CN102714261A - 波长转换半导体发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种装置包含半导体结构(50)，该半导体结构包含布置在n型区域和p型区域之间的发光层。发光材料(58a，58b)定位于由发光层发射的光的路径中。热耦合材料(56)布置在透明材料(60)中。热耦合材料的热导率大于透明材料的热导率。热耦合材料置为散逸来自发光材料的热量。

Description

波长转换半导体发光二极管
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属于当前可获得的最高效光源。在能够跨过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、三元和四元合金，其也称为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物化学气相沉积(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组成和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制作。该叠层经常包含在衬底上方形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层，在一个或多个n型层上方形成的有源区域中的一个或多个发光层，以及在有源区域上方形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。电接触形成于n和p型区域上。
通过将诸如磷光体或染料的波长转换材料定位于由有源区域发射的光的路径中，可以偏移由有源区域发射的光的波长。波长转换材料吸收由有源区域发射的光并且在不同峰值波长发射光，该峰值波长典型地长于由有源区域发射的光的峰值波长。图1说明在US6,870,311中更详细描述的波长转换半导体发光装置。在图1的装置中，发光半导体装置32布置在反射杯34中。透明材料36的层44布置在装置32的一个或多个表面上。纳米颗粒38和磷光体颗粒40分散在材料36中。合适的纳米颗粒的示例包含金属氧化物、氮化物、氮硅酸盐及其混合物的纳米颗粒。合适的金属氧化物可包含但不限于氧化钙、氧化铈、氧化铪、氧化钛、氧化锌、氧化锆以及其组合。尺寸范围为例如约2nm至约10nm的这种金属氧化物的纳米颗粒例如从德国Frankfut/Main的Degussa-Huls AG可获得。用于这种实施方式的合适的纳米颗粒也可包含诸如硫化锌、硒化锌、硫化钙、硒化钙、碲化钙以及它们的三元或四元混合物的II-VI半导体的纳米颗粒，以及诸如III族氮化物、III族磷化物及其混合物的III-V半导体的纳米颗粒。纳米颗粒被选择为具有比基质材料的折射率大的折射率。
透明材料36可以是有机或无机的并且可包含例如下述材料，其包含但不限于传统环氧树脂、丙烯酸类聚合物、聚碳酸酯、硅树脂聚合物、光学玻璃、硫族化物玻璃、螺环化合物及其混合物。
现有技术中需要的是波长转换半导体发光装置的高效设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置，其包含发光材料和置为散逸来自发光材料的热量的热耦合材料。
在本发明的实施例中，一种装置包含半导体结构，该半导体结构包含布置在n型区域和p型区域之间的发光层。发光材料定位于由发光层发射的光的路径中。热耦合材料布置在透明材料中。热耦合材料的热导率大于透明材料的热导率。热耦合材料置为散逸来自发光材料的热量。
附图说明
图1说明现有技术半导体发光装置，其涂敷有包含磷光体颗粒和纳米颗粒的透明材料。
图2说明布置在发光装置上方的包含磷光体和热耦合材料的透明材料。
图3说明布置在发光装置上方的两个分立层，每个分立层包含透明材料、磷光体和热耦合材料。
图4说明多层装置，其包含布置在发光装置上的陶瓷磷光体，包含磷光体和热耦合材料的透明材料层，以及包含热耦合材料的胶合层。
图5说明布置在发光装置上方的磷光体层以及用热耦合材料填充的透镜。
图6说明对于具有以及不具有热耦合材料的装置，发光层和磷光体层之间的温度梯度与正向电流的函数。
