CN105987357A - 包括半导体发光装置的背光 - Google Patents

Abstract

诸如半导体发光二极管64的光源60设置在透明部件50的第一开口54中，其作用为显示器中的波导。透明部件围绕光源。没有光源设置在透明部件的第二开口70中。在一些实施例中，第一开口成形为引导光至该透明部件中。在一些实施例中，反射器66设置在光源上。反射器包括平坦部分和成形部分68。成形部分从平坦部分向光源延伸。

Description

包括半导体发光装置的背光

本申请是申请号为201080015233.9，申请日为2010年3月11日，发明名称为“包括半导体发光装置的背光”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种发光装置，其包括设置在透明部件内的开口中的光源。可以使用这样的发光装置作为例如显示器的背光。

背景技术

诸如发光二极管（LED）的半导体发光装置是目前可获得的最有效光源之一。目前在能够跨越可见光谱操作的高亮度LED的制造中受关注的材料系统包括III-V族半导体，尤其是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也称作III-氮化物材料；以及镓、铝、铟、砷和磷的二元、三元和四元合金。通常III-氮化物装置是外延生长在蓝宝石、碳化硅或者III-氮化物衬底上，且III-磷化物装置是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其他外延技术外延生长在砷化镓上。通常，n型区域沉积在衬底上，然后发光或作用区域沉积在n型区域上，然后p型区域沉积在该作用区域上。层的顺序可以相反使得p型区域临近该衬底。

半导体发光装置的一个有前途的用途是用于液晶显示器（LCD）中的背光。LCD通常用于手机、个人数字助理（PDA）、便携式音乐播放器、膝上型计算机、桌上型监视器和电视应用。本发明的一个实施例涉及需要背光的彩色或单色、透射LCD，其中背光可以使用一个或多个LED发射白光或彩色光。使用蓝光LED和远端磷光体层以产生白光的实施例也是可能的。LED与激光二极管的区别在于LED发射非相干光。

在美国公开申请2009-0045420中描述的一个背光，在这里作为参考引用并且示于图1中：“安装在底座22上的侧发光式LED10设置在固体的、透明波导材料36的区段的开口中…波导区段36设置在较大波导40的狭槽42中。”。

发明内容

本发明的实施例涉及可用于显示器的背光的发光装置。本发明的一个目的是提供具有开口以用于实光源和虚光源的透明部件。诸如半导体发光二极管的光源设置在可用作显示器中波导的透明部件的第一开口内。透明部件围绕光源。在发光装置的实施例中，可以使用顶部发光式LED而非侧发光式LED。没有光源设置在透明部件的第二开口中。第二开口可充当虚光源。

在一些实施例中，反射器设置在光源上方。反射器包括平坦部分和成形部分。该成形部分从平坦部分向光源延伸。本发明的实施例可以减少发光装置产生具有足够均匀度和光混合的期望光数量所需的光源数量。

附图说明

图1是设置在波导内的波导区段的透视图。

图2是具有翻模（overmolded）圆顶透镜的薄膜倒装芯片LED的横截面图。

图3是设置在一部分波导中的开口内的LED的顶视图。

图4是设置在波导开口内的LED的横截面图。

图5是具有实和虚光源的一部分波导的顶视图。

图6是包括用于反射光的特征部分的一部分波导的顶视图。

图7示出了具有成形透镜的LED。

图8是一部分波导的顶视图。

具体实施方式

LED设置在波导内部的背光，诸如US2009-0045420中描述的背光是有利的，这是因为波导以及因此背光可以保持较薄。还期望的是减少用于背光的LED数量，以降低背光的成本。从LED顶表面发射大部分光的LED可以比US2009-0045420中所述侧发光式LED具有稍微高的通量。本发明的实施例是涉及诸如顶部发光式LED设置在波导内部的背光的装置。

