CN103557445A - 侧边发射半导体发光器件、背光模组及面发光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧边发射半导体发光器件、背光模组及面发光光源。该侧边发射半导体发光器件包括至少一半导体发光元件，该发光元件至少具有发光层，该发光层与一导光元件平行设置，并且该发光元件还包括用以使该发光层产生的光线仅从发光元件的出光面出射的导向性反射结构，该出光面分布在发光元件的一侧面上;该发光元件的出光面与导光元件的入光面对应设置，且至少该发光层分布在导光元件顶、底端面之间的平面上，该入光面分布在导光元件的一侧面上。优选的，该发光元件还具有波导结构及减反和/或增透结构。本发明的侧边发射半导体发光器件具有光耦合效率高、体积小、省电等优点，且对散热要求低，适于在各类背光模组、面发光光源中广泛应用。

Description

侧边发射半导体发光器件、背光模组及面发光光源

技术领域

本发明涉及一种半导体发光器件，特别涉及到一种侧边发射半导体发光器件及背光模组。

背景技术

目前在组装面发光器件时，通常是将半导体发光元件与导光元件、扩散板等组成背光模组，通过将由半导体发光元件，如LED、LD等发射的光输入导光元件(如，导光板)中，再经光扩散板或棱镜板进行扩散，达成面发光效果。参阅图1所示系一种典型背光模组，该背光模组中的若千半导体发光元件系排布在与导光板入光面(通常是其侧面)相应的区域内，并以该入光面接收由各发光元件的正面或背面出射的光，其中，发光元件与导光板耦合效率较为低下。并且，出于增大半导体发光元件的输出功率和增加能源利用效率等方面的考虑，业界已经越来越倾向于发展和利用大功率的大面积发光元件，其尺寸已经超过lmm。与此同时，为了使面发光器件更为轻薄，必须尽可能缩减导光板等组件的厚度，特别是小于lmm。这样，若依然采用前述结构设计将大面积发光器件与轻薄导光板组装形成背光模组，则发光器件发射的光将有很大一部分流散在导光板之外，而无法被高效导入导光板。

发明内容

本发明的士要目的在于提供一种侧边发射半导体发光器件，其通过对半导体发光元件与导光元件的布置位置以及半导体发光元件的结构进行调整，从而克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的在于提供一种背光模组。

本发明的又一目的在于提供一种面发光光源。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案:

一种侧边发射半导体发光器件，包括至少一半导体发光元件，所述发光元件至少具有发光层，所述发光层与一导光元件平行设置，其特征在于，所述发光元件还包括:

用以使所述发光层产生的光线仅从发光元件的出光面出射的导向性反射结构，所述出光面分布在发光元件的一侧面上;

所述发光元件的出光面与所述导光元件的入光面对应设置，且至少所述发光层分布在所述导光元件顶、底端面之间的平面上，所述入光面分布在导光元件的一侧面上。

作为较为优选的实施方案之一，所述导向性反射结构覆设在所述发光元件表面。

作为较为优选的实施方案之一，所述半导体发光元件还包括分别设置在所述发光层上、下方的第一半导体层和第二半导体层，该第一半导体层与第二半导体层组合形成双异质PN结;

并且，对于所述发光层产生的光线而言，组成所述第一半导体层和第二半导体层的材料的折射率低于组成所述发光层的材料的折射率。

作为较为优选的具体应用方案之一，对于所述发光层产生的光线而言，组成所述第一半导体层和第二半导体层的材料的折射率与组成所述发光层的材料的折射率分别为1.5-2.2和2.5-3.5。

作为较为优选的实施方案之一，所述发光元件的出光面还具有减反和/或增透结构。

所述半导体发光元件还可包括衬底。

所述导光元件包括导光板或棱镜板。

一种背光模组，包含导光板以及前述的任一种侧边发射半导体发光器件。

一种面发光光源，包含前述的背光模组。

进一步的，所述面发光光源还包括与前述导光板配合的扩散板或棱镜板。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于:通过对半导体发光元件的结构进行调整，包括在半导体发光元件中设置导向性反射结构与波导结构，从而形成了新型的侧边发射半导体发光器件，利用该种侧边发射半导体发光器件与导光板配合，能有效提升两者的耦合效率，同时还可提升半导体发光元件的出光效率和能源利用效率，体积小、省电，对散热要求低，优选的，通过在半导体发光元件的出光面上设置减反和/或增透结构，还可进一步提升其出光率。本发明适于在各类背光模组、面发光光源中广泛应用。

