专利名称：偏振的led的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态光源。本发明还涉及利用半导体带隙结构产生光的光源，尤其是发光二极管(LED)。
背景技术：
LED是光源的理想选择，部分是由于它们的相对较小的尺寸、低的功率/电流要求、高的速度、长的寿命、结实的封装、各种可用的输出波长以及与现代电路板的兼容性。这些特性可以帮助解释在过去的几十年中LED在多种不同终端应用中的广泛使用。在效率、亮度和输出波长的这些方面继续对LED进行改进，从而进一步扩大了其潜在的终端应用的领域。
发明内容
本申请公开利用至少一个LED管芯的光源。该管芯具有至少一个发光表面，并且产生第一偏振态和第二偏振态的光。公开了优先将给定偏振态的光从LED管芯发光表面耦合出来的光源结构。还公开优先将给定偏振态的光反射回到LED管芯中的光源结构。在一些情况中，将双折射材料设置成与LED管芯的发光表面光学接触。在一些情况中，将诸如反射偏振器之类的反射装置设置在LED管芯的发光表面上。还公开了在LED管芯内回收利用光、以及偏振转换机构，以提高LED封装对选择的偏振态的光输出和亮度。
根据下面的详细描述，本发明的这些和其它的方面将显而易见。然而，以上概述不应该解释为对要求保护的主题的限制，该主题仅仅由附属权利要求限定，在申请的过程中，可以对所述附属权利要求进行修改。
在整个说明书中参照附图，在附图中，相同的标号表示相同的元件，其中图1是偏振的LED封装的一部分的局部示意横截面图；图2是另一偏振的LED封装的一部分的局部示意横截面图；以及图3至图7是又一偏振的LED封装的示意横截面图。
具体实施例方式
一些新兴LED应用涉及其中在光路的某一点上光必须被偏振的系统。因为包括LED的大多数光源发射基本上非偏振的光，所以通常需要插入单独的偏振装置。在一些系统中，偏振器仅仅透射一种偏振态(最多约为光源输出的一半)，并且吸收、散射或者用其它方式阻挡另一偏振态。在这些系统中，浪费了一半以上的光源光输出。在其它系统中，光源照明单独的延伸的腔，并且，偏振器布置在腔的一侧上，以不仅透射原入射光的一种偏振态，而且反射另一偏振态。该腔通过将一种偏振态反射和转换成另一种偏振态来进行回收利用，使得该系统利用约一半以上的光源输出。
对于系统设计者来说，希望可得到紧凑封装的LED光源，该光源有效地发射偏振光，而无需与封装LED分开的光学腔。
在图1中，LED封装10的一部分包括安装在管座或者其它底座(未示出)上的LED管芯12。为了简单起见，管芯12大致地示出，但是，读者将理解，该管芯可以包括本领域所知的常规的设计特征。例如，LED管芯12可以包括不同的p掺杂半导体层和n掺杂半导体层、基底层、缓冲层和覆盖层。主发光表面12a和底表面12b示出为平坦的且平行的，但是也可以是其它的构造。LED管芯的侧表面(图1中未示出)可以是平坦的，并且与顶表面12a和底表面12b垂直，以提供其横截面为简单矩形的管芯，但是其它已知的构造也是可以的，例如，形成倒截顶棱锥形状的倾斜侧表面。为了简单起见，与LED管芯的电触点也没有示出，但是如所知的那样，它们可以设置在管芯的任意表面上。在示例性实施例中，管芯具有两个触点，和“倒装芯片”LED管芯设计的情况一样，这两个触点都设置在管芯的底表面12b上。而且，管芯12所连接的底座可以充当支撑基底、电触点、吸热器和/或反射杯。
LED封装10还包括光学层14，该光学层14具有与LED管芯的发光表面12a光学接触的输入表面14a。在这点上，“光学接触”是指表面充分地相互靠近(包括但不限于直接的物理接触)，使得光学层14的折射率性质控制或者影响在LED管芯内传播的至少一些光的全内反射。重要的是，光学层14由双折射材料构成，从而它在管芯的发光表面12a上可以至少部分分离两种不同的偏振态的光。参照所示的x-y-z坐标系，光学层14可以具有例如对沿x方向偏振的光的折射率nx和对沿y方向偏振的光的折射率ny，nx和ny的差别很大。如果ndie是指LED管芯(或者与发光表面12a直接相邻的LED管芯部分)的折射率，则在示例性实施例中，例如，ndie-ny的值尽可能小，而ndie-nx的值尽可能大。