TW200807768A - LED device with re-emitting semiconductor construction and converging optical element - Google Patents

Description

200807768 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於光源。更特定言之，本發明係關於包含如 本文中說明的一發光二極體（LED)、一再發射之半導體構 造及一收斂光學元件之一光源。 【先前技術】 發光二極體（LED)係固態半導體裝置，其於在陽極與陰 極之間傳遞電流時發射光。傳統發光二極體包含一單一沖 接面。該pn接面可包含中間未摻雜區域，此類型的pn接面 亦可稱為梢接面。像非發光半導體二極體一樣，傳統發光 二極體在一個方向上（即，在電子從n區域移動至p區域的 方向上）更輕易地傳遞電流。當電流於”正向，，方向上穿過該 發光二極體時，來自η區域的電子與來自卩區域的電洞再組 合，從而產生光子。由一傳統發光二極體發射的光在外觀 上係單色的，即，其係在波長之單一窄頻帶中產生。發射 的光之波長對應於與電子及電洞對再組合相關聯的能量。 在最料的情況下，該能量係接❹中出現再組合的半導 體之帶隙能量。 傳統發光二極體可另外包含叩接面上的一或多個量子 井，其捕獲高濃度的電子及電洞，從而增強產生光的再組 合。若干調查者已嘗試生產一發光二極體裝置，其發射白 光或對肉眼之3色感覺顯現為白色的光。 某些調查者報導ρη接面内具有多個量子井的發光二極體 之據稱的設計或製造，在該接面中多個量子井係預計以不 121701.doc 200807768 同波長發射光。下列參考可與此一技術相關：美國專利第 5,851，905號；美國專利第6,3〇3,4〇4號；美國專利第 6,504，171號；美® 專利第 6,734,467 號；Damilan〇等人，基 於InGaN/GaN多量子井之單片白色發光二極體，Jpn. j.應 用物理第40卷（2001)第L918至L920頁；Yamada等人，由 InGaN多量子井組成的不含再發射之半導體構造的高光效 率之白色發光二極體，Jpn· j_應用物理第41卷（2〇〇2)第 L246至L248頁；Dalmasso等人，不含再發射之半導體構造 之以GaN為基礎的白色發光二極體之電致發光光譜的注射 相依，phys· stat· s〇l· (a) 192，第 1 號，第 139 至 143 頁 (2003) 〇 某些調查者報導組合二個傳統發光二極體的發光二極體 裝置之據稱的設計或製造，該等發光二極體係預計在單一 裝置中以不同波長獨立地發射光。下列參考可與此一技術 相關：美國專利第5,851，905號；美國專利第6,734,467號； 美國專利公告案第2002/0041148 A1號；美國專利公告案第 2002/01349 89 A1號；Luo等人，整合全色及白色光發射器 用之圖案化三色ZnCdSe/ZnCdMgSe量子井結構，應用物理 論文第77卷，第26號，第4259至4261頁（2〇〇〇)。 某些調查者報導發光二極體裝置之據稱的設計或製造， 該等裝置將一傳統發光二極體元件與一化學再發射之半導 體構造組合，該構造如釔鋁石榴石（YAG)，其係預計吸收 由該發光二極體元件發射的光之一部分並再發射較長波長 之光。美國專利第5,998,925號以及美國專利第6,734,467號 121701.doc 200807768 可與此一技術相關。 某些調查者報導生長在一 ZnSe基板上的發光二極體之據 稱的設計或製造，該基板係採用I、A卜C1、Βι·、< ln 加以η換雜以在該基板中建立螢光中心，其係专欲吸收由 該發光二極體元件發射的光之一部分且再發射一較長波長 之光。美國專利申請案第6,337,536號及曰本專利申請公告 案第2004-072047號可與此類技術相關。 美國專利申請案第2005/0023545號係以引用的方式併入 本文中。 【發明内容】 簡言之，本揭示内容提供一種包括具有一發射表面之一 發光二極體組件的光源，其可包括：i)一發光二極體，其 能夠以一第一波長發射光；與ii)一再發射之半導體構造， 其包括並非定位在具有一發射表面之一 口以妾面内的一第二 電位井，或其可另外包括定位在一 pn接面内的一第一電位 井及並非定位在一 pn接面内的一第二電位井。在一項具體 實施例中，該光源額外包括一光學元件，其具有一基底、 二個收斂側、以及二個發散侧，其中該基底係與該發射表 面光學麵合。在另一具體實施例中，該光源額外包括一高 折射率光學元件，其係與該發光二極體組件光學耦合且成 幵乂以引導由該發光二極體組件發射的光以產生具有二個瓣 的一側發射圖案。在另一具體實施例中，該光源額外包括 一光學元件，其包含一基底、小於該基底的一頂點、以及 在該基底與該頂點之間延伸的一收斂侧，其中該基底係與 121701.doc 200807768

該發射表面光學耦合且在大小上不大於該發射表面；其中 該光學元件引導由該發光二極體組件發射的光以產生一侧 發射圖案。在另一具體實施例中，該光源額外包括一光學 元件，其包含一基底、一頂點、以及接合該基底與該頂點 的一收斂侧’其中該基底係與該發射表面光學耦合；其中 該光學元件包括一第一區段，其包含該基底且係由一第一 材料組成；並且其中該光學元件包括一第二區段，其包含 該頂點且係由一第二材料組成。在另一具體實施例中，該 光源額外包括一第一光學元件，其包含一基底、一頂點、 以及接合该基底與該頂點的一收斂側，其中該基底係與該 發射表面光學耦合且在大小上不大於該發射表面，該第一 光學元件具有一第一折射率；與一第二光學元件，其封裝 該發光二極體組件及該第一光學元件，該第二光學元件具 有低於該第一折射率之一第二折射率。在另一具體實施例 中，該光源額外包括：一第一光學元件，其包含一基底、 位於該發光表面上的一頂點、以及接合該基底與該頂點的 收斂側’其中δ亥基底係與該發射表面光學麵合，該第一 光學元件具有一第一折射率；與一第二光學元件，其封裝 該發光二極體組件及該第一光學元件，該第二光學元件具 有低於該第一折射率之一第二折射率。在另一具體實施例 中，該光源額外包括：一第一光學元件，其包含一基底、 一頂點、以及接合該基底與該頂點的一收斂侧，其中該基 底係與該發射表面光學耦合；與一第二光學元件，其封裝 該發光二極體組件及該第一光學元件，與由該第一光學元 121701.doc 200807768 件單獨擷取之功率相比， 弟二光學元件提供從該發光二 極體組件擷取之功率方 、 的^加。在另一具體實施例中， 該光源額外包括一光學元， ’，、包含一基底、一頂點、以 及接合該基底與該頂點的一 ^ 收斂側，其中該基底係與該發 射表面光學耦合且從其機械去耦合。 另一方面，本發明提供一 、會圖顯示器裝置，其包括依據 本發明之發光二極體裝置。

