一种LED的中空微结构及其制造方法技术

本发明专利技术涉及光学和激光技术领域，本发明专利技术公开了一种LED的中空微结构，包括位于LED上的中空区域和微结构区域，所述微结构区域遍布微结构阵列，环绕无任何微结构阵列的中空区域，所述中空区域位于LED发光源的上方，与微结构阵列所处高度的全反射光锥的横截面重叠；也公开了一种LED的中空微结构的制造方法及该制造方法所采用的光路系统，该结构能有效提高LED的出光强度和出光效率。

Hollow microstructure of LED and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
一种LED的中空微结构及其制造方法
本专利技术涉及光学与激光
，尤其涉及LED的微结构技术及其制造方法。
技术介绍
半导体发光二极管(LED)是一种新型的绿色光源，以其独特的优势在照明领域将引领未来发展的趋势，将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的“第四代光源”。同时LED具有体积小、重量轻、方向性好、寿命长、节能、环保等优点，广泛应用到了我们日常生活的很多方面，但考虑到高性能LED的初始制造成本较高，要实现在照明领域全面取代现有的传统照明光源需要进一步提高LED的发光效率。提高LED的发光效率，主要包括两个方面：内量子效率和外量子效率，内量子效率是指载流子到光子的辐射复合转化效率，外量子效率是指载流子辐射复合产生的光子从LED中发射出来的效率。目前内量子效率的提高主要通过半导体材料的质量和结构来实现，随着LED制造工艺水平的不断发展和材料质量的不断提高，GaN基LED的内量子效率早已经超过70％，有的材料甚至接近了理论极限100％。但大部分的LED产品的总体效率约为33％，因此当前制约LED发光效率的一个主要因素就是外量子效率。通常影响外量子效率的因素主要包括两个部分损耗：一部分是光在不同介质的分界面上产生的菲涅尔反射损耗，另一个主要部分是LED表面材料与空气的折射率差太大而导致的全反射损耗。当光束从LED材料进入空气中时，若LED光源出射角大于全反射特征角度，则载流子辐射复合产生的大部分光会因为全反射被返回到LED内部，并经多次反射后最终被LED吸收转化为热量。而这部分热量会反过来进一步降低LED的发光性能和使用寿命。因此如何合理的设计和制造LED的出光结构，使其具有较高的出光效率，便成为目前行业亟需解决的问题。现阶段，LED领域提高出光效率的方法主要有：表面粗化技术、图形化衬底技术、倒装芯片技术、表面微结构技术等。表面粗化一般只能使LED光提取效率获得小幅提高，难以持续改进和产业量化；图形化衬底技术可以有效扩展出光面积实现外量子效率的提升，但其实现过程需要复杂的多步半导体制造工艺，且需要昂贵的精密光刻掩膜板；倒装芯片技术有效地避免了正装芯片中因电极挤占发光面积影响发光效率，使发光层激发出的光直接从电极的另一面发出，但倒装芯片技术颠覆了传统LED工艺，从芯片一直到封装过程对设备要求更高，在中小功率LED的应用上，成本竞争力还不是很强；表面微结构技术随着表面结构制造工艺水平的不断提高，研究人员开始探索通过在LED表面加工微米纳米结构阵列，利用阵列的波导特性来提高LED的外量子效率，同时这种方法由于主要采用外部制造的工艺来实现，可以避免对LED芯片的破坏，且不需要改变LED原有的制造工艺过程，受到越来越多的关注，但表面微结构技术会抑制全反射光锥以内的光的出射。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于上述问题，本专利技术提供一种LED中空微结构及其制造方法，在不破坏LED内部结构的情况下，提高LED的发光效率。(二)技术方案基于上述的技术问题，本专利技术提供一种LED的中空微结构，包括位于LED上的中空区域和微结构区域，所述微结构区域遍布微结构阵列，环绕无任何微结构阵列的中空区域，所述中空区域位于LED发光源的上方，与微结构阵列所处高度的全反射光锥的横截面重叠。进一步的，所述中空区域即全反射光锥的横截面为圆形，且直径为：D＝2×H×tanθc，式中，H为LED发光源距离微结构阵列顶部的垂直高度，θc为全反射临界角。进一步的，所述全反射临界角θc的计算公式为：式中，npolymer为LED表面材料的折射率。进一步的，所述微结构阵列不能与LED发光源位于同一平面。一种LED的中空微结构的制造方法，包括以下步骤：S1、将一个待加工LED放置并固定在三维平台上，选取合适的光学元件，搭建光路系统，并将物镜对准待加工LED；S2、调节观测光路，并结合三维平台的移动，使飞秒激光聚焦点定位到待加工LED的表面或内部的目标位置；S3、通过计算机程序控制三维平台的移动和光路系统的通断的配合，完成微结构轨迹，加工实现中空微结构的LED。一种LED的中空微结构的制造方法所使用的光路系统，步骤S1中所述的光路系统包括依次设置的飞秒激光器、光闸、激光处理光路、二向色镜、物镜、以及观测系统，观测系统、二向色镜、物镜的中心点在一条直线上，物镜对准放置在三维平台上的LED，飞秒激光器、光闸、激光处理光路、二向色镜的中心点对齐；所述二向色镜倾斜一定角度，将观测系统、物镜和激光处理光路隔开在两侧，用于将激光处理光路后的激光反射进入物镜中，同时透射观测系统的光，所述光闸用于控制光路系统的通断，所述物镜用于聚焦激光束，提高激光的功率密度，实现LED材料的去除。进一步的，所述激光处理光路包括中心点对齐的光阑、衰减片、倍频晶体、滤光片；所述光阑用于控制光束的光斑大小，使光斑大小不大于物镜的入光孔径的大小；所述衰减片用于调节入射激光的能量，以达到材料的加工阈值的同时减少喷溅物；所述倍频晶体用于调节入射激光的波长，以满足微结构加工的尺寸；所述滤光片用于滤波，滤光片的截止波长在通过倍频晶体激光的原始波长和目标波长之间。进一步的，所述观测系统包括光源、分光镜、透镜和电荷耦合器，分光镜、透镜和电荷耦合器的中心点对齐，光源、分光镜、二向色镜、物镜的中心点在一条直线上，所述分光镜倾斜一定角度，将光源、二向色镜和透镜隔开在两侧，用于透射光源发出的白光，并将从LED反射回的白光反射给透镜，所述透镜用于将反射回的白光缩束；所述电荷耦合器用于观测激光聚焦点与LED。优选地，所述飞秒激光器发射的激光波长为800nm，所述物镜的放大倍数为20倍，入射孔径为8mm，所述光阑将激光束的光斑直径控制为8mm，所述衰减片将入射激光功率调节为10mW，所述倍频晶体为二倍频晶体，将800nm的原始激光束部分转化成400nm的目标激光束，所述滤光片为截止波长为720nm的低通滤光片，所述二向色镜为长波通二向色镜的透射光波段为440nm-800nm，反射光波段为380nm-410nm。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下优点：(1)本专利技术的中空微结构能更高效地提升LED的出射光强度和出射光效率，提高LED的外量子效率，且不会破坏LED内部的发光层结构，更不会影响LED的封装工艺流程；(2)本专利技术采用飞秒激光技术，并通过对激光的能量控制、波长控制、滤波，减少加工的喷溅物，使加工的微结构更精细，从而减少出射光的散射，提高出射光强度；(3)本专利技术制造方法简单，但具有显著的效果，应用范围广泛。附图说明通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，在附图中：图1为本专利技术实施例本专利技术的光路系统示意图；图2为本专利技术实施例LED的中空微结构示意图；图3为本专利技术实施例LED的表面中空微结构的侧边观测图；图4为本专利技术实施例原始GaN基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LED的中空微结构，其特征在于，包括位于LED上的中空区域和微结构区域，所述微结构区域遍布微结构阵列，环绕无任何微结构阵列的中空区域，所述中空区域位于LED发光源的上方，与微结构阵列所处高度的全反射光锥的横截面重叠。/n

