波長轉換發光裝置的製作方法
2024-04-01 15:56:05
本發明涉及波長轉換發光裝置，諸如發光二極體。
背景技術：
包含發光二極體（led）、諧振腔發光二極體（rcled）、垂直腔雷射二極體（vcsel）及邊發射雷射器的半導體發光裝置是目前可用的最高效的光源。在製造能夠跨過可見光光譜範圍工作的高亮度發光裝置中當前感興趣的材料體系包含iii-v族半導體，具體地為鎵、鋁、銦以及氮的二元、三元及四元合金，這些也被稱為iii族氮化物材料。典型地，iii族氮化物發光裝置是通過在藍寶石、碳化矽、iii族氮化物或者其他合適基底上，利用金屬有機物化學氣相沉積（mocvd）、分子束外延（mbe）或者其他外延技術，外延生長不同組成及摻雜劑濃度的半導體層的堆疊來製造的。該堆疊經常包含在基底上形成的一個或者多個例如矽摻雜的n型層，在該一個或多個n型層上形成的位於有源區中的一個或多個發光層，以及在該有源區上形成的一個或多個例如鎂摻雜的p型層。電接觸在n型區域和p型區域上形成。
為了產生白光固態光源，來自led或雷射的藍光照射黃-綠磷光體，例如yag:ce磷光體，或者紅和綠磷光體的組合，使得由磷光體產生的光與洩露穿過的藍光的組合產生白光。在由高功率藍光光源產生的非常亮的藍光（例如高於100w/cm2）下，一些磷光體淬滅或者飽和。淬滅或者飽和會導致不期望的顏色偏移和降低的光產出。
技術實現要素：
本發明一目的是提供一種含有即使在高激發強度下是高效的波長轉換材料的波長轉換發光裝置。
本發明一目的是避免或者最小化隨著磷光體轉換光源(尤其是兩種或者更多種磷光體被用於產生例如暖白光,這會要求全部所使用的磷光體具有恆定轉化效率)中的亮度增加的顏色偏移。
在依據本發明實施例的一種方法中，對於由光源產生且由包含基質材料和摻雜劑的磷光體層轉換的預定量的光線，以及對於在增加激發強度時磷光體的效率的預定最大降低，選擇該磷光體層的最大摻雜劑濃度。
依據本發明實施例的一種結構包含發射具有第一峰值波長的光的發光二極體以及放置在由該發光二極體發射的光的路徑中的磷光體。該磷光體吸收由該發光二極體發射的光並且發射具有第二峰值波長的光。該磷光體包含基質材料和摻雜劑。摻雜劑的濃度以及摻雜劑的排布被選擇，使得在來自發光二極體的預定的光發射下，該磷光體的效率的預定最大降低不被超過。
依據本發明實施例的一種結構包含發射具有第一峰值波長的光的發光二極體以及放置在由該發光二極體發射的光的路徑中的磷光體。該磷光體吸收由該發光二極體發射的光並且發射具有第二峰值波長的光。一種材料被放置於該發光二極體和該磷光體之間。該材料被選擇以減少從發光二極體到達磷光體的光的量，使得該磷光體的效率的預定最大降低不被超過。
附圖說明
圖1為對於兩種具有相同基質(ba0.1sr0.9)2si5n8和不同濃度的摻雜劑eu2+的磷光體，作為輻照度的函數的量子效率的曲線圖。
圖2為包含光源和波長轉換結構的裝置的截面圖；
圖3示出對於兩種材料，作為激發強度的函數的功率發射/入射功率的曲線圖，一種材料在給定激發強度下表現出下降（即，在增加的激發強度，磷光體的效率降低），一種材料在該給定的激發強度諸如例如0.2w/mm2下沒有表現出下降。
圖4示出磷光體顆粒的表面的一部分。
圖5為一種階梯式梯度的波長轉換結構的截面圖。
圖6為對於圖8的結構的一個例子，作為位置的函數的活化劑濃度的曲線圖。
圖7為一種連續梯度的波長轉換結構的截面圖。
圖8和圖9為對於圖7的結構的兩個例子，作為位置的函數的活化劑濃度的曲線圖。
圖10為包含多種磷光體的波長轉換結構的截面圖。
圖11為磷光體顆粒的作為位置的函數的濃度的曲線圖。
具體實施方式
磷光體基本上是一種用活化劑或者摻雜劑（「活化劑」與「摻雜劑」在此處可互換地被使用）摻雜的結晶基質材料（有時稱為晶格）。常見活化劑種類的例子包含eu2+、eu3+和ce3+。當磷光體暴露於特定波長範圍中的光（激發光譜）中時，活化劑吸收激發光並且發射更長波長的光（發射光譜）。
