CN103367617B - 用于led的宽带电介质反射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在白色发光设备中的LED的宽带全向多层电介质反射器，其提供在光的整个可见光频谱中的接近100%反射率以及在衬底和用于给LED供电并控制LED的电路之间的电绝缘。当具有比空气高的折射率的密封剂材料用于保护LED和所附电路时，铝反射器层或衬底被提供，以弥补在某些入射角处的反射率的损失。
Description
技术领域
本发明涉及用于发光二极管（LED）的全介质反射器，且特别是涉及用于在白色发光器件中的LED的提供反射率和电绝缘的宽带全向多层全介质反射器。
背景技术
常规白色发光器件，例如在以Shum的名义于2011年8月4日公布的美国专利申请2011/0186874中所公开并在图1中示出的那些发光器件，包括安装在电路2上或由电路2包围的蓝光或紫外（UV）发光LED1，电路2提供与外部电源的电连接，以给LED 1供电。金属反射层3（例如银）被设置在硅衬底4上，用于将由LED封装折射或反射的任何杂散光反射回期望的方向上。因此，也需要绝缘层6以提供电路2和金属反射层3之间的电绝缘。氮化物或氧化物（例如Si3N4或SiO2）常常被用来作为绝缘层6，结果形成大约2μm到6μm的厚度，取决于对击穿电压的合法要求。一般，LED 1被浸没在光透射环氧树脂7中，其包括用于将从LED发射的光转换成宽频谱白光的光转换染料，例如磷光体。不幸的是，银反射层3随着时间的流逝在环境上是不稳定的，并变得失去光泽，特别是当暴露于高的温度和湿度时，这极大地减小了发光器件的有效寿命。
在2004年12月21日授权给Su等人的美国专利号6,833,565中公开了使用窄带电介质反射器以将LED所发射的特定波长的光穿过磷光体材料反射回去以使波长转换最大化；然而，没有提到如何处理宽带、白光吸收/反射和电绝缘的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种白色发光LED器件，其中宽带全向多层电介质反射器用于提供反射率和电绝缘。
因此，本发明涉及发光二极管（LED）器件，其包括：。
衬底；
LED，其用于在第一波长处发射光；
电路，其用于从外部源向LED提供功率；
波长转换材料，其覆盖LED，用于将在第一波长处发射的光转换成至少第二波长的光，第二波长的光与第一波长的光组合而形成宽带光源；以及
在衬底和LED之间交替的高低折射率材料层和低折射率材料层的多层电介质结构，其提供对电连接的电绝缘和对所述宽带光源的反射率；
其中所述多层电介质结构是在至少150nm的带宽上反射所述宽带光源的至少90%的宽带反射器。
理想地，所述多层电介质结构具有在LED之下的具有第一厚度的第一区域，和围绕LED的具有比第一厚度更厚的第二厚度的第二区域，第一区域向所述衬底提供电绝缘和热传输，而第二区域提供电绝缘和对光的反射率。
附图说明
将参考代表本发明的优选实施例的附图来更详细地描述本发明，其中：
图1是常规LED器件的横截面视图；
图2是根据本发明的LED器件的横截面视图；
图3是具有间隔开100nm的中心波长的四个波长叠层（wavelength stacks）在入射角为零时的反射率与波长的关系曲线图；
图4是根据本发明的第一实施例的组合的波长叠层在入射角为零时的反射率与波长的关系曲线图，所述组合的波长叠层包括具有由间隔开100nm的中心波长定义的反射率带宽的四个区段；
图5是根据本发明的第二实施例的组合的波长叠层在入射角为零时的反射率与波长的关系曲线图，所述组合的波长叠层包括具有由间隔开10nm的中心波长定义的反射率带宽的大约50个高折射率和低折射率对；
图6a是在多个不同的入射角处的第二实施例的波长叠层的反射率与波长的关系曲线图；
图6b是在多个不同的入射角处的第二实施例的最优化波长叠层的反射率与波长的关系曲线图；
图7是比较金属反射器（例如银和铝）与根据本发明的全介质反射器在460nm到680nm的范围上的平均反射率与入射角的关系曲线图；
图8是比较金属反射器（例如银和铝）与根据本发明的全介质反射器在入射角的范围上的平均反射率与波长的关系曲线图；
图9是根据本发明的可替换实施例的LED器件的横截面视图；
图10是根据本发明的可替换实施例的LED器件的横截面视图；
