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CN106935576A - 波长转换的发光器件 - Google Patents

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CN106935576A
CN106935576A CN201611166782.1A CN201611166782A CN106935576A CN 106935576 A CN106935576 A CN 106935576A CN 201611166782 A CN201611166782 A CN 201611166782A CN 106935576 A CN106935576 A CN 106935576A
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CN
China
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light
semiconductor
wavelength converting
wavelength
emitting
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CN201611166782.1A
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M.D.坎拉斯
O.B.施彻金
R.I.阿达滋格拉内尔
P.N.格里洛特
F.M.斯特兰卡
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
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Abstract

本发明的实施例包括：半导体发光器件(10)，其能够发射具有第一峰值波长的第一光；以及半导体波长转换元件(12)，其能够吸收所述第一光并且发射具有第二峰值波长的第二光。所述半导体波长转换元件(12)被附着到支承(51)并且置于由所述半导体发光器件所发射的光的通路中。所述半导体波长转换元件被图案化以包括至少两个半导体波长转换材料的第一区(46)和至少一个没有半导体波长转换材料的置于所述至少两个第一区之间的第二区(48)。

Description

波长转换的发光器件
相关申请
本申请是于2011年9月23日提交的申请号为201180046854.8、发明名称为“波长转换的发光器件”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种波长转换的半导体发光器件。
背景技术
包括发光二极管(LED)、共振腔发光二极管(RCLED)、垂直腔激光二极管(VCSEL)以及边发射激光器的半导体发光器件是当前可用的最高效率的光源。当前在能够跨越可见光谱工作的高亮度发光器件的制造中感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元以及四元合金，同样被称为III族氮化物材料。通常，III族氮化物发光器件通过以金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其他外延技术在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其他适当的衬底外上延地生长不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的堆叠来制造。该堆叠常常包括形成在衬底上用例如Si掺杂的一个或多个n型层、形成在n型层或多层上的有源区中的一个或多个发光层、以及形成在有源区上用例如Mg掺杂的一个或多个p型层。电接点形成在n型和p型区上。
图1图示了在US 7,341,878中更详细地描述的LED。包括发光区的半导体结构130通过接触面56而被附着到陶瓷荧光体52。接点18和20形成在半导体结构130上，所述接点18和20通过金属接触面134而被连接到封装元件132。在一些实施例中，置于封装元件132与陶瓷荧光体52之间的所有的层具有小于100微米的厚度。尽管图1图示了按照其中两个接点18和20形成在半导体结构的同一面上的倒装芯片配置安装在封装元件132上的半导体结构130，但是在可替换的实施例中，可以移除陶瓷荧光体52的一部分使得接点18形成在半导体结构130与接点20的相反面上。
