CN104756226B - 波长转换材料沉积方法及相关制品 - Google Patents

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Abstract

提供了涉及包含波长转换材料的区的布置的系统和方法以及相关制品。通常发光二极管(LED)能够以比白炽灯和/或荧光灯光源更有效的方式提供光。与LED相关联的相对高的功率效率引发了在各种照明应用中使用LED取代传统光源的兴趣。

Description

波长转换材料沉积方法及相关制品
技术领域
本发明一般性描述了涉及波长转换材料的布置的系统和方法以及相关制品。
背景技术
通常发光二极管(LED)能够以比白炽灯和/或荧光灯光源更有效的方式提供光。与LED相关联的相对高的功率效率引发了在各种照明应用中使用LED取代传统光源的兴趣。例如，在一些情况下LED被用作交通灯以及用于照亮手机键盘和显示器。
通常，LED由多个层形成，其中所述多个层中的至少一些层由不同的材料形成。通常，针对各层所选择的材料和厚度影响由LED发射的光的一个或更多个波长。另外，可以选择各层的化学组成以促进注入到各区(例如，量子阱)中的电荷载流子的隔离，从而相对有效地转换为光。通常，其中生长有量子阱的结的一侧上的各层掺杂有产生高电子浓度的施主原子(这样的层通常被称为n型层)，并且在相对侧上的各层掺杂有产生相对高的空穴浓度的受主原子(这样的层通常被称为p型层)。
通常LED还包括接触结构(也被称为电接触结构或电极)，接触结构是可以被电连接至电源的器件的导电特征。电源可以通过接触结构向器件提供电流。例如，接触结构可以沿结构的纵向(lengths)输送电流至其内部可以生成光的器件的表面。
发光器件还可以包括波长转换区，例如，波长转换区可以包括一种或更多种磷光体材料。波长转换材料(例如，磷光体)可以以例如分散在第二材料(例如，密封剂或粘合剂如环氧树脂)中的颗粒的形式以形成复合结构。包括波长转换材料的区能够吸收来自光生成区(例如，在LED内的半导体区)的具有第一波长的光并且发射具有不同的第二波长的光。因此，结合波长转换区的发光器件可以发射具有一个或更多个波长的光，而所述具有一个或更多个波长的光可能无法通过使用没有这样的区的LED产生。
发明内容
提供了涉及包含波长转换材料的区的布置的系统和方法以及相关制品。在一些情况下，本发明的主题涉及相关的产品、对于具体问题的可替代的解决方案、和/或一个或更多个系统和/或制品的多个不同的用途。
在一个方面中，描述了一种方法。在某些实施方案中，该方法包括提供在其上方设置有掩模材料和波长转换材料的基底，其中：掩模材料覆盖基底的外表面的至少第一部分，掩模材料未覆盖基底的外表面的至少第二部分，并且波长转换材料被设置在掩模材料和基底的外表面的第二部分上方。在一些实施方案中，该方法还包括去除波长转换材料的一部分使得波长转换材料不再位于掩模材料的至少一部分上方，并且波长转换材料的至少一部分仍然位于基底的外表面的第二部分上方。在一些实施方案中，该方法还包括去除掩模材料的至少一部分。
在一组实施方案中，该方法包括提供在其上方设置有掩模材料和波长转换材料的基底，其中：掩模材料覆盖基底的外表面的至少第一部分，掩模材料未覆盖基底的外表面的至少第二部分，并且波长转换材料被设置在掩模材料和基底的外表面的第二部分上方。在某些实施方案中，该方法还包括对位于掩模材料上方的波长转换材料的至少一部分进行研磨以去除波长转换材料的位于掩模材料上方的至少一部分，并且去除掩模材料的至少一部分。
根据下面对本发明的各种非限制性实施方案在结合附图进行考虑的情况下的详细描述中，本发明的其他优点和新颖特征将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包含冲突和/或不一致的公开内容的情况下，以本说明书为准。
附图说明
将参照附图通过示例的方式描述本发明的非限制性实施方案，附图为示意性的并且无意于按比例绘制。在附图中，所示出的每个相同或几乎相同的部件通常由单一附图标记表示。为了清楚起见，在每个附图中并非每个部件都进行了标记，本发明的每个实施方案的在没必要说明的地方示出的每个部件也没有标记以使得本领域的普通技术人员能够理解本发明。在附图中：
图1A至图1E是根据一组实施方案的其中将波长转换材料布置在基底上方的过程的截面示意图；
图2A至图2C是根据某些实施方案的其中去除波长转换材料以形成基本上均匀厚度的层的过程的截面示意图；并且
图3是可以与某些实施方案关联使用的发光器件管芯的示意图。
具体实施方式
本发明一般性描述了涉及波长转换材料的布置的系统和方法以及相关制品。在某些实施方案中，波长转换材料(例如，磷光体、量子点等)可以形成在器件(例如，发光器件如发光二极管)上方，并且图案化为仅涂覆器件的外表面(例如，出光表面)的某些区域。例如，波长转换材料可以布置成使得波长转换材料未覆盖形成在发光器件上的电接触部(electrical contact)的至少一部分，但是使得波长转换材料覆盖发光器件的出光表面的至少一部分。
在发光器件中波长转换材料的策略性布置可以是特别有用的。通常，波长转换材料可以用于将所吸收的光(例如，来自发光器件的光生成区的光)的波长转换为另一波长。例如，波长转换材料可以通过吸收具有第一波长的光并且发射具有不同于第一波长的第二波长(例如，与第一波长相比较长或较短的波长)的光来起作用。以这种方式，发光器件可以发射一种或更多种波长(因此，颜色)的光，所述一种或更多种波长的光可能不容易从不包括波长转换区的发光器件获得。如下面更详细地描述，可以使用各种合适的波长转换材料(例如，磷光体、量子点等)。
