CN102753888A - 使用含镓和氮材料的光学器件反射模式封装 - Google Patents

使用含镓和氮材料的光学器件反射模式封装 Download PDF

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Abstract

一种光学器件包括形成于基底上的LED和所述LED附近范围内可以堆叠或像素化的波长转换材料。波长选择性表面阻挡所述LED器件的直接发射并透射通过与所述波长转换材料的相互作用所产生的选择发射波长。

Description

使用含镓和氮材料的光学器件反射模式封装
相关申请的引用
本申请要求享有2010年2月3日提交的美国临时专利申请No.61/301,183的优先权，共同受让而出于各种目的结合于本文中作为参考。也结合于本文中作为参考的是共同受让的专利申请系列号12/887,207；12/914,789；61/257,303；61/256,934；和61/241,459。
技术领域
本发明总体涉及照明。本发明提供了LED器件的电磁辐射，如紫外线、紫光、蓝光、蓝光和黄光，或蓝光和绿光的透射技术。这些器件可以采用以反射模式发射光的磷光体制作于块体（bulk）半极性或非极性材料上。在其它实施方式中，起始材料能够包括含氮化镓的极性材料。本发明能够应用于白光照明，多色照明，一般性照明，装饰性照明，汽车和飞行器灯，街灯，植物生长照明，指示灯，平板显示器照明，其它光电器件等。
背景技术
在十九世纪后期，托马斯·爱迪生发明了灯泡。传统的灯泡，俗称“爱迪生灯泡”，使用了封装于密封在基座内的玻璃灯泡内的钨丝，该基座螺旋拧入灯座。灯座连接电源。这种传统的灯泡广泛使用。不幸的是，这种传统的灯泡耗散了超过90％的作为热能的能量。此外，这种传统灯泡由于灯丝元件的热膨胀和收缩而经常发生故障。
荧光灯照明采用填充惰性气体的管状结构，通常也含有汞。一对电极耦接于灯管，并通过镇流器耦接于交流电源。当汞蒸气激发时，就会放电，发射远紫外光。灯管涂有磷光体，这能够通过紫外光激发。最近，荧光灯照明已经安装到基座结构，这种基座能够匹配标准灯座。
固态照明技术也已经使用。固态照明依赖于生产发光二极管俗称LED的半导体材料。首先，红色LED已经示范（证明，demonstrate）并商业化推出。红色发光二极管使用铝铟镓磷化物或AlInGaP半导体材料。最近一段时间，中村修二（Shuji Nakamura）率先使用InGaN材料生产出蓝色LED蓝色范围的发光LED。蓝色化LED引领了创新，如固态照明和蓝色激光二极管，这由此能够开发Blu-RayTM DVD播放机，以及其它发展。其它颜色的LED也已推出。
基于氮化镓的高强度UV，蓝光和绿色LED已经推出并示范取得了一定成功。效率通常在UV-紫色中最高，随着发射波长升高至蓝色或绿色而下降。不幸的是，要获得高强度高效率的氮化镓基绿色LED已经问题重重。典型的氮化镓基LED的发光效率在较高的电流密度下显著下降，而这种较高电流密度却是普通照明应用所需的，这种现象称为“电流饱和”。此外，引入LED的封装也有局限性。这些封装往往热效率低下。其它限制包括产率较差，效率低和可靠性问题。虽然固态照明技术非常成功，但对于其潜能的充分开发利用还必须对其进行改进。
发明内容
在所选择的实施方式中，本发明提供的光学器件具有包括表面区域的安装构件，在一部分所述表面区域上的至少一个LED器件和置于所述表面区域上的波长转换材料，构造成基本反射所述LED器件的直接发射并构造成透射通过所述LED器件直接发射与至少波长转换材料相互作用所产生的至少一个所选择波长的转换的发射的波长选择性表面。LED器件的至少30%的直接发射在与所述波长转换材料发生相互作用之前从所述波长选择性表面被反射。优选所述波长材料具有小于100μm的厚度，但其可能小于200μm，而所述LED器件具有的表面区域延伸高出波长转换材料的表面。所述波长转换材料优选包括特征为平均粒子-粒子间距约小于10倍所有波长转换材料平均粒径的波长转换粒子。
通常情况下，所述波长选择性表面是滤光片（滤光器）或二色性光学构件。这种波长转换材料能够作为以像素化图案布置（安排）、（或以）混合至一起的第一和第二波长转换材料提供，或以堆叠布置提供。这种波长转换材料能够作为量子点，磷光体材料或有机材料提供。还优选这种LED器件制作于具有极性、半极性或非极性取向的含镓和氮的基底上。
在另一实施方式中，这种光学器件包括具有表面区域的安装构件，连同波长转换材料层一起置于一部分所述表面区域之上的LED器件。波长选择性表面构造成基本反射所述LED器件的直接发射并透射通过所述LED器件直接发射与至少波长转换材料相互作用所产生的至少一个所选择的波长的转换发射。通过在第一高度的所述LED表面区域形成的第一体积连接LED表面和波长选择性表面。通过在第二高度的波长转换材料层的区域形成的第二体积连接波长转换材料层和波长选择性表面。第二体积大于第一体积，而第二区域基本上是透明的并基本上无波长转换材料。
本发明提供了一种光学器件，其包括具有表面区域的安装构件和所述表面区域上的LED器件。表面区域的暴露部分具有处置于其上的第一波长转换材料和处于第一波长转换材料之上的第二波长转换材料。波长选择性表面基本上阻挡了LED器件的直接发射并透射通过与所述波长转换材料的相互作用所产生的反射性发射的选择波长。
在另外的实施方式中，这种器件具有多种提供于LEDs器件附近范围内的波长转换材料。波长选择性表面阻挡LEDs的直接发射，而同时透射与所述波长转换材料的相互作用所产生的反射性发射的选择波长。优选这种LED器件经过安装而使其上表面处于波长转换材料的上表面之上。这种波长转换材料能够作为像素化结构、混合在一起、或一种堆叠于另一种之上而进行构造。
在其它实施方式中，这种安装构件具有暴露的部分表面区域和叠盖所暴露部分的一定厚度的延性材料。这种延性材料能够包括软的或硬的金属、半导体、聚合物或塑料、介电质、或这些的组合。波长转换材料部分或全部嵌埋于延展性材料中。波长选择性表面阻挡所述LED器件的直接发射并透射通过与所述波长转换材料的相互作用所产生的反射性发射的选择波长。这种延展性材料和波长转换材料经过排布而相对于彼此具有合适的高度。