US 7,341,878教导具有荧光体的所希望的属性的任何发光材料可以被用来在上文描述的实施例中有效地产生光，所述希望的属性诸如由主发光层所发射的光的高吸收和高量子效率。在由发光区所发射的波长处具有大的虚分量的折射率k并且在所转换的波长处具有可忽略的k的波长转换材料，诸如例如一些III-V和II-VI族半导体材料可以被用来代替荧光体。特别地，在适当的材料中，在由主发光区所发射的波长处，k大于0.01，更优选地大于0.1，以及更优选地大于1。可以提供用于从发光材料中提取光的方式，诸如纹理化、粗糙化或整形。
发明内容
本发明的目的是提供有效地发射光的波长转换的半导体发光器件。
本发明的实施例包括能够发射具有第一峰值波长的第一光的半导体发光器件和能够吸收第一光并且发射具有第二峰值波长的第二光的半导体波长转换元件。该半导体波长转换元件被附着到支承并且置于由该半导体发光器件所发射的光的通路中。该半导体波长转换元件被图案化以包括半导体波长转换材料的至少两个第一区和没有半导体波长转换材料置于该至少两个第一区之间的至少一个第二区。
本发明的实施例包括能够发射具有第一峰值波长的第一光的半导体发光器件和能够吸收第一光并且发射具有第二峰值波长的第二光的半导体波长转换元件。该半导体波长转换元件被置于由该半导体发光器件所发射的光的通路中，并且图案化为包括半导体波长转换材料的至少两个第一区和没有半导体波长转换材料置于该至少两个第一区之间的至少一个第二区。波长转换元件被置于至少一个第二区中，该波长转换元件能够吸收第一光并且发射具有第三峰值波长的第三光。
本发明的实施例包括能够发射具有第一峰值波长的第一光的第一发光器件、能够发射具有第二峰值波长的第二光的第二发光器件。该第二发光器件包括能够发射具有第三峰值波长的第三光的半导体发光器件和能够吸收第三光并且发射第二光的半导体波长转换元件。
半导体波长转换元件可以提供效率高的且光谱上窄的波长转换，以得到极好的显色性和高发光输出。
附图说明
图1图示包括附着到LED的陶瓷荧光体层的现有技术器件。
图2图示薄膜倒装芯片半导体发光器件。
图3图示垂直半导体发光器件。
图4图示与半导体波长转换元件、可选的第二波长转换元件以及可选的光提取元件结合的LED。
图5图示半导体波长转换元件的一个示例。
图6图示用于产生白光的光源。
图7图示具有图案化半导体波长转换元件的器件。
图8图示具有形成在支承构件上的图案化半导体波长转换元件的器件。
图9图示具有形成在图案中的多波长转换元件的器件。
图10图示荧光体和半导体波长转换元件的发射光谱。
具体实施方式
在本发明的实施例中，半导体波长转换元件与半导体发光器件结合。尽管在下面在示例中，半导体发光器件是发射蓝光或UV光的III族氮化物LED，但是可以使用除诸如激光二极管之类的LED之外的半导体发光器件和由诸如其他III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料或Si基材料之类的其他材料系统所制成的半导体发光器件。
可以使用任何适当的LED。图2和3图示了适当的LED 10的两个示例。为了制造图2和3中所图示的器件，半导体结构22生长在生长衬底上。半导体结构22包括夹在n型和p型区之间的发光区或有源区。n型区可以首先生长并且可以包括不同组分和掺杂剂浓度的多个层，包括例如诸如缓冲层或晶核形成层之类的准备层，其可以是n型或未被有意掺杂，以及针对对于发光区有效地发射光所希望的特定光或电属性所设计的n型或甚至p型器件层。发光区或有源区生长在n型区上。适当的发光区的示例包括单个厚或薄的发光层，或包括被阻挡层分隔的多个薄或厚的发光层的多量子阱发光区。p型区然后可以生长在发光区上。和n型区一样，p型区可以包括不同组分、厚度以及掺杂剂浓度的多个层，包括未被有意地掺杂的层或n型层。P接点金属26被置于p型区上，然后p型区和有源区的部分可以被蚀刻掉以暴露用于金属化的n型层，如图2中所图示的那样。本实施例的p接点26和n接点24在器件的同一面上。如图2中所图示的那样，p接点26可以被置于多个n接点区24之间，但是这不是必需的。在一些实施例中，n接点24和p接点26任一个或两者是反射性的，并且器件被安装使得光在图2中所图示的定向上通过器件的顶部被提取。在一些实施例中，接点在范围上可能是有限的或者制成透明的，并且器件可以被安装使得光通过在其上形成接点的表面来提取。半导体结构被附着到支架28。生长衬底可以被移除，如图2中所图示的那样，或者它可以留作器件的部分。在一些实施例中，通过移除生长衬底而暴露的半导体层被图案化或者粗糙化，这可以改进源自器件的光提取。
