CN108231985A - 一种具有衍射光栅结构的高色纯度led绿光芯片 - Google Patents

Abstract

一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：包括基板、外壳、电极、半导体层、蓝宝石光栅，采用黑色吸光材料制成的外壳安装在基板上，电极、半导体层、蓝宝石光栅由下至上依次安装在基板上，电极和半导体层电连接；蓝宝石光栅上每毫米内均匀设有n条光栅刻痕，n的取值范围为1000至2000；蓝宝石光栅上每条光栅刻痕的宽度b和光栅刻痕之间的透光部分的宽度a相等；外壳的顶部设有出光缝隙，蓝宝石光栅和出光缝隙的距离d的取值范围为10mm至50mm，设要出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂。本发明具有结构简单、出射绿光纯高、调整灵活方便等优点。本发明属于照明和显示技术领域。

Description

一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片

技术领域

本发明属于照明和显示技术领域，尤其涉及一种具有衍射光栅结构的高色 纯度LED绿光芯片。

背景技术

在世界能源问题日益严峻、环保问题越来越受重视的背景下，发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)凭借着其发光效率高、使用寿命长、环保性好、 体积小、耐冲击等显著优点受到了广泛的关注，成为近年来世界各国研究、应 用的热点。目前，LED已经在日常生产、生活中的各个方面得到了十分广泛的 应用，特别在照明及显示领域有着极为重要的地位，被称为继白炽灯、气体放 电灯和荧光灯之后的“第四代照明光源”。随着LED照明显示行业的迅猛发展 以及更多新型荧光材料的使用，人们对高质量的照明显示需求也日益提高。绿 光芯片虽然很早就已经被发现并使用，但其一直存在激发光色纯度较低的问题， 且绿光中掺杂许多其他颜色光线，满足不了人们对高质量光源的要求。通过对 芯片材料及制作工艺的改进，可提高出光质量，但效果不能令人满意，如何提 高LED绿光芯片的色纯度成为绿光LED研究的难题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种能提高LED绿光芯片色纯度的具有衍射光 栅结构的高色纯度LED绿光芯片。

一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，包括基板、外壳、电极、 半导体层、蓝宝石光栅，采用黑色吸光材料制成的外壳安装在基板上，电极、 半导体层、蓝宝石光栅由下至上依次安装在基板上，电极和半导体层电连接； 蓝宝石光栅上每毫米内均匀设有n条光栅刻痕，n的取值范围为1000至2000； 蓝宝石光栅上每条光栅刻痕的宽度b和光栅刻痕之间的透光部分的宽度a相等； 外壳的顶部设有出光缝隙，蓝宝石光栅和出光缝隙的距离d的取值范围为10mm 至50mm，设要出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂；则出光缝隙的宽度出光缝隙和外壳中心轴的距离

作为一种优选，蓝宝石光栅包括蓝宝石和铝金属层，铝金属层蒸镀在蓝宝 石的上表面，铝金属层的上表面上刻划有光栅。

作为一种优选，铝金属层的厚度5μm-50μm。

作为一种优选，蓝宝石光栅包括蓝宝石，在蓝宝石的上表面刻划有光栅。

作为一种优选，250nm<a＝b<500nm。

作为一种优选，出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂的取值为：λ₁＝500nm、 λ₂＝560nm；n＝1000；a＝b＝50mm；d＝50mm；则出光缝隙的宽度x为3mm，出 光缝隙和外壳中心轴的距离l为25mm。

作为一种优选，出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂的取值为：λ₁＝500nm、 λ₂＝560nm；n＝2000；a＝b＝10mm；d＝10mm；则出光缝隙的宽度x为1.2mm，出 光缝隙和外壳中心轴的距离l为10mm。

作为一种优选，出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂的取值为：λ₁＝500nm、 λ₂＝560nm；n＝1200；a＝b＝10mm；d＝40mm；则出光缝隙的宽度x为2.88mm， 出光缝隙和外壳中心轴的距离l为24mm。

作为一种优选，外壳为立方体状，半导体层在基板上的投影呈长方形，外 壳的长度和宽度均大于半导体层在基板上的投影的长度和宽度。

作为一种优选，外壳为圆柱体状，半导体层在基板上的投影呈长方形，外 壳的直径大于半导体层在基板上的投影的对角线的长度。

本发明的优点：

1、本发明通过激发绿光，再利用光栅结构的多缝衍射和干涉作用，将射到 光栅上的光束按波长的不同进行色散，达到将不同波长光线分散成光谱的作用； 再通过对外壳的出光缝隙和光栅结构的距离以及出光缝隙的位置的布置，从而 实现将指定波长范围的绿光从外壳出射，而其他波长的光则被黑色吸光的外壳 吸收，进而实现发射出高纯度的LED绿光；结构简单，绿光纯度高。

