一种具有导光孔结构的发光二极管的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有导光孔结构的发光二极管，所述发光二极管的发光芯片的上表面形成有导光层，所述导光层包括与发光芯片接触的下层薄膜、以及处于上方的上层薄膜，所述上层薄膜中贯穿形成有多个导光孔，每个导光孔中均填充有折射率大于上层薄膜、下层薄膜的光学材料填充。本发明提供的具有导光孔结构的发光二极管，利用光以一定角度射入光疏介质膜时，斜射光在导光层结构膜中发生多次全反射，最终经过导光孔均匀的从芯片正面透出，在不降低光强的前提下，解决了LED芯片正面光效较低的难题，提高了芯片封装亮度。
【专利说明】一种具有导光孔结构的发光二极管
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种导光层，具体涉及一种具有导光孔结构的发光二极管。
【背景技术】
[0002]LED因其具有节能、环保、高可靠性以及高寿命等诸多优点，被广泛应用于照明等领域。正装LED芯片，其外延层全角度出光的特性决定了只有极小的一部分光垂直于芯片正面透射，而大部分光透射出芯片后与正面垂直方向存在很大的角度，大大降低了芯片正面出光效率，虽然后期封装通过增加侧面反光结构改变了光路，但常常伴随大量光效的损失。正面光效较低的缺点现已严重制约LED照明芯片在下游工段的发展与应用。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种具有导光孔结构的发光二极管,利用光以一定角度射入光疏介质膜时，斜射光在导光层结构膜中发生多次全反射，最终经过导光孔均匀的从芯片正面透出，在不降低光强的前提下，解决了 LED芯片正面光效较低的难题，提高了芯片封装亮度。
[0004]本发明提供一种具有导光孔结构的发光二极管，所述发光二极管的发光芯片的上表面形成有导光层，所述导光层包括与发光芯片接触的下层薄膜、以及处于上方的上层薄膜，所述上层薄膜中贯穿形成有多个导光孔，每个导光孔中均填充有折射率大于上层薄膜、下层薄膜的光学材料填充。
[0005]所述导光孔的截面形状为等腰倒梯形结构。
[0006]所述下层薄膜和下层薄膜的材料相同。
[0007]所述下层薄膜和下层薄膜的材料不相同，所述上层薄膜与下层薄膜之间还包含一层中间层薄膜，且中间层薄膜的材料与导光孔中填充的导光材料相同。
[0008]所述导光层通过以下过程制备:首先在发光二极管的发光芯片的上表面制备下层薄膜，然后在下层薄膜的上表面制备一层与导光孔中材料相同的导光孔薄膜层，然后采用刻蚀或腐蚀方式在导光孔薄膜层上间断性贯穿刻蚀，刻蚀或腐蚀的深度为该导光孔薄膜层的厚度，未被刻蚀或腐蚀的部分形成多个导光孔，然后在刻蚀或腐蚀去除的位置沉积上层薄膜材料，沉积厚度等于导光孔的深度，进而最终形成导光层。
[0009]所述导光层的上层薄膜和下层薄膜的材料为SiO2,导光孔中沉积的材料为IT0。
[0010]所述导光层通过以下过程制备:首先在正装LED发光芯片表面下层薄膜，然后在下层薄膜的表面制备中间层薄膜，并中间层薄膜上使用刻蚀或腐蚀方法间断性加工出截面为正等腰梯形结构的多个凹槽，刻蚀或腐蚀深度小于该中间层薄膜的厚度，在相应被刻蚀或腐蚀的部分填充入上层薄膜材料，构成上层薄膜，对应未被刻蚀或腐蚀的间断性部分则形成导光孔，进而最终形成导光层。
[0011]所述导光层通过以下过程制备:所述上层薄膜的材料为SiO2 ;所述中间层薄膜及导光孔的材料为Si3N4 ;所述下层薄膜的材料为IT0。
[0012]所述射入导光层的光线的入射角为a ;所述导光孔的等腰倒梯形结构的上底角为β，所述下层薄膜的折射率为Ii1，所述下层薄膜的折射率为η3，所述导光孔以及中间层薄膜的折射率为η2，进入导光孔中的光线与垂直于导光孔的侧壁方向之间的夹角为i，所述其中 a ^ arc sin (n3/n2),且 α ^ arc sin (η?
