具有单晶磷光体的白光发光二极管和生产的方法
【专利说明】具有单晶磯光体的白光发光二极管和生产的方法
[oow] 发明背景
[0002] 本发明设及当利用憐光体技术转换光时具有高于0.抓的功率和高于40Im的光通 量的高效率的白光发光二极管。此外，本发明设及单晶憐光体、其的组成和形状、其的生产 技术和二极管构造排列的优化。
[0003] 现有技术的描述
[0004] 标准白光发光二极管（也仅称为"W-LED")的结构不允许直接发射白光，而是基 于混合色谱的蓝光分量（最大地450至470nm)和黄光分量（最大地550nm)或，可能地， 红光分量巧P0936682和US6600175专利）。在最常见的排列中，其是具有具有量子空穴的 InGaN忍片的结构，发射具有在455至470皿之间的发射峰的蓝光，此时忍片的量子效率 朝向更长的波长减少并且随着忍片中的InN的增加的部分减少。黄光分量由在称为"憐光 体"的巧光材料的辅助下忍片发射的蓝光的部分向下转换而获得。考虑到其突出的性质，在 大多数的应用中被用作憐光体的是化aGda)3(AlibGab)5〇i2:Ce3%其中0<a<l，0<b<l，渗杂有 姉或可能地嫁或礼的锭-侣石恼石（此外仅称为YAG:Ce)。在该材料中吸收的蓝光光子W 高至100%效率转换，归因于向具有较低的能量和在55nm处发射峰的光子的斯托克斯位移 巧P0936682专利）。已转换的蓝光光子的量与材料中的Ce3+原子浓度成正比例。 阳0化]所有的运些憐光体W具有几百纳米高至几十微米的晶粒度的粉末或多晶陶瓷的 层的形式应用在二极管上扣S/8133461，W0/2008/051486Al)。憐光体可W置于在InGaN忍 片正上方的薄层中或可W被分散在忍片上的环氧物或硅氧烷光学部件中。极度重要的是憐 光体的均匀的分布，取决于来自忍片的蓝光的光角度，W保持所得到的光的颜色均匀性。 [0006] 当沉积转换光的憐光体时，是重要的是保持憐光体的均匀的分布，使得光的色溫 应当不取决于光的角度。然而，在所有的所声明的情况下，普遍地使用的粉末憐光体受制于 很多缺点，例如反向散射、溫度消光和热降解。 阳007] 具有超过500nm的大小的憐光体晶粒上光的反向散射的现象导致在期望的方向 的光强度的显著的减少。具有比光波长小的大小的憐光体晶粒上光的瑞利散射导致光子的 在各种方向的偏转W及在朝向忍片的非期望的方向的返回。如果运些散射中屯、的数量是大 的，那么被反向散射的光的强度不是可忽略的并且可W是总强度的百分之几十。后续地，反 向散射的光被吸收在二极管的单个部分中并且促进其的进一步暖化。运种现象可W通过将 晶粒大小减少至低于光波长的大小来减少，运使它们是对于单个光子不可见的并且光可W 更容易地穿透经过它们。然而，粉末大小的减少导致憐光体的转换效率下降，归因于缺陷对 单个晶粒的表面的增加的影响。
[0008] 标准二极管的一个显著的问题是在操作的过程中的忍片和憐光体的暖化。热由 InGaN忍片自身产生，其效率为约30 %，并且热也在斯托克斯位移期间在光朝向更长波长 的转换期间在憐光体中产生。憐光体可W被局部地暴露于高至200°C的溫度，运导致憐光体 的发光效率（被吸收的蓝光光子和被发射的黄光光子的比率）的减少，运被称为憐光体的 溫度消光。运种消光W具有最小的尺寸的晶粒的憐光体显示出最多。晶粒的内部部分是单 晶的，然而，在它们的表面上有大量的缺陷W及晶格结构的有关的表面位错，均来源于加工 并且来源于材料的天然的特性。运些缺陷作为无光发射复合中屯、起作用，运显著地减少憐 光体的转换效率。憐光体消光伴随着YAG主体中的超过0.5原子％Ce3+的浓度显示。Ce3+ 的较大的浓度同时用于减少粉末憐光体的体积W及用于减少反向散射效应。
[0009] 同样地，增加的溫度显著地增加二极管单个部分的热降解。硅氧烷聚合物，最普遍 地使用的高效率W-L邸的包胶剂和透镜材料，是相对地稳定的。尽管如此，但热学影响导致 包胶剂材料分解W及在憐光体的微晶晶粒和包胶剂的边界上的光学上活性的缺陷的产生。 运些缺陷促使总的福射功率的减少和进一步的二极管暖化。
[0010] 解决与热产生相关的问题的一种方式称为"远程憐光体"（W0/2010/143086A1 ; EP2202444 ;W0/2012/092175A1 ;W0/2009/134433A3)，此时憐光体粉末的转换材料被分散 至较大的表面上并且被定位在外部与InGaN忍片直接接触。例如，其W薄层沉积至位于忍 片发射的蓝光束中或位于外部灯护套的内部壁上的光学上可穿透的板上，使得蓝光的至少 某个部分朝向更长的波长转换。