这个条件通常，但不总是，意味着ndie＞ny＞nx，因为ndie通常高于最合适的双折射光学材料的折射率。在图1中由LED管芯12中的局部光源16所发射的光线举例说明了这个条件ndie＞ny＞nx。定域源表示在LED结的有源区内的无限小的体积，并且它发射全偏振的光。关于选择的x-y-z参照系，源16既发射p线性偏振光又发射s线性偏振光，其中，p偏振光的电场矢量与x-z平面平行，如在各个光线上横向的双向箭头17所示，s偏振光的电场矢量与y-z平面平行，如各个光线上的点19所示。对s偏振和p偏振而言，沿与发光表面12a垂直(即，正交)的方向发射的光线18a未经反射地进入光学层14中。沿相对表面法线的角度θ1方向发射的另一光线18b在发光表面12a上经历双折射，s偏振分量以大于θ1但小于s偏振分量的折射角的折射角透射进入光学层14中。另一光线18c沿相对表面法线的角度θ2方向发射，其中θ2大于p偏振光的临界角sin-1(nx/ndie)但小于s偏振光的临界角sin-1(ny/ndie)，从而p偏振分量全内反射回到LED管芯2中，但是，s偏振分量通过界面并透射进入光学层14中。
读者从前述将会认识到，与p偏振光相比，从LED管芯中耦合出的源16发射的s偏振光更多，因为更大角度的s偏振光楔透射进入光学层14中。因此，与其电场矢量与双折射材料的低折射率x方向平行的光相比较，光学层14具有从LED管芯优先提取其电场矢量与(在这种情况下)双折射材料的高折射率y方向平行的光的作用。如果还考虑各种光线在不同材料之间的界面上的菲涅耳反射，该结果不会改变。如果光学层14的双折射材料是圆形双折射或者椭圆形双折射的(如例如在胆甾型材料中出现的那样)，而不是线性双折射材料，也可以得到相似的结论。在这种情况下，与较高折射率相关的圆偏振态或者椭圆偏振态优先从LED管芯提取。更普遍地说，与离ndie最接近的双折射材料的折射率相关的偏振态优先从LED管芯提取，并且，与离ndie最远的双折射材料的折射率相关的偏振态优先反射回到LED管芯中。
当LED管芯具有足够低的损耗和足够高的表面反射率以支持在LED管芯中大量回收利用光时，可以放大从管芯中优先提取的一种偏振态。如下所述，与一个或者多个LED表面耦合的偏振转换装置也可以提高总效率。
为了最大限度地分离两种偏振态，光学层14的双折射率应尽可能大，优选为至少0.1或者甚至约0.2，或更大。合适的双折射材料包括单轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯、单轴取向的聚萘二甲酸乙二醇酯、方解石和取向的液晶和液晶聚合物。可以通过用毡、磨料或者其它材料在一个方向上摩擦发光表面12a，然后用液晶或液晶聚合物涂布管芯表面，来使液晶和液晶聚合物取向。或者，可以用诸如聚乙烯醇或者其它材料之类的取向层涂布管芯，然后，摩擦和用液晶材料涂布取向层。因为取向层通常具有相对比较低的折射率，所以对该应用来说可能有益的是，取向涂层是光学薄的，即小于大约真空中的LED发射波长。也可以通过用合适的光敏材料的薄层涂布管芯并将该涂层暴露于偏振的紫外光下来制造取向层。合适的方法在美国专利6,610,462(Chien等人)中有所描述。合适的液晶材料包括向列相和胆甾型材料。
关于线性双折射材料，有益的是，将最小偏振轴和最大偏振轴(分别是双折射材料的折射率沿其为最小值和最大值的轴)布置在与LED发光表面1 2a平行的平面内。也可以形成其它方向的偏振轴，以将一种偏振态从LED管芯中选择性地耦合出，但是可能会降低偏振效率或者光输出的偏振度。
光学层14可以采用多种物理形式。它可以是或者包括物理薄的(但是光学厚的，至少在光波长的十分之一、一半或者甚至一个波长的数量级上)的材料层。它可以形成在LED发光表面上的合适位置上(例如施加在LED上并随后固化的液体树脂)，或者作为独立式膜、模制元件、成形元件等单独形成，并随后与发光表面光学接触。该光学层可以具有简单平坦的平行的输入和输出主表面，或者，输出表面可以是曲面的，以提供聚焦或者准直。它的输入表面相对于LED发光表面可以是超尺寸、匹配的或欠尺寸的。