一種提高白光led發(fā)光效率的多層平板異質結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及LED發(fā)光領域，具體是一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構。一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構，包括基底和連接在基底上的多層平板異質結構，多層平板異質結構有兩個不同材料交替疊加多個周期而成。本發(fā)明結構簡單，在紫色波段的高反射以及在表面層的大場強分布有利于紫光更好地激發(fā)熒光物質，藍色、綠色以及紅色波段的高反射有利于更好地提取熒光，增強LED的發(fā)光效率。
【專利說明】
一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及LED發(fā)光領域，具體是一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構?！颈尘凹夹g】
[0002]白光LED作為一種重要的發(fā)光元件，它的應用滲透到各個領域，比如照明、顯示器等等。產(chǎn)生白光的機制主要有兩種，一種是多晶型，即使用兩個或兩個以上的互補的2色LED 發(fā)光二極管或把3原色LED發(fā)光二極管做混合光而形成白光。采用多晶型產(chǎn)生白光的方式， 因為不同的色彩的LED發(fā)光二極管的驅動電壓、發(fā)光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此在使用多晶型LED發(fā)光二極管的方式產(chǎn)生白光，比單晶型LED產(chǎn)生白光的方式復雜，也因LED 發(fā)光二極管的數(shù)量多，也使得多晶型LED的成本亦較高；另一種是單晶型，即一只單色的 LED發(fā)光二極管加上相應的熒光粉，采用單晶型，只要用一種單色LED發(fā)光二極管即可，在驅動電路上的設計會較為容易。通常采用兩種方式，一種方式是藍光LED發(fā)光二極管激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，另一種方式是紫外光LED激發(fā)RGB三波長熒光粉來產(chǎn)生白光。但是用藍光LED來激發(fā)白光的方式的發(fā)光效率仍然不足，所以開始向另外一個方向就是往紫外光LED 來發(fā)展，利用紫外光LED加RGB三波長熒光粉來達到白光的效果，其發(fā)光效率比藍光好很多。
[0003]量子點具有窄帶發(fā)射峰、發(fā)光顏色可調、熱電穩(wěn)定性以及高的熒光效率等特性，因此量子點作為發(fā)光器件中的熒光物質具有獨特的優(yōu)勢。另外，由介質材料構成的多層平板異質結構反射板與金屬反射器相比，可以減少光損耗，避免產(chǎn)生趨膚效應和表面熱變形等。
[0004]隨著現(xiàn)在越來越高的商業(yè)需求，白光LED的發(fā)光效率也需要進一步提高。2006年， C.H.Lin等人曾提出了Ti〇2/Si〇2多層堆疊的反射器來增強InGaN-GaN Indium-Tin-Oxide 二極管的發(fā)光，但是只針對窄帶發(fā)光波長;2013年，H.Li等人提出了更復雜的多層光學結構來獲得寬帶隙，然而，他們設計的結構膜層較多，并且結構復雜，制備成本高，不利于制備。
【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:如何使得LED結構發(fā)出的白光更大程度上被利用。
[0006]本發(fā)明所采用的技術方案是:一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構，包括基底和連接在基底上的多層平板異質結構，多層平板異質結構有兩個不同材料交替疊加多個周期而成。
[0007]作為一種優(yōu)選方式:基底材料是二氧化硅，與基底接觸的第一材料是二氧化鈦，第二材料是二氧化硅。
[0008]作為一種優(yōu)選方式:與基底接觸的二氧化鈦層的厚度山為40-54納米，覆蓋在與基底接觸的二氧化鈦層上的二氧化硅層厚度cU為915納米，與基底接觸的二氧化鈦層和覆蓋在與基底的二氧化鈦層上的二氧化硅層構成第一周期。
[0009]作為一種優(yōu)選方式，其特征在于:多層平板異質結構由二氧化鈦和二氧化硅交替疊加5個周期而成。