2、本发明通过对光栅刻痕、出光缝隙和光栅结构的距离等参数的调整，从 而可以在根据所需要出射波长的光线对高色纯度LED绿光芯片的结构进行调 整，结构设计灵活，应用方便。

3、本发明通过在蓝宝石上蒸镀铝金属层，并在铝金属层上刻划光栅，因此 出射的绿光纯度更高，绿光出射效果更好。

4、本发明的外壳可为正方体状，也可为圆柱体状或其他形状，可根据实际 使用的场景灵活改变，因此适应性强，应用场景多。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的立体结构示意图。

其中，1-蓝宝石光栅，2-半导体层，3-外壳，4-电极，5-基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。

一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，包括蓝宝石光栅、半导 体层、电极、基板及外壳，外壳安装在基板上，外壳的上部开设有出光缝隙， 电极、半导体层、蓝宝石光栅由下至上依次安装在基板上，电极和半导体层电 连接。

外壳为圆柱体状，且外壳的底部开口，外壳通过底部的开口扣合在基板上。 外壳的直径大于半导体层在基板上的投影的对角线的长度。

在基板的底部，安装两个电极，两个电极一高一低，左侧的电极的高度比 右侧电极的高度低，以将形状不规则的半导体层支撑住。电极给半导体层通电， 半导体层激发出大量绿光。半导体层呈台阶状，半导体层通过台阶状的一面安 装在电极上；半导体的另一面为平面，且在平面上安装蓝宝石光栅。半导体层 在基板上的投影呈长方形。

外壳顶部与蓝宝石光栅的距离d范围为10mm-50mm。在外壳的顶部开设有 出光缝隙。出光缝隙的宽度记为x；出光缝隙和外壳中心轴的距离记为l，本发 明中出光缝隙和外壳中心轴的距离为：出光缝隙与外壳中心轴相邻的一侧和外 壳中心轴的距离。

在本实施例中，蓝宝石光栅包括蓝宝石和铝金属层，铝金属层上加工有光 栅结构，铝金属层蒸镀在蓝宝石上表面；铝金属层的厚度为5μm-50μm。铝金属 层上每毫米内均匀分布有n条光栅刻线，n的数量为1000-2000条；并且每条光 栅刻痕的宽度与光栅之间未刻划光栅刻痕的透光部分的宽度相等。将n定义为 光栅刻痕密度，也即n的取值范围为1000至2000条/毫米。

本发明的工作原理：半导体层激发出大量激发光，激发光包括大量绿光， 同时绿光中掺杂其他波段的光线；激发光从蓝宝石光栅出射，经过蓝宝石光栅 化的光栅结构时发生光栅衍射，不同波长的光线发生不同角度的偏向，在空间 角度中按照波长排列成光谱。黑色的外壳的顶部设置有相应尺寸的出光缝隙作 为出射光线的出口；根据光栅的尺寸及外壳顶部与光栅的距离d计算光线衍射 后的空间分布；再根据目标的出光波段制定出光缝隙的宽度x及位置，使目标 波段的光线顺利出射，其余光线被黑色的外壳遮挡吸收。从而，有效提高LED 绿光芯片的色纯度。

根据上述工作原理，假设所需绿光波长范围为λ₁-λ₂，出光缝隙和外壳中 轴线的距离为l，取光强最大的第一级光谱，即k＝1。θ为LED芯片出射绿色光 偏离外壳中轴线的角度，a为蓝宝石光栅上透光部分的宽度，b为蓝宝石光栅上 光栅刻痕的宽度，计算示意图如图1。具体计算过程如下：

(1)计算光栅常数：(a+b)＝10^-3/n；

(2)则由光栅方程：

由于θ₁、θ₂很小，故取sinθ＝tanθ；因此，由①②式可得：

(3)由③④式可求得：

出光缝隙和外壳中心轴的距离：

出光缝隙的宽度：

从而求出出光缝隙和外壳中心轴的距离l和出光缝隙的宽度x。根据上述推 算，出光缝隙宽度x范围为0.5mm-10mm。出光缝隙和外壳中轴线的距离称为中 轴线距离，中轴线距离记为l，中轴线距离为10mm-50mm。

本实施例中，250nm<a＝b<500nm。

本实施例中，取一块边长为10mm的正方形倒装绿光外延片，该绿光外延 片采用蓝宝石材质制成，置于真空蒸镀机中蒸镀一层厚度为10μm的铝金属层。 再利用光栅刻划机对其蓝宝石光栅上的铝金属层表面进行光栅刻划，光栅刻痕 密度为2000条每毫米。将刻划了光栅结构的绿光外延片切割成边长1mm的芯 片，连接电极和金线后固定于基座上。基座粘连黑色吸光立方体外壳，外壳底 面尺寸为40mm×40mm，外壳顶部与光栅距离d取为10mm。经过计算得，缝 隙宽度x为1.2mm，出光缝隙和外壳中心轴的距离为10mm；将本具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片按照以上取得的数据和计算的数据安装，安装后 的绿光芯片能让波长为500nm-560nm的绿光顺利出射。

