[发明专利]一种LED的中空微结构及其制造方法

说明书

本发明涉及光学和激光技术领域，本发明公开了一种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。

技术领域

本发明涉及光学与激光技术领域，尤其涉及LED的微结构技术及其制造方法。

背景技术

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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种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，本发明提供一种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×tanθ_c，

式中，H为LED发光源距离微结构阵列顶部的垂直高度，θ_c为全反射临界角。