CN101652868A - 包括滤光器的发光装置 - Google Patents

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Abstract

半导体结构(10)包括布置在n型区域和p型区域之间的发光区域(12)。波长转换材料(20、24、27)配置成吸收由该发光区域发射的部分第一光并发射第二光，该波长转换材料布置在该第一光的路径内。滤光器(22、26、32、34)布置在该第一光和第二光的路径内。在一些实施例中，该滤光器在大于预定强度的强度吸收或反射部分该第一光。在一些实施例中，该滤光器吸收或反射部分该第二光。在一些实施例中，一定数量的滤料布置在该第一光和第二光的路径内，随后穿过该滤光器的第一光和第二光的CCT被探测。可除去滤料以将所探测的CCT校正到预定CCT。

Description

包括滤光器的发光装置
技术领域
本发明涉及包括滤光器的半导体发光装置。
背景技术
诸如发光二极管(LED)的半导体发光装置是目前可获得的最高效光源之一。当前在能够跨过可见光谱工作的高亮度LED制作中感兴趣的材料体系包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也称为III族氮化物材料；以及镓、铝、铟、砷和磷的二元、三元和四元合金。通常，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术，III族氮化物装置外延生长在蓝宝石、碳化硅或III族氮化物衬底上，并且III族磷化物装置外延生长在砷化镓上。通常，n型区域沉积在衬底上，随后有源区沉积在该n型区域上，随后p型区域沉积在该有源区上。这些层的顺序可以颠倒，使得p型区域毗邻衬底。
从诸如发光二极管的半导体发光装置芯片发射的光的颜色可以通过将波长转换材料置于光从芯片出射的路径内而改变。该波长转换材料例如可以是磷光体。磷光体为发光材料，这种发光材料可以吸收激励能量(通常为辐射能量)并存储这一能量一段时间。所存储的能量随后作为能量不同于初始激励能量的辐射而发射。例如，“降频转换”是指发射的辐射具有比初始激励辐射少的量子能量的情形。能量波长有效地增加，使光的颜色朝红色偏移。
制作发射白光的发光装置的通常方法是将诸如Y3Al5O12:Ce3+的发射黄光的磷光体与发射蓝光的蓝光LED芯片组合。黄色的经磷光体转换的光和泄漏穿过该磷光体层的未转换的蓝光的组合看上去是白色。通过仅选择发射特定波长蓝光的LED，并且通过改变磷光体层的厚度以控制蓝光泄漏数量和磷光体转换的数量，由此控制组合光的颜色特性。该方法是低效的，因为在期望范围以外的波长发射蓝光的大量LED是不可用的，并且因为难以精确地控制蓝光泄漏和磷光体转换的数量，导致光的相关色温(CCT)的大的变动。目前有售的磷光体转换LED的CCT可从5500K变化到8500K。可识别的颜色差异依赖于组合光的CCT。在6500K，小至300K的差异对于观察者而言是明显的。部件之间CCT的大的变动对于许多应用是无法接受的。
发明内容
依据本发明的实施例，提供了包括布置在n型区域和p型区域之间的发光区域的半导体结构。该发光区域配置成发射第一光，在一些实施例中为蓝光。波长转换材料配置成吸收部分该第一光并发射第二光，在一些实施例中为黄光，该波长转换材料布置在该第一光的路径内。滤光器布置在该第一光和第二光的路径内。在一些实施例中，该滤光器在大于预定强度的强度吸收或反射部分该第一光。在一些实施例中，该滤光器吸收或反射部分该第二光。在一些实施例中，一定数量的滤料(filter material)布置在该第一光和第二光的路径内，随后穿过该滤光器的第一光和第二光的CCT被探测。可以增加更多的滤料或者可以除去滤料以将所探测的CCT校正到预定CCT。