它可以具有简单的或者复合的锥形元件的形状，或者，可以包含在多个锥形元件中，如2004年10月29日提交的名称为“High Brightness LED Package WithCompound Optical Element(s)”的共同转让的美国专利申请10/977225(代理机构编号为60218US002)和2004年10月29日提交的名称为“High Brightness LED Package With Multiple OpticalElements”的共同转让的美国专利申请10/977248(代理机构编号为60219US002)所述。它可以是构成工件的唯一的层或者多个层中的一个层，该工件稍后通过精确图案化的磨料成形为多个光学元件，如2004年10月29日提交的名称为“Process For ManufacturingOptical and Semiconductor Elements” 的共同转让的美国专利申请10/977239(代理机构编号为60203US002)和2004年10月29日提交的名称为“A Process For Manufacturing A Light EmittingArray”的共同转让的美国专利申请10/977240(代理机构编号为60204US002)中详细所述。
图2示出另一偏振的LED封装20，其中，简单的双折射光学层14已经被反射偏振器22替代。反射偏振器22可以与LED发光表面12a光学接触。或者，可以在反射偏振器22和发光表面12a之间设置另一个层。这种其它层的折射率优选小于LED管芯12(或者LED管芯12的接近表面12a的那一部分)的折射率。与LED管芯12一样，反射偏振器22大致示出，但是应当包括具有诸如多层光学堆之类的多层部件的偏振器(一个例子是由美国明尼苏达州St.Paul市的3M出售的双重增亮膜(DBEF))，或者存在于已知的线栅偏振器中的多个单独的导电带。合适的线栅偏振器在美国专利6,243,199(Hansen等人)和美国专利6,785,050(Lines等人)中有所描述。可任选地，线栅偏振器也可以被保护涂层覆盖。合适的保护涂层包括陶瓷、玻璃和聚合物。对于垂直入射光和斜入射光二者而言，反射偏振器22透射第一偏振态，不仅阻挡而且反射与第一偏振态正交的第二偏振态(在这点上，关于偏振态所用的“正交”，不应当局限于相差90度的线性偏振态，而且包括其它数学上独立的偏振态，例如，左圆偏振态与右圆偏振态。)。如果在LED管芯中的吸收和散射损耗低，则在LED管芯中循环的光可以使得第二偏振态的一些光转换为第一偏振态。
可以通过将偏振转换层(例如四分之一波片)施加到LED管芯的至少一个表面上来促进这种转换。在图2中，偏振转换层24可以包括这种四分之一波片。合适的四分之一波片可以由例如蓝宝石、石英、铌酸锂和方解石构成。因此，对于横过层24的厚度的光线，一种偏振态相对于另一种偏振态延迟光波长的约四分之一或者更高量级，即，约0.25λ或者1.25λ、2.25λ等。层24也可以设置在LED管芯的其它外表面上，例如管芯的侧表面和发光表面上。作为使用四分之一波片将一种偏振态转换为另一种偏振态的另一可选方法，LED可以使管芯的底表面12b或者其它表面变粗糙，以在从散射表面上反射时提供一些偏振转换。合适的散射表面包括研磨的、粗糙的或者蚀刻的表面。在图2中还设置了高反射性层26。层26对所有的偏振态都具有例如通过金属涂层或者多层干涉反射镜堆提供的高反射率。如图2所示，向管芯的底表面12b传播的第二偏振态的光穿过偏振转换层24两次，并且被反射层26反射，从而被转换为第一偏振态的光线，然后，可以从发光表面12a射出。在LED发光表面上反射不需要的偏振态的光、在LED管芯中回收利用光、以及将至少一些不需要的偏振态的光转换为所需的偏振态的组合，不仅提高了所需偏振态(第一偏振态)的光的光输出，而且提高了LED封装的亮度。
偏振转换层24和高反射性层26分别可以同样施加到图1的LED封装10中。
如上所述，合适的反射偏振器22包括，但不限于，多层双折射偏振器、胆甾型反射偏振器和线栅偏振器。例如，参见美国专利5,882,774(Jonza等人)的“Optical Film”和PCT公开WO 01/18570(Hansen等人)的“Improved Wire-Grid Polarizing BeamSplitter”。线栅偏振器可以具有可用于LED管芯的电触点的额外优点。
