TWI609216B - 具有半導體發光裝置的背光 - Google Patents

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葛雷葛莉Ｗ 安格
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飛利浦露明光學公司
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Description

具有半導體發光裝置的背光
本發明係關於一種發光裝置，其包含一光源，該光源係設置於一透明部件中之一開口中。此一發光裝置可用作(例如)一顯示器的一背光。
半導體發光裝置諸如發光二極體(LED)係當前市售最有效的光源之一。當前在能夠跨越可見光譜操作之高亮度LED之製造中受關注的材料系統包含III-V族半導體，尤其是鎵、鋁、銦及氮的二元、三元及四元合金，亦稱為III-氮化物材料；及鎵、鋁、銦、砷及磷的二元、三元及四元合金。通常III-氮化物裝置係磊晶生長於藍寶石、碳化矽或III-氮化物基板上，且III-磷化物裝置係藉由金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其他磊晶技術而磊晶生長於砷化鎵上。通常，將一n型區域沈積於該基板上，而後將一發光或作用區域沈積於該n型區域上，而後將一p型區域沈積於該作用區域上。諸層之順序可相反使得該p型區域鄰近於該基板。
半導體發光裝置之一有前途的用途係用於液晶顯示器(LCD)中的背光。LCD通常係在行動電話、個人數位助理(PDA)、攜帶式音樂播放器、膝上型電腦、桌上型監視器及電視應用中使用。本發明之一實施例涉及一需要背光的彩色或單色、透射LCD，其中該背光可使用一 或多個LED發射白光或彩色光。使用藍色LED及一遠端磷光體層以供白光之產生的實施例亦係可能的。LED與雷射二極體之區別在於LED發射非相干光。
一種背光係於美國公開專利2009-0045420號中描述且繪示於圖1中，該案以引用的方式併入本文中。「安裝於一基座22上之一側發光式LED 10係定位於固態、透明波導材料36之一區段的一開口中...。波導區段36係定位於一較大波導40的狹槽42中。」
本發明之實施例係關於可用作顯示器之背光的發光裝置。本發明之一目的係提供具有開口以用於實光源及虛光源的一透明部件。一光源諸如一半導體發光二極體係定位於該透明部件的一第一開口中，該透明部件可運作如一顯示器中之一波導。該透明部件圍繞該光源。在發光裝置之實施例中，可使用頂部發光式LED而非側發光式LED。未於該透明部件中之一第二開口中定位光源。該第二開口可充當一虛光源。
在一些實施例中，一反射器係定位於光源的上方。該反射器包含一平坦部分及一經塑形部分。該經塑形部分從該平坦部分朝該光源延伸。本發明之實施例可減少發光裝置產生具足夠均勻度之光之一期望數量與光混合所需的光源數量。
10‧‧‧側發光式LED
22‧‧‧模製透鏡
24‧‧‧基座
27‧‧‧接觸件
28‧‧‧p型層
30‧‧‧發光層
31‧‧‧接觸件
32‧‧‧n型層
36‧‧‧透明波導材料
40‧‧‧金屬引線
42‧‧‧狹槽
44‧‧‧金屬引線
45‧‧‧電路板
50‧‧‧波導
51‧‧‧光
52‧‧‧波導邊緣
53‧‧‧光
54‧‧‧開口
55‧‧‧波導50之底部
56‧‧‧第一開口之第二部分
57‧‧‧波導50之頂表面
58‧‧‧第一開口之第一部分
60‧‧‧光源
62‧‧‧支撐體
63‧‧‧支撐體之頂表面
64‧‧‧半導體結構
66‧‧‧反射器
68‧‧‧反射器之經塑形部分
70‧‧‧第二開口
72‧‧‧特徵部
76‧‧‧經塑形透鏡
78‧‧‧透鏡之頂部區段
80‧‧‧扇形
82‧‧‧開口
82a、82b‧‧‧開口之彎曲部分
84‧‧‧虛源
86‧‧‧開口
圖1係定位於一波導中之一波導區段的一透視圖。
圖2係具有一覆模圓頂透鏡之一薄膜覆晶LED的一截面圖。
圖3係定位於一波導之一部分中之一開口中之一LED的一俯視圖。
圖4係定位於一波導中之一開口中之一LED的一截面圖。
圖5係具有實光源及虛光源之一波導之一部分的一俯視圖。
圖6係包含一特徵部以反射光之一波導之一部分的一俯視圖。
圖7係繪示具有一經塑形透鏡的一LED。
圖8係一波導之一部分的一俯視圖。
