TW201411880A - 應用於發光二極體之全方位反射鏡 - Google Patents

Abstract

一種應用於發光二極體之全方位反射鏡，是形成於一發光二極體之一磊晶基板的一下表面，用以使一預定波段內的一光源朝磊晶基板的一上表面行進，光源是自一形成於磊晶基板上表面之一發光膜層結構中的一發光層所放射。該全方位反射鏡包含：一形成於磊晶基板下表面的反射膜層結構。反射膜層結構自磊晶基板下表面背向磊晶基板的方向為(H/L)m/(xH/xL)m。H與L分別為一第一介電材料與一第二介電材料的厚度，第一、二介電材料的折射率分別為n1與n2，且n1＞n2。H等於λ0/4n1，L等於λ0/4n2，λ0為預定波段的一中心波長，1.25≦x≦1.75，m≧8。

Description

應用於發光二極體之全方位反射鏡

本發明是有關於一種反射鏡，特別是指一種應用於發光二極體(light-emitting diode，LED)之全方位反射鏡(omnidirectional reflector)。

參圖1與圖2，美國核准公告第6,960,485號發明專利案公開一種發光二極體1，其包含一藍寶石(sapphire)磊晶基板(epitaxial substrate)11、多數個間隔地磊製於該藍寶石磊晶基板11之一上表面111的發光單元12，及一形成於該藍寶石磊晶基板11之一下表面112的反射鏡13。各發光單元12具有一發光層(active layer)121以放射出一預定波段的光源。該反射鏡13自該藍寶石磊晶基板11的下表面112背向該上表面111的方向依序具有一厚度約30 nm且是由Al₂O₃所構成的透光層131、一厚度約300 nm且是由Al所構成的反射層132，及一厚度約100 nm且是由Al₂O₃所構成的防蝕層133。該反射鏡13能夠使得自該發光層121行進至該反射鏡13的光源朝該藍寶石磊晶基板11之上表面111的方向反射。

然而，熟悉此技術領域者應知，構成該光源的光子(photon)是以散亂的角度自該發光層121被放射出來，該光源行進至該反射鏡13時也與該反射鏡13之法線夾有不同的入射角。因此，一旦所夾的入射角未能大於達成全反射(total reflection)的特定臨界角(critical angle)時，便有部分 光源該反射鏡13所吸收或折射；相對地，對於反射率效能的貢獻度也有限。然而，上述發光二極體1所使用的反射鏡13便是無法滿足以各角度入射至該反射鏡13的反射率皆可大於80%的要求。

參圖3，美國核准公告第6,121,636號發明專利案公開一種發光二極體2，其包含一藍寶石磊晶基板21、一磊製於該藍寶石磊晶基板21上的發光膜層結構22，及一形成於該藍寶石磊晶基板21下的反射鏡23。該反射鏡23可以是一金屬層，或是一絕緣的多層膜。

熟悉此技術領域者應知，該多層膜一般是由多數高折射率(refractive index)介電層(dielectric layer)與多數低折射率介電層輪流交替堆疊所構成的分散式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，DBR)結構，其高折射率(n_H)介電層的厚度(H)與低折射率(n_L)介電層的厚度(L)分別是λ/4n_H與λ/4n_L；其中，λ為該發光膜層結構22所放射之光源的一中心波長。然而，此種DBR結構所構成的反射鏡23仍存在有相同於圖2所示之反射鏡13的缺點，其無法有效地反射以各角度入射至該反射鏡23的光源。

經上述說明可知，提升以各角度入射至反射鏡之光源的反射率，使得反射鏡上方之發光二極體的光取出率(light-extraction efficiency)獲得有效的改善，是此技術領域者所需改進的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種應用於發光二極 體之全方位反射鏡。

本發明之另一目的，即在提供另一種應用於發光二極體之全方位反射鏡。

於是，本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡，是形成於一發光二極體之一磊晶基板的一下表面，用以使一預定波段內的一光源朝該磊晶基板的一上表面行進，該光源是自一形成於該磊晶基板上表面之一發光膜層結構中的一發光層所放射。該全方位反射鏡包含一反射膜層結構。該反射膜層結構形成於該磊晶基板的下表面，且自該磊晶基板的下表面背向該磊晶基板的方向為(H/L)^m/(xH/xL)^m。

其中，H與L分別為一第一介電材料的厚度與一第二介電材料的厚度，該第一介電材料與該第二介電材料的折射率分別為n₁與n₂，且n₁>n₂；H等於λ₀/4n₁，L等於λ₀/4n₂，且λ₀為該預定波段的一中心波長；1.25≦x≦1.75，且m≧8。

