专利名称：发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光器件领域，更具体地涉及一种包括透光元件的发光器件， 该透光元件包括用于生成光的半导体二极管结构。
背景技术：
已知诸如发光二极管(LED)、高功率LED、有机发光二极管(OLED)和激光器二极管 的半导体二极管是具有小光学扩展量(etendueM即发光面积与发光立体角度的乘积)的 能量高效且小型的光源。这意味着这些二极管从相对小的区域向有限角度范围如半球中发 光。通过使用半导体二极管可以构建小型和高效的光学系统。这样的光学系统通常校准/ 导引光以便进行如任何具体应用所需要的进一步处理。典型应用例子是投影系统、汽车前 照明设备、照相机LED闪光灯和聚光灯。对于这些应用中的多数应用，希望进一步减少LED 光学扩展量以求改进设计的小型化。然而，仅通过按比例缩减整个半导体二极管来减少半 导体二极管的尺寸减少了生成的光通量。已经做出努力来改进发光区域的光方向和位置以 比如增加特定光学设计的效率。例如，朝器件的边缘发射或者朝围绕半导体二极管的反射 体往回发射的光通常难以使用于校准光学器件中并且增加半导体二极管的光学扩展量。在美国专利5，528，057中公开了一种包括光学反射表面的发光元件，该表面具有 用于将发光区域中生成的光向元件的出射窗聚集的倾斜同心表面部分(反射透镜层)。该 发光元件被配置为使得有源层的区用作发光区域。不利的是，该发光元件的效率不佳。
发明内容
本发明的目的在于缓解现有技术的问题。如所附独立权利要求1中阐述的发光器件和如所附独立权利要求15中阐述的照 明系统满足这一目的。在从属权利要求中限定具体实施例。根据本发明的一个方面，提供一种包括透光元件(或者透光组件)的发光器件，该 透光元件包括用于生成光的半导体二极管结构(或者半导体二极管)、用于将来自二极管 的光反射到透光元件中的反射部分以及用于输出来自二极管结构的光的输出部分。另外， 该发光器件还包括反射结构，该反射结构至少部分地围绕透光元件的侧表面，用于向输出 部分反射来自二极管结构的光。根据本发明的另一方面，提供一种包括根据本发明实施例的发光器件的照明系 统。本发明的构思在于通过减少光输出部分同时维持生成的光量(或者光通量)来提 供一种光学扩展量减少的发光器件。该发光器件包括发光(或者透光)元件(或者发光组 件)和至少部分地包围发光元件的反射结构以及至少一个半导体二极管结构(或者半导体 二极管管芯)。透光元件的表面(其中可以发射/提取光)划分成具有不同性质的至少两 个部分或者区域(即可以对该表面进行构图)。至少一个区域具有高提取效率，同时至少一 个其它区域具有高反射效率(或者低提取效率)。换而言之，反射部分和/或输出部分可以布置于发光元件的顶表面和/或发光元件的一个或者多个侧表面。该顶表面可以与子底 座(其上可以布置半导体二极管结构)相对地布置，从而发光元件位于其顶表面与子底座 之间。具有高反射效率的(至少一个)部分旨在于向发光元件中往回反射来自半导体二极 管的光，从而可以向输出部分反射(直接地或者经由例如在反射结构的附加反射)光并且 由此贡献来自发光器件的光通量。反射结构(围绕透光元件)也直接地或者经由例如在反 射部分的附加反射来反射光，从而可以最终经过输出部分(输出表面)发射反射光。另外在反射结构和半导体二极管结构(或者半导体二极管)中通过优化低损耗条 件来再循环未提取的光。因此，光在空腔中反弹直至它撞击提取区域(或者输出部分)，其 中将发射光。结果是可能失去总光通量中的一些光通量，但是可以增加在输出部分的通量 密度(亮度)。根据上述，已经获得光学扩展量减少的发光器件同时保持器件的光通量尽可 能高。有利地，经过限定的输出部分发射的光更容易投入应用并且获得任何应用的光学构 造的更小设计。可以注意到，是否将有总通量损耗依赖于器件的构造、尤其是周围子底座的构造。 具有低反射率的子底座将造成通过发光元件的边缘向子底座发射的光的高的光损耗。因此 优选利用高反射率的反射结构，由此可以增加通量密度。另外即使LED发射的总光通量会减少，在光学构造如校准器中的总有用光通量可 以在更多光在最有效地投入应用的方向上发射时增加。例如，在与发光元件的顶表面(即 上文提到的划分成部分的表面)的法线角度(0度)附近的10-15%的亮度增加实现校准器 (光学构造)的光增益，而校准器未高效使用在大角度如80至90度的光通量。