TW200929615A - Light source including reflective wavelength-converting layer - Google Patents

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TW200929615A
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Serge J Bierhuizen
Gerard Harbers
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Philips Lumileds Lighting Co
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Description

200929615 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及波長轉換光源’比如波長轉換半導體發光器 件。 【先前技術】 ❹ ❹ 包含發光二極體（LED)、共振腔發光二極體（RCLED)、 垂直式共振腔雷射二極體（VCSEL)、以及邊緣發射雷射器 的半導體發光器件在目前屬於可用的最有效光源。在高亮 度發光器件的製&中目前感興趣的能夠在可見光譜上運作 的材料系統包含III-V族半導體，特別是鎵、#、銦和氮 的二凡、三元和四元合金，也稱為m氮化物材料。通常出 氮化物發光器件經由金屬有機化學氣相沉積（m〇cvd)、分 子束外延（MBE)或其他外延技術在一藍寶石、碳化矽、πι 氮化物或其他合適基板上外延生長一不同成分和摻雜濃度 的半導體層的堆疊製造得到。該堆叠通常包含形成在該基 板之上的-或多個掺雜例如矽的n_型層、形成在該(等)& 型層之上的一有源區域中的一或多個發光層、以及形成在 該有源區域之上的一或多個摻雜例如鎂的型層。電氣接 觸被形成在該η-和p-型區域上。 因為由當前可購得的m氮化物器件發射的光—般是處於 :見光譜的較短波長端，所以由ΙΠ氮化物器件產生的光可 今易地被轉換以產生具有較長波長的光。在該技術中眾所 周知’具有一次峰值波長的光（主要光）可使用稱為冷光/螢 光的處理被轉換成具有一或多個較長峰值波長的光(次要 133952.doc 200929615 光）。該螢光處理包括由一波長轉換材料比如碟光粉吸收 該主要光並且激發該麟光粉材料的發光中心，其發射該次 要光。該次要光的峰值波長將取決於該磷光粉材料。該類 型的磷光粉材料可被選擇以發出具有特定峰值波長的次要 光0 圖1說明了描述在美國專利6,351069中的一先前技術的
磷光粉轉換LED 1〇。該LED 10包含一 ΙΠ氮化物晶粒12’ 其當被啟動時產生藍色主要光。該m氮化物晶粒12被放置 在一反射器杯形引線框14上並被電氣耦合到引線16和18。 該等引線16和18傳導電力給該m氮化物晶粒i 2。該m氮化 物晶粒12由一層20覆蓋，通常是一透明樹脂，其包含波長 轉換材料22。形成該層2〇利用的該類型波長轉換材料可取 決於將由該螢光材料22產生的該次要光的理想光譜分佈有 所不同。該III氮化物晶粒12和該等螢光層2G由一透鏡24密 封。該透鏡24通常由一透明的環氧樹脂或矽膠組成。 操作時，電力被供應給該m氮化物晶粒】2以啟動該晶 粒。當被啟動時，晶粒12從該晶粒的頂部表面發射主要 光。該發射的主要光的一部分由該層2〇中的該波長轉換材 料22吸收。該波長轉換材料22然後發射次要光，即具有較 長峰值波長的轉換光，以回應該主要光的吸收。該發射的 主要光的其餘未吸收部分和該次要光—起被傳輸穿過該波 長轉換層。該透鏡24以箭㈣指示的—般方向引導該未吸 收主要光和該次要光作為輸出光。因&，該輸出光是一複 合光’其由從晶粒12發射的該主要光和從該波長轉換層2〇 133952.doc 200929615 發射的該次要光組成。該波長轉換材料也可被配置使得該 主要光極 > 或沒有逸出該|§件’如在結合·一或多個發射可 見次要光的波長轉換材料發射UV主要光的晶粒的情況 下。 Ο
