TWI449206B - 具有成形波長轉換器之發光裝置 - Google Patents

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TWI449206B
TWI449206B TW096148799A TW96148799A TWI449206B TW I449206 B TWI449206 B TW I449206B TW 096148799 A TW096148799 A TW 096148799A TW 96148799 A TW96148799 A TW 96148799A TW I449206 B TWI449206 B TW I449206B
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Egbert Lenderink
Matthias Daniel Epmeier
Aldegonda Lucia Weijers
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Description

具有成形波長轉換器之發光裝置
本發明係關於一種發光裝置，其包含一半導體發光器件及一陶瓷波長轉換主體。此類發光裝置係廣為人知的且尤其係用作指示器、顯示器背光單元、汽車(頭)燈及通用照明器中之光源。
從US 2005/0269582中瞭解所述種類之發光裝置之一具體實施例。該文件揭示一種半導體器件，其包含一佈置於n型與p型區域間之發光層，組合有一佈置於由該發光層所發射之光之路徑中之陶瓷主體。該陶瓷主體係由一波長轉換材料(例如磷光體)組成(或包括一波長轉換材料)。通常此等陶瓷材料係以釔鋁石榴石(YAG)、釔鋁矽氧氮化物(YSN)、矽鋁氧氮化物(SiAlON)或鎦鋁石榴石(LuAG)為基礎。此項技術中已熟知，藉由使用上述陶瓷材料可將III族氮化物LED所發射之"初級"光轉換為"二級"光(其與初級光相比具有更長峰值波長)。可選擇波長轉換材料以獲得一特定二級光峰值波長。此外，可選擇陶瓷主體之尺寸與厚度及/或波長轉換材料之濃度以便由裝置所發射之光係"初級"與"二級"光之混合物或實質上僅由"二級"光組成。此方法之優點在於上述發光陶瓷主體係健壯的且顯示低溫度變化敏感度之事實。此外，此類發光陶瓷(幾乎)不展現散射且因此具有良好轉換效率(與磷光體層相比)。
作為散射體缺乏之結果，US 2005/0269582中所述透明 發光陶瓷主體係一折射率(實質上)大於1之體積發射器。此係一顯著缺陷，因為所透射之初級光及藉由發光陶瓷主體所產生之二級光僅可在自所有主體表面延伸之逃逸錐面內從主體發射。換言之，位於此等錐面外部之所有光係在所謂波導模式中鎖定在陶瓷主體內。此光不可用於在發光裝置之應用中使用。此不可用性對於集光率關鍵應用(其中陶瓷主體之頂部表面之亮度很重要)以及流明關鍵應用(其中由陶瓷主體所發射之總通量很重要)而言係一明顯缺點。先前技術之一額外缺點係，由透明發光陶瓷主體所發射之光之相當大數量(高達80%，對於矩形主體)係透過側表面發射且因此不可用於在集光率關鍵應用中使用。
本發明之一目的係提供一種所述種類之發光裝置，其中會增強來自發光陶瓷主體之光輸出。此目的係藉由如請求項1中所定義的依據本發明之發光裝置來實現。一種發光裝置包含一半導體發光器件(其包含佈置於一n型區域與一p型區域間之一發光層)、一透明陶瓷主體(其包含一與該半導體器件成光接收關係加以定位之波長轉換材料)，該陶瓷主體進一步具有一面向該半導體器件之底部表面，該發光裝置之特徵為該陶瓷主體具有至少一相對於該底部表面成一傾斜角之側表面以便使波導模式與該陶瓷主體解鎖。
本發明提供一種發光裝置，其中透過傾斜側表面之應用解鎖波導模式。因此，該陶瓷主體可發射先前截獲在此等模式中之光。因此，來自陶瓷主體之光輸出可為來自無傾 斜側表面之主體之光輸出的兩倍多。此外，亦可使器件之亮度增強約相同倍數。
在本發明之一具體實施例中，該傾斜角係大於95∘或小於85∘。更好地，該傾斜角係大於100∘或小於80∘。
