CN101142857A

CN101142857A - 多晶陶瓷结构中的磷光体和包括该磷光体的发光元件

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Publication number: CN101142857A
Application number: CNA2006800083351A
Authority: CN
Inventors: J·德格拉夫; T·A·科普
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: TW200641100A; TWI403571B; CN100566490C

Abstract

本发明涉及一种多晶陶瓷结构中的磷光体和设置有该磷光体的包括发光二极管的发光元件，其中磷光体颗粒的复合结构嵌入在基质中，特征在于基质为包括多晶陶瓷氧化铝材料的陶瓷复合结构，此后称作发光陶瓷基质复合材料。这种发光陶瓷基质复合材料可以通过下述步骤制得：将陶瓷磷光体颗粒和氧化铝颗粒的粉末混合物转变成浆料，使浆料成形为压块，然后实施热处理，可选择地结合热等静压成包含陶瓷氧化铝复合结构的多晶磷光体。发光陶瓷基质复合材料还允许通过改变磷光体颗粒和第二陶瓷颗粒份额中的至少一个、陶瓷复合结构的颗粒粒度、陶瓷复合结构的颗粒折射率之差以及包含陶瓷复合结构的多晶磷光体的多孔性来调整光扩散特性这一方法。

Description

多晶陶瓷结构中的磷光体和包括该磷光体的发光元件

技术领域

本发明涉及一种多晶陶瓷结构中的磷光体、包括设置有所述磷光体的发光二极管的发光元件、制造该磷光体的方法以及调节该磷光体的光扩散和发光性质的方法。

这种多晶陶瓷结构中的磷光体形成发光陶瓷复合材料。

背景技术

现有技术的高亮度白光LED(发光二极管)的情况面临限制。沉积在LED上的磷光体层因将光后向散射到LED中而引起光损失。后向散射损失一般为20-30％。而且，来自LED和磷光体的热传递对于在结温和磷光体温度变高并且光学元件(磷光体密封剂和引出透镜(extraction lens))有效地使LED绝缘情况下的高功率应用来说是个问题。通常使用的封装基质是由硅和/或环氧树脂制成的，但是这些材料具有非常低的热导率，因为基质和LED材料的折射率不匹配而导致低于最佳的光耦合输出，并且受限于它们的光-热稳定性。

JP 2003-243717描述了一种安装在发光二级管表面上的陶瓷衬底。该陶瓷衬底在可见光区域中是半透明的并且包括YAG(钇-铝-石榴石)磷光体。根据这个专利公开，与树脂为基底材料的传统情况相比，可以抑制发光色的长期变化和分散以及发光质量。这个专利公开没有记载基质材料的本质和基底材料为避免蓝色LED光的后向散射所需要的具体条件。

DE 10349038公开了一种主要由磷光体(即，Ce掺杂的YAG)形成的材料，其用作陶瓷基底材料。基本材料中可以存在少量的氧化铝作为异种晶体。陶瓷材料和异种晶体的粒度为1到100μm。公开的材料具有各种缺点。仅仅细孔和异种晶体能够有助于前向散射，这对获得所需要的色彩均匀性来说是必须的。然而，这些细孔和异种晶体也导致后向散射。使用YAG:Ce作为基本材料的缺点就是它的较低的导热系数以及材料及其制造工艺的高成本。

发明内容

本发明的一个目的就是缓解这些问题和缺点并且获得一种得到改进的发光元件。已经发现通过使用掺杂的YAG型磷光体可以有效地解决上述问题，其中磷光体嵌入在包括形成陶瓷基质复合材料的非发光多晶氧化铝的陶瓷基质中，其中陶瓷基质复合材料包括80到99.99vol.％的氧化铝和0.01到20vol.％的磷光体。

在本发明中术语磷光体具有拥有发光性质的材料的通常含义。

EP 1369935中已经公开了包含嵌入在基质中的磷光体的其他LED。然而，其中描述的磷光体颗粒典型地嵌入在环氧树脂或者硅树脂主材料中，这仍然具有上述及其他缺点。