附图说明

图1是现有背光模组的结构示意图，图中:01-半导体发光元件，011-PN结，012-有源层，02-导光板。

图2是本发明一较为优选的实施例中半导体发光元件的立体图;

图3是图2中所示半导体发光元件的剖视图;

图4是本发明一较为优选的实施例中侧边发射半导体发光器件的工作状态示意图;

图中:1-InGaN/GaN量子阱，2-p-AlGaN层，3-n-AlGaN层，4-n-GaN层，5-顶电极，6-导光板。

具体实施方式

如前所述，在现有背光模组等器件中，半导体发光元件与导光板等元件通常是采用图1所示方式布置。若不考虑传统半导体发光元件固有的出光效率低下等问题，此类布置方式对于尺寸较小的半导体发光元件(lmm以下)及具有较大厚度的导光板(3mm以上)是具有一定适应性的。但是，对于近年来出现的大功率半导体发光元件(如，尺寸在lmm以上的LED芯片)和厚度越来越小的导光板(厚度一般在lmm以上)来说，前述的传统布置方式必然会导致出现发光元件无法与导光板有效耦合的问题，原因在于，一般来说，若采用布置方式，半导体发光元件的散射角一般在130°以上，这就使得发光元件所发射的光线中，几乎大部分无法进入导光板，而是无意义的耗散了。

有鉴于此，本案发明人经长期研究和实践，提出了本发明的技术方案，如下具体说明。

作为本发明的一个重要方面，本案发明人提出了边发射的设计，即，将半导体发光元件与导光元件按照发光元件的发光层(亦可称为“有源层”)与导光元件平行、且至少发光层分布在导光元件顶、底端面之间的平面的布置，并将发光元件的一侧面作为出光面，而将导光元件的一侧面作为与前述出光面相配合的入光面，同时采用在发光元件内设置导向性反射结构，使所述发光层产生的光线仅从发光元件的出光面出射，并进入导光元件，即实现所述的侧边发射器件。

采用前述设计，可以使发光元件具有较小的出光面(以现有的LED芯片为例，其发光层厚度一般在7μm左右，若存在衬底，其厚度亦仅仅在80-100μm左右)，当以该出光面与导光元件的入光面(一般而言，导光板的厚度在lmm左右)配合时，将使由发光元件出射的光线几乎全部进入导光元件，而不至于在导光板之外无意义的损耗。

显然的，对于传统的半导体发光元件，其亦可采用本发明的此种“侧边发射”方案，且产生远远优于现有设计的效果。

需要说明的是，在本发明中，前述的半导体发光元件可选自LED芯片、LD芯片等，但不局限于此，本领域技术人员依据实际应用的需要，亦可很容易的想到并选用其它习见的半导体发光元件，其可包括有源层、PN结及衬底、电极等各种常规组成部分。

前述的导向性反射结构，其可以采用业界已知的各类方式实现，例如，可以通过在半导体发光元件的除了出光面之外的其余表面贴设、沉积或加工具有选定微结构的反射膜、反射层等。而此处所述的选定微结构，其可以包括但不限于能导致光线朝特定方向反射的规则排布的微镜结构等等，其形态亦可选自但不限于具有选定形态的凸起和/或凹陷部等等。

在一些可以选择性实施的方案中，前述导向性反射结构亦可形成于发光层与构成双异质PN结的其余半导体层，如第一、第二半导体层的界面处。

作为本发明的另一个重要方面，本案发明人还采用了波导结构，以期进一步提升半导体发光元件的发光效率，该波导结构优选通过如下设计形成，即:对于所述发光层产生的光线而言，用以组成所述第一半导体层和第二半导体层的材料的折射率低于用以组成所述发光层的材料的折射率。利用这种设计，可以发光层所产生的光线在发光层与第一、第二半导体层的界面处反射并重新进入发光层，进而使光尽量保留在发光层中，减小因进入第一、第二半导体层后被吸收而引起的无谓损耗。

作为较为优选的具体应用方案之一，对于所述发光层产生的光线而言，组成所述第一半导体层和第二半导体层的材料的折射率与组成所述发光层的材料的折射率分别为1.5-2.2和2.5-3.5。

