介电材料的第二层，其中所述第二厚度大于所述第一厚度，其中所述第二多个周期中的每一个包括具有第三厚度的第二高折射率介电材料的第一层，以及具有第四厚度的第二低折射率介电材料的第二层，并且其中所述第四厚度大于所述第三厚度。
21.如权利要求20所述的LED装置，其中所述第一高折射率介电材料取自以下构成的组：TiO2、ZnSe、Si3N4、Nb2O5和Ta2O5；其中所述第二高折射率介电材料取自以下构成的组：TiO2、ZnSe、Si3N4、Nb2O5和Ta2O5；其中所述第一低折射率介电材料取自以下构成的组：SiO2、MgF2和CaF2；并且其中所述第二低折射率介电材料取自以下构成的组：SiO2、MgF2和CaF2。
22.一种制造方法，包括：
在蓝光LED结构的基板的背面上形成反射器结构，其中所述蓝光LED结构具有配置成发出大约450nm的蓝光的有源层，其中所述反射器结构包括分布式布拉格反射器（DBR），并且其中所述DBR被基本上最优化以用于反射大约450nm的蓝光以及大约580nm的黄光。
23.一种发光二极管（LED）装置，包括：
基板；以及
与所述基板接触的反射器结构，所述反射器结构包括：
与所述基板接触的低折射率全内反射层（TIR）；
与所述TIR接触的分布式布拉格反射器（DBR）；以及
与所述DBR接触的反射金属层，其中所述反射器结构对于从所述基板传输至所述反射器结构的第一光具有大于90.0%的反射率，并且其中所述第一光具有介于从500nm至700nm的第一范围内的波长。
24.如权利要求23所述的LED装置，其中所述DBR包括：
第一多个周期，其中所述第一多个周期中的每一个包括具有第一厚度的第一材料的第一层，以及具有第二厚度的第二材料的第二层；以及
第二多个周期，其中所述第二多个周期中的每一个包括具有第三厚度的所述第一材料的第一层，以及具有第四厚度的所述第二材料的第二层。
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