專利名稱：用于發(fā)光器件的發(fā)光陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是已知可以發(fā)光的固體器件，其在特定的光譜區(qū)域具有一個(gè)峰值波長(zhǎng)。LED典型地用作照明設(shè)備、指示器和顯示器。傳統(tǒng)上，最有效率的LED發(fā)出在光譜區(qū)域的紅光區(qū)具有一個(gè)峰值波長(zhǎng)的光，例如，紅光。然而，III族氮化物L(fēng)ED已經(jīng)發(fā)展到能有效地發(fā)出具有一個(gè)在光譜的UV到綠色的區(qū)域的峰值波長(zhǎng)的光。III族氮化物L(fēng)ED可以提供比傳統(tǒng)LED更亮的輸出光。
此外，由于III族氮化物器件發(fā)出的光通常具有比紅光短的波長(zhǎng)，因此III族氮化物L(fēng)ED產(chǎn)生的光可以很容易地用來(lái)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。采用已知的發(fā)光/熒光工藝將具有第一峰值波長(zhǎng)的光(初級(jí)光)轉(zhuǎn)換為具有較長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)的光(二級(jí)光)，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講是公知的。熒光工藝包括通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料例如磷光體吸收初級(jí)光，激發(fā)磷光體材料的發(fā)光中心，從而發(fā)出二級(jí)光。二級(jí)光的峰值波長(zhǎng)取決于磷光體材料?？梢赃x擇磷光體材料的類型以產(chǎn)出具有具體峰值波長(zhǎng)的二級(jí)光。
參考圖1，一種現(xiàn)有技術(shù)的磷光體LED10在US6351069中示出。該LED10包括當(dāng)被激活時(shí)發(fā)出藍(lán)色初級(jí)光的III族氮化物管芯12。該III族氮化物管芯12定位在反射器杯引線框架14上，并且電連接到引線16和18。引線16和18將功率傳導(dǎo)到III族氮化物管芯12。III族氮化物管芯12被層20覆蓋，通常是包括波長(zhǎng)變換材料22的透明樹脂。用于構(gòu)成層20的波長(zhǎng)變換材料的類型可以變化，這取決于通過(guò)熒光材料22產(chǎn)生二級(jí)光的期望光譜分布。III族氮化物管芯12和熒光層20被透鏡24包封。該透鏡24典型地由透明環(huán)氧樹脂或硅樹脂構(gòu)成。
在操作中，功率被供應(yīng)到III族氮化物管芯12以激活該管芯。在激活時(shí)，管芯12從管芯頂表面發(fā)出初級(jí)光。發(fā)出的初級(jí)光的一部分被層20中的波長(zhǎng)變換材料22吸收。然后波長(zhǎng)變換材料22響應(yīng)初級(jí)光的吸收發(fā)出二級(jí)光，即，具有較長(zhǎng)的峰值波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換后的光。發(fā)出的初級(jí)光中未被吸收的剩余部分與二級(jí)光一起穿過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層。透鏡24將未被吸收的初級(jí)光和二級(jí)光引導(dǎo)到如箭頭26所示的共同的方向，作為輸出光。因而，輸出光是由管芯12發(fā)出的初級(jí)光與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層20發(fā)出的二級(jí)光構(gòu)成的復(fù)合光。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料可以設(shè)置成很少或幾乎沒有初級(jí)光從器件中逃逸，如發(fā)出UV初級(jí)光的管芯與一種或更多的發(fā)出可見二級(jí)光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料結(jié)合的例子。
