[發(fā)明專利]適用于特種照明的LED微腔結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010210669.5
• 申請(qǐng)日: 2010-06-28
• 公開（公告）號(hào): CN101882661A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張慶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東營市加文光電有限責(zé)任公司;張慶
• 主分類號(hào): H01L33/46
• 分類號(hào): H01L33/46
• 代理公司: 天津?yàn)I海科緯知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12211
• 代理人: 孫春玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種LED的微腔結(jié)構(gòu)，尤其是適用于特種照明的LED非共振微腔結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

現(xiàn)有固態(tài)發(fā)光的白光發(fā)光二極管(LED)技術(shù)主要是基于使用高量子效率(η≥60％)藍(lán)光InGaN量子阱結(jié)構(gòu)，通過熒光材料的下轉(zhuǎn)換，使藍(lán)光降級(jí)輻射到紅色和綠色，從而三色混合產(chǎn)生白光。然而，采用熒光轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的白光LED尚存在很多性能上的限制。首先，多步驟的顏色下轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)方式存在著固有的效率限制：InGaN量子阱LED產(chǎn)生的高能量藍(lán)光光子必須首先被熒光粉吸收，然后經(jīng)由雜質(zhì)離子中心輔助傳遞，一對(duì)一的轉(zhuǎn)換為低能量波長的光子。在這個(gè)過程中，熒光粉材料中光子的部分能量會(huì)轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)(產(chǎn)生熱)，使白光LED的極限量子效率受到限制(≤65％)。其次，每種單獨(dú)的熒光粉具有不同的化學(xué)組分，很難控制顆粒的尺寸、混合和蒸鍍，導(dǎo)致光顏色的不穩(wěn)定變化，此外，不同化學(xué)組分的熒光粉具有不同的老化行為，經(jīng)常會(huì)引起器件性能的不穩(wěn)定，而縮短其工作壽命。綜上，采用熒光轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的白光LED由于存在上述限制而無法應(yīng)用在很多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，如航空航天艙內(nèi)照明、人體介入醫(yī)療特種照明、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)補(bǔ)光和誘捕照明等特種照明。

最近半導(dǎo)體納米晶量子點(diǎn)(QDs)被應(yīng)用于白光LED技術(shù)中。作為一個(gè)新的熒光材料族，半導(dǎo)體納米晶具有出眾的優(yōu)越特性。由于強(qiáng)量子限制，諸如CdSe/(Zn，Cd)S?QDs的半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有窄激子吸收，極高熒光效率(大約90-95％)，以及可通過尺寸調(diào)節(jié)使輻射范圍覆蓋全可見光波段等優(yōu)異特性。因此，相同化學(xué)成分、不同尺寸的量子點(diǎn)可以在白光LED中提供多光譜成分，改善顏色質(zhì)量和老化性能。量子點(diǎn)熒光粉可通過非接觸的方式將電子-空穴對(duì)間接注入到量子點(diǎn)中，非輻射能量來自一個(gè)最近的InGaN量子阱(QW)。這在本質(zhì)上不同于先前描述的多步“下轉(zhuǎn)換”設(shè)計(jì)，取消了一些中間顏色的轉(zhuǎn)換步驟，提升了發(fā)光效能。

研究結(jié)果表明，量子點(diǎn)LED比常規(guī)采用熒光轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的LED優(yōu)勢(shì)明顯：首先，量子點(diǎn)LED照明效率高，量子點(diǎn)-熒光粉和InGaN發(fā)光器間非輻射能量的轉(zhuǎn)化率高于普通LED中空穴電子對(duì)的重組比率，使其具有低損耗特性。除了能量轉(zhuǎn)移效率，量子點(diǎn)在紅、黃、綠波長的高量子產(chǎn)率可使熒光物質(zhì)充分釋放而提高輸出效率。其次，量子點(diǎn)LED電致發(fā)光(EL)裝置由薄膜狀的量子點(diǎn)制成，能夠展示出高亮度和窄帶發(fā)射性能。尤其是單分散納米晶量子點(diǎn)能夠提供帶寬非常窄的窄帶發(fā)射，峰值半高寬(fwhm)可降低到8-30nm，其色度更飽和。再次，量子點(diǎn)LED尺寸對(duì)光譜發(fā)射具有可調(diào)性，光學(xué)特性可通過調(diào)整納米晶尺寸實(shí)現(xiàn)，而不依賴于化學(xué)成分的改變。因此，在同一器件上可通過采用不同尺寸的納米晶實(shí)現(xiàn)多波長發(fā)射和寬譜發(fā)射，發(fā)射波長可涵蓋整個(gè)可見(0.4μm-0.8μm)和近紅外光區(qū)(0.8μm-2.5μm)。最后，量子點(diǎn)LED具有更良好的光化學(xué)性能和熱性能穩(wěn)定性。

由于量子點(diǎn)LED在電致發(fā)光(EL)中展示出的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，使其完全能夠勝任前述采用熒光轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的LED不能勝任的特殊應(yīng)用領(lǐng)域。然而量子點(diǎn)LED目前也存在著問題。首先，由于很難控制量子點(diǎn)-量子阱非輻射能量轉(zhuǎn)化，基于白光LED的量子點(diǎn)熒光粉的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論預(yù)期的改進(jìn)(大約53％)。其次，為了獲得預(yù)期的顏色特性的輸出光，LED中多種顏色量子點(diǎn)之間性能的失配對(duì)于多色量子點(diǎn)發(fā)光顏色的平衡是一個(gè)障礙。而明亮的、色度飽和的藍(lán)色電致發(fā)光成分的缺乏，嚴(yán)重影響了量子點(diǎn)LED技術(shù)的發(fā)展。

GaN量子阱的輻射壽命可用于控制InGaN量子阱和CdSe/(Zn，Cd)S量子點(diǎn)間的直接能量轉(zhuǎn)換。眾所周知，直接半導(dǎo)體中的輻射電子空穴重組壽命τT受自發(fā)輻射過程決定，可以通過費(fèi)米(Fermi)的黃金準(zhǔn)則描述為：

τ_T∝|<m>|^-2δ_(v)^-1

其中<m>是光學(xué)過渡的矩陣元素，δ(v)是光子狀態(tài)密度其為頻率V的函數(shù)。光學(xué)過渡矩陣元素是這個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性，由輻射介質(zhì)(QW)的尺寸和成份決定，當(dāng)光子狀態(tài)密度作為波長和方向的函數(shù)時(shí)，可以通過納入共振微腔中的輻射介質(zhì)得以改變，從而最終改變輻射重組壽命。采用以上公式的計(jì)算表明，當(dāng)τ_T延長到0.25ns到1.5ns的時(shí)候，QD-QW的能量轉(zhuǎn)移效率能夠提高50％，進(jìn)而推進(jìn)LED裝置中QD的顏色轉(zhuǎn)換效率。