CN102844896A - Led热量和光子提取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于半导体的光源（15），它包括背部（5）、正面（45）和具有发光表面的至少一个半导体芯片（20）、被安置在所述至少一个半导体芯片（20）下方的至少一个反射光学元件（25）、被布置在所述反射光学元件（25）的面向所述正面（45）的一侧上的具有低折射率的材料（30）（低n材料），其中，所述基于半导体的光源（15）包括在所述正面（45）上的具有高折射率的复合材料（35）（复合高n材料），所述复合材料具有嵌入其中的至少一个衍射光学元件（40），如此以将入射在所述衍射光学元件（40）上的光朝向优选方向引导。

Description

LED热量和光子提取装置
发明领域
本发明在第一方面中涉及半导体光源，特别是发光二极管（LED），并且在封装的发光二极管（LED）的领域中具有特殊适用性。在第二方面中，本发明涉及用于半导体器件的热传递装置。
背景
通常，LED由掺有杂质的半导体材料如砷化镓（GAAS）、氮化镓（GAN）、铟镓氮化物（INGAN）或类似物的芯片构成，如此以创建所谓的p-n结，其中电流从p侧或阳极流至n侧或阴极，但不在相反方向上流动。
用于LED的大多数材料具有非常高的折射率。因此，多数光将被TIR和菲涅耳（Fresnel）反射回在材料/空气表面界面处的材料。因此，LED中的光提取是LED生产的重要方面，受到大量研发的影响。
通常，LED发出光，该光具有在从电磁波谱的可见部分之外的红外线至紫外线以及甚至深紫外线的范围内的波长。在实践中，各种LED已被制造，发出的光具有在从约1000nm（红外线）至约200nm（深紫外线）的范围中的波长。
LED通常以封装的形式出售，该形式包括安装在金属管座上的LED芯片。管座具有反光杯，其中安装了LED管芯，并且电引线连接到LED管芯。该封装还包括密封LED管芯的模制的透明树脂。密封树脂一般具有名义上的半球形前表面以部分地使从LED管芯发射的光准直。
常规的LED封装发射光到空气中，其促使LED封装内部的光子通过全内反射（TIR）和菲涅耳反射保持被俘获并使在LED封装内的热量主要穿过LED封装的背侧逸出到附着的散热器。LED的寿命随由于散热不良和光子到电子的重组导致的温度上升而减少，该重组会输出光子，所述光子最终聚合而加热LED芯片内部。LED芯片接触密封树脂，在许多情况下，密封树脂具有低导热率，并且特别地，短波长的LED随时间使密封树脂恶化，在某种程度上增加了吸收并对光子的发射和内部热量的形成产生不利影响。
对于LED应用，有关能量输入（lm/W）、芯片面积（lm/芯片面积）以及生产和/或销售
Figure BDA00002265789000021
的成本的输出容量是重要的。
如下面以及权利要求中使用的，表述“低n材料”、“低n层”以及类似物意思是具有低折射率的材料或层，其中低折射率旨在包含1.4或更低的折射率。
如下面以及权利要求中使用的，表述“复合高n材料”、“高n层”以及类似物意思是具有高折射率的材料，其中高折射率旨在包含1.5或更高的折射率。
如下面以及权利要求中使用的，表述“具有高导热率的材料”旨在包含具有200（W·m-1·K-1）或更高的导热率的材料。
简要概述
在第一方面中，本发明的目的在于提供一种基于半导体的光源，该光源消除或减轻了上述问题并具有改善的输出容量和效率。
在第二方面中，本发明的目的在于提供一种用于半导体器件的热传递装置，该热传递装置消除或减轻了上述所关注的至少就散热和导热率而言的问题。
根据本发明的第一方面，上述目的通过基于半导体的光源来实现，所述基于半导体的光源包括背部、正面以及具有发光表面的至少一个半导体芯片、被安置在所述至少一个半导体芯片的下方的至少一个反射光学元件、被布置在面向所述正面的所述反射光学元件的一侧上的低折射率材料（低n材料），其中，所述基于半导体的光源包括在所述正面上的具有高折射率的复合材料（复合高n材料），所述复合材料具有嵌入在其中的至少一个衍射光学元件，如此以将在所述衍射光学元件上入射的光朝向优选方向引导。