磷光粉轉換LED的另外配置包含如美國專利6,630,691中 所描述的生長在單晶螢光基板上的LED器件、如美國專利 6,696,703中所描述的形成在LED上的薄膜磷光粉層、以及 如美國專利6,576,488中所描述的經由電泳沉積或如美國專 利6,650,044中所描述的經由塗裝沉積在led上的保形層。 以上描述的該等器件，其中該磷光粉層被形成在該發光 器件的一表面上，可能有幾個缺點。當—磷光粉被直接應 用到一 LED的一表面時很難達到顏色均勻，由於光穿過該 填光粉的路徑和該填光粉層厚度的不同。此外，來自該 L E D的熱可不合意地改變該磷光粉的色點或使該磷光粉降 解。 【發明内容】 按照本發明的實施例，一配置成發射一次光的光源與一 波長轉換層相結合。該波長轉換層被配置在一次光的路徑 中，被與該光源間隔開，並且包含至少一波長轉換材料， 比如磷光粉，配置成吸收一次光並發射二次光。該波長轉 換層被配置在一反射層和該光源之間。在一些實施例中， 該波長轉換層是一厚層。 離開該系統的混合-次和二次光的色點可被容易地控 制，因為該波長轉換層是厚的，與該光源間隔開以及由該 133952.doc 200929615 反射層混合。因為該波長轉換層被與該光源間隔開，該波 長轉換層不會由該光源加熱而且可由一散熱器有效地冷 卻’消除或減少了效率的損失和/或由該波長轉換材料的 加熱造成的色點的改變。製造該波長轉換層也是價廉和可 . 靠的。 【實施方式】 按照本發明的實施例，一厚的反射式波長轉換層比如磷 ❹ 光粉被與一半導體發光器件比如LED間隔開。圖2是按照 本發明的一實施例的一基於LED的點光源的橫截面圖。一 光源30被安裝在支座34和可選的散熱器36上。散熱器36可 如圖2中所說明帶有鰭片。從光源3 〇發射以及從環繞光源 30的一鏡子32反射的光被提取到一光板38内。一波長轉換 層42被與光源30間隔開並且被放置以接收來自光源3〇的 光。一可選的散熱器44可冷卻波長轉換層42。一光學收集 器40使該光準直。 ❹ 光源30可以是例如任何合適的光源，其可產生短波長 光，例如藍色或紫外光，比如一 LED或其他半導體器件、 一 LED陣列、一氙燈、或汞燈。在一半導體器件用作光源 . 3〇的情況下，該器件可被配置使得大多數光從該器件的側 . 邊發射，或可被配置具有一發射圖樣，其是朗伯 (Lambertian，光源表面法線的9〇度光錐），或由例如光子 晶體限於更小的錐面，光子晶體比如形成在該器件的一提 取表面中的晶格結構。 光源30可被安裝在一可選支座34上並被連接到—可選散 I33952.doc 200929615 熱器3 6。在一些實施例中，在一由一 LED陣列組成的光源 中’發射不同波長光的LED被使用。每個波長可被選擇用 以調整混合LED的白點以及從該系統發射的波長轉換光， 或用以被匹配到波長轉換層42中的一特定磷光粉用於提高 效率。 ❹
光被從光源30提取到光板38内❹光板38可被塑造成引導 光朝者光學收集器4 0。例如側邊4 8可被傾斜或彎曲使得全 内反射引導光進入光學收集器40。光板38可能是例如一透 明材料，比如玻璃或塑膠。側邊4 8可被塗有一可選反射材 料。光板38可能有一與光源30的側邊的長度在同一數量級 上的厚度。如果光源30是一單一 LED或一 LED陣列，那麼 光源3 0的侧邊的長度可能是例如在〇. $與5 m m之間、在〇 5 與1.5 mm之間、或在〇,5與2.5 mm之間。光源3〇可以是正 方形、長方形或其他任何合適形狀。如圖2中所示，光板 38的底表面的區域可能大於光源3〇的該區域，例如大2與 100倍之間或大5與15倍之間。