此外，本發另一種應用於發光二極體之全方位反射鏡，是形成於一發光二極體之一磊晶基板的一下表面，用以使一預定波段內的一光源朝該磊晶基板的一上表面行進，該光源是自一形成於該磊晶基板上表面之一發光膜層結構中的一發光層所放射。該全方位反射鏡包含一反射膜層結構。該反射膜層結構形成於該磊晶基板的下表面，且自該磊晶基板的下表面背向該磊晶基板的方向為L/M/(H/L)^m/(xH/xL)^m。

其中，H與L分別為一第一介電材料的厚度與一第二 介電材料的厚度，M為一金屬材料的厚度，該第一介電材料與該第二介電材料的折射率分別為n₁與n₂，且n₁>n₂；H等於λ₀/4n₁，L等於λ₀/4n₂，λ₀為該預定波段的一中心波長，且M大於100 nm；1.25≦x≦1.75，且m≧1。

本發明之功效在於：調整第一介電材料與第二介電材料的厚度關係，使得以各角度入射至全方位反射鏡的光源所構成的反射率得以增加，並從而有效地提升全方位反射鏡上方之發光二極體的光取出率。

<發明詳細說明>

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例、八個具體例與一個比較例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖4，本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一第一較佳實施例，是形成於一發光二極體3之一磊晶基板31的一下表面311，用以使一預定波段內的一光源朝該磊晶基板31的一上表面312行進，該光源是自一形成於該磊晶基板31上表面312之一發光膜層結構32中的一發光層321所放射。本發明該第一較佳實施例之全方位反射鏡包含一反射膜層結構4。

該反射膜層結構4形成於該磊晶基板31的下表面311，且自該磊晶基板31的下表面311背向該磊晶基板31的方向為(H/L)^m/(xH/xL)^m。

在本發明該第一較佳實施例中，H與L分別為一第一 介電材料的厚度與一第二介電材料的厚度，該第一介電材料與該第二介電材料的折射率分別為n₁與n₂，且n₁>n₂；H等於λ₀/4n₁，L等於λ₀/4n₂，且λ₀為該預定波段的一中心波長；1.25≦x≦1.75，且m≧8。此處值得一提的是，為避免該反射膜層結構4的總厚度過大，導致該反射膜層結構4整體產生裂損。因此，較佳地，8≦m≦25。

適用於本發明該第一較佳實施例之第一介電材料是選自下列所構成之群組：氧化鈦(TiO₂)、氧化鉭(Ta₂O₅)，及氧化鈮(Nb₂O₅)；適用於本發明該第一較佳實施例之第二介電材料是氧化矽(SiO₂)。

在本發明該第一較佳實施例中，該全方位反射鏡的反射膜層結構4在未經模擬軟體優化前被應用於該發光二極體3時，其可使得自該發光層321放射並以各入射角行進至該反射膜層結構4的光源產生大於60%的平均反射率；此外，該全方位反射鏡的反射膜層結構4在經模擬軟體優化後被應用於該發光二極體3時，其可使得自該發光層321放射並以各入射角行進至該反射膜層結構4的光源所造成的平均反射率提升至70%~100%。

再參閱圖4，本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一第二較佳實施例，大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同處是在於，該反射膜層結構4自該磊晶基板31的下表面311背向該磊晶基板31的方向為L/M/(H/L)^m/(xH/xL)^m。

在本發明該第二較佳實施例中，M為一金屬材料的厚 度，M大於100 nm，且m≧1。較佳地，1≦m≦20。此外，適用於本發明該第二較佳實施例之金屬材料是Ag及Al其中一者。

在本發明該第二較佳實施例中，該全方位反射鏡的反射膜層結構4在經模擬軟體優化前或優化後被應用於該發光二極體3時，皆可使得自該發光層321放射並以各入射角行進至該反射膜層結構4的光源產生大於90%的平均反射率。

<具體例1(E1)>

本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一具體例1(E1)是根據該第一較佳實施例來實施。在本發明該具體例1(E1)中，該磊晶基板為藍寶石基板，該第一介電材料為TiO₂，該第二介電材料為SiO₂；x=1.25；m=8；該發光層所放射之預定波段是介於395 nm至405 nm之間(即，λ₀等於400 nm)。因此，本發明該具體例1(E1)之反射膜層結構為(H/L)⁸/(1.25H/1.25L)⁸。