图11是比较金属反射器（例如银）与根据本发明的第二实施例的全介质反射器，以及与根据本发明的第二实施例的全介质反射器和铝反射器层的组合，在460nm到680nm的范围上的平均反射率与入射角的关系曲线图；
图12是比较金属反射器（例如银）与根据本发明的第二实施例的全介质反射器，以及与根据本发明的第二实施例的全介质反射器和铝反射器层的组合，在入射角的范围上的平均反射率与波长的关系曲线图；
图13a是在入射角的范围上的反射率与波长的关系曲线图；
图13b是在400nm和700nm之间的波长范围的平均反射率与入射角的关系曲线图；以及
图14是根据本发明的可替换实施例的LED器件的横截面视图。
具体实施方式
参考图2，本发明涉及通常标记为11的宽带（例如白色）发光二极管（LED）器件，其包括一般由硅或某些其它半导体材料、玻璃（例如二氧化硅）或在优选实施例中由金属宽带反射材料（例如铝）形成的衬底12。一个或多个LED芯片13（例如由InGaN制成的蓝色LED）安装在衬底12上，用于产生在第一窄带波长范围内（例如50nm），一般在蓝光或紫外线（UV）范围内的光。优选地以在导电氧化层（例如铟锡氧化物）中图案化的导电迹线的形式的电路14在LED 13周围形成，并电连接到外部电源和控制源，以向LED 13提供功率和其它控制和监测功能。
在优选实施例中，LED 13和电路14被封装在保护LED 13和电路14的透明密封剂材料16（例如硅酮）中。此外，密封剂材料为构成电路14的电触头和电线提供绝缘和密封。可使用其它类型的材料，例如环氧树脂、玻璃、旋涂玻璃、塑料、聚合物、金属或半导体材料。
在优选实施例中，密封剂材料16包括聚合物，其开始为流体状态，用于填充和密封LED 13周围的内部区。密封剂材料16接着被固化以形成实质上稳定的状态。根据特定要求，密封剂材料16优选地是透光的，或也可以是选择性地透明的和/或半透明的。此外，密封剂材料16一旦被固化就实质上是惰性的，并具有低吸收能力，以允许LED 11所产生的电磁辐射的相当大一部分（substantial portion）从其横穿通过。
白光的产生涉及使在如在图2中被示为实线的初始波长处的光从LED 11穿过包括一种或多种不同波长转换材料（例如磷光体）的介质，产生如在图2中的虚线所示的不同的波长（例如不同颜色）的光，这些光组合以形成白光。在优选实施例中，波长转换是由转换波长转换材料所吸收的电磁辐射的材料所提供。在特定的实施例中，波长转换材料16由LED13的初次发射激发，并发射至少第二波长的电磁辐射，以及也可选地发射第三和第四波长的电磁辐射。
在优选实施例中，波长转换材料被合并到密封剂材料16中，从而在五个侧面上包围并覆盖LED 11。在使用中，来自LED 11的光的一小部分经历斯托克斯频移，并从较短的波长转换成较长的波长，且如果在密封剂材料16中提供不同颜色的几种不同的磷光体材料，则发射频谱被更多地加宽，优选地超过150nm，更优选地超过200nm，且甚至更优选地超过250nm，有效地提高了给定LED的显色指数（CRI）值。
作为例子，根据本发明的基于磷光体的白色LED器件11包括在磷光体涂覆的环氧树脂16内部的封装InGaN蓝色LED13，其中磷光体是普通黄磷材料，例如掺铈钇铝石榴石（Ce3+:YAG）。一些原始蓝光（420nm-490nm）与转换的黄光（550nm-600nm）组合，呈现白光。
白色LED器件11也可使用近紫外（NUV）LED 11形成，产生在350nm到400nm范围内的UV光，密封剂材料16与发射红光和蓝光的高效基于铕的磷光体的混合物以及发射绿光的掺铜和铝的硫化锌（ZnS:Cu,Al）结合。所产生的红光（620nm到700nm）、绿光（490nm到570nm）和蓝光（420nm到490nm）组合以形成白光，如本领域中所公知。
在其它实施例中，可使用其它波长调节材料来掺杂或处理密封剂材料16，以选择性地滤波、分散或影响光的原始波长，使其成为一个或多个新波长的光。作为例子，可使用金属、金属氧化物、电介质或半导体材料和/或这些材料的组合来处理密封剂材料16，以将原始波长转换成具有宽得多的总带宽（例如150nm或更大波长）的一个或多个不同的波长，产生白光。