作为本发明的又一个重要方面，本案发明人还在发光元件的出光面设置了减反和/或增透结构，该减反和/或增透结构可以通过在出光面设置减反增透膜或加工形成减反增透结构等方式而实现，而关于此类减反增透膜或减反增透结构的材质、形态等，其属于本领域技术人员结合其常识和实际应用的需求而可以很容易的进行选择的，此处不再赘述。

以下结合一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

参阅图2，本实施例所涉及的侧边发射半导体发光器件包括若千半导体发光元件，其中每一发光元件至少具有发光层，所述发光层与一导光板平行设置，并且，每一发光元件还包括:

用以使所述发光层产生的光线仅从发光元件的出光面出射的导向性反射结构，所述出光面分布在发光元件的一侧面上;

其中，每一发光元件的出光面与该导光板的入光面对应设置，且每一发光层分布在该导光板顶、底端面之间的平面上，所述入光面分布在导光元件的一侧面上。

进一步的，每一半导体发光元件还包括分别设置在发光层上、下方的第一半导体层和第二半导体层，该第一半导体层与第二半导体层组合形成双异质PN结；

并且，对于发光层产生的光线而言，组成所述第一半导体层和第二半导体层的材料的折射率低于组成所述发光层的材料的折射率。

更具体的讲，参阅图3，该前述半导体发光元件可以包括主要由p-AlGaN层2、多量子阱层和n-AlGaN层3形成的双异质PN结以及主要由InGaN/GaN量子阱1形成的有源层。

此外，该发光器件还可包括诸如顶电极5、底电极等常规组件，又及，在顶、底电极与前述的p-AlGaN层和/或n-AlGaN层之间还可分布n-InGaN层4或p-InGaN层，等等。

其中，对于有源层产生的光线而言，有源层的折射率约在3.5左右，而p-AlGaN层、n-AlGaN层的折射率则在1.5-2.5左右。

前述导向性反射结构可包括覆设在所述发光元件表面的膜层等等，其可以通过现有的金属蒸镀、物理或化学沉积、光刻、腐蚀等微加工工艺形成。

作为较为优选的实施方案之一，在每一发光元件的出光面还设有减反和/或增透结构。

参阅图4，藉由前述设计，由发光层产生的光线能尽可能的被约束在有源层中，继而均指向性的从发光元件的出光面出射，进而以近乎100%的效率入射导光板6，实现两者之间的有效耦合，提升能源利用效率，满足使背光模组小型化和面发光光源轻薄化的要求。

概言之，本发明的边发射半导体发光器件具有光耦合效率高、体积小、省电等优点，且对散热要求低，适于在各类背光模组、面发光光源中广泛应用。

以上说明，及在图纸上所示的实施例，不可解析为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形态改良变更，这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种侧边发射半导体发光器件，包括至少一半导体发光元件，所述发光元件至少具有发光层，所述发光层与一导光元件平行设置，其特征在于，所述发光元件还包括:

用以使所述发光层产生的光线仅从发光元件的出光面出射的导向性反射结构，所述出光面分布在发光元件的一侧面上;

所述发光元件的出光面与所述导光元件的入光面对应设置，且至少所述发光层分布在所述导光元件顶、底端面之间的平面上，所述入光面分布在导光元件的一侧面上。

2.根据权利要求1所述的侧边发射半导体发光器件，其特征在于，所述半导体发光元件还包括分别设置在所述发光层上、下方的第一半导体层和第二半导体层，该第一半导体层与第二半导体层组合形成双异质PN结;

并且，对于所述发光层产生的光线而言，组成所述第一半导体层和第二半导体层的材料的折射率低于组成所述发光层的材料的折射率。

3.根据权利要求2所述的侧边发射半导体发光器件，其特征在于，对于所述发光层产生的光线而言，组成所述第一半导体层和第二半导体层的材料的折射率与组成所述发光层的材料的折射率分别为1.5-2.2和2.5-3.5。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的侧边发射半导体发光器件，其特征在于，所述发光元件的出光面还具有减反和/或增透结构。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的侧边发射半导体发光器件，其特征在于，所述半导体发光元件还包括衬底。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的侧边发射半导体发光器件，其特征在于，所述导光元件包括导光板。

7.一种背光模组，包含导光板，其特征在于，它还包括权利要求1-6中任一项所述的侧边发射半导体发光器件。

8.一种面发光光源，其特征在于，包含权利要求7所述的背光模组。

9.根据权利要求8所述的面发光光源，其特征在于，它还包括与所述导光板配合的扩散板或棱镜板。

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