[0013]所述导光孔的等腰倒梯形结构的上底角为β，进入导光孔中的光线与垂直于导光孔的侧壁方向之间的夹角为i，从导光孔中射出的出射光线与竖直方向的夹角为Q1，则i<90° ,α >90° -β,且 arc sin (n3/n2), a ^ 180° - β - (arc sin (n3/n2)),β + (arc sin (n3/n2)) -90 ° =arc sin (T/ (L+ (T/sin β ))), arc sin (T/ (L+ (T/sin@ )))=90° -a，其中T为导光孔的深度，L为倒梯形结构的下底的宽度。
[0014]本发明具有的优点在于:
本发明提供一种具有导光孔结构的发光二极管，利用光以一定角度射入光疏介质膜时，斜射光在导光层结构膜中发生多次全反射，最终经过导光孔均匀的从芯片正面透出，在不降低光强的前提下，解决了 LED芯片正面光效较低的难题，提高了芯片封装亮度。这种新型的LED因其正面聚光效果显著，且具有45°~135° (即a 1=0-45° )正面出光、90°正面垂直出光两种出光方式，因而将在LED聚光灯、LED大型探照灯等领域获得广泛应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明中第一种导光层的结构示意图；
图2是本发明中第二种导光层的结构示意图。
[0016]图中:1-下层薄膜 ；2_上层薄膜；3_导光孔；4_中间层薄膜。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0018]本发明提供一种具有导光孔结构的发光二极管，在LED发光芯片的表面具有导光层薄膜，所述导光层薄膜形成于所述发光二极管的发光芯片的表面，所述导光层薄膜为组合膜层，且该组合膜层在可见光波长范围内具有高透过率。如图1所示，所述导光层包括与发光芯片接触的下层薄膜1、以及处于上方的上层薄膜2，所述上层薄膜2中贯穿形成有多个导光孔3，导光孔3的深度与上层薄膜2的厚度相同。所述多个导光孔3中填充有折射率大于上层薄膜2、下层薄膜I的导光材料。其中，所述上层薄膜2和下层薄膜I的材料可以相同也可以不同。当二者材料不同时，当要求二者的折射率必须小于导光孔3中填充的光学材料。所述导光孔3的截面形状为倒梯形结构，且为等腰梯形。所述上层薄膜2、下层薄膜I以及导光孔中的填充材料选择可涵盖折射率为1.0-2.4范围内的所有光学材料，例如Al2O3薄膜、ITO薄膜、SiO2薄膜、Si3N4薄膜、GaN薄膜等各种适用本发明导光层的光学膜。所述导光孔的截面形状为等腰的倒梯形结构。
[0019]当下层薄膜I和上层薄膜2的材料不同时，如图2所示，在上层薄膜2和下层薄膜I之间形成有一层中间层薄膜4，所述中间层薄膜4与导光孔3中填充的导光材料的折射率相同，且其具体厚度没有限制。
[0020]综上，本发明中导光层薄膜的组合有如下两种方式:
1、两种不同折射率的薄膜材料组成的导光层，导光孔3中填充的为折射率较高的光学材料，下层薄膜I和上层薄膜2为折射率较低的相同薄膜。例如，Si02-1T0-Si02。在上层薄膜2中形成多个导光孔3，且导光孔3的截面形状为等腰倒梯形结构。
[0021]2、三种不同折射率的薄膜材料组成的导光层，下层薄膜I和上层薄膜2为折射率较低的两种不同薄膜，上层薄膜2中具有多个导光孔3，且在下层薄膜I和上层薄膜2之间具有折射率较高的、与导光孔3中填充的材料相同的中间层薄膜4材料。例如，SiO2-GaN-1TO或SiO2-Si3N4-1TO,并且下层薄膜I和上层薄膜2的材料可以互换。所述导光孔3的截面形状为等腰倒梯形结构。
[0022]本发明中导光孔3的尺寸以及导光孔3的深度与下层薄膜1、上层薄膜2、导光孔3中填充的光学材料的折射率满足一定关系，这样才能使从各个方向进入导光层中的光线全部被反射出去，具体关系如下:
导光孔3的等腰倒梯形结构的上底角为P，入射光线与竖直方向的夹角为a，下层薄膜I的折射率为Ii1，下层薄膜I的折射率为n3，导光孔3的折射率为n2 (当上层薄膜2和下层薄膜I的折射率不同时，还含有中间层薄膜4，其折射率也为n2)，光线最终从导光孔3中射出的出射光线与竖直方向的夹角为a i?对于第二种结构来讲，需要光线在中间层发生多次全反射后进入导光孔3中，进入导光孔3后使光线全部射出。