由于III族氮化物L(fēng)ED工作在較高功率和較高溫度中，用在層20中的有機(jī)密封劑的透明度會(huì)趨向劣化，不利地降低了器件的光提取效率并潛在地不利地改變從器件發(fā)出的光的外觀。幾個(gè)備選的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料配置被提了出來(lái)，例如，如在US6630691中描述的在單晶體發(fā)光襯底上生長(zhǎng)LED器件，如在US6696703中描述的薄膜磷光體層，如在US6576488中描述的通過(guò)電泳沉積而沉積共形層，或者如US6650044中描述的模板印制(stenciling)。然而，現(xiàn)有解決方案中有一個(gè)主要的缺陷是磷光體/密封劑系統(tǒng)的光學(xué)不均勻性，其導(dǎo)致了散射，潛在地導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的損失。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，半導(dǎo)體發(fā)光器件包括，沉積在n型區(qū)和p型區(qū)之間的發(fā)光層與沉積在發(fā)光層發(fā)出的光的路徑上的陶瓷層結(jié)合。該陶瓷層包括一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料例如磷光體。根據(jù)發(fā)明具體實(shí)施方式
的發(fā)光陶瓷層比現(xiàn)有的磷光體層對(duì)溫度具有更強(qiáng)的魯棒性或更弱的敏感性。另外，發(fā)光陶瓷顯示較少的散射，因此和現(xiàn)有技術(shù)的磷光體層相比提高了轉(zhuǎn)換效率。


圖1展示了現(xiàn)有技術(shù)的磷光體轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
圖2展示了包括陶瓷磷光體層的倒裝芯片半導(dǎo)體發(fā)光器件。
圖3顯示了包括結(jié)合的主襯底和陶瓷磷光體層的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
圖4顯示了在陶瓷磷光體層的摻雜曲線的一個(gè)實(shí)施例。
圖5顯示了包括多個(gè)陶瓷磷光體層的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
圖6顯示了包括成形的陶瓷磷光體層的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
圖7顯示了包括器件中陶瓷磷光體層比外延層寬的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
圖8顯示了包括陶瓷磷光體層和散熱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
具體實(shí)施例方式
由于磷光體層易碎，因此上述具有薄膜或共形磷光體層的器件很難處理。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料例如磷光體形成在陶瓷片中，這里稱為“發(fā)光陶瓷”。通常地，陶瓷片是與半導(dǎo)體器件分離形成的自支撐層，然后貼附到完成后的半導(dǎo)體器件或用作半導(dǎo)體器件的生長(zhǎng)襯底。陶瓷層可以是半透明或透明的，其可以降低與不透明的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層例如共形層相關(guān)聯(lián)的散射損失。發(fā)光陶瓷層比薄膜或共形磷光體層更結(jié)實(shí)。另外，由于發(fā)光陶瓷層是固體，因此它比較容易與附加的光學(xué)器件例如也是固體的透鏡和二級(jí)光學(xué)器件形成光接觸。
構(gòu)成在發(fā)光陶瓷層中的磷光體的實(shí)例包括鋁石榴石磷光體，其通常的分子式是(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z≤0.1，0＜a≤0.2以及0＜b≤0.1，例如Lu3Al5O12:Ce3+和Y3Al5O12:Ce3+發(fā)出在黃綠色范圍的光，和(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz2+，其中0≤a＜5，0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1，例如Sr2Si5N8:Eu2+發(fā)出的光在紅色范圍。適當(dāng)?shù)腨3Al5O12:Ce3+陶瓷片可以從夏洛特市的Baikowski International Corporation，NC購(gòu)買到。其它的發(fā)綠、黃和紅光的磷光體也適用，包括(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua2+(a＝0.002-0.2，b＝0.0-0.25，c＝0.0-0.25，x＝1.5-2.5，y＝1.5-2.5，z＝1.5-2.5)，包括，例如SrSi2N2O2:Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+，包括，例如SrGa2S4:Eu2+；Sr1-xBaxSiO4:Eu2+；和(Ca1-xSrx)S:Eu2+；其中0＜x≤1，包括，例如CaS:Eu2+和SrS:Eu2+。