适当的顶部发光的一个例子是具有翻模圆顶透镜的LED。具有圆顶透镜的适当的LED的例子描述在例如美国专利7，344，902中，其在这里参考引入。图2是具有圆顶透镜的LED的简化特写图，其在美国专利7，344，902中描述，在这里参考引入。单一的倒装芯片LED管芯10安装在由诸如陶瓷或硅的任意适合材料形成的底座24上。图2的LED管芯10具有p金属接触27、p型层28、发光有源层30、n型层32和接触n型层32的n金属接触31。底座24上的金属衬垫是直接金属结合至接触27和31。通过基座24的通孔终止在基座24的底表面上的金属衬垫中，其结合至电路板45上的金属引线40和44。金属引线40和44连接到其他LED或电源供应器。电路板45可以是具有金属引线40和44覆盖在绝缘层上的金属板（例如，铝）。模制透镜22封装LED管芯10。

n型层32、发光层30和p型层28在生长衬底上生长，然后发光层30和p型层28的部分被刻蚀掉以暴露n型层32的部分。N和p接触31和27形成在n和p型半导体层的暴露部分上。为了减小LED10的厚度和防止光被生长衬底吸收，生长衬底通过适合于该衬底的方法移除，诸如刻蚀、化学-机械抛光或激光熔融，其中激光器加热III-氮化物结构和生长衬底的界面，熔融III-氮化物结构的部分并且使该衬底从半导体结构脱离。生长衬底可在LED阵列安装在子基座晶片之后和LED/子基座被单片化（例如，通过锯切）之前移除。

在一些实施例中，生长衬底移除后，例如利用光子晶体使剩余的III-氮化物结构变薄和/或变粗糙或图案化。

图2中没有示出大体上平坦的磷光体层可以设置在LED的顶部上用于波长转换从发光层30发出的至少一部分蓝光。磷光体层可以预成型为陶瓷片并且贴在LED层上，或者诸如通过电泳而沉积磷光体颗粒。从磷光体层发出的光，当与从LED有源区域发出的蓝光混合时，产生白光或另一期望的颜色。例如，发蓝光LED可以与单一的发黄光磷光体或发红光磷光体和发绿光磷光体组合以产生白光。如果使用发UV光LED，则可添加发蓝光磷光体。可将发射其它颜色光的磷光体添加到LED或者系统中较远的其它某处以实现期望的混合颜色点，白光。

图2示出的圆顶透镜20然后模制于LED10上。本发明的实施例可以使用如图2中所示具有或不具有圆顶透镜10的薄膜倒装芯片LED。除了图2示出的球形圆顶透镜以外的透镜形状可以用于调整装置的辐射图形。透镜可成形为控制波导中的光线角度和传播，诸如在波导的平面中稍微更准直。图7示出了具有成形透镜76的装置。透镜76包括顶部分78，其成形为引导光进入反射器66（下文参考图4描述）；以及底部分，其成形为引导光进入波导50。

图3是根据本发明实施例的位于波导内的顶部发光式LED的顶视图。尽管具有圆顶透镜的LED被示出，但是可使用不具有圆顶透镜的装置。安装在基座（图3中未示出）上的圆顶LED60设置于靠近固态、透明波导50的边缘52而形成的开口54中。开口54可以足够大使得LED60的圆顶的边缘距离开口的边缘在100微米和2.5毫米之间，这是为了使LED60容易放置于开口54中。波导50可以是例如丙烯酸类（例如，PMMA）、硬硅树脂、模制塑料、聚碳酸酯或其它任意合适的材料。镜面薄膜（未示出）可以覆盖在波导50的底部。该薄膜可以是例如从3M公司可获得的增强型镜面反射器（ESR）膜。

开口54成形为引导光进入波导50。在图3示出的装置中，靠近波导50的边缘52的开口54的部分58是V形的，而开口54离该边缘最远的部分56是弯曲的。入射到弯曲边缘56的光53发射进入波导50中，如示出的。入射到V形边缘58的光51折射向波导边缘52，其中光被反射进入波导50中。也可以使用简单的圆形或稍微成形为椭圆形的开口54。另外，内耦合边缘56和58的边缘可以是波状的，以使光的分布扩散于该波导中以实现期望的均匀性同时减少LED的数量。

图4是设置在根据本发明实施例的波导中的顶部发光式LED的横截面图。尽管示出的是不具有圆顶透镜的LED，也可以使用具有圆顶透镜的装置。LED60包括安装于支座62上的半导体LED结构64。LED60可以设置在波导50的开口54中，使得支座62位于波导50的底面55的下方而半导体结构64位于波导50的底面55的上方。支座62的顶表面63可以是反射性的。

