CN100568552C - 具有带光致发光材料的光子晶体层的发光设备及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光设备及其制造方法，其利用在光源之上的具有嵌入光致发光材料的光子晶体层。具有嵌入光致发光材料的光子晶体层可以用于不同类型的发光设备，例如具有或没有反射器杯状部分的引线框安装发光二极管(LED)和表面安装LED。
Description
技术领域
本发明涉及具有带嵌入光致发光材料的光子晶体层的发光设备及制造该设备的方法。
背景技术
现有的发光二极管(“LED”)可以发出在紫外(“UV”)、可见或红外(“IR”)波长范围内的光。这些LED一般具有窄的发射光谱(约+/-10nm)。作为示例，蓝色InGaN LED可以产生波长为470nm+/-10nm的光。作为另一示例，绿色InGaN LED可以产生波长为510nm+/-10nm的光。作为另一示例，红色AlInGaP LED可以产生波长为630nm+/-10nm的光。
但是，在某些应用中，期望使用可以产生更宽发射光谱的LED，以得到所期望颜色的光，如白光。由于窄带发射特性，这些单色LED无法直接用来产生宽光谱颜色光。相反，单色LED的输出光必须与其他一种或多种不同波长的光混和以产生宽光谱颜色光。这可以将一种或多种荧光材料引入单色LED的封装，以将部分初始的光通过荧光转化成更长波长的光而实现。这种LED在此将被称为荧光LED。初始光和转化光的结合产生了宽光谱颜色光，其可以从荧光LED作为输出光发出。用来制造产生宽光谱颜色光的荧光LED的最常用荧光材料是由磷光体制成的荧光粒子，所述磷光体例如是石榴石基磷光体、硅酸盐基磷光体、原硅酸盐基磷光体、硫化物基磷光体、硫代镓酸盐基磷光体和氮化物基磷光体。这些磷光体粒子通常与用来形成荧光LED封装的透明材料混和，以使从荧光LED的半导体管芯发出的初始光可以在荧光LED的封装内被转化而产生所期望的输出光。
传统荧光LED的一个问题是从半导体管芯产生的大量光由于在半导体管芯和荧光封装之间的界面处的反射而损耗，这减小了总的LED光输出。在管芯/封装界面处的反射部分是由于界面处折射率不匹配造成的。
考虑到该问题，需要一种设备和方法，用于从例如LED半导体管芯的光源以增大的光提取发射光。
发明内容
一种发光设备及其制造方法利用在光源之上的具有嵌入光致发光材料的光子晶体层。光子晶体层用来提高从光源的光提取。具有嵌入光致发光材料的光子晶体层可以用于不同类型的发光设备，例如具有或没有反射器杯状部分的引线框安装发光二极管(LED)和表面安装LED。
根据本发明一个实施例的发光设备包括光源、位于所述光源之上的光子晶体层、和嵌入所述光子晶体层内的光致发光材料。
根据本发明一个实施例的制造发光设备的方法包括：提供光源；以及在所述光源之上形成光子晶体层，包括在所述光子晶体层内嵌入光致发光材料。
结合附图从以下作为示例解释本发明原理的详细说明，本发明的其他方面和优点将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明实施例的具有反射器杯状部分的引线框安装发光二极管(LED)的视图。
图2图示了在传统LED的LED管芯和封装之间的界面处反射的光，这部分是由于界面处折射率不匹配造成的。
图3是在根据本发明实施例的图1的LED中所包括的光子晶体层的放大视图。
图4是根据本发明实施例覆盖有涂层材料的量子点的视图，该量子点可以嵌入图2的光子晶体层中。
图5A-5C图示了根据本发明实施例制造图1的LED的过程。
图6是根据本发明实施例没有反射器杯状部分的引线框安装LED的视图。
图7是根据本发明实施例有反射器杯状部分的表面安装LED的视图。
图8是根据本发明实施例没有反射器杯状部分的表面安装LED的视图。
图9是根据本发明实施例用于制造例如LED的发光设备的方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，描述根据本发明实施例的引线框安装发光二极管(LED)100。LED 100包括LED管芯102、引线框104和106、键合线108、三维(3-D)光子晶体层110和封装112。如下面更详细描述的，光子晶体层110提高了来自LED管芯102的光提取，这就增大了LED 100的光输出。
