專利名稱：發(fā)光二極管的亮度增強方法和裝置的制作方法
發(fā)光二極管的亮度增強方法和裝置
本申請要求自2006年9月23日提交的美國臨時專利申請第60/846516 號的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時專利申請在這里通過引用全文并入。
背景技術(shù)：
本申請通常涉及半導(dǎo)體光源，包括發(fā)光二極管。
在各種應(yīng)用中都想要高亮度的光源。目前，在許多設(shè)備和系統(tǒng)中使用 的高亮度光源是傳統(tǒng)光源，例如HID燈、激光和其它點光源。這種傳統(tǒng)光 源中的一些光源具有各種技術(shù)限制，包括相對短的壽命、難以控制并維持 光的顏色以及相對高昂的制造成本。
固態(tài)光源，尤其是發(fā)光二極管(LED)與燈和其它光源相比，能被設(shè) 計為具有較長壽命、較低能耗、更易處理的發(fā)射波長以及其它益處，并且 在廣泛應(yīng)用中日益取代燈和其它光源。然而，LED有許多性能需要改進， 以便LED能進一步拓寬它的應(yīng)用以取代燈和其它光源。LED的最新進展 增強了在要求高亮度的照明應(yīng)用中使用LED的關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管設(shè)備，其實質(zhì)上避免了由于相關(guān)技術(shù)的限制和 缺點而引起的一個或更多問題。
本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點將在以下的描述中提出，并且根據(jù)描述部分 將變得明顯，或可通過本發(fā)明的實踐學(xué)到。本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點將通 過在書面描述和它的權(quán)利要求以及附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。
為了達到這些和其它優(yōu)點，且依照本發(fā)明的目的，如具體和廣泛描述的，本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管設(shè)備，包括a)具有高反射層的發(fā)光二極 管(LED)芯片；以及b)角度選擇濾光片，其傳播入射角小于選擇角度 的光，并反射入射角大于所述選擇角度的光?？稍贚ED芯片和角度選擇濾 光片之間提供空氣間隙?？拷嵌冗x擇濾光片在光離開的方向上還可提供 偏振器。
在另一方面，本發(fā)明提供一種設(shè)備，其包括發(fā)射光的發(fā)光層；傳播發(fā) 射的光的襯底，發(fā)光層在村底的第一側(cè)面上形成；反射層，其在襯底的第 一側(cè)面上形成，以反射發(fā)射的光，發(fā)光層位于反射層和襯底之間；以及角 度選擇濾光片，其在襯底的第二側(cè)面上形成，角度選擇濾光片反射入射角 大于預(yù)定義的入射角的發(fā)射的光的光射線，并傳播入射角小于預(yù)定義的入 射角的發(fā)射的光的光射線。
在又一方面，本發(fā)明提供一種設(shè)備，其包括發(fā)射光的LED芯片；反射 層，其在LED芯片的第一側(cè)面上形成以反射發(fā)射的光；以及角度選擇濾光 片，其在LED芯片的第二側(cè)面上形成，角度選擇濾光片反射入射角大于預(yù) 定義的入射角的發(fā)射的光的光射線，并傳播入射角小于預(yù)定義的入射角的 發(fā)射的光的光射線。
附圖簡述
圖。； 又 "；"、，、、,、
圖2是從LED的活性發(fā)光層發(fā)射的光以及它在LED反射層和角度選 擇光學(xué)濾光片的作用下的進一步傳播的示意圖。
圖3是角度選擇濾光片的光諳和角度特性。
圖4是帶有角度選擇濾光片的本發(fā)明的替換實施方式的橫截面示意圖。
度選擇光學(xué)濾光片的作用下的進一步傳播的示意圖。圖6是帶有光學(xué)濾光片的本發(fā)明的替換實施方式的橫截面示意圖。 圖7是帶有光反射偏振器的本發(fā)明的替換實施方式的橫截面示意圖。
圖8是帶有光反射偏振器和光學(xué)相位延遲器的本發(fā)明的替換實施方式
的橫截面示意圖。 附圖-參考數(shù)字
100. 102. 104. 106. 108. 110. 112.