另一方面，本發明提供一昭 甘a t分地丄 …、切裒置，其包括依據本發明 之發光二極體裝置。 在此申請案中： 關於-半導體裝置中的層堆疊，"緊接鄰近"意味著在益 中間層的情況下順次下—個，"緊密鄰近"意味著在具有一 或幾個中間層的情況下順次下—個，以及"周圍"意味著順 次之前以及之後； "電位井"表示一半導體裝置中的一半導體層，其具有比 周圍層低的傳導頻帶能量瘙屮H m細 %此里及比周圍層咼的價頻帶能量，或 二者； "量子井"意味著-電位井，其係足夠薄以致量子化效應 會提升該井中的電洞對轉變能量，該井通常具有⑽nm或 更小厚度； π轉變能量π意味著電子及電洞再組合能量； "晶格匹配"意味著，參考二種結晶材料(例如一基板上的 磊晶膜），在隔離中所取的每一種材料均且一日 # 1 一曰曰才谷吊 數，而且此等晶格常數係實質上相等的，”至多彼此相 121701.doc 200807768 差0·2%，更通常至多彼此相差〇1%，而且最通常至多彼此 相差0 · 01 %，以及 ，，假晶”意味著，參考給定厚度之一第一結晶層以及一第 一…s曰層（例如蟲晶層以及一基板），在隔離中所取的每 一層均具有一晶格常數，並且此等晶格常數係實質上類似 的以便具有、給定厚度之該第一層可以採用f質上無失配缺 陷的層之平面中的該第二層之晶格間距。 應該瞭解，對於本文中說明的包括n摻雜及p摻雜半導體 區域的本發明之任一具體實施例而言，另一具體實施例應 該視為揭示於本文中，其中11摻雜係與P摻雜交換且反之亦 應瞭解，在本文陳述，，電位井，，、”第一電 、一 位井"以及"第三電位井"之每一項的情況下井可提供第:: 一電位井或可提供通常共有類似特性的多個電位井。同樣 地，應瞭解，在本文陳述”量子井"、"第一量子井"、，，第二 ，子井”以及”第三量子井”之每一項的情況下，可提供= 單里子井或可提供通常共有類似特性的多個量子井。 【實施方式】 本發明提供一種裝置，其包括一發光二極體、一再發射 之半導體構造以及一擷取器。通常而言該發光二極體能夠 以一第一波長發射光而且該再發射之半導體構造能夠以該 第一波長吸收光並以一第二波長再發射光。該再發射之半 導體構造包括並非定位在一 pn接面内的一電位井。該再發 射之半導體構造之該等電位井通常但不必係量子井。 121701.doc •10- 200807768 在典型運作中，該發光二極體發射光子以回應一電流而 且該再發射之半導體構造發射光子以回應從該發光二極體 發射的該等光子之一部分的吸收。在一項具體實施例中， 該再發射之半導體構造額外包括緊密或緊接鄰近於該電位 • 井之一吸收層。吸收層通常具有一帶隙能量，其係小於或 . 等於由該發光二極體發射的光子之能量且大於該再發射之 半導體構造之電位井的轉變能量。在典型運作中，吸收層 " $助吸收從該發光二極體發射的光子。在-項具體實施例 中，该再發射之半導體構造額外包括並非定位在一接面 内的至少一個第二電位井，其具有不等於該第一電位井之 轉變能量的一第二轉變能量。在一項具體實施例中，該發 光二極體係、-uv發光二極冑。在一項此㈣體實施例 中，該再發射之半導體構造包括並非定位在一卯接面内的 至少一第一電位井，其具有對應於藍波長光的一第一轉變 能量；並非定位在一pn接面内的至少一第二電位井，其具 , 對應於綠波長光的-第二轉變能量；以及並非定位在pn接 面内的至少一第三電位井’其具有對應於紅波長光的一第 三轉變能量。在一項具體實施例中，該發光二極體係一可 見光發光二極體’通常係一綠、藍或紫色發光二極體，更 通常係一綠或藍色發光二極體，且最通常係一藍色發光二 極體。在-項具體實施例中，該再發射之半導體構造包括 並非定位在-pn接面内的至少一第一電位井，其具有對應 於黃或綠波長光（更通常為綠波長光）的一第一轉變能量P 及並非定位在一 pn接面内的至少一第二電位井，其具有對 121701.doc 200807768 f於橘或紅波長光（更通常為紅波長光）的一第二轉變能 量。該再發射之半導體構造可包括額外電位井及額外吸收 層。 任一適當的發光二極體均可用於本發明之實務中。依據 本發明之裝置的元件（包含該發光二極體及該再發射之半 導體構造）可由任何適當的半導體組成，該等半導體包 含· IV族元素，例如Si*Ge (而非在發光層中广化合 物，例如 InAs、AlAs、GaAs、InP、A1P、GaP、InSb、

AlSb、GaSb及其合金；n_VI化合物，例如ZnSe、以以、

BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、

BeS、MgS及其合金；或以上任何者之合金。在適當的情 況下，該等半導體可以藉由任何適當方法或藉由任何適當 摻雜劑之内含物加以η摻雜或p摻雜。在一項典型具體實施 例中，該發光二極體係一 III-V半導體裝置而且該再發射之 半導體構造係一 II-VI半導體裝置。 在本發明之一項具體實施例中，根據下列考量選擇該裝 置之一組件之各層的組合物，例如該發光二極體或該再發 射之半導體構造。每一層對於具有針對該層所給定的厚度 之基板而言通常係假晶的或與該基板晶格匹配。或者，每 層對緊接鄰近層可以係假晶的或與其晶格匹配。通常選 擇電位井層材料及厚度以便提供一所需轉變能量，其將對 應於欲從該量子井加以發射的光之波長。例如，圖2中標 識為460 nm' 540 nm以及630 nm的點表示 金，其具有接近於InP基板之晶格常數的晶格常數（5 8687 121701.doc -12- 200807768 埃或0.58687 nm)以及對應於46〇 nm (藍）、54〇 nm (綠）以 及630 nm (紅）之波長的帶隙能量。在一電位井層係足夠薄 以致量子化將轉變能量提升至該井中的積體帶隙能量以上 之杬況下，該電位井可視為一量子井。每一個量子井層之 厚度將決定該量子井中的量子化能量之數量，其係加入體 積帶隙能量以決定該量子井中的轉變能量。因此，可以藉 由調整量子井層厚度而調諧與每一量子井相關聯的波長。 通常而言，量子井層的厚度係在丨11111與1〇〇 nm之間，更通 常而言係在2 nm與35 nm之間。通常而言，量子化能量轉 化為相對於單獨依據帶隙能量所期望的2〇至5〇 nm的波長 減小。該發射層中的壓受力亦改變電位井及量子井的轉變 能量，該壓受力包含由假晶層之間的晶格常數之不良匹配 所產生的壓受力。 用於計算受力或未受力電位井或量子井之轉變能量的技 術在》亥技術中已為人所知，例如心06111以提出的工 程量子力學，材料科技與應用物理（聖荷西州Engiew〇〇d Cliffs市進修部，1994)第54至63頁；以及冗心以提出的量 子井雷射（加州聖地牙哥市學術出版社，1993)第72至79 頁’ 一者係以引用的方式併入本文中。 可選擇任何適當的發射波長，包含紅外、可見及紫外頻 帶中的波長。在本發明之一項具體實施例中，選擇發射波 長以便藉由該裝置發射的光之組合式輸出會建立可藉由 ^ 一或更多單色光源之組合加以產生的任何顏色之外 觀’該等顏色包含白或接近自色、彩色、深紅色、青色 121701.doc -13- 200807768 等。在另一具體實施例中，依據本發明之裝置以一不可見 紅外或紫外波長且以作為該裝置係在運作中的指示之可見 波長發射光。通常而言，該發光二極體發射最短波長之光 子，因此從該發光二極體發射的光子具有足夠的能量來驅 動該再發射之半導體構造中的電位井。在一項典型具體實 施例中，該發光二極體係一 III-V半導體裝置（例如以發射 藍光GaN為基礎的發光二極體），而且該再發射之半導體構 造係一II-VI半導體裝置。 圖1係一頻帶圖，其表示依據本發明之一項具體實施例 的一再發射之半導體構造中的半導體之傳導頻帶以及價頻 帶。層厚度並非按比例表示。表I指示此具體實施例中的 層1至9之組成物以及該組成物之帶隙能量（Eg)。此構造可 生長於InP基板上。

表I

層 組成物 帶隙能量(Eg) 1 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 2 Cd〇.35Mg〇.27Zn〇.38Se 2.6 eV 3 Cd〇j〇Zn〇.3〇Se 1.9 eV 4 Cdo.35Mgo.27Zno.38Se 2.6 eV 5 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 6 Cdo.35Mgo.27Zno.38Se 2.6 eV 7 Cd〇.33Zn〇.67Se 2.3 eV 8 Cdo.35Mgo.27Zno.3sSe 2.6 eV 9 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 121701.doc -14- 200807768 層3表曰示-單-電位井’其係具有約i〇nm的厚度之一發 射紅光量子井。層7矣+ 口口 _ x 认广洛 θ表不—早一電位井，其係具有約10 nm 的厚度之-發射綠光量子井。層2、4、6及8表示吸收層， 每一層具有W_nm的厚度。層卜5及9表示支樓層。支 撐層係通常選擇為對於從量子井3及7以及從短波長發光二 極體20發射的光係實質上透明的。或者，該裝置可包括藉 由吸收層及/或支#層分離的多個發射紅光或綠光電位^ 或量子井。