可以通過(guò)在高壓下加熱磷光體粉末直到磷光體顆粒的表面開始軟化和熔化來(lái)形成發(fā)光陶瓷。部分熔化的顆粒粘接在一起形成堅(jiān)硬的顆粒凝聚團(tuán)。不同于光學(xué)上用作沒有光學(xué)間斷的單一、大磷光體顆粒的薄膜，發(fā)光陶瓷用作緊密包裝的獨(dú)立磷光體顆粒，以致于在不同的磷光體顆粒之間的界面處具有微小的光學(xué)間斷。因此，發(fā)光陶瓷基本上在光學(xué)上是均勻質(zhì)的，并且具有與形成發(fā)光陶瓷的磷光體材料相同的折射系數(shù)。不同于共形的磷光體層或沉積在透明材料如樹脂中的磷光體層，發(fā)光陶瓷通常不需要除了磷光體本身之外的粘接材料(例如有機(jī)的樹脂或環(huán)氧樹脂)，以致于在各個(gè)磷光體顆粒之間存在微小空間和不同折射系數(shù)的材料。結(jié)果，發(fā)光陶瓷是透明或半透明的，不同于共形的磷光體層。
發(fā)光陶瓷層可以通過(guò)，例如，晶片鍵合，燒結(jié)，用已知的有機(jī)粘接劑例如環(huán)氧樹脂或硅樹脂薄層粘結(jié)，用高指數(shù)的無(wú)機(jī)粘接劑粘結(jié)，用溶膠凝膠玻璃粘接來(lái)貼附到發(fā)光器件。
高指數(shù)粘接劑的實(shí)例包括高指數(shù)光學(xué)玻璃，例如Schott玻璃SF59，Schott玻璃LaSF3，Schott玻璃LaSF N18，以及其混合物。這些玻璃可以從Duryea Pa的Schott Glass Technologies Incorporated獲得。其他高指數(shù)粘接劑的實(shí)例包括高指數(shù)的硫?qū)俨Ａ?，例?Ge，Sb，Ga)(S，Se)硫?qū)俨ＡВǖ幌抻贕aP，InGaP，GaAs，和GaN的III-V族半導(dǎo)體，包括但不限于ZnS，ZnSe，ZnTe，CdS，CdSe，和CdTe的II-VI半導(dǎo)體，包括但不限于Si和Ge的IV族半導(dǎo)體和化合物，有機(jī)半導(dǎo)體，和包括但不限于氧化鎢、氧化鈦、氧化鎳，氧化鋅、氧化銦錫以及氧化鉻的金屬氧化物，包括但不限于氟化鎂、氟化鈣的金屬氟化物，包括但不限于Zn、In、Mg以及Sn的金屬、釔鋁石榴石(YAG)、磷系化合物、砷系化合物、銻系化合物、氮系化合物、高指數(shù)有機(jī)化合物以及它們的混合物或合金。在2000年9月12日申請(qǐng)的、申請(qǐng)?zhí)枮?9/660,317，和2001年6月12日申請(qǐng)的、申請(qǐng)?zhí)枮?9/880,204中詳細(xì)描述了用高指數(shù)無(wú)機(jī)粘接劑粘接，以上兩篇申請(qǐng)?jiān)诖艘胱鳛閰⒖肌?br> 用溶膠凝膠玻璃粘接在US6642618中更詳細(xì)地描述，這里將其引入作為參考。在用溶膠凝膠玻璃將發(fā)光陶瓷貼附到器件上的實(shí)施例中，為了使玻璃的系數(shù)與發(fā)光陶瓷和發(fā)光器件的系數(shù)能更接近地匹配，一種或多種材料例如鈦、鈰、鉛、鎵、鉍、鎘、鋅、鋇或鋁的氧化物可以包含在SiO2溶膠凝膠玻璃中以提高玻璃的折射系數(shù)。例如，Y3Al5O12:Ce3+陶瓷層具有在大約1.75和1.8之間的折射系數(shù)，并被貼附到半導(dǎo)體發(fā)光器件的藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底，其中藍(lán)寶石襯底具有大約為1.8的折射系數(shù)。希望使粘接劑的折射系數(shù)與Y3Al5O12:Ce3+陶瓷層和藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底的折射系數(shù)匹配。
