CN101821864A - 包括反射波长转换层的光源 - Google Patents
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Abstract
配置成发射第一光的光源(30)与波长转换层(42)组合。波长转换层沉积在第一光的路径内，与该光源分隔开，且包括诸如磷光体的至少一种波长转换材料，该至少一种波长转换材料配置成吸收第一光并发射第二光。波长转换层布置在反射层和光源之间。在一些实施例中，波长转换层为厚层。
Description
技术领域
本发明涉及诸如波长转换半导体发光装置的波长转换光源。
背景技术
包括发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)和边发射激光器的半导体发光装置是当前可得的最高效的光源之一。在能够跨越可见光谱工作的高亮度发光装置的制造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，也称为是III族氮化物材料。典型地，III族氮化物发光装置是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衬底上外延生长不同成分和掺杂浓度的半导体层的叠层而制作的。该叠层常包括形成在衬底之上的例如掺Si的一个或多个n型层、形成在该一个或多个n型层之上的有源区内的一个或多个发光层以及形成在该有源区之上的例如掺Mg的一个或多个p型层。电接触形成于n型和p型区上。
由于当前可购得的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，III族氮化物装置产生的光能够容易地转换以产生具有较长波长的光。在本领域中公知，利用已知为发光/荧光的过程，具有第一峰值波长的光(″初级光″)能够转换成具有一个或多个较长峰值波长的光(″次级光″)。荧光过程涉及诸如磷光体的波长转换材料吸收该初级光以及激发该磷光体材料的发光中心，该发光中心发射次级光。次级光的峰值波长将依赖于磷光体材料。磷光体材料的类型可被选择以得到具有特定峰值波长的次级光。
图1说明在美国专利6,351,069中描述的现有技术的磷光体转换LED 10。LED 10包括III族氮化物管芯12，此管芯在被激励时产生蓝色初级光。III族氮化物管芯12放置在反射杯引线框14上且电耦合到引线16和18。引线16和18将电功率传导到III族氮化物管芯12。III族氮化物管芯12被通常为透明树脂的层20覆盖，该层包括波长转换材料22。用于形成层20的波长转换材料的类型可以根据荧光材料22产生的次级光的期望光谱分布而变化。III族氮化物管芯12和荧光层20通过透镜24封装。透镜24典型地由透明环氧树脂或硅酮制成。
在工作中，电功率被供应到III族氮化物管芯12以激励管芯。当被激励时，管芯12发射从管芯的顶面离开的初级光。所发射的初级光的一部分被层20内的波长转换材料22吸收。波长转换材料22响应于该初级光的吸收而随后发射次级光，即，具有较长峰值波长的转换光。所发射的初级光的其余未吸收部分与该次级光一起传播经过波长转换层。透镜24沿箭头26指示的总体方向引导未吸收的初级光和该次级光作为输出光。因此，输出光是由管芯12发射的初级光和从波长转换层20发射的次级光组成的复合光。波长转换材料也可以配置成使得非常少或者没有初级光从装置逃逸，如同发射紫外初级光的管芯与发射可见次级光的一种或多种波长转换材料组合的情形。
磷光体转换LED的备选配置包括：如美国专利6,630,691中所述的生长在单晶发光衬底上的LED装置、如美国专利6,696,703中所述的形成在LED上的薄膜磷光体层、以及如美国专利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而沉积在LED上的共形层。
其中在发光装置表面上形成磷光体层的上述装置可具有许多缺点。当磷光体直接应用到LED的表面时，由于光通过磷光体的路径的变化和磷光体层厚度的变化，难以实现颜色均匀性。此外，来自LED的热会不期望地使磷光体的色点偏移或者使磷光体退化。
