CN111540822A - 具有远程纳米结构磷光体的发光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例包括发光设备（LED 10）、第一波长转换材料（13，在基质14中以形成层12）以及第二波长转换材料（形成层16）。第一波长转换材料包括纳米结构波长转换材料。纳米结构波长转换材料包括具有至少一个长度不超过100nm的维度的颗粒。第一波长转换材料（13）与发光设备（10）隔开。

Description

具有远程纳米结构磷光体的发光设备
技术领域
本发明涉及一种半导体发光设备，例如与纳米结构磷光体结合的发光二极管。
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）和边缘发射激光器的半导体发光设备是目前可用的最高效的光源之一。能够跨可见光谱操作的高亮度发光设备的制造中目前感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，尤其是也称为III族氮化物材料的镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金。典型地，III族氮化物发光设备通过经由金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或者其他外延技术在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或者其他适当的衬底上外延生长不同成分和掺杂浓度的半导体层叠层而制造。该叠层经常包括跨衬底形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、跨所述一个或多个n型层形成的有源区中的一个或多个发光层以及跨有源区形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。电接触在n和p型区上形成。
如本领域中所知的，III族氮化物设备可以与诸如磷光体之类的波长转换材料结合以便形成白色光或者其他颜色的光。波长转换材料吸收III族氮化物设备的发光区发射的光，并且发射不同的、更长波长的光。波长转换的III族氮化物设备可以用于许多应用，例如一般照明、用于显示器的背光源、汽车照明以及照相机或者其他闪光灯。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的波长转换的发光设备。
本发明的实施例包括发光设备、第一波长转换材料以及第二波长转换材料。第一波长转换材料包括纳米结构波长转换材料。纳米结构波长转换材料包括具有至少一个长度不超过100nm的维度的颗粒。第一波长转换材料与发光设备隔开。
附图说明
图1图示出红色发射磷光体和红色发射纳米结构磷光体的强度与波长的函数关系。
图2图示出包括LED、波长转换层以及与LED隔开的纳米结构波长转换材料的结构。
图3A和图3B图示出可以用在纳米结构波长转换材料中以便散热的导线模式。
图4图示出包括LED、跨LED侧面延伸的波长转换层以及与LED隔开的纳米结构波长转换材料的结构。
图5图示出包括均与LED隔开的波长转换层和纳米结构波长转换层的结构。
图6图示出包括LED和单个波长转换区的结构。
图7图示出包括密封的纳米结构波长转换层的结构。
图8图示出反射器和纳米结构波长转换层的部分。
具体实施方式
当在本文中使用时，“泵浦光”指的是由诸如LED之类的半导体发光设备发射的光。“转换光”指的是由波长转换材料吸收并且在不同波长下重新发射的泵浦光。
诸如与一种或多种波长转换材料结合的LED之类的光源的效率出于至少两个原因而可能低于最佳。