现在转到图3，LED封装30包括连接在管座或底座34的LED管芯32。LED管芯32与LED管芯12相似，并且具有前发光表面32a、底表面32b和侧表面32c。侧表面32为倾斜的，但是这不是必要的，其它的侧表面构造也是可以的。LED封装30还包括反射偏振器36，该反射偏振器36将第一偏振态光透射进到外部环境，并且优先将正交的第二偏振态光反射回到LED管芯32中。在图3的实施例中，以四分之一波片38的形式的偏振转换层设置在反射偏振器和LED发光表面32a之间。
图4示出通过如下方式制造的另一种LED封装40，即添加透明的光学元件42以包围和密封图3中管座34上面的LED管芯和其它层。光学元件可以通过减少在反射偏振器的顶表面或者主暴露表面上的反射来提高LED封装的光输出。可以使用树脂或者其它液相材料并固化树脂或者用其它方式使该材料硬化以在高度透明的低散射介质中提供刚性和保护，来形成光学元件42。在这种情况下，光学元件通常具有基本上各向同性的折射率。在示例性实施例中，元件42的折射率可以为约1.4至约2。在可选的但相关的实施例中，用简单的双折射材料层替代反射偏振器36，元件42的折射率优选基本上等于双折射材料的非常折射率。
上述的双折射层和/或反射偏振器也可以包含在利用锥形光学元件的实施例中，这种锥形元件能够捕获更宽角度的发射光楔，并且使这种光(至少部分地)准直成更窄角度的光楔。
例如，图5示出LED封装50，其中，锥形光学元件52与LED管芯12的发光表面12a光学接触。LED管芯的侧表面12c与LED管芯顶表面和LED管芯底表面垂直，但是它们也可以是倾斜的或者具有已知的其它构造。光学元件52具有相对于LED发光表面12a超尺寸的输入表面52a，和通向输出表面52b的反射性锥形侧表面52c。元件52可以由高度双折射材料构成，并且具有基本上整体的结构。例如，元件52可以全部由方解石构成。或者，元件52可以具有两部分结构(参见划分线53)，其中，输入部分包括由双折射材料层或者反射偏振器构成的输入表面52a，输出部分包括由常规的透明光学玻璃、陶瓷、塑料或者其它材料构成的输出表面52b。该光学元件还可以通过常规的方式结合到至少LED的发光表面上，或者可以保持在合适的位置上而没有机械地结合在LED的发光表面上，以便分离这两个部件之间的机械力(例如应力)。在这点上，参阅2004年10月29日提交的名称为“LED Package With Non-Bonded Optical Element”的共同转让的美国专利申请10/977249(代理机构编号60216US002)。该光学元件还可以与吸热器热耦合，以有助于从LED管芯的发光表面提出热，如2004年10月29日提交的名称为“LED Package With FrontSurface Heat Extractor”的共同转让的美国专利申请10/977241(代理机构编号60296US002)所述。
图6和图7示出包括锥形元件的另一些实施例。图6的LED封装60采用其输入表面62a小于LED管芯的发光表面12a的锥形光学元件62。其中，LED发光表面被图案化低折射率层(例如间隙)包围，这种布置的好处在2004年10月29日提交的名称为“High BrightnessLED Package”的共同转让的美国专利申请10/977577(代理机构编号60217US002)中有进一步的描述。元件62可以由高度双折射性材料构成，并且具有基本上整体的结构。例如，元件62可以全部由方解石构成。或者，元件62可以具有两部分结构(参见划分线63)，其中，输入部分包括由双折射材料层或者反射偏振器构成的输入表面62a，输出部分包括由常规透明的光学玻璃、陶瓷、塑料或者其它材料构成的输出表面62b。在这点上，参阅2004年10月29日提交的名称为“High Brightness LED Package With Compound OpticalElement(s)”的共同转让的美国专利申请10/977225(代理机构编号60218US002)。