本发明还提供了制作光学器件的方法。本方法包括提供具有表面区域的安装构件并且，例如，使用类电镀的工艺方法或沉积工艺方法形成其中具有波长转换材料的一定厚度的载体材料。随后波长转换材料优选通过合适的工艺步骤暴露。在另一实施方式中，这种器件具有耦接于波长转换材料的基质和平均堆积热导率。这种基质可以包括硅树脂、环氧树脂、或其它囊封材料，这可以是有机的或无机的，而用于封装波长转换材料如磷光体。
本发明的器件和方法提供用于通过提高效率而改进照明。这种方法和所获得的结构采用传统技术更容易实施。在具体实施方式中，发紫光LED器件能够发射约380nm~约440nm波长范围内的电磁辐射。在另一实施方式中，发蓝光LED器件能够发射约440nm~约490nm波长范围内的电磁辐射。在其它实施方式中，使用了具有多个发射波长的多个LED器件。
附图说明
图1是使用平面载体和切割载体（cut carrier）的封装光发射器件的简化图；
图2~12是采用反射模式构造的可替代的封装发光器件的简图；
图13~15是根据本发明的其它实施方式采用反射模式构造的封装发光器件的简图；和
图16~22是使用波长转换（conversion）材料的方法的简图。
具体实施方式
最近GaN基光电子学的突破证实了制作于本体GaN基底上的器件的潜力，包括极性的、非极性的和半极性的取向。对于非极性和半极性取向，不存在困扰c-平面（即，极性）GaN上传统器件的强极化感应电场，导致了发光InGaN层中辐照重组效率大大增强。另外，电子能带结构的性质和各向异性的平面内应变导致高度偏振的光发射，这在诸如背光显示的应用中提供了优势。
对于照明领域尤其重要的是制作于非极性和半极性GaN基底上的发光二极管（LED）的进展。这种器件，利用InGaN发光层，已经表现出破纪录的功率输出，将工作波长延长到紫色区域（390-430nm）、蓝色区域（430-490nm）、绿色区域（490-560nm）和黄色区域（560-600nm）。例如，紫色LED，峰发射波长为402nm，近来已经制作于m-平面（1-100）GaN基底上，尽管还没有光萃取效率增强特性，却证明了大于45%的外量子效率，并显示出高电流密度下的优异性能，电流饱和（roll-over）最低。采用这种高性能本体GaN基的LED，现在几种类型的白光源已成为可能。在一个实施方式中，发紫光的本体GaN-基的LED与磷光体封装在一起。优选所述磷光体是发射蓝、绿和红光或其子组合的三种磷光体的混合物。
极性、非极性或半极性LED可以制作于本体氮化镓基底上。氮化镓基底通常是根据现有技术领域的方法由氢化物气相外延生长或氨热生长（ammonothermal）而生长的晶锭（boule）切片而成。氮化镓基底也能够通过氢化物气相外延生长或氨热生长的组合法而制成，这公开于共同受让的美国专利申请No.61/078,704中，而将其结合于本文中作为参考。晶锭（boule）可以以c-方向、m-方向、a-方向、或半极性方向生长于单晶晶种上。半极性平面可以通过（hkil）米勒指数标识，其中i＝-(h+k)，l非零而h和k至少一个非零。氮化镓基底可以进行切割（cut），研磨，抛光和化学机械抛光。氮化镓基底取向可以处于{1-1 0 0}m晶面、{1 1-2 0}a晶面、{1 1-2 2}晶面、{2 0-2±1}晶面、{1-1 0±1}晶面、{1-1 0-±2}晶面或{1-1 0±3}晶面的±5度，±2度，±1度或±0.5度内。这种氮化镓基底优选具有低的位错密度。
均匀外延的极性、非极性或半极性LED按照本领域已知的方法，例如，按照公开于美国专利No.7,053,413中的方法制作于氮化镓基底上，该专利以其全文结合于本文中作为参考。例如，按照美国专利7,338,828和7,220,324中公开的方法，在基底上沉积至少一层AlxInyGa1-x-yN层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，和0≤x+y≤1，这两个专利以其全文结合于本文中作为参考。至少一层AlxInyGa1-x-yN层可以通过金属有机化学气相沉积，通过分子束取向附生，通过氢化物气相外延附生，或通过其组合进行沉积。AlxInyGa1-x-yN层包含通过电流时优先发射光的活性层。这种活性层能够是单量子阱，厚度为约0.5nm~约40nm。在另一实施方式中，活性层是多量子阱，或双杂结构，厚度为约40nm~约500nm。在一个具体实施方式中，这种活性层包含InyGa1-yN层，其中0≤y≤1。
本发明提供了包含至少一个置于安装构件（mounting member）之上的LED的封装件（package）和器件。在其它实施方式中，起始材料能够包括含氮化镓的极性材料和其它材料，如蓝宝石、氮化铝、硅、碳化硅和其它基底。本发明的封装件和器件优选结合磷光体而发白光。
图1是平面载体封装的发光器件100和槽形或杯形封装的发光器件110的示图。本发明提供了构造于平面载体封装件中的封装发光器件100。如所示，该器件具有含表面区域的安装构件。这种安装构件由合适的材料如陶瓷、半导体（例如，硅）、金属（铝，合金42或铜）、塑料、介电质等制成。基底可以作为引线框构件、载体或其它结构提供。这些在图中统称为“基底”。
安装构件，用于固定LED，能够制成各种形状、尺寸和构造。通常安装构件的表面区域充分平坦，但是也可能存在一处或多处稍微变化的表面区域，例如，该表面可能是杯形的或阶梯状的，或平坦和杯形的组合。另外，这种电镀层或涂层能够是金，银，铂，铝，其上有金属的介电质，或其它适用于结合至上面的（overlying）半导体材料的材料。