仅在发光器件的某些区域上方布置波长转换材料的能力在各种应用中可以非常有用。例如，从发射非白光的发光器件产生白光的一种常见方法涉及将其他波长转换材料或磷光体颗粒的聚合物悬液施加到发光器件的出光表面上。由发光器件生成的非白光可以被波长转换材料吸收，进而波长转换材料可以发射白光。通常，这样的器件包括有效地生成亮度的出光表面区以及被可以用于向器件传输电流的导电接合焊盘覆盖的露出表面的其他区。在许多情况下，期望地是用波长转换材料仅覆盖有效地生成亮度的区域而使导电接合焊盘不被覆盖(并且因此，容易获得用于与发光器件进行电连接的接合线或其他部件)。
可以通过各种分配和涂覆方法(例如喷涂、旋涂、狭缝涂布或喷射)来完成波长转换材料的沉积。然而，波长转换材料的图案化可能会有困难。例如，一些印刷方法例如丝网印刷能够对所沉积的波长转换材料进行图案化，但是不具有足够的精度和准确度以避免将波长转换材料沉积在导电接合焊盘上。在许多情况下，这样的接合焊盘的尺寸为125微米或更小，并且这样的接合焊盘过小而难以以足够的精度可靠地对准和印刷。
克服仅在发光器件的有效发光区域上(而非在导电接合焊盘上)沉积波长转换材料的困难的一个方法是利用光致抗蚀剂层涂覆发光器件。被称为剥离的这种方法通常用于将不需要涂层的区域露出。简言之，该方法涉及：在发光器件上方沉积光致抗蚀剂层；对所沉积的层进行图案化使得光致抗蚀剂覆盖发光器件上不期望沉积波长转换材料的区域；在经图案化的光致抗蚀剂层上沉积波长转换材料；以及随后去除在所沉积的波长转换材料下面的光致抗蚀剂使得位于光致抗蚀剂上方的波长转换材料被去除，而沉积在出光表面上的波长转换材料保留在原位。
这样的剥离工艺通常具有一个主要的先决条件：光致抗蚀剂的图案必须在波长转换材料涂层中引起与光致抗蚀剂图案直接邻接的空隙、断裂或空位。该空隙对于使得释放材料(release material)(例如，溶剂或蚀刻剂)能够腐蚀、溶解并去除光致抗蚀剂(以及位于光致抗蚀剂上方的波长转换材料)来说是必需的。如果由于下面的光致抗蚀剂图案而未在波长转换材料层中产生足够的空隙或断裂，则剥离图案通常将不能可靠且可重复地进行。确保在涂层中用于剥离的空隙或断裂的一个方法是产生侧壁倒置或向内倾斜的光致抗蚀剂图案。以这种方式，许多沉积或涂层(无论各向同性地施加还是各向异性地施加)不能或不会沉积在光致抗蚀剂图案的侧面上，从而在过程中留下空隙或断裂。这是对许多金属或氧化物涂层进行图案化的一般方法。
遗憾地是，大多数磷光体浆料涂覆过程既不是各向异性的，也不是各向同性的，而是保形的。因此，使用流体例如磷光体浆料涂覆光致抗蚀剂图案产生连续的膜涂层而没有任何空隙或断裂，即使在下面的光致抗蚀剂材料具有倒置的或向内倾斜的侧壁也是如此。因此，可能非常难以对这样的涂层进行图案化。
解决对波长转换材料的涂层进行图案化的困难的一个方法是调整在涂层组分中波长转换材料与聚合物粘结剂的比例。可以调整该比例直到所沉积的波长转换材料涂层包括微空隙为止。微空隙可以提供沟道，蚀刻剂或溶剂可以通过该沟道穿透波长转换材料层并且去除下面的光致抗蚀剂，留下经图案化的波长转换材料。也有几个与微空隙涂层方法相关联的缺点。例如，在涂层被图案化之后保留的微空隙可以导致光散射和发光效率损失。由于光散射的这些损失是由磷光体涂层成分的多种折射率(例如波长转换材料(对于典型的磷光体n＝1.85)、聚合物粘结剂(n＝1.45)和空气(n＝1.0))的变化引起的。
已经发现形成图案化的波长转换材料的新方法，在本文中对新方法进行描述，并且所述新方法解决了上文概述的一个或更多个困难。在某些实施方案中，可以通过在掩模材料(例如可以在器件的外表面上方形成为图案的光致抗蚀剂)上方形成波长转换材料来制作图案化的波长转换材料。随后，可以去除波长转换材料(例如，通过研磨波长转换材料)直到露出掩模材料的至少一部分为止。一旦露出掩模材料之后，可以使用溶剂或蚀刻剂以去除掩模材料，并且，在某些实施方案中，可以使用溶剂或蚀刻剂以露出在掩模材料层下面的导电材料(例如，导电接合焊盘)。
本文中描述的方法可以用于有效地去除波长转换材料而无须使用在波长转换材料层中的侧壁断裂、微空隙或其他间断。因此，在某些实施方案中，在波长转换材料去除步骤(例如，研磨)之前，波长转换材料层基本上没有间断(例如，与掩模材料的侧壁相邻的断裂、微空隙等)。
图1A至图1E是根据某些实施方案的工艺的截面示意图，通过该工艺可以将波长转换材料布置在基底100上方。基底100可以采取各种形式。例如，在某些实施方案中，基底100对应于发光器件如发光二极管。在某些实施方案中，基底100对应于包括多个发光器件的晶片。
在一些实施方案中，基底100的表面108对应于发光器件的出光表面。位于基底上方的波长转换材料(在下面更详细地描述)因此可以吸收由发光器件发射的光并且将所吸收的光转换为不同波长的光。在一些这样的实施方案中，基底100的外表面108为半导体层的一部分。例如，外表面108可以为n型掺杂半导体层或p型掺杂半导体层的一部分。在一些实施方案中，外表面108为包括第III-V族半导体的层的一部分，所述第III-V族半导体例如GaN、InGaN、InGaAlP、AlGaN、GaAs、AlGaAs、AlGaP、GaP、GaAsP、InGaAs、InAs、InP以及其组合和合金。
在一些实施方案中，基底100包括导电区101，所述导电区101可以配置成将电流传输至与基底相关联的电子部件和/或对来自与基底相关联的电子部件的电流进行传输。例如，在某些实施方案中，导电区101对应于导电接合焊盘，该导电接合焊盘被配置成将电流传输至与基底100相关联的发光器件和/或对来自与基底100相关联的发光器件的电流进行传输。其上方设置有导电区的基底的使用是可选的，并且在其他实施方案中，在基底上方不存在导电区。导电区可以由任何合适的材料形成。例如，在某些实施方案中，导电区101的全部或一部分由金属(例如，金、银、钽、铜、铝或任何其他合适的金属)形成。在某些实施方案中，导电区101的全部或一部分由导电氧化物(例如铟锡氧化物、铝锌氧化物等)形成。在一些实施方案中，在20℃下，导电区101的体电阻率可以为约10-5Ω·m或更小、约10-6Ω·m或更小、或者约10-7Ω·m或更小(和/或，在某些实施方案中，低至约10-8Ω·m、低至约10-9Ω·m或者低至约10-10Ω·m)。