在不希望受理論束缚的情況下，咸信由圖i表示的本發 明之具體實施例依據下列原理而運作：由該發光二極體發 射且撞擊在該再發射之半導體構造上的藍波長光子可加以 吸收並從發射綠光量子井7加以再發射為綠波長光子或從 發射紅光量子井3加以再發射為紅波長光子。一短波長光 子之吸收會產生一電洞對，其可接著在量子井中與一光子 之發射再組合。從該裝置發射的藍、綠以及紅波長光之多 色組合可顯現為白色或接近白色。從該裝置發射的藍、綠 以及紅波長光之強度可採用任一適當方式加以平衡，該方 式包含操縱每—種類型的量子井之數目，使㈣光器或反 射層，以及操縱吸收層之厚度與組合物。圖3表示從依據 本發明之該裝置的一項具體實施例發射的光之一光譜。 再··人參考由圖1表示的具體實施例，吸收層2、4、$及8 可經調適用以藉由下列方式吸收從該發光二極體發射的光 子：選擇用於該等吸收制-帶隙能#，其係在從該發光 二極體發射的光子之能量與量子井3及7之轉變能量中間。 121701.doc -15- 200807768 藉由吸收層2、4、6及8中光子之吸收所產生的電子及電、、同 對通常在與一光子之伴隨發射再組合之前由量子井3及7加 以捕獲。吸收層可視需要地在其厚度之全部或一部分中具 有組成物方面的梯度，以便朝電位井以漏斗形式輸送或引 導電子及/或電洞。在本發明之某些具體實施例中，該發 光二極體及該再發射之半導體構造係提供在單一半導體單 元中。此半導體單元通常包含定位在一叩接面内的一第一 電位井及並非定位在一 pn接面内的一第二電位井。該等電 位井通常係量子井。該單元能夠以二個波長發光，一個波 長對應於該第一電位井之轉變能量而且第二波長對應於該 第二電位井之轉變能量。在典型運作中，該第一電位井發 射光子以回應穿過該pn接面的電流而且該第二電位井發射 光子以回應從該第一電位井發射的光子之一部分的吸收。 該半導體單元可額外包括包圍或緊密或緊接鄰近於該第二 電位井的一或多個吸收層。吸收層通常具有一帶隙能量， 其係小於或等於該第一電位井之轉變能量且大於該第二電 位井之轉變能量。在典型運作中，吸收層協助吸收從該第 一電位井發射的光子。該半導體單元可包括定位在該卯接 面内或並非定位在該pn接面内的額外電位井，以及額外吸 收層。 圖4係一頻帶圖，其表示依據本發明之一項具體實施例 的此類半導體單元中的半導體之傳導頻帶以及價頻帶。層 厚度並非按比例表示。表U指示此具體實施例中的層1至14 之組成物以及該組成物之帶隙能量⑺②）。 121701.doc -16- 200807768

表II 層 組成物 帶隙能量(Eg) 1 InP基板 1.35 eV 2 η 摻雜 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 3 Cd〇.35Mg〇.27Zn〇.38Se 2.6 eV 4 Cd〇.7〇Zn〇.3〇Se 1.9 eV 5 Cdo.35Mgo.27Zno.38Se 2.6 eV 6 η 摻雜 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 7 Cd〇.35Mg〇.27Zn〇.38Se 2.6 eV 8 Cdo.33Zno.67Se 2.3 eV 9 Cdo.35Mgo.27Zno.38Se 2.6 eV 10 η 摻雜 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 11 未摻雜 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 12 Cd〇.3lMg〇.32Zn〇.37Se 2.7 eV 13 未摻雜 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 14 p 摻雜 Cdo.24Mgo.43Zno.33Se 2.9 eV 層10、11、12、13及14表示一 pn接面，或更明確而言， 一梢接面，因為中間未摻雜（"内在”摻雜）層11、12及13係 插入在η摻雜層10與p摻雜層14之間。層12表示該pn接面内 的一單一電位井，其係具有約10 nm之厚度的量子井。或 者，該裝置可包括該pn接面内的多個電位井或量子井。層 4及8表示並非在一 pn接面内的第二及第三電位井，每一個 電位井均為具有約10 nm之厚度的量子井。或者，該裝置 可包括並非在該pn接面内的額外電位井或量子井。在另一 121701.doc -17- 200807768 替代例中’該裝置可包括並非在該pn接面内的單一電位井 或量子井。層3、5、7及9表示吸收層，每一層均具有約 1000 nm的厚度。圖中未顯示的電接點（未顯示）提供用於 向該pn接面供應電流的路徑。電接點會導電且通常係由導 電金屬組成。正電接點係直接或透過中間結構間接與層14 電連接。負電接點係直接或透過中間結構間接與層1、2、 3、4、5、6、7、8、9或10之一或多個層電連接。 在不希望受理論束缚的情況下，咸信本發明之此具體實 施例依據下列原理而運作：當電流從層14傳遞至層1〇時， 藍波長光子係從pn接面中的量子井（12)發射。朝層14之方 向行進的光子可能會離開該裝置。朝相反方向行進的光子 可經吸收並從第二量子井（8)再發射為綠波長光子或從第三 量子井（4)再發射為紅波長光子。一藍波長光子之吸收會產 生一電子及電洞對，其可接著在第二或第三量子井中再组 合從而發射一光子。朝層14之方向行進的綠或紅波長光子 可能會離開該裝置。從該裝置發射的藍、綠以及紅波長光 之多色組合可顯現為白色或接近白色。從該裝置發射的 藍、綠及紅波長光之強度可採用任何適當方式加以平衡， 包含操縱每一種類型的電位井之數目以及使用濾波器或反 射層。圖3表示從依據本發明之該裝置的一項具體實施例 發射的光之一光譜。 再次參考由圖4表示的具體實施例，吸收層3、5、7及9 可尤其適合於吸收從第一量子井（12)發射的光子，因為該 等吸收層具有介於第一量子井（12)之轉變能量與第二及第 121701.doc • 18 - 200807768 三量子井（8及4)之轉變能量中間的帶隙能量。藉由吸收層 3、5、7及9中光子之吸收所產生的電子及電洞對通常在伴 隨^一光子之發射之再組合之前由第二及第三量子井8及4捕 獲。吸收層可視需要加以掺雜（通常像對周圍層一樣），其 在此具體實施例中為n摻雜。吸收層可視需要在其厚度之 全部或一部分中具有組成物方面的梯度，以便朝電位井以 漏斗形式輸送或引導電子及/或電洞。 在該發光二極體係一可見波長發光二極體的情況下，該 再發射之半導體構造的各層對於從該發光二極體發射的光 可能係部分透明的。或者，例如在該發光二極體係一 uv 波長發光二極體的情況下，再發射之半導體構造的各層之 一或多個可能阻塞從該發光二極體發射的光之一較大部分 或實質上或完全全部，因此從該裝置發射的光之一較大部 分或實質上或完全全部係從該再發射之半導體構造再發射 的光。在該發光二極體係一 UV波長發光二極體的情況 下’再發射之半導體構造10可包含發射紅光、綠光以及藍 光量子井。 依據本發明之該裝置可包括傳導、半傳導或非傳導材料 之額外層。可添加電接觸層以提供用於將電流供應給該發 光二極體的一路徑。可添加濾光層以改變或校正由調適的 發光二極體發射之光中的光波長之平衡。 在一項具體實施例中，依據本發明之該裝置藉由以藍、 綠、頁及紅頻帶的四個主要波長發射光而產生白或接近白 光。在一項具體實施例中，依據本發明之該裝置藉由以藍 121701.doc •19- 200807768 及黃頻帶中的二個主要波長發射光而產生白或接近白光。 依據本發明之該裝置可包括額外半導體元件，其包括主 動或被動組件，例如電阻器、二極體、齊納二極體、電容 器、電晶體、雙極電晶體、FET電晶體、MOSFET電晶 體、絕緣閘極雙極電晶體、光電晶體、光偵測器、Scr、 問流體、三端雙向矽控開關、電壓調節器、以及其他電路 兀件。依據本發明之該裝置可包括一積體電路。依據本發 明之該裝置可包括一顯示器面板或一照明面板。

構成依據本發明之該裝置的該發光二極體及該再發射之 半導體構造可藉由任一適當方法加以製造，該方法可包含 刀子束蠢晶（MBE)、化學汽相沉積、液相磊晶以及汽相磊 晶。依據本發明之該裝置的元件可包含一基板。任一適當 的基板均可用於本發明之實務中。典型基板材料包含以、