再参照图1，这种光学器件具有在表面区域上的发光二极管。这种发光二极管器件103能够是任何类型的LED，但是在优选的实施方式中，优选制作于半极性或非极性的含GaN基底上，但是也能够制作于极性的含镓和氮的材料上。优选LED发射偏振的电磁辐射105。这种发光器件偶联至第一电势和第二电势109，第一电势连接基底，第二电势109连接粘结至发光二极管的导线或引线111。
发光二极管器件能够是发蓝光的LED器件并且实质偏振的发射是波长约440~约490nm的蓝光。在具体实施方式中，{1-1 0 0}m-晶面本体基底或{1 0-1-1}半极性本体基底适用于半极性蓝光LED。基底具有平坦表面，均方根（RMS）粗糙度为约0.1nm，线纹错位（threading dislocationdensity）密度小于5×106cm-2，而载体浓度为约1×1017cm-3。外延附生层通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在大气压下沉积于基底上。在生长期间第V族前体（氨）与第III族前体（三甲基镓，三甲基铟，三甲基铝）的流量之比为约3000~约12000。首先，n-型（硅掺杂的）GaN的接触层沉积于基底上，厚度为约5μm而掺杂水平为约2×1018cm-3。接着，未掺杂的InGaN/GaN多量子阱（MQW）作为活性层进行沉积。这种MQW超晶格具有6个周期，包含8nm的InGaN和37.5nm的GaN交替层作为阻隔层。接着，沉积10nm未掺杂的AlGaN电子阻挡层。最后，沉积p-型GaN接触层，厚度约200nm而孔洞浓度为约7×1017cm-3。氧化铟锡（ITO）是随着p-型接触和快速热退火而蒸发至p-型接触层上的e-束。LED台面晶体管，大小约300×300μm2，通过光刻法和干蚀刻法采用氯基电感耦合等离子体（ICP）技术形成。Ti/Al/Ni/Au是蒸发至n-GaN层上形成n-型接触的e-束，Ti/Au是蒸发至部分ITO层上形成p-接触垫的e-束，而该晶片切成小方块而进入离散的LED硬模中。电接触通过传统的导线粘结而形成。
在具体实施方式中，光学器件具有形成于与LEDs分开的表面区域的暴露部分上的100μm或更薄厚度的材料。这些材料包括转换波长选择性反射体反射的电磁辐射的波长转换材料。通常情况下，这些材料由LED发射激发而发射第二波长的电磁辐射。在优选实施方式中，这些材料基本上发射绿光，黄光和/或来自与蓝光相互作用的红光。
这些实体优选包含选自(Y，Gd，Tb，Sc，Lu，La)3(Al，Ga，In)5O12:Ce3+、SrGa2S4:Eu2+、SrS:Eu2+的磷光体或磷光体掺混物和含CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe或CdTe的胶状量子点薄膜。在其它实施方式中，这种器件包含能够基本发射红光的磷光体。这种磷光体选自以下磷光体中的一种或多种：(Gd,Y，Lu,La)2O3:Eu3+，Bi3+；(Gd,Y，Lu,La)2O2S:Eu3+，Bi3+；(Gd,Y，Lu,La)VO4:Eu3+，Bi3+；Y2(O,S)3:Eu3+；Ca1-xMo1-ySiyO4:，其中0.05≤x≤0.5，0≤y≤0.1；(Li,Na,K)5Eu(W，Mo)O4；(Ca,Sr)S:Eu2+；SrY2S4:Eu2+；CaLa2S4:Ce3+；(Ca,Sr)S:Eu2+；3.5MgO*0.5MgF2*GeO2:Mn4+(MFG)；(Ba,Sr,Ca)MgxP2O7:Eu2+，Mn2+；(Y，Lu)2WO6:Eu3+，Mo6+；(Ba,Sr，Ca)3MgxSi2O8:Eu2+，Mn2+，其中1<x≤2；(RE1-yCey)Mg2-xLixSi3-xPxO12，其中RE是Sc、Lu、Gd、Y和Tb中的至少之一，0.0001<x<0.1而0.001<y<0.1；(Y，Gd，Lu，La)2-xEuxW1-yMoyO6，其中0.5≤x≤1.0，0.01≤y≤1.0；(SrCa)1-xEuxSi5N8，其中0.01≤x≤0.3；SrZnO2:Sm+3；MmOnX，其中M选自Sc、Y、镧系元素、碱土金属及其混合物构成的组，X为氢，1≤m≤3且1≤n≤4，而其中镧系元素的掺杂水平能够为0.1%~40%的谱重量；和Eu3+活化磷酸盐或硼酸磷光体；和其组合。
量子点材料包含半导体族和稀土掺杂氧化物纳米晶体，其大小尺寸和化学（结构）决定其发光特性。半导体量子点的典型化学（结构）包括众所周知的(ZnxCd1-x)Se[x=0..1]，(Znx,Cd1-x)Se[x=0..1]，Al(AsxP1-x)[x=0..1]，(Znx,Cd1-x)Te[x=0..1]，Ti(AsxP1-x)[x=0..1]，In(AsxP1-x)[x=0..1]，(AlxGa1-x)Sb[x=0..1]，(Hgx,Cd1-x)Te[x=0..1]锌掺杂半导体晶体结构。稀土掺杂氧化物纳米晶体的公开实例包括Y2O3:Sm3+，(Y，Gd)2O3:Eu3+，Y2O3:Bi，Y2O3:Tb，Gd2SiO5:Ce，Y2SiO5:Ce，Lu2SiO5:Ce，Y3Al5_)12:Ce，而不应该排除其它简单的氧化物或原硅酸盐。许多这些材料正在作为被认为有毒的含Cd和Te材料的合适替代物进行积极研究。
对于本文中的多种目的，当磷光体具有两种或多种掺杂离子（即，上述磷光体中冒号之后的那些离子）时，这是指这种磷光体在该材料中具有至少一种那些掺杂剂离子（而不必是所有的）。正如本领域技术人员所理解的那样，这个概念是指这种磷光体能够在配方中包含任一或所有那些指定离子作为掺杂剂。
