波长转换发光装置的制作方法

本发明涉及波长转换发光装置，诸如发光二极管。

背景技术：

包含发光二极管（led）、谐振腔发光二极管（rcled）、垂直腔激光二极管（vcsel）及边发射激光器的半导体发光装置是目前可用的最高效的光源。在制造能够跨过可见光光谱范围工作的高亮度发光装置中当前感兴趣的材料体系包含iii-v族半导体，具体地为镓、铝、铟以及氮的二元、三元及四元合金，这些也被称为iii族氮化物材料。典型地，iii族氮化物发光装置是通过在蓝宝石、碳化硅、iii族氮化物或者其他合适基底上，利用金属有机物化学气相沉积（mocvd）、分子束外延（mbe）或者其他外延技术，外延生长不同组成及掺杂剂浓度的半导体层的堆叠来制造的。该堆叠经常包含在基底上形成的一个或者多个例如硅掺杂的n型层，在该一个或多个n型层上形成的位于有源区中的一个或多个发光层，以及在该有源区上形成的一个或多个例如镁掺杂的p型层。电接触在n型区域和p型区域上形成。

为了产生白光固态光源，来自led或激光的蓝光照射黄-绿磷光体，例如yag:ce磷光体，或者红和绿磷光体的组合，使得由磷光体产生的光与泄露穿过的蓝光的组合产生白光。在由高功率蓝光光源产生的非常亮的蓝光（例如高于100w/cm²）下，一些磷光体淬灭或者饱和。淬灭或者饱和会导致不期望的颜色偏移和降低的光产出。

技术实现要素：

本发明一目的是提供一种含有即使在高激发强度下是高效的波长转换材料的波长转换发光装置。

本发明一目的是避免或者最小化随着磷光体转换光源(尤其是两种或者更多种磷光体被用于产生例如暖白光,这会要求全部所使用的磷光体具有恒定转化效率)中的亮度增加的颜色偏移。

在依据本发明实施例的一种方法中，对于由光源产生且由包含基质材料和掺杂剂的磷光体层转换的预定量的光线，以及对于在增加激发强度时磷光体的效率的预定最大降低，选择该磷光体层的最大掺杂剂浓度。

依据本发明实施例的一种结构包含发射具有第一峰值波长的光的发光二极管以及放置在由该发光二极管发射的光的路径中的磷光体。该磷光体吸收由该发光二极管发射的光并且发射具有第二峰值波长的光。该磷光体包含基质材料和掺杂剂。掺杂剂的浓度以及掺杂剂的排布被选择，使得在来自发光二极管的预定的光发射下，该磷光体的效率的预定最大降低不被超过。

依据本发明实施例的一种结构包含发射具有第一峰值波长的光的发光二极管以及放置在由该发光二极管发射的光的路径中的磷光体。该磷光体吸收由该发光二极管发射的光并且发射具有第二峰值波长的光。一种材料被放置于该发光二极管和该磷光体之间。该材料被选择以减少从发光二极管到达磷光体的光的量，使得该磷光体的效率的预定最大降低不被超过。

附图说明

图1为对于两种具有相同基质(ba0.1sr0.9)2si5n8和不同浓度的掺杂剂eu²⁺的磷光体，作为辐照度的函数的量子效率的曲线图。

图2为包含光源和波长转换结构的装置的截面图；

图3示出对于两种材料，作为激发强度的函数的功率发射/入射功率的曲线图，一种材料在给定激发强度下表现出下降（即，在增加的激发强度，磷光体的效率降低），一种材料在该给定的激发强度诸如例如0.2w/mm²下没有表现出下降。

图4示出磷光体颗粒的表面的一部分。

图5为一种阶梯式梯度的波长转换结构的截面图。

图6为对于图8的结构的一个例子，作为位置的函数的活化剂浓度的曲线图。

图7为一种连续梯度的波长转换结构的截面图。

图8和图9为对于图7的结构的两个例子，作为位置的函数的活化剂浓度的曲线图。

图10为包含多种磷光体的波长转换结构的截面图。

图11为磷光体颗粒的作为位置的函数的浓度的曲线图。

具体实施方式

磷光体基本上是一种用活化剂或者掺杂剂（“活化剂”与“掺杂剂”在此处可互换地被使用）掺杂的结晶基质材料（有时称为晶格）。常见活化剂种类的例子包含eu²⁺、eu³⁺和ce³⁺。当磷光体暴露于特定波长范围中的光（激发光谱）中时，活化剂吸收激发光并且发射更长波长的光（发射光谱）。

