CN102138228B - 包括波长转换半导体发光器件和滤光器的光源 - Google Patents

包括波长转换半导体发光器件和滤光器的光源 Download PDF

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Abstract

半导体发光器件（34）包括布置在n型区域和p型区域之间的发光层。发光层适合于发射具有第一峰值波长的第一种光。第一波长转换材料（38）适合于吸收第一种光并发射具有第二峰值波长的第二种光。第二波长转换材料（36）适合于吸收第一种光或者第二种光并发射具有第三峰值波长的第三种光。滤光器（40）适合于反射具有第四峰值波长的第四种光。第四种光或者为第二种光的一部分或者为第三种光的一部分。滤光器配置成透射峰值波长比该第四峰值波长更长或更短的光。滤光器布置在第一、第二和第三种光的至少一部分的路径中位于该发光器件之上。

Description

包括波长转换半导体发光器件和滤光器的光源
背景技术
比如发光二极管（LED）的半导体发光器件是目前可获得的最有效光源之一。在能够跨过可见光谱工作的高亮度LED制造中当前感兴趣的材料体系包括III-V族半导体，特别是也称为III族氮化物材料的镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金；以及镓、铝、铟、砷和磷的二元、三元和四元合金。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，经常将III族氮化物器件外延生长在蓝宝石、碳化硅或III族氮化物衬底上以及III族磷化物器件外延生长在砷化镓上。通常，n型区域沉积在衬底上，接着发光或有源区域沉积在n型区域上，接着p型区域沉积在有源区域上。层的顺序可以颠倒，使得p型区域更接近衬底。
半导体发光器件的一种有希望的应用是用于液晶显示器（LCD）中的背光。LCD通常用于蜂窝电话、个人数字助理（PDA）、便携式音乐播放器、膝上型计算机、桌上型监视器以及电视应用。本发明的一个实施例为需要背光的彩色或单色的透射型LCD，其中背光可以使用一个或多个发射白色或彩色光的LED。
发明内容
本发明的实施例包括一种半导体发光器件，其包括布置在n型区域和p型区域之间的发光层。发光层适合于发射具有第一峰值波长的第一种光。比如磷光体的第一波长转换材料适合于吸收第一种光并发射具有第二峰值波长的第二种光。比如磷光体的第二波长转换材料适合于吸收第一种光或者第二种光并发射具有第三峰值波长的第三种光。滤光器适合于反射具有第四峰值波长的第四种光。第四种光或者为第二种光的一部分或者为第三种光的一部分。滤光器配置成透射峰值波长比该第四峰值波长更长或更短的光。滤光器布置在第一、第二和第三种光的至少一部分的路径中位于该发光器件之上。
本发明的实施例可以在液晶显示器中使用。该显示器包括含有半导体发光器件的至少一个光源、液晶层、以及布置在至少一个光源和液晶层之间的第一滤光层。第一滤光层包括多个红色像素位置、绿色像素位置和蓝色像素位置。每个像素位置适合于透射期望颜色的光并吸收另外两种颜色的光。该显示器包括布置在第一滤光层和光源之间的第二滤光层。第二滤光层适合于透射由第一滤光层透射的红色、绿色和蓝色光，并且反射第一滤光层吸收的波长处的光。
附图说明
图1说明在CIE 1931色度图上磷光体转换LED和NTSC标准的色域。
图2为液晶显示器的一部分的横断面视图。
图3为根据本发明实施例的磷光体转换LED的横断面视图。
图4说明蓝色发光LED加上黄色发光磷光体的光谱以及用于使用RGB滤光器的显示器件的理想光源的光谱。
图5和6说明包括蓝色发光LED和黄色与红色发光磷光体的两个器件在通过滤光器之前和之后的光谱。
图7为根据本发明的可替换实施例的磷光体转换LED的横断面视图。
图8为液晶显示器的可替换实施例的一部分的横断面视图。
图9说明在液晶显示器件中使用的红色、绿色和蓝色滤光器的透射光谱。
具体实施方式
传统的白色发光LED典型地包括具有磷光体涂层的蓝色发光LED，该磷光体涂层通常为Y3Al5O12:Ce3+，其吸收一些蓝色光并发射黄色光。蓝色和黄色光的组合看上去是白色的。这种磷光体转换LED是有效的，但是由于在光谱中缺乏红色光的原因，其提供不良的色域用于LCD背光。
器件的“色域”为可以由该器件产生的色空间的部分。图1说明磷光体转换LED和NTSC标准的色域。图1的区域10为CIE 1931色度图，其为所有颜色的数学表示。三角形12为NTSC（即电视的色彩标准）的色域。灰色区域14为如上所述的蓝色+黄色磷光体转换LED的色域。图1所示磷光体转换LED能够产生的色域仅仅只有NTSC色域的69%大。