在另一实施方式中，发光二极管器件包括至少一种发射约380nm~约440nm范围内的电磁辐射的发紫光LED器件而该实体能够基本上发射白光。在具体实施方式中，(1-1 0 0)m-晶面本体基底提供用于非极性紫色LED。这种基底具有平坦表面，均方根（RMS）粗糙度为约0.1nm，线纹错位密度小于5×106cm-2，而载体浓度为约1×1017cm-3。外延附生层通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在大气压下沉积于基底上。在生长期间第V族前体（氨）与第III族前体（三甲基镓，三甲基铟，三甲基铝）的流量之比为约3000~约12000。首先，n-型（硅掺杂的）GaN的接触层沉积于基底上，厚度为约5μm而掺杂水平为约2×1018cm-3。接着，未掺杂的InGaN/GaN多量子阱（MQW）作为活性层进行沉积。这种MQW超晶格具有六个周期，包含16nm的InGaN和18nm的GaN交替层作为阻隔层。接着，沉积10nm未掺杂的AlGaN电子阻挡层。最后，沉积p-型GaN接触层，厚度约160nm而孔洞浓度为约7×1017cm-3。氧化铟锡（ITO）是随着p-型接触和快速热退火而蒸发至p-型接触层上的e-束。LED台面晶体管，大小约300×300μm2，通过光刻法和干蚀刻法形成。Ti/Al/Ni/Au是蒸发至暴露的n-GaN层上形成n-型接触的e-束，Ti/Au是蒸发至部分ITO层上形成接触垫的e-束，而该晶片切成小方块而进入离散的LED硬模中。电接触通过传统的导线粘结而形成。根据具体实施方式，其它颜色的LED也可以使用或组合。在类似的实施方式中，这种LED制作于极性本体GaN取向上。
在具体实施方式中，这些实体包含能够基本上发射蓝光、基本发射绿光和基本发射红光的磷光体掺混物。作为一个实例，这种发蓝光的磷光体能够选自由(Ba,Sr,Ca)5(PO4)3(Cl,F,Br,OH):Eu2+，Mn2+；Sb3+,(Ba,Sr,Ca)MgAl10O17:Eu2+，Mn2+；(Ba,Sr,Ca)BPO5:Eu2+，Mn2+；(Sr,Ca)10(PO4)6*nB2O3:Eu2+；2SrO*0.84P2O5*0.16B2O3:Eu2+；Sr2Si3O8*2SrCl2:Eu2+；(Ba,Sr,Ca)MgxP2O7:Eu2+，Mn2+；Sr4Al14O25:Eu2+(SAE)；BaAl8O13:Eu2+；及其混合物组成的组。这种绿光磷光体能够选自由(Ba,Sr,Ca)MgAl10O17:Eu2+，Mn2+(BAMn)；(Ba,Sr,Ca)Al2O4:Eu2+；(Y，Gd,Lu,Sc,La)BO3:Ce3+,Tb3+；Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+，Mn2+；(Ba,Sr，Ca)2SiO4:Eu2+；(Ba,Sr,Ca)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2+；(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,ln)2S4:Eu2+；(Y，Gd,Tb,La,Sm,Pr,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce3+；(Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu2+，Mn2+(CASI)；Na2Gd2B2O7:Ce3+，Tb3+；(Ba,Sr)2(Ca,Mg,Zn)B2O6:K,Ce,Tb；及其混合物组成的组。这种红光磷光体能够选自由以下材料组成的组：(Gd,Y，Lu,La)2O3:Eu3+，Bi3+；(Gd,Y，Lu,La)2O2S:Eu3+，Bi3+；(Gd,Y，Lu,La)VO4:Eu3+，Bi3+；Y2(O,S)3:Eu3+；Ca1-xMo1-ySiyO4:，其中0.05≤x≤0.5，0≤y≤0.1；(Li,Na,K)5Eu(W，Mo)O4；(Ca,Sr)S:Eu2+；SrY2S4:Eu2+；CaLa2S4:Ce3+；(Ca,Sr)S:Eu2+；3.5MgO*0.5MgF2*GeO2:Mn4+(MFG)；(Ba,Sr,Ca)MgxP2O7:Eu2+，Mn2+；(Y，Lu)2WO6:Eu3+，Mo6+；(Ba,Sr,Ca)3MgxSi2O8:Eu2+，Mn2+，其中1<x≤2；(RE1-yCey)Mg2-xLixSi3-xPxO12，其中RE是Sc，Lu，Gd，Y和Tb中至少之一，0.0001<x<0.1而0.001<y<0.1；(Y，Gd，Lu，La)2-xEuxW1-yMoyO6，其中0.5≤x.≤1.0，0.01≤y≤1.0；(SrCa)1-xEuxSi5N8，其中0.01≤x≤0.3；SrZnO2:Sm+3；MmOnX，其中M选自由Sc，Y，镧系元素，碱土金属及其混合物组成的组，X为卤素，1≤m≤3且1≤n≤4，而其中镧系元素掺杂水平能够为0.1%~40%的谱重量；和Eu3+活化磷酸盐或硼酸盐磷光体；及其混合物。
应该认识到，也能够使用其它“能量转换发光材料”，包括磷光体、半导体、半导体纳米粒子（“量子点”）、有机发光材料等、及其组合。这些能量转换发光材料一般能够是一种和/或多种波长转换材料。
在一个实施方式中，封装的器件具有平面载体构造，而包括包含波长选择性的平面区域的包封外壳。这种包封外壳能够由合适的材料如光学透明塑料、玻璃或其它材料制成。这种包封外壳具有合适的形状119，这些形状可能是环形的、圆形的、卵圆形的、梯形的、或其它形状。正如参照杯形构造设计结构所示，这种封装器件提供于台阶状或杯形载体内。根据实施方式，具有合适形状和材质的封装外壳经过构造设计而有利于并甚至优化封装件内部区域反射的电磁辐射的透射。波长选择性材料能够是作为封装外壳表面区域的涂层施用的滤光器件。在优选的实施方式中，波长选择性表面是透明材料，如分布式布拉格反射器（DBR）栈，衍射光栅，调节散射选择性波长的粒子层，光子晶体结构，在某波长下调节用于等离子体共振增强的纳米粒子层，或二色性滤光片，或其它处理方法。
波长转换材料通常处于约100μm的热沉之中，该热沉是具有热导率大于约15、100、200或甚至300W/m-K的表面区域。在具体实施方式中，这种波长转换材料具有约小于约2倍的波长转换材料的平均粒径的平均粒子-粒子间距，但其能够是3倍、5倍、或甚至10倍的波长转换材料平均粒径。另外，这种波长转换材料能够作为滤光器件提供。
