TWI451595B - 經偏光之發光裝置 - Google Patents

Description

經偏光之發光裝置

本發明係關於一種發光裝置，其包括一發光二極體晶粒，該發光二極體晶粒具有一第一表面、一第二表面及至少一個用於連接該第一表面與該第二表面之側面。此外，該發光二極體晶粒包含一偏光層、一光阻擋層及一光反射層。本發明也關於一種用於提供來自此發光二極體晶粒之偏光之方法。

固態發光二極體(LED)具有一令人期待的光明未來，用以在各種照明應用中取代習知光源。更具體言之，高亮度無機發光二極體正在進入諸如汽車照明燈、相機閃光燈、顯示器投影及顯示器背光照明之市場。

取代習知光源轉而使用此等發光二極體之利處主要在於其小體積、高亮度及高色彩飽和度。

然而，作為習知光源，發光二極體發射非偏光，亦即對一特殊偏光狀態無明顯優先選擇性的光。因此，在需要偏光之應用中，這種光必須經其他構件偏光。

使用偏光之應用領域係液晶顯示器(LCD)背光照明與液晶顯示器投影，以及在液晶光束操縱裝置的選項中，其中由發光二極體點光源發射的光束係藉由液晶單元來操縱。

同樣，偏光在室內和室外照明中都產生優勢，因為線性偏光影響表面反射而表面反射能對眩光產生抑制，從而在視覺靈敏度、觀測到的對比度及色彩飽和度上對被照明的環境之觀測產生影響。由於這種影響，偏光螢光發光體作為一種商品而存在且在視覺感知上具有所需優勢。

在發光二極體的製造中利用外部晶體定向方向有可能實現來自發光二極體的偏光發射。然而，此等發光二極體難以製造而且難以得到有效率的光輸出。而且，該描述的偏光對比度不大。

用於偏光的常見方法包括吸收無用的偏光狀態之步驟。該方法具有一約45%的效率。

美國專利第2006/00661192 A1號揭示一將一發光二極體與一反射偏光器合併之照明系統。該反射偏光器傳輸自發光二極體發射的光之第一部分，及反射自發光二極體發射的光之第二部分。該反射光入射到發光二極體上，且被該發光二極體反射。此外，光之第二部分被散射，使得該反射光之偏光狀態被混合。因此，該散射光之部分可以藉由反射偏光器傳輸，從而提高照明系統的總效率。

儘管在美國專利第2006/00661192 A1號中揭示之系統展示了一提高了的偏光效率，但是這對很多應用來說仍然還不足夠。

本發明之目的係對以上的技術及先前技術提供一改良。更特定言之，本發明之目的係提供一效率提升的偏光發光二極體。

依照本發明之第一態樣，藉由一發光裝置而提供以上目的，該發光裝置包括一發光二極體晶粒，該發光二極體晶粒具有一第一表面、一第二表面及至少一個用於連接該第一表面與該第二表面之側面。該發光裝置進一步包括一偏光層、一光阻擋層及一光反射層，其中該偏光層被配置在該第一表面上，該光阻擋層被配置在該至少一個側面上，及該光反射層被配置在該發光二極體晶粒之該第二表面上。該發光裝置有利於提供高效率偏光。

