CN100517782C - 半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体发光装置，包括：半导体发光元件，发射紫外范围和可见范围内的光束；以及荧光元件，吸收来自所述半导体发光元件的所述光束，并在光出射方向上输出可见光束，所述光出射方向不同于发光方向。在所述半导体发光装置内吸收由所述发光元件发射的所述光束。

Description

半导体发光装置
相关申请的交叉引用
本发明基于并要求2005年6月22日提交的在先日本专利申请No.2005-182,403的优先权，在此通过参考引入其整个内容。
技术领域
本发明涉及半导体发光装置，更具体地说，涉及包括半导体发光元件和荧光元件的半导体发光装置。
背景技术
日本专利申请公开No.2004-221,163(称为“对比文献1”)描述了可以在观察方向发射均匀光束的发光装置。该发光装置不仅包括发光元件，而且包括设置在发光元件上并散射光束的光散射颗粒。发光元件和光散射颗粒都被包围在半透明密封中。
此外，日本专利申请公开No.Hei 07-282,609(称为“对比文献2”)描述了一种照明光源，其消耗较少的功率，耐用，并能够可靠地发射最佳的照明光束如白炽光。该照明光源包括发射激光束的半导体激光元件，散射来自半导体激光元件的激光束的透镜，以及将激光束转变成可见光束并发射可见光束的荧光元件。
对比文献1(发光装置)和对比文献2(照明光源)没有考虑以下问题。在对比文献1中，在相同方向上发射并散射光束。此外，在对比文献2中，在相同方向上发射并散射光束。因此，一些光束会从发光元件或半导体激光元件泄漏，从而不可能使用输出高能量光束如紫外光和激光束的发光元件。紫外光和激光束不应该被直接观察。此外，对比文献1和2的装置不适用于需要发射足够亮光束的照明系统、图像显示等。
发明内容
本发明预期克服上述相关技术的问题，并旨在提供可以可靠地发射高强度光束并确保高亮度的半导体发光装置。
根据本发明的实施例的第一方面，提供了一种半导体发光装置，包括：半导体发光元件，发射紫外范围和可见范围内的光束；以及荧光元件，吸收由所述半导体发光元件发射的所述光束，并在光出射方向上输出可见光束，所述光出射方向不同于所述半导体发光元件的发光方向。在所述半导体发光装置内吸收由所述发光元件发射的所述光束。
根据本发明的实施例的第二方面，提供了一种半导体发光装置，包括：基板；发光元件，设置在所述基板上，并沿所述基板的表面发射紫外范围和可见范围内的光束；荧光元件，吸收由所述半导体发光元件发射的所述光束，并输出可见光束；以及反射体，包括第一反射表面和第二反射表面，所述第一反射表面将来自所述荧光元件的所述可见光束反射在与所述基板表面交叉的方向上，以及所述第二反射表面将由所述半导体发光元件发射并经过所述荧光元件的光束反射到所述荧光元件，所述第二反射表面相对于所述基板表面的角度与所述第一反射表面的不同。
根据本发明的实施例的第三方面，提供了一种半导体发光装置，包括：基板；发光元件，设置在所述基板上，并沿所述基板的表面发射紫外范围和可见范围内的光束；以及荧光元件，不仅具有光吸收区域，而且具有光散射区域，来自所述半导体发光元件的直射光束照射到所述光吸收区域，在所述光散射区域将可见光束输出在与所述基板表面交叉的光出射方向，所述光散射区域大于所述光吸收区域。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的半导体发光装置的截面图；
图2是图1的半导体发光装置的顶视图；
图3是图1的半导体发光装置中的发光元件的主要部分的截面图；
图4是图1的半导体发光装置中的另一发光元件的主要部分的截面图；
图5是图1的半导体发光装置中的第一荧光元件的截面图；
图6是图1的半导体发光装置中的第二荧光元件的截面图；
图7是第一实施例的实例中的另一半导体发光装置的截面图；
图8是第一实施例的第一修改实例中的半导体发光装置的主要部分的截面图；
图9是第一修改实例中的另一半导体发光装置的主要部分的截面图；
图10是第二修改实例中的半导体发光装置的主要部分的截面图；
图11是第二修改实例中的另一半导体发光装置的主要部分的截面图；
图12是第三修改实例中的半导体发光装置的主要部分的截面图；
图13是第三修改实例中的另一半导体发光装置的主要部分的截面图；
图14是第三修改实例中的又一半导体发光装置的主要部分的截面图；
图15是第四修改实例中的半导体发光装置的主要部分的截面图；
图16是第四修改实例中的另一半导体发光装置的主要部分的截面图；
图17是第四修改实例中的又一半导体发光装置的主要部分的截面图；
图18是第四修改实例中的又一半导体发光装置的主要部分的截面图；
图19是本发明的第二实施例的半导体发光装置的截面图；
图20是本发明的第三实施例的半导体发光装置的截面图；
图21是图20的半导体发光装置的顶视图；
图22是第三实施例的第一修改实例中的半导体发光装置的主要部分的截面图；
图23是第三实施例的第二修改实例中的半导体发光装置的主要部分的截面图；
图24是第三实施例的第三修改实例中的半导体发光装置的主要部分的截面图；
图25是第三实施例的第四修改实例中的半导体发光装置的主要部分的截面图；
图26是本发明的第四实施例的半导体发光装置的顶视图；
图27是第四实施例的修改实例的半导体发光装置的顶视图；
