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1、(10)申请公布号 CN 102378930 A (43)申请公布日 2012.03.14 CN 102378930 A *CN102378930A* (21)申请号 201080015233.9 (22)申请日 2010.03.11 12/417673 2009.04.03 US G02B 6/00(2006.01) F21V 8/00(2006.01) (71)申请人 飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责 任公司 地址 美国加利福尼亚州 申请人 皇家飞利浦电子股份有限公司 (72)发明人 SJ比尔休曾 GW恩格 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 汪扬 刘鹏。
2、 (54) 发明名称 包括半导体发光装置的背光 (57) 摘要 诸如半导体发光二极管 64 的光源 60 设置在 透明部件50的第一开口54中， 其作用为显示器中 的波导。透明部件围绕光源。没有光源设置在透 明部件的第二开口 70 中。在一些实施例中， 第一 开口成形为引导光至该透明部件中。在一些实施 例中， 反射器 66 设置在光源上。反射器包括平坦 部分和成形部分 68。成形部分从平坦部分向光源 延伸。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.09.30 (86)PCT申请的申请数据 PCT/IB2010/051058 2010.03.11 (87)PCT申请的公布。
3、数据 WO2010/113056 EN 2010.10.07 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 CN 102378940 A1/1 页 2 1. 一种装置， 包括 ： 光源 60， 其具有半导体结构 64， 该半导体结构包括设置在 n 型区域和 p 型区域之间的 发光层 ； 透明部件 50， 其包括第一开口 54 和第二开口 70， 其中 ： 光源设置在第一开口中使得该透明部件围绕光源 ； 第一开口设置为靠近该透明部件的边缘 52 ； 以及 没有光源设置在第二开口中。 2.如权利要求1的装置， 。
4、其中第一和第二开口54、 70中的每一个都在透明部件50中包 括孔。 3. 如权利要求 1 的装置， 其中光源 60 配置成使得大多数光通过半导体结构 64 的顶表 面逸出该光源。 4. 如权利要求 1 的装置， 其中光源 60 包括设置在半导体结构 64 上的圆顶透镜。 5.如权利要求1的装置， 其中第一开口54的第一部分58靠近边缘52并且成形为引导 光朝向该边缘 ； 以及 第一开口的第二部分 56 与该边缘相对并且成形为引导光远离该边缘。 6. 如权利要求 5 的装置， 其中第一部分 58 是 V 形的， 并且第二部分 56 是弯曲的。 7. 如权利要求 1 的装置， 进一步包括设置在光。
5、源上的反射器 66， 该反射器包括平坦部 分和成形部分 68， 其中成形部分从平坦部分延伸向光源 60。 8. 如权利要求 7 的装置， 其中反射器 66 的成形部分 68 包括锥体。 9. 如权利要求 1 的装置， 其中第一开口 54 具有弯曲部分并且第二开口 70 具有至少一 个直边。 10. 如权利要求 1 的装置， 进一步包括设置在第二开口 70 的侧面上的反射涂层。 11. 如权利要求 1 的装置， 其中光源 60 是第一光源， 该装置进一步包括第三开口 54 和 第二光源 60， 其中 ： 第二开口 70 设置在第一和第三开口之间 ； 和 第二光源设置在第三开口中。 12. 如权利。