在一些實(shí)施例中，發(fā)光陶瓷作為半導(dǎo)體發(fā)光器件的生長(zhǎng)襯底。這一點(diǎn)在使用III族氮化物發(fā)光層例如InGaN時(shí)尤其合理，其可以生長(zhǎng)在晶格失配的襯底(例如，藍(lán)寶石或SiC)上，導(dǎo)致高位錯(cuò)密度，但依然在LED中顯示出高的外量子效率。因此，半導(dǎo)體發(fā)光器件可以以同樣的方式生長(zhǎng)在發(fā)光陶瓷上。例如使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延或者其他外延技術(shù)，典型地在低溫條件(～550℃)將III族氮化物晶核層直接地沉積在發(fā)光陶瓷襯底上。然后，典型地在高溫條件下，將較厚的GaN層(緩沖層)沉積在III族氮化物晶核層上并且結(jié)合到單晶膜中。增加緩沖層的厚度可以降低總的位錯(cuò)密度，并且提高該層的質(zhì)量。最后，沉積n型和p型層，在它們之間包含了一個(gè)發(fā)光III族氮化物有源層。能經(jīng)受住III族氮化物生長(zhǎng)環(huán)境(例如高于1000℃的溫度和NH3的環(huán)境)的能力決定了可選擇發(fā)光陶瓷作為生長(zhǎng)襯底。因?yàn)樘沾墒嵌嗑w，并且所得的III族氮化物層是單晶，所以可以應(yīng)用特別的額外生長(zhǎng)因素。例如，對(duì)于上述情況，有必要在GaN緩沖層內(nèi)插入多個(gè)低溫中間層，從而“重構(gòu)”GaN的生長(zhǎng)，并且避免陶瓷晶向的影響傳播到III族氮化物器件層。這些以及其它技術(shù)都是在晶格失配的襯底上生長(zhǎng)的領(lǐng)域中的已知技術(shù)。適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)技術(shù)在，例如Goetz等人的美國(guó)專利US6630692中有描述，被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并在此引入作為參考。
雖然以下的實(shí)施例是參照III族氮化物發(fā)光二極管，可以理解的是，本發(fā)明的實(shí)施例可以延伸到其它發(fā)光器件，包括其它材料系統(tǒng)例如III-磷化物和III-砷化物的器件，以及其他結(jié)構(gòu)例如共振腔LED，激光二極管，以及垂直腔表面發(fā)光激光器。
圖2和3展示了包括發(fā)光陶瓷層的III-氮化物器件。在圖2所示的器件中，一n型區(qū)42生長(zhǎng)在合適的生長(zhǎng)襯底40上，緊接著是有源區(qū)43和p型區(qū)44。生長(zhǎng)襯底40可以是，例如，藍(lán)寶石、SiC、GaN、或任意其它合適的生長(zhǎng)襯底。每一個(gè)n型區(qū)42，有源區(qū)43，和p型區(qū)44可以包括不同的構(gòu)成、厚度和摻雜濃度的多層。例如，n型區(qū)42和p型區(qū)44可以包括為歐姆接觸而優(yōu)化了的接觸層和為容納有源區(qū)43中載流子而優(yōu)化了的覆蓋層。有源區(qū)43可以包括單個(gè)發(fā)光層，或者可以包括被阻擋層分開的多個(gè)量子阱發(fā)光層。
如圖2所示的器件中，p型區(qū)44和有源區(qū)43的一部分被蝕刻掉以暴露出n型區(qū)42的一部分。一p-接觸45形成在p型區(qū)44的剩余部分上，并且一n-接觸46形成在n-接觸46的暴露部分上。在如圖2所示的實(shí)施例中，接觸45和46是能反射光的，以致于從器件提取的光可以穿過(guò)襯底40的背面?？蛇x地，接觸45和46可以是透明的，或者以p型區(qū)44和n型區(qū)42的大部分表面不被接觸覆蓋的方式形成。在這樣的器件中，從器件提取的光可以穿過(guò)外延結(jié)構(gòu)的表面，接觸45和46形成于該表面上。
如圖3所示的器件中，外延層通過(guò)p-接觸45結(jié)合到主襯底49上。在p型區(qū)44和主襯底49之間可以包括易于結(jié)合的附加層(未示出)。在外延層結(jié)合到主襯底49上之后，生長(zhǎng)襯底被除去以暴露出n型區(qū)42的一個(gè)表面。通過(guò)主襯底49提供了與有源區(qū)的p側(cè)的接觸。一n型接觸46形成在n型區(qū)42的暴露表面的一部分上。從器件提取穿過(guò)n型區(qū)42的頂表面的光。在2004年3月19日提交的、申請(qǐng)?zhí)朜o.10/804,810、標(biāo)題為“Photonic Crystal Light EmittingDevice”的系列申請(qǐng)中有更詳細(xì)地描述了生長(zhǎng)襯底的去除，該申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并在此引入作為參考。
