CN101569020A - 具有成形的波长转换器的发光装置 - Google Patents

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Abstract

所提出的是一种发光装置200，300，400，其包括半导体发光器件220，320，420以及透明陶瓷体230，330，430，该透明陶瓷体包括与半导体器件成光接收关系的波长转换材料。该发光装置的特征在于，明陶瓷体230，330，430的侧面233，333，433相对于其底面231，331，431成斜角234，334，434，这对于解锁陶瓷体230，330，430内部的波导模式是尤其有利的。因此，从发光装置200，300，400发射的总通量能够大大增加。或者，陶瓷体230，330，430的顶面232，332，432的亮度能够大大增强。

Description

具有成形的波长转换器的发光装置
技术领域
本发明涉及包括半导体发光器件和陶瓷波长转换体的发光装置。这种发光装置众所周知，并且其具体用作指示器、背光显示单元、汽车(头)灯以及通用发光设备的光源。
背景技术
从US2005/0269582了解到所提及类型的发光装置的实施例。该文档公开了一种半导体器件，其包括设置在n-型和p-型区之间、与陶瓷体结合的发光层，该陶瓷体设置在发光层发射的光路径中。该陶瓷体包括波长转换材料，如磷光体。通常，这些陶瓷材料基于钇铝石榴石(YAG)、钇铝硅氧氮(YSN)、硅铝氧氮(SiAlON)或者镏铝石榴石(LuAG)。本领域公知的是，通过使用上述陶瓷材料，III族氮化物LED所发射的“初级光”可以被转换成具有比初级光的峰值波长更长的“次级光”。可以选择波长转换材料以便获得次级光的特定峰值波长。而且，可以选择陶瓷体的尺寸和厚度和/或波长转换材料的浓度，使得所述装置发射的光是“初级”和“次级”光的混合体或者是基本仅由“次级”光构成。该方法的优势在于上述的发光陶瓷体很坚固，并显示对温度变化的低灵敏性。而且，这种发光陶瓷(几乎)没有散射，因此与磷光体层相比具有优良的转换效率。
由于缺乏散射物质，US2005/0269582中描述的透明发光陶瓷体是折射率(基本)大于1的体积发射器，这是相当大的缺陷，原因是发光陶瓷体所发射的初级光以及所产生的次级光可以从所述陶瓷体仅发射至从全部体表面延伸的逃逸锥内。换句话说，这些锥外的所有光以所谓的波导模式被锁定在陶瓷体内，该光不能在发光装置的应用中使用。这种不可行性对于étendue关键应用(critical application)(该应用中，陶瓷体的顶面的亮度是重要的)以及lumen关键应用(该应用中，陶瓷体所发射的总通量是重要的)而言是明显的缺点。现有技术的其它缺点是，透明发光陶瓷体所发射的大量光(对于矩形体高达80％)通过侧面发射，因此不能在étendue关键应用中使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种所提及类型的发光装置，其中从发光陶瓷体输出的光得到增强，该目的通过根据本发明权利要求1所限定的发光装置来实现。发光装置包括：半导体发光器件，该器件包括设置在n-型区和p-型区之间的发光层；透明陶瓷体，该透明陶瓷体包括定位成与半导体器件成光接收关系的波长转换材料，该陶瓷体还具有面朝半导体器件的底面，其特征在于该陶瓷体具有与所述底面成斜角的至少一个侧面，以便从所述陶瓷体解锁(unlock)波导模式。
本发明提供一种发光装置，其中通过应用斜侧面而使波导模式解锁。因此，陶瓷体能够发射先前被捕获在这些模式下的光，从而，从该陶瓷体输出的光能够比从没有斜侧面的陶瓷体输出的光高两倍多。而且，该设备的亮度能够以大约相同的因数增强。
在本发明的实施例中，斜角大于95°或小于85°。更佳的是，斜角大于100°或小于80°。
根据本发明的实施例，陶瓷体的至少一个斜侧面具有反射涂层，这对于更进一步增加通过顶面的通量以及增强顶面的亮度是有利的。
在根据本发明的发光装置的实施例中，在陶瓷体和反射涂层之间容纳有折射率小于陶瓷体的中间层。通过该中间层的应用，反射效率得到提高。
在本发明的实施例中，陶瓷体具有设置了微褶皱的顶面。微褶皱的应用增强了从陶瓷体顶面的光提取和/或顶面上的亮度。
在实施例中，陶瓷体具有设置用来包括光学功能的顶面。有利的是，实现了发光装置的特定于应用的辐射分布。
在实施例中，陶瓷体具有设置了反射涂层的顶面，该实施例在某些应用中(例如将光耦合入光导)能够有利地用作侧发射器。