因此，提供基于半导体的光源，其中从半导体芯片的发光表面到周围环境的光的发射的临界角增加，这反过来又增加每单位时间发射的光子数量，从而实现了增强的和改进的输出容量以及因此提高了基于半导体的光源的效率。
此外，通过基于半导体的光源的表面的热传递增加，从而对半导体芯片提供了改善的散热并因此提供了改善的冷却，这反过来又有助于提高基于半导体的光源的效率。
根据本发明的第二方面，上述目的通过用于半导体器件的热传递装置来实现，所述热传递装置适于被安置在半导体器件的与所述半导体器件的发光表面或吸收表面相对的表面上，以及所述热传递装置是各向异性的热传递装置并包括复合材料，所述复合材料包括具有高折射率和高导热率的材料。
因此，提供了热传递装置，通过热传递装置，穿过所述半导体器件的表面的热传递增加，从而以特别简单和可靠的方式对半导体器件提供了改善的散热并因此提供了改善的冷却。此外，这样的热传递装置在生产时很便宜。
从各自的从属权利要求并从下面的详细描述将发现本发明的进一步的实施方式和不同方面的优点是明显的。
附图简述
整个说明书中，参考了附图，其中相同的参考标号表示相同的元件，并且其中：
图1示出根据本发明的第一方面的基于半导体的光源，
图2示出安装在波导上的根据本发明的第一方面的基于半导体的光源，以及
图3示出根据本发明的第二方面的热传递装置。
示例性实施方式的详述
在下文中，本发明的各个方面将借助半导体器件是发光二极管（LED）封装、优选为高亮度发光二极管（LED）封装形式的半导体光源的优选实施方式进行说明。与其相关联的优点被公开在相关实施方式的讨论中。这是为了让读者更充分地理解所要求保护的本发明的设计细节和变化。
在图1中，示出了根据本发明的第一方面的基于半导体的光源的优选实施方式，散热器10连接到LED封装15的背部5，LED封装15包括位于金属镜25的顶部上的LED芯片20，金属镜25通过具有低折射率n的电介质材料30（在下文中表示为“低n材料30”）中的开口电连接至LED芯片20，低n材料30引起全内反射（TIR）以使光反射回LED芯片20以及具有高折射率n的复合材料35（在下文中表示为“复合高n材料35”），复合材料35具有在LED封装正面45下方的嵌入的衍射光学元件40。
散热器10通过整个应用的外表面（其中LED封装15被包含）或整个应用的内部通过气流对流连接到外部。
复合高n材料35由混合有高导热率和可选的高导电率的高折射率材料（如碳化硅（SiC）和/或金刚石颗粒）的可固化聚合物（如环氧树脂、硅酮或硅烷）构成，所述颗粒的大小小于从LED芯片20发射的光的波长，使得该复合材料具有组合的可调节的折射率，其可更好地匹配LED芯片20用于耦合LED芯片20内部没有光的TIR或菲涅耳反射俘获的最佳光学输出。如前言所描述，从LED芯片20发射的光的波长通常在200nm和1000nm之间，这取决于LED的特定类型。任何可固化聚合物可以用于高n材料35，可固化聚合物一般通过施加热量来固化，例如热固性聚合物，或可固化聚合物可通过暴露于光例如紫外光来固化。可固化聚合物和有关固化它们的原理在本领域内是众所周知的。金刚石颗粒，例如金刚石纳米粉尘，可以掺杂硼以提高导电率使得LED芯片20可以通过复合高n材料35电连接。导电率和导热率可以借助在复合材料中包含碳纳米管（CNT）来进一步增强。CNT具有沿长轴方向的高导热率和导电率。CNT可以通过在聚合物被固化之前和在聚合物被固化的时候发送电流来与电场线对准。添加金属离子或透明材料如铟锡氧化物（ITO），可以进一步提高导电率。聚合物的固化可以通过短波长的光、热量来实现，或聚合物可以混合为双组分固化聚合物。金刚石的硼掺杂创建了具有减少的在蓝色光谱外的光传输的特征的金刚石，其导致向下入射的所改变的白光的有利过滤，白光可在进入LED芯片20之前通过吸收来衰减并从而产生更少的热量管理问题。
嵌入的衍射光学元件40可以是双面的以提高光束成形性能并且一个以上的嵌入的衍射光学元件40可重叠。嵌入的衍射光学元件40的定位通过用活塞将其压向复合高n材料35而按入合适的位置来完成。为了最佳的光学性能，衍射光学元件40可以由低n材料如基于粉末的聚合物制成。进一步减少折射率同时也引起导电率的进一步增大可通过加入CNT来创建导电的复合材料来实现。对于高透明度，SWCNT是特别有利的。
