具有高效率荧光结构的光发射器件

摘要

一种光发射器件包括：光发射管芯(24)，被配置为发射具有第一主波长的光，和折射率匹配波长转换结构(10，60)，被配置为接收光发射管芯(24)发射的光。折射率匹配波长转换结构(10，60)包括嵌入在基板材料(12)中的具有第一折射率的波长转换颗粒(14)。基板材料(12)具有可以与第一折射率基本上匹配的第二折射率。光发射器件可以包括折射率渐变层(50)，其具有从光发射管芯(24)附近的折射率渐变层(50)的第一区域中的第一折射率连续渐变到远离光发射管芯(24)的折射率渐变层(50)中的第二折射率的折射率。

权利要求

1.一种光发射器件，包括：

光发射管芯，被配置为发射具有第一主波长的光；以及

折射率匹配波长转换结构，被配置为接收所述光发射管芯发射的光；以及折射率渐变层，位于所述折射率匹配波长转换结构上，其中所述折射率匹配波长转换结构位于所述折射率渐变层和所述光发射管芯之间；

其中所述折射率渐变层在所述折射率匹配波长转换结构附近处具有第一折射率并且在远离所述折射率匹配波长转换结构处具有第二折射率，其中所述第一折射率大于所述第二折射率；以及其中，所述折射率匹配波长转换结构包括嵌入在基板材料中的多个波长转换颗粒，所述波长转换颗粒具有第一折射率并且被配置为接收所述光发射管芯发射的至少一部分光，并且作为响应发射具有不同于所述第一主波长的第二主波长的光，并且所述基板材料具有与所述第一折射率基本上匹配的第二折射率，其中所述基板材料包括高折射率硅树脂并且所述高折射率硅树脂具有大于1.6的折射率。

2.如权利要求1所述的光发射器件，进一步包括安装表面，其中，所述光发射管芯位于所述安装表面上并且位于所述安装表面和所述波长转换结构之间。

3.如权利要求1所述的光发射器件，进一步包括所述波长转换结构上的透镜，其中，所述透镜被配置为接收所述光发射管芯发射的穿过所述波长转换结构的光。

4.如权利要求1所述的光发射器件，进一步包括：

子衬底，其中，所述光发射管芯位于所述子衬底上；以及

透镜，其中所述光发射管芯位于所述子衬底和所述透镜之间，所述 透镜包括所述光发射器件附近的近端表面、远离所述光发射器件的远端表面、以及在所述近端表面和所述远端表面之间延伸的侧表面，其中所述波长转换结构位于所述远端表面和/或所述侧表面上。

5.如权利要求4所述的光发射器件，进一步包括：

安装表面，其中，所述光发射管芯位于所述安装表面上；以及

壳体，包括延伸远离所述安装表面的侧壁，所述安装表面以及所述侧壁限定了光学腔，其中，所述波长转换结构位于所述光学腔外部；

密封材料，位于所述光学腔内并且位于所述光发射管芯和所述波长转换结构之间；以及位于所述透镜的所述近端表面、所述远端表面和/或所述侧表面中的至少一个上的反射层，所述波长转换结构不位于所述反射层所位于的那个表面上，其中所述透镜的折射率高于所述密封材料的折射率。

6.如权利要求1所述的光发射器件，进一步包括光散射层，其被配置为使所述光发射管芯发射的光散射。

7.如权利要求6所述的光发射器件，其中，所述波长转换结构位于所述光发射管芯和所述光散射层之间。

8.如权利要求1所述的光发射器件，进一步包括：

安装表面，其中所述光发射管芯位于所述安装表面上；以及

壳体，包括延伸远离所述安装表面的侧壁，所述安装表面以及所述侧壁限定了光学腔，其中，所述波长转换结构位于所述光学腔外部。

9.如权利要求8所述的光发射器件，进一步包括所述光学腔上的透镜。

10.如权利要求1所述的光发射器件，其中，所述波长转换结构包 括被安置为与所述光发射管芯相邻的透镜。

11.如权利要求10所述的光发射器件，进一步包括子衬底，其中所述光发射管芯位于所述子衬底上，并且所述透镜在所述光发射管芯之上粘合附着到所述子衬底。

12.如权利要求1所述的光发射器件，其中所述硅树脂具有1.6或更大的折射率。

13.一种包括如权利要求1中所述的光发射器件的照明器。

14.一种光发射结构，包括：

光发射管芯，被配置为发射具有第一主波长的光；以及

折射率渐变层，被配置为接收所述光发射管芯发射的光，其中，所述折射率渐变层的折射率从所述光发射管芯附近的所述折射率渐变层的第一区域中的第一折射率连续渐变到远离所述光发射管芯的所述折射率渐变层中的第二折射率，其中所述第一折射率不同于所述第二折射率，其中所述折射率渐变层包括硅树脂基板，所述硅树脂基板包括嵌入在其中的多个波长转换颗粒，其中，所述硅树脂基板具有第一折射率并且所述波长转换颗粒具有第二折射率，所述第二折射率高于所述第一折射率，以及其中，所述硅树脂基板中的所述波长转换颗粒的浓度从所述光发射管芯附近的所述折射率渐变层的所述第一区域中的第一浓度连续渐变到远离所述光发射管芯的所述折射率渐变层中的第二浓度。

