TWI307969B - Light-emitting devices utilizing nanoparticles - Google Patents
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Description
1307969 玖、發明說明： 技術領域 本發明是有關於發光裝置，尤其是半導體發光裝置。 先前技術 半導體發光裝置，比如發光二極體（led)與雷射二極體 (LD)，是目前最有效率且最強的發光源。目前製造出能操 作在可見光譜區的高亮度LED的可用材料系統包括ιπ-ν半 導體，尤其是也被稱作是第III族氮化物材料之鎵，鋁，銦 與氮的二元，三元以及四元合金，以及尤其是也被稱作是 第III族磷化物材料的鎵’鋁，銦與磷之二元，三元以及四 元合金。 傳統半導體發光裝置的共同問題是，在該裝置與周圍環 境間之界面上，其總體内部反射會降低從這種裝置中所抽 取出之光線的效率，緊接著再次吸收該裝置内的反射光。 這種總體内部反射的發生是因為，形成該裝置的半導體材 料的折射率（例如η〜3.5的第III族磷化物材料），在該裝置的 發射波長下，會大於該材料的折射率，而該材料通常是環 氧樹脂或矽膠（η〜1.5或更小），其中該裝置被封裝或包封在 該材料裡面。總體内部反射所造成的損失會隨著該裝置内 折射率對該裝置外折射率的比例而快速增加。 傳統半導體發光裝置對於某些應用來說可能是缺點的另 一特點是，這種裝置的發射光譜在由發光半導體裝置之結 構以及所建構之材料的組成所決定的波長（尖峰波長）下， 通常會展現出單一窄尖峰（例如半最大值時的全寬約為Η
85897.DOC 1307969 至50奈米）。某些應用需要比傳統發光半導體裝置所能直接 產生的發射光譜還寬的發射光譜。例如，某些發光應用需 要產生近乎白色光。此外，傳統發光半導體裝置產生光線 的效率通常是隨著該裝置的結構與組成因調整窄發射光譜 的改變而變動。結果’傳統發光半導體裝置可能無法滿足 需要有效產生特定波長光線的應用。 加寬或移動該發光半導體裝置之發射光譜的傳統方法， 牵涉到使用這種裝置的發射作用來激發發光體。如同在此 所使用的，"發光體"是指任何吸收某一波長之光線並發射 出另一波長光線的發光材料。例如，從發光半導體裝置發 射出的藍光可以用來激發黃色發光體。最後的黃光可以混 合到未被吸收掉的藍光中而產生白光。從發光半導體裝置 發射出的發射光線會被發光體轉變成另一波長，該發光裝 置通常是稱作"發光體轉換發光裝置”。不幸的是，^種發 光體轉換發光裝置通常並不如所需要的有效率。 所需要的是一種具有改呈之杏飨社^ /、q„疋九線抽取、改善之發光體轉 換或是二者同時皆具備的半導體發光裝置。 發明内容 - 在某些實施例中’發光裝置包括光源、第一材料以及穿 二材料的微粒，其中該光源會發射出第—光線，該第一和 料本質上是透明的且用來接收至少一部分的第一光線，， 第二材料的微粒分散到第—材料中。第二材料的折射率名 第一光線的波長下會大於第-材料的折射率。第二娜 微粒具有約小料波長的直徑，而且本質上不會吸收㈣
85897.DOC 1307969 波長的光線。例如’該光源可以是發光半導體裝置。 這些實施例的發光裝置可以進一步包括分散在第一材料 中的第二材料微粒。第三材料的微粒會吸收掉至少一部分 的第一光線，並發射出波長較大的第二發射光。第一材料 以及第二材料微粒一起提供一介質層，該介質層在第—光 線的波長下具有約與第三材料相匹配的折射率。 在某些實施例中，發光裝置包括光源、第一材料、第二 材料的微粒以及第三材料的微粒，其中該光源會發射出第 一光線，該第一材料本質上是透明的且用來接收至少—部 分的第一光線，該第二材料的微粒分散到第一材料中，該 第三材料的微粒被分散到第_材料中^該第二材料的折射 率在第一光線的波長下會大於第一材料的折射率。第二材 料的微粒具有約小於其波長的直徑。第三材料的微粒具有 约大於其波長的直徑。例如，該光源可以是發光半導體裝 置。 在某些後面的實施例中，第二材料的微粒會吸收掉至少 -部分的H線並發射出波長較大的第二發射光。第三 材料的微粒也會吸收掉至少_部分的第_光線，並發射出 波長較大的光線。第-材料以及第二材料微粒—起提供一 介質層，該介質層在第—光線的波長下具有約與第三材料 相匹配的折射率。 、依據某些實施例的發光裝置可以用一種方法來製造，該 万法提供發射光線的光源，提供與該絲做光學聯 繫的第-材料，以及將第二材料的微粒分散到第一㈣中
