CN104040716B - 以大角度发射光的半导体发光器件灯 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例包括附接至底座的多个半导体发光二极管。多个透镜被布置在多个半导体发光二极管的上方。布置在靠近底座的边缘的半导体发光二极管上方的透镜是旋转非对称的，并且被成形为使得对于该透镜的一部分，以最大强度的一半的强度发射的光是以相对于半导体发光二极管的顶表面的法线至少70°的角度发射的。

Description

以大角度发射光的半导体发光器件灯

技术领域

本发明涉及具有被配置成以大角度发射光的至少一个透镜的多个半导体发光器件。

背景技术

包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、例如表面发射激光器的垂直腔激光二极管（VCSEL）和边发射激光器的半导体发光器件是当前可获得的最有效的光源之一。在能够跨可见光谱操作的高亮度发光器件的制造中，当前感兴趣的材料系统包括III V族半导体，尤其是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，其也被称作III氮化物材料。一般地，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或者其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、III-氮化物或者其它适当的衬底上外延生长具有不同成分和掺杂物浓度的半导体层的叠层来制造III氮化物发光器件。该叠层通常包括形成在衬底上方的掺杂有例如Si的一个或多个ｎ型层、形成在一个或多个n型层上方的有源区中的一个或多个发光层和形成在有源区上方的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。在n型和p型区上形成电接触。

图1图示了在US 7,461,948中更加详细地描述的器件，通过引用将其并入本文。该器件包括多个发光二极管（LED）管芯102、104和106，每个发光二极管管芯具有不同类型的二次光学元件(secondary optic)。因而，第一类型的透镜103被安装至LED管芯102，第二类型的透镜105被安装至LED管芯104，并且第三类型的透镜107被安装至LED 106。透镜103、105和107被配置成从它们相应的LED 102、104和106产生不同的光分布图案。LED 102、104和106彼此靠近地安装在基座101上，但是以足够区分每个LED管芯的光学中心的距离分隔开。虽然图1中示出了三个LED 102，104和106，但是应当理解，可利用更少的（例如2个）LED，或者附加的（例如4个或者更多）LED。若需要，可利用多个基座。

由不同类型的二次光学元件产生的不同光分布图案组合产生具有期望的照明图案的有效光源。例如，第一LED可包括产生具有中心最大强度的光分布图案的透镜，而第二LED可利用这样的透镜，该透镜产生的光分布图案具有围绕第一LED所产生的图案的最大强度的最大强度。

发明内容

本发明的目标是提供包括以大角度发射光的半导体发光二极管的灯。

本发明的实施例包括附接至底座的多个半导体发光二极管。多个透镜布置在多个半导体发光二极管上方。布置在靠近底座的边缘的半导体发光二极管的上方的透镜是旋转非对称的，并且被成形为使得对于透镜的一部分，以最大强度的一半的强度发射的光是以相对于半导体发光二极管的顶表面的法线至少70°的角度发射的。

根据本发明的实施例的方法包括在附接至底座的多个半导体发光二极管上方形成多个透镜。形成在第一半导体发光二极管上方的第一透镜具有不同于形成在第二半导体发光二极管上方的第二透镜的形状。第一半导体发光二极管定位成比第二半导体发光二极管更靠近于底座的边缘。第一透镜是旋转非对称的，并且被成形为使得对于第一透镜的一部分，以最大强度的一半的强度发射的光是以相对于第一半导体发光二极管的顶表面的法线至少70°的角度发射的。

附图说明

图1图示了具有产生不同光分布图案的二次光学元件的多个发光二极管。

图2图示了来自包括LED的灯的大角度光发射。

图3是包括附接至支座的半导体结构的发光器件的简化截面图。

图4是附接至底座的图3的器件的阵列的平面图。

图5A是形成在图4的阵列中间的器件上方的透镜的截面图。图5B和5C是可形成在图4的阵列边缘处的器件上方的透镜的两个示例的截面图。

图6是根据本发明的实施例的灯的截面图。

图7是根据本发明的实施例的替代性的灯的截面图。

具体实施方式

LED是传统白炽灯泡的有吸引力的、高效率的替代物。为了模仿传统白炽灯泡的辐射轮廓，LED灯必须以大角度发射光。例如，如图2中所示，为了满足能量之星称号的要求，LED灯10必须以相对于灯 10的主轴线14的高达135°的角度12发射光。在商业上可获得的器件中，二次透镜16被放置在LED阵列（图2中未示出）的上方，以形成期望的大角度发射。这种二次透镜16增加了灯10的成本和复杂性，并且可能降低效率。