Ge、GaAs、InP、藍寶石、sic以及ZnSe。該基板可以係n 摻雜、Ρ摻雜或半絕緣的，此可藉由任一適當方法或藉由 任何適當摻雜劑之内含物而達到。依據本發明之該裝置的 元件可以沒有一基板。在一項具體實施例中，依據本發明 之該裝置的元件可加以形成於一基板上並接著與該基板分 離。依據本發明之該裝置的元件可藉由任何適當方法加以 接合在一起，該方法包含使用黏性或熔接材料、壓力、熱 或其組合。通常而言，建立的焊接係透明#。焊接方法 包含介面或邊緣焊接。可視需要地，彳包含折射率匹配層 或空隙空間。 曰 該封裝形式包含 發光二極體係通常以一封裝形式出售 121701.doc -20- 200807768

安裝於-金屬頭部上的一發光二極體晶粒或晶片…發光 二極體晶粒係以其最基本的形式(即以藉由半導體晶圓處 理程序加以製造的個別組件或晶片的形式）之發光二極 體。組件或晶片可包含適於施加電源以使該袭置通㈣電 接點。組件或晶片之個別層及其他功能元件係通常形成於 晶圓級上，且已完成的晶圓係最終切割成個別件部分以產 生多重發光二極體晶粒。該金屬頭部具有其中安裝該發光 二極晶粒的一反射杯，以及與該發光二極體晶粒連接的電 引線。該封裝進一步包含封包該發光二極體晶粒的一模製 透明樹脂。該封裝樹脂通常具有一標稱半球前表面以部分 地校準從該發光二極體晶粒發射的光。一發光二極體組件 可以係或包括一發光二極體晶粒或與一再發射之半導體構 造或其他元件組合的一發光二極體晶粒。 可用於本揭示内容之實務的收斂光學元件可有效率地用 於仗發光一極體組件擷取光並修改發射的光之角度分佈。 此類封裝之該發光一極體組件可以係一發光二極體/再發 射之半導體構造組合’作為分離的元件或作為半導體單 元’如以上或目前待審的美國專利申請案USSN 11/009217 或USSN 11/009241中所說明，該等申請案係以引用的方式 併入本文中。 本申請案揭示具有光學元件的光源，該等光學元件用於 有效率地從發光二極體組件擷取光並用於修改發射的光之 角度分佈。每一個光學元件係與發光二極體組件（或發光 二極體組件陣列）之該發射表面光學耦合以有效率地擷取 121701.doc -21 - 200807768 光並修改發射的光之發射圖案。包含光學元件的發光二極 體來源可用於各種應用，包含（例如）液晶顯示器^的背光 或背光標記。 包括本文中說明的收斂光學元件之光源可適用於背光、 邊緣發光以及直接發光構造。楔形光學元件係尤其適用於 邊緣發光背光，#中該光源係沿該背光之外部部分而佈 置。金字塔形或圓錐形收斂光學元件可尤其適用於直接發 光背光。此類光源可用作單一光源元件’或可加以配置在 一陣列中，此取決於特定背光設計。 對於直接發光背光而言’該等光源係一般佈置在一擴散 或鏡面反射器與可以包含稜鏡膜、擴散器以及反射偏光器 之一上膜堆疊之間。此等光源可用於朝觀看者引導從該光 源發射的光，其具有最有用範圍的視角且具有均勻亮度。 示範性稜鏡膜包含亮度增強膜，例如可從明尼蘇達州聖保 羅市的3Μ公司購得之BEFtm。示範性反射偏光器包含亦可 伙明尼蘇達州1保羅市的3Μ公司講得之DBEFTM。對於邊 緣發光背光而言，可固定該光源以將光注入一中空或實心 光導中。該光導下面一般具有一反射器及一上膜堆疊，如 以上說明。 圖5係說明依據一項具體實施例的一光源之示意側視 圖。該光源包括一光學元件20以及一發光二極體組件丨〇。 光學元件20具有一三角形斷面，其具有一基底12〇以及二 個收斂侧140，其係接合成與基底12〇相對以形成一頂點 130。該頂點可以係一點（如圖5中於130處所示），或可以係 121701.doc -22- 200807768 純的，如在斜截三角形（由虛線135所示）中。一鈍頂點可以 係平坦的、圓的或其組合。該頂點係小於該基底且較佳位 於該基底上方。在某些具體實施例中，該頂點只係該基底 大小的20%。較佳而言，該頂點只係該基底大小的1〇〇/〇。 在圖5中，頂點130係處於基底ι2〇的中心上方。然而，亦 預期該頂點並非處於中心或偏離該基底之中心的具體實施 例。 光學元件20係與發光二極體組件1〇光學耦合以擷取由發 光二極體組件10發射的光。發光二極體組件1〇之主要發射 表面100係實質上平行於且接近於光學元件2〇之基底12〇。 發光二極體組件1〇及光學元件2〇可採用若干方式加以光學 耦合，該等方式包含焊接或非焊接組態，其係在以下更詳 細地說明。 光學元件20之收斂側14〇a至140b用於修改由發光二極體 組件10發射的光之發射圖案，如由圖5中的箭頭160a至 所示 典型裸發光二極體組件以第一發射圖案發射 光。通常而言，第一發射圖案一般係正向發射或具有實質 正向I射組件。一收斂光學元件（例如圖5中描述的光學元 件20)將第一發射圖案修改成第二不同的發射圖案。例 如，楔形光學元件引導由該發光二極體組件發射的光以產 生具一個瓣的一側發射圖案。圖5顯示由該發光二極體組 件發射且進入該基底上的光學元件20之示範性光線i60a至 160b。在形成與收斂側““的相對較低入射角之方向上發 射的光線將在其離開光學元件20之高折射率材料並進入 121701.doc -23- 200807768 周圍媒介（例如空氣）時得到折射。示範性光線160a顯示以 關於垂直線的較小角度入射之一此類光線。以較大入射角 (大於或等於臨界角之角）發射的不同光線將在其遇到的第 一收斂侧（14〇a)上進行全内反射。然而，在一收斂光學元 件（例如圖14所說明的收斂光學元件）中，反射的光線將隨 後以較小的入射角遇到第二收斂側（14〇b)，其中反射的光 線將得到折射且經允許離開該光學元件。一示範性光線 160b說明一此類光路徑。 具有至少一個收斂側的一光學元件可以將一第一光發射 圖案修改成一第二不同的光發射圖案。例如，可以採用此 類收斂光學元件將一般正向發射光圖案修改成一第二一般 側發射光圖案。換言之，高折射率光學元件可經成形用以 引導由该發光二極體組件發射的光以產生一側發射圖案。 若該光學元件係旋轉式對稱的（例如成形為一圓錐體），則 所獲知的光發射圖案將具有一環形分佈，即發射的光之強 度將集中在該光學元件周圍的圓形圖案中。若（例如）一光 學兀件係成形為楔形物（例如參見圖7)，則側發射圖案將具 有二個瓣，即光強度將集中在二個區中。在對稱楔形物情 況下，將二個敎位在該光學元件之相對側（二個相對區） 上。對於具有複數個收斂側的光學元件而$，側發射圖案 將具有複數個對應瓣。例如，對於成形為四側金字塔形物 的-光學元件而言，所獲得的側發射圖案將具有四個瓣。 該側發射圖案可以係對稱或不對稱的。當將該光學元件之 頂點放置成與該基底或發射表面不對稱時，將產生 121701.doc -24- 200807768 稱圖案。熟習技術人士應瞭解用於產生各種所需不同發射 圖案的此類配置及形狀之各種改變。 在某些具體實施例中，該侧發射圖案具有一強度分佈， 其有至少30。的最大極角，如在強度線繪圖中所測量。在 其他具體實施例中，該側發射圖案具有處於至少30。之極 角中心的強度分佈。目前揭示的光學元件亦可具有其他強 度刀佈’包含（例如）具有最大極角及/或處於45。及。極角 中心的極角之強度分佈。