在图1A中，在基底100上方设置掩模材料102。虽然图中示出掩模材料102与基底直接接触，但是应当理解的是，在其他实施方案中，可以在掩模材料和基底之间设置一个或更多个中间材料。
可以使用多种材料作为掩模材料102。在某些实施方案中，掩模材料102是非导电的。例如，掩模材料可以为电绝缘体或半导体。在某些实施方案中，掩模材料为非导电聚合物，例如光致抗蚀剂或其他聚合物材料。在一些实施方案中，掩模材料为金属氧化物(例如，铝氧化物)和类金属氧化物(例如，硅氧化物)、金属氮化物或类金属氮化物(例如硅氮化物)。在一些实施方案中，在20℃下，掩模材料的体电阻率为至少约0.1Ω·m、至少约100Ω·m、至少约105Ω·m、至少约109Ω·m、至少约1013Ω·m、至少约1017Ω·m(和/或，在某些实施方案中，最高达约1020Ω·m、最高达约1025Ω·m或者最高达约1030Ω·m)。
在某些实施方案中，掩模材料102是非金属性的。在某些实施方案中，掩模材料102的全部或一部分可以由聚合物材料形成。例如，可以使用聚合物光致抗蚀剂作为掩模材料。光致抗蚀剂材料可以为正性抗蚀剂(其中光致抗蚀剂的暴露于光的部分变得可溶解于光致抗蚀剂显影剂)或负性抗蚀剂(其中光致抗蚀剂保持未暴露的部分仍可溶解于光致抗蚀剂显影剂)。适合于与在此描述的实施方案相关联的用途的示例性光致抗蚀剂材料包括但不限于基于聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(甲基戊二酰亚胺)(PMGI)、酚醛树脂(例如，包含重氮萘醌(DNQ)、线型酚醛清漆等的那些)的光致抗蚀剂，以及基于环氧的光致抗蚀剂(例如，SU-8)。
在某些实施方案中，使用光致抗蚀剂和其他非导电和/或非金属材料作为掩模材料可以特别有利。例如，光致抗蚀剂与例如钎料的那些材料不同，钎料通常需要在洁净室外的封装过程中施加，而光致抗蚀剂可以容易地结合到现有的洁净室工艺中。另外，与金属材料相比，光致抗蚀剂材料通常是非常便宜的。此外，光致抗蚀剂材料可以相对容易地被从基底和接触焊盘上去除，例如使用化学温和的溶剂以选择性溶解光致抗蚀剂。
在某些实施方案中，掩模材料102可以是金属性的。例如，掩模材料102可以包含铜。在一些这样的实施方案中，导电区101可以包含金，在这种情况下，例如可以使用硝酸铁铵或硫酸铁铵来选择性溶解在掩模材料102内的铜。掩模材料102可以包含可以被选择性去除并留下导电区101和波长转换材料110的任何其他金属材料(例如，钽、金、铬或任何其他合适的金属)。
可以使用各种合适的方法在基底100上方形成掩模材料102。例如，可以通过旋涂、喷涂、狭缝涂布、溅射、蒸镀(例如，金属蒸镀)等在基底100上方形成掩模材料102。
在一些实施方案中，掩模材料102可以在基底100上方形成为薄膜。例如，可以通过蒸发沉积、溅射或通过任何其他合适的方法在基底上方形成金属掩模材料。例如可以使用旋涂、喷涂等将非金属掩模材料形成为薄膜。在一些实施方案中，掩模层102的平均厚度可以小于约1mm、小于约100微米、小于约10微米、或小于约1微米(和/或，在某些实施方案中，低至约10nm或低至约1nm)。所给出的层的平均厚度可以通过计算层在典型数目的样本点处的厚度的平均值来确定。
在某些实施方案中，包括图1C中示出的一组实施方案，掩模材料102可以呈现为在基底100上方的基本上保形的涂层。掩模材料可以呈现为位于基底上方的层，可选择的形成覆盖基底的整个外表面的保形层。例如，在图1A中，在基底100的外表面108上方，掩模材料102形成基本上保形的层。本发明不限于在其中掩模材料形成为保形涂层的实施方案，并且在其他实施方案中，掩模材料的厚度可以作为基底上方位置的函数而变化。
掩模材料102可以被图案化以覆盖基底的其上不期望沉积波长转换材料的区域上。例如，在图1B中，掩模材料102形成为图案使得掩模材料覆盖基底100的外表面106的第一部分104并且掩模材料未覆盖基底100的外表面106的第二部分108。可以使用各种合适的方法(包括溶解掩模材料、蚀刻掩模材料等)来对掩模材料102进行图案化。例如，在某些实施方案中，掩模材料102的全部或一部分可以由光致抗蚀剂材料形成，并且可以使用标准光致抗蚀剂显影技术(例如，暴露于电磁辐射以使光致抗蚀剂的一部分发生交联并且随后用显影剂溶解未交联的部分)来对光致抗蚀剂材料进行图案化。在一些实施方案中，掩模材料102的全部或一部分可以由金属形成，并且可以使用标准光刻技术来对金属层进行图案化。
在一些实施方案中，可以在基底100上方设置波长转换材料。例如，在图1C中，波长转换材料110设置在基底100和掩模材料102上方。波长转换材料110可以设置在掩模材料102上方以及基底100的外表面106的第二部分108上方。在图1C中，波长转换材料与掩模材料102以及基底100的其上方未设置有掩模材料的部分直接接触。然而，在其他实施方案中，可以在波长转换材料与基底之间和/或在波长转换材料与掩模材料之间设置一种或更多种中间材料。
在一些实施方案中，波长转换材料包括一种或更多种磷光体，例如一种或更多种类型的磷光体颗粒(例如，黄色磷光体、红色磷光体、绿色磷光体等)。在一些实施方案中，波长转换材料包括纳米颗粒。