首先，发射白色光的设备经常包括诸如磷光体之类的发射红色光的波长转换材料。一些红色发射磷光体至少在人眼响应曲线之外的波长下发射一些光。该光对于大多数应用而言实际上被丢失。此外，用于人眼响应曲线的色域范围从大约380nm至大约780nm，最大峰值在555nm处。人眼在不同的波长下具有不同的敏感度。例如，人眼在555nm波长下可以检测仅仅10光子/s的通量，但是在450nm下需要214光子/s并且在650nm下需要126光子/s。由于人眼对于红色（650nm）光不是非常敏感，因而希望的是红色发射波长转换材料发射非常窄波长带内的光。该希望的红色发射波长转换材料行为在图1上通过峰1图示出，图1是红色发射磷光体的发射强度与波长的函数关系的曲线图。峰1为图1中虚线3所示完全处于人眼响应曲线内的陡峭窄峰。许多常见的红色发射波长转换材料表现出图1中的峰2所示的不太高效的行为。这些材料跨更宽的波长范围发射光。
引入太多散射的第二波长转换材料可能降低设备的效率。
在本发明的实施例中，诸如LED之类的波长转换半导体设备包括吸收泵浦光并且发射转换光的纳米结构发光材料。纳米结构材料是诸如例如杆、锥、球、管之类的各种不同的形状或者任何其他适当的形状的纳米尺寸的半导体颗粒，其在至少一个维度上是纳米长度尺度。量子阱是在一个维度上的尺度为纳米长度的颗粒；量子线为在两个维度上的尺度为纳米长度的颗粒，并且量子点为在所有3个维度上的尺度为纳米长度的颗粒。纳米结构材料在一些实施例中可以具有至少6 x 105 cm-1的表面积-体积比，并且在一些实施例中具有不超过1.5 x 107 cm-1的表面积-体积比。在一些实施例中，纳米结构材料的至少一个维度短于纳米结构材料的电子波函数或者玻尔原子半径。这将诸如半导体带隙之类的体积性质修改成现在随着纳米结构材料的相关维度的长度而变化的介观或者量子性质。在一些实施例中，纳米结构材料可以是红色发射纳米结构磷光体或者发射不同颜色的光的纳米结构磷光体。纳米结构磷光体在本文中可以称为“量子点”或者“Q点”。适当材料的实例包括CdSe、CdS、InP、InAs、CdTe、HgTe、ZnS、ZnSe、CuInS2、CuInSe2、Si、Ge以及具有与可见光的带隙接近的带隙任何半导体材料，即在一些实施例中具有不超过2.0eV的带隙的任何半导体材料。在一些实施例中，纳米结构材料可以是掺杂有过渡金属离子和/或稀土金属离子的发光纳米结构材料，也可以发射窄波长范围内的适当的红色光。这些材料在本文中可以称为“掺杂点”或者“D点”。适当材料的实例包括上面列出的量子点材料中的任何材料，包括掺杂剂、掺杂Cu的ZnSe、掺杂Mn的ZnSe、掺杂Cu的CdS以及掺杂Mn的CdS。
纳米结构材料颗粒在一些实施例中可以具有至少2nm的平均直径，在一些实施例中具有不超过20nm的平均直径，在一些实施例中具有不超过50nm的平均直径，并且在一些实施例中具有不超过100nm的平均直径。在一些实施例中，纳米结构材料的颗粒在一些实施例中具有至少5%的尺寸分布并且在一些实施例中具有超过30%的尺寸分布。例如，颗粒的直径在一些实施例中可以在平均直径的+/-5%之间变化，并且在一些实施例中可以在平均直径的+/-30%之间变化。形成对照的是，常规粉末磷光体经常具有1µm或者更多的颗粒尺寸。大多数磷光体颗粒，例如大于99%的磷光体颗粒，具有大于20nm的直径。此外，在纳米结构材料中，诸如吸收和发射波长之类的光学性质可以随着颗粒尺寸而变化。在粉末磷光体中，相同材料的具有不同尺寸的两个颗粒典型地具有相同的吸收和发射波长。
诸如量子点之类的纳米结构材料颗粒典型地附接到促进处理的配体（例如，在没有该配体的情况下，所述颗粒可能彼此融合以形成大质量）。配体可以是任何适当的材料。适当配体的实例包括羧酸和基于磷化氢功能化烷烃的分子，例如油酸或者三辛基膦。
在一些实施例中，纳米结构材料发射窄波长带内的光。例如，纳米结构材料在一些实施例中可以具有至少20nm的半高全宽并且在一些实施例中具有不超过60nm的半高全宽。红色发射纳米结构磷光体发射的峰值波长可以通过选择颗粒的成分和/或尺寸而调整。纳米结构材料的可调性可以归因于颗粒内部的激子的量子限制。纳米结构材料表现出对于可见光的很少的散射或者没有散射。