图28是本发明的第五实施例的半导体发光装置的顶视图；
图29是第五实施例的修改实例的半导体发光装置的顶视图；
图30是本发明的第六实施例的半导体发光装置的顶视图；
图31是本发明的第七实施例的半导体发光装置的顶视图；
图32是本发明的第八实施例的半导体发光装置的顶视图；
图33是本发明的第九实施例的半导体发光装置的截面图；
图34是图33的半导体发光装置的顶视图；
图35是本发明的第十实施例的半导体发光装置的顶视图；
图36是本发明的第十一实施例的半导体发光装置的顶视图；以及
图37是图36的半导体发光装置的半导体发光元件的截面图。
具体实施方式
下面是如附图所示的本发明的更详细的说明，其中类似的标号表示类似的部分。
(第一实施例)
[半导体发光装置的整体结构]
参考图1和图2，半导体发光装置1包括半导体发光元件2(称为“发光元件2”)以及荧光元件3。发光元件2在第一方向D1上发射紫外和可见范围内的光束，而荧光元件3吸收来自发光元件2的所有光束，并在不同于第一方向D1的第二方向D2上传输可见光束。换句话说，来自半导体发光元件2的光束被设计为不直接在光出射方向上发射。发光元件2和荧光元件3相互分离。此外，半导体发光装置1包括具有给发光元件2提供电力的布线42和43的基板4，以及将来自荧光光束的光束反射在第二方向D2上的发射体6。
在第一实施例中，基板4是圆盘形状，并在其中心安放发光元件2。发光元件2在两个相互偏移180度的第一方向D1上发射光束，从而在基板4上的相对位置提供两个荧光元件3。
术语“第一方向D1”表示发光元件2发射光束的方向，并与发光元件2发射的光束的光轴一致。每个第一方向D1与光强度的峰值一致。此外，来自发光元件2的光束平行于基板4的表面，即每个第一方向D1基本上平行于基板4的表面。简言之，发光元件2沿基板4的表面直接发射光束(直射光束)。
光束被如下吸收：来自发光元件2的所有直射光束被荧光元件3吸收；以及来自发光元件2的大部分光束被荧光元件3吸收，而该光束的一部分被反射；以及光束的一部分经过荧光元件3，被反射体6反射并被荧光元件3再次吸收。此外，发光元件2的光束被分为：直射光束；没有发送到荧光元件3而从发光元件2泄漏的光束；经过荧光元件3并没有被荧光元件3散射在光出射方向上的光束；直接照射在反射体6并被反射的光束；以及经过荧光元件3但没有被反射体6反射并没有在光出射方向上输出的光束。无需指出，在光出射方向上输出的光束是“非直射光束”。
[基板的结构]
如图1和图2所示，基板4由基板基底41、在其正面和背面中心设置的布线42以及在其正面和背面边缘表面设置的布线43构成。布线42通过通孔电连接到基板4的正面和背面中心。布线43利用引线5电连接到发光元件2的第二主电极。
基板基底41有效地散发由于发光元件2的工作产生的热量，并优选由具有良好导热性的材料如AlN、Al2O3、BN、塑料、陶瓷或金刚石构成。布线42和43优选由具有小布线电阻和对于可见光束的小吸收因子的薄膜或厚膜布线构成，例如Au、Ag、Cu、Cu合金或W。为了增加接合能力，布线42和43可以具有镀Au层、镀Ag层、或镀Pd层，或者在布线42和43上形成焊料层。引线5优选由Au或贵金属如Pt和Au的组合制成。
[反射体的结构]
参考图1和图2，反射体6位于荧光元件3之外，并围绕基板4延伸。荧光元件3通常将光束散射在第二方向D2上。然而，由荧光元件3散射在第一方向D1上的光束被反射体6反射在第二方向D2上。
第二方向D2不同于第一方向D1。由荧光元件3散射的光束的光轴与基板4的表面相交。由基板4的表面和反射体6的反射表面形成的顺时针角度α1设定在如下表示的范围内：
90度＜α1＜180度
在第一实施例中，反射体6的角度α1在120度和150度之间。因此第二方向D2偏离基板4的表面的顺时针角度β1在如下表示的范围内：
60度＜β1＜120度
反射体6优选由具有优良导热性的材料如AlN、Al2O3、BN、塑料、陶瓷或金刚石构成，并有效地散发由于发光元件2的工作产生的热量。此外，为了正向地反射来自荧光元件3的光束，反射体6的反射表面上涂有填料、光散射剂(例如钛酸钡、氧化钛、氧化铝、氧化硅、二氧化硅、重碳酸钙、或轻碳酸钙)、Ag镀覆层或有机磷。有机磷促进有效使用光束。
在第一实施例中，反射体6独立于基板4，并利用粘合剂附装到基板4，或利用紧固件机械附装。可选地，反射体6与基板4为一整体(参考图7)。
[发光元件的第一结构]
如图3所示，发光元件2包括AlGaInN发光层(或AlGaInN有源层)205，由表示为AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)的III族氮化合物半导体构成。III族氮化合物包括2元物质AlN、GaN和InN，3元物质AlXGa1-XN、AlXIn1-XN和GaXIn1-XN(0＜X＜1)以及包含所有上述元素的4元物质。此外，III族氮化合物半导体的一部分物质可以由B、Tl等替代。此外，上述半导体的一部分N可以由P、As、Sb、Bi等替代。
发光元件2由顺序层叠的蓝宝石衬底201、AlGaInN缓冲层202、n型AlGaInN接触层203、n型AlGaInN覆层204、AlGaInN发光层205、p型AlGaInN覆层206以及p型AlGaInN接触层207构成。在n型AlGaInN接触层203上设置n型电极(第一主电极)208，以及在p型AlGaInN接触层207上设置p型电极(第二主电极)209。
