JP2015156521A - 半導体発光素子を含むバックライト - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子を含むバックライトを提供する。
【解決手段】半導体発光ダイオード６４のような光源６０が、ディスプレイにおける導波部として機能し得る透明部材５０における第１の開口５４に配置される。該透明部材は、該光源を囲む。該透明部材における第２の開口７０には、光源は配置されない。幾つかの実施例においては、該第１の開口は、光を該透明部材へと向けるような形状とされる。幾つかの実施例においては、該光源の上に反射器６６が配置される。該反射器は、平坦部分と成形部分６８とを含む。該成形部分は、該平坦部分から該光源に向かって延在する。
【選択図】図５

Description

本発明は、透明な部材における開口に配置された光源を含む発光素子に関する。斯かる発光素子は、例えばディスプレイ用のバックライトとして利用され得る。

発光ダイオード（ＬＥＤ）のような半導体発光素子は、現在利用可能な最も効率的な光源のひとつである。可視スペクトルに亘って動作可能な高輝度ＬＥＤの製造において現在関心を集める物質系は、III-Ｖ族半導体、特にガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の二元、三元及び四元合金（III族窒化物物質とも呼ばれる）、並びにガリウム、アルミニウム、インジウム、ヒ素及びリンの二元、三元及び四元合金を含む。しばしば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）又はその他のエピタキシャル手法により、III族窒化物素子はサファイア、炭化ケイ素又はIII族窒化物の基板上でエピタキシャルに成長させられ、III族リン化物素子は、ガリウムヒ素上でエピタキシャルに成長させられる。しばしば、ｎ型領域が該基板上に堆積させられ、次いでｐ型領域が活性領域上に堆積させられる。ｐ型領域が該基板に隣接するように、層の順序が逆転させられても良い。

半導体発光素子の有望な用途のひとつは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）におけるバックライトである。ＬＣＤは、携帯電話、ＰＤＡ（personal digital assistants）、携帯型音楽プレイヤ、ラップトップ型コンピュータ、デスクトップモニタ及びテレビジョン用途において一般に利用されている。本発明の一実施例は、バックライトが白色光又は色付きの光を発する１つ以上のＬＥＤを利用し得る、バックライトを必要とするカラー又はモノクロの透過型ＬＣＤに対応する。青色ＬＥＤ及び白色光発光のためのリモートの蛍光体層を用いる実施例も可能である。ＬＥＤは、非コヒーレント光を発するという点で、レーザダイオードとは区別される。

米国特許出願公開US2009/0045420にバックライト（参照によりここで本明細書に組み込まれたものとする）が記載されており、図１に示されている。マウント２２に装着された側面発光ＬＥＤ１０は、固体の透明な導波物質３６の一部における開口に配置され…、導波部３６は、より大きな導波部４０のスロット４２に配置されている、と記載されている。

本発明の実施例は、ディスプレイ用のバックライトとして利用されることができる発光素子に関するものである。本発明の目的は、現実の及び仮想的な光源のための開口を備えた透明な部材を提供することにある。半導体発光素子のような光源が、ディスプレイにおける導波部として機能し得る透明な部材の第１の開口に配置される。該透明な部材は、該光源を囲む。該発光素子の実施例においては、側面発光ＬＥＤではなく上面発光ＬＥＤが利用され得る。該透明な部材の第２の開口には、光源は配置されない。該第２の開口は、仮想的な光源として機能し得る。

幾つかの実施例においては、該光源の上に反射器が配置される。該反射器は、平坦部分と成形部分とを含む。該成形部分は、該平坦部分から該光源に向かって延在する。本発明の実施例は、十分な光の均一性及び混合を伴って所望の光量をもたらすために発光素子に必要な光源の数を低減させる。

導波器に配置された導波部分の斜視図である。 オーバーモールドされたドーム型レンズを備えた薄膜フリップチップＬＥＤの断面図である。 導波部の一部における開口に配置されたＬＥＤの上面図である。 導波部における開口に配置されたＬＥＤの断面図である。 現実の及び仮想的な光源を備えた導波部の一部の上面図である。 光を反射する機能を含む導波部の一部の上面図である。 成形されたレンズを備えたＬＥＤを示す。 導波部の一部の上面図である。

米国特許出願公開US2009/0045420に記載されたバックライトのような、導波部内にＬＥＤが配置されたバックライトは、導波部及びそれ故該バックライトが薄く保たれ得るため、有益である。バックライトのコストを削減するため、バックライトにおいて利用されるＬＥＤの数を低減することも望ましい。ＬＥＤの上面から大部分の光を発するＬＥＤは、米国特許出願公開US2009/0045420に記載された側面発光型ＬＥＤよりも、僅かに高い光束を持ち得る。本発明の実施例は、導波部内に配置された上面発光型ＬＥＤを備えたバックライトのような素子に向けたものである。