在现有技术中没有描述目前要求保护的多晶陶瓷结构中的磷光体和包含这样的磷光体作为发光陶瓷复合材料(即嵌入在多晶氧化铝基质中的石榴石磷光体(例如YAG:Ce)的多晶陶瓷复合材料)的发光元件(LEE)。

发光材料的主要功能是转换部分蓝光并且透射其他部分以产生所需要的白光发射。用于产生适当的白光发射的新型发光陶瓷的典型尺寸和材料组合物为LED和顶部具有厚度为200-1000微米并且磷光体的体积百分比为例如大约15到7vol.％的Y_2.94Ce_0.06Al₅O₁₂向下至例如大约3到1.4vol.％的Y_2.7Ce_0.3Al₅O₁₂范围内的发光陶瓷衬底的组合。对于高发光磷光体转换的LED来说，具有低至50微米的壁厚和低至12vol.％Y_2.7Ce_0.3Al₅O₁₂的YGA体积百分比的薄的保形(conformal)发光帽状物(cup)产生适当的白光发射。

本发明的新型多晶陶瓷组合物提供了伴随磷光体的转换LED而引起的一般光学和光-热问题的解决方案。下面是本发明的一些优点，包括关于光学性质、热性质和在包括现有技术中描述的其他基本材料的基质上这些新型材料的加工方面的优点。

热学上：

发光二极管中功率耗散是非常重要的因素。发光二极管的运行是其温度的函数，并且器件效率随着器件温度的升高而降低。通过Stokes移位损失在磷光体中发生的热消散是很重要的，因为磷光体效率随着温度的升高而下降。这个方面对于高功率和高亮度LED光源来说是特别重要的。

纯Al₂O₃(氧化铝)的热导率高于YAG的热导率(35对15W/mK)。因此，本发明复合材料的热导率高于DE 10349038中YGA作为基本材料的陶瓷材料的热导率。结果，得到具有更好地向周围热消散的发光陶瓷复合材料并且因此也得到发光元件，这导致磷光体和二极管的温度更低，因此在相同的功率下通过本发明的复合材料获得较高的光通量或者在更低的功率下获得相同的光通量。

光学上：

已经充分认识到控制发光材料中的光散射的重要性(见例如EP1369935)。在由LED和陶瓷组合物(即LEE)实现均匀、有角度的光谱发射方面光散射是起作用的，但是高度光散射特定是因为被LED自身再次吸收的光的后向散射损失而是有害的。发现通过至多20vol.％的磷光体体积，可以将后向散射损失保持到充分低于对于现有技术磷光体层公知的20到30％范围的减少的水平。

在嵌入式系统例如环氧树脂或者硅树脂中磷光体中的光散射取决于磷光体材料和环氧树脂或硅树脂之间的折射率不匹配和其它因素。必须选择磷光体颗粒的量和它们的尺寸，使得通过压块的路径长度很长以致于使足够的蓝光被转换成黄光，以及很短以致于使足够量的蓝光通过嵌入的磷光体层。所产生的光散射不仅沿着向前的方向散射光而且向后散射光。后向散射的光在LED中具有相当多的被再次吸收的机会。这降低了效率。在DE 10349038中环氧树脂由透明的陶瓷基质替代。记载了通过设置引入光散射的微孔或者第二相可以实现色彩均匀性。然而，尤其是微孔也会导致后向散射，由此导致效率降低。本发明有利的方面是主要通过将氧化铝中YAG:Ce的份额主要限制在大约20vol.％来降低发光材料中后向散射损失的可能性。通过控制多孔性和孔径大小分布获得进一步的改善。在有利的实施方案中，陶瓷复合材料具有至多大约1％的多孔性。另外，孔径大小应当保持在很小，例如小于300nm，优选地小于大约100nm。通过低于50nm的孔径大小可以是获得最好的结果。

