半导体发光设备以及使用所述半导体发光设备的光源设备的制造方法
【专利说明】半导体发光设备以及使用所述半导体发光设备的光源设备
[0001 ] 本申请是申请日为2009年6月1日、申请号为200980115835.9 (国际申请号为PCT/JP2009/060407)以及发明名称为“半导体发光设备以及使用所述半导体发光设备的光源设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及被用作车辆头灯的点光源以及投影光源的半导体发光设备，并且还涉及使用所述半导体发光设备的光源设备。
【背景技术】
[0003]上述半导体发光设备的例子包括带有固态发光器件的白色LED以及把由所述固态发光器件发出的初级光转换成波长更长的光的波长转换器。在这种白色LED(在下文中称作“LED芯片”或者简单地称作“芯片”)中通常使用具有由基于InGaN的化合物半导体制成的发光层的发光二极管。所述波长转换器的一个例子是树脂磷光体层，其由散布在透明树脂中的磷光体粉末(磷光体粒子)制成。
[0004]近年来，对于高输出半导体发光设备的需求越来越多。然而遗憾的是，要提高半导体发光设备的输出功率就意味着要增强由所述LED芯片发出的荧光激发光，这会由于与所述磷光体进行的波长转换相关联的能量损耗(Stokes损耗)而导致发热。所述热在所述树脂磷光体层内累积从而提高所述树脂磷光体层的温度，这就会增加所述固体内的晶格振动，进而降低光子转换效率。
[0005]另外，由于所述树脂磷光体层的温度升高以及暴露于由所述LED芯片发出的强初级光，所述树脂磷光体层的透明树脂与周围的组成元件以及空气发生加速的化学反应。所述透明树脂的物理属性受到负面影响，从而会降低光学输出和可靠性(比如降低透光率)。
[0006]鉴于上述缺点，提出了将具有高导热率和极佳散热能力的陶瓷压块(compact)(例如包括透明磷光体陶瓷、磷光体玻璃或者有光学功能的复合陶瓷的压块)用作所述波长转换器，以便抑制所述波长转换器的温度升高(参见下面列出的专利文献1和2)。
[0007][引用列表]
[0008]专利文献
[0009]PTL1:日本专利申请公布N0.2004-146835。
[0010]PTL2:日本专利申请公布N0.2006-5367。
【发明内容】
[0011][技术问题]
[0012]然而，由具有石榴石型结构(其中具有典型数量的Ce3+置换)的磷光体制成的陶瓷压块不足以执行有效的波长转换以及产生预期的输出。
[0013]作出本发明以便解决上述问题，并且本发明旨在提供一种尽管在其中采用了散热极佳的波长转换器但仍然能够产生高功率输出的半导体发光设备。本发明还旨在提供一种使用所述半导体发光设备的光源设备。
[0014][问题的解决方案]
[0015]为了解决上述问题，根据本发明的半导体发光设备包括:适于(operableto)发出初级光的固态发光器件；以及适于把所述初级光转换成波长更长的次级光的波长转换器。所述波长转换器是包括透明波长转换层的无机压块，所述透明波长转换层包含具有石榴石型晶体结构的磷光体。所述磷光体包含一个组成元素族，其包括从Mg、Ca、Sr、Ba、Y、La、Gd、Tb以及Lu中选择的一种或多种元素。所述组成元素族的一部分由Ce3+置换。所述Ce3+置换的数量处于0.01atomic% (原子百分比)到latomic?"^^范围内并且包含边界值。
[0016]另一方面，根据本发明的光源设备具有根据本发明的任何半导体发光设备。
[0017][本发明的有利效果]
[0018]根据本发明的半导体发光设备具有作为无机压块的波长转换器。据此实现极佳的散热。
[0019]另外，由于所述组成元素族的Ce3+置换部分的数量被限制为latomic%或更少，因此确保所述波转换效率为高(绝对量子效率为80 %或更高)，从而确保高功率输出。使所述半导体发光设备能够发出针对一般照明目的适当调节的更多照明光。本发明实现了提供一种适于一般照明目的的高功率半导体发光设备。
【附图说明】
[0020]图1是示出根据本发明的一种示例性半导体发光设备的俯视图。
[0021]图2是示出根据本发明的固态发光器件的一种示例性配置的横截面侧视图。