纳米结构材料的使用提出了设计挑战。首先，由于纳米结构材料的高表面面积-体积比的原因，这些材料的结构和化学性质可能在存在氧气和湿气的情况下发生变化。这样的变化可能非所希望地改变纳米结构材料的光学性质。
其次，诸如吸收和发射特性之类的光学性质可能通过温度升高而退化。例如，由于纳米结构波长转换材料的固有性质的原因，纳米结构波长转换材料发射的峰值波长可能随着温度的升高而移动。此外，纳米结构波长转换材料发射的峰值强度可能随着温度而减小。最新技术的高亮度LED在电能变换为光子能期间产生热量。例如，当在350mA的电流下驱动时，当前的高亮度LED的结温可能近似为85ºC。如果纳米结构材料直接附接到LED，那么这样的温度可以影响纳米结构材料的光学性能。
在本发明的实施例中，对包括LED和纳米结构波长转换材料的设备封装以便高效地从纳米结构波长转换材料移除热量，并且保护纳米结构材料免受氧气和湿气的影响。下面的图说明了本发明的实施例。
作为初步事项，提供一个或多个诸如LED之类的半导体设备。可以使用任何适当的III族氮化物LED并且这样的LED是公知的。尽管在下面的实例中半导体发光设备为发射蓝色或者UV光的III族氮化物LED，但是可以使用除了LED之外的诸如激光二极管之类的半导体发光设备以及由诸如其他III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、ZnO或者基于Si的材料之类的其他材料系统制成的半导体发光设备。
下面的图中的LED 10可以为例如倒装芯片设备，其被配置成从LED的顶部表面发射大多数光。为了形成这样的LED，如本领域中已知的，首先在生长衬底上生长III族氮化物半导体结构。生长衬底可以是任何适当的衬底，诸如例如蓝宝石、SiC、Si、GaN或者复合衬底。该半导体结构包括夹在n型区与p型区之间的发光或者有源区。n型区可以首先生长并且可以包括不同成分和掺杂浓度的多个层，包括例如诸如缓冲层或者成核层之类的准备层和/或被设计成促进生长衬底的移除的、可以是n型或者非特意掺杂的层，以及被设计用于发光区高效地发射光所需的特定光学、材料或者电学性质的n型或者甚至p型设备层。发光或有源区跨n型区生长。适当的发光区的实例包括单个厚或薄发光层，或者包括由势垒层分隔的多个薄或厚发光层的多量子阱发光区。然后，可以跨发光区生长p型区。像n型区那样，p型区可以包括不同成分、厚度和掺杂浓度的多个层，包括非特意掺杂的层或者n型层。设备中所有半导体材料的总厚度在一些实施例中小于10µm并且在一些实施例中小于6µm。
金属p接触在p型区上形成。如果例如在倒装芯片设备中，大部分光通过与p接触相对的表面被引导出半导体结构，那么p接触可以是反射的。倒装芯片设备可以通过经由标准光刻操作对半导体结构图案化并且蚀刻半导体结构以移除p型区的整个厚度的一部分和发光区的整个厚度的一部分以便形成台面而形成，所述台面露出其上形成金属n接触的n型区的表面。该台面以及p和n接触可以以任何适当的方式形成。形成台面以及p和n接触是本领域技术人员公知的。
半导体结构可以通过p和n接触连接到支撑。该支撑是机械地支撑半导体结构的结构。该支撑是一种自支撑结构，适合附接到其上安装了LED 10的结构。例如，该支撑可以是可回流焊接的。可以使用任何适当的支撑。适当的支撑的实例包括具有用于形成到半导体结构的电连接的导电通孔的绝缘或半绝缘晶片（例如硅晶片）、在半导体结构上例如通过电镀形成的厚金属接合垫或者陶瓷、金属或任何其他适当的底座。生长衬底可以被移除，或者它可以保持为设备的一部分。可以对通过移除生长衬底而暴露的半导体结构粗糙化、图案化或者纹理化以便增大光提取。