在图7中，LED封装70包括在管座34上的LED管芯74。该封装还包括与管芯的发光表面74a光学接触的锥形光学元件72。锥形光学元件72具有下部分和上部分(参见划分线73)，其中，下部分包括具有多个输入表面72a1、72a2、72a3的多个较小锥形元件，上部分包括输出表面72b。较小的锥形元件限定其间的间隙76。参阅2004年10月29日提交的名称为“High Brightness LED Package WithMultiple Optical Elements”的共同转让的美国专利申请10/977248(代理机构编号60219US002)。反射侧表面72c反射输入表面72a1、72a2、72a3和输出表面72b之间的一些光。元件72可以由高度双折射性材料构成，并且具有基本上整体的结构。例如，元件72可以全部由方解石构成。或者，元件72可以具有两部分结构，其中，下面部分的较小的锥形元件由双折射材料或者反射偏振器构成，上面部分由常规的透明光学玻璃、陶瓷、塑料或者其它材料构成。
所选的术语词汇表“亮度”每单位面积和每单位立体角(球面度)的发射体或其一部分的光输出。
“发光二极管”或者“LED”发射可见光、紫外光或者红外光的二极管。本文所用的术语包括作为“LED”市售的非相干的(且通常不贵的)被环氧树脂密封的半导体器件，无论是常规类的还是超光类的。
“LED管芯”处于其最基本形式的LED，即，处于由半导体晶片加工工艺制造的单个部件或者芯片的形式的LED。该部件或者芯片可以包括适用于施加功率以向装置供应能量的电触点。该部件或者芯片的单个层或者其它功能元件通常以晶片级形成，最后，将成品的晶片切割成单个零件，以产生多个LED管芯。
对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，对本发明的各种修改和替换将显而易见。应该理解，本发明不局限于本文所述的示例性实施例。
权利要求
1.一种光源，包括LED管芯，其产生第一偏振态和第二偏振态的光，该管芯具有发光表面；双折射材料，其与所述LED管芯耦合，使得所述第一偏振态的光优先被从所述发光表面耦合出来。
2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述双折射材料的输入表面与所述LED管芯的所述发光表面光学接触。
3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述双折射材料对所述第一偏振态的光和所述第二偏振态的光的折射率失配量为至少约0.05。
4.一种光源，包括LED管芯，其产生第一偏振态和第二偏振态的光，该管芯具有发光表面；以及反射装置，其与所述LED管芯耦合，用于优先将所述第二偏振态的光反射回到所述LED管芯中。
5.根据权利要求1或者4所述的光源，所述光源还包括与所述LED管芯耦合的偏振转换层。
6.根据权利要求5所述的光源，其中，所述偏振转换层包括波片。
7.根据权利要求5所述的光源，其中，所述偏振转换层包括散射表面。
8.根据权利要求4所述的光源，其中，所述反射装置包括位于所述发光表面附近的由双折射材料构成的主体。
9.根据权利要求8所述的光源，其中，所述主体具有位于所述发光表面附近的输入表面，并且还具有输出表面、以及位于所述输入表面和所述输出表面之间的至少一个反射侧表面。
10.根据权利要求8所述的光源，其中，所述双折射材料包括方解石。
11.根据权利要求4所述的光源，其中，所述反射装置包括位于所述发光表面附近的反射偏振器。
12.根据权利要求11所述的光源，其中，所述反射偏振器包括线栅。
13.根据权利要求11所述的光源，其中，所述反射偏振器包括多层光学膜。
14.根据权利要求11所述的光源，其中，所述反射偏振器包括胆甾型材料。
全文摘要
本发明公开一种固态光源，其包括产生两种偏振态的光的LED管芯。在LED管芯的发光表面上或者其附近设置有介质，该介质优先将一种偏振态的光反射回到LED管芯中，并且优先使另一种偏振态的光从LED管芯透射出，从而提供其光输出至少部分偏振的固态光源。在LED管芯中回收利用光和偏振转换机构一起，可以提高偏振输出的效率和亮度。
文档编号H01L33/54GK101088175SQ200580044765
公开日2007年12月12日 申请日期2005年9月23日 优先权日2004年10月29日
发明者约翰·A·惠特利, 凯瑟琳·A·莱瑟达尔, 安德鲁·J·欧德科克 申请人:3M创新有限公司