具体实施方式
由于例如更长波长光子的发射中损失的能量，磷光体的有限转换效率以及未从装置被提取的光子的重新吸收，图1中说明的磷光体进行波长转换会生成热量。从图1的装置的热量散逸会由于透明材料的低热导率而被磷光体到装置封装的不良热耦合所阻碍。例如，硅树脂透明材料经常具有约0.1至0.2W/m-℃的热导率。来自波长转换的过量热量会导致工作温度足够高而致使透明材料中有机物质的分解，这会导致透明材料泛黄或者甚至装置失效。此外，一些磷光体的量子效率在高温降低，这会不期望地致使由装置发射的光的色点偏移或者光输出减少。
在本发明的实施例中，热耦合材料布置在半导体发光装置上方，从而移除波长转换材料之内以及周围的热量。来自波长转换材料的热量通过热耦合材料被散逸到发光装置以及发光装置连接到的热沉或底座。
热耦合材料可以布置在透明基质材料中。合适的基质材料的一个示例为对于可见光的折射率介于1.4和1.55之间的硅树脂。透明基质材料的另外示例包含有机或无机材料，诸如硅树脂聚合物、环氧树脂、丙烯酸类聚合物、聚碳酸酯、光学玻璃、硫族化物玻璃及其混合物。也可以使用高指数透明基质材料，诸如高指数玻璃和材料，比如US6,870,311中描述的通过添加纳米颗粒改变折射率的硅树脂、环氧树脂以及溶胶-凝胶。
热耦合材料可具有这样的折射率，该折射率接近或匹配基质材料的折射率。热耦合材料的折射率与基质材料的折射率相差在一些实施例中小于10%，并且在一些实施例中小于1%。
热耦合材料的热导率超过基质材料的热导率。例如，热耦合材料的热导率在一些实施例中可以大于0.5W/m-℃，在一些实施例中可以大于1W/m-℃，并且在一些实施例中可以大于5W/m-℃。
合适的热耦合材料的示例包含铝/硅混合氧化物、二氧化硅、非晶二氧化硅、SiC、AlN、金刚石、诸如无Ce掺杂的YAG透明颗粒的未激活磷光体颗粒及其混合物。诸如YAG的未激活磷光体颗粒不波长转换由发光装置发射的光。
热耦合材料例如可以是粉末，粉末的中值粒径(median particle size)在一些实施例中大于该粉末与之组合的磷光体的中值粒径，在一些实施例中大于1μm，在一些实施例中5μm，在一些实施例中介于1μm和50μm之间，在一些实施例中介于1μm和10μm之间，以及在一些实施例中介于10μm和50μm之间。粉末磷光体经常具有介于1μm和10μm之间的粒径。热耦合材料可以是球形或接近球形颗粒的粉末。在一些实施例中，热耦合材料定位为使得很大份额的热耦合材料颗粒接触它们的最近邻颗粒并且形成网。热量沿着网传导直至它被散逸到发光装置中。
下面说明本发明的实施例。尽管实施例说明III族氮化物薄膜倒装芯片装置，本发明的实施例可以与诸如下述的其它装置一起使用：生长衬底仍为成品装置的一部分的传统倒装芯片装置，接触形成于半导体结构的相对侧面上的垂直装置，光通过形成于半导体结构的相同或相对侧面上的接触被提取的装置，以及诸如由其它材料体系形成的装置，例如AlInGaP或AlGaAs装置。
所说明的薄膜倒装芯片装置是通过在生长衬底上首先生长半导体结构形成的。半导体结构包含n型区域、发光或有源区域和p型区域。首先生长n型区域。n型区域可包含不同组成和掺杂剂浓度的多层，其例如包含诸如缓冲层或成核层的准备层(该准备层可以是n型或者未故意掺杂)，设计成有利于随后释放衬底或者在衬底移除之后减薄半导体结构的释放层，以及设计成用于发光区域高效地发射光所期望的具体光学或电学属性的n或者甚至p型装置层。
发光或有源区域生长在n型区域上方。合适的发光区域的示例包含单个厚或薄的发光层，或者包含由垒层分隔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含由垒分隔的多个发光层，每个发光层厚度为25Å或更小，每个垒厚度为100Å或更小。在一些实施例中，装置中的每个发光层的厚度大于50Å。
p型区域生长在发光区域上方。与n型区域类似，p型区域可包含不同组成、厚度和掺杂剂浓度的多层，其包含非故意掺杂的层或者n型层。
反射金属p接触形成于p型区域上，该反射金属p接触例如可以是银并且可包含诸如保护层的其它层。半导体结构的p接触、p型区域和发光区域的部分被蚀刻掉以露出部分的n型区域。n接触形成于n型区域的露出部分上。
