TWI553902B - 發光系統及用於將準直儀對準一光源之方法 - Google Patents

Description

發光系統及用於將準直儀對準一光源之方法

本發明係關於一種包含與發光段對準之準直儀之照明系統。

包含發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊射型雷射之半導體發光裝置係當前可用的光源中效率最高的光源。當前受關注之製造可跨可見光譜操作之高亮度發光裝置之材料系統包括III-V族半導體，尤其係鎵、鋁、銦及氮的二元、三元及四元合金，亦稱為III族氮化物材料。通常，藉由憑藉金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其他磊晶技術在藍寶石、碳化矽或III族氮化物或其他適合基板上磊晶生長不同組合物及摻雜濃度之半導體層之一堆疊製造III族氮化物發光裝置。該堆疊通常包含形成於該基板上方之摻雜有(例如)Si之一或多個n型層、形成於該(該等)n型層上方之在一作用區域中之一或多個發光層及形成於該作用區域上方之摻雜有(例如)Mg之一或多個p型層。於該n型區域及該P型區域上形成電接觸件。

一適應性照明系統係其中選擇性地變更所投射之光束場型之一系統。舉例而言，在一汽車頭燈之一適應性照明系統中，該所投射之光束場型預期汽車方向並選擇性地變更該光束場型以沿該方向產生光。

以引用的方式併入本文之US 2004/0263346描述圖1中展示之固態適應性前向照明系統。圖1之該系統包含發光二極體(「LED」)43之一陣列42。該陣列42之每一列係電連接至一水平LED驅動器36，且該陣列42之每一行係電連接至一垂直LED驅動器34。該水平驅動器36及該垂直驅動器34係附接至一中央處理單元28。一方向盤轉角感測器20及一傾斜感測器24兩者係附接至該中央處理單元28。在該陣列42前方定位一聚光透鏡(圖1中並未展示)。一旦自該方向盤轉角感測器20及該傾斜感測器24接收到信號，該中央處理單元28立即與該水平LED驅動器36及該垂直LED驅動器34通信以照亮該陣列42中之所選擇的LED 43。藉由該透鏡使來自該等LED 43之光線成角度，使得該陣列42中之該等LED 43之一或多者之選擇性照亮允許頭燈沿可變水平方向及垂直方向投射光。連接至該陣列中之每一LED之水平線及垂直線分別終接於一水平匯流排38及一垂直匯流排40中。該水平匯流排38係與該水平LED驅動器36電通信，且該垂直匯流排40係與該垂直LED驅動器34電通信。水平線60及垂直線62之各者分別終接於可藉由該水平LED驅動器36及該垂直LED驅動器34操作之一相關聯切換器。

本發明之一目的係提供一種包括複數個發光段及與每一段相關聯之一準直儀之緊湊型光源。

在本發明之實施例中，包括一半導體發光裝置之一光源係連接至一基座。該發光裝置包括複數個段，其中相鄰段間隔小於200微米。在一些實施例中，於一單一生長基板上生長多個段。每一段包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層。於該基座之一頂部表面上定位一間隔件。該發光裝置係定位於該間隔件中之一開口中。複數個準直儀係附接至該間隔件，其中每一準直儀係與一單一段對準。

在圖1中圖解說明之系統中，使用個別LED。每一個別LED可包含一封裝及一成像光學件(諸如一透鏡)。因此，製造圖1中圖解說明之該系統可能係昂貴的且由於每一LED之該等封包及該等成像光學件所需之間隔，該系統可能係不合需要的大。

在本發明之實施例中，一光源包含分隔為可個別定址之諸段之一或多個LED。該光源可用於一適應性照明系統(諸如一汽車頭燈)，且可能較不昂貴並比圖1中圖解說明之該光源更緊湊。雖然下文實例指代III族氮化物LED，但是可使用包含其他III-V族裝置(諸如III族磷化物或III族砷化物LED、II-VI裝置或基於矽之裝置)之其他半導體發光裝置。