該偏光層可以覆蓋該整個第一表面，該光阻擋層可以覆蓋該(等)整個側面，以及該光反射層可以覆蓋該整個第二表面。這一點有利於達到一高偏光對比度。

該光阻擋層可為一偏光層，其有利於將光阻擋層與偏光層製造在同一部件中。

該光阻擋層可為一光反射層，其有利於將光阻擋層與光反射層製造在同一部件中。

該偏光層可為一反射式偏光層，其可承受高溫與來自發光二極體晶粒之光通量。

該偏光層可為一線格光柵(wire-grid grating)。因此，本身為人所熟知的習知光柵就可被運用。

該發光裝置可以進一步包括一回收層，該回收層改變光的偏光狀態，其中該光回收層被配置在偏光層與光反射層之間。這樣有利於發射較大量的偏光。

該回收層可為一延遲層或去偏光層，其有利於習知技術與材料的運用。

一波長轉換層可以被配置在偏光層與發光二極體晶粒之間，其有利於提高例如綠光、黃光(amber)與紅光的效率。

該波長轉換層可為一磷光體層，其為一熟知材料。

依照本發明之第二態樣，提供一光源，其包括至少一個依照本發明之第一態樣之發光裝置。本發明之第一態樣之優點也適用於本發明之此第二態樣。

該發光裝置可包括一覆蓋晶粒之圓頂形透鏡。這有利於增加從發光二極體中萃取的光量。

依照本發明之第三態樣，藉由一用於提供來自發光二極體晶粒之偏光之方法而提供以上目的，該發光二極體晶粒具有一第一表面、一第二表面及至少一個用於連接該第一表面與該第二表面之側面。該方法包括以下步驟：發射來自發光二極體晶粒之第一表面之第一量之光；發射來自發光二極體晶粒之該(等)側面之第二量之光；藉由被配置在該(等)側面上之阻擋層阻擋第二量之光之第一部分；藉由被配置在第一表面上之偏光層阻擋第一量之光之第一部分；通過偏光層傳輸第一量之光之第二部分；轉換第一量之光之第一部分之偏光狀態；及藉由偏光層傳輸該第一量之光之已轉換的第一部分。本發明之第二態樣之優點也適用於本發明之此第三態樣。

本發明之其他目的、特徵及優點將可見於以下詳細揭示、隨附之附屬請求項及圖式。

在圖1中顯示了一偏光元件之基本原理。圖中顯示一傳播中的光波被入射到一偏光元件4上。如藉由實線與虛線所示，無特定偏光狀態之該光波被傳輸通過偏光元件4。然而，如實線所顯示，僅該光波中有特定偏光狀態的一部分才被傳輸。該光波中的其他部分則被反射回去，或者被偏光元件4吸收。

如圖1之顯示，該偏光元件4係一光柵，其具有數個平行配置之狹縫。該光柵週期小於該光波之波長。這種偏光元件通常作為一種線格偏光器而為人熟知。線格偏光器通常由諸如鋁之由空氣或介電材料隔開之小金屬條組成。光柵週期通常在100到200nm之數量級範圍內。一典型的金屬對間隙之工作週期為1:1，但是其他的比率也同樣適用，如1:2。每一個金屬條之高度通常為100nm之數量級。

圖2顯示一安裝在任何一種已知基板5上之發光裝置100。該基板5可為一印刷電路板、一托座等等。該發光裝置100具有一發光二極體晶粒10、一光反射層40、一偏光層20及一光阻擋層30。該偏光層20被配置為接近於該發光二極體晶粒10之第一表面12。該光反射層40被配置在基板5與該發光二極體晶粒10之第二表面14之間。該偏光層30被配置為接近於該發光二極體晶粒10之側面16。

當將一電壓施加於該發光二極體晶粒10之p/n接面時，光就會被射向該發光二極體晶粒10之第一表面12與側面16。就規則的發光二極體來講，發射光無特定偏光角，但卻係數個不同角度之混合。發射光之第一量之光入射到偏光層20上，發射光之第二量之光入射到光阻擋層30上。當發射光之第一量之光入射到偏光層20時，第一量之光之第一部分被反射且第一量之光之第二部分被傳輸。當發射光之第二量之光入射到光阻擋層30時，藉由反射或吸收阻擋至少一第一部分。在反射之後，第一量之光之第一部分會傳播回向發光二極體晶粒，且當其撞擊到光反射層40時其偏光狀態被影響。因此，當發射光之第一量之光之第一部分再一次入射到偏光層20時，其中的一部分光將會被傳輸。該反射光將再次被反射回到光反射層40上，且輕微改變其偏光狀態，從而在與偏光層20發生第三、第四、第五次交互作用中造成一更進一步的傳輸。