LED管芯102是产生特定峰值波长的光的半导体芯片。于是，LED管芯102是LED 100的光源。虽然LED 100在图1中示为仅仅具有单个LED管芯，但是LED可以包括多个LED管芯。LED管芯102可以是紫外LED管芯或蓝色LED管芯。作为示例，LED管芯102可以是发出蓝光的GaN基LED管芯。LED管芯102包括活性区域114和上层116。当LED管芯102被激活时，在LED管芯的活性区域114中产生光。然后很多所产生的光通过LED管芯的上层116从LED管芯102发出。作为示例，如果LED管芯102是GaN基LED管芯，则LED管芯的上层116可以是p-GaN层。LED管芯102使用粘结材料118附接或安装在引线框104的上表面上，并经由键合线108电连接到另一引线框106。引线框104和106由金属制成，并由此是导电的。引线框104和106提供驱动LED管芯102所需的电力。
在本实施例中，引线框104在上表面处包括凹入区域120，这形成了LED管芯102安装在其中的反射器杯状部分。因为LED管芯102安装在引线框104上，所以引线框104可以认为是用于LED管芯的安装结构。反射器杯状部分120的表面可以是反射性的，使得由LED管芯102产生的部分光被反射离开引线框104以从LED 100作为有用的输出光发出。
LED管芯102被封装在封装112中，封装112是用于来自LED管芯的光的传播介质。封装112包括主体部分122和输出部分124。在本实施例中，封装112的输出部分124是圆顶形的以用作透镜。于是，从LED 100作为输出光发出的光由封装112的圆顶形输出部分124会聚。但是，在其他实施例中，封装112的输出部分124可以是水平平面状的。封装112由光学透明物质制成，以使得来自LED管芯102的光可以穿过封装并从输出部分124作为输出光发出。作为示例，封装112可以由聚合物(用液体或半固体的例如单体的前驱体材料形成)、环氧化物、硅酮、玻璃或者硅酮和环氧化物的混合物制成。
如图1所示，3-D光子晶体层110位于LED管芯102的顶表面上。光子晶体层110于是位于LED管芯102和封装112之间。在本实施例中，光子晶体层110完全跨越LED管芯102的顶表面延伸，覆盖LED管芯的整个顶表面。在其他实施例中，光子晶体层110可以部分跨越LED管芯102的顶表面延伸，仅仅覆盖LED管芯的顶表面的一部分。而在另外的实施例中，光子晶体层110可以部分或完全跨越LED管芯102的一个或多个侧表面延伸。如下面更详细描述的，光子晶体层110用于限制并控制来自LED管芯102的光，以增大从LED管芯的光提取。另外，光子晶体层110用作相对于LED管芯102上层116的折射率匹配介质，这允许更多的光从LED管芯传输进入光子晶体层110，于是进一步增大了光提取。
在传统的LED中，如图2所示，LED管芯202和封装212之间的界面222处的反射率是减小来自LED管芯的光提取的重要因素。管芯/封装界面222处的反射率部分依赖于全内反射(TIR)的临界角，所述临界角界定了逃逸圆锥224。这是因为在LED管芯202的活性区域中产生的光在大于TIR临界角的入射角下不会离开折射率更高的材料，例如LED管芯的上层228，如图2中的光路230所示。另外，随着入射角接近TIR临界角，即更靠近逃逸圆锥224的边缘，反射率增大。因为在管芯/封装界面222处反射的光将很可能被LED管芯202的一个或多个内层吸收，所以管芯/封装界面处的反射率的下降将增大从LED管芯的光提取。
减小LED的管芯/封装界面处的反射率的一种技术是在LED管芯和封装之间布置折射率匹配界面层。折射率匹配界面层减小了由TIR临界角界定的逃逸圆锥内的反射并增大了TIR临界角。如下所述，在具有3-D光子晶体层110的LED 100中利用了该技术。
减小管芯/封装界面处的反射率的另一种技术是使界面粗糙化。这增加了以大于TIR临界角的角度到达粗糙表面的光逃逸的可能性，因为特定的微表面以及由此得到的逃逸圆锥相对于该光被偏移。通过使LED管芯102的上表面粗糙化可以在LED 100中利用该技术。