LED封装15的正面45可以安装有折射透镜或菲涅耳透镜或衍射透镜，以进一步增强对光学输出的控制。LED封装正面45也可以安装有蛾眼图案，其创建了具有在空气和高n材料35之间渐变的折射率的复合材料，从而减少来自LED封装的正面45和空气或具有较低折射率的波导的过渡处的菲涅耳反射。同样的蛾眼结构原理可以应用到嵌入的衍射光学元件40，以减少短波长菲涅耳反射，其将引起不需要的短波长光到LED芯片的反向散射，其中反向散射光有重组和衰变成热量的危险。蛾眼结构的特征尺寸决定了对于哪些波长它是可见的并因此也是有效的。由于LED封装15可以适用于发射短波长光，蛾眼图案的尺寸必须在光的波长以下，以便不与发射的光产生光学干涉。来自嵌入的衍射光学元件40的反向散射光将最有可能入射在LED封装15的背部5的侧壁上，并通过多此反射，在很大程度上它将反射经过LED芯片20并且穿过嵌入的衍射光学元件40反射回来。
借助金属镜25和/或通过使用布置在金属镜25上的具有低折射率的层（在下文中表示为“低n层”）创建的TIR镜反射，来自LED芯片20的发射的光可以朝向嵌入的衍射光学元件40反射。LED封装15的背部5的侧壁可以形成为具有抛物面设计的杯，其使来自LED芯片20的光重定向朝向嵌入的衍射光学元件40。低n层可以是电介质低n材料30，其使金属反射镜25与复合高n材料35分离。为了增强TIR镜反射效果，杯的侧壁可以具有脊的特征，其创建角度，其中在复合高n材料35和电介质低n材料30之间的过渡处入射的光通过TIR双面反射从脊的一侧至另一侧并向上朝向嵌入的衍射光学元件40。
电介质低n材料30不应该形成热屏障，所以材料的选择应该是热特性、光学特性和反射特性之间的折衷。良好的折衷材料的实例包括氮化铝、二氧化硅、粉末聚合物等，LED封装15的侧面处的脊增加了总的热转化区域以及因此增大了所提供的导热性，复合高n材料和LED封装15的背部5以及金属镜25之间存在导热率差。
通过在电介质低n材料30中引入一个或多个开口，金属镜25可作为到LED芯片20的一侧的电连接。电介质低n材料30上的入射角低于临界角的光将穿过金属镜25并由金属镜25反射或菲涅耳反射。良好的金属镜25具有高达99％的反射率，所以TIR、菲涅尔和镜反射的综合效率将超过99％，这将降低反射损失和通过吸收生成的相关热量。金属镜25和电介质低n材料30都可以喷镀到LED封装15的背部5的表面上。
为了避免连接到LED芯片20的电路短路，借助复合高n材料35的液滴，LED芯片20连接穿过电介质低n材料30中的一个或多个开口或者可选地穿过金属镜25，其中金刚石被掺杂有硼和或CNT或金属或金属离子。围绕连接到LED芯片20的导电材料或金属镜25，具有介电性能的复合高n材料35被沉积以避免短路LED芯片20。材料的沉积可以使用包括喷墨印刷、转印印刷或类似的印刷技术来完成。热固化、短波长固化或双组分固化可以进行电连接到LED芯片25的材料的固化。电介质复合高n材料35增强来自LED芯片20的侧壁和杯的侧壁的光输出，确保全部的耦合光主要被向上TIR反射。
LED封装15可以基于反射折射式设计，其中若干TIR反射表面与若干嵌入的衍射光学元件40和LED封装的正面45上的折射光学表面组合以使光发射聚焦到期望方向例如到波导。蛾眼防菲涅耳反射效果可以可选地通过在光路上引入有渐变折射率的若干层来获得。蛾眼复合折射率层可以被引入到出射表面作为使不必要的高角度的光再循环的装置，如此它们不会逸出LED封装15。
图3示出根据本发明的第二方面的各向异性的热传递装置的实施方式。热传递装置包括高n材料75，其在优选实施方式中是上述类型的材料并表示为高n材料35。热传递装置进一步包括散热器80、高n材料75被安置在散热器80上或其中（如图所示）。热传递装置适于被安置在半导体器件21的表面上，该表面与半导体器件21的发光表面或吸收表面相对。
这样的热传递装置可以结合任何类型的半导体器件使用，不管其是适于发射还是吸收电磁能量（特别是光）的半导体器件。这样的半导体器件包括但不限于LED、OLED和任何种类的光伏电池，特别是采用聚光光伏（CPV）原理类型的光伏电池。
