TWI575781B

TWI575781B - 用於發光二極體之寬頻介電反射器

Info

Publication number: TWI575781B
Application number: TW102111730A
Authority: TW
Inventors: 喬治Ｊ歐肯佛斯; 瑞察Ａ布來迪
Original assignee: 唯亞威方案公司
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2017-03-21
Also published as: TW201347243A; KR20130111996A; CN103367617A; KR102113858B1; CN103367617B; EP2648237B1; JP6193596B2; EP2648237A2; EP2648237A3; JP2013214742A

Description

用於發光二極體之寬頻介電反射器

本發明係關於一種用於一發光二極體(LED)之全介電反射器，且特定而言係關於一種用於一發白色光裝置中之一LED之提供反射率及電絕緣兩者之寬頻全向多層全介電反射器。

習用發白色光裝置(諸如在以Shum之名義於2011年8月4日公開之美國專利申請案2011/0186874中所揭示及在圖1中所圖解說明之彼等)包含安裝於一電路2上或由其環繞之一發藍色或UV LED 1，電路2提供至一外部電源之電連接以給LED 1供電。一金屬反射層3(例如，銀)安置於一矽基板4上以用於將由LED封裝折射或反射之任何雜散光沿期望之方向往回反射。因此，亦需要一隔離層6以提供電路2與金屬反射器層3之間的電絕緣。諸如Si₃N₄或SiO₂等氮化物或氧化物通常用於隔離層6，從而導致大約2 μm至6 μm之厚度，此取決於針對擊穿電壓之法律要求。通常，LED 1浸沒於一透光環氧樹脂7中，透光環氧樹脂7包含光轉換染料(例如，磷光體)以用於將自LED發射之光轉換成一寬光譜白色光。令人遺憾地，銀反射層3並非隨時間環境穩定的且尤其當曝露至高溫度及濕度時變為生銹，此極大地減少發光裝置之有效壽命。

使用窄頻介電反射器以將由LED發射之特定波長之光往回反射穿過磷光體材料以最大化波長轉換已揭示於2004年12月21日頒給Su等人之美國專利第6,833,565號中；然而，未解決寬頻白色光吸收/反射及電隔離之問題。

本發明之一目的係藉由提供其中使用一寬頻全向多層介電反射器來提供反射率及電絕緣兩者之一發白色光LED裝置來克服先前技術之缺點。

因此，本發明係關於一種發光二極體(LED)裝置，其包括：一基板；一LED，其用於在一第一波長下發射光；電路，其用於自外部源提供電力至該LED；一波長轉換材料，其覆蓋該LED以用於將在該第一波長下發射之光轉換成至少一第二波長之光，該第二波長之該光與該第一波長之該光組合形成一寬頻光源；及交替之高折射率材料層及低折射率材料層之一多層介電結構，其在該基板與該LED中間，提供針對電連接之電絕緣及針對該寬頻光源之反射率兩者；其中該多層介電結構係跨越至少150 nm之一頻寬反射該寬頻光源之至少90%之一寬頻反射器。

理想地，該多層介電結構具有：一第一區，其在該LED下面、具有一第一厚度、提供電隔離及至該基板之熱轉移；及一第二區，其具有比該第一厚度厚之一第二厚度、環繞該LED、提供電隔離及針對光之反射率。

