CN101657910B - 包含发光陶瓷和光散射材料的发光装置 - Google Patents

包含发光陶瓷和光散射材料的发光装置 Download PDF

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Abstract

包含波长转换材料的陶瓷体(30)布置于由半导体结构(12)的发光区域(31)发射的光的路径内，该半导体结构(12)包含布置于n型区域和p型区域之间的发光区域。透明材料(36)层也布置于由该发光区域发射的光的路径内。该透明材料可将该陶瓷体连接到该半导体结构。配置成散射由该发光区域发射的光的颗粒(45)布置于粘合剂材料层内。在一些实施例中，该颗粒为磷光体，而在一些实施例中，该颗粒不是波长转换材料。

Description

包含发光陶瓷和光散射材料的发光装置
技术领域
本发明涉及波长转换半导体发光装置。
背景技术
包含发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)以及边发射激光器的半导体发光装置是目前可获得的最高效的光源之一。在能够于可见光谱工作的高亮度发光装置的制造中，当前感兴趣的材料体系包含III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元以及四元合金，也称为III族氮化物材料。典型地，III族氮化物发光装置通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它合适基板上外延生长不同成份和掺杂浓度的半导体层的叠层来制作。该叠层经常包含形成于基板上的掺杂有例如Si的一层或多层n型层，形成于该一层或多层n型层上的有源区内的一层或多层发光层，以及形成于该有源区上的掺杂有例如Mg的一层或多层p型层。电接触形成于n型区域和p型区域上。
由于III族氮化物装置发射的光通常位于可见光谱的较短波长端，由III族氮化物装置产生的光可以容易地转换以产生具有较长波长的光。本领域公知，利用已知为发光(luminescence)/荧光的过程，具有第一峰值波长的光(初级光)可以转换成具有较长峰值波长的光(次级光)。荧光过程涉及通过诸如磷光体的波长转换材料吸收初级光并激励该磷光体材料的发光中心，该发光中心发射该次级光。次级光的峰值波长将依赖于该磷光体材料。磷光体材料的类型可以选择为产生具有特定峰值波长的次级光。
磷光体可以通过多种方式布置于由LED发射的光的路径内。美国专利6,351,069描述了一种覆盖了混合有波长转换材料的透明树脂层的III族氮化物LED管芯。美国专利6,630,691描述了单晶发光基板上的LED装置的生长。美国专利6,696,703描述了布置于LED上方的薄膜磷光体层的使用。多个专利描述了在LED上形成共形磷光体层，例如，如美国专利6,576,488中所述，通过电泳沉积；或者如美国专利6,650,044中所述，通过镂花涂装(stenciling)。许多这些磷光体层脆弱且难以处理，并且不能容忍由LED产生的高温和高通量环境。此外，难以或无法通过一些工艺形成多层磷光体层。
上述磷光体层的备选则是如通过引用结合于此的美国专利申请公开2005-0269582中更详细描述的形成于陶瓷板内的波长转换材料的使用。其中描述的发光陶瓷板通常是与半导体装置分离地形成的自支撑层，随后附着到成品半导体装置或者作为用于该半导体装置的生长基板。发光陶瓷比前述磷光体层趋于更鲁棒。
发明内容
依据本发明的实施例，包含波长转换材料的陶瓷体布置于由半导体结构的发光区域发射的光的路径内，该半导体结构包含布置于n型区域和p型区域之间的发光区域。透明材料层也布置于由该发光区域发射的光的路径内。该透明材料可将该陶瓷体连接到该半导体结构。配置成散射由该发光区域发射的光的颗粒布置于粘合剂材料层内。在一些实施例中，该颗粒为磷光体，而在一些实施例中，该颗粒不是波长转换材料。粘合剂中散射颗粒的存在可改善来自该装置的复合光的外观均匀性，并可改善该复合光的色彩特性。
附图说明
图1说明布置于包含发光层的半导体结构上方的发光陶瓷。
图2说明根据本发明实施例，通过包含散射颗粒的透明材料附着到半导体结构的发光陶瓷。
图3为封装的发光装置的分解图。