如上所述，當暴露於例如來自led的藍光時，一些磷光體變飽和。具體地，隨著激發強度（即，入射到磷光體上的單位面積的光的量）增加，磷光體的效率降低。隨著增加的激發強度的效率降低在此處可稱為「下降」。
許多過程會導致或者加劇下降。在不將本發明實施例限制於任何具體理論的情況下，會影響下降的兩種過程為基態耗盡以及激發態相互作用。（本發明的實施例可能不處理基態耗盡。）激發態相互作用可能包含激發態吸收（esa）和量子力學相互作用（qmi）。esa可能取決於基質的電子能帶結構和/或相對於基質能帶結構的摻雜劑能級的能量位置。qmi可能取決於基質的晶體結構；具體地，發射性的和吸收性的受激發摻雜劑之間的距離。例如，由受激發的活化劑發射的光子可能被另一個已激發的活化劑吸收，激發電子到基質材料導帶中而不是發射光子，由此降低磷光體的效率。這種效應在更高的溫度下可能更加顯著。
隨著活化劑濃度增加，在任一激發強度下效率的降低可能會變得更加顯著，如圖1所示。圖1是作為來自發射藍光的雷射器的輻照度（單位為w/mm2）的函數，測量的量子效率的曲線圖。圖1示出的兩種磷光體具有相同的基質材料(ba0.1sr0.9)2si5n8以及相同的活化劑eu2+。圖示兩種不同的活化劑濃度，0.5%（曲線10）和2.4%（曲線14）。如圖1所示，對於更高的活化劑濃度，在最高激發強度下磷光體的效率低於在最高激發強度下具有最低活化劑濃度的磷光體的效率。
在本發明的實施例中，磷光體被合成或者被應用到裝置從而減少或者消除下降，即在增加的激發強度處觀察到的效率下降。在下文描述的實施例中磷光體的基質材料可以為例如，cas、(ca,sr)ga2s4、ba2-xmxsi5-yalyn8-yoy，其中m代表sr或ca，0≤x≤l，並且0.0005<y<0.05(bssne)，ca1-xsrxalsin3，其中0≤x≤l，優選地0<x<0.95(scasn)、ecas、yag或者任何其他合適的基質材料。在此描述的實施例中磷光體中的活化劑可以為例如稀土材料、銪、eu2+、鈰、ce3+或者任何其他合適的材料。在下面的例子中，活化劑為銪。然而，鈰摻雜的磷光體也可能體驗到下降，該下降經常是在比銪摻雜的磷光體高得多的入射功率強度。例如，ce3+磷光體會在大約50w/mm2時表現出與eu2+磷光體在1w/mm2時表現出的下降相似的下降。
圖2示出依照本發明的實施例的裝置。波長轉換結構20放置於從例如發光二極體（led）的發光裝置18發射的光的路徑中。該波長轉換結構20可以為包含基質和摻雜劑的磷光體。波長轉換結構20可以直接接觸發光裝置18，或者它可以與發光裝置18隔開。波長轉換結構20可以包含一種或者多種磷光體。
在一些實施例中，一個或者多個例如透鏡的光學元件（未示於圖2）可以包含在圖2的裝置中。例如，光學元件可以放置於發光裝置18和波長轉換結構20之間，從而成形、過濾和/或至少部分準直從發光裝置18提取的光。另外或者可替換地，光學元件可以放置于波長轉換結構20之上，從而成形、過濾和/或至少部分準直從波長轉換結構20提取的光。光學元件的例子包含濾光片、圓頂透鏡、菲涅爾透鏡、複合拋物面聚光器和任何其他合適的結構。
在一些實施例中，對於由發光裝置18產生且由波長轉換結構20轉換的預定量的光線，以及對於在增加的激發強度時該波長轉換結構的效率的預定最大降低（即最大允許下降），選擇波長轉換結構20中的最大平均摻雜劑濃度。該效率的預定最大降低可能導致結果的總發射的顏色偏移。一些應用，特別是利用多種磷光體的應用，諸如例如產生暖白光的裝置，會要求全部所使用的磷光體具有恆定或者近似恆定的轉換效率。因此，在一些實施例中，在應用中可以接受的顏色偏移可決定效率的預定最大降低。
波長轉換結構20可以為基本上均勻的平均摻雜劑濃度的磷光體層、分層結構或者梯度組成結構，例如在任何下述例子中描述的磷光體。