優(yōu)選實施方式詳述
一種用于改進LED性能的技術(shù)是使用高驅(qū)動電流來改進單個LED芯 片的性能。這種技術(shù)被LED芯片的熱耗散所限制。其它用于改進LED性 能的技術(shù)包括將反射次黏著基臺(submount )或布拉格光柵(Bragg-grating ) 并入LED芯片，如在例如US6,849,878 B2和US6,784,462 B2中描述的。 這些手段能限制發(fā)射光的角度范圍并增加光亮度。
對于某些應(yīng)用，優(yōu)選來自LED的偏振光。需要偏振轉(zhuǎn)換機構(gòu)來增強輸 出亮度。 一種偏振LED光的方法是將反射偏振器放在LED上。因為LED 光在所有角度都輻射，因此在一些設(shè)計中使用反射偏振器來偏振在所有角 度的光。反射偏振器的這種使用能顯著地折衷在這種LED設(shè)備的輸出中的 偏振度。
這種應(yīng)用還描述了通過使用角度選擇光學(xué)濾光片來提供發(fā)光二極管
LED芯片 LED的發(fā)光層 LED的反射層 角度選擇濾光片 光纖
反射偏振器 四分之一波片的增強的高亮度的設(shè)備設(shè)計和技術(shù)。在一些實現(xiàn)中，高亮度的光源能包括
帶有反射層和角度選擇光學(xué)濾光片的LED芯片。角度選擇濾光片傳播入射
角小于預(yù)定義的選4奪角度(比如，對垂直于或接近地垂直于濾光片)的發(fā) 射的光，并反射入射角大于預(yù)定義的選擇角度(比如，不與濾光片垂直)
的光。這個選4奪角度能由濾光片的設(shè)計來確定，并能根據(jù)應(yīng)用的特定要求
而在比如5。到75°之間變4匕。
角度選擇濾光片能夠位于光離開路徑處，以大的入射角將發(fā)射的光反 射回到LED設(shè)備中。在LED里面的高反射層(通常接近發(fā)光活性層，有 50%或更高的反射率)將大多數(shù)的光以各種角度反射回到角度選擇濾光片。 具有小入射角的光射線能通過角度選擇光學(xué)濾光片并增加角度選擇濾光 片的角度允許范圍內(nèi)的總的通量。結(jié)果，增加了亮度。這樣的一個LED設(shè) 備能配置為使用發(fā)光二極管來提供低成本、高亮度的光源。
當需要偏振光時，反射偏振器能靠近角度選擇濾光片放置來偏振輸出 光。此外，在一些應(yīng)用中四分之一波片能插入在偏振器和角度選擇濾光片 之間。


圖1顯示了基于本發(fā)明的一個實施方式的示例性LED設(shè)備的簡化示意 圖。這個示例LED設(shè)備包括LED芯片襯底100 、由活性半導(dǎo)體介質(zhì)構(gòu)成 的發(fā)光層102、高反射層104和角度選擇濾光片106。發(fā)光層102在LED 芯片襯底100的第一側(cè)面上形成并夾在LED芯片襯底100和高反射層104 之間。發(fā)光層102可發(fā)射朗伯模式(Lambertian pattern)的光。在這種結(jié) 構(gòu)下，在發(fā)光層102中產(chǎn)生的發(fā)射的光被指引傳播通過LED芯片襯底100 朝向LED芯片襯底100的第二側(cè)面。角度選擇濾光片106在LED芯片襯 底100的第二側(cè)面上形成，并設(shè)計為傳播入射角小于預(yù)定義的選擇角度(比 如，垂直于或接近地垂直于濾光片)的光射線，以及反射入射角大于角度 選擇濾光片106的選擇角度的光射線，例如不垂直于濾光片的光射線。高 反射層104可吸收一些進入的光并朝向角度選擇濾光片106反射大多數(shù)以 各種角度進入的光。角度選擇濾光片位于光離開路徑處并應(yīng)接近104。濾 光片106的選擇角度由濾光片的特性決定。這個選擇角度能夠坤皮設(shè)計和制 造成5°到75°之間以滿足不同的應(yīng)用要求。圖2示出圖1中的LED設(shè)備的操作。從102發(fā)射的光射線是或者接近 朗伯模式，這意味著光以所有角度輻射。 一些光向前傳播，其它向后朝向 104傳播。入射角小于濾光片的選擇角度的向前的光將傳播通過106。入 射角大于選擇角度的向前的光將被106反射。反射的光將到達104。大部 分的光(>50% )將被104以朗伯模式反射，并從LED發(fā)射出去。由于104 的吸收， 一些反射的光可能被吸收。再次，入射角小于選擇角度的光將傳 播通過106。所有其它的光將被106再次反射回104。類似地，入射角大 于選擇角度的部分光被104和106轉(zhuǎn)換為入射角小于選擇角度的光。這個 過程不斷地進行下去。因此，與沒有106的情形相比，在選擇角度范圍內(nèi) 的總的光通量將增加。結(jié)果，增強了LED的亮度。