[0022]图3是示出根据本发明的固态发光器件的另一种示例性配置的横截面侧视图。
[0023]图4是示出根据本发明的固态发光器件的又一种示例性配置的横截面侧视图。
[0024]图5是示出根据本发明的固态发光器件的又一种示例性配置的横截面侧视图。
[0025]图6是示出常规波长转换器的配置的横截面侧视图。
[0026]图7是示出根据本发明的波长转换器的一种示例性配置的横截面侧视图。
[0027]图8是示出根据本发明的波长转换器的另一种示例性配置的横截面侧视图。
[0028]图9是示出根据本发明的波长转换器的又一种示例性配置的横截面侧视图。
[0029]图10是示出根据本发明的波长转换器的又一种示例性配置的横截面侧视图。
[0030]图11是示出根据本发明的波长转换器的又一种示例性配置的横截面侧视图。
[0031]图12是根据本发明的所述示例性半导体发光设备的横截面侧视图。
[0032]图13是根据本发明的另一种示例性半导体发光设备的横截面侧视图。
[0033]图14是根据本发明的又一种示例性半导体发光设备的横截面侧视图。
[0034]图15是根据本发明的所述半导体发光设备的导热路径的横截面侧视图。
[0035]图16是根据本发明的一种示例性光源设备的横截面侧视图。
[0036]图17是根据本发明的另一种示例性光源设备的横截面侧视图。
[0037]图18是示出多个白色LED的发射光的相关色温的表格。
[0038]图19是示出由对应的各白色LED发出的光的色度的示意图。
[0039]图20是根据本发明的一种示例性透明磷光体陶瓷的内部量子效率的曲线图。
[0040]图21是根据本发明的另一种示例性透明磷光体陶瓷的内部量子效率的曲线图。
[0041]图22是根据本发明的又一种示例性透明磷光体陶瓷的内部量子效率的曲线图。
[0042]图23是根据本发明的又一种示例性透明磷光体陶瓷的内部量子效率的曲线图。
[0043]图24是根据本发明的又一种示例性透明磷光体陶瓷的内部量子效率的曲线图。
[0044]图25是Y3Al5012:Ce3+磷光体粉末的内部量子效率的曲线图。
[0045]图26是示出Ce3+置换数量与内部量子效率之间的关系的曲线图。
[0046]图27是根据本发明的又一种示例性透明磷光体陶瓷的内部量子效率的曲线图。
[0047]图28是根据本发明的又一种示例性透明磷光体陶瓷的内部量子效率的曲线图。
[0048]图29是根据本发明的又一种示例性透明磷光体陶瓷的内部量子效率的曲线图。
[0049]图30是示出Gd3+置换数量与内部量子效率之间的关系的曲线图。
[0050]图31是示出由各白色LED发出的光的色度的示意图。
[0051]图32是示出Ce3+置换数量与温度特性之间的关系的曲线图。
[0052]图33是示出Gd3+置换数量与温度特性之间的关系的曲线图。
[0053]图34是示出由各白色LED发出的光的相关色温的表格。
[0054]图35是示出由各白色LED发出的光的色度的表格。
[0055]图36是示出Gd3+与温度特性之间的关系的曲线图。
[0056]图37是示出由Ce3+置换数量和Gd3+置换数量决定的温度范围的表格。
[0057]图38是示出由Ce3+置换数量和Gd3+置换数量决定的温度范围的表格。
【具体实施方式】
[0058]下面参照附图描述根据本发明的半导体发光设备的各实施例。
[0059]图1是示出根据本发明的一种示例性半导体发光设备的俯视图。图12是根据本发明的一种示例性半导体发光设备的横截面侧视图。
[0060]首先参照图1描述所有优选实施例所共有的细节。
[0061 ] 散热基板1
[0062]在图1中，散热基板1是用于在其上安装固态发光器件3的安装基板。
[0063]所述散热基板1是具有至少一个平坦表面的板，所述平坦表面被用作所述固态发光器件3的安装表面。
[0064]所述散热基板1的至少一种材料是从金属、半导体材料、陶瓷材料、以及树脂材料中选择的。基本上任何绝缘体板、导电板(特别是金属板)都可以被用作所述散热基板1。