1‧‧‧發藍色或紫外線發光二極體/發光二極體

2‧‧‧電路

3‧‧‧金屬反射層/銀反射層/金屬反射器層

4‧‧‧矽基板/基板

6‧‧‧隔離層

7‧‧‧透光環氧樹脂

11‧‧‧發光二極體/基於磷光體之白色發光二極體裝置/近紫外線發光二極體/白色發光二極體裝置/發光二極體裝置

12‧‧‧基板/矽基板

13‧‧‧發光二極體晶片/發光二極體/囊封InGaN藍色發光二極體

14‧‧‧電子電路

16‧‧‧透明密封劑材料/密封劑材料/波長轉換材料/塗佈有磷光體環氧樹脂/密封材料

17‧‧‧多層介電堆疊/介電堆疊/組合介電堆疊/反射器堆疊

21‧‧‧發光二極體裝置

22‧‧‧基板

23‧‧‧耐久金屬反射器層/金屬反射層/反射層

24‧‧‧習用基板材料

31‧‧‧發光二極體裝置

32‧‧‧基板

41‧‧‧發光二極體裝置

47a‧‧‧第一段

47b‧‧‧第二段/第二較薄區

將參考表示本發明之較佳實施例之附圖更詳細地闡述本發明，其中：圖1係一習用LED裝置之一剖面圖；圖2係根據本發明之一LED裝置之一剖面圖；圖3係具有間隔開100 nm之中心波長之四個波長堆疊在一零入射角之情況下之反射比對波長之一曲線圖；圖4係根據本發明之一第一實施例之一組合波長堆疊在一零入射角之情況下之反射比對波長之一曲線圖，其包含具有由間隔開100 nm之中心波長定義之反射比頻寬之四個區段；圖5係根據本發明之一第二實施例之一組合波長堆疊在一零入射角之情況下之反射比對波長之一曲線圖，其包含具有由間隔開10 nm之中心波長定義之反射比頻寬之大約五十個高低折射率對；圖6a係第二實施例之波長堆疊在複數個不同入射角處之反射比對波長之一曲線圖；圖6b係第二實施例之一最佳化波長堆疊在複數個不同入射角處之反射比對波長之一曲線圖；圖7係比較金屬反射器(例如，銀及鋁)與根據本發明之全介電反射器之跨越400 nm至680 nm之一範圍之平均反射比對入射角之一曲線圖；圖8係比較金屬反射器(例如，銀及鋁)與根據本發明之全介電反射器之跨越一入射角範圍之平均反射比對波長之一曲線圖；圖9係根據本發明之一替代性實施例之一LED裝置之一剖面圖；圖10係根據本發明之一替代性實施例之一LED裝置之一剖面圖；圖11係比較金屬反射器(例如，銀及鋁)與根據本發明之第二實施例之全介電反射器以及根據本發明之第二實施例之全介電反射器與一鋁反射器層之組合之跨越400 nm至680 nm之一範圍之平均反射比對入射角之一曲線圖；圖12係比較金屬反射器(例如，銀及鋁)與根據本發明之第二實施例之全介電反射器以及根據本發明之第二實施例之全介電反射器與一鋁反射器層之組合之跨越一入射角範圍之平均反射比對波長之一曲線圖；圖13a係跨越一入射角範圍之反射比對波長之一曲線圖；圖13b係針對400 nm與700 nm之間的波長範圍之平均反射比對入射角之一曲線圖；且圖14係根據本發明之一替代性實施例之一LED裝置之一剖面圖。

參考圖2，本發明係關於通常在11處指示之一寬頻(例如，白色)發光二極體(LED)裝置，該裝置包含一基板12，基板12通常由矽或某一其他半導體材料、玻璃(例如，二氧化矽)或在一較佳實施例中一金屬寬頻反射性材料(例如，鋁)形成。一或多個LED晶片13(例如，由InGaN製成之一藍色LED)安裝於基板12上以用於產生在一第一窄頻波長範圍(例如，50 nm)中、通常在藍色或紫外線(UV)範圍內之光。較佳地呈圖案化於一導電氧化物層(例如，氧化銦錫)中之導電跡線之形式之電子電路14圍繞LED 13形成且電連接至外部源及控制源以提供電力及其他控制及監視功能至LED 13。

在一較佳實施例中，LED 13及電子電路14囊封於保護LED 13及電子電路14之一透明密封劑材料16(例如，聚矽氧)中。另外，密封劑材料提供針對構成電子電路14之電觸點及導線之絕緣及密封。可使用其他類型之材料，諸如環氧樹脂、玻璃、旋塗玻璃、塑膠、聚合物、金屬或半導體材料。

在一較佳實施例中，密封劑材料16包含聚合物，該等聚合物以一流體狀態開始以用於填充及密封圍繞LED 13之一內部區域。然後，固化密封劑材料16以形成一實質上穩定狀態。密封劑材料16較佳地係光學透明的或亦可根據特定要求而選擇性地係透明的及/或半透明的。另外，密封劑材料16一旦經固化即係實質上惰性的，且具有一低吸收能力以允許由LED 11產生之電磁輻射之一實質部分藉此穿過。