在LED 100中，光子晶体层110用作LED管芯102和封装112之间的折射率匹配界面层，以减小管芯/封装界面处的反射率来提高从LED管芯的光提取。于是，与没有光子晶体层相比，将有更多的光从具有光子晶体层110的LED管芯102发射出去。理想地，光子晶体层110的折射率应该等于LED管芯102的折射率。更具体而言，光子晶体层110的折射率应该等于LED管芯102的上层116的折射率，因为LED管芯的不同结构层通常具有不同的折射率。或者，光子晶体层110的折射率可以大于LED管芯102的上层116的折射率，以增大从LED管芯的光提取。虽然优选的是光子晶体层110的折射率基本上等于或大于LED管芯102的上层116的折射率，但是光子晶体层的折射率可以高于封装112的折射率，但小于LED管芯的上层的折射率，以提高从LED管芯的光提取。
3-D光子晶体层110还用作光学操纵元件以发出只沿一个方向的光，即向着封装112的输出部分124的方向，该方向垂直于LED管芯102的上表面。三维光子晶体是表现出光子带隙特性的三维周期性结构，其可用于操纵光。光子晶体层110的光学特性允许更多的光从LED管芯102向着封装的输出部分124传输进入封装112，以使得更多的光作为有用的光从LED 100发出。在一个实施例中，光子晶体层110的厚度可以约为0.5-100微米。但是，在其他实施例中，光子晶体层110可以具有不同的厚度。
现在转向图3，示出了3-D光子晶体层110的放大视图。如图3所示，光子晶体层110包括具有空洞334的结构框架332，空洞334周期性分布在整个层110中。结构框架332可以由绝缘体、半导体或金属制成。作为示例，结构框架332可以由AlGaP、TiO2、Al2O3或ZrO2材料制成。在一个实施例中，结构框架332是由单分散胶体形成的反蛋白石(invertedopal)结构。在本实施例中，结构框架332中的空洞334是球形的。光子晶体层110中球形空洞334的直径可以在纳米范围内。但是，球形空洞334可以更小或更大。光子晶体层110的空洞334包括光致发光材料336。光子晶体层110中的光致发光材料336将至少部分由LED管芯102产生的初始光转化成更长波长的光，这可以用来产生多色光，例如“白”色光。于是，从LED 100发出的输出光的颜色特性可以由光子晶体层110中所包括的光致发光材料336控制。
光子晶体层110中的光致发光材料336可以包括一种或多种非量子磷光体粒子，例如石榴石基磷光体、硅酸盐基磷光体、原硅酸盐基磷光体、硫代镓酸盐基磷光体、硫化物基磷光体或氮化物基磷光体。作为示例，非量子磷光体粒子可以由YAG、TAG、ZnSe、ZnS、ZnSeS、CaS、SrGa2S4、BaGa4S7或BaMg2Al16O27制成。或者，光子晶体层110中的光致发光材料336可以包括一种或多种量子点。也称为半导体纳米晶体的量子点是约束电子和空穴的人工制造的器件。量子点的典型尺寸的范围从几纳米到几个微米。类似于磷光体粒子，量子点具有吸收光并重新发射不同波长光的光致发光特性。但是，从量子点发出的光的颜色特性依赖于量子点的大小和量子点的化学成分，而非像非量子磷光体粒子那样仅仅依赖于化学成分。作为示例，量子点可以由CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe和Cd(S1-xSex)制成，或者由包括BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1-zO3、BaxSr1-xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3、La1-xCaxMnO3的金属氧化物组制成。在一个实施例中，如图4所示，光子晶体层110中的光致发光材料336包括覆盖有涂层材料440的量子点438，该涂层材料440具有与光子晶体层110的结构框架332的折射率基本匹配的折射率。作为示例，涂层材料440可以是二氧化钛(TiO2)。如果光致发光材料336包括非量子磷光体粒子，则磷光体粒子也可以用涂层材料覆盖，该涂层材料具有与光子晶体层110的结构框架332的折射率基本匹配的折射率。或者，光子晶体层110中的光致发光材料336可以包括激光染料、无机染料或有机染料。在一个实施例中，光致发光材料336可以包括一种或多种非量子磷光体粒子、一种或多种量子点、以及一种或多种染料(例如激光染料、无机染料和有机染料)的任意组合。
