[发明专利]锥形光子晶体发光器件

说明书

技术领域

本发明涉及具有改良的光提取和方向性的发光二极管，尤其是涉及使用光子晶体结构的器件。

背景技术

发光二极管(LED)基于正向偏压的p-n结且最近已经达到充分高亮的水平，由于该充分高亮的水平，现在它们适合于新的固态照明应用以及替换投影仪光源。由于LED的高效率、可靠性、寿命长和环境优势而实现的经济利益，因此LED已能够进入这些市场。尤其是，固态照明的应用需要LED超过由可选的荧光技术目前可实现的效率。

在LCD面板的性能中，液晶显示器(LCD)面板的背光单元(BLU)是关键部件。目前，多数LCD面板使用紧凑型阴极荧光(ccfl)光源。然而，这些光源遇到几个问题，包括色域差、环境再生和制造问题、厚度和外形、高电压需求、热学管理差、重量和高功耗。为了缓和这些问题，LCD制造商使用LED BLU单元。这些会在许多方面提供优势，包括色域、低功耗、薄外形、低电压需求、良好的热处理和低重量。

当前的LED BLU系统横跨LED的背表面分布LED，如US7052152所示。对于小型显示器，一般是低成本设计。然而，对于较大的LCD面板，例如大于32英寸，为了横跨LCD面板的背面均匀分布光所需要的大量LED，将不再使该方法成本有效。在US7052152中，提出了32英寸LCD面板显示器使用124个LED。

对于某些应用，希望得到来自LED的更多各向同性的或朗伯(Lambertian)光分布，且用于实现它的一种技术是使得穿过其而使光融合(merge)的表面变粗糙。取决于LED制备工艺，一定程度的粗糙度是固有的。然而，通过使用例如蚀刻的技术，可以实现增加的表面粗糙度的控制度，以改善从LED射出的光的混杂和均匀性。

US2006/0181899和US2006/0181903公开了一种光学光导或者波导，其被设置以跨越整个LCD面板表面均匀分布漫射光。通过使用侧安装的LED光源使光耦合到光导。当与直接的LED背光比较时，由于显著减少了单位面积背光LCD所需要的LED数目，因此侧安装是有益的。提出了32英寸LCD面板可以具有与12个LED光源一样地被侧向光照。然而，为了最大化漫射到LCD面板上的光，需要将LED光的最优地耦合到光导。

高亮度LED的另一应用领域是用于前和后投影仪的光引擎。低效率和短寿命总是妨碍现有的高强度放电(HID)型投影仪光引擎，导致消费者市场很少采用。在该特定应用中，光源的Etendue值需要更小或者与微显示器的Etendue值相匹配。为了改善整个光投影引擎的总体系统效率，该兼容性非常重要。另外，特别是在需要大型后投影屏(大于50英寸)和前投影系统的应用中，高的总发光输出和低功耗也非常重要。为了最小化热学管理问题，低功耗是期望的。来自具有小的Etendue值的一组红、绿和蓝的单色LED光源的光被多路复用，以在投影系统中产生希望的颜色。这消除了对色轮和相关的附近成本的需要。Etendue值E是根据下面的等式计算的：

E＝π×A×n²×sin(α)                                (1)

其中E是光源的Etendue，A是光发射器件的表面积，以及α是光源的半角。因此，可以看出，对于投影应用，发光光源的准直度(collimation)是关键因素，并且减小光源的半角会显著地改善光引擎的总体效率。

LED的总体效率可以用三个主要因素量化，即内量子效率、注入效率和提取效率。减小来自LED的光提取效率的一个主要限制因素是发射光子的总体内部反射和形成LED的高折射率的外延材料(epi-material)的捕获。这些捕获的波导模式在LED结构中传播直到将它们散射或被再吸收。LED结构的厚度确定了可以支持的模式数量。

US5779924和US5955749描述了使用在LED的半导体层中定义的光子晶体图案以影响穿过外延结构传播的光路。形成的光子带结构允许进行提取的捕获模式，从而提高了提取效率和最终的LED总体外部效率。在LED中使用光子晶体结构比其它光提取技术更有利，这是因为它们与LED的有效表面积成比例，从而提供了改善大面积高亮度LED管芯的光提取的理想方法。对于需要绝对亮度输出的固态照明应用，LED尺寸的缩放比例是重要的。然而，许多这种光子晶体LED的总体的光提取不像更多常规的表面粗糙的LED一样高。