使用发光蓝宝石作为下转换器的led的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请设及本发明人于2013年1月16日提交并且转让给本受让人的通过引用并入本 文的美国临时申请序列号61/753, 175并且要求该美国临时申请的优先权。
技术领域
[0002] 本发明设及发光二极管（LED)的波长转换，并且具体地设及使用发光藍宝石作为 集成到L邸管巧中的波长转换材料。
【背景技术】
[0003] 磯光体转换LED(pcLED)当前使用在范围广泛的应用中，诸如用于白光LED、班巧 色LED等。磯光体转换LED包括有源初级LED光源(典型地为发射藍光的III-氮化物p-n 结）W及吸收初级光的部分并将其下转换成较低能量的次级光的无源次级光源(磯光体)。 通过磯光体层泄漏的藍光与次级光的组合可W产生范围广泛的颜色。多个磯光体可W用于 贡献不同波长。次级光源不一定是磯光体，而是可W例如为量子点层，因此我们可W更一般 地将该样的L邸描述为下转换LED(dcLED)。
[0004] 第一白色L邸包括具有绿色发射磯光体涂层（Y3AI成i2:Ce(YAG))的藍色初级光源 (InGaN/GaN结LED管巧)。YAG磯光体的Ce激活剂吸收藍色初级光的部分并且发射W绿色 为中屯、的宽发射。L邸的所得发射频谱因此是藍光和绿光的组合，其看起来是白色的。现有 技术L邸现在采用具有范围广泛的发射可能性的多个磯光体的组合。典型的暖白色L邸包 含至少一个绿色和一个红色发射磯光体。
[0005] 磯光体层可多种方式形成，诸如在透明结合剂(例如娃树脂、玻璃、环氧树脂） 中混合磯光体粉末并且将混合物沉积在藍色L邸管巧的顶部上，或者利用透明粘合剂(例 如娃树脂)将预形成的磯光体瓦片附连到L邸管巧，或者使用电泳将磯光体沉积在L邸管巧 之上。预形成的磯光体瓦片典型地通过在压力之下烧结磯光体粉末而制得。
[0006] 还已知的是将磯光体嵌入到固体透明基质（例如玻觀中W创建发光衬底，然后将 种子层沉积在衬底之上，并且然后将L邸层外延生长在种子层之上。
[0007] W上提到的pcLED的一些缺陷包括W下。
[000引盖覆藍色L邸管巧的磯光体层引发初级光的散射并且从而降低转换效率。
[0009] 用于创建磯光体混合物的透明结合剂W及用于将磯光体瓦片附连到L邸管巧的 粘合剂具有主要缺点，诸如具有比III-氮化物和磯光体低的折射率，该降低转换效率，并 且其热导率是低的，该降低L邸效力和可靠性。
[0010] 注入有磯光体的衬底由于晶格失配和不同的热膨胀系数（CTE)而是用于III-氮 化物结的外延生长的不适当的衬底。在该些衬底上生长要求种子层的沉积，其可能降低结 质量和性能并且是昂贵的。CTE失配仍旧存在。
[0011] 一旦集成到LED中，W上提到的次级光源的强度和波长就不能被调谐。该可W引 起所产生的LED内的颜色中的大扩展。不满足目标颜色准则的L邸导致较低的生产产量W 及总体LED成本的增加。
【发明内容】
[0012] 依照本发明，发光藍宝石材料被用作用于L邸初级光的仅有下转换器或者与诸如 磯光体或量子点之类的其它下转换材料结合使用。发光藍宝石可W是W粉末形式并且沉积 在L邸管巧之上，或者可W形成用于L邸外延层的生长衬底。
[0013] 发光藍宝石是纯透明的并且不散射穿过的光。用发光藍宝石部分地或总体地替换 磯光体因此可W改进L邸性能。
[0014] 藍宝石也是用于III-氮化物藍色LED的常见生长衬底材料。高度高效的p-n结 因此可W使用发光藍宝石生长衬底来生长而没有外延生长过程中的大的改变。在一个实施 例中，因为外延生长的高温度破坏藍宝石的期望发光性质，所较低温度的后续退火步 骤被用于再激活藍宝石中的发光中屯、。
[0015] 使p-n结直接生长在发光藍宝石上消除了对于常规用于将磯光体层提供在L邸管 巧的顶部之上的任何结合剂或粘合剂的需要。该可W引起LED的降低的成本、较高的转换 效率W及较高的可靠性。
[0016] 在一个实施例中，L邸是生成初级藍光的倒装巧片，并且发光藍宝石生长衬底生成 绿色次级光。未被衬底转换成绿光的藍光穿过透明衬底。
[0017] 包含发光藍宝石的LED的总体颜色可W被调谐，甚至在将发光藍宝石集成到LED 管巧中之后。该可W通过使用激光器和/或热量修改藍宝石的光学性质来完成，使得最终 的L邸满足所要求的颜色准则。