[0010]作為一種優(yōu)選方式，每一個周期的厚度都是其前一周期對應材料厚度的0.618倍。 當按照0.618倍逐層低級時，能夠實現(xiàn)白光范圍額外的發(fā)光效率，并且需要的層數(shù)同樣只要 5層就能滿足要求，節(jié)省了材料，并且比同等厚度的周期層效率更高一些，能夠徹底增強7種顏色復合的寬譜白光效率。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明結構簡單，在紫色波段的高反射以及在表面層的大場強分布有利于紫光更好地激發(fā)熒光物質，藍色、綠色以及紅色波段的高反射有利于更好地提取熒光，增強LED的發(fā)光效率;具有明顯的場強增強效果，電場增強主要集中在結構表面層，將熒光物質放置在場強增強的位置可進一步提高發(fā)光效率。本結構在第一材料和第二材料的厚度發(fā)生變化時，各個高反射帶會移動，因此僅通過調節(jié)兩種材料的厚度，便可以細微的調節(jié)反射波段。增加二氧化鈦和/或二氧化硅層的厚度，可以增強更多種不同發(fā)光波長物質的發(fā)光強度，有利于實現(xiàn)7種顏色復合的寬譜白光。本發(fā)明激發(fā)光功率以及熒光發(fā)光功率在時域和頻域范圍都有提高?！靖綀D說明】[〇〇12]圖1是本發(fā)明的結構的示意圖。[〇〇13] 圖2是在0.3?0.7WI1范圍內，Si〇2和Ti〇2的折射率。[〇〇14]圖3是S i 02/T i 02周期為1?5的反射率對比圖。[0〇15]圖4是當di從0.lym?2.0ym變化時，垂直入射條件下結構的反射率。[0〇16]圖5是當d2從Oym?0.9ym變化時，垂直入射條件下結構的反射率。
[0017]圖6是當每個周期厚度等比例增大為原來的K倍(0.2〈K〈5)時，垂直入射條件下結構的反射譜。
[0018]圖7是當每個周期厚度等比例增大為原來的K倍(0.2〈K〈5)時，垂直入射條件下結構的透射譜。
[0019]圖8是當每個周期厚度等比例增大為原來的K倍(0.2〈K〈5)時，垂直入射條件下結構的吸收譜。
[0020]圖9是本發(fā)明結構在波長400nm處的電場分布圖。[0〇21 ]圖10是本發(fā)明結構在波長455nm處的電場分布圖。
[0022] 圖11是本發(fā)明結構在波長520nm處的電場分布圖。[〇〇23]圖12是本發(fā)明結構在波長620nm處的電場分布圖。[〇〇24]圖13是本發(fā)明結構與Si02結構在激發(fā)波長400nm的頻域功率對比圖。[〇〇25]圖14是本發(fā)明結構與Si02結構在激發(fā)波長400nm的時域功率對比圖。[〇〇26]圖15是本發(fā)明結構(發(fā)光物質在距離結構表面上方100nm處)與Si02結構在波長 455nm的頻域功率對比圖。[〇〇27]圖16是本發(fā)明結構(發(fā)光物質在距離結構表面上方lOOnm處)與Si02結構在波長 455nm的時域功率對比圖。[〇〇28]圖17是本發(fā)明結構(發(fā)光物質在結構內距表面50nm處)與Si02結構在波長455nm的頻域功率對比圖圖18是本發(fā)明結構(發(fā)光物質在結構內距表面50nm處)與Si02結構在波長455nm的時域功率對比圖圖19是本發(fā)明結構在入射角度從0°?80°變化時，p偏振下結構的反射率。[〇〇29]圖20是本發(fā)明結構在入射角度從0°?80°變化時，s偏振下結構的反射率。[〇〇3〇]圖21是當d2W40nm?60nm變化時，垂直入射條件下本發(fā)明結構的反射率。【具體實施方式】[〇〇31]為使本發(fā)明的目的、技術方案以及效果更加清楚，以下結合附圖以及具體實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作出進一步地說明。
[0032]我們提出了一種由異質材料構成的多層平板結構。本結構在紫色波段的高反射有利于紫光LED更好地激發(fā)熒光物質，藍色、綠色以及紅色波段的高反射有利于更好地提取熒光，進而增強LED的發(fā)光效率。
[0033]本發(fā)明所提供一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構，如圖1所示，包括兩種非金屬材料，其構成在于:所述多層平板異質結構是由多層平板異質結構和基底復合而構成;所述多層平板異質結構是由非金屬材料1和材料2交替排列N個周期而構成，其中第一周期中，材料1的厚度是d2,材料2厚度是cb。[〇〇34] 其中，本發(fā)明所述基底是Si02。所述材料1是Ti02,材料2是Si02。所述N=5。所述材料 1的厚度:40nm< d2 < 54nm。所述材料2的厚度:dl =915nm 〇[〇〇35]圖1為本發(fā)明的結構的示意圖，包括兩種非金屬材料。在Si02基底上，Ti02和Si02呈周期性排列。[〇〇36]將本發(fā)明復合結構中的兩種非金屬材料Ti02和Si02固有損耗也考慮在內，Ti02和 Si〇2復雜的折射率如附圖2所示。[〇〇37]附圖3為本發(fā)明結構在垂直入射條件下，p偏振下Ti02/Si02周期數(shù)N從1增加到5時， 波長0.3wii到0.7wii范圍內的結構反射率。當周期數(shù)逐漸增加時，在0.3?0.7wii整個波段內的反射率也逐漸增大，當N=5時，各個反射帶的反射率接近100%,且分別對應紫色、藍色、綠色和紅色四個波段。并且，當N=5時，有限時域差分法和嚴格耦合波分析法的結果相互得到驗證。[〇〇38]附圖4、附圖5為分別為垂直入射條件下，本發(fā)明結構在cU從0.lym?2.0ym變化和d2 從0ym~0.9ym變化時，結構的反射率分布。可以得出，通過調整cU和d2,我們可以方便的調整各個反射帶波段。隨著cU或d2厚度的增加，反射帶的個數(shù)增加。