发明内容
依据本发明的实施例，配置成发射第一光的光源与波长转换层组合。该波长转换层沉积在第一光的路径内，与该光源分隔开，且包括诸如磷光体的至少一种波长转换材料，该波长转换材料配置成吸收第一光并发射第二光。该波长转换层布置在反射层和该光源之间。在一些实施例中，该波长转换层为厚层。
因为该波长转换层厚，与该光源分隔开，且由该反射层来混合，因此从该系统出射的混合的第一和第二光的色点能够容易地控制。因为该波长转换层与该光源分隔开，该波长转换层不被该光源加热且能够有效地由热沉冷却，消除或减小了由于加热该波长转换材料导致的效率损耗和/或色点偏移。该波长转换层也不昂贵且能够可靠地生产。
附图说明
图1为现有技术磷光体转换LED的横截面图。
图2为根据本发明实施例的包括反射波长转换层的LED聚光灯的横截面图。
图3为根据本发明实施例的包括反射波长转换层和固体光学元件的LED聚光灯的横截面图。
图4说明具有单一磷光体或者多种混合磷光体的波长转换层。
图5说明具有非波长转换区域的波长转换层。
图6说明具有非波长转换区域和沉积在离散区域内的多种磷光体的波长转换层。
具体实施方式
依据本发明的实施例，诸如磷光体的厚反射波长转换层与诸如LED的半导体发光装置分隔开。图2为根据本发明实施例的LED基聚光灯的横截面图。光源30安装在载具34和可选的热沉36上。热沉36可以如图2中所示形成为鳍状。从光源30发射且反射离开围绕光源30的镜32的光被提取到光学板38内。波长转换层42与光源30分隔开且放置为接收来自光源30的光。可选的热沉44可冷却波长转换层42。集光光学元件40准直该光。
光源30例如可以是能够产生例如蓝色或紫外光的短波长光的任何合适光源，诸如是LED或其它半导体装置、LED阵列、氙灯或者汞灯。对于半导体装置用作光源30的情形，该装置可以配置成使得大多数光从装置的侧面发射，或者可以配置成具有朗伯模式(绕光源表面法线的90°光锥)的发射模式，或者例如通过在装置的提取表面内形成的诸如晶格结构的光子晶体而限定成更小的锥。
光源30可安装在可选的载具34上，且连接到可选的热沉36。在一些实施例中，在由LED阵列组成的光源中，使用以不同波长发射光的LED。每个波长可被选择以调谐从该系统发射的混合的LED和波长转换光的白色点，或者与波长转换层42内的特定磷光体相匹配以改善效率。
光从光源30被提取到光学板38内。光学板38可以成形为将光导向集光光学元件40。例如，侧面48可倾斜或弯曲，使得全内反射将光引导到集光光学元件40内。光学板38例如可以是诸如玻璃或塑料的透明材料。侧面48可涂覆有可选的反射材料。光学板38可具有光源30侧面的长度量级的厚度。如果光源30为单一LED或LED阵列，光源30侧面的长度例如可以介于0.5毫米和5毫米之间、介于0.5毫米和1.5毫米之间或者介于0.5毫米和2.5毫米之间。光源30可以是正方形、矩形、或者任何其它合适形状。如图2所说明，光学板38底面的面积可大于光源30的面积；例如，大2至100倍或者大5至15倍。波长转换层42与光源30分隔至少光学板38的厚度。
光源30可以与光学板38分隔开，使得由于在与玻璃光学板38的界面处的折射，来自光源30的光被限制在与法线约成42°角的光束内，此角依赖于光学板38的折射率。波长转换层42于是配置成使得来自光源30的光都不绕过波长转换层42。备选地，光源30可与板38光学接触，这种情况下，光学板38内来自光源30的光将展开±90°。一些光将绕过波长转换层并被导向集光光学元件40。
镜32毗邻光源30布置或者布置在光源30之下。在一些实施例中，大约30％由波长转换层42发射的光回射向光源30。镜32将至少一些这种光反射回光学板38。镜32例如可以是位于光学板38底部上的高反射涂层，或者是与光学板38分隔开的分离的镜。合适的涂层和材料的实例包括银、铝、二向色涂层、用于增强铝反射率的铝与二向色涂层组合、以及诸如通过溶胶凝胶工艺形成的钛的氧化物和铝的氧化物的材料。
图2所示的集光光学元件40为中空反射体。其形状可以是抛物线、复合抛物线、椭圆形，或者由多个平坦刻面或分段形成。分段的光学元件可以改善颜色均匀性。