图2~12是具有反射模式构造的封装发光器件的示图（图解）。封装外壳具有内部区域和具有界定于内部区域中的体积的外部区域。该体积是敞开的，并填充了透明材料，如硅树脂，或惰性气体或空气而提供LED器件或多个器件和表面区域之间的光学通路。在优选实施方式中，光学通路包括从波长选择性材料至波长转换材料，然后再返回通过波长转换材料的路径。在具体实施方式中，封装外壳（enclosure）也具有一定厚度，并围绕载体基部区域安装。
通常情况下，这些实体悬浮于合适介质中。这种介质的实例可能是硅树脂，玻璃，玻璃上的纺纱，塑料，掺杂的聚合物，金属，或半导体材料，包括分层残留，和/或复合材料，等。根据实施方式，这种包括聚合物的介质作为流态开始，填充于封装外壳的内部区域，并能够填充和密封这个或多个LED器件。这种介质随后固化并达到基本稳定的状态。这种介质优选是光学透明的，但是也能够是选择性透明的。另外，该介质一旦固化，通常基本上是惰性的。在优选实施方式中，这种介质具有较低的吸收容量而容许LED器件产生的绝大部分电磁辐射穿过介质并在所需波长下通过封装外壳提供。在其它实施方式中，这种介质能够经过掺杂或处理而选择性地过滤、分散或影响所选的光波长。作为一个实例，这种介质能够用金属，金属氧化物，介电质或半导体材料，和/或这些材料的组合进行处理。
LED器件能够按照各种封装构件，如圆柱形、表面贴装、功率、灯、倒装芯片、星形、阵列、带形或依赖于透镜（硅树脂、玻璃）或子安装件（陶瓷、硅、金属、复合材料）的几何形状进行构造设计。另外，封装件能够是这些封装件的任何变体。
在其它实施方式中，封装器件能够包括任何类型的光学和/或电子器件如OLED，激光，纳米粒子光学器件等。如果需要，这种光学器件能够包括集成电路，传感器，微加工的电子机械系统（micro-machinedelectronic-mechanical system），或其它器件。封装的器件能够耦接至镇流器而提供电源。这种整流器能够耦接至合适的基座，如圆螺纹如E27或E14，双引脚基座如MR16或GU5.3，或卡口座如GU10。在其它实施方式中，这种整流器能够在空间上与封装器件分开。
磷光体粒子制成的屏幕上最终像素分辨率极限是磷光体粒子自身的粒径。通过产生其厚度达到粒子粒径（直径，diameter）级别的磷光体层，就能产生有效的“自然像素化作用”，其中，每个颗粒就成为一个像素。即，有色像素通过单个磷光体粒子定义。本发明人已经确定，正确设计的再循环腔（例如，选择性反射构件）能够使吸收路径长度延长而由此最小化产生正确的最终颜色的所需磷光体量，甚至达到磷光体“单层”或亚单层。这种类型的单一或多粒子屏幕将会改进热性能，封装件光学效率，以及LED器件的总性能。这种概念的许多外延能够适用于磷光体的混合的、远程的、分层的板状构造。
图8B显示了采纳这一概念的本发明的一个实施方式。在这种情况下，反射模式磷光体层的总厚度处于平均颗粒高度的级别。所选的磷光体封装密度能够甚至容许颗粒之间存在间隙，并且如果颗粒所处表面是充分反射性的则能够实现高转化效率。当然，多磷光体能够包括于反射模式层中，例如，用于发白光LED的发红光、绿光和/或蓝光的磷光体。多个益处（优势）包括粒子的最佳热构造设计（直接或接近直接连接基底），最小化磷光体粒子之间的串扰，由此最小化交叉吸收事故，昂贵磷光体材料的最低用量，产生n-色屏幕的最少加工步骤，以及最小化远场颜色分离。
使用薄层磷光体层的方法包括，但不限于，喷涂/静电粉末喷涂法，粉末路径中采用挡板电极使粉末带电的超声波喷涂法，单层粒子自组装法，蘸笔光刻法，单层电泳沉积法，沉积法，采用干喷粉的光胶粘涂施法（phototacky application），采用胶粘附着的静电涂法，浸涂法等。
现有技术（例如，Krames等的美国专利7,026,66）表明对于原始LED超过30%的直接发射，磷光体转化效率降低。反射模式器件如本文中的描述，然而，随着LED至反射器的直接发射增加而提高了效率，因为磷光体粒子并不存在反向散射光进入LED器件，这种反向散射光随后可以消失。这就是反射模式概念的核心优点。
Johnson在《磷光体手册》（Shionoya and Yen，16,787，1999）中教导（J.Opt.Soc.Am 42,978,1952），荧光亮度和磷光体粒子层数之间存在一定关系。这基于卤代磷酸盐粉末建模已经证明是~5层粒子层。随着粒子层数增加至10层（从4至10层损失30%）亮度稳步下降。假设在LED基应用中典型粒径为15~20μm，而在5层是估计的峰值荧光，则波长变化材料最大厚度处于小于或等于~100μm时是合乎需要的。
反射模式的几何结构，其部分地通过发射芯片光的30%必须在到达磷光体转化材料之前首先到达波长选择性表面的要求定义的，从发射芯片附近周围和在芯片和波长选择性表面之间的体积内消除了高度散射的介质。这降低了芯片中的反向散射损失以及封装件水平散射损失，导致光学设计更加有效。另外，波长发生转换的光主要产生于波长转换材料的顶表面，容许这样产生而最少妨碍光路的光能够从封装件中退出。通过确保波长转换材料置于安装构件的表面区域，为这种波长转换材料提供了热耗散的最佳热路径，容许波长转换材料在降低的温度下运行而转换效率比其中波长转换材料没有充足的热路径而不能在最低可能的温度下运行的设计更高。通过限制波长转换材料层的厚度至100μm或更低，热路径并未受到波长转换材料厚度自身的不良影响。
在测试中，本发明人发现，如果再循环效应足够强时，所有一切所需的是非常薄的磷光体层。实际上，甚至不到一个“单层”的磷光体材料就能够获得高的转化率。这就提供了以下益处：a）所需磷光体材料的用量降低，b）提供了对于热沉更好的更薄层，和c）“自然像素化作用”导致级联下转换事件更少（即，在那种事件下，紫色泵浦蓝色泵浦绿色泵浦红色）。