收斂光學元件可以具有各種形式。每一個光學元件均具 有一基底、一頂點、以及至少一個收斂侧。該基底可以具 有任何形狀（例如正方形、圓形、對稱或不對稱、規則或 不規則）。該頂點可以係一點、一線、或一表面(在鈍頂點 的If况下）不苔特定收斂形狀，該頂點係在表面積方面 小於該基底，因此該（等）侧從該基底朝該頂點收斂。一收 斂光學70件亦可成形為一金字塔形物、一圓錐體、一楔形 物、或其組合。此等形狀之每一個亦在該頂點附近加以截 去，從而形成一鈍頂點。一收斂光學元件亦可以具有多面 形狀，其有一多邊基底以及至少二個收斂侧。例如，一金 字塔形物或楔形光學元件可以具有一矩形或正方形基底以 及四個側’其中該等側之至少二個係收斂側。其他側可以 係平行側或者可以係發散或收斂的。該基底之形狀不必 係對稱的並且可加以成形為（例如）梯形、平行四邊形、四 邊形、或其他多邊形。在其他具體實施例中，_收敛光學 元件可以具有一圓形、橢圓形、 或一不規則形但為連續的 121701.doc •25- 200807768 基底。在此等具體實施例中，該光學元件可視為具有_單 一收斂侧。例如，具有一圓形基底的一光學元件可成形為 一圓錐體。一般而言，一收斂光學元件包括一基底、（至 少部分地）位於該基底上的一頂點、以及接合該頂點與該 基底以元成该立體的一或多個收敛側。 圖6a顯示成形為具有一基底22〇、一頂點23〇、以及四個 侧240之四側金字塔形物的一收斂光學元件2〇〇之一項具體 實施例。在此特定具體實施例中，基底220可以係矩形或 正方形而且頂點230係處於該基底的中心上方（該頂點在垂 直於该基底之平面之一線21〇上的投影係處於基底220的中 心上方）。圖6a亦顯示一發光二極體組件10，其具有接近 於且平行於光學元件2〇〇之基底220的一發射表面1〇〇。發 光二極體組件1 〇及光學元件2〇〇係在該發射表面（基底介面） 上光學麵合。可以採用以下更詳細說明的若干方式達到光 學柄合。例如，可以將該發光二極體組件及該光學元件烊 接在一起。在圖6a中，該發光二極體組件之該基底及該發 射表面係顯示為實質上在大小上匹配。在其他具體實施例 中’遠基底可以係大於或小於該發光二極體組件之發射表 面。 圖6b顯示一收斂光學元件2〇2之另一具體實施例。此 處，光學元件202具有一六邊形基底222、一鈍頂點232、 以及六個側242。該等側在該基底與該頂點之間延伸而且 每一個侧朝頂點232收斂。頂點232係鈍的並且形成一表 面’其係亦成形為一六邊形，但小於該六邊形基底。 121701.doc -26· 200807768 圖6C顯示具有二個收斂側244、一基底224、以及一頂點 234.的一光學元件2〇4之另一具體實施例。在圖^中，該光 學疋件係成形為一楔形物並且頂點234形成一線。其他二 個側係顯不為平行側。從頂部觀看，光學元件204係描述 在圖8d中。 模形光學元件之替代性具體實施例亦包含具有收斂及發 散侧之組合的形狀，例如圖7所示的光學元件22。在圖7所 不的具體實施例中，楔形光學元件22像一斧頭。二個發散 側142用於校準由該發光二極體組件發射的光。二個收斂 側144在形成一頂點丨32的頂部收斂，該頂點當從該側觀看 時係成形為位在該基底上方的一線（參見圖5),但是當如圖 7(如圖8e)所示觀看時具有延伸至超出該基底的部分。收斂 側144使由該發光二極體組件10發射的光可得以再引導至 該等侧，如圖5所示。其他具體實施例包含楔形形狀，其 中所有側均收敛’（例如）如圖8 f所示。 該光學元件亦可成形為一圓錐體，其具有圓形或橢圓形 基底、（至少部分地）位於該基底上方的一頂點、以及接合 該基底與該頂點之一單一收斂側。如在以上說明的金字塔 形及模形中一樣’該頂點可以係一點、一線（直線或曲線） 或其可以係純的’從而形成一表面。 圖8a至圖8i顯示一光學元件之若干替代性具體實施例的 俯視圖。圖8a至圖8f顯示該頂點係處於該基底中心上方的 具體實施例。圖8g至圖8i顯示該頂點係偏斜或傾斜的而且並 非處於該基底中心上方的不對稱光學元件之具體實施例。 121701.doc -27- 200807768 圖8a顯示一金字塔形光學元件，其具有一正方形基底、 四個側、以及處於該基底中心上方的一鈍頂點23〇a。圖仙 顯示一金字塔形光學元件，其具有一正方形基底、四個 側、以及偏離中心的一鈍頂點230h。圖8b顯示具有一正方 形基底及成形為一圓之一鈍頂點230b的一光學元件之一具 體實施例。在此情況下，該等收斂側係彎曲的，因此該正 方形基底係與該圓形頂點接合。圖8 c顯示一金字塔形光學 元件’其具有一正方形基底、四個三角形側，該等側在一 點處收斂以形成一頂點230c，其係處於該基底中心上方。 圖8ι顯示一金字塔形光學元件，其具有一正方形基底、四 個三角形側，該等侧在一點處收斂以形成一頂點23〇丨，其 係在該基底上方偏斜（並非處於基底中心上方）。 圖8d至圖8g顯示楔形光學元件。在圖8(1中，頂點23〇(1形 成一線，其位於該基底上方且處於該基底中心上方。在圖 8e中，頂點230e形成一線，其係處於該基底中心上方且部 分地位於該基底上方。頂點23 0e亦具有延伸至超出該基底 的部分。圖8e中描述的俯視圖可以係圖7之透視圖所示且 在以上說明的光學元件之俯視圖。圖8f及圖8g顯示具有形 成一線的一頂點及四個收斂側的一楔形光學元件之二項替 代性具體實施例。在圖8f中，頂點230f係處於該基底中心 上方，而在圖8g中，頂點230g係偏斜的。 圖9a至圖9c顯示依據替代性具體實施例的一光學元件之 側視圖。圖9a顧示一光學元件之一項具體實施例，該光學 元件具有一基底50以及侧40與41，其在基底50上開始並朝 121701.doc -28· 200807768 位於基底5 0上方之一頂點3 〇收斂。可視需要地，該等側可 以朝一鈍頂點3 1收斂。圖9b顯示一光學元件之另一具體實 施例’該光學元件具有一基底52、一收斂側44以及垂直於 該基底的一側42。二個側42及44形成位於該基底之邊緣上 方的一頂點32。可視需要地，該頂點可以係一鈍頂點33。 圖9c顯示具有一般三角形斷面的一替代性光學元件之一側 視圖。此處，基底125及側145與147—般形成一三角形， 但是側145與147係非平面表面。在圖i8c中，該光學元件 具有一彎曲左侧145及一小平面式右側（即，其係三個較小 平坦部分147a至147c的組合）。該等側可以係彎曲的、分 段式、小平面式、凸起的、凹進的、或其組合。此類形式 的側仍可用於類似於以上說明的平面或平但側而修改所擷 取的光之角度發射，但提供最終光發射圖案之增加的客製 化程度。 圖10a至圖l〇e描述光學元件620a至620e之替代性具體實 施例’該專光學元件具有分別在每一個基底6 2 2 a至6 2 2 e與 頂點430a至430e之間延伸的非平面側64〇a至640e。在圖 1 0a中，光學元件620a具有側640a，其包括二個小平面式 部分64la及642a。基底622a附近的部分642a係垂直於基底 622a，而部分64 la朝頂點630a收斂。同樣地，在圖1〇b至 10c中，光學元件620b至620c具有側640b至640c，其係藉 由分別接合二個部分至641c及642b至642c而形成。在 圖10b中，收斂部分64lb係凹進的。在圖1〇(：中，收斂部分 641c係凸起的。圖l〇d顯示一光學元件620d，其具有藉由 121701.doc •29- 200807768 接合部分641d及642d而加以形成的二個側640d。此處，基 底622d附近的部分642d朝鈍頂點630d收斂，並且最頂部部 分641d係垂直於鈍頂點630d之表面。圖i〇e顯示具有彎曲 側640e的一光學元件620e之一替代性具體實施例。此處， 側640e係S形的，但是一般朝鈍頂點630e收斂。當該等側 係採用二或更多個部分形成時，如圖1 〇a至圖1 〇e所示，較 佳的係配置遠專部分以便該側一般仍係收敛的，儘管其可 以具有非收斂部分。 較佳的係，該基底之大小係與該發射表面上的該發光二 極體組件之大小匹配。圖11 a至圖11 d顯示此類配置之示範 性具體實施例。在圖11a中，具有一圓形基底5(^的一光學 元件係與具有一正方形發射表面7〇a的一發光二極體組件 光學耦合。此處，該基底及該發射表面係藉由具有圓形基 底5 0a之直徑”dn而匹配，該直徑係等於正方形發射表面 7〇a之對角線尺寸（亦為”d”）。在圖llb中，具有一六邊形基 底50b的一光學元件係與具有一正方形發射表面7〇b的一發 光一極體組件光學耦合。此處，六邊形基底5〇b之高度，，h，， 與正方形發射表面7〇b之高度”h”匹配。在圖中，具有 一矩形基底50c的一光學元件係與具有一正方形發射表面 的一發光二極體組件光學耦合。此處，該基底及該發 射表面之寬度"w"係匹配的。在圖Ud中，具有一正方形基 底50d的光學元件係與具有一六邊形發射表面7〇d的一發 光二極體組件^學麵合。此處，該基底及該發射表面之高 度"h"係匹配的。當然，該基底及該發射表面得以相同地 121701.doc -30- 200807768 ^形並具有相同的表面積之—簡單配置亦滿足此準則。此 X该基底之表面積係與該發光二極體組件之該發射表面 的表面積匹配。 同樣地，當一光學元件係與發光二極體組件之一陣列耦 合時’該發射表面側上的該陣列之大小較佳可與該光學元 件之該基底之大，卩匹配。再次說明，料収形狀不必與 該基底之形狀匹配，只要其在至少一個尺寸(例如直徑、 寬度、而度、或表面積）上係匹配的。 或者，該發射表面上的該發光二極體組件之大小或該發 光-極體組件陣列之組合大小可以小於或大於該基底之大 小。圖l〇a及l〇c顯示該發光二極體組件（分別為““及 61〇〇)之發射表面（分別為612&及612勻之大小係與該基底 (分別為622a及622c)之大小匹配的具體實施例。圖1〇b顯示 具有大於基底622b的一發射表面612b之一發光二極體組件 610b圖10 d顯不發光^一極體組件之一陣列614，該陣列且 有在發射表面612d上的一組合大小，其係大於基底622(1之 大小。圖l〇e顯示具有小於基底622e的一發射表面6i2e之 一發光二極體組件61 〇e。 例如，若該發光二極體組件之發射表面係具有1 mm邊 長的一正方形，則可以使該光學元件基底具有一匹配的正 方形’其具有1 mm邊長。或者，一正方形發射表面可與一 矩形基底光學耗合，該矩形使其一側邊之一在大小上與該 發射表面邊長之大小匹配。該矩形之非匹配側邊可以大於 或小於該正方形之侧邊。視需要，可以使一光學元件具有 121701.doc -31· 200807768 一圓形基底，其具有等於該發射表面之對角線尺寸的一直 徑。例如，基於此申請案之目的，對於！ mm x 1 mm的正 方形發射表面而言，具有丨·41瓜瓜直徑的圓形基底將視為 在大小上匹配。亦可以使該基底之大小稍小於該發射表面 之大小。此舉可以在下列情況下具有優點：當目標之一係 最小化光源之表觀大小，如在共同擁有的美國專利申請 案--中所說明，該申請案之名稱為”高亮度發光二 極體封裝"（律師案號為60217US002)。 圖12顯示一光源之另一具體實施例，該光源包括一收斂 光學元件24，其係與配置在一陣列12中的複數個發光二極 體組件14a至14c光學耦合。當紅、綠、及藍發光二極體係 在該陣列中組合以在混合的情況下產生白光時，此配置可 能尤其有用。在圖12中，光學元件24具有收斂側146以將 光再引導至該等側。光學元件24具有成形為一正方形的一 基底124，其係與發光二極體組件之陣列12光學耦合。發 光一極體組件之陣列12亦形成一正方形形狀（具有邊16)。 本文揭示的光學元件可以藉由傳統構件或藉由使用精確 的研磨技術加以製造，該等技術係揭示在：共同讓渡的美 國專利申請案第10/977239號，其名稱為，，光學及半導體元 件之製程”（律師訴訟號為6〇2〇3US002);美國專利申請案 第10/977240號，其名稱為，，光發射陣列之製程，，（律師訴訟 號為60204US002);以及美國專利申請案第U/288〇7i號， 其名稱為”光學元件之陣列及其製造方法,，（律師訴㈣為 60914US002) ° 121701.doc -32 - 200807768 該光學元件係透明的且較佳具有相對較高的折射率。光 學元件之適當材料包含但不限於無機材料，例如高折射率 玻璃（例如可從商標為LASF35的紐約Ehnsf〇rd市首德 (Schott)北美公司購得之LASF35型首德玻璃）以及陶瓷（例 如i貝石、氧化辞、氧化錯、金剛石、以及碳化矽）。藍 寶石、氧化鋅、金剛石、以及碳化矽係尤其有肖，因為此 等材料亦具有相對較高的熱導率（〇 2至5 〇 w/cm κ)。亦預 期高折射率聚合物或奈米粒子填充聚合物。適當的聚合物 可以係熱塑及熱固聚合物。熱塑聚合物可以包含聚碳酸脂 以及環烯烴共聚物。熱固聚合物可以係（例如）丙烯酸、環 氧樹脂、矽樹脂以及該技術中其他已知的聚合物。適當的 陶瓷奈米粒子包含氧化錘、氧化鈦、氧化辞、以及：化 辞。 該光學元件的折射率（η。）係較佳類似於發光二極體組件 之發射表面的折射率（ne)。較佳而言，二者之間的差異係 不大於0.2 (|nQ-ne|d.2)。可視需要地，該差異可以係大於 〇·2，此取決於所用的材料。例如，該發射表面可以具有 1.75的折射率。適當的光學元件可以具有等於或大於1.乃 的折射率（ηρ1·75)之折射率，包含（例如）η〇Η 9，、。.^以 及η&2.3。可視需要地，η。可以低於〜（例如7)。較佳 而言，該光學元件的折射率係與主要發射表面的折射率匹 配。在某些具體實施例中，該光學元件及該發射表面之折 射率可以在數值上相同(n〇=ne)。例如，具有ne=1 76的藍寶 石發射表面可與藍寶石光學元件匹配，或與具有η〇=ι.Μ 121701.doc -33- 200807768 ㈣玻璃光學元件(可從商標為SF4的紐約Elmsf〇rd 德北美公司購得）匹配。在其他具體實施例中，該光學元 件之折射率可以高於或低於該發射表面之折射率。去= 高折射率材料製造時，光學元件由於其高折射率而增加自 該發光二極體組件的光擷取並由於其形狀而修改光之發射 分佈，從而提供修剪的光發射圖案。 在此整個揭示内容中，發光二極體組件10基於簡單而加 以-般描述，但是除以上說明的再發射結構以外可以包含 該技術中已知的傳統設計特徵。例如，該發光二極體組: 可以包含截然不同的P摻雜及n摻雜半導體層、緩衝層、基 板層、以及覆蓋物層。已顯示—簡單的矩形發光二極體二 件配置，但是亦預期其他6知組態’例如形成截倒轉金字 塔形發光二極體組件形狀的斜側表面。至該發光二極體組 件的電接點亦基於簡單而未加以顯示，但可加以提供在該 晶粒之任何表面上，此已為人的所知。在示範性具體實施 例中，該發光二極體組件具有二個接點，二者在"覆晶"設 計中皆係佈置於底部表面上。本揭示内容並非預計限制= 光學元件之形狀或該發光二極體組件之形狀，而僅提供說 明性範例。 當一發光二極體組件之一光學元件與一發射表面之間的 最小間隙係不大於衰減波時，該光學元件係視為與該發光 二極體組件光學耦合。可以藉由將該發光二極體組件Z該 光學元件實體上緊密放置在一起而達到光學耦合。圖5顯 示發光二極體組件10之發射表面100與光學元件20之基底 121701.doc -34- 200807768 120之間的一間隙150。通常而言，間隙15〇係一氣隙且對 於促進受抑全内反射而言通常係报小。例如，在圖5中， 若間隙150係約空氣中的光波長，則光學元件2〇之基底12〇 係在光學上接近於發光二極體組件1〇之發射表面1〇卜較 佳而言，間隙15〇之厚度係小於空氣中的光波長。在使用 多個光波長的發光二極體中，間隙15〇較佳至多係最長波 長之數值。適當的間隙大小包含25 nm、5〇 nm、以及ι〇〇 nm。較佳而言，最小化該間隙，例如在將該發光二極體組 件及該光學元件之輸人孔徑或基底拋光成光學平度並將晶 圓焊接在一起的情況下。 另外，較佳的係，間隙15〇在發射表面1〇〇與基底12〇之 間的接觸區域上係實質上均勻的，並且發射表面1〇〇以及 基底120具有小於2〇 nm (較佳小於5 nm)的輪度。在此類組 態中，在逃逸圓錐體外面或以一角度從發光二極體組件⑺ 發射、通常在該發光二極體組件及空氣介面上進行全内反 射的光線將改為得以透射至光學元件2〇中。為促進光學耦 合，基底120之表面可經成形用以與發射表面ι〇〇匹配。例 如，若發光二極體組件10之發射表面1〇〇係平坦的，如圖$ 所示，則光學元件99之基底120亦可以係平坦的。或者， 若該發光二極體組件之該發射表面係彎曲的（例如稍微凹 進），則該光學元件之該基底可經成形用以與該發射表面 配合（例如梢微凸起）。基底12〇之大小可以係小於、等於或 大於發光二極體組件之發射表面1〇〇。基底12〇可以在斷面 形狀上與發光二極體組件1〇相同或不同。例如，該發光二 121701.doc -35- 200807768 極體組件可以具有一正方形發射表面，而該光學元件具有 一圓形基底。熟習技術人士應明白其他變化。 適當的間隙大小包含100 nm、50 nm、以及25 nm。較佳 而言，最小化該間隙，例如在將該發光二極體組件以及該 光學元件之該輸入孔徑或基底拋光為光學平度並將晶圓焊 接在一起的情況下。可以藉由施加高溫及壓力以提供光學 耦合配置而將該光學元件及該發光二極體組件焊接在一