該偏光層20可以傳輸圓形偏光及反射逆圓形旋偏光。例如，該偏光層20可以傳輸左旋圓形偏光及反射右旋圓形偏光。這種偏光層20係一膽固醇型液晶反射式偏光器。

在圖3中顯示了發光二極體晶粒10及偏光層20之透視圖。在此實施例中，偏光層20與光阻擋層30被設計成一單一層。該線格光柵20與光阻擋層30由平行配置之金屬條22組成。該光阻擋層30會反射第一部分光及傳輸第二部分光。該光阻擋層30與偏光層20覆蓋了發光二極體晶粒10之整個第一表面12與側面16。

圖4顯示一發光裝置100。該發光二極體晶粒10接近於該光反射層40，且一透明薄膜50被配置在該發光二極體晶粒10之頂部。該發光二極體晶粒可為任何一種本身為人所熟知之恰當材料，例如InGaN用於紫外光及藍光，AlGaAs用於紅光，AlGaP或GaN用於綠光等。假設一發光二極體晶粒包含GaN，那麼該透明薄膜50就可包含藍寶石或碳化矽以便在製造過程中提供一合適的GaN沈積。光回收層60被配置在薄膜50之頂部上，及偏光層20被配置在安裝於光回收層60之頂部之玻璃板70上。該光阻擋層30被配置在該發光裝置100之側面上。如圖4所示，該發光裝置100之操作如下。

該發光二極體晶粒10能向各個方向發射一特定波長的光，例如400nm。該具有向下方向之光全由反射層40反射，及撞擊光阻擋層30之光也全被反射，使得沒有光被傳輸通過該阻擋層30或該反射層40。該光阻擋層30與該光反射層40可被配置成一單一層，如一反射金屬薄膜。具有向上方向之光，亦即直接發射光或反射光，全被傳輸通過透明薄膜50且傳播通過光回收層60。該光回收層60係設計用於藉由以一固定角度旋轉偏光狀態，或藉由提供偏光角之一任意分佈而改變光的偏光狀態。因此，該光回收層60可為一延遲層，亦即一四分之一波長膜，或一散射層。當光入射到玻璃板70與偏光層20時，第一部分光會被傳輸且第二部分光會被反射回向發光二極體晶粒10。該經傳輸的光將會產生一偏光角，其垂直於光偏光層20之金屬條22，且該反射光將會具有一偏光角，其平行於該反射光之金屬條22。該反射光將與光阻擋層30及光反射層40交互作用，且在數次內反射之後，該光將再次被傳輸通過光回收層60。此次，該光之偏光角將被改變，使得該光之一新部分將被傳輸通過偏光層20。該程序不斷重複，且每一次傳輸的偏光之累積量都會增加。光阻擋層30防止具有一非所需偏光角之光從發光二極體晶粒10之側面傳輸。因此，第一偏光狀態之光量與第二偏光狀態之光量之間的對比度就會增加。

該光回收層60可以由一材料組成，該材料具有受控的肉眼可見之雙折射，或者具有一非受控於肉眼可見範圍之局部雙折射。具有肉眼可見之雙折射之典型層，如延遲四分之一波長膜(QWF)，通常由經拉伸聚合物膜組成，如經拉伸聚碳酸酯，但是其同樣也可以由液晶聚合物(LCP)來製造。該延遲器可為單軸或者扭曲(twisted)。該延遲器也可存在多層非同向光軸。例如，一四分之一波長膜延遲器與一半波長延遲器之組合可共同作為一寬頻四分之一波長延遲器。