85897.DOC 1307969 。第一材料本質上對於第一光線是透明的。該第二材料的 折射率在第一光線的波長下會大於第一材料的折射率。第 二材料的微粒具有約小於其波長的直徑。該分散處理是要 讓第一材料以及第二材料微粒一起提供一具有特定折射率 的介質。 在此所揭示的發光裝置比起傳統發光裝置，可以很有利 的展現出增加從主要光源的光線抽取，增加從發光體微粒 的光線拙取，以及減少發光體微粒的光線散射。 實施方式 本發明揭示出一些發光裝置的實施例，其中奈米微粒是 結合發光半導體裝置一起使用。如同在此所使用的，”奈米 微粒"是指直徑（或相類似的斷面尺寸）通常遠小於約—微 米的微粒。例如，這些奈米微粒可以是任何的形狀，而且 可以包括結晶或非晶質的固體或液體。 本發明人已經揭示出’半導體裝置之主要發射以及發光 體微粒之第二發射的發光體微粒，其散射會大幅的降低傳 統發光體轉換發光裝置的效率。一部分被發光體微粒所散 射的光線會被散射到半導體裝置的吸光部分或是其封包内 ’因而損失掉。 會發生這種發光體微粒所造成的散射，是因為發光體微 粒本質上通常是大於主要與第二發射光線的波長，而且因 為發光體微粒通常在這些波長下具有遠大於周園介質的折 射率。例如，傳統的發光體轉楱發光裝置通常是使用具有 直徑約2微米（μπι)至約20 μηι的發光體微粒。比較上來說，
85897.DOC 1307969 可見光在傳統上是定義成包括約38〇奈米(_)至約 的波長。這些傳統上通常對於可見光具有約17至约㈣ 折射率的發㈣微粒，-般Μ建在對這些波長中具有約 1.5折射率的環氧樹脂切膠宿主材料内。描述在這種情形 下光散射的理論’例如’在Handb(K)k〇沖叫1995年由 腿出版，Michael Bass所編輯的第6章）中，在此以 引述的方式併入本案。 例如，在圖1A的曲線圖中顯示出對於這種發光體轉換發 光半導體裝置之效率的散射效應。在這些裝置中從第m 族氮化物發光二極體（LED)的藍色光會被摻雜銪之硫鎵化 锶的發光體微粒（具有約4 μηι至約5 μιη直徑）轉換成綠色光 ，該發光體微粒是分散在LED上的矽膠樹脂中。曲線圖中 &識成藍色光分率π的水平轴是表示由led所發射出之藍 色光的百分率，既不會被吸收掉也不會被轉換掉，因此是 出現在發光體轉換裝置的總光輸出中。隨著珍膠中發光體 之體積分率的增加’藍色光分率會減少。因此，水平軸也 表示樹脂内發光體的負載，發光體的負載會沿著該轴由左 向右減少。 曲線圖中左邊的垂直軸表示發光體轉換裝置的總光輸出 ，以流明為單位（1 m)。標識成"封裝增益"的右邊垂直軸表 示伸縮率，基於已知的LED以及發光體的特性且忽略掉散 射效應，總光輸出的理論預測必須乘上該伸縮率，以便匹 配到所量側之發光體轉換裝置的性能。理想的裝置具有為1 的''封裝增益”。所以，右邊的垂直軸是在量度，發光體微 85897.DOC -10- 1307969 粒所產生的教射對該裝置性能所造成退化的程度。尤其， 較低的”封裝增益"表示因散射的損失會增加。鑽石形狀的 貝料點2表不發光體負載與總光輸出之間的關係。方塊形資 料點4以類似的方式表示發光體負載與發光體微粒之散射 損失之間的關係。 本發明人等已經從圖1A的資料以及從類似量側結果中 決定出，在傳統發光體轉換發光裝置中，隨著宿主材料中 微粒之體積分率的增加，内建在較低折射率宿主材料中發 光體微粒之散射所造成的損失也會增加。從類似的量測中 ，本發明人等也已經決定出，如果增加發光體微粒的折射 率以及發光體微粒的體積分率，而且宿住材料的種類沒有 改變時，因散射所造成的損失也會增加。通常，約5〇%傳 統發光體轉換發光裝置的總光功率會因發光體微粒的散射 以及隨後的吸收而損失掉。 即使在試驗裝置中，其中用具有與傳統發光體微粒相類 似尺寸大小之近似濃度的非吸收微粒來取代發光體微粒， 卻仍有約10%至約20%的藍色光會因散射而損失掉而落到 該裝置的吸收區上。例如’圖1B畫出封包在碎膠樹脂中第 III族氮化物LED的正規化藍色光（垂直軸）相對於分散於該 樹脂中非吸收散射微粒的重量％。曲線3表示具有約5 μπ1 BaSCU微粒之非吸收微粒的裝置。曲線5表示具有約2 pm YOS微粒之非吸收微粒的裝置。藍色光會隨著二組裝置之 封包物内微粒負載的增加而快速減少。 本發明人等確信’傳統發光體轉換發光裝置中發光體微 85897.DOC -11 · 1307969 粒之散射所產生的大幅損失，尤其是其原目，都已經變得 不明顯。 本發明人等已經認知到’從半導體裝置之主要發射光以 及從發光體微粒本身之第二發射光的發光體微粒，其散射 都可以藉減少發光體微粒収寸大小到低於主要發射光與 第二發射光的波長（比如尖峰波長）來降低。例如，通常具 有小於約10 nm直徑且因此散射出少量的主要與第二發射 光的半導體奈米晶體或半導體量子點，可以用來當作本質 上非散射發光體。美國專利申請序號第〇9/167,795案以及 美國專利申請序號第09/350,956案都揭示出，使用半導體 奈米晶體與量子點對發光半導體裝置的輸出進行發光體= 換處理，孩二專利申請案以引述的方式在此併入本案。然 而這些參考資料並不能辨識出，傳統發光體轉換發光裝置 中較大發光體微粒的散射所造成的重大損失，以及藉使用 非散射發光體微粒所實現的優點。 本發明人等也已經了解到，傳統發光體轉換發光裝置中 發光體微粒的光散射可以藉增加介質的折射率而減少，其 中發光體微粒被嵌入到介質内，以便更加匹配到發光體微 粒的折射率。尤其’本發明人等已經發現，可以將奈米微 粒分散開來完成發光體微粒周圍之介質所需増加的折射率 ’該等奈米微粒是比射入宿主材料内之主要以及第二發射 光的波長（比如尖峰波長）還小，而發光體微粒是被嵌入到 I»衾僧主材料内。選取奈米微粒以便具有比宿主材料還大的 折射率。然而由於其尺寸大小的緣故，奈米微粒會散射掉