[0065]具体来说，所述散热基板1可以由任何无机材料制成，其中包括铜、铝、不锈钢、金属氧化物(比如氧化铝、氧化硅和玻璃)、金属氮化物(比如氮化铝和氮化硅)、碳化硅、金属硅、以及碳。可替换地，所述散热基板1可以由基于硅的树脂或环氧树脂制成。
[0066]为了获得良好的散热属性，所述散热基板1优选地由金属、陶瓷压块或者金属与陶瓷的复合物制成。
[0067]另一方面，为了降低制造成本，所述散热基板1优选地是主要由树脂(比如基于硅的树脂)制成的压块。举例来说，所述散热基板1可以是包含填充物(例如氧化铝、二氧化硅、或者多种金属中的任何一种的无机粒子)的树脂压块。
[0068]此外，为了提高光提取效率，所述散热基板1优选地具有极佳的可见光反射率。这样的散热基板的例子包括具有金属光泽或者白色体色的散热基板。
[0069]所述散热基板1的上述例子相对较便宜、容易得到、并且易于操纵。另外，由于导热率高，所述散热基板1用来抑制所述固态发光器件3的温度升高。
[0070]在一个例子中，所述散热基板1可以完全由绝缘体制成。对于这种散热基板1，相对较容易的是，将半导体发光设备配置成仅仅允许所述设备的受限部分具有电势。这一优点便于涉及电气方面的适当的设计考虑，从而使得相对较容易提供被配置成允许容易地操纵电气方面的光源设备。
[0071]在另一个例子中，所述散热基板1可以采用导电板作为基板，以便获得极佳的导热率。对于这种散热基板1，所述半导体发光设备被配置成具有极佳的散热能力。
[0072]出于上述原因，如果重点放在易于进行电气设计的考虑，则优选地采用完全由绝缘体制成的绝缘体板。可替换地，如果最重要的是散热属性，则优选地采用将导电板用作基板的绝缘体板。
[0073]对于任何上述绝缘体板，所述散热基板1都优选地由导热率等于或高于lW/mK的板制成或者由导热率等于或高于lW/mK的材料制成。这里，导热率优选地不低于10W/mK，并且更优选地不低于100W/m。
[0074]对于如上所述的所述散热基板1的任何一个实例，响应于被提供给所述半导体发光设备的电功率而产生的热通过所述散热基板1被传导到一个温度较低的部分(比如外部散热器)以便促进热扩散。结果，所述半导体发光设备在工作时可以抑制总体温度升高，从而确保极佳的热辐射性能。
[0075]注意，所述散热基板1优选地采用易于操纵的平板形式。对于具有这种形状的散热基板1，所述固态发光器件3易于安装，这允许简化制造步骤。
[0076]导体A2a和B2b (导体X)
[0077]在下面的描述中，导体(模制(patterning)电极)A2a和导体(模制电极)B2b可以被通称为导体(模制电极)X。
[0078]所述导体A2a和B2b是用于向所述固态发光器件3提供电功率的一对导体。
[0079]所述导体X可以是其主要成分是从金属、导电化合物、以及半导体中选择的至少一种材料的导体。为了使得所述导体X同时具有低电阻率和高导热率，优选地使得所述主要成分是具有80wt% (重量百分比)或更高的金属成分的金属材料。
[0080]可用于所述导体X的金属实例包括金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、钯(Pd)、锌(211)、镍(祖)、钛(11)、锆(20、铪(册)、钒(￥)、铌(他)、钽0&)、铬(0)、钼(10)、钨(1)、铭(此)、铱(10、铝(41)、锡(311)、硅(31)和铁$6)以及这些金属的合金和这些金属的硅化物。所述导电化合物的实例包括诸如氮化钛(TiN)和氮化钽(TaN)之类的低电阻率材料。
[0081 ] 可用于所述导体X的半导体的实例包括诸如In-Sn-0、Zn0:Al以及Ti02:Nb之类的透明导电材料。
[0082]为了使所述半导体发光设备具有高的光提取效率，优选地使得所述导体X具有金属光泽。
[0083]下面给出就室温下的光学反射率而言的优选的金属光泽的粗糙度参考度量。也就是，蓝一红波长范围(420 — 660nm)内的光学反射率应当例如不低于50 %。优选地，可见光范围(380 — 780nm)内的光学反射率不低于80% ο
[0084]虽然优选的是所述导体A2a和B2b都具有上述的金属光泽，但是基本上只要所述导体A2a具有所述金属光泽就足够了。所述导体A2a占据所述固态发光器件3的后表面(安装表面)的一大部分。