適切な上面発光型ＬＥＤの一例は、オーバーモールドされたドーム型レンズを備えたＬＥＤである。ドーム型レンズを備えた適切なＬＥＤの例は、例えば米国特許US7,344,902（参照によりここで本明細書に組み込まれたものとする）に記載されている。図２は、米国特許US7,344,902に記載されたドーム型レンズを備えたＬＥＤ（参照によりここで本明細書に組み込まれたものとする）の簡略化された拡大図である。単一のフリップチップＬＥＤチップ１０が、セラミック又はシリコンのようないずれかの適切な物質で形成されたマウント２４上に装着される。図２のＬＥＤチップ１０は、ｐ金属接点２７、ｐ型層２８、発光活性層３０、ｎ型層３２、及びｎ型層３２に接触するｎ金属接点３１を持つ。マウント２４上の金属パッドが、接点２７及び３１に直接に金属結合される。マウント２４を通るビアは、マウント２４の底面における金属パッドで終端され、マウント２４は回路基板４５上の金属導線４０及び４４に結合される。金属導線４０及び４４は、他のＬＥＤ又は電源に接続される。回路基板４５は、絶縁層上の金属導線４０及び４４を備えた金属板（例えばアルミニウム）であっても良い。モールドされたレンズ２２は、ＬＥＤチップ１０を封入する。

ｎ型層３２、発光層３０及びｐ型層２８は、成長基板上で成長させられ、次いでｐ型層２８及び発光層３０の一部がエッチングされて、ｎ型層３２の一部を露出させる。ｎ接点及びｐ接点３１、２７は、ｎ型及びｐ型半導体層の露出された部分に形成される。ＬＥＤ１０の厚さを低減させ光が成長基板により吸収されるのを防ぐため、該成長基板は、エッチング、化学的機械的研磨及びレーザ溶融のような、該基板に適した方法により取り除かれる。ここでレーザ溶融においては、レーザがIII族窒化物構造と成長基板との間の界面を加熱し、III族窒化物構造の一部を溶融させ、該基板を半導体構造から引き離す。成長基板は、ＬＥＤのアレイがサブマウントウェハに装着された後であって、ＬＥＤ／サブマウントが（例えばソーイング（sawing）により）単一化される前に、取り除かれても良い。

成長基板が取り除かれた後、幾つかの実施例においては、残りのIII族窒化物構造が、例えばフォトニック結晶を用いて薄くされ及び／又は粗くされ又はパターン化される。

略平坦な蛍光体層（図２には図示されていない）が、発光層３０から発せられる青色光の少なくとも幾分かを波長変換するために、ＬＥＤの上端の上に配置されても良い。該蛍光体層は、セラミックシートとして予備成形されていても良く、またＬＥＤ層に取り付けられても良く、又は蛍光体粒子が例えば電気泳動によって堆積させられても良い。該蛍光体層により発せられる光は、ＬＥＤの活性領域からの青色光と混合されると、白色光又は他の所望の色の光を生成する。例えば、青色発光ＬＥＤが、単一の黄色発光蛍光体と、又は赤色発光蛍光体及び緑色発光蛍光体と組み合わせられ、白色光を生成しても良い。ＵＶ発光ＬＥＤが利用される場合には、青色発光蛍光体が付加されても良い。混合された白色光の所望の色点を達成するため、他の色の光を発する蛍光体がＬＥＤに付加されても良いし、又は本システムにおけるどこか別の場所にリモートに付加されても良い。

図２に示されたドーム型レンズ２０は次いで、ＬＥＤ１０の上にモールドされる。本発明の実施例は、ドーム型レンズ１０を備えた又は備えていない、図２に示されるような薄膜フリップチップＬＥＤを利用しても良い。該素子の放射パターンを変更するため、図２における球状のドーム型レンズ以外のレンズ形状が利用されても良い。導波部の平面において僅かにより平行化されたもののような、導波部における光線角度及び伝播を制御するようにレンズが成形されても良い。図７は、成形されたレンズ７６を示す。レンズ７６は、光を反射器６６（図４を参照しながら以下に説明される）に向けるように成形された上部７８と、光を導波部５０に向けるように成形された底部とを含む。