在可替换的实施例中，磷光体粒子可沉积在LED 13或LED器件11上。磷光体粒子可包括上面列出的波长转换材料或本领域中已知的其它材料中的任一种。一般，磷光体粒子可具有在大约0.1微米和大约50微米之间的平均粒径粒子尺寸分布。在一些实施例中，磷光体粒子的粒子尺寸分布是单模的，具有在大约0.5微米和大约40微米之间的有效直径处的峰值。在其它实施例中，磷光体粒子的粒子尺寸分布是双模的，具有在两个直径处的局部峰值；三模的，具有在三个直径处的局部峰值；或多模的，具有在四个或更多有效直径处的局部峰值。
在特定的实施例中，实体包括从(Y,Gd,Tb,Sc,Lu,La)3(Al,Ga,In)5O12:Ce3+、SrGa2S4:Eu2+、SrS:Eu2+中选择的磷光体或磷光体混合物，以及包括CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe或CdTe的胶状量子点薄膜。在其它实施例中，该器件可包括能够发射实质上红光和/或绿光的磷光体。在各种实施例中，基于蓝色LED器件的色彩平衡来选择磷光体材料的数量。
为了替换绝缘层6和金属反射器层3，本发明利用分别交替高折射率层18和低折射率层19的多层电介质叠层17，其被设计成提供例如大于150nm、优选地大于200nm且更优选地大于250nm的宽带反射器，以及在电路14和衬底12之间的电绝缘。理想地，电介质叠层17反射可见光频谱中的光的至少90%；然而，稍微更小的带宽是在本发明的范围内，例如400nm到680nm（240nm宽）以及440nm到640nm（200nm宽）。
一般，低折射率层19由SiO2组成，而高折射率层18由一个或多个Ta2O5、Nb2O5和TiO2组成；然而，用于高折射率层18和低折射率层19的其它材料都是在本发明的范围内。
在第一实施例中，电介质叠层17由4或5个区段组成，每个区段适合于反射在中心波长λC所限定的预定波长范围内的光，例如75nm到125nm，该中心波长与其它中心波长间隔开大约相同的距离，例如75nm到125nm，以便有带宽上的小重叠。因此，每个区段由交替的高折射率材料和低折射率材料的8到20层组成，这些层具有大约等于预定范围的中心波长的四分之一波长的厚度。
例如：电介质叠层17的第一区段由交替的高折射率材料和低折射率材料的8到20层组成，每层具有光学厚度为λC1的1/4=(450nm/4)=112.5nm。将光学厚度除以在这些波长处的折射率，则得到实际厚度。
电介质叠层17的第二区段由交替的高折射率材料和低折射率材料的8到20层组成，每层具有光学厚度为λC2的1/4=(550nm/4)=137.5nm。
电介质叠层17的第三区段由交替的高折射率材料和低折射率材料的8到20层组成，每层具有光学厚度为λC3的1/4=(650nm/4)=162.5nm。
电介质叠层17的第四区段由交替的高折射率材料和低折射率材料的8到20层组成，每层具有光学厚度为λC4的1/4=(750nm/4)=187.5nm。
图3是具有硅衬底12，但没有任何密封剂材料16（即，发射到空气中）的LED器件11在零度入射角处的反射率与波长的关系曲线图。示出了由中心波长λC1、λC2、λC3和λC4（未示出）限定的电介质叠层17的四个前述区段的四个重叠的反射率带宽。图4也是反射率与波长的关系曲线图，其示出包括如在上文中所述的多个区段的组合电介质叠层17的组合的宽带反射率带宽。因此，电介质叠层17为在零度入射角发射到空气中的宽带频谱光（超过300nm）提供95%到100%的反射率。
在本发明的可替换的实施例中，电介质叠层17可由从20到50个的不同区段形成，例如，只有一对或两对交替的高折射率层和低折射率层，每对适合于反射由中心波长限定的相对窄的带宽，例如10nm到25nm。因此，电介质叠层17可包括中心在350nm、360nm、370nm、...820nm、830nm和840nm或其某个较小的子集处的反射率带宽的四分之一波长对。每层的光学厚度是中心波长除以4（λC/4）。图5是波长与反射率的关系曲线图，并示出具有硅衬底12而没有密封剂材料16的LED器件11在零度入射角处的对于前述例子的组合反射率带宽。第二实施例为在零入射角发射到空气中的宽带频谱光（从400nm到700nm，超过300nm）提供从98%到100%的反射率。
一般使用薄膜设计软件来优化前述设计。市场上可买到的薄膜设计软件的例子是“Escential Mcleod”、Filmstare、TfCalc、Optilayer。所需的层的数量取决于在高折射率和低折射率材料之间的折射率差。差异越大，所需的层的数量越少。