图4说明根据本发明实施例，形成于连接到半导体结构的发光陶瓷上方的包含散射颗粒的透明材料。
具体实施方式
通过在施加压力下加热常规粉末磷光体直到磷光体颗粒的表面开始软化和熔化，可以制作发光陶瓷层。部分熔化的颗粒粘着在一起，形成刚性的颗粒团聚物。与光学方面性能类似于没有光学不连续的单个巨大磷光体颗粒的薄膜不同，发光陶瓷的性能类似于紧密堆积的单独的磷光体颗粒，使得在不同磷光体颗粒之间的界面存在微小的光学不连续。由于粉末磷光体原料一般具有均匀的组成和掺杂，得到的发光陶瓷通常透明、光学均匀，且在整个陶瓷板内均匀地掺杂有作为发光中心的激活掺杂剂。
均匀掺杂的发光陶瓷的一个问题在于，发光陶瓷的最小厚度受到可再现地制造该陶瓷的能力所限制。许多磷光体具有优选的掺杂范围，磷光体在该范围内高效地吸收和发射光。在诸如共形层的磷光体布置中，具有优选掺杂水平的磷光体粉末沉积到为了获得期望数目的发光中心所需的任何厚度，这产生期望数量的磷光体转换以及来自发光二极管的未转换光的泄露，使得复合光具有期望的特性。在发光陶瓷中，如果在制造能力所要求的最小厚度的陶瓷中使用优选掺杂水平的磷光体粉末则导致太多的发光中心，并因此导致太多的磷光体转换，制造能力所要求的厚度会迫使使用比优选水平低得多的掺杂水平。
对于红光发光陶瓷与蓝光二极管及黄光发光陶瓷组合以制作白色复合光的情形，太多的发光中心导致的上述问题尤为严重。制作白色复合光只需少量的红光磷光体；如果使用太多红光磷光体，复合光看上去太红。在红光磷光体中发光中心的优选掺杂水平，在20μm厚的发光陶瓷层内获得产生期望的红光发射所需的期望数目的发光中心。然而，由磷光体形成的发光陶瓷的最小可制造厚度为100μm。为了在100μm厚的发光陶瓷中获得期望数目的发光中心，必须使用比期望的掺杂水平低得多的磷光体粉末来形成该发光陶瓷。
透明发光陶瓷的第二个问题示于图1。透明发光陶瓷30连接到发光装置12。从发光区域31发射的两束光线33和34被示出。由于与光线34相比，光线33相对于发光层表面的法线以更小的角度发射，光线33“看到”发光陶瓷30中更少的磷光体，且更可能从发光陶瓷30逃逸而不被磷光体转换。相反，光线34看到发光陶瓷30中更多的磷光体，且在从发光陶瓷30逃逸之前更可能被磷光体转换。结果，假设发光区域31发射蓝光且发光陶瓷30内的磷光体发射黄光，则从靠近装置中心的顶面发射的光看上去更蓝，而从靠近装置边缘的顶面发射的光看上去更黄，导致在更蓝的光中心的周围出现不期望的黄色“光晕”。
通过增加从发光陶瓷30的散射，可以减轻或消除图1所示的黄色光晕问题；也就是说，通常通过在陶瓷制造过程中加入气穴使发光陶瓷30半透明而非透明，其中该气穴用作散射中心。该方法的一个问题在于，难以控制气穴的加入。加入太多气穴会导致太多的散射，这会降低从发光陶瓷30的提取效率。
在本发明的一些实施例中，如图2中以截面图示出的装置中，诸如磷光体的产生散射的材料布置于半导体发光装置和发光陶瓷之间。在图2的装置中，III族氮化物半导体结构生长在生长基板(未示出)上，该半导体结构包含布置于n型区域和p型区域之间的发光区域31。p型区域和发光区域的部分被刻蚀掉以露出n型区域的部分。通常为反射性接触的p接触和n接触39及38形成于该半导体结构的p型和n型区域中每一个的露出部分上。半导体结构12经由p和n互连42及41而电学和物理连接到底座43，该互连可以是例如焊料或金互连。
在半导体结构12安装在底座43上之前、其间或之后，底部填充材料37可以注入到半导体结构12和底座43之间的任意空间内。底部填充材料37支撑半导体结构12以防止或者减轻由于除去生长基板引起的破裂或其它损伤。底部填充材料37可以形成为使得侧壁37沿着半导体结构12的边缘延伸且甚至越过该边缘。在除去生长基板之后，依据图2所示的取向，半导体结构12的顶面露出。半导体结构12的表面例如可以通过光电化学刻蚀而粗糙化或者纹理化以改善光提取。
发光陶瓷30附着到半导体结构12的顶面。透明材料36层布置在半导体结构12和发光陶瓷30之间。尽管材料36在此描述为“透明的”，应理解该材料36无需完全透明，尽管在大多数实施例中该材料36优选地不吸收明显数量的光。在一些实施例中，透明材料36用作粘合剂以将发光陶瓷30附着到半导体结构12。底部填充材料37的侧壁可包含透明材料36的横向范围。