图13~15是根据本发明实施方式采用反射模式构造的可替代的封装发光器件的简化示图。参照图13，图示说明了混合反射模式的光学器件。磷光体沉积于基座和/或围绕封装件壁而形成波长转换层。在具体实施方式中，LED发射的光定向到达波长转换层的表面上而转换的磷光体光直接从封装的LED反射出来。该器件取消了波长转换材料，包括来自所产生光的退出路径的粒子，由此提高了光输出和封装件的提取（extraction，抽出）。另外，将磷光体粒子定位于封装件表面上为粒子上产生的热的传递提供了至少一个改进的路径（斯托克斯损失和非同式量子效率）。这种器件优选在反射表面上包含磷光体粒子，例如，LED中的可再现生色，像素化和有效热耗散。反射表面可以包含银，铝或其它组合，分层的，和/或抛光材料。
在沉积工艺过程中，正如本文中其它地方的描述，磷光体粒子沉积于基底上。磷光体粒子可以具有约0.1μm~约500μm，或约5μm~约50μm的粒径分布。在一些实施方式中，磷光体粒子的粒径分布是单模态的，峰值处于约0.5μm~约400μm的有效直径处。在其它实施方式中，磷光体粒子的粒径分布是双模态的，局部峰处于两个直径处；三模态的，局部峰处于三个直径处；或多模态的，局部峰处于四个或更多有效直径处。
封装件或安装构件可以包含金属，陶瓷，玻璃，单晶晶片等。安装构件在约380~约800nm的波长下可以具有大于50%，60%，70%，80%，90%，95%，98%，或甚至99%的反射率。在一个具体实施方式中，安装构件包含银或其它合适的材料。在一些实施方式中，磷光体粒子与液体，例如水混合而形成料浆。在其它实施方式中，这种液体包括有机液体，如乙醇，异丙醇，甲醇，丙酮，乙醚，己烷等。在一个实施方式中，这种液体是加压二氧化碳。
在一些实施方式中，料浆（slurry）形式的磷光体粒子通过喷涂，喷墨打印，丝网印刷而沉积于基底上，并随后使液体蒸发。在其它实施方式中，料浆中的磷光体粒子通过沉淀，通过离心，通过电泳等而沉降于基底上。在一些实施方式中，超出单层的磷光体粒子通过冲洗而除去。
现在参照图14，本发明提供了一种分层的波长变化材料。如所示的光学器件，例如，具有含表面区域的安装构件的封装LED和所述表面区域部分之上的LED器件。这种器件也包括所述表面区域的暴露部分。第一波长转换材料置于一些暴露部分之上，而第二波长转换材料置于第一波长变化材料部分之上。波长选择性表面基本上阻滞了LED器件的直接发射并透射与波长转换材料相互作用产生的反射的发射物（reflectedemission）的选择波长。优选波长转换材料分层而进一步降低磷光体-磷光体吸收/再发射过程，这种过程会导致转换效率降低。
现在参照图15，显示了像素化波长转换材料。这种器件具有含表面区域的安装构件，在此表面区域上安装LED器件。第二部分表面区域具有构造设计于像素化结构中的波长转换材料。像素化磷光体结构适用于反射模式器件。为了提高与LED发射光的相互作用，能够使用覆盖封装件顶部的反射器，将LED光重新定向向下朝着磷光体传播。优选这种像素化结构包括先前实施方式的优点，以及增加降低的磷光体相互作用和分布区颜色控制。
图16~22是施用波长转换材料的方法的图示。正如图16中所示，磷光体粒子通过机械手段，例如，心轴等嵌埋于基底的表面区域内。这种心轴通常是硬质材料，如胶合的碳化钨，碳化硅，氮化铝，氧化铝，立方氮化硼，金刚石或钢。这种心轴可以另外包含相对较软的材料，如PTFE或PFA特氟隆（杜邦公司的登记商标）。如果这种心轴在其表面上嵌埋了磷光体粒子，则可以对基底按压心轴而将磷光体粒子夹在二者之间。在具体实施方式中，心轴和基底之间的接触压力为约105Pa~约108Pa，并且基底处于退火状态。随后以最低的接触压力就能够实现其表面变形和磷光体粒子的嵌埋。
在其它实施方式中，磷光体粒子通过沉积法而嵌埋于基底之上的反射基质中。反射基质能够包含银或其它合适材料，这些材料可以是延性材料。沉积工艺过程能够通过化学镀完成，而在磷光体粒子沉积之前要用活化溶液或料浆处理基底。在具体实施方式中，活化溶液或料浆包括SnCl2，SnCl4，Sn+2，Sn+4，胶状Sn（锡），Pd（钯），Pt（铂）或Ag（银）中的至少一种。磷光体覆盖也能够在化学镀浴中采用电镀溶液如银离子，硝酸根离子，氰离子，酒石酸根离子，氨，碱金属离子，碳酸根离子和氢氧根离子中的至少之一进行电镀。还原剂二甲胺硼烷（DMAB），硼氢化钠，甲醛，次磷酸，肼，硫代硫酸盐，亚硫酸盐，糖或多元醇，也能够加入这种溶液中。
在另一具体实施方式中，基质的沉积工艺方法包括电解沉积或电镀沉积，如图17中所示。磷光体覆盖的基底置于包含银离子、氰离子、硝酸根离子、氨、磷酸根离子、碱金属离子和氢氧根离子中的至少之一的电镀浴中。基底置于与直流电源负极电极的电接触，而同时直流电源的正极连接至放置于电镀浴中的银电极，并紧邻基底。这种直流电源的电压产生约0.01mA/cm2~约1A/cm2，或约1mA/cm2~约0.1A/cm2的电流密度。
在其它实施方式中，经过基质沉积工艺过程之后，基底/磷光体粒子/基质复合材料要进行蚀刻工艺过程而去除磷光体粒子最外面部分上的多余基质材料。蚀刻工艺方法包括采用蚀刻溶液的湿式工艺方法。蚀刻溶液能够使用硝酸HNO3，硝酸铁Fe(NO3)3，Ce(NH4)2(NO3)6，NH4NO3或KI/I2。蚀刻之后，要实施清洗和/或漂洗步骤，接着进行干燥。
现在参照图18，本发明也提供了嵌埋于封装件自身之中的波长转换材料。作为一个实例，以LED封装件的标准绿带陶瓷或丝网印刷工艺方法开始，将磷光体粒子引入到最终带层中并共烧制（共火成，co-fire）。优选这种方法产生的荧光封装层是机械稳定的，而自身具有通过封装件的热路径。
这种方法包括形成在反射表面上的磷光体粒子的工艺方法。在第一沉积步骤中，磷光体粒子1903沉积于安装构件1901上，如图19所示。磷光体粒子1903可以包含本文中所列那些中的任何磷光体粒子，以及其它组合。磷光体粒子1903优选具有约0.1μm~约500μm，或约5μm~约50μm的粒径分布。在一些实施方式中，磷光体粒子的粒径分布是单模态的，单峰处于约0.5μm~约400μm有效直径处。在其它实施方式中，磷光体粒子1903的粒径分布是双模态的，局部峰处于两个直径处；三模态的，局部峰处于三个直径处；或多模态的，局部峰处于四个或更多有效直径处。
