CN103109370A - 包括与发光片段对准的准直器的照明系统 - Google Patents
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Abstract
包括半导体发光器件的光源（10）连接到底座（12）。所述发光器件包括多个片段（57），相邻的片段间隔小于200微米。在一些实施例中，多个片段生长在单个生长衬底上。每个片段包括布置在n型区和p型区之间的发光层。隔离物（72）位于所述底座的上表面上。所述发光器件位于所述隔离物中的开口内。多个准直器（78）附连到所述隔离物（72），其中每个准直器（78）与单个片段（57）对准。
Description
技术领域
本发明涉及包括与发光片段对准的准直器的照明系统。
背景技术
当前可购买到的最有效的光源中有包括发光二极管（LED）、共振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发光激光器的半导体发光器件。在制造能够跨过可见光谱工作的高亮度发光器件中，当前感兴趣的材料体系包括III-V族半导体，尤其是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金(也称为III族氮化物材料)。通常，通过金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或者其它外延技术，在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它合适的衬底上外延生长不同成分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制造III族氮化物发光器件。所述叠层通常包括形成在所述衬底上的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、形成在所述一个或多个n型层上的有源区中的一个或多个发光层、以及形成在所述有源区上的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。在所述n型和p型区上形成电接触。
自适应照明系统是所投射的束图案被选择性地改变的系统。例如，在用于汽车头灯的自适应照明系统中，所投射的束图案预期汽车的方向并且选择性地改变束图案以在所述方向上产生光。
通过引用结合于此的US2004/0263346描述了图1所示的固态自适应前向照明系统。图1的系统包括发光二极管（“LED”）43的阵列42。阵列42的每一行电连接到水平LED驱动器36，并且阵列42的每一列电连接到垂直LED驱动器34。水平和垂直驱动器36和34附连到中央处理单元28。车轮角度传感器20和倾斜传感器24都附连到中央处理单元28。会聚透镜（图1中未示出）定位在阵列42前方。一旦从车轮角传感器20和倾斜传感器24接收到信号，中央处理单元28就与水平LED驱动器36和垂直LED驱动器34通信，来点亮阵列42中的所选择的LED 43。来自LED 43的光线被透镜改变角度，使得阵列42中的LED 42的一个或多个的选择性照明允许头灯在可变的水平和垂直方向上投射光。连接到阵列中每个LED的水平线和垂直线分别在水平总线38和垂直总线40中终止。水平总线38与水平LED驱动器36电通信，并且垂直总线40与垂直LED驱动器34电通信。水平线60和垂直线62中的每一个在相关联的开关中终止，所述开关能够分别被水平LED驱动器36和垂直LED驱动器34操作。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种紧凑的光源，该光源包括多个照明片段以及与每一个片段相关联的准直器。
在本发明的实施例中，包括半导体发光器件的光源连接到底座（mount）。所述发光器件包括多个片段，相邻的片段间隔小于200微米。在一些实施例中，多个片段生长在单个生长衬底上。每个片段包括布置在n型区和p型区之间的发光层。隔离物位于所述底座的上表面上。所述发光器件位于所述隔离物中的开口内。多个准直器附连到所述隔离物，其中每个准直器与单个片段对准。
附图说明
图1示出了现有技术的自适应前向照明系统。
图2是分成多个片段的单个III族氮化物发光器件的简化侧视图。
图3是III族氮化物发光器件片段的阵列的俯视图。
图4是与每个片段对准的分段的发光器件、隔离物、反射侧涂层和准直器的横截面视图。
图5示出了隔离物的一个例子。
图6是与每个片段对准的分段的发光器件、隔离物和准直器的横截面视图。