在下面，将描述作为实例的根据本发明的基于半导体的光源如何被提供根据本发明的热传递器件。将借助根据图1的LED封装15形式的基于半导体的光源给出实例，其中背部5被修改。
使用高精度再制造原理模制LED封装15的背部5，并且所选择的材料可以是不透明的，只要它是高导热性的，而所期望的导电率可以通过引入金属镜25作为连接原理来施加。LED封装15的背部5可由包括具有高导热率的材料的复合材料制成，并且由于它可以是不透明的，CNT填充因子可以很大，并且特征尺寸在LED芯片20的波长以下的透明金刚石纳米粉尘颗粒的要求可以放宽，如此可以采用不可用于复合高n材料35的较便宜的渐变。可以采用根据关于复合高n材料35描述的电场线对齐CNT到LED芯片20的前面的相同方法。CNT是比金刚石好约五倍的导热体，前提是CNT沿热传递的期望方向在长端上对齐。沿对齐的CNT的高效率的热传递使热量从半导体所位于的集中点扩散至更大的散热器10，其中导热率可以更小，因为热传递区域的横截面增加以维持高的总导热。
由于可能难以创建到有关氮化镓（GaN）或铟镓氮化物（InGaN）晶体的热膨胀曲线的完美匹配，聚合物如具有较大的热膨胀率但较弱的热膨胀模量的硅橡胶可以被利用并通过沉积至LED封装15的背部5的表面的类似碳层的具有较强的热稳定性的金刚石来稳定，如此LED封装15的背部5在热应力下被有效地固定。为了建立LED封装15的背部5和散热器之间的强热连接，在利用封装LED的应用内部，可通过使用导热的复合材料连接并且到LED封装的过渡处可以具有增大表面面积的边界的特征，以允许到外部散热器的最大热传输。
通过连接到LED芯片20的整个正面和背面，LED内部的电场线变为均匀分布并且光子的生成、重组为电子以及衰变成热量的光子也变为均匀分布，这确保LED芯片20的平均温度也变为均匀分布（带有少量热点），在热点，LED芯片20的老化更易于发生。
LED芯片的完整性将在更宽的电场通路被保护得更好，并且LED芯片20的寿命将增加和/或将有可能使用更高的电流更难驱动LED芯片20。使光子和热量更有效地逸出将减少固定偏差，其会负面地影响LED。为此通过将LED芯片20粘合到具有相同特性的材料同样使光子从LED芯片20逸出，如此就没有将缓解内部热源的LED芯片20的声音过渡屏障。逸出的光子可以被吸收，并从而在系统设计的另一点如嵌入的衍射光学元件40处转化为热能，嵌入的衍射光学元件40由具有不同于LED芯片20的性能的材料制成。
系统完整性受到各个部分的热膨胀的不利影响，因为InGaN和GaN是易碎的晶体。与热膨胀的良好匹配和/或使用具有低膨胀模量的材料例如硅橡胶作为用于复合高n材料35的基础材料和/或使用金刚石作为用于LED芯片20晶体的外延生长的铸造晶体是可行的设计选择，以用于优化与热膨胀相关的系统完整性。在系统基础上，直接粘合均匀的电场线，提高设计标准的热完整性、优化的光子的输出耦合、减少的发射光子的反向散射、优化的光子的输出耦合以及优化的热量的输出耦合允许更高的结温度、更高的效率，这些的组合反过来导致更高的可实现的有关能量输入（lm/W）、芯片面积（lm/芯片面积）以及生产和/或销售
Figure BDA00002265789000081
的成本的输出容量。
较小的LED芯片20需要较低成本的具有光学性能的复合高n材料35，因此可以通过在同一封装内使用多个LED芯片来对
Figure BDA00002265789000091
成本产生积极影响。此外，从嵌入的衍射光学元件40到LED芯片20的距离影响所使用的材料的量。
作为所描述的电连接类型的替代选择，可以采用普通引线接合。通过导电和介电分离使阳极和阴极与LED封装15的外部的任何点电接触，焊接点可以创建在方便的地方。
在实施方式中，LED芯片20穿过多孔电介质低n材料30通过由绝缘电介质复合高n材料35围绕的导电的复合高n材料35连接到金属镜25，并且电介质低n材料30是低n薄膜，其允许LED芯片20的钢琴式安装和空间形成由LED封装15的背部5形成的杯。