下面的图中的纳米结构波长转换层12包括诸如上面描述的Q点或D点之类的发光材料以及其中设置了纳米结构发光材料的基质材料。纳米结构发光材料可以是在基质中随机或者顺序地布置的Q点或D点。纳米结构波长转换材料颗粒可以接合（共价或离子或配位）到基质或者机械或物理地陷在基质中。在一些实施例中，纳米结构波长转换材料的颗粒形成到紧密堆积或者有序的膜中，其中相邻颗粒彼此物理地接触。纳米结构颗粒的有序膜可以通过例如将颗粒悬浮在溶剂中，然后允许颗粒随着溶剂变干沉淀到有序膜中而自组装。可替换地，纳米结构颗粒的有序膜可以通过将纳米结构颗粒浮在不与颗粒混溶的液体表面上而形成。当颗粒浮动时，它们可以物理地挤压在一起并且然后作为有序阵列转移至衬底上，其然后可以用在下面描述的布置之一中。
在一些实施例中，一个颗粒与另一个颗粒的紧邻不是所希望的，因为相邻颗粒可以淬灭彼此的荧光性质或者改变峰值发射波长。例如，相邻颗粒之间的间距越近，则发射波长变得越多地红移。相邻颗粒之间的间距在一些实施例中可以为至少5nm，在一些实施例中可以为至少10nm，在一些实施例中可以为至少20nm，在一些实施例中可以为不超过100nm，在一些实施例中可以为不超过500nm，并且一些实施例中可以为不超过1µm。
在一些实施例中，纳米结构材料颗粒包覆有排斥其他纳米结构材料颗粒的壳。在一些实施例中，基质被选择成以混溶的方式提供相邻颗粒的充分分离（即没有纳米结构颗粒的聚合或群集的分离）。在一些实施例中，避免了在膜形成或者设备操作期间造成纳米结构颗粒的聚合的基质材料。在一些实施例中，使用了在设备操作期间维持其形状，关于温度、蓝色通量和纳米结构颗粒离子化光学且化学稳定的基质材料。（离子化指的是纳米结构材料从纳米结构颗粒表面发射电子）。
适当的基质材料的实例包括例如空气或电介质材料（聚合物或陶瓷）、有机材料（例如聚乙烯（HDPE，LDPE）、聚丙烯、聚乙烯基卤化物、聚苯乙烯、聚乙二烯卤化物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、多氯氟乙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚缩醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙酸丁酸纤维素、硝酸纤维素、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚乙烯醇缩甲醛、硅树脂、聚砜、塞尔马氮氧化物（thermanox）、热塑性弹性体、聚甲基戊烯、聚对二甲苯或者交联聚合物）或者无机材料（例如基于溶胶凝胶的二氧化硅、二氧化钛、氧化锆或者这些材料和玻璃陶瓷的组合）或者复合物。复合物包括对于特定性质优化的材料的混合物。例如，玻璃珠可以与聚合物混合以便形成具有与单独的聚合物相比增大的粘度的混合物。在另一个实例中，硅树脂可以与有机聚合物混合以便形成具有希望的溶解度的混合物。在一些实施例中，无机材料与有机或硅树脂材料混合以便形成具有诸如玻璃化转变温度、折射率和熔点之类的希望的性质的材料。
复合物可以是电介质材料和/或金属材料的组合，包括至少在一个、两个或者三个维度下为纳米尺度的微粒材料。例如，粘土纳米颗粒/聚合物、金属纳米颗粒/聚合物以及碳纳米管/聚合物纳米复合物可能是适当的。适当的纳米复合物在商业上可获得。例如，可以使用尼龙纳米复合物、聚烯烃纳米聚合物、M9（三菱）、杜立顿KU2-2601（拜耳）、Aegis NC（霍尼韦尔）、Aegis TM Ox（低氧气透过率-霍尼韦尔）或者Forte纳米复合物（诺布尔）以及上面描述的材料的组合。诸如nanomers（Nanocor）、closite（Southern Clay products）、Bentone（Elementis）、Polymer-pellet（PolyOne, Clariant, RTP）、Nanofil（Sud-Chemie）、Planomers（TNO）、Planocolors（TNO）、PlanoCoatings（TNO）之类的纳米粘土纳米聚合物可以单独使用或者与其他材料组合。例如，可以提供优秀的透明度和阻隔性质的PlanoCoatings可以与可以提供热稳定性的Planomers组合。具有来自Suncolor公司的聚合物和纳米材料（HTLT1070或HTLT1070AA）的组合的复合物在可见波长（380nm-780nm）下提供了优秀的透明度以及高的玻璃化转变温度。
