TWI301340B - Selective filtering of wavelength-converted semiconductor light emitting devices - Google Patents

Description

1301340 玖、發明說明： 【發明所屬-之技術領域】 本發明係相關於半導體發光裝置，該裝置包含一波長轉 換材料及一滤波材料。 【先前技術】 諸如發光二極體之半導體發光裝置晶片所發射之光線的 色彩可以利用將一波長轉換材料放置在該光線離開該晶片 之路徑上來改變。該波長轉換材料可以是例如磷光體 (phosphor)。磷光體係為發光材料，該材料能夠吸收一激發 月匕（通¥係輕射也1)及儲存該能量一^段時間。該已错存能量 接著係被發射以作為不同於該初始激發能之能量的輕射。 例如，”向下轉換”係指該已發射輻射具有比該初始激發輻 射更少量子能之情形。該能量波長有效地增加，將該光線 之色彩偏移向紅色。 假如某些從該晶片所發射的光線沒有被該磷光體吸收， 該晶片所發射之未轉換光線係與該磷光體所發射之光線混 和，因而產生介於該晶片所發射之未轉換光線的色彩與該 構光體所發射之光線的色彩之間的色彩。當使用在應用中 要求一特定色彩，該晶片所發射之光線的色彩與該磷光體 所轉換之光線量必須緊密地控制。 【發明内容】 根據本發明之實施例，一發光裝置包含一半導體發光裝 置曰9片，该晶片具有一上表面及一側表面；一波長轉換材 料，其覆蓋在該晶片之上表面及侧表面的至少一部份上； 88260 1301340 及一濾、波材料，其覆蓋在該波長轉換材料之上。該晶片係 "匕夠發射出具一第-波長之光線，該;皮長轉換材料係能夠 吸收具有孩第一波長之光線，而發射具有第二波長之光 線，及該濾波材料係能夠吸收具有該第一波長之光線。在 /、貫施例中’ 一發光裝置包含一濾波材料，該材料能夠 反射具有一第-波長之光線，及傳送具有-第=波長之光 線。 。濾波材料防止該晶片所發射沒有被該波長轉換材料所 轉換《光線之至少—部分逃離該$置。n皮材料之使用 均加波長轉換半導體發光裝置之色彩純度及照明輸 出。 【實施方式】 根據本發明之實施例，—發光裝置包含-波長轉換層， 用以轉換-發光裝置晶片所發射之光線的波長，及一遽波 層，用以濾波任何沒有被該晶片所轉換之光線。下文中係 考慮三族氮化物（ln-nitride)覆晶。應了解本發明並沒有受 限於該等材料、裝置方向，或其他在下文範例中所討論的 節例如，本發明之貫施例施加於任何合適的發光裝置 材料系、克&含例如二_五族材料、三族氮化物、三族磷化 物，及一-六族材料。本發明之實施例可以施加於任何裝置 形狀，包含具有接觸點在該半導體層之相反邊上的裝置， 及具有接觸點在該半導體層之相同邊上之裝置，像是覆 晶，在該處光係透過一基材擷取，及晶膜成長結構，在該 處光係透過該等接觸點擷取。 88260 1301340 圖1說明本發明之一實施例。一發光裝置晶片包含一基材 W、一 η型區域12、一主動區域14，及一 p型區域15。在某 一實施例中，η型區域12、主動區域14，及ρ型區域15係為 HI族氮化物材料，該材料的化學視為AlxlnyGazN，此處0 $ x+y+z=1。適合用以讓ΠΙ族氮化 物材料成長之基材包含氮化鎵、碳化矽及藍寶石。η型區域 12、主動區域】4,及ρ型區域丨5之各區域可以係為一單一層 或具有相同或不同組成、厚度，及摻雜濃度之多層。ρ型區 域15及主動區域14之一部分係移除以曝光一部份的η型區 域12。接觸點16係形成在ρ型區域15之剩餘部份及^型區域 12之曝光部分。接觸點16在電氣上及物理上係藉由次鑲嵌 互連（submount interconnection) 17連接到一次鑲嵌 18。