[发光元件的第二结构]
可选地，发光元件2可以是具有MgZnO发光层(或MgZnO有源层)214的激光二极管、超辐射二极管，或向前发送紫外光束的发光二极管。参考图4。详细地，MgZnO是MgXZn1-XO(0≤X≤1)。具体地，发光元件2可以由顺序层叠的蓝宝石衬底211、ZnO缓冲层212、p型MgZnO层213、MgZnO发光层214以及n型MgZnO层215构成。通过ITO电极层216在p型MgZnO层213上设置金属电极(第一主电极)217。此外，通过ITO电极层218在n型MgZnO层215上设置金属电极(第二主电极)219。
[荧光元件的结构]
在第一实施例中，荧光元件3由基质(或基体材料)构成。
基质可以是具有高光导率并耐热的聚硅氧烷树脂、环氧树脂、尿素树脂、碳氟树脂、丙烯酸树脂、或聚酰亚胺树脂。特别地，最优选环氧树脂和聚硅氧烷树脂，因为它们容易获得，容易处理，并不昂贵。可选地，基质可以是陶瓷结构等，其中结合玻璃、烧结体、YAG(钇铝石榴石)以及Al2O3。
在第一实施例中的荧光材料包括Sr、Ba和Ca、以及O或N、以及Si和Er中的任何一种。可选地，荧光材料可以是Sr、Ba和Ca、以及Mg或Al、以及Ce或Eu、以及O或N、以及Si中的任何一种。换句话说，荧光材料可以由条目(1)至条目(10)中列出的物质构成。
(1)硅酸盐荧光材料：(Sr1-X-Y-ZBaXCaYEuZ)2SiWO2+2W(0≤X＜1，0≤Y＜1，0.05≤Z≤0.2，以及0.90≤W≤1.10)
最优选X＝0.19，Y＝0，Z＝0.05，以及W＝1.0。
(2)硅酸盐荧光材料：(Sr1-X-Y-ZBaXCaYEuZ)2SiO4(0≤X＜1，0≤Y＜1.0，以及0.05≤Z≤0.2)
Sr、Ba或Ca可被Mg或Zn替代，以稳定晶体结构并提高硅酸盐荧光材料的发光强度。此外，为了控制发光颜色，部分Si可被Ge替代(例如(Sr1-X-Y-ZBaXCaYEuZ)2(Si1-UGeU)O4)。
(3)铝酸盐荧光材料：(M1-XEuX)(M’1-YMnY)Al10O17
在铝酸盐荧光材料中，M是Ba、Sr或Ca，以及M’是Mg或Zn。成分比率满足范围0＜X＜1，以及0≤Y＜0.05。
(4)铝酸盐盐荧光材料：(M3-YM’Y)Al16O27
在铝酸盐荧光材料中，M是Ba、Sr或Ca，以及M’是Mg、Zn、Eu或Mn。
(5)氮化物荧光材料(主要是氮化硅荧光材料)：LXSiYN(2/3X+4/3Y):Eu或LXSiYOZN(2/3X+4/3Y-2/3Z):Eu
L是Sr或Ca，或者Sr和Ca。在通用公式中，优选X＝2并且Y＝5，或X＝1并且Y＝7。可选地，X和Y可以是任选值。特别地，基本构成是加入Mn的荧光材料，例如，(SrXCa1-X)2Si5N8:Eu(0＜X＜1)、Sr2Si5N8:Eu、Ca2Si5N8:Eu、SrXCa1-XSi7N10:Eu(0＜X＜1)、SrSi7N10:Eu、以及CaSi7N10:Eu。在上述构成中，可以包括Mg、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr、以及Ni中的一种或多种。
下述荧光材料可利用：Sr2Si5N8:Eu，Pr、Ba2Si5N8:Eu，Pr、Mg2Si5N8:Eu，Pr、Zn2Si5N8:Eu，Pr、SrSi7N10:Eu，Pr、BaSi7N10:Eu，Ce、MgSi7N10:Eu，Ce、ZnSi7N10:Eu，Ce、Sr2Ge5N8:Eu，Pr、Ba2Ge5N8:Eu，Pr、Mg2Ge5N8:Eu，Pr、Zn 2Ge5N8:Eu，Pr、SrGe7N10:Eu，Ce、BaGe7N10:Eu，Pr、MgGe7N10:Eu，Pr、ZnGe7N10:Eu，Ce、Sr1.8Ca0.2Si5N8:Eu，Pr、Ba1.8Ca0.2Si5N8:Eu，Ce、Mg1.8Ca0.2Si5N8:Eu，Pr、Zn1.8Ca0.2Si5N8:Eu，Ce、Sr0.8Ca0.2Si7N10:Eu，La、Ba0.8Ca0.2Si7N10:Eu，La、Mg0.8Ca0.2Si7N10:Eu，Nd、Zn0.8Ca0.2Si7N10:Eu，Nd、Sr0.8Ca0.2Ge7N10:Eu，Tb、Ba0.8Ca0.2Ge7N10:Eu，Tb、Mg0.8Ca0.2Ge7N10:Eu，Pr、Zn0.8Ca0.2Ge7N10:Eu，Pr、Sr0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu，Pr、Ba0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu，Pr、Mg0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu，Y、Zn0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu，Y、Sr2Si5N8:Pr、Ba2Si5N8:Pr、Sr2Si5N8:Tb、BaGe7N10:Ce等。