圖3係根據本發明之實施例之一光源10之一俯視圖。LED 14之一陣列係附接至一基座12。圖解說明四個LED 16。每一LED 16係分隔為多個段57。圖3中圖解說明之每一LED係分隔為一4×4陣列的段，每一LED總共有16個段且總共具有64個段。舉例而言，每一LED 16之面積可為約1毫米乘以1毫米，且每一段可為約250微米乘以250微米。該等LED及該等段無須如圖3中圖解說明為正方形；其等可為矩形、平行四邊形、稜形或任意形狀組合。可使用四個以上或四個以下的LED，且每一LED可被分隔為16個以上或16個以下的段。再者，該等LED無須對稱。舉例而言，一些LED可被分隔為較少及/或較大段。舉例而言，該等LED之一些或所有可被分隔為1×2、2×2、2×3、2×5、3×6或5×6個段。在一些實施例中，光源10包含的段可能介於30與100之間。選擇每一段之大小以匹配該LED之期望總面積及期望元件之總數目。在一些實施例中，一LED頭燈所需要的總面積係介於4平方毫米與24平方毫米之間。因此，段大小之範圍可自1平方毫米至0.5平方毫米低至0.04平方毫米。在一些實施例中，一2×2陣列的段係較佳的，此係由於其允許使用具有兩個直側壁及兩個成角度側壁之準直儀，如圖4及圖6中之截面所示。

圖2係分隔為段57之一單一LED 16之一簡化側視圖。圖2中圖解說明四個段57。該LED係由圖2中之數字14表示，且圖解說明基座12之一部分。雖然圖2圖解說明一薄膜覆晶裝置，但是可使用其他類型的裝置，諸如垂直裝置(其中n接觸件及p接觸件係形成於該裝置之相對側上)、於裝置之相同側上形成兩個接觸件且透過該等接觸件提取光之一裝置，或一覆晶裝置(其中該生長基板保留該裝置之一部分)。

每一LED段57包含諸半導體層58，該等半導體層58包含一n型區域、一發光或作用區域及一p型區域。半導體層58可生長於一生長基板上，諸如(例如)藍寶石、SiC、GaN、Si、生長於一生長基板(諸如以引用的方式併入本文之US 2008/0153192中描述之藍寶石)上方之應變減小之模板之一者或諸如(例如)接合至以引用的方式併入本文之US 2007/0072324中描述之一藍寶石主體之一InGaN晶種層之一複合基板。

通常首先生長該n型區域且該n型區域可包含具有不同組合物及摻雜濃度之多個層，舉例而言，該多個層包含製備層(諸如緩衝層或成核層，此等層可係n型或非有意摻雜的)、經設計以促進該複合基板之隨後釋放或在基板移除之後該半導體結構之薄化之釋放層(release layer)及針對發光區域高效發射光所需之特定光學或電子性質而設計之n型裝置層或甚至p型裝置層。於該n型區域上方生長一發光區域或一作用區域。適合的發光區域之實例包含一單一厚或薄發光層或一多量子井發光區域，該多量子井發光區域包含由障壁層分離的多個薄或厚量子井發光層。於該發光區域上方生長一p型區域。如該n型區域，該p型區域可包含具有不同組合物、厚度及摻雜濃度之多個層，該多個層包含係非有意摻雜的層或係n型層之層。

於p型區域之頂部表面上形成一p接觸件60。P接觸件60可包含一反射層(諸如銀)。P接觸件60可包含其他選用層(諸如一歐姆接觸層及包含(例如)鈦及/或鎢之一防護片)。在每一段57上，移除p接觸件60、該p型區域及該作用區域之一部分以曝露上面形成有一n接觸件62之該n型區域之一部分。以引用的方式併入本文之美國專利申請案第12/236,853號描述於生長於形成於島狀物中之一複合基板之晶種層上、分隔為諸段之一LED上形成接觸件。

於每一段57之間形成延伸通過半導體材料之一整個厚度之溝渠59以電隔離鄰近段。溝渠59可用一介電材料(諸如藉由電漿增強型化學氣相沈積形成之矽氧化物或矽氮化物)填充。，可使用除溝渠外之隔離方式，諸如在待絕緣之段之間導致一區域之半導體材料之植入。

