专利名称：磷光体转换ir led的制作方法
技术领域：
本技术涉及发光器件。更特别地，本技术涉及涂有一个或多个红外发光磷光体的发光半导体结构。
背景技术：
发光二极管(LED)是将电能输入流转换成电磁辐射输出流的p-n结器件。LED在电磁波谱的紫外线、可见或红外区域中发射电磁辐射，其中，发射波长通常取决于用来制造 LED的二极管半导体芯片材料。例如，在被电能激励时，已知由包含半导体芯片材料的铝镓砷形成的LED发射红色可见光，已知由包含半导体芯片材料的铝镓磷形成的LED发射绿色可见光且已知由包含半导体芯片材料的铟镓氮形成的LED发射蓝绿光。除辐射发射波长之外，许多LED还在亮度方面改变。在许多应用中，诸如对于照明广告牌显示器或舞台照明应用而言，期望高亮度的可见发光二极管，同时较低亮度的LED对于器械上的状态指示灯而言可能是足够的。高亮度对于采用“白光”LED的诸如手电筒和灯笼的应用而言也是期望的，所述“白光”LED即为发射具有人眼将其解释为白光的波长的光的LED。通常通过一种色彩的LED与不同色彩的磷光体涂层耦合来产生白光LED以产生白光。最常见的，涂有黄色发射磷光体(诸如掺铈钇铝石榴石)的蓝色LED (诸如由铟镓氮半导体制成的LED)将一起产生具有表示白光发射的CIE图的光。参见例如美国专利No.5，998，925，其讲授了白色磷光体基LED的此常见形成。此类“基于磷光体的LED”技术允许制造具有不同程度的质量和亮度的具有精确动态色彩控制的LED。还已知能够发射不可见辐射(诸如红外(IR)辐射)的发光二极管。红外发光二极管被用于各种应用，从电视遥控至诸如短波红外(SWIR)照相机的夜视设备，并且常常在电信行业中采用。通常市售的IR LED在高达I. 55微米的几个离散波长值是可用的，并且按照惯例已通过使用包括P和N型砷化镓(GaAs)外延层的外延晶片(通常是用诸如硅的两性杂质掺杂的GaAs外延晶片)来产生。参见例如Sharp公司所有的美国专利No. 3，757，174，还参见Hitachi有限公司所有的美国专利No. 4，008，485，其讲授了用锡、硒、碲或硫掺杂的基于 GaAs 的 LED。Mitsubishi Monsanto Chemical 公司所有的美国专利 No. 4，575，742也讲授了此类改进的红外LED，其还在红外发光二极管衬底上结合了混合结晶层以改善此类常规IR LED的效率。美国专利No. 5，831，268讲授了一种利用红外LED来检测反射液体的存在的装置。与可见发光LED相比，此类常规红外发光LED产生明显不那么强的红外光，其由于不能产生有效的带隙结构而每个LED半导体芯片仅发射约I毫瓦。因此，在现有技术中需要各种波长下的更强IR发射LED。本技术提供了本领域中的此需要的解决方案。另外，还已发现可以使用IR磷光体下转换技术来产生其它波长的光，该技术使用现有LED初级(primary)光发射作为用于激励在其它次级(secondary)光波长下发射的掺杂剂(例如稀土离子)的泵。
发明内容
本文公开了涂有一个或多个红外发光磷光体的发光半导体结构。在一方面，提供了一种斯托克斯辐射发射器件，包括a)光源和b)光源上的能量下转换磷光体材料。该磷光体材料可以包括至少一个红外辐射发射磷光体，其吸收从所述光源发射的光能并响应于所述吸收的光能发射红外辐射。在另一方面，提供了一种斯托克斯辐射发射发光二极管组件，包括a)安装引线， 其包括凹陷杯和引线，b)发光二极管半导体芯片，其被安装在安装引线的凹陷杯中，以及c)发光二极管半导体芯片上的磷光体材料。所述凹陷杯可选地包括能够反射紫外线至红外辐射的反射金属。该发光二极管半导体芯片可以具有被电连接到安装引线的电极，并且该发光二极管半导体芯片可以包括在被电能激励时发射具有在从电磁波谱的紫外线至近红外区范围内的波长的光的材料。该磷光体材料可以包括至少一个红外辐射发射磷光体，其从所述发光二极管半导体芯片吸收光能并响应于所述吸收的光能发射红外辐射。