6、要求 1 的装置， 其中光源 60 是第一光源， 该装置进一步包括 ： 第三开口 54， 其设置为邻近透明部件 50 的边缘 52 ； 第二光源 60， 其设置在第三开口中 ； 和 设置在第一和第三开口之间的特征部分 72， 其中该特征部分从透明部件的边缘延伸向 透明部件的中心。 13. 如权利要求 12 的装置， 其中特征部分 72 是透明部件 50 中的 V 形凹槽。 14. 如权利要求 12 的装置， 其中该特征部分是弯曲的。 15. 如权利要求 1 的装置， 进一步包括设置在透明部件 50 上的液晶层。 权 利 要 求 书 CN 102378930 A CN 102378940 A1/。
7、4 页 3 包括半导体发光装置的背光 技术领域 0001 本发明涉及一种发光装置， 其包括设置在透明部件内的开口中的光源。可以使用 这样的发光装置作为例如显示器的背光。 背景技术 0002 诸如发光二极管 (LED) 的半导体发光装置是目前可获得的最有效光源之一。目前 在能够跨越可见光谱操作的高亮度 LED 的制造中受关注的材料系统包括 III-V 族半导体， 尤其是镓、 铝、 铟和氮的二元、 三元和四元合金， 也称作 III- 氮化物材料 ； 以及镓、 铝、 铟、 砷和磷的二元、 三元和四元合金。通常 III- 氮化物装置是外延生长在蓝宝石、 碳化硅或者 III- 氮化物衬底上， 且 III。
8、- 磷化物装置是通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD)、 分子束外 延 (MBE) 或其他外延技术外延生长在砷化镓上。通常， n 型区域沉积在衬底上， 然后发光或 作用区域沉积在 n 型区域上， 然后 p 型区域沉积在该作用区域上。层的顺序可以相反使得 p 型区域临近该衬底。 0003 半导体发光装置的一个有前途的用途是用于液晶显示器 (LCD) 中的背光。LCD 通 常用于手机、 个人数字助理 (PDA)、 便携式音乐播放器、 膝上型计算机、 桌上型监视器和电视 应用。本发明的一个实施例涉及需要背光的彩色或单色、 透射 LCD， 其中背光可以使用一个 或多个 LED 发射白光或彩色光。使用。
9、蓝光 LED 和远端磷光体层以产生白光的实施例也是可 能的。LED 与激光二极管的区别在于 LED 发射非相干光。 0004 在美国公开申请 2009-0045420 中描述的一个背光， 在这里作为参考引用并且示 于图 1 中 ：“安装在底座 22 上的侧发光式 LED10 设置在固体的、 透明波导材料 36 的区段的 开口中波导区段 36 设置在较大波导 40 的狭槽 42 中。 ” 。 发明内容 0005 本发明的实施例涉及可用于显示器的背光的发光装置。 本发明的一个目的是提供 具有开口以用于实光源和虚光源的透明部件。 诸如半导体发光二极管的光源设置在可用作 显示器中波导的透明部件的第一开。
10、口内。透明部件围绕光源。在发光装置的实施例中， 可 以使用顶部发光式 LED 而非侧发光式 LED。没有光源设置在透明部件的第二开口中。第二 开口可充当虚光源。 0006 在一些实施例中， 反射器设置在光源上方。反射器包括平坦部分和成形部分。该 成形部分从平坦部分向光源延伸。 本发明的实施例可以减少发光装置产生具有足够均匀度 和光混合的期望光数量所需的光源数量。 附图说明 0007 图 1 是设置在波导内的波导区段的透视图。 0008 图 2 是具有翻模 (overmolded) 圆顶透镜的薄膜倒装芯片 LED 的横截面图。 0009 图 3 是设置在一部分波导中的开口内的 LED 的顶视图。。
11、 说 明 书 CN 102378930 A CN 102378940 A2/4 页 4 0010 图 4 是设置在波导开口内的 LED 的横截面图。 0011 图 5 是具有实和虚光源的一部分波导的顶视图。 0012 图 6 是包括用于反射光的特征部分的一部分波导的顶视图。 0013 图 7 示出了具有成形透镜的 LED。 0014 图 8 是一部分波导的顶视图。 具体实施方式 0015 LED 设置在波导内部的背光， 诸如 US2009-0045420 中描述的背光是有利的， 这是 因为波导以及因此背光可以保持较薄。还期望的是减少用于背光的 LED 数量， 以降低背光 的成本。从 LED 顶。