在图3中所图示的垂直注入LED中，n接点形成在半导体结构的一面上，而p接触形成在半导体结构的另一面上。例如，p接点26可以形成在p型区上，并且器件可以通过p接点26而被附着到支架28。衬底的全部或一部分可以被移除，并且n接点24可以形成在通过移除衬底的一部分而暴露的n型区的表面上。n接点的电接点可以用如图3中图示的电线结合或者用任何其他适当的结构制成。
半导体波长转换元件被置于从LED 10发射的光的通路中。半导体波长转换元件可能是器件中的唯一波长转换材料，或者可以与诸如荧光体、量子点、其他半导体波长转换元件或染料之类的其他波长转换材料结合以产生白光或其他颜色的单色光。其他波长转换材料可以是例如被粘结或者结合到LED或者与LED隔开的预制陶瓷荧光体层，或置于无机或有机密封剂中的磷粉或量子点，所述密封剂被制版印刷、丝网或喷墨印刷、喷射、沉淀、蒸发或者以其他的方法分散在LED上。波长转换材料吸收由LED所发射的光并且发射不同波长的光。由LED所发射的光中的全部或仅一部分可以通过波长转换材料转换。未转换的由LED所发射的光可以是光的最后光谱的部分，尽管不必如此。半导体波长转换元件可以有效地将它吸收的光转换为不同波长的光。由半导体波长转换元件所发射的光比由常规荧光体所发射的光具有较窄的光谱宽度。特别对于发红光的半导体波长转换元件来说较窄的光谱宽度可能是有利的，以用于生产发射具有良好显色性和高发光效率的白光的器件。
常见结合的示例包括与发黄光的波长转换材料结合的发蓝光的LED、与发绿和红光的波长转换材料结合的发蓝光的LED、与发蓝和黄光的波长转换材料结合的发UV光LED、以及与发蓝、绿和红光的波长转换材料结合的发UV光LED。可以添加发射其他颜色的光的波长转换材料以定制从器件发射的光的光谱。适当的波长转换材料的示例包括(Lu,Y,Gd)3(AlGa)5O12:CePr、Lu3Al5O12:Ce3+、Y3Al5O12:Ce3+、(Sr,Ca,Ba)SixNyOz:Eu2+ (x = 1.5 – 2.5，y= 1.5 – 2.5，z = 1.5 – 2.5)、(Ba,Ca,Sr)3Si6O12N2:Eu2+、(Sr,Ca,Ba)2Si5N8:Eu2+以及SrSi2N2O2:Eu2+。
图4图示了包括LED 10和半导体波长转换元件12的本发明的实施例。半导体波长转换元件12是至少一个外延生长的半导体层。不像LED 10的有源区，其被电力地泵浦，意味着它在通过n和p接点正向偏压时发射光，半导体波长转换元件被光学地泵浦，意味着它吸收第一波长的光(源自LED 10的有源区的光)并且作为响应发射较长波长的第二光。半导体波长转换元件12是电力地无源的并且因此不需要被连接到金属接点。可替换地，半导体波长转换元件12可以被掺杂，以便它是导电的并且可以是LED 10的n接点或p接点的电传导通路的一部分。
半导体波长转换元件12生长在LED 10上或在单独的生长衬底上。在一些实施例中，半导体波长转换元件12独立于LED 10的生长和处理生长在单独的生长衬底上。半导体波长转换元件12可以通过可选的结合层11被结合到LED 10，或者可以在没有介入结合层的情况下被直接地结合到LED 10。在结合到LED 10或者到用于机械支承的另一结构之后，半导体波长转换元件12的生长衬底可以留作器件的部分，或者可以通过诸如蚀刻、研磨或激光溶凝和剥离之类适当的技术而被移除。
在一些实施例中，半导体波长转换元件12是单个发光层。图5图示了多层半导体波长转换元件12。在图5中所图示的结构中，三个发光层32被阻挡层34分隔。可以使用更多的或更少的发光层32。例如，发光层32和阻挡层34可以形成多量子阱或超晶格结构。发光层32和阻挡层34被置于两个可选的包覆（cladding）或约束层30之间。约束层30可以具有与阻挡层34相同的成分、掺杂和厚度，或者可以是不同的。在一些实施例中，例如作为双异质结构或单量子阱异质结构，半导体波长转换元件12的发光区33是置于两个包覆层30之间的单个发光层32。