图7示出了具有四个片段的器件。每一个片段分成四个结。
图8示出了连接到底座的图7的器件。
图9示出了准直器。
具体实施方式
在图1所示的系统中，使用多个单独的LED。每个单独的LED可以包括封装和诸如透镜的成像光学部件。因此，图1所示的系统生产起来会是昂贵的并且由于用于每个LED的封装和成像光学部件所需的间隔而会不期望地大。
在本发明的实施例中，光源包括一个或多个分成可以被单独寻址的多个片段的LED。该光源可用于诸如汽车头灯的自适应照明系统，并且与图1所示光源相比会更便宜且更紧凑。尽管下面的实例涉及III族氮化物LED，但是可以使用其他半导体发光器件，包括诸如III族磷化物或III族砷化物LED的其它III-V族器件、II-VI族器件或Si基器件。
图3是根据本发明实施例的光源10的俯视图。LED阵列14附连到底座12。示出了四个LED 16。每个LED 16分成多个片段57。图3示出的每个LED分成片段的4x4阵列，每个LED一共16个片段并且总共有64个片段。例如，每个LED 16的面积可以为约1mmx1mm，并且每个片段可以为约250微米x250微米。所述LED和所述片段不需要如图3所示那样为方形的；它们可以是矩形、平行四边形、菱形或任何形状组合。可以使用多于四个或少于四个LED，并且每个LED可以分成多于16个或者少于16个片段。此外，每个LED不需要是对称的。例如，一些LED可以分成更多和/或更大的片段。例如，一些或所有LED可以分成1x2、2x2、2x3、2x5、3x6或5x6个片段。在一些实施例中，光源10可以包括30-100个片段。每个片段的尺寸选择成与LED的期望总面积以及期望元件的总数相匹配。在一些实施例中，LED头灯所需的总面积为4-24mm2。因此，片段尺寸可以在1-0.5mm2，向下到0.04mm2的范围。在一些实施例中，片段的2x2阵列是优选的，因为这样允许使用具有两个竖直(straight)侧壁和两个有角度的侧壁的准直器，如图4和6的横截面中所示。
图2是分成多个片段57的单个LED 16的简化侧视图。在图2中示出了四个片段57。在图2中LED用数字14表示，并且示出了底座12的一部分。尽管图2示出了薄膜倒装芯片器件，但是可以使用其它类型的器件，例如n接触和p接触形成在器件的相对侧上的垂直器件，两个接触都形成在器件的同一侧并且光穿过所述接触被提取的器件、或者生长衬底保留为器件的一部分的倒装芯片器件。
每个LED片段57包括半导体层58，半导体层58包括n型区、发光或有源区以及p型区。半导体层58比如可以生长在诸如蓝宝石、SiC、GaN、Si的生长衬底上、通过引用结合于此的US2008/0153192中描述的生长在诸如蓝宝石的生长衬底上的应力减小模板之一上、或者通过引用结合于此的US2007/0072324中描述的诸如InGaN籽层结合到蓝宝石主体的复合衬底上。
n型区通常首先生长并且可以包括多个不同成分和掺杂剂浓度的层，例如包括：诸如缓冲层或成核层的准备层，它们可以是n型或非故意掺杂的；设计成促进后来释放复合衬底或者在衬底除去后减薄半导体结构的释放层；以及为了对于发光区有效发光所期望的特定光学或电学属性而设计的n或甚至p型器件层。发光或有源区生长在n型区上。适当的发光区的例子包括单个厚或薄的发光层或者多量子阱发光区，所述量子阱发光区包括被垒层分开的多个薄或厚的量子阱发光层。p型区生长上发光区上。类似于n型区，p型区可以包括具有不同成分、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非故意掺杂层或者n型层。
p接触60形成在p型区的上表面上。p接触60可以包括诸如银的反射层。p接触60可以包括其它可选的层，例如欧姆接触层和包括例如钛和/或钨的保护板。在每一个片段57上，p接触60、p型区和有源区的一部分被去除以暴露n型区的一部分，n接触62形成在n型区的该部分上。通过引用结合于此的美国专利申请No.12/236,853描述了在分成片段的LED上形成接触，所述LED生长在形成在岛中的复合衬底的籽层上。
在每个片段57之间形成贯穿半导体材料的整个厚度延伸的沟槽59，用于将相邻的片段电隔离。沟槽59可以用通过等离子体增强化学气相沉积形成的电介质材料填充，所述电介质材料例如为硅的氧化物或者硅的氮化物。可以使用除了沟槽之外的隔离手段，例如对半导体材料进行注入以使得片段之间的区域是绝缘的。