<具體例2(E2)>

本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一具體例2(E2)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該發光層所放射之預定波段是介於645 nm至655 nm之間(即，λ₀等於650 nm)。因此，本發明該具體例2(E2)之反射膜層結構為(H/L)⁸/(1.25H/1.25L)⁸。

<具體例3(E3)>

本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一具體例 3(E3)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，x=1.75。因此，本發明該具體例3(E3)之反射膜層結構為(H/L)⁸/(1.75H/1.75L)⁸。

<具體例4(E4)>

本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一具體例4(E4)大致上是相同於該具體例2(E2)，其不同處是在於，x=1.75。因此，本發明該具體例4(E4)之反射膜層結構為(H/L)⁸/(1.75H/1.75L)⁸。

<比較例(CE)>

用來與本發明該具體例4(E4)相比較的一比較例(CE)大致上是相同於該具體例4(E4)，其不同處是在於，(H/L)⁸/(1.75H/1.75L)⁸之反射膜層結構是改用傳統的DBR結構，即，該比較例(CE)之反射膜層結構為(H/L)¹⁶。

<具體例5(E5)>

本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一具體例5(E5)是根據該第二較佳實施例來實施。在本發明該具體例5(E5)中，該磊晶基板為藍寶石基板，該第一介電材料為TiO₂，該第二介電材料為SiO₂，該金屬材料為Ag，且M為200 nm；x=1.25；m=1；該發光層所放射之預定波段是介於395 nm至405 nm之間(即，λ₀等於400 nm)。因此，本發明該具體例5(E5)之反射膜層結構為L/M/(H/L)¹/(1.25H/1.25L)¹。

<具體例6(E6)>

本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一具體例 6(E6)大致上是相同於該具體例5(E5)，其不同處是在於，該發光層所放射之預定波段是介於645 nm至655 nm之間(即，λ₀等於650 nm)。因此，本發明該具體例6(E6)之反射膜層結構為L/M/(H/L)¹/(1.25H/1.25L)¹。

<具體例7(E7)>

本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一具體例7(E7)大致上是相同於該具體例5(E5)，其不同處是在於，x=1.75。因此，本發明該具體例7(E7)之反射膜層結構為L/M/(H/L)¹/(1.75H/1.75L)¹。

<具體例8(E8)>

本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一具體例8(E8)大致上是相同於該具體例6(E6)，其不同處是在於，x=1.75。因此，本發明該具體例8(E8)之反射膜層結構為L/M/(H/L)¹/(1.75H/1.75L)¹。

<分析數據>

參圖5至圖9並配合參附件及以下表1.所顯示之分析數據可知，本發明該等具體例(E1~E4)之優化前的各入射角的平均反射率，除了該具體例1(E1)在50度、60度、80度之入射角下所造成的平均反射率是介於60%~80%以外，其他各具體例之各入射角的平均反射率皆可維持在94%~100%。此外，本發明該等具體例(E1~E4)之優化後的各入射角的平均反射率，除了該具體例1(E1)與具體例3(E3)在60度之入射角下所造成的平均反射率是趨近75%以外，其他各具體例之各入射角的平均反射率皆可維持在 94%~100%，且大多數之各角度的平均反射率是維持在99.9%以上。又，單獨比較本發明該具體例4(E4)與該比較例(CE)可知，本發明該具體例4(E4)之反射膜層結構在模擬軟體優化前，其各入射角所造成的平均反射率皆已大於97%。反觀該比較例(CE)之反射膜層結構的平均反射率在模擬軟體優化前，其在60度、70度與80度之入射角下所造成的平均反射率僅分別約74%、57%與72%；再者，該比較例(CE)之反射膜層結構的平均反射率經模擬軟體優化後，雖然皆可維持在90%以上，但其在70度與80度之入射角下所造成的平均反射率，卻分別相對低於該具體例4(E4)，即，分別僅為94%與97%左右。

參圖10至圖13並配合參附件及以下表2.所顯示之分析數據可知，本發明該等具體例(E5~E8)不論是在優化前或優化後，其各入射角的平均反射率皆可維持在94%~98%。證實本發明該等具體例(E5~E8)採用金屬反射層並配合調整第一、二介電層的厚度關係，可使得各反射膜層結構在未經模擬軟體優化即可取得各入射角之反射率皆大於94%的功效。