安装构件1901可以包含金属、陶瓷、玻璃、单晶晶片等。安装构件1901在约390~约800nm的波长下可以具有大于50%，60%，70%，80%，90%，95%，98%或甚至99%的反射率。磷光体粒子1903能够采用如上所述的相同工艺方法涂施于基底上。
现在参照图22，工艺步骤包括（1）料浆（slurry，浆料）分散；（2）遮光板曝光；（3）显影；（4）重复（RGB）；（5）和其它步骤。在一个具体实施方式中，单色R，G或B磷光体悬浮于具有敏化粘合剂（通常为含水重铬酸盐）的溶液（通常情况下是PVA）中。这种料浆可以淹渍分散于表面上，如所示。一旦建立合适的厚度，使料浆变干并通过限定曝光区域（像素）的遮光板曝光（UV）。显影可能包括热水喷洒而冲洗掉未曝光的区域，接着为后续着色重复任何一个或多个步骤。另外，还可能有其它变化，修改和替代。
在本发明优选的实施方式中，由于平均磷光体粒子间距小得多，并且另外在一些实施方式中，使用热导率显著比典型硅树脂/环氧树脂高的基质，所以预期会具有显著更高的平均热导率。所获得的器件将会具有大于5W/m-K，10W/m-K，20W/m-K，50W/m-K或甚至大于100W/m-K的波长转换材料和基质、其结合的表面或界面的平均体积热导率。
本发明能够提供具有所需平均稳态温度的磷光体粒子的封装件。即，传统LED应用中磷光体+硅树脂/环氧树脂基质中的磷光体粒子的平均温度，由于基质较低热导率所致的散热太差，估计会超过150℃。由于磷光体粒子间热传导/散热更高，而另外在某些实施方式中，由于使用的基质具有显著高于典型硅树脂/环氧树脂的热导率，则预期具有显著更低的平均稳态温度。磷光体粒子较低的平均稳态温度具有很多益处——较低温度下具有较高的磷光体转换效率，以及高温下的基质降解变质减少/不存在（硅树脂/环氧树脂在超过150℃的温度下降解变质是可能的故障模式）。
波长转换材料的波长转换粒子的平均稳态温度在运行期间优选小于150℃，而能够小于120℃，100℃，75℃，50℃，或甚至在运行期间处于器件封装件中25℃或50℃的平均热沉温度。
另外，本发明的分装器件能够提供于各种应用中。在优选的实施方式中，这种应用是普通照明，这包括办公楼，住宅，室外照明，体育场照明等。另外，这些应用环境能够是显示之用，如适用于计算应用，电视机，平板显示器，微显示器等的那些。更近一步地，这些应用能够包括汽车，对策模拟（gaming），等。
在具体实施方式中，本发明的器件经过构造设计而能够达到空间均匀性。即，能够向封装剂中加入扩散剂而获得空间均匀性。根据实施方式而定，这种扩散剂能够包括TiO2，CaF2，SiO2，CaCO3，BaSO4，等，这都是光学透明的而具有与导致光发生反射、折射和散射的封装剂不同的指数，使远场图案更加均匀。
正如本文中所用的术语GaNg基底与第III族氮化物基材料有关，包括GaN，InGaN，AlGaN，或其它用作起始原料的含第III族元素的合金或复合物。这种起始原料包括极性GaNg基底（即，最大区域的表面标称是（h k l）晶面的基底，其中h=k=0，而l非零），非极性GaNg基底（即，最大区域的表面是朝着（h k l）晶面以与以上所述极性取向成约80-100度角度取向的基底材料，其中l=0，而h和k至少一个非零）或半极性GaNg基底（即，最大区域的表面是朝着（h k l）晶面以与以上所述极性取向成约+0.1~80度或110~179.9度角度取向的基底材料，其中l=0，而h和k至少一个非零）。
在一个或多个具体实施方式中，波长转换材料能够是陶瓷的或半导体粒状磷光体，陶瓷或半导体板状磷光体，有机或无机的下转换器，上转换器（反冲程），纳米粒子和其它能够提供波长转换的材料。以下列出了一些实例：
(Sr,Ca)10(PO4)6*DB2O3:Eu2+(其中0<n^l)
(Ba,Sr,Ca)5(PO4)3(Cl,F，Br，OH):Eu2+,Mn2+
(Ba,Sr,Ca)BPO5:Eu2+,Mn2+
Sr2Si3O8*2SrCl2:Eu2+
(Ca,Sr,Ba)3MgSi2O8:Eu2+，Mn2+
BaAl8O13:Eu2+
2SrO*0.84P2O5*0.16B2O3:Eu2+
(Ba,Sr,Ca)MgAl10O17:Eu2+,Mn2+
K2SiF6:Mn4+
(Ba,Sr,Ca)Al2O4:Eu2+
(Y，Gd,Lu,Sc,La)BO3:Ce3+,Tb3+
(Ba,Sr,Ca)2(Mg,Zn)Si2O7:Eu2+
(Mg,Ca,Sr，Ba,Zn)2Si1_xO4_2x:Eu2+(其中0<x=0.2)
(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,m)2S4:Eu2+
(Lu,Sc,Y，Tb)2_u_vCevCa1+uLiwMg2_wPw(Si,Ge)3_w012_u/2，其中-O.SSu^l；0<v￡Q.l；而OSw^O.2
(Ca,Sr)8(Mg,Zn)(SiO4)4Cl2:Eu2+,Mn2+
Na2Gd2B2O7:Ce3+,Tb3+
(Sr,Ca,Ba,Mg,Zn)2P2O7:Eu2+,Mn2+
(Gd,Y，Lu,La)2O3:Eu3+,Bi3+
(Gd,Y，Lu,La)2O2S:Eu3+,Bi3+
(Gd,Y，Lu,La)VO4:Eu3+,Bi3+
(Ca,Sr)S:Eu2+,Ce3+
(Y，Gd,Tb,La,Sm,Pr,Lu)3(Sc,Al,Ga)5_nO12_3/2n:Ce3+(其中0^0^0.5)
ZnS:Cu+,Cl~
ZnS:Cu+,Al3+
ZnS:Ag+,Al3+
SrY2S4:Eu2+
CaLa2S4:Ce3+
(Ba,Sr,Ca)MgP2O7:Eu2+,Mn2+
(Y，Lu)2WO6:Eu3+,Mo6+
CaWO4
(Y，Gd,La)2O2S:Eu3+