LED芯片20可以具有期望的任何几何外形，但优选外形是六边形。通常晶片是通过划刻形成的方块，但可以采用可选的烧蚀激光切割。六边形外形减少了切割距离，类似于圆形外形，可以被密集地封装而无间距的所有几何图形中的大多数允许从光子生成的点到它们逸出的边缘或表面的距离最小，优化可以被包含在单一晶片上的LED芯片20的数量，使杯和嵌入的衍射光学元件40的光学设计更有效。与LED芯片20相似，嵌入的衍射光学元件40和LED封装15的背部5可以具有任何期望的几何外形，其从光学角度来看或由于形状因子或其他考虑来看，有利于本创新的特定实施方式。使用带多个LED芯片20的沟槽或带多个LED芯片20的一组杯或带多个LED芯片20的单个杯的设计也是可行的。
关于短波长发光LED描述的所有原理适用于发射在包括可见光谱、NIR和IR的更长波长上的光的LED，前提是嵌入的衍射光学元件40根据发射的光的波长进行设计。
通过邻接复合高n材料35和LED封装15的背部5而提供的LED芯片20的增加的热质量将提高脉冲LED芯片20的可获得的性能。
图2示出根据本发明的连接到波导器件的上述类型的LED封装15形式的基于半导体的光源，波导器件被形成为层状结构或层压板，包括金属构件、内部低n层65、高n透明波导55、荧光点50以及具有开口的外部保护性低n层60，所述开口允许封装的LED芯片20光学连接到透明波导层55。
然而，原则上可能将除了本文所描述的LED封装15之外的任何类型的基于半导体的光源（包括其他类型的LED芯片和LED封装例如常规的LED封装）连接到图2所示的类型的波导。
形成LED封装15的封装的LED芯片20因而适于光学和热学上连接到波导器件，波导器件包括金属构件、喷镀的金属镜、反射和散射内部低n层65、高n透明波导层55、一层荧光点50以及具有允许封装的LED芯片20光学连接到透明波导层55的开口的保护性透明的外部低n层60。
金属镜层是可选的并且内部低n层65可以是透明的、滤光或不透明的。外部低n层60可以折射率匹配（index match）波导层55或高n层而不破坏波导层55，因为周围的空气将作为限定波导的外边界的低n材料。
通过将优选为根据本发明的上述类型的LED封装15形式的基于半导体的光源连接到如上结合图2所描述的波导器件，可以提供灯泡。
外部低n材料60使这样的灯泡能够如预期那样发光，即使在浸入水中时也能发光，并防止灯泡发射非预期的波长，其中指纹、昆虫粪便等创建无效的TIR。此外，外部低n材料60保护荧光体不受氧气和潮湿的影响，否则会更迅速地使荧光体恶化。
反射特定的波长如从LED芯片20发射的短波长光的补充过滤层（未示出）可被插入到荧光点50上方，以控制不需要的短波长光的数量。此过滤器尤其涉及发射潜在地有害的UVA或UVB的可能的短波长发射器。
导热的透明高n金刚石层可保护镜层，并同时提高从低n层到金刚石层的过渡处的菲涅尔反射。
由于高n波导层55的两侧上的低n材料60和65，从LED芯片20发射到波导器件的短波长光将被TIR俘获，直到它撞击在荧光点55上，荧光点55将该光转换成更长波长的光。对于一般照明，荧光点55可以包括转换成各种可见光的波长的各种荧光。荧光点55可以印有可变填充因子，如此灯泡会发出均匀强度的可见光，或荧光点可以印刷到灯泡上如此它们形成彩色文本、图形或照亮灯泡表面的特定部分而其他部分不发光。由荧光生成的热量和光子将远离LED芯片20发射，如此LED芯片20将受到保护使性能不受因热量和光子而导致退化的影响。同样来自LED芯片20的强热量和照射将被引导远离荧光点，这样它们可以在低于它们受到损坏的温度和照射强度下安全地进行操作。
该金属构件可以是平面的、类似球体的灯泡、光盘、管或形成任何期望的形状因子的灯所需的任何几何外形。期望的灯泡形状因子可以被添加到插座中，所述插座具有匹配标准灯泡形状样式并包括适于驱动高输出LED芯片20或若干高输出LED芯片20的电子电路的形状因子。在优选的实施方式中，该金属构件用铝吹塑成形以匹配标准E27灯泡的形状样式。球体通过被按压或焊接或胶合到吹塑的铝部分的额外的铝部分来完成。可选地，铸铝部分可以用于创建灯泡形状。在应用金属镜之前，灯泡内核可以被抛光以减少表面的不规则性，其可以将波导器件内部的重定向光发送进入临界角以下的不需要的反弹角度。任何其他的球形标准灯泡形状样式容易以相同的方式制作。