【附图说明】
[0018] 图1是示出了发光藍宝石中的各种可能的F-中屯、中的一些连同其吸收波长（Wnm 为单位）及其发射波长一起的表格。
[0019] 图2是示出了在600°C之上的退火期间发光藍宝石中的某个F-中屯、的巧光如何降 低的图。
[0020] 图3是示出了在500°C处的退火期间发光藍宝石中的某些F-中屯、的吸收巧日创建） 随时间如何增加的图。
[002U 图4是示出了在一系列波长之上的发光藍宝石中的各种F-中屯、的吸收的图，其中 针对300-700nm之间的波长放大该图。
[0022] 图5是依照本发明的第一实施例的用于形成具有发光藍宝石的dcL邸的各种步骤 的流程图。
[0023] 图6是依照本发明的第一实施例的具有L邸管巧顶部之上的发光藍宝石混合物的 涂层的倒装巧片L邸管巧的截面视图。
[0024] 图7图示了图6中的发光藍宝石的光学性质在与LED集成之后可W如何改变朗尋 LED的发射色移到目标颜色区中。
[0025] 图8是依照本发明的第二实施例的具有附在L邸管巧顶部之上的预形成的发光藍 宝石瓦片的倒装巧片L邸管巧的截面视图。
[0026] 图9是依照本发明的第二实施例的用于形成具有发光藍宝石的dcL邸的各种步骤 的流程图。
[0027]图10是依照本发明的第=实施例的具有生长在发光藍宝石生长衬底之上的其外 延层的倒装巧片L邸管巧的截面视图。
[002引图11是依照本发明的第S实施例的用于形成具有发光藍宝石的dcLED的各种步 骤的流程图。
[0029] 相同或类似的元件利用相同标号标记。
【具体实施方式】
[0030] 发光藍宝石的描述 藍宝石在本文中是指W单晶形式的氧化侣刚玉。主要化学组成是Al2〇3。藍宝石可W包含作为渗杂物和杂质的其它元素，但是仍被视为是藍宝石。藍宝石的单晶典型地使用 Czoc虹alski过程的变型来生长。
[0031] 如本文所使用的，术语发光藍宝石是指W下描述的展现出对应于至少其F2-状中 屯、的发光的藍宝石。
[0032] F-状中屯、是发光藍宝石的颜色中屯、。F-状中屯、在本文中被定义为藍宝石晶格 内部的氧的单个空位的不同化学变型。该样的氧空位典型地通过在藍宝石晶体生长或后 续的退火期间使用高度还原性气氛来创建。包含高浓度的F-状中屯、的藍宝石通常被称为 Al2〇3:C或TCR藍宝石(经热化学还原的)。
[003引F-状中屯、的最常见变型为W下： ?F中屯、是俘获两个电子的氧空位。
[0034] ?r中屯、是俘获一个电子的氧空位。
[003引.F(Mg)中屯、是存在围绕其的一个或若干Mg阳离子的F中屯、。
[0036] ?r(Mg)中屯、是存在围绕其的一个或若干Mg阳离子的r中屯、。
[0037] ?围绕F-状中屯、的Mg阳离子的存在导致吸收和发射的偏移。
[003引 W上所标识的中屯、主要由如图1的表格中所报道的其光学吸收和发光发射带标 识。图1标识发光藍宝石中的已知F-状和Fg-状中屯、的光学特征标（signature)。
[0039] 我们将F厂状中屯、定义为两个聚集的F-状中屯、的不同组合。F厂状中屯、的良好报 道的变型为W下： ?尸2中屯、是两个F中屯、的群集。
[0040] ?F2+中屯、是一个F+中屯、和一个F中屯、的群集。
[0041] -F2+(2Mg)中屯、是存在围绕其的两个Mg阳离子的一个中屯、的群集。
[00创 -F2"中屯、是两个F+中屯、的群集。
[00创 ?Fs'+OMg)中屯、是存在围绕其的两个Mg阳离子的一个F2+中屯、的群集。
[0044] 一些F2-状中屯、在可见频谱(包括绿色）中发光(发射)，因此与本发明最相关。
[0045] 氧空位关于彼此的定位由图1中示出的光学吸收带的各向异性标识。围绕F2-状 中屯、的Mg阳离子的存在导致吸收和发射的偏移。此外，各种F2-状中屯、的不同组合可W存 在于藍宝石中并且将创建藍宝石的略微不同的光学特征。
[0046] 藍宝石的热处理被用于创建发光藍宝石。该热处理被称为藍宝石激活。该处理创 建F-状中屯、的聚集W形成F2-状中屯、，W因此创建在本发明中使用的发光藍宝石。
[0047] 光学处理被用于调谐发光藍宝石的发射。该被称为藍宝石调整（conditioning)。 该处理修改不同F2-状中屯、的浓度。