CN1244164C - 制造具有发光转换元件的发光半导体元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述两种用于制造半导体元件的方法，其中发光转换元件直接被涂覆在半导体(1)上。在第一种方法中，含增附剂和至少一种荧光材料(5)的悬浮液(4)成层状地被涂覆在半导体(1)上。在下个步骤中，使溶剂逸出并由此使得在半导体上只留下含增附剂的荧光材料(5)。在第二种方法中，半导体(1)配备有增附剂层(6)，在增附剂层上直接涂覆荧光材料(5)。

Description

制造具有发光转换元件的发光半导体元件的方法
技术领域
本发明涉及制造具有发光转换元件的发光半导体的方法。
背景技术
例如，从WO97/50132中知道了具有发光转换元件的发光半导体元件。这种结构包含一个在工作时发光(一次光)的半导体和一个把部分光转换到另一个波长范围(荧光)的发光转换元件。由这种半导体元件发出的光的色感是通过一次光与荧光的叠加颜色混合而产生的。
发光转换元件可以通过不同方式附设在半导体上。在许多实施形式中，发光转换元件由荧光材料构成，所述荧光材料被埋在包围半导体的填料中。
这种方法有缺陷，即由于荧光材料在填料中沉淀，所以发光材料的空间分布是不均匀的。此外，一次光光源(半导体)和荧光光源(含发光材料的填料)一般有不同的形状和尺寸，因此出现空间不均匀的色感并在光学成像时产生强烈色差。另一个缺陷在于，色感取决于填料中的光行程，因而由加工引起的填料厚度的波动导致了不同色感。
如果要求在不同观察方向上得到相同色感，则还如此不利地限制了元件成形，即填料中的光行程对所有希望的观察方向来说应该是几乎一样的。
在上述文献中还指出了，荧光材料也可以被直接涂覆在半导体上。通过这种方法，避免了上述缺陷。
发明内容
本发明的任务是研究出一种方法，该方法能够将荧光材料直接涂覆在半导体上。
以上任务将通过本发明的两个方法来完成。
根据本发明，提供一种用于制造发光半导体元件的方法，该半导体元件包括一个装在衬底上的且电接通的半导体和一个发光转换元件，该发光转换元件具有至少一种荧光材料并且被涂覆在该半导体上，其特征在于，它具有以下步骤：制造该半导体并将该半导体装到该衬底上并电接通；成层状地将悬浮液涂覆到该半导体的至少一个表面上，该悬浮液作为溶剂含有醋酸丁酯并且在该悬浮液中加入至少一种增附剂和所述的至少一种荧光材料；烘干该半导体元件，其中所述荧光材料基本上保留在该半导体上。该方法在此本称为本发明的第一方法。
本发明还提供一种用于制造发光半导体元件的方法，该半导体元件包括一个装在衬底上且电接通的半导体和一个发光转换元件，该发光转换元件具有至少一种荧光材料并且被涂覆在该半导体上，其特征在于，该方法具有以下步骤：制造该半导体并将该半导体装到该衬底上并电接通；将增附剂层涂覆到该半导体的至少一个表面上；把所述的至少一种荧光材料涂覆在所述增附剂层上。该方法在此被称为本发明第二方法。
在本发明第二方法的一个优选设计方案中，作为增附剂层，使用环氧树脂、丙烯酸树脂或硅树脂。这些材料常被用于加工发光二极管，因此可被经济地用于本发明的方法。
在本发明第二方法的一个特别优选的设计方案中，在增附剂层上撒上荧光材料。通过该方法，可以将均匀的妥善计量的荧光材料层涂覆到半导体上。或者，也可以吹上或溅射上荧光材料。
作为荧光材料，最好使用无机磷，如添加稀土元素且尤其是铈的石榴石、碱土硫化物、硫代五倍子酸盐、铝酸盐和原硅酸盐。在这里，高效荧光材料是化合物，它们满足化学式A3B3O12：M(只要它们在通常的生产和工作条件下不是不稳定的)，其中A表示钇、镥、钪、镧、钆、铽和钐中的至少一个元素，B表示铝、镓和铟中的至少一个元素，M表示铈和镨中的至少一个元素并最好是铈。事实证明，化合物YAG：Ce(Y3Al5O12：Ce3+)、TbYAG：Ce((TbxY1-x)3Al5O12：Ce3+，0＜x＜1)和GdYAG：Ce((GdxY1-x)3Al5O12：Ce3+，0＜x＜1)以及由此构成的混晶体如GdTbYAG：Ce((GdxTbyY1-x-y)3Al5O12：Ce3+)是特别高效的荧光材料。此外，可以至少部分地用镓或铟代替铝。其它适合的化合物是SrS：Ce3+，Na，SrS：Ce3+，Cl，SrS：CeCl3，Cas：Ce3+和SrSe：Ce3+。