可以使用各种合适的方法在基底100和掩模材料102上方形成波长转换材料110。在某些实施方案中，波长转换材料可以与粘结剂材料混合并且随后被沉积。合适的沉积方法包括但不限于旋涂、喷涂、狭缝涂布、喷射、喷墨印刷以及丝网印刷等方法。在一组实施方案中，波长转换材料可以与旋涂玻璃(SOG)材料(例如，Futurrex,IC1-200)混合并且随后沉积在基底上方。在一些实施方案中，波长转换材料(例如，以颗粒形式)可以与硅树脂和/或环氧树脂混合并且随后沉积在基底上方。在一些实施方案中，在这个过程中存在不含硅树脂的材料和/或不含环氧树脂的材料。
在一些情况下，可以选择粘结剂材料，使其根据所选择的沉积方法(例如，旋涂等)具有有利的粘度。在一些情况下，也可以通过在与波长转换材料混合之前的预处理来调节粘结剂的粘度。在一组实施方案中，可以将波长转换材料粉末(例如，平均颗粒尺寸为1微米至10微米的YAG:Ce粉末，该粉末可以从Phosphor Technology Corp.获得)和SOG的混合物(例如，以0.1g:1mL至2g:1的比例)施加至晶片。也可以为其他大于或小于所述范围的混合比例。
在某些包括在图1C中示出的一组实施方案的实施方案中，波长转换材料110可以作为在掩模材料102和/或基底100上方的基本上保形的涂层存在。在一些这样的实施方案中，波长转换材料可以作为覆盖掩模材料102和/或基底100的材料的层存在。在其他实施方案中，波长转换材料的厚度可以作为基底上方位置的函数而变化。
在一些实施方案中，可以去除波长转换材料的一部分。在一些实施方案中，与在其中通过将溶剂或蚀刻剂施加至掩模材料并且剥离波长转换材料来在单一步骤中去除掩模材料和波长转换材料的剥离过程形成对比，在去除掩模材料的显著部分(substantialportion)(例如，5％或更多)之前可以去除波长转换材料的一部分。在某些实施方案中，在去除位于波长转换材料之下的掩模材料的50％或更多、25％或更多、10％或更多、或者5％或更多之前，可以去除位于掩模材料上方的波长转换材料的至少一部分或基本上全部。在某些实施方案中，在去除位于波长转换材料之下的掩模材料的任意部分之前，可以去除位于掩模材料上方的波长转换材料的至少一部分或基本上全部。
在一些这样的实施方案中，去除波长转换材料使得波长转换材料不再位于掩模材料的至少一部分上方。另外，可以去除波长转换材料使得波长转换材料的至少一部分仍然位于基底的外表面的第二部分(即，在基底的外表面的上方未设置掩模材料的部分)上方。例如，在图1D中，波长转换材料110的位于掩模材料102上方的部分已经基本上完全被去除，使得波长转换材料不再位于掩模材料102上方。另外，在图1D中，在去除波长转换材料110的一部分之后，波长转换材料仍然位于基底100的外表面106的基本上全部第二部分108的上方。
虽然在图1D中示出基本上完成从掩模材料102上方去除波长转换材料110并且通过波长转换材料110基本上完成对第二部分108的剩余覆盖，应当理解的是，在其他实施方案中，可以去除波长转换材料使得一些剩余的波长转换材料仍然位于掩模材料上方和/或使得基底的第二部分中的一些仍然被一些剩余的波长转换材料覆盖。
可以使用各种合适的方法去除波长转换材料110。在一些实施方案中，可以首先去除外表面处(例如，在图1C中的表面112)的波长转换材料的波长转换材料，并且随后由于本体波长转换材料被露出，可以去除本体内的波长转换材料。例如，在某些实施方案中，去除波长转换材料包括对波长转换材料进行研磨。例如，可以通过将固定在表面上的研磨材料(例如，研磨轮、锉刀、砂纸等)施加至波长转换材料110的外表面112，并且相对于外表面112移动研磨材料来实现研磨。例如，在一组实施方案中，包括在外表面上的金刚石颗粒的研磨轮可以旋转并且开始与波长转换材料110的外表面112接触。在某些实施方案中，可以将松散研磨料(例如，研磨材料颗粒如金刚石颗粒)以松散的形式施加至波长转换材料110的外表面112，并且使用可移动的表面(例如，垫)研磨掉波长转换材料。在一些这样的实施方案中，松散研磨材料可以悬浮在流体中以形成可以施加至波长转换材料的外表面的浆料。在某些实施方案中，松散研磨材料(可选的以浆料形式)和被固定的研磨材料(例如，固定在研磨轮上)两者都可以用于去除波长转换材料。
在一些实施方案中，去除波长转换材料的一部分可以致使形成遍及波长转换材料和掩模材料的基本上平坦的表面。例如，在图1D中，已经去除了波长转换材料110使得遍及掩模材料102和波长转换材料110形成基本上平坦的外表面114。
在本文中描述的波长转换材料去除工艺的一个优点是可以通过去除波长转换材料直至呈现出均匀厚度层为止来减少或消除波长转换材料的厚度的任何不均匀性。所述均匀厚度层可以例如通过去除波长转换材料至在波长转换材料层形成之后存在的波长转换材料的最小厚度的水平或低于最小厚度的水平来实现。在图2A至图2C中示出了该设想。在图2A中，外表面112是粗糙的，导致波长转换材料110的非均匀厚度。在图2A中的波长转换材料的最小厚度出现在点116处。在波长转换材料的第一部分被去除之后(得到了图2B中示出的结构)，由于在点116处(以及其他几个点)的厚度比遍及基底100的其他地方的厚度薄，因此波长转换材料的厚度仍然不均匀。为了实现波长转换材料的基本上均匀厚度，可以对波长转换材料进行附加去除(并且去除掩模材料102的一部分)，得到图2C中示出的结构。
虽然图2B至图2C示出了在其中在掩模材料102的去除之前完成波长转换材料110的去除的一组实施方案，但是应当理解的是，在其他实施方案中，可以先于完成平滑波长转换材料110的步骤之前去除掩模材料102。例如，在一些实施方案中，在去除波长转换材料110的一部分以产生图2B中示出的器件之后，可以至少部分地(例如，完全地)去除掩模材料102，在此之后，可以进一步去除波长转换材料110以形成图2C中示出的器件。