LED 50由n和p互连结合到支撑件，所述互连可以是任何合适材料，诸如焊料、Au、Au/Sn或其它金属，并且可包含多层材料。在一些实施例中，互连包含至少一个金层并且LED和底座54之间的结合是通过超声结合形成。
在将LED管芯结合到支撑件之后，所有或者部分的半导体层生长在其上的衬底可以被移除。例如通过光电化学蚀刻，在移除基质衬底之后留下的半导体结构可以被减薄。半导体表面可以被粗糙化或图案化成例如具有光子晶体结构。LED 50可以随后附连到底座54，该底座可以是该支撑件，或者是该支撑件安装在其上的分离结构。可选的装置52可以附连到底座54或者整合在底座54中，该装置52可以是例如经常形成为传统硅集成电路的静电放电(ESD)保护电路或其它电路。
在下述实施例中，热耦合材料和一种或多种波长转换材料(典型地为磷光体)与III族氮化物LED组合。可以使用更多或更少的波长转换材料，并且可以使用诸如染料或量子点的非磷光体波长转换材料。波长转换材料可以转换所有来自LED的光以形成单色光或白光，或者波长转换材料可以配置成使得一些由LED发射的光从该结构逃逸而未被转换。在一些实施例中，未转换和波长转换的光组合以形成白光。例如，发蓝光的LED可以与发黄光的磷光体组合，或者发蓝光的LED可以与发红光的磷光体以及发黄光或绿光的磷光体组合。发射其它颜色光的其它磷光体可以被添加以获得期望色点。
磷光体是公知的并且任何合适的磷光体可以被使用。合适的发红光的磷光体的示例包含eCAS，BSSNE，SSONE，以及包含例如CaS:Eu2+和SrS:Eu2+的(Ca1-xSrx)S:Eu2+，其中0<x≤1；以及包含例如Sr2Si5N8:Eu2+的(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+，其中0≤a<5，0<x≤1，0≤y≤1并且0<z≤1。eCAS为Ca1-xAlSiN3:Eux，可以由5.436g Ca3N2(>98%纯度)、4.099g AlN(99%)、4.732g Si3N4(>98%纯度)和0.176g Eu2O3(99.99%纯度)合成。粉末通过行星球磨混合，并且在1500℃在H2/N2(5/95%)气氛中烧制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)，可以通过热碳还原合成，其包含通过行星球磨使用2-丙醇作为分散剂来混合60g BaCO3、11.221g SrCO3和1.672g Eu2O3(均为99.99%纯度)。在干燥后，混合物在形成气体气氛中在1000℃烧制4小时，并且10g如此获得的Ba0.8Sr0.2O:Eu(2%)与5.846g Si3N4(>98%纯度)、0.056g AlN(99%纯度)和1.060g石墨(微晶级)混合。粉末通过20分钟的行星球磨而充分混合并且在1450℃在形成气体气氛中烧制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80.36g SrCO3(99.99%纯度)、20.0g SiN4/3(>98%纯度)和2.28g Eu2O3(99.99%纯度)并且在1200℃在N2/H2(93/7)气氛中烧制4小时来制造。
合适的发射黄光/绿光的磷光体的示例包含通式为(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并且0<b≤0.1，诸如Lu3Al5O12:Ce3+和Y3Al5O12:Ce3+；SrSi2N2O2:Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+，包含例如SrGa2S4:Eu2+；以及Sr1-xBaxSiO4:Eu2+。合适的Y3Al5O12:Ce3+陶瓷可以如下制作：40g Y2O3(99.998%)、32g Al2O3(99.999%)和3.44g CeO2利用在异丙醇中的1.5kg高纯度氧化铝球(2mm直径)在辊台上磨制12小时。干燥的前驱体粉末随后在1300℃在CO气氛下煅烧2小时。获得的YAG粉末随后利用行星球磨机(玛瑙球)在乙醇中散开。陶瓷浆料随后被流铸，从而在干燥后获得陶瓷生坯。生坯随后在石墨板之间在1700℃烧结2小时。