15.如权利要求14所述的光发射结构，进一步包括：

光学元件，具有高于所述第一和第二折射率的第三折射率，并且被配置为接收所述光发射管芯发射的光；

其中，所述光学元件位于所述光发射管芯和所述折射率渐变层之间；以及其中，所述折射率渐变层的第一区域位于所述光学元件附近，并且所述折射率渐变层的第二区域远离所述光学元件，以及其中，所述第一折射率高于所述第二折射率。

16.如权利要求14所述的光发射结构，进一步包括：

所述光发射管芯上的密封材料，其中，所述密封材料具有第三折射率，所述第三折射率小于或约等于所述第一折射率；

其中所述密封材料位于所述光发射管芯和所述折射率渐变层之间；以及其中所述折射率渐变的第一区域位于所述密封材料附近，并且所述折射率渐变层的第二区域远离所述密封材料，以及其中，所述第一折射率低于所述第二折射率。

17.如权利要求16所述的光发射结构，进一步包括所述折射率渐变层上的光学元件，其中，所述光学元件具有第四折射率，所述第四折射率大于或约等于所述第二折射率。

说明书

具有高效率荧光结构的光发射器件

[0001] 美国政府权益声明

[0002] 本发明是在美国空军资助的合同No.05-2-5507下在政府支持下进行的。美国政府拥有本发明的特定权利。

技术领域

[0003] 本发明涉及固态光发射器件及其制造方法，更具体地，涉及固态光发射器件中使用的波长转换结构。

背景技术

[0004] 光发射二极管和激光二极管是公知的能够在施加足够电压时产生光的固态发光元件。光发射二极管和激光二极管通常被称为光发射器件(LED)。光发射器件通常包括半导体芯片或管芯，其包括在衬底(诸如蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓等)上生长的外延层中形成的p-n结。衬底随后可以被一起薄化，构图或移除。LED产生的光的波长分布通常取决于制造p-n结的材料以及构成器件有源区的薄外延层的结构。

[0005] p-n结半导体管芯典型地被包封在封装中。LED封装可以执行许多功能并且提供许多益处。例如，LED封装可以为半导体管芯提供机械支持和环境保护，以及提供用于将管芯连接到外部电路的电气引脚，和用于从芯片高效地提取热的散热器。LED封装还可以执行光学功能。例如，LED封装可以包括光学材料和/或结构，诸如透镜、反射器、光散射层等，其可以按期望的方式引导半导体芯片输出的光。

[0006] 常常期望的是将荧光体并入固态光发射器件封装中，以增强特定频带中的发射辐射和/或将至少一些辐射转换为另一频带。术语“荧光体”在这里可以用于表示任何如下材料，所述材料在一个波长下吸收光并且在不同的波长下重新发射光，而与吸收和重新发射之间的延迟无关并且与所牵涉的波长无关。因此，术语“荧光体”在这里可以用于表示有时被称为荧光的和/或磷光的材料。通常，荧光体吸收具有较短波长的光并且重新发射具有较长波长的光。因此，LED芯片在第一波长下发射的一些或所有光可以由荧光体颗粒吸收，作为响应这些荧光体颗粒可以在第二波长下发射光。例如，单个蓝色发射LED芯片可以由诸如掺杂铈的钇铝石榴石(YAG)的黄色荧光体围绕。得到的光是蓝色光和黄色光的组合，对于观察者可以呈现为白色。

[0007] 尽管许多荧光体是已知的并且为本领域的技术人员所使用，但是仍然需要能够改进量子效率、减少散射和/或提升包括荧光体的固态光发射器件的制造的荧光体材料和工艺。

发明内容

[0008] 根据本发明的一些实施例的一种光发射器件包括：光发射管芯，被配置为发射具有第一主波长的光，和折射率匹配波长转换结构，被配置为接收光发射管芯发射的光。折射率匹配波长转换结构可以包括嵌入在基板材料中的多个波长转换颗粒。波长转换颗粒具有第一折射率并且被配置为接收光发射管芯发射的至少一部分光，并且作为响应发射具有第二主波长的光，第二主波长可以不同于第一主波长，并且基板材料具有可以与第一折射率基本上匹配的第二折射率。如这里使用的，两个材料具有“基本上匹配的”折射率的条件是折射率在彼此的约+/-0.2的范围内。特别地，基板材料可以包括硅树脂并且可以具有大于约1.55的折射率。

[0009] 光发射器件可以进一步包括安装表面。光发射管芯可以位于安装表面上并且可以位于安装表面和波长转换结构之间。

[0010] 光发射器件可以进一步包括波长转换结构上的透镜。透镜可以被配置为接收光发射管芯发射的穿过波长转换结构的光。

[0011] 光发射器件可以进一步包括子衬底和透镜。光发射管芯可以位于子衬底上，并且光发射管芯可以位于子衬底和透镜之间。透镜可以包括光发射器件附近的近端表面、远离光发射器件的远端表面、以及在近端表面和远端表面之间延伸的侧表面。波长转换结构可以位于近端表面、远端表面和/或侧表面上。