【技术特征摘要】
1.一种LED的中空微结构，其特征在于，包括位于LED上的中空区域和微结构区域，所述微结构区域遍布微结构阵列，环绕无任何微结构阵列的中空区域，所述中空区域位于LED发光源的上方，与微结构阵列所处高度的全反射光锥的横截面重叠。


2.根据权利要求1所述一种LED的中空微结构，其特征在于，所述中空区域即全反射光锥的横截面为圆形，且直径为：
D＝2×H×tanθc，
式中，H为LED发光源距离微结构阵列顶部的垂直高度，θc为全反射临界角。


3.根据权利要求1所述一种LED的中空微结构，其特征在于，所述全反射临界角θc的计算公式为：



式中，npolymer为LED表面材料的折射率。


4.根据权利要求1所述一种LED的中空微结构，其特征在于，所述微结构阵列不能与LED发光源位于同一平面。


5.一种权利要求1-4任一项所述的LED的中空微结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将一个待加工LED放置并固定在三维平台上，选取合适的光学元件，搭建光路系统，并将物镜对准待加工LED；
S2、调节观测光路，并结合三维平台的移动，使飞秒激光聚焦点定位到待加工LED的表面或内部的目标位置；
S3、通过计算机程序控制三维平台的移动和光路系统的通断的配合，完成微结构轨迹，加工实现中空微结构的LED。


6.一种根据权利要求5所述的LED的中空微结构的制造方法所使用的光路系统，其特征在于，步骤S1中所述的光路系统包括依次设置的飞秒激光器、光闸、激光处理光路、二向色镜、物镜、以及观测系统，观测系统、二向色镜、物镜的中心点在一条直线上，物镜对准放置在三维平台上的LED，飞秒激光器、光闸、激光处...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，赵于前，段吉安，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43