图3说明具有固体光学元件50的装置。光学元件50例如可以是玻璃或塑料，且例如可通过粘合剂附着到波长转换层42的顶部。备选地，光学元件50可以包覆成型(overmolded)在波长转换层42上。为了包覆成型光学元件50，具有与透镜50的期望形状相对应的凹陷的模具与装置对准。该模具一般为金属。具有模具总体形状的可选薄非粘性膜可置于该模具上。该非粘性膜为防止成型材料粘附到金属模具的材料。模具内的凹陷用可热固化液体透镜材料来填充。该透镜材料可以是诸如硅酮或环氧树脂的任何合适的光学透明材料。具有足够高折射率(例如，至少1.76)的硅酮可被选择，以在用作透镜之外还改善从III族氮化物或其它装置的光提取。真空密封可建立在装置的外围与该模具之间，随后这两个部件彼此压抵，使得该装置插入该液体透镜材料。该透镜材料可受到压缩。该结构随后可加热到适于使该透镜材料硬化的温度和时间，例如至少150℃至少30分钟。在固化之后，该装置从模具分离。该膜从模具释放硬化的透镜50。该膜随后被除去。
波长转换层42可包括一种或多种磷光体，该磷光体配置成吸收光源30发射的光并发射更长波长的光。例如，对于发射蓝光的光源30，波长转换层42可包括发射黄光的单一磷光体或发射红光和绿光的多种磷光体。对于发射紫外光的光源，波长转换层42可包括发射蓝光和黄光的磷光体或发射蓝光、绿光和红光的磷光体。可以添加发射附加颜色的附加磷光体，和/或可以去除发射上述颜色的磷光体，从而控制从该系统出射的混合光的色点。
波长转换层42为厚层，配置成使得有效光学厚度由所使用的通常为磷光体的特定波长转换材料内的光学散射过程确定。波长转换层42的厚度例如可以为5至500微米，且常为100至250微米。波长转换层42足够厚，足以获得从集光光学元件40、50逸出的混合光的一致色点。
波长转换层42例如可通过在热沉44的底侧上或在光学板38的顶侧上丝网印刷一种或多种磷光体形成。在一些实施例中，波长转换层42具有足以吸收从光源30提取的整个光锥的大横向外延(lateralextent)。在一些实施例中，波长转换层42的横向外延选择为允许来自光源30的一些光绕过波长转换层42而不被转换。波长转换层42可与光学板38光通信以实现光学板38内的各向同性辐射模式。
在热沉44上形成的波长转换层42可通过布置在波长转换层42和光学板38之间的诸如硅酮的粘合剂而保持在恰当位置。对于在光学板38上形成的波长转换层42的情形，热沉44可通过诸如硅酮的粘合剂附着。粘合剂层可以较薄，例如比波长转换层42薄。热沉44可以是诸如铜或铝的任何合适材料，且可以涂覆有反射材料或电介质叠层。热沉44可形成为鳍状以提高表面积，如图2所说明。热沉44的底侧可配置成对由光源30和波长转换层42发射的光是反射的。
在一些实施例中，波长转换层42之上的反射区域(例如，反射热沉44或热沉44上的反射涂层)具有比波长转换层42大的横向外延，尽管此横向外延并不与光学板38顶表面一样大。这种配置例如可用在来自光源30的一些光绕过波长转换层的实施例中。延展出波长转换层42的反射区域反射至少部分来自光源30的未转换光。在反射热沉44的实例中，热沉44的底面可以是平坦的，使得在光学板38和延展出波长转换层42或者与波长转换层42共形的热沉44的边缘之间存在间隙，使得在光学板38的顶面和延展出波长转换层42的热沉44的边缘之间没有间隙。
图4、5和6说明波长转换层的三个实例。在图4所说明的层中，单一磷光体或混合在一起的多种磷光体被丝网印刷在单一的基本均匀的层52内。在图5所说明的层中，若干非波长转换区域56被形成于单一的基本均匀的层54内的单一磷光体或混合在一起的多种磷光体包围。非波长转换区域56例如可以不存在波长转换材料，是无激励掺杂剂的波长转换材料主基体(例如，无Ce掺杂剂的Y3Al5O12晶体)或者是诸如铝氧化物或钛氧化物的非波长转换的透明的反射或散射性材料。非波长转换区域56的尺寸和形状可由材料、所使用的制造工艺以及波长转换光与未转换光的所需混合量确定。例如，非波长转换区域的长度可以为50微米至1毫米，且常为100微米至500微米。