在本发明的实施例中，产生大角度光的透镜形成在用于LED灯中的阵列边缘处的LED上方。虽然下面的示例涉及发射蓝色光或者UV光的III-氮化物LED，但是在本发明的实施例中，可以使用除了LED之外的半导体发光器件，例如激光二极管，以及由诸如其它III-V材料、III-磷化物、III-砷化物、II-VI材料、ZnO、或基于Si的材料的其它材料系统制成的半导体发光器件。

图3为附接至支座的半导体发光器件（例如LED）的一部分的截面图。为了形成图3的发光器件15，如本领域中已知的那样，首先在生长衬底（图3中未示出）上生长半导体结构20。生长衬底可为任何适当的衬底，例如，蓝宝石、SiC、Si、GaN或者复合衬底。半导体结构20包括夹在n型区和p型区之间的发光或者有源区。n型区可首先被生长并且可包括具有不同成分和掺杂物浓度的多个层，所述多个层例如包括诸如缓冲层或者成核层的制备层，和/或被设计成便于移除生长衬底的层（其可为n型的或者没有刻意掺杂的），以及针对发光区有效地发射光所期望的特定光学、材料或者电学特性而设计的n型或者甚至p型器件层。在n型区上方生长发光或者有源区。适当的发光区的示例包括单个厚的或薄的发光层，或者包括由阻挡层分隔开的多个薄的或厚的发光层的多量子阱发光区。然后，可在发光区上方生长p型区。与n型区类似，p型区可包括具有不同成分、厚度和掺杂物浓度的多个层，所述多个层包括未刻意掺杂的层或者n型层。在一些实施例中，器件中的所有半导体材料的总厚度小于10 µm，并且在一些实施例中，小于6 µm。

金属p接触形成在p型区上。如果大部分光通过与p接触相对的表面被引导离开半导体结构，例如在倒装芯片器件中，则p接触可以是反射性的。通过利用标准光刻操作对半导体结构进行图案化并且蚀刻半导体结构以移除p型区的整个厚度的一部分和发光区的整个厚度的一部分从而形成显露出n型区的表面的台面（在该台面上形成金属n接触），来形成倒装芯片器件。可以以任何适当的方式形成台面以及p和n接触。形成台面以及p和n接触对本领域技术人员而言是熟知的并且在图3中未示出。

利用本领域中已知的绝缘层和金属的叠层可重新分布p和n接触以形成至少两个大的电垫片。电垫片中的一个电连接至半导体结构20的p型区，并且电垫片中的另一个电连接至半导体结构20的n型区。电垫片可以为任何适当的导电材料，所述导电材料包括例如铜、金和合金。电垫片通过可以填充有诸如电介质、空气或者其它环境气体的绝缘材料的间隙彼此电隔离。p接触和n接触、用来重新分布接触的金属/电介质叠层以及电垫片是本领域中熟知的，并且在图3中被图示为电连接结构22。

半导体结构20通过电连接结构22连接至支座24。支座24是机械支撑半导体结构20的结构。在一些实施例中，支座24在晶片级连接至半导体结构20，使得支座24与半导体结构20同时被划片，并且因此宽度与半导体结构20相同，如图3中所示。在一些实施例中，首先对半导体器件的晶片进行划片，然后，在对半导体晶片划片之后，将各个器件或者器件组连接至各个支座24或者支座的晶片。在这些实施例中，支座24可比半导体结构20更宽。在一些实施例中，支座24为适于将半导体发光器件附接至诸如PC板的衬底的自支撑结构。例如，与半导体结构20相对的支座24的表面（图3中的支座24的底表面）可为可回流焊接的。可采用任何适当的支座。适当的支座24的示例包括具有用于形成到电连接结构22的电连接的导电通路的绝缘或半绝缘的晶片（诸如硅晶片）、例如通过电镀形成在电连接结构22上的厚金属接合垫片、或者陶瓷的、金属的或任何其它适当的底座。

如图4的顶视图中所示，为了在LED灯中使用图3中所示的发光器件15，在底座30上安装一个或多个器件15。底座30可以为任何适当的结构，诸如PC板或者硅晶片或者晶片的一部分。尽管在图4中图示了器件15的阵列16，但是可利用更多的或者更少的器件15，并且器件不必被布置为间隔均匀的阵列。