结合YAG份额的限制，可以获得低至5％的后向散射损失。

采用氧化铝作为用于磷光体颗粒的基质在调节发光元件的色彩均匀性方面产生了其他的优点，而没有引入后向散射。由于氧化铝的六角形晶体结构，和在这两个主要方向上的小的折射率之差，光将在晶界上被折射，即被散射，同时被折射的或者后向散射分量是至少小于前向散射能力的一个数量级。因此多晶氧化铝用作基质材料将进一步提高发光陶瓷复合材料的效率，因此提高设置有该发光陶瓷复合材料的发光元件的效率。使用该材料的前向散射和表面构造获得在色彩方面的改善的均匀性。为了这个目的，发现有利的是，包含在陶瓷基质中的晶粒的平均粒度为0.3-50μm。

色点和色温：

一定量的Ce对于一定程度的蓝色转换是必需的。YAG:Ce的发射光谱取决于YAG晶格中的Ce浓度。与在通过散射引入活化剂离子(Ce或者Pr)并且获得基质中的均匀浓度的其他晶格相比，相对于根据DE10349038的Ce的同样总量的浓度，本发明复合材料可以在磷光体粉末(YAG:Ce)中局部具有高Ce浓度。因此高浓度的Ce是可能的，同时保持低的总浓度。这在使色点和色温最佳化时给出了额外的自由度。在组装LED器件时还可以是便利的，因为可以使用更易于处理的、比保形磷光体层(典型的30微米)厚的薄片。

处理：

难以制备透明的YAG主体，因为YAG是线性化合物并且通常会发现富含铝或者钇的相，仅次于预定的YAG相。然而，氧化铝加工很好控制。氧化铝也比YAG便宜。而且，半透明氧化铝可以在相对低的温度下制备。具有薄膜或者保形磷光体层的上述器件可能难以处理，因为磷光体层易碎。根据本发明的实施方案，波长-转换层由形成发光陶瓷复合材料的氧化铝基质中的磷光体形成。发光陶瓷基质复合材料通常是与半导体器件分隔开形成的自支撑层，然后将其附着到完成的半导体器件上或者用作用于半导体器件的生长衬底。陶瓷基质复合材料层可以是半透明的或者透明的，这减少了与非透明波长-转换层(例如保形层)相关联的散射损失。发光陶瓷基质复合材料层可以比薄膜或者保形磷光体层更加坚固。此外，由于发光材料基质复合材料是固体的，所以它可以更容易与其他也是固体的光学元件(例如透镜和二级光学器件)进行光学接触。

根据本发明使用的磷光体是YAG型(钇铝石榴石)的。可以形成为发光陶瓷基质复合材料层的磷光体的例子包括具有下述通式的YAG磷光体：(Lu_1-x-y-a-bY_xGd_y)₃(Al_1-zGa_z)₅O₁₂:Ce_aPr_b，其中0＜x≤1；0≤y＜1；0≤z≤0.1；0≤a≤0.2；0≤b≤0.1；以及a+b＞0，例如Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺和Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺，其在绿-黄范围内发光。可以从Baikowski International Corporation of Charlotte，NC购买合适的Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺陶瓷材料。

发光陶瓷基质复合材料可以通过包括下述步骤的方法形成：形成氧化铝和磷光体粉末的浆料，将浆料成形为粉末压块，然后实施热处理，可选择地结合热等静压成为具有最小后向散射的、包含多晶磷光体的氧化铝陶瓷复合材料结构。陶瓷材料包含80到99.99vol.％的氧化铝和0.01到20vol.％的磷光体。更优选地，陶瓷材料包含90到99.99vol.％的氧化铝和0.1到10vol.％的磷光体，并且最优选地，陶瓷材料包含95到99vol.％的氧化铝和1到5vol.％的磷光体。氧化铝和磷光体的和不一定为100vol.％，但是如果存在少量的其他金属、合金、无机化合物等，氧化铝和磷光体的和可以更低。为了获得透明的LEE，还优选使陶瓷颗粒具有0.3到50μm之间的平均尺寸，优选地在20到40μm之间。

