CN104393151A - 一种提高发光效率的led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高发光效率的LED芯片及其制备方法。通过在LED芯片衬底和荧光粉涂层之间生成一种光学滤光膜，将荧光粉发射的杂散光收集起来，转换成有用光能，以提高荧光粉的发射效率，同时保证激发光(蓝光)有高的光谱穿透率。
Description
技术领域
本发明属于LED技术领域，涉及一种提高发光效率的LED芯片及其制备方法。
背景技术
白光LED作为固体照明器件，经济效果显著，且有利环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界范围年产量增长率在20％以上。很多发达国家例如美、日、欧均推出了半导体照明逐步取代常规照明的发展计划。白光LED以其优异的散热特性、高功率转化与光学特性更能适应普通照明领域。
目前较为成熟的白光LED技术是利用蓝光激发YAG荧光粉产生黄光，通过混和得到白光。图一为白光LED芯片工作原理图。图中1-蓝光LED一部分蓝光激发2-荧光物质发射黄光，再利用透镜将透过荧光物质发射出来另外一部分蓝光和荧光物质发射的黄光混合得到白光。2-荧光物质涂敷在4-LED衬底上。4-LED衬底和3-封装外壳通过导热胶连接在一起。
荧光物质在受到照射激发时，发射的光线是全方位角，其中正向发射的光和激发光混合成白光，另外一部分反向和斜向发射的光形成杂散光，被LED的底座或外壳吸收或者散射，这些杂散光一方面降低发射光的使用效率，另一方面会造成LED温度的升高缩短其使用寿命。
为了提高LED的发射效率，目前最常用的方法是使用聚光腔来收集杂散光，如图2所示。聚光腔利用内面面的镜面反射把杂散的光线收集起来，形成有用光能。聚光腔能够有效提高LED发光效率，但聚光腔的使用也增大了LED光源的体积，装配也比较麻烦，同时成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高发光效率的LED芯片及其制备方法。通过在LED芯片衬底和荧光粉涂层之间生成一种光学滤光膜，将荧光粉发射的杂散光收集起来，转换成有用光能，以提高荧光粉的发射效率，同时保证激发光(蓝光)有高的光谱穿透率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提高发光效率的LED芯片，包括如下结构：
LED芯片衬底/光学滤光膜/荧光粉涂层，所述光学滤光膜的结构为1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L；H代表光学厚度为λ/4的高折射率材料，其折射率在2.0-2.4之间；L代表光学厚度为λ/4的低折射率材料，其折射率在1.44-1.50之间；膜系的设计波长为λ＝565nm，m＝5-7、n＝4-6，均为整数。
进一步地，所述LED芯片衬底为蓝宝石。
进一步地，m优选6和7，n优选5和6。
进一步地，所述高折射率材料优选TiO2或ZrO2，所述低折射率材料优选SiO2。
进一步地，所述光学滤光膜和荧光粉涂层位于所述LED芯片的出光面。
上述光学滤光膜是基于光的干涉原理，使用高、低折射率两种材料在蓝宝石衬底上设计出具有分色效果的光学滤光膜，该滤光膜对荧光粉发射的杂散光进行收集，转化成有用光能，以提高荧光粉的发射效率，同时对蓝光激发波长有高的光谱透过性。该滤光膜使用物理气相沉积方法制备。
一种提高发光效率的LED芯片的制备方法，通过在LED芯片衬底和荧光粉涂层之间生长光学滤光膜来实现，所述光学滤光膜的结构为1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L；H代表光学厚度为λ/4的高折射率材料，其折射率在2.0-2.4之间；L代表光学厚度为λ/4的低折射率材料，其折射率在1.44-1.50之间；膜系的设计波长λ＝565nm，m＝5-7、n＝4-6，均为整数。
进一步地，上述方法还包括在生长光学滤光膜之前，对LED芯片衬底进行离子清洗处理。
进一步地，所述LED芯片衬底为蓝宝石。
进一步地，采用物理气相沉积方法在LED芯片衬底上生长光学滤光膜。
进一步地，上述物理气相沉积在真空室中进行，真空室的本底气体压力在1.0×10-3Pa以下，温度为200±5℃。
本发明的有益效果是大幅度提高白光LED芯片的发光效率问题。
使用本发明的光学滤光膜提高LED发光效率原理如图3所示，具体体现在以下方面：在1'-LED芯片衬底和3'-荧光粉涂层之间生成的2'-光学滤光膜，能够将3'-荧光粉涂层中的荧光粉发射的反向和斜向的杂散光转换成有用光能，提高荧光粉发射效率，使用该方法能够使芯片的发光效率提高至少30％。
附图说明
图1是现有技术中的白光LED工作原理图，其中：1-蓝光LED，2-荧光物质，3-封装外壳，4-LED衬底。
图2是使用现有技术的聚光腔提高LED发光效率原理图。
图3是使用本发明的光学滤光膜提高LED发光效率原理图。其中：1'-LED芯片衬底，2'-光学滤光膜，3'-荧光粉涂层。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
本发明的具体实现，包括以下几个步骤：