透镜18被布置在每个器件15的上方。可通过任何适当的技术在器件15上方形成并布置透镜18。可以在将器件附接至底座30之前或之后在各个器件15上方形成透镜18。在一些实施例中，透镜18是预先形成的透镜，其被粘合或附着至器件15和/或底座30，或者以其它方式布置在器件15上方。替代性地，可用如下的低压二次成型(overmolding)工艺形成透镜18：提供具有与器件15在底座30上的位置相对应的凹口的模具。利用液态的光学透明的材料（例如硅树脂）填充凹口，所述材料在固化时形成坚硬的透镜材料。凹口的形状将为透镜的形状。模具和具有器件15的底座被放到一起，使得每个器件位于相关凹口中的液态透镜材料内。然后，加热模具以固化（硬化）透镜材料。然后，分离模具和底座，从而在每个器件15上方留下透镜18。替代性地，可通过高压注射成型来形成透镜18，其中在将要被封装的物体装入空的模具之后，高压注射液态材料。

不同形状的透镜形成在底座30上的阵列中的不同器件15上方。例如，形成在阵列中心处的器件15e上方的透镜18e被成形为引导光离开器件15e的顶部，即，垂直地离开图4的平面。在一些实施例中，透镜18e被成形为使得大部分光以相对于器件顶表面的法线 45°或者更小的角度离开透镜。形成在阵列侧边上的器件15b（如图4中所示的顶部中心的两个器件）上方的透镜18b被成形为引导光19b离开阵列的侧边并以大角度离开。形成在阵列侧边上的器件15d（如图4中所示的左侧器件列的中心的两个器件）上方的透镜18d被成形为引导光19d离开阵列的侧边并以大角度离开。形成在阵列侧边上的器件15f（如图4中所示的右侧器件列的中心的两个器件）上方的透镜18f被成形为引导光19f离开阵列的侧边并以大角度离开。形成在阵列侧边上的器件15h（如图4中所示的底部中心的两个器件）上方的透镜18h被成形为引导光19h离开阵列的侧边并以大角度离开。形成在阵列角落处的器件15a、15c、15g和15j上方的透镜18a、18c、18g和18j被成形为引导光19a、19c、19g和19j离开阵列的角落并以大角度离开。

图5A为可能位于图4所示阵列的中心处的器件15和透镜18（即，器件15e和透镜18e）的示例的截面图。透镜可以以半最大值角度为特征，所述半最大值角度被定义为相对于器件15的顶表面的法线的角度，在该角度处，发射光的强度为发射光的最大强度的一半。图5A中的线50为器件15的顶表面的法线。图5A示出了发射朗伯型(Lambertian)图案的光的器件。在朗伯型图案中，光以余弦曲线均匀分布，使得半最大值52在相对于法线50的60°处。图5A中示出的透镜是旋转对称的，使得半最大值角度在任何方向上基本相同（虽然可能由于器件15的形状而存在半最大值角度的微小变化）。例如，半最大值角度52在图5A所示的截面图中的透镜的右侧和左侧是相同的。

图5B和5C为可能位于图4所示阵列的边缘处的器件15（也就是，器件15a、15b、15c、15d、15f、15g、15h和15j）和透镜18的示例的截面图。图5B和5C的透镜18不是旋转对称的。图5B和5C中的两个透镜的左侧发射朗伯型图案的光，使得半最大值52在相对于法线50的60°处。图5B和5C中的两个透镜的右侧具有比图5B和5C中的两个透镜的左侧更大的横向伸展。在图5B中，透镜的右侧朝着透镜右边缘处的基本竖直的侧壁向上延伸。在图5C中，透镜的右侧朝着向下弯曲的透镜的右边缘向外延伸。图5B和5C中的透镜的右侧以更大的角度发射光，使得半最大值角度可以为相对于法线50的至少70°（如射线54所示）或者为相对于法线50的至少80°（如射线55所示）。以更大的半最大值角度发射光的透镜部分的位置在图4中被指示为透镜18a、18b、18c、18d、18f、18g、18h和18j的平坦侧边。因而，透镜引导光以大于60°的半最大值角度离开阵列的侧边。