半导体波长转换元件12可以被设计为最小化诸如约束层30和阻挡层34之类的非发光层中的吸收，例如以用最小的损失有效地转换或者透射源自LED 10的光，并且最大化经转换的光的输出。对于总转换而言，由LED 10(例如UV、蓝、绿/或黄)发射并且入射在半导体波长转换元件12上的所有光子可以被吸收以产生转换光(例如绿、黄和/或红)的光子，同时最小化损失并且最大化转换的效率。
约束层30、阻挡层34以及发光层32全部能够吸收源自LED 10的光，但通常仅发光层发射光。因此，在一些实施例中，需要最大化发光层相对于非发光约束层和阻挡层的厚度的厚度。半导体波长转换元件的总厚度按比尔定律I发射的=Ioe-αx来影响被波长转换元件所吸收的源自LED 10的光的量，其中x是光吸收材料(半导体波长转换元件)的厚度，并且α是吸收系数。如果波长转换元件太厚，则没有源自LED 10的光将通过。在一些实施例中，发光层包括作为非辐射复合中心的缺陷。如果发光层太厚，则非辐射复合可以越过辐射复合而占支配地位，使得半导体波长转换元件的效率变得过低。此外，在一些实施例中，约束层具有作为用于载流子复合的槽的表面。如果约束层太薄，则载流子能够逃离发光层并且扩散到其中它们非辐射地复合的约束层的表面，降低半导体波长转换元件的效率。
半导体波长转换元件的表面钝化可以降低表面状态的密度并且减少表面复合。对于可以具有高的表面复合速度(例如，对于In0.5Al0.5P来说约106 cm/s)的高Al含量约束层来说，表面钝化可以是特别重要的。半导体波长转换元件的表面钝化可以钝化半导体表面的悬挂键和缺陷，并且可以减少表面复合。适当的表面钝化材料和技术的示例包括用例如(NH4)2Sx处理所施加的硫、氢钝化、氧钝化、氮钝化以及天然氧化物形成。
在一些实施例中，半导体波长转换元件12中的至少一个非发光层(诸如约束层30或阻挡层34)例如是含铝III族磷化物或III族砷化物材料，诸如AlInGaP、AlInGaAs或AlInP。AlInGaP或AlInP层的Al含量可能是高的(例如Al ≥ 50%)。阻挡层34和/或包覆层30可以是未被有意地掺杂或者轻度n掺杂(例如，至小于1018 cm-3的掺杂剂浓度)的AlInGaP或AlInP层。这些阻挡层34和包覆层30优选地是薄的，例如在一些实施例中小于2000 Å厚而在一些实施例中小于1000 Å。在一些实施例中，最靠近LED 10的约束层30小于1000 Å厚。与LED 10相对的约束层30可能是较厚的并且例如能够为1 μm厚或更厚。在一些实施例中，发光层32是与GaAs晶格匹配的(AlxGa1-x)0.5In0.5P。此类发光层覆盖从绿到红的波长范围(对于x = 1约5300 Å或2.33 eV至对于x = 0为6600 Å或1.89 eV)。与GaAs具有4%晶格失配的GaP例如能够被用作为约束层30、阻挡层34或发光层32。半导体波长转换元件中的所有发光层的总厚度在一些实施例中在10 nm与3 μm之间，在一些实施例中在20 nm与1 μm之间，在一些实施例中至少10 nm，以及在一些实施例中在50 nm与100 nm之间。
在一些实施例中，半导体波长转换元件12中的至少一个发光层32是II-VI族化合物半导体，诸如与InP紧密晶格匹配的CdMgZnSe，其覆盖了从蓝到红的波长范围(4600 Å至6300 Å)。适当的发光层32的示例被描述在US 2007/0284565中，其通过引用合并在本文中。在II-VI实施例中，如果组分调节为对于泵浦波长而言是透明的则约束层30可能是更厚的，例如Cd0.24Mg0.43Zn0.33Se具有2.9eV或4280 Å的带隙。阻挡层34例如能够精确地调节为吸收泵浦，例如，Cd0.35Mg0.27Zn0.38Se具有2.6eV或4800 Å的带隙。发光层或多层32可以被精确地调节以得到所期望的转换波长，例如Cd0.33Zn0.67Se在绿色下以2.3eV或5400 Å发射到在红色下以1.9eV或655 nm发射的Cd0.70Zn0.30Se。至于上述III-V实施例，II-VI波长转换器可以具有例如为多量子阱结构、超晶格、单层、双异质结构或单量子阱异质结构的发光区。