现在参考图5A、5B和5C以及图1描述根据本发明一个实施例的制造LED 100的过程。如图5A所示，首先使用粘结材料118将LED管芯102附接到安装结构，即引线框104。接着，如图5B所示，在LED管芯102上形成3-D光子晶体层110。
在LED管芯102上形成光子晶体层110涉及到使用单分散胶体作为构造件。作为示例，胶体可以是硅石或聚合物胶体球，其当前在很宽的尺寸范围内可得的并可以获得窄的尺寸分布。利用例如自组装技术而使用胶体来形成合成蛋白石，所述自组装技术例如是离心法、受控干燥或限制单分散胶体的悬浮液。合成蛋白石被用作模板来产生具有周期性分布的空洞334的光子晶体层110的结构框架332，如图3所示。
一旦形成合成蛋白石，就用纳米尺寸的微晶或者绝缘体、半导体或金属的前驱体渗入合成蛋白石，以产生光子晶体层110的结构框架332。随后选择性地热或化学去除合成蛋白石，以在结构框架332中产生周期性分布的空洞334。结构框架332中的空洞334随后用光致发光材料336填充以将光致发光材料嵌入光子晶体层110内。
在LED管芯102上形成光子晶体层110之后，将键合线108附接到LED管芯102和引线框106，以将LED管芯电连接到引线框106，如图5C所示。随后在LED管芯102上方形成封装112以产生完成的LED100，如图1所示。
现在转向图6，示出了根据本发明另一实施例的引线框安装LED600。在图6中使用与图1所用相同的标号来表示相似的元件。在本实施例中，LED 600包括不具有反射器杯状部分的安装结构，即引线框604。于是，LED管芯102所附接的引线框604的上表面基本上是平面的。在图6所图示的实施例中，3-D光子晶体层110跨越LED管芯的整个顶表面延伸。但是在其他实施例中，光子晶体层110可以部分跨越LED管芯102的顶表面延伸，仅仅覆盖LED管芯的顶表面的一部分。而在另外的实施例中，光子晶体层110可以部分或完全跨越LED管芯102的一个或多个侧表面延伸。
现在转向图7，示出了根据本发明实施例的表面安装LED 700。LED700包括LED管芯702、引线框704和706、键合线708、3-D光子晶体层710和封装712。LED管芯702使用粘结材料718附接到引线框704。键合线708连接到LED管芯702和引线框706以提供电连接。LED 700还包括在聚对苯撑乙炔(PPA)壳体或印刷电路板742上形成的反射器杯状部分720。封装712位于反射器杯状部分720中。在图7所图示的实施例中，3-D光子晶体层710跨越LED管芯702的整个顶表面延伸。但是在其他实施例中，光子晶体层710可以部分跨越LED管芯702的顶表面延伸，仅仅覆盖LED管芯的顶表面的一部分。而在另外的实施例中，光子晶体层710可以部分或完全跨越LED管芯702的一个或多个侧表面延伸。
现在转向图8，示出了根据本发明另一实施例的表面安装LED 800。在图8中使用与图7所用相同的标号来表示相似的元件。在本实施例中，LED 800不包括反射器杯状部分。于是，LED管芯702所附接的引线框704的上表面基本上是平面的。在图8所图示的实施例中，3-D光子晶体层710跨越LED管芯702的整个顶表面延伸。但是在其他实施例中，光子晶体层710可以部分跨越LED管芯702的顶表面延伸，仅仅覆盖LED管芯的顶表面的一部分。而在另外的实施例中，光子晶体层710可以部分或完全跨越LED管芯702的一个或多个侧表面延伸。
虽然在本文中本发明的不同实施例已经被描述为LED，但是根据本发明例如半导体激光设备的其他类型的发光设备也是可以的。实际上，本发明可以应用于使用一个或多个光源的任何发光设备。
参考图9的流程图描述根据本发明一个实施例的制造如LED的发光设备的方法。在框902处，提供光源。作为示例，光源可以是LED管芯。接着在框904处，在光源上形成光子晶体层，包括在光子晶体层内嵌入光致发光材料。在一个实施例中，光致发光材料被嵌入光子晶体层的周期性分布的空洞中，该空洞可以使用单分散胶体球产生。接着在框906处，在光子晶体层之上形成封装以封装光源并产生发光设备。