[0012] 光发射器件可以进一步包括透镜的近端表面、远端表面或侧表面中的至少一个上的反射层，所述波长转换结构不位于所述反射层所位于的那个表面上。

[0013] 光发射器件可以进一步包括光散射层，其被配置为使光发射管芯发射的光散射。光散射层可以位于光发射管芯和波长转换结构之间，或者波长转换结构可以位于光发射管芯和光散射层之间。

[0014] 光发射器件可以进一步包括安装表面，光发射管芯位于该安装表面上。光发射器件可以进一步包括壳体，其包括延伸远离安装表面的侧壁，安装表面和侧壁限定了光学腔。波长转换结构可以位于光学腔外部。

[0015] 光发射器件可以进一步包括光学腔上的透镜。透镜可以位于光学腔和波长转换结构之间。透镜可以包括安装腔上的主透镜和主透镜上的次透镜，波长转换结构可以位于次透镜上。主透镜可以包括半球形透镜，其具有与光学腔相邻的平坦表面和与平坦表面相对的半球形表面，并且次透镜可以包括凹入表面，其可以共形地与主透镜的半球形表面配合。

[0016] 光发射器件可以进一步包括光学腔中的密封材料。密封材料可以具有第一折射率，其低于透镜的第二折射率。折射率渐变层可以位于光学腔和透镜之间，折射率渐变层具有从光学腔附近的较低折射率连续渐变到透镜附近的较高折射率的折射率。

[0017] 波长转换结构可以位于透镜和光学腔之间。光发射器件可以进一步包括光学腔上的光散射层。

[0018] 光发射器件可以进一步包括波长转换结构上的折射率渐变层，其中折射率渐变层具有从波长转换结构附近的较高折射率连续渐变到远离波长转换结构的较低折射率的折射率。

[0019] 光发射器件可以进一步包括波长转换结构和光发射管芯之间的折射率渐变层，折射率渐变层具有从光发射管芯附近的较高折射率连续渐变到波长转换结构附近的较低折射率的折射率。在光发射器件附近折射率渐变层可以具有等于或低于波长转换结构的折射率的折射率。

[0020] 在一些实施例中，波长转换结构可以包括被安置为与光发射管芯相邻的透镜。

[0021] 光发射器件可以进一步包括子衬底。光发射管芯可以位于子衬底上，并且透镜可以在光发射管芯之上粘合附着到子衬底。

[0022] 根据一些实施例的一种光发射结构包括二极管层以及粘合接合到二极管层的折射率匹配波长转换结构。折射率匹配波长转换结构可以包括嵌入在基板材料中的多个波长转换颗粒。波长转换颗粒具有第一折射率并且被配置为接收光发射管芯发射的至少一部分光并且作为响应发射具有第二主波长的光，第二主波长不同于第一主波长。基板材料具有可以与第一折射率基本上匹配的第二折射率。

[0023] 本发明的一些实施例提供了一种光发射器件，其包括：子衬底；光发射管芯，安装在子衬底上；折射率匹配波长转换结构，粘合接合到二极管层；以及波长转换结构上的透镜。折射率匹配波长转换结构可以包括嵌入在基板材料中的多个波长转换颗粒。波长转换颗粒具有第一折射率并且被配置为接收光发射管芯发射的至少一部分光并且作为响应发射具有第二主波长的光，第二主波长可以不同于第一主波长，并且基板材料具有可以与第一折射率基本上匹配的第二折射率。

[0024] 光发射器件可以进一步包括光散射层，其位于透镜和波长转换结构之间并且被配置为使波长转换结构发射的光散射。光发射器件可以进一步包括透镜上的抗反射涂层。

[0025] 根据本发明的另外的实施例的一种光发射结构包括：光发射管芯，被配置为发射具有第一主波长的光；以及折射率渐变层，被配置为接收光发射管芯发射的光。折射率渐变层具有从光发射管芯附近的折射率渐变层的第一区域中的第一折射率连续渐变到远离光发射管芯的折射率渐变层中的第二折射率的折射率。第一折射率不同于第二折射率。

[0026] 折射率渐变层可以包括硅树脂基板，其包括嵌入在其中的多个透明颗粒。硅树脂基板可以具有第一折射率并且透明颗粒具有第二折射率，第二折射率可以高于第一折射率。硅树脂基板中的透明颗粒的浓度可以从光发射管芯附近的折射率渐变层的第一区域中的第一浓度连续渐变到远离光发射管芯的折射率渐变层中的第二浓度。

[0027] 光发射器件可以进一步包括光学元件，其具有可以高于第一折射率和第二折射率的第三折射率并且可以被配置为接收光发射管芯发射的光。光学元件可以位于光发射管芯和折射率渐变层之间。渐变的折射率的第一区域可以位于光学元件附近并且折射率渐变层的第二区域可以远离光学元件，并且第一折射率可以高于第二折射率。