在本发明的一些实施例中，如图4中以截面图示出的装置中，产生散射的材料形成于连接到半导体发光装置的发光陶瓷上方。如在图2中，在图4的装置中，发光陶瓷例如通过诸如硅酮、环氧树脂或溶胶凝胶的透明粘合剂层或者通过直接晶片键合，连接到安装在底座上的III族氮化物半导体结构。透明材料36形成于发光陶瓷30上方。在本发明的一些实施例中，如图2所示的布置于半导体结构12和发光陶瓷30之间的透明材料层可以与形成于发光陶瓷上方的透明材料层组合，如图4所示。
作为散射中心的颗粒45布置于图2或图4的透明材料36内。透明材料36可载有足够的颗粒45以引起足够的散射，从而减轻或者消除上述的黄色光晕问题。透明材料36可具有例如0.5μm至50μm的厚度，这与厚度一般大于100μm的发光陶瓷30相反。在一些实施例中，散射颗粒45不是波长转换材料。散射颗粒45选择为使得透明材料36和散射颗粒45之间的折射率差尽可能大。例如，透明材料36可具有1.4至1.5的折射率，如例如环氧树脂或硅酮的情形。散射颗粒可具有1.8至2.4的折射率，如例如掺杂或未掺杂的Y3Al5O12或ZnS的情形。折射率差越小，则必须在透明材料36布置更多的散射颗粒45以获得给定量的散射。用于散射颗粒45的合适材料的示例包含诸如Y2O3的钇氧化物、钛氧化物、锶氧化物和铷氧化物。在一些实施例中，合适的颗粒具有0.5λ至20λ的平均直径，其中λ是该装置内由发光区域发射的光的波长。在一些实施例中，颗粒的合适体积填充因子为透明材料36体积的10％至50％，且颗粒的合适数目密度为单位体积一个颗粒(5λ)3。颗粒尺寸和颗粒数目密度均依赖于透明材料36和散射颗粒45之间的折射率差。
在一些实施例中，散射颗粒45为磷光体颗粒，诸如红光磷光体颗粒。合适的红光磷光体包含eCAS、BSSNE、SSONE以及例如包括CaS:Eu2+和SrS:Eu2+的(Ca1-xSrx)S:Eu2+(其中0＜x≤1)；例如包括Sr2Si5N8:Eu2+的(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+，其中0≤a＜5，0＜x≤1，0≤y≤1且0＜z≤l。eCAS为Ca1-xAlSiN3:Eux，可以由5.436克Ca3N2(＞98％纯度)、4.099克AlN(99％)、4.732克Si3N4(＞98％的纯度)和0.176克Eu2O3(99.99％的纯度)合成。粉末通过行星式球磨机混合，并在1500℃在H2/N2(5/95％)气氛内煅烧(fired)4小时。BSSNE为Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr、Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)，可通过碳热还原来合成，其包括使用2-丙醇作为分散剂通过行星式球磨机来混合60克BaCO3、11.221克SrCO3和1.672克Eu2O3(均为99.99％的纯度)。在干燥之后，混合物在形成气氛内在1000℃煅烧4小时，且10克如此得到的Ba0.8Sr0.2O:Eu(2％)与5.846克Si3N4(＞98％的纯度)、0.056克AlN(99％的纯度)及1.060克石墨(微晶等级)混合。粉末通过20分钟的行星式球磨机球磨彻底混合并在形成气氛内在1450℃煅烧4小时以获得Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr、Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)的粉末。SSONE可以通过混合80.36克SrCO3(99.99％的纯度)、20.0克SiN4/3(＞98％的纯度)和2.28克Eu2O3(99.99％的纯度)并在1200℃在N2/H2(93/7)气氛内煅烧4小时制造。这些红光磷光体颗粒可具有0.5λ至20λ的平均颗粒直径，其中λ为该装置内由该发光区域发射的光的波长，且透明材料内的浓度为0.1至95体积百分比，更优选地10至30体积百分比。
