CN217178318U - 基于高光通量激光的白光源 - Google Patents

基于高光通量激光的白光源 Download PDF

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詹姆斯·哈里森
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Abstract

本实用新型描述的实施方式提供了一种基于高光通量激光的白光源。该基于高光通量激光的白光源包括：公共支撑构件、多个表面贴装器件SMD封装。多个激光器封装被以阵列图案布置在公共支撑构件上。多个激光封装中的每一个都包括一个或多个激光二极管器件和磷光体构件。该磷光体构件将来自每个激光二极管器件的一部分电磁辐射转换成发射的电磁辐射并输出白光。本实用新型能够实现经济高效的白光源。

Description

基于高光通量激光的白光源
相关申请的交叉引用
本申请是2019年6月21日提交的美国申请16/449,126的部分继续申请，该申请是2018年6月21日提交的美国申请16/014,010的部分继续申请，后者是2015年8月19日提交的美国申请14/829,927的部分继续申请，这些申请的全部内容出于所有目的通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及光源，尤其涉及基于高光通量激光的白光源。
背景技术
18世纪末，托马斯爱迪生发明了灯泡。传统的灯泡通常称为“爱迪生灯泡”，已在包括照明和显示器在内的多个应用内使用了一百多年。传统的灯泡使用封装在玻璃灯泡中的钨丝，这种玻璃灯泡密封在基底中并拧入插座中。插座耦接到交流电源或直流电源。传统灯泡常见于房屋、建筑物和户外照明以及其他需要照明或显示器的区域。不幸的是，传统灯泡存在以下缺陷：
·传统灯泡耗散90％以上的能量作为热能。
·传统灯泡经常因灯丝元件的热膨胀和收缩而发生故障。
·传统灯泡发出的光的光谱范围很广，其中大部分是人眼无法感知的。
·传统灯泡向所有方向发光，这对于需要较强方向性或聚焦性的应用来说是不利的，例如投影显示、光学数据存储等。
为了克服传统灯泡的一些缺陷，人们开发了荧光灯。荧光灯使用填充有卤素气体(通常还含有汞)的光学透明管结构。一对电极耦接在卤素气体之间，并通过镇流器耦接到交流电源。一旦气体被激发，就会放电从而发光。通常，光学透明管涂有由光激发的磷光体。许多建筑结构使用荧光灯，最近，荧光灯已装配到基底结构中，这些基础结构再耦接到标准插座中。
由于固态照明技术提供了高效率、长寿命、低成本和无毒性的原因，发光二极管(LED)迅速成为照明技术的选择。LED是通常基于p-i-n结二极管的双引线半导体光源，在被激活时会发出电磁辐射。LED的发射是自发式发光，通常呈朗伯模式。当对引线施加适当电压时，电子和空穴将在设备内重新结合，以光子的形式释放能量。这种效应称为电致发光，光的颜色由半导体的能带隙决定。
最早的LED出现于1962年，作为实际的电子元件，可以发出低强度的红外光。红外LED仍然经常用作遥控电路中的发射元件，例如用于各种消费电子产品的遥控器中的元件。第一批可见光LED的强度也很低，并且仅限于红色。现代LED可拥有可见光、紫外线和红外线波长，具有非常高的亮度。
由于缺少p型GaN，使用金属-绝缘体-半导体结构制造最早的蓝色和紫色光氮化镓(GaN)基LED。由Amano等人使用LEEBI处理在1989 年获得p型GaN证实了第一个p-n结GaNLED。他们获得了LED的电流 -电压(I-V)曲线和电致发光，但没有记录LED的输出功率或效能。 Nakamura等人在1991年使用低温GaN缓冲层和LEEBI处理证实了在20 mA下42uW的输出功率的p-n结GaN LED。Nakamura等人在1993年证实了第一个p-GaN/n-InGaN/n-GaN DH蓝色LED。该LED在正向偏压条件下发出在蓝色波长范围内的强带边InGaN光，发射波长为440nm。在 20mA的正向电流下，输出功率和EQE分别为125uW和0.22％。在1994 年，Nakamura等人证实了且市场上可买到有1.5mW的输出功率、2.7％的EQE和450nm的发射波长的蓝色LED。在2014年10月7日，将诺贝尔物理学奖由于“使明亮的且节能的白光源成为可能的高效蓝色发光二极管的发明”，或者不太正式地叫做LED灯，而授予Isamu Akasaki、Hiroshi Amano和Shuji Nakamura。
通过将GaN基的LED与诸如磷光体的波长转换材料结合，实现了固态白光源。这项利用GaN基的LED和磷光体材料产生白光的技术现在正在照亮我们周围的世界，因为它比白炽光源具有更多优势，包括更低的能耗、更长的寿命、更高的物理强度、更小的尺寸和更快的转换。发光二极管现在用于航空照明、汽车前照灯、广告、通用照明、交通信号灯和相机闪光灯等多种应用。LED支持开发新的文本、视频显示器和传感器，同时它们的高转换速率在先进的通信技术中也很有用。
虽然很管用，但是LED仍具有数个限制希望根据在以下公开内容中描述的实用新型来克服。
实用新型内容
本实用新型的一些实施方式提供一种用于集成白色电磁辐射源的装置和方法，该集成白色电磁辐射源使用基于含镓和氮材料的激光二极管激发源和基于磷光体材料的发光源的组合。在本实用新型中，使紫色、蓝色或者其他波长的基于镓和氮材料的激光二极管源与磷光体材料，例如黄色磷光体紧密集成，在激发面或灯泡内部配置指定散射中心，以形成紧凑的、高亮度的且高效的白光源。在一个实例中，可对专门用途提供该白光源，可在一般用途中提供该白光源等等。
使用本实用新型的一些实施方式可实现超越现有技术的额外好处。特别地，本实用新型能够实现经济高效的白光源。在具体实施方式中，本光学设备可以以相对简单且经济高效的方式制造。根据具体实施方式，本领域的普通技术人员可以使用常规材料和/或方法制造本装置和方法。在本实用新型的一些实施方式中，含镓和氮的激光二极管源基于c面氮化镓材料，而在其他实施方式中，激光二极管基于非极性或半极性镓和氮化物材料。在一个实施方式中，白光源由在基板上带有集成的磷光体的基板上芯片 (CoS)配置而成，以形成基板上芯片和磷光体(CPoS)白光源。在一些实施方式中，在公共支撑构件上配置光源和磷光体，其中公共支撑构件可以是封装构件。
根据一个实施方式，一种基于高光通量激光的白光源，其特征在于，包括：公共支撑构件和以阵列图案布置在公共支撑构件上的多个表面贴装器件SMD封装。多个SMD封装中的每一个包括：一个或多个激光二极管器件，每个激光二极管器件包括含镓和氮的材料且被配置为激发源，以及磷光体构件，被配置为波长转换器和发射器并耦接到一个或多个激光二极管器件。输出面被配置在一个或多个激光二极管器件中的每一个上，以输出包括电磁辐射的激光束，该电磁辐射选自具有范围从400nm到485nm 的第一波长的紫光发射和/或蓝光发射。自由空间介于一个或多个激光二极管器件中的每一个上的输出面与磷光体构件之间，具有能够将激光束从输出面传输到磷光体构件的激发表面的非引导特性。来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束与磷光体构件的激发表面之间的入射角范围，使得平均来说激光束偏离法向入射到激发表面，且束斑配置为特定的几何尺寸和形状。磷光体构件将来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的电磁辐射的一部分转换成具有比第一波长长的第二波长的发射电磁辐射。表征磷光体构件的反射模式，使得来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束入射到磷光体构件的激发表面上的束斑区域上，并且白光发射从相同的束斑区域输出。白光发射包括至少由具有第二波长的发射电磁辐射表征的波长的混合。
在一个实施方式中，公共支撑构件包括散热器，并且多个SMD封装被配置为将热能从一个或多个激光二极管器件和从磷光体构件传输到散热器。
在另一实施方式中，多个SMD封装以一维(1D)阵列图案布置在公共支撑构件上。
在另一实施方式中，多个SMD封装以二维(2D)阵列图案布置在公共支撑构件上。
在另一实施方式中，基于高光通量激光的白光源进一步包括多个光学构件，其中多个光学构件中的一个或多个被耦合到从多个SMD封装中的每一个的磷光体构件输出的白光发射。多个光学构件可以包括准直光学器件，准直光学器件被配置为收集白光发射并将白光发射聚焦在准直和/或定向发射图案中。
在另一实施方式中，基于高光通量激光的白光源进一步包括一个或多个公共光学构件，一个或多个公共光学构件被耦合到从多个SMD封装中的每一个的磷光体构件输出的白光发射。一个或多个公共光学构件可以包括透镜阵列，该透镜阵列具有与从多个SMD封装中的每一个的磷光体构件输出的白光发射相关联的专用透镜元件。
在另一实施方式中，基于高光通量激光的白光源进一步包括光学器件，该光学器件被耦合到从多个SMD封装中的每一个的磷光体构件输出的白光发射，其中光学器件被配置为使白光发射成形为预定图案。
在另一实施方式中，基于高光通量激光的白光源进一步包括有源光学器件，该有源光学器件被耦合到从多个SMD封装中的每一个的磷光体构件输出的白光发射，其中有源光学器件被配置为使白光发射动态成形为不同的预定图案。
在另一实施方式中，来自一个或多个激光二极管装置中的至少一个的激光束以预定数据模式调制以生成用于无线数据传输的信号。
在另一实施方式中，基于高光通量激光的白光源还包括公共电子板构件，其中多个SMD封装中的每一个都耦接至电子板构件，并且电子板构件耦接至公共支撑构件。
在另一实施方式中，基于高光通量激光的白光源还包括多个电子板构件，其中多个SMD封装中的每一个都耦接至多个电子板构件中的一个，并且电子板构件中的每一个都耦接至公共支撑构件。
在另一实施方式中，基于高光通量激光的白光源还包括壳体构件，其中公共支撑构件和多个SMD封装被布置在壳体构件内。
在另一实施方式中，磷光体构件包括多个散射中心，以对入射到磷光体构件上的激光束中的具有第一波长的电磁辐射进行散射。
在又一实施方式中，磷光体构件包括掺杂有Ce的陶瓷钇铝石榴石 (YAG)或掺杂有Ce的单晶YAG或包含粘合剂材料的粉末状YAG；其中，磷光体构件具有大于50流明/光瓦、大于100流明/光瓦、大于200流明/光瓦或大于300流明/光瓦的光学转换效率。
根据另一实施方式，一种基于高光通量激光的白光源，其特征在于，包括：公共支撑构件以及以阵列图案布置在公共支撑构件上的多个激光器封装。多个激光器封装中的每一个包括：一个或多个激光二极管器件，每个激光二极管器件包括含镓和氮的材料且被配置为激发源，以及磷光体构件，被配置为波长转换器和发射器，并耦接到一个或多个激光二极管器件。输出面，被配置在一个或多个激光二极管器件中的每一个上，以输出包括电磁辐射的激光束，该电磁辐射选自具有范围从400nm到485nm的第一波长的紫光发射和/或蓝光发射。自由空间介于一个或多个激光二极管器件中的每一个上的输出面与磷光体构件之间，具有能够将激光束从输出面传输到磷光体构件的激发表面的非引导特性。入射角范围介于来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束与磷光体构件的激发表面之间，使得平均来说，激光束偏离法向入射到激发表面，且束斑被配置为特定的几何尺寸和形状。磷光体构件将来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的电磁辐射的一部分转换成具有比第一波长长的第二波长的发射电磁辐射。表征磷光体构件的反射模式，使得来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束入射到磷光体构件的激发表面上的束斑区域上，并且白光发射基本上从相同的束斑区域输出，白光发射包括至少由具有第二波长的发射电磁辐射的波长的混合。
在一个实施方式中，多个激光器封装包括罐型封装、表面贴装型封装或偏平型封装中的至少一种。
根据又一实施方式，一种基于高光通量激光的白光源，其特征在于，包括：公共支撑构件和以阵列图案布置在公共支撑构件上的多个表面贴装器件(SMD)封装。多个SMD封装中的每一个包括：一个或多个激光二极管器件，每个激光二极管器件包括含镓和氮的材料且被配置为激发源，以及磷光体构件，被配置为波长转换器和发射器，并耦接到一个或多个激光二极管器件。输出面被配置在一个或多个激光二极管器件中的每一个上，以输出包括电磁辐射的激光束，该电磁辐射选自具有范围从400nm到485 nm的第一波长的紫光发射和/或蓝光发射。自由空间介于一个或多个激光二极管器件中的每一个上的输出面与磷光体构件之间，具有能够将激光束从输出面传输到磷光体构件的激发表面的非引导特性。入射角范围介于来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束与磷光体构件的激发表面之间，使得平均来说，激光束偏离法向入射到激发表面，且束斑配置为特定的几何尺寸和形状。磷光体构件将来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的电磁辐射的一部分转换成具有比第一波长长的第二波长的发射电磁辐射。多个散射中心与磷光体构件相关联，以将入射在磷光体构件上的具有第一波长的电磁辐射进行散射。白光发射基本上从磷光体构件输出，白光发射包括至少由具有第二波长的发射电磁辐射表征的波长的混合。
在一个实施方式中，磷光体构件的特征在于：反射模式，使得来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束入射到磷光体构件的激发表面上的束斑区域上，并且白光发射基本上从相同的束斑区域输出，或者透射模式，使得来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束入射到磷光体构件的激发表面上，并且白光发射从磷光体构件的发射表面输出。
在另一实施方式中，磷光体构件的特征在于反射模式，使得来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束入射到磷光体构件的激发表面上的不同束斑区域上，并且白光发射基本上从不同的束斑区域输出，白光发射包括由相同的发射电磁辐射表征的相同波长。
在又一实施方式中，磷光体构件的特征在于反射模式，使得来自一个或多个激光二极管器件中的每一个的激光束入射到磷光体构件的激发表面上的不同束斑区域上，并且白光发射基本上从不同束斑区域输出，白光发射包括波长的混合。
在各种实施方式中，激光器器件和磷光体器件被安装在带有中间基板或者没有中间基板的公共支撑构件上，并在透射模式、反射模式或者侧面泵浦模式中操作磷光体材料以产生基于激光器的白光发射光源。仅通过实例，本实用新型可应用于以下用途，例如，白色照明，白点照明，闪光灯，汽车前灯，全地形车辆照明，诸如照相机闪光灯的闪光源，在诸如骑自行车、冲浪、跑步、赛跑、划船的娱乐运动中使用的光源，用于无人驾驶飞机、飞机、机器人、其他移动应用或者机器人应用、安全、防御应用中的防范措施的光源，多色照明，用于平板、医疗、计量学、回光灯及其他显示器的照明，高强度灯，光谱学，娱乐，剧院，音乐及音乐会，分析欺诈检测和/或鉴定，工具，水处理，激光眩光器，目标锁定，通信，LiFi，可见光通信(VLC)，感测，检测，距离检测，光雷达(LIDAR)，变压，运输，矫平，固化及其他化学处理，加热，切割和/或融化，泵浦其他光学器件，其他光电器件及相关应用，以及光源照明，等等。
激光二极管作为磷光体激发源是理想的。对于比传统的LED高10000 倍的空间亮度(每单位面积的光强)，极端的激光发射的方向性，且没有对LED造成麻烦的下垂现象(droop phenomenon)，激光二极管使得能够具有LED和其他光源无法实现的特征。具体而言，由于超过0.5W、超过 1W、超过3W、超过10W，甚至超过100W的激光二极管输出光束可以被聚焦到直径小于1毫米、直径小于500微米、直径小于100微米，甚至直径小于50微米，因此可以实现超过1W/mm2、100W/mm2，甚至超过 2500W/mm2的功率密度。当这种非常小而强大的激光激发光束入射到磷光体材料上时，可以获得极亮的白光或点光源。假设每光瓦激发光的发射白光的磷光体转换率为200流明，那么5W激发功率可以在100微米或50 微米或更小的光束直径中产生1000流明。此前所未有的光源亮度可以使在诸如聚光照明或者测距的应用中规则改变，其中抛物面反射器或者透镜光学器件可与点光源组合以产生高度准直的白光点，白光点可行进比使用 LED或者灯泡技术之前曾经可能的远得多的距离。
在一个实施方式中，本实用新型提供一种基于CPoS激光的白光源，其包括以长度、宽度和高度为特征的形状因数。在一个实例中，高度的特征在于小于25mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在一个实例中，高度的特征在于小于12.5mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在又一另选实例中，长度和宽度的特征在于小于30mm，小于15mm 或者小于5mm的尺寸，尽管可存在变化。该设备具有支撑构件，及覆盖支撑构件的至少一个含镓氮的激光二极管器件与磷光体材料。激光装置能够发射波长优选在425nm至475nm的蓝色区域、或波长在380nm至425 nm的紫外线或紫色区域中的激光束，但也可以是其他波长，例如在475nm至510nm的青色区域或波长在510nm至560nm的绿色区域。在一些实施方式中，两个或更多个激光二极管或激光条被包括在集成白光源中。根据本实用新型，组合多个激光光源可提供许多可能的好处。首先，可通过光束组合来增加激发功率以提供更强的激发坑，并由此产生更亮的光源。类似地，可以通过在较低驱动条件下使用多个源来提高源的可靠性，以实现与在更恶劣条件(例如更高的电流和电压)下驱动的单个光源相同的激励功率。第二个优点是通过将第一自由空间发散椭圆激光束相对于第二自由空间发散椭圆激光束旋转90度，并将中心椭圆重叠在磷光体上，从而有可能获得更圆的光斑。或者，可以通过将第一自由空间发散椭圆激光束相对于第二自由空间发散椭圆激光束旋转180度，并偏心重叠磷光体上的椭圆，以增加慢轴发散方向上的光斑直径，来实现更圆的光斑。在另一种配置中，包括多于2个激光器以及实现了上述光束成形光斑几何形状成形的一些组合。第三个重要的优点是可以包含多种颜色或波长的激光器以提供改进的性能，例如改进的显色性或颜色质量。例如，可以包括两个或多个波长略微失调(例如5nm、10nm、15nm等)的蓝色激发激光器，以创建更大的蓝色光谱。在一个实施方式中，单独的单个激光芯片被配置在激光-磷光体光源内。通过在预定配置中放置多个激光芯片，多个激发光束可以重叠在磷光体点上，以创建更理想的点几何形状。在替代实施方式中，具有多个相邻激光条带的激光二极管(“多条带激光器”)被包括在集成白光源中。多条带可以提供更大的激发功率，支持更亮的光源和/或磷光体上改进或修改的光斑图案。在优选实施方式中，磷光体材料可提供550nm至 590nm范围内的淡黄色光，使得当与激光二极管的蓝光混合时产生白光。在其他实施方式中，具有红光、绿光、黄光甚至蓝光的磷光体可以与激光二极管激发源组合使用以产生具有颜色混合的白光。
在一个实施方式中，器件层包括超发光发光二极管或SLED。SLED 在许多方面类似于边缘发射激光二极管；然而，该装置的发射面被设计成具有非常低的反射率。SLED类似于激光二极管，因为它基于电驱动结，当注入电流时，该结具有光学活性并产生放大的自发辐射(ASE)，并可在很宽的波长范围内增益。当光输出开始由ASE主导时，光输出与电流 (LI)特性的关系出现拐点，其中每单位注入的电流光输出的单位变得非常大。LI曲线中的这个拐点类似于激光二极管的阈值，但要柔和得多。 SLED具有层状结构，该层结构被设计为具有一个或多个发光层，其上方和下方覆盖有较低光学指数的材料，从而可以形成横向引导的光学模式。 SLED还被制造为具有提供横向光学限制的特征。这些横向限制特征可以由蚀刻脊组成，其中空气、真空、金属或介电材料围绕该脊并提供低光学指数包层。横向限制特征也可以通过塑造电触点以使得注入的电流被限制到器件中的有限区域来提供。在这种“增益引导”结构中，具有注入的载流子密度的发光层的光学指数通过色散提供光学模式的横向限制所需的光学指数对比。发射光谱宽度通常比激光二极管的光谱宽度宽得多 (>5nm)，并且在减少显示器中的图像失真、提高眼睛安全性以及增强测量和光谱应用能力方面具有优势。
将SLED设计为对于沿着波导产生的自发发射具有高单程增益或者放大率。SLED器件还将设计为具有低内部损耗，优选地低于1cm-1，然而SLED可以高于此的内部损耗操作。在理想情况中，发射面反射率将是零，然而在实际应用中，零的反射率难以实现，并将发射面反射率设计为小于 1％，小于0.1％，小于0.001％，或者小于0.0001％的反射率。减小发射面反射率可减小到器件腔体中的反馈，从而增加该器件将开始发激光的注入电流密度。可通过抗反射涂层的添加和通过使发射面相对于SLED腔体成角度的组合使得与面正交的面和引导模式的传播方向基本上不平行，实现非常低反射率的发射面。通常，这将意味着大于1-2度的偏离。在实践中，理想的角度部分地取决于所使用的抗反射涂层，必须仔细地设计倾斜角，避开反射率和角度的关系中的空值，以获得最佳性能。可在任何相对于引导模式的传播方向的方向上使面相对于引导模式的传播方向倾斜，尽管根据面形成的方法，一些方向可能更易于制造。蚀刻面为面角度确定提供高灵活性。另选地，非常普遍的实现角度输出以减小腔体中的结构干涉的方法将使波导相对于解理面弯曲和/或成角度，解理面在半导体芯片中的预先确定的晶体学平面上形成。在此配置中，光传播的角度以对低反射率设计的具体角度与解理面不正交。还可以通过使发射面粗糙化来增强光提取并且限制反射光耦接回导模的方式来形成低反射率面。SLED适用于根据本实用新型的所有实施方式，并且该装置在合适时可以与激光二极管装置互换使用。
该设备通常具有带有非引导激光束特征的自由空间，非引导激光束特征将激光束的发射从激光器器件传输到磷光体材料。激光束光谱宽度、波长、大小、形状、强度和偏振被配置为激发磷光体材料。可通过将其定位在离磷光体精确距离处来配置激光束，以利用激光二极管的光束发散特性并实现预期的光斑大小。在一个实施方式中，优化从激光器到磷光体的入射角度以在磷光体上实现预期光束形状。例如，由于激光器孔径的不对称性和光束的快轴与慢轴上的不同的发散角，配置为与磷光体正交的从激光器产生的磷光体上的光斑的形状将是椭圆形的，快轴直径通常大于慢轴直径。为了补偿这一点，可优化磷光体上的激光束入射角以在慢轴方向上拉伸激光束，使得激光束在磷光体更圆。在一个替代实施方式中，具有多个平行相邻发射器条带的激光二极管可以被配置为在磷光体上产生更宽和/或更强大的激发光斑。通过使光斑在横向上更宽，光斑可以相对于激光发射在垂直方向上的更快发散角更圆。例如，两个或更多激光带的间距可能为10-30μm、30-60μm、60-100μm或100-300μm。在一些实施方式中，平行条带具有略微失谐的波长以改善颜色质量。在其他实施方式中，可使用诸如准直透镜的自由空间光学器件来使光束在入射到磷光体上之前成形。在一个实例中，使用重新成像光学器件将光束反射和成形到磷光体构件上。在替代实例中，否则会浪费掉的来自磷光体的反射入射光通过被反射回磷光体而被再成像光学器件回收。
激发光束具有大于50％小于100％的偏振纯度。如本文中使用的，术语“偏振纯度”表示，大于50％的所发射的电磁辐射处于基本上类似的偏振状态，例如横向电场(TE)或者横向磁场(TM)偏振状态，但是可具有其他与普通含义一致的含义。在一个实例中，入射到磷光体上的激光束具有小于0.1W、大于0.1W、大于0.5W、大于1W、大于5W、大于10W，或者大于20W的功率。
磷光体材料可以在透射模式、反射模式下操作，或在透射模式和反射模式的组合下操作，或在侧泵浦模式或其他模式下操作。磷光体材料的特征在于转换效率、抗热损伤、抗光损伤、热猝灭特性、散射激发光的孔隙率和热导率俱佳。磷光体可具有故意粗糙化的表面以增加从磷光体的光提取。在一个优选实施方式中，磷光体材料由掺杂有Ce的黄光YAG材料组成，转换效率大于100流明/光瓦特、大于200流明/光瓦特或大于300流明/光瓦特，并且可以是多晶陶瓷材料或单晶材料。白光设备还具有电输入接口，该电输入接口被配置为将电输入功率耦接至激光二极管器件以产生激光束并激发磷光体材料。白光源被配置为产生大于1流明、10流明、100 流明、250流明、500流明、1000流明、3000流明或10000流明的白光输出。支撑构件被配置为将热能从至少一个激光二极管器件和磷光体材料传输到散热器。支撑构件被配置为提供小于10摄氏度/瓦或小于5摄氏度/ 瓦的耗散功率的热阻抗，这代表着从激光器设备到散热器的热路径。支撑构件由诸如铜、铜钨、铝、氧化铝、SiC、蓝宝石、AlN或其他金属、陶瓷或半导体的导热材料构成。
在该集成白光源的优选配置中，公共支撑构件包括与含镓和氮的激光二极管芯片直接结合的基板相同的基板。即，激光二极管芯片向下安装或附接到由诸如SiC、AlN或金刚石之类的材料构成的基板，并且磷光体材料也安装到该基板，这样基板就成为了公共支撑构件。磷光体材料可以具有位于基板和磷光体之间的中间材料。中间材料可以由诸如铜的导热材料构成。激光二极管可以使用常规晶粒附接技术附接至基板的第一表面，使用例如AuSn焊料等焊料、例如SAC305等SAC焊料、含铅焊料或铟，但也可以是其他。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。类似地，可以使用焊接技术或烧结银技术将磷光体材料结合到基板，但也可以是其他技术，例如胶合技术或环氧树脂技术。为了最低热阻抗而优化键合是从磷光体散热的关键参数，这对防止磷光体劣化和磷光体材料的热淬火是关键的。
在该白光源的替代配置中，激光二极管被键合到配置在含镓和氮的激光器芯片和公共支撑构件之间的中间基板。在这种配置中，中间基板可以由SiC、AlN、金刚石或其他材料组成，并且可以使用传统的晶粒连接技术将激光器连接到基板的第一表面，使用例如AuSn焊料等焊料、例如SAC305等SAC焊料、含铅焊料或铟，但也可以是其他。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16 微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约 4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化 (260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。基板的第二表面可以使用类似的技术附接到公共支撑构件，但也可以是其他技术。类似地，磷光体材料可以具有位于公共支撑构件和磷光体之间的中间材料或基板。中间材料可以由诸如铜或铜钨之类的导热材料构成。可以使用焊接技术、烧结银技术或其他技术来结合磷光体材料。在此配置中，公共支撑构件应该由诸如铜或铜钨之类的导热材料构成。为了最低热阻抗而优化键合是从磷光体散热的关键参数，这对防止磷光体劣化和磷光体材料的热淬火是关键的。
在此CPoS白光源的又一优选变型中，可使用用于剥离含镓氮外延材料并将其转移到公共支撑构件的方法来将含镓氮的激光外延材料附接到基板构件。在此实施方式中，从其在其上外延生长的含镓氮衬底中释放镓和氮外延材料。作为一个实例，可使用光电化学(PEC)蚀刻技术释放外延材料。然后使用诸如晶圆键合的技术将其转移到基板材料，在晶圆键合中形成键合界面。例如，键界面可以由Au-Au键组成。基板材料优选地具有高导热率，例如SiC，其中外延材料随后被处理以形成具有腔体构件、正面和背面以及用于注入电流的电触点的激光二极管。在激光器制造完成之后，将磷光体材料引入到基板上以形成集成白光源。磷光体材料可具有位于基板和磷光体之间的中间材料。中间材料可由导热材料组成，例如铜。磷光体可以使用常规晶粒附接技术附接至基板，使用例如AuSn焊料等焊料、例如SAC305等SAC焊料、含铅焊料或铟，但也可以是其他。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK 的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。优化键合以获得最低热阻是磷光体散热的关键参数，这对于防止磷光体降解和磷光体材料的热猝灭至关重要。将本实施方式与剥离和转移的含镓和氮材料一起使用的好处是，降低了成本、提高了激光性能以及将该技术用于集成的更高程度的灵活性。
在该集成白光源的一些实施方式中，本实用新型可以包括安全特征和设计考虑。在任何基于激光器的光源中，安全性都是关键方面。关键的是，不能以产生对人、动物或者环境有害的激光二极管光束的方式来损害或者改变光源。因此，整体设计应包括安全考虑因素和特征，在一些情况中甚至包括用于监测的有源部件。用于安全性的设计考虑因素和特征的实例包括，以使得如果移除或者损坏磷光体，暴露的激光束将不会使其以有害的形式(例如准直的相干光束)到达外部环境的这样方式相对于磷光体定位激光束。更具体地，这样设计白光源，使得激光束指向远离外部环境，并朝向将防止激光束反射到外部世界的表面或者特征。在用于安全性的无源设计特征的一个实例中，包括束流收集器和/或可将吸收材料具体地定位在激光束将在移除或者损坏的磷光体的事件中撞击的位置。在一些实施方式中，加入了热熔断器，其中熔断器产生开路并在不安全的情况下关闭激光二极管。
在本实用新型的一些实施方式中，安全特征和系统使用有源部件。有源组件实例包括光电二极管/光电探测器和热敏电阻。设计用于检测来自激光器的直接蓝光、散射蓝光或磷光(例如黄色磷光)的位于战略位置的探测器，可用于检测可能暴露蓝色光束的磷光体故障。在检测到此类事件时，将配置闭合电路或反馈回路，以停止向激光二极管供电并有效地将其关闭。例如，用于检测磷光体发射的检测器可用于确定磷光体发射是否迅速降低，这将表示激光不再有效地撞击磷光体以进行激发，并且可能意味着磷光体被去除或损坏。在有源安全功能的另一实例中，可以放置一个蓝色敏感光电探测器来检测来自激光二极管的反射或散射蓝光，这样如果磷光体被去除或受损，检测到的蓝光量将迅速增加，激光器将关闭被安全系统关闭。在有源安全特征的又一实例中，热敏电阻器可以定位在磷光体材料附近或下方以确定是否存在温度突然升高，这可能是来自蓝色激光二极管的直接辐射增加的结果，表明磷光体受损或去除。同样，在这种情况下，热敏电阻信号会使反馈回路跳闸，以停止向激光二极管供电并将其关闭。当然，这些仅仅是示例性实施方式，对于与基于激光的白光源集成以形成安全特征(例如反馈回路)以停止激光器的操作的光电二极管和/或热敏电阻，还存在若干配置。
在本实用新型的许多实施方式中，都包括静电放电(ESD)保护元件。例如，将可使用ESD保护元件来保护集成白光源免受由于电荷积累而导致的突然电流流动而可能发生的损坏。在一个实例中，采用浪涌电压抑制 (TVS)元件。
在集成白光源的一些实施方式中，需要考虑最终封装。存在许多应考虑的封装的方面，例如形状因数、成本、功能、热阻抗、密封特性以及与应用的基本兼容性。形状因数将取决于应用，但是通常将希望制造最小尺寸的封装白光源。在所有应用中都应将成本减到最小，但是在一些应用中成本将是最重要的考虑因素。在这种情况中，使用大量生产的现成封装可能是希望的。功能选择包括现有用于该应用的光发射的引导和特性以及诸如光检测器、热敏电阻或者其他电子器件或光电元件的特征的集成。为了最佳性能和使用寿命，应将封装的热阻抗减到最小，特别是在高功率应用中。密封配置的实例包括开放环境、环境密封或气密密封。通常对于基于GaN的激光器，需要密封封装，但也可以考虑和部署其他封装以用于各种应用。用于集成白光源的现成封装实例包括TO罐，例如TO38、TO56、 TO9、TO5或其他TO罐型封装。也可以使用带有窗口的扁平封装。扁平封装的例子包括蝶形封装，如TOSA。也可以使用表面贴装器件(SMD) 封装，这些封装因其低廉的价格、良好的气密密封和潜在的低热阻而极具吸引力。在其他实施方式中，还可使用定制包。在另一实施方式中，“Flash(闪光)”封装可用于集成白光源。例如，该封装可用于使基于激光的白光源适应相机闪光灯应用。如今的LED的一种标准封装格式采用扁平陶瓷封装，有时也称为“闪光”封装，因为在这些平台上构建的设备主要用于相机闪光灯和手机应用。典型的闪光封装包括带有用于LED和ESD器件的连接焊盘的扁平陶瓷衬底(氧化铝或AlN)，以及提供用于夹住或焊接外部电气连接从而为器件供电提供位置的引线。通过模塑或其他含硅树脂的点胶应用，磷光体可被包含在LED晶粒附近。然后通常用透明的硅树脂透镜将这层包覆成型，以改善光提取。这种格式的封装的主要优点是整体封装尺寸非常小(～3mm×～5mm)、光输出性能合理(数百流明)、光源尺寸小和LED设备整体成本低。这种封装风格也可以通过采用激光加磷光体设计风格来实现，这可能会消除封装和透镜步骤，提供具有卓越光斑尺寸和亮度的LED替代品。如果需要保护罩来容纳激光和磷光体子组件，则可以使用中空玻璃圆顶来提供保护。
在本实用新型的一些实施方式中，集成白光源与光学构件组合以操纵产生的白光。在一个实例中，白光源可以用于聚光灯系统，例如手电筒或汽车头灯或其他必须将光引导或投射到指定位置或区域的照明应用。在一个实施方式中，反射器耦接至白光源。具体而言，抛物面(parabolic)(或称为抛物面(paraboloid)或抛物面(paraboloidal))反射器被部署为投射白光。通过将白光源定位在抛物面反射器的焦点中，平面波将被反射并作为准直光束沿抛物面反射器的轴传播。在另一实例中，透镜用于将白光准直成投射光束。在一个实例中，一个简单的非球面透镜将会放置在磷光体的前面以校准白光。在另一实例中，全内反射器光学器件用于准直。在其他实施方式中，可以使用其他类型的准直光学器件，例如球面透镜或非球面透镜。在几个实施方式中，还使用了光学器件的组合。
在上述一般实用新型的具体实施方式中，本实用新型被配置用于在透射模式下操作的侧泵浦磷光体。在该配置中，磷光体位于输出激光束的激光面的前面，其中激光器和磷光体都配置在支撑构件上。含镓氮激光二极管配置有长度大于100μm、大于500μm、大于1000μm或大于1500μm且宽度大于1μm、大于10μm、大于20μm、大于30μm或大于45μm的腔体。腔体被配置为在端部，且具有正面和背面，其中正面包括输出面并发射入射到磷光体上的激光束。输出面可以包含光学涂层以降低腔体中的反射率。背面可以涂有高反射率涂层，以减少从激光二极管背面射出的光量。磷光体由掺Ce的YAG组成并发射黄光。磷光体成形为块状、板状、球状、圆柱状或其他几何形状。具体地，磷光体几何形状的主要尺寸可以小于50μm、小于100μm、小于200μm、小于500μm、小于1mm或小于10mm。在透射模式下操作，磷光体具有用于接收入射激光束的第一主侧面和至少第二主侧面，其中大部分有用的白光将离开磷光体以耦合到应用。为了通过最大化离开磷光体的第二侧的光量来提高效率，磷光体可以涂覆有被配置为修改某些颜色的反射率的层。在一个实例中，被配置为增加黄光反射率的涂层被涂覆到磷光体的第一侧，使得从第一侧发射的黄光量减少。在另一实例中，用于增加蓝光反射率的涂层在磷光体的第一侧被空间图案化，以允许激发光通过，但防止向后传播的散射光逃逸。在另一实例中，被配置为降低对黄光和蓝光的反射率的光学涂层被涂覆到磷光体的至少第二侧，以最大化从有用光出射的该主侧面逸出的光。在替代实施方式中，诸如黄色磷光体的粉末磷光体使用粘合剂材料被分配到透明板或固体结构中，并且被配置为当被蓝色激光束激发并与蓝色激光束结合时发射白光。粉状磷光体可由基于YAG的磷光体和其他磷光体构成。
关于将磷光体连接到公共支撑构件，热阻抗是一个关键的考虑因素。应使用最好的连接材料、界面几何形状和连接工艺实践来最小化该连接接头的热阻，以实现具有足够反射率的最低热阻。实例包括AuSn焊料、SAC 焊料(例如SAC305)、含铅焊料或铟，但也可以是其他焊料。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约 16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)、热粘合剂和其他材料形成。或者，接头可由金属-金属键合(例如Au-Au键合)形成。具有激光器和磷光体材料的公共支撑构件被配置为提供小于10摄氏度/瓦或小于5摄氏度/瓦的耗散功率的热阻抗，这代表着从激光器设备到散热器的热路径。支撑构件由诸如铜、铜钨、铝、氧化铝、SiC、蓝宝石、AlN或其他金属、陶瓷或半导体的导热材料构成。侧泵透射装置具有以长度、宽度和高度为特征的形状因数。在一个实例中，高度的特征在于小于25mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在一个实例中，高度的特征在于小于12.5mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在又一另选实例中，长度和宽度的特征在于小于30mm，小于15mm或者小于5mm的尺寸，尽管可存在变化。
在本实用新型的替代实施方式中，多个磷光体以透射模式操作以用于发射白光。在一个实例中，紫色激光二极管被配置为发射395nm至425nm 的波长，并激发第一蓝色磷光体和第二黄色磷光体。在该配置中，第一蓝色磷光体板可以熔合或结合到第二黄色磷光体板。在实际配置中，激光束将直接入射在第一蓝色磷光体上，其中一部分蓝光将激发第二黄色磷光体发射黄光，以与蓝光结合并产生白光。此外，紫色泵将基本上全部被吸收，因为蓝色磷光体中可能没有吸收的物质随后将被黄色磷光体吸收。在替代的实际配置中，激光束将直接入射到第二黄色磷光体上，其中一部分紫色电磁发射将被黄色磷光体吸收以激发黄光，而剩余的紫光将传递到蓝色磷光体并产生蓝光，以将黄光与蓝光结合并产生白光。在替代实施方式中，将使用粘合剂材料将粉状磷光体混合物分配到透明板或固体结构中，使得不同颜色的磷光体(例如蓝色和黄色磷光体)混合并被配置为当被紫色激光束激发时发射白光。粉状磷光体可由基于YAG的磷光体、LuAG磷光体和其他磷光体组成。
在根据本实用新型的多磷光体透射实例的替代实施方式中，以425nm 至480nm的波长操作的蓝色激光二极管被配置为激发第一绿色磷光体和第二红色磷光体。在该配置中，第一绿色磷光体板可以熔合或结合到第二红色磷光体板。在实际配置中，激光束将直接入射到第一绿色磷光体上，其中一部分绿光将激发第二红色磷光体发射红光，以与绿色磷光体发射和蓝色激光二极管发射组合以产生白光。在替代的实际配置中，激光束将直接入射到第二红色磷光体上，其中一部分蓝色电磁发射将被吸收在红色磷光体中以激发红色发射，而剩余的蓝色激光发射的一部分将传递到绿色磷光体并产生绿光，与红色磷光体发射和蓝色激光二极管发射组合以产生白光。在替代实施方式中，将使用粘合剂材料将粉状磷光体混合物分配到透明板或固体结构中，使得不同颜色的磷光体(例如红色和绿色磷光体)混合并被配置为当被蓝色激光束激发并与之组合时发射白光。粉状磷光体可由基于YAG的磷光体、LuAG磷光体和其他磷光体组成。此实施方式的好处或者特征是更高的颜色质量，其可从由红光、绿光和蓝光发射组成的白光实现。当然，本实用新型可存在其他变型，包括集成不止两个磷光体，并且可包括红色、绿色、蓝色和黄色磷光体中的一个或者其组合。
在若干根据本实用新型的实施方式中，基于激光器的集成白光源配置为带有CRI超过70、超过80或者超过90的高CRI白光源。在这些实施方式中，使用多个混合粉末磷光体组成或者多个磷光体板配置等的形式的磷光体。这种磷光体的实例包括，但不限于YAG、LuAG、红色氮化物、铝酸盐、氮氧化物、CaMgSi2O6:Eu2+、BAM:Eu2+、AlN:Eu2+、(Sr,Ca)3MgSi2O8:Eu2+，以及JEM。
在基于集成激光器的白光源的高CRI实施方式的一些配置中，使用在 430nm到470nm的波长范围内操作的蓝色激光二极管激发源来激发：
1)黄色磷光体+红色磷光体，或者
2)绿色磷光体+红色磷光体，或者
3)青色磷光体+橙色磷光体，或者
4)青色磷光体+橙色磷光体+红色磷光体，或者
5)青色磷光体+黄色磷光体+红色磷光体，或者
6)青色磷光体+绿色磷光体+红色磷光体。
在基于集成激光器的白光源的高CRI实施方式的一些替代配置中，使用在390nm到430nm的波长范围内操作的紫色激光二极管激发源来激发：
1)蓝色磷光体+黄色磷光体+红色磷光体，或者
2)蓝色磷光体+绿色磷光体+红色磷光体，或者
3)蓝色磷光体+青色磷光体+橙色磷光体，或者
4)蓝色磷光体+青色磷光体+橙色磷光体+红色磷光体，或者
5)蓝色磷光体+青色磷光体+黄色磷光体+红色磷光体，或者
6)蓝色磷光体+青色磷光体+绿色磷光体+红色磷光体。
在根据本实用新型的多磷光体透射实例的替代实施方式中，以395nm 至425nm的波长操作的蓝色激光二极管被配置为激发第一蓝色磷光体、第二绿色磷光体和第三红色磷光体。在该配置的该一个实施方式中，第一蓝色磷光体板可以熔合或键合至第二绿色磷光体板，该第二绿色磷光体板熔合或键合至第三红色磷光体板。在实际配置中，激光束将直接入射在第一蓝色磷光体上，其中一部分蓝色发射将激发第二绿色磷光体和第三红色磷光体发出绿色和红色发射，与第一磷光体蓝色发射结合以产生白光。在替代的实际配置中，紫色激光束将直接入射在第三红色磷光体上，其中一部分紫色电磁发射将被红色磷光体吸收以激发红色发射，而剩余的一部分紫色激光发射将传递到第二绿色磷光体并产生绿色发射以与红色磷光体发射结合，并且一部分紫色激光二极管将传递至第一蓝色磷光体，以产生蓝色发射以与红色和绿色发射结合以产生白光。在一个替代实施方式中，将使用粘合剂材料将粉状磷光体混合物点胶到透明板或固体结构中，使得不同颜色的磷光体(例如红色、绿色和蓝色磷光体)混合并被配置为在被紫色激光束激发时发出白光。粉状磷光体可由基于YAG的磷光体、LuAG 磷光体和其他磷光体组成。该实施方式的益处或特征是可以从由红色、绿色和蓝色发射组成的白光实现更高的颜色质量和显色质量。当然，本实用新型还可以有其他变体，包括集成多于两种的磷光体，并且可以包括红色、绿色、蓝色和黄色磷光体中的一种或其组合。
在侧面泵浦磷光体配置的又一变型中，实现了“点源”或“点源样”集成白光发射装置。在此配置中，磷光体最有可能具有立方体几何形状或球形几何形状，使得白光可以从超过1个主发射表面发射。例如，在立方体几何中，立方体的所有六个面都可以发射白光，或者在球体配置中，整个表面都可以发射以创建完美的点光源。这种配置的第一个强大优势是白光光斑尺寸由磷光体尺寸控制，通过避免由于散射、反射以及缺乏磷光体的有效吸收而在磷光体内发生的光斑尺寸增长，这可以实现比替代透射或反射模式配置更小的光斑尺寸。超小光斑尺寸对于定向应用中大多数有效准直来说是理想的。该配置的第二个优点是理想的散热配置可以通过热能和机械方式附接到散热器，其中对于磷光体构件而言，其与具备磷光体整个底表面的反射模式配置相同。此外，由于激光二极管部件不像反射模式配置那样需要厚的或成角度的中间支撑部件来提升光束并控制角入射，因此激光器可以安装在更靠近基底部件的位置，以获得通往散热器的更短的热传导路径。第三个优点是固有的安全设计，因为主发射可能来自与激光束方向正交的磷光体的顶面，这样在磷光体破裂或受损的情况下，激光束将不会指向白色光捕获的方向。在此配置中，如果要去除或破坏磷光体，激光束将入射到封装的侧面。此外，这种配置将避免反射配置中的潜在问题，在反射配置中，逃逸光束可能由入射光束在表面顶部的反射产生。在这种侧面泵浦配置中，反射光束将基本上包含在封装中。第四个优点是，由于激光二极管或SLED器件可以平坦地安装在基底构件上，因此可以简化组装过程和部件。在该侧面泵浦配置中，促进来自磷光体的顶面的主发射可能是有利的。这可以通过促进光从顶面逃逸的处理方式来实现，例如应用抗反射涂层或粗糙化，以及通过减少光从侧面和底面逃逸的处理方式来实现，例如应用高反射层，例如金属或电介质层。
在该实施方式的一些配置中，磷光体附接到公共支撑构件，其中公共支撑构件可能不是完全透明的。在此配置中，磷光体附着的表面或侧面会阻碍光的发射，因此会降低点光源白光发射器的整体效率或质量。然而，这种光的发射障碍可以被最小化或被减轻，以提供非常有效的照明。在其他配置中，磷光体由光学透明构件支撑，使得光从磷光体点光源在所有方向上自由发射。在一种变型中，磷光体完全被光学透明材料包围或封装，该光学透明材料包括例如SiC、金刚石、GaN或其他的固体材料，或者类似水的液体材料或更导热的液体。
在另一变型中，支撑构件还可用作激光到达磷光体的波导。在另一变体中，支撑构件还可用作保护性安全措施，以确保在其行进到达磷光体时不暴露直接发射的激光。由于发射孔径和发射角的产品随着后续光学器件和反射器的添加而保存或丢失的事实，能够产生真正的全向发射的点光源随着点源变得越来越小而越来越有用。具体而言，例如，可以使用小型光学器件或反射器准直小型点光源。然而，如果将相同的小型光学器件和/ 或反射器组件应用于大型点光源，则光学控制和准直会减弱。
在根据本实用新型的一些实施方式中，周期性2D光子晶体结构可以应用于单晶或多晶磷光体材料结构。光子晶体结构将用于抑制给定方向上的发射，并在适合和选择用于装置设计的方向上重新引导光离开光子晶体。如今的磷光体结构主要是朗伯发射体，波导和临界角发挥作用的地方除外。如今，许多磷光体满足创建光子晶体结构(具有低光吸收的介电或金属介电材料)所需的基本材料要求。将光子晶体结构添加到磷光体板材料，将能够在这些材料中在一个方向上增强超过其他方向上的光提取。这可以将激发和发射特性分开，从而允许更大的设计灵活性。
在侧面泵浦磷光体实施方式的又一个变型中，磷光体从侧面被激发，并且被配置为从顶面发射大部分白光。在此配置中，磷光体很可能具有立方体几何形状、圆柱体几何形状、多面体几何形状、六角形几何形状、三角形几何形状、棱锥几何形状或其他多边几何形状，其中白光被配置为主要从磷光体的顶面发射。在此配置中，激光束将从磷光体的第一侧进入磷光体，在该第一侧，带有第一波长的激光激发光的一部分将被转换为第二波长。磷光体的该第一侧可以被配置为用于改变反射率，例如涂层或处理，以降低蓝色或紫色波长范围内的反射率，和/或增加磷光体发射波长范围 (例如黄色)的反射率。在侧泵浦实施方式的一个实例中，激光激发束以布鲁斯特角入射在磷光体的第一侧上。在进一步的实例中，磷光体的附加侧面可以被涂覆、处理或成形，以增加对激光激发波长和磷光体转换波长的反射率，使得磷光体内的光能在磷光体内部反射，直到它从磷光体中从顶端逸出。可以使用特殊的磷光体成形或涂层技术来提高从顶面逸出的光的比例。这种构造的第一个强大优势是，白光光斑尺寸由磷光体尺寸控制，通过避免由于散射、反射以及缺乏磷光体的有效吸收而在磷光体内发生的光斑尺寸增长，这可以实现比替代透射或反射模式配置更小的光斑尺寸。超小光斑尺寸对于定向应用中的大多数有效准直来说是理想的。该配置的第二个优点是理想的散热配置可以通过热能和机械方式附接到散热器，其中对于磷光体构件而言，其与具备磷光体整个底表面的反射模式配置相同。此外，由于激光二极管部件不像反射模式配置那样需要厚的或成角度的中间支撑部件来提升光束并控制角入射，因此激光器可以安装在更靠近基底部件的位置，以获得通往散热器的更短的热传导路径。第三个优点是固有的安全设计，因为主发射可能来自与激光束方向正交的磷光体的顶面，这样在磷光体破裂或受损的情况下，激光束将不会指向白色光捕获的方向。在此配置中，如果要去除或破坏磷光体，激光束将入射到封装的侧面。此外，这种配置将避免反射配置中的潜在问题，在反射配置中，逃逸光束可能由入射光束在表面顶部的反射产生。在这种侧面泵浦配置中，反射光束将基本上包含在封装中。第四个优点是，由于激光二极管或SLED器件可以平坦地安装在基底构件上，因此可以简化组装过程和部件。在该侧面泵浦配置中，促进来自磷光体顶面的主发射可能是有利的。
在本实用新型的所有侧泵和透射实施方式中，可以包括附加特征和设计。例如，可以通过仔细设计考虑激光束入射到磷光体的角度，或使用集成光学器件(例如准直透镜之类的自由空间光学器件)，来实现激发激光束的成形，以优化磷光体上的束斑特性。在一些实施方式中，使用诸如再成像反射器之类的再成像光学器件来成形激发光束和/或重新捕获从磷光体反射的激发光。此外还可以包括安全特性，例如物理设计考虑和光束转储等无源特性和/或热熔断器、光电探测器或热敏电阻等有源特性，它们可以在闭环中使用以在指示信号时关闭激光器。
点源全向光源可配置为多种类型的照明模式，包括4-pi球面照明，从而为房间、演讲厅或体育场等三维空间提供宽阔的照明。此外，可以将光学元件包括在内以操纵产生的白光，从而产生高度定向的照明。在一些实施方式中，诸如抛物面反射器之类的反射器或诸如准直透镜之类的透镜用于准直白光或产生可应用于汽车前灯、手电筒、聚光灯或其他灯的聚光灯。在其他实施方式中，点光源照明可以用圆柱形光学器件和反射器修改成线性全向照明或线性定向照明。此外，点光源照明耦接至平面波导中，用于平面2-pi球面发射、平面4-pi球面发射，以产生从平面发射的无眩光照明图案。
在集成白光源的另一具体优选实施方式中，本实用新型被配置用于反射模式磷光体操作。在一个实例中，激发激光束通过与发射有用的白光相同的主表面进入磷光体。即，在反射模式下操作时，磷光体可以具有第一主表面，该第一主表面被配置用于接收入射的激发激光束并发射有用的白光。在该配置中，磷光体位于输出激光束的激光面的前面，其中激光器和磷光体都配置在支撑构件上。含镓氮激光二极管配置有长度大于100μm、大于500μm、大于1000μm或大于1500μm且宽度大于1μm、大于10μm、大于20μm、大于30μm或大于45μm的腔体。腔体被配置为在端部，且具有正面和背面，其中端正面包括输出面并发射入射到磷光体上的激光束。输出面可以包含光学涂层以降低腔体中的反射率。背面可以涂有高反射率涂层，以减少从激光二极管背面射出的光量。在一个实例中，磷光体可以由掺杂Ce的YAG组成并且发射黄光。磷光体可以是粉末陶瓷磷光体、陶瓷磷光体板，或者可以是单晶磷光体。磷光体优选形成为大致平坦的部件，如具有正方形、长方形、多边形、圆形、椭圆形等形状的板、片等，并且特征在于厚度。在优选实施方式中，磷光体的大表面积的长度、宽度和/ 或直径尺寸大于磷光体的厚度。例如，直径、长度和/或宽度尺寸可以比厚度大2倍、比厚度大5倍、比厚度大10倍或比厚度大50倍。具体地，磷光体板可以配置为直径大于50μm、大于100μm、大于200μm、大于500μm、大于1mm或大于10mm且厚度小于500μm、小于200μm、小于100μm或小于50μm的圆。
在本实用新型反射模式CPoS白光源实施方式的一个实例中，需对光学涂覆、材料选择、或者特殊设计进行考虑，以通过最大化离开磷光体主表面的光量来提高效率。在一个实例中，磷光体的背面可以涂覆有反射层或具有位于磷光体的与主发射表面相邻的后表面上的反射材料。反射层、涂层或材料有助于反射撞击磷光体后表面的光，使得这些光反射并穿过主表面射出，从而在那里捕获有用光。在一个实例中，涂层被配置为增加对黄光和蓝光的反射率，并且在将磷光体附接到公共支撑构件之前被施加到磷光体。在另一实例中，反射材料用作将磷光体附接到支撑构件或中间基板构件的键合介质。反射材料的实例包括反射焊料和反射胶，但也可以是其他材料。在一些配置中，激光器激发束入射于其中的磷光体的主顶面配置为减小对蓝色或者紫色激发束波长和/或诸如黄色波长的磷光体发射波长的反射率。可通过使用介电层的磷光体的光学涂覆、磷光体表面的成形，以及磷光体表面的粗加工，或者其他技术，来实现该减小的反射率。在一些实例中，激光束入射角配置为布儒斯特角或者接近布儒斯特角，其中，优选地通过磷光体的主表面透射带有特殊偏振的光。由于导致用于光束内的平面波的入射角的变化的激光的发散的原因，非常好的透射可能是具有挑战性的，但是理想地，入射到磷光体上的光的大部分会处于布儒斯特角或者接近布儒斯特角。例如，YAG或者LuAG磷光体在紫色和蓝色波长范围内可具有大约1.8的折射率。关于布儒斯特角，作为arctan(n2/n1) 而给出的θB(其中，n1是空气的折射率，n2是磷光体的折射率)，将是大约61度(或者大约55到65度)，与正入射的轴线偏离。或者另选地，从与磷光体表面平行的轴线旋转大约29度(或者大约25到35度)。