图I是发光二极管组件的一个实施例的示意性剖视图。图2是举例说明具有直接涂覆在半导体芯片上的磷光体材料的凹陷杯中的发光二极管半导体芯片的一个实施例的示意性剖视图。图3是举例说明凹陷杯中的发光二极管半导体芯片的一个实施例的示意性剖视图，其中，与填充杯并覆盖半导体芯片的红外辐射透明材料混合地存在磷光体材料。图4是举例说明根据本技术的包括光学滤波器和准直透镜两者的发光二极管组件的一个实施例的示意性剖视图。图5是具有660 nm LED芯片泵的基于钕(Nd)的磷光体的发射谱的图形说明。图6是具有660 nm LED芯片泵的基于镱(Yb)的磷光体的发射谱的图形说明。图7是具有660 nm LED芯片泵的基于铒(Er)的磷光体的发射谱的图形说明。
具体实施例方式本技术的红外发光LED产生比常规红外发光LED强得多的光,与可见光的强度和亮度能力不相上下。本文公开的LED在光源上采用红外辐射发射磷光体材料。磷光体材料吸收由光源产生的辐射并在其后响应于吸收的光发射下转换的斯托克斯辐射。本文所使用的“斯托克斯辐射”被定义为具有比光子被激励或产生所来自的辐射低的能量(较长波长)的辐射(即光子)，这意味着发生能量下转换。因此，将“斯托克斯辐射发射器件”定义为被制造为发射斯托克斯辐射的器件。参考图I和2，斯托克斯辐射发射LED组件100可以包括光源102和在光源102上的能量下转换磷光体材料104。光源102发射具有在从电磁波谱的紫外线至近红外区范围内的一个或多个波长的光作为光能。由光源102发射的光能在本文中也称为初级光、初级光能或初级辐射。本文所使用的“磷光体”被定义为在被某个波长的初级光激励时发射次级光作为光能的材料，其中，初级光能源自于所述光源102。由磷光体104发射的光能在本文中也称为次级光、次级光能或次级辐射。磷光体材料104可以包括至少一个红外辐射发射磷光体，其从所述光源102吸收光能并响应于所述吸收的光能发射红外辐射。为了产生红外斯托克斯辐射，光源102产生并发射与红外辐射相比具有更短波长和更大能量的光(辐射)。因此，光源102能够以在从电磁波谱的紫外线区至电磁波谱的近红外区范围内的一个或多个波长的光，其涵盖可见光。更优选地，光源102能够以在从约350 nm至约980 nm的波长范围内的一个或多个波长发射光。更优选地，所述光源102可以包括以从约350nm至约980nm的波长发射光的一个或多个发光二极管。如图I 3所示，光源102可以包括在本领域中也称为LED管芯的LED半导体芯片，并且优选地可以包括一个或多个紫外发光LED至近红外发光LED。适当的LED管芯/芯片是市售的，诸如来自德克萨斯州Plano的Clairex Technologies公司。当涂覆有磷光体时，在本领域中也将此类LED光源称为“泵”或“泵LED”，其中，LED发射“泵浦光”。当存在 多个发光二极管时，其可以全部是相同的，或者其可以由不同的LED半导体芯片材料构成。适当的LED半导体芯片材料非排他性地包括当被电能激励或激活时发射在电磁波谱的紫外线至近红外区内的辐射的任何材料。优选地，所述光源/发光二极管半导体芯片102可以包括一个或多个发光二极管，其包括由砷化镓、铝镓砷、氮化镓、铟镓砷、铟镓氮、铝镓氮、铝镓磷、镓砷磷、磷化镓、铝镓铟氮或其中的两个或更多个(包括其组合)形成的半导体。更优选地，光源/LED半导体芯片102可以包括一个或多个发光二极管，其包括由铟镓砷(InGaAs)形成的半导体。如在本领域中众所周知的，LED芯片一般在基底衬底(图中未示出)上外延地形成，其非排他性地示例是由诸如蓝宝石、硅或碳化硅的材料形成的衬