起可以使用任何已知的晶圓焊接技術。示範性晶圓焊接 技術係說明在美國專利申請案第1〇/977239號中，該申請 案之名稱為”光學及半導體元件之製程，，（律師訴訟號為 60203US002) 〇 在有限間隙情況下，可以藉由在該發光二極體組件之該 發射表面與該光學元件之該基底之間添加一薄光學傳導層 而達到或增強光學耦合。圖13顯示（例如）圖5所示但具有佈 置於間隙150内的一薄光學傳導層6〇之一光學元件及發光 二極體組件之一部分示意侧視圖。像間隙15()一樣，光學 傳導層60之厚度可以係1〇〇 nm、5〇 nm、25 nm或較小。較 接（機械去耦合）組態。在焊接具體實施例中，該光學傳導 層可以係會透射光的任何適當焊接劑，包含（例如）透明黏 佳而言，該光學耦合層之折射率係與該發射表面或該光學 元件之折射率緊密匹配。一光學傳導層可用於焊接及非焊 性層、無機薄膜、可熔合玻璃粉或其他類似焊接劑。焊接 組態之額外範例係說明在（例如）美國專利公告案第U S· 2〇〇2/〇030194號，該公告案之名稱為"具改良式光擷取效 121701.doc -36- 200807768 率之發光二極體i，（Camras等人），於纖年3月14日提出申 請。 一在非焊接具體實施财，H極體組件可與該光學 元件光學耦合而無需在該發光二極體組件與該光學元件之 間使用任何Ιέ著劑或其他焊接劑。非焊接具體實施例允許 私光一極體組件以及該光學元件得以機械去輛合並得以 允許彼此獨立地移動。例如，該光學元件可以相對於該發 光-極體組件而橫向移動。在另—範例中，該光學元件以 及該發光二極體組件可自由膨脹，因為每一個組件均在運 作期間熱。在此類機械去麵合系統中，由膨脹產生的多 數偏轉或垂直應力不會從一個組件傳送至另一個組件。換 吕之，一個組件之移動不會機械地影響其他組件。此組態 在下列h況下可能尤為需要：發光材料易碎，在該發光二 極體組件與該光學元件之間存在膨脹係數失配，以及重複 地開啟並關閉該發光二極體。 藉由將該光學元件放置成在光學上接近於該發光二極體 組件（二者之間僅有很小的氣隙），可以製造機械去耦合組 態。該氣隙應該小到足以促進受阻全内反射，如以上說 明。 或者，如圖13所示，若一薄光學傳導層6〇 (例如折射率 匹配的流體）使光學元件20及發射二極體組件1〇可獨立地 移動’則可以在該光學元件與該發光二極體組件之間的間 隙150中添加該薄光學傳導層。適合於該光學傳導層⑼的 材料之範例包含折射率匹配油，以及具有類似光學特性的 121701.doc -37- 200807768 其他液體或凝膠體。可視需要地，光學傳導層6〇亦可以係 導熱的。 ' 壯該光學元件以及該發光二極體組件可使用任何已知的封 裝材料加以封裝在一起，以製造最終的發光二極體封裝或 光源。封裝該光學元件以及該發光二極體組件可提供一方 式以在非焊接具體實施例中將其保持在一起。 —額外的非焊接組態係說明在共同擁有的美國專利申請案 第10/977249號中，該申請案之名稱為"具非焊接光學元件 之發光二極體封裝，，，律師訴訟號為6〇216us〇〇2。 該光學元件可以採用單一構造（例如自單一材料塊的切 割部分）加以製造，或可以藉由在一複合構造中將二或更 多個區段接合在一起而加以製造。 一第一區段合乎需要地與該發光二極體組件光學接觸， 且係採用一第一光學材料製造，該材料具有高折射率（較 佳、力等於忒發射表面上的該發光二極體組件之折射率）， 並可視需要地具有高熱導率、及/或高熱穩定性。在此方 面，南熱穩定性指具有約6〇〇亡或更高的分解溫度之材 料。該第一區段之厚度較佳為光學厚（例如有效地係至少$ 微米，或光波長的10倍）。 &化梦亦具有導電性’且同樣地亦可提供電接點或電路 功能。若散射係限於該光學元件之輸入端或基底附近的_ 位置’則光學元件㈣散射係可以接受的。然而，製造具 有足夠長度的光學元件以有效率地從一發光二極體組件耦 合光將比較昂貴且消耗時間。在製造單件光學元件中的另 121701.doc -38- 200807768 一挑戰係，材料收益可能相對較低，並且形狀因數可能迫 使該發光二極體組件個別地與該光學元件組裴在一起。義 於此等原因，可能有利的係將該光學元件分成二（戋更多） 個區段，該等區段係採用不同光學材料製造，以減小製造 成本。 一第二區段係與該第一區段接合並係採用一第二光學材 料製造，該第二光學材料可能具有較低的材料成本且比該 第一光學材料更易於製造。該第二光學材料可具有相對於 該第一光學材料的較低折射率、較低熱導率、或二者。例 如，該第二光學材料可以包括玻璃、聚合物、陶瓷、陶瓷 奈米粒子填充聚合物、以及其他光學透明材料。適當的破 璃包含包括鉛、鍅、鈦、以及鋇之氧化物的玻璃。該等破 璃可以採用包含鈦酸鹽、锆酸鹽、以及錫酸鹽之化合物加 以製造。適當的陶瓷奈米粒子包含氧化锆、氧化鈦、氧化 鋅、以及硫化辞。 可視而要地，由一第二光學材料組成的一第三區段可與 該第二區段接合以進一步協助將該發光二極體之光與外部 環境耦合。在-項具體實施例中，配置三個區段的折射率 以便m>n2>n3，從而最小化與該光學元件相關聯的總菲淫 爾表面反射。 依據本發明之光源可以係 關鍵組件，該裝置如大或小 或顯示器、電視、電話裝置 助理或個人數位助理顯示器 —組件或一繪圖顯示器裝置之 榮幕視訊監視器、電腦監視器 或電話裝置顯示器、個人數位 、尋呼機或尋呼機顯示器、計 121701.doc -39- 200807768 异器或計算器顯示器、遊戲機或遊戲機顯示器、玩具或玩 具顯示器、大或小器具或大或小器具顯示器、汽車儀錶板 或汽車儀錶板顯示器、汽車内部或汽車内部顯示器、船舶 儀錶板或船舶儀錄板顯示器、船舶内部或船舶内部顯示 器、航空儀錶板或航空儀錶板顯示器、航空内部或航空内 部顯示器、交通控制裝置或交通控制裝置顯示器、廣告顯 示器、廣告標記等。 依據本發明之光源可以係一組件或一液晶顯示器（LCD) 或作為該顯示器之背光的類似顯示器之關鍵組件。在一項 具體實施例中，依據本發明之半導體裝置係藉由使由依據 本發明之半導體裝置發射的顏色與發光二極體顯示器之濾 色器匹配而特別調適用作液晶顯示器之背光。 依據本發明之光源可以係一組件或一照明裝置之關鍵組 件’該照明裝置如獨立或内建照明固定器或燈、景觀或建 築照明固定器、手持或垂直安裝燈、汽車前燈或尾燈、汽 車内部照明固定器、汽車或非汽車信號裝置、道路照明裝 置 '交通控制信號裝置、船舶燈或信號裝置或内部照明固 定器、航空燈或信號裝置或内部照明固定器、大或小器具 或大或小器具燈等；或用作紅外、可見或紫外輻射之來源 的任何裝置或組件。 熟習技術人士將明白本發明之各種修改及變更，而不脫 離本發明之範疇及精神，而且應瞭解本發明並非不適當地 限於以上提出的說明性具體實施例。 【圖式簡單說明】 121701.doc -40- 200807768 圖1依據本發明之-項具體實施例的之—構造中的半導 體之傳導頻帶以及價頻帶之平坦頻帶圖。層厚度並非按比 例表示0 圖2係指示各種Π-Vi -逸也斗人斗 vi—進位化合物及其合金的晶格常數 及帶隙能量之曲線圖。 圖3係表示從依據本發明之_舊 辨 十知1心項具體實施例之一裝置發 射的光之光譜的曲線圖。