LED定位於波導之內部的背光，諸如US 2009-0045420中所述之背光係有益的，因為波導且因此背光可保持較薄。亦期望減少背光中使用之LED之數量以減少背光的成本。從LED頂部發射大多數光之LED可比US 2009-0045420中所述之側發光式LED具有稍微高的通量。本發明之實施例係關於諸如頂部發光式LED定位於一波導內部之背光的裝置。
適當頂部發光之一實例係具有一覆模圓頂透鏡的一LED。具有圓頂透鏡之適當LED之實例係描述於(例如)美國專利第7,344,902號中，該案係以引用的方式併入本文中。圖2係具有一圓頂透鏡之一LED的一簡化特寫圖，該LED係描述於美國專利第7,344,902號中，該案係以引用的方式併入本文中。一單覆晶LED晶粒10係安裝於由任一適當材料(諸如陶瓷或矽)形成的一基座24上。圖2之LED晶粒10具有一p金屬接觸件27、p型層28、一發光作用層30、n型層32及接觸該n型層32的一n型金屬接觸件31。基座24上之金屬墊係直接金屬接合至接觸件27及31。穿過基座24之通孔終止於基座24之底表面上的金屬墊中，該等通孔係接合至一電路板45上的金屬引線40及44。該等金屬引線40及44係連接至其他LED或連接至一電源供應器。電路板45可係具有金屬引線40及44且覆蓋於一絕緣層上的一金屬板(例如，鋁)。該圓頂透鏡22囊封該LED晶粒10。
將該n型層32、發光層30及p型層28生長於一生長基板上，而後蝕刻掉發光層30及p型層28之一部分以顯露n型層32的一部分。將n接觸件31及p接觸件27形成於該n型及p型半導體層的曝露部分上。為減 少LED 10之厚度且為防止光被生長基板所吸收，藉由適於該基板的一種方法而移除該生長基板，諸如蝕刻、化學機械拋光或雷射熔融-其中一雷射加熱III-氮化物結構及生長基板的界面，熔融該III-氮化物結構之一部分且使該基板從該半導體結構處脫模。該生長基板可在將一LED陣列安裝於一次基座晶圓之後且先於該LED/次基座被單片化(例如，藉由鋸切)之前移除。
在一些實施例中，移除該生長基板之後，(例如)利用一光子晶體使剩餘III-氮化物結構變薄且/或變粗或圖案化。
一大體上平坦的磷光體層(圖2中未展示)係可定位於LED頂部的上方，用於波長轉換由該發光層30發射的至少一些藍光。可將該磷光體層預形成為一陶瓷片且使其貼附至LED層，或者可諸如藉由電泳而沈積磷光體顆粒。當與來自該LED之作用區域之藍光混合時，由該磷光體層發射之光產生白光或另一期望的顏色。舉例而言，一發藍光LED可結合一單發黃光磷光體，或結合一發紅光磷光體及一發綠光磷光體以產生白光。若使用一發UV光LED，可增添一發藍光磷光體。可將發射其他顏色光的磷光體增添至LED或系統中較遠端的其他某處以達成一期望的混合顏色點一白光。
而後將圖2中所示之圓頂透鏡22模製於LED 10的上方。本發明之實施例可使用如圖2中所示具有或不具有圓頂透鏡22的薄膜覆晶LED。透鏡形狀(除圖2中所示之球形圓頂透鏡以外)可用於調整裝置的輻射型樣。該透鏡可經塑形以控制波導中的光線角度及傳播，諸如使其在該波導之平 面中稍微更準直。圖7繪示具有一經塑形透鏡76的一裝置。透鏡76包含一頂部區段78，該頂部區段78經塑形以引導光至反射器66(下文參考圖4描述)中，且一底部區段經塑形以引導光至波導50中。
圖3係定位於根據本發明之實施例之一波導中之一頂部發光式 LED的一俯視圖。雖然繪示具有一圓頂透鏡的一LED，但是可使用不具一圓頂透鏡的一裝置。安裝於一基座上(圖3中未展示)之一圓頂LED 60係定位於一開口54中，該開口54係靠近一固態、透明波導50之邊緣52而形成。開口54可係足夠大使得LED 60之圓頂之邊緣離該開口之邊緣係介於100微米與2.5毫米之間，以使LED 60容易安裝於開口54中。波導50可係(例如)丙烯酸類聚合物(例如，PMMA)、硬聚矽氧、模製塑膠、聚碳酸酯或任一其他適當材料。一鏡面膜(未展示)可覆蓋波導50的底部。該膜可係(例如)可購自3M公司的增強型鏡面反射器(ESR)膜。
開口54係經塑形以引導光至波導50中。在圖3所示之裝置中，靠近波導50之邊緣52的開口54之一部分58係V形，而最遠離該邊緣的開口54之一部分56係彎曲的。如所繪示，入射於該彎曲邊緣56上之光53係發射至波導50中。入射於該V形邊緣58上之光51係朝波導邊緣52折射，其中該光可被反射至波導50中。亦可使用經簡單修圓或稍微塑形成橢圓形的開口54。另外，內耦合邊緣56及58之邊緣可經波紋化以使光之分佈分散於該波導中以達成期望的均勻度同時減少LED數。