如圖2和3所示的器件中，一發(fā)光陶瓷層50例如前文所描述的陶瓷層被貼附到器件發(fā)出光的表面；圖2中襯底40的背面和圖3中n型區(qū)42的的頂部。陶瓷層50可以形成或貼附在器件發(fā)出光的任意表面上。例如，陶瓷層50可以延伸到如圖2所示器件的側(cè)面上。圖3中示出了可選的過(guò)濾器30，其允許來(lái)自有源區(qū)43的光通過(guò)進(jìn)入陶瓷層50中，但是反射由陶瓷層50發(fā)出的光，以使得陶瓷層50發(fā)出的光被阻止進(jìn)入器件52，在這里可能被吸收或被損耗。適合的過(guò)濾器的例子包括來(lái)自列支敦士登的Unaxis Balzers Ltd公司或者加利福尼亞的圣羅莎的Optical Coating Laboratory Inc.公司的雙色性過(guò)濾器。
發(fā)光陶瓷層50可以包括單一的磷光體或混合在一起的多個(gè)磷光體。在一些實(shí)施例中，激活的摻雜劑的數(shù)量在陶瓷層是梯度分布的。圖4顯示了在發(fā)光陶瓷層中梯度的摻雜曲線的一個(gè)例子。圖4中的虛線表示器件的表面。在最靠近器件表面的陶瓷層的部分中的磷光體具有最高的摻雜劑濃度。隨著與器件表面距離的增大，在磷光體中的摻雜劑濃度下降。盡管圖4顯示了恒定摻雜劑濃度區(qū)域的線性的摻雜劑曲線，但可以理解的是，該梯度曲線可以采用任意的形狀，包括，例如，階梯狀分布曲線或冪曲線，并且可以包括多個(gè)或者沒有恒定摻雜劑濃度區(qū)。另外，在一些實(shí)施例中，顛倒梯度曲線是有利的，以最接近器件表面的區(qū)域具有小的摻雜劑濃度，摻雜劑濃度隨著與器件表面距離的增大而增加。在一些實(shí)施列中，最遠(yuǎn)離器件表面的陶瓷層的部分可能不含有任何磷光體或者任何摻雜劑，并且為光提取被成形(如下所示)。
在一些實(shí)施例中，器件包括多個(gè)陶瓷層，如圖5中所示的器件。陶瓷層50a貼附到器件52，其可以是，例如圖2和3中所示的器件。陶瓷層50b貼附到陶瓷層50a。在一些實(shí)施例中，兩層陶瓷層50a和50b中的一層包含用于器件的所有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料，并且兩層陶瓷層中的另一個(gè)是透明的并如果該陶瓷層是相鄰于器件52，則用來(lái)作為間隔層，或者如果是最遠(yuǎn)離器件52的陶瓷層，則用作光提取層。在一些實(shí)施例中，陶瓷層50a和50b的每一個(gè)含有一個(gè)不同的磷光體或多個(gè)磷光體。雖然圖5中示出了兩層陶瓷層，但可以理解的是，包括兩個(gè)以上的陶瓷層和/或兩個(gè)以上的磷光體的器件在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。選擇在陶瓷層50a和50b中的不同的磷光體的配置，或者陶瓷層50a和50b自身的配置來(lái)控制器件中多個(gè)磷光體之間的相互作用，如在2004年2月23日申請(qǐng)系列號(hào)No.10/785,616中描述的，此處將其引入作為參考。雖然圖5中示出的陶瓷層50a和50b堆疊在器件52上，在本發(fā)明的范圍之內(nèi)也可能有其他設(shè)置。在一些實(shí)施例中，包括一個(gè)或多個(gè)陶瓷層的一個(gè)器件結(jié)合有其他波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層，例如如圖1所示的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料，或者是在背景技術(shù)部分描述的薄膜，共形層以及發(fā)光襯底。在沒有激活的摻雜劑的情況下，不發(fā)光的透明陶瓷層可以是例如與發(fā)光陶瓷層相同的主材料。
發(fā)光陶瓷層的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，例如，為增加的光提取，具有通過(guò)模鑄、研磨、機(jī)械加工、熱壓印或者拋光將陶瓷層形成所需要形狀的能力。發(fā)光陶瓷層通常具有高折射系數(shù)，例如Y3Al5O12:Ce3+陶瓷層是1.75到1.8。為了避免在高系數(shù)的陶瓷層和低系數(shù)的空氣之間的界面出現(xiàn)全內(nèi)反射，陶瓷層可做成如圖6和7所示的形狀。在圖6所示的器件中，發(fā)光陶瓷層54做成例如一個(gè)半圓狀透鏡的透鏡形狀。通過(guò)紋理化陶瓷層頂部，或者任意地或者按照例如菲涅耳透鏡的形狀，進(jìn)一步提高從器件的光提取，如圖7所示。