在一些实施例中，半导体波长转换元件12包括支承35以将厚度和机械强度添加到结构。例如能够使用任何相对透明的、半透明的、散射或波长转换材料，诸如蓝宝石、玻璃、SiC、ScAlMgO、ZnS、ZnSe、GaP、陶瓷、陶瓷荧光体、玻璃中的磷或散射材料或聚合物。在此类实施例中，半导体波长转换元件的总厚度可以是20 μm或更大。在其他实施例中，半导体波长转换元件12的总厚度是5 μm或更小。在一些实施例中，半导体波长转换元件12包括含有陶瓷荧光体的支承35。在一些实施例中，支承35是诸如透镜之类的光学元件。例如，支承35可以是半球形透镜或菲涅耳透镜。在一些实施例中，例如如果支承35是透镜，则支承35的直径可以大于LED 10的边或对角线的长度。
例如半导体波长转换元件12可以是被附着到LED 10、支承35或诸如陶瓷荧光体之类的另一层或材料的独立式结构。半导体波长转换元件材料还可以被裂解、打断、成粉末或者磨碎并且添加到诸如硅树脂、溶胶凝胶之类的黏合剂，或诸如例如在下面列举的那些之类的结合材料或层。半导体波长转换元件12可以是量子点或纳米颗粒。
结合层11可以是任何适当的材料，诸如氯化铅、溴化铅、氟化钾、氟化锌；铝、锑、铋、硼、铅、锂、磷、钾、硅、钠、碲、铊、钨或锌的氧化物；或其任何混合物。结合层11还可以含有：III-V族半导体，其包括但不限于砷化镓、氮化镓、磷化镓以及磷化镓铟；II-VI族半导体，其包括但不限于硒化镉、硫化镉、碲化镉、硫化锌、硒化锌以及碲化锌；IV族半导体和化合物，其包括但不限于锗、硅以及碳化硅；有机半导体、氧化物、金属氧化物以及稀土氧化物，所述稀土氧化物包括但不限于铝、锑、砷、铋、硼、镉、铈、铬、钴、铜、镓、锗、铟、锡化铟、铅、锂、钼、钕、镍、铌、磷、钾、硅、钠、碲、铊、钛、钨、锌或锆的氧化物；诸如氯氧化铋之类的卤氧化物；氟化物、氯化物以及溴化物，包括但不限于钙、铅、镁、钾、钠以及锌的氟化物、氯化物以及溴化物；金属，其包括但不限于铟、镁、锡以及锌；钇铝榴石(YAG)、含磷化合物、砷化物化合物、锑化物化合物、氮化合物、高指数有机化合物；及其混合物或合金。结合层11的折射率在一些实施例中可以大于1.5，在一些实施例中大于1.6，在一些实施例中大于1.7，在一些实施例中大于1.8，在一些实施例中大于1.9，在一些实施例中大于2.0，在一些实施例中大于2.1，或者在一些实施例中大于2.2。
结合层11可能是基本上无诸如环氧树脂之类的传统有机粘合剂的，因为此类粘合剂趋于具有低的折射率。结合层11还可以由低折射率材料即在LED管芯的发射波长处具有小于约1.5的折射率的材料形成。氟化镁例如是一个这样的结合材料。低指数光学玻璃、环氧树脂以及硅同样可以是适当的低指数结合材料。
结合层11还可以由诸如肖特(Schott)玻璃LaSFN35、LaF10、NZK7、NLAF21、LaSFN18、SF59或LaSF3或Ohara玻璃SLAH51或SLAM60或其混合物形成。例如，结合层11还可以由诸如(Ge, As, Sb, Ga)(S, Se, Te, F, Cl, I, Br) 硫族化物之类的高指数玻璃或硫族卤化物玻璃形成。可以使用较低指数材料，诸如玻璃和聚合物。诸如硅树脂或硅氧烷之类的高和低指数树脂可向诸如日本东京Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.之类的制造商购买。可以修改硅氧烷主链(backbone)的侧链以改变硅树脂的折射率。
可以通过任何适当的方法来应用结合层11，所述任何适当的方法包括蒸发、溅射、化学气相沉积、滴涂、印刷、喷涂、旋涂或刮板涂布。高指数结合材料可以以流体形式来沉积，并且可以保持流动直到连接的瞬间，或者可以在连接的瞬间被部分地固化或者胶化，或者可能是一旦加热就增粘以使得能实现容易的连接的固体。高指数结合材料可以起反应以形成固化结合，所述固化结合范围可以从胶化态到硬树脂。
在一些实施例中，可选的第二波长转换元件14被置于半导体波长转换元件12上。可选的第二波长转换元件14可以是上述波长转换材料中的任何一个。可选的结合层15可以将第二波长转换元件14附着到半导体波长转换元件12，或者它们可以在没有介入结合层的情况下被直接地结合，或者它们可以彼此隔开。结合层15可以由材料并且通过针对结合层11在上文中所描述的方法来形成。结合层15未必是与结合层11相同的材料。在一些实施例中，半导体波长转换元件12和第二波长转换元件14的位置是相反的使得第二波长转换元件14被置于LED 10与半导体波长转换元件12之间。