。通常，可以在没有限制的情况下将涂有磷光体104的LED半导体芯片102安装在任何常规发光二极管组件中。图I举例说明在本文中有用的示例性发光二极管组件。如图I所示，斯托克斯辐射发射发光二极管组件100可以包括内引线110和安装引线108，安装引线108优选地包括凹陷杯106。可以将光源/LED半导体芯片102安装在安装引线108的凹陷杯106中。在本领域中也称为酒窝杯或酒窝圆锥体且在美国专利No. 5，865，529中公开的此类凹陷外壳结构在本领域中一般是已知的。虽然此类酒窝结构不是强制性的，但在减少从磷光体材料104发射的红外辐射的角发散方面可能是有效的，并且当由金属或另一适当热沉材料制成时还能够充当有效热沉。如图I进一步所示，至少一个电极112被电连接到引线108及110与光源/LED半导体芯片102两者，将引线108和110结合到光源/芯片102。如在本领域中一般已知的，所述电极可以由金线、也称为金结合线形成。此类LED组件还可以包括连接到LED的电路(未示出)、经由电缆耦合到电路和LED以向电路供应电流的电源以及被耦合到电源以产生连续的DC电压供应的功率调节器。可以将功率调节器耦合到功率电阻器的输入端，并且可以将功率电阻器的输出端耦合到LED，所有的这些在本领域中都是惯用的。在本领域中还可以将其中将涂覆磷光体104的LED 102安装在凹陷外壳结构106中的此类结构称为“LED封装”。如前所述，可以用磷光体材料104涂覆LED半导体芯片，磷光体材料104吸收由芯片发射的光并响应于所述吸收的光发射红外辐射，其中，磷光体材料104包括在本领域中称为“磷光体”的一个或多个物质。优选地，磷光体材料104以约800 nm或以上的波长发射红外辐射。最优选地，磷光体材料可以包括以约800 nm或以上的波长发射红外辐射的颗粒物质或颗粒物质的组合。磷光体104可以替换地包括在本领域中称为主晶格的晶体结构，可以将该主晶格与发光掺杂剂组合。此类主晶格结构和主晶格掺杂剂组合在本领域中是一般已知的且在下文更详细地进行描述。本文所使用的“掺杂剂”是吸收源自于光源的初级光能并响应于所述初级光能发射次级波长的次级光的物质。当与主晶格组合地使用时，掺杂剂通常是主晶格晶体中的元素代替品，充当用于另一元素的代替品。被替换的元素取决于主晶格的组成。掺杂剂元素一般地具有相同的电荷，并且与其正在替换的元素相比一般地处于小的水平。例如，在由Nd Cr YGG组成的主晶格掺杂剂组合中，钕(Nd)和铬(Cr)是掺杂剂且YGG是主晶格材料，并且在主晶格材料中Nd和Cr取代钇。包括磷光体材料的物质可以包括一个或多个敏化剂、一个或多个掺杂剂或一个或多个敏化剂和一个或多个掺杂剂两者。本文所使用的“敏化剂”包括将充当用于供应掺杂剂离子的掺杂剂的元素，其中，敏化剂物质能够从光源吸收光能，并且还能够将所述光能非 辐射地传递至发光掺杂剂。在主晶格中，可以将敏化剂作为掺杂剂离子结合到磷光体主晶格中。有用的敏化剂非排他性地包括铬(Cr)和铁(Fe)以及诸如铈、铥和铒的其它材料。其中，当与诸如钐、钦和铥的其它发射离子相关联时，铈、铥和铒作为敏化剂是最有用的。敏化剂也可以能够发射光，在这种情况下，单独掺杂剂是可选的。此类敏化剂的示例是铬。因此，掺杂剂将从光源、敏化剂或光源和敏化剂两者吸收光能，并且然后响应于所述吸收的光能发射辐射。敏化剂的使用不是强制性的。然而，LED光发射一般地在光谱上比没有敏化剂的磷光体的吸收带宽得多。磷光体通常具有窄吸收带且因此源LED光的一部分可能通过磷光体，即磷光体可能未能吸收LED发射的一部分，或者由磷光体进行的LED发射的吸收可能被部分地减少，虽然LED发射一般地仍被磷光体颗粒高度地散射。当LED发射光的至少部分未被吸收时，其对能量传递没有贡献，并且效率降低。用于减少此能量损失的一个手段是添加更多的磷光体以增加吸收的量。然而，这可能增加散射损失及其它负面效果，使得总效率较低。替换地，可以使用敏化剂来避免此问题。敏化剂本质上是将吸收LED能量但是仍将能量非辐射地传递至磷光体的发射掺杂剂(诸如稀土元素)的第二掺杂剂。在许多情况下，此类非辐射传递具有非常高的量子效率，导致改善的LED性能。更高的量子效率导致更大的斯托克斯辐射转换效率和能量损失的减少。如果期望使斯托克斯辐射发射器件的输出和效率最大化，则本领域的技术人员能够针对任何特定的应用确定最佳的磷光体量、敏化剂掺杂剂水平、颗粒大小、活性离子掺杂剂水平和激励材料的特定的LED。