在一些實(shí)施列中陶瓷層的頂部被紋理化成具有光子晶體結(jié)構(gòu)，例如形成在陶瓷中的孔的周期點(diǎn)陣。成形的陶瓷層的尺寸可以比其所附著的器件52的那個(gè)面小或是相等，或者比其所附著的器件52的那個(gè)面大。如圖6和7所示。在圖7所示的器件中，成形的陶瓷層的底部長(zhǎng)度是陶瓷層被安裝在的器件52的那個(gè)面的長(zhǎng)度的至少二倍，這可以期望能對(duì)光提取有利。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料被限制在陶瓷層中最靠近器件52的那部分。在另一些實(shí)施例中，如圖7所示，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料被提供在第一陶瓷層50a中，然后貼附到第二成形的透明陶瓷層50b。
在一些實(shí)施例中，頂部陶瓷層的表面被粗糙化以提高為混合光所必要的散射，例如，在來(lái)自發(fā)光器件和一個(gè)或更多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層的光混合以構(gòu)成白光的器件中。在另一些實(shí)施例中，充分的混合是通過(guò)二級(jí)光學(xué)器件完成的，例如本領(lǐng)域中公知的透鏡或光導(dǎo)。
發(fā)光陶瓷層進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)陶瓷的熱特性起促進(jìn)作用。圖8中示出了包括發(fā)光陶瓷層和散熱結(jié)構(gòu)的一個(gè)器件。和圖7一樣，圖8包括一個(gè)為了光提取而成形的透明或發(fā)光陶瓷層50b。一個(gè)可選的附加透明或發(fā)光陶瓷層50a沉積在層50b和器件52之間。器件52裝配在子安裝件(submount)58上，例如如圖2所示的倒裝芯片。子安裝件58和圖3中的主襯底49可以是例如金屬，如Cu箔、Mo、Cu/Mo以及Cu/W；具有金屬接觸的半導(dǎo)體，例如具有歐姆接觸的Si和具有歐姆接觸的GaAs包括了例如Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag中的一種或多種；和陶瓷，例如是壓縮的金剛石。層56是將陶瓷層50b連接到子安裝件58的熱傳導(dǎo)材料，潛在地減小了發(fā)光陶瓷層50a和/或50b的溫度，從而提高了光輸出。作為層56的適當(dāng)?shù)牟牧习ㄉ鲜龅淖影惭b件材料。圖8中顯示的設(shè)置對(duì)使用導(dǎo)熱襯底從倒裝芯片器件中散熱是特別有用的，例如SiC。
下面給出一個(gè)使用鈰摻雜的釔鋁石榴石陶瓷片擴(kuò)散結(jié)合到藍(lán)寶石襯底上的實(shí)施例。
擴(kuò)散結(jié)合的YAG-藍(lán)寶石組分是有益的，因?yàn)樗鼈兊母邫C(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)秀的光學(xué)性質(zhì)。根據(jù)成分是Al2O3和3Y2O35Al2O3的釔-鋁的相圖，除了具有33％Al的共晶之外，沒有其他相存在。因此，燒結(jié)結(jié)合而成的YAG-藍(lán)寶石復(fù)合物在YAG陶瓷(ni＝1.84)和藍(lán)寶石襯底(ni＝1.76)之間的(共晶)界面處具有平均的折射系數(shù)，并且因此可得到一高質(zhì)量的光學(xué)接觸。另外，由于YAG和藍(lán)寶石相同的擴(kuò)散系數(shù)(YAG6.9×10-6K-1，Al2O38.6×10-6K-1)，可生產(chǎn)出具有低機(jī)械應(yīng)力的燒結(jié)結(jié)合的晶片。
擴(kuò)散結(jié)合的YAG:Ce陶瓷-藍(lán)寶石晶片可以按照以下步驟構(gòu)成a)制造YAG:Ce陶瓷40g的Y2O3(99.998％)，32g的Al2O3(99.999％)，以及3.44g的CeO2和1.5kg的高純度鋁球(直徑2mm)在異丙醇中于輥臺(tái)上研磨12小時(shí)。然后該干燥的前體粉末放入CO氣氛中在1300℃煅燒2小時(shí)。然后將所得到的YAG粉末在乙醇中通過(guò)行星球磨(瑪瑙球)被去除聚結(jié)塊。該陶瓷漿料被流延成型以便在其干燥后得到陶瓷生坯。然后生坯在石墨板之間在1700℃下燒結(jié)2小時(shí)。