在一个实例中，纳米结构波长转换材料包括设置在CdZnS的壳中的CdSe量子点。基质为脂肪族丙烯酸酯或者硅树脂。纳米结构波长转换层12为100µm厚。最近邻纳米结构颗粒隔开至少5nm并且不超过200nm。纳米结构波长转换层12可以通过将CdSe/CdZnS核-壳材料与基质材料混合以形成刮涂、滴铸或者以其他方式分配在衬底上的粘性膜而形成。
在图2、图4、图5、图6和图7所示的实例中，纳米结构波长转换层与LED 10隔开。通常不是纳米结构波长转换层并且可以例如为粉末或陶瓷磷光体层的第二波长转换层可以设置在LED 10与纳米结构波长转换层12之间。
图2图示出包括纳米结构波长转换层的设备的一个实例。波长转换层16跨LED 10顶部表面紧邻LED 10形成。波长转换层16可以是一个或多个常规磷光体、有机磷光体、有机半导体、II-VI或者III-V族半导体、染料、聚合物或者发光的其他材料。可以使用任何适当的磷光体，包括但不限于基于石榴石的磷光体，Y3Al5O12:Ce、Lu3Al5O12:Ce、Y3Al5-xGaxO12:Ce、(Ba1-xSrx)SiO3:Eu（BOSE）、基于氮化物的磷光体，(Ca,Sr)AlSiN3:Eu和(Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu。波长转换层16可以包括单一波长转换材料或者可以混合在一起或者设置在LED 10顶部上单独的层中的多种波长转换材料。波长转换层16可以是：例如通过电泳沉积形成的粉末磷光体层；与诸如硅树脂或环氧树脂之类的透明粘合剂材料混合的跨LED 10成型、丝网印刷、喷涂或者注射的染料或者粉末磷光体；或者诸如陶瓷磷光体或嵌入到玻璃、硅树脂或者其他透明材料中的磷光体或者染料之类的预制的波长转换层。波长转换层16的厚度取决于使用的材料和沉积技术。波长转换层16在一些实施例中可以为至少20µm厚并且在一些实施例中可以不超过500µm厚。
LED 10和波长转换层16置于反射容器20底部。反射容器20可以为矩形、圆形、锥形或者任何其他适当的形状。反射容器20可以例如由聚合物、金属、陶瓷、电介质材料、材料组合或者任何其他适当的材料形成。在一些实施例中，反射容器20由至少一种导热材料形成或者包括至少一种导热材料，以便传导热量离开反射容器20内的结构。在一些实施例中，反射容器20被配置成散热器或者热连接到散热器。尽管图2图示出一个LED 10设置在反射容器20内，但是在一些实施例中，多个LED 10设置在单个反射容器内。
纳米结构波长转换层12例如跨反射容器20中的顶部开口与LED 10和波长转换层16隔开。波长转换层16的顶部（或者LED 10的顶部）与纳米结构波长转换层12的底部之间的间距h在一些实施例中可以为至少1mm，在一些实施例中为至少2mm，在一些实施例中为不超过5mm，并且在一些实施例中为不超过10mm。纳米结构波长转换层12如上所述包括设置在基质14中的纳米结构波长转换材料13。纳米结构层12的总厚度在一些实施例中可以为至少10µm，在一些实施例中为至少20µm，在一些实施例中为不超过200µm，并且在一些实施例中为不超过2mm。