白色光之產生涉及：使來自LED 11之初始波長下之光(在圖2中展示為一實線)通過包含一或多個不同波長轉換材料(例如，磷光體)之一介質；形成組合以形成白色光之不同波長(例如，色彩)之光(在圖2中展示為虛線)。在一較佳實施例中，波長轉換由轉換由波長轉換材料吸收之電磁輻射之材料提供。在一特定實施例中，波長轉換材料16由LED 13之初級發射激發且發射至少一第二波長以及視情況第三及第四波長之電磁輻射。

在一較佳實施例中，波長轉換材料併入至密封劑材料16中，藉此在五個側上環繞及覆蓋LED 11。在使用中，來自LED 11之光之一分率經歷斯托克斯位移(Stokes shift)，且自較短波長變換至較長波長，且若在密封劑材料16內提供相異色彩之數種不同磷光體材料，則將發射光譜甚至較佳地拓寬至超過150 nm、更佳地超過200 nm且甚至更佳地超過250 nm，從而有效地提高一給定LED之演色性指數(CRI)值。

作為一實例：根據本發明之一基於磷光體之白色LED裝置11包含在一塗佈有磷光體之環氧樹脂16內部之一囊封InGaN藍色LED 13，在塗佈有磷光體之環氧樹脂16中磷光體係一常見黃色磷光體材料，諸如摻雜有鈰之釔鋁石榴石(Ce3+：YAG)。原始藍色光(420 nm至490 nm)中之某些光與經變換之黃色光(550 nm至600 nm)組合以顯現為白色光。

白色LED裝置11亦可使用一近紫外線(NUV)LED 11來形成，從而產生在350 nm至400 nm之範圍內之UV光，其中一密封劑材料16併入有發射紅色及藍色光之高效率基於銷之磷光體連同發射綠色光之摻雜有銅及鋁之硫化鋅(ZnS：Cu,Al)之一混合物。所產生之紅色(620 nm至700 nm)、綠色(490 nm至570 nm)及藍色(420 nm至490 nm)光組合以形成一白色光，如此項技術中所熟知。

在其他實施例中，密封劑材料16可與其他波長調整材料摻雜或藉助該等其他波長調整材料處理以選擇性地將原始波長之光過濾、分散或影響成一或多個新波長之光。作為一實例，密封劑材料16可藉助金屬、金屬氧化物、電介質或半導體材料及/或此等材料之組合處理以將原始波長轉換成具有一寬得多的總頻寬(例如，150 nm或更多)之一或多個不同光波長，從而產生白色光。

在替代性實施例中，磷光體顆粒可沈積至LED 13或LED裝置11上。磷光體顆粒可包括上文所列舉之波長轉換材料中之任一者或此項技術中已知之其他材料。通常，磷光體顆粒可具有在大約0.1微米與大約50微米之間的一平均粒度直徑顆粒大小分佈。在某些實施例中，磷光體顆粒之顆粒大小分佈係單峰的，其中一峰值在一有效直徑處介於大約0.5微米與大約40微米之間。在其他實施例中，磷光體顆粒之顆粒大小分佈係雙峰的(其中局部峰值在兩個直徑處)、三峰的(其中局部峰值在三個直徑處)或多峰的(其中局部峰值在四個或四個以上有效直徑處)。

在一特定實施例中，實體包括選自(Y,Gd,Tb,Sc,Lu,La)₃(Al,Ga,In)₅O₁₂：Ce³⁺、SrGa₂S₄：Eu²⁺、SrS：Eu²⁺之一磷光體或磷光體摻合物及包括CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe或CdTe之膠體量子點薄膜。在其他實施例中，裝置可包含能夠發射實質上紅色及/或綠色光之磷光體。在各種實施例中，基於藍色LED裝置之色彩平衡來選擇一磷光體材料量。

為替換隔離層6及金屬反射器層3兩者，本發明利用由交替之高折射率層18及低折射率層19之一多層介電堆疊17，多層介電堆疊17經設計以提供一寬頻反射器(例如，大於150 nm、較佳地大於200 nm、且更佳地大於250 nm)及電子電路14與基板12之間的電隔離。理想地，介電堆疊17反射在可見光譜中之光之至少90%；然而，稍微較小頻寬在本發明之範疇內，例如，400 nm至680 nm(240 nm寬)及440 nm至640 nm(200 nm寬)。