在图2说明的实施例中，热耦合材料56与粉末磷光体58a和58b混合并且布置在透明基质材料60中。混合物可以以液体或浆料形式配给在LED 50上方，随后固化。例如，如题为"Overmolded Lens Over LED Die"并且通过引用结合于此的US7,344,902中所描述，混合物可以模制在LED 50上方。或者，含有磷光体和热耦合材料的膜可以与LED分开形成，随后定位在LED 50上方。在LED上方形成磷光体和透明基质材料的混合物的其它示例包含将分开形成的这种混合物层压或胶合成膜，丝网印刷这种混合物，或者刀缘沉积这种混合物。在可替换实施例中，仅仅一个类型的粉末磷光体58a可存在于混合物中。
在图3说明的实施例中，两种磷光体被分开并且布置在LED上方作为分立层。每个磷光体与热耦合材料56和透明结合材料60混合。在一些实施例中，热耦合材料56可以被包含在多个磷光体层的仅仅一个中，或者包含在没有磷光体的基质材料的分离层中。分立层可以由不同方法形成，所述方法包含但不限于：层压、胶合、丝网印刷、刀缘沉积。
在图2和3的装置中，磷光体和热耦合材料的组合体积可以在一些实施例中为磷光体、热耦合材料和基质材料的总体积的至少30%，并且在一些实施例中为磷光体、热耦合材料和基质材料的总体积的至少60%。发射黄光或绿光的磷光体:发射红光的磷光体:透明材料:热耦合材料的重量比例在一个示例中可以为3.67:1.33:7:3，在一个示例中可以为3.67:1.33:8:2，并且在一个示例中可以为3.67:1.33:5:5。
图4说明的装置包含热耦合材料和发光陶瓷或陶瓷磷光体66。陶瓷磷光体在通过引用结合于此的US7,361,938中更详细描述。陶瓷磷光体66可以独立于LED 50的加工而预形成为板，随后通过包含透明粘合剂63的粘合剂层62胶粘到LED 50。热耦合材料56可以与粘合剂层62中的透明粘合剂63混合。
可选的第二磷光体层64布置在陶瓷磷光体66和管芯50之间。可选的第二磷光体层64可以是例如粉末磷光体58，其如上所述与透明基质60混合，随后应用并且固化在陶瓷磷光体66的底表面上。热耦合材料56可以与基质材料60中的磷光体58混合，不过不需要如此。在图4说明的装置中，热耦合材料56可以布置在粘合剂层62和第二磷光体层64仅仅一个或二者中。在一些实施例中，如果磷光体层64中的基质材料60合适于将陶瓷磷光体66附连到管芯50，则可以省略分离的粘合剂层62。
在图5的装置中，诸如透镜的光学元件形成于LED 50上方。透镜68可以由例如硅树脂或者任何其它合适透明材料60形成。热耦合材料的体积在一些实施例中可以为热耦合材料和透明基质材料的总体积的至少30%，并且在一些实施例中可以为热耦合材料和透明基质材料的总体积的至少60%。发光层70可以形成于透镜68上方。发光层70可包含布置在透明基质材料60中的一种或多种磷光体58a和58b。透镜68和发光层70其中之一或二者可包含热耦合材料56。
图6说明对于具有和不具有热耦合材料的装置，发光层和磷光体层之间的温度梯度与正向电流的函数。在图6说明的装置中，LuAG和铕掺杂(Ca0.2Sr0.8)AlSiN3磷光体的混合物布置在硅树脂基质材料中并且布置在薄膜倒装芯片装置上方。实心圆说明根据本发明实施例的具有布置在基质材料中的热耦合材料的装置。空心圆说明不具有热耦合材料的装置。如图6说明，在所有正向电流值，温度梯度对于包含热耦合材料的装置是更小的，这表明热耦合材料散逸来自磷光体的热量，同时不致使在所有正向电流的来自该装置的光输出减少。
在一些实施例中，透明材料的颗粒与透明基质材料中的磷光体粉末混合。透明材料颗粒的折射率匹配或接近基质材料的折射率并且被定位以防止磷光体在基质材料中沉淀。透明材料颗粒的组合体积在一些实施例中可以为磷光体、透明材料颗粒和基质材料的总体积的至少0.1%；在一些实施例中可以为磷光体、透明材料颗粒和基质材料的总体积的至少1%；以及在一些实施例中可以为磷光体、透明材料颗粒和基质材料的总体积的至少20%。透明材料的颗粒例如可以是粉末，该粉末的中值粒径在一些实施例中介于0.1μm和5μm之间，在一些实施例中介于1μm和10μm之间，以及在一些实施例中介于10μm和50μm之间。透明材料的颗粒通常在形状上为球形或者接近球形。