关于将磷光体连接到公共支撑构件，热阻抗是一个关键的考虑因素。应使用最好的连接材料、界面几何形状和连接工艺实践来最小化该连接接头的热阻，以实现具有足够反射率的最低热阻。实例包括AuSn焊料(例如SAC305)、含铅焊料或铟，但也可以是其他焊料。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm 的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm 的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃ -900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。接头还可以由导热胶、热环氧树脂和其他材料形成。具有激光器和磷光体材料的公共支撑构件被配置为提供小于10摄氏度/瓦或小于5摄氏度/瓦的耗散功率的热阻抗，这代表着从激光器设备到散热器的热路径。支撑构件由诸如铜、铜钨、铝、SiC、蓝宝石、AlN 或其他金属、陶瓷或半导体的导热材料构成。反射模式白光源装置具有以长度、宽度和高度为特征的形状因数。在一个实例中，高度的特征在于小于25mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在一个实例中，高度的特征在于小于12.5mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在又一另选实例中，长度和宽度的特征在于小于30mm，小于15mm或者小于5mm的尺寸，尽管可存在变化。
本实用新型的反射模式集成白光源实施方式配置有附接到公共支撑构件的磷光体构件，磷光体构件带有较大的主表面，其配置为接收激光激发光并发射有用的白光，白光位于与用来激发磷光体的激光二极管输出束的轴线成正交的角度(大约90度)或者非垂直的角度(大约0度到大约 89度)的地方。也就是说，输出激光束以0度和90度之间的角度指向磷光体的发射表面。在此配置中，激光束不与主磷光体发射表面发射的方向相同的特性是内置的安全特征。即，激光束被引导远离有用的白光离开磷光体的方向，或与之相反。因此，如果磷光体在正常操作或篡改期间破裂或损坏，激光束将不会被引导到外部世界并可能对其造成伤害。相反，激光束将入射到附着有磷光体的背衬表面上。结果，激光束可能被散射或吸收，而不是离开白光源并进入周围环境。可以采取额外的安全措施，例如使用光束转储功能或使用吸收材料，例如加热并在激光二极管驱动电路内产生开路的热熔断器。
该反射模式集成白光源实施方式的一个实例配置有垂直于初级磷光体发射表面的激光束。在此配置中，激光二极管将位于磷光体的主发射表面的前面，在那里它会阻碍从磷光体发射的有用白光。在该反射模式集成白光源的一个优选实施方式中，激光束将配置有远离磷光体轴心的入射角，从而以介于0和89度之间的角度或以“掠”角撞击磷光体表面。在一些配置中，入射角被配置为布儒斯特角或接近布儒斯特角，以最大化激光激发光进入磷光体的传输。在该优选实施方式中，激光二极管装置位于磷光体的侧面而不是磷光体的前面，在那里它基本上不会阻挡或阻碍发射的白光。此外，在这种配置中，内置安全特征比法向入射配置更优化，因为在磷光体损坏或去除的情况下以一定角度入射时，入射激光束不会直接从其中附有磷光体的支撑构件的后表面反射。通过以偏角或掠射角撞击表面，光束的任何潜在反射分量都可以被引导留在设备内，而不会离开外部环境，在那里它可能对人类、动物和环境造成危害。
在本实用新型的所有反射实施方式中，可以包括附加特征和设计。例如，可以通过仔细设计考虑激光束入射到磷光体的角度，或使用集成光学器件(例如准直透镜之类的自由空间光学器件)，来实现激发激光束的成形，以优化磷光体上的束斑特性。光束成形也可以通过使用两个或更多相邻的平行发射器条带来实现，它们的间距为10μm至30μm，或30μm至 50μm，或100μm至250μm，这样光束在来自激光发射孔的慢发散轴扩大。光束成形也可以通过重新成像光学器件来实现。此外还可以包括安全特性，例如物理设计考虑和光束转储等无源特性和/或可用于闭环或反馈回路类型的光电探测器或热敏电阻等有源特性，以在指示信号时关闭激光器。此外，还可以包括光学元件来操纵产生的白光。在一些实施方式中，诸如抛物面反射器之类的反射器或诸如准直透镜之类的透镜用于准直白光或产生可应用于汽车前灯、手电筒、聚光灯或其他灯的聚光灯。
在根据本实用新型的一些实施方式中，多个激光二极管源被配置为激发相同的磷光体或磷光体网络。根据本实用新型，组合多个激光光源可提供许多可能的好处。首先，可通过光束组合来增加激发功率以提供更强的激发坑，并由此产生更亮的光源。在一些实施方式中，单独的单个激光芯片被配置在激光-磷光体光源内。通过包括多个各自发射1W、2W、3W、 4W、5W或者更大功率的激光器，可增加激发功率，从而将增加光源亮度。例如，通过包括两个3W的激发相同磷光体面积的激光器，可将激发功率增加到6W以使白光亮度翻倍。在每1瓦特激光激发功率产生大约200流明的白光的实例中，白光输出将从600流明增加到1200流明。类似地，在较低驱动条件下可以通过使用多个光源来提高源的可靠性，以实现与在更恶劣条件(例如更高的电流和电压)下驱动的单个光源相同的激励功率。第二个优点是通过将第一自由空间发散椭圆激光束相对于第二自由空间发散椭圆激光束旋转90度，并将中心椭圆重叠在磷光体上，从而有可能获得更圆的光斑。或者，可以通过将第一自由空间发散椭圆激光束相对于第二自由空间发散椭圆激光束旋转180度，并偏心重叠磷光体上的椭圆以增加慢轴发散方向上的光斑直径，来实现更圆的光斑。在另一种配置中，包括多于2个激光器以及实现了上述光束成形光斑几何形状成形的一些组合。第三个重要的优点是，发射器件中的多个彩色激光器可通过改进可见光谱的紫色/蓝色和青色区域中的光谱的填充，明显地改进颜色质量(CRI 和CQS)。例如，可以包括两个或多个波长略微失调(例如5nm、10nm、15nm等)的蓝色激发激光器来激发黄色磷光体并创建更大的蓝色光谱。
在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种集成白光源。集成白光源包括含有含镓和氮的材料并被配置为激发源的激光二极管器件，和被配置为波长转换器和发射器并耦接至激光二极管器件的磷光体构件。集成白光源还包括被配置为支撑激光二极管器件和磷光体构件的公共支撑构件、热耦接至公共支撑构件的散热器，该公共支撑构件被配置为将热能从激光二极管器件和磷光体构件传输至热能散热片，以及配置在激光二极管器件上的输出面，以输出由电磁辐射组成的激光束，该电磁辐射选自具有范围从400nm到485nm的第一波长的紫光发射和/或蓝光发射。此外，集成白光源还包括介于输出面和磷光体构件之间的自由空间，其具有能够将激光束从激光二极管器件传输到磷光体构件的激发表面的非引导特性，传输角度范围是在激光束和磷光体构件的激发表面之间入射，使得平均而言激光束相对于激发表面偏离法向入射，以及配置有一定的几何尺寸和形状的束斑区域。磷光体构件将来自具有第一波长的激光束的电磁辐射的一部分转换成具有比第一波长长的第二波长的发射电磁辐射。集成白光源还包括与磷光体构件相关联的多个散射中心，以散射来自入射到磷光体构件上的激光束的具有第一波长的电磁辐射。此外，集成白光源包括具有磷光体构件的反射模式，使得激光束入射在磷光体构件的激发表面上的束斑区域上，且白光发射基本上从相同的束斑区域输出，白光发射由包括至少从磷光体构件发射的具有第二波长的电磁辐射的各种混合波长的组成。此外，集成白光源包括具有集成白光源的封装的形状因数，该形状因数具有长度、宽度和高度尺寸。
在另一具体实施方式中，本实用新型提供了一种基于激光束的集成白光源。集成白光源包括含有含镓和氮的材料并被配置为激发源的激光二极管器件，和被配置为波长转换器和发射器并耦接至激光二极管器件的磷光体构件。此外，集成白光源包括成形支撑构件，该成形支撑构件具有至少一个平坦表面部分和一个或多个具有倾斜平面的楔形部分。每个倾斜平面相对于平坦表面区域的表面法向形成楔角。平坦表面区域被配置为利用激发表面支撑磷光体构件。每个倾斜平面被配置为具有附着在其上的一个或多个激光二极管器件中的一个。此外，集成白光源包括配置在激光二极管器件上的输出面，以输出由电磁辐射组成的激光束，该电磁辐射选自第一波长范围为400nm至485nm紫光和/或蓝光。集成白光源还包括介于输出面和磷光体构件之间的自由空间，该自由空间具有能够将激光束从激光二极管器件传输到磷光体构件的激发表面的非引导特性。此外，集成的白光源还包括介于激光束和磷光体构件的激发表面之间的入射角范围，使得平均而言激光束相对于激发表面偏离法线入射，以及配置有一定的几何尺寸和形状的束斑区域。磷光体构件将来自具有第一波长的激光束的电磁辐射的一部分转换成具有比第一波长长的第二波长的发射电磁辐射。与磷光体构件相关联的多个散射中心从入射在磷光体构件上的激光束散射具有第一波长的电磁辐射。此外，集成白光源包括具有磷光体构件的反射模式，使得激光束能入射在磷光体构件的激发表面上的束斑区域，并且基本上从相同束斑区域输出白光发射。白光发射由包括从磷光体构件发射的至少具有第二波长的电磁辐射的各种混合波长组成。此外，集成白光源包括具有集成白光源的封装的形状因数，该形状因数具有长度、宽度和高度尺寸。
在又一具体实施方式中，本实用新型提供了一种集成白光源封装。集成白光源封装包括一个或多个激光二极管器件，每个激光二极管器件含有含镓和氮的材料并被配置为激发源的激光二极管器件，和被配置为波长转换器和发射器并耦接至激光二极管器件的磷光体构件。该集成白光源封装还包括成形支撑构件，该成形支撑构件具有至少一个平坦表面部分和一个或多个具有倾斜平面的楔形部分，并且被配置为将一个或多个楔形部分集成在一块材料中或在平面部分的基板结构，或配置为基底，用于单独附接一个或多个楔形部分以支撑表面贴装器件(SMD)封装中的一个或多个激光二极管器件。此外，集成白光源封装还包括配置在一个或多个激光二极管器件上的输出面，以输出由电磁辐射组成的激光束，该电磁辐射选自第一波长范围为400nm至485nm紫光和/或蓝光。集成白光源封装还包括介于输出面和磷光体构件之间的光路，该自由空间具有能够将激光束传输到磷光体构件的激发表面的非引导特性。此外，集成的白光源封装还包括激光束入射到磷光体构件的激发表面的入射角范围，使得平均而言激发表面上的激发光斑被配置为具有一定的几何尺寸和形状，从激光束的下限到上限。此外，集成白光源封装还包括框架构件，该框架构件具有基底，该基部具有环绕边缘以形成用于将成形的支撑构件保持在其中以至少支撑磷光体构件、一个或多个激光二极管器件的空腔，以及周围的边缘附接以密封腔体的盖构件。
可通过参考说明书和附图的后面的部分，实现本实用新型的性质和优点的进一步理解。
附图说明
图1是示出了根据本实用新型的配置在半极性衬底上的激光二极管器件的简化图。
图2是示出了根据本实用新型的配置在极性c面衬底上的激光二极管器件的简化图。
图3是根据本实用新型的传统的脊形激光二极管平面衬底的简化示意性截面。
图4是示出了根据本实用新型的传统的激光二极管基板上芯片(CoS) 的简化图。
图5是说明根据本实用新型的用于外延转移到载体晶圆的外延制备工艺流程的简化图。
图6是示出了根据本实用新型的用于外延层转移到载体晶圆的键合- 蚀刻工艺流程的简化图。
图7是示出了根据本实用新型的具有选择性区域键合的晶粒扩展的侧视图的简化图。
图8是示出了根据本实用新型的外延转移实施方式的LD外延结构的实例的简化图。
图9是示出了根据本实用新型的由图8中的外延结构在载体晶圆上形成的LD器件结构的实例的简化图。
图10是示出了根据本实用新型的一个实施方式的在转移含镓氮外延层之后经由晶圆级激光处理制造的基板上芯片(CoS)的简化图。
图11是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有集成在基板上的激光二极管和磷光体构件的基于激光器的集成白光源，其中磷光体配置为用于透射操作的简化图。
图12是示出了根据本实用新型的一个实施方式的基于激光器的集成白光源的简化图，其中，制备在含镓氮外延层中的激光二极管转移到基板构件，磷光体构件集成在基板构件上，其中磷光体配置为用于透射操作。
图13是示出了根据本实用新型的一个实施方式的图12的设备配置的简化图，但是该设备配置有磷光体的变形，其配置有涂层或者增加有用的白光输出的变形。
图14是示出了根据本实用新型的一个实施方式的来自传统的激光二极管的椭圆形投射激光束的实例的简化图。
图15是示出了根据本实用新型的一个实施方式的与磷光体构件垂直入射的激光束的侧视图的简化图。
图16是示出了根据本实用新型的一个实施方式的椭圆形光束直径和光束直径的比例与离磷光体的发射器距离的实例计算的图。
图17是示出了根据本实用新型的一个实施方式的图12的设备配置的简化图，但是该设备配置带有激光束的变形，在入射到磷光体上之前通过准直光学器件配置激光束。
图18是示出了根据本实用新型的一个实施方式的来自传统的激光二极管的强化椭圆形激光束轮廓的实例的简化图，该激光二极管有相对于激光二极管的快轴倾斜的投影表面。
图19是示出了根据本实用新型的一个实施方式的来自传统的激光二极管的更圆形的激光束轮廓的实例的简化图，该激光二极管有相对于激光二极管的慢轴倾斜的投影表面。
图20是示出了根据本实用新型的一个实施方式的在倾斜方向上投射在磷光体构件上的激光束的侧视图的简化图。
图21是示出了根据本实用新型的一个实施方式的椭圆形光束直径和光束直径的比例与离磷光体的发射器距离的实例计算的图，磷光体相对于慢轴以33度的角度倾斜。
图22是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有集成在基板上的激光二极管和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，其中磷光体配置为相对于激光二极管成一定角度以使光束成形。
图23是示出了根据本实用新型的一个实施方式的基于激光器的集成白光源的简化图，其中，制备在含镓氮外延层中的激光二极管转移到基板构件，磷光体构件集成在基板构件上，其中磷光体配置为相对于激光二极管成一定角度以使光束成形。
图24是示出了根据本实用新型的一个实施方式的基于激光器的集成白光源的简化图，其中，制备在含镓氮外延层中的激光二极管转移到基板构件，磷光体构件集成在基板构件上，其中将磷光体配置为点光源。
图24A是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有集成在基板构件上的激光二极管和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，其中激光器主要从磷光体的侧面激发或者泵浦磷光体构件。
图24B是示出了具有集成到基板上的激光二极管和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，其中激光器主要从根据本实用新型的一个实施方式的磷光体磷光体侧表面激发或泵浦磷光体构件。
图25是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有集成在公共支撑构件上的激光二极管和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，其中磷光体配置用于反射操作，并且激光束对磷光体非垂直入射。
图25A是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有激光二极管和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，激光二极管和磷光体构件配置为集成在诸如封装构件的公共支撑构件上，其中磷光体配置为用于反射操作，激光束对磷光体非垂直入射。
图26是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有集成在公共支撑构件上的激光二极管和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，其中磷光体配置为用于离轴反射操作，激光束配置有准直或者成形光学器件。
图27是示出了根据本实用新型的一个实施方式的椭圆形光束直径和光束直径与离磷光体的发射器距离的比例的实例计算的图，磷光体相对于快轴以45度的角度倾斜，并相对于慢轴以22度的角度倾斜以进行反射磷光体操作。
图28是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有集成在公共支撑构件上的激光二极管和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，其中磷光体配置为用于反射操作，激光束相对于磷光体具有双轴旋转，以相对于慢轴和快轴非垂直地入射到磷光体。
图28A是示出了带有两个激光二极管器件和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，这两个激光二极管器件和磷光体构件配置为集成在诸如封装构件的公共支撑构件上，其中磷光体配置为用于反射操作，激光二极管的两个输出光束改变激发光斑几何形状和/或增加激光发射点中的总功率。
图28B是示出了带有激光二极管器件和磷光体构件的基于激光器的集成白光源的简化图，激光二极管器件和磷光体构件配置为集成在诸如封装构件的公共支撑构件上，其中磷光体配置为用于反射操作，激光二极管器件配置为带有多个相邻的发射光束的输出带的多带激光二极管，以增加慢轴方向上的点直径和/或增加激光发射点中的总功率。
图29是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在罐式封装中的基于透射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图30是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在罐式封装中并用盖件密封的基于透射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图31是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装器件封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图31A是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装器件封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图31B是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装器件封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图31C是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装器件封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的带有多个激光二极管器件的白光源的简化图。
图31D是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装器件封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的带有多个激光二极管器件的白光源的简化图。
图31E是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装器件封装中的基于测泵模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图32是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装型封装中并用盖件密封的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图32A是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装型封装中并用盖件密封的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图33是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在带有集成光束收集安全特征的表面贴装封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图33A是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在在带有集成光束收集安全特征的表面贴装封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图33B是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图，表面贴装封装带有集成再成像光学器件以反射并重新聚焦从磷光体反射的入射激光束。
图33C是示出了安装在表面贴装封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图，表面贴装封装带有集成再成像光学器件以将直接激光束反射并聚焦到磷光体构件上。
图33D是示出了安装在表面贴装封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图，表面贴装封装带有屏蔽件或者孔件(aperture，光圈)。
图34是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装型封装中、用盖件密封并安装在散热器上的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图34A是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图，表面贴装封装安装在星形板上。
图35是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有准直光学器件的安装在扁平封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图36是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有准直光学器件的安装在扁平封装中的基于透射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图。
图37是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在扁平封装中并用盖件密封的基于集成激光器的白光源的简化图。
图38是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有准直透镜的在透射模式下操作的基于集成激光器的白光源的简化图。
图39是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有准直反射器的在反射模式下操作的基于集成激光器的白光源的简化图。
图40是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有准直透镜的在反射模式下操作的基于集成激光器的白光源的简化图。
图41是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有准直反射器的安装在罐式封装中的基于集成激光器的白光源的简化图。
图42是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有准直透镜的安装在罐式封装中的基于集成激光器的白光源的简化图。
图43是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装型封装中基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图，表面贴装型封装安装在散热器上，带有准直反射器。
图43A是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装型封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图，表面贴装型封装安装在星形板上，带有准直反射器。
图44是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装型封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图，表面贴装型封装安装在散热器上，带有准直反射器。
图45是示出了根据本实用新型的一个实施方式的安装在表面贴装型封装中的基于反射模式磷光体集成激光器的白光源的简化图，并表面贴装型封装安装在散热器上，带有准直透镜和反射器构件。
图46是示出了根据本实用新型的一个实施方式以反射模式操作的激光泵浦磷光白光发射器的几何布局的简化图。
图47是示出了根据本实用新型的一些实施方式的包含缺陷区域的磷光体板的示意图。
图48是示出了根据本实用新型的一些实施方式的包含替代缺陷区域的可选磷光体板的截面图。
图49是示出了根据本实用新型的一些实施方式的(A)在磷光体板上照射的激光点的平面图；(B)磷光体板上水平方向的一个或多个缺陷区域，以限制激光光斑；(C)在磷光体板上沿垂直方向的一个或多个缺陷区域以限制激光光斑。
图50是根据本实用新型的一个实施方式的泵浦激光入射到包含缺陷区域的磷光体板上的截面图，该缺陷区域在平行于激光快轴的投影的方向上非周期性地间隔开。
图51是根据本实用新型的另一实施方式的泵浦激光入射到包含缺陷区域的磷光体板上的截面图，该缺陷区域在平行于激光快轴的投影的方向上非周期性地间隔开。
图52是根据本实用新型的一个实施方式的泵浦激光入射到磷光体板上的截面图，该磷光体板被配置为在激发表面上具有啁啾图案(Chirped patterning)的光子晶体。
图53是根据本实用新型的又一实施方式的泵浦激光入射到包含缺陷区域的磷光体板上的截面图，缺陷区域在平行于激光快轴的投影的方向上非周期性地间隔开。
图54是根据本实用新型的一个实施方式的具有公共支撑构件的集成白光源的透视图。
图55是根据本实用新型另一实施方式的具有公共支撑构件的集成白光源的透视图。
图56是根据本实用新型的一个实施方式的用于集成白光源的公共支撑构件的透视图。
图57是根据本实用新型的一个实施方式的部分封装的白光源的透视图。
图58是根据本实用新型另一实施方式的部分封装的白光源的透视图。
图59A是示出了根据本实用新型的一个实施方式的封装集成白光源的步骤的示意图。
图59B是示出了根据本实用新型的一个实施方式的封装集成白光源的步骤的示意图。
图60是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有窗口附件和块状附件的气密密封包装的示意图。
图61是示出了根据本实用新型的一个实施方式的具有附接到封装支撑构件的激光器和磷光体的集成白光源的示意图。
图62是示出了根据本实用新型的一个实施方式的用于封装集成白光源的示例性焊料复合预制件的示意性顶视图和横截面图。
图63示出了根据本实用新型的一些实施方式的在用于白光源封装的气密密封中涂覆焊料以将窗口构件附接到框架构件的三个示例性工艺流程。
图64是示出了蓝色激光磷光体转换的冷白设备的实例光谱图，添加了红色激光625nm或红色激光650nm，顶部达到暖白3000K。
图65是示出了在结合了630nm或650nm红色激光二极管的各种 CCT模拟的基于激光的暖白光发射的辐射发光效率(LER，发射光的单位辐射通量的光通量)的实例的曲线图。
图66是示出了根据本实用新型的一个实施方式的由SMD封装的1D 阵列构成的基于高光通量激光器的白光源的示意性俯视图。
图67是示出了根据本实用新型的一个实施方式的由SMD封装的2D 阵列构成的基于高光通量激光器的白光源的示意性俯视图。
图68是示出了根据本实用新型的一个实施方式的基于激光器的白光 SMD的高流明2D阵列的实例示意图，其中每个SMD具有一个或多个与其白光发射耦合的指定光学元件。
图69是根据本实用新型的一个实施方式的基于激光器的白光SMD的高流明2D阵列的实例示意图，其中N×M SMD的阵列共享公共光学元件。
图70至图72是根据本实用新型的一些实施方式的高光通量高亮度光源的示意图，其中各个高亮度光源包括基于SMD激光器的白光源。
图73是根据本实用新型的一个实施方式的示例性高光通量高亮度光源的示意图，该光源包括基于单独高亮度SMD激光器的白光源。
图74是根据本实用新型的一个实施方式的示例性高光通量高亮度光源的示意图，该光源包括以矩形图案配置的基于单独高亮度SMD激光器的白光源。
图75是根据本实用新型的一个实施方式的由基于单独高亮度SMD激光器的、以圆形图案配置的白光源组成的示例性高光通量高亮度光源的示意图。
具体实施方式
本实用新型提供一种用于使用激光二极管激发源和发光源的组合发射白色电磁辐射的方法和装置，激光二极管激发源基于含镓和氮的材料，发光源基于磷光体材料。在本实用新型中，使基于镓和氮材料的紫色、蓝色或者其他波长的激光二极管光源与磷光体材料紧密结合(closely integrated)以形成紧凑的、高亮度的且高效的白光源。
作为背景，虽然基于LED的光源提供优于基于白炽灯的光源的巨大优势，但仍然存在与LED器件的物理特性相关的挑战和限制。第一个限制就是困扰基于GaN的LED的所谓“下垂(Droop)”现象。下垂效应导致电流密度增加时功率翻转，这迫使LED在10-200A/cm2范围内的极低电流密度下达到外部量子效率的峰值。因此，为了最大限度地提高基于 LED的光源效率，电流密度必须限制在低值，其中光输出也受到限制。结果是每单位面积的LED芯片输出功率[通量]低，这迫使不得不使用大LED芯片面积来满足大多数应用的亮度要求。例如，典型的基于LED的灯泡需要3mm2至30mm2的外延面积。LED的第二个限制也与它们的亮度有关，更具体地说，与它们的空间亮度有关。传统的高亮度LED每平方毫米外延面积发出约1W的功率。随着一些进步和突破，每平方毫米外延面积可能会增加5-10倍至5-10瓦。最后，在传统c面GaN上制造的 LED受到强烈的内部极化场的影响，这会在空间上分离电子和空穴波函数，导致辐射复合效率低下。由于这种现象在铟含量会随波长发射增长而增长的InGaN层中变得更加明显，因此将基于UV或蓝色GaN的LED的性能扩展到蓝绿色或绿色区域一直很困难。
令人激动的一类新的基于激光二极管的固态照明正在快速出现。像 LED一样，激光二极管是发射电磁辐射的双引线半导体光源。然而，与来自主要是自发发射的LED的输出不同，激光二极管的输出主要由受激发射构成。激光二极管包含一个增益介质，其功能是通过电子-空穴对的复合提供光发射，以及一个腔区，其功能是作为增益介质发射的谐振器。当适当的电压施加到引线以充分泵浦增益介质时，增益克服了腔体损耗，激光二极管达到所谓的阈值条件，其中可观察到光输出与电流输入特性的急剧增加。在阈值条件下，载流子密度钳位(clamp)，受激发射支配发射。由于困扰LED的下垂现象取决于载流子密度，激光二极管内的钳位载流子密度为下垂挑战提供了解决方案。此外，激光二极管发射高度定向和相干的光，空间亮度比LED高几个数量级。例如，市售的边缘发射GaN基激光二极管可以在15μm宽、0.5μm高的孔径中可靠地产生约2W的功率，这相当于超过250,000W/mm2。这种空间亮度比LED高5个数量级以上，或者换句话说，比LED亮10,000倍。
1960年，马里布休斯研究实验室的Theodore H.Maiman展示了激光。该激光器利用固态闪光灯泵浦合成红宝石晶体产生694nm的红色激光。早期的可见光激光技术包括灯泵浦红外固态激光器，使用具有非线性光学特性的特殊晶体将输出波长转换为可见光。例如，绿灯泵浦固态激光器有 3个阶段：电力驱动灯，灯激发增益晶体，在1064nm处产生激光，1064nm 进入变频晶体，转换为532nm的可见光。由此产生的绿色和蓝色激光被称为“具有二次谐波产生的灯管泵浦固态激光器”(LPSS with SHG)，其壁塞效率约为1％，比Ar离子气体激光效率更高，但效率仍然太低，体积大、昂贵、易碎，适用于专业科学和医学应用之外的广泛部署。为了提高这些可见激光的效率，使用了高功率二极管(或半导体)激光器。这些“带SHG的二极管泵浦固态激光器”(带SHG的DPSS)有3个阶段：电力驱动808nm二极管激光器，灯激发增益晶体，在1064nm处产生激光，1064 nm进入变频晶体，转换为532nm的可见光。随着高功率激光二极管的发展和新的特种SHG晶体的开发，直接转换红外二极管激光器的输出以产生蓝色和绿色激光输出成为可能。这些“直接倍频二极管激光器”或SHG 二极管激光器有2个阶段：电力驱动1064nm半导体激光器，1064nm激光进入变频晶体，转换为可见的532nm绿光。与DPSS-SHG激光器相比，这些激光器设计旨在提高效率、降低成本和尺寸，但所需的专用二极管和晶体在今天变得具有挑战性。
几乎基于上述GaN LED的所有开创性工作，基于GaN技术的可见激光二极管在过去20年中迅速出现。目前唯一可行的直接蓝色和绿色激光二极管结构是由纤锌矿AlGaInN材料系统制造的。通过GaN在诸如Si、 SiC和蓝宝石的异质衬底上的异质外延生长，控制用与GaN相关的材料制造发光二极管。激光二极管器件在这种高电流密度下操作，使得与异质外延生长相关的结晶缺陷是不可接受的。由于这个原因，非常低缺陷密度的、自立式的GaN衬底已经变成用于GaN激光二极管制造的衬底的选择。不幸地，这种大块GaN衬底是昂贵的且无法广泛获得较大直径。例如，2”直径是目前最常用的激光质量良好的大块GaN c平面衬底大小，最新进展已经能够获得4”直径，它们与市场上可买到的对于成熟衬底技术的6”和更大直径相比仍相对较小。在本说明书中可发现本实用新型的进一步细节，更特别地是在下面可发现本实用新型的进一步细节。
使用本实用新型将相对现有已存在的技术实现额外好处。特别地，本实用新型能够实现经济高效的白光源。在具体实施方式中，本光学设备可以以相对简单且经济高效的方式制造。根据实施方式，本领域的普通技术人员可以使用常规材料和/或方法制造本装置和方法。在本实用新型的一些实施方式中，含镓和氮的激光二极管源基于c平面氮化镓材料，而在其他实施方式中，激光二极管基于非极性或半极性镓和氮化物材料。在一个实施方式中，白光源由在基板上带有集成的磷光体的基板上芯片(CoS)构成，以形成基板上芯片和磷光体(CPoS)白光源。在一些实施方式中，可包括中间基板构件。在一些实施方式中，激光二极管和磷光体构件由诸如封装基底的公共支撑构件支撑。在此实施方式中，可具有包含在激光二极管和公共支撑构件之间的基板构件或者附加支撑构件。类似地，可具有包含在磷光体构件和公共支撑构件之间的基板构件或者附加支撑构件。
在各种实施方式中，将激光器器件和磷光体器件安装在带有中间基板或者没有中间基板的公共支撑构件上，并在透射模式、反射模式或者侧面泵浦模式中操作磷光体材料以产生基于激光器的白光发射光源。仅通过实例，本实用新型可应用于以下用途，例如，白色照明，白点照明，闪光灯，汽车前灯，全地形车辆照明，诸如照相机闪光灯的闪光源，在诸如骑自行车、冲浪、跑步、赛跑、划船的娱乐运动中使用的光源，用于无人驾驶飞机、飞机、机器人、其他移动应用或者机器人应用、安全、防御应用中的防范措施的光源，多色照明，用于平板、医疗、计量学、回光灯及其他显示器的照明，高强度灯，光谱学，娱乐，剧院，音乐及音乐会，分析欺诈检测和/或鉴定，工具，水处理，激光眩光器，目标锁定，通信，LiFi，可见光通信(VLC)，感测，检测，距离检测，光雷达(LIDAR)，变压，运输，矫平，固化及其他化学处理，加热，切割和/或融化，泵浦其他光学器件，其他光电器件及相关应用，以及光源照明，等等。
激光二极管作为磷光体激发源是理想的。对于比传统的LED高10000 倍的空间亮度(每单位面积的光强)和极端的激光发射的方向性，激光二极管使得能够具有LED和其他光源无法实现的特征。具体地，由于激光二极管输出的携带超过0.5W、超过1W、超过3W、超过10W，甚至超过 100W的光束可聚焦到小于1mm直径、小于500μm直径、小于100μm直径，或者甚至小于50μm直径的非常小的光点尺寸，所以可实现超过1 W/mm2、100W/mm2，或者甚至超过2500W/mm2的功率密度。当激光激发光的此非常小的且强大的光束入射到磷光体材料上时，可实现最终的白光点光源。假设每光瓦激发光的发射白光的磷光体转换率为200流明，那么5W激发功率可以在100μm或50μm或更小的光束直径中产生1000流明。这种点光源是在诸如聚光照明或者测距的应用中不断变化的追求，其中抛物面反射器或者透镜光学器件可与点光源组合以产生高度准直的白光点，白光点可行进比之前使用LED或者灯泡技术曾经可能的距离远得多的距离。
在本实用新型的一些实施方式中，含镓和氮的发光器件可以不是激光器器件，而可以配置为超发光二极管或者超发光发光二极管(SLED)器件。为了本实用新型的目的，可互换地使用SLED器件和激光二极管器件。 SLED类似于激光二极管，因为它基于电驱动结，当注入电流时，该结具有光学活性并产生放大的自发辐射(ASE)，并可在很宽的波长范围内增益。当光输出开始由ASE主导时，光输出与电流(LI)特性的关系出现拐点，其中每单位注入的电流光输出的单位变得非常大。LI曲线中的这个拐点类似于激光二极管的阈值，但要柔和得多。SLED器件的优点是，SLED 其可组合激光二极管的高光发射功率和非常高的空间亮度的独特特性，这使得其对于带有(＞5nm)的较宽的光谱宽度的高效长掷照明和高亮度磷光体激发应用都是理想的，该光谱宽度在一些情况中提供改进的眼安全和图像质量。较宽的光谱宽度导致与LED类似的低相干距离。低相干距离提供改进的安全性，例如具有改进的眼安全。而且，较宽的光谱宽度可大幅减小显示器或者照明应用中的光学畸变。作为一个实例，众所周知的叫做“光斑”的畸变图案是由表面上或者视平面中的一组波前的相互干涉产生的强度图案的结果。通常用来量化光斑程度的一般方程与光谱宽度成反比。
在本实用新型的一个实例应用中，根据本实用新型的激光二极管器件或者超发光二极管(SLED)器件可用作优选的用于可见光通信(VLC) 系统的光源，例如Li-Fi通信系统。VLC系统是使用可见光、紫外光、红外线或者近红外线光源的调制以进行数据传输的那些系统。使用可见光源调制的VLC系统由于两个原因而将是本实用新型的有利应用。首先，由于载流子复合率的增加(其是由于在激光二极管和SLED中发现的大量受激发射的原因)，带宽将比当使用发光二极管时预期的高。在LED、二极管激光器和SLED中，复合率将随着载流子密度的增加而增加，然而与效率在相对高的载流子密度下达到峰值的SLED和二极管激光器不同，LED 的效率在非常低的载流子密度下达到峰值。通常，LED峰值效率在比在典型的SLED或者激光二极管工作条件下发现的载流子密度低2-3个数量级的载流子密度下。调制及由此数据传输率应明显高于可用LED实现的那些。
而且，在基于白光的VLC光源中，使用由LED或者激光二极管或者 SLED构成的紫色或者蓝色“泵浦”光源来光学激发或者“泵浦”磷光体元件，以产生覆盖对应于绿色和红色及有时蓝色的波长的宽光谱。将源于磷光体的光谱和未吸收泵浦光组合以产生白光光谱。激光器和SLED光源具有比蓝色LED明显窄的光谱；与对于蓝色LED来说的大约20nm相比分别为＜1.5nm和＜5nm。更窄的FWHM使得泵浦光信号与磷光体发射使用陷波(即带通)滤波器隔离更容易。这是重要的，因为虽然白光光谱的源于磷光体的分量包括由装置发射的总光功率的大部分，但是磷光体中的长复合寿命导致非常低的用于光谱的磷光体发射的分量的调制率。
在一个实施方式中，将多个以不同波长进行发射的激光器晶粒彼此紧密接近地转移到相同载体晶圆；优选地在彼此的1毫米内，更优选地在彼此的大约200μm内，最优选地在彼此的大约50μm内。将激光器晶粒波长选择为在波长上相隔其光谱的半峰全宽的至少两倍。例如，将三个分别以 440nm、450nm和460nm发射的晶粒转移到单载体芯片，其中晶粒之间的间隔小于50μm，晶粒宽度小于50μm，使得由晶粒发射的激光的中心到中心的总横向间隔小于200μm。激光器晶粒的紧密度允许其发射简单地耦接到相同的光学序列或者光纤波导中，或者在远场中投射到重叠的点中。在一定程度上，可将激光器作为单激光光源而有效地操作。
这种配置提供这样的优点：每个单独的激光光源可独立地操作，以使用例如叠加在DC偏移上的RF信号的频率和相位调制来传递信息。可通过调节每个信号的DC偏移来调节来自不同光源的光的时间平均比例。在接收器处，将通过在单独的光检测器上使用陷波滤波器，而使来自单独激光器光源的信号多路分配，光检测器过滤掉白光光谱的源自磷光体的分量以及来自除了一个以外所有的激光器光源的泵浦光。这种配置将提供超过基于LED的VLC光源的优点：带宽将随着激光发射器的数量而简单地按比例变化。当然，具有类似优点的类似实施方式可由SLED发射器构成。
在一个实施方式中，本实用新型提供一种基于激光器的白光源，其包括特征在于长度、宽度和高度的形状因数。在一个实例中，高度的特征在于小于25mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在一个可选实例中，高度的特征在于小于12.5mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在又一另选实例中，长度和宽度的特征在于小于30mm，小于15mm 或者小于5mm的尺寸，尽管可存在变化。该设备具有支撑构件，及覆盖支撑构件的磷光体材料和至少一个含镓氮的激光二极管器件。激光器器件能够发射波长优选在425nm至475nm的蓝色区域、或波长在380nm至 425nm的紫外线或紫色区域中的激光束，但也可以是其他波长，例如在 475nm至510nm的青色区域或波长在510nm至560nm的绿色区域。
在根据本实用新型的一些实施方式中，多个激光二极管源被配置为激发相同的磷光体或磷光体网络。根据本实用新型，组合多个激光光源可提供许多可能的好处。首先，可通过光束组合来增加激发功率以提供更强的激发坑，并由此产生更亮的光源。在一些实施方式中，在激光器-磷光体光源内配置分开的独立的激光芯片。通过包括多个各自发射1W、2W、3W、 4W、5W或者更大功率的激光器，可增加激发功率，从而将增加光源亮度。例如，通过包括两个3W的激发相同磷光体面积的激光器，可将激发功率增加到6W以使白光亮度翻倍。在每1瓦特激光激发功率产生大约200流明的白光的实例中，白光输出将从600流明增加到1200流明。类似地，在较低驱动条件下可以通过使用多个光源来提高光源的可靠性，以实现与在更恶劣条件(例如更高的电流和电压)下驱动的单个光源相同的激发功率。
第二个优点是通过将第一自由空间发散椭圆激光束相对于第二自由空间发散椭圆激光束旋转90度，并将中心椭圆重叠在磷光体上，从而有可能获得更圆的光斑。或者，可以通过将第一自由空间发散椭圆激光束相对于第二自由空间发散椭圆激光束旋转180度，并偏心重叠磷光体上的椭圆，以增加慢轴发散方向上的光斑直径，来实现更圆的光斑。在另一种配置中，包括多于2个激光器以及实现了上述光束成形光斑几何形状成形的一些组合。第三个重要的优点是，发射器件中的多个彩色激光器可通过改进可见光谱的紫色/蓝色和青色区域中的光谱的填充，明显地改进颜色质量 (CRI和CQS)。例如，可以包括两个或多个波长略微失调(例如5nm、 10nm、15nm等)的蓝色激发激光器来激发黄色磷光体并创建更大的蓝色光谱。
如本文使用的，术语GaN衬底与基于III族氮化物的材料相关，包括 GaN、InGaN、AlGaN，或者其他包含III族的合金或用作起始物料的成分。这种起始物料包括极性GaN衬底(即，最大面积表面名义上是(h k l)平面的衬底，其中h＝k＝0，l是非零的)、非极性GaN衬底(即，使最大面积表面以从大约80-100度的范围的角度从上述极性方向朝向(h k l)平面来定向的衬底材料，其中l＝0，h和k中的至少一个是非零的)或者半极性GaN衬底(即，使最大面积表面以从大约+0.1到80度或者110-179.9 度的范围的角度从上述极性方向朝向(hk l)平面定向的衬底材料，其中 l＝0，h和k中的至少一个是非零的)。当然，还可有其他变型、修改和替代。
可在诸如极性c平面的含镓氮膜或者衬底(例如GaN)的传统方向上，在诸如m平面的非极性方向上，或者在诸如{30-31}、{20-21}、{30-32}、 {11-22}、{10-11}、{30-3-1}、{20-2-1}、{30-3-2}的半极性方向上，或者朝向c平面+/-10度内的，和/或朝向a平面+/-10度内的，和/或朝向m平面+/-10度内的任意这些极性的、非极性的和半极性的平面的边角料上，制造激光二极管器件。
图1是在含镓氮衬底上形成的极性c平面激光二极管的一个实例的简化示意图，该衬底带有解理镜(cleavedmirror)或蚀刻镜在m方向上成一直线的腔体。激光条带区域的特征在于基本上在m方向上的腔体定向，m 方向与a方向基本上正交，但是可以是其他的，例如腔体基本上在a方向上成直线。激光条带区域具有第一端07和第二端09，并在m方向上在{0001}含镓氮衬底上形成，该衬底具有一对面向彼此的解理镜或蚀刻镜结构。例如，氮化镓衬底构件是块状GaN衬底，其特征在于具有非极性或者半极性的晶面区域，但是可以是其他的。块状GaN衬底可具有低于105 cm-2或者在105到107cm-2之间的表面位错密度。氮化物晶体或者晶圆可包括AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x，y，x+y≤1。在一个具体实施方式中，氮化物晶体包括GaN。在一个实施方式中，GaN衬底在相对于表面基本上正交或者倾斜的方向上具有大约105cm-2和大约108cm-2之间的浓度的穿透位错。
图2是在含镓氮衬底上形成的半极性平面激光二极管的一个实例的简化示意图，该衬底带有在解理镜或蚀刻镜在c方向的投影上对准(成一直线)的腔体。激光条带区域的特征在于基本上在c方向的投影上的腔体定向，c方向与a方向基本上正交，但是可以是其他的，例如腔体基本上在 a方向上的成直线。激光条带区域具有第一端07和第二端09，并在诸如 {40-41}、{30-31}、{20-21}、{40-4-1}、{30-3-1}、{20-2-1}、{20-21}的半极性衬底上形成，或者在从c平面和a平面含镓氮衬底起形成角度在+/-5 度内的这些平面的边角料上形成。例如，含镓氮衬底构件是块状GaN衬底，其特征在于具有非极性或者半极性晶面区域，但是可以是其他的。块状GaN衬底可具有低于105cm-2或者在105到107cm-2之间的表面位错密度。氮化物晶体或者晶圆可包括AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x，y，x+y≤1。在一个具体实施方式中，氮化物晶体包括GaN。在一个实施方式中，GaN 衬底在相对于表面基本上正交或者倾斜的方向上具有大约105cm-2和大约 108cm-2之间的浓度的穿透位错。
图1和图2中的实例激光二极管器件具有一对彼此面对的解理或蚀刻镜结构。第一解理或蚀刻面包括反射涂层，而第二解理或蚀刻面不包括涂层、抗反射涂层或暴露含镓和氮的材料。第一解理或蚀刻面与第二解理或蚀刻面基本平行。第一和第二解理面通过根据一个实施方式的划线和断裂工艺提供，或者通过使用诸如反应离子蚀刻(RIE)、电感耦接等离子体蚀刻(ICP)或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)或其他方法的蚀刻技术的蚀刻技术提供。第一和第二镜面均包括反射涂层。涂层选自二氧化硅、二氧化铪和二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆，包其括组合等。根据设计，镜面还可以包括抗反射涂层。
在一个具体实施方式中，刻面形成方法包括使衬底经受激光以形成图案。在一个优选实施方式中，该图案被配置用于形成脊状激光器的一对刻面。在一个优选实施方式中，这对刻面彼此面对并且彼此平行对齐。在一个优选实施方式中，该方法使用UV(355nm)激光来对激光条划线。在一个具体实施方式中，激光器被配置在系统上，其允许以不同图案和轮廓配置的精确划线。在一个实施方式中，取决于应用，可以在背面、正面或两者上执行激光划线。当然，还可有其他变型、修改和替代。
在一个具体实施方式中，该方法使用背面激光划线等。对于背面激光划线，该方法优选地形成与GaN衬底背面上的激光条垂直的连续线激光划线。在一个具体实施方式中，激光划线通常为大约15-20μm深或其他合适的深度。优选地，背面划线可以是有利的。也就是说，激光划线工艺不依赖于激光条或其他类似图案的间距。因此，根据一个优选实施方式，背面激光划线可导致每个衬底上的激光条密度更高。然而，在一个具体实施方式中，背面激光划线可能会导致在刻面上留下胶带残留物。在一个具体实施方式中，背面激光划线通常要求衬底面朝下放在胶带上。对于正面激光划线，衬底的背面与胶带接触。当然，还可有其他变型、修改和替代。
众所周知，诸如化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)、电感耦接等离子体 (ICP)蚀刻或反应离子蚀刻(RIE)之类的蚀刻技术可以产生平滑和垂直蚀刻的侧壁区域，这些区域可以作为蚀刻面激光二极管中的刻面。在蚀刻面工艺中，掩蔽层可在晶圆表面上沉积并图案化。蚀刻掩模层可由电介质构成，例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy)、它们的组合或其他电介质材料。此外，掩模层可由诸如Ni或Cr之类的金属层构成，但可由金属组合叠层或包含金属和电介质的叠层构成。在另一种方法中，光刻胶掩模可以单独使用或与电介质和/或金属结合使用。蚀刻掩模层使用传统的光刻和蚀刻步骤图案化。可以使用接触式对准器或步进式对准器来执行对准光刻。这种光刻定义的反射镜为设计工程师提供了高水平的控制力。在蚀刻掩模顶部的光刻胶掩模的图案化完成后，使用湿蚀刻或干蚀刻技术将图案转移到蚀刻掩模。最后，使用选自CAIBE、ICP、RIE和/或其他技术的干蚀刻技术将刻面图案蚀刻到晶圆中。蚀刻的刻面表面必须与晶圆的表面平面成大约87度-大约93度之间或大约89度-大约91度之间的高度垂直。蚀刻的面表面区域必须非常光滑，均方根粗糙度值小于约50nm、20nm、5nm或1nm。最后，蚀刻必须基本上没有损坏，这可以作为非辐射复合中心，从而降低灾难性光学镜损坏(COMD)阈值。由于蚀刻的化学性质， CAIBE可以提供非常光滑和低损坏的侧壁，同时由于能够倾斜晶圆台以补偿蚀刻中的任何固有角度，因此可以提供高度垂直的蚀刻。