在p和n接触和/或底座上形成互连（图2中未示出），然后将器件通过该互连连接到底座12。底座12可以是任何适当的材料，例如包括硅、陶瓷、AlN和氧化铝。所述互连可以是任何合适的材料，例如焊料或其它金属，并且可以包括多层材料。在一些实施例中，互连包括至少一个金层并且LED片段和底座之间的接合通过超声键合形成。在超声键合过程中，LED管芯放置在底座上。键合头位于LED管芯的上表面上，例如位于生长衬底的上表面上。键合头连接到超声换能器。超声换能器可以是例如锆钛酸铅（PZT）层的叠层。当以引起系统谐振的频率（通常是几十或几百kHz量级的频率）将电压施加于换能器时，换能器开始振动，该振动进而引起键合头和LED管芯振动，振动幅度通常在几微米量级。该振动引起LED上的结构（例如，n和p接触或者形成在n和p接触上的互连）的金属晶格中的原子与底座上的结构互扩散，从而形成冶金上连续的接合。在键合期间可以添加热和/或压力。
在半导体结构键合到底座12之后，生长衬底的全部或一部分可以被除去。例如，可以通过激光熔化与蓝宝石衬底的界面处的III族氮化物或者其它层，除去蓝宝石生长衬底或者作为复合衬底的一部分的蓝宝石主体衬底。可以使用适于正被除去的衬底的诸如蚀刻的其它技术或者诸如研磨的机械技术。在除去生长衬底之后，可以例如通过光电化学（PEC）蚀刻减薄所述半导体结构。可以例如通过粗糙化或者通过形成光子晶体使n型区的暴露表面纹理化。
可以在该半导体结构上布置一种或多种波长转换材料56。所述（多种）波长转换材料可以是例如：布置在诸如硅树脂或环氧树脂的透明材料中并且通过丝网印刷或者模板印刷沉积在LED上的一种或多种粉末磷光体；通过电泳沉积、喷涂、沉淀、蒸发或溅射形成的一种或多种粉末磷光体；或者粘合或结合到LED的一种或多种陶瓷磷光体；一种或多种染料；或者上述波长转换层的任何组合。在引用结合于此的美国专利7,361,938中更详细描述了也称为发光陶瓷的陶瓷磷光体。所述波长转换材料可以形成为使得发光区发射的光的一部分不被所述波长转换材料转换。在一些例子中，未被转换的光是蓝色的，并且被转换的光是黄色、绿色和/或红色的，使得从该器件发射的未转换的和经转换的光的组合看上去为白色。波长转换材料56可以单独形成在每个片段57上、形成在每个LED 16上、或者形成在整个阵列14上。
底座12形成为使得片段57可以被单独激活。例如，底座12可以是通过常规工艺步骤形成的陶瓷布线衬底或者硅集成电路。一些片段可以总是一起被激活，并且可以例如串联或并联连接。连接这些片段的互连可以形成在底座12上或内或者形成在LED阵列14上，例如在通过引用结合于此的US6,547,249中所描述。
在一些实施例中，相邻的片段在单个底座上接近地间隔开但是不需要生长在同一衬底上。例如，相邻的片段之间的间隔在一些实施例中可以小于200微米，在一些实施例中可以小于100微米，在一些实施例中可以小于50微米，在一些实施例中可以小于25微米，在一些实施例中可以小于10微米，并且在一些实施例中可以小于5微米。在名称为“Adaptive Lighting System With III-Nitride Light Emitting Devices”且通过引用结合于此的美国专利申请No. 12/709,655中描述了包括发光片段的光源的其它例子。
在一些实施例中，将单个片段分成多个结。所述结中的至少两个可以被单独寻址。在需要明亮光时，可以激活片段中的所有结。在需要更暗淡的光时，可以不激活片段中的所有结。图7示出了具有四个片段57的器件。每一个片段分成四个结。图7中左上方的片段57中的四个结标记为92、93、94和95。图8示出了图7的器件安装于其上的底座98的俯视图。结之间的互连可以如上所述形成在所述底座上或者所述器件上。在图7和8所示的器件中，每个片段中上面的两个结92、93串联连接并且一起激活。每个片段中下面的两个结94和95也串联连接并且一起激活。对于每个片段57，可以通过向底座98上的适当焊盘96提供电流而在给定时间激活全部的结、一半的结或者不激活结。
对于涉及单独可寻址LED片段的光源而言，一个挑战是用于给定照明应用的成像光学部件通常仅在有限角度的锥形内接纳光。III族氮化物LED通常在相对于该LED的上表面的法线成±90°角的朗伯锥中发射光。例如，F#2光学部件接纳±14.5°的锥形，并且F#1光学部件接纳±30°的锥形。这光学部件仅能够分别使用将光发射到朗伯锥中的分段LED所发射的光的6%和25%，与具有独立封装的LED的源相比，这可能减小具有分段LED的源的效率，其中在具有独立封装的LED的源中，可以通过与每个LED相关联的准直光学部件将光准直成窄的有角度的锥形。