於該p接觸件及該n接觸件及/或該基座上形成互連件(圖2中未展示)，接著該裝置係透過該等互連件連接至基座12。基座12可為包含(例如)矽、陶瓷、AIN及鋁之任意適合的材料。該等互連件可為任意適合的材料(諸如焊料或其他金屬)，且可包含材料之多個層。在一些實施例中，互連件包含至少一金層及介於該等LED段之間的接合層，且該基座係藉由超音波接合形成。在超音波接合期間，於一基座上定位LED晶粒。於該LED晶粒之頂部表面上(例如，於該生長基板之該頂部表面上)定位一接合頭。該接合頭係連接至一超音波傳感器。該超音波傳感器可為(例如)鋯鈦酸鉛(PZT)層之一堆疊。當以導致系統和諧諧振之一頻率(通常為數十或數百kHz之數量級之一頻率)對該傳感器施加一電壓時，該傳感器開始振動，繼而導致該接合頭及該LED晶粒振動，通常以微米數量級之一振幅振動。該振動導致該LED上之一結構(諸如該n接觸件及該p接觸件或形成於該n接觸件及該p接觸件上之該等互連件)之金屬晶格中之原子與該基座上之一結構互相擴散，從而導致一冶金持續接合點。在接合期間可增加熱量及/或溫度。

在該半導體結構接合至基座12之後，可移除該生長基板之所有或部分。舉例而言，為一複合基板之部分之一藍寶石生長基板或一藍寶石主體基板可藉由在具有該藍寶石基板之一介面處雷射熔融一III族氮化物或其他層而移除。可對正被移除之基板視情況使用其他技術(諸如蝕刻或機械技術(諸如研磨))。在移除該生長基板之後，可藉由(例如)光電化學(PEC)蝕刻薄化該半導體結構。可藉由(例如)粗糙化或藉由形成一光子晶體紋理化該n型區域之所曝露表面。

可於該半導體結構上方安置一或多個波長轉換材料56。該(該等)波長轉換材料可為(例如)藉由網版印刷或模板印刷而安置於一透明材料(諸如聚矽氧或環氧樹脂)中並沈積於該LED上之一或多個粉末磷光體、藉由電泳沈積、噴射、沉澱、蒸發或濺鍍形成之一或多個粉末磷光體或膠合或接合至該LED之一或多個陶瓷磷光體或一或多個燃料或該等上述波長轉換層之任意組合。亦被稱為發光陶瓷之陶瓷磷光體在以引用的方式併入本文之美國專利第7,361,938中更詳細地予以描述。可形成該等波長轉換材料使得由該發光區域發射之光之一部分並未藉由該波長轉換材料轉換。在一些實例中，該未經轉換之光係藍色，且該經轉換光係黃色、綠色及/或紅色，使得自該裝置發射之未經轉換之光及經轉換之光之組合呈現白色。波長轉換材料56可個別地形成於每一段57上、每一LED 16上或該整個陣列14上。

形成基座12使得可獨立地啟動段57。舉例而言，基座12可為藉由習知處理步驟形成之一陶瓷佈線基板或一矽積體電路。一些段可總是一起啟動，且可(例如)串聯或並聯連接。可在基座12上或內部或該LED陣列14上形成連接此等段之互連件，例如，如在以引用的方式併入本文之US 6,547,249中所描述。

在一些實施例中，相鄰段在一單一基座上緊緊地間隔但無須生長於相同基板上。舉例而言，相鄰段之間隔在一些實施例中可小於200微米，在一些實施例中小於100微米，在一些實施例中小於50微米，在一些實施例中小於25微米，在一些實施例中小於10微米，且在一些實施例中小於5微米。包含發光段之光源之其他實例在名為「Adaptive Lighting System With III-Nitride Light Emitting Devices」並以引用的方式併入本文之美國申請專利案第12/709,655號中予以描述。

在一些實施例中，一單一段係被分隔為多個接面。可獨立地定址該等接面之至少兩者。當需要強光時可啟動一段中之所有該等接面。當需要暗光時可啟動一段中之少於所有接面。圖7圖解說明具有四個段57之一裝置。每一段係分離為四個接面。頂部左段57中之該四個接面在圖7中係標記為92、93、94及95。圖8圖解說明上面安裝圖7之該裝置之一基座98之一俯視圖。介於該等接面之間的互連件可形成於上述該基座上或該裝置上。在圖7及圖8中圖解說明之該裝置中，每一段中之頂部兩個接面92及93係串聯連接並一起啟動。每一段中之底部兩個接面94及95亦係串聯連接並一起啟動。對於每一段57，可在一給定時間藉由對基座98上之適合的襯墊96供應電流啟動該等接面之所有、一半或並不啟動其等之任一者。