[0085]如上所述的导体X可以由任何导电板、导电压块、导电厚膜、以及导电薄膜制成。但是在制造成本方面优选的是导电厚膜。
[0086]此外，优选的导电厚膜和薄膜是在电子设备的布线领域内常用的那些导电厚膜和薄膜。举例来说，优选的导电厚膜是通过利用丝网印刷方法、喷墨方法、刮粉刀方法、泥浆浇注方法、旋涂方法、沉淀法、电泳法以及电镀技术形成的任何导电厚膜。优选的导电薄膜是通过利用沉积技术、喷涂技术、以及化学汽相沉积形成的任何导电薄膜。
[0087]注意，所述导电板例如是指模制的金属板(比如41、11、他、了&、0、10、￥、1^、1^卩6、祖、？(1、？丨、(:11^8或211以及这些金属的合金和不锈钢)。
[0088]利用粘合剂或类似物将所模制的金属板固定到所述散热基板1，从而提供与所述导体A2a附着的散热基板1。
[0089]鉴于所述半导体发光设备的设计要求，优选的是所述导体X在不超出大约3mm的范围内较厚。具体来说，所述导体X的厚度例如应当至少是ΙΟμπι但是仍然小于3mm。优选地，所述厚度至少是lOOwn但是小于3mm，更优选地是至少300μηι并且小于3mm。
[0090]在上面描述的厚度下，为所述导体X赋予极佳的导热性。因此，当把所述固态发光器件3安装在其上时，所述导体X还充当良好的散热器。
[0091]另外，在上面描述的厚度下还把布线电阻保持为低。结果，发生在所述导体X内的焦耳加热受到抑制，从而使得所述半导体发光设备的温度升高受到抑制。
[0092]注意，根据本发明的半导体发光设备被配置成使得所述散热基板1可以被常用作该对导体X的其中之一(导体A2a)。
[0093]图13示出上述组件的一个实例。可以通过把绝缘体板(绝缘体24)固定到所述由金属制成的散热基板1上来组装图13中示出的组件，其中所述绝缘体板在所述绝缘体24的一个主表面上具有所述导体B2b。可替换地，可以把所述绝缘体24布置在所述散热基板1上，并且可以把所述导体B2b布置在所述绝缘体24上。
[0094]注意，图1中示出的电极垫6是可以可选地被提供在所述导体X上以便例如抽取导线的导体(典型地是金属)。所述电极垫6还可以被用作馈电端子。
[0095]固态发光器件3的概述
[0096]所述固态发光器件3是用于把电能转换成光能的电光转换元件。所述固态发光器件3的例子包括所谓的发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、无机EL器件(EL)、以及有机EL器件(0LED)。
[0097]鉴于所述电光转换元件的操作原理，优选地将LED或LD用作所述固态发光器件3，以便获得充当高功率点光源的半导体发光设备。另一方面，为了获得充当高功率表面光源的半导体发光设备，优选地将EL或0LED用作所述固态发光器件3。
[0098]为了增强所述半导体发光设备的可靠性，所述固态发光器件3优选地是具有由无机材料制成的发光层的LED、LD或EL。
[0099]为了确保输出光具有良好的演色属性并且产生均匀的光漫射表面，所述固态发光器件3优选地是发出基本上没有方向性的光的EL或0LED，其发射光谱具有相对较宽的半带宽度。
[0100]为了获得具有高定向性的光输出，所述固态发光器件3优选地是LED或LD。
[0101]此外，鉴于波长转换器4进行的波长转换的能量效率，所述固态发光器件3优选地发出在所述可见光范围的一部分内的最长可能波长(其长于380nm)下具有发光峰值的初级光(可见光)。为了获得白色输出光，所述固态发光器件3优选地发出在紫外一蓝绿波长范围内具有发光峰值(380nm或更长但是短于510nm)的初级光。
[0102]注意，在现有的条件下(比如固态发光器件的输出标准)，所述固态发光器件3优选地发出在紫外一蓝波长范围内具有发光峰值的初级光，其中所述波长范围优选地是从400nm到<480nm，更优选地是从430nm到<475nm，还要优选地是从440nm到<465nm。