对“上”、“下”、“顶(部)”、“底(部)”、“(更)上”、“(更)下”、“之上”、“之下”等 的任何引用将以与半导体二极管结构的平面平行的平面为参照来理解并且仅用来增加简 洁性。因此应当注意发光器件可以倾斜任何具体角度，从而这些引用可能需要相对于当前 研究的具体发光器件的实际位置来重新解释。另外可以注意透光元件的侧表面一般垂直于输出部分的平面。然而也可以针对任 何特定应用实现其它角度定向。优选的是半导体二极管结构为顶部发射型。另外，反射结构可以包括任何适当反射装置，比如反射层、反射涂层、反射膜或者 反射体(比如(分色)镜、散射反射体、金属反射体、分色反射体或者其组合等)。“用于生成光的半导体二极管结构”这一表达应当理解为包括激光器二极管，特别 是VCSEL (垂直腔表面发射激光器)、发光二极管(LED)等。可以注意到，VCSEL将一般具有 经过顶表面的校准发射。因此一般而言，VCSEL将仅经过顶表面而不经过侧表面发光。然 而当将VCSEL与荧光体组合以将UV或者蓝光转换成另一颜色时，将散射光并且将可能经过 侧表面发光。已经发现，在根据本发明的发光器件的实施例中，二极管结构的光生成区优选地 尽可能大。另外优选的是，输出部分的面积小于透光结构的顶表面的面积(并且小于二极 管结构的光生成区域的面积)。优选地，反射部分的面积与输出部分的面积之比相对较小， 即输出部分与反射部分相比较大。由于输出部分小于生成光的区域，所以光学扩展量减少， 并且由于借助反射结构进行再循环，所以实现亮度增益。以这一方式，发光器件的光学扩展 量减少，即生成大的光通量并且从可以构成发光元件顶表面一部分(或者发光元件侧表面 一部分)的输出部分发射大的光通量。另外在一些实施例中优选的是侧表面由反射结构基本上完全围绕。在根据本发明的发光器件的一个实施例中，反射部分具有折射率比透光元件的折 射率低的材料，由此可以通过全内反射来反射光。换而言之，提供从透光元件的第一折射率 向在反射部分提供的材料的比提到的第一折射率更低的折射率的转变。以这一方式将通过 全内反射来反射在反射部分上入射的大部分光。这尤其出现在透光元件的折射率与具有高 反射率的区域(反射部分)相比为高时。在根据本发明的发光器件的另一实施例中，反射结构还围绕反射部分，即在反射 部分的反射装置可以由如下反射结构提供，该反射结构至少部分地围绕透光元件和透光元 件的反射部分。具有低(与输出部分相比)提取效率的(至少一个)部分也可以具有低光 学损耗性质以免比如明显损耗(吸收)在这一部分或者这些部分上入射的光。通常，反射 部分包括反射系数接近100%的高度反射涂层(或者层)。例如可以运用扩散散射涂层、金 属镜、分色镜或者其组合。应当注意，在根据本发明的发光器件的其它实施例中，可以实现如下反射部分，该 反射部分利用折射率转变和反射结构的组合。在根据本发明的发光器件的更多实施例中，输出部分包括粗糙化的区域，比如前 向散射区域或者前向散射层/涂层、微光学提取结构、微棱镜棱柱或者槽、衍射光栅、全息 光栅结构、光子晶体、准光子晶体等或者其组合。以这一方式可以增加发光器件的提取效率。在根据本发明的发光器件的更多实施例中，发光元件(或透光组件)还包括设置 于半导体二极管与输出部分之间的光导层。例如，光导层可以包括荧光体材料、荧光体陶瓷 材料、LED衬底、透明YAG、玻璃、蓝宝石、铝或石英或者其组合。在光导层包括荧光体材料和 透明层(LED衬底)的情况下，荧光体材料和透明层的总厚度可以调整成半导体二极管的有 源光生成层的厚度。以这一方式，一般可以增加器件的效率，只要光导层基本上无损耗和不 吸收。在根据本发明的发光器件的更多其它实施例中，输出部分具有第一荧光体(陶 瓷)材料。以这一方式，可以控制从发光器件发射的光的色成分(color content)。另外在根据本发明的发光器件的更多其它实施例中，在输出部分提供的荧光体 (陶瓷)材料可以是与光导层包括的荧光体(陶瓷)材料不同的类型。例如，包括发射蓝光 的半导体二极管、导致白(即红、绿和蓝的混合物)光通量的诸如YAG:Ce(蓝光转换成绿、 黄和一些红光)的荧光体材料的光导层和包括红色荧光体材料的输出部分的发光器件可 以提供暖白光发射。在白荧光体中，蓝光的一部分转换成红、黄和绿光(由此提供作为红、 黄、绿和蓝的混合物的白光)并且红色荧光体将增加所发射的光中的红光的量，从而所发 射的光将被感知为暖白光(即，具有红色组分的白光)。在根据本发明的发光器件的更多实施例中，发光元件还包括第二输出部分，该第 二输出部分具有与第一荧光体(例如陶瓷)材料相比为不同类型的第二荧光体(例如陶 瓷)材料。以这一方式，来自输出部分的不同颜色的光将在远场中混合。光的混合物(色 成分)可以通过特定颜色的输出部分(即，具有不同荧光体材料的输出部分)的布置和数 量确定。例如，当使用发射蓝光的半导体二极管时，具有红色荧光体的两个输出部分和具有 绿色荧光体的一个输出部分(以及任选地一些“空的”输出部分)可以提供远场中的暖白