在實踐中，圖2的波長轉換結構20的厚度是受限的。例如，如下所述，通過降低摻雜劑濃度，可以降低該下降，但是當摻雜劑濃度降低時，預定量的轉換光需要更大的厚度，極限情況下接近零的摻雜劑濃度需要無限大的厚度。因此，在一些實施例中，對於預定的波長轉換結構厚度20，以及對於在增加的激發強度時波長轉換結構的效率的預定最大降低（即最大允許下降），選擇該波長轉換結構20中的最大平均摻雜劑濃度。
發光裝置18可以為任何合適的裝置，該裝置發射光，該光可以激發波長轉換結構20中的一種或者多種波長轉換材料。在一些實施例中，發光裝置18是發射藍光或者是uv光的iii族氮化物led。iii族氮化物led例如可以為：倒裝晶片裝置，其中大部分光通過led的表面被提取，該表面與電氣接觸部形成於其上的表面相對；垂直裝置，其中電氣接觸部形成在裝置的相對兩側；或者橫向裝置，其中兩個電氣接觸部都形成在裝置的一表面，大部分光通過所述電氣接觸部被提取。iii族氮化物裝置層生長在其上的生長基底可以為裝置的一部分，可以被減薄或者可以被全部去掉。任何合適的發光裝置可被使用。
儘管在下面例子中半導體發光裝置為發射藍光或者uv光的iii族氮化物led，可以使用除了led以外的半導體發光裝置，諸如雷射二極體，以及由其他材料體系（例如其他iii-v族材料、iii族磷化物、iii族砷化物、ii-vi族材料、zno或者基於si的材料）製造的半導體發光裝置，只要該裝置的發射與波長轉換結構20的激發光譜重疊。
合適的波長轉換結構20可以包含一種或多種在下面實施例中描述的磷光體和/或結構。波長轉換結構20可以被放置在led上或者與led隔開。在一些實施例中，該波長轉換結構中摻雜劑的濃度和/或摻雜劑的排布被選擇，使得在來自發光結構18的預定的光發射下，該波長轉換結構的效率的預定最大降低不被超過（即最大下降水平不被超過）。
該波長轉換結構包含一種或者多種波長轉換材料，其可以為例如傳統磷光體、有機磷光體、量子點、有機半導體、ii-vi族或iii-v族半導體、ii-vi族或iii-v族半導體量子點或者納米晶體、染料、聚合物、或者其他發光的材料。該波長轉換材料吸收由led發射的光並且發射一種或者多種不同波長的光。由led發射的未轉化的光經常為從該結構提取的光的最終光譜的一部分，儘管它沒有必要如此。從該結構提取的光的最終光譜可以為白色、多色或者單色。
通常組合的例子包含發射藍光的led與發射黃光的波長轉換材料組合，發射藍光的led與發射綠光和紅光的波長轉換材料組合，發射uv光的led與發射藍光和黃光的波長轉換材料組合，以及發射uv光的led與發射藍光、綠光和紅光的波長轉換材料組合。發射其他顏色光的波長轉換材料可以被添加以調整從該結構提取的光的光譜。該波長轉換結構可以包含光散射或者光擴散元件，例如tio2。
在一些實施例中，波長轉換結構20是這樣一種結構，其與led分開製作，並且例如通過晶片鍵合或者比如矽樹脂或環氧樹脂的合適粘接劑附著到led。此類預製的波長轉換元件的一個例子是陶瓷磷光體，它是通過例如下述形成：將粉末磷光體或者磷光體的前驅體材料燒結成陶瓷板，該陶瓷板然後可以被劃片成單獨的波長轉換元件。陶瓷磷光體也可以通過例如流延成型形成，在該流延成型中陶瓷被製作成正確的形狀，劃片或切割工藝不是必需的。合適的非陶瓷預製波長轉換元件的例子包含：粉末磷光體，其分散在諸如矽樹脂或玻璃的透明材料中，該矽樹脂或玻璃被軋制、鑄造或者以其他方式形成為片，隨後被切成單獨的波長轉換元件；以及與矽樹脂混合併且放置於透明基底上的磷光體。
反射材料（未示於圖2）可以放置於led和波長轉換元件的側面上，從而迫使光通過上表面離開裝置。