激光条带的特征在于长度和宽度。长度的范围从大约50μm到大约 3000μm，但是优选地在大约10μm和大约400μm之间，在大约400μm和大约800μm之间，或者在大约800μm和大约1600μm之间，但是可以是其他的。条带还具有范围从大约0.5μm到大约50μm的宽度，但是优选地，对于单横向模式操作是在大约0.8μm和大约2.5μm之间，或者对于多横向模式操作是在大约2.5μm和大约50μm之间，但是可以是其他尺寸。在一个具体实施方式中，本装置具有范围从大约0.5μm到大约1.5μm的宽度，范围从大约1.5μm到大约3.0μm的宽度，范围从大约3.0μm到大约50μm 的宽度等等。在一个具体实施方式中，宽度的大小是基本上恒定的，尽管可存在微小变化。通常使用本领域中常用的掩模和蚀刻处理来形成宽度和长度。
通过选自干蚀刻或湿蚀刻的蚀刻工艺提供激光条带。该器件还具有覆盖介电区，该介电区暴露出p型接触区。覆盖接触区的是接触材料，其可以是金属或导电氧化物或其组合。p型电接触可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射或其他合适的技术来沉积。覆盖衬底的抛光区域的是第二接触材料，其可以是金属或导电氧化物或其组合并且包括n型电接触。n 型电接触可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射或其他合适的技术来沉积。
假设较高的含镓氮衬底的成本、按比例增加含镓氮衬底大小的困难、小晶圆处理中固有的低效，以及可能的供应限制，变得非常希望最大化可用的含镓氮衬底和覆盖外延材料的利用。在横向腔体激光二极管的制造中，情况通常是，最小晶粒大小由诸如线键合焊盘的装置部件或者机械处理考虑因素决定，而不是由激光器腔体宽度决定。最小化晶粒大小对于降低制造成本来说是关键的，因为更小的晶粒大小允许在一次处理过程中在单个晶圆上制造更大数量的器件。本实用新型是一种通过经由晶粒膨胀处理将外延材料在载体晶圆上展开，而最大化可由设定含镓氮衬底和覆盖外延材料制造的器件的数量的方法。
在某些实施方式中，GaN表面取向基本上在c面、m面、{40-41}、 {30-31}、{20-21}、{40-4-1}、{30-3-1}、{20-2-1}、{20-21}取向，并且该器件具有形成的激光条带区域，覆盖在切割的晶体取向表面区域的一部分上。例如，激光条带区域的特征在于腔体取向基本上在c方向的投影中， c方向基本上垂直于a方向。在一个具体实施方式中，激光条带区域具有第一端07和第二端09。在激光形成于半极性取向的一个优选实施方式中，器件形成于c方向在含氮镓衬底的投影上，该衬底具有一对彼此面对的解理镜结构。
在一个优选实施方式中，该器件具有设置在激光条带区域的第一端上的第一解理面和设置在激光条带区域的第二端上的第二解理面。在一个实施方式中，第一解理面基本上平行于第二解理面。在每个解理面上形成镜面。第一解理面包括第一镜面。在一个优选实施方式中，第一镜面由顶侧跳跃划线划线和断裂工艺提供。划线工艺可以使用任何合适的技术，例如金刚石划线或激光划线或组合。在一个具体实施方式中，第一镜面包括反射涂层。反射涂层选自二氧化硅、二氧化铪和二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆，包其括组合等。第一镜面也可以具有抗反射涂层。
同样在一个优选实施方式中，第二解理面包括第二镜面。根据一个具体实施方式，第二镜面由顶侧跳跃划线划线和断裂工艺提供。优选地，划线是金刚石划线或激光划线等。在一个具体实施方式中，第二镜面包括反射涂层，例如二氧化硅、二氧化铪和二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆、组合等。在一个具体实施方式中，第二镜面包括防反射涂层。
与边缘发射激光二极管类似，SLED通常配置为边缘发射器件，其中高亮度、高方向性的光学发射从半导体芯片的侧面指向外侧的波导出射。将SLED设计为对于沿着波导产生的自发发射具有高单程增益或者放大率。然而，与激光二极管不同，将其设计为对腔体中提供不足的反馈以获得增益等于波导腔中的总损耗的激光条件。在一个典型实例中，将波导端或面中的至少一个设计为提供非常低的回到波导中的反射率。可使用若干种方法在波导端或面上实现减小的反射率。在一种方法中，对至少一个面应用光学涂层，其中将光学涂层设计为用于低反射率，例如小于1％，小于0.1％，小于0.001％，或者小于0.0001％的反射率。在另一种用于减小反射率的方法中，将波导端设计为相对于光传播的方向倾斜或者成角度，使得反射回到芯片中的光不会在结构上干涉腔体中的光以提供反馈。必须仔细地设计倾斜角，避开反射率和角度的关系中的空值，以获得最佳性能。可以许多方式实现倾斜面或者角度面方法，包括提供相对于光传播的方向具有最佳横向角度地设计的蚀刻面。由光刻定义的蚀刻面图案预先确定倾斜角。另选地，可通过使波导相对于解理面弯曲和/或成角度来实现角度输出，解理面在半导体芯片中的预先确定的晶体学平面上形成。另一种减小反射率的方法是，在面上提供粗糙的或者有图案的表面以减小对腔体的反馈。可使用化学蚀刻和/或干法蚀刻来实现粗糙，或者用替代技术实现粗糙。当然，可存在其他用于减小对腔体的反馈以形成SLED器件的方法。在许多实施方式中，可组合使用许多技术以减面反射率，包括使用低反射率涂层，结合相对于光传播方向成角度或者倾斜的输出面。
在非极性含Ga衬底上的具体实施方式中，该器件的特征在于自发发射的光在基本上垂直于c-方向上偏振。在一个优选实施方式中，自发发射的光的特征在于垂直于c方向的偏振比大于0.1至约1。在一个优选实施方式中，自发发射的光的特征在于波长范围从约430nm到约470nm以产生蓝光，或约500nm到约540nm以产生绿光等等。例如，自发发射的光可以是紫色(例如，395至420纳米)、蓝色(例如，420至470纳米)；绿色(例如，500到540nm)或其他。在一个优选实施方式中，自发发射的光是高度偏振的，并且其特征在于偏振比大于0.4。在半极性{20-21}含 Ga衬底上的另一具体实施方式中，该器件的特征还在于自发发射的光在基本上平行于a方向或垂直于腔体方向偏振，即在投影中取向c方向。
在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种在脊形激光器实施方式中能够发射501nm和更大波长光的替代器件结构。该器件具有以下外延生长元件：
n-GaN或n-AlGaN包覆层，厚度为100nm至3000nm，Si掺杂水平为 5×1017cm-3至3×1018cm-3；
n侧SCH层由InGaN组成，铟的摩尔分数在2％到10％之间，厚度从 20nm到250nm；
多个量子阱有源区层，由至少两个2.0nm至8.5nm的InGaN量子阱、GaN或InGaN势垒组成，这些量子阱相隔1.5nm或更大，并且可选地高达约12nm；
包括InGaN的p侧SCH层，，铟的摩尔分数在1％和10％之间、厚度从15nm到250nm，或者上层GaN引导层；
由AlGaN构成的电子阻挡层，其中铝的摩尔分数在0％和22％之间，厚度在5nm到20nm之间并且掺杂有Mg；
p-GaN或p-AlGaN包覆层，厚度为400nm至1500nm，Mg掺杂水平为2×1017cm-3至2×1019cm-3；以及
p++-GaN接触层，厚度为20nm至40nm，Mg掺杂水平为1×1019cm-3至1×1021cm-3。
图3是激光器器件200的剖视图。如图所示，激光器器件包括氮化镓衬底203，其具有下层n型金属后触点区201。例如，衬底203的特征可在于半极性或者非极性定向。该器件还具有上层n型氮化镓层205、活性区域207以及配置为激光条带区域209的上层p型氮化镓层。这些区域中的每一个至少使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE) 的外延沉积技术或适用于GaN生长的其他外延生长技术形成。外延层是覆盖n型氮化镓层的高质量外延层。在一些实施方式中，高质量层例如掺有Si或者O以形成n型材料，其中大约1016cm-3和1020cm-3之间的掺杂浓度。
在衬底上沉积n型AluInvGa1-u-vN层，其中0≤u，v，u+v≤1。载流子浓度可处于大约1016cm-3和1020cm-3之间的范围内。可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)进行沉积。
例如，块状GaN衬底被放置在MOCVD反应器中的基座上。在关闭、抽真空和将反应器回填(或使用负载锁定配置)至大气压后，在含氮气体存在下将基座加热至约1000至约1200摄氏度之间的温度。在流动的氨气下，基座被加热到大约900到1200摄氏度。在载气中以大约1到50标准立方厘米/分钟(sccm)的总速率引发含镓金属有机前体，例如三甲基镓 (TMG)或三乙基镓(TEG)的流动。载气可以包括氢气、氦气、氮气或氩气。V族前驱体(氨)与III族前驱体(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三甲基铝)在生长过程中的流速之比在约2000到约12000之间。启动载气中的乙硅烷流动，总流速大约在0.1sccm到10sccm之间。
在一个实施方式中，激光条带区域是p型氮化镓层209。激光条带由干蚀刻工艺提供，但也可以使用湿蚀刻。干蚀刻工艺是使用含氯物质的电感耦接工艺或使用类似化学物质的反应离子蚀刻工艺。含氯物质通常来源于氯气等。该器件还具有上覆介电区，该介电区暴露出213接触区。介电区域是氧化物，例如二氧化硅，或者氮化硅，接触区耦接到上层金属层215。上层金属层优选地是包含金和铂(Pt/Au)、钯和金(Pd/Au)，或者镍金 (Ni/Au)，或者其组合的多层结构。
活性区域207优选地包括一个到十个量子阱区域或者双异质结构区域以用于光发射。在n型AluInvGa1-u-vN层的沉积以实现预期厚度之后，沉积活性层。量子阱优选地是InGaN，带有隔离其的GaN势垒层、AlGaN势垒层、InAlGaN势垒层，或者InGaN势垒层。在其他实施方式中，阱层和势垒层分别包括AlwInxGa1-w-xN和AlyInzGa1-y-zN，其中0≤w，x，y，z， w+x，y+z≤1，其中w＜u，y和/或x＞v，z，使得阱层的带隙小于势垒层和n型层的带隙。阱层和势垒层各自具有大约1nm和大约20nm之间的厚度。将活性层的组成和结构选择为提供预先选择的波长的光发射。活性层可以不掺杂(或者无意掺杂的)，或者可以是n型或p型掺杂的。
活性区域还可包括电子阻挡区域，以及分别限制异质结构。电子阻挡层可包括AlsIntGa1-s-tN，其中0≤s，t，s+t≤1，有比活性层高的带隙，并且可以是p型掺杂的。在一个具体实施方式中，电子阻挡层包括AlGaN。在另一实施方式中，电子阻挡层包括AlGaN/GaN超晶格结构，包括交替的AlGaN层和GaN层，各自带有大约0.2nm和大约5nm之间的厚度。
如所指出的，在电子阻挡层和活性层上方沉积p型氮化镓或者氮化镓铝结构。P型层可掺有Mg到大约1016cm-3和1022cm-3之间的水平，有大约5nm和大约1000nm之间的厚度。p型层的最外面的1-50nm的掺杂程度可比该层的剩余部分大，以使得能够改进电接触。该器件也具有上层介电区域，例如，二氧化硅，其暴露接触区213。
金属触点由合适的材料制成，例如银、金、铝、镍、铂、铑、钯、铬等等。可通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射，或者其他合适的技术来沉积该触点。在一个优选实施方式中，电触点用作用于光学器件的p型电极。在另一实施方式中，电触点用作用于光学器件的n型电极。在图1和图2中举例说明并在以上描述的激光器器件通常适合于相对低的功率应用。
在各种实施方式中，本实用新型通过使激光器腔体构件的部分从单横向模式范围的1.0-3.0μm变宽到多横向模式范围的5.0-20μm，从二极管激光器实现高输出功率。在一些情况中，使用具有50μm或者更大的宽度的腔体的激光二极管。
激光条带长度或腔体长度范围为100至3000μm，并采用生长和制造技术，例如在2010年4月13日提交的美国专利申请第12/759,273号中描述的那些，该申请通过引用并入本文。例如，激光二极管是在非极性或半极性含镓衬衬底上制造的，其中内部电场相对于极性c面取向器件基本上被消除或减弱。应当理解，内部场的减少通常能够实现更有效的辐射复合。此外，非极性和半极性衬底上的重孔质量更轻，从而可以获得更好的激光器增益特性。
图3示出了基于镓和氮的激光二极管器件的实例横截面图。外延器件结构形成在含镓和氮的衬底构件203的顶部。衬底构件可以是掺杂有O和 /或Si的n型掺杂物。外延结构将包含n侧层205，例如由GaN、AlGaN、 AlINGaN或InGaN构成的n型缓冲层和由GaN、AlGaN或AlInGaN构成的n型包覆层。n型层的厚度可以在0.3μm至约3μm或至约5μm的范围内，并且可以掺杂有诸如Si或O的n型载流子，浓度可到1×1016cm-3到 1×1019cm-3之间。覆盖在n型层上的是有源区和波导层207。该区域可以包含n侧波导层或单独的限制异质结构(SCH)，例如InGaN，以帮助对模式进行光导。InGaN层由1至15％摩尔分数的InN组成，厚度范围从约30nm至约250nm，并且可以掺杂有n型物质，例如Si。覆盖在SCH层上的是发光区，它可以由双异质结构或量子阱有源区组成。量子阱有源区可以由1到10个量子阱组成，厚度范围从1nm到20nm，由InGaN组成。由GaN、InGaN或AlGaN组成的阻挡层将量子阱发光层分隔开。势垒的厚度范围从1nm到约25nm。覆盖在发光层上的是可选的具有5％至约35％AlN的AlGaN或InAlGaN电子阻挡层，并且可选地掺杂有p型物质，例如Mg。同样可选的是p侧波导层或SCH，例如InGaN，以帮助对模式进行光导。InGaN层由1至15％摩尔分数的InN组成，厚度范围从30nm至约250nm，并且可以掺杂有诸如Mg的p型物质。覆盖有源区和可选的电子阻挡层以及p侧波导层的是p包覆区和p++接触层。p型包覆区由GaN、 AlGaN、AlINGaN或其组合构成。p型包覆层的厚度在0.3um至约2微米的范围内，并且掺杂浓度在1×1016cm-3至1×1019cm-3之间的Mg。使用选自干蚀刻或湿蚀刻工艺的蚀刻工艺在p-包层区域中形成脊211，用于波导中的横向限制。诸如二氧化硅或氮化硅之类的介电材料213沉积在器件的表面区域上，并且在脊的顶部产生开口以暴露p++GaN层的一部分。p接触215沉积在器件的顶部以接触暴露的p++接触区。p型接触可以由包含 Au、Pd、Pt、Ni、Ti或Ag之一的金属叠层构成，并且可以用电子束沉积、溅射沉积或热蒸发来沉积。n接触201在衬底构件的底部形成。n型接触可以由包含Au、Al、Pd、Pt、Ni、Ti或Ag之一的金属叠层构成，并且可以用电子束沉积、溅射沉积或热蒸发来沉积。
在多个根据本实用新型的多个实施方式中，器件层包括超发光发光二极管或者SLED。在所有适用的实施方式中，可使SLED器件与根据本实用新型中描述的方法和结构的激光二极管器件互换或者组合。SLED在许多方面类似于边缘发射激光二极管；然而，该装置的发射面被设计成具有非常低的反射率。SLED类似于激光二极管，因为它基于电驱动结，当注入电流时，该结具有光学活性并产生放大的自发辐射(ASE)，并可在很宽的波长范围内增益。当光输出开始由ASE主导时，光输出与电流(LI) 特性的关系出现拐点，其中每单位注入的电流光输出的单位变得非常大。 LI曲线中的这个拐点类似于激光二极管的阈值，但要柔和得多。SLED具有层状结构，该层结构被设计为具有一个或多个发光层，其上方和下方覆盖有较低光学指数的材料，从而可以形成横向引导的光学模式。SLED还被制造为具有提供横向光学限制的特征。这些横向限制特征可以由蚀刻脊组成，其中空气、真空、金属或介电材料围绕该脊并提供低光学指数包层。横向限制特征也可以通过塑造电触点以使得注入的电流被限制到器件中的有限区域来提供。在这种“增益引导”结构中，具有注入的载流子密度的发光层的光学指数通过色散提供光学模式的横向限制所需的光学指数对比。
将SLED设计为对于沿着波导产生的自发发射具有高单程增益或者放大率。SLED器件还将设计为具有低内部损耗，优选地低于1cm-1，然而 SLED可以高于此的内部损耗操作。在理想情况中，发射面反射率将是零，然而在实际应用中，零的反射率难以实现，并将发射面反射率设计为小于 1％，小于0.1％，小于0.001％，或者小于0.0001％的反射率。减小发射面反射率可减小到器件腔体中的反馈，从而增加该器件将开始发激光的注入电流密度。可通过抗反射涂层的添加和通过使发射面相对于SLED腔体成角度的组合使得与面正交的表面和引导模式的传播方向基本上不平行，实现非常低反射率的发射面。通常，这将意味着大于1-2度的偏离。在实践中，理想的角度部分地取决于所使用的抗反射涂层，必须仔细地设计倾斜角，避开反射率和角度的关系中的空值，以获得最佳性能。可在任何相对于引导模式的传播方向的方向上使面相对于引导模式的传播方向倾斜，尽管根据面形成的方法，一些方向可能更易于制造。蚀刻面为面角度确定提供超高灵活性。另选地，非常普遍的实现角度输出以减小腔体中的结构干涉的方法将使波导相对于解理面弯曲和/或成角度，解理面在半导体芯片中的预先确定的晶体学平面上形成。在此配置中，光传播的角度以对低反射率设计的具体角度与解理面不正交。
由SLED发射的光谱在很多方面与激光不同。在SLED器件在横向引导模式中产生光学增益的同时，发射面处的减小的光学反馈导致更宽的且更连续的发射光谱。例如，在法布里-珀罗(FP)激光器中，光在波导的端部处的反射将可经历增益的光的波长限制到导致取决于腔体的长度的结构干涉的那些波长。因此FP激光器的光谱为梳状的，带有对应于纵向模式的波峰和波谷，并带有由增益介质定义的包络和由腔体支持的横向模式。而且，在激光器中，来自发射面的反馈确保横向模式将在有限电流密度下达到阈值。当这发生时，纵向模式的子集将控制光谱。在SLED中，抑制光学反馈，这将增益光谱中的梳状的波峰减小到波谷高度，还将阈值推出到更高的电流密度。于是SLED的特征将在于相对宽的(＞5nm)且不相干的光谱，其对于光谱学、眼安全和减小的光斑具有优点。作为一个实例，众所周知的叫做“光斑”的畸变图案是由表面上或者视平面中的一组波前的相互干涉产生的强度图案的结果。通常用来量化光斑程度的一般方程与光谱宽度成反比。
在本实用新型的一个实例应用中，根据本实用新型的激光二极管器件或者超发光二极管(SLED)器件可用作优选的用于可见光通信(VLC) 系统的光源，例如Li-Fi通信系统。VLC系统是使用可见光、紫外光、红外线或者近红外线光源的调制以进行数据传输的那些系统。使用可见光源调制的VLC系统由于两个原因而将是本实用新型的有利应用。首先，由于载流子复合率的增加(其是由于在激光二极管和SLED中发现的大量受激发射的原因)，带宽将比当使用发光二极管时预期的高。在LED、二极管激光器和SLED中，复合率将随着载流子密度的增加而增加，然而与效率在相对高的载流子密度下达到峰值的SLED和二极管激光器不同，LED 的效率在非常低的载流子密度下达到峰值。通常，LED峰值效率在比在典型的SLED或者激光二极管工作条件下发现的载流子密度低2-3个数量级的载流子密度下。调制及由此数据传输率应明显高于可用LED实现的那些。
而且，在基于白光的VLC光源中，使用由LED或者激光二极管或者 SLED构成的紫色或者蓝色“泵浦”光源来光学激发或者“泵浦”磷光体元件，以产生覆盖对应于绿色和红色及有时蓝色的波长的宽光谱。将源于磷光体的光谱和未吸收泵浦光组合以产生白光光谱。激光器和SLED光源具有比蓝色LED明显窄的光谱；与对于蓝色LED来说的大约20nm相比分别为＜1.5nm和＜5nm。更窄的FWHM使得泵浦光信号与磷光体发射使用陷波(即带通)滤波器隔离更容易。这是重要的，因为虽然白光光谱的源于磷光体的分量包括由装置发射的总光功率的大部分，但是磷光体中的长复合寿命导致非常低的用于光谱的磷光体发射的分量的调制率。
在一个实施方式中，将多个以不同波长进行发射的激光器晶粒彼此紧密接近地转移到相同载体晶圆；优选地在彼此的1毫米内，更优选地在彼此的大约200微米内，最优选地在彼此的大约50微米内。将激光器晶粒波长选择为在波长上相隔其光谱的半峰全宽的至少两倍。例如，将三个分别以440nm、450nm和460nm发射的晶粒转移到单载体芯片，其中晶粒之间的间隔小于50微米，晶粒宽度小于50微米，使得由晶粒发射的激光的中心到中心的总横向间隔小于200微米。激光器晶粒的紧密度允许其发射简单地耦接到相同的光学序列或者光纤波导中，或者在远场中投射到重叠的点中。在一定程度上，可将激光器作为单激光光源而有效地操作。
这种配置提供这样的优点：每个单独的激光光源可独立地操作，以使用例如叠加在DC偏移上的RF信号的频率和相位调制来传递信息。可通过调节每个信号的DC偏移来调节来自不同光源的光的时间平均比例。在接收器处，将通过在单独的光检测器上使用陷波滤波器，而使来自单独激光器光源的信号多路分配，光检测器过滤掉白光光谱的源自磷光体的分量以及来自除了一个以外所有的激光器光源的泵浦光。这种配置将提供超过基于LED的VLC光源的优点：带宽将随着激光发射器的数量而简单地按比例变化。当然，具有类似优点的类似实施方式可由SLED发射器构成。
在如上所述制造激光二极管芯片之后，可将激光二极管安装到基板。在一些实例中，基板由AlN、SiC、BeO、金刚石，或者其他材料(例如金属、陶瓷，或者复合物)组成。基板可以是公共支撑构件，CPoS的磷光体构件也将附接于其中。另选地，基板可以是旨在安装到公共支撑构件的中间基板，磷光体材料附接于其中。基板构件的特征可在于宽度、长度和厚度。在基板是用于磷光体和激光二极管芯片的公共支撑构件的实例中，基板将具有尺寸的范围从大约0.5mm到大约5mm或者到大约15mm的宽度和长度，及范围从大约150μm到大约2mm的厚度。在基板是激光二极管芯片和公共支撑构件之间的中间基板的实例中，其特征可在于，宽度和长度的尺寸的范围从大约0.5mm到大约5mm且厚度的范围可从大约50μm到大约500μm。使用键合处理、焊接处理、胶粘处理，或者其组合而将激光二极管附接到基板。在一个实施方式中，基板是电隔离的并具有沉积于顶部上的金属焊盘。将激光芯片安装到那些金属焊盘中的至少一个。可在p侧向下或者p侧向上的配置中安装激光芯片。在键合激光芯片之后，形成从芯片到基板的焊线，使得最终的基板上芯片(CoS)完成并准备好集成。
在图4中示出了举例说明了根据本实用新型的基于在含镓氮衬底技术上形成的传统激光二极管的CoS的示意图。CoS由基板材料401组成，其配置为用作激光二极管芯片402和最终安装表面之间的中间材料。基板配置有电极403和405，其可形成有沉积的金属层，例如Au。在一个实例中， Ti/Pt/Au用于电极。焊线404配置为使来自基板上的电极403和405的电功率耦合到激光二极管芯片，以产生从激光二极管输出的激光束406。电极403和405配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。可在电极上形成焊线以使电功率耦合到激光二极管器件并激活激光器。
在另一实施方式中，含镓氮激光二极管制造包括外延释放步骤，以剥离外延生长的镓层和氮层，并使其制备好以在激光器制造之后转移到可包括基板的载体晶圆。转移步骤需要将外延层精确地放在载体晶圆上，以使得能够执行后续的将外延层放在激光二极管器件中的处理。附接到载体晶圆的过程可包括晶圆键合步骤，其中键合界面包括金属-金属、半导体-半导体、玻璃-玻璃、介电材料-介电材料，或者其组合。
在此CPoS白光源的又一优选变型中，可使用用于剥离含镓氮外延材料并将其转移到公共支撑构件的方法来将含镓氮的激光外延材料附接到基板构件。在此实施方式中，从其在其上外延生长的含镓氮衬底中释放镓和氮外延材料。作为一个实例，可使用光电化学(PEC)蚀刻技术释放外延材料。然后使用诸如晶圆键合的技术将其转移到基板材料，在晶圆键合中形成键合界面。例如，键界面可以由Au-Au键组成。基板材料优选地具有高导热率，例如SiC，其中外延材料随后被处理以形成具有腔体构件、正面和背面以及用于注入电流的电触点的激光二极管。在激光器制造完成之后，将磷光体材料引入到基板上以形成集成白光源。磷光体材料可以具有位于基板和磷光体之间的中间材料。中间材料可以由诸如铜的导热材料构成。磷光体材料可使用传统的晶粒附接技术附接到基板，例如AuSn焊料，但是可以是其他技术，例如诸如SAC305的SAC焊料、含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，并具有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如， AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。为了最低热阻抗而优化键合是从磷光体散热的关键参数，这对防止磷光体劣化和磷光体材料的热淬火是关键的。将本实施方式与剥离和转移的含镓和氮材料一起使用的好处是，降低了成本、提高了激光性能以及使用该技术进行集成的更高程度的灵活性。
在此实施方式中，在块状含镓氮衬底上生长含镓氮外延层。外延层堆包括至少一个牺牲释放层和覆盖释放层的激光二极管器件层。在外延层在块状含镓氮衬底上生长之后，通过选择性湿法蚀刻方法使半导体器件层与衬底隔开，例如PEC蚀刻，其配置为选择性地移除牺牲层并使得能够将器件层释放到载体晶圆。在一个实施方式中，在覆盖半导体器件层的表面上沉积键合材料。键合材料也作为毯状涂层而沉积在载体晶圆上或者在载体晶圆上形成图案。使用标准光刻处理来选择性地掩盖半导体器件层。然后对晶圆进行蚀刻处理，例如干法蚀刻或者湿法蚀刻处理，以经由暴露牺牲层的结构限定在台式结构的侧壁上。如本文中使用的，术语台式区域或者台面用来描述含镓氮衬底上的准备好转移到载体晶圆的具有图案的外延材料。台式区域可以是任何形状或形式的，包括长方形形状、正方形形状、三角形形状、圆形形状、椭圆形形状、多面体形状，或者其他形状。术语台面不应限制本实用新型的范围。
在定义台面之后，执行选择性蚀刻处理以在保持半导体器件层完整的同时完全地或者部分地移除牺牲层。产生的结构包括由外延器件层构成的底切台面。底切台面对应于半导体器件将形成于其上的切块。在一些实施方式中，可在台式区域的侧壁上使用保护性钝化层，以当蚀刻选择性不完美时防止器件层暴露于选择性蚀刻。在其他实施方式中不需要保护性钝化，因为器件层对选择性蚀刻不敏感，或者采取了防止敏感层的蚀刻的措施，例如使阳极和阴极短路。然后使用键合技术将对应于装置切块的底切台面转移到载体晶圆，其中，使覆盖半导体器件层的键合材料与载体晶圆上的键合材料连接。产生的结构是包括覆盖键合区域的含镓氮外延器件层的载体晶圆。
在一个优选实施方式中，将PEC蚀刻配置为选择性蚀刻以移除牺牲层。PEC是可用来蚀刻GaN及其合金的光辅助湿法蚀刻技术。该过程包括上带隙激发源和由半导体及电解质溶液形成的电化学电池。在此情况中，暴露的(Al,In,Ga)N材料表面用作阳极，同时沉积于半导体上的金属焊盘用作阴极。上带隙光源在半导体中产生电子-空穴对。从半导体经由阴极提取电子，同时空穴扩散到材料的表面以形成氧化物。由于空穴扩散到表面要求在表面弯曲的能带有利于空穴的收集，所以PEC蚀刻通常仅用于n型材料，不过已经发展了一些方法来蚀刻p型材料。然后电解质使氧化物溶解，导致半导体的湿法蚀刻。不同类型的电解质(包括HCl、KOH 和HNO3)已经表现出在GaN及其合金的PEC蚀刻中是有效的。可通过选择有利的电解质来优化蚀刻选择性和蚀刻速率。还可能在半导体和阴极之间产生外部偏压以帮助PEC蚀刻处理。
外延晶圆的制备如图5所示。衬底500被缓冲层501、可选择性去除的牺牲层507、另一缓冲层501'、器件层502和接触层503的集合覆盖。通过蚀刻在牺牲层下方延伸并将层501、502、503和507分割成台面的通孔而暴露牺牲区。由键合介质508组成的层沉积被覆盖到台面。在一些实施方式中，在牺牲层暴露之前沉积键合层。最后通过选择性工艺去除牺牲层。这个过程需要包括一个掩埋的牺牲区，它可以通过带隙选择性地进行 PEC蚀刻。对于基于GaN的半导体器件，InGaN层(例如量子阱)已被证明是PEC蚀刻过程中的有效牺牲区。图5中示出的第一步是自上而下蚀刻以暴露牺牲层，然后是键合金属沉积，如图5所示。暴露出牺牲区后，使用带隙选择性PEC蚀刻来底切台面。在一个实施方式中，选择牺牲区和所有其他层的带隙，以使在PEC蚀刻期间只有牺牲区将能吸收光并因此被蚀刻。本实用新型涉及发光器件的另一实施方式使用带隙比有源区高的牺牲区，使得在带隙PEC蚀刻工艺期间两个层都吸收。
在涉及发光器件的一个实施方式中，在带隙选择性PEC蚀刻期间，可以使用侧壁上的绝缘保护层来防止有源区蚀刻。使用蚀刻工艺暴露器件层，并且沉积抗蚀刻保护层覆盖器件层的边缘，使得它们不暴露于蚀刻化学品。然后通过蚀刻通孔暴露牺牲层。沉积键合层并使用选择性蚀刻工艺去除牺牲层。在一些实施方式中，在选择性蚀刻之后沉积键合层。当器件层容易受到用于去除牺牲层的蚀刻工艺的损坏时，这种工作流程是有利的。随着牺牲区暴露，带隙选择性PEC蚀刻用于底切台面。此时，选择区键合工艺用于继续制造器件。在另一实施方式中，有源区通过干蚀刻暴露，并且有源区和牺牲区都吸收泵浦光。在有源区周围的p型和n型包层之间制造导电路径。如同在太阳能电池中一样，由于耗尽区中存在电场，载流子从有源区扫除。通过将n型和p型层电连接在一起，可以从有源区连续清除空穴，减缓或阻止PEC蚀刻。在涉及不包含发光层的电子器件或功率电子器件的其他实施方式中，选择性蚀刻期间无需采取特殊措施来保护半导体器件层。
用于通过光化学蚀刻剥离衬底的牺牲层将至少包含低带隙或掺杂层，其将吸收泵浦光，且相对于周围材料具有更高的蚀刻速率。牺牲层可以被外延沉积，并且可以选择合金成分及其掺杂，使得空穴载流子寿命和扩散长度更高。必须通过在促进高材料结晶质量的生长条件下生长牺牲层，来避免降低空穴载流子寿命和扩散长度的缺陷。牺牲层的一个实例是在外部光源波长处吸收的InGaN层。蚀刻停止层设计为具有非常低的蚀刻速率，以控制去除衬底后剩余的相邻材料的厚度，以允许更好地控制蚀刻工艺。蚀刻停止层的蚀刻特性可以单独由合金成分和掺杂控制，或者通过合金成分和掺杂的组合来控制。潜在的蚀刻停止层是带隙高于外部光源的AlGaN 或GaN层。另一潜在的蚀刻停止层是高度掺杂的n型AlGaN或GaN层，其降低了少数载流子扩散长度和寿命，从而显著降低了蚀刻停止材料的蚀刻速率。
在一些实施方式中，通过将激光二极管pn结的p侧电短路至n侧，可在不使用有源区保护层的情况下实现PEC蚀刻。PEC工艺中的蚀刻是通过将空穴转移到蚀刻溶液时在晶圆表面溶解AlInGaN材料来实现的。这些空穴随后在溶液中与在阴极金属与蚀刻溶液界面处提取的电子重新结合。这样，即实现了电荷中和。可通过将阳极与阴极电短路来实现选择性蚀刻。在器件发光层中产生的电子空穴对被p-n结的电场扫出发光层。由于空穴被扫出了有源区，所以发光层的蚀刻很少或没有。载流子的积聚产生电位差，驱动载流子通过金属互连，使阳极和阴极短路，在那里它们重新组合。牺牲区中的平带条件导致空穴的积聚，从而导致牺牲层的快速蚀刻。在一个实施方式中，使阳极和阴极短路的金属互连件可用作锚固区域，以在键合步骤之前机械地将含镓和氮的台面保持在适当位置。
牺牲区和有源区的相对蚀刻速率由许多因素决定，但主要由稳定状态下有源区中的空穴密度决定。如果金属互连或锚固电阻很大，或者如果阴极或阳极分别与p型和n型电接触，则包层区域电阻太大或肖特基势垒很大，则载流子可能会积聚在pn结的两侧。这些载流子将产生电场，与耗尽区中的电场相对抗，并将降低耗尽区中的电场大小，直到光产生的载流子漂移出有源区的速率被载流子通过使阴极和阳极短路的金属层的复合速率所平衡。一些复合将通过光化学蚀刻发生，并且由于这与有源区中的空穴密度成正比，因此最好能防止在有源区上形成光致偏压。
在一个实施方式中，使用热压键合将镓和氮外延半导体层转移到载体晶片。在该实施方式中，热压键合涉及使用布置在外延层和处理晶片之间的键合介质，在升高的温度和压力下将外延半导体层键合到载体晶片。键合介质可以由多个不同的层组成，但通常包含至少一层(键合层)，该层由具有高表面扩散速率的相对延展性材料构成。在许多情况下，这种材料由金、铝或铜组成。键合叠层还可包括设置在键合层和外延材料或处理晶片之间的促进粘附的层。例如，硅晶片上的金键合层可能导致硅扩散到键合界面，这会降低键合强度。包含诸如氧化硅或氮化物之类的扩散阻挡层会限制这种效果。可以在键合层的顶表面上施加第二材料制成的相对较薄的层，以促进设置在外延材料上的键合层与手柄之间的粘合。某些延展性低于金(例如Al、Cu等)或以导致粗糙薄膜的方式沉积(例如电解沉积) 的键合层材料，可能需要在键合前通过化学或机械抛光进行平整化或降低粗糙度，此外活性金属可能需要特殊的清洁步骤来去除可能干扰键合的氧化物或有机材料。
热压键合可以在相对较低的温度下实现，通常低于500摄氏度和高于 200摄氏度。应该施加足够高的温度以促进键合界面处的键合层之间的扩散，但不能高到促进每个金属叠层中各个层不必要的合金化。施加压力可提高键合率，并导致金属叠层发生一些弹性和塑性变形，从而使它们更好、更均匀地接触。最佳键合温度、时间和压力将取决于特定的键合材料、形成键合界面的表面的粗糙度，以及处理晶片断裂或负载下器件层损坏的敏感性。
键合界面不必由整个晶片表面组成。例如，代替键合金属的全面沉积，可以使用光刻工艺在由没有键合金属的区域分隔的不连续区域中沉积金属。这在确定的弱键合区域或没有键合辅助的后续处理步骤的情况下，或需要气隙的情况下可能是有利的。这方面的一个实例是使用对外延生长的牺牲层的湿蚀刻去除GaN衬底。为了访问牺牲层，必须在外延晶圆的两个表面中的任何一个表面蚀刻通孔，如果从晶圆的键合面蚀刻通孔，则最容易保存晶圆以供重复使用。一旦键合，蚀刻的通孔会形成通道，该通道可以将蚀刻溶液从键合晶圆的边缘引导到中心，因此包含通孔的衬底区域不会与处理晶圆紧密接触，从而形成键合。
键合介质也可以是在回流过程中或阳极化过程中键合的无定形或玻璃状材料。在阳极键合中，介质是具有高离子含量的玻璃，其中通过施加大电场促进材料的质量传输。在回流键合中，玻璃的熔点较低，在适度的压力和温度下会形成接触和良好的键合。所有玻璃键合都相对易碎，并且要求玻璃的热膨胀系数足够接近键合对象晶片(即GaN晶片和手柄)。两种情况下的玻璃都可以通过气相沉积或通过旋涂玻璃的工艺进行沉积。在这两种情况下，键合区域的范围和几何形状都可能受到光刻或丝网印刷工艺的限制。
在这项工作中，“金-金”金属键合被用作一个实例，各种各样的氧化物键、聚合物键、蜡键等都可能是合适的。使用市售的芯片键合设备可以实现亚微米的对准公差。在本实用新型的另一实施方式中，键合层可以是各种键合对，包括金属-金属、氧化物-氧化物、焊接合金、光刻胶、聚合物、蜡等。只有与载体晶圆上的键合不良接触的外延芯片才会键合。在市售的芯片或倒装芯片键合机上，可能存在亚微米的对准公差。
在一个实例中，氧化物覆盖在暴露的平面n型或p型含镓和氮材料上，或覆盖在暴露的平面n型或p型含镓和氮材料上，使用直接晶圆键合的表面将含镓和氮的材料涂到主要由氧化物组成的载体晶圆的表面，或者载体晶圆上设置有氧化物层。在这两种情况下，载体晶圆上的氧化物表面和暴露的含镓和氮的材料都被清洁，以减少键合表面上的碳氢化合物、金属离子和其他污染物的数量。然后使键合表面接触并在升高的温度下加压进行键合。在某些情况下，表面用酸、碱或等离子处理进行化学处理，以产生与氧化物表面接触时产生弱键的表面。例如，可以处理含镓材料的暴露表面以形成氧化镓薄层，其化学上类似于氧化物，键合表面将更容易键合。此外，可以对含镓和氮材料的氧化物和现在的氧化镓终止表面进行化学处理，以在表面开始接触促进形成悬空羟基(以及其他化学物质)，随后在升高的温度和升高的压力下处理时使其永久化。
在一个替代实例中，氧化物沉积在器件层台面区域上以形成键合区域。载体晶圆还制备有氧化层以形成键合区。覆盖在载体上的氧化物层可以被图案化，或者可以是覆盖层。清洁载体晶圆上的氧化物表面和覆盖在台面器件层台面区域上的氧化物表面，以减少键合表面上的碳氢化合物、金属离子和其他污染物的量。然后使键合表面接触并在升高的温度下加压进行键合。在一个实施方式中，化学机械抛光(CMP)工艺用于平坦化氧化物表面，使其光滑以改善所实现的键合。在某些情况下，使用酸、碱或等离子体处理对表面进行化学处理，以生成与氧化物表面接触时产生弱键的表面。键合是在高温和高压下进行的。
在另一实施方式中，键合介质可以是电介质，例如二氧化硅或氮化硅。在需要在键合界面处具有低导电性以实现诸如减小器件电容来实现增加频率操作特性的情况下，就会需要此类介质。包含键合界面的键合介质可由许多其他材料构成，例如氧化物-氧化物对、半导体-半导体对、旋涂玻璃、焊接合金、聚合物、光致抗蚀剂、蜡或它们的组合。
可以基于任何数量的标准来选择载体晶圆，包括但不限于成本、导热性、热膨胀系数、尺寸、导电性、光学特性和加工兼容性。以允许随后选择性释放键合外延区域的方式制备图案化外延晶圆。此外，制备图案化载体晶圆使得排列键合焊盘以实现选择性区域键合工艺。这些晶圆可以通过多种工艺流程来制备，下面描述了其一些实施方式。在第一选择性区域键合步骤中，外延晶片与载体晶圆上的预图案化键合焊盘对齐，并且使用压力、热和/或声处理的组合将台面键合到键合焊盘。
在本实用新型的一个实施方式中，载体晶圆是另一种半导体材料、金属材料或陶瓷材料。一些潜在的候选材料包括硅、砷化镓、蓝宝石、碳化硅、金刚石、氮化镓、AlN、多晶AlN、磷化铟、锗、石英、铜、铜钨、金、银、铝、不锈钢或钢。
在另一实施方式中，可基于尺寸和成本来选择载体晶圆。例如，单晶硅晶圆的直径可达300毫米或12英寸，并且最具成本效益。通过将镓和氮外延材料从2英寸含镓和氮的块状衬底转移到直径为150毫米、200毫米或300毫米的大型硅衬底，半导体器件晶圆的有效面积可以增加多达36 倍或更大。本实用新型的这一特征允许利用硅铸造厂中已建立的基础设施大批量制造高质量的含镓和氮的半导体器件。
在本实用新型的另一实施方式中，可选择载体晶圆材料使其具有与III 族氮化物相似的热膨胀特性、高导热性，并且可用作与标准半导体器件制造工艺兼容的大面积晶圆。然后对载体晶圆进行处理，使其结构也能作为半导体器件的基板。可以通过锯切、解理或划线和折断工艺将载体晶圆分割成单个晶粒。通过将载体晶圆和成品半导体器件基板的功能相结合，减少了构建封装器件所需的组件和操作数量，从而显着降低了半导体器件成品的成本。
在本实用新型的一个实施方式中，可以在选择性蚀刻牺牲区和随后释放含镓和氮的衬底之前，执行将半导体器件外延材料键合到载体晶圆的工艺。图6是示出了包括首先在含镓和氮的衬底上形成的含镓和氮的外延材料之间形成键合，然后使释放材料经受PEC蚀刻工艺以释放含镓和氮的衬底的过程的示意图。在该实施方式中，通过诸如金属有机化学气相沉积 (MOCVD)、分子束外延(MBE)等外延沉积工艺，在诸如GaN衬底的含镓和氮的衬底上沉积外延材料。外延材料至少由牺牲释放层和器件层组成。在一些实施方式中，缓冲层在衬底表面区域和牺牲释放区域之间生长。在图6中，衬底晶圆600被缓冲层602、可选择性蚀刻的牺牲层604和器件层的集合601覆盖。键合层605与将用于促进光电化学蚀刻的阴极金属 606一起沉积，从而选择性去除牺牲层604的工艺。
在本实用新型的一个优选实施方式中，在选择性蚀刻牺牲区之后进行键合工艺。该实施方式提供了几个优点。一个优点是选择性蚀刻剂更容易进入，从而均匀蚀刻横跨半导体晶片的牺牲区，该半导体晶片包括含有体镓和氮的衬底600，例如GaN和含有体镓和氮的外延器件层。第二个优点是能够执行多个键合步骤。在一个实例中，可以部署“蚀刻然后键合”的工艺流程，其中台面603通过控制蚀刻工艺被保留在衬底600上，使得不是所有的牺牲层604都被去除。衬底晶圆600被缓冲层602、可选择性蚀刻的牺牲层604和器件层集合601覆盖。键合层605与阴极金属606一起沉积，阴极金属606将用于促进光电化学蚀刻工艺以选择性地去除牺牲层 604。选择性蚀刻工艺进行到仅保留一小部分牺牲层604的时刻，使得台面603保留在衬底600上，但牺牲层604的未蚀刻部分在将台面键合到载体晶圆608期间或之后很容易破裂。
该蚀刻然后键合实施方式的关键挑战是在键合步骤之前机械地支撑底切外延器件层台面区域603免于空间偏移。如果台面603偏移，那么将其准确对准和布置到载体晶圆608的能力将受到损害，因此以可接受的良率进行制造的能力将受到损害。在键合之前将台面区域603机械地固定到位的这一挑战可以通过多种方式来实现。在一个优选实施方式中，锚固区域(未示出)用于在键合步骤之前将台面603机械地支撑到含镓和氮的衬底600，其中它们从含镓和氮的衬底600释放并转移到载体晶圆608。
锚固区域是可设计在光掩模中的特殊特征，光掩模可将底切器件层附接到含镓氮的衬底600，但其本身过大以至于无法底切，或者是由于掩模包含牺牲层604具有不被移除的区域这一设计而无法底切，或者这些特征可由金属或耐蚀刻的介电材料组成。这些特征用作锚固物，防止底切器件层603与衬底600脱离，并防止器件层603在空间上移动。还可通过不完全地移除牺牲层来实现与衬底600的附接，使得在底切器件层603和衬底 600之间具有在键合过程中可破坏的脆弱的连接。然后使载体晶圆608和器件晶圆600上的键合材料的表面接触，并形成比底切器件层603对锚固物或者牺牲层604的剩余材料的附接更强的键合。在键合之后，载体晶圆 608和器件晶圆600的隔离将器件层603转移到载体晶圆608。
在一个实施方式中，锚固区域由比器件层台面603宽的特征形成，使得在器件层603的底切过程中不完全移除这些锚固区域中的牺牲区域。在一个实例中，通过耐蚀刻材料的沉积而将台面603保持在衬底600上，耐蚀刻材料通过使台面603连接到衬底600而用作锚固物。在此实例中，缓冲层602、可选择性蚀刻的牺牲层604和一组器件层601覆盖衬底晶圆600。键合层605与阴极金属一起沉积，阴极金属将用来促进光电化学蚀刻处理以选择性地移除牺牲层604。可由金属、陶瓷、聚合物或者玻璃组成的一层耐蚀刻材料进行沉积，使其连接到台面603和衬底600两者。这样执行选择性蚀刻处理，可以完全移除牺牲层604且只有耐蚀刻层将台面603连接到衬底600。
在锚固技术的另一实例中，通过使用由外延材料组成的锚固物，将台面603保持在衬底600上。在此实例中，缓冲层602、可选择性蚀刻的牺牲层604和一组器件层601覆盖衬底晶圆600。键合层605与阴极金属一起沉积，阴极金属将用来促进光电化学蚀刻处理以选择性地移除牺牲层 604。锚固物这样成形，使得在蚀刻过程中，小部分的牺牲层604保持不蚀刻并在底切台面603和衬底晶圆600之间产生连接。
在一个实施方式中，锚固物位于底切晶粒的端部或侧面，使得它们通过材料的窄底切区域连接。在该实例中，窄连接材料远离键合金属并且设计为使得底切材料在连接材料处而不是跨管芯解理。这具有保持晶粒的整个宽度不受损坏的优点，这将是有利的。在另一实施方式中，连接材料中添加了几何特征，以充当应力集中器，且键合金属可延伸到窄的连接材料上。键合金属增强了连接材料的主体。添加这些功能可以增加对连接断开位置的控制。这些特征可以是三角形、圆形、矩形或使连接材料变窄或使连接材料边缘出现凹形轮廓的任何偏差。
在另一实施方式中，锚固物有足够小的横向范围以致它们可以被底切，但可使用保护涂层来防止蚀刻溶液进入锚固物的牺牲层。该实施方式在需要转移的晶粒的宽度较大的情况下是有利的。未受保护的锚固件需要更大以防止完全底切，这会降低晶粒密度并降低外延材料的利用效率。
在另一实施方式中，锚固物位于晶粒的端部并且锚固物形成连接到所有或多个晶粒的连续材料带。这种配置是有利的，因为锚固物可以在晶圆或光刻掩模边缘附近的材料中形成图案，否则材料利用率会很差。这使得即使在晶粒尺寸变大时，图案中心的器件材料也能保持较高的利用率。
在一个优选实施方式中，通过沉积耐蚀刻材料的区域来形成锚固物，耐蚀刻材料将很好粘结到外延材料和衬底材料。这些区域覆盖半导体器件层台面的一部分和在蚀刻过程中将不底切的结构的一些部分，例如衬底。这些区域形成连续连接，使得在完全底切半导体器件层台面之后，其提供防止半导体器件层台面与衬底脱离的机械支撑。然后使金属层沉积在半导体器件层台面的顶部上，沉积在半导体器件层台面的侧壁上，以及沉积在台面周围的蚀刻区域的底部上，使得形成连续连接。例如，金属层可以包括大约20nm的钛以提供良好的附着力，并覆盖有大约500nm的金，但当然金属和厚度的选择可以是其他的。在一个实例中，涂有金属的半导体器件晶粒芯侧壁的长度为约1nm至约40nm，上部厚度小于半导体器件晶粒的宽度，使得牺牲层在靠近金属锚固物的区域被完全蚀刻，在这里蚀刻剂对牺牲层的接触将受到限制。
台面区域可以通过干法或湿法化学蚀刻形成，并且在一个实例中将包括至少p++GaN接触层、由GaN、AlGaN或InAlGaN构成的p型包覆层、诸如通过势垒分离的量子阱的发光层、波导层(例如InGaN层)和由GaN、AlGaN或InAlGaN组成的n型包覆层、牺牲层和牺牲层下方的一部分n 型GaN外延层。p触点金属首先沉积在p++GaN接触层上，以便与p型包层形成高质量的电接触。然后将第二个金属叠层图案化并沉积在台面上，覆盖在p接触金属上。第二个金属叠层包括n接触金属，其与牺牲层下方的n型GaN层形成良好的电接触，以及作为台面焊盘和阴极的相对较厚的金属层金属。键合/阴极金属还形成覆盖台面边缘的厚层，并在台面顶部和衬底之间提供连续连接。在通过选择性光化学蚀刻去除牺牲层后，厚金属提供机械支撑以将台面保持在GaN晶圆上的适当位置，直到与载体晶圆进行键合。
与使用由外延器件材料制成的锚固物相比，使用金属锚有几个优点。第一个优点就是包含外延半导体器件层和含镓和氮的块状衬底的供体晶圆(Donor wafer)上的可转移台面的密度。由外延材料制成的锚固物必须足够大，以免被选择性蚀刻完全底切，或者必须用钝化层以某种方式保护它们。包含未转移的大锚固物将降低外延器件晶片上的台面密度。最好使用金属锚，因为金属锚由抗蚀刻的材料制成，因此可以制成不影响台面密度的小尺寸。第二个优点是它简化了台面的处理，因为不再需要单独的钝化层来将有源区与蚀刻溶液隔离。去除有源区保护层减少了制造步骤的数量，同时还减少了所需的台面尺寸。
在一个具体实施方式中，阴极金属堆叠还包括旨在增加金属锚强度的金属层。例如，阴极金属叠层可能由100nm的Ti组成，以促进阴极金属叠层的粘附并提供与n型包层的良好电接触。然后，阴极金属叠层可以包含一层钨，其弹性模量大约是金的四倍。掺入钨将减少金的厚度，以提供足够的机械支撑，从而在台面被选择性蚀刻底切后保持台面。
在本实用新型的另一实施方式中，牺牲区通过PEC蚀刻被完全去除，并且台面通过任何剩余的缺陷柱保持就位。众所周知，PEC蚀刻会在作为复合中心的缺陷周围留下完整的材料。使台面可以在完全牺牲蚀刻后保持原位的其他机制包括静力或范德华力。在一个实施方式中，控制底切工艺，使得牺牲层不被完全去除。
在一个优选实施方式中，将带有下层牺牲区域的半导体器件外延材料制造成带有覆盖半导体器件层的含镓氮块状衬底上的台面的密集阵列。使用图案形成和湿法蚀刻或者干法蚀刻处理来形成台面，其中图案形成包括限定台面区域的大小和间距的光刻步骤。干法蚀刻技术是候选方法，例如反应离子蚀刻、感应耦接等离子体蚀刻，或者化学辅助离子束蚀刻。另选地，可使用湿法蚀刻。蚀刻配置为终止于器件层下方的牺牲区域处或其下方。这之后是选择性蚀刻处理，例如PEC，以完全地或者部分地蚀刻暴露的牺牲区域，使得对台面底切。此底切台面图案间距将叫做“第一间距”。第一间距通常是适合于制造衬底上的每个外延区域的设计宽度，同时对于预期的完整半导体器件设计来说不够大，其通常希望更大的非活性区域或者用于触点的区域等等。例如，这些台面将具有范围从大约5μm到大约 500μm或者到大约5000μm的第一间距。这些台面中的每个都是“晶粒”。
在一个优选实施方式中，使用选择性键合处理将这些晶粒以第二间距转移到载体晶圆，使得载体晶圆上的第二间距大于含镓氮衬底上的第一间距。在此实施方式中，晶粒为了所谓的“晶粒扩展”而具有扩展间距。在一个实例中，晶粒具有第二间距以允许每个晶粒与载体晶圆的一部分成为半导体器件，包括触点和其他部件。例如，第二间距将是大约50μm到大约1000μm或者到大约5000μm，但是在对该应用需要较大的半导体器件晶粒的情况中，可以大到大约3-10mm或者更大。更大的第二间距可使得能够更简单地机械处理，不用花费昂贵的含镓氮衬底和外延材料，允许对半导体器件芯片增加附加特征的空间，例如不需要昂贵的含镓氮衬底和外延材料的键合焊盘，和/或允许更小的包含含镓氮外延晶圆的外延层在大得多的载体晶圆上组装以进行后续加工，从而降低加工成本。例如，4比1 的晶粒扩展率会将含镓和氮材料的密度降低4倍，因此在载体晶圆上填充的区域是含镓和氮的衬底的4倍。这相当于将2英寸的镓氮衬底变成4英寸的载体晶圆。特别地，本实用新型通过选择性区域键合处理来增加衬底晶圆和外延材料的使用，以将单独的外延材料晶粒以使得相对于原始外延晶圆增加载体晶圆上的晶粒间距的这样方式转移到载体晶圆。外延材料的布置使得无需使用昂贵的含镓氮衬底的器件组件，并且通常在含镓氮的衬底上制造的上覆外延材料能够在成本较低的载体晶圆上制造，从而允许更有效的利用含镓氮的衬底和上覆的外延材料。
图7是根据本实用新型的具有选择性区域键合的晶粒扩展工艺的示意图。根据本实用新型的一个实施方式，准备用于键合的器件晶圆。晶圆由衬底706、缓冲层703、完全去除的牺牲层709、器件层702、键合介质701、在牺牲层的PEC蚀刻去除中使用的阴极金属和锚固材料704组成。在含镓氮的外延晶圆中形成的台面区域形成通过处理定义的释放层和外延材料块。单个外延材料晶粒以第一节距形成。制备载体晶圆707，其由载体晶圆707本身和第二间距的键合焊盘708组成。衬底706与载体晶圆707 对准，使得具有第一间距的含镓氮的衬底706上的台面的子集以第二间距与载体晶圆707上的键合焊盘708的子集对准。由于第一间距大于第二间距，并且台面将包括器件晶粒，因此建立了晶粒扩展的基础。执行键合工艺，并且在衬底706与载体晶圆707分离后，将台面的子集选择性地转移到载体晶圆707。然后用载体晶圆上的第二组台面和键合焊盘708重复该工艺707，直到载体晶圆707被外延台面完全填充。现在可以任选地制备含镓氮的外延衬底以供重复使用。
在图7中示出的实例中，在该第一选择性键合步骤中转移四分之一的外延晶粒，在外延晶圆706上留下四分之三。然后重复选择性区域键合步骤以转移第二个四分之一、第三个四分之一和第四个四分之一的外延晶粒到图案化的载体晶圆707。该选择性区域键合可以重复任意次数，并且不限于图7中示出的四个步骤。结果是载体晶圆上的外延晶粒阵列707具有比外延晶圆706上的原始晶粒间距更宽的晶粒间距。外延晶圆706上的晶粒间距将被称为间距1，并且载体晶圆707上的晶粒间距将被称为间距2，其中间距2大于间距1。
在一个实施方式中，载体晶圆707和具有外延层的含镓氮的衬底706 之间的键合在已经施加到载体晶圆707的键合层和具有外延层的含镓氮的衬底706之间进行。键合层可以是各种键合对，包括金属-金属、氧化物- 氧化物、焊接合金、光刻胶、聚合物、蜡等。只有与载体晶圆707上的键合不良接触的外延晶粒才会键合。在商用晶粒键合机上可能存在亚微米对准公差。然后外延晶圆706被拉开，在弱化的外延释放层处破坏外延材料，使得所需的外延层保留在载体晶圆707上。在此，“选择性区域键合步骤”被定义为该工艺的单次迭代。