5光发射。另外在根据本发明的发光器件的一些实施例中，发光元件包括输出部分的阵列。此外在根据本发明的发光器件的实施例中，输出部分的形状可以是矩形、三角形、 多边形、方形、椭圆形、圆形、十字或者甚至文本消息或者图像形式或者其组合。在根据本发明的发光器件的更多其它实施例中，输出部分具有校准器、光提取穹 顶或者其组合。LED通常配备有半球穹顶以从器件提取更多光，从而与从平坦发光表面向空 气的直接透射相比减少在发光表面的全内反射。以这一方式，可以根据任何具体应用的需 要来控制发光器件的发光。例如，用作闪光的LED可以与校准器光学器件组合以将半球立 体角的发射光挤压成+/-20度的校准光束。类似构造可以用于投影显示应用。本发明的更多特征和优点将在研读所附权利要求和下文描述时变得清楚。本领域 技术人员认识到可以组合本发明的不同特征以产生与下文描述的实施例不同的实施例而 不脱离本发明的范围。
根据以下具体描述和附图将容易理解本发明的各种方面、包括它的具体特征和优
；^^，I .图1示出了根据本发明一个实施例的发光器件的横截面侧视图；图2示出了根据图1的发光器件的横截面侧视图，其中透光元件还包括LED衬底；图3示出了根据图2的发光器件的横截面侧视图，其中输出部分具有荧光体材 料；图4示出了根据本发明另一实施例的发光器件的横截面侧视图，其中透光元件还 包括白色荧光体材料而输出部分具有红色荧光体材料；图5示出了根据本发明又一实施例的发光器件的横截面侧视图，其中发光器件具 有用于引导来自输出部分的光的穹顶；图6示出了发光器件的横截面透视图，其中透光元件包括荧光体材料；图7示出了根据图6的发光器件的另一实施例的横截面透视图；图8示出了图6中的发光器件的又一实施例的横截面透视图，其中发光器件具有 多个输出部分，各输出部分的形式为方形；图9示出了图8的发光器件的另一实施例的横截面透视图，其中各输出部分的形 式为圆形；图10示出了根据本发明的发光器件的又一实施例的横截面透视图，其中透光元 件还包括LED衬底，并且第一组输出部分具有第一类型的荧光体材料，第二组输出部分具 有第二类型的荧光体材料，而第三组输出部分具有第三类型的荧光体材料；图11示出了根据本发明的发光器件的又一实施例的横截面侧视图，其中多个输 出部分中的各输出部分具有相应提取穹顶；图12示出了根据本发明的发光器件的又一实施例的横截面侧视图，其中多个输 出部分中的各输出部分具有相应校准器，并且图13示出了根据本发明的发光器件的又一实施例的横截面侧视图，其中多个输 出部分具有粗糙化的提取区域；
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图14示出了根据本发明的发光器件的又一实施例的横截面侧视图，其中输出部 分和反射部分布置于发光元件的侧表面。
具体实施例方式在整个下文描述中，适当时相似标号用来表示相似元件、部分、项或者特征。在图1中示出了根据本发明一个实施例的发光器件的横截面侧视图。发光器件1 包括透光元件2 (在这一情况下为LED管芯或者LED芯片3)和反射体4 (反射结构)。发 光器件装配于子底座6上。如从图1可见，反射体4布置成部分地覆盖LED管芯3的上表 面。结果是LED管芯3的上(根据图1)表面(LED层或者半导体二极管结构)包括用于输 出来自LED管芯3的光的输出部分21和用于将来自LED管芯3的光往回反射到LED管芯 中的反射部分22。反射光将再次反射并且将最终撞击输出部分21，由此贡献来自发光器件 的光通量。LED管芯的尺寸通常为ImmX 1mm而其厚度通常为1至10 y m。发光器件1的尺 寸可以大得多。反射体可以是金属反射体(典型厚度为lOOnm)、分色反射体(通常厚度为 1-5 ym)、散射反射体(通常厚度为5-200iim，常见约为50iim)。