綜上所述，本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡，其調整該反射膜層結構中的第一介電材料與第二介電材料的厚度關係，可增加以各入射角行進至全方位反射鏡的光源所構成的反射率，從而有效地提升全方位反射鏡上方之發光二極體的光取出率，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3‧‧‧發光二極體

31‧‧‧磊晶基板

311‧‧‧下表面

312‧‧‧上表面

32‧‧‧發光膜層結構

321‧‧‧發光層

4‧‧‧反射膜層結構

圖1是一正視示意圖，說明美國核准公告第6,960,485號發明專利案所公開的一種發光二極體；圖2是一局部放大示意圖，說明顯示於圖1中的一反射鏡的細部膜層結構；圖3是一正視示意圖，說明美國核准公告第6,121,636號發明專利案所公開一種發光二極體；圖4是一正視示意圖，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡的一第一較佳實施例及一第二較佳實施例；圖5A與圖5B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一具體例1(E1)在不同角度下的反射率；圖6A與圖6B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的 反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一具體例2(E2)在不同角度下的反射率；圖7A與圖7B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一具體例3(E3)在不同角度下的反射率；圖8A與圖8B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一具體例4(E4)在不同角度下的反射率；圖9A與圖9B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一比較例(CE)在不同角度下的反射率；圖10A與圖10B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一具體例5(E5)在不同角度下的反射率；圖11A與圖11B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一具體例6(E6)在不同角度下的反射率；圖12A與圖12B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一具體例7(E7)在不同角度下的反射率；及圖13A與圖13B分別是一經模擬軟體優化前與優化後的反射率曲線，說明本發明應用於發光二極體之全方位反射鏡之一具體例8(E8)在不同角度下的反射率。

3‧‧‧發光二極體

31‧‧‧磊晶基板

311‧‧‧下表面

312‧‧‧上表面

32‧‧‧發光膜層結構

321‧‧‧發光層

4‧‧‧反射膜層結構

Claims (11)

1. 一種應用於發光二極體之全方位反射鏡，是形成於一發光二極體之一磊晶基板的一下表面，用以使一預定波段內的一光源朝該磊晶基板的一上表面行進，該光源是自一形成於該磊晶基板上表面之一發光膜層結構中的一發光層所放射，該全方位反射鏡包含：一反射膜層結構，形成於該磊晶基板的下表面，且該反射膜層結構自該磊晶基板的下表面背向該磊晶基板的方向為(H/L)^m/(xH/xL)^m；其中，H與L分別為一第一介電材料的厚度與一第二介電材料的厚度，該第一介電材料與該第二介電材料的折射率分別為n₁與n₂，且n₁>n₂；其中，H等於λ₀/4n₁，L等於λ₀/4n₂，且λ₀為該預定波段的一中心波長；及其中，1.25≦x≦1.75，m≧8。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，x=1.25；m=8；該預定波段是介於395 nm至405 nm之間。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，x=1.25；m=8；該預定波段是介於645 nm至655 nm之間。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，x=1.75；m=8；該預定波段是介於395 nm至405 nm之間。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，x=1.75；m=8；該預定波段是介於645 nm至655 nm之間。
6. 一種應用於發光二極體之全方位反射鏡，是形成於一發光二極體之一磊晶基板的一下表面，用以使一預定波段內的一光源朝該磊晶基板的一上表面行進，該光源是自一形成於該磊晶基板上表面之一發光膜層結構中的一發光層所放射，該全方位反射鏡包含：一反射膜層結構，形成於該磊晶基板的下表面，且該反射膜層結構自該磊晶基板的下表面背向該磊晶基板的方向為L/M/(H/L)^m/(xH/xL)^m；其中，H與L分別為一第一介電材料的厚度與一第二介電材料的厚度，M為一金屬材料的厚度，該第一介電材料與該第二介電材料的折射率分別為n₁與n₂，且n₁>n₂；其中，H等於λ₀/4n₁，L等於λ₀/4n₂，λ₀為該預定波段的一中心波長，且M大於100 nm；及其中，1.25≦x≦1.75，m≧1。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，x=1.25；m=1；該預定波段是介於395 nm至405 nm之間。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，x=1.25；m=1；該預定波段是介於645 nm至655 nm之間。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，x=1.75；m=1；該預定波段是介於395 nm至405 nm之間。
10. 依據申請專利範圍第6項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，x=1.75；m=1；該預定波段是介於645 nm至655 nm之間。
11. 依據申請專利範圍第6至10項任意一項所述之應用於發光二極體之全方位反射鏡，其中，該金屬材料是Ag及Al其中一者。