對包含個別可定址之LED段之光源之一挑戰係成像光學件，這係由於一給定照明應用通常接受僅在限制角度圓錐體中之光。III族氮化物LED通常以相對於該LED之該頂部表面之一法線成正負90°之角度發射在一朗伯圓錐體中之光。舉例而言，一F#2光學件接受正負14.5°之一圓錐體，且一F#1光學結構接受正負30°之一圓錐體。此等光學件可分別使用自發射光至一朗伯圓錐體中之一分段LED發射之光之僅6%及25%，與具有個別經封裝之LED之一源相比可減小具有分段LED之一源之效率，其中該光可藉由與每一LED相關聯之一準直光學件準直於一狹窄圓錐體中。

在本發明之實施例中，一或多個分段LED係與每一段之個別準直儀組合。該等準直儀係附接至一間隔件(該間隔件控制每一LED段與該準直儀之間的間隔)並使該等準直儀與該等段對準。該等準直儀減小每一段發射之光之圓錐體使得該光可被成像光學件有效地使用。

圖4係一分段LED、一間隔件及個別準直儀之一截面圖。圖解說明兩個段及兩個準直儀78a及78b。該等圖解說明之段包含安置於半導體層58上方之一波長轉換層56。該等段係藉由互連件70連接至一基座12。

圍繞該分段LED定位一間隔件72。圖5圖解說明一間隔件之一實例。圖5中圖解說明具有四個段57之一LED。該分段LED係與該間隔件中之一開口對準。該間隔件中之該開口之大小控制進入準直儀78a及78b中之光之源尺寸。間隔件72之側壁87大致上係反射性以引導光進入準直儀78a及78b中。間隔件72可由任意材料形成，包含(例如)反射白色材料(諸如PPA及PCT)、硬聚矽氧(包含一反射材料諸如TiO₂)或白色反射陶瓷。

為精確地控制準直儀78a及78b之底部與該等LED段之頂部之間的距離(即，圖4中圖解說明之該間隔件中之側壁87之高度)，該間隔件可連接至基座12之一頂部表面。舉例而言，間隔件72可於基座12之邊緣76膠合至基座12或模製於基座12及該分段LED上方。包覆模製在以引用的方式併入本文之US 7,352,011中更詳細地予以描述。準直儀78a及78b之底部與該等LED段之頂部之間的間隔在一些實施例中可能介於10微米與100微米之間，在一些實施例中介於40微米與60微米之間，且在一些實施例中小於50微米。精確地控制準直儀78a及78b之底部與該等LED段之頂部之間的距離可藉由減小相鄰段之間的串擾改良該裝置之效率。

間隔件72可包含延伸於基座12之側上方之一部分88，如圖4中圖解說明，然無須包含。部分88之一側表面可(例如)藉由包覆模製或膠合而使間隔件72附著至基座12之一側表面。

在一些實施例中，於半導體層58、波長轉換層56或兩者之若干側上安置一選用側塗層74。側塗層可係反射性以防止或減小透過半導體層58及波長轉換層56之該等側逸出之光總量。側塗層可為塗料或以其他方式安置於半導體層58及波長轉換層56之該等側表面上之一反射塗層或由(例如)反射性白色材料(諸如PPA及PCT)、硬聚矽氧(包含一反射性材料(諸如TiO₂))或白色反射性陶瓷形成之一結構之一反射性塗層。在一些實施例中，側塗層74係用以精確地控制準直儀78a及78b之底部與該等LED段之頂部之間的距離，即，側壁87之高度。舉例而言，間隔件72可藉由擱置在側塗層74上或接觸側塗層74而將側塗層74作為一參考，如圖4中圖解說明。在一些實施例中，間隔件72係(例如)藉由包覆模製或膠合(除形成於基座12與間隔件72之間的附接件之外或取代該附接件)附接至側塗層74。