在一些实施例中可以优选 组合在顶表面的金属(或者分色)反射体与在侧表面的散射反射体。另外在图1中示出了多个椭球形(或者横截面为椭圆形)元件(或者简称为珠)。 这些珠表明用于在半导体二极管3两端施加驱动信号(电压或者电流)的正和负电连接。 LED管芯3为TFFC(薄膜倒装芯片)型，其中LED管芯3形成薄层(已经去除原载体衬底) 并且LED管芯3倒置装配(“倒装”)于子底座6上。从LED管芯3的同一侧连接正和负 接触。在LED芯片3内部有用于将底部接触连接到顶部LED电极(未示出)的一些电过孔 (未示出)。珠示意地描绘了 LED管芯3的接触。未详细地示出LED管芯3本身。众所周 知，LED管芯3由包括pn结的若干半传导层和用于驱动LED管芯3的接触构成。LED管芯 3的后部也通常覆盖有高反射层如金属反射体，该高反射层同时可以是管芯的后电极。以这 一方式，迫使在LED中生成的光典型地在向上方向上在半球中发射。经由子底座从底部接 触图1中所示LED管芯3。然而有在LED管芯3的后部与子底座6的连接焊盘之间通过焊 接或者熔接工艺来制成更直接电接触的其它连接技术。也可以实现在LED管芯3与子底座 6之间无珠的直接接触。因而基本上整个LED管芯3将被激活并且建立基本上在整个LED 管芯3上方延伸的伸长的光生成有源区。也可以使用共同顶部接触构造。在这样的顶部接 触构造中，使用导线键合来从子底座上的接触区域接触LED的顶部电极。这由于光学和构 造考虑而欠优选。另外，LED管芯3的电极可以划分成同时发光或者可以根据与分段的电连接来个 别寻址的分段区。这样，LED管芯3可以拆分成可以单独电控制的各种区。分段的区域可 以在同一 LED衬底上彼此邻接地制成并且可以共享共同电极(顶部或者底部电极)。然而 分段也可以由彼此邻近构造的单独管芯构成，其中LED管芯为多管芯型。例如LED管芯可 以由发射红色、绿色或者蓝色的区域构成。类似考虑对于其它发光半导体二极管如固态激 光器成立。现在参照图2，图示了根据图1的发光器件的横截面侧视图。在图2中，图1中的 发光器件的透光元件2还包括LED衬底5 (该衬底典型地具有100-300 u m、优选为100 u m 的厚度)。在LED管芯3之上提供LED衬底5。在图中表明了三个光束31、32、33。第一光
7束31表明光可以在由在透光元件2的侧表面的反射体4反射之后在输出部分21上入射。 第二光束32示范了在输出部分21上直接入射的光。最后一个光束33图示了在被输出部 分21提取之前已经在反射体4 (在透光元件2的侧表面附近和在反射部分22)反射数次的 光束33。可以注意到，使用已经从衬底去除的LED管芯3同样是可行的。取而代之，通常通 过胶粘结(未示出的粘合剂层)可以将它粘结到其上已经固定有反射体的透明片(tile) 上。可能的优点可以在于，可以单独制作LED管芯3和具有反射体的透明片。在图2中，将(光束31、32和33)在反射体4的反射示出为镜面反射，其中入射角 和反射角以法线方向为参照是相等的。然而这些反射也可以是漫反射而不是镜面反射，或 者是部分镜面反射和部分漫反射的组合。这将依赖于所用反射体类型，比如沉积于光滑表 面上的铝或者银的金属将是镜面反射体，而沉积于粗糙表面上的金属将通常是仅部分镜面 反射和部分漫反射，其中反射角将偏离于入射角，其中偏离量将依赖于现有的粗糙度的量。 优选地，反射体是散射(漫射)反射体如白色涂料或者有孔陶瓷，由此将入射光重定向至偏 离角度使得光以次数最少的反射互作用经过输出部分逃逸。LED衬底5或者单独附着的透 明片也可以包含散射中心(比如有偏离折射率的小孔、晶体或者小区域/粒子)以实现重 定向能力。图3示出了根据图2的发光器件的横截面侧视图。在这一例子中，例如通过将荧 光体粘结到LED衬底或者透明片(未示出的粘结层)使输出部分21具有荧光体材料7、优 选为荧光体陶瓷材料。可以根据具体应用的要求来选择荧光体的颜色，比如红色、绿色和蓝 色。对于一些应用，可能希望例如在堆叠配置中组合使用若干荧光体材料，比如对于当来自 LED管芯的光为蓝色时的情况使用与红色层组合的绿色层。在堆叠配置中或者在不同输出 区域21横向布置的组合荧光体主要适用于图4(见下文)，其中层8可以由若干堆叠的荧 光体层(更易于实施)或者横向布置的组合荧光体构成。横向布置的配置可以与LED管芯 (电极)分段(如上所述)组合以调节经过输出区域的光的颜色比例。在图3中，层7也可 以包含荧光体层的堆叠或者具有横向布置的荧光体部分。以这一方式可以实现白光(作为 红光、绿光和蓝光的混合物)。有利地，在输出部分提供的层的厚度决定发射光的色成分。