在一些磷光體中，可以通過減少活性劑濃度而降低或者消除該下降。在一些實施例中，波長轉換結構20包含磷光體，該磷光體包含基質材料和活化劑，該活化劑在某些活化劑濃度下確實遭受該下降。該磷光體被摻雜到一活化劑濃度，在該活化劑濃度下其不表現出在增加的激發強度時效率的降低。此類磷光體的效率曲線示於圖3（在圖3中示出的磷光體可以與在圖1中示出的磷光體相同）。圖3是對於具有相同基質和不同摻雜劑濃度的兩種磷光體，作為入射功率（激發強度）的函數的對於給定磷光體厚度的發射功率/入射功率的曲線圖。曲線22代表比曲線24的磷光體具有更高活化劑濃度的磷光體。
如圖3所示，具有更高活化劑濃度的磷光體在25標示的入射功率處表現出下降（曲線22），而具有較低活化劑濃度的磷光體（曲線24）在25標示的入射功率處不表現出下降。在一些實施例中，磷光體包含基質材料，在某些活化劑濃度下其在選定的激發強度下確實遭受下降（即，曲線22在入射功率25處）。活化劑濃度可以被減少，使得磷光體在給定激發強度下不遭受下降（即，曲線24在入射功率25處）。在該選定激發強度以外的激發強度處，該磷光體會表現出下降（即，曲線24在入射功率27處）。
曲線22和24代表的磷光體中的活化劑在一些實施例中可以為例如稀土材料、銪或eu2+。
因為具有較低活化劑濃度的磷光體具有更少的活化劑，對於相同量的磷光體，曲線24表示的磷光體在給定入射功率強度下可以發射的光少於曲線22表示的磷光體。因此，為了達到給定亮度，在波長轉換結構20包含曲線24代表的磷光體的裝置中可以使用更多的磷光體。
在一些實施例中，曲線24表示的磷光體被包含在波長轉換結構20中。（曲線22表示的磷光體不被包含在該裝置中，實際上它在上文被描述為參照例，曲線24表示的磷光體的性能與該參照例比較。）在一些實施例中，曲線24表示的磷光體可以為包含在波長轉換結構20中的基質材料具有的唯一磷光體。曲線24表示的磷光體可以放置於具有基本均勻的摻雜劑濃度的單層中。曲線24表示的磷光體中的活化劑濃度貫穿波長轉換結構20是基本均勻的，即，活化劑濃度在波長轉換結構20的水平或者豎直平面內是沒有梯度的。
在一些實施例中，波長轉換結構20包含粉末磷光體，該粉末磷光體被製作以增大每個磷光體顆粒中活化劑之間的距離，這可以減少或者消除下降。
磷光體部分30可以用活化劑32之間的間隔34來表徵，如圖4所示。在一些實施例中，與給定的商業上使用的具有相同基質材料和相同活化劑濃度的磷光體相比，間隔34可以增大。在一些實施例中，活化劑32為稀土材料、銪或eu2+。平均間隔34在一些實施例中可以為至少15å，在一些實施例中為至少18å，在一些實施例中為至少20å，在一些實施例中為至少25å，並且在一些實施例中不高於50å。
在一些實施例中，波長轉換結構20包含具有梯度活化劑濃度的磷光體。活化劑濃度可以在與波長轉換結構20的主表面垂直的方向上有梯度。活化劑濃度可以在最靠近激發光源的區域中是最低的，並且在距離激發光源最遠的區域中是最高的。
在例如陶瓷磷光體的均勻摻雜磷光體中，激發功率隨著進入磷光體的深度以指數方式降低。實際上，隨著光被磷光體吸收，激發強度降低。由於激發強度隨著進入磷光體的深度而降低，磷光體表現出的下降也會降低。
與均勻摻雜時的相同磷光體比較，在具有梯度磷光體的波長轉換結構20中，下降可以減少或者消除。如此處所使用，「梯度化」活化劑濃度可以指單一逐步的濃度變化之外的任何濃度變化。梯度的活化劑濃度輪廓可以採取的任何形狀，包含例如線性的、階梯式梯度的、或者冪次函數輪廓，並且可以包含多個恆定活化劑濃度的區域或者不包含恆定活化劑濃度的區域。
圖5示出板型梯度波長轉換結構20的一個例子。波長轉換結構20包含不同活化劑濃度的多個層52、54、56和58。在每個層52、54、56和58內，活化劑濃度可以是恆定的和均勻的，儘管這不是必須的。圖5的波長轉換結構20可以是陶瓷或者任何其他合適的結構。儘管在圖5中示出4個層，更多或者更少的層可以被使用。在一些實施例中，包含2至10個層。