85897.DOC •12- 1307969 少許的發射光。 將較高折射率的奈米微粒分散賴低折射率的宿主材料 内斤達成的折射率之增加，可以用有效媒體理論來了解。 有效媒體理論’比如在第六版之Pdneiples。£ 〇細(版 n’、Emil Wolf合著，1980年由pergam〇n出版的第二章） 中所討論的，是以其建構組件的特性說明混合物的光學以 及介電質特性。例如’混合物的折射率可以用其組件之折 射率的體積加權平均值做很精確的近似，如果該混合物是 當成包括其它材料的非散射區的宿主材科用。在這種情形 下’用體積v具有折射率n之組件的混合物所形成之介質的 折射率η可以用方程式表示： ' Σν,·«,. 舉例來說’對於分散於折射率約15之環氧樹脂切膠中 折射率約2.3至約2.4之氧化铯或氧化&的奈米微粒材料的 情形’方程式（1)表示，隨著奈米微粒在混合物中的體積分 率在約〇至約〇.35之間做變動，混合物的折射率會在約U 至約1.8之間變動。這種混合物折射率的上限是由奈米微粒 在宿主材料内的分散率以及奈米微粒與宿主材料的折射率 所設定。例如’本發明人等確信，氧化铯與氧化欽的奈米 微粒可以分散财膠中到達超過約3G%至約4()%的體積分 率。因此，例如可以調節這種混合物的折射率，使得 具有約1.8折射率的傳統摻雜㈣柘梅石（yag)的發光體^
85897.DOC -13- 1307969 权隹尽為上如果被分散到混合物中便 本發明人等還發現，將比該裝置、'將光散射掉。 财出 < 發射朵、、办 比如尖峰波長）還小的奈米微粒分散到宿主材❹，以 ^昆合物安置到發光半導體裝置上或其周園，會增 光半導體裝置中的光線抽取〇選取二 Λ n古& *， ’比何王材料之折射 率―的奈米微粒。與只被包封在宿主斤于 體發光裝置比較起來，光線抽取會增加，因為所l = t 合物折射率會降低因内部反射所造成的損失。胃^ 、：二本發明人等已經發現，將比該發光體微粒發射出 比如尖峰波長)還小的奈米微粒分散到宿主 材=内，也會讓從分㈣宿主材料内發光體微粒的光線抽 取增加。選取具有比宿主材料之折射率還高的奈米微粒。 與只被分散到宿主材料内的發光體材料比較起來，從發光 體微粒的光線抽取會增加，因為周園介質的折射率增加。 因為類似的理由，本發明人等預期，從直徑比該發光體微 粒發射出《發射光波長(比如尖峰波長)還小的發光體微粒 甲的光、泉插取’會隨著宿主材科内微粒濃度的增加而增加。 ,依據本發明的貫施例’可以結合奈米微粒一起使用的適 當，光半導體裝置，包括從第m族氮化物、第職鱗化物 mi族砰化物以及其組合體所形成的裝置，但並不受限 ' “如這些裝置可以是發光二極體或雷射二極體， 而且可以發射出紫外光、可見光或紅外光波長的光線。例 士適田的發光半導體裝置被揭示於美國專利編號第 ，33,589末，美國專利編號第6,229，160案以及美國專利申
85897.DOC -14- 1307969 清序號第09/469,657案，三者在此都是以引述的方式併入 本案。 例如參閱圖2，本發明的實施例可以使用以A1 JnyGazN為 基礎的LED 10，該LED 1〇包括在緩衝層14上的多層磊晶結 . 構12，而該緩衝層丨4依序被安置到基板16上。例如，可以 • 由藍寶石（Ai2〇3)，碳化矽或第ΙΠ族氮化物材料形成基板i6 。磊晶結構12包括被安置在p型上部AlxInyGazN區2〇與下部 AlxInyGaz>m 22之間的主動區 18。AlxInyGazIvm 22 包括 n型 及/或未摻雜的。主動區18包括一個或多個由 AlxInyGazN所形成的量子阱。歐姆？型接觸點以與金屬層％ 疋以電氣万式相互耦合在一起，並耦合到上部AlxinyG^N 區20。歐姆n型接觸點28是以電氣方式耦合到下部 AlxInyGazN區22。施加適當的偏壓跨越接觸點24與接觸點 28之間會藏成電子肖電洞被注人到主動區^ 8内。主動區18 内電子與電洞的輻射復合產生光線。在其中一種實現方式 中至屬層2 6對於由主動區18所發射出的光線是半透明性 在另種貫現方式中，金屬層26對於由主動區18所發射 出的光線是高反射#，而且LED 1〇是被安置成具有面向— 次載板之接觸點24與接觸點28的覆晶。要了解的是， X nyGazN的組成可以在LED丨〇内的不同薄層以及區域之 間變動。 在實施例（圖3)中，發光裝置3〇包括安置在反射性罩杯34 内々毛光半導體裝置32。反射性罩杯34也包含有對裝置32 所發射出之光線在本質上是透明性的材料36。奈米微粒38