圖3示出了在一個實施例中具有特定反射角度的106的光譜特性。這 里使用藍色LED來說明角度選擇效果。從藍色LED發(fā)射從在445nm到 475nm之間的光。具有小的入射角的光，例如相對于106的法線方向成0 °和IO。的光，將以非常小的損失(<5%)傳播通過106。具有大的入射 角的光，例如30°和60°的光，將幾乎被106反射。明顯地，這個濾光 片的選擇角度在20。左右。角度選擇濾光片能由兩個或更多不同介電層的 薄膜疊層制成。在一些實現(xiàn)中，薄膜疊層能由具有不同指數(shù)的兩種不同電 介質(zhì)材料制成。例如，使用Ti02 (n^2.5)和Si02 (n4.46)制成角度選擇濾 光片。濾光片設(shè)計如下
層厚度(nm)
TI0252.82
SI02154.05
TI0234.88
SI02140.13
TI0249.50
SI02152.45
TI0232.30SI02132.16
TI0253.70
SI02151.07
TI020.44
SI02147.61
TI0252.37
SI02151.07
TI0249.52
SI02141.25
TI0245.56
SI02293.48
TI0249.91
SI02171.36
TI0252.64
SI02155.83
TI0247.16
SI02241.03
TI0256.56
SI02129.17
TI0260.83
SI02197.80
TI0259.32
S102133.13
TI0255.08SI02212.40
TI0254.71
ST02139.50
TI0256.00
SI02218.47
TI0253.59
SI02140.26
TI0257.52
圖4顯示了本發(fā)明的替換實施方式的簡化示意圖。發(fā)光二極管包括帶 有活性發(fā)射層102的LED芯片100、高反射層104和角度選擇濾光片106。 角度選擇濾光片106傳播入射角小于選擇角度(垂直于或接近地垂直于濾 光片)的光，并反射入射角大于選擇角度(不垂直于濾光片)的光。高反 射層104反射大多數(shù)以各種角度進入的光。發(fā)射層104發(fā)射朗伯^^莫式的光。 角度選擇濾光片位于光離開路徑處。在106和IOO之間有小的空氣間隙。
在圖5中，從102發(fā)射的光是朗伯模式，這意味著光以所有角度發(fā)射。 一些光向前傳播，其它向后朝向104傳播。具有小入射角的向前的光將傳 播通過空氣間隙和106。入射角大于臨界角的向前的光將被空氣間隙反射。 因此，間隙也用作角度選擇濾光片。106將進一步過濾通過空氣間隙的光。 因此，小入射角光的總的通量被增加。結(jié)果，增強了LED的亮度。
圖6顯示了本發(fā)明的替換實施方式的簡化示意圖。發(fā)光二極管包括具 有發(fā)光層102的LED芯片100、高反射層104、角度選擇光學(xué)濾光片106 和光纖108。角度選擇濾光片106傳播入射角小于選擇角度(垂直于或接 近地垂直于濾光片)的光，并反射入射角大于選擇角度(不垂直于濾光片) 的光。高反射層104反射大多數(shù)以各種角度進入的光。發(fā)光層104發(fā)射處 于(或接近)朗伯模式的光。角度選擇濾光片位于光離開路徑處。能直接 與LED接觸或通過指數(shù)匹配的樹脂與LED接觸。光纖108用指數(shù)匹配凝 膠(對LED光是透明的)直接連接到106，并接收傳播通過106的光。由于濾光片106將減小發(fā)光角度，所以與沒有濾光片106的情形相比，更多
的校準的輸出光將具有更高的進入光纖的耦合效率。
在圖6中，106的選擇角度與108的受光角匹配。結(jié)果，傳播通過106 的光能—皮有效耦合進入108而具有很少量的亮度損失。
在圖7中，反射偏振器IIO靠近濾光片106放置。因為濾光片106只 將小角度光傳遞到110，所以反射偏振器110能有效傳遞優(yōu)選的偏振狀態(tài)