通常，低折射率層19由SiO₂構成，而高折射率層18由Ta₂O₅、Nb₂O₅及TiO₂中之一或多者構成；然而，用於高折射率層18及低折射率層19兩者之其他材料在本發明之範疇內。

在一第一實施例中，介電堆疊17由4個或5個區段構成，每一區段經調適以反射由一中心波長□_C定義之一預定波長範圍(例如，75 nm至125 nm)中之光，中心波長□_C以大約相同距離(例如，75 nm至125 nm)與其他中心波長間隔開以使得在頻寬上存在一小重疊。因此，每一區段由8個至20個具有大約等於預定範圍之中心波長之四分之一波長之一厚度之交替之高折射率材料層及低折射率材料層構成。

舉例而言：介電堆疊17之第一區段由8個至20個交替之高折射率材料層及低折射率材料層構成，每一層具有□_C1之□/4((450 nm/4)=112.5 nm)之一光學厚度。用光學厚度除以在此等波長下之折射率以獲得實際厚度。

介電堆疊17之第二區段由8個至20個交替之高折射率材料層及低折射率材料層構成，每一層具有□_C2之□/4((550 nm/4)=137.5 nm)之一光學厚度。

介電堆疊17之第三區段由8個至20個交替之高折射率材料層及低折射率材料層構成，每一層具有□_C3之□/4((650 nm/4)=162.5 nm)之一光學厚度。

介電堆疊17之第四區段由8個至20個交替之高折射率材料層及低折射率材料層構成，每一層具有□_C4之□/4((750 nm/4)=187.5 nm)之一光學厚度。

圖3係具有一矽基板12但不具有任何密封劑材料16(亦即，以一零度入射角發射至空氣中)之一LED裝置11之反射比對波長之一曲線圖。圖解說明由中心波長□_C1、□_C2、□_C3及□_C4(未展示)定義之介電堆疊17之四個前述區段之四個重疊反射比頻寬。圖4亦係反射比對波長之一曲線圖，其圖解說明包含如上文中所闡述之複數個區段之組合介電堆疊17之組合寬頻反射比頻寬。因此，介電堆疊17提供針對以一零度入射角發射至空氣中之一寬頻光譜之光(超過300 nm)之95%至100%之反射比。

在本發明之一替代性實施例中，介電堆疊17可由二十個至五十個不同區段形成，例如僅一或兩個交替之高折射率層及低折射率層對，每一對經調適以反射由一中心波長定義之一相對窄頻寬(例如，10 nm至25 nm)。因此，介電堆疊17可包含定中心在350 nm、360 nm、370 nm、......820 nm、830 nm及840 nm或其某一較小子集處之反射比頻寬之四分之一波長對。每一層之光學厚度將係中心波長除以四(□_C/4)。圖5係波長對反射比之一曲線圖，且圖解說明具有一矽基板12但不具有密封劑材料16(以一零度入射角)之一LED裝置11之前述實例之組合反射比頻寬。第二實施例提供針對以一零入射角發射至空氣中之一寬頻光譜之光(超過300 nm，自400 nm至700 nm)之自98%至100%之反射率。

通常使用薄膜設計軟體來最佳化前述設計。市場上可購得之薄膜設計軟體之實例係「Escential Mcleod」、Filmstare、TfCalc、Optilayer。所需要之層之數目取決於高折射率材料與低折射率材料之間的折射率差。差越大，需要越少層。

介電堆疊17之總高度可係在2 μm至20 μm、較佳地2.5 μm至15 μm且最佳地在7 μm與12 μm之間的範圍內，從而在0°與90°之間的入射角處提供針對自400 nm至680 nm之光之超過90%之反射率、較佳地超過92.5%之反射率。

圖4至圖6a中之前述設計中無一者係使用上文所闡述之軟體最佳化，亦即，最終設計將並非具有恰好係中心波長之四分之一波長之光學寬度之層之一簡單堆疊；然而，自圖7開始所圖解說明之設計已經「最佳化」。

如圖6a中所圖解說明，入射角在介電堆疊17之總反射率中發揮作用。針對具有一矽基板12而不具有密封劑材料16之一LED裝置11之前述實例，在可見光譜中之數個波長處及在各種入射角處將反射率減小5%，且在少數波長及入射角處將反射率減小10%至15%或更多。可藉由最佳化來移除尖峰，如圖6b中所圖解說明，其中大入射角及小入射角處之反射率減小被極大地減小，從而在所有角及400 nm與675 nm之間的波長處提供超過95%之反射率。