(6)硫化物荧光材料：(Zn1-X，CdX)S:Cu，Al(其中0≤X≤0.30)、(Zn1-X，CdX)S:Cu，Cl(其中0≤X≤0.30)、(Zn1-X，CdX)S:Ag，Cl(其中0≤X≤0.90)、(Zn1-X，CdX)S:Ag，Al(其中0≤X≤0.90)、ZnS:Au，Cu，Al、ZnS:Ag，Cu、ZnS:Ag，Fe，Al、ZnS:Cu，Ag，Cl、ZnS:Tm、ZnS:Pb，Cu、ZnS:Zn、ZnS:Zn，Ga、Zn(S1-X，SeX):Ag、(Zn1-X，CdX)S:Ag，Ni、(Zn1-X，CdX)S:Au，Ag，Al、ZnS:Cu，Au，Al、(Zn1-X，CdX)S:Au，Al、(Zn1-X，CdX)S:Au，Cu，Al、(Zn1-X，CdX)S:Ag，Ni。
(7)氧硫化物荧光材料：(Ln1-XEuX)O2S
Ln是Sc、Y、La或Gd，并且成分比率满足0≤X≤1。
(8)YAG类荧光材料：(Y1-X-Y-Z，GdX，LaY，SmZ)3(Al1-V，GaV)5O12:Ce，Eu(其中0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，0≤V≤1)。
(9)磷酸盐硼酸盐荧光材料：2(M1-X，M’X)O·aP2O5·bB2O3
在这种情况下，M是Mg、Ca、Sr、Ba或Zn，并且M’是Eu、Mn、Sn、Fe或Cr。成分比率的范围在0.001≤X≤0.5，0≤a≤2.0，0≤b≤3，0.3＜a+b。
(10)卤代磷酸盐荧光材料：(M1-XEuX)10(PO4)6Cl2或(M1-XEuX)5(PO4)3Cl
在这种情况下，M是Ba、Sr、Ca、或Mg。成分比率在0≤X≤1的范围内。
也可以利用在条目(11)至(14)中的发射下列颜色(蓝色、黄色、绿色、红色和白色)的荧光材料。在上述条目(1)和(2)中的硅酸盐荧光材料也可用作黄色荧光材料。
(11)蓝色荧光材料：Sr3(PO4)2:Eu、(Sr，Mg)2P2O7:Eu、Sr2P2O7:Eu、Sr2P2O7:Sn、Ba2P2O7:Ti、(Sr，Mg)3(PO4)2:Cu、(Sr，Ca)10(PO4)6Cl2B2O3:Eu、(Ba，Mg)Si2O5:Eu、(Sr，Ba)Al2Si2O8:Eu、Sr2Si3O8·2SrCl2:Eu、Ba3MgSi2O8:Eu、Zn2SiO4:Ti、BaAl8O13:Eu、BaMg2Al16O27:Eu，Mn、CaAl2O4:Eu，Nd、Sr4Al14O25:Eu、SrMgAl10O17:Eu、BaMgAl10O17:Eu、SrAl4O7:Eu，Dy、Sr4Al14O25:Eu，Dy、CaWO4、CaWO4:Pb、MgWO4、ZnGa2O4、Y2SiO5:M1(其中M1是Tm或Ce)、(Ca，Mg)SiO3:Ti、CaF2:Eu、M22O2S:Tm(其中M2是Y、La、Gd或Lu)、M2OX:Ce(其中M2是Y、La、Gd或Lu，并且X是Br或Cr)。(M2，M3)TaO4:Nb(其中M2是Y、La、Gd或Lu，并且M3是Mg、Ca、Sr或Ba)。
(12)绿色荧光材料：BaMg2Al16O27:Eu、BaAl12O19:Mn、Ca10(PO4)6F2:Sb，Mn、CeMgAl11O19:Tb、GdMgB5O10:Ce，Tb、La2O3·0.2SiO2·0.9P2O5:Ce，Tb、MgAl11O19:Ce，Tb，Mn、MgGa2O4:Mn、SrAl2O4:Eu、SrAl2O4:Eu，Dy、Y2O3·Al2O3:Tb、Y2SiO5:Ce，Tb、YBO3:Tb、Zn2GeO4:Mn、Sr5(PO4)3F:Sb、BaMg2Al16O27:Eu，Mn、ZnO:Zn、M22O2S:Tb(其中M2是Y、La、Gd或Lu)、M22O2S:Pr(其中M2是Y、La、Gd或Lu)、M2OX:Tb(其中M2是Y、La、Gd或Lu，以及X是Br或Cr)、InBO3:Tb、Li5Zn8Al5(GeO4)4:Mn、SrGa2S4:Eu、Y2(Si，Ge)O5:Tb、Y2SiO5:Pr、Y2SiO5:Tb、Y3Al5O12:Cr，Tb、Y3(Al，Ga)5O12:Tb、Y3Al5O12:Tb、YF3:Er、Zn2SiO4:Mn、Zn2SiO4:Mn，Al、Zn2SiO4:Mn，As、(M2，M3)TaO4:Tb(其中M2是Y、La、Gd或Lu，以及M3是Mg、Ca、Sr或Ba)。
(13)红色荧光材料：M2BO3:Eu(其中M2是Y、La、Gd或Lu)、(Sr，Mg)3(PO4)2:Sn、Mg6As2O11:Mn、CaSiO3:Pb，Mn、Cd2B2O5:Mn、YVO4:Eu、(Ca，Zn，Mg)3(PO4)2:Sn、(Ce，Gd，Tb)MgB5O10:Mn、Mg4FGeO6:Mn、Mg4F(Ge，Si)O6:Mn、SrTiO3:Pr，Al、CaTiO3:Eu、Gd2O3:Eu、(Gd，M4)2O3:Eu(其中M4是Y、La或Lu)、M22O2S:Eu，Mg，M5(其中M2是Y、La、Gd或Lu，以及M5是Ti、Nb、Ta或Ga)、MgF2:Mn、(KF，MgF2):Mn、(Zn，Be)2SiO4:Mn、Zn3(PO4)2:Mn、(Zn，Ca)3(PO4)2:Mn、(Zn，Mg)F2:Mn、CaSiO3:Pb，Mn、Cd5Cl(PO4)3:Mn、InBO3:Eu、MgGeO4:Mn、MgSiO3:Mn、SnO2:Eu、YVO4:Eu、ZrO2:Eu、(M2，M3)TaO4:Eu(其中M2是Y、La、Gd或Lu，以及M3是Mg、Ca、Sr或Ba)。