由于LED60是顶部发光式LED，反射器66设置在LED60上方，以将发射的光重新引导入波导50中。反射器66可以包括在波导50的顶表面57下面突出的部分68，以将光引导入波导50中，如图4示出的。突起部分68可成形为避免使垂直于半导体结构64的顶表面发射的光直接反射回可能吸收该光的半导体结构64中。对于突起部分68的一个合适的形状是如图4示出的锥体。图4示出的椎体可以具有在LED圆顶的直径和开口54的尺寸之间的尺寸。诸如弯曲或抛物线形状的其它形状也是可以的。反射器角度可以从例如15度到60度改变。反射器66可以由任意刚性材料制成，诸如塑料，并且可以涂布有反射性材料，诸如反射金属、涂层、涂料或二色性堆叠。可选择的，反射器66可以由产生全内反射的材料形成。反射器66可以具有例如与开口54相同的横向宽度，或稍微较大，这样反射器66的边缘可以搁置于波导50的顶部上。

在诸如用于计算机监视器或电视机的大型背光中，多个LED沿着波导50的边缘52布置。LED和开口的间距是所使用的LED数量和背光的线性尺寸的函数。例如，在传统的24英寸背光中，可使用60个LED以达成好的颜色均匀度。使用所述实施例，相同的24英寸背光的LED数量可以减少至15到30个LED而不用牺牲均匀度或增加框架（bezel）的长度。

图5是部分波导的顶视图。两个LED60位于开口54内，如图3示出的。开口54之间隔开的开口70不包含LED。从LED60发出的光反射离开开口70的边缘，使得开口70成为“虚”光源。在一些实施例中，开口70的一个或多个边缘涂布有反射性材料。虚光源可以放置在LED开口之间，并且能够在宽度上从LED宽度延伸至高达LED之间空间的3/4处。在一些实施例中，开口70填充了低折射率的材料，诸如空气或低折射率的硅酮。与具有相同数量的LED而没有空的开口70的背光对比的是，包括开口70而在该开口中不具有LED可以改进背光的均匀度，或与具有背光而没有空的开口70对比的是，对于波导50中的给定水平的光混合和光均匀度而言，可以允许进一步隔开LED60。在减少LED的数量时，改进的混合和均匀度可减少所需背光以及监视器边框高度，并且因此可使其最小化或保持恒定。

图6是具有在LED的开口之间的波导边缘上形成的特征部分的波导的顶视图。在图6的装置中，代替图5中示出的空开口70或除该开口之外，特征部分72形成在波导50的边缘52上。特征部分成形为使从LED60发出的光反射朝向邻近LED而进入波导50的主体内。对于特征部分72的合适形状的一个例子是在波导50的边缘52上的 V形凹槽，如图6示出的。在一些实施例中，特征部分72是弯曲的。包括特征部分72的波导50的边缘52 可以是反射性的，例如通过在边缘上涂布反射性薄膜或将薄膜贴在边缘上。如图6示出的，在其中设置了LED60的开口54无需如图3中所示的那样成形。在图6示出的装置中，开口54是圆形的。其它形状也包含在本发明的范围内。V形特征部分可以从靠近LED处开始并且具有连续弯曲的形状。

在一些实施例中，在不同附图中示出的特征部分可以组合。例如，如上所述，可以使用具有或不具有圆顶透镜的顶部发光式LED。图4示出的顶部反射器可以使用在图3、5、6示出的装置中的开口上。可在各个实施例中使用具有不同形状的开口。图8示出了一些变型。除了或代替图6中示出的特征部分72，波导50的边缘可以包括多个彼此临近设置的特征部分，使得该边缘被持续纹理化成如图8示出的有缺口的形状80。可选择的，边缘上的多个特征部分可以彼此临近设置，然后与边缘上的多个特征部分的下一组通过未经纹理化边缘的部分分割开。相较于其中设置有实光源的开口86，虚光源84与波导50的边缘相隔更靠近。多个虚光源84设置于靠近单个实光源86。可针对虚光源和实光源而使用开口的其它形状。图8示出的开口82具有弯曲部分82a，其向着开口的中心弯曲，这与从开口中心向外弯曲的弯曲部分82b相对。