12、表面发射大部分光的 LED 可以比 US2009-0045420 中所述侧发光式 LED 具有稍微高的通量。本发明的实施例是涉及诸如顶部发光式 LED 设置在波导内部的背光的 装置。 0016 适当的顶部发光的一个例子是具有翻模圆顶透镜的 LED。具有圆顶透镜的适当的 LED的例子描述在例如美国专利7,344,902中， 其在这里参考引入。 图2是具有圆顶透镜的 LED的简化特写图， 其在美国专利7,344,902中描述， 在这里参考引入。 单一的倒装芯片LED 管芯 10 安装在由诸如陶瓷或硅的任意适合材料形成的底座 24 上。图 2 的 LED 管芯 10 具 有 p 金属接触 27、 p。
13、 型层 28、 发光有源层 30、 n 型层 32 和接触 n 型层 32 的 n 金属接触 31。 底座 24 上的金属衬垫是直接金属结合至接触 27 和 31。通过基座 24 的通孔终止在基座 24 的底表面上的金属衬垫中， 其结合至电路板 45 上的金属引线 40 和 44。金属引线 40 和 44 连接到其他 LED 或电源供应器。电路板 45 可以是具有金属引线 40 和 44 覆盖在绝缘层上 的金属板 ( 例如， 铝 )。模制透镜 22 封装 LED 管芯 10。 0017 n 型层 32、 发光层 30 和 p 型层 28 在生长衬底上生长， 然后发光层 30 和 p 型层 28。
14、 的部分被刻蚀掉以暴露 n 型层 32 的部分。N 和 p 接触 31 和 27 形成在 n 和 p 型半导体层 的暴露部分上。为了减小 LED10 的厚度和防止光被生长衬底吸收， 生长衬底通过适合于该 衬底的方法移除， 诸如刻蚀、 化学-机械抛光或激光熔融， 其中激光器加热III-氮化物结构 和生长衬底的界面， 熔融 III- 氮化物结构的部分并且使该衬底从半导体结构脱离。生长衬 底可在 LED 阵列安装在子基座晶片之后和 LED/ 子基座被单片化 ( 例如， 通过锯切 ) 之前移 除。 0018 在一些实施例中， 生长衬底移除后， 例如利用光子晶体使剩余的 III- 氮化物结构 变薄和 /。
15、 或变粗糙或图案化。 0019 图2中没有示出大体上平坦的磷光体层可以设置在LED的顶部上用于波长转换从 发光层 30 发出的至少一部分蓝光。磷光体层可以预成型为陶瓷片并且贴在 LED 层上， 或者 诸如通过电泳而沉积磷光体颗粒。从磷光体层发出的光， 当与从 LED 有源区域发出的蓝光 混合时， 产生白光或另一期望的颜色。例如， 发蓝光 LED 可以与单一的发黄光磷光体或发 红光磷光体和发绿光磷光体组合以产生白光。如果使用发 UV 光 LED， 则可添加发蓝光磷光 体。可将发射其它颜色光的磷光体添加到 LED 或者系统中较远的其它某处以实现期望的混 合颜色点， 白光。 0020 图 2 示出的。
16、圆顶透镜 20 然后模制于 LED10 上。本发明的实施例可以使用如图 2 中所示具有或不具有圆顶透镜10的薄膜倒装芯片LED。 除了图2示出的球形圆顶透镜以外 说 明 书 CN 102378930 A CN 102378940 A3/4 页 5 的透镜形状可以用于调整装置的辐射图形。透镜可成形为控制波导中的光线角度和传播， 诸如在波导的平面中稍微更准直。图 7 示出了具有成形透镜 76 的装置。透镜 76 包括顶部 分 78， 其成形为引导光进入反射器 66( 下文参考图 4 描述 ) ； 以及底部分， 其成形为引导光 进入波导 50。 0021 图 3 是根据本发明实施例的位于波导内的顶部。