(14)白色荧光材料：3Ca3(PO4)2·Ca(F，Cl)2:Sb、YVO4:Dy、Y2O2S:Tb，Sm。
通过混合多种上述荧光材料来制备其它颜色。例如，可以通过混合对应于RGB的染料化合物以形成基体荧光材料，或通过混合上述染料化合物，来制备白光荧光材料。
在第一实施例中，荧光元件3在荧光基体中包含20wt％或更多荧光材料，从而荧光元件3不传输来自发光元件2的光束。具体地，荧光元件3在荧光树脂基体中包含50wt％或更多的硅酸盐荧光材料，从而防止来自发光元件2的光束被传输。此外，荧光材料是具有20nm或更大的直径并确保高光强度和高光发射效率的颗粒。
[制造荧光元件的第一方法]
在图5中所示的荧光元件3具有矩形截面，并容易通过在基板4上模制包含荧光材料的荧光基体形成。
可选地，荧光元件3可以通过模制工艺预先制备，并可利用树脂粘合剂机械附装在基板4上，该树脂粘合剂的成分与荧光基体的成分类似。
[制造荧光元件的第二方法]
参考图6，荧光元件3具有抛物线形截面，并包括吸收来自发光元件2的直射光束的光吸收区域3A，以及将光束散射在第二方向D2(光出射方向)上的光散射区域3B。光散射区域3B大于光吸收区域3A，其有效地增加了出射光束的量。来自发光元件2的直射光束照射到光吸收区域3A上。光吸收区域3A在荧光元件3的下部，并与基板4接触。光散射区域3B在光吸收区域3A的顶部。
抛物线形荧光元件3如下制成。首先，在基板4的表面上设置发光元件2(参见图1和图2)。发光元件2的第一主电极电连接到基板4的布线42，以及第二主电极利用引线5电连接到布线43。之后，测试并确认发光元件2的发光性能。然后，利用分配器(dispenser)将包含荧光材料的荧光基体滴在基板4上，并将其立即固化，从而完成荧光元件3。通过调整制造调节如粘度、表面张力和重力使荧光元件3成为抛物线形。
[发光元件的光发射]
当将致动电压施加在发光元件2的第一和第二主电极之间时，光束在第一方向D1上从发光层(例如图3所示的AlGaInN发光层205)发射，照射到荧光元件3，并被荧光元件3吸收。荧光元件3被吸收的光束激发，并将光束散射在第二方向D2上。由荧光元件3散射的光束被反射体6反射在第二方向D2上。
第一实施例的荧光元件3设计为不传输来自发光元件2的光束，从而没有高能量光束将在第二方向D2上发射。
[第一实施例的实例]
在第一实施例的实例中的每个半导体发光装置1中，基板4包括反射部分46(相当于反射体6)作为其整体部分，即基板4的形状为AlN杯形，并容易通过模制工艺形成。具有InAlGaN发光层的发光元件2安置在基板4上。InAlGaN发光层发射蓝色激光束。基板4的布线42利用引线5电连接到发光元件2，从而在基板4上形成荧光元件3。荧光元件3由作为荧光基体的聚硅氧烷树脂构成。荧光基体包含75wt％的用于三种光基色的三种荧光材料。蓝色荧光材料是(Sr，Ca，Ba)10(PO4)6Cl2:Eu。绿色荧光材料是3(Ba，Mg)O，8Al2O3:Eu，Mn。红色荧光材料是La2O2S:Eu。利用分配器将荧光基体滴在加热到120℃的基板4上，将其固化，并最后成为抛物线形。
将工作电压施加在发光元件2的主电极之间，从而发光元件2在第一方向D1上发射激光束。激光束照射到荧光元件3上，其将白光束散射在第二方向D2上。
[第一修改实例]
在该实例中，荧光元件3的截面如图8和图9所示。然而，基板4与图7所示的相同。
图8中的荧光元件3是反U形，而图9中的荧光元件3是铅笔形。在任一情况下，设计的光散射区域3B比较大。上述荧光元件3可以容易地模制。
[第二修改实例]
参考图10，荧光元件3的截面是四分之一扇形，而图11中的荧光元件3的形状为倒梯形。增大荧光元件3上的光散射区域3B的表面，以增加散射的光束的量。此外，荧光元件3在反射部分46上延伸，并覆盖由发光元件2发射的光束的光路。这对加长光路有效，通过该光路光束被吸收，并防止光束的泄漏。此外，荧光元件3与反射部分46接触，从而反射部分46用作阻挡物(即模型)。这有利于通过利用分配器点滴材料形成荧光元件3。
[第三修改实例]
在图12中，荧光元件3具有三角形截面。在图13中，荧光元件3具有四分之一扇形截面。在图14中的荧光元件3具有三角形和矩形截面。在每种情况下，荧光元件3具有增加的光散射区域3B，以增加散射的光束的量。此外，在第一方向D1上延伸的光吸收区域3A的一部分加厚，以加长吸收光束的光路并减少光束泄漏。
[第四修改实例]
参考图15和图16，荧光元件3具有倒梯形截面。图17的荧光元件3具有扇形截面，而图18的荧光元件3具有三角形截面。所有这些荧光元件3设计为具有大的光散射区域3B，从而增加散射的光束的量。此外，在荧光元件3的光吸收区域3A的表面和基板4的表面之间形成小锐角。这允许从发光元件2发射并在荧光元件3上反射的光束被导向基板4的表面。因此，可以防止在荧光元件3上反射的光束的泄漏。
[第一实施例的优点]
在第一实施例的半导体发光装置中，来自发光元件2的高能量激发的光束散射在与第二方向D2不同的第一方向D1上，在第二方向D2上接收来自荧光元件3的光束。由荧光元件3吸收所有高能量光束，荧光元件3是波长变换材料。这能够使用来自发光元件2的所有高能量激发的光束，并允许荧光元件3散射具有大输出和高亮度的光束。