B5897.DOC -15- 1307969 的折射率在裝置32所發射出之光線波長（比如尖峰波長）上 是比孩材料36的折射率還大，而且奈米微粒38被安置到在 本質上透明的材料36内。奈米微粒38是選取成具有比裝置 32所發射出之光線波長（比如尖峰波長）還小的直徑，因此 本負上不會將發射光散射掉。最好，奈米微粒38具有的直 徑是比裝置32的1/4尖峰發射光波長還小。例如，在某些實 現方式中，奈米微粒38具有約2 nm至約50 nm的直徑，而 且裝置32會發射出具有波長大於約4〇〇 nm的光線。反射性 罩杯34會將發光半導體裝置32所發射出的光線反射開，形 成發光裝置30的光輸出。在其它實施例中，底下將討論的 ’圖3中所顯示的選擇性的發光體微粒4〇也是被分散到材料 36内0 本兔上透明”的用詞在此是用來表示，所描述的材料會 將裝置32所發射出的光線傳送出去，其在尖峰波長時因吸 收或散射的單次損失小於約25%，最好是小於約1 〇%，而 小於約2%則更好。材料36可以是有機性或無機性，而且舉 例來說可以包括傳統環氧樹脂，壓克力聚合物，聚碳酸酯 ，矽膠聚合物，光學玻璃，硫硒碲玻璃，旋環狀化合物以 及其混合物’但並不受限於此。 在某些實現方式中，奈米微粒38在本質上不會吸收裝置 32所發射的光線，尤其是在尖峰發射光波長時。"本質上不 會吸收掉”以及”本質上不吸收”的用詞在此是用來表示，在 這些貪現方式中’奈米微粒是足夠的非吸收性，對於被封 包物傳送出去之光線的單次損失，不會增加到大於約3〇% 85897.DOC -16- 1307969 ，最好是不大於約20%。熟知該技術領的人士將會了解到 ，因奈米微粒對裝置3 2所發射之光線的吸收而造成的損失 是取決於個別奈米微粒的吸收斷面，本質上透明之材料36 内的奈米微粒濃度，以及有可能取決於奈米微粒與周圍材 料之間的交互作用。這種實現方式的適當奈米微粒可以包 括金屬氧化物，氮化物’矽酸氮以及其混合物的奈米微粒 ，但並不受限於此。適當的金屬氧化物包括氧化鈣，氧化 鈽，氧化給，氧化鈦，氧化鋅，氧化锆，以及其組合體， 但並不受限於此。例如，德國法蘭克福的Degussa-Huls AG 公司有出售這種具有約2 nm至約1 〇 ηηι範圍之金屬氧化物 的奈米微粒。這種實現方式的適當奈米微粒也可以包括 II-VI族半導體的奈米微粒，比如硫化鋅，硒化鋅，硫化鎘 ’磁化鎘，碲化鎘以及其三元或四元的混合物，而且可以 包括III-V族半導體的奈米微粒，比如第m族氮化物，第ΠΙ 族磷化物以及其混合物。這些半導體奈米微粒具有大小可 凋的吸收光f晉，如所揭示出的，例如美國專利申請序號第 09/167,795案以及美國專利申請序號第〇9/35〇,956案。因此 ，半導體奈米微粒的尺寸大小可以選取成讓該奈米微粒在 本質上不會吸收掉由裝置32所發射出之光線的波長。 在其b貝現方式中，奈米微粒38會吸收掉至少一部分由 發光半導體裝置32發射出去之的主要發射光，並發射出波 長大於或小於其吸收光的第二發射光。因此，在這些實現 万式中，奈米微粒38是當作發光體。這些實現方式的適當 奈米微粒包括上列II-VI族與m_v族材料的奈米微粒，其尺
85897.DOC -17- 1307969 寸大小是選取成讓該奈米微粒會吸收掉一部分的主要發射 光，但並不受限於此。 在這些實現方式中，可以使用製造傳統發光體轉換發光 裝置時的傳統混合技術，將奈米微粒38分散到材料刊内， 並且對於熟知該技術領的人士來說是眾所周知的技術。例 如，傳統的三軸混合機可以用來將奈米微粒分散到矽膠材 料中。在其它實現方式中，奈米微粒可以分㈣硫晒碲玻 璃與光學玻璃中，例如藉加熱該玻璃到熔融狀態，加入粉 末狀的奈米微粒，並使用玻璃製造技術中的傳統方法來攪 拌該混合物。此外，熟知該技術領域的人士將會認知到， 某些半導體奈米微粒可以使用製造彩色玻_光片時的傳 統玻璃製造技術，而在玻璃内成長出來或合成出來。 在某些實現方式中，材料36内奈米微粒38的體積分率 (濃度）可以選取成讓奈米微粒38與材料36一起提供具有特 定折射率的介質。可關上述时效介f理論，來決定出 提供所需折射率時材料36内奈米微粒38的近似體積分率。 然後材料36内奈米微粒38的輯料可以在計算值附近變 動’以便決定出提供具有特定所需折射率之混合物的 分率。 在某些實現方式中，材料36内奈米微粒38的體積分率可 :在約20%至約60%之間變動。如上述謂内的氧化石西或 氧化欽奈米微粒的實例’在發光半導體裝置32所發射之主 要發射光的尖峰波長上，奈米微粒38與材料Μ—起提供具 有折射率約大於1_6的介質，最好是約大於18。 、一