可选地具有金属构件，波导器件层压板可以被提供为薄膜并然后附着到合适的包括形成的金属表面或聚合物表面的三维表面。薄膜方法允许系统切成各种形状并以较低的卷对卷成本进行生产。在一个实施方式中，薄膜方法可以与LED芯片20的薄膜封装相结合，并从而使薄型封装能够具有大的发光面积，其可以包括附着到同一薄膜的多个LED芯片20。
可选地具有如所述封装的LED芯片20，可以采用一个或多个侧面发光的LED芯片。从侧面发光的LED发射的多数光将在临界角以上的合适角度进入波导器件，并且在临界角以上的没有进入波导器件的光可通过垂直反射在波导器件内移动，和或在低n层下面的LED芯片20的外围中的荧光印记可以将短波长光转换成可见光，其从外部镜反射层未覆盖的灯泡区域辐射。
有关施加多层的生产过程基于喷镀、印刷、旋涂、浸涂、喷涂以及优选UV固化或可选的热固化或双组分固化。在带或不带保护性金刚石涂层的第一喷镀镜层已被施加后，其它生产过程都是基于将材料印刷/分配到金属构件表面的特定的期望区域上。此生产过程类似于印刷电子技术并且同样相对于生产设备中的投资实现了高速大批量生产的能力。由于一切都可以通过改变参数如具有的粘度、UV强度、曝光时间、旋转速度、印刷图案、印刷量和印刷材料表面的润湿性来控制，印刷技术使得该技术的用途非常广泛。
可选地具有如上述实施方式中的外波导器件，内波导器件可以被采用以创建从更尖的灯丝发光的灯。在此实施方式中，嵌入的衍射光学元件40适于使光会聚穿过由散热器形成的管，散热器包围在LED芯片20的前面的透明复合材料。散热器10延伸或连接到更大的散热器以形成热辐射形式，所述形式主要通过对流将热量传递到周围的空气中。与空气接触的表面区域可以通过脊或通过散热器内部的通道来增加，其通过由具有螺旋空气通道的两个部分创建散热器来形成，如此散热器内部的空气的加热创建了强通风，其增强通过对流的热消散。外散热器的两部分优选由铸铝制成，并且表面可以选择性地在不同的区域用各种方法进行处理，例如通过添加喷镀镜层和保护性涂层提高反射率来用作反射器、通过涂料或阳极氧化实现期望的颜色或通过黑色涂料来增加热辐射。通过在朝向灯的发光部的视线上包含孔，穿过散热器的光发射是可能的。上述设计可以形成许多类型的基于LED的灯泡，包括标准的灯泡形状样式如PAR 38。在发光“灯丝”的期望发光的部分电镀有荧光印记。光输出可以通过在荧光体前包括衍射光学元件进行定向。通过限制撞击在散热器的反射侧面上的光子量，此方法可以提高系统的效率和定向输出控制。
低n镀层被添加以保护灯丝不受潜在的有害昆虫粪便和指纹的影响而保护荧光。这样的低n镀层可以是特氟隆AF层，或者它可以是另一种类型的层如纳米多孔层。由于例如昆虫粪便和指纹，波导层和荧光上的保护性低n镀层用作隔气膜并用作抗FTIR的光学屏蔽。
本发明的各种修改和变换对于本领域的那些技术人员来说将是明显的，而不偏离本发明的精神和范围。但应当理解，本发明并不限于本文所阐述的示例性实施方式。

Claims (50)

1.一种基于半导体的光源，包括：
背部、正面以及具有发光表面的至少一个半导体芯片，
至少一个反射光学元件，其被安置在所述至少一个半导体芯片的下方，
具有低折射率的材料（低n材料），其被布置在面向所述正面的所述反射光学元件的一侧上，
其中，所述基于半导体的光源包括在所述正面上的具有高折射率的复合材料（复合高n材料），所述复合材料具有嵌入其中的至少一个衍射光学元件，如此以将入射在所述衍射光学元件上的光朝向优选方向引导。
2.如权利要求1所述的光源，还包括连接到所述背部的散热器。
3.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件包括具有比由所述至少一个半导体芯片发射的光的波长小的图案特征的蛾眼结构，所述蛾眼结构在分别具有高折射率和低折射率的材料之间的过渡处创建渐变的复合折射率，如此以减少菲涅耳反射或引起菲涅耳反射。
4.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件被压印在低n薄膜上。