实施例二：

本实施例中，外壳为正方体状，且外壳的底部开口，外壳通过底部的开口 扣合在基板上。半导体层在基板上的投影呈长方形，外壳的长度和宽度均大于 半导体层在基板上的投影的长度和宽度。

蓝宝石光栅不蒸镀铝金属层，直接在蓝宝石的上表面刻画光栅。同时，为 进一步说明本发明，本实施例中将光栅刻痕密度取为1000条每毫米，外壳顶部 与光栅距离d取为50mm；从而得出不同的出光缝隙和外壳中心轴的距离、出光 缝隙的宽度。

先取一块边长为10mm的正方形倒装绿光外延片，该绿光外延片采用蓝宝 石材质制成，利用光栅刻划机对蓝宝石的上表面进行光栅刻划，光栅刻痕密度 为1000条每毫米。将刻划了光栅结构的绿光外延片切割成边长1mm的芯片， 连接电极和金线后固定于基座上。基座粘连黑色吸光圆柱体外壳，外壳的底部 直径为40mm，外壳顶部与光栅的距离d取为50mm。根据本发明的工作原理和 以上的计算推导过程，经过计算得，出光缝隙的宽度x为3mm，出光缝隙和外 壳中心轴的距离为25mm；将本具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片按 照以上取得的数据和计算的数据安装，安装后的绿光芯片能让波长为 500nm-560nm的绿光顺利出射。

实施例三：

本实施例中，将n取值为1200条/毫米，外壳顶部与光栅的距离d取值为 40mm。根据本发明的工作原理和以上的计算推导过程，经过计算得，出光缝隙 的宽度x为2.88mm，出光缝隙和外壳中心轴的距离为24mm；将本具有衍射光 栅结构的高色纯度LED绿光芯片按照以上取得的数据和计算的数据安装，安装 后的绿光芯片能让波长为500nm-560nm的绿光顺利出射。其他均和实施例一相 同，对于相同之处不再赘述。

本施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例 的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：包括基板、外壳、电极、半导体层、蓝宝石光栅，采用黑色吸光材料制成的外壳安装在基板上，电极、半导体层、蓝宝石光栅由下至上依次安装在基板上，电极和半导体层电连接；蓝宝石光栅上每毫米内均匀设有n条光栅刻痕，n的取值范围为1000至2000；蓝宝石光栅上每条光栅刻痕的宽度b和光栅刻痕之间的透光部分的宽度a相等；外壳的顶部设有出光缝隙，蓝宝石光栅和出光缝隙的距离d的取值范围为10mm至50mm，设要出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂；则出光缝隙的宽度出光缝隙和外壳中心轴的距离

2.根据权利要求1所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：蓝宝石光栅包括蓝宝石和铝金属层，铝金属层蒸镀在蓝宝石的上表面，铝金属层的上表面上刻划有光栅。

3.根据权利要求2所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：铝金属层的厚度5μm-50μm。

4.根据权利要求1所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：蓝宝石光栅包括蓝宝石，在蓝宝石的上表面刻划有光栅。

5.根据权利要求1所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：250nm<a＝b<500nm。

6.根据权利要求1所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂的取值为：λ₁＝500nm、λ₂＝560nm；n＝1000；a＝b＝50mm；d＝50mm；则出光缝隙的宽度x为3mm，出光缝隙和外壳中心轴的距离l为25mm。

7.根据权利要求1所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂的取值为：λ₁＝500nm、λ₂＝560nm；n＝2000；a＝b＝10mm；d＝10mm；则出光缝隙的宽度x为1.2mm，出光缝隙和外壳中心轴的距离l为10mm。

8.根据权利要求1所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：出设的绿光的波长范围为λ₁至λ₂的取值为：λ₁＝500nm、λ₂＝560nm；n＝1200；a＝b＝10mm；d＝40mm；则出光缝隙的宽度x为2.88mm，出光缝隙和外壳中心轴的距离l为24mm。

9.根据权利要求1所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：外壳为立方体状，半导体层在基板上的投影呈长方形，外壳的长度和宽度均大于半导体层在基板上的投影的长度和宽度。

10.根据权利要求1所述一种具有衍射光栅结构的高色纯度LED绿光芯片，其特征在于：外壳为圆柱体状，半导体层在基板上的投影呈长方形，外壳的直径大于半导体层在基板上的投影的对角线的长度。