在本发明的实施例中，一个或多个分段LED与用于每个片段的单独的准直器组合。这些准直器附连到隔离物，该隔离物控制每个LED片段和准直器之间的间隔并且将准直器与所述片段对准。所述准直器减小每个片段发射的光的有角锥形，使得光可以被成像光学部件有效使用。
图4是分段LED、隔离物和单独的准直器的横截面图。示出了两个片段和两个准直器78a和78b。所示的片段包括布置在半导体层58上的波长转换层56。所述片段通过互连70连接到底座12。
隔离物72围绕分段LED设置。图5示出了隔离物的一个例子。图5中示出了具有四个片段57的LED。分段LED与所述隔离物中的开口对准。所述隔离物中开口的尺寸控制进入准直器78a和78b的光的源尺寸。隔离物72的侧壁87通常是反射性的，以便将光导向到准直器78a和78b中。可以由任何合适材料形成隔离物72，所述材料例如包括诸如PPA和PCT的反射性白色材料、包括诸如TiO2的反射性材料的硬硅树脂、或者白色反射性陶瓷。
为了准确控制准直器78a和78b的底部与LED片段的顶部之间的距离，即，图4所示的隔离物中的侧壁87的高度，可以将隔离物连接到底座12的上表面。例如，隔离物72可以在底座12的边缘76粘合到底座12，或者模制在底座12和分段LED上。在通过引用结合于此的US7,352,011中更详细描述了重叠模制（overmolding）。准直器78a和78b的底部与LED片段的顶部之间的间隔在一些实施例中可以为10-100微米，在一些实施例中可以为40-60微米，并且在一些实施例中可以为小于50微米。准确控制准直器78a和78b的底部与LED片段的顶部之间的距离可以通过减小相邻片段之间的串扰提高器件的效率。
隔离物72可以包括在底座12的侧面上延伸的部分88，如图4所示，当然这不是必需的。部分88的侧面可以例如通过重叠模制或者粘合将隔离物72附连到底座12的侧面。
在一些实施例中，可选的侧面涂层74布置在半导体层58、波长转换层56或者二者的侧面上。侧面涂层可以是反射性的，以防止光穿过半导体层58和波长转换层56的侧面逃逸或者减少光穿过半导体层58和波长转换层56的侧面逃逸的量。侧面涂层可以是涂在或以其它方式布置在半导体层58和波长转换层56的侧面上的反射性涂层，或者例如可以是由诸如PPA和PCT的反射性白色材料、包括诸如TiO2的反射性材料的硬硅树脂、或者白色反射性陶瓷形成的结构。在一些实施例中，侧面涂层74用于准确控制准直器78a和78b的底部与LED片段的顶部之间的距离，即，侧壁87的高度。例如，隔离物72可以通过搁置在侧面涂层74上或者接触侧面涂层74而使用侧面涂层74作为参考。在一些实施例中，作为形成在底座12和隔离物72之间的附连装置的补充或者替代物，隔离物72例如通过重叠模制或粘合附连到侧面涂层74。
在图6所示的器件中，省略了侧面涂层74。图6的隔离物72可以是例如模制在附连到底座12的片段上的硅树脂。
准直器78a和78b可以是中空的且具有反射性侧壁，或者是依赖于全内反射用于反射的介电材料。准直器与LED的每个片段57对准。相邻的准直器可以彼此间隔开距离80。可以通过间隔元件82保持相邻准直器之间的间隔，所述间隔元件82例如可以是具有期望直径的球或导线。相邻准直器在一些实施例中可以间隔1-200微米，并且在一些实施例中可以间隔5-50微米。为了将准直器与LED片段对准，准直器78a和78b可以布置于在隔离物72的上表面90下方延伸的凹槽86中。准直器78a和78b例如可以通过位于隔离物72中的开口的边缘84处的粘合层粘合到隔离物72。在准直器78是固体材料的实施例中，正常情况下将吸收光的在边缘84处的粘合剂不吸收光，这是因为隔离物72的形状防止光到达边缘84，这通过图4和6中的光线示出。
固体准直器78的输出面可以相对于片段57的面倾斜，如图9中所示。准直器78具有竖直的壁104，该壁104垂直于片段57的上表面并且经常靠近与另一片段相关联的相邻准直器的竖直侧壁。准直器78还具有倾斜侧壁102，该倾斜侧壁102以相对于与片段57的上表面垂直的面成锐角布置。输入面108平行于片段57的顶面。输出面106可以倾斜，使得它不平行于输入面108或者片段57的顶面。例如，输出面106可以是有角度的，使得竖直的壁104比倾斜壁102长，如图9中所示。以这种方式确定输出面的形状可以至少部分补偿由于准直器78的不对称导致的光输出的任何歪斜。