在一些实施例中，LED 10发射蓝光，半导体波长转换元件12吸收该蓝光并且发射红光，第二波长转换元件14是吸收蓝光并且发射黄光或绿光的陶瓷荧光体板。在一些实施例中，例如通过采用或者不用附加的光刻法或注入步骤进行蚀刻，顶部波长转换元件(图4中所图示的配置中的第二波长转换元件14)的光出射表面(常常为顶面)被粗糙化或者图案化以增强光提取。
在一些实施例中，可选的光提取元件16被置于顶部波长转换元件上。光提取元件16的示例包括具有粗糙化或图案化顶面和/或底面的块或板，或诸如透镜之类的光学元件。在一些实施例中，光提取元件16具有与第二波长转换元件14、半导体波长转换元件12或LED10紧密匹配的折射率。可选的结合层17可以将光提取元件16附着到顶部波长转换元件，或者它们可以在没有介入结合层的情况下被直接地结合，或者它们可以被隔开。结合层17可以由材料并且通过针对结合层11在上文中所描述的方法形成。结合层17不必是与结合层11和/或15相同的材料。在一些实施例中，结合层17的折射率与第二波长转换元件14或LED 10紧密地匹配。光提取元件16和结合层17、结合层11或结合层15的折射率在一些实施例中可以大于1.5，在一些实施例中大于1.6，在一些实施例中大于1.7，在一些实施例中大于1.8，在一些实施例中大于1.9，在一些实施例中大于2.0，在一些实施例中大于2.1，或者在一些实施例中大于2.2。光提取元件16和结合层17的折射率在一些实施例中可以等于或小于2.4，或者在一些实施例中等于或小于3.5。在一些实施例中，光提取元件16可以比LED 10更大并且可以延伸到LED 10的边缘之外。例如，如果光提取元件16是透镜，则透镜的直径可以大于LED 10的边缘或对角线的长度。
在一些实施例中，例如通过机械抛光、干法蚀刻、光电化学蚀刻、模塑法、研磨、机械加工、冲压、热冲压或化学抛光，LED 10、半导体波长转换元件12以及第二波长转换元件14中的一个、一些或全部的顶面被粗糙化、纹理化或者图案化。
在一些实施例中，结合层11、15以及17中的一个或多个包括将由LED 10的有源区所发射的波长的光转换为其他波长的发光材料。所述发光材料可以是常规荧光体颗粒、有机半导体、II-VI或III-V族半导体、II-VI或III-V族半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或诸如发光的GaN之类的材料。如果结合层包括常规荧光体颗粒，则结合层应该足够厚以容纳通常具有约5微米至约50微米的尺寸的颗粒。
在一些实施例中，如图7、8和9中所图示的那样，半导体波长转换元件12被图案化。例如，半导体波长转换元件12可以被图案化为包括半导体波长转换材料的至少两个第一区和没有半导体波长转换材料置于第一区之间的至少一个第二区。
在图7中图示的器件中，半导体波长转换元件12被图案化以形成波长转换材料的区46和没有波长转换材料的区48。半导体波长转换元件12可以通过例如制版或丝网或喷墨印刷而被选择性地形成在仅某些区中，或者形成为通过例如常规光刻技术将区48从其中移除的材料的连续片材。波长转换的光由区46来发射，而源自LED 10的未转换的光在区48中发射。在图7中所图示的器件的一个示例中，LED 10发射蓝光而区46发射黄光，使得组合的光出现白色。在图7中所图示的器件的另一示例中，LED 10发射蓝光，区46发射黄光或绿光，并且该器件与和图7的器件隔开的发红光的波长转换构件结合。在图7中所图示的器件的另一示例中，LED 10发射蓝光，区46发射红光，并且该器件与和图7的器件隔开的发黄或绿光的波长转换构件结合。红光到蓝和黄光或绿光的添加可以提供较暖的白光，并且可以提供比没有红光的器件更好的显色性。
在图8中所图示的器件中，图案化的半导体波长转换元件12形成在可选的支承构件51中。图案化的半导体波长转换元件12包括波长转换材料的区46和其他材料的区50。在一些实施例中，区50是透明的、半透明的或散射材料，诸如填充在区46之间的间隙中的硅树脂。在一些实施例中，区50是发射不同颜色的光的另一波长转换材料。区50可以是另一半导体波长转换材料或诸如荧光体之类的另一波长转换材料。例如，区46可以发射黄光或绿光而区50可以发射红光，或者反之亦然。支承构件可以是例如诸如陶瓷荧光体之类的另一波长转换元件，或诸如如上所述的非波长转换支承构件。在图8中所图示的器件的一个示例中，支承构件51是发射黄光或绿光的陶瓷荧光体，而区46是发射红光的半导体波长转换元件。