次鑲 後互連例如可以為焊接。接觸點16可以係具有反射性，使 得在主動區域14所產生的光係從該晶片擷取通過基材丨〇。 一波長轉換層20係形成在該晶片之上。該波長轉換材料 可以係例如摻雜著镨及鈽之釔鋁紅寶石（YAG:Pr+Ce)、摻雜 著銪之硫化鳃（SrS:Eu)、鳃硫代掊酸鹽，或任何其他適合的 磷光體。波長轉換層20可以利用例如電泳沉積法、模板印 刷、網版印刷法，及任何其他適合的技術。波長轉換層 並不需要覆盖該晶片所有的上面及側邊，如圖1中所示。多 重波長轉換材料能夠將來自該晶片所發射之波長轉換成相 同或不同波長，該材料可以併入到波長轉換層20内，或波 長轉換層可以係由多重分離次層所組成，每個次層含有不 同的波長轉換材料。 88260 ^8- 1301340 。濾波層1 9會吸 史長的光線，而 一濾波層19係形成在波長轉換層20之上。濾 收該發光裝·置晶片之主動區域14所發射之波長 傳送波長轉㈣20所發射的波長或數種波長的光線。滤波 ㈣中材㈣被挑選及沉積’使得該晶片所發射之所有沒 有被轉換⑽會被限制離開該裝置。㈣波材料可以為例

有機染料。 圖2本發明之另外實施例。在圖2中所說明之實施例中， 該濾波層及波長轉換層並非一致地塗佈在該發光裝置晶片 上，而是離散地分佈在覆蓋於該晶片上之材料中。在圖2中 所說明的裝置中，一臺座25支持發光裝置晶片24及透鏡 22 ’在印片24及透鏡22之間產生一空間可以利用硬式或軟 式封裝體來發生。適合的封裝材料之範例包含硬式或軟式 碎膠及環氧樹脂。該封裝材料通常係被挑選，使得該封裝 體之折射率能夠盡可能地匹配鄰近於該封裝體之材料（例 如該晶片之基材）的折射率。此外，該封裝材料係針對其能 夠與該波長轉換材料及/或濾波材料混和的能力來挑選。諸 如磷光體之波長轉換材料之粒子係散佈在封裝體28靠近晶 片24之一第一層中。一濾波材料之粒子係散佈在覆蓋在波 長轉換層26之上的封裝體28之一第二層。相同或不同封裝 材料係可以供該波長轉換材料及該濾波材料使用。晶片 24、波長轉換層26、濾波層2 8及透鏡22彼此並不需要鄰近， 如同圖2中所示。空氣、封裝體之額外層，或其他材料層分 88260 1301340 開圖2中所示之任何層。此外，波長轉換層26包含多重波長 轉換材料，或是為含有相同或不同波長轉換材料之多重分 離次層。濾波層2 8也含有多重濾波材料，及可以為含有相 同或不同濾波材料的多重分離次層。 在其他實施例中，圖2之濾波層28包含散佈在一封裝體中 的滤波材料，該濾波層係結合圖！之一致化波長轉換層2〇 一 起使用。在其他實施例中，該濾波材料係塗佈在圖2之透鏡 22的内側、在透鏡22之外侧，或併入於形成透鏡22之材料 中。在上文所描述的實施例中，該濾波材料吸收來自該晶 片並非需要的沒被轉換的發射。在還有其他實施例中，該 滤波材料係反射該來自該晶片之並非需要的沒被轉換的發 射’同時傳送該需要的已波長轉換發射。例如，該濾波材 料為一連串具有所挑選可以傳送該已波長轉換光線同時反 射該未轉換光線之折射率之介電質材料的層。該介電質材 料可以從已知具有傳送該已轉換波長而反射該位轉換波長 之能力及抵抗該已轉換及未轉換波長之能力的塗層中挑 選。 在某一實施例中，來自該晶片之未轉換發射係具有小於 500奈米之波長的藍光，而該已波長轉換發射係具有大於 5〇〇奈米之波長的綠光。 圖3說明兩個裝置之發射頻譜，每個裝置具有一45〇奈米 藍光晶片覆蓋著及一 535奈米綠光磷光體層，某一個裝置係 具有一濾波層（裝置A)而另一個沒有（裝置B)。在裝置A中所 含有之濾波層係幾乎完全避免該裝置晶片所發射光線逃離 88260 •10- 1301340 該晶片。