圖4依據本發明之—項具體實施例的之一構造中的半導 體之傳導頻帶以及價頻帶之平坦頻帶圖。層厚度並非按比 例表示。 圖5係說明一項具體實施例中的一光學元件與發光二極 體組件組態之一示意侧視圖。 圖6a至圖6c係依據額外之具體實施例的一光學元件之透 視圖。 圖7係依據另一具體實施例的一光學元件之一透視圖。 圖8a至圖8i係依據若干替代性具體實施例的光學元件之 俯視圖。 圖9a至圖9c係說明替代性具體實施例中的光學元件之示 意正視圖。 圖10a至圖10e係依據若干替代性具體實施例的光學元件 以及發光二極體組件之示意側視圖。 圖ί la至圖lid係依據若干具體實施例的光學元件以及發 光二極體組件之仰視圖。 圖12係依據另一具體實施例的一光學元件及一發光二極 121701.doc -41 - 200807768 體組件之一透視圖。 圖13係依據另一具體實施例的一光學元件及一發光二極 體組件之一部分視圖。 【主要元件符號說明】 1 支撐層 2 吸收層 3 吸收層/量子井 4 吸收層 5 支撐層 6 吸收層 7 吸收層/量子井 8 吸收層 9 支撐層 10 η摻雜層/再發射之半導體構造/發光二極 體組件 11 中間未摻雜層 12 中間未掺雜層 13 中間未摻雜層 14 Ρ摻雜層 14a-14c 發光二極體組件 16 邊 20 光學元件 22 光學元件 24 收斂光學元件 121701.doc •42- 200807768 30 頂點 31 鈍頂點 32 頂點 33 鈍頂點 40 側 41 側 42 側 44 側 50 基底 50a 圓形基底 50b 六邊形基底 50c 矩形基底 50d 正方形基底 52 基底 60 光學傳導層 70a 正方形發射表面 70b 正方形發射表面 70c 正方形發射表面 70d 六邊形發射表面 100 發射表面 120 基底 124 基底 125 基底 130 頂點 121701.doc - 43 - 200807768 132 頂點 135 虛線 140 收斂側 140a-140b 收斂側 142 發散側 144 收斂侧 145 側 146 收斂側 147 側 147a-147c 平坦部分 150 間隙 160a-160b 光線 200 收斂光學元件 202 收斂光學元件 204 光學元件 210 線 220 基底 222 六邊形基底 224 基底 230 頂點 230a-230i 頂點 232 鈍頂點 234 頂點 240 側 121701.doc •44- 200807768 242 側 244 收斂侧 610a-610e 發光二極體組件 612a_612e 發射表面 614 陣列 620a_620e 光學元件 622a-622e 基底 630a-630e 頂點 640a-640e 側 641a-641c 部分 642a-642c 部分 121701.doc 45-