该方法包括氧化铝和磷光体粉末的混合，可选择地具有稳定剂和粘结剂，接着使粉末压块成形。接着对该粉末压块加热以除去有机粘结剂并且实现压块的致密化。得到的物品具有高度半透明度和波长-转换性质。与传统保形磷光体层或者沉积在透明树脂上的磷光体层不同，多晶氧化铝磷光体复合材料基本上不存在有机材料(低于1％)。

发光陶瓷基质复合材料元件可以附着在发光器件上，通过例如晶片键合(wafer bonding)、烧结、用已知有机粘结剂(例如环氧树脂或者硅树脂)的薄层胶粘、用高折射率无机粘结剂胶粘、以及用溶胶-凝胶玻璃胶粘来实现。

高折射率粘结剂的例子包括高折射率的光学玻璃，例如Schott玻璃SF59、Schott玻璃LaSF 3、Schott玻璃LaSF N18、及其混合物。这些玻璃可以从Duryea，Pa的Schott Glass Technologies Incorporated获得。其他高折射率粘结剂的例子包括高折射率硫族化物玻璃，例如(Ge，Sb，Ga)(S，Se)硫族化物玻璃，包括但不局限于GaP、InGaP、GaAs和GaN的III-V半导体、包括但不局限于ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、和CdTe的II-VI半导体、以及包括但不局限于Si和Ge的IV族半导体和化合物、有机半导体、包括但不局限于氧化钨、氧化钛、氧化镍、氧化锆、氧化铟锡和氧化铬的金属氧化物、包括但不局限于氟化镁和氟化钙的金属氟化物、包括但不局限于Zn、In、Mg和Sn的金属、YAG、磷化物化合物、砷化物化合物、锑化物化合物、氮化物化合物、高折射率有机化合物、及其混合物或者合金。在于2000年9月12日提交的号为No.09/660,317和2001年6月12日提交的号09/880,204的美国专利申请中更加详细地描述了用高折射率无机粘结剂胶粘，在此通过参考而引入。

在美国专利6,642,618中更加详细地描述了用溶胶-凝胶玻璃胶粘，在此通过参考而引入。在发光陶瓷基质复合材料通过溶胶-凝胶玻璃附着到器件上的实施方案中，为了使玻璃的折射率与发光陶瓷材料基质复合材料和发光器件的折射率更加接近地匹配，可以在SiO₂溶胶-凝胶玻璃中包括一种或者多种材料，例如钛、铈、铅、镓、铋、镉、锌、钡或铝的氧化物以增加玻璃的折射率。例如，氧化铝陶瓷层中的Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺可以具有大约1.76的折射率，并且可以附着在半导体发光器件的兰宝石生长衬底上，其中兰宝石衬底具有1.76的折射率。希望使粘结剂的折射率与Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺陶瓷层和兰宝石生长衬底的折射率相匹配。

发光陶瓷基质复合材料元件可以包括单个磷光体或者混合在一起的多种磷光体。在一些实施方案中，陶瓷层中的磷光体浓度是分级的。通过改变下述至少之一，该结构允许容易调节LED的光散射性质：磷光体颗粒体和陶瓷氧化铝颗粒的份额、陶瓷复合材料结构的颗粒的粒度、以及包含多晶磷光体的陶瓷复合材料结构中的多孔性，。