半导体发光装置1具有简单的结构，其调整来自发光元件2的高能量激发光束的方向和由荧光元件3散射的光束的方向。这对于降低元件个数和促进小型化很有效。
(第二实施例)
第二实施例的半导体发光装置1基本类似于第一实施例的半导体发光装置，除了设计为改善光泄漏防止功能和散热功能。
参考图19，半导体发光装置1具有在发光元件2和荧光元件3之间限定的空间，以及在发光元件2上的散热器10。该空间有效散发由发光元件2的工作产生的热量。类似地，散热器10有效地散发热量。散热器10具有面对基板4的背面，以及具有散热片以提高散热的正面。
散热器10由具有高热导率和高反射能力的材料如AlN、BN、Al、Cu、Al合金(例如Al-Si合金)、Si、或金刚石构成。发光元件2和散热器10利用由AuSn、Sn、PbSn和Ag构成的导热粘合剂机械固定。具有高反射能力的散热器10可以减少经过它的光束的量，从而有效防止光束的泄漏。
(第三实施例)
在第三实施例中，半导体发光装置1具有多芯片模块结构。第三实施例的反射部分47基本类似于反射体6或在第一或第二实施例中的反射部分46。
[多芯片模块结构]
参考图20和21，半导体发光装置1包括在基板4的中心上安置的四个发光元件21至24，以及围绕基板4延伸的环形荧光元件3。发光元件21至24放射状地向基板4的边缘(在第一方向D1上)发射光束。
假设发光元件21在第一方向D1上以参考角度(即0度)发射光束。由发光元件22发射的光束与参考角度偏离90度。由发光元件23发射的光束与参考角度偏离180度。此外，由发光元件24发射的光束与参考角度偏离270度。
半导体发光装置1还包括在由环形荧光元件3、基板4和发光元件21至24的内边缘限定的空间上方延伸的遮蔽体11。遮蔽体11防止由发光元件21至24发射的光束的泄漏。遮蔽体11由与图19所示的散热器10的材料类似的材料构成。
在第三实施例中使用四个发光元件21至24。然而，发光元件的数量可选，例如可使用二、三、五或更多个发光元件。
[反射部分(或反射体)的结构]
在第三实施例中，反射部分47存在于基板4上并与基板4为一整体，如图20、图21和图22所示。反射部分47本身类似于在图7中所示的反射部分46。反射部分47的反射表面470面对发光元件2，垂直于基板4，并反射经过荧光元件3的光吸收区域3A的光束，而没有在它们的入射角和反射角之间产生任何差别。反射表面470还反射由荧光元件3发射的光束，而没有在它们的入射角和反射角之间产生任何差别。
换句话说，反射表面470能够使荧光元件3再吸收经过荧光元件3并由荧光元件3发射的光束。这有效提高荧光元件3的光吸收因子，并有效防止经过荧光元件3的高能量光束的泄漏。
在第三实施例中，反射部分47与基板4为一整体。可选地，反射部分47可以是与基板4分离的反射体6。反射体6安置在基板4上，其反射表面与基板4垂直。此外，反射部分47可以是第一至第三修改实例中的任何反射部分或反射体。
[第一修改实例]
在第一修改实例中，第一半导体发光装置1包括为一整体的基板4和反射部分48。参考图23。反射部分48具有面对荧光元件3的光散射区域3B的第一反射表面，以及面对荧光元件3的光吸收区域3A的第二反射表面482。
第二反射表面482垂直于基板4，类似于图22中所示的反射部分47的反射表面470。简言之，第二反射表面482将经过光吸收区域3A或由荧光元件3散射的光束再反射到荧光元件3。
第一反射表面481以与基板4的特定角度倾斜，类似于在图8至图18中所示的反射部分46的反射表面。简言之，第一反射表面481将光束从荧光元件3的发光区域3B反射在第二方向D2上。
[第二修改实例]
在该修改实例中，基板4包括模制为其整体部分的反射部分48，如图24所示。反射部分48具有相对于基板4倾斜小于90度的角度α1的反射表面483。例如，角度α1为45度＜α1＜90度。
反射表面483将经过荧光元件3的光吸收区域3A和光散射区域3B并由这两个区域散射的光束再反射到荧光元件3和基板4。简言之，反射表面483积极地防止经过荧光元件3的光束的泄漏。
[第三修改实例]
参考图25，基板4包括模制为其整体部分的反射部分48。反射部分48具有第一反射表面481和第二反射表面483。第一反射表面481面对荧光元件3的光散射区域3B，而第二反射表面483面对荧光元件3的光吸收区域3A。
第二反射表面483以锐角α1面对基板4，类似于图24所示的反射表面483。简言之，第二反射表面483将经过荧光元件3的光吸收区域3A的光束或由荧光元件3发射的光束再反射到荧光元件3和基板4。
第一反射表面481以钝角面对基板4，类似于图23所示的反射表面481。简言之，第一反射表面481将光束从荧光元件3的发光区域3B反射在第二方向D2上。
(第四实施例)
在该实施例中，在基板4上重新定位发光元件2和荧光元件3。参考图26，发光元件2设置在基板4的边缘附近，而荧光元件3设置在基板4的中心。发光元件2在第一方向D1上向基板4的中心发射光束。光束被荧光元件3吸收，其将受激光束散射在第二方向D2上。在此情况下，第二方向D2向上延伸。