85897.DOC -18- 1307969 熟知該技術領域的人士將會認知到，材料36與奈米微粒 38可以用已知的不同方法，安置在反射性罩杯34内。 與包封在材料36内的類似發光裝置比較起來，從發光半 導體裝置32的光線抽取，會很有利的增加，因為所增加的 奈米微粒38與材料36之混合物的折射率可以讓因裝置32與 材料36界面上總内部反射所造成的損失減少。可以完成從 裝置3 2所增加的光線抽取，而不會增加發射光的散射。 此外，奈米微粒38可以很有利的對發光半導體裝置32的 所有主要發射光或一邵分主要發射光進行發光體轉換處理 ’以便由發光裝置30提供所需的總發射光。例如，可以用 製造發光體轉換發光裝置的傳統方法，來選取出奈米微粒 38以及在材料36的體積分率，使得奈米微粒38的發射光結 合裝置32的未吸收發射光，以便提供白色光。例如，如果 有必要，可以讓發光裝置3 〇的任何單元的表面變成粗糖， 使得裝置3 2的主要發射光以及奈米微粒3 8的第二發射光能 很便利的混合在一起。 在另一貫施例（仍參閱圖3)中，額外的發光體微粒4〇被分 散到材料36内。通常，發光體微粒4〇在發光半導體裝置32 所發射之發射光的波長上，具有比材料36之折射率還大的 折射率。發光體微粒40可以分散到材料3 6内結合奈米微粒 38，該奈米微粒38本質上是會吸收掉一部分由裝置32所發 射出去的發射光，並發射出第二發射光。 在某些實現方式中，發光體微粒4〇的直徑約大於裝置32 之發射光的波長（比如尖學波長）。這些實現方式中的適當 85897.DOC -19- 1307969 發光體微粒包括釔鋁柘榴石，硫代鎵酸鹽，未取代鎵酸鹽 ’硫代鋁酸鹽，未取代鋁酸鹽，磷酸鹽，矽酸鹽（例如氮石夕 酸鹽），硒化物’硫化物以及其混合物的材料微粒，但並不 受限於此。例如，這些材料可以摻雜（啟動）包括鈽與銪離 子的稀土離子，但不受限於此。發光體微粒40也可以包括 熟知該技術領域之人士所周知的其它傳統發光體材料。 在其它實現方式中’發光體微粒4〇的直徑約小於發光半 導體裝置32之發射光的波長（比如尖峰波長這些實現方 式中的適當奈米微粒包括上述mvj[族與ΙΠ-ν族材料的奈 米微粒，但並不受限於此，其尺寸大小是選取成讓該奈米 微粒吸收掉一部分的主要發射光。發光體微粒40也可以是 或包括有機染料分子。 可以藉如上述的傳統技術，讓發光體微粒40分散到材料 36内結合奈米微粒38。可以用製造發光體轉換發光裝置時 所用的傳統方法來選取出發光體25微粒4〇以及其材料36内 的體積分率，使得發光裝置3〇提供所需的輸出發射光譜， 比如白色光。 奈米微粒3S與材料36之混合物所增加的折射率，與單獨 的材料36比較起來，可以很有利的減少光線散射，並增加 從發光體微粒40的光線抽取。尤其，隨著混合物的折射率 接近發光體微粒40的折射率，發光體微粒的光散射會朝零 降低，而且從發光體微粒的光線抽取會被最佳化處理。 在某些實現方式中，可以選取奈米微粒38以及其在材料 36中的植和为率，讓奈米微粒38與材料36 —起提供一種在
85897.DOC -20 - 1307969 裝置32或發光體微粒40所發射出之光線波長（比如尖峰波 長）下的介質，該介質在相同波長下具有大約與發光體微粒 40之折射率相匹配的折射率。在這些實現方式中，選取奈 米微粒38以及其在材料36中的體積分率可以用類似於上述 的有效介質理論來導引《例如，矽膠與氧化鈽或氧化鈦奈 米微粒之混合物的折射率可以如上述說明進行調節，以便 將YAG發光體微粒的折射率匹配到約1〇%至約2%或更好的 範圍内。 在其它實現方式中，奈米微粒38與材料36的混合物或發 光體微粒4 0的尺寸大小都可以調節到能提供發光體微粒4 〇 所需的光散射量。例如，在某些實現方式中，混合物的折 射率是被調節成讓發光體微粒4〇的光散射被設定成便利於 將發光半導體裝置32，發光體微粒4〇以及（選擇性的）奈米 微粒38的發射光進行混合所需的最小程度。 在另一實施例（圖4)中，發光裝置42包括發光半導體裝置 32與材料36的薄層44，該發光半導體裝置32是安置到反射 性罩杯34内，而該薄層44是安置在裝置32的一個或多個表 面上。奈米微粒38與（選擇性的）發光體微粒40是被分散到 材料36内。例如’可以結合上述相對於發光裝置30(圖3) 的任何一種方式，提供材料36，奈米微粒％以及發光體微 粒4〇 °相類似的’將奈米微粒38結合到發光裝置42可以提 供任何上述的優點。 例如可以藉傳統的喷霧，隔板印刷以及浸泡方法而沉 積出薄層44°在其中的實現方式中，薄層44可以是用美國