在图3中的发光器件的又一例子中，LED衬底5 (或者如图4中的荧光体元件8)可 以延伸超出LED管芯(或者发光固态器件)3的区域。在LED管芯3上的超尺寸衬底5对 于促进衬底向LED区域的粘结和定位准确度是有用的。荧光体层7 (该层也可以存在于图1 中的输出部分21)的面积小于LED管芯3的面积。将注意到，荧光体层的厚度未必与反射 结构4的厚度相同。荧光体层7可以更薄或者更厚。反射体涂层4(反射结构)也可以覆 盖荧光体层7的侧部，并且输出部分也可以限定于荧光体层的顶部(或者荧光体表面)上。
参照图4，示出了根据本发明另一实施例的发光器件1的横截面侧视图。在这一 例子中，发光器件1包括厚度为50至400 u m、优选为120 u m的包括白色荧光体陶瓷材料8 的透光元件2。另外，发光器件1的输出部分21具有红色荧光体陶瓷材料7。LED管芯3能 够发射蓝光。在这一配置中，从LED管芯3发射的光(通常为蓝光)在白色荧光体陶瓷材 料8中转换成红光和绿光(来自LED管芯3的一些蓝光完全未转换)。在光退出发光器件 1之前，红色荧光体陶瓷材料7将穿过的一些光转换成波长通常更长的红光，由此增加发射 光中的深红光部分。因而来自发光器件的发射被感知为暖白光。荧光体层7在厚度上可以 偏离于反射体的厚度(更薄或者更厚)。
图4也可以描绘其中荧光体层8将蓝光转换成例如绿光、棕黄光或者红光的配置。 在这样的配置中，层7代表允许转换的绿光、棕黄光或者红光通过的蓝色吸收层。以这一方 式，滤除或者吸收任何少量未转换的蓝光以向有色的绿色、棕黄色或者红色发射提供色纯 度的增加。在发光器件的又一例子中，层7可以代表反射蓝光并且透射转换光的分色滤光 器。在这一情况下，蓝光具有由荧光体层8吸收并且作为转换光来发射的合理可能性，由此 再循环蓝光。将注意到，在示例发光器件包括布置于LED管芯3上(或者之上)的荧光体(陶 瓷)材料的图中已经省略薄(或者数微米厚)粘结或者粘合剂层如硅树脂以求简洁。在荧 光体层由分散于粘结剂如硅树脂中的荧光体粒子构成的情况下，通常无需这样的粘结层。在图5中示出了根据本发明又一实施例的发光器件的横截面侧视图。这一示例发 光器件1包括用于增加在输出部分的光提取效率的穹顶9。穹顶通常为硅树脂穹顶。通常， 穹顶外部是硬硅树脂而内部是硅树脂凝胶。穹顶具有阻碍在荧光体上的提取表面的全内反 射(因为与无穹顶9的情况相比在输出部分21的折射率差减少)的效果。从穹顶向空气 的后续转变出现于弯曲圆形穹顶表面并且因此或多或少以与这一界面的法线接近的角度 出现从而产生最少的光反射损耗，由此最大化提取效率。由于荧光体材料8的提取区域(输 出部分21)比通常的提取区域更小，所以穹顶9在尺寸上与常规LED相比可以更小。然而 反射体4中的孔(输出部分21)也可以设置有校准器以便实现来自发光器件的校准发光。 另外，反射层4覆盖子底座6的一部分。以这一方式，可能退回在穹顶的边缘(它在此连接 到子底座)和穹顶的中心内的透光元件之间的来自穹顶出口的任何反射光将(比在子底座 6无反射体部分的情况时)效率更高地反射，因为反射体将具有高于子底座的反射率。现在参照图6，示出了发光器件1的横截面透视图。在这一例子中，透光元件2包 括荧光体材料8。反射体4涂敷于荧光体材料层8的顶部上。形成方形形状的在反射体中 的孔(输出部分21)用于来自LED管芯3的光的发射。方形光学体(光导层)(比如延伸 超出反射体表面22的方形玻璃片)可以存在于输出区域21以便通过减少在输出区域的全 内反射并且经过玻璃片的顶表面和侧表面提供光提取来从器件提取更多光。图7示出了根据图6的发光器件1的另一实施例的横截面透视图。在这一例子 中，输出部分21的形状为圆形。这可能特别引人关注，因为圆形输出部分21将来自常规 LED(或者发光器件)的典型方形形状的发射转换成圆形角对称圆光束。有利地，角对称光 束可以与提取穹顶或者圆形校准器光学器件组合使用。然而应当注意输出部分21的形状 可以是圆形、方形、三角形、矩形、椭圆形、十字形状或者甚至包含文本消息或者图像/标志寸。在图8中图示了图6中的发光器件的又一实施例，该图示出了其横截面透视图。如 图中可见，反射体4具有多个孔或者输出部分21。输出部分21呈矩阵布置，但是应当理解 到，可以用许多其它方式(比如线结构或者交叉线结构)布置(构图)输出部分。这一构 图自由度允许控制输出面积与反射面积之比，由此影响提取效率。此外，它还实现有可能制 成具有不同尺寸和形状的仍然产生相似的输出面积与反射面积之比的输出区域和反射体 区域。以这一方式可以控制全部提取在器件区域之上的均勻性或者在器件区域上的提取位 置。另外，提取区域的图案可以匹配于附加光学元件(比如穹顶、透镜、校准器、滤色器、吸 收滤光器、分色滤光器)的图案。