依據本發明之一具體實施例，該陶瓷主體之至少一傾斜側表面具有一反射式塗層。此係有利於進一步增強穿過頂部表面之通量以及頂部表面之亮度。
在依據本發明之發光裝置之一具體實施例中，在主體與反射式塗層間容納一中間層，其折射率係低於陶瓷主體之折射率。藉由該中間層之應用改善反射之效率。
在本發明之一具體實施例中，該陶瓷主體具有一具備一微褶皺之頂部表面。一微褶皺之應用增強來自陶瓷主體之頂部表面上之光擷取及/或陶瓷主體之頂部表面上之亮度。
在一具體實施例中，該陶瓷主體具有一經提供用以包括一光學功能之頂部表面。有利地實現來自該發光裝置之一應用特定輻射分佈。
在一具體實施例中，該陶瓷主體具有一具備一反射式塗層之頂部表面。在某一應用中此具體實施例可有益地用作一側發射器(例如)以將光耦合於一光導中。
依據一具體實施例，在該主體與該頂部表面上之該反射式塗層間容納一中間層，其折射率低於該陶瓷主體之折射率。
在一具體實施例中，在底部表面與半導體發光器件間容 納一中間層，其折射率低於該陶瓷主體之折射率。同樣地，此係有益於增強底部表面處之反射效率。
本發明之此等及其他態樣將從以下所述的具體實施例中而明白且參考該等具體實施例加以說明。
圖1A與1B顯示從US2005/0269582瞭解的一發光裝置(其包含一半導體發光器件52及一陶瓷波長轉換主體54、50a、50b)之兩個範例。在圖1A中，陶瓷波長轉換主體54係經成形以形成一圓頂透鏡。在圖1B中，一第二陶瓷波長轉換主體50b係經成形以形成一菲涅耳透鏡(Fresnel lens)且係位於一第一矩形陶瓷波長轉換主體50a之頂部上。先前技術中之主體54、50b之透鏡形狀應避免高折射率主體與低折射率空氣間之介面處之全內反射(TIR)。藉由以一顯著大於發光器件52之曲率半徑的曲率半徑成形透鏡54來避免(或至少最小化)TIR。不過，應清楚，在圖1之兩具體實施例中，甚至在陶瓷波長轉換主體50a、50b、54之成形表面處仍會發生TIR(且因此光會鎖定於波導模式中)。此外，由於該曲率半徑需要，陶瓷主體50a、50b、54係實質上大於半導體器件52，因此降低發光裝置之亮度。此外，藉由陶瓷主體50a、50b、54之側表面發射一相當大數量的光(高達80%)且因此對於發光裝置在集光率關鍵應用中之使用會實質上損耗一相當大數量的光。
在圖2中示意性圖示本發明之一具體實施例，其顯示一發光裝置200(其包含一半導體發光器件220及一陶瓷波長 轉換主體230)。半導體器件220具有佈置於一n型區域與一p型區域間之一發光層221。陶瓷主體230具有一面向半導體器件220且實質上平行於發光層221加以定向之底部表面231。此外，陶瓷主體230具有一頂部表面232及一或多個相對於底部表面231成一傾斜角234以便增強來自主體之光輸出之側表面233。該傾斜角234可為銳角(<90∘)或鈍角(>90∘)。
在陶瓷波長轉換主體230內之一點241處接收且(至少部分)吸收由發光層221所發射之"初級"光240。從點241在一4π之立體角上輻射"二級"光242。由於陶瓷主體230之折射率係大於1，所以會因全內折射而將"初級"240與"二級"光242兩者截獲於主體內(除非其係在逃逸錐面內)。特別對於透明主體230(即其不包含散射中心，例如孔或空隙)，截獲於波導模式中的光數量係相當大的。藉由相對於底部表面231成一傾斜角234來成形陶瓷主體230之側表面233，通常會截獲之光可從主體逃逸。
儘管圖2中陶瓷波長轉換主體230係本質上鄰接半導體發光器件220，但應明白此並非本發明所必需的。此外，底部表面231平行於發光層221並非本發明所必需的。在本發明之一具體實施例(參見圖3)中，在離半導體器件320一距離之處(儘管與該器件成光接收關係)定位陶瓷主體330。此一具體實施例係稱為"遠端螢光"或"遠端磷光"。直接及/或經由此項技術中所熟知的任何合適光學系統360朝陶瓷波長轉換主體330之"底部"表面331定向由半導體器件320所 發射之光。發光裝置300可有利地用於諸如一般照明器、嵌入型照明器具及甚至顯示器背光單元之應用中。此外，裝置300可經裝配使得側表面333係在光學系統360"內部"(參見圖3)或"外部"。在後面之情況中，自側表面333所發射之光可有利地用於適當的發光應用中。