在一些实施方案中，器件可以包括多个陶瓷元件。

本发明发光陶瓷基质复合材料元件的其他优点在于为了增加的光提取，能够将陶瓷元件模塑、研磨、机械加工、火印或者抛光成所需要的形状，例如层状。发光陶瓷基质复合材料元件通常具有高折射率，例如Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺陶瓷元件的折射率为1.75到1.8。为了避免在高折射率陶瓷元件和低折射率空气之间的界面上的全内反射，陶瓷元件可以被成形为透镜例如半球形透镜。来自器件的光提取可以进一步通过使陶瓷元件的顶部具有任意的结构或者具有例如菲涅耳透镜形状而得到改善。在一些实施方案中，陶瓷元件的顶部可以具有光子晶体结构，例如陶瓷材料中形成的孔的周期点阵。成形的陶瓷元件可以小于或者等于它附着的器件的表面尺寸，或者它可以大于它附着的器件的表面尺寸。在一些器件中，对于底部长度是器件中其上安装陶瓷元件的表面长度的至少两倍的成形的陶瓷元件来说，希望良好的光提取。在一些实施方案中，波长-转换材料限于陶瓷元件中与器件最接近的部分。在其他实施方案中，波长-转换材料设置在第一发光陶瓷基质复合材料层中，然后附着到第二成形的、透明陶瓷元件上。在其他实施方案中通过发光陶瓷基质复合材料的成形来确保发光元件的色彩均匀性。

在一些实施方案中，使顶部陶瓷元件的表面变粗糙以增加为混合光所需的散射，例如在来自发光器件和一个或者多个波长-转换元件的光混合形成白光的器件中。在其他实施方案中，可以通过正如本领域公知的二次光学元件(例如透镜或者光波导)完成充分混合。

发光陶瓷基质复合材料元件的其他优点在于陶瓷的良好热性质，包括用于光提取而成形的透明或者发光陶瓷基质复合材料元件。可选择的其他透明或者发光陶瓷复合材料元件可以设置在元件和器件之间。器件可以安装在子架上，例如作为倒装晶片。子架和主衬底可以是例如诸如Cu箔、Mo、Cu/Mo和Cu/W；具有金属触点的半导体，例如具有欧姆触点的Si和具有欧姆触点的GaAs，包括例如一个或者多个Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag触点；以及陶瓷，例如压扁的钻石。这些层可以是将陶瓷元件连接到子架上的导热材料，有可能降低发光陶瓷基质复合材料元件的温度，由此增加光输出。适于子架元件的材料包括上述子架材料。

附图说明

通过下述非限制性的实施例和附图对本发明进一步说明。

图1说明现有技术的磷光体-转换半导体发光器件。

图2说明包括多晶氧化铝-磷光体复合材料层(即发光陶瓷基质复合材料)的倒装晶片半导体发光器件。

图3说明包括结合的主衬底和发光陶瓷基质复合材料的半导体发光器件。

图4说明在发光陶瓷基质复合材料层中的磷光体掺杂曲线图的实例。

图5说明了包括多个陶瓷层的半导体发光器件。

图6说明包括成形的发光陶瓷基质复合材料层的半导体发光器件。

图7说明包括宽度比器件中外延层宽的陶瓷磷光体层的半导体发光器件。

图8说明包括陶瓷磷光体层和除热结构的半导体发光器件。

具体实施方式

图2和3说明了包括发光陶瓷基质复合材料层的器件。在图2的器件中，n-型区域42在适当的生长衬底40上生长，然后是活性区域43和p-型区域44。生长衬底40可以是例如蓝宝石、SiC、GaN、或者任何其他合适的生长衬底。n-型区域42、活性区域43和p-型区域44均可以包括多个不同组分、厚度和掺杂浓度的层。例如，n-型区域42和p-区域44可以包括被最优化用于欧姆接触的接触层、和最优化以在活性区域43内包含载体的包覆层。活性区域43可以包括单个发光层，或者可以包括多个由阻挡层分隔开的量子阱发光层。