[0028] 光学元件可以包括透镜和/或波长转换结构。在一些实施例中，波长转换结构可以包括单晶荧光体层。在其他实施例中，波长转换结构可以包括基板材料，其包括嵌入在其中的多个波长转换颗粒，波长转换颗粒被配置为接收光发射管芯发射的至少一部分光并且作为响应发射具有第二主波长的光，第二主波长可以不同于第一主波长，并且基板材料具有第三折射率，第三折射率可以与波长转换颗粒的第四折射率基本上匹配。

[0029] 光发射器件可以进一步包括光发射管芯上的密封材料。密封材料可以具有第三折射率，第三折射率可以小于或约等于第一折射率，并且密封材料可以位于光发射管芯和折射率渐变层之间。折射率渐变的第一区域可以位于密封材料附近并且折射率渐变层的第二区域可以远离密封材料，并且第一折射率可以低于第二折射率。

[0030] 光发射器件可以进一步包括折射率渐变层上的光学元件，光学元件可以具有第四折射率，第四折射率可以大于或约等于第二折射率。光学元件可以包括透镜和/或波长转换结构。

[0031] 波长转换结构可以包括单晶荧光体层和/或基板材料，其具有嵌入在其中的多个波长转换颗粒，基板材料具有第五折射率，第五折射率与波长转换颗粒的第六折射率基本上匹配。

附图说明

[0032] 图1A～1F是常规的光发射二极管的各种构造的剖视图。

[0033] 图1G是常规的封装的光发射二极管的剖视图。

[0034] 图2是根据本发明的实施例的波长转换结构的剖视图。

[0035] 图3A是根据本发明的实施例的包括波长转换结构的LED结构的剖视图。

[0036] 图3B图示了根据本发明的实施例的单个LED器件。

[0037] 图4A是根据本发明的另外的实施例的包括波长转换结构的LED结构的剖视图。

[0038] 图4B图示了根据本发明的另外的实施例的单个LED器件。

[0039] 图5A～5C是根据本发明的实施例的包括折射率渐变层的LED结构的剖视图。

[0040] 图6A～6C图示了根据本发明的实施例的形成LED器件的方法。

[0041] 图7是图示根据本发明的实施例的操作的流程图。

[0042] 图8A～8E图示了根据本发明的实施例的LED封装。

[0043] 图9图示了根据本发明的实施例的封装的LED。

[0044] 图10是具有背光的显示单元的示意图，其中背光包括根据本发明的一些实施例的光发射器件。

[0045] 图11是包括根据本发明的一些实施例的光发射器件的固态光源的示意图。

具体实施方式

[0046] 下面将参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以在许多不同的方式中实施并且不应被解释为限于这里阐述的示例性实施例。相反地，所公开的实施例被提供以使得本公开内容将是详尽的和完整的，并且将向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，层和区域的尺寸和相对尺寸可以被放大。而且，这里描述和图示的每个实施例也包括其互补传导类型的实施例。相同的附图标记通篇表示相同的元件。

[0047] 将理解，当元件或层被称为“位于另一元件上”、“连接到”、“耦合到”或者“响应于”(和/或其变化形式)另一元件时，其可以直接位于该另一元件上或者直接连接到、耦合到或者响应于该另一元件或者可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接位于另一元件上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或者“直接响应于”(和/或其变化形式)另一元件时，不存在中间元件。如这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个关联的列出项的任何和所有组合并且可以被简写为“/”。

[0048] 将理解，尽管术语第一、第二、第三等在这里可以用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于使一个元件、部件、区域、层或部分区别于另一区域、层或部分。因此，在不偏离本发明的教导的情况下，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

[0049] 这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且不应成为本发明的限制。如这里使用的，除非上下文清楚地另外指出，否则单数形式“一个”也应包括复数形式。将进一步理解，术语“包括”(和/或其变化形式)当在本说明书中使用时，指明了所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不应排除一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、步骤和/或其组的存在或添加。相反地，术语“由...组成”(和/或其变化形式)当在本说明书中使用时，指明了所陈述数目的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，并且排除另外的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件。

[0050] 下文参照根据本发明的实施例的方法和/或装置(系统)的框图和/或流程图描述了本发明。应当理解，框图和/或流程图的框，以及框图和/或流程图中的框的组合，可以实施用于实现框图和/或流程图的框中指明的功能/动作的装置/系统(结构)、部件(功能)和/或步骤(方法)。

[0051] 还应当注意，在一些替选实现方案中，框中注释的功能/动作可以按照不同于流程图中注释的顺序出现。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时地执行或者依赖于所牵涉的功能/动作，框有时可以按相反的顺序执行。而且，流程图和/或框图的给定框的功能可以被分为多个框和/或流程图和/或框图的两个或更多个框的功能可以至少部分地合并。

[0052] 此外，诸如“下”或“底”和“上”或“顶”的关系性术语在这里可以用于描述如附图中所示的一个元件与另一元件的关系。将理解，关系性术语应涵盖除了图中示出的取向之外的不同的器件取向。例如，如果一个图中的器件被翻转，则被描述为位于其他元件“下”侧的元件将被取向为在这些其他元件“上”侧。因此，示例性术语“下”可以依赖于图的特定取向而涵盖“下”和“上”的取向。相似地，如果一个图中的器件被翻转，则被描述为位于其他元件“下方”或“下面”的元件将被取向为在这些其他元件“上方”。因此，示例性术语“下方”或“下面”可以涵盖上方和下方的取向。