在某些优选示例中，磷光体作为主晶格与掺杂剂的组合或混合物存在。主晶格可以是本领域中众所周知的任何晶体结构。主晶格-掺杂剂混合物的最优化能够为IR LED封装提供最大转换效率。适当的宿主材料非排他性地包括一个或多个石榴石、一个或多个铁石榴石、一个或多个硫氧化物、一个或多个氟化物和氟铝钙锂石(colquiriite)，其中的每一个显示出晶体结构。优选主晶格材料的示例包括钇镓石榴石(YGG)和钇铝石榴石(YAG)。这些是分别具有Y3Ga5O12 (YGG)和Y3Al5O12 (YAG)的化学组成的基本晶体结构。在主晶格-掺杂剂组合中，磷光体一般地以小百分比用另一元素取代主晶格中的一个元素，所述另一元素具有光学发射性质。服务于此目的的磷光体可以包括单个掺杂剂，或者可以包括多个掺杂剂，并且掺杂剂中的一个可能充当敏化剂。当存在时，敏化剂离子是用于磷光体的初级吸收剂，但是不是主发射体。敏化剂吸收的能量通过非辐射传递被传递至主活性发射体离子(主掺杂剂)。发射离子通过该传递被激励至激发态，其能够随着其能量下降至基态而发射光。重复上文的示例，在由Nd Cr :YGG组成的主晶格-掺杂剂组合中，将Nd视为活化剂离子(光学活性的初级发射掺杂剂)，Cr是敏化剂(初级吸收剂和能量转移剂)且YGG是主晶格材料。在主晶格材料中两个掺杂剂Nd和Cr取代钇。通常，以相对低的浓度结合Nd，一般为按重量计约1%，并且通常以较高的浓度结合Cr，一般为组合主晶格-掺杂剂材料的按重量计约2%至约20%。(多种)掺杂剂的浓度将根据主晶格材料和所使用的特定掺杂剂离子而在很大程度上改变。这一般是因为许多活化剂(即初级发射掺杂剂)显示出非线性性质，诸如浓度猝灭，并且离子常常相互作用，导致诸如降低的量子效率和减少的衰变寿命的潜在问题。此夕卜，虽然添加更多的吸收剂(即敏化剂)增加材料的吸收能力，但其可能导致相同的问题。另夕卜，所有元素由于质子、中子和电子的数目而具有不同的尺寸，因此到晶格的“嵌入”将是对于所使用的每个元素而言稍有不同。用元素取代来改变各种尺寸具有各种效果，诸如略微移动活化剂离子发射波长或吸收波长，因为谐振条件已改变。因此，需要针对特定的应用根据期望来平衡此类优点和缺点。 优选磷光体材料非排他性地包括一个或多个稀土元素掺杂石榴石、一个或多个稀土元素掺杂铁榴石、一个或多个稀土元素掺杂硫氧化物、一个或多个稀土元素掺杂氟化物、一个或多个稀土元素掺杂氟铝钙锂石、包括混合石榴石的其它稀土掺杂石榴石以及其中的不止一个，包括其组合和混合物，其中，可以用一个或多个稀土元素来掺杂所述磷光体中的每一个或者其可以包括一个或多个稀土元素。更特别地，优选磷光体材料非排他性地包括用充当光子发射离子的一个或多个稀土元素掺杂的至少一个石榴石宿主磷光体、用作为敏化剂或作为发射体的铬和可选地一个或多个光子发射稀土兀素掺杂的至少一个石槽石宿主磷光体、用作为敏化剂或作为发射体的铁和可选地一个或多个光子发射稀土元素掺杂的至少一个石榴石宿主磷光体、钇镓石榴石、钇铝石榴石或其中的不止一个，包括其组合和混合物。活性稀土元素包括铺(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、衫(Sm)、铕(Eu)、礼(Gd)、铺(Tb)、镝(Dy)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)和镱(Yb)。其中，优选磷光体包括石榴石宿主且基于包括稀土元素钕、钦、铒和/或镱的掺杂剂。在以下示例I 3中举例说明了三个优选IRLED，并且在图5 7中以图形方式举例说明了其发射光谱。在包括宿主和晶格掺杂剂的所述混合物中，根据主晶格材料和敏化剂组成来采用不同水平的掺杂剂。不存在进行此判定的固定公式，但是所述混合物将通常具有混合物的按重量计从约0. 1%到约50%的掺杂剂含量。掺杂剂浓度范围一般地将取决于所采用的掺杂剂和/或敏化剂的类型，并且此范围并不意图是限制性的。