圖4係定位於根據本發明之實施例之一波導中之一頂部發光式LED的一截面圖。雖然繪示具有一圓頂透鏡的一LED，但是可使用不具一圓頂透鏡的一裝置。LED 60包含安裝於一支撐體62上的一半導體LED結構64。LED 60可係定位於波導50之開口54中使得該支撐體62係在波導50之底部55的下面，且半導體結構64係在波導50之該底部55的上面。支撐體62之一頂表面63可係反射的。
由於LED 60係一頂部發光式LED，故一反射器66係定位於LED 60之上方以重新引導所發射之光至波導50中。如圖4中所示，反射器66可包含在波導50之頂表面57下面凸出的一區段68，以重新引導光至波導50中。凸出區段68可經塑形以避免使垂直於半導體結構64之頂表 面發射之光直接反射回半導體結構64中可吸收該光之處。如圖4中所示，凸出區段68之一適當形狀係一錐形。圖4中所示之錐形可具有介於LED圓頂之直徑與開口54之尺寸之間的尺寸。其他形狀可係可能的，諸如一彎曲或拋物線形狀。反射器角度可從(例如)15°至60°變化。反射器66可係形成自任一剛性材料(諸如塑膠)，且可塗佈有一反射材料，諸如一反射金屬、塗層、塗料或二向色堆疊。或者，反射器66可係形成自引起全內反射的一材料。反射器66可具有(例如)與開口54相同的橫向廣度，或稍微更大，如此反射器66之邊緣可擱置於波導50的頂部上。
在諸如用於一電腦監視器或電視的一大型背光中，多個LED係沿波導50之邊緣52定位。該等LED及開口之間距係所使用之LED數量與該背光之線性尺寸的函數。舉例而言，在一習知24英吋的背光中，可使用60個LED以達成較佳顏色均勻度。使用所述實施例，相同24英吋背光的LED之數量可減少至15至30個LED而未犧牲均勻度或增加邊框長度。
圖5係一波導之一部分的一俯視圖。如以上圖3中所示，二個LED 60係定位於開口54中。在開口54之間隔開的一開口70不含有一LED。發射自LED 60之光反射離開開口70的邊緣，使開口70成為一「虛」光源。在一些實施例中，開口70之一或多個邊緣係塗佈有一反射材料。該等虛源可係放置於LED開口之間且可在從LED寬度上達至該等LED間中之空間之3/4的寬度上延伸。在一些實施例中，開口70係用具有低折射率的材料填充，諸如空氣或低折射率的聚矽氧。相較於具有相同LED數量而不具有空開口70的一背光，包含開口70而在該等開口中不具有LED可改良背光的均勻度，或者，相較於不具有空開口70的一背光，對於波導50中之一給定位準的光混合及光均勻度而言，此可允許進一步隔開LED 60。在減少LED之數量時，改良之混合及均勻 度可減少所需要的背光及監視器邊框高度，且因此使其可最小化或保持恆定。
圖6係一波導的一俯視圖，其中特徵部係形成於該波導之邊緣上，介於LED之開口之間。在圖6之裝置中，取代圖5中所示之空開口70或除該開口70之外，特徴部72係形成於波導50的邊緣52上。特徵部經塑形以使由LED 60產生之光朝向鄰近LED而反射至波導50的本體中。特徵部72之一適當形狀之一實例係波導50之邊緣52中的V形凹口，如圖6所示。在某些實施例中，特徵部72為經彎曲的。(例如)藉由用一反射膜塗佈該邊緣或將一膜附接至該邊緣，可使包含特徵部72之波導50之邊緣52係反射的。如圖6中所示，其中定位LED 60的開口54無需塑形成如圖3中所示。圖6中所示之裝置中，開口54係圓形的。其他形狀係在本發明的範圍之內。V形特徵部可從靠近LED處開始且具有一持續彎曲的形狀。
在一些實施例中，可組合各圖式中所示的特徵部。舉例而言，如上所述，可使用具有或不具有圓頂透鏡之頂部發光式LED。圖4中所示之頂部反射器可在圖3、5及圖6中所示之裝置的開口上方使用。可在各個實施例中使用具有不同形狀的開口。圖8繪示一些變體。除圖6中所示之特徵部72之外或取代該等特徵部72，波導50之邊緣可包含彼此鄰近定位的多個特徵部，使得該邊緣被持續紋理化成如圖8中所示的扇形80。或者，該邊緣上之多個特徵部可彼此鄰近定位，而後藉由未經紋理化邊緣之一區段而與該邊緣上之多個特徵部的下一群組分開。相較於其中定位實光源之開口86，虛源84可與波導50之邊緣相隔更靠近。多個虛源84可定位於靠近一單一實源86。可針對虛光源及實光源而使用開口的其他形狀。圖8中所示之開口82具有一彎曲部分82a，該彎曲部分82a朝開口之中心彎曲，與遠離該開口之該中心彎曲的彎曲部分82b相對。