當LED裝置11中包含具有高於空氣(1.0)之一折射率(例如，1.5)之密封劑材料16時，在特定入射角(例如，45°至65°)處存在一明顯反射率減小，如圖7中所圖解說明，圖7係入射角(AOI)對反射率之一曲線圖。反射率急劇降低之主要原因係在前述角處光之偏光s及p分量之分裂之一增加。在一特定角(亦即，布魯斯特角(Brewster angle))處，當s偏光光經反射時，所有p偏光光經傳輸，且在LED裝置11之情形中，由於基板12之吸收而丟失或經傳輸出LED裝置11之背側。

參考圖8，由於布魯斯特現象，與針對銀之97.9%及針對鋁之91.9%相比，跨越(400 nm至650 nm)之可見光譜且在0°至90°之一入射角範圍內之根據前述實施例中之任一者之介電堆疊17之平均反射減少至大約93%。

在圖9中圖解說明前述問題之不必犧牲耐久性之一解決方案，其中具有與LED裝置11相同之所有元件之一LED裝置21亦包含一基板22，基板22具有在介電堆疊17與習用基板材料24之間的(例如)包含鋁之一耐久金屬反射器層23。金屬反射層23可薄至10 nm至500 nm，但出於實踐目的，反射層23通常在35 nm與120 nm之間且理想地在50 nm與70 nm之間，此取決於LED裝置21之厚度要求。

參考圖10，圖解說明一LED裝置31，其中整個基板32包含一反射性金屬材料(理想地，鋁)以提供所需要之額外反射率以及提供增加之熱耗散。具有大於100 W/mK之一導熱率之一材料係較佳的，而具有大於200 W/mK(例如，Al k=250 W/mK)之一導熱率之一材料係更佳的。所有其他元件(亦即，LED 13、電子電路14、密封材料16及介電堆疊17)與圖2及圖9中相同。圖11圖解說明組合介電堆疊/金屬反射器之最低反射率如何超過93%，且圖12圖解說明組合反射器之平均反射率跨越整個可見光譜超過98.5%，其大於一銀反射器或介電堆疊17。

組合反射器之另一優點係可藉由減小每區段之層之數目而將介電堆疊17之厚度實質上減小至3 μm與6 μm之間而不必犧牲過多反射率效能。介電堆疊17之總厚度可在2 μm至20 μm、較佳地2.5 μm至12 μm及最佳地3 μm與8 μm之間的範圍內，從而在0°與90°之間的入射角處提供針對具有超過250 nm(例如，自400 nm至680 nm)之一頻寬之光之超過90%之反射率、較佳地超過95%之反射率及最佳地超過97%之反射率。

當需要穿過介電堆疊17之低熱阻以增加遠離LED 13之熱耗散時，減小介電堆疊17之厚度可係重要的。下表提供具有不同厚度之反射器堆疊17之平均反射率之一比較。在0°至85°之一角範圍及400 nm至680 nm之一波長節圍內計算平均反射率。

參考圖13a及圖13b，在標準實施例之情況下出現一問題，藉此對於特定波長(例如，600 nm至750 nm)而言反射在高入射角(例如，>45°)處實質上降低，此係由在可闡述為一「紅色峭壁(red cliff)」之入射角之情況下識別到一角移位所造成。

通常，可藉由增加厚度、將塗層之角度相依性有效地「紅色移位」至對於特定應用而言較長較不重要波長來容易地解決關於介電堆疊17之上文所識別之問題。然而，基於熱考量，不應增加介電堆疊17之厚度，此乃因安裝於多層介電堆疊17之頂部上之LED 13需要藉此將熱耗散至基板(例如，4、12或32)。在開發工作期間，厚得多的介電堆疊17提供優良光學效能，但遭受跨越薄膜之不良熱傳送，從而實際上使其在此應用中無用。