[0103]对于上面描述的任何固态发光器件，所述半导体发光设备被配置成使得所述波长转换器4的吸光与发光之间的能量差相对较小。在波长转换的原理中，这种配置用来减少与波长转换相关联的光能损耗。结果，所述波长转换器4由于所述能量损耗而产生的热量被减少，从而抑制了由于所述波长转换器4产生的热的累积而导致的温度升高，这又用来减少包含在所述波长转换器4内的磷光体的温度猝熄。出于上述原因，尽管所述固态发光器件3被配置成输出强度提高的光(初级光)，所述半导体发光设备仍然可以保持相对较高的波长转换效率。
[0104]所述固态发光器件3的尺寸没有具体限制。在一个例子中，所述固态发光器件3在其平面图中的轮廓表面的面积为0.01mm2或更大，但是小于4cm2。
[0105]在所述固态发光器件3是LED的情况下，一个单独的LED在其平面图中的轮廓表面的面积是大约0.01mm2或更大，但是小于4cm2。然而，为了获得高功率点光源，基于输入功率与作为点光源的属性之间的平衡，所述轮廓表面的面积优选地大约是0.25mm2或更大但是小于4cm2，并且更优选地是大约0.6mm2或更大但是小于2cm2。
[0106]—般来说，LED的配置可以被归类为四种类型，这取决于一对馈电电极的拉出(pull-out)配置以及在把所述LED芯片安装于散热基板上的状态下的有源层的位置。图2 —图5是示出分别具有所述四种类型的LED配置的其中一种的固态发光器件3的优选实例的纵向横截面图。
[0107]在图2中，所述LED芯片的后表面(即下侧表面)是安装表面。在这种类型的LED配置中，发出LED光的半导体发光层(有源层)位于所述LED芯片的上表面附近，并且所述馈电电极对A14a和B14b都位于该上表面上。具有所述馈电电极对A14a和B14b的芯片表面是发光表面。
[0108]在图3中，所述LED芯片的后表面是安装表面。在这种类型的LED配置中，所述有源层位于所述LED芯片的上表面附近，并且所述馈电电极对的其中一个位于所述上表面上，另一个则位于所述后表面上。具有所述馈电电极对中的上方的一个的芯片表面是发光表面。
[0109]在图4中，所述LED芯片的后表面是安装表面。在这种类型的LED配置中，所述有源层位于所述LED芯片的后表面附近，并且所述馈电电极对的其中一个位于所述上表面上，另一个则位于所述后表面上。具有所述馈电电极对中的上方的一个的芯片表面是发光表面。
[0110]在图5中，所述LED芯片的后表面是安装表面。在这种类型的LED配置中，所述有源层位于所述LED芯片的后表面附近，并且所述馈电电极对都位于所述后表面上。与具有所述馈电电极对A14a和B14b的芯片表面相对的芯片表面是发光表面。
[0111]为了描述的方便起见，对应于图2—图5中示出的典型实例的芯片安装配置在下文中分别可以被称作“具有双上方电极的面朝上配置”、“具有顶部一后部电极的面朝上配置”、“具有顶部一后部电极的倒装配置”、以及“具有双底部电极的倒装配置”。
[0112]注意，从图5中明显看出，在所述“具有双后部电极的倒装配置”的LED芯片中，与主光提取表面相对的安装表面(后表面)基本上仅仅部分地与所述散热体紧密接触，而不是在整个所述后表面上与之紧密接触。
[0113]优选地，作为由所述固态发光器件3发出的初级光15的来源的半导体发光层11受到绝缘基板7或导电基板8的支撑。
[0114]这种配置用来增强所述半导体发光层11的机械强度以缓解操纵困难，否则其机械强度往往是不足够的。
[0115]注意，在这里省略了具有所述配置的固态发光器件3的制造细节，这是因为例如在日本专利申请公布N0.2007-150331中已经做了公开。
[0116]优选地，所述绝缘基板7和导电基板8中的每一个至少是从以下各项中选择的至少一种半导体基板:主要由VI族金属元素构成的金属、主要由IV族元素构成的化合物、以及主要由II1-V族元素构成的化合物。
[0117]上述每一种半导体基板都可以被制成所述绝缘基板7或导电基板8，这取决于是否存在杂质。另外，由于其导热属性良好，因此所述半导体基板还用来抑制所述固态发光器件3的温度升高。
[0118]如图2—图4中所示，所述固态发光器件3优选地在底部是平坦的，其构成安装表面并且也是与初级光的主光提取表面相对的表面。
[0119]对于上述配置，所述固态发光器件3