5.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件适于从所述半导体芯片发射的波长。
6.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件是双面的。
7.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件被放置在所述光源的发光表面的上方。
8.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件通过使用第一纳米压印光刻技术进入固化的低n材料并随后借助压印器按入固化的高n复合材料来生产。
9.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件通过使用嵌入高n复合材料的至少单侧被纳米压印光刻的低n薄膜来生产。
10.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个反射光学元件是镜反射光学元件。
11.如权利要求11所述的光源，其中，所述镜反射光学元件是金属镜。
12.如权利要求1所述的光源，其中，所述镜反射光学元件是具有全内反射（TIR）的由覆盖金属镜的低n电介质材料形成的镜，所述金属镜创建了从所述复合高n材料的较大的折射率过渡。
13.如权利要求1所述的光源，其中，所述复合高n材料由聚合物制成，所述聚合物借助包含碳化硅颗粒（SiC）、金刚石纳米颗粒、掺杂硼的金刚石纳米颗粒、碳纳米管（CNT）、单壁碳纳米管（SWCNT）、陶瓷颗粒或金属颗粒如铟锡氧化物（ITO）、铜、银、金或类似物的颗粒的至少一种而制成导热性的。
14.如权利要求13所述的光源，其中，所述CNT和/或SWCNT与连接某点的电场线对齐，所述半导体芯片在固化封装材料之前被安装至该点。
15.如权利要求13所述的光源，其中，所述碳化硅颗粒、金刚石颗粒和/或掺杂硼的金刚石纳米颗粒包括小于由所述至少一个半导体芯片发射的光的波长的直径。
16.如权利要求13所述的光源，其中，所述聚合物是环氧树脂、硅酮或硅烷中的任何一种。
17.如权利要求1所述的光源，其中，所述镜实质上具有直立的脊和90度以上的角度，如此以对将半导体芯片发射向上朝向所述至少一个衍射光学元件的TIR镜反射进行增强。
18.如权利要求1所述的光源，其中，多个半导体芯片被布置在具有镜反射表面的沟槽内，所述镜反射表面实质上是直立的脊并且角度在90度以上，如此以对将半导体芯片发射向上朝向所述至少一个衍射光学元件的TIR镜反射进行增强。
19.如权利要求1所述的光源，其中，多个半导体芯片被布置在具有镜反射表面的基本上呈圆形延伸的形状内，所述镜反射表面实质上是直立的脊并且角度在90度，以上如此以对将半导体芯片发射向上朝向所述至少一个衍射光学元件的TIR镜反射进行增强。
20.如权利要求1所述的光源，其中，一个或多个半导体芯片被安装在具有电介质层的导电反射薄膜上，所述电介质层在所述半导体芯片被安装的地方穿孔。
21.如权利要求1所述的光源，其中，一个或多个半导体芯片被安装在具有电介质层的导电反射薄膜上，所述电介质层在所述半导体芯片被安装的地方穿孔，所述一个或多个半导体芯片被电连接和层叠到具有连接到所述半导体芯片的薄反射电极的透明薄膜。
22.如权利要求1所述的光源，其中，一个或多个半导体光源被安装在波导器件上，所述波导器件被构造为包括金属构件、内部低n层、高n透明波导、荧光点和外部保护性低n层的层压板。
23.如权利要求22所述的光源，其中，所述内部低n层是透明的、滤色的或不透明的，和/或所述外部保护性低n层折射率匹配所述波导或所述高n层。
24.如权利要求22所述的光源，还包括被安置在所述金属构件和所述内部低n层之间的金属镜层。
25.如权利要求22所述的光源，还包括散射低n层。
26.如权利要求22所述的光源，其中，所述荧光点包括可变的填充因子并控制彩色文本、图形、照射区域以及发射强度。
27.如权利要求1所述的光源，其中，一个或多个封装的半导体芯片被安装到穿过适于通过对流来散热的金属散热器的波导。