[0053] 这里通过参照作为本发明的理想化的实施例(和中间结构)的示意图的剖视图描述了本发明的示例实现实施例。因此，可以预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的图示形状的变化。因此，除非这里明确地如此定义，否则所公开的本发明的示例性实施例不应被解释为限于这里图示的区域的特定形状，但是将包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被图示为矩形的注入区域将典型地在其边缘处具有圆形或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而非从注入区域到非注入区域的骤变。同样地，通过注入形成的隐埋区域可以导致隐埋区域和通过其进行注入的表面之间的区域中的某种注入。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的并且它们的形状并非图示器件区域的实际形状并且除非这里明确地如此定义，否则并非限制本发明的范围。

[0054] 除非另外定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员普遍理解的含义相同的含义。将进一步理解，诸如普遍使用的词典中定义的术语应被解释为具有与其在相关技术和本申请的背景中的含义一致的含义，并且除非明确地如此定义，否则将不在理想化或过度正规的意义上进行解释。

[0055] 根据本发明的一些实施例的，提供了固态光发射器件，其包括：固态光发射管芯，被配置为在其通电时发射光；以及基于荧光体的波长转换结构，被布置为接收固态光发射管芯发射的光。在一些实施例中，波长转换结构可以分立于固态光发射管芯制造，并且随后可以附着到管芯。在这些情况中，如下文更详细描述的，波长转换结构可以被称为预制件，其尺寸可以是任选的以适合管芯的光发射表面，并且随后被附着到光发射表面。在一些实施例中荧光体预制件可以粘合附着到光发射管芯。

[0056] ！“波长转换结构”是包括如下荧光体的LED中的结构，所述荧光体可以在一个波长下吸收光并且在另一波长下重新发射光。在一些实施例中，荧光体波长转换结构可以包括单晶荧光体，并且在一些实施例中可以包括嵌入在高折射率材料中的单晶荧光体颗粒。

[0057] 词语“粘合附着”指的是使两个元件彼此接合。接合可以是经由单个粘合剂层的直接结合或者经由一个或多个中间粘合剂和/或其他层/结构，从而形成固态光发射管芯和粘合附着到该管芯的荧光体预制件的整体结构，由此使得该整体结构可以被放置在子衬底或其他封装元件上。

[0058] 术语“透明”指的是来自固态光发射器件的光学辐射可以穿过材料，而没有被全吸收或全反射。

[0059] 根据本发明的各种实施例的预制的荧光体波长转换结构的使用可以提供制造固态光发射器件的许多潜在的优点。例如，常常期望的是，将荧光体和/或其他光学元件并入到固态光发射器件中。然而，当通过分配包含荧光体颗粒的液体聚合物涂层来形成荧光体层时，所述涂层可以是过厚的和/或不期望地非均匀的。而且，并入到穹顶或外壳中的荧光体层可能是过厚的和/或非均匀的。此外，荧光体通常被提供作为支撑基板中的多晶粉末，其中荧光体颗粒的尺寸和品质可以显著地影响荧光体的量子效率和/或反射系数。荧光体颗粒和基板材料的折射率的差异可能导致不期望的光散射，其可能降低LED封装的光提取效率和/或降低波长转换的效率。

[0060] 荧光体波长转换结构可以由任何适当的能够将一个波长的光转换为另一波长的荧光体材料形成。例如，在一些实施例中，荧光体材料可以是掺杂铈(Ce)的单晶，诸如Y3Al5O12(Ce:YAG)。在其他实施例中，可以使用其他荧光体，诸如掺杂Ce和/或铕(Eu)的(Ca，Sr，Mg)AlSiN3；掺杂Eu的Sr2-xBaxSiO4(BOSE)；掺杂Ce或Eu的硫化镓酸锶(strontium thio-gallate)；或者掺杂Eu的α-SiAlON、Y2O2S、La2O2S、硅石榴石、Y2O2S或La2O2S。此外，在一些实施例中，也可以使用欧洲专利公开No.1,696,016和/或美国专利公开No.2007/0075629中描述的荧光体。单晶荧光体也可以按任何适当的水平被掺杂。在一些实施例中，Ce和/或Eu被掺杂到单晶荧光体中，使得掺杂剂浓度的范围是约0.1％～约20％。

[0061] 通过使用根据本发明的一些实施例的荧光体波长转换结构，还可以减少聚合物波长转换结构中出现的内部吸收或反弹。再者，在一些实施例中，荧光体波长转换结构是可以独立于固态光发射管芯而形成的预制件，并且因此其可以在不影响固态光发射管芯的可靠性和/或产量的情况下被制造和测试。最后，本发明的一些实施例可以提供相对刚性的荧光体预制件，其可以允许波长转换结构的更高效和有效的纹理化、粗糙化、刻蚀和/或特征化。