例如，在主晶格混合物中，铬敏化剂通常将包括主晶格混合物的按重量计约1%至约30%，钕掺杂剂通常将包括主晶格混合物的按重量计约0. 1%至约2%，饵掺杂剂通常将包括主晶格混合物的按重量计约0. 1%至约50%，铥掺杂剂通常将包括主晶格混合物的按重量计约0. 1%至约8%，钦掺杂剂通常将包括主晶格混合物的按重量计约0. 1%至约10%，镱掺杂剂通常将包括主晶格混合物的按重量计约0. 1%至约30%，并且镨掺杂剂通常将包括主晶格混合物的按重量计约0. 1%至约10%。当存在敏化剂和单独的发射掺杂剂(主掺杂剂)两者时，敏化剂与发射掺杂剂的比也可以在很大程度上改变。当存在敏化剂时，其通常以比发射掺杂剂更大的浓度存在。在其中掺杂剂包括敏化剂和发射掺杂剂两者的主晶格-掺杂剂组合中，敏化剂通常以主晶格-掺杂剂组合的按重量计约1%至约25%的量存在，并且发射掺杂剂((多种)发射掺杂剂离子)通常以主晶格-掺杂剂组合的按重量计约0. 1%至约10%的量存在。然而，这些比例可以根据所采用的特定主晶格材料而在很大程度上改变且这些范围并不意图是限制性的。在某些示例中，磷光体材料最优选地包括具有吸收LED发射的铬或铁敏化剂的石榴石宿主，并且还包括一个或多个稀土元素掺杂剂。LED的谱位置最优选地与敏化剂的宽吸收一致。敏化剂将非辐射地将能量从稀土元素掺杂剂传递至稀土离子，其随后以其特征波长发射光能。大多数稀土离子与可用LED的谱宽度相比显示出非常窄的谱吸收线。在光谱方面非常宽的吸收剂敏化剂的使用然后可以捕捉更多的LED发射并高效地以比离子在具有相同LED发射的情况下其单独地能够产生的更高的效率将其传递至发射离子。优选地以作为细粉末的粉末形式来供应磷光体材料104，其中粉末颗粒优选地被粘合剂材料保持在一起。磷光体颗粒优选地具有微米尺度的直径，优选颗粒直径范围约具有在约0. I ii m至约50 V- m、更优选地从约0. I y m至约10 y m且最优选地从约0. I y m至约 5 y m的范围内的颗粒尺寸。需要将足够量的磷光体放置在LED芯片上以进行LED发射的有效吸收(>90%)。磷光体然后将处于LED波长的发射(即初级光)转换成稀土离子的特征波长，即次级光。通常在施加于光源/LED半导体芯片102之前将磷光体材料104与粘合剂组合。如图2所示，可以将磷光体材料104作为一层或表面涂层直接施加于光源/LED半导体芯片102上，其中，优选地在施加于光源/LED半导体芯片102上之前将磷光体材料104与粘合剂混合。适当的粘合剂非排他性地包括硅树脂、丙烯酸、环氧树脂、聚酰亚胺以及将由本领域的技术人员来确定的其它热塑性材料。通常，将一个或多个磷光体粉末或磷光体粉末的混合物与未固化粘合剂混合以形成未固化浆料，该浆料随后被沉积到光源/LED半导体芯片102上并随后固化。用于施加磷光体的技术在本领域中是惯用的且包括例如常规喷涂、常规溅射等化学方法，诸如溶胶-凝胶技术以及更尖端的方法，诸如射频(RF)溅射。固化技术也是众所周知的。在优选实施例中，粘合剂包括室温硫化(RTV)硅树脂。仅需要少量的磷光体来实现稀土离子的发射。光源/LED半导体芯片102上的磷光体层的要求厚度取决于磷光体中的掺杂水平，因为其确定磷光体的吸收水平。通常，光源/LED半导体芯片102上的磷光体层具有从约50 ii m至约150 u m、更优选地约从50 y m至约100 u m且最优选地从约75 ii m至约100 u m的优选厚度。另外，该涂层优选地在光源/LED半导体芯片102的所有表面上是基本上均匀的。在图3中举例说明并在下文更详细地描述的替换实施例中，可以将磷光体颗粒与IR透明涂层材料114混合。除上述粘合剂之外，可以采用IR透明涂层材料114，或者其本身可以充当粘合剂。当将磷光体104和IR透明涂层材料114混合以形成混合物时，使用该混合物来将光源/LED半导体芯片102密封在凹陷杯102中。替换地，可以首先用磷光体材料104涂覆光源/LED半导体芯片102，后面是用材料114进行的对有涂层光源的封装。