上述实施例可以用于LCD显示器的背光。在完成的显示器中，薄散射膜可以贴在波导50的顶表面上用于散射光。增亮膜（BEF）可以设置在散射膜上方以直接重新引导光至波导50前面的一相对小的角度内，从而增加在正面观察方向内的亮度。传统的彩色或单色LCD然后设置在波导50上方。LCD可以产生使用像素光闸（例如，结合TFT阵列的液晶层）、偏光器和RGB滤色器的彩色图像。这样的LCD是已知的。上述实施例的其它应用包括薄广告灯箱。

已经详细描述了本发明，本领域技术人员可以意识到，在假设有本发明的情况下，可以对本发明做出修改而不脱离这里概括描述的本发明的精神。因此，不期望本发明的范围受限于所说明的和描述的具体实施例。

Claims (20)

1.一种发光装置，包括：

光源（60），其具有半导体结构（64），该半导体结构包括设置在n型区域和p型区域之间的发光层；

透明波导（50），其包括第一开口（54）和第二开口（70），其中：

光源设置在第一开口中使得该透明波导围绕光源；

第一开口设置为靠近该透明波导的边缘（52）；

没有光源设置在第二开口中且从所述光源发出的光反射离开所述第二开口的边缘，使得所述第二开口成为虚光源，

其中第一开口（54）的第一部分（58）靠近边缘（52）并且成形为引导光朝向该边缘；以及

第一开口（54）的第二部分（56）与该边缘（52）相对并且成形为引导光远离该边缘。

2. 如权利要求1的发光装置，其中第一和第二开口（54、70）中的每一个都在透明波导（50）中包括孔。

3. 如权利要求1的发光装置，其中光源（60）配置成使得大多数光通过半导体结构（64）的顶表面逸出该光源。

4. 如权利要求1的发光装置，其中光源（60）包括设置在半导体结构（64）上的圆顶透镜。

5. 如权利要求1的发光装置，其中第一部分（58）是V形的，并且第二部分（56）是弯曲的。

6. 如权利要求1的发光装置，进一步包括设置在光源上的反射器（66），该反射器包括平坦部分和成形部分（68），其中成形部分从平坦部分延伸向光源（60）。

7. 如权利要求6的发光装置，其中反射器（66）的成形部分（68）包括锥体。

8. 如权利要求1的发光装置，其中第一开口（54）具有弯曲部分并且第二开口（70）具有至少一个直边。

9. 如权利要求1的发光装置，进一步包括设置在第二开口（70）的侧面上的反射涂层。

10. 如权利要求1的发光装置，其中光源（60）是第一光源，该装置进一步包括第三开口（54）和第二光源（60），其中：

第二开口（70）设置在第一和第三开口之间；和

第二光源设置在第三开口中。

11. 如权利要求1的发光装置，其中光源（60）是第一光源，该装置进一步包括：

第三开口（54），其设置为邻近透明波导（50）的边缘（52）；

第二光源（60），其设置在第三开口中；和

设置在第一和第三开口之间的特征部分（72），其中该特征部分从透明波导的边缘延伸向透明波导的中心。

12. 如权利要求11的发光装置，其中特征部分（72）是透明波导（50）中的V形凹槽。

13. 如权利要求11的发光装置，其中该特征部分是弯曲的。

14. 如权利要求1的发光装置，进一步包括设置在透明波导（50）上的液晶层。

15. 如权利要求1的发光装置，其中所述第一部分（58）成形为仅仅引导光朝向该边缘；以及所述第二部分（56）成形为仅仅引导光远离该边缘。

16. 如权利要求1的发光装置，其中所述第一开口具有不同于所述第二开口的形状。

17. 如权利要求1的发光装置，其中所述第一开口具有弯曲边缘，所述第二开口具有直边缘。

18. 如权利要求1的发光装置，其中所述第一部分朝着所述第一开口的中心弯曲，所述第二部分朝着远离所述第一开口的中心弯曲。

19. 如权利要求1的发光装置，还包括布置在所述第一开口和边缘之间的多个虚光源。

20. 如权利要求6的发光装置，还包括布置在所述光源之上的透镜，其中所述透镜具有成形为将光直接引导到反射器的顶部部分，和成形为将光直接引导到所述透明波导的底部部分。