図３は、本発明の実施例による導波部に配置された上面発光型ＬＥＤの上面図である。ドーム型レンズを備えたＬＥＤが示されているが、ドーム型レンズのない素子が利用されても良い。マウント（図３には図示されていない）上に装着されたドーム状のＬＥＤ６０は、固体の透明な導波部５０の端部５２の近くに形成された開口５４に配置される。開口５４は、開口５４におけるＬＥＤ６０の容易な設置のため、該開口の端部が１００ミクロンと２．５ｍｍとの間となるのに十分に大きい。導波部５０は、例えばアクリル（例えばＰＭＭＡ）、硬質シリコーン、成型プラスチック、ポリカーボネート又はその他のいずれかの適切な物質であっても良い。ミラーフィルム（図示されていない）が、導波部５０の底部をカバーしていても良い。該フィルムは例えば、３Ｍ社によるＥＳＲ（enhanced specular reflector）であっても良い。

開口５４は、光を導波部５０に向けるように成形される。図３に示された素子においては、導波部５０の端部５２に近い開口５４の部分５８はＶ字型であり、該端部から最も遠い開口５４の部分５６は曲線状である。曲線状の端部５６に入射する光５３は、図示されるように、導波部５０へと発せられる。Ｖ字型の端部５８に入射する光５１は、導波部の端部５２に向けて屈折させられ、該端部５２において導波部５０へと反射され得る。単純な円形の又は僅かに楕円形状の開口５４が利用されても良い。加えて、内結合端部５６及び５８の端部は、導波部において光の分布を拡散させるように波形とされ、ＬＥＤの数を低減させつつ望ましい均一性を実現させる。

図４は、本発明の実施例による導波部に配置された上面発光型ＬＥＤの断面図である。ドーム型レンズのないＬＥＤが示されているが、ドーム型レンズを備えた素子が利用されても良い。ＬＥＤ６０は、支持部６２上に装着された半導体ＬＥＤ構造を含む。ＬＥＤ６０は、支持部６２が導波部５０の底面５５よりも下となり、半導体構造６４が導波部５０の底面５５よりも上となるように、導波部５０における開口５４に配置されても良い。支持部６２の上面６３は、反射性であっても良い。

ＬＥＤ６０は上面発光型ＬＥＤであるため、発せられる光の向きを導波部５０の方に変えるために、反射器６６がＬＥＤ６０の上に配置される。反射器６６は、図４に示されるように、光の向きを導波部５０の方に変えるために、導波部５０の上面５７の下に突出する部分６８を含んでも良い。突出部分６８は、半導体構造６４の上面に対して垂直に発せられる光を、半導体構造６４へと直接に反射させて戻してしまうこと（半導体構造６４において光が吸収され得る）を防ぐような形状とされても良い。突出部分６８のための適切な形状のひとつは、図４に示されるような円錐形である。図４に示された円錐は、ＬＥＤドームの直径と開口５４の大きさとの間の大きさを持っても良い。曲線形状又は放物線形状のような他の形状も可能であり得る。反射角は、例えば１５°から６０°まで変化しても良い。反射器６６は、プラスチックのようないずれかの剛体材料から形成されても良く、また反射性金属、コーティング、塗料又は二色性積層のような反射性材料により被覆されても良い。代替としては、反射器６６は、全反射を引き起こす材料から形成されても良い。反射器６６は例えば、開口５４と同じ横方向の大きさを持っていても良いし、又は、反射器６６の端部が導波部５０の上端に載るように、開口５４より僅かに大きくても良い。

コンピュータモニタ用又はテレビジョン用のもののような大型のバックライトにおいては、導波部５０の端部５２に沿って複数のＬＥＤが配置される。ＬＥＤ及び開口の間隔は、利用されるＬＥＤの数及びバックライトの長さ寸法の関数である。例えば、従来型の２４インチのバックライトにおいては、優れた色の均一性を実現するため、６０個のＬＥＤが利用され得る。説明された実施例を用いると、同じ２４インチのバックライトに対して、均一性を犠牲にすることなく、又はベゼル長を増大させることなく、ＬＥＤの数は１５乃至３０個のＬＥＤまで低減されることができる。