Claims (1)

1. 200807768 十、申請專利範圍： 1 · 一種光源，其包括： a) —發光二極體組件，其包括定位在一 pn接面内的一第 一電位井以及並非定位在一pn接面内的一第二電位 井’該組件具有一發射表面；以及 b) —光學元件，其包含一基底、一頂點、以及接合該基 • 底與該頂點之一側，其中該基底係與該發射表面光學 耦合且與其機械去耦合。 ， 2. 一種光源，其包括： a) —發光一極體組件’其包括定位在一 pn接面内的一第 一電位井以及並非定位在一 pn接面内的一第二電位 井’該組件具有一發射表面；以及 b) —光學元件，其具有一基底、二個收斂側及二個發散 側’其中該基底係與該發射表面光學耦合。 3 · —種光源，其包括： a) —發光二極體組件，其包括定位在一 pn接面内的一第 一電位井以及並非定位在一 pn接面内的一第二電位 井’該組件具有一發射表面；以及 • b) —局折射率光學元件，其係與該發光二極體組件光學 • 耦合且成形以引導由該發光二極體發射的光以產生具 有二個瓣的一側面發射圖案。 4 · 一種光源，其包括： a) —發光—極體組件，其包括定位在一 pn接面内的一第 一電位井以及並非定位在一pn接面内的一第二電位 121701.doc 200807768 井’該組件具有一發射表面；以及 b)-光學元件，其包含一基底、小於該基底的一頂點、 以及在該基底與該頂點之間延伸的一收斂侧，其中該 基底係與該發射表面光學耦合且在大小上不大於該發 射表面，其中該光學元件引導由該發光二極體組件發 射的光以產生一側發射圖案。 5 · 一種光源，其包括： a) —發光二極體組件，其包括定位在一 pn接面内的一第 一電位井以及並非定位在一 pn接面内的一第二電位 井’該組件具有一發射表面；以及 b) —光學元件，其包含一基底、一頂點、以及接合該基 底與該頂點的一收斂侧，其中該基底係與該發射表面 光學耗合；其中該光學元件包括一第一區段，其包含 該基底且係由一第一材料組成；並且其中該光學元件 包括一第二區段，其包含該頂點且係由一第二材料組 成。 6. 一種光源，其包括： a) —發光二極體組件，其包括定位在一 pn接面内的一第 一電位井以及並非定位在一 pn接面内的一第二電位 井，該組件具有一發射表面；以及 b) —第一光學元件，其包含一基底、一頂點、以及接合 該基底與該頂點之一收斂側，其中該基底係與該發射 表面光學耦合且在大小上不大於該發射表面，該第一 光學元件具有一第一折射率；以及 121701.doc -2 - 200807768 C) 一第二光學元件，其封裝該發光二極體組件以及該第 一光學元件，該第二光學元件具有低於該第一折射率 之' 弟—折射率。 7 · —種光源，其包括： a) —發光一極體組件，其包括定位在一 pn接面内的一第 一電位井以及並非定位在一 pn接面内的一第二電位 井’該組件具有一發射表面；以及 b) —第一光學元件，其包含一基底、位於該發射表面上 的一頂點、以及接合該基底與該頂點的一收斂側，其 中遠基底係與該發射表面光學柄合，該第一光學元件 具有一第一折射率；以及 c) 一第二光學元件，其封裝該發光二極體組件以及該第 一光學元件，該第二光學元件具有低於該第一折射率 之一第二折射率。 8 · —種光源，其包括： a) —發光二極體組件，其包括定位在一 pn接面内的一第 一電位井以及並非定位在一 pn接面内的一第二電位 井’該組件具有一發射表面；以及 • b)一第一光學元件，其包含一基底、一頂點、以及接合 ' 該基底與該頂點之一收斂側，其中該基底係與該發射 表面光學耦合；以及 C) 一第二光學元件，其封裝該發光二極體組件以及該第 一光學元件，與藉由該第一光學元件單獨擷取的該功 率相比’該第二光學元件提供從該發光二極體組件擷 121701.doc 200807768 取之功率方面的增加。 一種光源，其包括： a) 一發光二極體組件，其包括定位在一叩接面内的 一電位井以及並非定位在一 ？11接面内的 井’该組件具有一發射表面；以及 b) —光學元件’其包含-基底、-頂點、以…— 底與該頂點之-側，其中該基底係與該發射表面光學 麵合且與其機械去耦合。 10· —種繪圖顯示器裝置， 11 ^ ^ 其包括如請求項1之光源。 π·種妝明裝置，其包括如請 明衣項1之光源。 9. 第 一第 電位 及接合該基 121701.doc