在本示例中，区50是透明材料，或者被省略，留作区46之间的间隙。例如，由LED 10所发射的蓝光可以与由陶瓷荧光体所发射的黄光或绿光和由半导体波长转换元件12所发射的红光结合以形成白光。在另一示例中，由LED 10所发射的蓝光可以与由半导体波长转换元件12所发射的黄光或绿光和由陶瓷荧光体51所发射的红光结合以形成白光。在另一示例中，由LED 10所发射的UV光可以与由陶瓷荧光体51所发射的蓝光和由半导体波长转换元件12所发射的黄光或绿光结合以形成白光。如图8中所示出的那样支承51可以在LED 10与图案化的半导体波长转换元件12之间，或者它可以在LED 10对面同时图案化的半导体波长转换元件12介于中间。
在图9中图示的器件中，图案化的半导体波长转换元件12包括三个不同的区50、52以及54。在一些实施例中，区50、52以及54中的全部三个是不同的波长转换材料，其中的至少一个是半导体。在一些实施例中，区50、52以及54中的两个是不同的波长转换元件并且区50、52以及54中的第三个是非波长转换透明或半透明材料，或是没有材料在区50、52以及54中的两个之间的间隙。在一些实施例中，仅包括两个不同波长转换材料的两种类型的区并且省略第三类型的区。在图9中所图示的器件的一个示例中，LED 10发射蓝光，区52和54中的一个是半导体波长转换材料，区52是发射红光的半导体材料或荧光体，区54是发射黄光或绿光的半导体材料或荧光体，而区50被省略。在图9中所图示的器件的另一示例中，LED发射蓝光，区52和54中的一个是半导体波长转换材料，区52是发射红光的半导体材料或荧光体，区54是发射黄光或绿光的半导体材料或荧光体，并且区50是透明材料或允许源自LED10的蓝光未转换地逃逸的间隙。
图7、8以及9中所图示的图案化的半导体波长转换元件可以与本文所述的本发明的任何其他特征相结合。图7、8以及9中所图示的图案化的半导体波长转换元件可以与LED10隔开而不是如图示的那样置于LED 10上。
图6图示了用于产生白光的光源。产生红光的器件41与产生绿光的器件42和产生蓝光的器件43结合。器件41、42以及43中的任何一个或全部可以是上述器件中的任何一个，或者可以包括上述特征中的一些或全部。产生绿光和蓝光的器件42和43可以是例如III族氮化物发光二极管。源自这些二极管的光可以或者可以不被波长转换。例如，产生绿光的器件42可以是与发绿光的波长转换元件结合的发蓝或UV光的LED。产生红光的器件41包括与发射红光的半导体波长转换元件结合的LED，并且可以是像参考图4和5在上文中所描述的那样。LED可以发射绿光、蓝光或UV光。半导体波长转换元件被配置为使得由LED所发射的足够的光被转换源自器件41的光出现红色。在一些实施例中，器件41、42以及43中的全部是倒装芯片。
在图6的一些实施例中，省略了器件43。例如，器件41可以发射与由器件42所发射的黄光或绿光结合的蓝光。器件42可以是与发射黄光或绿光的荧光体、陶瓷荧光体或半导体波长转换元件结合的发蓝光的LED。源自LED的蓝光可以或者可以不存在于由器件42所发射的光的光谱中。在另一示例中，发射蓝光的器件41和发射黄光或绿光的器件42与发红光的荧光体、陶瓷荧光体或半导体波长转换元件结合以产生白光源。在另一示例中，发黄或绿光的器件41与发红和蓝光的器件42结合以产生白光源。发黄或绿光的器件41可以是通过III族氮化物或III族磷化物发光层直接地产生黄光或绿光的LED，或者可以是与发黄或绿光的荧光体、陶瓷荧光体或半导体波长转换元件结合的发蓝光的LED。发红和蓝光的器件42可以是与发红光的荧光体、陶瓷荧光体或半导体波长转换元件结合的发蓝光的LED。在另一示例中，发红光的器件41与发黄或绿光和蓝光的器件42结合以产生白光源。发红光的器件41可以是直接地产生红光的LED，或者可以是与发红光的荧光体、陶瓷荧光体或半导体波长转换元件结合的发蓝光的LED。发黄或绿光和蓝光的器件42可以是与发黄或绿光的荧光体、陶瓷荧光体或半导体波长转换元件结合的发蓝光的LED。
发射红光的半导体波长转换元件与发蓝、绿或黄光的LED相结合地使用可以被用来产生难以用常规荧光体产生的光谱上窄的红光。光谱上窄的红色光源可以被用在为有效率的并且具有良好的显色性的白光源。图10示出了红色荧光体和半导体波长转换元件的光谱。图10上的粗线是具有约100 nm的半高全宽(FWHM)的红色硅基氮化物荧光体的发射光谱。图10上的细线是具有约25 nm或更小的FWHM的发红光半导体波长转换元件的发射光谱。