在图9中示范了图8中的发光器件的另一实施例的横截面透视图。这里将输出部 分21成形为反射体4中的圆形孔。圆形输出部分同样可以具体地与圆形光学器件如穹顶 或者圆形校准器组合使用。图10示出了根据本发明的发光器件的又一实施例的横截面透视图。在这一例子 中，透光元件2还包括LED衬底5，并且第一组输出部分21保持为空白或者由透明材料填 满，第二组输出部分22具有第一类型的荧光体材料如红色荧光体，而第三组输出部分23具 有第三类型的荧光体材料如绿色荧光体。LED管芯3能够发射蓝光。以这一方式可以实现 红光、绿光和蓝光的混合以便获得白光。远场图案(与发光器件有一段距离的光)的色成 分取决于空白、红色和绿色输出部分的比例。当然类似地可以使用UV发射半导体器件。在 这样的器件中，空白/透明区由UV吸收-蓝色发射荧光体填充。适当蓝色、绿色和红色荧 光体的组合提供白光。另外在图11中示出了根据本发明的发光器件1的又一实施例的横截面侧视图。多 个输出部分21中的各输出部分具有相应提取穹顶9。以这一方式增加了发光器件的提取效 率，这是因为减少了全内反射的光量。在这一例子中，透光元件2包括荧光体(陶瓷)材料 8。然而，该荧光体材料可以由LED衬底或者透明玻璃件等取代。透明材料可以包含散射中 心以使光更多地漫射。现在参照图12，示出了根据本发明的发光器件1的又一实施例的横截面侧视图。 在这一例子中，多个输出部分21具有校准器，优选为如图12中所示一个校准器用于各相应 输出部分21。从输出部分21发射的多个光束40表明光束被校准。然而光束可以从彼此略 微发散。输出部分的阵列图案(如图8-13中所示)将发光器件1细分成尺度减少的虚拟 光源。如图5和图11中所示，这些光源可以各自具有它们自己的提取穹顶以增强提取效 率。此外如图12中所示，这些虚拟光源可以与校准器阵列光学器件组合以便实现校准的光 通量阵列。例如在一些虚拟光源使用校准器而在一些其它虚拟光源使用穹顶以组合来自穹 顶区域的大角度分布与来自校准器区域的小角度分布可以是有利的。也类似于图10，图11 和图12中的输出区域21可以由荧光体材料覆盖。参照图13，示出了根据本发明的发光器件1的又一实施例的横截面侧视图。在这 一例子中，多个输出部分21具有粗糙化的提取区域，比如向前散射区域、微光学提取结构、 微棱镜棱椎或者槽、衍射光栅、全息光栅结构和(准)光子晶体。反射区域22的提取效率 降低，因为在这些部分上入射的大部分光将被全内反射。光将被全内反射是因为大部分入 射光的角度超过临界角。可以向提取效率降低的区域添加有光学接触或者无光学接触(比 如在反射体与光学体或者光导层8之间具有小的空气间隔)的附加反射体以进一步降低它 们的提取效率并且将光重定向以通过提取效率高的区域来再循环和再发射。光学体(光导 层)8可以是荧光体材料或者LED衬底或者不吸收入射光的任何其它光学元件。可以向一些或者所有输出部分21应用粗糙化的区域。应当注意这些表面粗糙化 结构可以与这里描述的任何实施例组合运用。显然地类似于图5、图11和图12，这些表面 粗糙化结构可以与穹顶结构或者校准器结构组合。在所有上述实施例中，LED管芯、LED衬底、光学体(光导层)如LED衬底或者荧 光体材料的侧部由反射体覆盖。这出于效率原因是优选的。然而这些侧部不是必须覆盖或者可以仅部分地覆盖。除了在器件的顶表面的输出部分之外或者取代在顶表面的输出部分 (顶表面在该情况下将包括均勻反射层)，输出部分也可以存在于侧部区域。现在参照图14，示出了包括发光元件2的发光器件1的例子，该发光元件2包括 LED衬底5和LED管芯3。发光元件2包括位于发光元件2的侧表面的输出部分21和反射 部分22。另外，发光器件包括反射体4。在根据图14的发光器件1的其它例子中，可以省 略在顶表面的输出部分21和反射部分22。应注意到，在图(除了图11和图12之外)中已经用直线绘出在侧部的反射体4。 