[0062] 图1A～1E是可以可选地与其他光学元件组合，与根据本发明的各种实施例的波长转换结构一起使用的常规的光发射二极管(LED)的各种构造的剖视图。如图1A～1E中所示，固态光发射器件100包括固态光发射管芯110，其可以包括二极管区域D和衬底S。二极管区域D被配置为，通过在阳极接触部A和阴极接触部C之间施加电压，在其通电时发射光。二极管区域D可以包括有机和/或无机材料。在无机器件中，衬底S可以包括碳化硅、蓝宝石和/或任何其他的单元素和/或化合物半导体材料，并且二极管区域D可以包括碳化硅、氮化镓、砷化镓、氧化锌和/或任何其他的单元素或化合物半导体材料，这些材料可以与衬底S相同或不同。衬底S的厚度是约100μm～约250μm，尽管可以使用更薄或更厚的衬底或者可以完全不使用衬底。阴极C和阳极A接触部可以由金属和/或其他导体形成，并且可以是至少部分透明的和/或反射的。有机和无机LED的设计和制造对于本领域的技术人员是公知的并且不需要在这里进行详细描述。诸如图1A～1E中示出的LED可以在例如商标 EZBrightTM、UltraThinTM、
和/或其他商标下由本申请的受让人Cree，
Inc.公司销售，或者由其他方销售。

[0063] 在图1A中，可以直接从二极管区域D进行光发射。相反地，在图1B的实施例中，可以从二极管区域D通过衬底S进行发射。在图1C和1D中，衬底S的形状可被确定为用于增强来自衬底S的侧壁的发射和/或提供其他所期望的效果。最后，在图1E中，基本自身可以被极大地薄化或者被完全消除，从而仅存在二极管区域D。而且，在所有以上实施例中，阳极A和阴极C接触部可以具有各种配置并且可以如图示的，在固态光发射管芯110的相对的侧面上提供，或者在固态光发射管芯110的同一侧面上提供。也可以提供给定类型的多个接触部。

[0064] 图1F通过提供包括固态光发射管芯110的固态光发射器件100而提供了图1A～1E的一般化，其中所述固态光发射管芯110包括图1A～1E的二极管区域D并且还可以包括图1A～1E的衬底，并且被配置为在其经由一个或多个接触部120a、120b通电时发射光，该一个或多个接触部120a、120b可以包括图1A～1E的阳极A和阴极C。

[0065] 图1G图示了图1F的固态光发射器件100，通过将器件100安装在子衬底130上对其进行封装，子衬底130使用一个或多个线接合134提供外部电气连接132，并且还提供保护穹顶或封盖140。如本领域的技术人员公知的，可以使用许多其他封装技术来对固态光发射管芯进行封装，并且这里不需要对这些技术进行进一步的描述。例如，在2004年9月14日授予Slater，Jr.等人的题为“Light Emitting Diodes IncludingModifications for Light Extraction”的美国专利No.6,791,119；在2005年5月3日授予Slater，Jr.等人的题为“Flip-Chip Bonding of LightEmitting Devices and Light Emitting Devices Suitable for Flip-ChipBonding”的美国专利No.6,888,167；在2004年5月24日授予Slater，Jr.等人的题为“Light Emitting Diodes Including Modifications forSubmount Bonding”的美国专利No.6,740,906；在2005年2月8日授予Slater，Jr.等人的题为“Phosphor-Coated Light Emitting DiodesIncluding Tapered Sidewalls，and Fabrication Methods Therefor”的美国专利No.6,853,010；在2005年4月26日授予Andrews的题为“Light-Emitting Devices for Light Conversion and Methods andSemiconductor Chips for Fabricating the same”的美国专利No.6,885,033；和在
2006年4月18日授予Negley等人的题为“Transmissive Optical Elements Including Transparent Plastics ShellHaving a Phosphor Dispersed Therein，and Methods of Fabricatingsame”的美国专利No.7,029,935；在2005年3月10日公开的Negley等 人 的 题 为“Solid Metal Block Mounting Substrates for SemiconductorLight Emitting Devices，and Oxidizing Methods for Fabricating Same”的美国专利申请公开No.2005/0051789；在2005年9月29日公开的Negley的题为“Semiconductor Light Emitting Devices IncludingFlexible Film Having Therein an Optical Element，and Methods ofAssembling Same”的美国专利申请公开No.2005/0212405；在2006年1月26日公开的Negley的题为“Reflective Optical Elements forSemiconductor Light Emitting Devices”的美国专利申请公开No.2006/0018122；在2006年3月23日公开的Negley的题为“Semiconductor Light Emitting Devices Including Patternable FilmsComprising Transparent Silicone and Phosphor，and Methods ofManufacturing Same”的美国专利申请公开No.2006/0061259；在2006年5月11日公开的Negley的题为“Solid Metal Block SemiconductorLight Emitting Device Mounting Substrates and Packages IncludingCavities and Heat Sinks，and Methods of Packaging Same”的美国专利申请公开No.2006/0097385；在2006年6月15日公开的Negley等人的题为“Semiconductor Light Emitting Device Mounting Substrates andPackages Including Cavities and Cover Plates，and Methods ofPackaging Same”的美国专利申请公开No.2006/0124953；和在2006年6月29日公开的Negley等人的题为“Light Emitting Diode Arrays forDirect Backlighting of Liquid Crystal Displays”的美国专利申请公开No.2006/0139945；以及在2006年4月21日提交的Villard的题为“Multiple Thermal Path Packaging For Solid State Light EmittingApparatus And Associated Assembling Methods”的美国申请No.11/408,767中描述了封装技术，所有这些均被转让于本发明的受让人，其整体公开内容通过引用合并于此。