已经详细描述了本发明，本领域技术人员将理解，鉴于当前公开内容，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，本发明的范围不打算限制于所说明和描述的特定实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应解读为限制权利要求。措词"包含"不排除存在权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤。元件前的措词"一"或"一个"不排除存在多个这种元件。在列举若干装置的设备权利要求中，若干这些装置可以由一个且相同项目的硬件来实施。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (15)

1. 一种装置，包含：
包含发光层的半导体结构(50)；
定位在由发光层发射的光的路径中的发光材料(58a，58b，58，66)；以及
布置在透明材料(60)中的热耦合材料(56)；
其中：
热耦合材料不波长转换由发光层发射的光；
热耦合材料的热导率大于透明材料的热导率；
热耦合材料置为散逸来自发光材料的热量；以及
热耦合材料的折射率与透明材料的折射率相差小于10%。
2. 如权利要求1所述的装置，其中该发光材料(58a，58b，58，66)为布置在透明材料(60)中的粉末磷光体(58a，58b，58)。
3. 如权利要求1所述的装置，其中：
该发光材料(58a，58b，58，66)为第一发光材料(58a)，该第一发光材料配置成在第一峰值波长发射光；
该装置还包含第二发光材料(58b)，该第二发光材料配置成在第二峰值波长发射光；以及
第一发光材料和第二发光材料被混合并且布置在透明材料(60)中。
4. 如权利要求1所述的装置，其中：
该发光材料(58a，58b，58，66)为第一发光材料(58a)，该第一发光材料配置成在第一峰值波长发射光；
该装置还包含第二发光材料(58b)，该第二发光材料配置成在第二峰值波长发射光；以及
第一发光材料和第二发光材料布置在透明材料(60)中并且定位在半导体结构上方分立层中。
5. 如权利要求1所述的装置，其中该发光材料(58a，58b，58，66)为陶瓷磷光体(66)。
6. 如权利要求6所述的装置，还包含布置在透明材料(60)中的粉末磷光体(58)。
7. 如权利要求1所述的装置，其中透明材料(60)形成为透镜(68)并且透明材料布置在半导体结构(50)和发光材料(58a，58b)之间。
8. 如权利要求1所述的装置，其中发光层为III族氮化物材料。
9. 如权利要求1所述的装置，其中热耦合材料(56)的热导率为至少5 W/m-℃。
10. 如权利要求1所述的装置，其中热耦合材料(56)包含下述中的一种：铝/硅混合氧化物、二氧化硅、非晶二氧化硅、SiC、AlN、金刚石、未激活磷光体颗粒、无Ce掺杂的YAG及其混合物。
11. 如权利要求1所述的装置，其中热耦合材料(56)包含中值粒径介于1μm和50μm之间的粉末。
12. 如权利要求1所述的装置，其中热耦合材料(56)包含粉末，其中至少一部分热耦合材料颗粒直接接触最近邻颗粒并且形成到半导体结构(50)的导热路径。
13. 一种方法，包含：
提供包含发光层的半导体结构(50)；
将发光材料(58a，58b，58，66)定位于由发光层发射的光的路径中；以及
定位布置在透明材料(60)中的热耦合材料(56)以散逸来自发光材料的热量；
其中：
热耦合材料不波长转换由发光层发射的光；
热耦合材料的热导率大于透明材料的热导率；以及
热耦合材料的折射率与透明材料的折射率相差小于10%。
14. 如权利要求13所述的方法，其中发光材料(58a，58b，58，66)为陶瓷磷光体(66)。
15. 如权利要求13所述的方法，其中热耦合材料(56)包含下述中的一种：铝/硅混合氧化物、二氧化硅、非晶二氧化硅、SiC、AlN、金刚石、未激活磷光体颗粒、无Ce掺杂的YAG及其混合物。
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