在本文中描述的波长转换材料的去除工艺的另一优点是可以通过控制波长转换材料的厚度相对容易地控制从波长转换材料发射的光的色温。在常规的剥离工艺中，波长转换材料的最终厚度通常根据沉积态(as-deposited)波长转换材料的初始厚度来设定。在本文中所描述的工艺中，另一方面，可以通过调整波长转换材料的原始厚度以及通过调整随后去除波长转换材料的程度来控制波长转换材料的厚度。因此，可以通过调整从器件去除波长转换材料的程度(例如，通过研磨)简单地实现发射各种色温的光的器件的制造。
在某些实施方案中，在已经去除波长转换材料的至少一部分之后，波长转换材料的厚度遍及器件和/或器件的晶片可以基本上恒定。例如，在一些实施方案中，波长转换层在最薄点处和最厚点处的厚度与波长转换材料的平均厚度的差异可以小于约100％、小于约50％、小于约25％、小于约10％或小于约5％。
在一些实施方案中，在已经去除位于掩模材料上方的波长转换材料的一部分(或基本上全部)之后，可以从基底上去除掩模材料的至少一部分(或基本上全部)。例如，在图1E中，已经从基底100去除掩模材料102，留下位于基底100的部分108上方的波长转换材料110，并且基本上没有材料位于基底100的部分104上方。掩模材料的去除可以导致导电区101的外表面的至少一部分露出，所述导电区101可以为电接触部(例如，发光器件如LED的电接触部)。
可以使用各种合适的方法去除掩模材料102。例如，可以通过暴露于溶剂或蚀刻剂，通过掩模材料的燃烧或热解，或者通过任何其他合适的方法来去除掩模材料。在一些实施方案中，可以选择去除技术使得掩模材料102被去除而基本上不会去除或以其他方式损伤在下面的基底100、导电区101或波长转换材料110。例如，可以使用选择性溶剂或蚀刻剂在去除掩模材料102的同时不会去除或以其他方式损伤基底100、导电区101或波长转换材料110。
在一些实施方案中，在本文中所描述的工艺期间，可以保护导电材料例如用于形成接合焊盘的那些。例如，在图1A至图1E中，掩模材料102用于覆盖导电区101使得波长转换材料110未与导电材料的顶表面直接接触。在去除波长转换材料的一部分并且去除掩模材料之后，可以形成导电区101的露出表面122。在某些实施方案中，在去除掩模材料之后在导电材料的顶表面上方基本上不存在波长转换材料。在加工发光器件时，这样的方法可以是非常有用的。在一些这样的工艺中，可以控制波长转换材料的布置使得波长转换材料仅覆盖发光器件的出光表面，留下可以由电引线容易地接入的未被覆盖的电接触部。
虽然图1A至图1E概述了用于在基底上方形成波长转换材料的几个工艺步骤，但是应当理解的是，并不是所有的这些步骤必须作为本发明的工艺的一部分。例如，在某些实施方案中，本发明的工艺可以包括在基底上方形成掩模材料的步骤。然而，在其他实施方案中，可以获得在基底上方已经沉积了掩模材料的基底(例如，来自第三方供应商，或另一来源)。同样地，在某些实施方案中，进行从基底去除掩模材料的至少一部分的步骤，使得基底的外表面的第二部分不被掩模材料覆盖。然而，在其他实施方案中，可以获得已经形成有期望图案的掩模材料的基底，因此消除了进行掩模材料的去除步骤的需要。作为又一实例，本发明的方法可以包括在掩模材料和基底的外表面上方形成波长转换材料的步骤。然而，在其他实施方案中，可以获得在基底上方已经设置了掩模材料和波长转换材料的基底(例如，可以获得图1C中示出的状态的基底)。
如上面所看到的，在本文中描述的方法可以与包括发光器件的各种器件关联使用。在一些实施方案中，波长转换材料层沉积在晶片上和/或从晶片上去除(例如，通过研磨)，所述晶片随后例如通过将晶片切割成多个管芯被加工以形成多个发光器件。这样的方法可以缩短器件制造周期时间并且使在波长转换之后所期望的光学特性(例如CIE坐标和CCT)的差异最小化。在其他实施方案中，可以使用在本文中描述的方法来加工个体化的发光器件管芯。
图3示出了发光管芯300，发光管芯300可以包括可以与以上描述的实施方案结合使用的发光二级管(LED)。应当理解的是本文中提出的各种实施方案也可以应用于其他发光管芯例如激光二极管管芯以及具有不同结构的LED管芯(例如有机LED，也被称为OLED)。图3中发光管芯300的全部或一部分可以用作图1A至图1E或图2A至图2C中的基底100。
图3中示出的LED管芯300包括多层堆叠310，该多层堆叠310可以设置在支承结构上(未示出)，例如副安装座(例如，金属副安装座)。多层堆叠310可以包括有源区312，该有源区312可以配置成在发光器件内部生成光。有源区312可以形成在n型掺杂的层314和p型掺杂的层316之间。堆叠也可以包括可以用作p型侧接触部和/或用作光学反射层的导电层318。可以在层314上设置n型侧接触焊盘320(其可以对应于图1A至图1E中的导电区101)。导电指(conductive fingers)(未示出)和/或电流扩展层(例如，透明导电层如透明导电氧化物)可以从接触焊盘320沿出光表面322延伸(出光表面322可以对应于图1A至图1E中的表面106)，从而实现均匀电流注入进LED结构中。
应当理解的是LED不限于图3中示出的结构，例如，n型掺杂侧和p型掺杂侧可以互换以便形成具有与接触焊盘320接触的p型掺杂区和与层318接触的n型掺杂区的LED。
如下面进一步所述，可以向接触焊盘施加电势，由此可以导致在有源区312内部产生光并且所产生的光的至少一些通过出光表面322发射(由箭头324代表)。如下面进一步所述，孔326可以限定在出光表面中以形成可以影响发光特性(例如光提取和/或光准直)的图案。应当理解的是可以对提出的有代表性的LED结构进行其他修改，并且实施方案不限于该方面。