如上所述，当暴露于例如来自led的蓝光时，一些磷光体变饱和。具体地，随着激发强度（即，入射到磷光体上的单位面积的光的量）增加，磷光体的效率降低。随着增加的激发强度的效率降低在此处可称为“下降”。

许多过程会导致或者加剧下降。在不将本发明实施例限制于任何具体理论的情况下，会影响下降的两种过程为基态耗尽以及激发态相互作用。（本发明的实施例可能不处理基态耗尽。）激发态相互作用可能包含激发态吸收（esa）和量子力学相互作用（qmi）。esa可能取决于基质的电子能带结构和/或相对于基质能带结构的掺杂剂能级的能量位置。qmi可能取决于基质的晶体结构；具体地，发射性的和吸收性的受激发掺杂剂之间的距离。例如，由受激发的活化剂发射的光子可能被另一个已激发的活化剂吸收，激发电子到基质材料导带中而不是发射光子，由此降低磷光体的效率。这种效应在更高的温度下可能更加显著。

随着活化剂浓度增加，在任一激发强度下效率的降低可能会变得更加显著，如图1所示。图1是作为来自发射蓝光的激光器的辐照度（单位为w/mm²）的函数，测量的量子效率的曲线图。图1示出的两种磷光体具有相同的基质材料(ba0.1sr0.9)2si5n8以及相同的活化剂eu²⁺。图示两种不同的活化剂浓度，0.5%（曲线10）和2.4%（曲线14）。如图1所示，对于更高的活化剂浓度，在最高激发强度下磷光体的效率低于在最高激发强度下具有最低活化剂浓度的磷光体的效率。

在本发明的实施例中，磷光体被合成或者被应用到装置从而减少或者消除下降，即在增加的激发强度处观察到的效率下降。在下文描述的实施例中磷光体的基质材料可以为例如，cas、(ca,sr)ga2s4、ba2-xmxsi5-yalyn8-yoy，其中m代表sr或ca，0≤x≤l，并且0.0005<y<0.05(bssne)，ca1-xsrxalsin3，其中0≤x≤l，优选地0<x<0.95(scasn)、ecas、yag或者任何其他合适的基质材料。在此描述的实施例中磷光体中的活化剂可以为例如稀土材料、铕、eu²⁺、铈、ce³⁺或者任何其他合适的材料。在下面的例子中，活化剂为铕。然而，铈掺杂的磷光体也可能体验到下降，该下降经常是在比铕掺杂的磷光体高得多的入射功率强度。例如，ce³⁺磷光体会在大约50w/mm²时表现出与eu²⁺磷光体在1w/mm²时表现出的下降相似的下降。

图2示出依照本发明的实施例的装置。波长转换结构20放置于从例如发光二极管（led）的发光装置18发射的光的路径中。该波长转换结构20可以为包含基质和掺杂剂的磷光体。波长转换结构20可以直接接触发光装置18，或者它可以与发光装置18隔开。波长转换结构20可以包含一种或者多种磷光体。

在一些实施例中，一个或者多个例如透镜的光学元件（未示于图2）可以包含在图2的装置中。例如，光学元件可以放置于发光装置18和波长转换结构20之间，从而成形、过滤和/或至少部分准直从发光装置18提取的光。另外或者可替换地，光学元件可以放置于波长转换结构20之上，从而成形、过滤和/或至少部分准直从波长转换结构20提取的光。光学元件的例子包含滤光片、圆顶透镜、菲涅尔透镜、复合抛物面聚光器和任何其他合适的结构。

在一些实施例中，对于由发光装置18产生且由波长转换结构20转换的预定量的光线，以及对于在增加的激发强度时该波长转换结构的效率的预定最大降低（即最大允许下降），选择波长转换结构20中的最大平均掺杂剂浓度。该效率的预定最大降低可能导致结果的总发射的颜色偏移。一些应用，特别是利用多种磷光体的应用，诸如例如产生暖白光的装置，会要求全部所使用的磷光体具有恒定或者近似恒定的转换效率。因此，在一些实施例中，在应用中可以接受的颜色偏移可决定效率的预定最大降低。