的光，并反射處于其它偏振狀態(tài)的光射線，所述其它偏振狀態(tài)的光射線包
括返回到層106和100的具有與優(yōu)選的偏振狀態(tài)正交的偏振的光。反射的 光將纟支反射層104的反射去偏光，并且一些光被轉(zhuǎn)換到優(yōu)選的偏振狀態(tài)， 并被指引到106和110。結(jié)果，與沒有106的情形相比，在110之外有更 多的偏振光。因此，偏振器110的反射本質(zhì)使不處于優(yōu)選的偏振狀態(tài)的光 再循環(huán)，并增強了這個偏振LED設(shè)備的輸出效率。在一些實現(xiàn)中，四分之 一波片能夠被插入在層106和110之間，如圖8所示。四分之一波片能有 效地轉(zhuǎn)換偏振狀態(tài)。
這里描述的LED設(shè)備能夠以獲得某些優(yōu)點的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。例如，所描述 的LED設(shè)備的一個優(yōu)點是增強亮度的LED封裝。另一優(yōu)點是所描述的設(shè) 計能用于各種LED芯片，而不要求特殊制造的LED芯片。所描述的設(shè)計 的又一優(yōu)點是由于角度選擇濾光片產(chǎn)生的輸出光的受限制的角度范圍，能 實現(xiàn)從LED到光纖的有效耦合。此外，所描述的LED設(shè)計能用來提供偏 振光的增強輸出。
描述了 一些實現(xiàn)和實施例?；谒枋龅膬?nèi)容能進行其它變化和增加。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管設(shè)備，其包括a)發(fā)光二極管芯片，其具有高反射層；以及b)角度選擇濾光片，其傳播入射角小于選擇角度的光，以及反射入射角大于所述選擇角度的光。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其中所述選擇角度在5。到 75°之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其中所述角度選擇濾光片 位于光離開路徑處并位于所述LED芯片附近。
4. 如權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其中所述角度選擇濾光片 與所述LED芯片直接接觸。
5. 如權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其進一步包括布置在所述 角度選擇濾光片和所述LED芯片之間的指數(shù)匹配的材料。
6. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其中所述角度選擇濾光片 由指數(shù)交變的膜的疊層制成。
7. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其進一步包括光纖，其中 所述光纖的受光角匹配所述角度選擇濾光片的所述選擇角度，以及其中所 述光纖連接到所述角度選擇濾光片。
8. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其進一步包括光纖，其中 所述光纖的受光角等于或大于所述角度選擇濾光片的所述選擇角度，以及 其中所述光纖連接到所述角度選擇濾光片。
9. 一種發(fā)光二極管設(shè)備，其包括a) 發(fā)光二極管芯片，其具有高反射層；b) 角度選擇濾光片，其傳播入射角小于選擇角度的光，以及反射入 射角大于選擇角度的光；以及C)空氣間隙，其位于所述LED芯片和所述角度選擇濾光片之間。
10. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其中所述角度選擇濾光片 位于光發(fā)射路徑處，以及所述空氣間隙厚度小于lmm。
11. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其進一步包括光纖，其中所述光纖的受光角匹配所述濾光片的所述選擇角度，以及所述光纖連接到 所述角度選擇濾光片。