根据实施例，在陶瓷体和顶面上的反射涂层之间容纳有折射率小于陶瓷体的中间层。
在实施例中，在底面和半导体发光器件之间容纳有折射率小于陶瓷体的中间层。同样这对于增强底面的反射效率是有利的。
参考以下描述的实施例，本发明的这些方面以及其它方面将是清楚明白的并得到阐明。
附图说明
本发明进一步的细节、特征和优势在下面的示例性优选实施例的描述及附图中得到揭示。
图1A和1B示出了现有技术公知的、包括半导体发光器件和陶瓷波长转换体的发光装置的两个示例。
图2示出了根据本发明的、包括半导体发光器件和具有斜侧面的陶瓷波长转换体的发光装置。
图3示出了根据本发明的发光装置，其中陶瓷波长转换体被应用于“远程荧光”结构。
图4示出了根据本发明的、包括半导体发光器件和具有经涂覆的斜侧面的陶瓷波长转换体的发光装置。
图5示出了针对远程荧光应用、作为斜角的函数的、根据本发明的陶瓷波长转换体的相对输出。
图6示出了针对通量关键应用、作为斜角的函数的、根据本发明的陶瓷波长转换体的相对输出和亮度。
图7示出了针对étendue关键应用、作为斜角的函数的、根据本发明的陶瓷波长转换体的相对输出和亮度。
图8示出了针对侧发射器应用、作为斜角的函数的、根据本发明的陶瓷波长转换体的相对输出。
具体实施方式
图1A和1B示出了从US2005/0269582了解到的包括半导体发光器件52和陶瓷波长转换体54，50a，50b的发光装置的两个实例。在图1A中，陶瓷波长转换体54被成形形成圆顶形透镜。在图1B中，第二陶瓷波长转换体50b被成形形成菲涅耳透镜并置于第一矩形陶瓷波长转换体50a之上。现有技术中的陶瓷体54，50b的透镜形状应避免在高折射率陶瓷体和低折射率空气之间界面处的全内反射(TIR)。通过将透镜54成形形成曲率半径远大于发光器件52来避免(或至少最小化)TIR。然而，很显然，即使在陶瓷波长转换体50a，50b，54的成形表面处，图1的两个实施例中仍然发生TIR，并且因此将光锁定(lock)在波导模式。而且，由于曲率半径需求，陶瓷体50a，50b，54远大于半导体器件52，从而减小了发光装置的亮度。此外，大量的光(高达80％)通过陶瓷体50a，50b，54的侧面发射，因此对于在étendue关键应用中使用发光装置来说，损失了大量光。
图2示意性描述了本发明的实施例，其中示出了发光装置200，该装置包括半导体发光器件220和陶瓷波长转换体230。半导体器件220具有设置于n-型区和p-型区之间的发光层221。陶瓷体230具有底面231，该底面面朝半导体器件220并基本与发光层221平行定向。此外，陶瓷体230具有顶面232以及与底面231成斜角234的一个或多个侧面233，以便增强从陶瓷体输出的光。斜角234可以是锐角(＜90°)或钝角(＞90°)。
发光层221所发射的“初级”光240在陶瓷波长转换体230内部的点241处被接收并(至少部分)被吸收。“次级”光242从点241在4π的立体角上被辐射。由于陶瓷体230的折射率大于1，“初级”光240和“次级”光242由于全内反射而都被捕获到陶瓷体内，除非它们在逃逸锥(escape cone)内。尤其是对于透明体230，即其不包含散射中心如气孔或孔穴，被捕获到波导模式中的光量是相当大的。通过对与底面231成斜角234的陶瓷体230的侧面233进行成形，通常被捕获的光能够从陶瓷体逃逸。
尽管图2中陶瓷波长转换体230实质邻近于半导体发光器件220，应理解这对于本发明不是必需的。此外，平行于发光层221的底面231对于本发明也不是必需的。在本发明的实施例中(见图3)，陶瓷体330被置于离半导体器件320一段距离处，尽管与该器件成光接收关系。这样的实施例被称为“远程荧光”或“远程磷光”。半导体器件320所发射的光直接和/或通过现有技术中公知的任何适当的光学系统360被定向到朝向陶瓷波长转换体330的“底”面331。发光装置300可以被有利地用在诸如通用照明器、隐藏式发光体以及甚至用于显示的背光单元等应用中。此外，所述装置300可以被组装，使得侧面333在光学系统360的“内部”(见图3)或“外部”。在后面的情况下，从侧面333发射的光能够被有利地用在适当的发光应用中。