(Y，Gd,La)2O3:Eu3+
(Ca,Mg)xSyO:Ce
(Ba,Sr,Ca)nSinNn:Eu2+(其中2n+4=3n)
Ca3(SiO4)Cl2:Eu2+
ZnS:Ag+,Cl~
(Y，Lu,Gd)2_nCanSi4N6+nC1_n:Ce3+，(其中OSn^O.5)
(Lu,Ca,Li,Mg,Y)α-SiAlON，用Eu2+和/或Ce3+掺杂
(Ca,Sr，Ba)SiO2N2:Eu2+,Ce3+
(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+
CaAlSi(ON)3:Eu2+
Sr10(PO4)6Cl2:Eu2+
(BaSi)O12N2:Eu2+
虽然以上是具体实施方式的完成描述，但是可以使用各种修改，替代结构和等价物。此外，以上已经根据一个或多个可能是一种或多种磷光体材料或类磷光体材料的实体进行了一般性的描述，但应该认识到，也可以使用其它“能量转换发光材料”，这可能包括一种或多种磷光体，半导体，半导体纳米粒子（“量子点”），有机发光材料等，及其组合。在其它实施例中，能量转换发光材料可以是一种和/或多种波长转换材料。此外，以上已经在直接发射和与波长转换材料相互作用的电磁辐射中进行了一般性描述，但应该认识到，电磁辐射能够被反射而随后与波长转换材料发生相互作用或与反射和直接入射辐射的组合发生相互作用。因此，以上的描述和附图不应该视为限制附加权利要求定义的本发明范围。

Claims (20)

1.一种光学器件，包括：
具有表面区域的安装构件；
在一部分所述表面区域上的至少一个LED器件；
波长转换材料，置于所述表面区域的至少一部分之上；
波长选择性表面，构造成基本反射所述LED器件的直接发射并透射通过所述波长转换材料和所述LED器件的直接发射的相互作用产生的所选择波长的转换的发射；
其中所述LED器件的至少30%的所述直接发射在与所述波长转换材料发生相互作用之前从所述波长选择性表面被反射。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述波长材料具有小于100μm的厚度。
3.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述表面区域在一个或多个所述发射波长下具有大于50%的反射率。
4.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述波长转换材料包含波长转换粒子，所述波长转换粒子的特征为平均粒子-粒子间距约小于10倍的所有波长转换材料的平均粒径。
5.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述波长选择性表面包含滤光片。
6.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述波长选择性表面包含二色性光学构件。
7.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述波长转换材料包含以像素化图案布置的第一波长转换材料和第二波长转换材料。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述波长转换材料包含堆叠于第二波长转换材料顶部上的第一波长转换材料。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述波长转换材料包含与第二波长转换材料混合的第一波长转换材料。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述波长转换材料包含第一波长转换材料和第二波长转换材料。
11.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述波长转换材料包含多个量子点、磷光体材料和有机材料之一。
12.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述至少一个LED器件制作于含镓和氮的基底上。
13.根据权利要求12所述的光学器件，其中所述含镓和氮的基底的特征为半极性或非极性取向。
14.一种光学器件，包括：
包含表面区域的安装构件；
置于一部分所述表面区域之上的至少一个LED器件，所述LED器件具有顶部LED表面区域；
波长转换材料层，置于一部分所述表面区域之上；
波长选择性表面，构造成基本反射所述LED器件的直接发射并构造成透射通过所述LED器件的直接发射与至少所述波长转换材料层相互作用产生的所选择波长的转换发射；
通过所述LED表面区域形成的第一体积和连接所述LED表面区域和所述波长选择性表面的第一高度；
通过所述波长转换材料层的区域形成的第二体积和连接所述波长转换材料层和波长选择性表面的第二高度，所述第二体积大于所述第一体积，所述第二区域是基本透明的且基本上无波长转换材料。
15.根据权利要求14所述的光学器件，其中：
所述LED器件具有表面区域并表征为从参考区域开始的第一高度；
所述波长转换材料具有从所述参考区域开始的第二高度的上表面；且
所述第二高度小于所述第一高度。
16.根据权利要求14所述的光学器件，其中所述波长转换材料包含波长转换粒子，所述波长转换粒子的特征为平均粒子-粒子间距约小于10倍的所有波长转换材料的平均粒径。
17.根据权利要求14所述的光学器件，其中所述波长选择性表面包含滤光片。
18.根据权利要求14所述的光学器件，其中所述波长转换材料包含多个量子点、磷光体材料或有机材料。
19.根据权利要求14所述的光学器件，其中所述至少一个LED器件制作在含镓和氮的基底上。
20.根据权利要求19所述的光学器件，其中所述含镓和氮的基底的特征为半极性或非极性取向。
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