在一个实施方式中，载体晶圆707以这样的方式被图案化，使得只有选定的台面能与载体晶圆707上的金属键合焊盘接触。当外延衬底706被拉开时，键合的台面在削弱的牺牲区域处折断，而未键合的台面则保持附接到外延衬底706。然后可以重复该选择性区域键合工艺，以将剩余的台面转移到期望的配置中。该过程可以通过任意次数的迭代重复并且不限于图3中示出的两次迭代。载体晶圆707可以具有任意尺寸，包括但不限于约2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸和12英寸。在所有所需的台面都被转移之后，可以选择性地使用第二带隙选择性PEC蚀刻来去除任何剩余的牺牲区材料以产生光滑的表面。此时可以在载体晶圆上执行标准的半导体器件工艺。本实用新型的另一实施方式包括在选择性区域键合步骤之前在致密外延晶圆上制造器件组件。
在一个实例中，本实用新型提供了一种用于增加可以由给定的外延表面积制造的含镓和氮的半导体器件的数量的方法；其中含镓和氮的外延层覆盖在含镓和氮的衬底上。将含镓和氮的外延材料图案化到具有第一晶粒间距的晶粒中；将来自具有第一间距的含镓和氮的外延材料的晶粒转移到载体晶圆以在载体晶圆上形成第二晶粒间距；第二晶粒间距大于第一晶粒间距。
在一个实例中，每个外延器件晶粒是一个蚀刻的台面，其间距在大约 1μm和大约100μm之间宽，或在大约100μm或大约500μm之间宽，或在大约500μm和大约3000μm之间宽，并且长约100μm至约3000μm。在一个实例中，载体晶圆上的第二晶粒间距在大约100μm和大约200μm 之间或在大约200μm和大约1000μm之间或在大约1000μm和大约3000 μm之间。在一个实例中，载体晶圆上的第二晶粒间距约是外延晶圆上的晶粒间距的2倍至约50倍。在一个实例中，在外延转移之后在载体晶圆上制造半导体LED器件、激光器件或电子器件。在一个实例中，半导体器件包含GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、InAlN和/或InAlGaN。在一个实例中，含镓和氮的材料生长在极性、非极性或半极性平面上。在一个实例中，在每个外延材料晶粒上制造一个或多个半导体器件。在一个实例中，无需外延材料的器件组件放置在外延晶粒之间的空间中。
在一个实施方式中，器件晶粒被转移到载体晶圆，使得晶粒之间的距离在横向和横向上都扩大。这可以通过以比衬底上器件晶粒的间距更大的间距来分隔载体晶圆上的键合焊盘来实现。
在本实用新型的另一实施方式中，来自多个外延晶圆的器件晶粒被转移到载体晶圆，使得载体晶圆上的每个设计宽度包含来自多个外延晶圆的晶粒。当从多个外延晶圆以较近的间距转移晶粒时，外延晶圆上未转移的晶粒不会无意接触并键合到已经转移到载体晶圆上的晶粒，这一点很重要。为了实现这一点，使用上述方法将来自第一外延晶圆的晶粒转移到载体晶圆。然后将第二组键合焊盘沉积在载体晶圆上并制成一定厚度，使得第二焊盘的键合表面高于第一组转移晶粒的顶表面。这样做是为了为晶粒与第二外延晶圆的键合提供足够的间隙。第二衬底将第二组晶粒转移到载体。最后，制造半导体器件并沉积钝化层，然后单独驱动对允许每个晶粒的电接触层的沉积。从第一衬底和第二衬底转移的晶粒以小于载体晶圆的第二间距的间距间隔开。该过程可以扩展到从任意数量的衬底转移晶粒，并扩展到从每个衬底按每个晶粒转移任意数量的器件。
根据本实用新型的激光二极管器件的外延结构实例如图8所示。在该实施方式中，n-GaN缓冲层后是牺牲层，且与n接触层一起生长，n接触层将在转移后暴露。覆盖n接触层的是n包覆层、n侧分离限制异质结构 (n-SCH)层、有源区、p侧分离限制异质结构(p-SCH)层、p包覆层和 p接触区。在该实施方式的一个实例中，n型GaN缓冲层生长在c面取向的块状GaN晶圆上。在另一实例中，衬底包括半极性或非极性取向。覆盖缓冲层的是由被GaN势垒隔开的InGaN阱组成的牺牲层，其阱成分和厚度的选择是为了使阱吸收波长短于450nm的光，但在一些实施方式中，吸收边将短至400nm，在其他实施方式中可长达520nm。覆盖牺牲层的是n型接触层，该层由掺杂有5×1018cm-3的硅的GaN组成，但也可以是 5×1017和1×1019cm-3之间的其他掺杂水平。覆盖接触层的是由GaN或 AlGaN层组成的n型包覆层，厚度为1微米，平均成分为4％的AlN，但在其他实施方式中，厚度范围可以从0.25到2μm，平均成分0-8％的氮化铝。覆盖在n包层上的是n型波导或单独的限制异质结构(SCH)层，有助于提供与包层的折射率对比，以减轻对光学模式的限制。nSCH是InGaN，其成分为4％的InN且厚度为100nm，但在其他实施方式中，InGaN nSCH 的厚度范围可为20nm至300nm且InN为0-8％，并且可由若干层组成不同的成分和厚度。覆盖n-SCH的是发光量子阱层，由两个3.5nm厚的 In0.15Ga0.85N量子阱组成，由4nm厚的GaN势垒隔开，但在其他实施方式中也可能有1到7个发光量子阱层，这些阱层由1nm到6nm厚的量子阱组成，并被1nm到25nm厚的GaN或InGaN势垒隔开。覆盖发光量子阱层的是可选InGaN pSCH，其成分为4％的InN，且厚度为100nm，但在其他实施方式中，nSCH的厚度范围可为20nm至300nm，且InN为 0-8％，并且可由若干层组成不同的成分和厚度。覆盖pSCH的是可选 AlGaN电子阻挡层(EBL)，其成分为10％的AlN，但在其他实施方式中， AlGaN EBL成分的范围可以从0％到30％的AlN。覆盖EBL的p型包层由GaN或AlGaN层组成，厚度为0.8微米，平均成分为4％的AlN，但在其他实施方式中，厚度范围可以从0.25μm到2μm，平均成分为0-8％的氮化铝。p包层终止于晶体的自由表面，带有高度掺杂的p++或p接触层，可实现与器件的高质量p型电接触。
一旦如本实用新型所述，激光二极管外延结构被转移到载体晶圆上，就可以使用晶片级工艺将晶粒制造成激光二极管器件。晶片工艺步骤可以类似于本说明书中针对更传统的激光二极管所描述的内容。例如，在许多实施方式中，键合介质和晶粒将具有小于约7微米的总厚度，以便可以使用标准光刻胶、光刻胶分配技术以及接触和投影光刻工具和技术来图案化晶圆。这些特征的纵横比与使用蒸发器、溅射和CVD沉积工具的薄膜沉积相兼容，例如金属和介电层。
激光二极管器件可以具有在转移的含镓氮的外延层中形成的激光条带区域。如果激光器形成在极性c平面上，激光二极管腔体可以在m方向上与解理或蚀刻反射镜对齐。或者，如果激光器形成在半极平面上，则激光二极管腔体可以在c方向的投影中对准。激光条带区域具有第一端和第二端，并在含镓氮衬底上形成，该衬底具有一对面向彼此的解理镜或蚀刻镜结构。第一解理面包括反射涂层，而第二解理面不包括涂层、抗反射涂层或暴露含镓和氮的材料。第一解理面与第二解理面基本平行。第一和第二解理面通过根据一个实施方式的划线和断裂工艺提供，或者通过使用蚀刻技术的蚀刻技术提供，例如反应离子蚀刻(RIE)、电感耦接等离子体蚀刻(ICP)或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)或其他方法。蚀刻工艺中使用的典型气体可能包括Cl和/或BCl3。第一和第二镜面均包括反射涂层。涂层选自二氧化硅、二氧化铪和二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆，包其括组合等。根据设计，镜面还可以包括抗反射涂层。
在一个具体实施方式中，面形成方法包括使衬底经受激光以形成图案。在一个优选实施方式中，该图案被配置用于形成脊状激光器的一对面。在一个优选实施方式中，这对面彼此面对并且彼此平行对齐。在一个优选实施方式中，该方法使用UV(355nm)激光来对激光条划线。在一个具体实施方式中，激光器被配置在系统上，其允许以不同图案和轮廓配置的精确划线。在一些实施方式中，取决于应用，可以在背面、正面或两者上执行激光划线。当然，还可有其他变型、修改和替代。
在一个具体实施方式中，该方法使用背面激光划线等。对于背面激光划线，该方法优选地形成与GaN衬底背面上的激光条垂直的连续线激光划线。在一个具体实施方式中，激光划线通常为大约15-20μm深或其他合适的深度。优选地，背面划线可以是有利的。也就是说，激光划线工艺不依赖于激光条或其他类似图案的间距。因此，根据一个优选实施方式，背面激光划线可导致每个衬底上的激光条密度更高。然而，在一个具体实施方式中，背面激光划线可能会导致胶带在刻面上留下残留物。在一个具体实施方式中，背面激光划线通常要求衬底面朝下放在胶带上。对于正面激光划线，衬底的背面与胶带接触。当然，还可有其他变型、修改和替代。
众所周知，诸如化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)、电感耦接等离子体 (ICP)蚀刻或反应离子蚀刻(RIE)之类的蚀刻技术可以产生平滑和垂直蚀刻的侧壁区域，这些区域可以作为蚀刻面激光二极管中的刻面。在蚀刻面工艺中，掩蔽层可在晶圆表面上沉积并图案化。蚀刻掩模层可由电介质构成，例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy)、它们的组合或其他电介质材料。此外，掩模层可由诸如Ni或Cr之类的金属层构成，但可由金属组合叠层或包含金属和电介质的叠层构成。在另一种方法中，光刻胶掩模可以单独使用或与电介质和/或金属结合使用。蚀刻掩模层使用传统的光刻和蚀刻步骤图案化。可以使用接触式对准器或步进式对准器来执行对准光刻。这种光刻定义的反射镜为设计工程师提供了高水平的控制力。在蚀刻掩模顶部的光刻胶掩模的图案化完成后，使用湿蚀刻或干蚀刻技术将图案转移到蚀刻掩模。最后，使用选自CAIBE、ICP、RIE和/或其他技术的干蚀刻技术将刻面图案蚀刻到晶圆中。蚀刻的刻面表面必须与晶圆的表面平面成大约87度-大约93度之间或大约89度-大约91度之间的高度垂直。蚀刻的刻面表面区域必须非常光滑，均方根粗糙度值小于约50nm、20nm、5nm或1nm。最后，蚀刻必须基本上没有损坏，这可以作为非辐射复合中心，从而降低灾难性光学镜损坏(COMD)阈值。由于蚀刻的化学性质， CAIBE可以提供非常光滑和低损坏的侧壁，同时由于能够倾斜晶圆台以补偿蚀刻中的任何固有角度，因此可以提供高度垂直的蚀刻。
在一个实施方式中，器件层包括超发光发光二极管或SLED。SLED 在许多方面类似于边缘发射激光二极管；然而，该器件的发射面被设计成具有非常低的反射率。SLED类似于激光二极管，因为它基于电驱动结，当注入电流时，该结具有光学活性并产生放大自发辐射(ASE)，并可在很宽的波长范围内增益。当光输出开始由ASE主导时，光输出与电流(LI) 特性的关系出现拐点，其中每单位注入的电流光输出的单位变得非常大。 LI曲线中的这个拐点类似于激光二极管的阈值，但要柔和得多。SLED具有层结构，该层结构被设计为具有一个或多个发光层，其上方和下方覆盖有较低光学指数的材料，从而可以形成横向引导的光学模式。SLED还被制造为具有提供横向光学限制的特征。这些横向限制特征可以由蚀刻脊组成，其中空气、真空、金属或介电材料围绕该脊并提供低光学指数包层。横向限制特征也可以通过将电接触成形为使得注入的电流被限制到器件的有限区域来提供。在这种“增益引导”结构中，具有注入的载流子密度的发光层的光学指数通过色散提供光学模式的横向限制所需的光学指数对比度。发射光谱宽度通常比激光二极管的光谱宽度宽得多(>5nm)，并且在减少显示器中的图像失真、提高眼睛安全性以及增强测量和光谱应用能力方面具有优势。
将SLED设计为对于沿着波导产生的自发发射具有高单程增益或者放大率。SLED器件还将设计为具有低内部损耗，优选地低于1cm-1，然而 SLED可以高于此的内部损耗操作。在理想情况中，发射面反射率将是零，然而在实际应用中，零的反射率难以实现，并将发射面反射率设计为小于 1％，小于0.1％，小于0.001％，或者小于0.0001％的反射率。减小发射面反射率可减小到器件腔体中的反馈，从而增加该器件将开始发激光的注入电流密度。可通过抗反射涂层的添加和通过使发射面相对于SLED腔体成角度的组合使得与面正交的表面和引导模式的传播方向基本上不平行，实现非常低反射率的发射面。通常，这将意味着大于1-2度的偏离。在实践中，理想的角度部分地取决于所使用的抗反射涂层，必须仔细地设计倾斜角，避开反射率和角度的关系中的空值，以获得最佳性能。可在任何相对于引导模式的传播方向的方向上使面相对于引导模式的传播方向倾斜，尽管根据面形成的方法，一些方向可能更易于制造。蚀刻面为面角度确定提供高灵活性。另选地，非常普遍的实现角度输出以减小腔体中的结构干涉的方法将使波导相对于解理面弯曲和/或成角度，解理面在半导体芯片中的预先确定的晶体学平面上形成。在此配置中，光传播的角度以对低反射率设计的具体角度与解理面不正交。还可以通过使发射面粗糙化来增强光提取并且限制反射光耦接回导模的方式来形成低反射率面。SLED适用于根据本实用新型的所有实施方式，并且该装置在合适时可以与激光二极管装置互换使用。
激光条带的特征在于长度和宽度。长度的范围从大约50μm到大约 3000μm，但是优选地在大约10μm和大约400μm之间，在大约400μm和大约800μm之间，或者在大约800μm和大约1600μm之间，但是可以是其他的。条带还具有范围从大约0.5μm到大约50μm的宽度，但是优选地，对于单横向模式操作是在大约0.8μm和大约2.5μm之间，或者对于多横向模式操作是在大约2.5μm和大约35μm之间，但是可以是其他尺寸。在一个具体实施方式中，本装置具有范围从大约0.5μm到大约1.5μm的宽度，范围从大约1.5μm到大约3.0μm的宽度，范围从大约3.0μm到大约35μm 的宽度等等。在一个具体实施方式中，宽度的大小是基本上恒定的，尽管可存在微小变化。通常使用本领域中常用的掩模和蚀刻处理来形成宽度和长度。
通过选自干蚀刻或湿蚀刻的蚀刻工艺提供激光条带。该器件还具有上覆介电区，该介电区暴露出p型结合粗区。覆盖接触区的是接触材料，其可以是金属或导电氧化物或其组合。p型电接触可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射或其他合适的技术来沉积。覆盖衬底的抛光区域的是第二接触材料，其可以是金属或导电氧化物或其组合并且包括n型电接触。 n型电接触可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射或其他合适的技术来沉积。
根据本实用新型的一个实施方式的加工激光二极管横截面的实例在图9中示出。在该实例中，在n型镓和氮接触层902和n型包覆层903的顶部上形成n接触901，n型包覆层903已被蚀刻形成脊形波导904。n型包覆层903覆盖在n侧波导层或单独的限制异质结构(SCH)层905上，并且n侧SCH覆盖在有源区906上，该有源区906包含发光层，例如量子阱。有源区覆盖可选的p侧SCH层907和电子阻挡层(EBL)908。可选的p侧SCH层覆盖p型包覆层909和p接触层910。p接触层910下方是金属叠层911，其包含用于将转移的含镓和氮的外延层附接到载体晶圆 912的p型基础和键合金属。
一旦激光器在已经转移到载体晶圆912的含镓和氮的层内被完全处理，载体晶圆912必须被切割。可以使用多种技术来切割载体晶圆912，并且最佳工艺将取决于载体晶圆912的材料选择。例如，对于非常容易切割的 Si、InP或GaAs载体晶圆，使用常规金刚石划线技术的划线和断裂工艺可能是最合适的切割工艺。对于较硬的材料，例如GaN、AlN、SiC、蓝宝石或其他切割会更加困难的材料，激光划线和断裂技术可能是最合适的。在其他实施方式中，锯切工艺可能是将载体晶圆切割成单个激光芯片的最佳方式。在锯切过程中，使用具有坚硬切割表面(如金刚石)的快速旋转刀片，通常结合喷水来冷却和润滑刀片。通常用于切割晶圆的工具锯实例包括Disco锯和Accretech锯。
通过选择载体晶圆材料，例如AlN、BeO、金刚石，或者适合于作为激光芯片和安装表面之间的基板的SiC，载体晶圆上的切块激光芯片本身是基板上芯片(CoS)。此晶圆级封装特征是本实用新型的剥离且转移的含镓氮外延层实施方式的很大的好处。基板可以是公共支撑构件，CPoS的磷光体构件也将附接于其中。另选地，基板可以是旨在安装到公共支撑构件的中间基板，磷光体材料附接于其中。基板构件的特征在于宽度、长度和厚度。在基板是用于磷光体和激光二极管芯片的公共支撑构件的实例中，基板将具有尺寸的范围从大约0.5mm到大约3mm或者到大约5mm的长度，从大约0.3mm到大约1mm或者从大约1mm到到大约3mm的宽度，及范围从大约200μm到大约1mm的厚度。在基板是激光二极管芯片和公共支撑构件之间的中间基板的实例中，其特征可在于，长度的尺寸的范围从大约0.5mm到大约2mm，宽度的尺寸范围从约150μm到约1mm，且厚度的范围可从大约50μm到大约500μm。
在图10中示出了根据本实用新型的基于剥离且转移的外延含镓氮层的CoS的示意图。CoS由基板材料1001组成，基板材料1001由带有转移外延材料的载体晶圆与配置在外延层1002内的激光二极管构成。电极 1003和1004电耦接到激光二极管器件的n侧和p侧，并配置为将功率从外部源传输到激光二极管，以产生从激光二极管输出的激光束1005。电极配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。可在电极上形成焊线以使电耦接到激光二极管器件并激活激光器。带有转移外延材料的集成CoS装置由于低热阻抗的原因而提供超过图4中举例说明的传统配置的优点，例如大小、成本和性能。
此实施方式描述的在已从原生含镓和氮的衬底转移的含镓和氮的外延层中形成的激光二极管的工艺和器件描述，在美国专利申请号 14/312,427和美国专利公开号2015/0140710中说明，其内容通过引用结合于此。例如，这种GaN转移技术可以实现更低的成本、更高的性能和更高度可制造的工艺流程。
在此实施方式中，可将载体晶圆选择为对集成CPoS白光源提供理想的基板材料。也就是说，用作激光二极管基板的载体晶圆也将用作用于激光二极管和磷光体的公共支撑构件，以使能有超紧凑的CPoS集成白光源。在一个实例中，载体晶圆由碳化硅(SiC)形成。SiC由于其高热导率、低电导率、高硬度和坚固性，以及宽可用性而是理想的候选对象。在其他实例中，可将AlN、金刚石、GaN、InP、GaAs或者其他材料用作载体晶圆和产生的用于CPoS的基板。在一个实例中，将激光芯片切成小块，使得在前激光器面的前部具有旨在用于磷光体的区域。根据本实施方式，然后磷光体材料将键合到载体晶圆并配置为用于激光激发。
在基板构件上制造激光二极管之后，在本实用新型的一些实施方式中，集成白光源的构造将进入磷光体与激光二极管和公共支撑构件的集成。磷光体选择是基于激光器的集成白光源内的关键考虑因素。磷光体必须能够承受极端的光强及由激光激发光斑引起的相关的加热而不会劣化。磷光体选择所考虑的重要特征包括：
·光激发功率到白光流明的高转换效率。在激发黄色磷光体的蓝色激光二极管的实例中，期望超过每光学瓦特150流明的转换效率，或者超过每光学瓦特200流明的转换效率，或者超过每光学瓦特300流明的转换效率。
·在包括1mm、500μm、200μm、100μm或者甚至50μm的直径的点中能够承受1-20W的激光功率的高光学损伤阈值。
·能够承受超过150℃、超过200℃或者超过300℃的温度而不分解的高热损伤阈值。
·低热淬火特征，使得磷光体当其达到超过150℃、200℃或者250℃的温度时保持有效。
·高热导率以散热并调节温度。大于3W/mK、大于5W/mK、大于 10W/mK及甚至大于15W/mK的热导率是希望的。
·适当的用于该应用的磷光体发射颜色。
·合适的多孔性特征，其导致相干激发的预期散射，热导率或者光学效率没有不可接受的减小。
·适当的用于该应用的形状因数。这种形状因数包括，但不限于块、板、盘、球、筒、杆，或者类似的几何形状元件。适当的选择将取决于是在透射模式还是反射模式中操作磷光体，并取决于磷光体中的激发光的吸收长度。
·对该应用优化的表面条件。在一个实例中，磷光体表面可以是有意变粗糙的以改进光提取。
在一个优选实施方式中，在420nm到480nm波长范围内操作的蓝色激光二极管将与提供560nm到580nm范围内的微黄光发射的磷光体材料组合，使得当与激光二极管的蓝光发射混合时，产生白光。例如，为了满足黑体线上的白色点，组合光谱的能量可由大约30％的来自蓝色激光发射和大约70％的来自黄色磷光体发射组成。在其他实施方式中，可将带有红光、绿光、黄光及甚至蓝光发射的磷光体与紫色、紫外线或者蓝色波长范围内的激光二极管激发源组合使用，以通过颜色混合而产生白光。虽然这种白光系统可能由于不止一个磷光体构件的使用而更复杂，但是可实现诸如改进的色彩再现的优点。
在一个实例中，由磷光体元件部分地转换从激光二极管发射的光。在一个实例中，在磷光体元件中产生的部分转换的发射的光导致外观上是白色的色点。在一个实例中，白光的色点位于普朗克黑体点轨迹上。在一个实例中，白光的色点位于小于普朗克黑体点轨迹的0.010的du’v’内。在一个实例中，白光的色点优选地位于小于普朗克黑体点轨迹的0.03的du’v’内。
可在透射模式、反射模式，或者透射模式和反射模式的组合，或者其他模式中操作磷光体材料。磷光体材料的特征在于转换效率、抗热损伤、抗光损伤、热猝灭特性、散射激发光的孔隙率和热导率俱佳。在优选实施方式中，磷光体材料由掺杂有Ce的黄光YAG材料组成，转换效率大于 100流明/光瓦特、大于200流明/光瓦特或大于300流明/光瓦特，并且可以是多晶陶瓷材料或单晶材料。
在本实用新型的一些实施方式中，可独立地调整磷光体的环境以通过很少的成本或者不增加成本地导致高效率。用于激光二极管激发的磷光体优化可包括高透明度、散射或者非散射特性以及陶瓷磷光体板的使用。减小的温度灵敏度可由掺杂水平决定。可对陶瓷磷光体的背面增加反射器，减小损耗。可使磷光体的形状配置为增加内耦合，增加外耦合，和/或减小背面反射。表面粗糙是一种众所周知的增加从固体材料提取光的方式。可对磷光体增加涂层、反射镜或者滤光片，以减小离开非主发射面的光的量，促进光更有效地通过主发射面离开，并促进激光器激发光的更有效的内耦合。当然，还可有额外变型、修改和替代。
在一些实施方式中，某些类型的磷光体在此期望应用中将最佳地与激光激发源协调。作为一个实例，掺有Ce3+离子的陶瓷钇铝石榴石(YAG)，或者基于YAG的磷光体，可以是理想的候选对象。其掺有诸如Ce的物质，以实现适当的发射颜色，并通常包括多孔性特征以使激发源光散射，并恰当地打破激光激发中的相干性。其立方晶体结构的结果是，可将YAG:Ce制备为高度透明的单晶及多晶块状材料。透明度和亮度取决于化学当量组成、掺杂剂的含量，以及整个处理和烧结路线。可对蓝光和黄光的同质混合物优化透明度和散射中心度。YAG:Ce可配置为发出绿光发射。在一些实施方式中，YAG可掺有Eu以发出红光发射。
在一个根据本实用新型的优选实施方式中，用陶瓷多晶YAG:Ce磷光体配置白光源，该磷光体包括大于每光学激发瓦特100流明的光学转换效率，大于每光学激发瓦特200流明的光学转换效率，或者甚至大于每光学激发瓦特300流明甚至更高的光学转换效率。另外，陶瓷YAG:Ce磷光体的特征在于高于150℃，高于200℃或者高于250℃的温度淬火特征，及 5-10W/mK的高热导率，以有效地将热量驱散到散热器构件并将磷光体保持在可操作温度。
在另一根据本实用新型的优选实施方式中，用诸如YAG:Ce的单晶磷光体(SCP)配置白光源。在一个实例中，可通过丘克拉斯基技术生长Ce:Y3Al5O12 SCP。在根据本实用新型的此实施方式中，基于YAG:Ce的 SCP的特征在于大于每光学激发瓦特100流明的光学转换效率，大于每光学激发瓦特200流明的光学转换效率，或者甚至大于每光学激发瓦特300 流明甚至更高的光学转换效率。另外，单晶YAG:Ce磷光体的特征在于高于150℃，高于200℃或者高于300℃的温度淬火特征，及8-20W/mK的高热导率，以有效地将热量驱散到散热器构件并将磷光体保持在可操作温度。除了高热导率、高热淬火阈值和高转换效率以外，使磷光体成形为当用激光器激发时可用作理想的“点”光源的微小形状的能力是引人注目的特征。
在一些实施方式中，YAG:CE可配置为发出黄光发射。在另选的或者相同的实施方式中，YAG:CE可配置为发出绿光发射。在又一另选的或者相同的实施方式中，YAG可掺有Eu以发出红光发射。在一些实施方式中， LuAG配置为用于发射。在另选实施方式中，氮化硅或者氮氧化铝可用作用于红光、绿光、黄光或者蓝光发射的晶体基质材料。
在一个另选实施方式中，包括粉末状单晶或者陶瓷磷光体，例如黄色磷光体或者绿色磷光体。可在透明件上分配粉末状磷光体以进行透射模式操作，或者在固体构件(在磷光体的背面上具有反射层)上，或者在磷光体和固体构件之间分配粉末状磷光体以在反射模式中操作。可使用粘合剂材料将磷光体粉末一起保持在固体结构中，其中粘合剂材料优选地是带有高光学损伤阈值和有利的热导率的无机材料。磷光体粉末可包括彩色磷光体，并配置为当由蓝色激光束激发并与其组合或者由紫色激光束激发时发射白光。粉末状磷光体可包括YAG、LuAG，或者其他类型的磷光体。
在一个本实用新型的实施方式中，磷光体材料包含钇铝石榴石基质材料和稀土掺杂元素等等。在一个实例中，波长转换元件是包含选自Ce、 Nd、Er、Yb、Ho、Tm、Dy和Sm及其组合等的稀土掺杂元素的磷光体。在一个实例中，磷光体材料是高密度磷光体元素。在一个实例中，高密度磷光体元素具有大于纯基质晶体的90％的密度。可使用掺有铈(III)的YAG(YAG:Ce3+，或者Y3Al5O12:Ce3+)，其中磷光体吸收来自蓝色激光二极管的光，并在从微绿色到微红色的宽范围中发射光，大部分输出是黄色。与剩余蓝光发射组合的此黄光发射得到“白色的”光，可将其调节为暖白 (微黄色)或冷白(微蓝色)的色温。可通过用其他稀土元素(例如铽和钆)代替铈来调节Ce3+:YAG的黄光发射，甚至可通过用镓代替YAG中的铝的一部分或者全部来进一步调节该黄光发射。
在另选实例中，可对本实用新型应用各种磷光体，其包括，但不限于有机染料，共轭聚合物，半导体，例如AlInGaP或者InGaN，掺有Ce3+离子的钇铝石榴石(YAG)(Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce3+，SrGa2S4:Eu2+， SrS:Eu2+，基于铽铝的石榴石(TAG)(Tb3Al5O5)，包含CdTe、ZnS、ZnSe、 ZnTe、CdSe或者CdTe的胶体量子点膜。
在其他另选实例中，一些掺有稀土元素的硅铝氧氮聚合材料(塞隆) 可用作磷光体。掺有铕(III)的β-SiAlON吸收紫外光和可见光光谱，并发射强烈的宽带可见光发射。其亮度和颜色由于温度稳定的晶体结构而不会随着温度明显变化。在一个另选实例中，可使用绿色和黄色SiAlON磷光体和红色的CaAlSiN3基(CASN)磷光体。
在又一实例中，可通过将发射近紫外光的激光二极管与基于高效铕的发红光和蓝光的磷光体加上发绿光的掺有铜和铝的硫化锌(ZnS:Cu,Al) 的混合物进行组合，来制造白光源。
在一个实例中，磷光体或者磷光体混合物可选自(Y,Gd,Tb,Sc,Lu, La)3(Al,Ga,In)5O12:Ce3+，SrGa2S4:Eu2+，SrS:Eu2+，以及包含CdTe、ZnS、 ZnSe、ZnTe、CdSe或者CdTe的胶体量子点膜。在一个实例中，磷光体能够发射基本上红色的光，其中磷光体选自由以下物质组成的组： (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中的至少一个，0.0001<x<0.1且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.≤x≤0.3；SrZnO2:Sm3+；MmOnX,其中，M选自Sc、Y、镧系元素、碱土金属及其混合物的组；X是卤素；1≤m≤3；且1 ≤n≤4，并且其中，镧系元素掺杂水平的范围可从0.1到40％光谱权重；以及Eu3+激活磷酸盐或者硼酸磷；及其混合物。可在2015年2月17日授予Raring等人的名为“使用非极性或者半极性含镓材料和磷光体的白光装置”的美国专利No.8,956,894中发现其他磷光体物质和相关技术的进一步细节，该专利是共同拥有的，因此通过引用的方式结合于此。
在根据本实用新型的另一优选实施方式中，白光源配置有选自镧硅氮化物化合物和镧铝硅氮氧化物化合物的单晶磷光体(SCP)或陶瓷板磷光体，其包含Ce3+离子的原子浓度范围从0.01％到10％。可选的，含有Ce3+离子的镧硅氮化物和镧铝硅氮氧化物化合物包括LaSi3N5:Ce3+或 LaAl(Si6-zAlz)(N10-zOz):Ce3+(其中z＝1)。在根据本实用新型的该实施方式中，基于LaSi3N5:Ce3+或LaAl(Si6-zAlz)(N10-zOz):Ce3+(其中z＝1)的SCP 或陶瓷板的特征在于大于100流明/光激发瓦特，或大于200流明/光激发瓦特，或甚至大于300流明/光激发瓦特或更大。此外，单晶磷光体(SCP) 或陶瓷板磷光体LaSi3N5:Ce3+或LaAl(Si6-zAlz)(N10- zOz):Ce3+(其中z＝1) 的特点是温度淬火特性高于150℃，高于200℃，或高于300℃，并且具有>10W/m·K的高热导率，以有效地将热量散发到散热器部件并将磷光体保持在可操作温度。除了高热导率、高热淬火阈值和高转换效率以外，使磷光体成形为当用激光器激发时可用作理想的“点”光源的微小形状的能力是引人注目的特征。
在本实用新型的一些实施方式中，陶瓷磷光体材料嵌在粘合剂材料中，例如硅胶。此配置通常是不太希望的，因为粘合剂材料通常具有较差的热导率，因此会非常热，其中快速劣化甚至燃烧。这种“嵌入的”磷光体通常在动态磷光体应用中使用，例如旋转轮使磷光体冷却并使激发光斑以径向图案在磷光体周围展开的颜色轮。
对于基于激光二极管激发的集成白光源来说，足够的从磷光体的散热是关键的设计考虑因素。具体地，光学泵浦磷光体系统具有磷光体损耗源，其导致热能并由此必须消散到散热器以得到最佳性能。这两个主要损耗源是斯托克斯损耗，其是将更高能量的光子转换成更低能量的光子的结果，使得能量差是产生的系统损耗并以热量的形式消散的能量。另外，测量成功重新发射的所吸收的光子的部分的量子效率或者量子产额不是统一体，使得具有来自其他与非转换光子相关的内部吸收过程的发热。根据激发波长和转换波长的不同，斯托克斯损耗可导致大于10％的入射光学功率损耗、大于20％的入射光学功率损耗和大于30％的及更大的入射光学功率损耗，以导致必须消散的热功率。量子损耗可导致额外的10％的入射光学功率，大于20％的入射光学功率和大于30％的及更大的入射光学功率，以导致必须消散的热功率。对于聚焦到小于1mm直径、小于500微米直径，或者甚至小于100微米直径的光斑大小的0.5W到100W范围内的激光束功率，可产生超过1W/mm2、100W/mm2或者甚至超过2500W/mm2的功率密度。作为一个实例，假设光谱由30％的蓝色泵浦光和70％的所转换的黄光组成，并假设斯托克斯和量子损耗的最佳情况，我们可对0.1W/mm2、10W/mm2、或者甚至超过250W/mm2的磷光体中的10％的总损耗计算热量形式的耗散功率密度。因此，甚至对于此最佳情况实例，有极大的量的热量要消散。在高强度激光激发下在磷光体内产生的此热量可限制磷光体转换性能、颜色质量和寿命。
对于最佳的磷光体性能和寿命，不仅磷光体材料本身应具有高热导率，而且其也将附接到带有高热导率接头的基板或者公共支撑构件，以使热量远离磷光体并将其传输到散热器。在本实用新型中，磷光体或者和CPoS 中的激光二极管一样附接到公共支撑构件，或者附接到随后附接到公共支撑构件的中间基板构件。用于公共支撑构件或者中间基板构件的候选材料是SiC、AlN、BeO、金刚石、铜、铜钨、蓝宝石、铝等等。必须仔细考虑将磷光体连接到基板构件或者公共支撑构件的界面。连接材料应由高热导率材料组成，例如焊料(等等)，并且基本上没有空洞或者其他会阻止热流的缺陷。在一些实施方式中，可使用胶料紧固磷光体。理想地，磷光体键合界面将具有相当大的面积，在界面的磷光体侧和支撑构件侧上都具有平面。
在本实用新型中，激光二极管输出束必须配置为入射到磷光体材料上以激发磷光体。在一些实施方式中，激光束可直接入射到磷光体上，在其他实施方式中，激光束可与光学器件、反射器或者其他物体相互作用，以在入射到磷光体上之前操作激光束。这种光学器件的实例包括，但不限于球透镜、非球面准直器、非球面透镜、快轴或慢轴准直器、分色镜、转镜、光学隔离器，但是可以是其他的。
该设备通常具有带有非引导激光束特征的自由空间，非引导激光束特征将激光束的发射从激光器器件传输到磷光体材料。激光束光谱宽度、波长、大小、形状、强度和偏振被配置为激发磷光体材料。可通过将其定位在离磷光体精确距离处来配置激光束，以利用激光二极管的光束发散特性并实现预期的光斑大小。在一个实施方式中，优化从激光器到磷光体的入射角度以在磷光体上实现预期光束形状。例如，由于激光器孔径的不对称性和光束的快轴与慢轴上的不同的发散角，配置为与磷光体正交的从激光器产生的磷光体上的光斑的形状将是椭圆形的，快轴直径通常大于慢轴直径。为了补偿这一点，可优化磷光体上的激光束入射角以在慢轴方向上拉伸激光束，使得激光束在磷光体更圆。在其他实施方式中，可使用诸如准直透镜的自由空间光学器件来使光束在入射到磷光体上之前成形。光束具有大于50％小于100％的偏振纯度。如本文中使用的，术语“偏振纯度”表示，大于50％的所发射的电磁辐射处于基本上类似的偏振状态，例如横向电场(TE)或者横向磁场(TM)偏振状态，但是可具有其他与普通含义一致的含义。
白光设备还具有电输入接口，该电输入接口被配置为将电输入功率耦接至激光二极管器件以产生激光束并激发磷光体材料。在一个实例中，入射到磷光体上的激光束具有小于0.1W、大于0.1W、大于0.5W、大于1W、大于5W、大于10W，或者大于20W的功率。白光源被配置为产生大于1 流明、10流明、100流明、250流明、500流明、1000流明、3000流明或 10,000流明或更高的白光输出。
支撑构件被配置为将热能从至少一个激光二极管器件和磷光体材料传输到散热器。支撑构件被配置为提供小于10摄氏度/瓦、小于5摄氏度/ 瓦或小于3摄氏度/瓦的耗散功率的热阻抗来表征从激光器设备到散热器的热路径。支撑构件由导热材料组成，例如带有大约400W/(mK)的热导率的铜，带有大约200W/(mK)的热导率的铝，带有大约370W/(mK)的热导率的4H-SiC，带有大约490W/(mK)的热导率的6H-SiC，带有大约230W/(mK)的热导率的AlN，带有大约＞1000W/(mK)的热导率的人造金刚石，蓝宝石，或者其他金属，陶瓷，或者半导体。支撑构件可由诸如SiC、AlN或者人造金刚石的生长处理形成，然后通过机加工、切割、修剪或者模塑而机械地成形。另选地，支撑构件可通过机加工、切割、修剪或者模塑，由诸如铜、铜钨、铝等的金属形成。
在该CPoS白光源的优选配置中，公共支撑构件包括与含镓和氮的激光二极管芯片直接结合的基板相同的基板。即，激光二极管芯片向下安装或附接到由诸如SiC、AlN或金刚石之类的材料构成的基板，并且磷光体材料也安装到该基板，这样基板就成为了公共支撑构件。磷光体材料可以具有位于基板和磷光体之间的中间材料。中间材料可以由诸如铜的导热材料构成。激光二极管可使用传统的晶粒附接技术(其使用诸如AuSn焊料的焊料)附接到基板的第一表面，但是可以是其他技术，例如诸如SAC305 的SAC焊料、含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16 微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约 4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化 (260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。类似地，磷光体材料可使用焊接技术键合到基板，例如AuSn焊料、SAC焊料、含铅磷光体，或者带有铟，但是其可以是其他技术，例如烧结银界面材料。接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)、热粘合剂和其他材料形成。或者，接头可由金属-金属键合(例如Au-Au键合)形成。为了最低热阻抗而优化键合是从磷光体散热的关键参数，这对防止磷光体劣化和磷光体材料的热淬火是关键的。
在该CPoS白光源的替代配置中，激光二极管被键合到配置在含镓和氮的激光器芯片和公共支撑构件之间的中间基板。在此配置中，中间基板可由SiC、AlN、金刚石等组成，并且激光器可使用传统的晶粒附接技术附接到基板的第一表面，该技术使用诸如AuSn焊料的焊料，但是可以是其他技术。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50 W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约 125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。基板的第二表面可以使用类似的技术附接到公共支撑构件，但也可以是其他技术。类似地，磷光体材料可以具有位于公共支撑构件和磷光体之间的中间材料或基板。中间材料可以由诸如铜的导热材料构成。磷光体材料可使用焊接技术键合。在此配置中，公共支撑构件应该由诸如铜或铜钨之类的导热材料构成。为了最低热阻抗而优化键合是从磷光体散热的关键参数，这对防止磷光体劣化和磷光体材料的热淬火是关键的。
在本实用新型的一个具体实施方式中，CPoS白光源配置为用于在透射模式中操作的侧面泵浦磷光体。在此配置中，将磷光体定位在输出激光束的激光器面的前部，使得在激活时所产生的激光束入射到磷光体的背面上，其中激光器和磷光体都配置在支撑构件上。含镓氮激光二极管配置有腔体，腔体具有大于100μm、大于500μm、大于1000μm，或者大于1500 μm长的长度，和大于1μm、大于10μm、大于20μm、大于30μm，或者大于45μm的宽度。腔体配置有在端部上的前面或者前镜及背面或者背镜，其中，前面包括输出面并配置为发射入射到磷光体上的激光束。前面可配置有抗反射涂层以减小反射率，或者完全没有涂层，从而允许辐射通过没有过大反射率的镜子。在一些情况中，涂层可配置为稍微增加反射率。由于从腔体构件的后端将不发射激光束，所以背面或者背镜配置为将辐射反射回到腔体中。例如，背面包括高度反射的涂层，其有大于85％或者 95％的反射率。在一个实例中，磷光体由掺有Ce3+离子的陶瓷钇铝石榴石 (YAG)构成并发射黄光发射。磷光体成形为块状、板状、球状、圆柱状或其他几何形状。将磷光体的形状配置为块、板、球、筒，或者其他几何形状。具体地，磷光体几何主尺寸可小于50μm，小于100μm，小于200 μm，小于500μm，小于1mm，或者小于10mm。在透射模式中操作，磷光体具有用于接收入射激光束的第一主侧面(后侧)，和至少一个第二主侧面(前侧)，在第二主侧面，大多数有用的白光将离开磷光体以耦接到该应用。使磷光体附接到位于激光二极管输出面前部的公共支撑构件或者基板，使得配置为接收激发光的磷光体的第一主侧面将位于激光输出束的光学路径上。激光束几何形状、大小、光谱宽度、波长、强度和偏振，配置为激发磷光体材料。透射模式磷光体操作的一个优点是，减轻激发源阻止或者阻碍从主发射表面发射任何有用的白光发射。另外，通过从磷光体的背面激发，将没有与激发源或者光束相关的可能使光学器件难以集成以使白光准直或者投射的阻碍。在另选实施方式中，YAG:Ce可配置为发射绿光发射。在又一另选的或者相同的实施方式中，YAG可掺有Eu以发出红光发射。在另选实施方式中，氮化硅或者氮氧化铝可用作用于红光、绿光、黄光或者蓝光发射的晶体基质材料。
图11展示了举例说明根据本实用新型的基于在含镓氮衬底技术形成的传统激光二极管的CPoS集成白光源的透射实施方式的示意图。基于激光器的CPoS白光源由基板材料1101组成，其用作配置为用作激光二极管芯片1102和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体材料1106和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。基板1101配置有电极1103和1104，其可形成有沉积的金属层，例如Au。在一个实例中，Ti/Pt/Au用于电极。焊线1105配置为使来自基板1101上的电极1103和1104的电功率耦接到激光二极管芯片1102，以产生从激光二极管输出的激光束。激光束输出激发位于激光器输出面前部的磷光体板1106。磷光体板1106附接到台面 1107或凹入区域上的基板。电极1103和1104被配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线1105可在电极上形成以使功率耦接到激光二极管器件1102。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体，不同的基板或者公共支撑构件的几何形状设计，不同的激光输出束相对于磷光体的方向，不同的电极和电气设计等等。
图12展示了举例说明根据本实用新型的CPoS集成白光源的另选的透射实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。基于激光器的CPoS白光装置由基板材料1201组成，其用作配置为用作激光二极管1202(其在转移的含镓氮外延层中形成)和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料1206和最终安装面1207之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管或者CoS基板1201配置有电极1203和1204，其可由沉积金属层和包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、Ti等等的金属层的组合形成。激光束输出激发位于激光器输出面前部的磷光体板1206。磷光体板1206附接到台面1207或凹入区域上的基板。电极1203和1204配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线 (未示出)可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件1202，以产生从激光二极管输出的激光束。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体、不同的基板或者公共支撑构件的几何形状设计、不同的激光输出束相对于磷光体的方向、不同的电极和电气设计等等。
在本实用新型的许多实施方式中，必须小心地设计和处理磷光体和公共支撑构件之间的连接界面。应使用合适的连接材料、界面几何形状和连接工艺实践来最小化该连接接头的热阻，以实现允许散热的足够低的热阻。而且，附接界面可设计为增加反射率以将离开磷光体的发射表面的有用的白光增到最大。实例包括AuSn焊料、SAC焊料(例如SAC305)、含铅焊料或铟，但也可以是其他焊料。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn 具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。接头还可以由导热胶、热环氧树脂和其他材料形成。具有激光器和磷光体材料的公共支撑构件被配置为提供小于10摄氏度/瓦或小于5摄氏度/瓦的耗散功率的热阻抗，这代表着从激光器设备到散热器的热路径。支撑构件由诸如铜、铜钨、铝、SiC、蓝宝石、AlN或其他金属、陶瓷或半导体的导热材料构成。侧泵透射装置具有以长度、宽度和高度为特征的形状因数。在一个实例中，高度的特征在于小于25mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。
为了改进集成白光源的效率，可采取措施将从第一表面出射的光的量减到最小，其中，激光器激发光入射到磷光体上，并将离开磷光体的第二主白光发射侧的光增到最大，有用的白光在该第二主白光发射侧离开。这些措施可包括，使用滤光片、光谱选择性反射器、传统的镜子、空间镜、基于偏振的滤光片、全息元件，或者涂层，但是可以是其他的。
在一个用于透射模式磷光体的实例中，将滤光片定位在磷光体的背面上以朝向磷光体的前部反射向后传播的黄光发射，在磷光体的前部，其具有另一离开主发射表面进入有用的白光的机会。在此配置中，反射器将必须设计为不阻止来自激光器的蓝色激发光。反射器可由光谱选择性分布式布喇格反射器(DBR)镜构成，其由2个或更多个交替的有不同折射率的设计为在较宽范围的角度上反射黄光的层组成。DBR可使用诸如电子束沉积、溅射沉积，或者热蒸发的技术直接沉积在磷光体上。另选地，DBR 可以是应用于磷光体的板状元件的形式。由于在由黄光发射和蓝光发射的混合构成的典型的白光源中，黄光发射包括大约70％的能量，所以反射黄光的此方法在许多应用中可以是足够的措施。当然，还可有额外变型、修改和替代。
在另一用于透射模式磷光体的实例中，将滤光片系统定位在磷光体的背面上以朝向磷光体的前部反射向后传播的黄光发射和向后散射的蓝色激发光，在磷光体的前部，其具有另一离开主发射表面进入有用的白光的机会。此配置的挑战是，允许向前传播的蓝色泵浦激发光通过滤光片，不允许向后散射传播的蓝光通过。一种克服此挑战的方法是，利用对入射角反射率依赖性设计的滤光片并以入射角配置激光器，其中反射率是最小值，例如正入射。而且，在此配置中，反射器可由DBR镜配置，使得一个DBR 镜对将反射黄光，第二DBR对将用来反射具有确定角关系的蓝光。DBR 可使用诸如电子束沉积、溅射沉积，或者热蒸发的技术直接沉积在磷光体上。另选地，DBR可以是应用于磷光体的板状元件的形式。当然，还可有额外变型、修改和替代。
图13展示了举例说明根据本实用新型的CPoS集成白光源的另选的透射实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。当然，诸如图4和图11所示的基板上芯片的传统实施方式可用于包括用于改进效率的光学元件的此实施方式。基于激光器的CPoS白光装置由基板材料1201组成，其用作配置为用作激光二极管1202(其在转移的含镓氮外延层中形成)和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料1206 和最终安装面1207之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管1202或者CoS基板1201配置有电极1203和1204，其可形成为具有沉积金属层和包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、Ti等等的金属层的组合。激光束输出激发位于激光器输出面前部的磷光体板1206。在此实施方式中，磷光体板1206涂有材料1208，其配置为增加白光源的效率，使得更多有用的白光从磷光体板1206的主发射表面离开。在此实施方式中，涂层1208配置为增加黄光发射及可能蓝光发射的反射率，以使光反射回前发射表面。磷光体板附接到台面1207或凹入区域上的基板。电极1203和1204配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线(未示出)可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以产生从激光二极管输出的激光束。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体、不同的基板或者公共支撑构件的几何形状设计、不同的激光输出束相对于磷光体的方向、不同的电极和电气设计等等。
第二种克服在允许向前蓝光发射穿过的同时反射向后传播的蓝光发射和黄光发射的挑战的方法是，利用组合黄色光谱选择性反射器的滤光片系统，例如DBR和用于蓝光的基于偏振的反射器。由于来自激光激发源的蓝光发射可以大于90％或者大于95％的偏振比高度偏振，并且向后传播的散射的蓝光将具有混合偏振，所以基于偏振的反射器可配置为允许激光二极管输出束(例如TE)的偏振状态自由地通过同时用作其他偏振状态的反射器的滤光片。此配置将可能需要两个可组合到单个物片中的元件。第一个元件将是黄光反射器，例如DBR镜对或者另一设计为反射黄光的单层膜或者多层膜。第二个元件将是偏振敏感材料，例如塑料，陶瓷，金属，或者玻璃。DBR或者其他黄色反射材料可使用诸如电子束沉积、溅射沉积，或者热蒸发的技术直接沉积在磷光体上或者偏振滤光片元件上。另选地，DBR可以是应用于磷光体的板状元件的形式。偏振敏感元件可沉积在磷光体上或者定位、胶粘或附接到磷光体的背面上。当然，还可有额外变型、修改和替代。
第三种克服在允许向前蓝光发射通过的同时反射向后传播的蓝光发射和黄光发射的挑战的方法是，利用组合黄色光谱选择性反射器的滤光片系统，例如DBR和用于蓝光的基于空间的反射器。此配置将可能需要两个可组合到单个物片中的元件。第一个元件将是黄光反射器，例如DBR 镜对或者另一设计为反射黄光的单层膜或者多层膜。第二个元件将由反射蓝光的元件组成，并将以选择性方式应用于磷光体的背面，使得其在激光束入射到磷光体上的地方不存在，但是在激光束不入射的区域上存在。第二个元件可以是另一DBR涂层堆或者宽带反射器材料，例如Ag或者Al。诸如DBR和其他黄色反射材料的第一个元件和在空间上反射蓝光的第二个元件都可使用诸如电子束沉积、溅射沉积，或者热蒸发的技术直接沉积在磷光体上或者偏振滤光片元件上。另选地，DBR可以是应用于磷光体的板状元件的形式。偏振敏感元件可沉积在磷光体上或者定位、胶粘或附接到磷光体的背面上。当然，还可有额外变型、修改和替代。
在其他实施方式中，可使用涂层或者其他材料减小磷光体的前发射表面的反射率。在又一实施方式中，可应用涂层或者附加元件以减小磷光体表面上的入射光束的反射率。在使用离轴激光束入射角的配置中，这种减小磷光体上的激光束的反射率的措施可能是关键的。
在本实用新型中，激光二极管输出束必须配置为入射到磷光体材料上以激发磷光体。该设备通常具有带有非引导激光束特征的自由空间，非引导激光束特征将激光束的发射从激光器器件传输到磷光体材料。激光束光谱宽度、波长、大小、形状、强度和偏振被配置为激发磷光体材料。具体地，在许多应用中，希望具有圆形激光激发束，使得磷光体上的所照亮的光斑也是圆形的，并且产生的白光发射从圆形区域辐射。这种圆形区域对于使用传统的光学器件和常用于圆形发射的反射器形成准直光源或者点光源是有利的。另外，圆形光束在磷光体中产生一些对称性，使得没有会导致磷光体转换效率变化或者甚至启动磷光体中的故障机构的热点。
此相同的概念也可用来产生其他形状，例如椭圆形，圆锥形，长方形，或者其他用于需要非圆形光束的应用的形状。例如在汽车前灯中，希望定制化空间图案在预期区域中产生照明，并在光束图案中产生更深的光斑，以避免对其他迎面而来的驾驶员产生强光。
当光束在自由/非引导空间中传播时，来自典型边缘发光二极管激光器的输出束的固有发散特性导致在x方向(慢发散轴)上和y方向(快发散轴)上展开的光束。复杂的问题是，从激光二极管中的波导约束特征产生的快轴和慢轴上的光束的不同的发散率。例如，典型的半峰全宽(FWHM) 光束发散角的范围从慢轴中的大约5-20度到快轴中的10至40度，但是可以是其他的。激光束的发散的另一措施是，在功率已经下降到1/e2水平的输出束中的点采用的发散角。对于此1/e2措施，典型的光束发散角的范围从慢轴中的10-30度到快轴中的20至80度，但是可以是其他的。因此，快轴与慢轴发散角的比例的范围从大约2:1到大约4:1。产生的从自由空间/非引导激光束投射的光斑是椭圆形形状，通常带有比慢轴直径大的快轴直径。图14展示了举例说明来自激光二极管的椭圆形输出束的一个实例的示意图，激光二极管有θ1的快轴发散角、D1的快轴光斑直径、θ2的慢轴发散角，以及D2的慢轴光斑直径。