圖5中的波長轉換結構20的總厚度在一些實施例中可以是至少100μm厚，在一些實施例中不高於400μm厚，在一些實施例中至少200μm厚，並且在一些實施例中不高於300μm厚。每個層可以是相同厚度，儘管這不是必須的。每個層在一些實施例中可以具有至少10μm的厚度，並且在一些實施例中可以具有不高於100μm的厚度。
波長轉換結構20的表面50面向光源18。因此，層52可以具有最低活化劑濃度。波長轉換結構20的表面60最遠離光源。因此，層58可以具有最高活化劑濃度。圖6示出對于波長轉換結構20的一個例子，作為從表面50至表面60的位置的函數的活化劑濃度。示出恆定和不同活化劑濃度的4個層。濃度從表面50至表面60分多步增加。
圖7示出板型波長轉換結構20的另一個例子。圖7的波長轉換結構是連續性梯度變化的，而不是如圖5中示出的階梯式梯度變化。在圖7中，與圖5類似，表面50最靠近光源且表面60最遠離光源。圖8和圖9以活化劑濃度作為位置的函數的曲線圖，示出圖7的結構的兩種可能梯度輪廓。在每個梯度輪廓中，活化劑濃度從在表面50的最低濃度增加至在表面60的最高濃度。圖8示出線性梯度輪廓。圖9示出二次曲線的梯度輪廓。例如指數、多項式或者任何其他合適的輪廓的其他輪廓可以被用於梯度化波長轉換結構20。
在一些實施例中，粉末磷光體中的單獨顆粒具有跨過顆粒而變化的摻雜劑濃度。單獨的顆粒可以含有具有第一平均摻雜劑濃度的第一區域和具有第二平均摻雜劑濃度的第二區域，其中第一和第二平均摻雜劑濃度是不同的。第一和第二區域可以布置成減少或者消除下降。
通過形成磷光體顆粒，該磷光體顆粒具有跨過顆粒而變化的摻雜劑濃度，使得每個顆粒的中心部分比每個顆粒的外面部分更高程度地被摻雜，可以在粉末磷光體中實現與圖5和圖7的梯度磷光體中描述的相同效應，即，磷光體的更高程度摻雜的部分被磷光體的更低程度摻雜的部分「遮蔽」，減少更高程度摻雜的部分中的激發強度。
圖11是對於這種磷光體顆粒的一個例子，作為直徑的函數的摻雜劑濃度的曲線圖。在該曲線圖中，70和72代表顆粒的外部邊緣，並且74代表中心。在顆粒的邊緣處摻雜劑濃度低於在中心處的摻雜劑濃度，在中心處的摻雜劑濃度可能是最高的。每個顆粒的較低程度摻雜的外面部分是顆粒的「看到」來自發光二極體的光線的第一個部分。每個顆粒的較低程度摻雜的外面部分因此減少在更高程度摻雜的中心處的激發強度，這可以減少下降且可能增加磷光體的效率。磷光體顆粒中的濃度梯度不限於圖11示出的特定輪廓。中心比外面部分被更高程度摻雜的磷光體顆粒可以通過下述形成：提供或者合成摻雜核心、圍繞該摻雜核心生長非摻雜殼體、以及在熱過程中將摻雜劑部分地擴散到外部區域中。
在圖5和圖7中示出的波長轉換結構中，以及在圖11中示出的顆粒中，活化劑可以為例如稀土材料、鈰、ce3+、銪或eu2+。
圖10示出波長轉換結構20，其具有遮蔽表現出下降的磷光體的結構，從而減少該磷光體的激發強度。
表面62最靠近光源且表面64最遠離光源。遮蔽結構66最靠近光源放置。在增加的激發強度時表現出效率下降的磷光體68最遠離光源放置。遮蔽結構66吸收來自光源的光，有效地降低入射到磷光體68上的激發強度。遮蔽結構66的特性，例如材料、厚度和吸收係數，可以被選擇以將入射到磷光體68上的激發強度降低到磷光體的效率的預定最大降低不被超過的點。合適的遮蔽結構66的例子包含非波長轉換材料、波長轉換材料、磷光體、設計成散射光的層、過濾器、反射器以及任何其他合適的結構。
在一些實施例中，結構66是第二磷光體，該第二磷光體在增加的激發強度時不表現出下降或者表現出比磷光體68少的下降。在一些實施例中，結構66是石榴石磷光體、yag:ce磷光體或者任何其他合適的磷光體。
已經描述了本發明的細節，本領域技術人員鑑於本公開將理解，可以對本發明進行調整而不背離此處描述的發明構思的精神。因此，不旨在將本發明的範圍限於所示出和描述的特定實施例。