纳米结构波长转换层12可以通过例如以下处理技术中的一种或多种形成：浸涂、旋涂、滴铸、喷墨印刷、丝网印刷、喷涂、刷涂、层压、电沉积、气相沉积、挤压、旋压、压延、热成型、浇铸和成型。例如，纳米结构波长转换材料可以与诸如液体有机聚合物或硅树脂之类的基质混合。该混合物可以使用上面列出的方法之一跨电介质材料18设置。可替换地，该混合物可以设置在诸如透明板或膜之类的衬底上，该衬底然后跨电介质材料18设置。膜可以根据需要在外界或惰性环境或者特殊环境中使用热和/或UV和/或压力进行处理和/或固化，以便将液体基质材料变换成其中悬浮了纳米结构颗粒的固体材料。可以对膜定形，或者可以通过诸如切割、修剪、抛光、机械紧固接合、密封焊接、真空电镀金属化、印刷、冲压或者雕刻之类的一种或多种工艺移除多余的材料。在一些实施例中，纳米结构波长转换层12在薄透明衬底上形成，该衬底然后在衬底上形成纳米结构波长转换层12之前或者之后附接到电介质材料18。
在一些实施例中，为了增强从纳米结构波长转换层散热，在纳米结构波长转换层12之上或者之中形成导热的金属或陶瓷导线。这些导线在一些实施例中可以例如为至少1µm宽，在一些实施例中为不超过100µm宽，在一些实施例中为不超过1mm宽，在一些实施例中为至少1µm厚，在一些实施例中为至少10µm厚，并且在一些实施例中为不超过100µm厚。这些导线在一些实施例中可以隔开至少1mm，在一些实施例中隔开不超过10mm，并且在一些实施例中隔开不超过20mm。这些导线在一些实施例中可以为>90%反射的。这些导线可以在基质层14中形成，并且可以例如是随机、平行的或者以其他方式以任何适当的布置设置。图3A和图3B中图示出用于导线22的模式的两个实例。在一些实施例中，导线22将热传导至反射容器20，该反射容器可以充当散热器或者可以热连接到散热器。导线可以通过例如丝网印刷、溅射，然后用光刻法图案化适当的材料或者通过荫罩蒸发适当的材料而形成。任何适当的传导材料可以用于导线22，包括例如铝、铜、银和包覆银的铜。
在一些实施例中，纳米结构波长转换层12与波长转换层16之间的空间完全或者部分地填充有电介质材料18。电介质材料18可以为例如外界气体、空气、陶瓷、氧化铝、聚合物或者上面描述的用于纳米结构波长转换层12的基质的材料之一或者组合。电介质18的材料可以被选择成导热，或者可以将导热材料设置在电介质材料18内。在一些实施例中，代替或者附加于设置在纳米结构波长转换材料12之上或者之中的导线的是，上面在伴随图3A和图3B的文字中描述的一根或多根导线22可以嵌入到电介质材料18中。
在图4所示的设备中，波长转换层16跨LED 10的侧面延伸。
图5图示出包括纳米结构波长转换层的设备的另一个实例。LED 10、纳米结构波长转换层12、波长转换层16、电介质材料18和反射容器20的细节可以与上面描述的相同。纳米结构波长转换层12和波长转换层16二者都与LED 10隔开。波长转换层16设置在LED 10与纳米结构波长转换层12之间。波长转换层16与LED 10隔开距离h2，该距离在一些实施例中可以大于0mm，在一些实施例中为至少1mm，在一些实施例中为不超过10mm，并且在一些实施例中为不超过20mm。波长转换层16与LED 10之间的空间可以填充有电介质18。纳米结构波长转换层12与波长转换层16隔开距离h1，该距离在一些实施例中可以大于0mm，在一些实施例中为至少1mm，在一些实施例中为不超过5mm，并且在一些实施例中为不超过10mm。纳米结构波长转换层12与波长转换层16之间的空间可以填充有电介质24，该电介质可以是上面描述的任何适当的电介质材料。电介质材料18和24在一些实施例中可以是不同的材料并且在一些实施例中可以是相同的材料。纳米结构波长转换层12和波长转换层16的位置在一些实施例中可以切换，使得纳米结构波长转换层12设置在LED 10与波长转换层16之间。