LED的有源区可以包括由阻挡层包围的一个或更多个量子阱。量子阱结构可以由与阻挡层相比具有更小的电子带隙的一个半导体材料层(例如，为单一量子阱)或多于一个的半导体材料层(例如，为多量子阱)来限定。用于量子阱结构的合适半导体材料层可以包括InGaN、AlGaN、GaN以及这些层的组合(例如，交替的InGaN/GaN层，其中GaN层用作阻挡层)。通常，LED可以包括包含一种或更多种半导体材料的有源区，所述半导体材料包括：第III-V族半导体(例如，GaAs、AlGaAs、AlGaP、GaP、GaAsP、InGaAs、InAs、InP、GaN、InGaN、InGaAlP、AlGaN及其组合和合金)；第II-VI族半导体(例如，ZnSe、CdSe、ZnCdSe、ZnTe、ZnTeSe、ZnS、ZnSSe以及其组合和合金)；和/或其他半导体。可以为其他发光材料是例如量子点或有机发光层。
n型掺杂的层314可以包括掺杂硅的GaN层(例如，具有约4000nm厚的厚度)，和/或p型掺杂的层316可以包括掺杂镁的GaN层(例如，具有约40nm厚的厚度)。导电层318可以为反射层，例如含银层(例如，具有约100nm的厚度)，该反射层可以将由有源区312生成的任何向下传播的光向上反射。此外，虽然未示出，但是在LED中也可以包括其他层，例如，可以在有源区312与p型掺杂的层316之间设置AlGaN层。应当理解的是除本文中描述的这些组分以外的其他组分也可以适合于LED的层。
在一些实施方案中，LED的层可以具有根据图案在空间上变化的介电功能。例如，在图3中，由于孔326，所以LED 300具有遍及出光表面322的根据图案在空间上变化的介电功能。典型的孔尺寸可以小于约1微米(例如，小于约750nm，小于约500nm，小于约250nm)，并且孔之间的典型的最近相邻距离可以小于约1微米(例如，小于约750nm，小于约500nm，小于约250nm)。此外，如图3所示，孔326可以是非同心的。
根据图案在空间上变化的介电功能可以影响由LED发射的光的提取效率和/或准直。在图3示出的LED管芯中，图案由孔形成，但是应当理解的是在界面处的介电功能的变化不一定由孔产生。可以使用产生根据图案的介电功能变化的任何合适的方式。图案可以是周期性的(例如，具有简单重复的单元或具有复杂重复的超单元)或非周期性的。如本文中提及的，复杂周期性图案为在以周期性方式重复的每个单位单元中具有多于一个特征的图案。复杂周期性图案的实例包括蜂巢图案、基于蜂巢的图案、基于(2×2)的图案、环形图案以及阿基米德图案。在一些实施方案中，复杂周期性图案可以包括具有某一直径的某些孔以及具有较小直径的其他孔。如本文中提及的，非周期性图案为在单位单元上不具有平移对称性的图案，所述单位单元的长度为由一个或更多个光生成部分生成的光的峰值波长的至少50倍。如本文中使用的，峰值波长指的是例如根据使用分光辐射度计测量的具有最大光强度的波长。非周期性图案的实例包括非周期性的图案、准晶体图案(例如，具有8重对称性的准晶体图案)、罗宾逊图案(Robinson patterns)以及安曼图案(Amman patterns)。非周期性图案也可以包括失谐图案(如在由Erchak等人在美国专利第6,831,302号中描述的，其全部内容通过引用合并到本文中)。在一些实施方案中，LED可以包括粗糙化表面。在一些情况下，LED可以包括粗糙化但未图案化的表面。
在某些实施方案中，使用可以形成光子晶格的孔来使发光器件的界面图案化。例如，于2003年11月26日提交的题为“Light emitting devices with improved extractionefficiency”(改善了提取效率的发光器件)的美国专利第6,831,302号已经描述了具有在空间上(例如，光子晶格)变化的介电功能的合适的LED，该专利全部内容通过引用合并到本文中。对于LED的高的提取效率意味着在各种光学系统中可以期望的所发射的光的高功率以及因此导致的高亮度。
LED可以如下所示生成光。p型侧接触层可以相对于n型侧接触焊盘保持正电势，这将引起电流注入进LED。在电流通过有源区时，来自n型掺杂的层的电子可以在有源区中与来自p型掺杂的层的空穴结合，这可以导致有源区生成光。有源区可以包含大量的点偶极辐射源，这些点偶极辐射源生成具有形成有源区的材料的波长特性的光谱的光。对于InGaN/GaN量子阱，由光生成区生成的光的波长的光谱可以具有约445纳米(nm)的峰值波长以及约30nm的半高全宽(FWHM)，该光谱被人眼感知为蓝光。可以通过光通过的任何图案化的表面来影响由LED发射的光，因此可以布置图案以便影响光提取和/或准直。
在其他实施方案中，有源区可以生成峰值波长对应于紫外光(例如，具有约370nm至390nm的峰值波长)、紫光(例如，具有约390nm至430nm的峰值波长)、蓝光(例如，具有约430nm至480nm的峰值波长)、蓝绿光(例如，具有约480nm至500nm的峰值波长)、绿光(例如，具有约500nm至550nm的峰值波长)、黄绿光(例如，具有约550nm至575nm的峰值波长)、黄光(例如，具有约575nm至595nm的峰值波长)、琥珀光(例如，具有约595nm至605nm的峰值波长)、橙光(例如，具有约605nm至620nm的峰值波长)、红光(例如，具有约620nm至700nm的峰值波长)和/或红外光(例如，具有约700nm至1200nm的峰值波长)的光。
在某些实施方案中，LED可以发射具有高光输出功率的光。如上所述，所发射的光的高功率可以由影响LED的光提取效率的图案引起。例如，由LED发射的光的总功率可以大于0.5瓦特(例如，大于1瓦特、大于5瓦特或大于10瓦特)。在一些实施方案中，所生成的光具有小于100瓦特的总功率，但是这不应当被理解为对所有实施方案的限制。由LED发射的光的总功率可以通过使用配备有分光计的积分球(例如来自Sphere Optics Lab Systems(球面光学实验系统)的SLM12)测量。期望的功率部分地取决于在其内部正在使用LED的光学系统。