17、发光式 LED 的顶视图。尽管具有圆 顶透镜的LED被示出， 但是可使用不具有圆顶透镜的装置。 安装在基座(图3中未示出)上 的圆顶 LED60 设置于靠近固态、 透明波导 50 的边缘 52 而形成的开口 54 中。开口 54 可以 足够大使得 LED60 的圆顶的边缘距离开口的边缘在 100 微米和 2.5 毫米之间， 这是为了使 LED60 容易放置于开口 54 中。波导 50 可以是例如丙烯酸类 ( 例如， PMMA)、 硬硅树脂、 模制 塑料、 聚碳酸酯或其它任意合适的材料。镜面薄膜 ( 未示出 ) 可以覆盖在波导 50 的底部。 该薄膜可以是例如从 3M 公司可获得的增强型镜面反射。
18、器 (ESR) 膜。 0022 开口 54 成形为引导光进入波导 50。在图 3 示出的装置中， 靠近波导 50 的边缘 52 的开口 54 的部分 58 是 V 形的， 而开口 54 离该边缘最远的部分 56 是弯曲的。入射到弯曲 边缘 56 的光 53 发射进入波导 50 中， 如示出的。入射到 V 形边缘 58 的光 51 折射向波导边 缘 52， 其中光被反射进入波导 50 中。也可以使用简单的圆形或稍微成形为椭圆形的开口 54。另外， 内耦合边缘 56 和 58 的边缘可以是波状的， 以使光的分布扩散于该波导中以实现 期望的均匀性同时减少 LED 的数量。 0023 图 4 是设置在。
19、根据本发明实施例的波导中的顶部发光式 LED 的横截面图。尽管示 出的是不具有圆顶透镜的LED， 也可以使用具有圆顶透镜的装置。 LED60包括安装于支座62 上的半导体 LED 结构 64。LED60 可以设置在波导 50 的开口 54 中， 使得支座 62 位于波导 50 的底面 55 的下方而半导体结构 64 位于波导 50 的底面 55 的上方。支座 62 的顶表面 63 可 以是反射性的。 0024 由于LED60是顶部发光式LED， 反射器66设置在LED60上方， 以将发射的光重新引 导入波导 50 中。反射器 66 可以包括在波导 50 的顶表面 57 下面突出的部分 68， 。
20、以将光引 导入波导 50 中， 如图 4 示出的。突起部分 68 可成形为避免使垂直于半导体结构 64 的顶表 面发射的光直接反射回可能吸收该光的半导体结构 64 中。对于突起部分 68 的一个合适的 形状是如图 4 示出的锥体。图 4 示出的椎体可以具有在 LED 圆顶的直径和开口 54 的尺寸 之间的尺寸。诸如弯曲或抛物线形状的其它形状也是可以的。反射器角度可以从例如 15 度到 60 度改变。反射器 66 可以由任意刚性材料制成， 诸如塑料， 并且可以涂布有反射性材 料， 诸如反射金属、 涂层、 涂料或二色性堆叠。可选择的， 反射器 66 可以由产生全内反射的 材料形成。 反射器66可以。
21、具有例如与开口54相同的横向宽度， 或稍微较大， 这样反射器66 的边缘可以搁置于波导 50 的顶部上。 0025 在诸如用于计算机监视器或电视机的大型背光中， 多个LED沿着波导50的边缘52 布置。 LED和开口的间距是所使用的LED数量和背光的线性尺寸的函数。 例如， 在传统的24 英寸背光中， 可使用 60 个 LED 以达成好的颜色均匀度。使用所述实施例， 相同的 24 英寸背 光的 LED 数量可以减少至 15 到 30 个 LED 而不用牺牲均匀度或增加框架 (bezel) 的长度。 0026 图 5 是部分波导的顶视图。两个 LED60 位于开口 54 内， 如图 3 示出的。。
22、开口 54 之间隔开的开口 70 不包含 LED。从 LED60 发出的光反射离开开口 70 的边缘， 使得开口 70 成为 “虚” 光源。在一些实施例中， 开口 70 的一个或多个边缘涂布有反射性材料。虚光源 说 明 书 CN 102378930 A CN 102378940 A4/4 页 6 可以放置在 LED 开口之间， 并且能够在宽度上从 LED 宽度延伸至高达 LED 之间空间的 3/4 处。在一些实施例中， 开口 70 填充了低折射率的材料， 诸如空气或低折射率的硅酮。与具 有相同数量的 LED 而没有空的开口 70 的背光对比的是， 包括开口 70 而在该开口中不具有 LED 可。