图15示意性地举例说明了可用来计算快轴或者慢轴中的光束直径的几何形状的简化实例，激光二极管远离平面距离为L。为了计算光斑直径 D1和D2的数量值，必须知道激光二极管孔径尺寸，以及平投影表面离激光器孔径的距离。图16展示了快轴光斑直径D1、慢轴光斑直径D2，以及对于变化的离激光器孔径的距离L的快轴与慢轴直径的比例的图。图16的实例计算假设40度的1/e2快轴发散角、20度的1/e2慢轴发散角、25μm 的孔径宽度，以及1μm的孔径高度。如在用于此实例的图中看到的，对于远离激光器孔径大于100μm的投影表面(即，磷光体)，光束快速地变成椭圆形，快轴直径比慢轴直径大大约2倍。在远离孔径大约70μm的距离处，快轴直径和慢轴直径几乎相等，大约是50μm。因此，为了通过此激光二极管配置实现最圆的光斑，磷光体应放在激光二极管前面大约70 μm处，其中光斑的直径将是50μm。虽然不使用附加光学器件来准直并成形而具有圆形光束将是有利的，但是这种设计可能不是最实际实施的，因为磷光体位于激光器附近，这可能产生装配和制造的挑战。而且，如果磷光体质量和/或散热无法承受高功率密度，那么带有非常高的大于1W或者大于4W的功率的非常小的光束直径会在磷光体中产生问题。然而，当使磷光体进一步从孔径移动时，光束快速地变成椭圆形，这在许多应用中将不是和圆形光斑一样是理想的。
在本实用新型的一个实施方式中，将准直光学器件定位在激光二极管和磷光体之间以使输出激光束准直并成形。通过将自由空间光学器件放在输出激光束前面，可使光束形状成形以提供圆形光束轮廓，并使光束形状准直使得磷光体可位于带有较大公差的面的前面一定距离处，并保持相对恒定的光斑大小。在一个实例中，使用非球面透镜来使激光束准直和/或成形。在一个另选实施方式中，使用快轴准直(FAC)和/或慢轴准直(SAC) 透镜来使激光束准直。在另选实施方式中，可包括各种组合的其他光学器件，以使光束成形、准直、指向、过滤或者操作。这种光学器件的实例包括，但不限于再成像反射器、球透镜、非球面准直器、分色镜、转镜、光学隔离器，但是可以是其他的。
图17展示了举例说明根据本实用新型的CPoS集成白光源的透射磷光体实施方式的示意图，CPoS集成白光源包括自由空间光学器件以使激光束准直并成形从而入射到磷光体上。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。当然，诸如图4和图11所示的基板上芯片的传统实施方式可用于此集成自由空间光学实施方式。基于激光器的CPoS白光源由基板材料1301组成，其用作被配置为用作形成在传输的含镓氮外延层上的激光二极管芯片1302和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料 1305和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管1302和/ 或基板1301配置有电极1303和1304，电极1303和1304可以由沉积的金属层和包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、钛或其他的金属层的组合形成。激光束输出耦合至非球面透镜1305用于准直和光束成形以产生更圆的光束，然后激发位于非球面透镜1305前面的磷光体板1306。磷光体板 1306附接到台面1307或凹入区域上的基板。电极1303和1304被配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线(未示出)可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以产生从激光二极管输出的激光束。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体、基板或者公共支撑构件的不同几何形状设计、激光输出束相对于磷光体的不同取向、不同的电极和电气设计等等。
在一个另选的优选实施方式中，可通过使磷光体激发表面相对于激光二极管孔径倾斜并将激光二极管定位在离磷光体设计距离处以利用激光二极管的光束发散特性且实现预期光斑大小，来实现光束成形。此“无光学器件”光束成形实施方式比引入光学元件来进行光束成形和准直的实施方式有利。用于白光源设备的此实施方式的这些优点包括简化设计、更低成本的材料清单、更低成本的装配过程，以及可能更紧凑的白光源。在一个实施方式中，优化从激光器到磷光体的入射角度以在磷光体上实现预期光束形状。如对图16的实例讨论的，通过将磷光体定位在远离激光器孔径大约70μm的地方，可实现相对均匀的带有大约50μm直径的光束。除了控制激光器离磷光体的距离以外，激光束的入射角还可用来控制入射到磷光体上的光束的形状。作为一个实例，图18示出了当使磷光体或者投影表面相对于快轴倾斜时对光斑大小的影响。通过沿着此轴倾斜，在磷光体上产生更大的快轴直径D1，使得光束光斑变得更椭圆形。按照相同的原理，如图19中举例说明的，当使磷光体或者投影表面围绕慢轴旋转时，可增加慢轴直径D2，使得光斑直径比变得更接近1，并且光束变得更圆。
图20示意性地举例说明了可用来计算快轴或者慢轴中的光束直径 (r1+r2)的几何形状的简化实例，激光二极管远离倾斜的磷光体或者投影表面距离为L，磷光体或者投影表面以角度ω从快轴或者慢轴倾斜。通过实现该几何形状，可对相对圆形的光束形状确定最佳顺序和最佳磷光体倾斜角。例如，图21展示了快轴光斑直径D1、慢轴光斑直径D2，以及对于变化的离激光器孔径的距离L的快轴光斑直径与慢轴光斑直径的比例的图，假设相对于慢轴是33度的磷光体倾斜角。图21的实例计算假设40 度的1/e2快轴发散角、20度的1/e2慢轴发散角、25μm的孔径宽度，以及 1μm的孔径高度。如在用于此实例的图中看到的，对于诸如磷光体的投影表面，1的光束比出现在隔离激光器孔径和磷光体的大约600μm的距离L处，其中光束直径D1和D2是大约500μm。优化此配置以甚至在L 的大范围上保持1的光束比和对应的光斑大小。
图22展示了举例说明根据本实用新型的CPoS集成白光源的透射磷光体实施方式的示意图，CPoS集成白光源包括倾斜磷光体设计以在激光器上实现更圆的激发光斑。在此实施方式中，在衬底上安装传统的包含完整激光二极管芯片的基板。基于激光器的CPoS白光源由基板材料2201组成，其用作配置为用作激光二极管芯片2202和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体材料2206和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管或者CoS配置有电极2203和2204，其可由沉积金属层和包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、Ti等等的金属层的组合形成。焊线2205配置为耦接来自电极2203和2204的电功率。使磷光体板2206围绕激光二极管输出的慢轴倾斜，以在磷光体上导致更圆的激发光斑。例如，根据图20中的计算，磷光体板2206可位于大约33度的角度。磷光体板2206附接到台面2207或凹入区域上的基板。电极2203和2204配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线(未示出)可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以产生从激光二极管输出的激光束。当然，这仅是配置的实例，并且在该实施方式上可以有许多变体，包括但不限于不同形状的磷光体、不同的磷光体角度或方向、子基板或公共支撑构件的不同几何设计、激光器的不同方向输出光束与磷光体、不同的电极和电气设计等有关。
图23展示了举例说明根据本实用新型的CPoS集成白光源的透射磷光体实施方式的示意图，CPoS集成白光源包括倾斜磷光体设计以在激光器上实现更圆的激发光斑。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。当然，诸如图4和图11所示的基板上芯片的传统实施方式可用于此倾斜磷光体实施方式。基于激光器的CPoS白光源由基板材料2301组成，其用作配置为用作形成在传输的含镓氮外延层上的激光二极管芯片2302和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料2305和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管或者CoS配置有电极2303和2304，其可以由沉积金属层和包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、Ti等的金属层的组合形成。磷光体板2305围绕激光二极管输出的慢轴倾斜，以在磷光体上产生更圆形的激发光斑。例如，根据图20中的计算，磷光体板2305 可位于大约33度的角度。磷光体板2305附接到台面2307或凹入区域上的基板。电极2303和2304配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线(未示出)可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以产生从激光二极管输出的激光束。当然，这仅是配置的实例，并且在该实施方式上可以有许多变体，包括但不限于不同形状的磷光体、不同的磷光体角度或方向、子基板或公共支撑构件的不同几何设计、激光器的不同方向输出光束与磷光体、不同的电极和电气设计等有关。
在本实用新型的替代实施方式中，多个磷光体以透射模式操作以用于发射白光。在一个实例中，紫色激光二极管配置为发射395nm到425nm 的波长，并激发第一蓝色磷光体和第二黄色磷光体。在该配置中，第一蓝色磷光体板可以熔合或结合到第二黄色磷光体板。在实际配置中，激光束将直接入射在第一蓝色磷光体上，其中一部分蓝光将激发第二黄色磷光体发射黄光，以与蓝光结合并产生白光。此外，紫色泵将基本上全部被吸收，因为蓝色磷光体中可能没有吸收的物质随后将被黄色磷光体吸收。在替代的实际配置中，激光束将直接入射到第二黄色磷光体上，其中一部分紫色电磁发射将被黄色磷光体吸收以激发黄光，而剩余的紫光将传递到蓝色磷光体并产生蓝光，以将黄光与蓝光结合并产生白光。
在根据本实用新型的多磷光体透射实例的替代实施方式中，以425nm 至480nm的波长操作的蓝色激光二极管被配置为激发第一绿色磷光体和第二红色磷光体。在该配置中，第一绿色磷光体板可以熔合或结合到第二红色磷光体板。在实际配置中，激光束将直接入射到第一绿色磷光体上，其中一部分绿光将激发第二红色磷光体发射红光，以与绿色磷光体发射和蓝色激光二极管发射组合以产生白光。在替代的实际配置中，激光束将直接入射到第二红色磷光体上，其中一部分蓝色电磁发射将被吸收在红色磷光体中以激发红色发射，而剩余的蓝色激光发射的一部分将传递到绿色磷光体并产生绿光，与红色磷光体发射和蓝色激光二极管发射组合以产生白光。此实施方式的好处或者特征是更高的颜色质量，其可从由红光、绿光和蓝光发射组成的白光实现。当然，本实用新型可存在其他变型，包括集成不止两个磷光体，并且可包括红色、绿色、蓝色和黄色磷光体中的一个或者其组合。
在侧面泵浦磷光体配置的又一变型中，实现了“点源”或“点源样” CPoS白光发射装置。在此配置中，磷光体将具有三维几何形状，例如立方体几何形状或者球体几何形状，使得可从多个主发射表面发射白光，理想地从三维磷光体几何形状的整个表面积发射白光。例如，在立方体几何中，立方体的所有六个面都可以发射白光，或者在球体配置中，整个表面都可以发射以创建完美的点光源。在本实用新型的一些实际实现方式中，三维磷光体几何形状的某些表面由于障碍或者阻碍的原因而可以不自由地发光。例如，在该实施方式的一些配置中，磷光体附接到公共支撑构件，其中公共支撑构件可能不是完全透明的。在此配置中，安装表面或支撑构件将阻碍磷光体从面向安装表面或支撑构件的侧面或部分的磷光体发射。这种阻碍会降低点光源白光发射器的整体效率或质量。然而，这种光的发射障碍可以利用各种技术被最小化或被减轻，以提供非常有效的点光源。在一个配置中，磷光体由光学透明构件支撑，使得光从磷光体点光源在所有方向上自由发射。在一种变型中，磷光体完全被光学透明材料包围或封装，该光学透明材料包括例如SiC、蓝宝石、金刚石、GaN或其他的固体材料，或者类似水的液体材料或更导热的液体。
图24展示了举例说明根据本实用新型的CPoS集成白光源的点光源激光泵浦磷光体实施方式的示意图，CPoS集成白光源包括带有三维几何设计以提供点光源的磷光体。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。当然，诸如图4和图11所示的基板上芯片的传统实施方式可用于此点光源磷光体实施方式。基于激光器的CPoS白光源由基板材料2401组成，其用作配置为用作形成在传输的含镓氮外延层上的激光二极管芯片2402 和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料2405和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管或者CoS配置有电极2403和2404，其可以由沉积金属层和包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、Ti等的金属层的组合形成。三维磷光体构件2405被配置在激光二极管的前面，使得输出激光束2406入射在磷光体的激发侧，并且磷光体构件2405的多个侧面被配置为发射白光。磷光体构件2405的几乎所有侧面都可发光，但在一些实施方式中，例如图24所示的实施方式，可从磷光体构件2405 附接到台面2407或凹入区域上的基板的安装面阻止发射。电极2403和2404被配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线(未示出)可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以产生从激光二极管输出的激光束306。当然，这仅是配置的实例，并且在该实施方式上可以有许多变体，包括但不限于不同形状的磷光体(例如球形或半球形)、不同的磷光体角度或方向、子基板或公共支撑构件的不同几何设计、激光器的不同方向输出光束与磷光体、不同的电极和电气设计等有关。
在根据本实用新型的一些实施方式中，周期性2D光子晶体结构可以应用于单晶或多晶磷光体材料结构。这种结构将用于抑制给定方向上的发射，并在适合和选择用于装置设计的方向上重新引导光离开晶体。如今的磷光体结构主要是朗伯发射体，波导和临界角发挥作用的地方除外。如今，许多磷光体满足创建光子晶体结构(具有低光吸收的介电或金属介电材料) 所需的基本材料要求。将光子晶体结构添加到磷光体板材料，将能够在这些材料中在一个方向上增强超过其他方向上的光提取。这可以将激发和发射特性分开，从而允许更大的设计灵活性。
在侧面泵浦磷光体实施方式的又一个变型中，磷光体从侧面被激发，并且被配置为从顶面发射大部分白光。在此配置中，磷光体很可能具有立方体几何形状、圆柱体几何形状、多面体几何形状、六角形几何形状、三角形几何形状、棱锥几何形状或其他多边几何形状，其中白光被配置为主要从磷光体的顶面发射。在此配置中，激光束将从磷光体的第一侧进入磷光体，在该第一侧，带有第一波长的激光激发光的一部分将被转换为第二波长。磷光体的该第一侧可以被配置为用于改变反射率，例如涂层或处理，以降低蓝色或紫色波长范围内的反射率，并增加磷光体发射波长范围(例如黄色)的反射率。在侧泵浦实施方式的一个实例中，激光激发束以布鲁斯特角入射在磷光体的第一侧上。磷光体的附加侧面可以被涂覆、处理或成形，以增加对激光激发波长和磷光体转换波长的反射率，使得磷光体内的光能在磷光体内部反射，直到它从磷光体中从顶端逸出。可以使用特殊的磷光体成形或涂层技术来提高从顶面逸出的光的比例。这种配置的第一个强大优势是，白光光斑尺寸由磷光体尺寸控制，通过避免由于散射、反射以及缺乏磷光体的有效吸收而在磷光体内发生的光斑尺寸增长，这可以实现比替代透射或反射模式配置更小的光斑尺寸。超小光斑尺寸对于定向应用中的大多数有效准直来说是理想的。该配置的第二个优点是理想的散热配置可以通过热能和机械方式附接到散热器，其中对于磷光体构件而言，其与具备磷光体整个底表面的反射模式配置相同。此外，由于激光二极管部件不像反射模式配置那样需要厚的或成角度的中间支撑部件来提升光束并控制角入射，因此激光器可以安装在更靠近基底部件的位置，以获得通往散热器的更短的热传导路径。第三个优点是固有的安全设计，因为主发射可能来自与激光束方向正交的磷光体的顶面，这样在磷光体破裂或受损的情况下，激光束将不会指向白色光捕获的方向。在此配置中，如果要去除或破坏磷光体，激光束将入射到封装的侧面。此外，这种配置将避免反射配置中的潜在问题，在反射配置中，逃逸光束可能由入射光束在表面顶部的反射产生。在这种侧面泵浦配置中，反射光束将基本上包含在封装中。第四个优点是，由于激光二极管或SLED器件可以平坦地安装在基底构件上，因此可以简化组装过程和部件。在该侧面泵浦配置中，促进来自磷光体的顶面的主发射可能是有利的。这可以通过促进光从顶面逃逸的处理方式来实现，例如应用抗反射涂层或粗糙化，以及通过减少光从侧面和底面逃逸的处理方式来实现，例如应用高反射层，例如金属或电介质层。
图24A展示了举例说明根据本实用新型的集成激光器-磷光体白光源的实施方式中的侧面泵浦磷光体的示意图，集成激光器-磷光体白光源包括带有三维几何设计以提供点光源的磷光体。基于激光器的白光源由基板材料2501组成，其用作配置为用作激光二极管芯片2502和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体材料2506和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。基板2501配置有电极2503和2504，其可形成有沉积的金属层，例如Au。在一个实例中，Ti/Pt/Au用于电极。在此实例中，激光二极管芯片以p侧向下的方式安装，从芯片的n侧向基板配置焊线2505。提供给基板上的电极2503和2504的电功率对激光二极管芯片供应电流，以产生从激光二极管输出的激光束2508。激光束输出激发位于激光器输出面前部的磷光体2506。磷光体2506附接到台面2507A或凹入区域上的基板 2501。电极2503和2504被配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以产生从激光二极管308输出的激光束。发射光束2508被配置为激发侧面上的磷光体2506，其中，至少从磷光体2506顶面发射白光或者波长转换光2509。在该实施方式中，磷光体2506的顶面被配置为减小反射率以促进光发射，这可通过光学涂覆、粗加工，或者另一处理来配置。磷光体2506的侧面也可以被配置为有助于发光，但可以优选地被涂覆或处理以在磷光体中反射或包含光以促进顶部表面发射。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体(例如立方体、三角形或其他多边几何形状)、基板或者公共支撑构件的不同的几何形状设计、激光输出束相对于磷光体的不同取向、不同的电极和电气设计等等。
图24B展示了举例说明根据本实用新型的集成激光器-磷光体白光源的另选实施方式中的侧面泵浦磷光体的示意图，集成激光器-磷光体白光源包括带有三维几何设计以提供点光源的磷光体。基于激光器的白光源由基板材料2501组成，其用作配置为用作激光二极管芯片2502和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件，例如封装构件的表面。基板2501配置有电极2503和2504，其可形成有沉积的金属层，例如Au。在一个实例中，Ti/Pt/Au用于电极。在该实例中，激光二极管芯片2502以p侧向下的方式安装，并且焊线2505被配置在从芯片2502的n侧到基板2501。向基板上的电极2503和2504的供电电流通往激光二极管2502，产生从激光二极管2502输出的激光束2508。激光束2508激发位于输出激光器面前面并安装在基板2501或支撑构件2507B上的磷光体2506。支撑构件2507B充当激光二极管2502和诸如封装构件表面的最终安装表面之间的中间材料。电极2503和2504配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线2505可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以产生从激光二极管2502输出的激光束。发射光束2508被配置为激发侧面上的磷光体2506，其中，至少从磷光体2506顶面发射白光或者波长转换光2509。在一个优选实施方式中，顶面配置为减小反射率以促进光发射，这可通过光学涂覆、粗加工，或者另一处理来配置。在一个优选实施方式中，磷光体2506的侧面可以被配置为包含光并促进从顶面的初级发射。在另选实施方式中，磷光体也可以被配置为有助于发光，但可以优选地被涂覆或处理以在磷光体中反射或包含光以促进顶部表面发射。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体(例如立方体、三角形或其他多边几何形状)、基板或者公共支撑构件的不同几何形状设计、激光输出束相对于磷光体的不同取向、不同的电极和电气设计等等。
在其他变型中，支撑构件可用来操纵集成白光源中的光。在一个实例中，光学透明支撑构件可用作用于使激光到达磷光体的波导。在另一实例中，光学透明支撑构件可配置为将激光传输到磷光体构件。在此变型的支撑构件操纵光的其他实例中，可使支撑构件的形状或者结构配置为形成反射器、镜子、扩散器、透镜、吸收器，或者其他操纵光的构件。在另一变体中，支撑构件还可用作保护性安全措施，以确保在其行进到达磷光体时不暴露直接发射的激光。由于发射孔径和发射角的产品随着后续光学器件和反射器的添加而保存或丢失的事实，能够产生真正的全向发射的点光源随着点源变得越来越小而越来越有用。具体而言，例如，可以使用小型光学器件或反射器准直小型点光源。然而，如果将相同的小型光学器件和/ 或反射器组件应用于大型点光源，则光学控制和准直会减弱。
在CPoS白光源的另一具体优选实施方式中，本实用新型被配置用于反射模式磷光体操作。在一个实例中，激发激光束通过与发射有用的白光相同的主表面进入磷光体。即，在反射模式下操作时，磷光体可以具有第一主表面，该第一主表面被配置用于接收入射的激发激光束并发射有用的白光。在该配置中，磷光体位于输出激光束的激光器面的前面，其中激光器和磷光体都配置在支撑构件上。含镓氮激光二极管配置有长度大于 100μm、大于500μm、大于1000μm或大于1500μm且宽度大于1μm、大于10μm、大于20μm、大于30μm或大于45μm的腔体。腔体在端部配置有正面和背面，其中正面包括输出面并发射入射到磷光体上的激光束。正面可配置有抗反射涂层以减小反射率，或者完全没有涂层，从而允许辐射通过没有过大反射率的镜子。在一些情况中，涂层可配置为稍微增加反射率。由于从腔体构件的后端将不发射激光束，所以背面或者背镜配置为将辐射反射回到腔体中。例如，背面包括高度反射的涂层，其有大于85％或者95％的反射率。在一个实例中，磷光体可以由掺杂Ce的YAG组成并且发射黄光。磷光体可以是陶瓷磷光体，并且可以是单晶磷光体。磷光体优选形成为大致平坦的部件，如具有正方形、长方形、多边形、圆形、椭圆形等形状的板、片等，并且特征在于厚度。在优选实施方式中，磷光体的大表面积的长度、宽度和/或直径尺寸大于磷光体的厚度。例如，直径、长度和/或宽度尺寸可以比厚度大2倍、比厚度大5倍、比厚度大10倍或比厚度大50倍。具体地，磷光体板可配置为直径大于50μm、大于100μm、大于200μm、大于500μm、大于1mm，或者大于10mm，厚度小于500 μm、小于200μm、小于100μm，或者小于50μm的圆。反射模式磷光体的关键好处是能够将其配置为具有非常好的散热性能，因为磷光体的表面的背面可直接散热器到公共支撑构件或者中间基板构件。由于磷光体优选地是薄的，所以热路径短且可快速地行进到支撑构件。在另选的或者相同的实施方式中，YAG:CE可配置为发出绿光发射。在又一另选的或者相同的实施方式中，YAG可掺有Eu以发出红光发射。在另选实施方式中，氮化硅或者氮氧化铝可用作用于红光、绿光、黄光或者蓝光发射的晶体基质材料。
在本实用新型反射模式CPoS白光源实施方式的一个实例中，需对光学涂覆、材料选择、或者特殊设计进行考虑，以通过最大化离开磷光体主表面的光量来提高效率。在一个实例中，磷光体的背面可以涂覆有反射层或具有位于磷光体的与主发射表面相邻的后表面上的反射材料。反射层、涂层或材料有助于反射撞击磷光体后表面的光，使得这些光反射并穿过主表面射出，从而在那里捕获有用光。在一个实例中，涂层被配置为增加对黄光和蓝光的反射率，并且在将磷光体附接到公共支撑构件之前被施加到磷光体。这种涂层可由金属层组成，例如银或者铝，或者其他的，例如金，其将提供良好的热导率和良好的反射率，或者可由配置为单层、多层，或者DBR组的介电层组成，但是可以是其他的。在另一实例中，反射材料用作将磷光体附接到支撑构件或中间基板构件的键合介质。反射材料的实例包括反射焊料，例如AuSn、SnAgC(SAC)，或者含铅磷光体，或者反射胶，但是可以是其他的。关于将磷光体连接到公共支撑构件，热阻抗是一个关键的考虑因素。应使用最好的连接材料、界面几何形状和连接工艺实践来最小化该附接接头的热阻，以实现具有足够反射率的最低热阻。这些实例包括AuSn焊料、SAC焊料、含铅焊料、铟以及其他焊料。在一个另选方案中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，并具有有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)、热粘合剂和其他材料形成。或者，接头可由金属-金属键合(例如Au-Au键合)形成。具有激光器和磷光体材料的公共支撑构件被配置为提供小于10摄氏度/瓦或小于5摄氏度/瓦的耗散功率的热阻抗，以表征从激光器设备到散热器的热路径。支撑构件由诸如铜、铝、 SiC、蓝宝石、AlN或其他金属、陶瓷或半导体的导热材料构成。反射模式白光源装置具有其特征在于长度、宽度和高度的形状因数。在一个实例中，高度的特征在于小于25mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在一个实例中，高度的特征在于小于12.5mm且大于0.5mm的尺寸，尽管可存在变化。在又一另选实例中，长度和宽度的特征在于小于30mm，小于15mm或者小于5mm的尺寸，尽管可存在变化。
本实用新型的反射模式CPoS白光源实施方式配置有附接到公共支撑构件的磷光体构件，磷光体构件带有较大的主表面，其配置为接收激光激发光并发射有用的白光，白光位于与用来激发磷光体的激光二极管输出束的轴线成正交的角度(大约90度)或者非垂直的角度(大约0度到大约 89度)的地方。也就是说，输出激光束以0度和90度之间的角度指向磷光体的发射表面，其中其中90度(正交的)被认为是正入射。此配置的固有几何形状(其中，在有用的白光将朝向外部世界离开磷光体的方向或者在与其相反的方向上引导激光束远离)对于安全性是理想的。此几何形状的结果是，如果磷光体在操作过程中或在被干预时受损或者移除，那么激光束将不会指向外部世界，其在那里会是有害的。相反，激光束将入射到附着有磷光体的背衬表面上。通过适当地设计此背面，可使激光束分散、吸收，或者远离外部世界，而不是离开白光源并进入周围环境。
在此反射模式CPoS白光源的一个实施方式中，激光束配置为与磷光体主发射表面正交。在此配置中，激光二极管将位于磷光体的主发射表面的前面，在那里它会阻碍从磷光体发射的有用白光。这会产生白光装置的损耗或者低效，并将导致难以有效地捕获所有从磷光体发射的白光。这种光学器件和反射器包括，但不限于非球面透镜或者抛物线反射器。为了克服正交入射反射模式磷光体激发的挑战，在一个优选实施方式中，激光束可配置有与磷光体离轴的入射角，使得其以0度和89度之间的角度或者“掠射”角度撞击磷光体表面。在此优选实施方式中，激光二极管器件位于磷光体附近或者其侧面相邻，而不是位于磷光体前面，其在那里将基本上不阻止或者阻碍所发射的白光，并且重要地，允许诸如准直透镜或者反射器的光学器件接入有用的光并将其投射到应用中。此外，在这种配置中，内置安全特征比法向入射配置更优化，因为在磷光体损坏或去除的情况下以一定角度入射时，入射激光束不会直接从其中附有磷光体的支撑构件的后表面反射。通过以偏角或掠射角撞击表面，光束的任何潜在反射分量都可以被引导留在设备内，而不会离开外部环境，在那里它可能对人类、动物和环境造成危害。
在一些配置中，激光器激发束入射于其中的磷光体的主顶面配置为减小对蓝色或者紫色激发束波长和/或诸如黄色波长的磷光体发射波长的反射率。可通过使用介电层的磷光体的光学涂覆、磷光体表面的成形，和/ 或磷光体表面的粗加工，或者其他技术，来实现该减小的反射率。在一些实例中，激光束入射角配置为布儒斯特角或者接近布儒斯特角，其中，优选地通过磷光体的主表面透射带有特殊偏振的光。由于导致用于光束内的平面波的入射角的变化的激光的发散的原因，非常好的透射可能是具有挑战性的，但是理想地，入射到磷光体上的光的大部分会处于布儒斯特角或者接近布儒斯特角。例如，YAG或者LuAG磷光体在紫色和蓝色波长范围内可具有大约1.8的折射率。关于布儒斯特角，作为arctan(n2/n1)而给出的θB(其中，n1是空气的折射率，n2是磷光体的折射率)，将是大约61度(或者大约55到65度)，与正入射的轴线偏离。或者另选地，从与磷光体表面平行的轴线旋转大约29度(或者大约25到35度)。
图25展示了举例说明根据本实用新型的CPoS集成白光源的离轴反射模式实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。进一步，在此实例中，使磷光体相对于激光束的快轴以角度ω1倾斜。基于激光器的CPoS白光源由公共支撑构件2511组成，公共支撑构件2511 用作配置为用作形成在传输的含镓氮外延层2513上的激光二极管芯片或激光二极管CoS 2512和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料 2516和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管或者CoS 2512配置有电极2514和2515，其可由沉积金属层和包括但不限于Au、 Pd、Pt、Ni、Al、Ti等等的金属层的组合形成。激光束2517激发位于激光器输出面前部的磷光体板2516。磷光体板2516附接至平面2518上的公共支撑构件。电极2514和2515被配置为用于电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线可在电极上形成以使电功率耦合到激光二极管器件2512，以生成从激光二极管输出并入射到磷光体2516的激光束2517。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体，基板或者公共支撑构件的不同几何形状设计，激光输出束相对于磷光体的不同取向，不同的电极和电气设计等等。
图25A展示了举例说明根据本实用新型的集成激光器-磷光体白光源的离轴反射模式实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。进一步，在此实例中，使磷光体相对于激光束的快轴以角度ω1倾斜。基于激光器的白光器件包括支撑构件2511，该支撑构件用作激光二极管CoS 2512的支撑构件，激光二极管CoS 2512形成在转移的含镓和氮的外延层2513中。磷光体材料2516安装在单独的支撑构件2518A上，其中支撑构件2511和2518将附接到公共支撑构件(未示出)，例如封装构件(例如表面安装封装)中的表面。激光二极管或者CoS 2512配置有电极2514和2515，其可形成为具有沉积金属层和金属层的组合，包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、Ag、Ti，或者透明导电氧化物等其他物质，例如氧化铟锡。激光束2517激发位于激光器输出面前部的磷光体材料 2516。电极2514和2515配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线可在电极上形成以使电功率耦合到激光二极管器件2512，以产生从激光二极管输出并入射到磷光体2516的激光束2517。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体，基板或者支撑构件的不同几何形状设计，激光输出束相对于磷光体的不同取向，不同的电极和电气设计等等。
当光束在自由/非引导空间中传播时，来自典型边缘发光二极管激光器的输出束的固有发散特性导致在x方向(慢发散轴)上和y方向(快发散轴)上展开的光束。复杂的问题是，从激光二极管中的波导约束特征产生的快轴和慢轴上的光束的不同的发散率。例如，典型的半峰全宽(FWHM) 光束发散角的范围从慢轴中的大约5-20度到快轴中的10至40度，但是可以是其他的。激光束的发散的另一措施是，在功率已经下降到1/e2水平的输出束中的点采用的发散角。对于此1/e2措施，典型的光束发散角的范围从慢轴中的10-30度到快轴中的20至80度，但是可以是其他的。因此，快轴与慢轴发散角的比例的范围从大约2:1到大约4:1。产生的从自由空间/非引导激光束投射的光斑是椭圆形形状，通常带有比慢轴直径大的快轴直径。对于配置为如图25所示的在快轴方向上离轴入射的激光束，将加剧光束的椭圆形性质，因为角度将增加快轴直径D1，如图18所示。
在本实用新型的一个实施方式中，来自光束发散和离轴激光束激发入射的光束的椭圆形性质将使用光束成形光学器件(例如准直光学器件)减轻。此光学器件将位于激光二极管和磷光体之间，以在入射磷光体之前使输出激光束成形和/或准直。通过将自由空间光学器件放在输出激光束前面，可使光束形状成形以提供圆形光束轮廓，并使光束形状准直使得磷光体可位于带有较大公差的面的前面一定距离处，并保持相对恒定的光斑大小。在一个实例中，使用非球面透镜来使激光束准直和/或成形。在一个另选实施方式中，使用快轴准直(FAC)和/或慢轴准直(SAC)透镜来使激光束准直。在一个另选实施方式中，可包括各种组合的其他光学器件，以使光束成形、准直、指向、过滤或者操作。这种光学器件的实例包括，但不限于球透镜、非球面准直器、分色镜、转镜、光学隔离器，但是可以是其他的。
图26展示了举例说明根据本实用新型的CPoS集成白光源的离轴反射模式实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。进一步，在此实例中，使磷光体相对于激光束的快轴以角度ω1倾斜。基于激光器的CPoS白光源由公共支撑构件2511组成，公共支撑构件2511 用作配置为用作形成在传输的含镓氮外延层2513上的激光二极管芯片或激光二极管CoS 2512和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料 2516和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管或者CoS 2512配置有电极2514和2515，其可由沉积金属层和包括但不限于Au、 Pd、Pt、Ni、Al、Ti等等的金属层的组合形成。使激光束2517A通过非球面透镜2519以使光束在入射到磷光体板2516之前成形和/或准直。使磷光体板2516附接到公共支撑构件的表面2518上。电极2514和2515配置为用于电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件2512，以生成从激光二极管输出并入射到磷光体2516的激光束2517A。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体，基板或者公共支撑构件的不同几何形状设计，激光输出束相对于磷光体的不同取向，不同的电极和电气设计等等。
在一个另选的优选离轴反射模式实施方式中，可通过使激光束相对于倾斜的磷光体激发表面旋转来实现光束成形。通过使激光器围绕光束发射轴线旋转，磷光体倾斜将从增加快轴光束直径移动到增加慢轴光束直径，因此，补偿使慢轴光束轴线直径更慢地发散，并得到更圆的光束。“无光学器件”光束成形的此双轴倾斜或者旋转实施方式比引入光学元件来进行光束成形和准直的实施方式有利。用于白光源设备的此实施方式的这些优点包括简化设计、更低成本的材料清单、更低成本的装配过程，以及可能更紧凑的白光源。在一个实施方式中，优化从激光器到磷光体的入射角度以在磷光体上实现预期光束形状。
在一些配置中，激光器激发束入射于其中的磷光体的主顶面配置为减小对蓝色或者紫色激发束波长和/或诸如黄色波长的磷光体发射波长的反射率。可通过使用介电层的磷光体的光学涂覆、磷光体表面的成形，以及磷光体表面的粗加工，或者其他技术，来实现该减小的反射率。在一些实例中，激光束入射角配置为布儒斯特角或者接近布儒斯特角，其中，优选地通过磷光体的主表面透射带有特殊偏振的光。由于导致用于光束内的平面波的入射角的变化的激光的发散的原因，非常好的透射可能是具有挑战性的，但是理想地，入射到磷光体上的光的大部分会处于布儒斯特角或者接近布儒斯特角。例如，YAG或者LuAG磷光体在紫色和蓝色波长范围内可具有大约1.8的折射率。关于布儒斯特角，作为arctan(n2/n1)而给出的θB(其中，n1是空气的折射率，n2是磷光体的折射率)，将是大约61 度(或者大约55到65度)，与正入射的轴线偏离。或者另选地，从与磷光体表面平行的轴线旋转大约29度(或者大约25到35度)。
如对图16的实例讨论的，通过将磷光体定位在远离激光器孔径大约70um的地方，可实现相对均匀的带有大约50um直径的光束。除了控制激光器离磷光体的距离以外，激光束的入射角还可用来控制入射到磷光体上的光束的形状。作为一个实例，图18示出了当使磷光体或者投影表面相对于快轴倾斜时对光斑大小的影响。通过沿着此轴倾斜，在磷光体上产生更大的快轴直径D1，使得光束光斑变得更椭圆形。按照相同的原理，如图19中举例说明的，当使磷光体或者投影表面围绕慢轴旋转时，可增加慢轴直径D2，使得光斑直径比变得更接近1，并且光束变得更圆。
对于相对于快轴的给定的磷光体倾斜(ω1)，可优化激光束光斑的旋转(ω2)以在磷光体上实现更圆的光束形状。作为一个实例，图27展示了快轴光斑直径D1、慢轴光斑直径D2，以及对于离激光器孔径不同的距离L的快轴光斑直径与慢轴光斑直径的比的图，假设磷光体相对于快轴的倾斜角(ω1)是45度，并且激光器旋转22度(ω2)以使光束相对于慢轴倾斜。图27的实例计算假设40度的1/e2快轴发散角、20度的1/e2慢轴发散角、25μm的孔径宽度以及1μm的孔径高度。如在用于此实例的图中看到的，对于诸如磷光体的投影表面，光束比例在大约200μm的距离L 处快速地接近1并在大约800μm的距离L处饱和。因此，在此实例中，对于200μm和更大的距离L(在那里可实现带有200μm和更大的直径的预期光斑大小)，可实现带有大约1的直径比的光束。
图28展示了举例说明根据本实用新型的带有激光器旋转的CPoS集成白光源的离轴反射模式实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。在此实例中，磷光体相对激光器光束的快轴以角度ω1 倾斜，激光器相对慢轴以角度ω1旋转。基于激光器的CPoS白光源由公共支撑构件2801组成，公共支撑构件2801用作配置为用作形成在传输的含镓氮外延层2803上的激光二极管芯片或激光二极管CoS 2802和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料2806和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管或者CoS配置有电极2804和2805，该电机可由沉积金属层和包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、Ti等等的金属层的组合形成。激光束2807激发位于激光器输出面前部的磷光体板 2806。磷光体板2806附接至表面2808上的公共支撑构件。电极2804和 2805配置为用于电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以生成从激光二极管2802输出并入射到磷光体2806的激光束2807。当然，这仅是配置的一个实例，可存在许多此实施方式的变型，包括但不限于不同形状的磷光体，基板或者公共支撑构件的不同几何形状设计，激光输出束相对于磷光体的不同取向，不同的电极和电气设计等等。
在根据本实用新型的一些实施方式中，多个激光二极管源被配置为激发相同的磷光体或磷光体网络。根据本实用新型，组合多个激光光源可提供许多可能的好处。首先，可通过光束组合来增加激发功率以提供更强的激发坑，并由此产生更亮的光源。在一些实施方式中，单独的单个激光芯片被配置在激光-磷光体光源内。通过包括多个各自发射1W、2W、3W、 4W、5W或者更大功率的激光器，可增加激发功率，从而将增加光源亮度。例如，通过包括两个3W的激发相同磷光体面积的激光器，可将激发功率增加到6W以使白光亮度翻倍。在每1瓦特激光激发功率产生大约200流明的白光的实例中，白光输出将从600流明增加到1200流明。例如，在一些实施方式中，单个以3-4W输出功率操作的激光二极管可使能至少500 流明的白光源。通过增加第二个3-4W激光二极管，光输出可增加到至少 1000流明白光源，或者通过增加第二个、第三个和第四个3-4W激光二极管，白光源的光输出可增加到至少2000流明。类似地，可以通过在较低驱动条件下使用多个源来提高源的可靠性，以实现与在更恶劣条件(例如更高的电流和电压)下驱动的单个源相同的激励功率。
具有两个或更多个入射到磷光体上的激光二极管激发束以形成光斑的第二个优点是，得到更预期的光斑几何形状，例如更圆的光斑。在一个实例中，在光源内配置分开的单独激光芯片或者CoS装置，使得使光束相对于彼此旋转，并使第一光束的快轴旋转到第二光束的快轴，例如旋转大约90度。也就是说，通过将多个激光芯片定位在预定配置中，可使多个激发束在磷光体光斑上重叠以产生更理想的光斑几何形状。
第三个重要的优点是，发射装置中的多个彩色激光器可通过改进可见光谱的紫色/蓝色和青色区域中的光谱的填充，明显地改进颜色质量(CRI 和CQS)。例如，可以包括两个或多个波长略微失调(例如5nm、10nm、 15nm等)的蓝色激发激光器来激发黄色磷光体并创建更大的蓝色光谱。如与基于LED的具有大约20-30nm FWHM的蓝光发射的白光源相比的，蓝色激光源可能仅具有1或2nm FWHM。基于类似颜色目标的激光器的白光由于单个激光器的此较窄的发射而缺少大约5-10pts的CRI。通过增加第二个、第三个、第n个与第一个激光器不同的发射波长的激光器，可填充功率谱的这些空区域，并可获得改进的颜色质量。
对发射器的波长的选择由预期的最终光谱和将实现的颜色质量决定。紫色光，尽管无助于可见光颜色质量，但是具有使我们周围的世界中的材料发荧光的能力，从而使其相对于其在近紫外刺激下的环境稍微发光。此附加的颜色好处可通过增加近紫外(400-430nm)激光器而简单地包含在激光器加上磷光体的装置中，以在由该装置发射的最终光谱中提供足够的紫色光。
除了改进颜色质量以外，用更窄光谱的部件替换光谱部件可提供改进的功率谱的整体发光效率和更高的用于该装置的功率效率。这个的实例将是用合适的带有较低的FWHM(LED～20nm，激光器～1nm)的LED或者激光器器件代替具有较大的FWHM(80-100nm)的绿色或者黄色磷光体。今天可在AlInGaP红色LED(20nm FWHM)代替红色磷光体(90nm FWHM)的使用中看到此改进的真实世界实例。由于发光效率改进的原因，对于基于红色LED的光谱来说，整体器件性能比可比较的红色磷光体光谱高得多。
在若干根据本实用新型的实施方式中，基于激光器的集成白光源配置为带有CRI超过70、超过80或者超过90的高CRI白光源。在这些实施方式中，使用多个混合粉末磷光体组成或者多个磷光体板配置等的形式的磷光体。这种磷光体的实例包括，但不限于YAG、LuAG、红色氮化物、铝酸盐、氮氧化物、CaMgSi2O6:Eu2+、BAM:Eu2+、AlN:Eu2+、(Sr,Ca)3MgSi2O8:Eu2+，以及JEM。
在基于集成激光器的白光源的高CRI实施方式的一些配置中，使用在 430nm到470nm的波长范围内操作的蓝色激光二极管激发源来激发：
1)黄色磷光体+红色磷光体，或者
2)绿色磷光体+红色磷光体，或者
3)青色磷光体+橙色磷光体，或者
4)青色磷光体+橙色磷光体+红色磷光体，或者
5)青色磷光体+黄色磷光体+红色磷光体，或者
6)青色磷光体+绿色磷光体+红色磷光体。
在基于集成激光器的白光源的高CRI实施方式的一些替代配置中，使用在390nm到430nm的波长范围内操作的紫色激光二极管激发源来激发：
1)蓝色磷光体+黄色磷光体+红色磷光体，或者
2)蓝色磷光体+绿色磷光体+红色磷光体，或者
3)蓝色磷光体+青色磷光体+橙色磷光体，或者
4)蓝色磷光体+青色磷光体+橙色磷光体+红色磷光体，或者
5)蓝色磷光体+青色磷光体+黄色磷光体+红色磷光体，或者
6)蓝色磷光体+青色磷光体+绿色磷光体+红色磷光体。
图28A展示了举例说明根据本实用新型的集成激光器-磷光体白光源的离轴反射模式磷光体与两个激光二极管器件的实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。进一步，在此实例中，使磷光体相对于激光束的快轴以角度ω1倾斜。基于激光器的白光源由两个或更多个包括支撑构件801的激光二极管组成，支撑构件801用作用于形成于转移的含镓氮外延层803中的两个激光二极管802的支撑构件。磷光体材料806安装在支撑构件808上，其中支撑构件801和808将附接到公共支撑构件，例如封装构件中的表面，例如表面贴装封装。激光二极管或者CoS装置802配置有电极804和805，电极可由沉积金属层和金属层的组合形成，金属层的组合包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、Ag、Ti或者透明导电氧化物等其他物质，例如氧化铟锡。多个激光束807激发位于激光器输出面前部的磷光体材料806。在根据图28A的优选实施方式中，使激光二极管激发束807相对于彼此旋转，使得第一光束的快轴与第二光束的慢轴对准(aligned)以形成更圆的激发光斑。电极804和805配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以生成入射到磷光体806的多个激光束807。当然，这仅仅是一个配置实例，并且可以在该实施方式上存在许多变体，包括但不限于多于两个的激光二极管，例如四个激光二极管中的三个、不同形状的磷光体、基板、支撑构件的不同几何设计，激光输出光束相对于磷光体的不同取向、串联或并联激光二极管布线、不同的电极和电气设计，包括可单独寻址的激光器等等。
在根据本实用新型的多激光器实施方式的另一实例中，在单个激光芯片或者基板上形成两个或更多个激光条带，以形成多条带或者多激光器配置。此实例可提供之前对多个单独的激光器描述的所有相同的好处，但是可以稍微不同的方式改进光斑几何形状。通过将多个激光条带在水平方向或者慢轴方向上以预定尺寸隔开地设置成彼此相邻，从由多个激光条带发射的激光束在磷光体上产生的激发光斑可基本上比从单个发射器产生的椭圆形激发光斑更圆。也就是说，来自相邻激光条带的激光束将根据设计在水平方向上重叠，使得慢轴方向上的激发光斑宽度将增加。由于在典型的配置中，激光器激发束在垂直或者快轴发散方向上将大得多，所以通过放大水平方向上的光斑，光束将变得更圆。在此配置的一个实施方式中，带有多个相邻激光条带的激光二极管，多条带激光器包括在集成白光源中。多条带可以提供更大的激发功率，支持更亮的光源和/或磷光体上改进或修改的光斑图案。
图28B展示了举例说明根据本实用新型的集成激光器-磷光体白光源的离轴反射模式磷光体与双条带激光二极管的实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。当然，可存在其他实施方式，例如传统的激光二极管器件或者基板上激光器。进一步，在此实例中，使磷光体相对于激光束的快轴以角度ω1倾斜。基于激光器的白光源由支撑构件801组成，支撑构件801用作用于形成于转移含镓氮外延层中的激光二极管CoS 802的支撑构件，激光二极管CoS 802形成多条带或者双条带803 激光二极管配置。磷光体材料806安装在支撑构件808上，其中支撑构件 801和808将附接到公共支撑构件，例如封装构件中的表面，例如表面贴装封装。多条带激光器二极管或CoS 802配置有电极804和805，该电极由沉积金属层和金属层的组合形成，金属层的组合包括但不限于Au、Pd、 Pt、Ni、Al、Ag、Ti或者透明导电氧化物等其他物质，例如氧化铟锡。双条带激光二极管发射至少两个在横向或者慢轴方向上隔开预定距离的激光束，其用来增加激发光斑的宽度并使其更圆。双光束输出发射807B 激发位于激光器输出面前部的磷光体材料806。电极804和805被配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线可在从激光二极管输出并入射到磷光体806上的多个相邻激光束807上形成。当然，这仅是配置的一个实例，可存在此实施方式的许多变型，包括但不限于多于两个发射光束，例如用于3个或更多个发射光束的3个或更多个激光条带、不同形状的磷光体、基板和公共支撑构件的不同几何设计、激光器输出光束相对于磷光体的不同取向、可单独寻址的激光器条带以单独操作条带、不同的电极和电气设计等。
当然，图25、图26和图28所示的反射模式实施方式配置仅是实例，存在较宽范围的其他布置、几何形状和设计。在一个具体实例中，在此双旋转离轴激光束入射配置的一个另选实施方式中，可使磷光体相对于激光二极管的慢轴倾斜，而不是如图28所示地使激光二极管旋转。此另选实施方式的一个好处将是公共支撑构件几何形状的简化，其可更容易制造。然而，此另选实施方式的缺点是磷光体将不再与水平基底平行，这会在收集并准直有用的白光中产生困难。在图25、图26和图28的实例中，磷光体将保持在水平方向，使激光器旋转/倾斜以实现预期的激光入射配置。然而，这只是一个实例，在其他布置中可使磷光体相对于水平轴线倾斜。
对于使激光二极管围绕其发射轴线旋转的本实用新型的图28中的实例，考虑的是所发射的激光束的偏振。因为使磷光体和激光器共同封装在一起，消除对磷光体上的环境保护窗的需求。这导致设计的高效率特征，因为消除了窗的反射损耗。具体地，通过使用带有所述偏振的高度偏振的激光二极管，消除大部分损耗(即，＞30％)，因为这是入射到磷光体上的s偏振入射光。通过共同封装，我们避免此窗且避免该＞30％的损耗。在激光器和磷光体不共同封装的设计中，在磷光体上需要窗，并且到达窗上的激光将经历大约30％或者更大的大量反射。可能在此窗上应用抗反射涂层，但是这需要是昂贵成本的且复杂的反射涂层设计，这是因为激光由于激光可能不准直而以多种发射角入射到窗上。