b)藍(lán)寶石晶片與YAG:Ce陶瓷的擴(kuò)散結(jié)合被研磨和拋光的藍(lán)寶石和YAG晶片在單軸的熱壓設(shè)備(HUP)中擴(kuò)散結(jié)合。為了這個(gè)目的，藍(lán)寶石和YAG晶片在鎢箔(厚度為0.5mm)之間堆疊，并放入以石墨壓模中。為提高加工速度，多個(gè)藍(lán)寶石/YAG:Ce陶瓷/鎢箔的疊層可以被同時(shí)堆疊和加工。
HUP裝置被抽真空以后，在不加外部壓力條件下，溫度首先在4個(gè)小時(shí)內(nèi)上升到1700℃。然后施加300巴的單向壓力并保持恒定2小時(shí)。在該停留時(shí)間之后，溫度在2小時(shí)內(nèi)降低到1300℃并且保持壓力恒定。最后在壓力釋放后，系統(tǒng)在6個(gè)小時(shí)內(nèi)冷卻到室溫。
c)燒結(jié)結(jié)合的藍(lán)寶石-YAG:Ce晶片的后工序在研磨和拋光該燒結(jié)結(jié)合晶片的表面之后，樣品在1300℃下(加熱速度300K/小時(shí))在大氣中退火2小時(shí)，然后在12小時(shí)內(nèi)冷卻到時(shí)室溫。
本發(fā)明描述了已有的細(xì)節(jié)，本領(lǐng)域技術(shù)人員都意識(shí)到，根據(jù)當(dāng)前的公開，可以作出不脫離本發(fā)明中所描述的精神的改進(jìn)。因此，本發(fā)明并不企圖將本發(fā)明的范圍局限于具體的所描述和所示出的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)，包括包括設(shè)置在n型區(qū)域和p型區(qū)域之間的發(fā)光層的半導(dǎo)體發(fā)光器件，設(shè)置在發(fā)光層發(fā)出的光的路徑上的第一陶瓷層，該第一陶瓷層包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層包括磷光體顆粒的剛性凝聚團(tuán)。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層實(shí)質(zhì)上不需要粘合劑材料。
4.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)在高于大氣壓的壓強(qiáng)下加熱磷光體粉末顆粒直到磷光體顆粒的表面開始軟化并且磷光體顆粒粘接在一起，來(lái)形成第一陶瓷層。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含已設(shè)置在該第一陶瓷層和該半導(dǎo)體發(fā)光器件之間的粘接層。
6.如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中該粘接層是有機(jī)粘接材料、環(huán)氧樹脂、硅樹脂，無(wú)機(jī)粘接材料，和溶膠凝膠玻璃之一。
7.如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中該粘接層包括Schott玻璃SF59，Schott玻璃LaSF3，Schott玻璃LaSF N18，硫?qū)俨ＡВ?Ge，Sb，Ga)(S，Se)硫?qū)俨ＡВ琁II-V族半導(dǎo)體，GaP，InGaP，GaAs，GaN，II-VI半導(dǎo)體，ZnS，ZnSe，ZnTe，CdS，CdSe，CdTe，IV族半導(dǎo)體，Si，Ge，有機(jī)半導(dǎo)體，金屬氧化物，氧化鎢、氧化鈦、氧化鎳，氧化鋅、氧化銦錫以及氧化鉻，金屬氟化物，氟化鎂、氟化鈣，金屬，Zn、In、Mg以及Sn、釔鋁石榴石、磷系化合物、砷系化合物、銻系化合物、氮系化合物、高指數(shù)有機(jī)物化合物中的一種。
8.如權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層實(shí)質(zhì)上是不需要粘接材料的。
9.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括在該半導(dǎo)體發(fā)光器件與該第一陶瓷層之間的界面，該界面是通過(guò)在高于室溫的溫度和高于大氣壓的壓力條件下，將該半導(dǎo)體發(fā)光器件與該第一陶瓷層壓在一起而形成的。
10.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層的表面包括透鏡。
11.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層的表面包括半圓形。
12.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層的表面包括菲涅耳透鏡。