在圖6中圖解說明之該裝置中，省略側塗層74。圖6之間隔件72可能為(例如)模製於附著至基座12之該等段上方之聚矽氧。

準直儀78a及78b可能係具有反射性側壁或針對反射率而依賴於總內反射之一介電材料之中空結構。一準直儀係與該LED之每一段57對準。相鄰準直儀可彼此間隔一距離80。相鄰準直儀之間的間隔可藉由可能為(例如)期望直徑之一球或導線之一間隔元件82維持。相鄰準直儀間隔在一些實施例中可能介於1微米與200微米之間，且在一些實施例中可能介於5微米與50微米之間。為使該等準直儀與該等LED段對準，準直儀78a及78b可安置於延伸於間隔件72之頂部表面90下方之一凹口86中。準直儀78a及78b可(例如)藉由定位於該間隔件72中之開口之邊緣84處之一黏著層附著至間隔件72。在準直儀78係一固體材料之實施例中，將正常地吸收光之邊緣84處之一黏著劑並不吸收光，這係由於間隔件72之形狀防止光到達邊緣84，如圖4及圖6中展示之該等光線所圖解說明。

如圖9中圖解說明，一固態準直儀78之輸出面可相對於該段57之面傾斜。準直儀78具有垂直於段57之頂面並通常接近於與另一段相關聯之一相鄰準直儀之直側壁之一直側壁104。準直儀78亦具有相對於垂直於段57之該頂部表面之一平面之成一銳角安置之一傾斜側壁102。輸入面108係平行於段57之頂面。可使輸出面106傾斜使得其不平行於輸入面108或段57之頂面。舉例而言，可使輸出面106成角度使得直側壁104比傾斜壁102長，如圖9中圖解說明。以此方式塑形該輸出面可至少部分地補償由準直儀78之不對稱所導致之光輸出之任意歪斜。

根據本發明之實施例之每一LED段之個別準直儀引導光自每一段進入一角圓錐體，該角圓錐體對於應用之成像光學件83而言足夠狹窄。由每一段以大角度發射之光可經引導進入該準直儀而並未損失，此可改良光源之效率。減小每一段發射之角圓錐體可減小相鄰段之間的串擾，此可改良使用根據本發明之實施例之一光源之一裝置之成像之精度。使該等準直儀附接至連接至一基座之頂部表面之一間隔件可藉由精確地控制每一準直儀之底部與每一LED段之頂部之間的距離而改良該裝置之效率。

已詳細描述本發明，習知此項技術者應瞭解，在本揭示內容之情況下，可在不脫離本文所描述之發明性概念之精神之情況下對本發明作出修改。因此，不希望本發明之範疇限於圖解說明並描述之特定實施例。

10．．．光源

12．．．基座

14．．．發光二極體(LED)

16．．．發光二極體(LED)

20．．．方向盤轉角度感測器

24．．．傾斜感測器

28．．．中央處理單元

34．．．垂直發光二極體(LED)驅動器

36．．．水平發光二極體(LED)驅動器

38．．．水平匯流排

40．．．垂直匯流排

42．．．發光二極體(LED)之陣列

43．．．發光二極體(LED)