在其他变型中，支撑构件可用来操纵集成白光源中的光。在一个实例中，光学透明支撑构件可用作用于使激光到达磷光体的波导。在另一实例中，光学透明支撑构件可配置为将激光传输到磷光体构件。在此变型的支撑构件操纵光的其他实例中，可使支撑构件的形状或者结构配置为形成反射器、镜子、扩散器、透镜、吸收器，或者其他操纵光的构件。在另一变体中，支撑构件还可用作保护性安全措施，以确保在直接发射的激光行进到达磷光体时不暴露该直接发射的激光。由于发射孔径和发射角的产品 (product)随着后续光学器件和反射器的添加而保存或丢失的事实，能够产生真正的全向发射的点光源随着点源变得越来越小而越来越有用。具体而言，例如，可以使用小型光学器件或反射器准直小型点光源。然而，如果将相同的小型光学器件和/或反射器组件应用于大型点光源，则光学控制和准直会减弱。
在CPos白光源的所有实施方式中，需要考虑最终封装。存在许多应考虑的封装的方面，例如形状因数、成本、功能、热阻抗、密封特性以及与应用的基本兼容性。形状因数将取决于应用，但是通常将希望制造最小尺寸的封装白光源。在所有应用中都应将成本减到最小，但是在一些应用中成本将是最重要的考虑因素。在这种情况中，使用大量生产的现成封装可能是希望的。功能选择包括现有用于该应用的光发射的引导和特性以及诸如光检测器、热敏电阻或者其他电子器件或光电元件的特征的集成。为了最佳性能和使用寿命，应将封装的热阻抗减到最小，特别是在高功率应用中。
封装的特征在于密封配置。密封配置的一个实例包括使白光源受到周围条件的开放环境。在一些带有旨在用于开放环境操作的鲁棒性的激光二极管和磷光体设计的实施方式中，此实施方式中是有利的。作为一个实例，激光二极管芯片可封装在保护层中以防止激光二极管的氧化、化学反应，或者污染。在一些实施方式中，从基本上无铝的非极性或者半极性设计形成激光器，其中激光二极管面区域不容易氧化和劣化。类似地，磷光体也可封装在保护层中以防止磷光体的氧化、化学反应，或者污染。
在本实用新型的优选实施方式中，集成白光源的特征在于环境密封封装或密封封装。对于环境密封配置，封装外壳可防止灰尘和其他颗粒与激光器或磷光体相互作用。对于密封包装，包装应该是密封的，并且泄漏率非常小或不存在。对于密封包装，通常是有利于回填氧气和氮气组合的包装，例如清洁干燥空气(CDA)，但也可以是其他气体，例如氮气。通常对于基于GaN的激光器，需要密封封装，但也可以考虑和部署其他封装以用于各种应用。用于CPoS白光源的现成封装实例包括TO罐，例如TO38、 TO56、TO9、TO5或TO46。也可以使用带有窗口的扁平封装。扁平封装的例子包括蝶形封装，如TOSA。也可以使用表面贴装器件(SMD)封装，这些封装因其低廉的价格、良好的气密密封和潜在的低热阻而极具吸引力。在其他实施方式中，还可使用定制包。
在另一实施方式中，“Flash(闪光)”封装可用于集成白光源。例如，该封装可用于使基于激光的白光源适应相机闪光灯应用。如今的LED的一种标准封装格式采用扁平陶瓷封装，有时也称为“闪光”封装，因为在这些平台上构建的设备主要用于相机闪光灯和手机应用。典型的闪光封装包括带有用于LED和ESD器件的连接焊盘的扁平陶瓷衬底(氧化铝或AlN)，以及提供用于夹住或焊接外部电气连接从而为器件供电提供位置的引线。通过模塑或其他含硅树脂的点胶应用，磷光体可被包含在LED晶粒附近。然后通常用透明的硅树脂透镜将这层包覆成型，以改善光提取。这种格式的封装的主要优点是整体封装尺寸非常小(～3mm×～5mm)、光输出性能合理(数百流明)、光源尺寸小和LED设备整体成本低。这种封装风格也可以通过采用激光加磷光体设计风格来实现，这可能会消除封装和透镜步骤，提供具有卓越光斑尺寸和亮度的LED替代品。如果需要保护罩来容纳激光和磷光体子组件，则可以使用中空玻璃圆顶来提供保护。
例如，该封装体积小并且可以包括扁平封装陶瓷多层或单层。该层可以包括铜、铜钨基，例如蝶形封装或覆盖的CT-MOUNT、Q-MOUNT或其他。在一个具体实施方式中，激光器件焊接在具有低热阻的CTE匹配材料(例如，AlN、金刚石、金刚石化合物)上，并在陶瓷上形成分装芯片。然后将分装芯片组装在具有低热阻的第二种材料上，例如铜，包括例如有源冷却(即简单的水通道或微通道)，或直接形成配备所有连接(比如引脚)的封装的基底。扁平包装配备有一个光学接口，例如窗口、自由空间光学器件、连接器或光纤以引导产生的光和一个环保盖。
图29展示了根据本实用新型的封装CPoS白光源的一个实例的示意图。在此实例中，在TO罐类型的封装中配置透射模式白光源。TO罐具有带有伸出的支座构件2902的基底构件2901，其中支座构件配置为将热量从支座传送到基底，在基底然后使热量通向散热器。基底构件可由金属组成，例如铜、铜钨、铝，或者钢等等。将根据本实用新型的透射白光源2903 安装在支座2902上。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到支座，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125 W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约 250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。使用焊线2904 和2905来形成从激光二极管的p电极和n电极的电连接。焊线使电极连接到电馈通2906和2907，电馈通2906和2907电连接到TO罐基底的背面上的外部管脚2908和2909。然后管脚电耦接到电源以使白光源通电并产生白光发射。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。当然，图29中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明封装CPoS 白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于罐类型的封装广受激光二极管的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
图30是配置在如图29所示的罐类型的封装中的CPoS白光源的示意图，但是带有附加的盖构件以在白光源周围形成密封。如在图30中看到的，TO罐类型的封装2901具有安装到基底的盖2912。可将盖焊接、铜焊、电焊或者胶粘到基底。盖构件具有透明窗区域2913，其配置为允许所发射的白光通向其而到在应用中可利用的外部环境。密封类型可以是环境密封或者气密密封，在一个实例中，用氮气或者氮气和氧气的组合回填该密封封装。在一些实施方式中，在盖构件中直接包含透镜或者其他类型的光学元件以使白光成形、引导或者准直。当然，图30中的实例仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的密封白光源的配置。具体地，由于简单地气密地密封TO罐类型的封装，所以此实施方式可能适合于需要气密密封的应用。在集成白光源设备的此实施方式的一些实例中，包括静电放电 (ESD)保护元件，例如浪涌电压抑制(TVS)元件。
在图31的示意图中提供了根据本实用新型的封装CPoS白光源的一个另选实例。在此实例中，在表面贴装器件(SMD)类型的封装中配置反射模式白光源。该实例SMD封装具有基底构件3101，有安装在基底构件上的反射模式白光源3102，其中基底构件配置为引导热量远离白光源并到达散热器。基底构件由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK 的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头也可由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)及其他材料形成。使用焊线3103和3104来形成从激光二极管的p电极和n电极到内部馈通3105和3106的电连接。馈通电耦接到外部引线，例如3107。外部引线可电耦接到电源以使白光源通电并产生白光发射。表面贴装封装的顶面3108可由反射层组成或者涂有反射层，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。在集成白光源设备的此实施方式的一些实例中，包括静电放电(ESD)保护元件，例如浪涌电压抑制(TVS)元件。当然，图31中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装CPoS 白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED 及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
在图31A的示意图中提供了根据本实用新型的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在表面贴装器件(SMD)类型的封装中配置反射模式白光源。该实例SMD封装具有基底构件3201，有安装在支撑构件上或者基底构件上的反射模式磷光体构件3202。激光二极管器件3203可安装在支撑构件3204或者基底构件上。支撑构件和基底构件配置为引导热量远离磷光体构件和激光二极管器件。底板构件由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石或其他金属、陶瓷或半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件，例如使用 AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50 W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约 125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头也可由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)及其他材料形成。使用焊线 3205和3206来形成从激光二极管的p电极和n电极到内部馈通3207和3208的电连接。馈通电耦接到外部引线。然后外部引线可电耦接到电源以使白光源通电并产生白光发射。基底构件3201的顶面可由反射层组成或者涂有反射层，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。在集成白光源设备的此实施方式的一些实例中，包括静电放电(ESD)保护元件，例如浪涌电压抑制(TVS)元件。当然，图31A中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED 及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
在图31B的示意图中提供了根据本实用新型的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在表面贴装器件(SMD)类型的封装中配置反射模式白光源。实例SMD封装具有公共支撑基底构件3201。反射模式磷光体构件3202附接到基底构件，该基底构件还可以包括磷光体构件3202和基底构件3201之间的中间基板构件。激光二极管3203安装在角度支撑构件3214上，其中角度支撑构件3214附接到基底构件3201。基底构件3201 被配置为将热量从白光源传导到散热器。基底构件3201由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3201，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)和其他材料形成。使用焊线3207和3216来形成从激光二极管的电极到构件3216的电连接。焊线3205和3206形成到内部馈通3209和3210中。馈通电耦接到外部引线。然后外部引线可电耦接到电源以使白光源通电并产生白光发射。基底构件501的顶面可由反射层组成或者涂有反射层，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件和基底构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。在集成白光源设备的此实施方式的一些实例中，包括静电放电 (ESD)保护元件，例如浪涌电压抑制(TVS)元件。当然，图31B中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
在图31C的示意图中提供了根据本实用新型的包括2个激光二级管芯片的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在表面贴装器件(SMD) 类型的封装中配置反射模式白光源。该实例SMD封装具有基底构件3201，有安装在支撑构件上或者基底构件上的反射模式磷光体构件3202。第一激光二极管器件3223可安装在第一支撑构件3224或者基底构件上。第二激光二极管器件3225可安装在第二支撑构件3226或者基底构件上。第一和第二支撑构件和基底构件被配置为引导热量远离磷光体构件3202和激光二极管器件3223和3225。基底构件由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、 SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK 的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250 W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)和其他材料形成。使用焊线来形成从激光二极管的p电极和n电极到内部馈通的电连接。馈通电耦接到外部引线。外部引线可电耦接到电源以使激光二极管源通电，从而从第一激光二极管器件3223发射第一激光束3228并从第二激光二极管器件3225发射第二激光束3229。激光束入射到磷光体构件3202上以产生激发光斑和白光发射。激光束优选地在磷光体3202上重叠以产生优化的几何形状和/ 或大小的激发光斑。例如，在根据图31C的实例中，使来自第一激光二极管和第二激光二极管的激光束相对于彼此旋转90度，使得第一激光束的慢轴与第二激光束的快轴对准。基底构件3201的顶面可由反射层组成或者涂有反射层，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。在集成白光源设备的此实施方式的一些实例中，包括静电放电(ESD)保护元件，例如浪涌电压抑制(TVS)元件。当然，图31C中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED 及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
在图31D的示意图中提供了根据本实用新型的包括3个激光二级管芯片的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在表面贴装器件(SMD) 类型的封装中配置反射模式白光源。该实例SMD封装具有基底构件3201，有安装在支撑构件上或者基底构件上的反射模式磷光体构件3202。第一激光二极管器件3223可安装在第一支撑构件3222或者基底构件上。第二激光二极管器件3225可安装在第二支撑构件3224或者基底构件上。第三激光二极管器件3227可安装在第三支撑构件3226或者基底构件上。支撑构件和基底构件配置为引导热量远离磷光体构件和激光二极管器件。基底构件3201由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3201，例如使用AuSn焊料、诸如 SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16 微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约 4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化 (260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头还可以由导热胶、热环氧树脂 (例如银环氧树脂)和其他材料形成。使用焊线来形成从激光二极管的p 电极和n电极到内部馈通的电连接。馈通电耦接到外部引线。外部引线可电耦接到电源以使激光二极管源通电，从而从第一激光二极管器件3223 发射第一激光束，从第二激光二极管器件3225发射第二激光束，并从第三激光二极管器件3227发射第三激光束。激光束入射到磷光体构件502 上以产生激发光斑和白光发射。激光束优选地在磷光体上重叠以产生优化的几何形状和/或大小的激发光斑。基底构件3201的顶面可由反射层组成或者涂有反射层，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。在集成白光源设备的此实施方式的一些实例中，包括静电放电(ESD)保护元件，例如浪涌电压抑制(TVS) 元件。当然，图31D中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受 LED及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
在图31E的示意图中提供了根据本实用新型的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在表面贴装器件(SMD)类型的封装中配置反射模式白光源。该实例SMD封装具有基底构件3201，其用作用于安装在基板或者支撑构件3239上的侧泵浦磷光体构件3232和安装在基板或者支撑构件3235上的激光二极管器件3234的公共支撑构件。在本实用新型的一些实施方式中，激光二极管和/或磷光体构件可直接安装到封装的基底构件 3201上。支撑构件和基底构件配置为引导热量远离磷光体构件3232和激光二极管器件3234。基底构件3201由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、 SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现将基板或支撑构建安装到基底构件，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头也可由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)及其他材料形成。从 p电极和n电极的电连接可电耦接到基板构件上的电极3236和3237，然后电极3236和3237将耦接到封装构件中的内部馈通。馈通电耦接到外部引线。外部引线可电耦接到电源以使激光二极管源通电，并产生入射到磷光体构件3232的侧面上的激光束。磷光体构件3232可优选地配置为用于来自磷光体构件3232的顶面的主白光发射3238。基底构件3201的顶面可由反射层组成，涂有反射层，或者用反射层填充，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件 3234和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。在集成白光源设备的此实施方式的一些实例中，包括静电放电(ESD)保护元件，例如浪涌电压抑制(TVS)元件。当然，图31e中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
图32是配置在如图31所示的SMD类型的封装中的CPoS白光源的示意图，但是带有附加的盖构件以在白光源周围形成密封。如图32所看到的，该SMD类型封装具有基底构件3241，有安装在基底上的白光源3242。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底，例如使用AuSn焊料、诸如 SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16 微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约 4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化 (260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。与白光源重叠的是盖构件503，其在侧面周围附接到基底构件。在一个实例中，该附接可以是焊接附接、铜焊附接、电焊附接，或者胶粘附接到基底构件。盖构件具有至少一个透明窗区域，在优选实施方式中将主要由透明窗区域组成，例如图32中举例说明的透明平顶盖帽或者平顶盖。透明材料可以是玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅、金刚石、塑料，或者任何合适的透明材料。密封类型可以是环境密封或者气密密封，在一个实例中，用氮气或者氮气和氧气的组合回填该密封封装。使用焊线3244和3245来形成从激光二极管的p电极和n电极的电连接。焊线使电极连接到电馈通3246和3247，电馈通3248和2907电连接到密封SMD封装外侧上的外部引线，如3248。然后引线电耦接到电源以使白光源通电并产生白光发射。在一些实施方式中，在盖构件中直接包含透镜或者其他类型的光学元件以使白光成形、引导或者准直。当然，图 32中的实例仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的密封白光源的配置。具体地，由于简单地气密地密封SMD类型的封装，所以此实施方式可能适合于需要气密密封的应用。
图32A是配置在如图31B所示的SMD类型的封装中的白光源的示意图，但是带有附加的盖构件以在白光源周围形成密封。如在图32A中看到的，SMD类型的封装具有基底构件3201，有安装到基底构件或基底构件的白光源，该白光源由反射模式磷光体构件3202和激光二极管构件3203 构成。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基板和/或基底，例如使用 AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK 的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250 W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。与白光源重叠的是盖构件3254，其在侧面周围附接到基底构件。在一个实例中，该附接可以是焊接附接、铜焊附接、电焊附接，或者胶粘附接到基底构件。盖构件具有至少一个透明窗区域，在优选实施方式中将主要由透明窗区域组成，例如图32A中举例说明的透明平顶盖帽或者平顶盖3254。透明材料可以是玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅、金刚石、塑料，或者任何合适的透明材料。密封类型可以是环境密封或者气密密封，在一个实例中，用氮气或者氮气和氧气的组合回填该密封封装。使用焊线3205和3206来形成从激光二极管的p电极和n电极的电连接。焊线使电极连接到电馈通，电馈通电连接到密封SMD封装外侧上的外部引线。引线电耦接到电源以使白光源通电并产生白光发射。在一些实施方式中，在盖构件中直接包含透镜或者其他类型的光学元件以使白光成形、引导或者准直。当然，图32A中的实例仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的密封白光源的配置。具体地，由于简单地气密地密封SMD类型的封装，所以此实施方式可能适合于需要气密密封的应用。
当然，需要合适的装配过程来制造如图32A所示的及根据本实用新型的其他实施方式的基于集成激光器的白光源。在许多实施方式中，适合于这种器件的装配过程将遵循如今标准的半导体和LED装配过程。作为一个实例，一般的装配过程将遵循以下步骤：
I)激光器被附接以加热传导构件，例如第一基板构件和可选地第二基板构件，或者第二和第三基板构件。
II)复合激光器和热传导构件连接到公共支撑构件，例如封装构件[例如SMD封装]，或衬底构件。
III)磷光体附着于公共支撑构件，例如封装构件[例如SMD]或衬底构件。
IV)ESD保护装置[例如TVS]或其他外围组件附接到封装构件、基板构件或衬底构件。
V)需要电气连接到封装的子组件被焊线焊接到馈通。
VI)进行操作验证测试。
VII)框架组件附接至封装或衬底或框架+盖组件附接至封装或衬底。
VIII)将完成的SMD封装附接至下一级板，例如MCPCB、FR4或合适的载体衬底。
在步骤I中，激光器器件将通过选择各种材料连接到导热构件，以提供机械稳定性、对准和导热性，以适应产品应用的特定要求。这些材料选择和工艺可能包括但不限于金-金互连、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准无铅焊料附接、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准含铅焊料附接、使用点胶和丝网应用的晶粒附接环氧树脂，或使用点胶、模板或预成型的烧结银焊料。
在步骤II中，由激光器和热传导构件组成的组合构件随后将呈现一组相似的材料选择，用于将其附接到封装或衬底上。材料选择和工艺选择如下。根据材料的选择，可以调整工艺流程，以使工艺中的每个后续步骤都使设备的温度偏移低于之前的步骤。这样，早期的接头或连接不会经历二次回流。典型的拾取和放置式操作，无论是原位加热/加压或回流后，都将用于此附接工艺。这些材料选择和工艺可能包括但不限于金-金互连、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准无铅焊料附接、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准含铅焊料附接、使用点胶和丝网应用的晶粒附接环氧树脂，或使用点胶、模板或预成型的烧结银焊料。
在步骤III中，磷光体子组件的附接将取决于子组件的结构和设计。对于单件固态物体，磷光体可以通过拾取和放置操作来处理，就像如今处理LED附接一样。这需要为标准金属化附接准备磷光体子组件的基底，可以使用以下材料。这些材料选择和工艺可能包括但不限于金-金互连、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准无铅焊料附接、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准含铅焊料附接、使用点胶和丝网应用的晶粒附接环氧树脂，或使用点胶、模板或预成型的烧结银焊料。
对于刚性较低的磷光体子组件，它使用荧光粉和有机硅等粘合剂。附接的方法很简单，就是在有机硅干燥步骤中将磷光体和有机硅浆液粘附到封装表面。磷光体浆料的应用方法将包括但不限于点胶和固化工艺、喷涂和固化工艺、使用硅树脂点胶和固化电泳沉积的工艺、粉末的机械压印/ 嵌入封装金属化表面的工艺，沉降沉积工艺，或喷射点胶和固化工艺。
在步骤IV中，ESD或其他外围组件附接工艺可以遵循行业标准附接协议，该协议将包括一种或多种焊料点胶/模板或预制件附接工艺、通过拾取和放置操作的ESD或外围附接或回流工艺。
在步骤V中，已附接子组件的焊线键合将使用行业标准材料和工艺。这将包括线材选择Al、Cu、Ag和Au。或者，如果需要或适用，该应用还可以使用带式键合。一般的焊线键合技术将包括半导体行业已知的球键合、楔形键合和一致性键合技术。
在器件与子组件完全附接的步骤VI中，可以在组装过程中进行操作验证测试，以在将最终组装件(框架和盖子)提交给SMD组件之前验证操作是否正确。在器件不工作的情况下，就提供了在密封之前修复元件的机会。该测试将包括对器件进行简单的电气开启以验证激光器的正常运行，并可能进行软ESD测试以验证ESD/TVS组件是否正常工作。电压、电流、光输出、颜色、光斑尺寸和形状的典型操作值都将用于确定正确操作。
在步骤VII中，框架组装和附接步骤将用于准备将与环境密封隔开的器件。根据器件所需的密封程度，框架将通过选择的材料附接到SMD。在密封材料和工艺的一个实例中，包括将AuSn附着到金属化框架和封装表面以提供真正的气密密封。AuSn点胶和模板工艺将AuSn放置在SMD 上的适当位置。随后将框架拾取并放置在湿的AuSn上，然后进行回流步骤。在密封材料和工艺的第二个实例中，如果密封性和气体泄漏要求足以满足产品使用条件，则使用环氧树脂材料。环氧树脂材料通常会进行模板印刷或点胶，然后是框架的拾取和放置以及随后的环氧树脂固化步骤。在密封材料和工艺的第三个实例中，使用铟金属，通过将细铟线放置在附接表面上并使用框架作为加压构件来向铟施加热量和压力，以将铟压缩并机械附接到SMD和框架表面。
框架组装工艺的另一种方法是首先将透明盖子(通常是玻璃)附接到框架上，然后按照上述方法将该组合元件附接到SMD，否则单独的盖子附接步骤将遵循相同的过程和材料选择，但表面将是框架的顶部和盖子的底部。
在步骤VIII中，将完成的SMD附接到下一级板的步骤将采用行业标准附接方法和材料。这些材料选择和工艺可能包括但不限于金-金互连、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准无铅焊料附接、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准含铅焊料附接、使用点胶和丝网应用的晶粒附接环氧树脂，或使用点胶、模板或预成型的烧结银焊料。
在所有实施方式中，可包括根据本实用新型安全特征和设计考虑的集成CPoS白光源的透射模式和反射模式。在任何基于激光器的光源中，安全性都是关键方面。关键的是，不能以产生对人、动物或者环境有害的激光二极管光束的方式来损害或者改变光源。因此，整体设计应包括安全考虑因素和特征，在一些情况中甚至包括用于监测的有源部件。用于安全性的设计考虑因素和特征的实例包括，以使得如果移除或者损坏磷光体，暴露的激光束将不会使其以有害的形式(例如准直的相干光束)到达外部环境的这样方式相对于磷光体定位激光束。更具体地，这样设计白光源，使得激光束指向远离外部环境，并朝向将防止激光束反射到外部世界的表面或者特征。在用于安全性的无源设计特征的一个实例中，包括束流收集器和/或可将吸收材料具体地定位在激光束将在移除或者损坏的磷光体的事件中撞击的位置。
在一个实施方式中，光学束流收集器用作吸收可以其他方式对外部环境有危险的激光束的光学元件。束流收集器中的设计关心因素将包括激光束背射和散射的管理和减小以及由吸收产生的热量的耗散。在光功率不是太高的简单的解决方案中，吸收材料可以简单地是一块黑色天鹅绒或者毛面纸，其通过胶水、焊料或者其他材料附接到背板材料。在高功率应用中，例如将包含在高功率激光系统中的那些，束流收集器通常必须包含更多的精细特征以避免背射、过热或者过多噪音。即使减轻直接反射，通过简单的平面收集激光束也会导致不可接受的大量的溢出到外部世界的光，其在那里会对环境产生危险。一种将散射减到最小的方法是，使用多孔的或者深暗色的衬满吸收材料的空腔材料以收集光束。
一种常用的类型的适合于大多数中型功率激光器的束流收集器是带有比光束大的直径的铝锥体(cone)，阳极化处理成黑色并封闭在内部带有黑色的、有棱纹的罐中。仅锥点暴露于正面的光束；通常，进入的光以一定的角度擦过锥体，这减轻了性能需求。然后来自此黑色表面的任何反射由罐吸收。棱纹帮助使光不容易离开，并改进对周围空气的热传递。 (https://en.wikipedia.org/wiki/Beam_dump)。
在图33的示意图中提供了根据本实用新型的包括束流收集器安全特征的封装CPoS白光源的一个实例。在此实例中，在表面贴装器件(SMD) 类型的封装中配置反射模式白光源。该实例SMD封装具有基底构件3301，有安装在基底构件上的反射模式白光源3302，其中基底构件3301配置为引导热量远离白光源并到达散热器。基底构件3301由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、氧化铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3301，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如， AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)、热粘合剂和其他材料形成。或者，接头可由金属-金属键合(例如Au-Au键合)形成。使用焊线3303和3304来形成从激光二极管的p电极和n电极到内部电馈通3305和3306的电连接。馈通电耦接到外部引线，例如3307。外部引线可电耦接到电源以使白光源通电并产生白光发射。在磷光体损坏或者移除和激光束正从磷光体的支撑构件反射的事件中，在激光二极管的光路中配置实例光束3308。在此实例中，束流收集器的形状像是立方体，但这只是一个实例，将在不会不可接受地包括白光源的功效的同时基于提供安全功能来优化束流收集器的形状、大小和位置。在此实例中，束流收集器的配置为处于反射光束的光路中的面，可由带有通过立方体束流收集器的深腔体并由多孔材料构成。另外，束流收集器可包括：吸收激光束并且使光束很好的散热器到封装构件的吸收器和使在激光束的吸收过程中产生的热能耗散的散热器。不位于激光束路径中的束流收集器构件508的侧面可由反射材料组成，以增加有用的输出白光。而且，可增强包括激光二极管器件和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。当然，图33中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明带有内置安全特征的封装CPoS白光源的一个可能的简单配置。在其他实施方式中，可包括不止一个安全特征，可包括由多个安全元件组成的安全系统，并且这种安全系统可由有源和无源安全元件组成。而且，在包括其他封装的扁平封装、定制封装，或者罐式封装中可包括安全元件或者安全系统。
在图33A的示意图中提供了根据本实用新型的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在包括作为安全特征的束流收集器构件的表面贴装器件(SMD)类型的封装中配置反射模式白光源。实例SMD封装具有公共支撑基底构件3401。反射模式磷光体构件3402附接到基底构件，该基底构件还可以包括磷光体构件3402和基底构件3401之间的中间基板构件。激光二极管3403安装在角度支撑构件504上，其中角度支撑构件3401附接到基底构件3401。基底构件3401被配置为将热量从白光源传导到散热器。基底构件3401由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3401，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)和其他材料形成。使用焊线3405来形成从激光二极管的电极到构件3406的电连接。焊线3407和3408形成在内部电馈通3409和3410中。馈通电耦接到外部引线。外部引线可电耦接到电源以使白光源通电并产生激光束3411，激光束3411入射到磷光体构件3402 上以产生白光发射。束流收集器3412位于磷光体构件3402的相对于激光激发源的相反侧上。束流收集器3412提供重要的安全特征，其用来吸收从磷光体构件3402的顶部反射的杂散的紫色或者蓝色激光。进一步，在移除或者损害磷光体构件3402以产生可能危险的情况(其中，从基底构件或者其他反射件反射走全功率或者近全功率的激光束)的极端情况中，束流收集器将用来吸收大部分光并防止危险的激光束暴露于外部世界。束流收集器构件还可由功能元件组成，例如静电放电(ESD)保护元件，例如浪涌电压抑制(TVS)元件。在一些实施方式中，束流收集器是热熔断器，其用来加热并产生断路以在直接暴露于激光束时关闭激光二极管。基底构件3401的顶面可由反射层组成或者涂有反射层，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。当然，图33A中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED 及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
当然，光束收集器只是激光安全特征的一个实例，但是可存在许多其他的。通常，激光二极管不应配置为指向外部环境，使得如果存在损坏或者破坏事件则直接的激光将不会溢出到外部世界。
在本实用新型的一些实施方式中，将热熔断器集成到带有磷光体构件的封装中。热熔断器是简单的配置为在正常操作下导电的器件，通常由低熔点合金组成。在一个实例中，热熔断器由带有低熔点的金属材料组成，并配置为当用紫色或者蓝色激光束的光直接或者间接辐射时快速加热。热熔断器材料中的快速发热导致材料熔化，在熔融金属中产生断开，这使导电路径断开并防止电流通过熔融器。
在本实用新型的此实施方式中，热熔断器包含在提供从外部电源输入到激光二极管的增益元件的电流的电路内。在包括、破坏或者移除磷光体构件的情况中，热熔断器物理地定位在紫色或者蓝色激光束的输出将入射的位置。也就是说，将热熔断器放在光束预期不处于的位置，除非已经在光束线中出现上游故障的封装中。在这种事件的情况中，紫色或者蓝色激光将辐射熔断器材料，在熔点或者高于熔点下引起温度上升，从而导致热熔断器元件的熔化。然后此熔化将使电路断开，并破坏从外部电源到激光二极管增益元件的电路，从而关闭激光器器件。在此优选实例中，热熔断器可切断对激光器的功率，不需要外部控制机构。
对于根据本实用新型的易熔合金热熔断器结构存在许多变型。在另一实例中，可利用焊接在易熔合金球内的适当位置的张紧弹簧。弹簧和合金提供电路。当合金变得足够软时，弹簧自由拉伸，从而破坏电路连接。在一些实施方式中，可适当地选择熔点以当已经满足或者超过足够的温度时仅破坏操作装置中的连接。
在本实用新型的一些实施方式中，安全特征和系统使用有源部件。有源组件实例包括光检测器/光电二极管和热敏电阻。光电二极管是将光转换为电流的半导体器件，其中当特定波长范围内的光入射到光电二极管上时产生电流。没有光时也会产生少量电流。可将光电二极管与诸如滤光片的部件组合，以提供入射到检测器、内置透镜上的光的波长或者偏振选择，从而聚焦光或者操纵入射到检测器上的光，并可具有较大的或者较小的表面积以选择某一响应率和/或噪声级。最流行的光电二极管类型以作为光吸收材料的Si为基础，在其中形成耗尽区域。当此区域中吸收光子时，形成电子-空穴对，这导致光电流。定义光电二极管的灵敏度的主要参数是其量子效率(QE)，将其定义为入射光子产生随后有助于输出信号的电子 -空穴对的百分比。对于在800-900nm区域内的波长下操作的硅检测器来说，大约80％的量子效率是常见的。光电二极管的灵敏度还可表达为每瓦特入射照明的光电二极管电流(单位是安培)。当波长变得更短时，此关系导致响应度减小的趋势。例如，在900nm，80％的QE表示响应率为0.58 A/W，而在430nm，相同的QE仅给出0.28A/W。在替代实施方式中，可以使用基于诸如Ge、InGaAs、GaAs、InGaAsP、InGaN、GaN、InP或其他基于半导体的材料的其他材料的光电二极管。光电二极管可以是p-n型、 p-i-n型、雪崩光电二极管、单行载子光电二极管、部分耗尽型光电二极管或其他类型的二极管。
随着这种波长更短而减小响应度，使得在紫色或者蓝色波长范围内难以实现基于高性能硅的光电二极管。为了克服此困难，可使用蓝色增强和 /或滤光片技术来改进此波长范围的响应度。但是，此类技术可能会导致成本增加，这可能与某些应用程序不兼容。可以使用多种技术来克服这一挑战，包括为蓝色增强型硅光电二极管部署新技术或使用基于不同材料系统的光电二极管，例如基于GaN/InGaN的光电二极管。在一个实施方式中，将包含InGaN和/或GaN的光电二极管与集成白光源组合。在一个具体实施方式中，光电二极管与激光二极管通过单片技术或通过集成到作为激光二极管的公共基板或支撑构件上来与激光二极管集成，以形成集成的基于 GaN/InGaN的光电二极管。
在本实用新型的另一实施方式中，为了克服实现可在蓝色波长区域内以高响应度操作的基于低成本硅的光电二极管的困难，可根据本实用新型的实施方式所需的标准，使用波长转换材料(例如磷光体)将紫外光、紫色激光或者蓝色激光向下转换成更适合于高响应度光检测的波长。例如，如果在绿色、黄色或红色波长范围内工作的光电二极管成本较低，并且对与转换波长相关的功率水平具有合适的响应度，则可以在光电二极管上涂上磷光体以将激光转换为红光、绿光或黄光发射。在检测器没有被涂覆的其他实施方式中，但是诸如磷光体的转换器构件被放置在激光束或散射激光束光和光电二极管的光路中。
设计为检测来自激光器的直接蓝光发射、散射的蓝光发射，或者磷光体发射(例如黄色磷光体发射)的策略性定位的检测器，可用来检测磷光体的会暴露蓝色光束的故障，或者白光源的其他故障。在检测到此类事件时，将配置闭合电路或反馈回路，以停止向激光二极管供电并有效地将其关闭。
例如，可以用于检测磷光体发射的光电二极管可用于确定磷光体发射是否迅速降低，这将表示激光不再有效地撞击磷光体以进行激发，并且可能意味着磷光体被去除或损坏。在有源安全功能的另一实例中，可以放置一个蓝色敏感光电探测器来检测来自激光二极管的反射或散射蓝光发射，这样如果磷光体被去除或受损，检测到的蓝光量将迅速增加，激光器将被安全系统关闭。
在一个优选实施方式中，基于InGaN/GaN的光电二极管与白光源集成。基于InGaN/GaN的光电二极管可以使用安装在封装中的分立光电二极管进行集成，也可以直接与激光二极管一起集成到公共支撑构件上。在一个优选实施方式中，基于InGaN/GaN的光电二极管可以与激光二极管单片集成。
在有源安全特征的又一实例中，热敏电阻器可以定位在磷光体材料附近或下方以确定是否存在温度突然升高，这可能是来自蓝色激光二极管的直接辐射增加的结果，表明磷光体受损或去除。同样，在这种情况下，热敏电阻信号会使反馈回路跳闸，以停止向激光二极管供电并将其关闭。
在一些实施方式中，使用附加的光学元件来重复利用反射的或者偏离的激发光。在一个实例中，使用再成像光学器件使反射的激光束再成像回到磷光体上，从而重复利用反射的光。
在图33B的示意图中提供了根据本实用新型的包括再成像光学器件的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在包括作为安全特征和作为光子回收特征的再成像光学器件的表面贴装器件(SMD)类型的封装中配置反射模式白光源。实例SMD封装具有公共支撑基底构件3401。反射模式磷光体构件3402附接到基底构件，该基底构件还可以包括磷光体构件 3402和基底构件3401之间的中间基板构件。激光二极管3403安装在角度支撑构件3404上，其中角度支撑构件附接到基底构件3401。基底构件3401 被配置为将热量从白光源传导到散热器。基底构件3401由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3401，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn 具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)和其他材料形成。使用焊线3405来形成从激光二极管的电极到构件3406的电连接。焊线3407和3408形成在内部电馈通3409和3410中。馈通电耦接到外部引线。外部引线可电耦接到电源以使白光源通电并产生激光束3411，激光束 3411入射到磷光体构件3402上以创建主激发光斑并产生白光发射。再成像光学器件3414位于磷光体构件3402的相对于激光激发源的相反侧上。再成像光学器件3414用来再引导或者再聚焦从磷光体构件3402的顶面反射的激发光的一部分。为了避免亮度减小或者光斑大小增加，再成像光学器件3414可在磷光体构件3402上产生大小和形状与主激发光斑的大小和形状类似的反射激发光斑。另选地，再成像激发光斑可比主激发光斑小。此再成像光学器件3414作为安全特征用来防止杂散的反射激光溢出封装，并可通过使浪费的反射激发光再循环回到磷光体构件3402上来增强白光装置的效率。基底构件3401的顶面可由反射层组成，涂有反射层，或者用反射层填充，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管3403和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。当然，图33B中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
在图33C的示意图中提供了根据本实用新型的包括反射光学器件的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在包括再成像光学器件以提供光束成形好处、可制造性好处以及热阻抗的可能减小的表面贴装器件 (SMD)类型的封装中配置反射模式白光源。在此实例中，SMD封装具有公共支撑基底构件3401。反射模式磷光体构件3402附接到基底构件，其还可在磷光体构件和基底构件之间包括中间基板构件。基板3413上的激光二极管直接安装到封装的基底，不需要和图33B及其他实施方式中一样的成角度的支撑构件。基底构件配置为引导热量远离白光源并到达散热器。基底构件3401由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。基底构件3401由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3401，例如使用AuSn焊料、诸如 SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16 微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约 4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化 (260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头还可以由导热胶、热环氧树脂 (例如银环氧树脂)和其他材料形成。通过电耦接到封装中的馈通(其连接到外部引线)来形成从激光二极管的电极的电连接。外部引线可电耦接到电源以使白光源通电并产生激光束3411，激光束3411入射到再成像光学器件3414上，再成像光学器件3414相对于激光器激发源位于磷光体构件的相反侧上。再成像光学器件3414用来将来自激光二极管的直接激光束3411再引导或者再聚焦到磷光体3402的顶面上的入射光束3416中。在另选配置中，可将再成像光学器件3414放在相对于激光器和磷光体的另选位置中。使用再成像光学器件的此一般实例提供以下优点：可能提供更理想的光斑大小和几何形状，如由再成像光学器件所控制的，并且不需要包含中间构件，例如成角度的支撑构件，从而更容易制造及获得更低的热阻抗。而且，此实例提供安全好处。再成像光学器件3414的使用可使得能够得到非常圆的激发光斑和/或非常小的激发光斑，例如小于1mm，小于500μm，小于300μm，小于100μm，或者小于50μm。此再成像光学器件3414作为安全特征用来防止杂散的反射激光离开封装，并可通过使浪费的反射激发光再循环回到磷光体3402上来增强白光装置的效率。基底构件3401的顶面可由反射层组成，涂有反射层，或者用反射层填充，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。当然，图33C中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
在本实用新型的一些实施方式中，在封装构件内可包括附加元件，以提供屏蔽或者阻挡来自激光二极管器件的杂散的或者反射的光的功能。通过阻挡光学伪影(例如反射的激发光，磷光体闪光图案，或者从激光二极管发射的不在主发射光束中的光，例如自发光，散射光，或者离开背面的光)，在集成到照明系统中时，来自白光源的光发射会更理想。而且，通过阻挡这种杂散的光，集成白光源本质上将更安全。最后，屏蔽件可用作光圈，使得来自磷光体构件的白光发射孔径通过屏蔽件中的孔。此光圈特征可形成来自白光源的发射图案。
在图33D的示意图中提供了根据本实用新型的包括反射光学器件的封装白光源的一个另选实例。在此实例中，在包括屏蔽件以提供附加好处 (例如，改进的白光发射空间图案，不希望有的光学伪影的减小，例如反射的激发光或者不希望有的激光发射的减小，和/或通过防止杂散的激光离开封装来实现的改进的安全性)的表面贴装器件(SMD)类型的封装中配置反射模式白光源。在此实例中，SMD封装具有公共支撑基底构件3401。反射模式磷光体构件3402附接到基底构件3401，并至少部分地由屏蔽件或者光圈构件封闭。屏蔽件3425配置有至少一个在激光二极管发射器面上延伸的伸出部3426。基板上激光二极管3423安装到成角度的支撑构件 3404并附接到封装的基底。基底构件3401由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。基底构件3401由导热材料组成，例如铜、铜钨、铝、 SiC、钢、金刚石、复合金刚石、AlN、蓝宝石，或者其他金属、陶瓷，或者半导体。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3401，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK 的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250 W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。安装接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)和其他材料形成。通过电耦接到封装中的馈通(其连接到外部引线)来形成从激光二极管的电极的电连接。外部引线可电耦接到电源以使白光源通电并产生激光束，激光束入射到屏蔽件3425内的磷光体3402上。屏蔽件配置有孔径3427以允许白光的发射。在另选配置中，屏蔽件3425可包围整个激光二极管并提供进一步水平的安全性。孔径3427的使用可使得能够得到非常理想的或者非常圆的激发光斑和/或非常小的激发光斑，例如小于1mm，小于500μm，小于 300μm，小于100μm，或者小于50μm。基底构件3401的顶面可由反射层组成，涂有反射层，或者用反射层填充，以防止或者减轻任何与向下引导或者反射的光相关的损耗。而且，可增强包括激光二极管器件和基板构件的封装内的所有表面以增加反射率，从而帮助改进有用的白光的输出。在此配置中，不覆盖或者密封白光源使得其暴露于开放环境。当然，图33D 中的实例仅是一个实例，且目的是举例说明表面贴装封装白光源的一个可能的简单配置。具体地，由于表面贴装型的封装广受LED及其他器件的欢迎且可以是现成的，所以其可以是低成本且高度适应的解决方案的一个选择。