在本发明的方法中，可特别有利地采用其平均颗粒尺寸为10μm的荧光材料。在现有技术的方法中，颗粒尺寸明显更小并且保持尽可能地小，以防止荧光材料在填料中沉淀。但不利的是，随着颗粒变小，荧光材料颗粒的光散射增强，从而使发光转换效率总体降低。通过本发明的方法，避免了这个缺点。
在本发明方法的一个有利设计方案中，生产过程的第一步是在环氧树脂或丙烯酸树脂中浇注元件。
在本发明方法中，可以特别有利地采用发射出中心波长位于460nm以下光线的半导体。在按照现有技术的上述元件中，使用这样的半导体对是没有意义的，因为这种波长范围的光损伤填料，尤其是可在市场上买到的环氧树脂并因此使填料快速老化。这个缺陷在本发明的方法中没有出现，这是因为部分射线直接在半导体上转换，从而使填料中的短波射线量减少。此外，填料中的射线功率密度因填料远离半导体射线发射区而变得更小。
本发明的方法特别有利地适用于制造白光二极管，如同上述文献所描述的那样。在这种情况下，荧光材料和半导体是这样相互协调的，即一次光色彩和荧光色彩互补。通过色彩混合而产生白光色感。
按照本发明方法制造的许多元件可以拼接成大型照明单元。本发明方法能够有利地允许制造小体积高亮度的元件，因为无需填料。或许具有元件矩阵式排列结构的大型照明单元的特点是亮度很高。
按照本发明制成的元件特别有利地适用作成像透镜系统中的光源。因为一次光和荧光从空间紧邻的且大小基本相同的体积中射出，所以导致这样的透镜系统的色彩失真明显比现有技术的光源小。
附图说明
从以下结合图1-4的对两个实施例的描述中，得到其它的技术特征和优点，其中：
图1为本发明方法的第一实施形式的示意图；
图2为本发明方法的第二实施形式的示意图，
图3为按照本发明方法制造出来的元件的辐射特性；
图4为按照现有技术的元件的辐射特性。
具体实施方式
图1表示按照本发明第一方法进行的具有直接涂上的发光转换元件的半导体的制造。
在图1a的第一方法步骤中，按照传统加工方法制造半导体1。将半导体1装到衬底2上并配上触点3。关于以下步骤，生产过程没有原则上的限制。
在图1b的第二方法步骤中，成醋酸丁酯形式的荧光材料5悬浮液4薄层被涂覆到半导体1的至少一个表面上。作为增附剂，例如可以使用PERENOL45(Henkel)。荧光材料5在这种悬浮液中具有超过40％体积比的高浓度。悬浮液覆层可通过喷撒或滴撒方法来产生。在后一种情况下，滴液量是如此控制的，即产生一层厚薄均匀的、罩住半导体1裸露表面的覆层。作为荧光材料5，例如可以使用铈或铽活化的钇铝石榴石或这种石榴石的变种。如果采用喷撒法来涂覆悬浮液层4，则悬浮液4也可以只盖住半导体表面的一部分。此外，为了获得尽可能均匀的覆层，也可以给悬浮液4添加流变添加剂和浸润剂。在接着的第三方法步骤中，烘干元件，在这里，溶剂醋酸丁酯如图1c所示被蒸发掉，从而在半导体上只留下含增附剂的荧光材料5，见图1d。
图2表示按照本发明第二方法进行的、具有直接涂上的发光转换元件的半导体的制造。
在图2a的第一方法步骤中，仍然制造半导体1并将其装到衬底2上并配上触点3。
在图2b的第二步骤中，作为增附剂地在这个半导体上喷洒上薄薄一层环氧树脂6。与现有技术的元件不同地，该薄层6不是作为填料或壳体，而仅仅作为用于要涂覆的荧光材料5的粘接剂。
在图2c的第三步骤中，撒上荧光材料5。在这一步骤后，荧光材料5以均匀薄层形式附着在半导体1表面上，见图2d。在环氧树脂固化以后，可以进行其它工序，如浇注元件或将其装进照明矩阵。