在图2说明的器件中，部分p-型区域44和部分活性区域43被蚀刻掉以除去部分n-型区域42。P-触点45形成在p-型区域44的余下部分上并且n-触点46形成在n-型区域42的暴露部分上。在图2中说明的实施方案中，触点45和46是反射的，使得光从器件上被提取出通过衬底40的背面。可替换地，触点45和46可以是透明的或者被形成使得p-型区域44和n-型区域42的大部分表面未被触点覆盖。在这种器件中，光可以通过外延结构的顶面(即在该表面上形成触点45和46)从器件中提取出。

在图3说明的器件中，外延层通过p-触点45结合到主衬底49上。便于结合的其他层(未示出)可以包括在p-型区域44和主衬底49之间。在外延层已经结合在主衬底49上之后，可以除去生长衬底以露出n-型区域42的表面。与活性区域的p-侧连接的触点被设置穿过主衬底49。n-触点46形成在n-型区域42暴露的表面的一部分上。光通过n-型区域42的顶面从器件中提取出。在2004年3月19日提交的序列号为No.10/804,810、名称为“光子晶体发光器件”的美国申请中更加详细地描述了生长衬底的去除，该专利申请已转让给了本申请的受让人并且在此通过参考而引入。

在图2和3说明的器件中，发光陶瓷基质复合材料层50(例如上述陶瓷层)连接到光从器件中提取的表面、图2中衬底40的背面和图3中n-型区域42的顶面。陶瓷层50可以形成在或者附着在光从器件中提取的任何表面上。例如，陶瓷层50可以延伸超过图2中说明的器件的侧面。图3示出了任选的滤光器30，该滤光器30允许来自活性区域43的光通过进入陶瓷层50，但是反射陶瓷层50所发出的光，使得陶瓷层50所发出的光被禁止进入器件52，在那里可能被吸收并且损失掉了。合适的滤光器的例子包括从Unaxis Balzers Ltd.of Liechtenstein或者Optical Coating Laboratory，Inc.of Santa Rosa，California购买的二向色滤光器。

发光陶瓷基质复合材料层50可以包括单个磷光体或者混合在一起的多个磷光体。在一些实施方案中，陶瓷层中的活化掺杂剂(activatingdopant)的量是分级的。图4说明了发光陶瓷基质复合材料层中分级掺杂曲线图(profile)。图4中的虚线表示器件的表面。与器件表面最接近的陶瓷层部分中的磷光体具有最高的掺杂浓度。当距离器件表面的距离增加时，磷光体中的掺杂浓度降低。虽然图4中示出了具有恒定掺杂浓度区域的线性掺杂曲线图，但是应当理解的是，分级的曲线图可以采取任何形状，包括例如阶梯式分级曲线图或者指数曲线图，并且可以包括多个恒定掺杂浓度的区域或者不包括这样的区域。此外，在一些实施方案中，有利的是使分级的曲线图翻转，使得与器件表面最接近的区域具有随着距离器件表面的距离增加而增加的低掺杂浓度。在一些实施方案中，距离器件表面最远的陶瓷层部分不允许包含任何磷光体或者任何掺杂剂，并且可以被成形(如下面所示)用于光提取的形状。

在一些实施方案中，器件包括多个陶瓷层，如在图5说明的器件中那样。陶瓷层50a附着在器件52上，器件52可以是例如图2和3中所示的任一种器件。陶瓷层50b附着在陶瓷层50a上。在一些实施方案中，这两个陶瓷层50a和50b中之一包含器件中使用的所有波长-转换材料，并且这两个陶瓷层中的另一个是透明的并且被用作间隔层，如果它是与器件52相邻的陶瓷层，或者作为光提取层，如果它是距离器件52最远的陶瓷层。在一些实施方案中，陶瓷层50a和50b均可以包含一种不同的磷光体或者多种磷光体。虽然图5中示出了两个陶瓷层，但是应当理解包括两层以上的陶瓷层和/或两种以上的磷光体的器件也落在本发明的范围内。在陶瓷层50a和50b中不同磷光体的设置或者陶瓷层50a和50b自身均可以选择使得控制器件中多种磷光体之间的相互作用，正如在2004年2月23日提交的序列号为No.10/785.616的美国专利申请中描述的，在此通过参考而被引入。虽然图5中示出陶瓷层50a和50b堆叠在器件52的上方，但是也可以采用其他布置并且也落在本发明的范围内。在一些实施方案中，包括一个或者多个陶瓷层的器件可以与其他波长-转换层(例如图1中示出的波长-转换材料)、或者薄膜、背景技术部分中描述的保形层(conformallayer)和发光衬底相结合。不发光的透明陶瓷层可以是例如与发光陶瓷基质复合材料层相同的主材料，而没有活化掺杂剂。