波长转换结构20可以为基本上均匀的平均掺杂剂浓度的磷光体层、分层结构或者梯度组成结构，例如在任何下述例子中描述的磷光体。

在实践中，图2的波长转换结构20的厚度是受限的。例如，如下所述，通过降低掺杂剂浓度，可以降低该下降，但是当掺杂剂浓度降低时，预定量的转换光需要更大的厚度，极限情况下接近零的掺杂剂浓度需要无限大的厚度。因此，在一些实施例中，对于预定的波长转换结构厚度20，以及对于在增加的激发强度时波长转换结构的效率的预定最大降低（即最大允许下降），选择该波长转换结构20中的最大平均掺杂剂浓度。

发光装置18可以为任何合适的装置，该装置发射光，该光可以激发波长转换结构20中的一种或者多种波长转换材料。在一些实施例中，发光装置18是发射蓝光或者是uv光的iii族氮化物led。iii族氮化物led例如可以为：倒装芯片装置，其中大部分光通过led的表面被提取，该表面与电气接触部形成于其上的表面相对；垂直装置，其中电气接触部形成在装置的相对两侧；或者横向装置，其中两个电气接触部都形成在装置的一表面，大部分光通过所述电气接触部被提取。iii族氮化物装置层生长在其上的生长基底可以为装置的一部分，可以被减薄或者可以被全部去掉。任何合适的发光装置可被使用。

尽管在下面例子中半导体发光装置为发射蓝光或者uv光的iii族氮化物led，可以使用除了led以外的半导体发光装置，诸如激光二极管，以及由其他材料体系（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或者基于si的材料）制造的半导体发光装置，只要该装置的发射与波长转换结构20的激发光谱重叠。

合适的波长转换结构20可以包含一种或多种在下面实施例中描述的磷光体和/或结构。波长转换结构20可以被放置在led上或者与led隔开。在一些实施例中，该波长转换结构中掺杂剂的浓度和/或掺杂剂的排布被选择，使得在来自发光结构18的预定的光发射下，该波长转换结构的效率的预定最大降低不被超过（即最大下降水平不被超过）。

该波长转换结构包含一种或者多种波长转换材料，其可以为例如传统磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、ii-vi族或iii-v族半导体、ii-vi族或iii-v族半导体量子点或者纳米晶体、染料、聚合物、或者其他发光的材料。该波长转换材料吸收由led发射的光并且发射一种或者多种不同波长的光。由led发射的未转化的光经常为从该结构提取的光的最终光谱的一部分，尽管它没有必要如此。从该结构提取的光的最终光谱可以为白色、多色或者单色。

通常组合的例子包含发射蓝光的led与发射黄光的波长转换材料组合，发射蓝光的led与发射绿光和红光的波长转换材料组合，发射uv光的led与发射蓝光和黄光的波长转换材料组合，以及发射uv光的led与发射蓝光、绿光和红光的波长转换材料组合。发射其他颜色光的波长转换材料可以被添加以调整从该结构提取的光的光谱。该波长转换结构可以包含光散射或者光扩散元件，例如tio2。

在一些实施例中，波长转换结构20是这样一种结构，其与led分开制作，并且例如通过晶片键合或者比如硅树脂或环氧树脂的合适粘接剂附着到led。此类预制的波长转换元件的一个例子是陶瓷磷光体，它是通过例如下述形成：将粉末磷光体或者磷光体的前驱体材料烧结成陶瓷板，该陶瓷板然后可以被划片成单独的波长转换元件。陶瓷磷光体也可以通过例如流延成型形成，在该流延成型中陶瓷被制作成正确的形状，划片或切割工艺不是必需的。合适的非陶瓷预制波长转换元件的例子包含：粉末磷光体，其分散在诸如硅树脂或玻璃的透明材料中，该硅树脂或玻璃被轧制、铸造或者以其他方式形成为片，随后被切成单独的波长转换元件；以及与硅树脂混合并且放置于透明基底上的磷光体。

反射材料（未示于图2）可以放置于led和波长转换元件的侧面上，从而迫使光通过上表面离开装置。

在一些磷光体中，可以通过减少活性剂浓度而降低或者消除该下降。在一些实施例中，波长转换结构20包含磷光体，该磷光体包含基质材料和活化剂，该活化剂在某些活化剂浓度下确实遭受该下降。该磷光体被掺杂到一活化剂浓度，在该活化剂浓度下其不表现出在增加的激发强度时效率的降低。此类磷光体的效率曲线示于图3（在图3中示出的磷光体可以与在图1中示出的磷光体相同）。图3是对于具有相同基质和不同掺杂剂浓度的两种磷光体，作为入射功率（激发强度）的函数的对于给定磷光体厚度的发射功率/入射功率的曲线图。曲线22代表比曲线24的磷光体具有更高活化剂浓度的磷光体。