[0066] 图2中图示了根据本发明的一些实施例的波长转换结构。如其中所示，在一些实施例中，波长转换结构10包括透明基板材料12，其中嵌入了诸如荧光体颗粒和/或纳米晶体的多个光转换颗粒14。透明基板材料12可以包括如下的透明材料，其折射率与其中嵌入有波长转换颗粒的折射率基本上匹配。例如，透明基板材料可以包括高折射率硅树脂。如这里使用的，“高折射率硅树脂”包括具有约1.6或更大的折射率的硅树脂材料。高折射率硅树脂材料可获得自例如日本东京的Shin-EtsuChemical Co.，Ltd。

[0067] 通过在折射率基本上匹配的基板材料12中提供波长转换颗粒14，因基板材料12和波长转换颗粒14的折射率差异引起的光散射损失可以被减小和/或消除。对于封装中期望的光散射或改变方向而言，可以通过其他潜在地更高效或有效的手段来获得，诸如包括可以包括在封装中的所期望的位置的光散射层和/或反射器。因此，光散射可以与光的波长转换分离，这可以导致更高效的波长转换、从封装发射的光的最终图案的更好的控制和/或来自封装的光的更高效的提取。

[0068] 在另外的实施例中，波长转换结构10包括单晶荧光体波长转换结构，其是包括可以在一个波长下吸收光并且在另一波长下重新发射光的单晶荧光体的结构。例如在2007年5月16日提交的题为“SINGLESRYSTAL PHOSPHOR LIGHT CONVERSION STRUCTURE FORLIGHT EMITTING DEVICE”的共同受让的美国专利申请No.11/749,258中描述了单晶荧光体，其公开内容通过引用合并于此。由于单晶荧光体可以不具有内部折射率边界，因此还可以减少和/或避免单晶荧光体波长转换结构中的光散射。

[0069] 根据本发明的一些实施例的波长转换结构10可以独立于LED芯片而被制造并且可以在制造期间与LED封装中的LED芯片组合。例如，根据本发明的一些实施例的波长转换结构10可以单独地制造并且随后在晶片或芯片级别上粘合接合到LED结构，或者可以安装在LED封装中以便于实现所需的波长转换。而且，根据本发明的一些实施例的波长转换结构10可以被纹理化和/或构图，以便通过减少波长转换结构10与相邻介质的界面处的总内部反射的影响来改进来自LED封装的光提取。

[0070] 因此，将意识到，根据本发明的一些实施例的波长转换结构10可以独立于安装在LED封装中的LED芯片而被制造和测试。因此，可以在封装之前识别和放弃有缺陷的波长转换结构，潜在地增加了产量和/或降低了生产成本。

[0071] 在一些实施例中，波长转换结构10包括硅树脂基板12，其包括作为波长转换颗粒而嵌入在其中的多个荧光体颗粒14。诸如YAG荧光体颗粒的荧光体颗粒典型地具有约1.8的折射率。

[0072] 在一些实施例中，波长转换结构10包括硅树脂基板12，该硅树脂基板12包括其中作为波长转换颗粒的多个纳米晶体。纳米晶体可以包括例如，其直径小于穿过波长转换结构10的光的波长的TiO2颗粒。

[0073] 根据另外的实施例，包括具有嵌入的光转换颗粒的高折射率硅树脂基板的波长转换结构可以例如，通过将液体形式的材料旋涂到晶片上而直接形成在LED晶片上。

[0074] 图3A和3B中图示了根据本发明的一些实施例的制造LED芯片/管芯的方法。如其中示出的，提供了包括透镜衬底22和二极管层24的LED晶片20。透明衬底22可以包括生长衬底(即，其上外延地生长二极管层的半导体衬底)和/或二极管层24可以接合到的载体衬底。例如，可以在牺牲生长衬底(未示出)上生长二极管层24。二极管层24可以是接合到载体衬底的晶片，并且牺牲生长衬底可以被移除。例如在2006年8月24日公开的题为“SUBSTRATE REMOVAL PROCESSFOR HIGH LIGHT EXTRACTION LEDS”的美国专利公开No.2006/0189098中描述了衬底移除技术，其公开内容通过引用合并于此。

[0075] 如图3A中所示，波长转换结构10可以独立于LED晶片20制造，并且可以通过例如晶片结合或粘合接合而被接合到LED晶片20。在一些实施例中，波长转换结构10可以包括嵌入有光转换颗粒的高折射率硅树脂层。高折射率硅树脂层可以被旋涂到LED晶片上并且被固化以形成波长转换结构10。