因此，來自該裝置晶片之光線不會顯著地影響裝 置A之可見光的色彩。來自裝置a之光線係呈現綠色。相對 地’裝置B具有來自遠裝置晶片之發射的為小夸值。由於兮 晶片之發射，來自裝置B之光線會呈現淺綠的藍色。 在已波長轉換半導體發光裝置中含有一濾、波層可以提供 數種好處。首先，使用一濾波層允許嚴密控制該裝置所產 生之光線的色彩及色彩純度。一發光裝置晶片所發射之光 的波長係取決於該主動區域的組成，這在製造過程中係很 難控制。相對地，只要該吸收光線之波長係在能夠激發該 波長轉換材料之波長範圍内，不管該吸收光線之波長，典 型地波長轉換材料都可以發射相同色彩的高色彩純度光 線。因此，使用波長轉換材料可以改良各種裝置所產生之 光線的色彩的均勻性。橫跨裝置之均勻性可以加以妥協， 假如該晶片之光線允許可以與該波長轉換光線混合。使用 一濾波層可以防止該晶片之光線逃離該裝置，因此只有從 該裝置所逃離的光線係為該波長轉換材料所發射的高色彩 純度光線。 其次，使用一濾波層可以增加一波長轉換半導體發光裝 置之流明（lumen)輸出。圖4說明數種裝置之流明輸出，作為 該裝置晶片所發射之光未被一磷光體所轉換之部份的函 數。如圖4中所說明，允許從該晶片所發射之某些光線能夠 逸出通過该鱗光體層而未轉換之裝置係比磷光體轉換該晶 片所發射之所有光線的裝置顯示出更高流明輸出。為了完 全轉換該裝置晶片所發射之所有光線，則必須使用厚度較 88260 -11 - 1301340 厚的磷光fa層。該厚磷光體層導致增加光線之向後散射， 增加光線透過在該晶片中之半導體層或該裝置之其他部份 的吸收而造成損失的可能性，降低該裝置之整體流明輸 出。在該晶片所發射之光線與該磷光體所發射之光線之混 和並非所願的應用中，一濾波器之使用係允許調整該磷光 體層足厚度及其他特徵用以最大化磷光體發射，同時藉由 選擇性吸收該晶片之未轉換光線來保持該磷光體之發射之 色彩及色彩純度。 也可以採用濾波器以改良用以產生白光之LEDs的效 率。該機會係起因於晶片擷取效率強烈地取決於該負載密 度（loading density)或環繞該晶片之波長轉換粒子之總厚 度’如同上面所描述。隨著該負載密度增加時，該擷取效 率會遞減。該效應很容易地藉由量測該裝置之光線產生效 率作為泵激光線洩漏（pump light leakage)之函數來觀察，這 係為直接從該晶片發射之光線相較於已產生光線之總量 (泵激光線加上已轉換光線）的分數。該等量測已經執行而導 致資科類似於圖6中所示的資料。 對於採用波長轉換媒體之LED晶片，所產生之總光線係 描寫如下 Z1 pump + CH conv — Π in Q E Q D C ext 此處□ pump 為直接晶片發射之輸出通量（flux)(即洩漏通過該 轉換媒體）’□ 為該波長轉換輸出通量，QE為該波長轉換 器之量子效率’ QD為光子能量之相關量子缺乏能，及cext 係為取決於泵激戌漏部份之擴取能，其可以描寫成F pump = 88260.doc -12- 1301340 pump / ( □ pump + □ conv)

O 該已轉換·光線輸出現在可以按照該泵激洩漏部份來描 窝，使得 HI conv =(1-Fpump) CZI in QE QD Cext 該式子可用以決定採用波長轉換媒體之晶片之相對轉換 效率作為泵激洩漏部份之函數，使用圖6所給定之實驗相依 性。使用該方法，我們便能夠比較使用一藍光泵激LED晶 片（此處該藍光發射係直接促成該白光頻譜）或一 UV型泵激 (其中該光線沒有促成有用的頻譜）所產生之白光的範例。該 等結果係說明於圖7中，其說明使用藍光或UV泵激波長之 採用波長轉換媒體之LEDs的計算轉換效率。