发光陶瓷基质复合材料层的优点在于能够将陶瓷层模塑、研磨、机械加工、火印或者抛光成所需要的形状，例如为了增加光提取。发光陶瓷基质复合材料层通常具有高折射率，例如对于Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺陶瓷层折射率为1.75到1.8。为了避免在高折射率陶瓷层和低折射率空气之间界面处的全内反射，陶瓷层可以成形为如图6和7中所示的形状。在图6中所示的器件中，发光陶瓷基质复合材料层54成形为透镜形状，例如半球状透镜。通过使陶瓷层的顶部或者具有任意结构特征或者例如成形为图7中所示的菲涅耳透镜，可以使来自器件的光提取得到进一步的提高。在一些实施方案中，可以使陶瓷层的顶部具有光子晶体结构，例如陶瓷材料中形成的孔的周期点阵。成形的陶瓷层可以比其附着的器件52的表面尺寸小或者与其相等，或者可以比其附着的器件52的表面大，如图6和7中所示的那样。在例如图7的器件中，对于底部长度是器件52中其上安装陶瓷层的表面长度的至少两倍的成形陶瓷层来说，期望良好的光提取。在一些实施方案中，波长-转换材料限于陶瓷层中最接近器件52的部分。在其他实施方案中，如图7中所图示说明的，波长-转换材料设置在第一陶瓷层50a中，然后附着到第二成形的、透明的陶瓷层50b。

在一些实施方案中，使顶部陶瓷层的表面变粗糙以增加为混合例如器件中的光所需要的散射，其中来自发光器件和一个或者多个波长-转换层的光混合以形成白光。在其他实施方案中，可以通过正如本领域中公知的二次光学元件(例如透镜或者光波导)来完成充分混合。

发光陶瓷基质复合材料层的其他优点在于陶瓷的良好热性质。图8中图示说明了包括发光陶瓷基质复合材料层和除热结构的器件。与图7中一样，图8示出了被成形用于光提取的透明或者发光的陶瓷基质复合材料层50b。可选择的其他透明或者发光陶瓷复合材料层50a设置在层50b和器件52之间。器件52安装在子架(submount)58上，例如与图2中图示说明的一样作为倒装晶片(flip chip)。图3中的子架58和主衬底49可以是诸如Cu箔、Mo、Cu/Mo和Cu/W；具有金属触点的半导体，例如具有欧姆触点的Si和具有欧姆触点的GaAs，包括例如Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag中的一个或者多个；以及陶瓷，例如压缩的金刚石(compressed diamond)。层56是将陶瓷层50b连接到子架58上的导热材料，有可能降低发光陶瓷基质组合层50a和/或50b的温度，由此增加光输出。适于层56的材料包括上述子架材料。图8中图示说明的布置对于从具有导电衬底(例如SiC)的倒装晶片器件中除热来说是有用的。

实例

通过氧化铝颗粒的解凝聚(例如通过湿法球磨(wet ball miling)或者超声波等)和稳定化(例如通过使用HNO₃或者聚丙烯酸(polyacrylic acid))，将由精细的且良好的可分散的氧化铝颗粒(例如Taimei TM-DAR，Sumitomo AKP50)构成的粉末与分散在水中的YAG:Ce型粉末(例如Philios Lighting)混合。将氧化铝悬浮液浇铸(例如通过粉浆浇铸或者凝胶浇铸)到模具中。