如图3所示，具有更高活化剂浓度的磷光体在25标示的入射功率处表现出下降（曲线22），而具有较低活化剂浓度的磷光体（曲线24）在25标示的入射功率处不表现出下降。在一些实施例中，磷光体包含基质材料，在某些活化剂浓度下其在选定的激发强度下确实遭受下降（即，曲线22在入射功率25处）。活化剂浓度可以被减少，使得磷光体在给定激发强度下不遭受下降（即，曲线24在入射功率25处）。在该选定激发强度以外的激发强度处，该磷光体会表现出下降（即，曲线24在入射功率27处）。

曲线22和24代表的磷光体中的活化剂在一些实施例中可以为例如稀土材料、铕或eu²⁺。

因为具有较低活化剂浓度的磷光体具有更少的活化剂，对于相同量的磷光体，曲线24表示的磷光体在给定入射功率强度下可以发射的光少于曲线22表示的磷光体。因此，为了达到给定亮度，在波长转换结构20包含曲线24代表的磷光体的装置中可以使用更多的磷光体。

在一些实施例中，曲线24表示的磷光体被包含在波长转换结构20中。（曲线22表示的磷光体不被包含在该装置中，实际上它在上文被描述为参照例，曲线24表示的磷光体的性能与该参照例比较。）在一些实施例中，曲线24表示的磷光体可以为包含在波长转换结构20中的基质材料具有的唯一磷光体。曲线24表示的磷光体可以放置于具有基本均匀的掺杂剂浓度的单层中。曲线24表示的磷光体中的活化剂浓度贯穿波长转换结构20是基本均匀的，即，活化剂浓度在波长转换结构20的水平或者竖直平面内是没有梯度的。

在一些实施例中，波长转换结构20包含粉末磷光体，该粉末磷光体被制作以增大每个磷光体颗粒中活化剂之间的距离，这可以减少或者消除下降。

磷光体部分30可以用活化剂32之间的间隔34来表征，如图4所示。在一些实施例中，与给定的商业上使用的具有相同基质材料和相同活化剂浓度的磷光体相比，间隔34可以增大。在一些实施例中，活化剂32为稀土材料、铕或eu²⁺。平均间隔34在一些实施例中可以为至少15å，在一些实施例中为至少18å，在一些实施例中为至少20å，在一些实施例中为至少25å，并且在一些实施例中不高于50å。

在一些实施例中，波长转换结构20包含具有梯度活化剂浓度的磷光体。活化剂浓度可以在与波长转换结构20的主表面垂直的方向上有梯度。活化剂浓度可以在最靠近激发光源的区域中是最低的，并且在距离激发光源最远的区域中是最高的。

在例如陶瓷磷光体的均匀掺杂磷光体中，激发功率随着进入磷光体的深度以指数方式降低。实际上，随着光被磷光体吸收，激发强度降低。由于激发强度随着进入磷光体的深度而降低，磷光体表现出的下降也会降低。

与均匀掺杂时的相同磷光体比较，在具有梯度磷光体的波长转换结构20中，下降可以减少或者消除。如此处所使用，“梯度化”活化剂浓度可以指单一逐步的浓度变化之外的任何浓度变化。梯度的活化剂浓度轮廓可以采取的任何形状，包含例如线性的、阶梯式梯度的、或者幂次函数轮廓，并且可以包含多个恒定活化剂浓度的区域或者不包含恒定活化剂浓度的区域。

图5示出板型梯度波长转换结构20的一个例子。波长转换结构20包含不同活化剂浓度的多个层52、54、56和58。在每个层52、54、56和58内，活化剂浓度可以是恒定的和均匀的，尽管这不是必须的。图5的波长转换结构20可以是陶瓷或者任何其他合适的结构。尽管在图5中示出4个层，更多或者更少的层可以被使用。在一些实施例中，包含2至10个层。