本发明实施例的滤光器可用于校正通过将蓝光半导体发光装置和黄光磷光体组合而形成的白光的CCT。
附图说明
图1为对于将蓝光LED与黄光磷光体组合的装置中发射的蓝光和黄光，强度及CCT与磷光体厚度的函数的曲线。
图2为对于本发明实施例的滤料，输出流量(fluence)与输入流量的函数的曲线。
图3示出布置在倒装芯片安装的薄膜半导体发光装置上方的共形波长转换层和共形滤光层。
图4示出布置在倒装芯片安装的薄膜半导体发光装置上方的陶瓷波长转换层和滤光层。
图5示出布置在透镜上方的滤光层，该透镜布置在磷光体转换半导体发光装置上方。
图6示出布置在密封剂内的滤料，该密封剂布置在磷光体转换半导体发光装置上方。
具体实施方式
依据本发明的实施例，发光装置包括用于从由该装置发射的光谱滤掉任何不期望光的滤光器。使用滤光器可提供优于由磷光体转换半导体发光装置发射的组合光的CCT的改进控制。
由蓝光发光装置和黄光磷光体组合而发射的组合光的CCT可以通过改变由该装置发射的蓝光的波长、该组合光内蓝光的数量以及该组合光内黄光的数量来改变。
在一些实施例中，该滤料通过盖住(capping)组合光内蓝光的数量来改变该组合光的CCT。发明人已经观察到，由磷光体发射的光的强度随着磷光体厚度而线性地变化，而泄露穿过该磷光体的未被转换的光的强度随着磷光体厚度而指数地变化。图1为对于磷光体转换发光装置中的蓝光(图1中菱形)和黄光(图1中方形)，强度及CCT与磷光体层厚度的函数的曲线。三角形示出组合光的CCT。如图1所示，随着磷光体厚度增加，组合光内黄光的强度线性地降低。随着磷光体厚度增加，组合光内蓝光的强度指数地降低。磷光体厚度与蓝光强度之间的非线性关系使得实现期望强度的蓝光的目标尤难实现。
图2示出能够盖住蓝光强度的滤料的性能。图2为对于滤料，输出流量与输入流量的函数的曲线。图2所示的滤料在给定输入强度阈值以下是透明的。一旦达到输入强度阈值，该滤料对于超过该强度阈值的任何光是不透明的。因此，该滤料经常通过称为反饱和吸收的过程在该阈值水平盖住从该装置发射的蓝光的强度。
能够在给定阈值水平盖住蓝光强度的合适滤料可以是有机或无机的，且包括富勒烯、水热氧化锌晶体以及树突装饰卟啉。
采用能够在给定阈值水平盖住蓝光强度的滤料的装置的波长转换层设计成使得，该波长转换层在峰值效率工作，而与泄漏穿过波长转换层的蓝光数量无关。一般而言，就每单位所供应电功率所提取光的流明而言，磷光体转换发光装置的效率随着泄漏穿过磷光体层的蓝光数量增加而增大，这不仅是因为磷光体在较低吸收时更高效地产生光，而且因为该磷光体层更薄，使得更少的光由于背散射以及随后被磷光体层或半导体装置吸收而损失。在具有允许蓝光显著泄漏的薄磷光体层的这种装置中，能够在给定阈值水平盖住蓝光强度的滤料可用于从光谱除去过量的不期望的蓝光，使得滤料透射的组合光具有期望CCT。
能够在给定阈值水平盖住蓝光强度的滤料也可用于线性化图1所示的磷光体层厚度和泄漏穿过磷光体的蓝光强度之间的关系。当这种滤料被使用时，组合光的CCT可通过磷光体层的厚度而更容易地控制，因为当磷光体层厚度和蓝光强度之间的关系为线性而非指数关系时，蓝光强度且因此CCT对于磷光体层厚度的小的变动较不敏感。
在一些实施例中，滤料通过改变蓝光的波长或者通过改变组合光内蓝光和黄光的相对数量来改变组合光的CCT。在这些实施例中，滤料可以是布置在透明材料内的一种或多种染料或色素。在一些示例中，滤料包括一种或多种无机色素，这些无机色素对于发光装置在高热量和高通量下通常是稳定的。合适的色素可包括可从Lanxess获得的
Figure G2007800476834D00041
或氧化铬色素，或者可从Heubach获得的
Figure G2007800476834D00042