在根据本实用新型的许多应用中，封装的集成白光源将附接到散热器构件。散热器配置为将来自封装白光源的热能传递到冷却介质。冷却介质可以是有源冷却介质，例如热电冷却器或者微通道冷却器，或者可以是无源冷却介质，例如带有最大化表面并增加与空气的相互作用的特征(例如散热片、柱、杆、片、管，或者其他形状)的空冷设计。散热器通常将由金属件形成，但是可以是其他的，例如导热陶瓷、半导体，或者复合材料。
散热器构件配置为将来自基于封装激光二极管的白光源的热能传递到冷却介质。散热器构件可由金属、陶瓷、复合材料、半导体、塑料组成，优选地由导热材料组成。候选材料的实例包括：可具有大约400W/(mK) 的热导率的铜，可具有大约200W/(mK)的热导率的铝，可具有大约370 W/(mK)的热导率的4H-SiC，可具有大约490W/(mK)的热导率的6H-SiC，可具有大约230W/(mK)的热导率的AlN，可具有大约＞1000W/(mK) 的热导率的人造金刚石，复合金刚石，蓝宝石，或者其他金属，陶瓷，复合材料，或者半导体。散热器构件可通过机加工、切割、修剪或者模塑，由诸如铜、铜钨、铝等的金属形成。
应仔细地设计并加工将根据本实用新型的封装白光源连接到散热器构件的附接接头，以将热阻抗减到最小。因此，必须为了具有足够附接强度的合适的热阻抗选择合适的附接材料、界面几何形状以及附接处理实践。实例包括AuSn焊料、SAC焊料(例如SAC305)、含铅焊料或铟，但也可以是其他焊料。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50 W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约 125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。接头还可以由导热胶、热环氧树脂(例如银环氧树脂)、热粘合剂和其他材料形成。或者，接头可由金属-金属键合(例如Au-Au键合)形成。具有激光器和磷光体材料的公共支撑构件被配置为提供小于10摄氏度/瓦或小于5摄氏度/瓦的耗散功率的热阻抗，这代表着从激光器设备到散热器的热路径。
图34是根据本实用新型的在安装于散热器构件上的密封SMD中配置的CPoS白光源的示意图。SMD封装中的密封白光源3602与图32所示的实例类似。如在图34中看到的，SMD类型的封装具有基底构件3601(即图32中的基底构件3241)，基底构件3601带有安装到基底构件3601的白光源3602，盖构件603对光源提供密封。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3601，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。盖构件具有至少一个透明窗区域。透明材料可以是玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅、金刚石、塑料，或者任何合适的透明材料。SMD封装的基底构件3601附接到散热器构件3604。散热器构件3604可由诸如金属、陶瓷、复合材料、半导体或者塑料的材料组成，优选地由导热材料组成。安装到基底构件3601的材料包括铜、铜钨、钢、SiC、AlN、金刚石、复合金刚石、蓝宝石，或者其他材料。当然，图34中的实例仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的安装在散热器上的根据本实用新型的白光源的配置。具体地，散热器构件可包括帮助传递热量的特征，例如散热片。
安装在诸如SMD的封装中的基于集成激光器和磷光体的光源，可附接到外部板以允许封装的电安装和机械安装。除了对SMD封装提供电接口和机械接口以外，这些板还对外部世界提供热接口，例如散热器。这种板还可在最终装配过程中对诸如SMD(通常小于2cm×2cm)的小封装提供改进的处理。除了定制板设计以外，存在许多行业标准板设计，包括带有基底(其是Cu、Al或者Fe合金)的金属芯印刷电路板(MCPCB)，纤维填充的环氧树脂板，例如FR4，柔性板/混合柔性板(其通常是带有Cu 夹层和介电隔离的聚酰亚胺结构，以将在需要在非平面表面周围弯曲的应用中使用)，或者可直接安装到更大系统中的现有金属框架的标准散热材料板。
在许多根据本实用新型的实施方式中，使完整的SMD附接到下一级的板将使用行业标准附接方法和材料。这些材料选择和工艺可能包括但不限于金-金互连、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准无铅焊料附接、通过点胶或模板应用或使用预成型附接的标准含铅焊料附接、使用点胶和丝网应用的晶粒附接环氧树脂，或使用点胶、模板或预成型的烧结银焊料。
图34A是根据本实用新型的在安装于诸如星形板的板件上的密封 SMD中配置的白光源的示意图。SMD封装中的密封白光源3612与图32A 所示的实例类似。如在图34A中看到的，SMD类型的封装具有基底构件 3611(即图32A中的基底构件3201)和盖构件3613，基底构件3611带有安装到基底的白光源3612，盖构件3613对光源3612提供密封。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底构件3611，例如使用AuSn焊料、诸如 SAC305的SAC焊料、含铅焊料或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4 微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化 (260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。盖构件3613具有至少一个透明窗区域。透明材料可以是玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅、金刚石、塑料，或者任何合适的透明材料。SMD封装的基底构件3611附接到星形板构件3614，其配置为允许集成白光源的电安装和机械安装，对SMD封装提供电接口和机械接口，并对外部世界提供热接口，例如散热器。散热器构件3614可由金属、陶瓷、复合材料、半导体、塑料等材料组成，优选地由导热材料组成。候选材料的实例包括铝、氧化铝、铜、铜钨、钢、SiC、AlN、金刚石、复合金刚石、蓝宝石，或者其他材料。当然，图34A中的实例仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的安装在散热器上的根据本实用新型的白光源的配置。具体地，散热器可包括帮助传递热量的特征，例如散热片。
在本实用新型的一些实施方式中，CPoS集成白光源与光学构件组合以操纵产生的白光。在一个实例中，白光源可以用于聚光灯系统，例如手电筒或汽车头灯或其他必须将光引导或投射到指定位置或区域的照明应用。作为一个实例，为了引导光，应使其准直，使得包括白光的光子沿着预期传播轴线彼此平行地传播。准直度取决于光源和用来使光源准直的光学器件。对于最高的准直度，带有4-pi发射和亚微米级或者微米级直径的完美的点光源是期望的。在一个实例中，将点光源与抛物面反射器组合，其中将光源放在反射器的焦点，并且反射器将点光源产生的球面波转换成沿着轴线传播的平面波的准直光束。
在一个实施方式中，反射器耦接至白光源。具体而言，抛物面(parabolic) (或称为抛物面(paraboloid)或抛物面(paraboloidal))反射器被部署为投射白光。通过将白光源定位在抛物面反射器的焦点中，平面波将被反射并作为准直光束沿抛物面反射器的轴传播。
在另一实例中，使用简单的单透镜或者透镜系统将白光准直成投射光束。在一个具体实例中，将单个非球面透镜放在发射白光的磷光体构件前面，并且该非球面透镜配置为使发射的白光准直。在另一实施方式中，在包含集成白光源的封装的盖中配置透镜。在一些实施方式中，在盖构件中直接包含透镜或者其他类型的光学元件以使白光成形、引导或者准直。在一个实例中，透镜由诸如玻璃、SiC、蓝宝石、石英、陶瓷、复合材料或者半导体的透明材料组成。
可将这种白光准直光学件与白光源以不同的集成级别组合。例如，准直光学器件在共同封装配置中可位于与集成白光源相同的封装内。在另一集成级别中，准直光学器件可位于与白光源相同的基板或者支撑构件上。在另一实施方式中，准直光学器件可位于包含集成白光源的封装之外。
在一个根据本实用新型的实施方式中，在带有透镜构件的扁平型封装中配置反射模式集成白光源以产生如图35中举例说明的准直白光束。如在图35中看到的，扁平类型的封装具有基底构件或者壳体构件3501，其带有安装到基底并配置为产生准直白光束的准直白光源3502，准直白光束离开在基底构件或者壳体构件3501的侧面中配置的窗3503。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底或者壳体，例如使用AuSn焊料、诸如 SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。烧结银附接材料可使用标准加工设备和循环温度进行分配或沉积，并具有更高的导热性和改进的导电性。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约 4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化 (260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。可通过到馈通3504的焊线来形成到白光源3502的电连接，馈通3504电耦接到外部管脚3505。在此实例中，准直反射模式白光源3502包括激光二极管3506、配置为接受激光二极管3506发出的激光束的磷光体波长转换器3507，以及准直透镜，例如配置在磷光体3507前面以收集发射的白光并形成准直光束的非球面透镜3508。使准直光束引向窗3503，其中窗3503由透明材料形成。透明材料可以是玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅、金刚石、塑料，或者任何合适的透明材料。外部管脚3505电耦接到电源以使白光源3502通电并产生白光发射。如在图中看到的，在扁平封装上可包括任何数量的管脚。在此实例中有6个管脚，典型的激光二极管驱动器仅需要2个管脚，一个用于阳极，一个用于阴极。因此，额外的管脚可用于附加元件，例如像是监测并帮助控制温度的光电二极管或者热敏电阻的安全特征。当然，图35中的实例仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的密封白光源的配置。
在一个根据本实用新型的实施方式中，在带有透镜构件的扁平型封装中配置投射模式集成白光源以产生如图36中举例说明的准直白光束。如在图36中看到的，扁平类型的封装具有基底构件或者壳体构件3501，其带有安装到基底并配置为产生准直白光束的准直白光源3512，准直白光束离开在基底构件或者壳体构件3501的侧面中配置的窗3503。可使用焊接或者胶粘技术来实现安装到基底或者壳体构件3501，例如使用AuSn焊料、诸如SAC305的SAC焊料，含铅焊料，或者铟，但是可以是其他的。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。可使用标准处理设备和循环温度分配或者沉积烧结银附接材料，带有更高的热导率和改进的电导率的附加好处。例如，AuSn具有大约50W/mK的热导率和大约16微姆×cm的电导率，而无压烧结银可具有大约125W/mK的热导率和大约4微姆×cm的电导率，或者加压烧结银可具有大约250W/mK 的热导率和大约2.5微姆×cm的电导率。由于从膏状到烧结状的熔化温度的极端变化(260℃-900℃)，处理可避免下游处理的热负载限制，允许整个装置自始至终具有非常好的且一致的键合。可通过到馈通3504的焊线来形成到白光源3512的电连接，馈通3504电耦接到外部管脚3505。在此实例中，准直投射模式白光源3512包括激光二极管3516、配置为接受激光二极管3516发出的激光束的磷光体波长转换器3517，以及准直透镜，例如配置在磷光体3517前面以收集发射的白光并形成准直光束的非球面透镜3518。使准直光束引向窗3503，其中窗3503由透明材料形成。透明材料可以是玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅、金刚石、塑料，或者任何合适的透明材料。外部管脚3505电耦接到电源以使白光源3512通电并产生白光发射。如在图中看到的，在扁平封装上可包括任何数量的管脚。在此实例中有6个管脚，典型的激光二极管驱动器仅需要2个管脚，一个用于阳极，一个用于阴极。因此，额外的管脚可用于附加元件，例如像是监测并帮助控制温度的光电二极管或者热敏电阻的安全特征。当然，图36中的实例仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的密封白光源的配置。
在没有盖的未密封配置中举例说明了根据本实用新型的图35和图36 所示的扁平类型的封装实例，以示出内部配置的实例。然而，用盖构件或者帽构件简单地密封扁平封装。图37是在内部带有准直白光源的密封扁平封装的一个实例。如在图37中看到的，扁平型封装具有基底构件或者壳体构件3521，其带有配置为电耦接到内部部件(例如白光源、安全特征，和热敏电阻)的外部管脚3522。密封扁平封装配置有用于使准直白光束离开盖或帽3524以在外部环境和内部部件之间形成密封的窗3523。可将盖或者帽焊接、铜焊、电焊、胶粘到基底等等。密封类型可以是环境密封或者气密密封，在一个实例中，用氮气或者氮气和氧气的组合回填该密封封装。
图38展示了举例说明根据本实用新型的包括白光准直光学器件的集成白光源的透射磷光体实施方式的示意图。在此实施方式中，利用含镓氮剥离和转移技术来制造非常小的且紧凑的基板构件，其中激光二极管芯片由转移外延层形成。当然，例如图4和图11所示的传统的基板上芯片实施方式可用于此集成准直白光实施方式。基于激光器的CPoS白光源由基板材料3701组成，其用作配置为用作形成在传输的含镓氮外延层上的激光二极管芯片3702和最终安装面之间的中间材料并用作磷光体板材料 3705和最终安装面之间的中间材料的公共支撑构件。激光二极管3702和/ 或基板配置有电极3703和3704，电极3703和3704可以由沉积的金属层和包括但不限于Au、Pd、Pt、Ni、Al、钛或其他金属层的组合形成。焊线可配置为使电功率耦接到激光二极管上的电极3703和3704。激光束 3706入射到磷光体3705上以形成出射磷光体3705的白光。使离开磷光体 3705的白光耦接到透镜中，例如用于准直和光束成形的非球面透镜3707。电极3703和3704配置为电连接到外部电源，例如激光驱动器、电流源，或者电压源。焊线(未示出)可在电极上形成以使电功率耦接到激光二极管器件，以产生从激光二极管输出的激光束。当然，这仅是具有集成准直光学器件的配置的一个实例，可存在许多关于此实施方式的变型，包括使用如图4所示的传统的基板上芯片配置，用于使准直光学器件与激光二极管和磷光体集成。在其他另选方式中，可使用带有不同大小和形状的磷光体，可使用不同几何设计的基板或者公共支撑构件，可利用激光输出束相对于磷光体的不同定向，并且可执行不同的电极和电设计等等。
图39展示了举例说明根据图25的集成白光源的反射模式磷光体实施方式的示意图，但还包括反射器光学器件，例如使白光准直的抛物面反射器。在此实施方式中，将含镓氮激光二极管2511或者基板上芯片安装在公共支撑构件2512上，公共支撑构件2512可以是用于激光二极管2511 的基板构件。公共支撑构件还支撑配置为位于激光二极管输出束2517的路径中的磷光体构件2516，其中，激光二极管光束可离开磷光体并发射白光。使诸如抛物面反射器的反射器构件3715相对于磷光体构件2516的主发射表面定位，使得磷光体构件2516接近反射器构件3715的焦点。反射器构件3715被配置为收集来自磷光体2516的白光发射并使其准直到沿着轴线3716投射的白光的光束中。反射器构件3715配置有开口或者其他入口用于激光束2517进入反射器内部，从而与磷光体2516相互作用。在其他另选方式中，可使用带有不同大小和形状的磷光体，可使用基板或者公共支撑构件的不同几何设计，可利用激光输出束相对于磷光体的不同取向，可使用不同的准直光学器件或者其他光学器件，并且可执行不同的电极和电设计等等。
图40展示了举例说明根据本实用新型的根据图28的集成白光源的反射模式磷光体实施方式的示意图，但是还包括诸如非球面透镜的透镜以使白光准直。在此实施方式中，将含镓氮激光二极管2802或者基板上芯片安装在公共支撑构件2801上，公共支撑构件2801可以是用于激光二极管 2802的基板构件。公共支撑构件2801还支撑配置为位于激光二极管输出束2807的路径中的磷光体构件2806，其中，激光二极管输出束2807可离开磷光体构件2806并发射白光。使诸如非球面透镜的透镜构件3725位于磷光体构件2806的主发射表面的前面或者上方。透镜3725被配置为收集来自磷光体构件2806的白光发射并使其准直到沿着轴线3716投射的白光的光束中。透镜3725由机械支撑构件支撑，其可以是附加构件3726或者可直接由公共支撑构件支撑。在其他另选方式中，可使用带有不同大小和形状的磷光体，可使用不同几何设计的基板或者公共支撑构件，可利用激光输出束相对于磷光体的不同定向，可使用不同的准直光学器件或者其他光学器件，并且可执行不同的电极和电设计等等。
图41展示了如图30所示的在罐式封装中配置的CPoS白光源的示意图，但是带有附加的配置为准直并投射白光的反射器构件。根据图42的用于来自TO罐式封装的准直白光的实例配置包括TO罐基底2901、配置为带有安装到基底的透明窗区域2913的帽2912。可将帽2912焊接、铜焊、电焊或者胶粘到基底。反射器构件3733配置在窗区域2913之外，其中反射器构件3733用来捕获通过窗的所发射的白光，使光准直，然后沿着轴线3734投射该光。当然，这仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的使根据本实用新型的集成CPoS白光源与准直光学器件组合的配置。在另一实例中，可将反射器集成到帽的窗构件中，或者包含在TO封装构件内。
在一个另选实施方式中，图42展示了如图30所示的在罐式封装中配置的CPoS白光源的示意图，但是带有附加的配置为准直并投射白光的透镜构件。根据图42的用于来自TO罐式封装的准直白光的实例配置包括 TO罐基底2901、配置为带有安装到基底的透明窗区域2913的帽2912。可将帽2912焊接、铜焊、电焊或者胶粘到基底。非球面透镜构件3743配置在窗区域2913之外，其中透镜3743用来捕获通过窗的所发射的白光，使光准直，然后沿着轴线3744投射该光。当然，这仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的使根据本实用新型的集成CPoS白光源与准直光学器件组合的配置。在另一实例中，可将准直透镜集成到帽上的窗构件中，或者可包含在封装构件内。
在一个另选实施方式中，图43提供了如图32所示的根据本实用新型的在SMD类型的封装中配置的白光源的示意图，但是带有附加的配置为准直并投射白光的抛物线构件。根据图43的用于来自SMD类型的封装的准直白光的实例配置包括SMD类型封装3751，其包括基底和帽或者窗区域，和集成白光源3752。将SMD封装安装到散热器构件3753，该散热器构件被配置为从激光器和磷光体构件运送和/或储存在SMD封装中产生的热量。诸如抛物面反射器的反射器构件3754被配置为在抛物面反射器的焦点处或其附近具有白光源的发射白光的磷光体构件。抛物面反射器用来沿着投射轴线3755准直并投射白光。当然，这仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的使根据本实用新型的集成白光源与反射器准直光学器件组合的配置。在另一实例中，可将准直反射器集成到帽的窗构件中，或者可包含在封装构件内。在一个优选实施方式中，使反射器与基板集成或者附接到基板。
在一个另选实施方式中，图43A提供了如图34A所示的根据本发明的在SMD类型的封装中构造的白光源的示意图，但是带有附加的抛物面反射器构件或者另选的准直光学器件，例如配置为准直并投射白光的透镜或者TIR光学器件。根据图43A的用于来自SMD类型的封装的准直白光的实例配置包括SMD类型的封装3661，其包括基底3611和帽或者窗区域，和基于激光器的集成白光源3662。将SMD封装3661安装到星形板构件3614，该星形板构件配置为允许集成白光源的电和机械安装，对SMD 封装3661提供电接口和机械接口，并对外部世界提供热接口，例如散热器。诸如抛物面反射器的反射器构件3764配置为在抛物面反射器的焦点处或其附近具有白光源的发射白光的磷光体构件。抛物面反射器3764用来沿着投射轴线3765准直并投射白光。当然，这仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的使根据本实用新型的集成白光源与反射器准直光学器件组合的配置。在另一实例中，可将准直反射器集成到帽的窗构件中，或者可包含在封装构件内。准直光学器件可以是透镜构件，TIR光学器件，抛物面反射器构件，或者另选的准直技术，或者组合。在一个替代实施方式中，使反射器与基板集成或者附接到基板。
在一个另选实施方式中，图44提供了如图32所示的根据本实用新型的在SMD类型的封装中配置的白光源的示意图，但是带有附加的配置为准直并投射白光的透镜构件。根据图44的用于来自SMD类型的封装的准直白光的实例配置包括SMD类型的封装3261，其包括基底和帽或者窗区域，和集成白光源3262。将SMD封装3261安装到散热器构件3773，其配置为从激光器和磷光体构件运送和/或储存在SMD封装3261中产生的热量。诸如非球面透镜的透镜构件3774配置有白光源3262的发白光的磷光体构件以收集并准直大部分所发射的白光。透镜构件3774由支撑构件 3775支撑，以将透镜构件3774相对于白光源3262机械地支撑在固定位置。支撑构件3775可由金属、塑料、陶瓷、复合材料、半导体等组成。透镜构件3774用来沿着投射轴线3776准直并投射白光。当然，这仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的使根据本实用新型的集成白光源与反射器准直光学器件组合的配置。在另一实例中，可将准直反射器集成到帽的窗构件中，或者可包含在封装构件内。在一个优选实施方式中，使反射器与基板集成或者附接到基板。
在一个根据本实用新型的实施方式中，图45提供了如图32所示的根据本实用新型的在SMD类型的封装中配置的白光源的示意图，但是带有附加的配置为准直并投射白光的透镜构件和反射器构件。根据图45的用于来自SMD类型的封装的准直白光的实例配置包括SMD类型的封装 3261，其包括基底和帽或者窗区域，和集成白光源3262。将SMD封装3261 安装到散热器构件3783，其配置为从激光器和磷光体构件运送和/或储存在SMD封装3261中产生的热量。诸如非球面透镜的透镜构件3784配置有白光源3262以收集并准直大部分所发射的白光。反射器壳体构件3785 或者透镜构件3784配置在白光源3262和透镜构件3784之间，以使任何偏离的光或者将以其他方式无法到达透镜构件的光反射到透镜构件中，从而准直并有助于形成准直光束。在一个实施方式中，透镜构件3784反射器壳体构件3785支撑，以将透镜构件3784相对于白光源3262机械地支撑在固定位置。透镜构件3784用来沿着投射轴线3786准直并投射白光。当然，这仅是一个实例，旨在举例说明一个可能的使根据本实用新型的集成白光源与反射器准直光学器件组合的配置。在另一实例中，可将准直反射器集成到帽的窗构件中，或者可包含在封装构件内。在一个优选实施方式中，使反射器与基板集成或者附接到基板。
可使诸如SMD的封装中的集成激光器加上磷光体光源的装置附接到外部板，以允许封装的电安装和机械安装。除了对SMD封装提供电接口和机械接口以外，这些板还对外部世界提供热接口，例如散热器。这种板还可在最终装配过程中对诸如SMD(通常小于2cm×2cm)的小封装提供改进的处理。除了定制板设计以外，存在许多行业标准板设计，包括带有基底(其是Cu、Al或者Fe合金)的金属芯印刷电路板(MCPCB)，纤维填充的环氧树脂板，例如FR4，柔性板/混合柔性板(其通常是带有Cu夹层和介电隔离的聚酰亚胺结构，以将在需要在非平面表面周围弯曲的应用中使用)，或者可直接安装到更大系统中的现有金属框架的标准散热材料板。
可通过参考说明书和附图的后面的部分，实现本实用新型的性质和优点的进一步理解。
在本实用新型的所有侧泵和透射和反射实施方式中，可以包括附加特征和设计。例如，可以通过仔细设计考虑激光束入射到磷光体的角度，或使用集成光学器件(例如准直透镜之类的自由空间光学器件)，来实现激发激光束的成形，以优化磷光体上的束斑特性。此外还可以包括安全特性，例如物理设计考虑和光束转储等无源特性和/或光电探测器或热敏电阻等有源特性，它们可以在闭环中使用以在指示信号时关闭激光器。此外，还可以包括光学元件来操纵产生的白光。在一些实施方式中，诸如抛物面反射器之类的反射器或诸如准直透镜之类的透镜用于准直白光或产生可应用于汽车前灯、手电筒、聚光灯或其他灯的聚光灯。
在一个实施方式中，本实用新型提供一种基于激光器的白光源，其包括以长度、宽度和高度为特征的形状因数。该设备具有支撑构件，及覆盖支撑构件的至少一个含镓氮的激光二极管器件与磷光体材料。激光装置能够提供发射波长优选在425nm至475nm的蓝色区域、或波长在380nm 至425nm的紫外线或紫色区域中的激光束，但也可以是其他波长，例如在475nm至510nm的青色区域或波长在510nm至560nm的绿色区域。在优选实施方式中，磷光体材料可提供560nm至580nm范围内的淡黄色光，使得当与激光二极管的蓝光混合时产生白光。在其他实施方式中，具有红光、绿光、黄光甚至蓝光的磷光体可以与激光二极管激发源组合使用以产生具有颜色混合的白光发射。该设备通常具有带有非引导激光束特征的自由空间，非引导激光束特征将激光束的发射从激光器器件传输到磷光体材料。激光束光谱宽度、波长、大小、形状、强度和偏振配置为激发磷光体材料。可通过将光束定位在离磷光体精确的距离处来构造光束，以利用激光二极管的光束发散特性并实现预期的光斑大小。在其他实施方式中，可使用诸如准直透镜的自由空间光学器件来使光束在入射到磷光体上之前成形。光束的特征可在于大于60％且小于100％的偏振纯度。如本文中使用的，术语“偏振纯度”表示，大于50％的所发射的电磁辐射处于基本上类似的偏振状态，例如横向电场(TE)或者横向磁场(TM)偏振状态，但是可具有其他与普通含义一致的含义。在一个实例中，入射到磷光体上的激光束具有小于0.1W、大于0.1W、大于0.5W、大于1W、大于5W、大于10W，或者大于20W的功率。磷光体材料的特征在于转换效率、抗热损伤、抗光损伤、热猝灭特性、散射激发光的孔隙率和热导率俱佳。在优选实施方式中，磷光体材料由掺杂有Ce的黄光YAG材料组成，转换效率大于100流明/光瓦特、大于200流明/光瓦特或大于300流明/光瓦特，并且可以是多晶陶瓷材料或单晶材料。白光设备还具有电输入接口，该电输入接口被配置为将电输入功率耦接至激光二极管器件以产生激光束并激发磷光体材料。白光源被配置为产生大于1流明、10流明、100流明、 250流明、500流明、1000流明、3000流明或10000流明或更高的白光输出。支撑构件被配置为将热能从至少一个激光二极管器件和磷光体材料传输到散热器。支撑构件被配置为提供小于10摄氏度/瓦或小于5摄氏度/ 瓦的耗散功率的热阻抗，其表征从激光器设备到散热器的热路径。支撑构件由诸如铜、铜钨、铝、SiC、蓝宝石、AlN或其他金属、陶瓷或半导体的导热材料构成。
根据一个实施方式，本实用新型提供一种基于动态激光器的光源或者光投射设备，包括微型显示器，例如微机电(MEMS)扫描镜，或者“飞镜”或数字光处理(DLP)芯片以动态地修改所发射的光的空间图案和/ 或颜色。在一个实施方式中，使光像素化以激活某些像素且不激活其他像素，以形成白光的空间图案或者图像。在另一实例中，动态光源配置为控制或者指向光束。可通过由表盘、开关或者操纵杆机构构成的用户输入来实现该控制或者指向，或者可由包括传感器的反馈回路指导。
根据一个实施方式，本实用新型提供一种基于动态激光器的光源或者光投射设备，包括具有孔径的壳体。该设备可包括用于接收信号以激活光源的动态特征的输入接口。该设备可包括视频或者信号处理模块。另外，该设备包括基于激光源的光源。激光源包括紫色激光二极管或者蓝色激光二极管。动态光特征输出由通过激光二极管(或者激光二极管和磷光体构件的组合)的输出束激发的磷光体发射构成。在极性定向的、非极性定向的，或者半极性定向的含镓衬底上制造紫色激光二极管或者蓝色激光二极管。该设备可包括微机电系统(MEMS)扫描镜，或者“飞镜”，其配置为使激光或者激光泵浦的磷光体白光投射到外部世界的具体位置。通过使用MEMS镜使激光束光栅化，可在两个维度上形成像素以产生图案或者图像。
根据一个实施方式，本实用新型包括具有孔径和输入接口的壳体，输入接口用于接收一个或多个诸如像帧的信号。动态光系统还包括处理模块。在一个实施方式中，使处理模块电耦接到ASIC以驱动激光二极管和 MEMS扫描镜。
在一个实施方式中，提供一种激光驱动器模块。除了别的之外，使激光驱动器模块适于调节将提供给激光二极管的功率的量。例如，激光驱动器模块产生基于一个或多个来自诸如像帧的一个或多个信号的像素的驱动电流，驱动电流适于驱动激光二极管。在一个具体实施方式中，激光驱动器模块配置为在大约50到300MHz的频率范围产生脉冲调制信号。
根据一个实施方式，本实用新型提供一种基于动态激光器的光源或者光投射设备，包括具有孔径的壳体。该设备可包括用于接收信号以激活光源的动态特征的输入接口。该设备可包括视频或者信号处理模块。另外，该设备包括基于激光源的光源。激光源包括紫色激光二极管或者蓝色激光二极管。动态光特征输出由通过激光二极管(或者激光二极管和磷光体构件的组合)的输出束激发的磷光体发射构成。在极性定向的、非极性定向的，或者半极性定向的含镓衬底上制造紫色激光二极管或者蓝色激光二极管。该设备可包括耦接到激光源的激光驱动器模块。该设备可包括数字光处理(DLP)芯片，其包括数字镜器件。数字镜器件包括多个镜，每个镜对应于一个或多个像帧的一个或多个像素。该设备包括电耦接到激光源和数字光处理芯片的电源。
该设备可包括耦接到激光源的激光驱动器模块。该设备包括设置于激光源附近的光学件，光学件适于将激光束引导到数字光处理芯片。该设备包括电耦接到激光源和数字光处理芯片的电源。在一个实施方式中，设备的用户可启动光源的动态特性。例如，用户可激活开关、表盘、操作感或者触发器，以将光输出从静态模式改变到动态模式，从一个动态模式改变到不同的动态模式，或者从一个静态模式改变到不同的静态模式。
在包括动态光源的本实用新型的一个具体实施方式中，由包括传感器的反馈回路激活动态特征。这种传感器可选自，但不限于麦克风、地震检波器、水中听音器、化学传感器、例如氢传感器、CO2传感器、或者电子噪声传感器、流量传感器、水表、气表、盖氏计量器、高度计、空速传感器、速度传感器、测距仪、压电传感器、陀螺仪、惯性传感器、加速计、 MEMS传感器、霍尔效应传感器、金属检测器、电压检测器、光电传感器、光检测器、光敏电阻、压力传感器、应变仪、热敏电阻、热电偶、高温计、温度计、运动检测器、无源红外传感器、多普勒传感器、生物传感器、电容传感器、视频传感器、换能器、图像传感器、红外传感器、SONAR、LIDAR、等等。
在包括带有传感器的反馈回路的动态光特征的一个实例中，包括运动传感器。动态光源配置为照亮检测到运动的位置，通过感测运动的位置空间并控制对该位置的输出光束来检测运动。在包括带有传感器的反馈回路的动态光特征的另一实例中，包括加速计。加速计配置为预测激光源设备朝向什么地方运动，并控制输出束到该位置，甚至在设备的用户可移动光源以使其指向预期位置之前。当然，这些仅是带有包括传感器的反馈回路的动态光源的实现方式的实例。可存在许多包括使动态光源与传感器组合的本实用新型概念的其他实现方式。
在某些实施方式中，集成白光源设备包括静电放电(ESD)保护元件。例如，将可使用ESD保护元件来保护集成白光源免受由于电荷积累而导致的突然电流流动而可能发生的损坏。在一个实例中，采用瞬态电压抑制 (TVS)元件。
在集成白光源设备的某些实施方式中，该光源可在包括至少150000 ppm氧气的环境中操作。
在集成白光源设备的某些实施方式中，支撑构件包括选自铜、铜钨、铝、硅以及任何以上材料的组合中的材料。
在某些实施方式中，集成白光源设备包括热耦接到支撑构件的微通道冷却器。
在某些实施方式中，集成白光源设备包括热耦接到公共支撑构件的散热器。在一个实例中，散热器具有散热片或者用于增加表面积的措施。
在某些实施方式中，集成白光源设备包括在公共支撑构件和散热器之间耦接的散热器。
在集成白光源设备的某些实施方式中，光耦接器包括一个或多个滤光片。
在集成白光源设备的某些实施方式中，输出光束在几何上配置为优化与磷光体材料的相互作用。
在集成白光源设备的某些实施方式中，白光源配置在封装中。在一个实例中，封装是气密密封的。
在集成白光源设备的某些实施方式中，白光源配置在封装中，例如扁平封装(flatpackage)，表面贴装封装，例如SMD、TO9罐、TO56罐、 TO-5罐、TO-46罐、CS-Mount、G-Mount、C-Mount、微通道冷却封装等等。
在集成白光源设备的某些实施方式中，使用反射器或者透镜使所发射的白光准直。
在另一方面，本实用新型提供了一种配置为以反射模式操作的激光泵浦固态白光源的装置。图46显示了这种装置的示意图。磷光体板4605由来自激光二极管4603的蓝色或紫色激光照射，发射中心线以相对于磷光体板4605的顶面的某个角度α入射。可选地，有时将入射角描述为相对于表面法线的角度，等于90-α。在激光没有用透镜准直的实施方式中，激光是发散的，使得激光的半峰全宽(FWHM)角2δ相对较大。数字4602 代表激光发射的中心线方向，4601和4604分别对应于FWHM角度的上限和下限。中心线4602以角度α入射到磷光体上，而远场的上极端以α-δ入射并且下极端以α+δ入射。换言之，激光在磷光体板4605的顶表面上的入射角跨光斑4606的主轴从α-δ到α+δ变化。参见图46，发散的激光使磷光体板4605上出现细长光斑4606。光斑4606的横截面线4607以平行于激光传播的快轴的虚线示出。
在一些实施方式中，激光撞击磷光体的入射角相对于表面法线可以在 0度到89度之间的范围内提供。在一个实施方式中，即使平行于磷光体表面(相对于表面法线接近90度)发射的激光也会由于发散而与磷光体发生一些相互作用。可以有充分的理由选择激发蓝色激光从不与表面相互作用以保持其相干性这样的配置。激光束和磷光体构件之间的入射角包括相对于快轴的入射角和相对于慢轴的入射角。相对于快轴的入射角或相对于慢轴的入射角中的至少一个是范围在0度和89度之间的偏离法向角。在另一实施方式中，由于在没有准直的情况下提供激光时会有发散，垂直于磷光体表面入射的0度激光束也将具有相对于表面法线呈+/-20度的光。这也可能是一个有趣的配置，其中磷光体位于抛物面镜的基底，激光二极管安装在空间中，并且磷光体发射出的光的收集和传播只是真正的反射光。在一些实施方式中，对于使基于激光的白光源处于反射模式或透射模式的大多数配置，激发激光可以被配置为使用激光束以相对于快轴的入射角撞击磷光体表面，入射角在25度和45度之间。由于在没有准直的情况下有大约+/-20度的角度发散，没有任何准直的激光束和磷光体构件之间的入射角包括相对于快轴的入射角，并且其特征在于角度范围在5度到65度之间。
在一些实施方式中，激光作为泵浦激光入射到磷光体板中，用于激发磷光体材料以产生波长比泵浦激光的波长更长的发射光。通常，发射光的光谱基本上是白光发射。在一些实施方式中，来自激光二极管4603的泵浦激光的入射角的变化对装置的操作具有若干影响。首先，装置的白光发射光谱来自于从磷光体板4605的顶表面反射或散射的泵浦激光的一部分，或来自磷光体板4605体积深处的散射中心的另一部分。不同的入射角可能导致从顶面散射的入射激光的比例发生变化，因此导致白光发射的光谱在光斑4606的相同区域上不均匀。其次，由于从激光二极管4603发射的激光功率与角度的关系相对发射中心线对称，因此激光入射角的变化要求磷光体板4605的每单位面积上的激光功率在光斑4606区域上也随之变化。这可能导致白光发射的光强度在光斑4606的整个区域上显着变化。第三，磷光体板4605的光学特性可能导致发射光谱的空间不均匀性以及在远场中以不同角度测量的光谱变化，这对于具有非准直泵浦激光器以及准直泵浦的两种实施方式都将是正确的。
如果磷光体板4605在顶表面或主体内包含许多散射中心，则传输到磷光体板4605中的泵浦激光的行进方向以及由磷光体构件发射的较长波长的发射光(在它吸收泵浦激光后)将由于其经历的许多散射事件而高度随机化。高散射磷光体构件的实例将包括但不限于复合或多晶磷光体材料。可选的，磷光体构件由均匀组成的烧结荧光粉末构成。粉状磷光体材料表现出强烈的光学各向异性，使得荧光粉颗粒的随机取向在颗粒之间转换时导致光的强烈散射。烧结的磷光体材料是在真空中或充满空气的环境下具有较大空隙体积分数的固体。磷光体的折射率与空气或真空显着不同。此外，基于具有两种或更多种组合物的磷光体或由一些在荧光成分的折射率足够不同或基质材料的折射率足够不同的基质材料结合的荧光粉的烧结磷光体材料，在折射率上也有很大不同。在这些类型的烧结磷光体材料中，散射在这些具有不同成分的磷光体材料之间的界面处或由外来基质材料限定的界面处是非常显着的。此外，由于例如光学指数随波长而发生强色散，散射的强度或性质也可能随光的波长强烈变化。在这种情况下，泵浦激光的散射可能与磷光发射光的散射显着不同，因此空间和角度发射光谱仍然不均匀。
另一方面，如果磷光体板4605由单晶磷光体制成，其组成和晶体取向高度均匀，并且在磷光体构件的主体内不包含或几乎不包含散射中心。在这种情况下(以及在磷光体材料的散射特性较弱的情况下)，进入磷光体构件的大部分泵浦激光将被磷光体吸收并向下转换以产生发射光，因为光几乎没有机会从磷光体中散射回来。然后，在不同视角下磷光体发射光的白光谱的均匀性，受到泵浦激光在磷光体板4605顶部(激发)表面处散射的强度与来自磷光体的波长更长的白光发射的角度分布的强度之间的差异的限制。此外，具有较长波长的磷光体发出的光可以传播通过磷光体构件块体，而没有明显的散射。这种基于单晶磷光体板的激光泵浦固态白光源配置是有问题的，因为相当一部分磷光体发射的光可以穿过磷光体板4605的范围并在磷光体构件的任何边缘发射而不会导致白光发射。此外，如果磷光体的体积或上下表面有少量散射，则远离光斑4606区域传播的磷光体发射光可能会散射出磷光体板4605，并被任意聚焦光学器件收集。这将导致在白色光斑4606周围形成较长波长的光晕或圆晕。
在一个具体方面，本公开提供了一种将特征引入磷光体构件的方法，旨在提高从入射激光转换的磷光体发射光的白光谱的空间或角度均匀性。可选地，这些特征被提供在磷光体构件的表面上或块体内，以改变激光的散射方式或改变磷光体发射光的角度分布。
在一个实施方式中，引入单晶磷光体构件的特征包括对磷光体构件的表面形态或内部结构进行的修改。可选地，这些修改可以是由聚焦激光束形成的一些缺陷区域。特别地，可以应用激光切割技术。在一个实例中，使用了所谓的隐形激光切割技术，这是一种基于激光的材料切割技术，使用具有不会被材料强烈吸收或反射的波长的激光。用于隐形切割的激光束通过透镜聚焦，使得最大光功率密度点位于被切割材料的厚度内。当聚焦激光束的峰值功率密度超过材料相关阈值时，非线性效应将导致仅在最大光功率密度点附近产生极高的吸收。而在激光路径中的其他地方，激光束没有充分聚焦以引起驱动强吸收的非线性效应，并且吸收保持相对较弱。可选地，可以调整聚焦透镜的位置或焦距，以控制切割材料内最大光功率密度点的深度。可选地，可平移台(Translatable stage)可用于在激光光学系统下方横向移动切割材料，从而允许在切割材料内的一个或多个深度处激光切割成任意图案。
在一个替代实例中，使用传统的烧蚀激光划片，其中划片激光波长被划片材料强烈吸收，导致划片材料烧蚀穿过划片材料的整个厚度或直到划片激光被充分衰减到这种烧蚀不再发生。隐形激光切割比传统的烧蚀激光切割具有优势，因为缺陷区域可以在切割材料的厚度内形成，并且通过狭窄的边界区域被未损坏的材料包围。这允许在材料的整个厚度中形成散射特征，而不会对材料的整个厚度进行切割，从而导致材料分离成多块。这种技术也不需要从材料的两侧进行切割。
聚焦激光束对表面或内部结构的损坏包括形成一种或多种空隙、裂纹以及熔化和再固化材料区域。材料中的这些缺陷可以充当光学散射中心，并且可以用来改变光在材料中的传播方式。在用于以反射模式制造基于激光的白光照明系统的磷光体板的情况下，泵浦激光以某个固定角度入射在磷光体板的顶部激发表面上。一部分泵浦激光束从磷光体板的顶部激发表面反射，而其余部分则透射到磷光体板中，在磷光体板上被激发表面或内部的多个散射中心散射，并被磷光体吸收转换成更长波长的磷光体发射的光，并通过顶部激发面再次输出。在用于制造透射模式的基于激光的白光源的磷光体板的另一种情况下，通过磷光体板的顶部激发表面入射的泵浦激光被磷光体板主体内部的多个散射中心散射，同时被转换为磷光发射光。一部分泵浦激光束透射过磷光体板以与磷光体发射的光混合，从而通过磷光体板的发射表面(与激发表面交替，通常为底表面)输出白光发射。在磷光体板块体内部或表面上设计不同的散射中心对于控制磷光体发射的白光变得很重要，使得磷光体在反射或透射模式下的受控方向、光谱范围和光斑尺寸上都具有增强的强度。
图47是示出了根据本实用新型的一些实施方式的包含缺陷区域的磷光体板的示意图。如图所示，磷光体板4701包含由隐形激光切割产生的缺陷区域。穿过磷光体板的一维呈线性形状的连续缺陷区域4702完全嵌入磷光体板4701中。连续缺陷区域4702的特征在于具有诸如宽度4703、垂直范围4705、距离磷光体板4701的上表面4708下方的距离4706，以及距离磷光体板4701的下表面4709上方的距离4704。或者，也可以包括不连续的缺陷区4707。不连续缺陷区4707的特征在于沿磷光体板4701 上的相同尺寸具有不同长度的多个线性缺陷部分，并且其他特征与用于表征连续缺陷区的特征基本相似。虽然在图47中显示了缺陷区域的线性特征，但缺陷区域的划线特征可以是任意形状，仅受用于准备或编程隐形激光切割的样品台的平移能力(Translation capability)的限制。例如，可以创建圆形或弯曲的特征、随机定位的特征、点和六边形图案等。
图48是示出了根据本实用新型的一些实施方式的包含替代缺陷区域的可选磷光体板的截面图。在一个实施方式中，这些磷光体板包含由隐形激光切割产生的缺陷区域。对于磷光体板A，多个缺陷区域4802由一次激光通过产生，其中每个缺陷区域完全封闭在磷光体板的块体内。可选地，缺陷区域4802位于磷光体板的上(激发)表面下方的一致距离处。对于另一磷光体板B，多次激光通过产生多个缺陷区域4803。在每次激光通过期间形成的每个缺陷区域与由先前激光通过形成的其他缺陷区域不重叠。可选地，磷光体板上表面下方缺陷区域的深度由激光聚焦透镜的位置或焦距控制。对于又一个磷光体板C，多个缺陷区域4804由多个激光通过产生，其中连续的激光通过被配置为产生重叠的损坏区域，并作为连续穿过磷光体板厚度的散射中心。对于又一磷光体板D，多个缺陷区域4805由多个激光通过产生，其中连续的激光通过被配置为在磷光体的不同深度处产生不重叠的损坏区域。可选地，受损区域的横向位置在每个深度处变化。当希望来自磷光体板中的不同深度的散射量具有变化时，这样的配置将是有利的。此配置还将在器件的所有深度提供散射中心，而不需要会导致磷光体板分离成多个不连续块的全厚度切割。
在一些实施方式中，较长波长的光从与入射的泵浦激光光斑在磷光体板的激发表面上的大小、形状和位置相同的区域，由磷光体材料发射。换言之，当由光学元件成像时，白光点在其整个区域上具有均匀的泵浦激光与磷光体发射光的比率。如果磷光体板包含的散射中心密度不足，例如在单晶磷光体的情况下，则由磷光体发出的较长波长的光会被捕获在磷光体板中，并远离泵浦激光光斑区域传播，然后被散射出磷光体板。这会产生一个由被黄色光晕包围的白色中心点组成的光点。
在一个方面，本实用新型提供了一种在磷光体板中形成作为散射中心的缺陷区域以改善其散射特性的方法。在一些实施方式中，缺陷区域的配置方式使其围绕泵浦激光光斑并散射磷光体发射的光，否则这些光将传播通过磷光体，并可能在磷光体板的边缘形成黄色光晕或被浪费掉。图49 是示出了根据本实用新型的一些实施方式的(A)在磷光体板上照射的激光点的平面图；(B)磷光体板上水平方向的一个或多个缺陷区域，以限制激光光斑；(C)在磷光体板上沿垂直方向的一个或多个缺陷区域以限制激光光斑。如图的部分A中所示，激光光斑4902是由被长波长磷光体发射光的光晕或圆晕4903包围的入射泵浦激光照射的区域。在该图的B部分中，缺陷区域通过激光切割形成，并且被配置为两组水平线4904和4905。可选地，两组缺陷区域4904和4905形成在泵浦激光光斑4902周围。可选地，这些水平线缺陷被配置为防止磷光体发射的光在被散射出磷光体之前从泵浦激光光斑4902传播很远的距离。在该图的部分C中，执行隐形激光切割工艺中的一次或多次垂直通过，以产生缺陷区域，该缺陷区域被配置为两组垂直线4906和4907，其充当防止光在磷光体内传播显著距离的散射中心。可选地，在泵浦激光光斑4902周围，除了两组水平缺陷区 4904和4905之外，还形成两组垂直缺陷区4906和4907。
在一些其他实施方式中，激光切割的缺陷区域被配置为围绕泵浦激光光斑的同心圆或椭圆。在一些附加实施方式中，缺陷区域被配置为正方形、矩形、六边形或其他多边形，以及其他形状。在一些实施方式中，散射中心形成在激光光斑的区域内，以改善激光泵浦光和磷光体发射光之一或两者的散射。根据实施方式，可以选择不同的形状以产生最佳效果，即基本上在泵浦激光光斑处产生更亮的白光光斑，在光斑区域上具有基本上均匀的光谱。
在一些实施方式中，由于激光划线造成的损坏而产生的散射中心的配置方式使得缺陷区域的密度在泵浦激光光斑内不均匀。图50是根据本实用新型的一个实施方式的泵浦激光入射到包含缺陷区域的磷光体板上的截面图，该缺陷区域在平行于激光快轴的投影的方向上非周期性地间隔开。在该实例中，激光二极管5003照射磷光体构件5005。发射方向5001、5002 和5004表示具有围绕中心线5002的相对发散光束的泵浦激光。发射方向 5001对应于上限，发射方向5004对应于泵浦激光的半角全宽的下限。在磷光体板5005的顶面上，泵浦激光束的上限和下限限定了泵浦激光光斑的区域。参考图50，多个缺陷区域5006通过激光划线形成在磷光体板5005 的主体内。在平行于激光快轴投影的方向上，缺陷区域5006的间距平行于激光光斑长度而变化。可选地，引入这种间距变化的作用是改变泵浦激光和磷光体发射光在泵浦激光光斑区域上的散射和提取效率。具有广泛间隔的激光划片特征的区域将具有较少的散射，并且将表现出更长的路径长度，以使磷光体发射的光从泵浦激光光斑的一侧传播到另一侧。在磷光体的表面纹理使得从磷光体顶面散射的激光的比例随入射角减小而增加的情况下，这样的配置将是有利的。通过引入密度不均匀的散射中心，磷光体发射的光可以优先从泵浦激光光斑的一个区域扩散到另一个区域，以补偿降低的泵浦效率。
在单独的实施方式中，通过激光划线在磷光体中形成的散射中心的布置方式使其在磷光体中的不同深度处具有不同的横向分布和密度。这种配置的一个优点是能够使靠近磷光体表面的一组散射中心被配置为有效地散射短波长泵浦激光，而靠近磷光体板的中间或底部的一组或多组散射中心被配置为有效地散射由磷光体发出的具有更长波长的光。由于短波长蓝光将在磷光体中被强烈吸收，因此两组散射中心在空间上分离，在控制泵浦激光相对于磷光体发射的光的散射分布上，可以提供选择性。
在一个替代实施方式中，非准直泵浦激光具有发散光束，使得泵浦激光在不同位置以不同入射角入射在磷光体表面上。入射角的变化可能导致镜面反射激光的角度变化，粗糙度随机的磷光体表面的漫散射光的角分布变化，以及激光泵浦光透射到磷光体材料中的比例变化。在一些实施方式中，对表面纹理进行修改，以诱导泵浦激光透射到磷光体中的空间变化，或泵浦激光从磷光体的顶面漫反射的空间变化，以便调制(磷光体发射的) 激光光斑区域内的白光强度和色点。
作为实例，图51示出了根据本公开的实施方式的入射在磷光体板上的泵浦激光的示意性截面图，该磷光体板设置有磷光体表面的不均匀啁啾图案(Chirped patterning)。激光二极管5103照亮磷光体构件5105。磷光体表面被图案化为具有多个区域，其中对表面纹理进行修改，从而引发泵浦激光透射到磷光体构件5105的变化。对应于最浅入射角5101的图案化表面区域5106具有包括多个陡峭侧壁的图案化表面纹理，该陡峭侧壁面向以更接近于法向入射的角度入射的泵浦激光倾斜。每个陡峭侧壁的特征在于具有可从入射激光看到的宽度。可选地，该多个陡峭侧壁基本上是彼此平行的线性条带，其以多排形式围绕在图案化表面区域5106上接收具有最浅入射角的激光束的束斑区域的部分周围。可选地，多个陡峭的侧壁是弯曲的，以基本上匹配束斑区域的形状。另外，对应于泵浦激光器的中心线发射角5102的另一个图案化表面区域5107经过图案化，具有比区域 5106中的线性条带侧壁更浅的多个线性条带，使得围绕中心线入射的泵浦激光仍然处于一个角度较接近法向入射。此外，对应于具有最陡入射角 5104的激光的另一图案化表面区域5108没有被纹理化，因为泵浦激光已经以接近法向入射的某个角度入射到磷光体上。
在一些实施方式中，使用湿法或干法蚀刻工艺对磷光体板进行图案化，其中使用纳米压印光刻或光学光刻工艺定义特征。这些特征也可以通过诸如激光烧蚀的微机械加工工艺形成。这些特征将形成所谓的光子晶体，其中光学介质折射率的周期性变化将导致光的频率和通过该介质的传播方向形成允许和不允许的组合。可选地，光学介质(或光子晶体)是磷光体板的一部分。可选地，光学介质附接在磷光体板的顶部。这样的实施方式表现出两个优点之一。首先是光子晶体可以设计成使来自泵浦激光器的、具有众所周知的频率和到磷光体板上的入射角的光，可以高效散射到磷光体中。在一些实施方式中，光子晶体的几何形状在空间上发生变化，使得在直接投影在磷光体板上的激光束光斑区域中的点上，光子晶体得以优化，以便激光以特定角度入射到激光束光斑区，从而耦合到磷光体板。为此目的，光子晶体可以被配置为一维或二维的。这样的配置对于利用紫色或紫外泵浦激光器制造基于激光的固态白光源是非常有利的。在这样的装置中，泵浦激光几乎不利用白光源的发光效率，并且不需要将一部分泵浦激光散射到发射的白光光谱中来产生白光光谱。