虽然已经描述和图示了本发明的具体实施例，但是本发明并不限于所描述和图示的部件的具体形式或布置。本发明的范围应由所附权利要求及其等同方案限定。
Claims (16)
1.一种发光设备，包括：
光源；
位于所述光源之上的光子晶体层；和
嵌入所述光子晶体层内的光致发光材料，
其中所述光子晶体层包括具有周期性分布的空洞的结构框架，所述光致发光材料位于所述周期性分布的空洞内，
其中所述光子晶体层的所述结构框架的折射率等于或大于所述光源的上层的折射率。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述周期性分布的空洞是球形的。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述光致发光材料包括至少一种量子点和至少一种非量子磷光体粒子中之一。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述量子点和所述非量子磷光体粒子中的至少部分被覆盖有涂层材料，所述涂层材料的折射率匹配所述结构框架的折射率。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述涂层材料包括二氧化钛。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述光致发光材料包括激光染料、有机染料和无机染料之一。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述光子晶体层的所述结构框架由选自绝缘体、半导体和金属的材料制成。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述光源是发光二极管管芯。
9.一种制造发光设备的方法，所述方法包括：
提供光源；以及
在所述光源之上形成光子晶体层，包括在所述光子晶体层内嵌入光致发光材料，
其中所述形成所述光子晶体层的步骤包括形成具有周期性分布的空洞的结构框架，所述光致发光材料嵌入所述周期性分布的空洞内，
并且其中所述形成所述结构框架的步骤包括用如下的材料形成具有所述周期性分布的空洞的所述结构框架，所述材料的折射率等于或大于所述光源的上层的折射率。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述形成所述结构框架的步骤包括用胶体球产生所述周期性分布的空洞。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述光子晶体层的所述结构框架由选自绝缘体、半导体和金属的材料制成。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述嵌入所述光致发光材料的步骤包括将至少一种量子点和至少一种非量子磷光体粒子中之一嵌入所述光子晶体层内。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述量子点和所述非量子磷光体粒子中的至少部分被覆盖有涂层材料，所述涂层材料的折射率匹配所述结构框架的折射率。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述涂层材料包括二氧化钛。
15.一种发光设备，包括：
发光半导体管芯；
所述发光半导体管芯上的光子晶体层，所述三维光子晶体具有周期性分布的空洞，所述光子晶体层的折射率等于或大于所述发光半导体管芯的上层的折射率；和
在所述光子晶体层的所述周期性分布的空洞中的光致发光材料。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述光致发光材料包括至少一种量子点和至少一种非量子磷光体粒子中之一，所述量子点和所述非量子磷光体粒子中的至少部分被覆盖有涂层材料，所述涂层材料的折射率匹配结构框架的折射率。
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