該轉換效率係 定義成採用該波長轉換器之裝置的總發射功率除以該單純 泵激LED(沒有波長轉換媒體）之總發射功率。該等標示著 ••已濾波”之曲線係為採用一吸收濾波機制之裝置的範例， 該機制係用以降低或消除該洩漏泵激光線，其係被要求用 以保持所要求輸出頻譜要求。該等標示”反射板，，之曲線係 為採用一反射性材料之裝置的範例，其係用以將洩漏泵激 光線反射回該裝置内。 這些計算假設波長轉換器具有尖峰波長在45〇奈米（藍 色）、540奈米（綠色）及62〇奈米（紅色）及典型針對磷光體之 頻清寬度。泫監色泵激波長係量測為450奈米，而該uv泵 激4波長係量測為390奈米。對於採用濾波器或反射板之範 例，该濾波器/反射板的插入損失係量測為丨〇%。藍、綠及 紅色光線足組合係保持在一輻射度比率為8%、及 88260 • 13 - 1301340 5 5% ’這係對於目標2900 K白光之評估。 作為參考點，要記住在一 UV型泵激之範例中，所有光線 都經轉換（〇%泵激洩漏，其推測係為眼睛安全理由所需）， 但是只提供了最差轉換效率為12%。一藍光型泵激（允許大 約8%的戍漏係直接使用在該最後頻譜中）係提供較高的轉 換效率為大約38%(超過三倍改良係數）。 對轉換效率產生令人注目的改良可以藉由允許更多泵激 戍漏來獲得，特別是該UV泵激範例。藉由採用稍後阻隔所 有孩UV光線之濾波器，允許初始洩漏為20%之裝置係達成 轉換效率為3 1.5%，其係比該” 1 〇〇%已轉換”的範例超過2倍 改良係數。雖然較弱但是對於藍光泵激範例之類似改良係 藉由允許20%洩漏及採用能夠修正該最後白光色彩點之濾 波器來獲得。對於該範例，該轉換效率會從38%增加到39%。 使用反射板而不是吸收濾波材料可進一步改良轉換效 率。在允許20%洩漏之UV泵激裝置之範例中，使用反射板 而不是吸收濾波器可以將該轉換效率從3丨·5%增加到 34%。在允許20%洩漏之藍光泵激裝置之範例中，使用反射 板而不是吸收濾波器可以將該轉換效率從39%增加到42%。 從該作用可以清楚的知道允許更多泵激光線洩漏及利用 吸收或反射濾波器來修正該最後頻譜對於要求低泵激淺漏 的範例係非常重要’不論是在要求低白光色彩溫度之藍光 泵激範例，或是該UV系激範例中（所有範例）。 圖5係一封裝發光裝置的爆炸圖。一散熱嵌條（heat_sinking slug) 100放置到一欣入模塑之引導框（insert-molded 88260.doc -14- 1301340 leadframe)106内。該埋入成形引導框1〇6係為例如在一金屬 框架之四週所成形之充填式塑膠材料，該金屬框架係提供 一電子路徑。嵌條1〇〇包含一選擇反射板杯狀物1〇2。或者， 嵌條100係提供一臺座但沒有反射板杯狀物。該發光裝置晶 粒104(可以係為上述之任何裝置）係直接地或間接地經由一 熱傳導次鑲嵌物1〇3鑲嵌到嵌條1 〇〇。一光學透鏡1〇8可以被 添加。在實施例中，該波長轉換材料及/或濾波材料係散佈 在封裝體内，該等封裝體係射出成形在晶粒1〇4與透鏡1〇8 (間。在實施例中，一反射板係用以將不想要的泵激發射 反射回到該裝置内，該反射板係為一連串的介電質層，其 施加於透鏡108之内侧或外侧表面上。 已經詳細地描述本發明，熟悉該項技藝者應了解在本發 明之揭露下，對於本發明所作出之修正必須不違背在此所 描述之發明觀念之精神。因此，並非是要將本發明之範圍 限制於所說明及描述之特定實施例。 