[0011] 对粉末和多晶陶瓷材料的主要缺点的解决方案是使用透明的单晶憐光体。单晶层 与多晶的憐光体相比也显著地减少光的散射并且消除非期望的反向散射的效应。CRffi公司 的专利（W〇2〇〇9/l26272)描绘了Y3Als〇i2:Ce3\ I'bsxRExOiziCe3'或Sr2xyBaxCaySi〇4:化憐光 体的单晶层的使用，其通过外延方法或通过从烙融物抽取旋转的晶体（直接在InGaN忍片 上和在基板上，后续从所述基板转移至InGaN忍片上）的方法来制备。在（W02009/126272) 专利的情况下，单晶憐光体始终与忍片刚性连接，使得实现生成自忍片的光的更好的输出 禪合，具有超过2. 4的折射率。在W最小1. 7的折射率直接向单晶憐光体中的光跃迁的情 况下，可能的是比使用普遍地使用的具有在1. 4至1. 6之间的折射率的包胶剂获得更多的 来自忍片的光。
[0012] 然而通过液相外延（LP巧方法制备的外延层的厚度被限于几十微米，并且为了获 得足够的来自忍片的光吸收，层必须大比例渗杂Ce3+。由于姉原子大小，高的渗杂剂浓度导 致增加的缺陷数量，运减少所得到的层的发光效率。该（W02009/126272)专利还描述了W 下可能性，即使用多种各种渗杂剂在InGaN忍片自身的一些区域中渗杂憐光体，使得所得 到的白光二极管由于更宽的色谱发射实现更好的彩色再现。
[0013] 该专利（W02009/126272)具体描述具有0.5至1mm厚度并且具有6mm直径的圆 形单晶板作为憐光体的使用。憐光体表面可W被切割、纹路化或平坦化。根据该专利（W0 2009/126272)，为了实现在空间上更均匀的彩色再现，外来颗粒被加入憐光体自身中或加 入至包封材料，作为散射中屯、起作用，然而，可使用的材料的类型未在任何单一的实施例中 被具体描述。单晶憐光体始终至少部分地覆盖忍片并且部分光通过其转换。
[0014] 此外，该专利（W0 2009/126272)提到使用基于YAG:Ce3+的单晶作为用于基于 InGaN的半导体结构的制备的自支持的基板，运可W导致在具有2. 5的折射率的半导体忍 片自身中的总内反射的减少，然而，运在实践中不是可行的，归因于两种材料不同的晶格常 数。两种材料的晶格常数的差异，即对于单晶YAG来说12.01A和对于GaN来说5.185A对 于InN来说高至5,标堯i，将导致在InGaN忍片中的内部缺陷和错位的大量产生并且导致操 作性质和稳定性的显著恶化。
[0015] 本专利尝试基于显示出比其粉末变体更好的性质的单晶憐光体解决光转换结构 的应用并且处理忍片与憐光体配合的排列。
[0016]在所声明的专利扣S2008/0283864)中，来自基于Y3AI5O12、CaxSfyMgiXyAlSiNs、 S。xBaxSi〇4SiA10N、Y2O2S或La2〇2S的材料的单晶憐光体，通过Czoc虹alski或Bridgeman 方法产生自从烙融物，W具有平面表面的光转换结构的形式使用，其用硅氧烷粘合剂层固 定至忍片上。根据本专利，具有lOnm至200ym的厚度的单晶憐光体实现0. 1高至20%或 0. 5高至20%的館的范围内的姉渗杂。
[0017] 因此提出调整憐光体形状和大小，使得忍片可W在空间上与憐光体配合，憐光体 表面可W被不同地纹路化、粗糖化或成型W减少总的反射现象。单晶憐光体可W也与一个 更多的光学元件互补W便来自忍片的光更好的输出禪合。
[0018] 也根据本专利，已抛光的单晶憐光体可W被用作用于半导体忍片生产的基板。其 还包括使用薄层制备的方法和反向程序在半导体忍片自身上制备单晶憐光体层，其中半导 体忍片通过使用经典的方法在单晶憐光体的已抛光的层上生长来制备。然而，在两个所声 明的情况二者中，问题在于不同的材料晶格常数值，在生长过程期间导致内部缺陷例如错 位的产生。
[0019] 发明概述
[0020] 根据本发明，具有位于选自InGaN、GaN或AlGaN组的忍片上的单晶体的白光发 光二极管包括W下事实：单晶憐光体产生自基于渗杂有选自Ce3\Ti3\化3\化2\Sm2\ B3\C、Gd/或Ga组的原子的具有化学组成LuYAG/^(Lu，Y)3AI5O12/或YAP/YAIO3/和/或 GGAG/Gd3(Al,Ga)日〇12的主体的单晶铸锭（51)，使用选自Czoc虹alski、肥M、Badgasarov、 Kyropoulos或EFG组的方法生长自烙融物。
[0021] 单晶憐光体含有主体，主体基于（LUx，Yi