1、清洗基片。选用蓝宝石材料衬底，对其表面进行超声波清洗，去除表面污染物。
2、使用卡具将清洗好的衬底放入镀膜机真空室。
3、镀膜机真空室气体压力在1.0×10-3Pa以下，真空室温度200±5℃。
4、镀膜前使用Kaufman离子源清洗衬底5-10分钟，离子源屏压500V，离子束流100mA。
5、按照以下结构镀制样品：
蓝宝石衬底/光学滤光膜/荧光粉涂层，光学滤光膜的结构为1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L；H代表光学厚度为λ/4的高折射率材料，其折射率在2.0-2.4之间；L代表光学厚度为λ/4的低折射率材料，其折射率在1.44-1.5之间；膜系的设计波长为λ＝565nm，m＝5-7、n＝4-6，均为整数。
实施例1
使用经过光学抛光的蓝宝石基材，尺寸￠20×1mm。
使用超声波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，无水乙醇清洗，纯水清洁，IPA蒸干。
在制备光学滤光薄膜时，该制备方法基于以下条件，真空蒸发镀膜机，镀膜机配置有电子枪蒸发***、晶体膜厚控制***、Kaufman离子源，离子源供气***，离子源工作气体为氩气，基材置于真空室，真空室的气体压力在1.0×10-3Pa以下，温度为200±5℃。
对蓝宝石基材进行离子清洗处理，增强基材的表面活性。通过氩气流量调节真空度为1.0～1.2×10-2Pa，离子源偏压500V，离子束流100mA，离子处理时间为8分钟。关闭离子源电源和氩气。
按照以下结构和工艺镀制：
蓝宝石衬底/1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L/荧光粉涂层；H代表光学厚度为λ/4的高折射率TiO2膜层；L代表光学厚度为λ/4的低折射率SiO2层；膜系的设计波长为λ＝565nm，m＝7、n＝6。镀TiO2层，蒸发速率0.3nm/s，真空室充氧气，真空度为2.0～2.5×10-2Pa。镀SiO2层，蒸发速率0.6nm/s，真空度为0.8～1.0×10-3Pa。膜层镀完以后，等待30分钟取出样品，即得到光学滤光薄膜。
实施例2
使用经过光学抛光的蓝宝石基材，尺寸￠20×1mm。
使用超声波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，无水乙醇清洗，纯水清洁，IPA蒸干。
在制备光学滤光薄膜时，该制备方法基于以下条件，真空蒸发镀膜机，镀膜机配置有电子枪蒸发***、晶体膜厚控制***、Kaufman离子源，离子源供气***，离子源工作气体为氩气，基材置于真空室，真空室的气体压力在1.0×10-3Pa以下，温度为200±5℃。
对蓝宝石基材进行离子清洗处理，增强基材的表面活性。通过氩气流量调节真空度为1.0～1.2×10-2Pa，离子源偏压500V，离子束流100mA，离子处理时间为8分钟。关闭离子源电源和氩气。
按照以下结构和工艺镀制：
蓝宝石衬底/1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L/荧光粉涂层；H代表光学厚度为λ/4的高折射率TiO2膜层；L代表光学厚度为λ/4的低折射率SiO2层；膜系的设计波长为λ＝565nm，m＝7、n＝5。镀TiO2层，蒸发速率0.3nm/s，真空室充氧气，真空度为2.0～2.5×10-2Pa。镀SiO2层，蒸发速率0.6nm/s，真空度为0.8～1.0×10-3Pa。膜层镀完以后，等待30分钟取出样品，即得到光学滤光薄膜。
实施例3
使用经过光学抛光的蓝宝石基材，尺寸￠20×1mm。
使用超声波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，无水乙醇清洗，纯水清洁，IPA蒸干。
在制备光学滤光薄膜时，该制备方法基于以下条件，真空蒸发镀膜机，镀膜机配置有电子枪蒸发***、晶体膜厚控制***、Kaufman离子源，离子源供气***，离子源工作气体为氩气，基材置于真空室，真空室的气体压力在1.0×10-3Pa以下，温度为200±5℃。
对蓝宝石基材进行离子清洗处理，增强基材的表面活性。通过氩气流量调节真空度为1.0～1.2×10-2Pa，离子源偏压500V，离子束流100mA，离子处理时间为8分钟。关闭离子源电源和氩气。
按照以下结构和工艺镀制：
蓝宝石衬底/1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L/荧光粉涂层；H代表光学厚度为λ/4的高折射率TiO2膜层；L代表光学厚度为λ/4的低折射率SiO2层；膜系的设计波长为λ＝565nm，m＝6、n＝6。镀TiO2层，蒸发速率0.3nm/s，真空室充氧气，真空度为2.0～2.5×10-2Pa。镀SiO2层，蒸发速率0.6nm/s，真空度为0.8～1.0×10-3Pa。膜层镀完以后，等待30分钟取出样品，即得到光学滤光薄膜。
实施例4
使用经过光学抛光的蓝宝石基材，尺寸￠20×1mm。
使用超声波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，无水乙醇清洗，纯水清洁，IPA蒸干。