依照本发明的实施例，用于背光的磷光体转换LED可包括黄色/绿色磷光体、红色磷光体以及一个或多个滤光器，从而提高背光的色域。
图2说明LCD的一部分。形成用于显示器的背光的一个或多个磷光体转换LED 20布置在具有反射内表面22的盒内。顶散射板23（例如，粗糙化塑料板）以及一个或多个亮度增强膜（BEF）24可以布置在该盒之上。散射板23提高了背光表面各处的亮度均匀性。BEF 24可以由塑料板内的微棱镜图案形成，其将光在窄角度内重定向朝向观看者。液晶层28布置在背光之上，在每个红色、绿色和蓝色像素位置基本上具有可控光闸以用于显示彩色图像。布置在BEF 24和液晶层28之间的滤光层26在相应RGB像素位置具有红色、绿色或蓝色滤光器。滤光层26仅仅使经强度调制的红色、绿色或蓝色分量通过，在各个像素位置处吸收不需要的分量。图9中说明滤光层26的红色、绿色和蓝色分量的透射光谱。
图3说明用于背光的磷光体转换LED的一个实施例。器件20包括半导体结构34，该半导体结构包括夹置在n型区域和p型区域之间的一个或多个发光层。在一些实施例中，该半导体结构为III族氮化物结构，且发光层配置成发射蓝色光，不过可以使用任何合适的半导体结构。III族氮化物结构通过生长n型区域，接着是发光区域，接着是p型区域而典型地生长在蓝宝石或SiC生长衬底上。在生长之后可以从半导体结构移除生长衬底。
n型区域可包括组份和掺杂剂浓度不同的多个层，其例如包括比如缓冲层或成核层的准备层（其可以是n型或者非故意掺杂的），设计成促进生长衬底的随后释放或者在衬底移除之后半导体结构减薄的释放层，以及针对发光区域有效地发光所期望的具体光学或电学属性设计的n型或者甚至p型器件层。
发光区域生长在n型区域之上。合适的发光区域的实例包括单个厚或薄的发光层以及包括由阻挡层隔开的多个薄或厚的量子阱发光层的多量子阱发光区域。例如，多量子阱发光区域可包括由GaN或InGaN阻挡层隔开的多个InGaN发光层。器件中的一个或多个发光层可以掺杂有例如Si，或者所述一个或多个发光层可以非故意掺杂。
p型区域生长在发光区域之上。与n型区域相似，p型区域可包括组份、厚度和掺杂剂浓度不同（包括非故意掺杂的层或者n型层）的多个层。
电接触形成于n和p型区域上。p型区域和发光区域的一部分可以被刻蚀掉以露出n型区域的表面，在该表面上形成该电接触。例如通过焊接、热压结合、互扩散结合、或者通过超声焊结合的Au凸点（stud bump）阵列，互连32将半导体结构34连接到底座30。
底座30可以由比如AlN的电绝缘材料形成，底座底部上的比如金焊盘的导电接触焊盘利用导电通路和/或金属迹线连接到底座顶部上的可焊接电极。底座可以由被钝化以防止短路的导电材料（比如阳极化AlSiC）形成。底座30可以是导热的，从而用作热沉或将热量传导至更大的热沉。
在半导体结构34连接到底座30之后，可以移除生长衬底。
一个或多个波长转换层36和38布置在半导体结构34的顶面之上。在一些实施例中，毗邻半导体结构34的波长转换层36包括布置在透明材料中的粉末磷光体。透明材料用作粘合剂以将第二波长转换层38附着到半导体结构34。波长转换层38可以是例如陶瓷磷光体，如通过引用结合于此美国专利No. 7,361,938中所更详细描述的。在一些实施例中，波长转换层36也可以是陶瓷磷光体。在一些器件中，波长转换层36包括发射红色光的一种或多种磷光体，波长转换层38包括发射黄色或绿色光的一种或多种磷光体。在一些实施例中，多种磷光体混合在一起并布置在半导体结构之上而位于单一层内。例如，红色发光磷光体和黄色/绿色发光磷光体可以混合在一起并布置在比如硅树脂的透明材料的浆料中，该浆料置于定位在半导体结构之上的模具内。该模具可以成形为例如透镜。接着加热该结构以使硅树脂固化，接着移除模具，将磷光体混合物留在形成于半导体结构之上的硅树脂层的内部。