图6为包括图4中所示的阵列的灯的截面图，其沿着图4中所示的轴线25截取。底座30附接至散热器32。外壳34布置在器件15的阵列的上方。外壳34例如可以为任何适当的透明材料，比如模制塑料或者玻璃。外壳34可包括导致散射的材料（比如TiO₂颗粒），或者可以被粗糙化、图案化或者纹理化以导致散射。如上所述，在一些实施例中，处于阵列的侧边处的器件上方的透镜18d和18f被成形为引导光19d和19f以至少70°的半最大值角度离开阵列的侧边，并且在一些实施例中，以至少80°的半最大值角度离开阵列的侧边。透镜18d和18f的形状与由外壳34提供的散射相结合，使得光35以大角度发射，例如，以相对于散热器32的顶表面的法线至少90°的角度和/或以相对于散热器32的顶表面的法线90°到135°之间的角度。在一些实施例中，以相对于散热器32的顶表面的法线135°发射的光的量为以所发射的光的强度最大时的角度发射的光的量的至少5%。

图7是包括图4中示出的阵列的替代性的灯的截面图，其沿着图4中示出的轴线25截取。底座30附接至散热器36。散热器36被成形为使得外壳38延伸经过阵列的侧边并经过散热器36的侧边。外壳38可以例如为任何适当的透明材料，诸如模制塑料或者玻璃。外壳38可包括导致散射的材料（比如TiO₂颗粒），或者可被粗糙化、图案化或者纹理化以导致散射。如上所述，在一些实施例中，位于阵列侧边处的器件上方的透镜18d和18f被成形为引导光19d和19f以至少70°的半最大值角度离开阵列的侧边，并且在一些实施例中，以至少80°的半最大值角度离开阵列的侧边。透镜18d和18f的形状与由外壳38提供的散射相结合，使得光35以大角度发射，例如以相对于散热器36的顶表面的法线至少90°的角度和/或以相对于散热器36的顶表面的法线90°到135°之间的角度。在一些实施例中，以相对于散热器36的顶表面的法线135°发射的光的量为以所发射的光的强度最大时的角度发射的光的量的至少5%。

在一些实施例中，图6和图7的灯被配置成使得以任何角度发射的光的量在0°到135°之间的平均强度的± 20% 以内，如器件被称为能量之星器件所要求的那样。

图4、6和7中图示的结构可并入到与用于传统灯泡的插座兼容的封装中，比如图2所示的封装。图6和图7中示出的外壳可替代图2中示出的透镜。

尽管已经详细描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在给定本公开内容的情况下可对本发明作出修改，而不脱离本文描述的发明概念的精神。例如，不同实施例的不同元件可被组合以形成新的实施例。因此，本发明的范围并不旨在限于所图示和描述的具体实施例。

Claims (6)

1.一种结构，包括：

附接至底座的多个半导体发光二极管，所述底座具有多个边缘和中心；和

分别布置在靠近所述底座的一个边缘的每一个所述半导体发光二极管上方的多个第一透镜，其中所述第一透镜是旋转非对称的，并且各自具有远离所述一个边缘的第一部分和靠近所述一个边缘的第二部分，其中

所述第一部分具有半圆顶形状，并且所述第二部分具有比所述第一部分更大的横向伸展，以及

所述第一透镜被成形为使得对于所述第二部分，以最大强度的一半的强度发射的光是以相对于所述半导体发光二极管的顶表面的法线至少70°的角度发射的。

2.如权利要求1所述的结构，还包括：

分别布置在靠近所述底座的中心的每一个所述半导体发光二极管上方的多个第二透镜，其中所述第二透镜是旋转对称的，并且被成形为使得以最大强度的一半的强度发射的光是以相对于所述半导体发光二极管的顶表面的法线的小于70°的角度发射的。

3.如权利要求1所述的结构，其中所述第一透镜被成形为使得对于所述第二部分，以最大强度的一半的强度发射的光是以相对于所述半导体发光二极管的顶表面的法线至少80°的角度发射的。

4.如权利要求1所述的结构，还包括布置在所述多个发光二极管上方的壳体，其中：

所述结构被配置成使得光以相对于所述底座的顶表面的法线135°的角度离开所述壳体；并且

以相对于所述底座的顶表面的法线135°的角度发射的光的量为以所发射的光的强度最大时的角度发射的光的量的至少5%。

5.如权利要求4所述的结构，其中所述壳体包括导致光散射的材料。

6.如权利要求4所述的结构，其中所述壳体延伸至所述底座的底部以下。