在实践中，反射体4的侧部形状可以如图11和图12中一样向外或者向内(凹入，未示出) 略微弯曲。凹曲率在使用下文进一步提到的涂覆技术时甚至更有可能。在又一例子(未示出)中，使用激光器二极管作为半导体二极管结构(图中表示 为3)。优选地运用VCSEL(垂直腔面发射激光器)。类似于从LED发光的方式，这样的激光 器二极管经过其顶表面发光。通常，激光器二极管具有450nm的波长(蓝光)。另外，这样 包括VCSEL的发光器件还包括荧光体材料，比如YAG:Ce。YAG:Ce能够将蓝光转换成黄光从 而混合成白色。也可以使用其它荧光体以比如将蓝光转换成例如绿色、棕黄色或者红色。来 自激光器二极管的光束通常在荧光体中散射(例如通过荧光体层中的孔或者其它散射中 心)以便从发光器件直接泄漏(输出)光，由此不再校准激光器的光。如果荧光体材料基 本上透明，则一些原有校准光可以保持它的校准和极化并且可以经过输出部分透射。转换 的光通常将被各向同性发射并且因此不含明显程度的校准。光束可以在其它例子中引向反 射顶表面(或者图中表示为22的反射部分)而不直接引向输出部分。散射反射体(即图 中的反射体4)反向散射荧光体未转换的任何蓝色或者UV激光器的光并且再分布激光器的 光，由此失去校准和极化。然而获得了蓝光转换成希望的颜色或者蓝色与转换色混合成例 如白色的效果。如果使用透明体，则将经过输出部分直接发射部分激光器的光从而提供构 图的激光输出。可以根据存在于输出区域的上文已经提到其例子的光学结构来保持或者失 去校准。将再循环未经过输出区域导引的激光器的光以实现更高效率。如果使用镜面反射 体，则可以(部分地)保留校准和极化。如果使用更多散射的反射体，则将在更大程度上失 去校准、相干和极化。在发光器件的上述例子中，可以使用InGaN(铟镓氮)型蓝色高功率LED(图中表 示为3)。在适当衬底(其中衬底的原子堆积距离应当充分匹配于生长的LED材料(如本 领域中众所周知的))上以复合层堆叠生长这样的LED。这样的衬底可以是SiC、优选为蓝 宝石(A1203，n = 1. 77)。衬底可以数百微米厚、通常为100 iim。有用于例如用激光释放工 艺去除衬底从而从衬底释放薄LED层(例如数微米至10微米厚)的已知技术。在薄LED 层上通常可以通过粘结(上文已经描述粘结层)来沉积荧光体层。例如，陶瓷荧光体部件 (例如1 X 1mm和120 u m厚的陶瓷片)可以粘结到1 X 1mm的LED层(或者LED管芯)。然 而常规荧光体材料(包括嵌入于聚合树脂中的数微米尺寸的荧光体粒子)也可以直接沉积 在LED芯片(或者LED层)上。在根据本发明的发光器件的又一例子中，与一个输出部分(或者多个输出部分) 相邻应用的反射体(图中表示为4)具有接近100%的反射率。在欧洲专利申请07122839. 9 中描述了可以按可接受的涂覆厚度实现这一点的反射体涂层类型。这一涂层由混合材料系 统构成，该系统组合高指数相与适当尺度的低指数相以比如基本上反向散射入射光。可以耐受接近LED有源区的高光通量密度和热负载的优选材料系统是基于由高指数粒子(通常 为100至lOOOnm直径的Ti02)填充的诸如硅酸盐或者聚甲基硅酸盐等溶胶-凝胶派生的 粘结剂系统，而反射体厚度范围为2至1000 u m、优选为20至50 y m。取而代之，可以使用 形式为金属层比如银涂层的反射体(如上文提到的那样)。然而可能难以实现这样的金属 层的高反射率并且同时保护金属免受腐蚀。同样如上文提到的那样，可以使用分色反射体。 这样的分色反射体可以具有很高的反射率(高达98%或者更多)，但是在一般情况下这样 的反射体可能对于更大入射角而言性能降低。应当理解到，可以应用不同反射体类型的组 合，比如在金属层前面的分色涂层。另外可以用多种方式生成输出部分(图中表示为21)。在白色反射体涂层(比如 打02填充的溶胶-凝胶涂层)的情况下，可以在涂层的湿润或者凝胶相期间借助压花来生 成孔图案(即输出部分21)。取而代之或者除此之外，还可以通过对沉积于孔区域(或者输 出部分)上的疏水图案(可以通过微接触印刷或者其它印刷技术来涂敷该图案)进行去湿 来实现孔图案。用于生成孔图案(即在覆盖透光元件的顶表面时反射结构中的输出部分)的更多 技术包括直接印刷，比如网印或者喷墨印刷、光刻蚀刻方法或者激光烧蚀。可以使用通过掩 膜的沉积、光刻蚀刻、反应离子蚀刻或者激光烧蚀来实现先前提到的金属或者分色构图。尽管已经参照本发明的具体示例实施例描述了本发明，但是许多不同变更、修改 等对于本领域技术人员而言将变得清楚。描述的实施例因此并不意在限制如所附权利要求 限定的本发明范围。