56．．．波長轉換材料

57．．．段

58．．．半導體層

59．．．溝渠

60．．．p接觸件

62．．．n接觸件

70．．．互連件

72．．．間隔件

74．．．側塗層

76．．．邊緣

78a．．．準直儀

78b．．．準直儀

80．．．距離

82．．．間隔元件

83．．．成像光學件

84．．．邊緣

86．．．凹口

87．．．間隔件72之側壁

88．．．延伸於基座12上方之部分

90．．．間隔件72之頂部表面

92．．．接面

93．．．接面

94．．．接面

95．．．接面

96．．．襯墊

98．．．基座

102．．．傾斜側壁

104．．．直側壁

106．．．輸出面

108．．．輸入面

圖1圖解說明一先前技術適應性前向照明系統。

圖2係分隔為諸段之一單一III族氮化物發光裝置之一簡化側視圖。

圖3係III族氮化物發光裝置段之一陣列之一俯視圖。

圖4係一分段發光裝置、一間隔件、一反射側塗層及與每一段對準之準直儀之一截面圖。

圖5圖解說明一間隔件之一實例。

圖6係一分段發光裝置、一間隔件及與每一段對準之準直儀之一截面圖。

圖7圖解說明具有四個段之一裝置。每一段係被分隔為四個接面。

圖8圖解說明圖7之連接至一基座之該裝置。

圖9圖解說明一準直儀。

12．．．基座

56．．．波長轉換材料

58．．．半導體層

70．．．互連件

72．．．間隔件

74．．．側塗層

76．．．邊緣

78a．．．準直儀

78b．．．準直儀

80．．．距離

82．．．間隔元件

83．．．成像光學件

84．．．邊緣

86．．．凹口

87．．．間隔件72之側壁

88．．．延伸於基座12上方之部分

90．．．間隔件72之頂部表面

Claims (20)

1. 一種發光系統，其包括：一光源，該光源包括連接至一基座(mount)之一發光裝置，該發光裝置包括複數個段(segments)，其中相鄰段間隔小於200微米，每一段包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層；定位於該基座之一頂部表面上之一間隔件，其中該發光裝置係定位於該間隔件中之一開口中；及附接至該間隔件之複數個準直儀，其中每一準直儀係與一單一段對準。
2. 如請求項1之發光系統，其中該基座經組態使得至少兩個段可被獨立地啟動。
3. 如請求項1之發光系統，其中每一準直儀之一底部表面係與對應於每一準直儀之該段之一頂部表面隔開。
4. 如請求項3之發光系統，其中至少一段之該頂部表面係安置於III族氮化物發光層上方之一波長轉換元件之一頂部表面。
5. 如請求項3之發光系統，其中每一準直儀之該底部表面與對應於每一準直儀之該段之該頂部表面之間的一間隔小於50微米。
6. 如請求項1之發光系統，其中該間隔件係藉由一黏著劑附著至該基座之該頂部表面。
7. 如請求項1之發光系統，其中該間隔件包括模製於該基座之一頂部表面上方之聚矽氧。
8. 如請求項1之發光系統，其中相鄰準直儀係彼此隔開。
9. 如請求項1之發光系統，其中相鄰準直儀係藉由一球及一導線中之一者而彼此隔開。
10. 如請求項1之發光系統，其中至少兩個段係生長於一單一生長基板上。
11. 如請求項1之發光系統，其進一步包括鄰近該發光裝置之一側壁安置之一反射性表面。
12. 如請求項11之發光系統，其中該間隔件係附著至該反射性表面。
13. 如請求項1之發光系統，其進一步包括一光學件，其中該等準直儀係安置於該光學件與該光源之間。
14. 如請求項1之發光系統，其中該發光層係一III族氮化物層。
15. 如請求項1之發光系統，其中至少一段係分隔為複數個接面，其中該基座經組態使得該複數個接面中之至少兩個接面可被獨立地啟動。
16. 如請求項1之發光系統，其中至少一準直儀包括：垂直於一段之一頂面之一第一側壁；及相對於垂直於該段之一頂面之一平面成一銳角之一第二側壁。
17. 如請求項16之發光系統，其中該至少一準直儀進一步包括：接近於該段之該頂面之一輸入面；及相對該輸入面之一輸出面，其中該輸出面並不平行於 該輸入面。
18. 一種用於將準直儀對準一光源之方法，其包括：使一光源之一頂部表面與複數個準直儀之一底部表面間隔一預定距離；其中：該光源包括連接至一基座之一發光裝置，該發光裝置包括複數個段，其中相鄰段間隔小於200微米，每一段包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層；該複數個準直儀中之每一準直儀係與一單一段對準；該複數個準直儀係附接至定位於該基座之一頂部表面上之一間隔件；且該發光裝置係定位於該間隔件中之一開口中。
19. 如請求項18之方法，其中使該光源之一頂部表面與該複數個準直儀之一底部表面間隔一預定距離包括：使該間隔件上之一表面與該基座之一頂部表面對位。
20. 如請求項18之方法，其中使該光源之一頂部表面與該複數個準直儀之一底部表面間隔一預定距離包括：使該間隔件上之一表面與鄰近該發光裝置之一側壁安置之一反射性結構之一頂部表面對位。