[发明专利]由高折射率玻璃组成的LED提取器

说明书

技术领域

本发明整体涉及发光二极管(LED)，具体地讲涉及用于提取LED晶粒中产生的光的光学部件或元件。

背景技术

LED是理想的光源，这在一定程度上是因为它们具有相对较小的尺寸、较低的功率/电流要求、快速的响应时间、较长的使用寿命、牢固的封装、多种可选的输出波长并兼容现代电路结构。这些特性有助于解释过去数十年中，它们得以广泛应用于多种不同的最终应用场合的原因。对LED的功效、亮度和输出波长方面的改进一直在持续进行，这进一步扩大了潜在的最终应用范围。

LED通常以封装形式销售，封装中包括安装在金属接头上的LED晶粒或芯片。所述接头可配有反射杯，杯中装配LED晶粒，电引线连接到LED晶粒。某些封装也包括模制的透明树脂，形成胶囊包封LED晶粒。胶囊包封树脂可以具有在局部使晶粒射出的光保持平行的标称的半球形前表面，或者具有标称的平坦表面。除树脂外，其它材料也已经被建议作为胶囊包封本体，本文称之为封壳。例如，美国专利3,596,136(费希尔(Fischer))讨论了具有圆顶盖的LED，这些LED由某些玻璃制成；这些玻璃包含19重量％到41重量％的砷、10重量％到25重量％的溴，以及28重量％到50重量％的硫或65重量％到70重量％的硒。费希尔报告了至少一种折射率为约2.4的黄色玻璃，另一种折射率在2.5和2.7之间的红色玻璃，以及又一种折射率为约2.9的黑色玻璃。

利用单独制造的光学元件，使其接触或靠近LED晶粒的表面，以耦合或“提取”该表面处的光和减少被限制在晶粒内的光的量也是已知的。本文将这种元件称为提取器。提取器的输入面通常具有特定尺寸和形状，以和LED晶粒的发射表面大体配合。

LED在形成LED晶粒的高折射率半导体材料内产生光。如果晶粒浸在空气中，半导体和空气之间大的折射率失配将导致在晶粒内传播的许多光在晶粒/空气界面被全内反射。只有以与此界面相连的相对狭窄的逸出锥内的角度传播的光可以折射进入空气并逸出晶粒。逸出锥的半角是熟知的此界面的临界角。因此，晶粒产生的许多光被浪费，从而LED可达到的亮度受到损失。

封壳和提取器均可用于减少被浪费的光的量并且提高亮度。它们通过在LED晶粒的表面提供透光性材料来完成，此材料的折射率n比空气折射率更加接近晶粒的折射率，减少了所述界面的折射率失配并且增大了逸出锥的跨度。n越接近晶粒的折射率，晶粒内被浪费的光就更少，LED就可以达到更高的亮度。

从实际应用的角度来看，传统的封壳就这一点而言取得的成功是有限的。封壳几乎完全围绕晶粒，并且由于这种状况和由晶粒产生的热带来的温度剧变，封壳的选择不仅要考虑其折射率特性，而且还要考虑其热和机械特性，以避免晶粒在多次温度循环中受到损坏，并且使其能够在暴露于晶粒发射的高通量时，不发生泛黄或其它形式的劣化。因此，大多数封装的LED使用的是折射率n仅为约1.4至1.6的专用环氧树脂。这些值大大高于空气折射率(n＝1)，但比大多数LED晶粒的折射率(n≈2.3或更高)低很多。因而，仍有空间进行实质性改进。

当前，提取器在LED中的使用不如封壳广泛，可能是由于首先制造提取器，然后将其定位在LED晶粒上需要附加的制造步骤，还会带来相关的花费和复杂性。一些工作者已经建议使用粘结层将提取器粘结到LED的表面。参见(如)美国专利申请公布2005/0023545(卡姆拉斯(Camras)等人)。这些工作者建议从以下材料形成提取器：SiC(报告折射率在500nm处为～2.7)、氧化铝(兰宝石，报告折射率在500nm处为～1.8)、金刚石(报告折射率在500nm处为～2.4)、立方氧化锆(ZrO₂)、赛尔纳技术公司提供的氮氧化铝(AlON)、多晶氧化铝(透明氧化铝)、尖晶石、肖特玻璃LaFN21(Schottglass LaFN21)、肖特玻璃LaSFN35(Schott glass LaSFN35)、LaF2、LaF3、和可得自纽约州安大略欧皮特麦克斯系统公司(Optimax Systems Inc.of Ontario，NY)的LaF10。还间接提到了一些其它材料。据信这些材料基本上属于两种类别：中等折射率的玻璃材料(1.5<n<2)，和折射率更高的晶体材料，例如，金刚石和碳化硅，它们的折射率大大高于2。

发明内容