如图2和3所示，填充安装引线108的凹陷杯106并基本上完全覆盖LED半导体芯片的是封装LED半导体芯片102的上述红外辐射透明涂层材料114。IR透明涂层材料114还可以基本上完全地覆盖或部分地覆盖每个电极112，如在本领域中惯用的。本文所使用的“基本上完全覆盖”意指IR透明涂层材料114覆盖整个芯片102以保护芯片免受机械损坏、湿气和大气暴露，并且还可以用于相对于被暴露于空气的芯片增加从芯片的光提取效率。适当的IR透明涂层材料在本领域中是众所周知的且包括诸如环氧树脂、硅和玻璃的材料。一般地，可以使用能够在不撕掉金结合连接(电极112)的情况下沉积的IR透明聚合物。如前所述且如图2所示，可以在光源/LED半导体芯片102上的一层磷光体材料104的顶部上施加IR透明涂层材料114。替换地，如前所述且如图3所示，IR透明涂层材料114可以可选地充当用于磷光体材料104的粘合剂，其中，将IR透明涂层材料114与磷光体材料104预先混合并随后施加在光源/LED半导体芯片102的顶部上。在每个实施例中，磷光体颗粒一般地被随机地定向并散布于遍布固化粘合材料。在图3所示的实施例中，磷光体104散布于遍布IR透明涂层材料，并且优选地均质地混合在其中。在另一实施例中，可以用不包含磷光体材料的IR透明涂层材料114部分地填充凹陷杯，并且还用上述磷光体104/IR透明涂层114混合物来部分地填充。在某些示例中，将磷光体材料104与粘合剂混合并如图2所示作为直接涂层/层沉积在光源/LED芯片102上。可以优选地节约地使用磷光体-粘合剂混合物中的粘合剂，因此利用仅足以将材料保持在一起并使其被适当地混合。例如，如果存在，粘合剂可以包括磷光体-粘合剂混合 物的按重量计至少约0. 1%，或者可以包括磷光体-粘合剂混合物的按重量计小于约10%。如前所述，在发光二极管组件中，优选地将有磷光体涂覆的发光二极管管芯安装在凹陷的外壳结构中，该外壳结构帮助减少产生的斯托克斯辐射的角发散。为了实现所述角减少，凹陷杯106的几何结构应具有使从凹坑(或酒窝)中的二极管进行的光提取最大化的形状。优选地，如图所示，凹陷杯106优选地具有由具有向内倾斜的侧壁和扁平、圆形或矩形底板的圆锥形状限定的截头圆锥形状。更优选地，侧壁相对于底板以从约45度至约60度的角定向，但是其可以改变。此类凹陷外壳结构在本领域中一般是已知的，并且在本领域中也称为酒窝杯或酒窝圆锥。作为替换，凹陷杯106可以具有弯曲侧壁，诸如在美国专利号6，494，597和6，495，860中公开的，其公开被通过引用结合到本文中。用于形成凹陷杯106的技术按照惯例是已知的，并且所述凹陷杯106优选地由金属或允许对由所述光源/LED半导体芯片102和/或所述磷光体材料104产生的热量的高效去除的另一适当热沉材料制成。另外，为了进一步改善光发射效率，凹陷杯106优选地由能够反射LED发射和磷光体发射波长(能够反射紫外线至红外辐射)的反射金属制成，或者替换地涂覆有或镀有此类反射材料，诸如银、金、铑或其它高效率金属反射材料，以向凹陷杯106提供反射表面。如在图4中看到的，在由光源/LED半导体芯片102发射的初级光的一部分在不接触磷光体颗粒的情况下通过IR透明涂层材料114的情况下，斯托克斯辐射发射二极管组件优选地结合了邻近于光源/LED半导体芯片102和磷光体材料104两者定位的光学滤波器118。光学滤波器118对红外辐射是透明的，但能够阻挡从光源/LED半导体芯片102发射的光的传输。此类光学滤波器118在本领域中是众所周知的。如图4进一步所示，斯托克斯辐射发射发光二极管组件还优选地结合了邻近于光源/LED半导体芯片102定位的光准直透镜120，其能够进一步减少从所述磷光体材料104发射的红外辐射的角发散。准直透镜在本领域中也是众所周知的。准直透镜120可以是如在美国专利号5，865，529中描述的凹面圆锥形状的透镜。可以在讲授了用于LED灯的准直透镜的美国专利号7，370，994中找到另一有用示例。