本文所述的半导体波长转换元件和半导体发光器件的结合可以有效地发射具有当前荧光体不能够实现的所希望的窄光谱宽度的红光。由于荧光体在产生红光方面的局限性，常规白光源常常将诸如例如用于产生蓝光和绿光的III族氮化物器件之类的不同材料系统的器件与用于产生红光的III族磷化物或III族砷化物器件结合。不同材料系统的器件可以根据电流(下垂)或温度(热/冷因素)、正向电压、正向和反向电流能力、热耗散以及温度处理能力具有不同的工作特性和配置，诸如效率。此外，复杂化可以由将不同尺寸的脚印刷、不同尺寸的芯片以及不同几何结构的器件(诸如垂直芯片)与倒装芯片混合在一起而产生。与此相反，在本发明的实施例中，白光源可以仅由III族氮化物器件形成。光谱上窄的红光可以通过与半导体波长转换元件结合的III族氮化物器件来产生。这样的光源可以形成具有最佳的颜色、效率以及工作特性。
已经对本发明进行了详细的描述，但本领域的技术人员将了解的是，如果给出本公开，可以在不背离本文所述的本发明构思的精神的情况下对本发明进行修改。因此，并不意图将本发明的范围限于所图示和所描述的特定实施例。

Claims (20)

1. 一种结构，其包括：
半导体发光器件，其能够发射具有第一峰值波长的第一光；以及
半导体波长转换材料，其能够吸收所述第一光并且发射具有第二峰值波长的第二光，其中所述半导体波长转换材料包括置于第一约束层和第二约束层之间的至少一个发光层；
其中所述半导体波长转换材料被附着到支承并且置于由所述半导体发光器件所发射的光的通路中；并且
所述支承是能够发射具有第三峰值波长的第三光的陶瓷荧光体。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述半导体波长转换材料还包括由至少一个阻挡层分隔开的多个发光层。
3.根据权利要求1所述的结构，其中所述半导体波长转换材料还包括双异质结构。
4.根据权利要求1所述的结构，其中所述第二峰值波长是红色。
5.根据权利要求1所述的结构，其中所述半导体波长转换材料包括至少一个发光层，其中所述至少一个发光层是III-V族半导体和II-VI族半导体中的一个。
6.根据权利要求1所述的结构，所述陶瓷荧光体的表面是被纹理化和被粗糙化的中的一种。
7.根据权利要求1所述的结构，所述第三峰值波长是绿色和黄色中的一种。
8.根据权利要求1所述的结构，所述支承是透明的、半透明的以及散射中的一种。
9.根据权利要求1所述的结构，其中所述支承被成形为透镜。
10.根据权利要求9所述的结构，其中所述透镜是半球形透镜和菲涅耳透镜中的一个。
11.根据权利要求9所述的结构，其中所述透镜的直径大于所述半导体发光器件的对角线。
12.根据权利要求1所述的结构，进一步包括光提取元件，其中，所述半导体波长转换材料被置于所述半导体发光器件与所述光提取元件之间。
13.根据权利要求12所述的结构，其中，所述光提取元件包括具有粗糙表面或图案化表面的透明板。
14. 一种结构，其包括：
半导体发光器件，其能够发射具有第一峰值波长的第一光；以及
半导体波长转换材料，其能够吸收所述第一光并且发射具有第二峰值波长的第二光，所述半导体波长转换材料的表面被钝化；
其中所述半导体转换材料被附着到支承并且置于由所述半导体发光器件所发射的光的通路中；并且
所述支承是能够发射具有第三峰值波长的第三光的陶瓷荧光体。
15.根据权利要求14所述的结构，其中，所述半导体波长转换材料的表面通过下述组中的一种进行钝化：用(NH4)2Sx处理施加的硫、氢钝化、氧钝化、氮钝化以及天然氧化物形成。
16.根据权利要求14所述的结构，其中，所述半导体波长转换材料的表面是被纹理化和被粗糙化的中的一种。
17.根据权利要求14所述的结构，其中所述第二峰值波长是红色。
18.根据权利要求14所述的结构，其中所述半导体波长转换材料包括至少一个发光层，其中所述至少一个发光层是III-V族半导体和II-VI族半导体中的一个。
19.根据权利要求14所述的结构，所述陶瓷荧光体的表面是被纹理化和被粗糙化的中的一种。
20.根据权利要求14所述的结构，所述第三峰值波长是绿色和黄色中的一种。
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