干燥且从模具中取出之后，在基本上低于烧结温度的温度下在氧气中煅烧多孔氧化铝产物以除去所有不需要的组分(例如稳定剂和粘结剂)。接着，在适当的烧结气氛(例如真空或者氧气气氛)下烧结该材料直到密度高于95％。在烧结处理之后实施热等静压以进一步增加密度，而无需较高的烧结温度。得到的产物高度半透明并且仅仅显示出有限的后向散射。

Claims

1.一种多晶陶瓷结构中的磷光体，包括掺杂的YAG型磷光体，其特征在于，该磷光体嵌入在包括非发光多晶氧化铝的陶瓷基质中，其中陶瓷基质包括80到99.99vol.％的氧化铝和0.01到20vol.％的磷光体。

2.根据权利要求1的多晶陶瓷结构中的磷光体，其中陶瓷基质复合材料的至少90％的孔具有0～300nm的平均孔径大小，优选为0～100nm。

3.根据权利要求1或2的多晶陶瓷结构中的磷光体，其中磷光体为具有下述组分的掺杂的YAG:(Lu_1-x-y-a-bY_xGd_y)₃(Al_1-zGa_z)₅O₁₂:Ce_aPr_b，其中0≤x≤1；0≤y＜1；0≤z≤0.1；0≤a≤0.2；0≤b≤0.1；以及a+b＞0。

4.根据权利要求1至3中任何一项的多晶陶瓷结构中的磷光体，其中陶瓷基质包括90到99.9vol.％的氧化铝和0.1到10vol.％的磷光体。

5.根据权利要求4的多晶陶瓷结构中的磷光体，其中基质包括95到99vol.％的氧化铝和1到5vol.％的磷光体。

6.根据权利要求1到5中任何一项的多晶陶瓷结构中的磷光体，其中陶瓷基质中包括的晶粒的平均粒度为0.3到50μm。

7.一种发光元件，其包括发光二极管(LED)和根据权利要求1到6中任何一项的掺杂的YAG型磷光体。

8.根据权利要求7的发光元件，其中发光陶瓷基质复合材料用作LED顶部上的板或者用作LED上方的成形的帽状物，并且具有在大约50μm到大约1mm之间的厚度。

9.一种发光设备，其包括权利要求7的元件。

10.一种制造权利要求1到6中任何一项的多晶陶瓷结构中的磷光体的方法，包括将磷光体粉末和氧化铝颗粒转变成浆料，使浆料成形为包含多晶磷光体的陶瓷氧化铝复合材料结构，然后实施热处理，可选择地结合热等静压成陶瓷基质，之后将陶瓷基质安装到LED上。

11.根据权利要求10的方法，其中通过粉浆浇铸或者喷射模塑，将浆料成形为包含多晶磷光体的陶瓷基质，从而获得陶瓷光-转换封装、准直透镜或者准直反射镜、用于光的耦合输出结构、或者散热设备。

12.一种调节根据权利要求1到6中任何一项的多晶陶瓷结构中的磷光体的光散射性质的方法，通过改变如下至少之一来实现：

-陶瓷基质中磷光体和氧化铝的份额；

-陶瓷基质中包含的颗粒的平均粒度；以及

-陶瓷基质的多孔性。

13.一种调节根据权利要求1到6中任何一项的多晶陶瓷结构中的磷光体的光发射性质的方法，通过改变如下至少之一来实现：

-陶瓷基质中磷光体和氧化铝的份额；

-磷光体中Ce和/或Pr与YAG的比率；以及

-YAG的组分。

14.一种制造权利要求7或8的发光元件的方法，包括权利要求10到13中任何一项的步骤，因此陶瓷基质被安装在LED上。