[0039]附圖6到附圖8是當每個周期厚度等比例增大為原來的K倍(0.2〈K〈5)時，垂直入射條件下結構的反射譜、透射譜和吸收譜。可以看出透射譜和反射譜在400nm后有相反的強弱分布，但是在350-400nm范圍，隨K的增大基本不變，這是由于吸收很大，所以350-400nm反射和透射都很小。隨著K的增加，反射帶的個數(shù)增加。當0.2〈K〈1.2時，隨著K增加，對于波長在350nm?580nm內的反射波帶，出現(xiàn)了紅移，對LED中紅光的反射會增強;對于波長在600nm? 650nm的反射帶來說，隨著K變大，反射帶的中心位置基本不變。當1.2〈K〈5時，隨著K增加，對于波長在350nm?600nm內的反射波帶，出現(xiàn)了紅移;在短波范圍位置，出現(xiàn)的反射帶個數(shù)增多，這樣對LED中短波長發(fā)光會增強;而波長在625nm左右的反射波帶位置基本不變，帶寬也微小變化;而在650nm?700nm時，隨著K增加，反射帶位置出現(xiàn)藍移現(xiàn)象，帶寬基本不變。
[0040]附圖9到附圖12為本發(fā)明結構通過RCWA計算得出的波長為400nm、455nm、520nm和620nm時的電場分布圖，以便更好地理解光吸收增強的機制。這里，我們以p偏振垂直入射為例?？梢钥闯觯瑘鰪姺植紡牡讓拥奖砻鎸又饾u增強，所以我們可以將發(fā)光物質放置在表面層或者嵌入表面層內，以增強發(fā)光物質的發(fā)光強度。并且，場強分布的結果也通過FDID得到了驗證。[〇〇411圖13、圖14分別為用一個400nm的脈沖入射時，圖1結構與Si02結構的頻域和時域的功率對比圖?？梢钥闯?，無論在頻域還是時域下，本發(fā)明結構的功率都比Si02結構的功率大。
[0042]圖15、圖16分別為當發(fā)光物質在距離結構表面上方100nm處時，圖1結構與Si02結構在455nm處的頻域和時域的發(fā)光功率對比圖。圖17、圖18分別為當發(fā)光物質嵌入結構內距表面50nm處時，圖1結構與Si02結構在455nm處的頻域和時域的發(fā)光功率對比圖?？梢钥闯?， 無論發(fā)光物質嵌入結構內還是放置在結構表面上方，本發(fā)明結構在頻域和時域的發(fā)光功率都比Si02結構的發(fā)光功率大。[0〇43]圖19、圖20分別為入射角度從0°?80°時，p偏振和s偏振下圖1結構的反射率分布。 可以看到，當入射角度在0°?20°范圍內，反射帶分布基本不變，但當入射角度超過20°，反射帶發(fā)生了藍移。
[0044]圖21是考慮到實際實驗制備過程中，對于厚度較薄的Ti02的厚度誤差，我們研究了當d2從40nm變化到54nm時，各個反射帶基本沒有變化，因此得出，本結構對實驗制備降低了難度，更易實現(xiàn)。[〇〇45]以上實施例充分證明了本發(fā)明的一種由異質材料構成的多層平板結構，有利于紫光LED更好地激發(fā)熒光物質，藍色、綠色以及紅色波段的高反射有利于更好地提取熒光，以增強白光LED的發(fā)光效率。
[0046]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步地說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之上，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構，其特征在于:包括基底和連接在基 底上的多層平板異質結構，多層平板異質結構由兩個不同材料交替疊加多個周期而成。2.根據(jù)權利要求1所述的一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構，其特征在 于:基底材料是二氧化硅，與基底接觸的第一材料是二氧化鈦，第二材料是二氧化硅。3.根據(jù)權利要求2所述的一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構，其特征在 于:與基底接觸的二氧化鈦層的厚度山為40-54納米，覆蓋在與基底接觸的二氧化鈦層上的 二氧化硅層厚度cU為915納米，與基底接觸的二氧化鈦層和覆蓋在與基底接觸的二氧化鈦 層上的二氧化硅層構成第一周期。4.根據(jù)權利要求3所述的一種提高白光LED發(fā)光效率的多層平板異質結構，其特征在 于:多層平板異質結構由二氧化鈦和二氧化硅交替疊加5個周期而成。
【文檔編號】H01L33/46GK106025035SQ201610535342
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】陳智輝, 喬娜, 梁麗, 賀麗娜, 楊毅彪, 王云才
【申請人】太原理工大學