參考圖14，本發明之一LED裝置41之一替代性實施例之一關鍵特徵係將介電堆疊分裂成至少兩個區或段：一第一段47a，其環繞LED 13及電子電路14、具有一第一較厚厚度(例如，大於3.5um、較佳地大約4 um或更多)，此係出於電隔離原因及其餘光學效能需要使全向鏡包括其餘塗層。整個塗層厚度可高達13 um，此受結構之熱效能限制。關於整個塗層之厚度可甚至比13 um厚，但其將係成本過高。

在LED 13下面之一第二段47b藉助光微影或其他適合製程來圖案化以具有一第二較薄厚度以允許LED 13位於距基板12/22/32有一適合距離處以使得維持電隔離且最小化介電堆疊之額外厚度之熱衝擊(例如，在1 um與3 um之間，較佳地大約2 um)。

由於典型LED係大約160 um高(形狀為三角形)且浸沒於密封劑材料16中，因此由第一較厚區47a遮蓋之二極體之量通常少於2%(2+ um/160 um)。

12‧‧‧基板/矽基板

13‧‧‧一或多個發光二極體晶片/發光二極體/囊封InGaN藍色發光二極體

14‧‧‧電子電路

16‧‧‧透明密封劑材料/密封劑材料/波長轉換材料/塗佈有磷光體之環氧樹脂/密封材料

17‧‧‧多層介電堆疊/介電堆疊/組合介電堆疊/反射器堆疊

Claims

一種發光二極體(LED)裝置，其包括：一基板；一LED，其用於在一第一波長下發射光；電路(electrical circuitry)，其用於自外部源提供電力至該LED；一波長轉換材料，其覆蓋該LED以用於將在該第一波長下發射之該光轉換成至少一第二波長之光，該第二波長之該光與在該第一波長下發射之該光組合形成一寬頻光源；及交替之高折射率材料層及低折射率材料層之一多層介電結構，其在該基板與該LED之間，提供針對該電路之電絕緣及針對該寬頻光源之反射率(reflectivity)，其中該多層介電結構係在至少150nm之一頻寬反射該寬頻光源之至少90%之一寬頻反射器，且其中該多層介電結構包括：一第一區，其位於該LED下方，具有一第一厚度且提供對該基板之電隔離及熱轉移；及一第二區，其環繞該LED，具有比該第一厚度厚之一第二厚度且提供電隔離及對光之反射率。
如請求項1之LED裝置，其中該多層介電結構具有自2.5μm至15μm之一厚度。
如請求項1之LED裝置，其中該第一區之厚度係在1μm與3μm之間。
如請求項1之LED裝置，其中該第二區之厚度係在3.5μm與13μm之間。
如請求項1至4中任一項之LED裝置，其中該寬頻反射器反射在400nm至680nm之一範圍之至少90%之光。
如請求項1至4中任一項之LED裝置，其中該第一波長及該第二波長組合以形成白色光。
如請求項1至4中任一項之LED裝置，其中該波長轉換材料包括複數個不同材料以用於將在該第一波長下發射之該光轉換成具有第二波長之光。
如請求項1至4中任一項之LED裝置，其中該多層介電結構包括複數個區段，每一區段用於各自反射由一中心波長定義之自75nm至125nm之一不同頻寬，每一區段包括複數個交替之高折射率層及低折射率層，且每一層具有該中心波長之大約四分之一之一光學寬度。
如請求項1至4中任一項之LED裝置，其中該多層介電結構包括複數個高折射率材料層及低折射率材料層對，每一對用於反射由一中心波長定義之自5nm至15nm之一不同頻寬，且每一層具有該中心波長之大約四分之一之一光學寬度。
如請求項1至4中任一項之LED裝置，其進一步包括：該波長轉換材料分散於其中之一密封劑材料，其中該密封劑材料對該第一波長及該第二波長之光係透明的。
如請求項10之LED裝置，其中該密封劑材料包括聚矽氧、環氧樹脂、玻璃、塑膠或聚合物之一或多者。
如請求項1至4中任一項之LED裝置，其中該基板包括一反射性金屬材料層，且其中該反射性金屬層及該多層介電結構提供針對在400nm與680nm波長之間的光之超過95%之反射率。
如請求項12之LED裝置，其中該反射性金屬材料具有大於200 W/mK之一導熱係數。
如請求項1之LED裝置，其中該基板包括鋁。
如請求項1至4中任一項之LED裝置，其中該基板包括具有大於200W/mK之一導熱係數之一反射性金屬材料。