在这样的配置中，将激光高效地耦合到磷光体中是非常有利的。在一个实例中，图52示出了根据本公开的实施方式的入射到配置为光子晶体的磷光体板上的泵浦激光的示意性截面图。参考图52，光子晶体5205中的缺陷区域5206在平行于激光快轴投影的方向上周期性地间隔开。激光二极管5203照射光子晶体5205。来自激光二极管5203的激光束发射发散，其光束方向围绕中心线5202从第一线5201变化到第二线5204。第一线 5201和第二线5204分别对应于围绕中心线5202的激光发射的上界方向和下界方向。可选地，上界方向或下界方向分别是指半角全宽。可选地，光子晶体5205是磷光体板的一部分，使用掩模图案化和蚀刻以产生一维或二维图案5206。可选地，图案5206在磷光体板中包含充满空气的空隙。可选地，空隙中填充有介电材料。
在另一实施方式中，另外的优点是，在磷光体构件的厚板中，磷光体发射的光以相对相等的概率在所有方向上输出。如前所述，这种发射是不理想的，因为大部分磷光体发射的光垂直于磷光体板的厚度输出，因此其要么被全内反射引导，要么在遇到散射中心之前穿过磷光体板的宽度。这种横向导模在几乎没有散射中心的单晶磷光体中是一个特别重要的问题。在磷光体板上添加光子晶体，可以通过抑制横向导模的传输来提高性能，从而将磷光体的大部分磷光体发射光转移到垂直发射。第二个优点是，光子晶体可以设计为扩大或缩小磷光体板的发射角，以更好地匹配散射泵浦激光的发射角，这将减少白光光斑视角范围内颜色的不均匀性。
在一个实施方式中，可以形成纳米级表面粗糙纹理，以提供所需的光子晶体散射中心，或直接提供磷光体构件散射中心。例如，将包括图案化或纳米级随机凹坑的蛾眼结构提供到光子晶体的表面。这种小尺度的粗糙纹理能起到降低表面平均折射率的作用。降低表面折射率是合乎需要的，因为它降低了光子晶体内光的a)散射反射、b)菲涅耳反射和c)光的全内反射。因此，在光子晶体表面使用蛾眼粗糙纹理来促进泵浦激光的定向散射更为有利，从而增强磷光体的转换以产生磷光体发射光。可选地，这些纳米级结构通常通过材料表面的高能等离子体蚀刻以及材料的适当反应化学选择来创建。图53示出了根据本实用新型实施方式的磷光体板表面上的这种结构。
参考图53，激光二极管5303照射磷光体构件5305。磷光体构件5305 的表面被图案化，其中表面中的多个区域5306被修改成蛾眼结构。对应于最浅入射角5301的区域5306设置有面向泵浦激光器的图案化诱导陡峭侧壁，使得激光以更接近于法向入射的角度入射到磷光体构件5305的图案化表面上。对应于泵浦激光束的中心线发射角的区域5307经过图案化，具有比区域5306中的侧壁更浅的侧壁，使得来自泵浦激光器的中心线光以更接近于法向入射的角度入射到磷光体构件5305的图案化表面。这些只是许多可能的纳米级粗糙纹理的一个实例，可以提供这些纹理以形成光子晶体或直接提供给磷光体构件的激发表面，以产生泵浦激光以及磷光体发射光的理想散射，从而提高白光源的光束质量。可选地，具有蛾眼结构的光子晶体可以应用于基于磷光体的反射模式和透射模式的白光源。
在一个实施方式中，本实用新型提供了一种具有公共支撑构件的封装白光源。图54是根据本实用新型的一个实施方式的具有公共支撑构件的封装白光源的透视图。参见图54，封装的白光源包括至少一个激光二极管 5402、磷光体构件5403、成形的支撑构件5401、电端子5408和5409，以及与激光二极管形成电连接的导线5404。可以理解，在这个封装的白光源中可以包括附加元件。
在一个具体实施方式中，成形支撑构件5401包括一个基本平坦的表面部分，磷光体构件5403使用焊料、铜焊、烧结材料或导热粘合剂附接到该表面部分。在另一特定实施方式中，成形支撑构件5401包括一个或多个具有倾斜平面5405的楔形部分，一个或多个激光二极管5402附接到该倾斜平面5405上。激光二极管5402使用焊料、钎焊、烧结材料或导热粘合剂来附接。倾斜平面5405布置激光二极管5402的方式使其发射的激光束被引导到磷光体构件5403的顶表面，入射角在从0度到～90度的范围内(从磷光体顶面的法线测量)。通常，入射角相对于表面法线呈5到 65度范围内的角度。这需要倾斜平面5405不平行于磷光体构件5403所附接的平坦表面部分。此外，一个或多个激光二极管5402的孔径被定位在与磷光体构件5403的顶表面相比更高的高度。当然，顶部或底部或表面法线是相对的术语，取决于特定的封装几何形状，而不是限于特定的方向。
在集成白光源的实施方式中，可从成型支撑构件5401的底部提取热量。例如，通过将成型支撑构件5401(其本身选自良好的导热材料)通过焊接、铜焊、机械紧固件或使用高导热粘合剂的方式附接到PCB或散热器，这可将激光二极管5402产生的热量有效地传递出去。从激光二极管 5402的底部到成型支撑构件5401的底部的散热路径在集成白光源的整体尺寸以及激光二极管5402和磷光体构件5403的相对位置的约束下进行了优化。成型支撑构件5401的截面随着距热源的距离增加而增加。主热源是位于激光二极管5402顶部的脊部。在一个实施方式中，上述取决于与热源的距离的横截面的函数关系是：横截面大于或基本等于正方形与热源的距离。
可选地，成型支撑件5401由具有高导热性的材料制成。可选地，成型支撑构件5401由Cu或含Cu合金制成。在特定实施方式中，成型支撑构件5401由没有接头的单件材料制成，因为这提供了从热源到散热器的最低热阻。可选地，包括平坦表面部分和一个或多个楔形部分的成型支撑构件5401，可以通过冲压工艺或通过减材机加工工艺制造成用于表面贴装器件(SMD)封装的单件基板结构。在一个替代的具体实施方式中，成型支撑构件5401包括两个或多个使用焊接、铜焊或烧结材料接合的分离件。例如，平坦表面部分属于作为单独部件的初级基板结构。平坦表面部分用于支撑磷光体构件5403。初级基板结构还具有用于安装到散热器上的平坦底部。安装材料通过导热结或材料进行了优化。同时，一个或多个楔形部分可以由一个复杂形状的单件制成几个倾斜平面5405，作为一个或多个辅助基板结构，用于支撑激光二极管5402。可选地，一个或多个楔形部分与主基板结构的平面部分附接。然后，副基板结构和主基板结构之间的附接可以是导热的。例如，可以通过在成型支撑构件5401的平底部分和磷光体构件5403之间插入导热薄立管(未示出)来调节磷光体构件5403的高度。
可选地，对成型支撑构件5401的几何形状进行优化，以最小化对磷光体构件5403的顶部发射的光的阻挡。在封装白光源的设计期间，有可能阻挡光、同时基本上对从激光二极管5402的热提取没有帮助的任何体积的成型支撑构件5401，都被移除。在特定实施方式中，向倾斜平面5405 提供缓和(relief)特征。任意形状的缓和特征都可以。
例如，一个或多个缓和特征5406、5407以平面形状形成，以达到允许焊线5410在激光二极管5402和电端子5408之间畅通无阻地延伸的目的。成型支撑构件5401通常由裸金属制成，焊线5410是没有电绝缘的裸金属。为了防止短路，焊线5410因此必须不与支撑构件5401接触。焊线 5410可以组装成具有一定量的环高度，且具有有限的环越阻碍特征的能力。然而，在随后的工艺步骤中，这些环可能会下垂，并且需要一定量的垂直间隙幅度来考虑工艺变化。由于上述原因，缓和特征5406和5407是程序支撑构件5401设计的关键部分。为了提供对比，图55显示了设计为没有缓和特征的成型支撑构件5501的结果。为了在激光二极管5502和电端子 5508之间实现无阻碍的焊线5510，电端子5508的高度已经增加。这并不是优选实施方式，因为增加的高度将电端子5508置于从磷光体构件5503 发射的光路径中，这导致从白色光源的光输出减少。
可选地，用于支撑一个或多个激光二极管和磷光体构件的成型支撑构件由单片导热材料制成。可选地，成型支撑构件被配置为支撑具有平坦表面部分的磷光体构件，并且支撑具有多个楔形部分的多个激光二极管，该多个楔形部分包含相对于平坦表面部分的表面法线具有不同楔角的倾斜面。根据实施方式不同，每个楔形部分还包括与斜面相关联的多个缓和构件。图56显示了成型支撑构件5601的一个实施方式。该实施方式具有用于支撑两个激光二极管(未示出)的两个倾斜平面5604和5605，并且每个倾斜平面具有各自的缓和特征5607或5608。
图57示出了根据本实用新型实施方式的基于激光的集成白光源的一些附加元件。如图所示，集成白光源5700包括与图56中示出的成型支撑构件5601基本相似的成型支撑构件。它具有分别用于支撑两个激光二极管5703和5704的两个斜面5705和5706。此外，集成白光源5700包括一个磷光体构件5702，其设置在两个倾斜平面5705和5706之间的平坦区域中。此外，集成白光源5700包括若干电端子5708、5709。多根导线5710 形成电端子5708或5709与激光二极管5703或5704之间的电连接。此外，集成白光源5700包括框架构件5701。可选地，框架构件5701包括基底和周围边缘，用于提供包裹来容纳上述集成白光源所有原件的空腔。可以理解，在这个集成的白光源中可以包括更多附加元件。
在另一实施方式中，集成白光源封装包括与框架构件耦接的盖构件。图58示出了根据本实用新型另一实施方式的集成的基于激光的白光源封装。如图所示，集成白光源5800包括设置在图57的集成白光源5700顶部的盖构件5801。特别地，盖构件5801与框架构件5701的顶部环绕边缘相附接，以形成一个完全组装好的包装。可选地，盖构件5801与框架构件5701密封，以防止组装完成后的封装中的空腔受到外界环境的干扰。可选地，盖构件5801包括至少一个透明区域，其使得磷光体构件发射的光能离开封装。图58示出了集成白光源封装的实施方式的透视图，其中透明盖构件5801与白光源5700的实心框架组装在一起，该实施方式具有在空腔内的局部视图，空腔中的两个激光二极管由成型支撑件支撑并通过焊线与电端子连接，并且被配置为发射激光以诱导磷光体构件的激发，从而重新发射电磁辐射以基本形成白光。盖构件5801的透明区域的材料可以是在至少一部分可见光谱中透射至少50％白光的材料。这种材料的实例包括钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、石英和蓝宝石。此外，该材料可以在一侧或多侧涂有薄光学涂层，从而改变透明区域的透射特性。涂层的实例包括宽带抗反射涂层。
参见图58，盖构件5801的透明区域包括一个或多个图案化区域5805。可对图案化区域5805的透射特性进行修改以提高光发射质量。在一个实施方式中，一个或多个图案化区域5805吸收和/或反射来自激光二极管的激光中具有激发波长的光，并且在空间上被配置为防止在磷光体构件表面经历菲涅耳反射的激光离开封装。在该实施方式中，图案化区域5805的设计考虑了激光二极管沿慢轴和快轴的已知发散。结合关于激光二极管、磷光体构件表面和盖构件的相对位置和角度的信息，可以计算菲涅耳反射的激光与盖构件相交的盖构件上的部分区域。计算出的区域可以扩大适当的量，以考虑激光发散的变量，以及盖构件5801相对于激光二极管位置的横向对准的变量。之后计算出的包括可选放大的区域即可构成图案化区域5805。
在另一实施方式中，盖构件5801上的图案化区域5805被设计为防止其他不希望的光离开封装。不希望的光包括从激光二极管上的焊线反射的杂散光，以及来自激光二极管背面的光(包括在正常操作期间发射的低水平光或在激光二极管故障的情况下发射的较高水平光)。例如，背面涂层的退化可能会产生一些不希望的光。图案化区域5805可作为白光源的安全特征，因为它们可以防止潜在有害的激光离开封装。通过这种设计，图案化区域5805可以位于激光二极管附近，沿着激光二极管的长度，特别是靠近激光发射的背面。
可选地，图58中所示的图案化区域5805根据满足上述两个实施方式的设计来构造。因此，盖构件5801上的图案化区域5805被设计为防止来自几个不同来源的不希望的光从封装中射出：1)在磷光体构件表面经历菲涅耳反射的激光，2)从激光二极管上的焊线反射的杂散光，以及3)来自激光二极管背面的光。
可选地，图案化区域5805可以包括在盖构件5801的一侧或两侧上的涂层。涂层可以是薄膜金属涂层，包括单层或多层金属。涂层还可以包括通过丝网印刷、喷墨印刷或其他工艺印刷在表面上的有机或无机颜料。印刷材料可在印刷后进行热处理以获得所需的材料特性。
可选地，图案化区域5805还可以包括片状部分，该片状部分与盖构件5801分开但位于与盖构件5801相邻的地方。例如，图案化区域5805 可以是由特定形状的薄金属片制成的单独部分，并放置在如图58所示的位置。可以通过通常用于制造金属模板的方法来制造单独的部件，包括激光切割、光化学蚀刻或电铸。可以采用额外的机械操作，例如冲压和金属成型操作，来创建三维结构。在集成白光源5800的组装封装中，通过在盖构件5801和封装的一个或多个内表面(例如成型支撑构件或框架构件) 之间进行挤压，图案化区域5805的单独部分可以容纳在适当位置。
由于激光器面对灰尘/污染很敏感，因此基于激光的集成白光源的封装设计应确保在产品的整个生命周期内为激光工作提供清洁的环境，这一点很重要。这通常可通过将器件与环境密封，并用受控环境(如N2或CDA 气体)回填封装空间来实现。密封界面上需要部分密封或气密密封，例如在盖和框架之间，以限制和控制不希望的污染物(灰尘、湿气、腐蚀物) 进入激光器所在的空腔。环氧树脂是用于此类设备的一种可能的部分气密密封技术，但环氧树脂在固化/密封过程中释放的挥发性有机物(VOC) 可能最终进入腔内，并导致不需要的有机残留物留在激光器面上，并且在操作中导致这些残留物炭化，最终导致激光器器件操作损坏和设备早期故障。
在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种在本文所述的集成白光源的组装封装中密封构件的方法。可选地，该方法包括使用B级环氧树脂来密封组装封装的界面，以减少封装内部的VOC污染。特别地，该方法包括首先将B阶环氧树脂涂覆到待封装的第一构件的第一表面。可选地，如图59A所示，第一构件包括盖构件5901。可选地，第一构件是窗口构件。可选地，第一表面是窗口构件的底表面。可选地，可将B阶环氧树脂 5902涂覆到窗口构件5901的底表面的外围边缘区域。
该方法还包括对施加在与待封装的第二构件相隔离的第一构件上的B 阶环氧树脂进行固化。可选地，如图59A所示，对B阶环氧树脂5902的部分固化基本上释放了其中的VOC 5909，以形成低除气状态。可选地，如图59B所示，第二构件包括支撑构件5900，以保持具有面的激光二极管5910。可选地，支撑构件5900是具有第二表面的框架构件，该第二表面被配置成与第一构件的第一表面附接。可选地，第二表面是墙脊的顶面或框架构件的周围边缘。另外，该方法包括通过使第一表面经由部分固化的B阶环氧树脂与第二表面附接，来将第一构件附接到第二构件。此外，该方法包括对处于低除气状态的B阶环氧树脂进行最终固化以密封第一表面和第二表面之间的接合。可选地，如图59B所示，VOC 5919的释放在最终固化期间显著减少。可选地，B阶环氧树脂可以是具有高导热性并且可以在两步工艺中固化从而大大降低VOC的一类环氧树脂材料中的一种，或者是上述多种材料的组合。
在另一具体实施方式中，该方法包括使用烧结的纳米金属来密封组件封装的界面，以减少封装内部的废气污染。特别地，烧结纳米金属可用于密封集成白光源的第一构件和第二构件，以减少或消除对环氧树脂密封的需要。可选地，烧结的纳米金属在盖和框架的两个表面之间提供固体密封接头。可选地，烧结的纳米金属在足够低的温度下制造，以允许密封装置的可制造性。可用的纳米金属烧结焊料有许多种，包括Ag和Cu纳米金属。
在一个实施方式中，烧结纳米金属密封技术可以应用于气密封装、嵌块(slug)附接和窗口附接。在一个实例中，烧结纳米金属密封技术实质上是一种高功率半导体封装技术。图60是示出了根据本实用新型的一个实施方式的带有窗口附件和嵌块附件的气密密封包装的示意图。根据应用要求，可通过各种工艺将金属嵌块6002键合到陶瓷框架6001。对于高功率、密封应用，这通常可通过在650-850℃范围内的非常高的温度工艺中将金属嵌块6002钎焊到陶瓷框架6001上来实现。由于高温处理，将嵌块 6002放置在框架6001内的精度是很难控制的，并且会导致块条6002和框架6001在钎焊后错位。
对于发光器件封装，激光器通常需要密封环境以获得良好的可靠性。如图60所示，窗口构件6005通常由钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、石英和蓝宝石制成，通过相关工艺附接到封装框架6001的表面，封装框架6001由一些密封材料6004密封。例如，集成白光源封装的气密密封可以通过使用环氧树脂和金属合金焊料，将窗口构件附接到封装框架的表面，以在窗口构件6005和框架构件6001之间形成接头6004来实现。可选地，接头 6004可以使用选自适合于执行早先描述的两阶段固化工艺的B阶环氧树脂的一种或多种环氧树脂制成。可选地，接头6004可以使用诸如AuSn、 In、PbSn、SAC305等的焊料制成。常规的环氧树脂键合是不合适的，因为它在固化过程中放气，而这些放气的材料最终被密封在封装内。将窗口焊接到封装上可减少放气问题，但会升高良好键合密封所需的工艺温度。
可选地，使用焊料将窗口构件6005附接到陶瓷封装框架构件6001，可以为窗口提供与封装之间的气密密封，从而使腔空间成为激光操作的良好控制环境。为了使大多数焊料实现良好的密封接触，框架构件6001的陶瓷表面以及窗口构件6005的玻璃表面将需要涂覆通常包含惰性金属层 (如Au、Pd、Ag、Os或Pt)的涂层，从而为回流焊接做好准备。这些金属涂层为焊料合金提供了光滑的润湿的表面。
在一个具体实施方式中，烧结纳米金属可以作为一种焊接技术，该焊接技术可以改善集成白光源的组装封装的窗口构件和框架构件之间的接头。用作焊料的烧结纳米金属可提供温度较低的热工艺，并为最终封装提供更好的控制和放置精度。可用的纳米金属烧结焊料有许多种，包括基于 Ag和Cu纳米金属。这些纳米金属材料可以形成具有从75W/m·K到-300 W/m·K高导热率范围的固体接头。这些材料的可制造加工流程包括膏剂点胶以及250℃固化以形成接头。当使用足够的膏料形成坚固的、连续的联结时，这些接头可以实现密封。由于纳米金属材料在此过程中进行烧结，因此很难进一步回流该材料，因为它的熔点接近烧结后纯金属的熔点(Ag ～960℃，Cu～1085℃)，并且在此工艺后的热工艺上具有很大的灵活性。 SAC、PbSn等标准焊料不会烧结，因此可保持非常低的熔点，这可将后续工艺步骤限制在该熔点以下，从而限制各工艺步骤的温度，使其按顺序越来越低。
在另一具体实施方式中，烧结纳米金属密封技术可应用于激光附接和磷光体附接。图61是示出了根据本实用新型的一个实施方式的具有附接到封装支撑构件的激光和磷光体的集成白光源的示意图。如图所示，由于激光器耗散的热功率相当高，集成白光源中使用的激光器子组件需要对封装支撑构件6106具有非常好的热传导。激光子组件6103通常采用多层结构，由键合到基板的GaN激光结构组成。然后将该激光子组件6103焊接到形成在封装支撑构件6106上的楔形基板6101上。激光二极管6103和磷光体构件6104附接到覆盖封装支撑构件6106的安装表面，其中非平行几何关系由偏移角(α)决定，并且附接高度不同，以使激光二极管6103 发出的激发光束以比磷光体构件6104的顶面高的高度离开激光二极管。楔形基板6101用于提升激光器进入封装的适当位置并使其倾斜，使得来自激光二极管6103的输出光束以预定的空间位置、预定的入射角(α)和预定的激发光斑直径入射到磷光体构件6104上，所有这些都决定了基于激光的光源的性能。
通常，激光子组件通常使用标准焊料(例如，SnAgCu–SAC、PbSn、 AuSn等)焊接到楔形基板上。这些传统焊料是普通的热导体(通常为 50W/m·K)，也可能是从激光子组件去除热量的限制因素，从而限制装置效率、光输出和可靠性。
在该实施方式中，烧结纳米金属可以用作焊接技术，以在激光子组件 6103和楔形基板6101之间形成附接接头6102，就像我们在磷光体6104 和封装支撑构件6106之间形成附接接头6105一样。烧结的纳米金属可以提高附接接头6102或6105的热导率，从而为激光子组件6103和磷光体 6104提供改进的热传导路径。这允许更低的激光工作温度、改进的激光激发或磷光体再发射的光输出和效率，以及更高的集成白光源的可靠性。可用的纳米金属烧结焊料有许多种，包括基于Ag和Cu的烧结纳米金属。这些材料形成了热导率从75W/m·K到300W/m·K的固体接头，并且可以通过需要膏剂点胶和250℃固化的简单可制造工艺制成。由于该材料在此过程中进行烧结，因此很难进一步回流该材料，因为它的熔点接近烧结后纯金属的熔点(Ag～960℃，Cu～1085℃)，并且在此工艺后的热工艺上具有很大的灵活性。SAC、PbSn等标准焊料不会烧结，因此可保持非常低的熔点，这可将后续工艺步骤限制在该熔点以下，从而限制各工艺步骤的温度，使其按顺序越来越低。
在一些实施方式中，焊料可以采取多种形式，包括膏剂、预制件或复合预制件。图62显示了金属框架6201夹在焊接材料6202中间的复合预成型件的实例。金属框架6201可以预成型为适合图60所示的集成白光源封装的所需形状。金属框架6201由Cu、Kovar、钢等制成，专门选择以改进工艺或操作过程中温度漂移时窗口构件与封装之间的温度系数匹配。
气密密封将采用适用于焊料的半导体工艺来完成。图63显示了以膏剂、预制件或复合预制件开始的工艺的典型流程图。此流程将使用适用于焊料的典型回流条件，但也可以使用引起回流的替代方法，例如晶粒键合、焊料的局部激光加热、焊料的IR加热、焊料的电阻加热，以最大限度地减少已完成的其他封装部分的热偏移。在一个实施方式中，当焊料作为膏剂提供时，将窗口附接到封装的焊接过程包括清洁封装和窗口，以及对封装或窗口执行膏剂点胶。可选地，也可将膏剂模板印刷到封装或窗口上。可选地，可以将膏剂丝网印刷到封装或窗口上。此外，焊接工艺包括设置所需的周围环境，并将窗口附接到封装上。最后，焊接过程包括将窗口回流到封装上。可选地，回流步骤就是使用晶粒附接回流工艺。
在另一实施方式中，当焊料作为预成型件或复合预成型件提供时，将窗口附接到封装的焊接工艺包括清洁封装和窗口，并将预成型件或复合预成型件固定到窗口或封装上。此外，焊接工艺包括设置所需的周围环境，并将窗口附接到封装上。最后，焊接过程包括将窗口回流到封装上。可选地，回流步骤就是使用晶粒附接回流工艺。
在该集成白光源的优选配置中，窗口使用晶粒附接或热烘箱回流技术附接到框架构件，使用的焊料包括AuSn焊料、SAC焊料(例如SAC305)、含铅焊料或铟，但也可以是其他。在一个另选实施方式中，烧结的银膏或者膜可用于界面处的附接处理。
在该集成白光源的替代优选配置中，窗口包括在复合金属盖构件中，并且该盖构件使用焊接工艺固定到SMD封装。焊接工艺是确保封装密封性的理想选择，因为它是密封传统激光二极管产品封装(如TO罐式封装、蝶形封装和其他封装)的常用方法。在这种配置中，窗口将附接到与焊接工艺兼容的金属构件，这样盖构件就是由玻璃或蓝宝石窗口区域和适合焊接的金属区域组成的复合构件。在该配置的一个实施方式中，盖构件将被焊接到框架构件，其中框架构件将由适用于焊接工艺的金属构成。在该实施方式的另一配置中，盖构件可以焊接到基底构件或SMD封装的支撑构件。在这种配置中，不需要框架。在一个实例中，盖构件将类似于TO罐盖构件。
SMD由蓝色基板上芯片(CoS)边缘发射激光二极管和宽频黄光磷光体组成，可以发射大于～6300K的色温，并且色温随材料和激光波长的选择而变化。为了发射具有较低相关色温(CCT)的较暖白色，可以加入红色光源。该红色光源可以是添加另一种磷光体材料、量子点、光激发量子、阱结构或添加诸如LED、激光器、OLED或类似物的红光固态器件。加入红色LED同样不适合加入到基于高亮度激光的暖白光发射装置中，因为其发射面积比基于高亮度激光的冷白光发射装置发射面积大10到100倍。如果需要均匀的色斑，将这些红色发射解决方案加入到基于高亮度激光的暖白发射装置中是不够的。
为了使基于激光的白色发射器在暖白装置中保持高亮度能力，可以使用红色激光二极管作为红色发射源。这些装置的冷白色版本包含蓝色激光发射，以便在宽频黄色发射磷光体材料上激发100μm至300μm直径的光斑。这些器件的有效发射点就是黄色磷光体上的这个激发点。通过加入红色激光二极管可以制成暖白色装置。红色激光发射可以投射到磷光体材料的蓝色激发点上，以保持基于激光的白色发射器的高亮度特性。此外，可通过将红色光呈现到与磷光体材料上的蓝色激发点相同的点区域，来保持颜色的均匀性。红色激光波长的选择对发射的白光的CCT有着显著影响。有效发射暖白色的能力也受到红色激光波长的选择的影响。图64示出了在将发射630nm或650nm红色激光二极管与蓝色激光二极管和黄色磷光体结合时，在模拟中获得的暖白色光谱。在这些发射光谱中，发射的蓝色和黄色总分量几乎相同。与630nm红色激光二极管相比，650nm激光二极管的红色激光发射可能包含超过2倍的光功率，以实现3000K的暖白光。图65示出了在各种CCT并入630nm或650nm红色激光二极管下模拟的基于激光的暖白光发射的辐射发光效率(LER，发射光的单位辐射通量的光通量)。
大量白光应用需要高光通量和高亮度光源，以便从远距离和/或以非常特定的图案最佳地照亮主体或目标物体。例如，总光通量值大于2000流明、大于10000流明、大于100000流明、大于1,000,000流明的高亮度光源，以及光束范围大于1公里、大于5公里、大于10公里、大于50公里和大于100公里的高亮度光源，可能需要在例如高强度放电源的广泛应用中替代现有技术，例如汞蒸气灯、氙气灯、钠蒸气灯、和发光等离子体源，和/或使光源具有前所未有的能力和功能。光束范围可以是低于0.25勒克斯的范围。光发射能以大于每平方毫米100坎德拉的亮度、以大于每平方毫米500坎德拉的亮度或以大于每平方毫米1000坎德拉的亮度发生。电磁辐射发射(光发射)可以在400nm至700nm的可见光范围内，或在200nm至400nm的紫外范围内，或在700nm至1100nm的红外范围内，或在 1100nm至2500nm的红外范围内，或2500nm至15000nm，或这些的组合。每个SMD封装都可能会发射到同一器件的一个波长或多个波长上，通过对两个波长进行单一控制，或对SMD封装内的器件进行单独的可寻址电子控制，可以产生这种效果。每个SMD封装的发射可能会以同一封装的一个亮度或多个亮度发生，通过对SMD封装内的器件进行单独的可寻址电子控制，可以产生这种效果。在根据本实用新型的一组优选实施方式中，基于激光的白光源被配置为形成高光通量和高亮度的白光源以解决广泛的应用。这些应用可以包括但不限于用于娱乐、建筑、娱乐、航空电子设备、汽车、海洋、军事、搜索和救援以及其他应用的聚光灯、信号和 /或信标；大型结构或物体的照明，如高层建筑、桥梁、隧道、城市天际线中的标志建筑、雕像、国家纪念碑或其他重要地标，以及山脉或山坡等自然环境；在任何照明应用中发展应用，例如园艺、环氧树脂或树脂或其他固化、硬化或材料加工、清洁或其他防腐或抗菌或抗真菌应用、广告、图案或图像投影、信号或其他形式的通信；包含动态光束成形光学器件和显示器的动态照明；高速无线通信，例如LiFi或可见光通信(VLC)；传感，例如光成像和探测与测距(LIDAR)。
实现高光通量、高亮度白光源的一种方法是配置多个单独的基于高亮度激光的白光源，以将来自每个单独的高亮度光源的光通量聚合到单个灯具或光源中。这种多个单独的基于激光的白光源的聚合可以在多种不同的光源排列中实现，包括一维(1D)阵列、二维(2D)阵列或矩阵，或者甚至是三维(3D)阵列配置。装置可以采用串联、并联或串并联配置驱动，以通过一个电气驱动器控制所有元件。或者，可以独立地驱动这些元件或元件子集，从而通过调整元件子集的每个元件的相对光输出，来动态地创建和调整光图案。
在本实用新型的一些实施方式中，可对基于激光的光源的一维或二维阵列进行配置使其聚合多个单独的基于激光的光源的功率。在一个优选实施方式中，基于表面贴装器件(SMD)的激光光源采用一维排列。例如，能够产生约500流明白光的SMD可以排列成N个一维排列的SMD，其中阵列的总输出功率将是约500流明乘以N，N的范围可以从2至100或更多，总光通量约为1,000流明至约50,000流明或更多。在另一实例中，各个SMD可能能够产生1,000流明，使得一维阵列的总光通量可以总计为2,000流明至约100,000流明。在又一实例中，各个SMD可能能够产生 2,000流明，使得一维阵列的总光通量可以总计为4,000流明至约400,000 流明。当然，这些描述是为了举例说明，但可以有其他配置和流明水平。
图66示出了由SMD封装的1D阵列构成的基于高光通量激光器的白光源的示意性俯视图作为实例。如该图所示，一个或多个激光二极管位于 SMD封装中并配置有磷光体构件。在向激光二极管施加电流时，从激光二极管产生电磁辐射输出发射并激发磷光体。来自激光二极管的组合发射，以及来自磷光体构件的波长转换发射产生白光发射。在此实例中，基于 SMD激光器的单个光源排列在一维阵列中，以创建并排放置的N个SMD 光源“线”。这种配置的总光通量大约等于单个SMD的平均光通量乘以一维阵列中SMD的数量N。
在第二个优选实施方式中，基于SMD的激光光源以二维方式排列。例如，能够产生约500流明白光的SMD可以排列成N乘以M个二维排列的SMD，其中阵列的总输出功率将是约500流明乘以N再乘以M，N的范围可以从2至100或更多，总光通量约为2,000流明至约5,000,000流明或更多。在另一实例中，各个SMD可能能够产生1,000流明，使得二维阵列的总光通量可以总计为4,000流明至约10,000,000流明。在又一实例中，各个SMD可能能够产生2,000流明，使得二维阵列的总光通量可以总计为8,000流明至约20,000,000流明或更多。当然，这些描述是为了举例说明，但可以有其他配置和流明水平。
图67示出了由SMD封装的2D阵列构成的基于高光通量激光器的白光源的示意性俯视图作为实例。如该图所示，一个或多个激光二极管位于 SMD封装中并配置有磷光体构件。在向激光二极管施加电流时，从激光二极管产生电磁辐射输出发射并激发磷光体。来自激光二极管的组合发射，以及来自磷光体构件的波长转换发射产生白光发射。在此实例中，基于 SMD激光器的单个白光源以二维阵列排列，以创建由位于行和列矩阵中的N乘以M个SMD组成的白光源“区域”。这种配置的总光通量大约等于单个SMD的平均光通量乘以二维阵列中SMD的数量(N×M)。当然，这种行和列的方形或矩形矩阵排列仅仅是一种二维阵列配置的实例。还有许多其他可能的布置，例如形成圆形或椭圆形区域、三角形区域、不连续区域和定制的几何照明区域。
用于使白光成形或引导白光的光学构件可以耦合至来自包括基于激光的高光通量白光源的基于激光的各个白光源的输出发射。在一个优选实施方式中，光学构件包括一个或多个准直光学器件，该准直光学器件被配置为收集白光发射并将其聚焦在准直和/或定向发射图案中。准直光学器件可以配置为诸如非球面透镜之类的透镜、诸如抛物面反射器之类的反射器光学器件、全内反射器光学器件、衍射或折射光学器件，或者可以是使用两种或更多种光学器件的组合光学器件，以实现所需的光束成形效果。在一些实施方式中，包括用于图像和/或图案投影或光束成形光学器件的模板。这种图案或光束成形光学器件可以实现照明图案的高清晰度投影。这种图案化的投影照明可用于精确照亮特定对象或区域，同时使相邻区域不受照明，或可用于投影形状、物体、文本和其他通信或广告方式。
配置为对来自基于激光的白光源的白光发射进行准直、聚焦和/或成形的光学构件可以通过多种方式配置。在一个示例性实施方式中，每个单独的白光源具有一个或多个耦接到白光发射的专用单独光学构件。在该实施方式中，一个或多个光学构件可以单独对准每个单独的白光源构件，这可以为高光通量白光源的性能和效率提供好处，因为这可优化光学对准，以实现每个发射器的最大光通量效率和最佳光束质量，从而确保白光源阵列的最佳整体性能。图68示出了基于激光器的白光SMD的高流明2D阵列的实例示意图，其中每个SMD具有一个或多个与其白光发射耦合的指定光学元件。在该实例中，光学器件是准直光学器件，例如反射器光学器件、全内反射器光学器件或其他类型的准直光学器件，但应当理解，还可包括其他类型的光学元件。
在另一示例性实施方式中，多个单独的基于激光的白光源可以共享一个共同光学元件，其中来自单独的源的输出白光发射将耦合到一个或多个共同光学元件。在该实施方式中，一个或多个公共光学元件可以配置为透镜阵列，其中透镜阵列将包含用于每个白光发射器的专用透镜元件。例如，对于基于激光的白光发射器的N×M阵列，N×M透镜阵列将被配置为耦合到该发射器阵列。如果白光发射器的空间和光学对准被控制在预定的指定公差内，并且透镜阵列被设计和制造为在可接受的预定公差内，则可在同一光学对准步骤中一起配置公共光学构件和发射器阵列。这种配置可以为光耦合工艺的成本和吞吐量带来好处，因为只需要一个对准和附接过程即可。图69展示了基于激光器的白光SMD的高流明2D阵列的实例示意图，其中N×M SMD的阵列共享公共光学元件。在该实例中，公共光学器件可以是准直光学器件阵列，例如反射器光学器件、全内反射器光学器件，或者也可以是单个大型光学器件。应当理解，还可包括其他类型的光学元件，并且该图仅是实例。矩形布置如图74所示，圆形布置如图75所示。
在根据本实用新型的一些实例中，来自高光通量源的白光发射被成形或图案化。基于激光的光源的高亮度(例如大于100cd//mm2、大于500 cd/mm2、大于1000cd/mm2、大于2000cd/mm2、大于5000cd/mm2或更大) 能够实现对于低亮度光源(例如基于LED的光源)而言无法实现的白光的精确图案化。在一个实施方式中，专用光学器件与一个或多个包括高光通量源的单个源耦合。专用光学器件被配置为在光源的静态操作期间使光成形为预定图案。例如，可以从圆形图案、正方形或矩形图案、垂直和/ 或水平线图案中的一种或多种中选择图案以生成线源、网格图案、表示对象或消息的特定形状或符号的图案、用于沟通的字符或文字图案，或任何其他一维或二维图案。这种用于光源的静态图案化实例光学器件可以包括衍射光学元件、纳米结构光学元件、用于基本图案投影的模板或图案，或其他。
在一个实施方式中，有源光学元件与一个或多个包括高光通量源的单个源耦合。有源光学元件被配置为在光源操作期间使光动态地成形为预定图案，使得该图案可以作为时间函数而改变和修改。在一个实例中，有源光学元件是一种可调谐光学透镜，能对来自基于激光的白光源的所得光束发散度进行调制。在该实施方式的一个实例中，使用液晶显示技术来改变光学透镜特性，以使白光束发散度能够在大约1至5度到大约60至120 度的发散度之间进行调整，但也可以是其他的。在该实施方式的另一实例中，有源光学元件耦合到一个或多个单独的高亮度源，可以包括微显示型元件。例如，可以包括一个数字光处理(DLP)芯片。在另一实例中，包括液晶型显示技术，例如LCOS微显示芯片。在另一实例中，包括透射液晶型光束成形技术。在另一实例中，包括声光或电光调制器。在又一实例中，包括MEMS扫描镜或镜阵列。在所有这些有源光学元件的实例中，来自基于一个或多个单独的高亮度激光的源的光输出图案可以被动态控制。可以基于预定时序控制期望的时间动态空间图案输出，例如基于预定序列按顺序投影某些图案或图像，可以基于对诸如按钮或触摸屏界面等控制界面的人工输入进行控制，或者可以根据一天中的一般时间进行控制。在一个优选实施方式中，时间动态照明图案可以由传感器反馈控制。例如，相机、雷达、激光雷达、麦克风、光伏、陀螺仪、加速度计和任何其他传感器类型都可以与动态光源集成。来自传感器的反馈将触发动态光源，以响应环境并根据环境将静态或有源图案序列更改为所需的配置。反馈回路可以设置为交互式反馈回路。参见例如2017年9月28日提交的美国专利公开号2019/0097722，其全部内容出于所有目的通过引用结合于此。在一些配置中包括多个专用光学器件或有源光学元件，其中每个单独的高亮度源可以具有其自身的专门的专用光学元件，使得可以有2到N或2到N×M 个元件耦合到1到N或1到N x M个单独的高亮度光源。
在根据本实用新型的一个实施方式中，由单独的基于高亮度激光的白光源组成的高光通量白光源被配置用于LiFi或VLC应用中的高速无线数据传输。在该实例中，对基于激光的白光源内的至少一个激光二极管进行调制，以利用预定数据模式对激光发射进行编码，从而生成信号。在一个实例中，对蓝色激光二极管进行调制，以生成蓝色波长上的数据模式信号。接收器被配置为检测此调制的蓝光发射，并对模式进行解码，以将预期数据提供给接收器。接收器可以配置在智能设备、笔记本电脑、显示器、音频源、连接到物联网网络的任何设备或任何需要数据的设备或位置。由于根据本实用新型的基于高光通量激光的源由单独的高亮度源组成，因此每个单独的源都能充当单独的数据通道。例如，在一维阵列中，如果每个源都能以10Gb/s的速度传输数据，则由N个源组成的阵列可能具有高达N x 10Gb/s的潜在数据速率。在二维阵列中，数据速率可能会增加到N x M x 10Gb/s。在本实用新型的一些实施方式中，数据传输与静态或动态波束成形相结合。在这样的配置中，来自高光通量源的各种数据流可以具有独特的模式，以实现数据传输路径的更强能力或选择性。例如，参见2017 年9月28日提交的美国专利公开号2019/0097722。
在根据本实用新型的一个高光通量、高亮度白光源的实施方式中，光源的结构是将多个单独的基于激光的光源安装在公共电子板构件上，而公共电子板构件则安装到公共散热器构件上。电子板构件电耦接到电子驱动器构件，该电子驱动器构件被配置为提供电流和电压以驱动基于激光的光源。单个高亮度白光源可以串联电耦接，以创造高电压和低电流驱动条件，或者可以采取并联电耦接配置，以创造高电流和低电压驱动条件，或者可以采取串并联电配置，其多个串联连接的电源组并联连接。驱动器构件电耦接到电源，例如电池构件或具有AC到DC转换器的AC电源。散热器可以是无源或有源冷却散热器，包括对流冷却、光管、诸如用水的传导冷却，或使用诸如热电冷却器的冷却元件。图70示出了示例性高光通量高亮度光源的示意图，其中单个高亮度光源由基于SMD激光的白光源组成。单个SMD光源安装在公共电子板构件上，而电子板构件安装在散热器构件上。
在本实用新型的替代实施方式中，每个单个高亮度源具有其自身的专用电子板构件，该电子板构件安装到公共散热器构件上。电子板构件可选地耦接到公共电子板构件。电子驱动器构件将被配置为提供电流和电压以驱动基于激光的光源。单个高亮度白光源可以串联电耦接，以创造高电压和低电流驱动条件，或者可以采取并联电耦接配置，以创造高电流和低电压驱动条件，或者可以采取串并联电配置，其多个串联连接的电源组并联连接。驱动器构件电耦接到电源，例如电池构件或具有AC到DC转换器的AC电源。散热器可以是无源或有源冷却散热器，包括对流冷却、诸如用水的传导冷却，或使用诸如热电冷却器的冷却元件。图71示出了示例性高光通量高亮度光源的示意图，其中单个高亮度光源由基于SMD激光的白光源组成。单个SMD光源安装在专用的单个电子板构件上，而电子板构件安装在公共散热器构件上。
在本实用新型的又一替代实施方式中，每个单个高亮度源直接安装在公共散热器构件上。这种配置将提供改善热性能的好处，而无需中间电子板构件，因为这会增加堆叠的热阻抗。电子驱动器构件将被配置为将电流和电压直接提供给基于激光的光源构件。单个高亮度白光源可以串联电耦接，以创造高电压和低电流驱动条件，或者可以采取并联电耦接配置，以创造高电流和低电压驱动条件，或者可以采取串并联电配置，其多个串联连接的电源组并联连接。驱动器构件电耦接到电源，例如电池构件或具有 AC到DC转换器的AC电源。散热器可以是无源或有源冷却散热器，包括对流冷却、诸如用水的传导冷却，或使用诸如热电冷却器的冷却元件。图72示出了示例性高光通量高亮度光源的示意图，其中单个高亮度光源由基于SMD激光的白光源组成。单个SMD光源直接安装在公共散热器构件上。
在本实用新型的一个优选实施方式中，高光通量、高亮度白色光源被配置在外壳构件中，以包含单个高亮度光源、光学构件、散热器构件和可选的电子构件。外壳构件被配置为将高光通量源的所有组件合并到一个独立装置中，该装置准备好集成到更大的系统中或作为独立的光源操作。该外壳构件可以被配置为通过提供对机械冲击、处理或运输的保护来防止对光源的损坏，并为使用光源、处理光源的人或暴露于光源的人提供安全。外壳可以配置有光学透明的“窗口”构件，以使高光通量白光射出外壳。外壳构件可以被配置为包含电池构件，使得白光源将不依赖于外部电源。或者，外壳构件可以配置有电接口，例如具有插头或电线，以将高光通量光源电耦接到电源。在一个实施方式中，高光通量白光源配备有内部电池部件和用于连接到外部电源的接口。外壳构件可以配备有充电构件，当其插入外部电源时，该充电构件的作用是为光源的电池充电。高光通量源外壳构件可以包括便于携带和运输的把手构件，并且可以包含机械支架构件，以便机械地定位光源以在期望的方向上对准光输出。图73示出了示例性高光通量高亮度光源的示意图，该光源由基于30个单个高亮度SMD激光的白光源组成。光源配置在根据本实用新型的外壳构件中。在该实例中，光源能够产生具有大约2度的发散角和大约12,000流明，以提供大约600 万坎德拉和大约5公里(或大约3英里)的范围。
尽管以上是对特定实施方式的完整描述，但可以使用各种修改、替代结构和等同物。因此，以上描述和说明不应被视为限制随附权利要求所限定的本实用新型的范围。

Claims (20)

1.一种基于高光通量激光的白光源，其特征在于，包括：
公共支撑构件；以及
多个表面贴装器件SMD封装，以阵列图案布置在所述公共支撑构件上，所述多个SMD封装中的每一个包括：
一个或多个激光二极管器件，每个包括含镓和氮的材料并被配置为激发源；
磷光体构件，被配置为波长转换器和发射器，并耦接到所述一个或多个激光二极管器件；
输出面，被配置在所述一个或多个激光二极管器件中的每一个上，以输出包括电磁辐射的激光束，所述电磁辐射选自具有范围从400nm到485nm的第一波长的紫光发射和/或蓝光发射；
自由空间，介于所述一个或多个激光二极管器件中的每一个上的所述输出面与所述磷光体构件之间，具有能够将所述激光束从所述输出面传输到所述磷光体构件的激发表面的非引导特性；
来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束与所述磷光体构件的所述激发表面之间的入射角范围，使得平均来说所述激光束偏离法向入射到所述激发表面，且束斑被配置为特定的几何尺寸和形状；
其中，所述磷光体构件将来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述电磁辐射的一部分转换成具有比所述第一波长长的第二波长的发射电磁辐射；并且
表征所述磷光体构件的反射模式，使得来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束入射到所述磷光体构件的所述激发表面上的束斑区域上，并且白光发射从相同的所述束斑区域输出，所述白光发射包括至少由具有所述第二波长的所述发射电磁辐射表征的波长的混合。
2.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述公共支撑构件包括散热器，并且所述多个SMD封装被配置为将热能从所述一个或多个激光二极管器件和从所述磷光体构件传输到所述散热器。
3.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述多个SMD封装以一维(1D)阵列图案或以二维(2D)阵列图案至少其中之一布置在所述公共支撑构件上。
4.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，进一步包括多个光学构件，其中所述多个光学构件中的一个或多个被耦合到从所述多个SMD封装中的每一个的所述磷光体构件输出的所述白光发射。
5.根据权利要求4所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述多个光学构件包括准直光学器件，所述准直光学器件被配置为收集所述白光发射并将所述白光发射聚焦在准直和/或定向发射图案中。
6.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，进一步包括一个或多个公共光学构件，所述一个或多个公共光学构件被耦合到从所述多个SMD封装中的每一个的所述磷光体构件输出的所述白光发射。
7.根据权利要求6所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述一个或多个公共光学构件包括透镜阵列，所述透镜阵列具有与从所述多个SMD封装中的每一个的所述磷光体构件输出的所述白光发射相关联的专用透镜元件。
8.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，进一步包括光学器件，所述光学器件被耦合到从所述多个SMD封装中的每一个的所述磷光体构件输出的所述白光发射，其中所述光学器件被配置为使所述白光发射成形为预定图案。
9.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，进一步包括有源光学器件，所述有源光学器件被耦合到从所述多个SMD封装中的每一个的所述磷光体构件输出的所述白光发射，其中所述有源光学器件被配置为使所述白光发射动态成形为不同的预定图案。
10.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，来自所述一个或多个激光二极管器件中的至少一个的所述激光束被以预定数据模式调制以生成用于无线数据传输的信号。
11.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，进一步包括公共的电子板构件，其中所述多个SMD封装中的每一个都耦接至所述电子板构件，并且所述电子板构件耦接至所述公共支撑构件。
12.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，进一步包括多个电子板构件，其中所述多个SMD封装中的每一个都耦接至所述多个电子板构件中的一个，并且所述多个电子板构件中的每一个都耦接至所述公共支撑构件。
13.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述磷光体构件包括多个散射中心，以对入射到所述磷光体构件上的所述激光束中的具有所述第一波长的所述电磁辐射进行散射。
14.根据权利要求1所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述磷光体构件包括掺杂有Ce的陶瓷钇铝石榴石(YAG)或掺杂有Ce的单晶YAG或包含粘合剂材料的粉末状YAG；其中，所述磷光体构件具有大于50流明/光瓦、大于100流明/光瓦、大于200流明/光瓦或大于300流明/光瓦的光学转换效率。
15.一种基于高光通量激光的白光源，其特征在于，包括：
公共支撑构件；以及
多个激光器封装，以阵列图案布置在所述公共支撑构件上，所述多个激光器封装中的每一个包括：
一个或多个激光二极管器件，每个包括含镓和氮的材料并被配置为激发源；
磷光体构件，被配置为波长转换器和发射器，并耦接到所述一个或多个激光二极管器件；
输出面，被配置在所述一个或多个激光二极管器件中的每一个上，以输出包括电磁辐射的激光束，所述电磁辐射选自具有范围从400nm到485nm的第一波长的紫光发射和/或蓝光发射；
自由空间，介于所述一个或多个激光二极管器件中的每一个上的所述输出面与所述磷光体构件之间，具有能够将所述激光束从所述输出面传输到所述磷光体构件的激发表面的非引导特性；
来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束与所述磷光体构件的所述激发表面之间的入射角范围，使得平均来说所述激光束具有到所述激发表面的入射角，且束斑被配置为特定的几何尺寸和形状；
其中，所述磷光体构件将来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述电磁辐射的一部分转换成具有比所述第一波长长的第二波长的发射电磁辐射；并且
表征所述磷光体构件的反射模式，使得来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束入射到所述磷光体构件的所述激发表面上的束斑区域上，并且白光发射从相同的所述束斑区域输出，所述白光发射包括至少由具有所述第二波长的所述发射电磁辐射表征的波长的混合。
16.根据权利要求15所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述多个激光器封装包括罐型封装、表面贴装型封装或扁平型封装中的至少一种。
17.一种基于高光通量激光的白光源，其特征在于，包括：
公共支撑构件；以及
多个表面贴装器件SMD封装，以阵列图案布置在所述公共支撑构件上，所述多个SMD封装中的每一个包括：
一个或多个激光二极管器件，每个包括含镓和氮的材料并被配置为激发源；
磷光体构件，被配置为波长转换器和发射器，并耦接到所述一个或多个激光二极管器件；
输出面，被配置在所述一个或多个激光二极管器件中的每一个上，以输出包括电磁辐射的激光束，所述电磁辐射选自具有范围从400nm到485nm的第一波长的紫光发射和/或蓝光发射；
自由空间，介于所述一个或多个激光二极管器件中的每一个上的所述输出面与所述磷光体构件之间，具有能够将所述激光束从所述输出面传输到所述磷光体构件的激发表面的非引导特性；
来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束与所述磷光体构件的所述激发表面之间的入射角范围，使得束斑被配置为特定的几何尺寸和形状；
其中，所述磷光体构件将来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述电磁辐射的一部分转换成具有比所述第一波长长的第二波长的发射电磁辐射；
多个散射中心与所述磷光体构件相关联，以对入射到所述磷光体构件上的具有所述第一波长的所述电磁辐射进行散射；并且
其中，白光发射从所述磷光体构件输出，所述白光发射至少由具有所述第二波长的所述发射电磁辐射表征。
18.根据权利要求17所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述磷光体构件的特征在于：
反射模式，使得来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束入射到所述磷光体构件的所述激发表面上的束斑区域上，并且所述白光发射从相同的所述束斑区域输出；或者
透射模式，使得来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束入射在所述磷光体构件的所述激发表面上，并且所述白光发射从所述磷光体构件的发射表面输出。
19.根据权利要求17所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述磷光体构件的特征在于：反射模式，使得来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束入射到所述磷光体构件的所述激发表面上的不同束斑区域上，并且所述白光发射从所述不同束斑区域输出，所述白光发射包括由相同的所述发射电磁辐射表征的相同波长。
20.根据权利要求17所述的基于高光通量激光的白光源，其特征在于，所述磷光体构件的特征在于：反射模式，使得来自所述一个或多个激光二极管器件中的每一个的所述激光束入射到所述磷光体构件的所述激发表面上的不同束斑区域上，并且所述白光发射从所述不同束斑区域输出，所述白光发射包括波长的混合。
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