在一个示例中，斯托克斯辐射发射二极管组件可以包括邻近于光源/LED半导体芯片102两者定位的光学滤波器181和能够减少从所述磷光体材料发射的红外辐射的角发散的邻近于光源/LED半导体芯片102定位的准直透镜120两者。在通过引用结合到本文中的本公开的美国专利号7，286，296中公开了包括光学滤波器和准直透镜两者的有用构造的示例。如图I和4所示，优选地用封装材料116来封装LED半导体芯片102、电极112以及引线108和110的顶部，所述封装材料116诸如环氧树脂、硅树脂或对于红外辐射发射波长而言透明的一般地任何其它聚合物。封装材料116还优选地封装可选光学滤波器118和可选准直透镜120 (当其存在时)。封装材料116可以包括与封装LED半导体芯片102的红外辐射透明涂层材料114相同的材料且可选地与之等效，或者其可以是独立的且不同于材料114。优选地，材料114和116是同一个。使用常规成型技术，可以将封装材料116制成为多种形状，允许对来自磷光体材料104的辐射发射的方向的定制控制。例如，可以将封装材料116制造为半球形状，如在图I中看到的，允许大光发射角度下的光的发射。此类构造在本领域中是常见的，并且在本领域中常常称为圆顶，或者当由环氧树脂制成时称为环氧树脂圆顶。在常规LED芯片中，圆顶的高度可以在2mm至IOmm的范围内。如在图4中看到 的，还可以将封装材料116制成为具有扁平顶面。当期望减少发射的光或辐射的角发散时，扁平表面比圆顶更常见。在结合了准直透镜的实施例中，扁平封装表面是优选的。从磷光体材料104发射的红外辐射将在通过诸如空气的传输介质之前通过涂层材料114和/或封装材料116。封装材料116优选地包括具有在磷光体材料104的折射率与空气的折射率之间的折射率的材料，允许其增加磷光体材料104与空气之间的光传输效率。在本领域中还可以将其中用诸如封装材料/圆顶116、光学滤波器118和/或准直透镜120的特征来模制磷光体104涂覆的LED 102的此类结构称为“LED封装”。可以将基于磷光体的红外发光二极管用于多种应用，从电视遥控至夜视设备，诸如短波红外(SWIR)照相机。例如，可以将其用作光电传感器(诸如光电开关)中的光源，以及用于诸如视频游戏操纵杆的设备的传送元件。根据期望，器件可以仅包括一个IR-LED作为光源，或者可以使用多个IR-LED作为光源。参见例如美国专利号6，495，860，其被通过引用结合到本文中，其讲授了用于用以多个部分(其中的每个被设计为保持其自己的LED)冲孔的毛坯来制造发光二极管的过程。此过程可以用来产生IR发光二极管阵列，如对于特定应用而言可能期望的。示例
使用一般用来由具有黄色磷光体(诸如Ce YAG)的蓝色LED芯片制成白光LED的类似制造技术，通过向红色至近IR LED芯片(管芯)上施加包含稀土的磷光体来产生依照本技术的IR发光二极管的三个样本。磷光体被与清澈硅树脂粘合剂混合在一起并施加于泵浦LED芯片。LED外壳单元由金属罐组成(以获得改善的除热)，泵浦LED管芯被结合到反射阱中，并以节约的量将磷光体施加于芯片。然后使用标准技术来密封LED，所述标准技术使用用透镜化结构完成的金属罐来限制LED发散。针对磷光体的典型光发射测试所产生的每个IR-LED样本。该发射表示磷光体，因为泵浦光的量由于所使用的磷光体类型的高吸收而被大大地衰减。在每个示例中，磷光体吸收几乎所有的LED芯片输出，使IR中的LED的输出最大化。示例I 3列出被测试的磷光体的类型且在图5 7中以图形方式示出结果。
示例 I
具有660 nm LED芯片泵的基于钕(Nd)的磷光体。磷光体由钇镓石榴石的主晶格材料组成，其包括吸收660 nm LED芯片泵浦发射并随后以高量子效率将该能量传递至钕离子的铬敏化剂。在图5中以图形方式示出发射光谱。示例2
具有660 nm LED芯片泵的基于镱(Yb)的磷光体。磷光体由乾镓石槽石的主晶格材料组成，其包括吸收660 nm LED芯片泵浦发射并随后以高量子效率将该能量传递至镱离子的铬敏化剂。在图6中以图形方式示出发射光谱。示例3