波長轉換層42經由至少光板 38的厚度被與光源30間隔開。 光源30可被與光板38間隔開，使得由於與一光學玻璃板 3 8之介面的折射’來自光源％的本妯眼紙一具有大約與法 線成42度角的光束中，取決於光板38的折射率。波長轉換 層42然後被配置使得沒有來自光源3〇的光繞過波長轉換層 42。另外’光源30可與板38光學接觸，在這種情況下，'來 自光源30的光板38内的光將被展開土9〇度。一些光可能繞 過該波長轉換層並被引導朝著光學收集器。 133952.doc •10· 200929615 -鏡子32被配置在光源3G的鄰近或下方。在—些實施例 中，由波長轉換層42發射的大約鳩的光被反射回光源 30鏡子32把至少-些光反射回光板38内。鏡子^可能是 例如-在光板38的底部上的高反射塗層、或—與光板测 隔開的獨立鏡子。合適塗層和材料的例子包含銀、鋁、分 色塗層、結合-分色塗層以加強㈣的反射率的銘、以及 比如經由溶膠凝膠處理形成的欽氧化物和銘氧化物的材 料。
圖2中所示的該光學收集器4〇是一空心反射器。形狀可 以是抛物面形、複合拋物面形、橢圓形或由多個平的小平 面或扇形面形成。一光學扇形面可提高顏色均勻性。 圖3說明了一具有光學立體5〇的器件。光學立體％可能 是例如玻璃或塑膠，並可例如經由一黏合劑被附加到波長 轉換層42的頂部。另外’光學立體5()可被過壓模到波長轉 換層42上。為了過壓模光學立體5〇，一具有對應透鏡5〇的 形狀的一凹口的模子被對準器件。該模子一般是金屬的。 一具有該模子的一般形狀的可選不粘薄膜可被放置在該模 子之上。該不枯膜是一材料，其防止該模壓材料_該金 屬模子。在該模子中的該凹口用一熱固化液體透鏡材料填 充。該透鏡材料可以是任何合適的光學透明材料，比如矽 樹脂或環氧樹脂。一具有足夠高的折射率（例如至少I%) 的矽樹脂除了作為一透鏡以外可被選擇以提高從一 ^_氮 化物或其他器件的光提取。在該器件的週邊和該模子之間 可建立-真空密封，然後該兩片被相互擠壓使得該器件二 133952.doc 11 200929615 插入該液體透鏡材料中。該透鏡材料可能受到壓縮。該結 構然後可被加熱到一溫度以及加熱一段時間以適合硬化該 透鏡材料，例如至少l50〇c至少3〇分鐘。在固化之後，該 器件被與該模子分離。該膜從該模子鬆開該硬化透鏡5〇。 . 然後移除該膜。 . 波長轉換層42可包含一或多個磷光粉，配置成吸收由光 源30發射的光並發射較長波長的光。例如，對於一發射藍 φ 光的光源30，波長轉換層42可包含單個發射黃光的磷光粉 或夕個發射紅和綠光的峨光粉。對於一發射uv光的光 源，波長轉換層42可包含發射藍和黃光的磷光粉或發射 藍、綠和紅光的磷光粉。發射其他顏色的額外的磷光粉可 被添加，以及/或者發射上述的該等顏色的磷光粉可被去 除’以控制離開該系統的混合光的色點。 波長轉換層42是一厚的層，這樣配置使得該有效光學厚 度由該等特定波長轉換材料中的光散射過程決定，通常使 φ 用的疋鱗光粉。波長轉換層42可能是例如在5與500微米厚 之間，以及通常在1〇〇與250微米厚之間。波長轉換層42是 足夠厚的使得逸出光學收集器4〇、5〇的該混合光的一致色 ' 點被達到。 ‘ • 波長轉換層42可經由例如在散熱器44的底部側邊上或在 光板3 8的頂部側邊上絲網印刷一或多個磷光粉形成。在一 些實施例中，波長轉換層42有一足夠大的橫向伸展以吸收 從光源30提取的整個光錐。在一些實施例中，波長轉換層 42的該橫向伸展被選擇以允許來自光源3〇的一些光繞過波 133952.doc 12 200929615 長轉換層42而不被轉換。波長轉換層42可與光板38光學連 通以在光板38中實現各向同性輻射模式。 一形成在散熱器44上的波長轉換層42可例如經由一黏合 劑被保持在位置中，黏合劑比如配置在波長轉換層42和光 板38之間的矽樹脂。在一波長轉換層42形成在光板38上的 情況下，散熱器44可經由一黏合劑比如矽樹脂被附加。