电介质层17的总高度可以在2μm到20μm、优选地2.5μm到15μm、且更优选地在7μm和12μm之间的范围内，为入射角在0°和90°之间的从400nm到680nm的光提供超过90%的反射率、优选地提供超过92.5%的反射率。
图4到6a中的前述设计中没有一个使用如上所述的软件来最优化，即，最终设计将不是具有准确地为中心波长的四分之一波长的光学宽度的层的简单堆叠；然而，从图7所示出的设计已被“最优化”。
如图6a所示，入射角在电介质叠层17的总反射率中起作用。对于具有硅衬底12而没有密封剂材料16的LED器件11的前述例子，在可见光频谱中的几个波长处和在不同入射角处，反射率减小了5%，而在几个波长和入射角处，反射率减小了10%到15%或更多。尖峰可通过优化来移除，如图6b所示，其中在大入射角处和小入射角处的反射率减小被极大地降低，在所有角度和400nm到675nm之间的波长处提供超过95%的反射率。
当具有比空气（1.0）高的折射率（例如1.5）的密封剂材料16被包括在LED器件11中时，有如图7所示的在某些入射角（例如45°到65°处）的反射率的明显减小，图7是入射角（AOI）与反射率的关系曲线图。反射率的急剧降低的主要原因是在前述角度处的光的偏振s分量和p分量的分离的增加。在某个角度（即，布鲁斯特角）处，当s偏振光被反射时，所有p偏振光被透射，而在LED器件11的情况下，所有p偏振光由于衬底12的吸收而损失，或透射出LED器件11的背侧。
参考图8，作为布鲁斯特现象的结果，根据前述实施例中的任一个的电介质叠层17在横跨可见光频谱（400nm到650nm）和在0°到90°的入射角范围上的平均反射率被减小到大约93%，相形之下，对银是97.9%，和对铝是91.9%。
在图9中示出了在不牺牲耐用性的情况下对前述问题的解决方案，其中具有与LED器件11相同的所有元件的LED器件21也包括具有在电介质叠层17和常规衬底材料24之间的的耐用金属反射器层23（例如由铝组成）的衬底22。金属反射层23可以薄至10nm到500nm，但为了实用目的，反射层23一般在35nm和120nm之间，且理想地在50nm和70nm之间，取决于LED器件21的厚度要求。
参考图10，其示出了LED器件31，其中整个衬底32由反射金属材料（理想地是铝）组成，以提供所需的额外反射率以及提供增加的热耗散。材料具有大于100W/mK的热导率，而具有大于200W/mK（例如铝k=250W/mK）的热导率的材料是更优选的。所有其它元件，即，LED13、电路14、密封剂材料16和电介质叠层17与在图2和9中的相同。图11示出组合的电介质叠层/金属反射器的最低反射率如何超过93%，而图12示出组合的反射器的平均反射率在整个可见光频谱上超过98.5%，其大于银反射器或电介质叠层17。
组合反射器的另一优点是，通过减小每区段的层的数量而不牺牲在反射率方面的太多性能，能够将电介质叠层17的厚度实质上减小到3μm和6μm之间。电介质叠层17的总厚度可以在2μm到20μm、优选地在2.5μm到12μm、且更优选地在3μm和8μm之间的范围内，为在0°和90°之间的入射角处具有超过250nm的带宽（例如从400nm到680nm）的光提供超过90%的反射率、优选地提供超过95%的反射率、且更优选地提供超过97%的反射率。
当穿过电介质叠层17的低热电阻需要增加从LED 13向外的热耗散时，减小电介质叠层17的厚度可能是重要的。下面的表提供具有不同厚度的反射器叠层17的平均反射率的比较。在0°-85°的角度范围和400nm到680nm的波长范围上计算平均反射率。
| 反射镜厚度(μm) | 平均反射率(%) |
| 7.60 | 98.5 |
| 4.22 | 98.0 |
| 3.70 | 97.6 |
| 3.11 | 97.4 |
| 银 | 97.8 |
参考图13a和13b，对标准实施例产生问题，即为何对于某些波长（例如600nm到750nm），反射实质上在高入射角（例如>45°）处降低，该问题由识别可被描述为“red cliff”的入射角的角偏移而引起。
通常，对于特定的应用，可通过增加厚度，有效地使涂层的角度关系“红移”到较长的较不重要的波长来容易地处理电介质叠层17的上述所识别的问题。然而，基于热因素的考虑，不应增加电介质叠层17的厚度，因为安装在多层电介质叠层17的顶部上的LED 13需要将热穿过其到衬底（例如衬底4、12或32）进行耗散。在研发期间，厚得多的电介质叠层17提供较佳的光性能，但在整个薄膜上的热传递差，实际上使它们在该应用中不可用。