在图6所示出的层中，在离散区域内形成多种波长转换材料A、B和C。波长转换材料A、B和C例如可以是不同的磷光体，且可发射不同颜色的光，尽管它们不必如此。每一波长转换材料可占据整个波长转换层的相同比例的面积，或者一些波长转换材料占据的面积可超过其它波长转换材料占据的面积，这会引起来自较大面积的波长转换材料的更多的发射。可选地可包括非波长转换材料W的区域。例如，在具有蓝色光源以及红色和绿色发光磷光体的系统中，如果期望的白色点需要的绿光多于红光，则绿色发光磷光体区域占据的波长转换层总面积的比例可大于红色发光磷光体。非波长转换材料的部分面积可允许来自光源30的期望数量的蓝色光从该系统出射而不被波长转换层42转换。波长转换或非波长转换材料中每个区域的长度可以为50微米至1毫米，且常为100微米至500微米。每个区域可以是相同的尺寸和形状，但不必如此。区域尺寸选择为大得足以可靠地制造，且小得足以提供不同颜色光的充分混合。
波长转换层例如可以通过丝网印刷、旋涂、喷涂、浸涂、刮涂或铸造形成。
合适的黄色或绿色发光磷光体的实例包括：(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:Cea 3+Prb 3+，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z≤0.1，0＜a≤0.2且0＜b≤0.l，例如包括Lu3Al5O12:Ce3+和Y3Al5O12:Ce3+；(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua 2+(a＝0.002-0.2，b＝0.0-0.25，c＝0.0-0.25，x＝1.5-2.5，y＝1.5-2.5，z＝1.5-2.5)，例如包括SrSi2N2O2:Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+，例如包括SrGa2S4:Eu2+；以及Sr1-xBaxSiO4:Eu2+。
合适的红色发光磷光体的实例包括：(Ca1-xSrx)S:Eu2+，其中0＜x≤1，例如包括CaS:Eu2+和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，例如包括Sr2Si5N8:Eu2+；以及eCAS，其为Ca0.99AlSiN3:Eu0.01。
合适的蓝色发光磷光体的实例例如包括MgSrSiO4。
在一些实施例中，波长转换层可包括发光陶瓷。eCAS、BSSNE和SSONE发光陶瓷的合成在下文描述。这些磷光体可以通过省略最后合成步骤以粉末形式使用，其中粉末磷光体被压制成发光陶瓷。
在一个实施例中，该发光陶瓷为eCAS，其为由5.436g Ca3N2(＞98％纯度)、4.099克AlN(99％)、4.732克Si3N4(＞98％纯度)和0.176克Eu2O3(99.99％纯度)合成的Ca0.99AlSiN3:Eu0.01。粉末通过行星球磨来混合，且在1500℃在H2/N2(5/95％)气氛内煅烧4小时。粒状粉末在5kN被单轴压制成丸并在3200bar冷等静压(CIP)。丸在1600℃在H2/N2(5/95％)气氛内烧结4小时。得到的丸呈现闭口多孔性且接着在2000bar和1700℃热等静压以获得具有＞98％的理论密度的致密陶瓷。
在一个实施例中，该发光陶瓷为BSSNE，其为Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr，Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)。图2中描述的流程图示意性示出如何制备Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr，Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)陶瓷。首先，Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M＝Sr，Ca；0≤x≤1，0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)制备成粉末形式。