[0023]要使入射角为a的入射光线在中间层薄膜4与上层薄膜2之间形成全反射，则a满足a≥arc sin (n3/n2);要使a在中间层与下层薄膜I之间形成全反射,贝U a≥arcsin (H1Zn2)0
[0024]当完成全反射后进入到导光孔3中后，需要在导光孔3中发生全反射，即进入导光孔3中的光线需要在导光孔3的侧壁上形成全反射。以下以第二种结构的形式为例进行说明，其第一种结构与第二 种结构的角度设计方法相同，仅省略中间层薄膜4的厚度设计。对于第二种结构，需使进入导光孔3中的光线与垂直于导光孔3的侧壁的方向之间的夹角i(即进入导光孔3中的光纤相对于导光孔3侧壁的入射角)满足i≥arc sin (n3/n2)。需要使角度i小于导光孔3侧壁的角度时i < P，这样才能使进入导光孔3中的光线全部射出，导光孔3才有效，因此i≤90°，a≤90° -3。
[0025]因此，根据以上角度关系，可以得到i_ P ( a I < P，即(arc sin Cn3/n2)) - ^ ^ ai< 3。
[0026]若要a经过多次全反射后，仍能在导光孔3的侧壁上形成全反射角，则需满足:a = (90。-(6)+ (90。-1), i ^ arc sin (n3/n2)，即 a ^ 180° -(6- (arc sin (n3/n2))导光孔3中倒梯形结构的下底(相对长度较短的底)的长度为L，导光孔3的深度为T。
[0027]入射角为a的入射光线与水平面之间的夹角为Y，y = ^+ (arc sin (n3/n2)) -90° ,则 sin Y =T/ (L+ (T/sinP)),则 P+ (arc sin (n3/n2)) -90° =arc sin (T/(L+ (T/sin 3 )))。
[0028]又由于Y =90。- a ,则 arc sin (T/ (L+ (T/sin @ ))} =90。-a。
[0029]综上所述，arcsin (T/ (L+ (T/sin ^ ))) =90 ° -a。限定了 a 与 a 丨、a 与3、L与T的范围，且n2 > n1、n2 > n3，使本发明所有材料、角度以及长度被限定范围。若需斜射光从竖直面射出，只需使Ci1=CT可解；当然也可以使非竖直方向射出，Ci1可以为(6^=0-45°。若需斜射光尽量多的从正面射出，只需根据所选材料折射率获得a角度范围，再根据a角度的范围换获得P、L与T的具体取值范围。[0030]针对以上不同折射率的导光孔，本发明还提供一种具有导光孔结构的发光二极管的制备方法，对于第一种结构，其制备方法为:首先在发光二极管的发光芯片的上表面制备下层薄膜I，然后在下层薄膜I的上表面制备一层与导光孔中材料相同的导光孔薄膜层，然后采用刻蚀或腐蚀方式在其上间断性贯穿刻蚀多余的部分，刻蚀或腐蚀的深度为该导光孔薄膜层的厚度，未被刻蚀或腐蚀的部分即形成多个导光孔，然后再在刻蚀或腐蚀去除的地方沉积上层薄膜2，其厚度等于导光孔的深度，进而形成第一种结构，例如SiO2-1TO-SiO2结构，其上下层薄膜SiO2的折射率范围为1.4-1.6，中间层薄膜4IT0的折射率范围为
1.7-2.2。
[0031]对于第二种结构，其制备方法为:在正装LED发光芯片表面制备厚度不限的下层薄膜1(如ITO薄膜)，然后在下层薄膜I的表面制备一层不限厚度中间层薄膜4作为中间全反射层，如Si3N4薄膜，并下层薄膜I使用刻蚀或腐蚀方法间断性加工出截面视图为正等腰梯形结构的多个凹槽，刻蚀或腐蚀深度小于该中间层薄膜4的厚度，即保留一定未被刻蚀或腐蚀的深度，每个梯形结构可独立也可以在某一方向相连，最后在相应被刻蚀或腐蚀的部分填充入上层薄膜材料如SiO2薄膜即构成上层薄膜2，而未被刻蚀或腐蚀的间断性部分对应形成导光孔。所述上层薄膜2的厚度在制备时要求大于等于导光孔的高度，以满足将刻蚀或腐蚀掉的区域全部填充，但超出导光孔部分的多余的上层薄膜2需要再处理掉，进而形成第二种结构，例如SiO2-Si3N4-1TO结构，其上层薄膜2Si02的折射率范围为1.4-1.6，中间层薄膜Si3N4的折射率范围为2.0-2.4，下层薄膜IITO的折射率范围为1.7-2.2。通过以上结构形成高透过率的导光层，使垂直方向射入的光从导光层正面直接穿出；非垂直方向入射角度为α的光线能够在中间层薄膜4如Si3N4薄膜内经多次全反射后，自导光孔汇聚以近似竖直的方向射出。
[0032]以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本【技术领域】的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