藉由實施本發明所獲得的裝置200、300之光輸出之增加係相當大的。考量(例如)一理想化矩形透明陶瓷波長轉換主體230、330(表1中之幾何形狀1)，其尺寸為1x1x0.1 mm3 ，折射率為1.8(類似於YAG)，由空氣(n＝1)所環繞。表1中說明陶瓷主體230、330之幾何形狀對穿過頂部、側及底部表面之光通量以及頂部、側及底部表面之光度之影響。此外，考量波導模式(WGM)中、底部表面處或側表面處之光損耗(即，不可用於應用之光)。幾何形狀1係代表一遠端螢光具體實施例。假定陶瓷波長轉換主體230、330之體積內所產生之總光數量將為100%，則使用射線追蹤計算可顯示波導模式內所鎖定之光數量係約48%。由於矩形主體230、330之每一側發射相等數量之光，所以可很容易看出該光之8%係從頂部表面232、332發射而四個側表面233、333發射該光之31%。與特徵為自每一表面發射相等通量之透明主體相反，均勻半透明主體之特徵為每一表面之亮度相等。此外假定在實際環境中透過底部表面231所發射之光無法加以使用，則應用不可用之總通量係57%(49%＋8%)。
在幾何形狀2中，陶瓷主體230係經模型化以具有一反射 式底部表面231(其反射係數為80%)。此幾何形狀係代表一鄰接半導體器件220加以定位之矩形陶瓷波長轉換主體230。儘管此幾何形狀係指一先前技術具體實施例，但基於讀者之方便起見仍參考圖2之帶編號元件。在幾何形狀2中，先前鎖定於波導模式中之光係本質上在底部表面231處進行吸收，其係由於在細長矩形1x1x0.1 mm3 主體中80%反射多數係發生在此表面處。先前自底部表面231所發射之光中僅一部分現在可在反射後從頂部表面232或側表面233發射。陶瓷主體230內所產生之光之總體60%不可用於發光應用中。
在一遠端螢光具體實施例(其中相對於陶瓷主體230之底部表面231成一傾斜角234(在此情況下係135∘)來成形側表面233(幾何形狀3))中，自陶瓷主體所發射之總通量得以顯著增強。透過經由陶瓷主體230之頂部表面232解鎖波導模式來實現最大改善(與幾何形狀1相比)。可用於發光應用中之總通量從所產生光之39%(8%頂部表面＋31%側表面)增加至88%(29%＋59%)，同樣假定穿過底部表面之通量不可用。此幾何形狀特別適於流明關鍵應用。此等通常應用二級光學元件，其可對相對於其光學軸成大角度所接收到之光作出讓步。
模型化一鄰接半導體發光器件220之傾斜成形陶瓷主體230(如表1之幾何形狀4所示)，可看出先前截獲於波導模式中之光現在可有利地用以增強來自頂部表面232之光輸出。與幾何形狀2相比，自陶瓷主體230所發射之總通量從39%(14%頂部表面＋25%側表面)增加至66%(33%＋33%)。此外，雖然穿過頂部表面232之通量係兩倍以上，但頂部表面之亮度係有兩倍增強，其係由於較大頂部表面面積(在計算中底部表面231係始終固定為1x1 mm2 )。
為了進一步增強頂部表面232之亮度，有利地向陶瓷主體230之傾斜側表面233塗敷一反射式塗層(如幾何形狀5所示)。該反射式塗層可為銀、鋁或此項技術中所熟知的任何其他高反射式塗層。假定側表面塗層之反射率為80%， 則頂部表面232之亮度增加兩倍(與幾何形狀2相比)。此幾何形狀特別適於集光率關鍵應用。
在本發明之一具體實施例中，有利地在側表面433與反射式塗層452間塗敷一低折射率層451(即n1ayer <ncer.body )(參見圖4)。在此情況中，逃逸錐面外部來自側表面433之光將透過TIR加以反射(效率為100%)。逃逸錐面內之光將藉由反射式塗層452加以反射，其在實際環境中始終較不有效。相反地，塗敷與側表面433直接光學接觸之反射式塗層452將降低總反射效率，因為現在也會較不有效地反射逃逸錐面外部之光。因此，低折射率層451之塗敷進一步增強自頂部表面432所發射之通量以及其亮度(表1中之幾何形狀6)。