85897.DOC -21 - 1307969 專利申請序號第09/688,053案所描述之印刷方法所塗佈上 去的相容層’該案在此以引述的方式併入本案中。 例如在另一貫施例（圖5的發光裝置46)中，材料36是形 成如圖中所示的透鏡（或其它光學單元），或是在狀如透鏡 或其它光學單元的中空殼形内，並且被安置在發光裝置Μ 的周圍。例如，材料36，奈米微粒3 8以及（選擇性的）發光 體微粒40可以用上述的任何組合。可以使用熟知該技術領 2之人士所熟悉的傳統封包方法，讓材料36形《透鏡或其 匕开v狀。& 了奈米微粒38以及上述所提供的優點以外，發 光裝置46的透鏡狀部分還會減少因總内部反射所造成的損 失’並且結合反射器34而形成發光裝置私的光學輸出。 在另—實施例（圖6的發光裝置48)中，透鏡或其它光學單 疋50被貼附到具有材料36之薄層52的發光半導體裝置32上 。例如，奈米微粒38以及（選擇性的）發光體微粒40可以用 何组合分散到材料36中。在實現方式中材料^ :到點的高折射率玻璃，而且光學單元5〇是鍵 美U 發光半導體裝置32上，例如，利用如在 :號第_°，317案中所揭示的晶圓鍵結方 于出料述的以併人本案。財考資料也揭 出額外的材料’適合用來當作薄層52内的材料36,而且 通合當作讓光學單元 相去”… Γ以很有利形成的材料。藉從具有 相田间折射率的材料中形成光學單元別 加從發光半導體裝置32的光線抽取。 纟有利的增 圖7是依據某些實施例的封裝發光裝置的分解圖。發光裝
85897.DOC -22- 1307969 置54可以是在此所述的任何發光裝置或是如發光裝置之發 光半導體裝置組件，該發光裝置54被直接或間接的經由熱 傳導次載板56安置到散熱塊58上。該散熱塊58可以包括選 擇性的反射器罩杯60，該反射器罩杯6〇可以是反射器34 (圖3-5)以外的組件或是取代該反射器34。該散熱塊兄被安 置到插入成形導線架62内。例如，該插入成形導線架62是 在金屬框周圍形成之塑膠填充材料，該金屬框提供到發光 裝置54的電氣路徑。可以加上透鏡64或其它光學單元。透 鏡64可以是圖5與圖6中透鏡以外的組件或是取代圖5與圖6 中的透鏡。 雖然本發明已經利用特定的實施例做了說明，但是本發 明是要包括在本案所主張之範圍内的所有變動以及改變。 例如，可以用上述方式使用奈米微粒，以減少發光體對除 發光半導體裝置以外之光源所提供之光線的散射，並改善 從這些光源的光線抽取。例如，另外的錢包括雷射，傳 統的白熱燈以及螢光燈。 此外，雖然圖式中顯·;5V + 4 ^上 .貝丁出包括奈米微粒38以及（選擇性的) 發光體微粒40的材料36，β 士 ^ 疋直接安置在發光半導體裝置32 上’但是在其它實施例中，# u， Ύ 材料36是可以與裝置32間隔開 。例如’在某些實施例中，— Τ 可以藉透明的間隔層將材料36 與裝置32間隔開，比如美圃* ^ _ 吳國專利編號第5,959,316案中所揭 示的，該專利案在此以引 1 4的万式併入本案。此外，雖然 圖3-5中的每個實施例都句 C括反射器34,但是某些其它實施 例並不包括這種的反射哭 °° °雖然在一些實施例中所使用到
85897.DOC -23. 1307969 的透鏡已經用半球形的形狀來顯示，但是這些透鏡可以具 有” L的开/狀或疋例如，用顯微透鏡陣列來實現。 圖式簡單說明 圖1A是顯示出發光體轉換發光裝置的性能當作樹脂中 . 約5微米發光體微粒之體積分率的函數的曲線圖。 • 圖1B疋顯不出樹脂封包發光二極體的性能當作分散在 樹脂中非吸收散射微粒重量％的函數的曲線圖。 圖2是某些實施例中所使用到之發光二極體的示意圖。 圖3是發光裝置的示意圖，其中奈米微粒是依據某些實施 例被分散到位於發光半導體裝置周邊材料内。 圖4是發光裝置的示意圖，其中奈米微粒是依據某些實施 例被分散到位於發光半導體裝置上的一層材料内。 圖5是發光裝置的示意圖，其中奈米微粒是依據某些實施 例被分散到在形狀上成透鏡的材料内。 圖6是發光裝置的示意圖，其中奈米微粒是依據某些實施 例被分散到貼附於發光半導體裝置上的一層材料内。 圖7是依據某些實施例結合到封包内的發光裝置的分解 圖。 要〉主意的是’圖式中的尺寸大小不一定是按照實際尺寸 °不同圖式中的類似參考數號在不同實施例中是表示相類 似的部分。 圖式代表符號說明 10 發光二極體 12 多層磊晶結構 85897.DOC -24- 1307969 14 16 18 20 22 24 26 28 30 ， 42 ， 46 ， 48 ， 32 34 36 38 40 44，52 50 56 58 60 62 64 缓衝層 基板 主動區 上部 AlxInyGazN 區 下部 AlxIiiyGazN 區 歐姆P型接觸點 金屬層 歐姆接觸點 54 發光裝置 發光半導體裝置 反射性罩杯 材料 奈米微粒 發光體微粒 薄層 光學單元 次載板 散熱塊 反射器罩杯 導線架 透鏡
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Claims (1)