参考图14，本发明的LED器件41的可替换实施例的关键特征是将介质叠层分成至少两个区域或节段：为了电绝缘原因和包括其余涂层的全向反射镜所需的其余光学性能，具有第一较厚的厚度（例如大于3.5μm、优选地大约4μm或更大厚度）的包围LED 13和电路14的第一节段47a。总涂层厚度可以高达13μm，由该结构的热性能限制。在总涂层上的厚度可甚至比13μm厚，但它将是成本非常高的。
在LED 13之下的第二节段47b使用光刻或其它适当的工艺而被图案化，以具有第二较薄的厚度，以允许LED 13位于离衬底12/22/32的适当距离处，使得电绝缘被维持，且介质叠层的额外厚度的热影响被最小化，例如在1μm和3μm之间，优选地大约2μm。
因为一般LED大约为160μm高（在形状上是三角形）并浸没在密封剂材料16中，因此被第一较厚的区域47a掩盖的二极管的量一般小于2%（2+μm/160μm）。
Claims (15)
1.一种发光二极管器件，包括：
衬底；
LED，其用于在第一波长处发射光；
电路，其用于从外部源向所述LED提供功率；
波长转换材料，其覆盖所述LED，用于将在所述第一波长处发射的光转换成至少第二波长的光，所述第二波长的光与在所述第一波长处发射的光组合而形成宽带光源；以及
在所述衬底和所述LED之间交替的高折射率材料层和低折射率材料层的多层电介质结构，所述多层电介质结构提供对所述电路的电绝缘和对所述宽带光源的反射率；
其中所述多层电介质结构是在至少150nm的带宽上反射所述宽带光源的至少90％的宽带反射器，并且其中所述多层电介质结构包括：
第一区域，所述第一区域位于所述LED下方，并具有第一厚度，所述第一区域向所述衬底提供电绝缘和热传输，
和第二区域，所述第二区域围绕所述LED，并具有比所述第一厚度更厚的第二厚度，所述第二区域提供电绝缘和对光的反射率。
2.如权利要求1所述的发光二极管器件，其中所述多层电介质结构具有从2.5μm到15μm的厚度。
3.如权利要求1所述的发光二极管器件，其中所述第一区域的厚度在1μm和3μm之间。
4.如权利要求1所述的发光二极管器件，其中所述第二区域的厚度在3.5μm和13μm之间。
5.如权利要求1到4中的任一项所述的发光二极管器件，其中所述宽带反射器反射在400nm到680nm的范围上的光的至少90％。
6.如权利要求1到4中的任一项所述的发光二极管器件，其中所述第一波长和第二波长组合以形成白光。
7.如权利要求1到4中的任一项所述的发光二极管器件，其中所述波长转换材料包括多种不同的材料，用于将在所述第一波长处发射的光转换成在所述第二波长和第三波长处的光，所述第二波长和所述第三波长与所述第一波长组合以形成白光。
8.如权利要求1到4中的任一项所述的发光二极管器件，其中所述多层电介质结构包括多个区段，每个区段用于反射一个由中心波长限定的从75nm到125nm的不同带宽，每个区段包括多个交替的高折射率层和低折射率层，每个层具有大约是所述中心波长的四分之一的光学宽度。
9.如权利要求1到4中的任一项所述的发光二极管器件，其中所述多层电介质结构包括多对高折射率材料层和低折射率材料层，其中每个对用于反射一个由中心波长限定的从5nm到15nm的不同带宽，每个层具有大约是所述中心波长的四分之一的光学宽度。
10.如权利要求1到4中的任一项所述的发光二极管器件，还包括密封剂材料，所述波长转换材料被分散在其中，其中所述密封剂材料对所述第一波长和所述第二波长是透明的。
11.如权利要求10所述的发光二极管器件，其中所述密封剂材料包括硅酮、环氧树脂、玻璃、塑料或聚合物中的一种或多种。
12.如权利要求1到4中的任一项所述的发光二极管器件，其中所述衬底包括反射金属层，其中所述反射金属层和所述多层电介质结构为在400nm和680nm之间的波长处的光提供超过95％的反射率。
13.如权利要求12所述的发光二极管器件，其中所述反射金属材料具有大于200W/mK的热导率。
14.如权利要求12所述的发光二极管器件，其中所述衬底包括铝。
15.如权利要求1到4中的任一项所述的发光二极管器件，其中所述衬底包括具有大于200W/mK的热导率的反射金属材料。
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