色素。滤料层的厚度和该层内染料或色素的浓度决定多少光被吸收。在一些实施例中，滤光层配置成限制滤光器的吸收。例如，滤光器可配置成透射至少50％的入射在滤光器上的光，更优选地至少70％的入射在滤光器上的光。相反，在RGB显示器中设计成隔离红光、绿光或蓝光的典型滤光器通常仅透射30％的入射在滤光器上的光。
在一个示例中，一旦波长转换材料布置在装置上，测量来自该装置的经波长转换的光和未经转换光的组合的CCT，随后计算所需的色素类型和数量。具有所需数量和类型的色素的滤光层随后例如通过喷墨印刷而形成。这一工艺可以在各个装置上进行，不过通过分批次进行该工艺，生产能力可以提高。例如，可以在分割晶片内的各个半导体装置之前，或者在分割其上布置各个半导体装置的底座的晶片之前，测量CCT和形成滤光层。
在另一示例中，该滤光层初始地形成太厚而无法产生期望的CCT。在形成滤光层之后第一次测量该装置的CCT，随后以受控方式除去滤料以产生期望的CCT。备选地，滤光层可以初始地形成太薄而无法产生期望的CCT，随后测量CCT，并以受控方式增加附加滤料以产生期望的CCT。
在任一上述示例中，多次测量CCT且在每次测量之后添加或除去滤料直至达到期望的CCT。
计算机控制的激光修整工艺可用于烧蚀滤料以产生期望的CCT。当装置分批次测试时，计算机控制的激光可以烧蚀每个装置上一定数量的该滤光层，其中该数量是依据该装置的单独CCT而具体地调整以用于该装置的。
可以通过反复的过程来测试每个装置和除去滤料，或者，一旦该系统被校准，即，必须被除去以产生特定CCT变化的滤料数量一旦已知，每个装置可被测量一次且恰当数量的滤料被除去。取决于待除去的材料数量，可能需要多遍来烧蚀滤料，其中每遍仅除去少量的材料。使用多遍降低了滤料利用激光除去的情形下，烧焦滤料内树脂的风险。
激光烧蚀可涉及除去一系列线或点的滤料，使得在烧蚀之后滤料层的厚度在一些区域较薄且在一些区域较厚，而不是在滤料的整个范围上均匀地减少。在一个实施例中，在一个位置的厚度可以减少，而在对应于单一装置的另一位置厚度可以增加。滤料可以在局域化区域内部分或全部除去使得滤料的平均厚度减少，而在一些区域滤料的厚度保持不变。线和点以外的图案可用于改变波长转换构件的厚度。
当测量每个装置的CCT时，可以产生CCT的空间图。CCT的空间图可以提供到计算机控制，且滤料上的高点可被烧蚀，因此不仅获得期望的CCT，而且可以使CCT在空间上更为均匀。
激光烧蚀以外的工艺可用于除去滤料。例如，可以使用诸如机械和/或化学刻蚀、离子束或电子束烧蚀的技术来除去滤料。
上述滤光器可以与任何合适配置的发光装置和任何合适配置的波长转换层一起使用。将理解的是，本发明不限于在以下示例中讨论的材料、装置取向或者其它细节。例如，本发明的实施例可以应用于任何合适的发光装置材料体系，例如包括III-V族材料、III族氮化物材料、III族磷化物材料以及II-VI族材料。本发明的实施例可以应用于任何装置几何形状，包括生长衬底已经除去的薄膜装置、具有位于半导体层对立侧上的接触的装置以及具有位于半导体层相同侧上的接触的装置，诸如通过衬底提取光的倒装芯片以及通过接触提取光的外延向上(epitaxy-up)结构。本发明的实施例可以应用于任意类型的波长转换层，包括如美国专利6,351,069中所述的布置在树脂内的波长转换材料；如美国专利6,630,691中所述的发光装置层生长于其上的单晶发光衬底；如美国专利6,696,703中所述的薄膜磷光体层；以及如美国专利6,576,488中所述的通过电泳沉积而沉积的共形层或者如美国专利6,650,044中所述的镂花；以及如美国公开专利申请2005-0269582中所述的发光陶瓷层。美国专利6,630,691、6,696,703、6,576,488和6,650,044的每一个以及美国公开专利申请2005-0269582通过引用结合于此。