23、以改进背光的均匀度， 或与具有背光而没有空的开口 70 对比的是， 对于波导 50 中的 给定水平的光混合和光均匀度而言， 可以允许进一步隔开 LED60。在减少 LED 的数量时， 改 进的混合和均匀度可减少所需背光以及监视器边框高度， 并且因此可使其最小化或保持恒 定。 0027 图 6 是具有在 LED 的开口之间的波导边缘上形成的特征部分的波导的顶视图。在 图 6 的装置中， 代替图 5 中示出的空开口 70 或除该开口之外， 特征部分 72 形成在波导 50 的边缘 52 上。特征部分成形为使从 LED60 发出的光反射朝向邻近 LED 而进入波导 50 的主 体内。对于特征部分 7。
24、2 的合适形状的一个例子是在波导 50 的边缘 52 上的 V 形凹槽， 如图 6 示出的。在一些实施例中， 特征部分 72 是弯曲的。包括特征部分 72 的波导 50 的边缘 52 可以是反射性的， 例如通过在边缘上涂布反射性薄膜或将薄膜贴在边缘上。如图 6 示出的， 在其中设置了 LED60 的开口 54 无需如图 3 中所示的那样成形。在图 6 示出的装置中， 开口 54 是圆形的。其它形状也包含在本发明的范围内。V 形特征部分可以从靠近 LED 处开始并 且具有连续弯曲的形状。 0028 在一些实施例中， 在不同附图中示出的特征部分可以组合。例如， 如上所述， 可以 使用具有或不具有圆。
25、顶透镜的顶部发光式 LED。图 4 示出的顶部反射器可以使用在图 3、 5、 6 示出的装置中的开口上。可在各个实施例中使用具有不同形状的开口。图 8 示出了一些 变型。 除了或代替图6中示出的特征部分72， 波导50的边缘可以包括多个彼此临近设置的 特征部分， 使得该边缘被持续纹理化成如图8示出的有缺口的形状80。 可选择的， 边缘上的 多个特征部分可以彼此临近设置， 然后与边缘上的多个特征部分的下一组通过未经纹理化 边缘的部分分割开。相较于其中设置有实光源的开口 86， 虚光源 84 与波导 50 的边缘相隔 更靠近。多个虚光源 84 设置于靠近单个实光源 86。可针对虚光源和实光源而使用。
26、开口的 其它形状。 图8示出的开口82具有弯曲部分82a， 其向着开口的中心弯曲， 这与从开口中心 向外弯曲的弯曲部分 82b 相对。 0029 上述实施例可以用于 LCD 显示器的背光。在完成的显示器中， 薄散射膜可以贴在 波导 50 的顶表面上用于散射光。增亮膜 (BEF) 可以设置在散射膜上方以直接重新引导光 至波导 50 前面的一相对小的角度内， 从而增加在正面观察方向内的亮度。传统的彩色或单 色 LCD 然后设置在波导 50 上方。LCD 可以产生使用像素光闸 ( 例如， 结合 TFT 阵列的液晶 层 )、 偏光器和 RGB 滤色器的彩色图像。这样的 LCD 是已知的。上述实施例的其。
27、它应用包括 薄广告灯箱。 0030 已经详细描述了本发明， 本领域技术人员可以意识到， 在假设有本发明的情况下， 可以对本发明做出修改而不脱离这里概括描述的本发明的精神。因此， 不期望本发明的范 围受限于所说明的和描述的具体实施例。 说 明 书 CN 102378930 A CN 102378940 A1/3 页 7 图 1 现有技术 图 2 现有技术 说 明 书 附 图 CN 102378930 A CN 102378940 A2/3 页 8 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102378930 A CN 102378940 A3/3 页 9 图 6 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102378930 A 。