具有經提高的穩定性之替代材料係可行的。更穩定的聚合物為含氟聚合物。四氟乙烯與六氟丙烯聚合物(FEP)可被運用。其他類似的材料包含四氟乙烯與全氟乙烯基醚之聚合物(PFA)，或者四氟乙烯與乙烯之聚合物(ETFE)，或者四氟乙烯、六氟丙烯與偏二氟乙烯之聚合物(THV)。所有這些材料以其極好的熱穩定性、化學穩定性及光穩定性而為人熟知。聚四氟乙烯(鐵氟龍(teflon))也可被運用。

已知其他材料，如藍寶石，係雙折射。同樣地，成形雙折射(form-birefringent)材料也能被用作延遲器，其由於奈米尺寸形狀而顯示雙折射。具有亞波長週期性之介電光柵可顯示雙折射，且其能被用作例如四分之一波長延遲器。同樣地，奈米線可用作為各向異性光子材料，且因其導致之雙折射而被運用。

為獲得朝向發光二極體晶粒10之導引回的光之最高反射係數，發光二極體晶粒10之第二表面14應具有一高反射係數。通常，該反射層40含有開口，其等作為發光二極體電極之接觸區域，如p摻雜GaN。在此處可能會發生光損失。因此，應藉由減少接觸孔的數量或將在反射層40中之這些孔設置得儘可能小而將孔徑損失減到最小。同樣地，該反射層之反射係數也應為最大。在一實施例中，該反射層40係一散射層。

在下面，將描述一發光裝置100之數個實施例。在圖5中，圖4所示之透明板50被移除。取而代之，該偏光層20被配置為接近於光回收層60。

在圖6中，該光回收層60被設計為發光二極體晶粒10之一粗糙表面。一平面化層80被配置在發光二極體晶粒10之頂部，及一用於承載偏光層20之玻璃板70被配置在該平面化層80之頂部。

在圖7中，該偏光層20被直接配置在平面化層80之上。

在更進一步的實施例中，該偏光層20被應用於磷光體轉換之發光二極體，其等藉由磷光體轉換一發光二極體發射的藍光或紫外光而獲取白光或彩色光發射。如圖8與圖9所示，該偏光層20被配置在磷光體層90之頂部，此乃由於在磷光過程中無法保持偏光狀態。在圖9中，一光回收層60被配置在該磷光體層90與該偏光層20之間。至於圖8與圖9，該發光裝置100可含一透明層如藍寶石層50或者也可不含此藍寶石層50。該磷光體層90可被接合於藍寶石層50或者直接在發光二極體晶粒10上。該偏光層20可存在於磷光體層90之上，也可在發光二極體晶粒10之側面上。該偏光層20可在表面上直接進行處理，或者由基板支撐且被黏合於磷光體層90。此外，該光阻擋層30可包含一反射體，例如一金屬，以便迫使光被發射通過該偏光層20以提高性能。該磷光體層90也可被塑形，例如成一楔形。該光回收層60可被配置在偏光層20之下或在該磷光體層90之下。額外的散射層(未顯示)可被併入以將例如在磷光體層90之頂部上或在磷光體層90之下的反射光去偏光。該磷光體層90可為透明，但其亦包含散射中心用於提高去偏光。

該偏光層20可被直接製造在發光二極體晶粒10上或者在磷光體層90上，較佳的係在一晶圓級上且隨後被切塊。或者可將該偏光層20如習知地製造在一承載基板上，例如薄玻璃上(如0.2mm)，切塊並隨後運用一合適的黏合劑或不進行光學接觸而將其耦合到該發光二極體晶粒10或磷光體層90。

任意一種本身已為人熟知之一球形圓頂可被配置在任意一已揭示實施例之發光裝置100上。這樣可以提高來自發光裝置100之光萃取，將反射損失減到最小及萃取將另外在平坦的光堆疊中被波導的光。