荧光元件3是圆柱形，但未示出。可选地，荧光元件3可以是抛物线形或圆锥形，或可以是倒U形或铅笔形。在图26和图27至图29中省略了(图1的)反射体6和(图7的)发射部分46。
在图27中所示的半导体发光装置1包括三棱柱形的荧光元件3，其位于基板4上。半导体发光装置1的其它结构与图26的半导体发光装置1结构类似。可选地，荧光元件3可以是三棱锥形。
(第五实施例)
在该实施例中，半导体发光装置1包括散射元件7。
参考图28，在基板4的边缘附近设置发光元件2，围绕基板4的边缘设置荧光元件3，并在基板4的中心设置散射元件7。
发光元件2在第一方向D1上向散射元件7发射光束。荧光元件3是环形，除了与从发光元件2到散射元件7的光束的路径对应的部分。可选地，散射元件7可以是三角形、三棱锥形或倒三棱锥形。
在第一方向D1上从发光元件2输出的光束照射到散射元件7，其均匀地将照射的光束散射到荧光元件3的内表面。荧光元件3吸收散射的光束，其在第二方向D2上发射受激光束。第二方向D2在绘图的平面上向上延伸。换句话说，散射元件7均匀地将光束从发光元件2散射到荧光元件3。这有效地增大了荧光元件3的激发比率。
如图29所示，荧光元件3的形状为完整的环形，并可以使与光路对应的部分的荧光元件3变薄。荧光元件3使光束在第一方向D1上输出，并使光束从发光元件2输出，并照射到散射元件7。
(第六实施例)
在第六实施例中，半导体发光装置1包括在基板上重新定位的发光元件2和散射元件7(示于图29)，如图30所示。具体地，发光元件2位于基板4的中心，环形荧光元件3设置在基板的边缘附近，反射部分47围绕基板上的荧光元件3设置，以及两个光散射元件7位于荧光元件3的边缘。发光元件2在相互偏离180度的第一方向D1上发射光束。两个光散射元件7位于由发光元件2发射的光束的目的地。光散射元件7的形状为三棱柱形，但是可以具有任何形状。
在第一方向D1上由发光元件2发射的光束照射到荧光元件3，其散射受激光束。此外，经过荧光元件3的来自发光元件2的光束被散射元件7散射，并均匀地再照射到荧光元件3。荧光元件3散射受激光束。由发光元件2发射，经过荧光元件3，并被散射元件7和反射部分47散射的光束均匀地返回到环形荧光元件3。这有效增加了荧光元件3对受激光束的转换效率。此外，根据荧光元件3的形状，光束是圆形或环形。
在第六实施例中，反射部分47与基板4为一整体，从而如果没有提供光散射元件7，反射部分47可以有效反射来自荧光元件3的光束。
(第七实施例)
根据第七实施例，反射部分47(或反射体)也用作散射元件7。
参考图31，发光元件2位于基板4的中心，四个四分之一环形荧光元件3沿基板4的边缘设置，以及四个反射部分47设置在基板4的边缘附近用于四个荧光元件3。在该实施例中，发光元件2在相互偏离180度的第一方向D1上发射光束。四个荧光元件3的两个位于与由发光元件2发射的光束的路径一致的区域中。上述区域相互相反180度。其余两个荧光元件3与上述两个荧光元件3各偏离90度设置。换句话说，四个荧光元件3围绕发光元件2偏离90度设置。
直接反射来自发光元件2的光束的每个反射部分471的每个反射(内)表面，例如相对于第一方向D1倾斜67.5度(或112.5度)。简言之，反射部分471将光束反射到顺时针设置的下一个相邻的荧光元件3和反射部分472。反射的光束又被光反射部分472反射到下一个相邻的荧光元件3和反射部分471。反射部分472的反射表面与基板4的法线成90度。
在半导体发光装置1中，在第一方向D1上由发光元件2反射的光束照射到荧光元件3，荧光元件3散射受激光束。此外，经过荧光元件3的光束被反射部分471反射到下一个相邻的荧光元件3和反射部分472。此外，光束被反射部分472反射到下一个相邻的荧光元件3和反射部分471。换句话说，每次反射部分471和472重复反射光束时，它们都散射受激光束。这有效提高光转换比率。
发光元件2优选发射放射状和环形光束。
(第八实施例)
该实施例的基板4具有不同的外形。参考图32，基板4是矩形，并包括位于其中心的发光元件2，以及沿其短边的两个荧光元件3。此外，基板4包括围绕其边缘延伸并为一整体的反射部分47。基板4和反射部分47的四个角被倒角。在该实施例中，谐振腔发光二极管(RCLED)用作发光元件2。
在第一方向D1上由发光元件2发射的光束照射到荧光元件3，荧光元件3将受激光束散射在第二方向D2上(向上)。
(第九实施例)
该实施例旨在减小第八实施例的半导体发光装置1的尺寸。
参考图33和34，半导体发光装置1包括尺寸比第八实施例的基板4小的基板4。具体地，尽可能近地设置荧光元件3和反射部分47。此外，基板4具有在发光元件2上方延伸并到达荧光元件3的盖12。为了减小半导体发光装置1的尺寸，需要优化由发光元件2发射的光束。为此，盖12由具有例如闪烁(scintillation)效应的Er络合物构成。
(第十实施例)
在该实施例中，进一步减小第九实施例的半导体发光装置1的尺寸。
在该实施例中，基板4的尺寸小于第九实施例的基板的尺寸，如图35所示。沿基板4的一个短边设置发光元件2，并沿另一短边设置荧光元件3。简言之，发光元件2仅在一个方向上发射光束。光束被荧光元件3吸收，荧光元件3将受激光束散射在向上的第二方向D2上。
与对中地围绕基板4设置两个荧光元件3的情况相比，发光元件2和荧光元件3的上述布置可以将基板4缩减一半。
(第十一实施例)