图5中的波长转换结构20的总厚度在一些实施例中可以是至少100μm厚，在一些实施例中不高于400μm厚，在一些实施例中至少200μm厚，并且在一些实施例中不高于300μm厚。每个层可以是相同厚度，尽管这不是必须的。每个层在一些实施例中可以具有至少10μm的厚度，并且在一些实施例中可以具有不高于100μm的厚度。

波长转换结构20的表面50面向光源18。因此，层52可以具有最低活化剂浓度。波长转换结构20的表面60最远离光源。因此，层58可以具有最高活化剂浓度。图6示出对于波长转换结构20的一个例子，作为从表面50至表面60的位置的函数的活化剂浓度。示出恒定和不同活化剂浓度的4个层。浓度从表面50至表面60分多步增加。

图7示出板型波长转换结构20的另一个例子。图7的波长转换结构是连续性梯度变化的，而不是如图5中示出的阶梯式梯度变化。在图7中，与图5类似，表面50最靠近光源且表面60最远离光源。图8和图9以活化剂浓度作为位置的函数的曲线图，示出图7的结构的两种可能梯度轮廓。在每个梯度轮廓中，活化剂浓度从在表面50的最低浓度增加至在表面60的最高浓度。图8示出线性梯度轮廓。图9示出二次曲线的梯度轮廓。例如指数、多项式或者任何其他合适的轮廓的其他轮廓可以被用于梯度化波长转换结构20。

在一些实施例中，粉末磷光体中的单独颗粒具有跨过颗粒而变化的掺杂剂浓度。单独的颗粒可以含有具有第一平均掺杂剂浓度的第一区域和具有第二平均掺杂剂浓度的第二区域，其中第一和第二平均掺杂剂浓度是不同的。第一和第二区域可以布置成减少或者消除下降。

通过形成磷光体颗粒，该磷光体颗粒具有跨过颗粒而变化的掺杂剂浓度，使得每个颗粒的中心部分比每个颗粒的外面部分更高程度地被掺杂，可以在粉末磷光体中实现与图5和图7的梯度磷光体中描述的相同效应，即，磷光体的更高程度掺杂的部分被磷光体的更低程度掺杂的部分“遮蔽”，减少更高程度掺杂的部分中的激发强度。

图11是对于这种磷光体颗粒的一个例子，作为直径的函数的掺杂剂浓度的曲线图。在该曲线图中，70和72代表颗粒的外部边缘，并且74代表中心。在颗粒的边缘处掺杂剂浓度低于在中心处的掺杂剂浓度，在中心处的掺杂剂浓度可能是最高的。每个颗粒的较低程度掺杂的外面部分是颗粒的“看到”来自发光二极管的光线的第一个部分。每个颗粒的较低程度掺杂的外面部分因此减少在更高程度掺杂的中心处的激发强度，这可以减少下降且可能增加磷光体的效率。磷光体颗粒中的浓度梯度不限于图11示出的特定轮廓。中心比外面部分被更高程度掺杂的磷光体颗粒可以通过下述形成：提供或者合成掺杂核心、围绕该掺杂核心生长非掺杂壳体、以及在热过程中将掺杂剂部分地扩散到外部区域中。

在图5和图7中示出的波长转换结构中，以及在图11中示出的颗粒中，活化剂可以为例如稀土材料、铈、ce³⁺、铕或eu²⁺。

图10示出波长转换结构20，其具有遮蔽表现出下降的磷光体的结构，从而减少该磷光体的激发强度。

表面62最靠近光源且表面64最远离光源。遮蔽结构66最靠近光源放置。在增加的激发强度时表现出效率下降的磷光体68最远离光源放置。遮蔽结构66吸收来自光源的光，有效地降低入射到磷光体68上的激发强度。遮蔽结构66的特性，例如材料、厚度和吸收系数，可以被选择以将入射到磷光体68上的激发强度降低到磷光体的效率的预定最大降低不被超过的点。合适的遮蔽结构66的例子包含非波长转换材料、波长转换材料、磷光体、设计成散射光的层、过滤器、反射器以及任何其他合适的结构。

在一些实施例中，结构66是第二磷光体，该第二磷光体在增加的激发强度时不表现出下降或者表现出比磷光体68少的下降。在一些实施例中，结构66是石榴石磷光体、yag:ce磷光体或者任何其他合适的磷光体。

已经描述了本发明的细节，本领域技术人员鉴于本公开将理解，可以对本发明进行调整而不背离此处描述的发明构思的精神。因此，不旨在将本发明的范围限于所示出和描述的特定实施例。