可以使用任何合适的波长转换材料。合适的黄色/绿色发光磷光体的实例包括Lu3-x-yMyAl5-zAzO12:Cex，其中M＝Y、Gd、Tb、Pr、Sm、Dy，A＝Ga、Sc，且（0<x≤0.2）；Ca3-x-yMySc2-zAzSi3O12:Cex，其中M＝Y、Lu，A＝Mg、Ga，且（0<x≤0.2）；Ba2-x-yMySiO4:Eux，其中M＝Sr、Ca、Mg且（0<x≤0.2）；Ba2-x-y-zMyKzSi1-zPzO4:Eux，其中M＝Sr、Ca、Mg且（0<x≤0.2）；Sr1-x-yMyAl2-zSizO4-zNz:Eux，其中M＝Ba、Ca、Mg且（0<x≤0.2）；M1-xSi2O2N2:Eux，其中M＝Sr、Ba、Ca、Mg且（0<x≤0.2）；M3-xSi6O9N4:Eux，其中M＝Sr、Ba、Ca、Mg且（0<x≤0.2）；M3-xSi6O12N2:Eux，其中M＝Sr、Ba、Ca、Mg且（0<x≤0.2）；Sr1-x-yMyGa2-zAlzS4:Eux，其中M＝Ba、Ca、Mg且（0<x≤0.2）；Ca1-x-y-zMzS:CexAy，其中M＝Ba、Sr、Mg，A＝K、Na、Li，且（0<x≤0.2）；Sr1-x-zMzAl1+ySi4.2-yN7-yO0.4+y:Eux，其中M＝Ba、Ca、Mg且（0<x≤0.2）；Ca1-x-y-zMySc2O4:CexAz，其中M＝Ba、Sr、Mg，A＝K、Na、Li，且（0<x≤0.2）；Mx-zSi6-y-2xAly+2xOyN8-y:Euz，其中M＝Ca、Sr、Mg且（0<x≤0.2）；以及Ca8-x-yMyMgSiO4Cl2:Eux，其中M＝Sr、Ba且（0<x≤0.2）。合适的红色发光磷光体的实例包括Ca1-x-zMzS:Eux，其中M＝Ba、Sr、Mg、Mn且（0<x≤0.2）；Ca1-x-yMySi1-zAl1+zN3-zOz:Eux，其中M＝Sr、Mg、Ce、Mn且（0<x≤0.2）；Mg4Ge1-xO5F:Mnx，其中（0<x≤0.2）；M2-xSi5-yAlyN8-yOy:Eux，其中M＝Ba、Sr、Ca、Mg、Mn且（0<x≤0.2）；Sr1-x-yMySi4-zAl1+zN7-zOz:Eux，其中M＝Ba、Ca、Mg、Mn且（0<x≤0.2）；以及Ca1-x-yMySiN2:Eux，其中M＝Ba、Sr、Mg、Mn且（0<x≤0.2）。
在本发明一些实施例中，滤光层40形成于波长转换层38之上。滤光层40设计成循环利用由波长转换层发射的被RGB滤光层26吸收的部分光谱。例如，具有两种波长转换材料的器件可以发射具有蓝色峰值波长、绿色峰值波长和红色峰值波长的光。滤光器40可反射峰值波长位于绿色和蓝色峰值波长之间的光、峰值波长位于绿色和红色峰值波长之间的光、或者这二者。滤光器40可以是例如电介质层的叠层，其形成分布式布拉格反射器。DBR可以在晶片水平沉积在陶瓷磷光体38上，随后与陶瓷磷光体同时切割成单独器件。
图4为强度作为波长的函数的曲线图。线42代表理想光源的光谱，其具有位于图2和9的RGB滤光层26的透射带内的非常窄的峰42。光谱44代表蓝色发光LED和黄色发光磷光体组合的光谱。光谱44的位于峰42之间的部分被RGB滤光层26吸收。图3的滤光器40设计成透射由RGB滤光层26通过的波长处的光，并且循环利用由RGB滤光层26吸收的波长处的光的一部分。经循环利用的光被反射回到波长转换层36和38中，所述光在那里可以被磷光体吸收并作为由滤光器40透射的波长处的光被发射。在一些实施例中，滤光器40反射由波长转换层36和38之一或二者发射的光。
为了有效地循环利用回到波长转换层36和38中的光，在一些实施例中滤光器40置为尽可能接近波长转换层38。在图3所说明的器件中，滤光器40的底面例如是在波长转换层38的顶面的10μm之内，并且在半导体结构34的顶面的500μm之内。
在一些实施例中，滤光器40与半导体结构隔开，如图7和8所说明。在图7中说明的器件中，波长转换层36和38布置在半导体结构34之上，该半导体结构34由底座30支撑。透明覆盖件46布置在波长转换层之上。覆盖件46可以成形为透镜。可选的粘合层可以布置在覆盖件46和波长转换层38之间。滤光器40可以形成于覆盖件46之上。在一些实施例中，底座30、半导体结构34、波长转换层36和38以及可选的覆盖件46是由可以经受滤光层40的制作的材料形成。多个底座30可以在晶片中连接在一起，单独的半导体结构和波长转换层连接到每个底座。整个晶片可以置于沉积室内且在批处理中滤光器40可以同时形成于器件的整个晶片之上。