图6图示出包括纳米结构波长转换材料的设备的另一个实例。LED 10、电介质材料18和反射容器20的细节可以与上面描述的相同。图6中所示的设备具有单一波长转换区26。该区域包括纳米结构波长转换材料和常规波长转换材料二者。在一些实施例中，波长转换区26包括彼此接触的分层形成于彼此之上的上面描述的纳米结构波长转换层12和波长转换层16，其中任一层在波长转换区26顶部。在一些实施例中，波长转换区26包括混合在一起的纳米结构波长转换材料和附加的波长转换材料。这样的混合波长转换层可以利用上面描述的任何基质材料通过上面描述的任何技术形成。波长转换区26在一些实施例中可以为至少20µm厚，在一些实施例中为至少50µm厚，在一些实施例中为不超过100µm厚，并且在一些实施例中为不超过20mm厚。波长转换区26与LED 10隔开距离h3，该距离在一些实施例中可以大于0mm，在一些实施例中为至少1mm，在一些实施例中为不超过10mm，并且在一些实施例中为不超过20mm。
如上面所描述的，氧气和湿气可能不利地影响纳米结构波长转换材料的性能。上面描述的设备中的纳米结构波长转换材料可以例如通过选择合适的基质材料，通过跨纳米结构波长转换层形成保护层，或者通过密封纳米结构波长转换层而受保护。
在一些实施例中，纳米结构波长转换材料13嵌入到具有低氧气和湿气渗透率的基质材料14中。例如，适当的低氧气和湿气渗透材料包括无机材料，诸如例如玻璃、陶瓷、基于溶胶凝胶的二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化锌。此外，若干聚合物表现出适当低的氧气和湿气渗透率。下表1列出了适当的材料及其氧气和湿气渗透率。适当聚合物和纳米结构波长转换材料的复合物可以抑制或者减小湿气和氧气穿透纳米结构波长转换层。在一些实施例中，水蒸气透过率不超过10-6g/m2/天，并且氧气透过率不超过10-3cm3/m2/天/大气压。
表1：一些材料及其氧气和湿气透过率的列表
材料 水蒸气透过率(g/m<sup>2</sup>/天) 氧气透过率 (cm<sup>3</sup>·mm/m<sup>2</sup>/天/大气压)
聚乙烯 1.2 – 5.9 70 – 550
聚丙烯（PP） 1.5 – 5.9 93 – 300
聚苯乙烯（PS） 7.9 – 4 200 – 540
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET） 3.9 – 17 1.8 – 7.7
聚（醚砜）（PES） 14 0.04
PEN 7.3 3.0
聚酰亚胺 0.4 – 21 0.04 – 17
15nm Al/PET 0.18 0.2 – 2.99
SiO<sub>x</sub>/PET 0.007 – 0.03
ORMOCER（混合涂层）/PET 0.07
聚对二甲苯N 0.59 15.4
聚对二甲苯C 0.08 2.8
聚对二甲苯HT 0.22 23.5
环氧树脂 0.94 4
聚氨酯 78.7
硅树脂 19685
来源：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 10, No.1, Jan 2004, p. 45。
在一些实施例中，将无机或有机材料沉积在纳米结构波长转换层上以便降低氧气和湿气渗透。例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）上的有机-无机混合涂层或者Al/氧化铝或SiOx的涂层可以降低氧气和湿气通过纳米结构波长转换层的渗透。可以对一些适当的诸如基于聚对二甲苯的化合物之类的聚合物进行气相沉积并且在室温下交联。在另一个实例中，将氧化铝、二氧化硅、硅氮化物/氮氧化物沉积在纳米结构波长转换层上以便降低通过纳米结构波长转换层的氧气和湿气透过率。这样的涂层可以通过包括例如等离子体增强化学气相沉积的任何适当的方法沉积。