以上所述之實施例可用作一LCD顯示器的一背光。在一完成的顯示器中，一薄漫射體膜係可貼附於波導50之頂表面上方以使光漫射。一亮度增強膜(BEF)係可設置於該漫射體膜上方以直接重新導引光至波導50前面的一相對小角度內，以增加正常觀測方向中的亮度。而後一習知彩色或單色LCD係可設置於波導50的上方。該LCD可產生彩色影像使用像素光閘(例如，結合一TFT陣列的一液晶層)、偏光器及RGB濾光器。此等LCD係已悉知。以上所述之實施例的其他應用包含薄廣告燈箱。
已詳細描述本發明，熟悉此項技術者將明白給定本發明後可在不脫離本文所述之發明概念之精神下對本發明進行修改。因此，不期望本發明之範圍受限於所說明及所述的特定實施例。
50‧‧‧波導
54‧‧‧開口
55‧‧‧波導50之底部
57‧‧‧波導50之頂表面
60‧‧‧光源
62‧‧‧支撐體
63‧‧‧支撐體之頂表面
64‧‧‧半導體結構
66‧‧‧反射器
68‧‧‧反射器之經塑形部分

Claims (14)

  1. 一種背光裝置，其包括：一光源，其包括：一半導體結構，其包括設置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層；及一透鏡，其包括一第一部分(section)及一第二部分；一透明部件(transparent member)，其包括一第一開口，該光源經定位於該第一開口中使得該透明部件圍繞該光源，該透鏡之該第二部分經塑形(shaped)以將光引導進入該透明部件；及一反射器(reflector)，其定位於該光源的上方，該反射器包括一平坦部分及一經塑形部分，該經塑形部分自該平坦部分朝向該光源延伸，該透鏡之該第一部分經塑形以將光引導進入該反射器。
  2. 如請求項1之裝置，其中該第一部分包括該透鏡的一頂部及該第二部分包括該透鏡的一底部。
  3. 如請求項1之裝置，其中該反射器之該經塑形部分包括一錐體。
  4. 如請求項1之裝置，其中該第一開口具有鄰近於該透明部件的一邊緣之V形部分及相對於該V形部分之一彎曲部分。
  5. 如請求項1之裝置，其中該第一開口係圓或橢圓形之一者。
  6. 如請求項1之裝置，其中該透明部件進一步包括一第二開口，其中無光源係設置於該第二開口中。
  7. 如請求項6之裝置，其中該光源係一第一光源，該裝置進一步包括一第三開口及一第二光源，其中：該第二開口係定位於該第一開口及該第三開口之間；及該第二光源係定位於該第三開口中。
  8. 如請求項1之裝置，其中該光源係一第一光源，該裝置進一步包括：一第二開口，其係設置於該透明部件中；一第二光源，其係定位於該第二開口中；及一特徵部，其係設置於該第一開口與該第二開口之間，其中該特徵部從該透明部件之邊緣朝該透明部件之一中心延伸。
  9. 如請求項8之裝置，其中該特徵部係該透明部件中的一V形凹口。
  10. 一種背光裝置，其包括：一光源，其包括一半導體結構，該半導體結構包括設置於一n型區域與一p型區域之間的一發光層；及一透明部件，其包括：一光源開口，該光源經定位在該光源開口中使得該透明部件圍繞該光源；及複數個虛源(virtual source)開口，其係設置在該光源開口及該透明部件之一邊緣之間、鄰近該光源開口，各虛源開口係小於該光源開口。
  11. 如請求項10之裝置，其中各虛源開口具有一筆直部分及該光源開口具有一彎曲部分。
  12. 如請求項10之裝置，其中該透明部件之一邊緣被紋理化。
  13. 如請求項10之裝置，其中該光源開口包括：一第一部分，其朝該光源開口之一中心彎曲；及一第二部分，其遠離該光源開口之一中心彎曲。
  14. 如請求項10之裝置，其進一步包括一液晶層，該液晶層係設置於該透明部件上方。
TW104138094A 2009-04-03 2010-03-31 具有半導體發光裝置的背光 TWI609216B (zh)

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