該發光二極體晶粒10之第一表面12與側面16之間的角度可為90°。在其他的實施例中，該發光二極體晶粒10之第一表面12與側面16之間的角度可以小一些，如45°。如磷光體層90或光回收層60之該等層中的一者，可被塑形使其以一較小角度包含側面，如45°，從而使得該發光裝置成一金字塔形。此等側面可延伸出該發光裝置或者剛好合適於該發光二極體晶粒10或合適於該光阻擋層30。該偏光層20，例如一線格偏光器，可被配置在側面之頂部，例如藉由微影製程。同樣地，該偏光層20也可被彎曲或者該磷光體層90可被彎曲。該圓頂本身也能形成一彎曲面，其上可沈積該偏光層20。

以上參考一些實施例，已大體地描述了本發明。然而，如熟習此項技術者所輕易瞭解者，除了以上已揭示之實施例外，本發明之其他實施例也同樣有可能係在本發明之範圍內，如所附申請專利範圍之界定。

4．．．偏光元件

5．．．基板

10．．．發光二極體晶粒

12．．．第一表面

14．．．第二表面

16．．．側面

20．．．偏光層

22．．．金屬條

30．．．光阻擋層

40．．．光反射層

50．．．透明薄膜

60．．．光回收層

70．．．玻璃板

80．．．平面化層

90．．．磷光體層

100．．．發光裝置

圖1顯示依照先前技術之一偏光器之基本原理；

圖2係依照本發明之第一實施例之一發光裝置之側視圖；

圖3係依照本發明之另一實施例之一發光裝置之透視圖；

圖4-9顯示依照本發明之一發光裝置之不同實施例。

5．．．基板

10．．．發光二極體晶粒

12．．．第一表面

14．．．第二表面

16．．．側面

20．．．偏光層

30．．．光阻擋層

40．．．光反射層

100．．．發光裝置

Claims (10)

1. 一種發光裝置，其包括：一發光二極體晶粒，其具有一第一表面、一第二表面及至少一個用於連接該第一表面與該第二表面之側面；一偏光層(light polarizing layer)；一光阻擋層；及一光反射層；其中該偏光層被配置在該第一表面上，該光阻擋層被配置在該至少一個側面上，且該光反射層被配置在該發光二極體晶粒之該第二表面上，且該光阻擋層與該偏光層係一偏振層(polarizing layer)之一部分，該偏振層包含多個光柵條(grating stripes)，其中各光柵條均配置在該光阻擋層與該偏光層兩者中。
2. 如請求項1之發光裝置，其中該偏光層完全覆蓋該第一表面。
3. 如請求項1之發光裝置，其中該光阻擋層完全覆蓋該至少一個側面。
4. 如請求項1之發光裝置，其中該光反射層完全覆蓋該第二表面。
5. 如請求項1之發光裝置，其中該偏光層係一反射式偏光層。
6. 如請求項1之發光裝置，其中該偏光層係一線格光柵(wire-grid grating)。
7. 如請求項1之發光裝置，進一步包括一波長轉換層，該 波長轉換層被配置在該偏光層與該發光二極體晶粒之間。
8. 如請求項7之發光裝置，其中該波長轉換層係一磷光體層(phosphor layer)。
9. 一種光源，其包括至少一個如請求項1之發光裝置。
10. 一種用於提供來自一發光二極體晶粒之經偏振的光(polarized light)之方法，該發光二極體晶粒具有一第一表面、一第二表面及至少一個用於連接該第一表面與該第二表面之側面，其中該方法包括以下步驟：從該發光二極體晶粒之該第一表面發射一第一量之光；從該發光二極體晶粒之該至少一個側面發射一第二量之光；藉由配置在該至少一個側面上之一阻擋層阻擋該第二量之光之一第一部分；藉由配置在該第一表面上之一偏光層阻擋該第一量之光之一第一部分，其中該光阻擋層與該偏光層係一偏振層之一部分，該偏振層包含多個光柵條，各光柵條均配置在該光阻擋層與該偏光層兩者中；通過該偏光層傳輸該第一量之光之一第二部分；轉換該第一量之光之該第一部分之一偏光狀態(polarization state)；及藉由該偏光層傳輸該第一量之光之該經轉換的第一部分。