根据本发明实施例的用于每个LED片段的单独的准直器将光从每个片段引导到有角度的锥形中，该锥形对于所述应用的成像光学部件83而言足够窄。由每个片段在大角度发射的光可以被引导到所述准直器中而不是丢失，这可以提高光源的效率。减小由每个片段发射的有角度的锥形可以减小相邻片段之间的串扰，这可以提高使用根据本发明实施例的光源的装置的成像准确性。将准直器附连到连接到底座的上表面的隔离物可以通过准确控制每个准直器的底部与每个LED片段的顶部之间的距离提高器件的效率。
已经详细描述了本发明，本领域技术人员将理解，考虑到本公开内容，可以对本发明进行修改而不脱离此处描述的发明构思的精神。因此，并不意图将本发明的范围限于所示出和描述的特定实施例。
Claims (20)
1.一种结构，包括：
包括连接到底座的发光器件的光源，所述发光器件包括多个片段，其中相邻片段间隔小于200微米，每个片段包括布置在n型区和p型区之间的发光层；
位于所述底座的上表面上的隔离物，其中所述发光器件定位在该隔离物中的开口内；以及
附连到所述隔离物的多个准直器，其中每个准直器与单个片段对准。
2.权利要求1的结构，其中所述底座构造成使得至少两个片段可以被独立激活。
3.权利要求1的结构，其中每个准直器的下表面与对应于每个准直器的片段的上表面间隔开。
4.权利要求3的结构，其中至少一个片段的上表面是布置在III族氮化物发光层上的波长转换元件的上表面。
5.权利要求3的结构，其中每个准直器的下表面与对应于每个准直器的片段的上表面之间的间隔小于50微米。
6.权利要求1的结构，其中所述隔离物通过粘合剂附连到所述底座的上表面。
7.权利要求1的结构，其中所述隔离物包括模制在所述底座的上表面上的硅树脂。
8.权利要求1的结构，其中相邻的准直器彼此间隔开。
9.权利要求1的结构，其中相邻的准直器通过球和导线之一彼此间隔开。
10.权利要求1的结构，其中至少两个片段生长在单个生长衬底上。
11.权利要求1的结构，还包括与所述发光器件的侧壁相邻布置的反射表面。
12.权利要求11的结构，其中所述隔离物附连到所述反射表面。
13.权利要求1的结构，还包括光学部件，其中所述准直器布置在所述光学部件和所述光源之间。
14.权利要求1的结构，其中所述发光层是III族氮化物层。
15.权利要求1的结构，其中至少一个片段分成多个结，其中所述底座构造成使得所述多个结中的至少两个结能够被独立激活。
16.权利要求1的结构，其中至少一个准直器包括：
垂直于片段的顶面的第一侧壁；以及
相对于与所述片段的顶面垂直的面成锐角的第二侧壁。
17.权利要求16的结构，其中所述至少一个准直器还包括：
靠近所述片段的所述顶面的输入面；以及
与所述输入面相对的输出面，其中所述输出面不平行于所述输入面。
18.一种方法，包括：
将光源的上表面与多个准直器的下表面间隔预定距离；
其中：
所述光源包括连接到底座的发光器件，所述发光器件包括多个片段，其中相邻的片段间隔小于200微米，每个片段包括布置在n型区和p型区之间的发光层；
所述多个准直器中的每个准直器与单个片段对准；
所述多个准直器附连到定位在所述底座的上表面上的隔离物；并且
所述发光器件位于所述隔离物中的开口内。
19.权利要求18的方法，其中将光源的上表面与多个准直器的下表面间隔预定距离包括将所述隔离物上的表面与所述底座的上表面配准。
20.权利要求18的方法，其中将光源的上表面与多个准直器的下表面间隔预定距离包括将所述隔离物上的表面与相邻于所述发光器件的侧壁布置的反射结构的上表面配准。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Eindhoven, Netherlands Co-patentee after: LUMILEDS LLC Patentee after: KONINKLIJKE PHILIPS N.V. Address before: Eindhoven, Netherlands Co-patentee before: Philips Ramildes Lighting Equipment Co.,Ltd. Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200907 Address after: Holland Schiphol Patentee after: KONINKLIJKE PHILIPS NV Address before: Eindhoven, Netherlands Co-patentee before: LUMILEDS LLC Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS N.V. |