通过执行本发明，所述装置200，300的光输出的增加是相当可观的。例如，考虑一个尺寸为1×1×0.1mm3的理想化矩形透明陶瓷波长转换体230，330，其折射率为1.8(类似于YAG)，被表1中的空气(n＝1)-几何形状包围。表1中描述了陶瓷体230，330的几何形状对通过顶面、侧面和底面的光通量和亮度的影响。此外，还考虑了波导模式(WGM)下，底面或侧面的光损失(即不能被应用的光)。几何形状1表示远程荧光实施例，假定陶瓷波长转换体230，330的体积内产生的光总量为100％，使用射线跟踪计算，可以看出，锁定在波导模式内的光量大约为48％。由于矩形体230，330的每一侧发射等量的光，可以很容易地辨别8％的光从顶面232，332发射，而四个侧面233，333发射31％的光。与特征是从每个表面等通量发射的透明体相反，均质半透明体的特征是每个表面的亮度相等。此外假定在实际的环境中，通过底面231发射的光不能被使用，则不能被应用的总通量为57％(49％+8％)。
在几何形状2中，陶瓷体230被模制成具有反射底面231，其反射系数为80％。该几何形状表示邻近半导体器件220放置的矩形陶瓷波长转换体230。尽管该几何形状涉及现有技术的实施例，为方便读者，还是参考图2的编号元件。在几何形状2中，由于发生在延长的矩形体1×1×0.1mm3的底面231处的80％的反射量，因此先前锁定在波导模式下的光在该底面231处基本被吸收，在反射后，此时仅先前从底面231发射的部分光能够从顶面232或侧面233发射。在陶瓷体230内产生的总的60％的光在照明应用中不能被使用。
在远程荧光实施例的情况下，其中侧面233成形在与陶瓷体230的底面231成斜角234(该例中为135°)处(几何形状3)，从陶瓷体发射的总通量被大大增强。通过经由陶瓷体230的顶面232解锁波导模式，实现了最大的改进(与几何形状1相比)。再次假定通过底面的通量是不可用的，在照明应用中可用的总通量从所产生的光的39％(顶面8％+侧面31％)增加到88％(29％+59％)。该几何形状尤其适合于1umen关键应用，这些典型地应用可满足以相对其光轴的大角度接收的光的次级光学器件。
表1对于不同几何形状的陶瓷波长转换体的通量平衡
Figure A20078004760400091
在邻近半导体发光器件220处建模斜成形的陶瓷体230，如表1的几何形状4，可以看出，先前在波导模式下捕获的光此时能够被有利地用于增强顶面232的光输出。与几何形状2相比，从陶瓷体230所发射的总通量从39％(顶面14％+侧面25％)增加到66％(33％+33％)。而且，由于较大的顶面面积(在计算中，底面231总是固定在1×1mm2。)，在通过顶面232的通量大于两倍时，顶面的亮度被增强两倍。
为了更进一步增强顶面232的亮度，将反射性涂层施加于陶瓷体230的斜侧面233是有利的，如几何形状5中。反射性涂层可以是银、铝或现有技术中公知的任何其它高反射性涂层。假定侧面涂层的反射率是80％，则顶面232亮度与几何形状2相比增加两倍。该几何形状尤其适合于étendue关键应用。
在本发明的实施例中，有利地应用了侧面433和反射涂层452之间的低折射率层451(即nlayer＜ncer.body)，在这种情况下，来自侧面433的逃逸锥外部的光将通过TIR以100％的效率被反射。逃逸锥内部的光将被反射涂层452反射，在实际环境中，其效率总是较低。相反，将反射涂层452施加在与侧面433直接光接触处将减小总反射效率，因为此时逃逸锥外部的光也被低效率地反射。因此，应用低折射率层451更进一步增强了顶面432发射的通量及其亮度(表1中的几何形状6)。
在另一实施例中，使顶面232，332，432微带褶皱是有利的，其增强了从顶面的光提取和/或顶面的亮度。这种微褶皱能够例如通过顶面232，332，432的刻蚀来产生。
在又一实施例中，顶面232，332，432的亮度通过使该表面显著起褶(例如通过将顶面成形为菲涅耳透镜以便包括光学功能)而得到增强。该实施例还有利地实现了发光装置200，300，400的特定于应用的辐射分布。
对于某些应用而言，将发射自陶瓷体230的光仅限制到侧面233是有利的，如在几何形状7中。这种应用的实例是将发光装置200用作侧发射器以便将光耦合到光导内。在这种情况下，陶瓷体230的顶面232可以设置有反射性涂层452(有或没有中间的低折射率层451)。
应注意到针对45°斜角获得了与表1中类似的结果，在该情况下，陶瓷体230的顶面232小于底面231。
在本发明的实施例中，陶瓷波长转换体230，430邻近半导体器件220，420如Philips Lumileds“Saber”放置，这些是所谓的基于InGaN的“倒装片”式LED，使用例如激光剥离技术从该LED中除去蓝宝石衬底，这是尤其有利的，因为除去“中间的”蓝宝石衬底将使陶瓷体230，430更加靠近发光层221，421。而且，蓝宝石衬底的缺失消除了陶瓷体230，430内产生的光的损失路径，该损失路径原本由通过底面231，431射入到蓝宝石衬底中并通过衬底的侧面而失去的光形成。