在另一具體實施例中，有利地使頂部表面232、332、432按微位準起褶皺以增強來自頂部表面之光擷取及/或頂部表面之亮度。可(例如)透過頂部表面232、332、432之蝕刻來建立此一微褶皺。
在另一具體實施例中，藉由使頂部表面232、332、432按一巨觀位準起褶皺(例如藉由使頂部表面成形為一菲涅耳透鏡)以便包括一光學功能來增強該表面之亮度。此外此具體實施例有利地實現來自發光裝置200、300、400之一應用特定輻射分佈。
對於某些應用，可有利地將自陶瓷主體230所發射之光僅限制於側表面233，如幾何形狀7所示。此一應用之一範例係將發光裝置200用作一側發射器以將光耦合於光導 中。在此情況中，陶瓷主體230之頂部表面232可具備一反射式塗層452(具有或不具有一中間低折射率層451)。
應注意，對於45∘之傾斜角可獲得與表1結果類似的結果，在該情況中頂部表面232係小於陶瓷主體230之底部表面231。
在本發明之一具體實施例中，鄰接半導體器件220、420(像Philips Lumileds之"Saber")定位陶瓷波長轉換主體230、430。此等係所謂的"覆晶"以InGaN為主之LED，已使用(例如)雷射剝離技術從該等LED移除藍寶石基板。此係特別有利的，因為移除"中間"藍寶石基板將使陶瓷主體230、430更靠近發光層221、421。此外，藍寶石基板之缺乏消除主體230、430中所產生之光之損耗路徑。透過底部表面231、431所發射之光進入藍寶石基板中並經由基板之側表面損耗而形成此損耗路徑。
參考圖5，遠端螢光應用中來自陶瓷主體330之光發射係顯示為傾斜角334之函數。在90∘之角度334處，主體330係與相等尺寸之底部331及頂部332表面成直角。在<90∘之傾斜角334處，底部表面331係大於頂部表面332。對於>90∘之角度，相反關係成立。可看出有利地應用<90∘或>90∘之傾斜角334以便增強底部表面之通量531、頂部表面之通量532、側表面之通量533及總通量530。有利地，傾斜角334係<85∘或>95∘，或甚至更好為<80∘或>100∘。
圖6針對一通量關鍵應用顯示依據本發明之陶瓷波長轉換主體230之與傾斜角234成函數關係之相對通量輸出及亮 度。<90∘或>90∘之傾斜角234改善所發射之總通量630、頂部表面之通量632及側表面之通量633。特別針對通量關鍵應用有益地應用>95∘(或更好>100∘)之傾斜角234。不過，對於<85∘或更好<80∘之傾斜角234，會有益地改善頂部表面之亮度635(以Cd/mm2 計)。
圖7針對一集光率關鍵應用顯示依據本發明之陶瓷波長轉換主體430之與傾斜角434成函數關係之相對輸出及亮度。所有側表面433塗布有反射式塗層時，僅可透過頂部表面432發射光。對於<90∘及>90∘之傾斜角434，更好地對於<85∘及>95∘之角度，會改善頂部表面之通量732與頂部表面之亮度735兩者。對於<90∘之傾斜角，頂部表面432具有一較小面積。因此，對於<70∘之傾斜角434，會有益地增強亮度735。
圖8針對一側發射器應用顯示依據本發明之陶瓷波長轉換主體之與傾斜角成函數關係之相對輸出。從圖式可看出，對於<90∘及>90∘之傾斜角，會有益地改善自側表面所發射之通量833。
改變陶瓷主體230、330、430與環繞媒介間之折射率差不會實質上影響所發射通量530、532、630、632、732或頂部表面亮度635、735對傾斜角234、334、434之相依性。不過，會影響通量位準，對於較低折射率差，通量會增加。
儘管已參考上述具體實施例說明本發明，但應明白可以替代方式使用其他具體實施例來實現相同目的。因此本發 明之範疇不受限於上述具體實施例，而也可應用於需要一特定光輻射圖案之任何其他應用器件，例如(舉例而言)汽車頭燈系統或顯示器投影系統。
50a‧‧‧第一矩形陶瓷波長轉換主體
50b‧‧‧第二陶瓷波長轉換主體
52‧‧‧半導體發光器件
54‧‧‧陶瓷波長轉換主體
200‧‧‧發光裝置
220‧‧‧半導體發光器件
221‧‧‧發光層
230‧‧‧透明陶瓷主體/陶瓷波長轉換主體
231‧‧‧底部表面
232‧‧‧頂部表面