12. —種發(fā)光二極管設(shè)備，其包括a) 發(fā)光二極管芯片，其具有高反射層；b) 角度選擇濾光片，其傳播入射角小于選擇角度的光，以及反射入 射角大于所述選擇角度的光；以及c) 偏振器，其位于光離開方向上靠近所述角度選擇濾光片。
13. 如權(quán)利要求12所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其中所述偏振器是反射偏 振器。
14. 如權(quán)利要求13所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其進一步包括插入在所述 偏振器和所述角度選擇濾光片之間的相位延遲器。
15. 如權(quán)利要求14所述的發(fā)光二極管設(shè)備，其中所述相位延遲器是四 分之一波片。
16. —種設(shè)備，其包括 發(fā)光層，其發(fā)射光；襯底，其傳播所發(fā)射的所述光，所述發(fā)光層在所述襯底的第一側(cè)面上 形成；反射層，其在所述村底的所述第一側(cè)面上形成以反射所發(fā)射的所述 光，所述發(fā)光層位于所述反射層和所述襯底之間；以及角度選擇濾光片，其在所述襯底的第二側(cè)面上形成，所述角度選擇濾播入射角小于所述預(yù)定義的入射角的所發(fā)射的所述光的光射線。lt線，以及傳
17. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述角度選擇濾光片包括介電層 的疊層，所述介電層包括至少兩種不同折射指數(shù)的不同材料。
18. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其進一步包括在所述襯底的所述第二 側(cè)面上的所述角度選擇濾光片上形成的反射偏振器，以傳播處于預(yù)定的偏發(fā)射的光。
19. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其進一步包括在所述反射偏振器和所 述角度選擇濾光片之間的相位延遲層。
20. 如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述相位延遲層是四分之一波片層。
21. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其進一步包括具有端面的光纖，所述 端面被耦合以接收由所述角度選擇濾光片輸出的所發(fā)射的光。
22. —種設(shè)備，其包括 LED芯片，其發(fā)射光；反射層，其在所述LED芯片的第一側(cè)面上形成，以反射所發(fā)射的所述 光；以及角度選擇濾光片，其在所述LED芯片的第二側(cè)面上形成，所述角度選及傳播入射角小于預(yù)定義的入射角的所發(fā)射的所述光的光射線。
23. 如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其進一步包括光纖，所述光纖被耦合 以接收來自所述角度選擇濾光片的光以導(dǎo)引來自所述LED芯片的發(fā)射的 光。
24. 如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其進一步包括在所述LED設(shè)備的所 述第二側(cè)面上的所述角度選擇濾光片上形成的反射偏振器，以傳播處于預(yù) 定的偏振狀態(tài)的發(fā)射的光，以及反射處于與所述預(yù)定的偏振狀態(tài)不同的偏 振狀態(tài)的發(fā)射的光。
全文摘要
一種具有增強的亮度的光源(圖1)包括角度選擇光學(xué)濾光片(106)和具有高反射層(104)的發(fā)光二極管(100)(LED)。角度選擇濾光片(106)位于發(fā)光二極管的頂表面上，從而使特定角度的光通過。根據(jù)一種實施方式，角度選擇濾光片(106)包括指數(shù)交變的層。用反射偏振器，光源能產(chǎn)生具有增強的亮度的偏振光。
文檔編號F21V29/00GK101529162SQ200780035026
公開日2009年9月9日 申請日期2007年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月23日
發(fā)明者麗 徐, 屹 李 申請人:繹立銳光科技開發(fā)有限公司