转向图5，在远程荧光应用中，来自陶瓷体330的光发射被显示为斜角334的函数。在斜角334为90°时，陶瓷体330为底面331和顶面332尺寸相等的矩形。在斜角334＜90°时，底面331大于顶面332。对于角度＞90°时，其相反情形是正确的。可以看出，应用斜角334＜90°或者＞90°是有利的，其增强了底面通量531、顶面通量532、侧面通量533以及总通量530。有利的是斜角334＜85°或＞95°，斜角334＜80°或＞100°更好。
图6显示了针对通量关键应用、作为斜角234的函数的根据本发明的陶瓷波长转换体230的相对通量输出和亮度。斜角234＜90°或＞90°改善了所发射的总通量630、顶面通量632、侧面通量633。尤其斜角234＞95°或者更好是＞100°被更有利地应用于通量关键应用。然而，对于斜角234＜85°或更好是＜80°，顶面亮度635(Cd/mm2)得到有利的改善。
图7示出了针对étendue关键应用、作为斜角434的函数的、根据本发明的陶瓷波长转换体430的相对输出和亮度。由于所有侧面433都涂有反射性涂层，光只能通过顶面432发射。对于斜角434＜90°和＞90°，更好是角度＜85°和＞95°，顶面通量732和顶面亮度735两者都得到了改善。对于斜角＜90°，顶面432具有较小的面积。因此，对于斜角434＜70°，亮度735得到有利地增强。
图8示出了针对侧发射器应用、作为斜角的函数的、根据本发明的陶瓷波长转换体的相对输出。从图中可以看出，对于斜角＜90°和＞90°，从侧·面发射的通量833得到有利地改善。
改变陶瓷体230，330，430和周围介质之间的折射率差基本不会影响所发射的通量530，532，630，632，732或顶面亮度635，735对斜角234，334，434的依赖性。然而，对于较低的折射率差，通量级随着通量的增加而受到影响。
尽管参考上述实施例对本发明进行了描述，很显然，其它实施例可以选择用于实现同样的目的。因此，本发明的范围不受限于上述实施例，而是还可以应用于例如汽车前方照明系统或显示投影系统等期望有特定光辐射模式的任何其它应用设备。

Claims (10)

1.一种发光装置(200，300，400)，包括：
-半导体发光器件(220，320，420)，其包括设置在n-型区和p-型区之间的发光层(221，321，421)，
-透明陶瓷体(230，330，430)，其包括定位成与所述半导体发光器件成光接收关系的波长转换材料，
-所述陶瓷体还具有面朝所述半导体发光器件(220，320，420)的底面(231，331，431)，
其特征在于，所述陶瓷体具有与所述底面成斜角(234，334，434)的至少一个侧面(233，333，433)。
2.根据权利要求1的发光装置，其中所述斜角(234，334，434)大于95°或者小于85°。
3.根据权利要求2的发光装置，其中所述斜角(234，334，434)大于100°或者小于80°。
4.根据权利要求1至3中任一项的发光装置，其中所述陶瓷体(230，330，430)的至少一个斜侧面(233，333，433)具有反射性涂层(452)。
5.根据权利要求4的发光装置，其中在所述陶瓷体(230，330，430)和反射性涂层(452)之间容纳有折射率低于所述陶瓷体的中间层(451)。
6.根据权利要求1至5中任一项的发光装置，其中所述陶瓷体(230，330，430)具有设置有微褶皱的顶面(232，332，432)。
7.根据权利要求1至5中任一项的发光装置，其中所述陶瓷体(230，330，430)具有提供来包括光学功能的顶面(232，332，432)。
8.根据权利要求1至3中任一项的发光装置，其中所述陶瓷体(230，330，430)具有提供有反射性涂层(452)的顶面(232，332，432)。
9.根据权利要求6的发光装置，其中在所述陶瓷体(230，330，430)和反射性涂层(452)之间容纳有折射率低于所述陶瓷体的中间层(451)。
10.根据前述任一项权利要求的发光装置，其中在所述底面(231，331，431)和半导体发光器件(220，320，420)之间容纳有折射率低于所述陶瓷体(230，330，430)的中间层(451)。
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