【圖式簡單說明】 圖1說明本發明之一實施例； 圖2說明本發明之其他實施例； 圖3說明兩個裝置之發射頻譜，一個裝置具有一濾波層而 另一裝置沒有； 圖4說明數種磷光體轉換發光裝置之照明輸出，作為沒有 被該磷光層轉換之光之部分的函數； 圖5說明一封裝發光裝置之爆炸圖； 圖6係為對於一波長轉換發光裝置，擷取效率作為泵激洩 88260 -15- 1301340 漏邵份（pump leakage fraction)之函數的圖式， 圖7係為對於分別不具有濾片、具有吸收濾片’及具有反 射板之藍光及UV波長轉換裝置，轉換效率作為泵激洩漏部 份之函數的圖式。 【圖式代表符號說明】 10 基材 12 η型區域 14 主動區域 15 Ρ型區域 16 接觸點 17 次鑲嵌互連 18 次鑲嵌 19 濾波層 20 波長轉換層 22 透鏡 24 晶片 25 臺座 26 封裝體 28 濾波層 100 散熱式嵌_條 102 反射板杯狀物 103 熱傳導次鑲嵌 104 晶粒 106 引導框 108 透鏡 88260 -16-

Claims (1)

1301340 拾、申請專利範圍： 1· 一種發光裝置，其包含： 半導體發光裝置晶片，其可發射具有一第一波長之 第一光線，該半導體發光裝置晶片具有一上表面及—側 表面， 一波長轉換材料，其可吸收該第一光線而發射具有— 第一波長I第二光線，該波長轉換材料覆蓋在該上表面 之至少一部份上及該側表面之至少一部份上；及 一濾波材料，其可吸收該第一光線，該濾波材料覆蓋 在該波長轉換材料上。 2.如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該濾波材料係散 佈在一封裝體内。 3·如申請專利範圍第2項之發光裝置，其中該封裝體包含碎 膠。 4·如申請專利範圍第1項之發光裝置，進一步包含_透鏡， 其覆蓋在該半導體發光裝置晶片上。 5·如申請專利範圍第4項之發光裝置，進一步包含複數個導 線，其電氣地連接到該半導體發光裝置晶片。 6·如申請專利範圍第4項之發光裝置，其中該濾波材科係、塗 佈在該透鏡面對該半導體發光裝置晶片之表面上。 7·如申請專利範圍第4項之發光裝置，其中該濾故材料係塗 佈在該透鏡遠離該半導體發光裝置晶片之表面上。 8.如申請專利範圍第4項之發光裝置，其中該濾浹持料係併 入到該透鏡内。 88260.doc 1301340 9·如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該波長轉換材料 實質上係二致地塗佈該半導體發光裝置晶片。 I 0 ·如申凊專利範圍第1項之發光裝置，其中該波長轉換材料 係磷光體。 II ·如申請專利範圍第10項之發光裝置，其中該磷光體係從 由 YAG、YAG · Ge+Pr、SrS : Eu，及 strontium thiogallate 所組成之群中挑選。 12·如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該濾波材料包含 一有機染料。 13·如申請專利範圍第丨項之發光裝置，其中該濾波材料不發 射出可見光。 14· 一種發光裝置，其包含·· 一半導體發光裝置晶片，其可發射具有一第一波長之 % 一光線； 一波長轉換材料，其可吸收該第一光線而發射具有一 第二波長之第二光線，該波長轉換材料覆蓋在該晶片之 上表面上；及 一濾波材料，其可反射該第一光線之至少一部份，而 傳送該第二光線，該濾波材料覆蓋在該波長轉換材料上。 15·如申請專利範圍第14項之發光裝置，其中該第一光線係 UV光線。 16·如申請專利範圍第14項之發光裝置，其中該第一光線係 藍光。 17·如申請專利範圍第14項之發光裝置，其中該濾波材料包 88260 -2 - 1301340 含至少一介喔質層。 1 8.如申請專利範圍第1 7項之發光裝置，進一步包含一透 鏡，其覆蓋在該半導體發光裝置晶片上，其中該至少一 介電質層係形成在該透鏡之一表面上。 88260