诸如碳热还原的若干方法可被应用于此目的，碳热还原包括使用异丙醇作为分散剂通过行星球磨来混合60克BaCO3、11.221克SrCO3和1.672克Eu2O3(均为99.99％纯度)。在干燥后，混合物在形成气体气氛中在1000℃煅烧4小时，且10克如此获得的Ba0.8Sr0.2O:Eu(2％)与5.846克Si3N4(＞98％纯度)、0.056克AlN(99％纯度)和1.060克石墨(微晶级别)混合。粉末通过20分钟行星球磨而完全混合，且在1450℃在形成气体气氛(区块188)中煅烧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)的前驱体粉末。该粉末用HCl清洗并再次研磨。所获得的前驱体粉末随后在1550℃和80MPa热压制，得到致密的陶瓷坯体。这些陶瓷坯体被切片、抛光和切割以获得期望形状和光学表面属性。如果需要，可以应用在1300℃在氮气中的退火以除去缺陷。
在一个实施例中，该发光陶瓷为SSONE，其制作方法包括混合80.36克SrCO3(99.99％纯度)、20.0克SiN4/3(＞98％纯度)和2.28克Eu2O3(99.99％纯度)以及在1200℃在N2/H2(93/7)气氛中煅烧4小时。在清洗之后，前驱体粉末在10kN被单轴压制且接着在3200bar冷等静压。烧结典型地是在1550℃至1580℃的温度在H2/N2(5/95)或纯氮气气氛中完成。
根据本发明实施例的装置较传统磷光体转换发光装置可具有若干优点。首先，由于波长转换层较厚且与光源分隔开，波长转换层的厚度无需如直接沉积在LED表面上的磷光体层那样精确地控制。从系统出射的光的色点因此能够容易地控制。第二，由于波长转换层与该光源分隔开，波长转换层不被光源加热且能够被热沉有效地冷却；因此，由于加热导致的效率损失和/或色点偏移能够减小或消除。第三，与诸如电泳沉积或镂花涂装之类的用于将磷光体直接沉积在发光装置表面上的一些技术相比，热沉或光学板上诸如丝网印刷的沉积技术可较不昂贵且更可靠。
已经详细描述了本发明，本领域技术人员将理解，鉴于此公开内容，可以对本发明进行调整而不背离此处描述的发明构思的精神。因此，并不旨在表明，本发明的范围限制为所说明和描述的特定实施例。
Claims (15)
1.一种结构，包括：
配置成发射第一光的光源；
波长转换层，其中该波长转换层沉积在第一光的路径内，该波长转换层与该光源分隔开，且包括第一波长转换材料，该第一波长转换材料配置成吸收第一光并发射第二光；以及
反射层，其中该波长转换层布置在该反射层和该光源之间。
2.如权利要求1所述的结构，其中该光源包括至少一个半导体发光二极管。
3.如权利要求1所述的结构，其中该波长转换层进一步包括非波长转换材料。
4.如权利要求1所述的结构，其中该波长转换层进一步包括第二波长转换材料。
5.如权利要求4所述的结构，其中该第一波长转换材料沉积在该波长转换层的第一部分中并且该第二波长转换材料沉积在该波长转换层的第二部分中。
6.如权利要求1所述的结构，其中该波长转换层具有介于5微米至500微米之间的厚度。
7.如权利要求1所述的结构，其中该反射层为热沉的底面。
8.如权利要求1所述的结构，其中该反射层与该波长转换层直接接触。
9.如权利要求1所述的结构，进一步包括布置在该反射层和该波长转换层之间的粘合剂层。
10.如权利要求1所述的结构，其中该反射层具有近似等于该波长转换层的横向外延的横向外延。
11.如权利要求1所述的结构，其中该反射层具有大于该波长转换层的横向外延的横向外延。
12.如权利要求1所述的结构，进一步包括布置在该光源和该波长转换层之间的透明构件。
13.如权利要求12所述的结构，进一步包括邻近该透明构件的底面的镜。
14.如权利要求1所述的结构，其中该波长转换层放置在包括反射侧壁的准直光学元件中。
15.如权利要求1所述的结构，其中该波长转换层和该光源分隔开至少0.5毫米。
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