在该实施例中，半导体发光装置1包括面发射型发光元件2，代替第十实施例中的发光元件2，如图36所示。受激光束被荧光元件3散射在第二方向D2上(图36中从右到左)。垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)用作发光元件2。
参考图37，面发射半导体激光器由顺序层叠的n型GaAs衬底221、多层反射镜(DBR)222、有源层(MOW)223以及p型多层反射镜(DBR)224构成。n型电极225设置在n型GaAs衬底221上，以及p型电极227设置在p型多层反射镜224上。
该实施例的半导体发光装置1可以减小其尺寸，类似于第十实施例的半导体发光装置1。
除了在第十一实施例中提到的之外，面发射型发光元件2可以是任何类型。此外，面发射型发光元件2也可以用于第一至第十实施例的半导体发光装置1。
(其它实施例)
本发明不仅可以用于上述实施例，而且可以用于通用照明装置，用于商业用途例如电视系统或个人计算机的照明装置的背景灯，用于车辆、自行车等的照明装置。

Claims (17)

1.一种半导体发光装置，包括：
基板；
半导体发光元件，设置在所述基板上，且仅仅在所述半导体发光元件的发光方向上发射紫外范围和可见范围内的光束，所述发光方向平行于所述基板的表面，所述半导体发光元件为激光二极管；
荧光元件，设置在所述基板上，吸收从所述半导体发光元件发射的所述光束，并在光出射方向上输出可见光束，所述光出射方向不同于所述发光方向；以及
散热器，设置在所述半导体发光元件的与所述基板相对的表面上，所述散热器具有反射能力，以减少从所述半导体发光元件发射的穿过所述散热器的光束的量，
其中在所述荧光元件内吸收从所述发光元件发射的所述光束的大部分，以防止所述光束在所述光出射方向上发射。
2.根据权利要求1的半导体发光装置，还包括反射体，其将来自所述荧光元件的所述可见光束反射在所述光出射方向上。
3.根据权利要求1的半导体发光装置，其中所述基板包括向所述半导体发光元件提供电力的布线。
4.根据权利要求1的半导体发光装置，其中所述荧光元件不仅具有光吸收区域，而且具有光散射区域，来自所述半导体发光元件的直射光束照射到所述光吸收区域，以及在所述光散射区域将所述可见光束输出在所述光出射方向；以及所述光散射区域大于所述光吸收区域。
5.根据权利要求3的半导体发光装置，其中所述荧光元件将所述可见光束输出在与所述基板表面交叉的所述光出射方向。
6.根据权利要求1的半导体发光装置，其中所述半导体发光元件具有AlXGaYIn1-X-YN发光层，其中0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1，或者具有MgXZn1-XO发光层，其中0≤X≤1。
7.根据权利要求1的半导体发光装置，其中所述半导体发光元件是在两个或多个不同方向上发射光束的边缘发光激光二极管、圆形发射激光器或面发射激光二极管。
8.根据权利要求1的半导体发光装置，其中所述荧光元件包括基质和在所述基质中包含的荧光材料，所述基质包括光传输树脂、玻璃、烧结材料或陶瓷。
9.根据权利要求1的半导体发光装置，其中所述荧光元件具有矩形、抛物线形、字母U形、铅笔形、扇形、梯形或三角形截面。
10.根据权利要求8的半导体发光装置，其中所述荧光材料是如下的任何一种材料：硅酸盐荧光材料、铝酸盐荧光材料、氮化物荧光材料、硫化物荧光材料、氧硫化物荧光材料、YAG荧光材料、磷酸盐硼酸盐荧光材料、以及卤代磷酸盐荧光材料。
11.根据权利要求8的半导体发光装置，其中所述荧光材料是蓝色荧光材料、绿色荧光材料、黄色荧光材料、红色荧光材料、或白色荧光材料。
12.根据权利要求8的半导体发光装置，其中所述荧光元件在所述基质中包含20wt％或更多的荧光材料。
13.根据权利要求8的半导体发光装置，其中所述荧光元件在所述基质中包含50wt％或更多的硅酸盐材料。
14.根据权利要求2的半导体发光装置，其中所述反射体包括由AlN、Al2O3、BN、塑料、陶瓷或金刚石构成的反射基体材料，以及具有光反射或吸收功能的覆层。
15.根据权利要求1的半导体发光装置，其中所述散热器覆盖所述半导体发光元件和所述荧光元件之间的空间，并防止由所述半导体发光元件发射的所述光束的泄漏。
16.根据权利要求1的半导体发光装置，还包括散射元件，其将来自所述半导体发光元件的所述光束散射到所述荧光元件。
17.一种半导体发光装置，包括：
基板；
半导体发光元件，设置在所述基板上，且仅仅在所述半导体发光元件的发光方向上发射紫外范围和可见范围内的光束，所述发光方向平行于所述基板的表面，所述半导体发光元件为激光二极管；
荧光元件，设置在所述基板上，吸收从所述半导体发光元件发射的所述光束，并在光出射方向上输出可见光束，所述光出射方向不同于所述发光方向；以及
光遮蔽体，设置在所述半导体发光元件上方，覆盖所述半导体发光元件和所述荧光元件之间的空间，并且被配置为防止从所述半导体发光元件发射的所述光束的泄漏，所述光遮蔽体具有反射能力，以减少从所述半导体发光元件发射的穿过所述光遮蔽体的光束的量，
其中在所述荧光元件内吸收从所述发光元件发射的所述光束的大部分，以防止所述光束在所述光出射方向上发射。
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