130權 5309號專利申請案 ’請專利範圍替換本(97年10月）|Ί 21拾、申請專利範固： 曰修便)正替換頁 一種發光裝置，其包括： 一光源’發射出第一光線； :第一材料’對於該第一光線本質 用來接收至少-部分的第—光線；W 而且 第二材料的微粒，分散到該第一材料内，在該 :的波長下’該第二材料具有比該第一材料之折射率還 同的折射率’該微粒具有直徑大於或等於2 nm，且小於 10 nm，其中該直徑比該波長還小，而且該微粒本質上不 會吸收掉該波長的光線；以及 第三材料的微粒，分散到該第一材料内，該第三材料 的微粒會吸收至少一部分的該第一光線’並發射出波長 大於該第一光線之波長的第二光線。 2.如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該光源包括一發 光半導體裝置。 3. 如申請專利範圍第！項之發光裝置，其中該第一材料被安 置在至少一部分的光源上。 4. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該第一材料包括 選取自由環氧樹脂、矽膠、壓克力聚合物、聚碳酸醋、 光學玻璃、硫硒碲玻璃、旋環狀化合物以及其混合物所 構成之群組的材料。 5. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該第二材料包括 選取自由金屬氧化物、II-VI族化合物、III-V族化合物、 氮化物、矽酸氮、以及其混合物所構成之群組的材料。 85897-971028.doc ή. 一-…一---------------------i i 6. 如申請專利範圍第5項之發光裝置，其中該第二材料包括 選取自由氧化鈣、氧化鈽、氧化铪、氧化鈦、氧化鋅、 氧化錯、以及其組合體所構成之群組的材料。 7. 如申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該第二材料包含 石夕。 8·如申請專利範圍第丨項之發光裝置，其中該第一材料與該 第二材料的微粒一起提供具有大於1>6之折射率的介質。 9.如申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該第三材料的微 粒具有比約該第一光線之波長還大的直徑。 1〇.如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該第三材料的微 粒具有比約該第一光線之波長還小的直徑。 如申請專利範圍第丨項之發光裝置，其中該第三材料包括 選取自由II-VI族化合物、m_v族化合物、有機染料、記 鋁柘榴石、鎵酸鹽、鋁酸鹽、矽酸鹽、磷酸鹽、硒化物 、硫化物以及其混合物所構成之群組的材料。 12·如申請專利範圍第1項之發光裝置’其中該第一材料與該 第二材料的微粒一起提供一介質，該介質的折射率在該 第一光線的波長下，大約匹配到該第三材料的折射率。 13.如申請專利範圍第2項之發光裝置，進一步包括一光學單 元，其中該第一光線的至少一部分被安置在該光學單元 與該發光半導體裝置之間。 14_如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中該第一材料的 部分將該光學單元鍵結到該發光半導體裝置。 15.如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中該光學單元包 85897-971028.doc 發受)正替換頁 f 括一透鏡。 16.如申請專利範圍第1項之發光裝置，進一步包括： 一次載板’連接到該光源上；以及 一導線架’連接到該次載板上。 17· —種發光裝置，其包括： 一光源，發射出第一光線； 一第一材料，對於該第一光線本質上是透明的，而且 用來接收至少一部分的第一光線； 第二材料的微粒，分散到該第一材料内，在該第一光 線的波長下，該第二材料具有比該第一材料之折射率還 同的折射率，該第二材料的微粒具有約比該波長還小的 直徑；以及 第三材料的微粒，分散到該第一材料内，該第三材料 的微粒具有約比該波長還大的直徑。 18.如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該光源包括一 發光半導體裝置》 19·如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該第一材料被 安置在至少一部分的光源上。 20.如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該第一材料包 括選取自由環氧樹脂、矽膠、壓克力聚合物、聚碳酸酯 、光學玻璃、硫硒碲玻璃、旋環狀化合物以及其混合物 所構成之群組的材料。 21_如申請專利範圍第丨7項之發光裝置，其中該第二材料包 括選取自由金屬氧化物、矽酸氮、氮化物、π_νι族化合 85897-971028.doc -飞—τ_· -：.f\ —yi· 物、ΠΙ-ν族化合物、有機染料以及其混合物所構成之 組的材料。 22. 