在图8说明的器件中，滤光器40和任何波长转换材料48均与半导体结构隔开。图8示出液晶显示器的可替换实施例。液晶层28、RGB滤光层26、BEF 24和漫射器23如上文结合图2所述。光源20可以是磷光体转换LED或者蓝色或UV发光LED，该光源将光发射到光导50中，该光导可以是例如塑料板。滤光器40布置在光导50和RGB滤光层26之间。例如，滤光器40可以形成为透明材料板或者形成于透明材料板上。为了形成白光而在该结构中使用的任何波长转换材料48（比如如上所述的黄色/绿色以及红色发光磷光体）可以可选地连接到滤光器40。例如，波长转换材料48可以形成为连接到滤光器40的板，或者形成于透明材料板上或内，其中滤光器40形成于该透明材料板上。波长转换材料和/或滤光材料可以形成于其上或内的合适透明材料的实例为玻璃、比如PET和PC的塑料以及任何其它合适的材料。波长转换材料可以通过例如狭缝型挤压式（slot-die）涂敷、杆涂敷、喷墨印刷、喷射涂敷、涂抹或任何其它合适技术而形成于透明板上。
图5为强度作为波长的函数的曲线图，用于模拟如图3所说明的器件的第一实例。在图5所示器件中，黄色/绿色发光Y3Al5O12:Ce3+陶瓷磷光体（图3中的波长转换层38）与由通式(Ca1-x-y-zSrxBayMgz)1-n(Al1-a+bBa)Si1-bN3-bOb:REn给出的磷光体组合，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤a≤1，0<b≤1且0.002≤n≤0.2，以及RE选自铕(II)和铈(III)。第二磷光体通常为发射红色光的CaAlSiN3:Eu2+。该红色发光磷光体可以布置在比如硅树脂的透明材料（图3中的波长转换层36）中。滤光器40为十个周期的HfO2和SiO2交替层的DBR叠层。
在图5中，实线说明波长转换LED的光谱。点线说明图3所示滤光器40的光谱。短划线说明来自波长转换LED的光在经过滤光器40之后的光谱。如图5所说明，滤光器40配置成透射由所述两种磷光体发射的峰处（大约540nm和660nm处）的光，并且反射两个峰之间（大约600nm处）的琥珀色光。增大光谱中黄色/绿色峰和红色峰之间的间隔可以增大色域。将滤光器40添加到图5所说明的器件，对于9000K的相同色温，这将色域从仅仅波长转换LED的NTSC的70%增大至波长转换LED加上滤光器的79%。
图6为强度作为波长的函数的曲线图，用于模拟如图3所说明的器件的第二实例。在图6所示的器件中，由通式(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）给出的第一磷光体与由通式(Ca1-x-y-zSrxBayMgz)1-n(Al1-a+bBa)Si1-bN3-bOb:REn给出的第二磷光体组合，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤a≤1，0<b≤1且0.002≤n≤0.2，以及RE选自铕(II)和铈(III)。第一磷光体可以是形成于陶瓷中的比如SrSi2N2O2:Eu2+的绿色发光磷光体（图3中的波长转换层38），第二磷光体可以是布置在比如硅树脂的透明材料中的比如CaAlSiN3:Eu2+的红色发光磷光体（图3中的波长转换层36）。滤光器40为十个周期的HfO2和SiO2交替层的DBR叠层。
与图5相同，在图6中，实线说明波长转换LED的光谱，点线说明滤光器40的光谱，且短划线说明来自波长转换LED的光在经过滤光器40之后的光谱。如图6所说明，滤光器40配置成透射由所述两种磷光体发射的峰处（大约530nm和660nm处）的光，并且反射两个峰之间（大约600nm处）的光。将滤光器40添加到图6所说明的器件，对于9000K的相同色温，这将色域从仅仅波长转换LED的NTSC的77%增大至波长转换LED加上滤光器的87%。
上述实施例的许多变型是在本发明的范围之内。可以使用任何其它合适的磷光体或磷光体组合。两种或更多种磷光体可以混合在单个层内。可以使用比如染料的其它荧光材料替代磷光体。除了上述的陶瓷和粉末磷光体之外，可以使用其它形式的磷光体和其它磷光体沉积技术。例如，可以通过电泳沉积、丝网印刷或打印，或者沉积成薄膜形式来形成磷光体。除了黄色/绿色发光磷光体和红色发光磷光体，蓝色发光LED可包括磷光体。可替换地，UV发光LED可以与蓝色发光磷光体、黄色/绿色发光磷光体和红色发光磷光体、以及任何附加磷光体组合。不同实施例或实例的要素可以组合。
已经详细描述了本发明，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描述的发明构思的精神。因此，本发明的范围意图不限于所说明和描述的特定实施例。

Claims (15)

1.一种用于转换波长的结构，包括：
半导体发光器件（34），包括布置在n型区域和p型区域之间的发光层，其中该发光层适合于发射具有第一峰值波长的第一种光；