図５は、導波部の一部の上面図である。図３において示されたように、２個のＬＥＤ６０が開口５４に配置されている。開口５４と離隔された開口７０は、ＬＥＤを含まない。ＬＥＤ６０から発せられた光は、開口７０の端部で反射し、開口７０を「仮想的な」光源とする。幾つかの実施例においては、開口７０の１つ以上の辺が反射性材料により被覆される。該仮想的な光源はＬＥＤ開口間に配置されても良く、ＬＥＤの幅からＬＥＤ間の空間の３／４に至るまでの幅を延在していても良い。幾つかの実施例においては、開口７０は、空気又は屈折率の低いシリコーンのような、低い屈折率を持つ物質により満たされている。開口に配置されたＬＥＤのない開口７０を含むことは、空の開口７０のない同数のＬＥＤを持つバックライトと比較して、バックライトの均一性を改善し得、又は、導波部５０における光の所与の混合及び均一性のレベルに対して、空の開口７０のない場と比較して、ＬＥＤ６０が更に離隔されることを許容し得る。改善された混合及び均一性は、ＬＥＤの数を低減した際にも、必要とされるバックライト及びモニタのベゼル高を低減させ、それ故最小化するか又は一定に保ち得る。

図６は、ＬＥＤ用の開口間において導波部の端部に形成された形状部を持つ導波部の上面図である。図５に示された空の開口７０の代わりに、又は該開口７０に加えて、図６の素子においては、導波部５０の端部５２に形状部７２が形成される。該形状部は、導波部５０の本体へと、隣接するＬＥＤに向けて、ＬＥＤ６０により発せられた光を反射させるような形状とされる。形状部７２のための適切な形状の一例は、図６に示されるように、導波部５０の端部５２におけるＶ字型の切り欠きである。幾つかの実施例においては、形状部７２は曲線状である。形状部７２を含む導波部５０の端部５２は、例えば該端部を反射性の膜により被覆することにより、又は該端部に膜を装着することにより、反射性とされても良い。図６に示されるように、ＬＥＤ６０が配置された開口５４は、図３に示されたような形状とされる必要はない。図６に示される素子においては、開口５４は円形である。他の形状も、本発明の範囲内である。該Ｖ字型の形状部は、ＬＥＤに近づくにつれて連続的な曲線状の形状を持っていても良い。

幾つかの実施例においては、別個の図に示された特徴が組み合わせられても良い。例えば、以上に説明されたように、ドーム型レンズを持つ上面発光型ＬＥＤが利用されても良いし、又はドーム型レンズを持たない上面発光型ＬＥＤが利用されても良い。図４に示された上面反射器は、図３、５及び６に示された素子における開口の上で利用されても良い。種々の実施例において、異なる形状を持つ開口が利用されても良い。図８は、幾つかの変形例を示す。図６に示された形状部７２に加えて、又は該形状部７２の代わりに、導波部５０の端部は、互いに隣接して配置された複数の形状部を含んでも良く、例えば、該端部は、図８に示された波形形状８０のような、連続的な模様とされても良い。代替としては、該端部上の複数の形状部は、互いに隣接して配置され、模様のない端部の部分によって、該端部上の複数の形状部の次の群から離隔されていても良い。仮想的な光源８４は、実際の光源が配置された開口８６よりも、導波部５０の端部の近くに配置されても良い。単一の実際の光源８６の近くに、複数の仮想的な光源８４が配置されても良い。仮想的な光源及び実際の光源の両方について、開口の他の形状が利用されても良い。図８に示された開口８２は、該開口の中心から離れる向きに曲がる曲線部分８２と反対に、該開口の中心に向かって曲がる曲線部分８２ａを持つ。

以上に説明された実施例は、ＬＣＤディスプレイ用のバックライトとして利用され得る。完成されたディスプレイにおいては、光を拡散させるために、導波部５０の上面に薄い拡散膜が装着されても良い。通常の観測方向における明るさを増大させるため、導波部５０の前方に直接、比較的小さい角度内で、光の向きを変えるために、拡散膜の上にＢＥＦ（brightness enhancement film）が配置されても良い。従来のカラーの又はモノクロのＬＣＤが次いで、導波部５０の上に配置される。ＬＣＤは、画素シャッタ（例えばＴＦＴアレイと組み合わせられた液晶層）、偏光子及びＲＧＢフィルタを用いて、カラー画像を生成することができる。斯かるＬＣＤは良く知られている。以上に説明された実施例の他の用途は、薄型のポスターボックスを含む。

本発明を詳細に説明したが、当業者は、示された本開示において、ここで説明された本発明の概念の精神から逸脱することなく、本発明に対して変更が為され得ることを理解するであろう。それ故、本発明の範囲が記載され説明された実施例に限定されることは意図されるものではない。