而且，滤料的具体配置不限于在下述实施例中所示的波长转换材料或半导体发光装置的具体配置。任何恰当的滤光器配置、波长转换层配置和装置配置可以根据本发明的实施例来组合。
图3至6说明合适配置的半导体发光装置、波长转换层和滤光层的示例。图3说明衬底已经除去的倒装芯片安装的III族氮化物发光装置，其包括共形波长转换层和共形滤光层。III族氮化物半导体结构10包括布置在n型区域和p型区域之间的发光区域12。n型区域、发光区域和p型区域的每一个可包括不同成份和掺杂浓度的多个层。例如，n型区域和p型区域可包括相反导电性的层或者非故意掺杂的层、诸如缓冲层或成核层的准备层、设计成利于生长衬底的稍后释放或者衬底除去之后的半导体结构减薄的释放层、以及针对发光区域所期望的具体光学或电学属性来设计以高效发射光的装置层。发光区域可以是单个厚或薄的发光层，或者是由不同成份的阻挡层分隔的多个薄量子阱层。
在生长衬底上生长半导体结构10之后，一部分的最后生长导电类型区域(通常p型区域)和该发光区域被刻蚀掉，以暴露最初生长的导电类型区域(通常n型区域)。金属接触13和14形成于n型区域和p型区域的露出部分上。半导体结构通过n型互连15和p型互连16电和物理连接到底座18。在安装在底座18上之后，生长衬底(图3中未示出)可以通过适于生长衬底材料的工艺来除去，例如对于蓝宝石衬底，通过激光熔融或研磨；或者对于SiC或复合衬底，通过刻蚀或研磨。在半导体结构10连接到底座18之前、期间或之后，底层填料可以布置在半导体结构10和底座18之间的任何开放空间内，其中该底层填料支持半导体结构10以防止或减少在生长衬底除去时的破裂。图3所示取向中通过除去生长衬底而露出的半导体结构10的顶面可以通过例如光电化学刻蚀来减薄，且可以粗糙化或纹理化为具有诸如光子晶体的特征，从而增强从半导体结构10的光提取。
共形波长转换层20形成于半导体结构10的顶部和侧面。波长转换层20例如可以是通过电泳沉积或镂花形成的磷光体层。共形滤光层22形成于波长转换层20上，该共形滤光层可包括一种或多种上述滤料。滤光层22例如可以通过喷墨印刷或镂花布置于诸如环氧树脂或硅酮的透明载体内的滤料来形成。
图4说明生长衬底已经除去的倒装芯片安装的III族氮化物发光装置，其包括陶瓷波长转换层和滤光层。半导体结构10为参考图3在上文描述的倒装芯片安装于底座18上的薄膜装置。波长转换层24为布置在半导体结构10的露出顶面上的陶瓷磷光体。陶瓷磷光体层24例如可以通过诸如环氧树脂或硅酮的有机粘合剂、一种或多种高指数无机粘合剂、或者溶胶-凝胶玻璃而附着到半导体结构10。滤光层26形成于波长转换层24上，该滤光层可包括一种或多种前述滤料。滤光层26例如可以通过喷墨印刷来形成，或者可以是诸如布置在玻璃、硅酮或其它透明固体内的滤料的分开制作构件，该构件例如通过诸如环氧树脂或硅酮的有机粘合剂、一种或多种高指数无机粘合剂、或者溶胶-凝胶玻璃而附着到陶瓷磷光体层24。
图5说明形成在透镜上方的滤光层，该透镜布置在波长转换的发光半导体结构上方。任意合适的半导体结构10和波长转换层27封装在包括透镜30的封装内。诸如硅酮的透明材料28可以布置在透镜30与半导体结构10及波长转换层27之间的空间内。滤光层32可以如图5所示涂敷在透镜30的外表面上，该滤光层可包括一种或多种上述滤料，该透镜可以是玻璃、塑料或者任何其它合适的透明材料。备选地，滤光层32可以形成于透镜30的内表面上，或者滤料的颗粒可以混合在用于形成透镜30的材料内。
图6说明混合在覆盖波长转换的发光半导体结构的透明材料内的滤光器。任何合适的半导体结构10和波长转换层27置于诸如反射杯或引线框的封装结构36内。滤光层34包括一种或多种上述滤料，该滤料与透明材料混合且涂敷在半导体结构10和波长转换层27上方。