在一些实施例中，如图7中所示，围绕纳米结构波长转换层12形成密封。电介质层32围绕纳米结构波长转换层12的底部和侧面形成外壳。电介质层34跨纳米结构波长转换层12的顶部设置，并且密封电介质层32形成的外壳。电介质层32可以为例如氧化铝、陶瓷或者任何其他适当的材料。电介质层34可以为例如氧化铝、玻璃或者任何其他适当的材料。电介质层34的厚度h6在一些实施例中可以不超过10mm。图7中所示的结构包括如上面所描述的跨LED 10设置的波长转换层16。电介质30可以围绕LED 10和波长转换层16设置。电介质30可以为例如空气、陶瓷、聚合物或者任何其他适当的材料。跨波长转换层16的电介质30的厚度h7在一些实施例中可以不超过10mm。
在一些实施例中，如图8中所示，反射层28跨纳米结构波长转换层12设置。波长转换层的厚度决定多少泵浦光被波长转换材料吸收。由诸如粉末磷光体之类的一些波长转换材料造成的散射有效地增大了波长转换层的光学厚度。纳米结构波长转换材料几乎不造成散射。结果，纳米结构波长转换材料必须厚于包括散射材料的波长转换层。厚的层不是所希望的，因为与较薄层相比，它们必须驱散更多热量。图8中的反射器28被配置成更多地反射泵浦光，并且更少地反射转换光。泵浦光因此被反射回纳米结构波长转换层12中，其中该光可以被转换，而转换光穿过反射器28。反射器28实际上倍增了纳米结构波长转换层12的光学厚度，允许对于给定量的波长转换形成更薄的层。在一些实施例中，反射器28为二向色性叠层。
详细地描述了本发明之后，本领域技术人员将会理解，给定本公开内容，可以在不脱离本文描述的发明构思的精神的情况下对本发明做出修改。例如，尽管在上面描述的实例中，发光设备为半导体设备，但是在一些实施例中，使用其他的发光设备，例如有机LED、高压UV弧光灯或者任何其他适当的光源。因此，本发明的范围并不预期限于所图示和描述的特定实施例。

Claims (16)

1.一种结构，包括：
发光设备；
第一波长转换材料，其中第一波长转换材料包括纳米结构波长转换材料，该纳米结构波长转换材料包括具有至少一个长度不超过100nm的维度的颗粒；以及
第二波长转换材料；
其中第一波长转换材料与发光设备隔开。
2.权利要求1的结构，其中第二波长转换材料设置在发光设备与第一波长转换材料之间。
3.权利要求2的结构，其中：
第二波长转换材料与发光设备隔开第一距离；
第一波长转换材料与第二波长转换材料隔开第二距离；并且
第一距离大于第二距离。
4.权利要求2的结构，其中：
第二波长转换材料与发光设备隔开第一距离；
第一波长转换材料与第二波长转换材料隔开第二距离；并且
第一距离小于第二距离。
5.权利要求1的结构，其中包括第一波长转换材料的层的底部表面距离发光设备的顶部表面至少1mm。
6.权利要求1的结构，其中第一波长转换材料设置在包括至少一种透明材料的基质中。
7.权利要求6的结构，其中第一波长转换材料的最近邻颗粒直接接触。
8.权利要求6的结构，其中第一波长转换材料的最近邻颗粒隔开至少5nm。
9.权利要求1的结构，其中第二波长转换材料设置成与发光设备的顶部表面直接接触。
10.权利要求1的结构，其中第二波长转换材料与发光设备和第一波长转换材料二者都隔开。
11.权利要求1的结构，进一步包括设置在透明基质中的至少一根导线。
12.权利要求11的结构，其中所述至少一根导线热连接到散热器。
13.权利要求1的结构，其中第一和第二波长转换材料在单一波长转换层中混合在一起。
14.权利要求1的结构，其中纳米结构波长转换材料设置在密封的外壳中。
15.权利要求1的结构，进一步包括反射器，其中纳米结构波长转换材料设置在发光设备与反射器之间，并且其中与纳米结构波长转换材料发射的光相比，反射器更多地反射发光设备发射的光。
16.权利要求1的结构，其中发光设备为半导体设备。
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