該 黏合層可能是薄的，例如比波長轉換層42薄。散熱器44可 φ 以是任何合適材料，比如銅或鋁，並可塗有一反射材料或 介質堆疊。散熱器44可能是鰭片式的以增加表面區域，如 圖2中所說明。散熱器44的底侧可被配置成反射由光源儿 和波長轉換層42發射的光。 在一些實施例中，在波長轉換層42之上的該反射區域 (例如，反射式散熱器44或散熱器44上的一反射式塗層）有 一大於波長轉換層42的橫向延伸，雖然不是與光板38的頂 邰表面樣大。此配置可被用在例如從光源3 〇的一些光繞 ❹ 過波長轉換層的實施例中。延伸到波長轉換層42以外的該 反射區域反射至少一些來自光源3〇的未轉換光。在一反射 式散熱器44的該例子中，散熱器44的底部表面可能是平 的，使得在光板38和散熱器44的邊緣之間有一間隙延伸到 • 波長轉換層42以外，或保形於波長轉換層42，使得在光板 38的頂部表面和散熱器44的邊緣之間沒有間隙延伸到波長 轉換層42以外。 圖4、5和6說明了波長轉換層的三個例子。在圖4中所說 明的該層中’單個碟光粉或多個混合在一起的磷光粉被絲 133952.doc 13 200929615 網印刷在—單一的大致均自的層52中。在圖5中所說明的 該層中，幾個非波長轉換區域56由形成在一單一的大致均 勻的層54中的單個或多個混合在一起的磷光粉包圍。非波 長轉換區域56可能是例如沒有波長轉換材料、一沒有活化 摻雜物的波長轉換材料（例如，沒有摻雜Ce的Y3A15〇u晶 體）或一非波長轉換的透明、反射或散射的材料比如鋁的 氧化物或鈦的氧化物的主體基質。非波長轉換區域56的大 小和形狀由該材料、使用的製程以及由波長轉換光與未轉 換光的所需的混合數量決定。例如，非波長轉換區域可在 50微米與1毫米長度之間，以及通常在1〇〇微米與5〇〇微米 長度之間。 在圖6中所說明的該層中，多個波長轉換材料a、b和c 被形成在離散區域。波長轉換材料A、B和C可能是例如不 同的磷光粉’以及可發射不同顏色的光，雖然它們不需要 發射不同顏色的光《每個波長轉換材料可佔用該整個波長 轉換層的該區域的相同部分，或者一些波長轉換材料可能 比其他材料佔用更多的區域，其可導致從該等較大區域波 長轉換材料的更多發射。非波長轉換材料的區域W可被可 選性地包含。例如，在一具有一藍色光源和發射紅與綠光 的磷光粉的系統中，如果一理想的白點需要比紅光更多的 綠光’那麼該等發射綠光的磷光粉區域可能比該發射紅光 的磷光粉佔用該波長轉換層的總區域的更大部分。該非波 長轉換材料的該部分區域可允許一理想數量的來自光源30 的藍光離開該系統而未經由波長轉換層42轉換。波長轉換 133952.doc -14- 200929615 或非波長轉換材料的每個區域可在50微米與！毫米長度之 間，以及通常在100微米與500微米長度之間。每個區域可 能是相同的大小和形狀，雖然每個區域不需要是相同的大 小和形狀。該區域大小被選擇為足夠大以容易地被製造， 以及足夠小以使不同顏色的光充分混合。 波長轉換層可經由例如絲網印刷、旋轉塗布、噴漆、鑛 膜、刮刀塗布或鑄造形成。 > 合適的發射黃或綠光的磷光粉的例子包含(Lui x y a bYxGdy)3 (A11-zGaz)5012:Cea Prb3 ’其中 〇<x〈l、0<y<i、〇<z<〇 j、 〇<a$0_2 及 0<bS0.1 ，包含例如 Lu3Al5012:Ce3+ 和 Y3Al5012:Ce3 ； (Sri.a.bCabBac)SixNyOz:Eua2 + (a=0.002-0.2 ' b=0,0-0.25、c=0.0-0.25、x=l.5-2.5、y=1.5- 2.5、z=l.5-2.5) ’ 包含例如 SrSi2N202:Eu2+ ; (SrwMguCavBa,) (Ga2-y.zAIyIiizS4):Eu2+ ’ 包含例如SrGa2S4:Eu2+和SrNxBaxSi04:Eu2+。 