在一个实施例中，红光磷光体的颗粒被包含在透明材料36内作为散射颗粒45。半导体结构12的发光区域31发射蓝光。发光陶瓷包含在黄色/绿色范围发光的磷光体。来自发光区域31的未转换的蓝光与由发光陶瓷30发射的黄/绿光以及由红光磷光体颗粒45发射的红光组合，使得复合光看上去为白色。布置于透明材料36内的红光磷光体的数量以及红光磷光体的掺杂水平可以选择为产生期望数量的红光发射和期望数量的散射。如果期望数量的红光发射所需的红光磷光体数量不形成足够的散射，则除了该红光磷光体颗粒之外，诸如上述颗粒的非波长转换颗粒可以包含在透明材料36内，从而实现期望数量的散射。
发光陶瓷30可由任何合适的磷光体形成。合适的黄光/绿光磷光体包含通式为(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb的铝石榴石磷光体，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z≤0.1，0＜a≤0.2且0＜b≤0.1，诸如Lu3Al5O12:Ce3+和Y3Al5O12:Ce3+；SrSi2N2O2:Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+，例如包含SrGa2S4:Eu2+；以及Sr1-xBaxSiO4:Eu2+。合适的Y3Al5O12:Ce3+陶瓷可以如下制作：在辊台上使用1.5千克高纯度氧化铝球(2mm直径)在异丙醇内球磨40克Y2O3(99.998％)、32克Al2O3(99.999％)和3.44克CeO2 12小时。干燥的前驱体粉末随后在CO气氛内在1300℃焙烧(calcined)2小时。所得到的YAG粉末随后使用行星式球磨机(玛瑙球)在乙醇下去团聚。随后粉浆浇注陶瓷浆料，在干燥之后获得陶瓷生坯。随后在1700℃在石墨板之间烧结该生坯2小时。
尽管上述两种磷光体示例包含形成于发光陶瓷内的黄光/绿光磷光体以及作为散射颗粒包含在透明材料内的红光磷光体，不过这两种磷光体可以颠倒。例如，上述的红光磷光体之一可以形成于发光陶瓷内并与透明材料层组合，该透明材料层包含上述黄光/绿光磷光体之一作为散射颗粒。
透明材料36可以是例如：诸如环氧树脂、丙烯酸树脂或者硅酮的有机材料；一种或多种高折射率无机材料；或者溶胶凝胶玻璃。这些材料可作为粘合剂将发光陶瓷30附着到半导体结构12，如图2中所示的装置。
高折射率材料的示例包含高折射率光学玻璃，诸如Schott玻璃SF59、Schott玻璃LaSF 3、Schott玻璃LaSF N18及其混合物。这些玻璃可以从宾西法尼亚州Duryea的Schott Glass TechnologiesIncorporated购得。其它高折射率材料的示例包含诸如(Ge，Sb，Ga)(S，Se)硫属化物玻璃的高折射率硫属化物玻璃；III-V半导体，包括但不限于GaP、InGaP、GaAs和GaN；II-VI半导体，包括但不限于ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe和CdTe；IV族半导体和混合物，包括但不限于Si和Ge；有机半导体；金属氧化物，包括但不限于氧化钨、氧化钛、氧化镍、氧化锆、氧化铟锡和氧化铬；金属氟化物，包括但不限于氟化镁和氟化钙；金属，包括但不限于Zn、In、Mg和Sn；钇铝石榴石(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；及其混合物或合金。使用高折射率无机材料的胶合更详细地描述于2000年9月12日提交的专利申请09/660,317以及2001年6月12日提交的专利申请09/880,204，此二者结合于此以作参考。
溶胶凝胶玻璃更详细地描述于美国专利6,642,618，其结合于此以作参考。在发光陶瓷通过溶胶凝胶玻璃附着到装置的实施例中，诸如钛、铈、铅、镓、铋、钙、锌、钡或铝的氧化物的一种或多种材料可以包含在SiO2溶胶凝胶玻璃内以提高玻璃的折射率，从而使玻璃的折射率更接近地匹配发光陶瓷以及该发光陶瓷将附着到的半导体结构表面的折射率。
此处所述的发光陶瓷可以纹理化或成型、研磨、加工、热冲模、或者抛光成例如为了提高光提取而期望的形状。例如，发光陶瓷可成形为诸如穹形透镜或菲涅耳透镜这样的透镜，被粗糙化，或者纹理化为光子晶体结构，诸如形成于陶瓷内的周期性孔格子。成形的陶瓷层的尺寸可小于、等于或大于所附着到的表面的尺寸。