28.如权利要求27所述的光源，其中，所述金属散热器包括螺旋空气通道如此以增加所述散热器与空气接触的面积并通过通风拉动更多的空气经过所述散热器的表面。
29.如权利要求28所述的光源，其中，所述金属散热器的金属部分的至少一个是吹塑成型的或铸铝部分。
30.如权利要求1所述的光源，其中，一个或多个封装的半导体芯片被安装在波导上，所述波导被构造为包括内部镜、低n透明层、高n透明波导、荧光点和外部保护性低n层的层压板。
31.如权利要求1所述的光源，还包括所述背部上的复合材料，所述复合材料包括具有高折射率和高导热率的材料。
32.如权利要求31所述的光源，其中，包括具有高折射率和高导热率的材料的所述复合材料包括碳化硅（SiC）、金刚石纳米颗粒、掺杂硼的金刚石纳米颗粒、碳纳米管（CNT）、单壁碳纳米管（SWCNT）中的至少一种。
33.如权利要求31所述的光源，其中，包括具有高折射率和高导热率的材料的所述复合材料由聚合物制成，所述聚合物借助包含碳化硅颗粒（SiC）、金刚石纳米颗粒、掺杂硼的金刚石纳米颗粒、碳纳米管（CNT）、单壁碳纳米管（SWCNT）、陶瓷颗粒或金属颗粒如铟锡氧化物（ITO）、铜、银、金或类似物的颗粒中的至少一种而制成导热性的。
34.如权利要求32或33所述的光源，其中，所述CNT和/或SWCNT与连接某点的电场线对齐，在该点所述半导体芯片被安装。
35.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个半导体芯片是LED芯片、OLED芯片、侧面发光的LED芯片中的任何一种。
36.一种用于半导体器件的热传递装置，
所述热传递装置适于被安置在半导体器件的与所述半导体器件的发光表面或吸收表面相对的表面上，以及
所述热传递装置是各向异性的热传递装置并包括复合材料，所述复合材料包括具有高折射率和高导热率的材料。
37.如权利要求36所述的热传递装置，还包括散热器。
38.如权利要求36所述的热传递装置，其中，包括具有高折射率和高导热率的材料的所述复合材料包括碳化硅（SiC）、金刚石纳米颗粒、掺杂硼的金刚石纳米颗粒、碳纳米管（CNT）、单壁碳纳米管（SWCNT）、陶瓷颗粒或金属颗粒如铟锡氧化物（ITO）、铜、银、金或类似物的颗粒中的至少一种。
39.如权利要求36所述的热传递装置，其中，所述复合高n材料由聚合物制成，所述聚合物借助包含碳化硅颗粒（SiC）、金刚石纳米颗粒、掺杂硼的金刚石纳米颗粒、碳纳米管（CNT）、单壁碳纳米管（SWCNT）中的至少一种而制成导热性的。
40.如权利要求38或39所述的热传递装置，其中，所述CNT和/或SWCNT与连接某点的电场线对齐，在该点所述半导体器件被安装。
41.如权利要求39所述的热传递装置，其中，所述聚合物是环氧树脂、硅酮或硅烷中的任何一种。
42.一种安装在波导器件上的基于半导体的光源，所述波导器件被构造为包括金属构件、内部低n层、高n透明波导、荧光点和外部保护性低n层的层压板。
43.如权利要求42所述的光源，其中，所述内部低n层是透明的、滤色的或不透明的，和/或所述外部保护性低n层折射率匹配所述波导或所述高n层。
44.如权利要求42所述的光源，还包括被安置在所述金属构件和所述内部低n层之间的金属镜层。
45.如权利要求42所述的光源，还包括散射低n层。
46.如权利要求42所述的光源，其中，所述荧光点包括可变的填充因子并控制彩色文本、图形、照射区域以及发射强度。
47.如权利要求42所述的光源，其中，一个或多个封装的半导体芯片被安装到穿过适于通过对流来散热的金属散热器的波导。
48.如权利要求47所述的光源，其中，所述金属散热器由形成螺旋空气通道的两个金属部分制成，如此以增加所述散热器与空气接触的面积并通过通风拉动更多的空气经过所述散热器的表面。
49.如权利要求48所述的光源，其中，所述金属散热器的金属部分中的至少一个是吹塑成型的或铸铝部分。
50.如权利要求42所述的光源，其中，一个或多个封装的半导体芯片被安装在波导上，所述波导被构造为包括纯卷对接制成的膜、内部低n层、高n透明波导、荧光点和外部保护性低n层的层压板。
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