具有660 nm LED芯片泵的基于铒(Er)的磷光体。磷光体由钇镓石榴石的主晶格材料组成，其包括吸收660 nm LED芯片泵浦发射并随后以高量子效率将该能量传递至铒离子的 铬敏化剂。在图7中以图形方式示出发射光谱。根据前述内容，应认识到虽然在本文中出于说明的目的描述了特定示例，但在不脱离本公开的精神或范围的情况下可以进行各种修改。因此，意图在于应将前述详细说明视为说明性而不是限制性的，并且应理解的是意图特别地指出且不同地对要求保护的主题要求保护的是以下权利要求，包括所有等价物。
权利要求
1.一种斯托克斯辐射发射器件，包括 a)光源，以及 b)光源上的能量下转换磷光体材料，该磷光体材料包括至少一个红外辐射发射磷光体，其吸收从所述光源发射的光能并响应于所述吸收的光能发射红外辐射。
2.权利要求I的斯托克斯辐射发射器件，其中，所述光源发射具有从电磁波谱的紫外线至近红外区的波长的光能。
3.权利要求I的斯托克斯辐射发射器件，其中，所述光源包括一个或多个发射紫外线至近红外光的发光二极管。
4.权利要求I的斯托克斯辐射发射器件，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管，每个包括由砷化镓、招镓砷、氮化镓、铟镓氮、招镓氮、招镓磷、镓砷磷、磷化镓、招镓铟氮或其组合形成的半导体。
5.权利要求I的斯托克斯辐射发射器件，其中，所述磷光体材料包括敏化剂、掺杂剂或敏化剂和掺杂剂两者，其中，所述敏化剂包括能够从光源吸收所述光能且能够将所述光能非辐射地传递至掺杂剂的物质，并且掺杂剂包括从光源、敏化剂或光源和敏化剂两者吸收光能并响应于所述吸收的光能发射辐射的物质。
6.权利要求I的斯托克斯辐射发射器件，其中，所述磷光体材料包括一个或多个稀土元素掺杂石槽石、一个或多个稀土元素掺杂铁槽石、用一个或多个稀土元素掺杂的一个或多个混合石榴石、一个或多个稀土元素掺杂硫氧化物、一个或多个稀土元素掺杂氟化物、一个或多个稀土元素掺杂氟铝钙锂石、用稀土发射元素掺杂的至少一个石榴石宿主磷光体、用铬和可选地一个或多个光子发射稀土元素掺杂的至少一个石榴石宿主磷光体、用铁和可选地一个或多个光子发射稀土元素掺杂的至少一个石榴石宿主磷光体、钇镓石榴石、钇铝石榴石或其组合。
7.权利要求I的斯托克斯辐射发射器件，其中，所述斯托克斯辐射发射器件是发光二极管组件，包括； a)安装引线，其包括凹陷杯和引线，其中，所述凹陷杯可选地包括能够反射紫外线至红外辐射的反射金属， b )光源，其中，所述光源包括发光二极管半导体芯片，其包括在被电能激励时发射具有在从电磁波谱的紫外线至近红外区范围内的波长的光，所述发光二极管半导体芯片被安装在安装引线的凹陷杯中并具有被电连接到安装引线的电极，以及 c)在所述发光二极管半导体芯片上的磷光体材料。
8.权利要求7的斯托克斯辐射发射二极管组件，还包括填充凹陷杯并覆盖发光二极管半导体芯片的红外辐射透明材料。
9.权利要求7的斯托克斯辐射发射二极管组件，还包括邻近于发光二极管半导体芯片和磷光体材料两者定位的光学滤波器，该光学滤波器对于红外辐射而言是透明的且能够阻挡从发光二极管半导体芯片发射的光的传输。
10.权利要求7的斯托克斯辐射发射二极管组件，还包括邻近于发光二极管半导体芯片定位的准直透镜，其能够减少从所述磷光体材料发射的红外辐射的角发散。
全文摘要
使用IR磷光体下转换技术的各种波长的光的产生，该IR磷光体下转换技术使用现有LED发射来泵送以其它波长发射的敏化剂—稀土离子。敏化剂吸收LED芯片泵浦发射并随后以高量子效率将该能量传递至随后以其特征波长发射的掺杂剂离子。
文档编号H01L33/50GK102804423SQ201080036546
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月15日 优先权日2009年6月19日
发明者W.R.帕波波特, J.凯恩, K.T.卡斯特利诺 申请人:霍尼韦尔国际公司