图3至6所示示例中说明的滤光层可以如上所述通过增加附加材料或者通过烧蚀除去材料而调整。在一些实施例中，形成为不同配置的不同波长转换材料以及形成为不同配置的不同滤料可以组合在单个装置内。
已经详细描述了本发明，本领域技术人员将意识到，鉴于本公开内容，可以对本发明进行调整而不背离此处所述发明概念的精神。因此，本发明的范围并不旨在受所说明和描述的具体实施例限制。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
含有布置在n型区域和p型区域之间的发光区域(12)的半导体结构(10)，该发光区域配置成发射第一光；
布置在该第一光的路径内的波长转换材料(20、24、27)，该波长转换材料配置成吸收部分该第一光并发射第二光；以及
布置在该第一光的路径内的滤光器(22、26、32、34)，该滤光器配置成在大于预定强度的强度吸收或反射部分该第一光。
2.如权利要求1所述的装置，其中该半导体结构(10)包括多个III族氮化物层。
3.如权利要求1所述的装置，其中该第一光包括蓝光，该第二光包括黄光。
4.如权利要求1所述的装置，其中该波长转换材料(20、24、27)包括磷光体。
5.如权利要求1所述的装置，还包括布置在该半导体结构(10)上的透镜(30)，其中该滤光器(32)涂敷在该透镜的表面上。
6.一种装置，包括：
含有布置在n型区域和p型区域之间的发光区域(12)的半导体结构(10)，该发光区域配置成发射第一光；
布置在该第一光的路径内的波长转换材料(20、24、27)，该波长转换材料配置成吸收部分该第一光并发射第二光；以及
布置在该第一光和该第二光的路径内的滤光器(22、26、32、34)，其中该滤光器配置成吸收或反射部分该第二光，其中该滤光器配置成透射至少50％的入射在该滤光器上的光。
7.如权利要求6所述的装置，其中该滤光器为第一滤光器，该装置还包括布置在该第一光和该第二光的路径内的第二滤光器，其中该第二滤光器配置成吸收或反射部分该第一光。
8.如权利要求6所述的装置，其中该第一光包括蓝光，该第二光包括黄光。
9.如权利要求6所述的装置，其中在穿过该滤光器之后，包括第一光和第二光的复合光看上去为白色。
10.一种方法，包括：
提供半导体发光装置和波长转换材料(20、24、27)，该半导体发光装置配置成发射第一光，且该波长转换装置(20、24、27)布置在该第一光的路径内，配置成吸收部分该第一光并发射第二光；
探测组合的第一和第二光的CCT；以及
将滤光器(22、26、32、34)布置在该第一光和第二光的路径内，其中该滤光器配置成吸收或反射部分该第一光和部分该第二光之一，并且其中所布置的滤料的数量或类型是基于所探测的CCT来确定。
11.如权利要求10所述的方法，其中将滤光器(22、26、32、34)布置在该第一光和第二光的路径内包括在该波长转换材料上喷墨印刷该数量的滤料。
12.如权利要求10所述的方法，其中将滤光器(32)布置在该第一光和第二光的路径内包括在透镜(30)的表面上喷墨印刷该数量的滤料，该方法还包括将该透镜布置在该波长转换材料(27)上方。
13.如权利要求10所述的方法，还包括：在将滤光器(22、26、32、34)布置在该第一光和第二光的路径内之后，第二次探测组合的第一和第二光的CCT；以及基于该第二次所探测的CCT而除去滤料或者增加附加滤料。
14.如权利要求13所述的方法，其中除去滤料包括除去选择为将所探测的CCT校正到预定CCT的一定数量的滤料。
15.如权利要求13所述的方法，其中除去滤料包括通过激光烧蚀来除去。
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