如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該第二材料的 微粒具有約2 nm至約5 0 nm的直徑。 23. 如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該第一材料與 该第二材料的微粒一起提供具有大於16之折射率的 質。 、丨 24.如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該第二材料的 微粒會吸收至少-部分的第—光線，並發射出波長大於 該第一光線之波長的第二光線。 25·如申請專利範圍第17項之發光裝置’其中該第三材料包 括選取自由釔鋁柘榴石、鎵酸鹽、鋁酸鹽、矽酸鹽、磷 酸鹽、硒化物、硫化物以及其混合物所構成之群組的材 料。 26_如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該第三材料的 微粒會吸收至少一部分的第一光線，並發射出波長大於 該第一光線之波長的第二光線。 27·如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該第二材料的 微粒會吸收一部分的第一光線’並發射出波長大於該第 一光線之波長的第二光線，而且該第三材料的微粒會吸 收另一部分的第一光線，並發射出波長大於該第一光線 之波長的第三光線。 28.如申請專利範圍第17項之發光裝置，其中該第一材料與 該第二材料的微粒一起提供一介質，該介質的折射率在 85897-971028.doc -4- ..... I ..... I
該第一光線的波長下，大約匹配到該第三材料的折射率。 29·如申請專利範圍第18項之發光裝置，進一步包括一光學 單元’其中該第一光線的至少一部分被安置在該光學單 元與該發光半導體裝置之間。 30. 如申請專利範圍第29項之發光裝置，其中該第一材料的 部分將該光學單元鍵結到該發光半導體裝置。 31. 如申請專利範圍第29項之發光裝置，其中該光學單元包 括一透鏡。 32. 如申請專利範圍第17項之發光裝置，進一步包括： 一次載板，連接到該光源上；以及 一導線架’連接到該次載板上。 33. —種製造一發光裝置之方法，該方法包括： 提供一光源，發射出第一光線； 提供一第一材料，與該光源做光學連通，對於該第一 光線本質上是透明的；及 將第二材料的微粒分散到該第一材料内，在該第一光 ，的波長下’該第二材料具有比該第—材料之折射率還 同的折射率’該第二材料的微粒具有約比該波長還小的 直徑；以及 何料的微粒分散到該第一材料内， 士其：該分散處理是要讓該第—材料與該第二材料 的 枓的料微粒—起提供—介質，該介質具有特 34·如申請專利範圍第33項之方法，其中該光源包括-發 85897-971028.doc 2 κ j 半導體裝置。 35·如申請專利範圍第33項之方法，其中該折射率約大於16。 36. 如申請專利範圍第33項之方法，進一步包括將該第一材 料安置到至少一部分的光源上。 37. 如申請專利範圍第33項之方法，其中該第一材料包括選 取自由環氧樹脂、矽膠、壓克力聚合物、聚碳酸酯、光 學玻璃、硫硒碲玻璃、旋環狀化合物以及其混合物所構 成之群組的材料。 38. 如申請專利範圍第33項之方法，其中該第二材料包括選 取自由金屬氧化物、矽酸氮、氮化物、π_νι族化合物、 ΠΙ-ν族化合物、有機染料以及其混合物所構成之群組的 材料。 39. 如申請專利範圍第33項之方法’其中該微粒具有約2⑽ 至約50 nm的直徑。 40. 如申請專利範圍第33項之方法，其t該第二材料的微粒 本質上不會吸收該波長的光線。 41. 如申請專利範圍第33項之方法，其中該第二材料的微粒 會吸收至少-部分的第-光線，並發射出波長大於該第 一光線之波長的第二光線。 42·如申請專利範圍第33項之方法，進—步包括將該第三材 料的微粒分散到該第一材料内。 43. 如申請專利範圍第42項之方法，其中該篦一从 罘二材料的微粒 具有約小於該第一光線之波長的直徑。 44. 如申請專利範圍第42項之方法，其中該 乐二材料的微粒 85897-971028.doc 具有約大於該第一光線之波長的直徑。 45. 如申請專利範圍第42項之方法，其中該第三材料的微粒 會吸收至少一部分的第一光線，並發射出波長大於該第 一光線之波長的第二光線。 46. 如申請專利範圍第42項之方法，其中該介質的折射率在 該第一光線的波長下，大約匹配到該第三材料的折射率。 47. 如申請專利範圍第34項之方法，進一步包括利用其間至 少一部分的第一材料，將一光學單元鍵結到該發光半導 體裝置。 48.如申請專利範圍第47項之方法，其中該光學單元包括一 透鏡。 85897-971028.doc
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