图3表示按照本发明方法制成的元件7的辐射特性。在本发明的元件7中，一次光8和荧光9的光束从几乎相等的体积中射出来并因此大范围重叠。
与此相比，图4表示按照现有技术的元件10的辐射特性。这种按照现有技术的元件具有一个在光轴上聚焦的一次光束11，该光束由半导体发出。荧光束12由整个填料发出，因而荧光束12明显比一次光束11更发散。
在工作中，沿光轴看一个这样的现有技术元件10，射出的混合光在中心一直变成原色并且外围被一个圆形边缘包围住，这个边缘具有荧光的色彩。
与此相反，按照本发明的方法制成的元件7产生了一个空间均匀一致的混色色感。

Claims (13)

1.用于制造发光半导体元件的方法，该半导体元件包括一个装在衬底(2)上的且电接通的半导体(1)和一个发光转换元件，该发光转换元件具有至少一种荧光材料(5)并且被涂覆在该半导体(1)上，其特征在于，它具有以下步骤：
—制造该半导体(1)并将该半导体装到该衬底(2)上并电接通，
—成层状地将悬浮液(4)涂覆到该半导体(1)的至少一个表面上，该悬浮液作为溶剂含有醋酸丁酯并且在该悬浮液中加入至少一种增附剂和所述的至少一种荧光材料(5)，
—烘干该半导体元件，其中所述荧光材料(5)基本上保留在该半导体(1)上。
2.用于制造发光半导体元件的方法，该半导体元件包括一个装在衬底(2)上且电接通的半导体(1)和一个发光转换元件，该发光转换元件具有至少一种荧光材料(5)并且被涂覆在该半导体(1)上，其特征在于，它具有以下步骤：
—制造该半导体(1)并将该半导体装到该衬底(2)上并电接通，
—将增附剂层(6)涂覆到该半导体的至少一个表面上，
—把所述的至少一种荧光材料(5)涂覆在所述增附剂层上。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，作为该增附剂层(6)，使用环氧树脂、丙烯酸树脂或硅树脂。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述的至少一种荧光材料(5)是撒上、吹上或溅射上的。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为该荧光材料(5)，使用无机磷、铈活化或铽活化的石榴石、碱土硫化物或有机颜料
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该荧光材料(5)含有YAG:Ce、GdYAG:Ce、GdTbYAG:Ce或以此为基础的混合物，其中，可以至少部分地用镓或铟代替铝。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的至少一种荧光材料(5)的平均颗粒尺寸为10μm。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将该半导体元件注入环氧树脂或丙烯酸树脂中。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该半导体(1)在工作中发出的射线的中心波长在460nm以下。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该半导体(1)在工作中发出的射线的色彩与由所述的至少一种荧光材料发出的光的色彩是互补的，从而产生白光光感。
11.把许多个按照权利要求1或2所述方法制成的元件用在一个LED照明单元中的用途。
12.把许多个按照权利要求1或2所述方法制成的元件用在一个LED照明单元中的用途，其中，按照权利要求1或2所述方法制成的元件被布置成矩阵形式。
13.把一个按照权利要求1或2所述方法制成的元件用作成像镜组中的光源的用途。
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