由LED生成的光也可以具有高总功率通量。如本文中使用的，术语“总功率通量”指的是总光学功率除以发光面积。在一些实施方案中，总功率通量大于0.03瓦特/mm2、大于0.05瓦特/平方厘米、大于0.1瓦特/平方厘米或大于0.2瓦特/平方厘米。然而，应当理解的是本文中提出的系统和方法中所使用的LED不限于上述功率和功率通量值。
在一些情况下，优选的是，对于发光器件的至少一个边缘可以相对较大。例如，在某些实施方案中，发光器件的至少一个边缘为至少约1mm、至少约1.5mm、至少约2mm、至少约2.5mm、至少约3mm或至少约5mm。在一些实施方案中，发光器件的多于一个的边缘(例如，所有边缘)具有上面提及的边缘长度。这样的尺寸导致LED以及出光表面具有大的面积。例如，在一些情况下，出光表面的表面积可以为至少约1mm2、至少约2.5mm2、至少约5mm2或至少约10mm2。本文中描述的技术可以非常适合用于大面积LED。然而，应当理解的是本技术不限于这一点。
在某些实施方案中，发光器件可以配置成将由有源区312生成的光的大部分或全部通过出光表面322发射。这样的发光器件通常被称为“顶发射”(与“侧发射”相对)发光器件。在某些实施方案中，由发光器件发射的光的至少约75％、至少约90％、至少约95％、至少约99％或基本上全部通过出光表面(例如，顶出光表面如图3中的出光表面322)发射。
如上面所看到的，可以在发光器件上方形成波长转换材料以将所发射的第一波长的光转换为不同的第二波长的光。在本文中描述的实施方案中的各种材料可以用作波长转换材料。在一些优选的实施方案中，波长转换材料包括磷光体材料。例如，磷光体材料可以以颗粒的形式存在。磷光体颗粒可以被分散在第二材料(例如，密封剂或粘合剂如环氧树脂)中以形成复合结构。
可以使用任意合适的磷光体材料。在一些实施方案中，磷光体材料可以为黄色磷光体材料(例如，(Y,Gd)(Al,Ga)G:Ce3+，有时称为“YAG”(钇、铝、石榴石)磷光体)、红色磷光体材料(例如，L2O2S:Eu3+)、绿色磷光体材料(例如，ZnS:Cu,Al,Mn)和/或蓝色磷光体材料(例如，(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl:Eu2+)。也可以为其他的磷光体材料。例如，在由Erchak等人于2005年9月29日提交的题为“Wavelength-converting Light-emitting Devices”(“波长转换发光器件”)的美国专利第7,196,354号已经描述了合适的磷光体材料，其全部内容通过引用合并到本文中。
在一些实施方案中，波长转换粉末的平均颗粒尺寸可以小于100微米。在一些实施方案中，平均颗粒尺寸为小于30微米。在一些实施方案中，波长转换材料粉末的平均颗粒尺寸可以在约1微米至10微米之间，在约4微米至16微米之间，在约10微米至30微米之间，或在约30微米至100微米之间。应当理解的是也可以使用除了本文中描述的这些颗粒尺寸范围以外的颗粒尺寸范围。
另外，波长转换材料和粘结剂的比例可以变化。例如，波长转换材料和粘结剂的比率可以为至少约0.1g/mL、至少0.5g/mL、至少1g/mL、至少2g/mL或更高。使用公知的利用其他材料的旋涂工艺可以获得良好的均匀性和厚度。如通过SEM图像示出的波长转换材料颗粒紧密堆积可以获得致密膜。经预焙烧的S-O-G可以用作强粘结材料。在一些实施方案中，晶片可以经历快速倾倒漂洗、旋转漂洗干燥和/或基本上无波长转换材料损失的激光切割。
在一些实施方案中，可以沉积多于一层的波长转换材料(例如，相同颜色的多个层、每层具有独特颜色的多个层等)。在存在多个层的情况下，可以具有不同于其他层的一种或更多种类型的波长转换材料的层。
应当注意的是，在一些实施方案中，在后处理封装期间可以添加另外的磷光体材料。例如，在器件需要一种或更多种磷光体的情况下，可以在封装水平(level)进行单一磷光体的轻微调整。在器件需要多种磷光体(例如，大部分的黄色磷光体带有少量红色磷光体以改善最终器件的显色指数)的情况下，一种磷光体(例如，黄色磷光体)可以在晶片水平施加，并且其他磷光体(例如，红色磷光体)可以在封装水平少量施加。同样的，在一些实施方案中，根据在前段落中描述的“多个层”方法，可以在晶片水平在涂层的顶部上添加附加的材料。
在一些实施方案中，由于波长转换材料层与管芯接近，因此可以相对容易地控制波长转换材料的温度。许多粘结剂材料具有比GaN低的热导率。因此，波长转换材料层与管芯接近允许在波长转换材料层中相对较低的操作温度。
本文中描述的方法与集光率受限(étendue-limited)的管芯(无透镜)以及非集光率受限(non-étendue-limited)的管芯(具有透镜)兼容。通常，将相对较厚的波长转换材料层施加至在其中待施用透镜的管芯，而将相对较薄的波长转换材料层施加至在其中不施用透镜的管芯。可以在沉积波长转换材料层之后(包括在已涂覆磷光体的管芯被封装之后)的任何时间将透镜添加至管芯。
在本文中描述的方法可以提供相对于其他波长转换材料沉积方法的多个优点。例如，在本文中描述的方法不需要在初始混合物中设定波长转换材料与聚合物粘结剂的比例。这可以允许用户调整波长转换材料与聚合物粘结剂的比例以获得所期望的颜色输出。在本文中描述的方法的另一个优点是可以控制波长转换材料的涂覆均匀性(遍及单个管芯和遍及包括多个管芯的晶片)以允许高产率、可重复制造的过程。
在本文中描述的系统和方法也使得能够使用已经用于许多常见LED制造工艺的现有制造设备在晶片上对图案进行对准，因此省略了昂贵的设备升级的需要。