第一波长转换材料（38），适合于吸收该第一种光并发射具有第二峰值波长的第二种光；
第二波长转换材料（36），适合于吸收该第一种光和第二种光之一并发射具有第三峰值波长的第三种光；
其中该第一和第二波长转换材料布置在由该半导体发光器件发射的光的路径中；以及
滤光器（40），适合于反射具有第四峰值波长的第四种光并透射峰值波长比该第四峰值波长更长或更短的光，其中该第四种光包括该第二种光的一部分和该第三种光的一部分之一，其中该滤光器布置在该第一、第二和第三种光的至少一部分的路径中。
2.权利要求1的用于转换波长的结构，其中：
该第一波长转换材料（38）布置在陶瓷层中；以及
该第二波长转换材料（36）为布置在透明材料层中的粉末。
3.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该第一波长转换材料（38）和该第二波长转换材料（36）为粉末，所述粉末被混合且布置在布置于该半导体发光器件（34）之上的透明材料中。
4.权利要求1的用于转换波长的结构，其中：
该第一波长转换材料（38）和该第二波长转换材料（36）至少之一布置在该半导体发光器件（34）上，以及
该滤光器（40）直接接触该第一和第二波长转换材料之一。
5.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该滤光器（40）为分布式布拉格反射器。
6.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该滤光器（40）的表面是在该半导体发光器件（34）的表面的500μm之内。
7.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该滤光器（40）包括电介质层的叠层。
8.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该滤光器（40）为第一滤光器，该结构进一步包括第二滤光层（26），该第二滤光层包括：
多个第一像素位置，其中在每个第一像素位置，该第二滤光器适合于透射红色光并吸收绿色和蓝色光；
多个第二像素位置，其中在每个第二像素位置，该第二滤光器适合于透射绿色光并吸收红色和蓝色光；以及
多个第三像素位置，其中在每个第三像素位置，该第二滤光器适合于透射蓝色光并吸收红色和绿色光。
9.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该滤光器（40）布置在透镜上。
10.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该第一波长转换材料（38）和该第二波长转换材料（36）至少之一与该半导体发光器件（34）隔开。
11.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该第四峰值波长位于该第一峰值波长和该第二峰值波长之间。
12.权利要求1的用于转换波长的结构，其中该第四峰值波长位于该第二峰值波长和该第三峰值波长之间。
13.一种用于转换波长的显示器，包括：
至少一个光源（20），包括半导体发光器件；
第一滤光层（26），布置在该至少一个光源之上，其中该第一滤光层包括：
多个第一像素位置，其中在每个第一像素位置，该第一滤光器适合于透射第一峰值波长处的光并吸收第二和第三峰值波长处的光；
多个第二像素位置，其中在每个第二像素位置，该第一滤光器适合于透射该第二峰值波长处的光并吸收该第一和第三峰值波长处的光；以及
多个第三像素位置，其中在每个第三像素位置，该第一滤光器适合于透射该第三峰值波长处的光并吸收该第一和第二峰值波长处的光；
液晶层（28），布置在该第一滤光层之上；以及
第二滤光层（40），布置在该至少一个光源和该第一滤光层之间，其中该第二滤光层适合于透射该第一、第二和第三峰值波长处的光并反射第四峰值波长处的光。
14.权利要求13的用于转换波长的显示器，其中该第一滤光层（26）适合于吸收该第四峰值波长的光。
15.权利要求13的用于转换波长的显示器，其中：
该半导体发光器件配置成发射具有蓝色峰值波长的光；
该光源进一步包括适合于发射具有绿色或黄色峰值波长的光的第一波长转换材料（38）和适合于发射具有红色峰值波长的光的第二波长转换材料（36）；以及
该第二滤光层（40）布置成直接接触第一和第二波长转换材料之一。
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