在制备光学滤光薄膜时，该制备方法基于以下条件，真空蒸发镀膜机，镀膜机配置有电子枪蒸发***、晶体膜厚控制***、Kaufman离子源，离子源供气***，离子源工作气体为氩气，基材置于真空室，真空室的气体压力在1.0×10-3Pa以下，温度为200±5℃。
对蓝宝石基材进行离子清洗处理，增强基材的表面活性。通过氩气流量调节真空度为1.0～1.2×10-2Pa，离子源偏压500V，离子束流100mA，离子处理时间为8分钟。关闭离子源电源和氩气。
按照以下结构和工艺镀制：
蓝宝石衬底/1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L/荧光粉涂层；H代表光学厚度为λ/4的高折射率TiO2膜层；L代表光学厚度为λ/4的低折射率SiO2层；膜系的设计波长为λ＝565nm，m＝6、n＝5。镀TiO2层，蒸发速率0.3nm/s，真空室充氧气，真空度为2.0～2.5×10-2Pa。镀SiO2层，蒸发速率0.6nm/s，真空度为0.8～1.0×10-3Pa。膜层镀完以后，等待30分钟取出样品，即得到光学滤光薄膜。
实施例5
使用经过光学抛光的蓝宝石基材，尺寸￠20×1mm。
使用超声波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，无水乙醇清洗，纯水清洁，IPA蒸干。
在制备光学滤光薄膜时，该制备方法基于以下条件，真空蒸发镀膜机，镀膜机配置有电子枪蒸发***、晶体膜厚控制***、Kaufman离子源，离子源供气***，离子源工作气体为氩气，基材置于真空室，真空室的气体压力在1.0×10-3Pa以下，温度为200±5℃。
对蓝宝石基材进行离子清洗处理，增强基材的表面活性。通过氩气流量调节真空度为1.0～1.2×10-2Pa，离子源偏压500V，离子束流100mA，离子处理时间为8分钟。关闭离子源电源和氩气。
按照以下结构和工艺镀制：
蓝宝石衬底/1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L/荧光粉涂层；H代表光学厚度为λ/4的高折射率ZrO2膜层；L代表光学厚度为λ/4的低折射率SiO2层；膜系的设计波长为λ＝565nm，m＝7、n＝6。镀ZrO2层，蒸发速率0.3nm/s。镀SiO2层，蒸发速率0.6nm/s，真空度为0.8～1.0×10-3Pa。膜层镀完以后，等待30分钟取出样品，即得到光学滤光薄膜。
本发明制作的光学滤光膜的性能指标如表1所示。
表1本发明制作的光学滤光膜的主要性能指标
通过上表数据可以看出，本发明的光学滤光膜对荧光粉发射的杂散光能够有效收集，转化成有用光能，提高了荧光粉的发射效率，同时对蓝光激发波长有高的光谱透过性。
Claims (9)
1.一种提高发光效率的LED芯片，包括如下结构：
LED芯片衬底/光学滤光膜/荧光粉涂层，所述光学滤光膜的结构为1.115H1.175L(HL)^m1.197H0.842L(1.2H1.2L)^n1.556H1.106L；H代表光学厚度为λ/4的高折射率材料，其折射率在2.0-2.4之间；L代表光学厚度为λ/4的低折射率材料，其折射率在1.44-1.50之间；膜系的设计波长为λ＝565nm，m＝5-7、n＝4-6，均为整数。
2.如权利要求1所述的提高发光效率的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片衬底为蓝宝石。
3.如权利要求1所述的提高发光效率的LED芯片，其特征在于，m为6和7，n为5和6。
4.如权利要求1所述的提高发光效率的LED芯片，其特征在于，所述高折射率材料为TiO2或ZrO2，所述低折射率材料为SiO2。
5.如权利要求1所述的提高发光效率的LED芯片，其特征在于，所述光学滤光膜和荧光粉涂层位于所述LED芯片的出光面。
6.权利要求1-5任一所述的提高发光效率的LED芯片的制备方法，通过在LED芯片衬底和荧光粉涂层之间生长光学滤光膜来实现。
7.如权利要求6所述的提高发光效率的LED芯片的制备方法，其特征在于，还包括在生长光学滤光膜之前，对LED芯片衬底进行离子清洗处理。
8.如权利要求6所述的提高发光效率的LED芯片的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积方法在LED芯片衬底上生长光学滤光膜。
9.如权利要求8所述的提高发光效率的LED芯片的制备方法，其特征在于，所述的物理气相沉积在真空室中进行，真空室的本底气体压力在1.0×10-3Pa以下，温度为200±5℃。
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| CN103700749A (zh) * | 2012-09-28 | 2014-04-02 | 上海蓝光科技有限公司 | 一种发光二极管及其制作方法 |
-
2014
- 2014-10-30 CN CN201410598589.XA patent/CN104393151A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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