13.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層的表面包括光子晶體結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層的表面被紋理化。
15.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中第一陶瓷層包括具有摻雜劑的磷光體，其中摻雜劑的濃度是梯度分布的。
16.如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中濃度的梯度分布是從該第一陶瓷層的第一部分中的第一濃度到該第一陶瓷層的第二部分中的第二濃度；第一濃度高于第二濃度；和該第一部分比該第二部分更靠近半導(dǎo)體發(fā)光器件。
17.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中該半導(dǎo)體發(fā)光器件包括一個(gè)生長(zhǎng)襯底，并且該第一陶瓷層貼附在該生長(zhǎng)襯底上。
18.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中該半導(dǎo)體發(fā)光器件包括一個(gè)主體襯底，并且該第一陶瓷層貼附在與該主體襯底相對(duì)的該半導(dǎo)體發(fā)光器件的表面上。
19.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括設(shè)置在發(fā)光層發(fā)出的光的路徑上的第二陶瓷層。
20.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中該第一陶瓷層包括第一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料；和該第二陶瓷層包括第二波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。
21.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中該第一陶瓷層包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料；和該第二陶瓷層不包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。
22.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中第一和第二陶瓷層的其中一個(gè)的表面的表面積大于發(fā)出光的半導(dǎo)體發(fā)光器件的表面的表面積。
23.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料包括(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0≤z≤0.1，0＜a≤0.2以及0＜b≤0.1；Lu3Al5O12:Ce3+；以及Y3Al5O12:Ce3+中的一種。
24.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括設(shè)置在該第一陶瓷層和該半導(dǎo)體發(fā)光器件之間的雙色性過(guò)濾器。
全文摘要
包括沉積在n型區(qū)和p型區(qū)之間的發(fā)光層的半導(dǎo)體發(fā)光器件與沉積在發(fā)光層發(fā)出的光的路徑上的陶瓷層結(jié)合。該陶瓷層包括一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料例如磷光體。根據(jù)發(fā)明實(shí)施方式的發(fā)光陶瓷層比現(xiàn)有技術(shù)的磷光體層對(duì)溫度具有更強(qiáng)的魯棒性或更弱的敏感性。另外，發(fā)光陶瓷比現(xiàn)有技術(shù)的磷光體層顯示出更少的散射并從而提高了轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)C04B35/645GK1977393SQ200580017783
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者G·O·穆勒, R·B·穆勒－馬克, M·R·克拉默斯, P·J·施米特, H·貝克特爾, J·邁耶, J·德格拉夫, T·A·科普 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司