233‧‧‧側表面
234‧‧‧傾斜角
240‧‧‧"初級"光
241‧‧‧點
242‧‧‧"二級"光
300‧‧‧發光裝置
320‧‧‧半導體發光器件
330‧‧‧透明陶瓷主體/陶瓷波長轉換主體
331‧‧‧底部表面
332‧‧‧頂部表面
333‧‧‧側表面
334‧‧‧傾斜角
360‧‧‧光學系統
400‧‧‧發光裝置
420‧‧‧半導體發光器件
421‧‧‧發光層
430‧‧‧透明陶瓷主體/陶瓷波長轉換主體
431‧‧‧底部表面
432‧‧‧頂部表面
433‧‧‧側表面
434‧‧‧傾斜角
451‧‧‧低折射率層/中間層
452‧‧‧反射式塗層
結合圖式在以上範例性與較佳具體實施例之說明中揭示本發明之其他細節、特徵及優點。
圖1A與1B顯示從先前技術中瞭解的一發光裝置(其包含一半導體發光器件及一陶瓷波長轉換主體)之兩個範例。
圖2顯示一發光裝置，其包含一半導體發光器件及一依據本發明具有傾斜側表面之陶瓷波長轉換主體。
圖3顯示依據本發明之一發光裝置，其中在一"遠端螢光"組態中應用陶瓷波長轉換主體。
圖4顯示一發光裝置，其包含一半導體發光器件及一依據本發明具有塗布傾斜側表面之陶瓷波長轉換主體。
圖5針對一遠端螢光應用顯示依據本發明之陶瓷波長轉換主體之與傾斜角成函數關係之相對輸出。
圖6針對一通量關鍵應用顯示依據本發明之陶瓷波長轉換主體之與傾斜角成函數關係之相對輸出及亮度。
圖7針對一集光率關鍵應用顯示依據本發明之陶瓷波長轉換主體之與傾斜角成函數關係之相對輸出及亮度。
圖8針對一側發射器應用顯示依據本發明之陶瓷波長轉換主體之與傾斜角成函數關係之相對輸出。
200‧‧‧發光裝置
220‧‧‧半導體發光器件
221‧‧‧發光層
230‧‧‧透明陶瓷主體/陶瓷波長轉換主體
231‧‧‧底部表面
232‧‧‧頂部表面
233‧‧‧側表面
234‧‧‧傾斜角
240‧‧‧"初級"光
241‧‧‧點
242‧‧‧"二級"光

Claims (8)

  1. 一種發光裝置(200、300、400)，其包含：一半導體發光器件(220、320、420)，其包含佈置於一n型區域與一p型區域間之一發光層(221、321、421)，一透明陶瓷主體(body)(230、330、430)，其包含一波長轉換材料，其經定位而與該半導體發光器件成光接收關係，該陶瓷主體進一步具有一面向該半導體發光器件(220、320、420)之底部表面(231、331、431)，其特徵為：該陶瓷主體具有至少一側表面，其相對於該底部表面成一傾斜角(234、334、434)(233、333、433)，其中該陶瓷主體的至少一表面具有一反射塗層(coating)，及其中位於該主體與該反射塗層之間的一中間層具有較該陶瓷主體為低的一折射率。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該傾斜角(234、334、434)係大於95°或小於85°。
  3. 如請求項2之發光裝置，其中該傾斜角(234、334、434)係大於100°或小於80°。
  4. 如請求項1之發光裝置，其中該陶瓷主體的該至少一表面係該陶瓷主體(230、330、430)之至少一傾斜側表面(233、333、433)。
  5. 如請求項1之發光裝置，其中該陶瓷主體(230、330、 430)具有一具備一微褶皺之頂部表面(232、332、432)。
  6. 如請求項1之發光裝置，其中該陶瓷主體(230、330、430)具有一經提供用以包括一光學功能之頂部表面(232、332、432)。
  7. 如請求項1之發光裝置，其中該陶瓷主體(230、330、430)具有一具備一額外反射式塗層(452)之頂部表面(232、332、432)。
  8. 如請求項1之發光裝置，其中在該底部表面(231、331、431)與該半導體發光器件(220、320、420)間容納一額外中間層(451)，其折射率係低於該陶瓷主體(230、330、430)之折射率。
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