合適的發射紅光的磷光粉的例子包含（Ca^xSrdSiEuh， • 其中 0<xSl ’ 包含例如 CaS:Eu2+ 和 SrS:Eu2+; (SrNx_yBaxCay)2.z Si5-aAlaN8-aOa:Euz2+ ’ 其中 〇$a<5、〇<χ$1、OSySl、以及 0 <z£l ’ 包含例如 Sr2Si5N8:Eu2+ ；和 eCAS ，其是 Ca0.99AlSiN3:Eu0.01。 合適的發射藍光的磷光粉的例子包含例如MgSrSi04。 在一些實施例中’波長轉換層可包含發光陶瓷。 eCAS、BSSNE和SSONE發光陶瓷的合成在以下被描述。 這些磷光粉可經由跳過該等最後的合成步驟以粉末形式使 用’其中該粉末磷光粉被壓成一發光陶瓷》 133952.doc 200929615 在一實施例中，該發光陶瓷是eCAS，其是從5.436 g Ca3N2(>98% 純度）、4.099 g A1N(99%)、4,732 g Si3N4(>98% 純度）和 0.176 g Eu203(99.99% 純度）合成的 Cao.wAlSiNyEiio.oi。該等粉末經由行星球磨被混合並在 Η2/Ν2(5/95%)氣體中以1500°C燃燒4小時。該顆粒粉末被以 5kN單軸壓製成顆粒並以3200巴冷均壓（CIP)。該顆粒在 H2/N2(5/95%)氣體中被以1600°C燒結4小時。最終的顆粒顯 示一封閉的空隙度以及隨後被以2000巴和1 700°C熱均壓以 獲得具有>98%的理論密度的緻密陶瓷。 在一實施例中，該發光陶瓷是BSSNE，其是 Ba2-x.zMxSi5.yAlyN8.y〇y：Euz(M=Sr ' Ca ； 0<χ<1 ' 0<y<4 ' 0.0005 950.05)。圖2中所描繪的該流程圖示意性地顯示了 Ba2-x.zMxSi5.yAlyN8.yOy：Euz(M=Sr ' Ca ； 0<χ<1 > 0<y<4 ' 0.0005QS0.05)陶瓷如何被準備的。首先Ba2.x_zMxSi5.y AlyN8.yOy:Euz(M=Sr ' Ca ； 0<χ<1 ' 0<y<4 > 0.0005<z< 0.05)以粉末形式被準備。為此幾種方法可適用，比如碳熱 還原’其包含使用異丙醇作為分散劑經由行星球磨 (planetary ball milling)混合 60 g BaC03、11.221 g SrC03 和1.672 g Eu203(都是99.99%純度）。在烘乾之後，該 混合物在形成的氣體中以1000°c被燃燒4小時以及由此獲 得的 10 g Ba0.8Sr0.2O:Eu(2%)被混合5.846 g Si3N4(>98%純 度）、0.056 g A1N(99%純度）和1.060 g石墨（微晶級）。該 等粉末經由行星球磨被完全混合20分鐘並在形成的氣體中 以 1450。(：燃燒 4 小時（塊 188)以獲得 Ba2_x_zMxSi5_yAlyN8.yOy:Euz 133952.doc -16- 200929615 (M=Sr、Ca ; 〇sxsl、OSyM、0.0005QS0.05)的一前體粉 末。該粉末用HC1沖洗並再次碾磨》該獲得的前體粉末然 後以1 550°C和80 MPa熱壓成高密度陶瓷機體。這些被切 片、拋光和切塊以獲得所要的形狀和光學表面特性。如果 需要以1300°C在氮中退火可被應用於消除缺陷。 在一實施例中，該發光陶瓷是SSONE，其經由混合 80.36 g SrC03(99.99% 純度）、20.0 g SiN4/3(>98% 純度）和 2.28 g Eu203(99.99% 純度）並以 1200 °C 在^12出2(93/7)氣體 ❹ 中燃燒4小時製得。在沖洗之後，該前體粉末被以丨〇 kN單 軸壓並且隨後以3200巴冷均壓。燒結通常在H2/N2(5/95)或 純氮氣氣體下以1550。(：與1580 t之間的溫度進行。 