いくつかの態様を開示しておく。
〔態様１〕
ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された発光層を有する半導体構造を有する光源と、
１つ以上の開口及び第２の開口を有する透明部材と、
を有する素子であって、
前記光源は、前記透明部材が前記光源を囲むように前記第１の開口に配置され、
前記第１の開口は前記透明部材の端部の近くに配置され、前記第２の開口には光源が配置されない素子。
〔態様２〕
前記第１及び第２の開口はそれぞれ、前記透明部材において穴を有する、態様１に記載の素子。
〔態様３〕
前記光源は、光の大部分が、前記半導体構造の上面を通して前記光源から脱出するように構成された、態様１に記載の素子。
〔態様４〕
前記光源は、前記半導体構造の上に配置されたドーム型レンズを有する、態様１に記載の素子。
〔態様５〕
前記第１の開口の第１の部分は、前記端部に近接し、前記端部の方向に光を向けるような形状とされ、
前記第１の開口は第２の部分は、前記端部とは逆側にあり、前記端部から離れるように光を向けるような形状とされた、
態様１に記載の素子。
〔態様６〕
前記第１の部分はＶ字型であり、前記第２の部分は曲線状である、態様５に記載の素子。
〔態様７〕
前記素子は、前記光源の上に配置された反射器を更に有し、前記反射器は、平坦部分と成形部分を有し、前記成形部分は前記平坦部分から前記光源に向かって延在する、態様１に記載の素子。
〔態様８〕
前記反射器の前記成形部分は円錐を有する、態様７に記載の素子。
〔態様９〕
前記第１の開口は曲線状の部分を持ち、前記第２の開口は少なくとも１本の直線の辺を持つ、態様１に記載の素子。
〔態様１０〕
前記第２の開口の側壁に配置された反射性被覆を更に有する、態様１に記載の素子。
〔態様１１〕
前記光源は第１の光源であり、前記素子は更に第３の開口及び第２の光源を有し、
前記第２の開口は、前記第１の開口と前記第３の開口との間に配置され、
前記第２の光源は、前記第３の開口に配置された、
態様１に記載の素子。
〔態様１２〕
前記光源は第１の光源であり、前記素子は更に、
前記透明部材の端部に近接して配置された第３の開口と、
前記第３の開口に配置された第２の光源と、
前記第１の開口と前記第３の開口との間に配置された形状部であって、前記透明部材の端部から前記透明部材の中心に向かって延在する形状部と、
を有する、態様１に記載の素子。
〔態様１３〕
前記形状部は、前記透明部材におけるＶ字型の切り欠きである、態様１２に記載の素子。
〔態様１４〕
前記形状部は曲線状である、態様１２に記載の素子。
〔態様１５〕
前記透明部材の上に配置された液晶層を更に有する、態様１に記載の素子。

Claims (13)

1. ｎ型領域とｐ型領域との間に配置された発光層を有する半導体構造を有する光源であって、前記光源は、光の大部分が、前記半導体構造の上面を通して前記光源から脱出するように構成されている、光源と、
   第１の開口及び第２の開口を有する透明部材と、
   前記光源からの光の向きを前記透明部材の方に変えるよう構成されている、前記光源の上に配置された反射器とを有する素子。
2. 前記第１及び第２の開口はそれぞれ、前記透明部材において穴を有する、請求項１に記載の素子。
3. 前記光源は、前記半導体構造の上に配置されたドーム型レンズを有する、請求項１に記載の素子。
4. 前記第１の部分はＶ字型であり、前記第２の部分は曲線状である、請求項１に記載の素子。
5. 前記反射器は、平坦部分と成形部分を有し、前記成形部分は前記平坦部分から前記光源に向かって延在する、請求項１に記載の素子。
6. 前記反射器の前記成形部分は円錐を有する、請求項５に記載の素子。
7. 前記第１の開口は曲線状の部分を持ち、前記第２の開口は少なくとも１本の直線の辺を持つ、請求項１に記載の素子。
8. 前記第２の開口の側壁に配置された反射性被覆を更に有する、請求項１に記載の素子。
9. 前記光源は第１の光源であり、前記素子は更に第３の開口及び第２の光源を有し、
   前記第２の開口は、前記第１の開口と前記第３の開口との間に配置され、
   前記第２の光源は、前記第３の開口に配置された、
   請求項１に記載の素子。
10. 前記光源は第１の光源であり、前記素子は更に、
    前記透明部材の端部に近接して配置された第３の開口と、
    前記第３の開口に配置された第２の光源と、
    前記第１の開口と前記第３の開口との間に配置された形状部であって、前記透明部材の端部から前記透明部材の中心に向かって延在する形状部と、
    を有する、請求項１に記載の素子。
11. 前記形状部は、前記透明部材におけるＶ字型の切り欠きである、請求項１０に記載の素子。
12. 前記形状部は曲線状である、請求項１０に記載の素子。
13. 前記透明部材の上に配置された液晶層を更に有する、請求項１に記載の素子。

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