图3为封装的发光装置的分解图，更详细地如美国专利6,274,924所描述。热沉金属块100安置在插入成型引线框内。该插入成型引线框例如为成型在金属框架106(提供电路径)周围的填充塑料材料105。金属块100可包含可选的反射杯102。可以为上述实施例中所述的任一装置的发光装置管芯104直接安装到金属块100，或者通过导热底座103间接地安装到金属块100。可以添加覆盖件108，该覆盖件108可以是光学透镜。
已经详细地描述了本发明，本领域技术人员将理解，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的本发明概念的精神。例如，尽管此处的示例涉及III族氮化物发光二极管，不过可以理解，本发明的实施例可以扩展到其它发光装置，包括诸如III族磷化物和III族砷化物的其它材料体系的装置以及诸如谐振腔LED、激光二极管以及垂直腔面发射激光器的其它结构的装置。因此，本发明的范围不应限于所示出和描述的具体实施例。

Claims (14)

1.一种发光装置，包括：
半导体结构(12)，包括布置于n型区域和p型区域之间的发光区域(31)；
陶瓷体(30)，包括波长转换材料，所述陶瓷体布置于由所述发光区域发射的光的路径内；以及
透明材料(36)层，布置于所述半导体结构(12)和所述陶瓷体(30)之间，所述透明材料层将所述半导体结构连接到所述陶瓷体，其中多个颗粒(45)布置于所述透明材料层内，并且所述多个颗粒配置成在没有波长转换的情况下散射所述发光区域发射的光。
2.权利要求1的发光装置，其中所述透明材料(36)层的厚度小于所述陶瓷体(30)厚度的50％。
3.权利要求1的发光装置，其中所述多个颗粒(45)的尺寸和/或密度取决于所述多个颗粒(45)和透明材料(36)之间的折射率差。
4.权利要求3的发光装置，其中所述多个颗粒(45)和透明材料(36)之间的折射率差至少为0.4。
5.权利要求1的发光装置，其中所述多个颗粒(45)选自钇氧化物、钛氧化物、锶氧化物和铷氧化物。
6.权利要求1的发光装置，其中所述多个颗粒(45)具有0.5λ至20λ的平均直径，其中λ为由所述半导体结构(12)内的发光区域(31)发射的光的波长。
7.权利要求1的发光装置，其中所述透明材料(36)选自硅酮、环氧树脂和玻璃。
8.权利要求1的发光装置，其中所述透明材料(36)层具有0.5μm至50μm的厚度。
9.权利要求1的发光装置，其中所述半导体结构(12)包括多层III族氮化物层。
10.权利要求1的发光装置，其中多个波长转换颗粒布置于透明材料(36)层内。
11.权利要求10的发光装置，其中所述发光区域(31)配置成发射蓝光，所述波长转换材料配置成吸收蓝光并发射黄光或绿光，所述多个波长转换颗粒配置成吸收蓝光并发射红光。
12.权利要求10的发光装置，其中所述波长转换材料选自：(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z≤0.1，0＜a≤0.2且0＜b≤0.1；Lu3Al5O12:Ce3+；Y3Al5O12:Ce3+；SrSi2N2O2:Eu2+；SrGa2S4:Eu2+。
13.权利要求10的发光装置，其中所述多个波长转换颗粒选自：(Ca1-xSrx)S:Eu2+，其中0＜x≤1；CaS:Eu2+；SrS:Eu2+；(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+，其中0≤a＜5，0＜x≤1，0≤y≤1且0＜z≤l；Sr2Si5N8:Eu2+；Ca0.99AlSiN3:Eu0.01；Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz，其中M＝Sr、Ca，0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05。
14.权利要求1-13任一项所述的发光装置，还包括：n和p接触(38，39)，电连接到所述n型和p型区域；以及覆盖件(108)，布置于所述发光区域上方。
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