在本文中描述的系统和方法的另一优点是相同管芯设计(例如，颜色、尺寸等)可以用于多个封装配置(例如，板上管芯、表面安装、多管芯封装等)，而无需开发用于磷光体沉积的独特的组装基础设施并且无需控制每个封装配置，因此降低了成本。
如本文中所使用的，在结构(例如，层、区)被称为在另一结构“上”、“上方”、“覆盖”另一结构或由另一结构“支承”的情况下，其可以直接在该结构上，或者也可以存中间结构(例如，层、区)。“直接在”另一结构上或与另一结构“接触”的结构意味着没有中间结构存在。
虽然在本文中已经描述并且示出了本发明的几个实施方案，但是本领域的普通技术人员将容易设想在本文中描述的用于执行功能和/或获得结果和/或优点中的一个或更多个的各种其他方法和/或结构，并且这样的改变和/或修改中的每一个被认为是在本发明的范围内。更一般地，本领域的技术人员将容易理解在此描述的所有参数、尺寸、材料和配置都是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的具体的一个或多个应用(the specific application or applications)。仅使用常规实验，本领域的技术人员将识别或能够确定在本文中描述的本发明的具体实施方案的许多等同物。因此，应当理解的是，前述的实施方案仅仅是作为实例存在的，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以除了具体描述的和要求保护之外的其他方式实践本发明。本发明涉及在本文中描述的每一个单独的特征、系统、制品、材料、工具和/或方法。另外，如果两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料、工具和/或方法没有相互不一致，那么这样的特征、系统、制品、材料、工具和/或方法的任意组合包括在本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种布置波长转换材料的方法，包括：
提供基底，在所述基底上方设置有掩模材料和波长转换材料，其中：
所述掩模材料覆盖所述基底的外表面的至少第一部分，
所述掩模材料未覆盖所述基底的所述外表面的至少第二部分，并且
所述波长转换材料设置在所述掩模材料、以及所述基底的所述外表面的所述第二部分上方；
去除所述波长转换材料的一部分使得所述波长转换材料不再位于所述掩模材料的至少一部分上方并且所述波长转换材料的至少一部分仍然位于所述基底的所述外表面的所述第二部分上方，其中去除所述波长转换材料的所述一部分包括对所述波长转换材料进行研磨；以及
在已经去除所述波长转换材料的所述一部分之后，去除所述掩模材料的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在所述基底上方形成所述掩模材料。
3.根据权利要求2所述的方法，包括：在所述基底上方形成所述掩模材料之后，从所述基底去除所述掩模材料的至少一部分使得所述掩模材料未覆盖所述基底的所述外表面的所述第二部分。
4.根据权利要求1所述的方法，包括在所述掩模材料、以及所述基底的所述外表面的所述第二部分上方形成所述波长转换材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中去除所述波长转换材料的所述一部分包括形成遍及所述波长转换材料和所述掩模材料的平坦的表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述掩模材料包括聚合物。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述掩模材料包括光致抗蚀剂。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长转换材料包括至少一种磷光体。
9.根据权利要求1所述的方法，其中去除所述掩模材料的至少一部分露出在所述掩模材料下面的导电材料的表面。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包括发光器件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述发光器件包括发光二极管。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述发光器件具有长度为至少1mm的边缘。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述外表面对应于所述发光器件的出光表面，并且由所述发光器件发射的光的至少75％通过所述外表面发射。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底的所述外表面的所述第一部分包括电接触部。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述电接触部不被所述波长转换材料覆盖。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述电接触部的一部分被所述波长转换材料覆盖。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述外表面为半导体层的一部分。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述半导体层包括n型掺杂半导体层。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述半导体层包括第III-V族半导体。
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