1权利要求
一种发光器件(1)，包括透光元件(2)，所述透光元件(2)包括用于生成光的半导体二极管结构(3)，用于将来自所述二极管结构(3)的光反射到所述透光元件(2)的反射部分(22)以及用于输出来自所述二极管结构(3)的光的输出部分(21)，其中所述器件(1)还包括反射结构(4)，所述反射结构(4)至少部分地围绕所述透光元件(2)的侧表面，用于向所述输出部分(21)反射来自所述二极管结构(3)的光。
2.根据权利要求1所述的器件(1)，其中所述反射结构(4)还围绕所述反射部分(22)。
3.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中所述反射部分(22)具有折射率比所述 透光元件(2)的折射率更低的材料，由此通过全内反射来反射在所述半导体二极管结构中 生成的所述光的部分。
4.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中所述输出部分(21)包括粗糙化的区域。
5.根据权利要求4所述的器件(1)，其中所述粗糙化的区域包括前向散射区域、微光学 提取结构、微棱镜棱柱或者槽、衍射光栅、全息光栅结构、光子晶体、准光子晶体等或者其组I=I O
6.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中所述发光元件(2)还包括设置于所述 二极管结构(3)与所述输出部分(21)之间的光导层(5，8)。
7.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中所述光导层(5，8)包括荧光体材料、荧 光体陶瓷材料、LED衬底、透明YAG、玻璃、蓝宝石、石英或者其组合。
8.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中所述输出部分(21)具有第一荧光体材 料(7)、优选地为第一荧光体陶瓷材料。
9.根据权利要求8所述的器件(1)，其中在所述输出部分(21)提供的所述荧光体材料 (7)是与所述光导层(5，8)包括的、优选地为荧光体陶瓷材料的荧光体材料(8)不同的类 型。
10.根据权利要求8或9所述的器件(1)，其中所述发光元件(2)还包括具有类型与所 述第一荧光体材料不同的第二荧光体材料的第二输出部分(23)。
11.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中所述发光元件(2)包括输出部分(21) 的阵列。
12.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中至少一个输出部分(21)的形状为矩 形、三角形、多边形、方形、椭圆形、圆形、十字形式或者文本/图像/标志或其组合的形式。
13.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中至少一个输出部分(21)具有校准器、 光提取穹顶或者其组合。
14.根据任一前述权利要求所述的器件(1)，其中所述二极管结构(3)是薄膜倒装芯片 型二极管结构(3)。
15.一种照明系统，包括根据权利要求1-14中的任一权利要求所述的器件。
全文摘要
本发明涉及发光器件领域，具体地涉及一种包括透光元件(2)的发光器件(1)。该透光元件(2)还包括用于生成光的半导体二极管结构(3)，用于将来自二极管结构(3)的光反射到透光元件(2)的反射部分(22)以及用于输出来自二极管结构(3)的光的输出部分(21)。该发光器件(1)还包括反射结构(4)，该反射结构(4)至少部分地围绕透光元件(2)的侧表面，用于向输出部分(21)反射来自二极管结构(3)的光。
文档编号H01L33/22GK101978516SQ200980110163
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月21日
发明者H·J·B·贾格特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司