【权利要求】
1.一种具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管的发光芯片的上表面形成有导光层，所述导光层包括与发光芯片接触的下层薄膜、以及处于上方的上层薄膜，所述上层薄膜中贯穿形成有多个导光孔，每个导光孔中均填充有折射率大于上层薄膜、下层薄膜的光学材料填充。
2.根据权利要求1所述的具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述导光孔的截面形状为等腰倒梯形结构。
3.根据权利要求2所述的具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述下层薄膜和下层薄膜的材料相同。
4.根据权利要求2所述的具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述下层薄膜和下层薄膜的材料不相同，所述上层薄膜与下层薄膜之间还包含一层中间层薄膜，且中间层薄膜的材料与导光孔中填充的导光材料相同。
5.根据权利要求3所述的具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述导光层通过以下过程制备:首先在发光二极管的发光芯片的上表面制备下层薄膜，然后在下层薄膜的上表面制备一层与导光孔中材料相同的导光孔薄膜层，然后采用刻蚀或腐蚀方式在导光孔薄膜层上间断性贯穿刻蚀，刻蚀或腐蚀的深度为该导光孔薄膜层的厚度，未被刻蚀或腐蚀的部分形成多个导光孔，然后在刻蚀或腐蚀去除的位置沉积上层薄膜材料，沉积厚度等于导光孔的深度，进而最终形成导光层。
6.根据权利要求5所述的具有导光孔结构的发光二极管,其特征在于,所述导光层的上层薄膜和下层薄膜的材料为SiO2，导光孔中沉积的材料为ΙΤ0。
7.根据权利要求3所述的具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述导光层通过以下过程制备:首先在正装LED发光芯片表面制备下层薄膜，然后在下层薄膜的表面制备中间层薄膜，并中间层薄膜上使用刻蚀或腐蚀方法间断性加工出截面为正等腰梯形结构的多个凹槽，刻蚀或腐蚀深度小于该中间层薄膜的厚度，在相应被刻蚀或腐蚀的部分填充入上层薄膜材料，构成上层薄膜，对应未被刻蚀或腐蚀的间断性部分则形成导光孔，进而最终形成导光层。
8.根据权利要求7所述的具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述导光层通过以下过程制备:所述上层薄膜的材料为SiO2 ;所述中间层薄膜及导光孔的材料为Si3N4 ；所述下层薄膜的材料为ΙΤ0。
9.根据权利要求2、3、5、7、8中任意一项所述的具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述射入导光层的光线的入射角为α ;所述导光孔的等腰倒梯形结构的上底角为β，所述下层薄膜的折射率为Ii1，所述下层薄膜的折射率为η3，所述导光孔以及中间层薄膜的折射率为η2，进入导光孔中的光线与垂直于导光孔的侧壁方向之间的夹角为i，所述其中a ^ arc sin (n3/n2),且 α ^ arc sin (Ii1Ai2X
10.根据权利要求9所述的具有导光孔结构的发光二极管，其特征在于，所述导光孔的等腰倒梯形结构的上底角为β，进入导光孔中的光线与垂直于导光孔的侧壁方向之间的夹角为i，从导光孔中射出的出射光线与竖直方向的夹角为Ci1，则i≤90°，α≥90° -β，? i ^ arc sin (η3/η2), α ^ 180 ° -β - (arc sin (n3/n2))，β + (arc sin Cn3/n2)) -90° =arc sin (T/ (L+ (T/sin β ))), arc sin (T/ (L+ (T/sin β ))) =90° -α,其中T为导光孔的深度，L为倒梯形结构的下底的宽度。
【文档编号】H01L33/54GK103779489SQ201310742485
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】翟阳, 项艺, 艾常涛 申请人:迪源光电股份有限公司