根據本發明的實施例的一器件可具有幾個超過傳統的磷 光粉轉換發光器件的優點。首先，由於該波長轉換層是厚 的並且與該光源間隔開，所以該波長轉換層的厚度不必與 例如直接沉積在一 LED的表面上的一磷光粉層一樣被精確 φ 控制。離開該系統的光的色點因此可被容易地控制。其 次’由於該波長轉換層被與該光源間隔開，所以該波長轉 換層不會由該光源加熱並可由一散熱器有效地冷卻。因 此，效率的損失及/或由加熱造成的色點的改變可被減少 • 或消除。第三，比如絲網印刷在一散熱器或光板上的沉積 技術可能是便宜的並且比直接沉積一磷光粉在一發光器件 的表面上的一些技術更可靠，比如電泳沉積或塗裝。 雖然已經詳細描述了本發明，但是熟習此項技術者將明 白在不偏離這裏所述的本發明概念的實質下可對本發明做 133952.doc 17 200929615 修飾。因此’並不意為本發明的範圍被限制於說明和描述 的該等具體實施例。 【圖式簡單說明】 圖1是一先前技術的磷光粉轉換led的橫截面圖。 圖2疋按照本發明的實施例的一包含一反射式波長轉換 層的LED點光源的橫截面圖。 ❹
圊3是按照本發明的實施例的一包含一反射式波長轉換 層和一光學立體的LED點光源的橫截面圖。 圖4說明了一具有一單一璘光粉或多個混合填光粉的波 長轉換層。 圖5說明了一具有非波長轉換區域的波長轉換層。 圖6說明了一具有非波長轉換區域和沉積在離散區域中 的多個磷光粉的波長轉換層。 【主要元件符號說明】 10 磷光粉轉換LED 12 111氮化物晶粒 14 反射器杯形引線框 16 引線 18 引線 20 層 22 波長轉換材料 24 透鏡 26 箭頭 30 光源 133952.doc -18 - 200929615 32 鏡子 34 支座 36 散熱器 38 光板 40 光學收集器 42 波長轉換層 44 散熱器 48 側邊 50 光學立體 52 層 54 層 56 非波長轉換區域 ❹ 133952.doc - 19-

Claims (1)

  1. 200929615 十、申請專利範圍： 1. 一種結構，其包括： 一配置成發射一次光之光源； 一波長轉換層，其中該波長轉換層被配置在一次光之 路徑中，被與該光源間隔開，並且包括一配置成吸收— 次光並發射二次光之第一波長轉換材料；以及 一反射層’其中該波長轉換層被配置在該反射層和該 光源之間。 © 2.如請求項1之結構，其中該光源包括至少一半導體發光 二極體。 3. 如請求項1之結構，其中該波長轉換層進一步包括一非 波長轉換材料。 4. 如請求項1之結構，其中該波長轉換層進一步包括一第 二波長轉換材料。 5. 如請求項4之結構，其中該第一波長轉換材料被配置在 @ 該波長轉換層之一第一部分中並且該第二波長轉換材料 被配置在該波長轉換層之一第二部分中。 6·如請求項！之結構，其中該波長轉換層有一在5與5〇〇微 . 米之間之厚度。 7. 如請求項1之結構，其中該反射層是一散熱器之一底部 表面。 8. 如請求項1之結構，其中該反射層直接與該波長轉換層 接觸。 9. 如請求項1之結構’進一步包括一配置在該反射層和該 133952.doc 200929615 波長轉換層之間之黏合層。 ίο.如請求項丨之結構，其中該反射層有一大約與該波長轉 換層之撗向延伸相等之橫向延伸。 11.如請求項丨之結構’其中該反射層有一比該波長轉換層 之橫向延伸更大之橫向延伸。 1 2.如請求項i之結構，進一步包括一配置在該光源和該波 長轉換層之間之透明構件。 13. 如請求項12之結構，進—步包括一最接近該透明構件之 底部表面之鏡子。 14. 如吻求項丨之結構，其中該波長轉換層被配置在一包括 反射側壁之光學準直器中。 15. 如凊求項丨之結構，其中該波長轉換層和該光源被間隔 開至少0.5 mm。 ❹ 133952.doc
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