[0076] 参照图3B，通过对包括波长转换结构10的LED晶片20划片，可以形成单独的LED芯片30。诸如锯切和/或激光划片的常规的划片技术可以被用于获得切单LED芯片30。在二极管层D上可以形成多个阳极和阴极欧姆接触部32、34。在一些实施例中，可以在波长转换结构10接合到LED晶片20之前形成欧姆接触部。因此，LED芯片30可以适于倒装芯片安装在LED封装中，由此可以通过透明衬底22提取光。

[0077] 在一些实施例中，可以在例如波长转换结构接合到衬底22之前在衬底22上形成阳极和/或阴极欧姆接触部。随后可以在波长转换结构中刻蚀开口以使欧姆接触部暴露。

[0078] 图4A和4B中图示了根据本发明的另外的实施例的制造LED芯片/管芯的方法。如图4A和4B中所示，二极管层24可以例如通过粘合接合而接合到载体衬底42。波长转换结构10可以接合到二极管层24。随后可以从二极管层24移除载体衬底42，并且二极管层和波长转换结构可以被划片以提供单独的LED芯片40。此外，可以在二极管层24上形成阳极和阴极接触部32、34以促进LED芯片电气连接到外部电路和/或LED封装。

[0079] 在一些应用中，所期望的是LED封装包括LED芯片上的密封材料或层，其提供与诸如二极管层24的高折射率材料基本上匹配的折射率以及与诸如常规的硅树脂的低折射率材料匹配的折射率。因此，参照图5A和5B，本发明的一些实施例提供了具有连续渐变的折射率的折射率渐变层50。特别地，折射率渐变层50可以包括具有高或中间范围的折射率的基板材料52。如这里使用的，中间范围的折射率指的是约1.54和1.65之间的折射率。其折射率高于基板材料52的折射率的折射率改变颗粒54被嵌入在基板材料52中。

[0080] 如图5A中所示，折射率改变颗粒54的浓度随着折射率渐变层50的厚度而连续变化，从而折射率渐变层50的一个部分中的折射率改变颗粒54的浓度大于折射率渐变层50的另一部分中的折射率改变颗粒54的浓度。例如，如图5A中所示，在二极管层24上提供折射率渐变层50。二极管层24可以包括具有相对高的折射率的半导体材料(诸如氮化镓)。折射率渐变层50可以包括例如具有约1.5的折射率的硅树脂的基板材料52。可以具有约
1.8或更高的折射率的诸如TiO2、SiO2的折射率改变材料和/或荧光体颗粒的颗粒54被嵌入在硅树脂基板52中。

[0081] 如图5A中所示，基板52中的颗粒54的浓度在折射率渐变层50和二极管层24之间的界面附近是最高的，并且随着远离二极管层24的距离而降低。因此，如伴随图5A的曲线图所示，折射率渐变层50的折射率N在折射率渐变层50和二极管层24之间的界面附近是最高的，并且随着远离二极管层24的距离而连续降低。渐变可以包括折射率渐变层50的折射率的线性和/或非线性改变。

[0082] 梯度创建层中的折射率改变颗粒54可以执行或者可以不执行波长转换。因此，如图5B和5C中所示，可以在折射率渐变层50上提供单独的波长转换层60。例如，如图5B中所示，可以在梯度创建层50上提供波长转换层60。当波长转换层60包括低折射率材料(诸如具有约1.5的折射率的常规的硅树脂)时，该结构可以是有用的。在一些实施例中，波长转换层可以包括如上文所述的波长转换结构10。

[0083] 如图5C中所示，在一些实施例中，可以在波长转换层60上提供折射率渐变层50，从而波长转换层60位于二极管层24和梯度创建层50之间。当在波长转换层60中使用诸如单晶荧光体材料的高折射率材料和/或高折射率硅树脂材料时，该结构可以是适用的。

[0084] 通过配制包含梯度改变颗粒54的液体硅树脂层，并且在固化之前使得颗粒54部分地沉淀在液体硅树脂中，可以形成折射率渐变层50。就是说，利用嵌入有荧光体或其他颗粒的硅树脂的常规的制造技术典型地尝试形成具有均匀组分的硅树脂层。相反地，本发明的一些实施例利用固化之前的液体硅树脂中悬浮的颗粒随时间沉淀的趋势，由此建立了具有非均匀组分的层50。例如，在一些实施例中，可以配制包括高折射率颗粒的液体硅树脂并且使得在固化之前将其静置至少一小时，以便于在基板中提供适量的沉淀。当固化时，硅树脂基板的底部将因沉淀而具有较高浓度的颗粒，并且基板中的颗粒浓度将向上降低。因此，固化层的折射率也将向上连续降低。

[0085] 图6A～6C中图示了本发明的另外的实施例，图6A～6C是图示根据本发明的一些实施例的倒装芯片光发射器件的封装的剖视图。参照图6A，LED芯片200被倒装芯片安装在子衬底210上。子衬底210可以包括具有高热传导性的陶瓷材料，诸如氮化铝、金属、硅或者任何其他适当的材料。欧姆接触部212将LED芯片200的接触部连接到子衬底210上的金属迹线(未示出)。如图6B中所示，波长转换层220接合到与子衬底210相对的LED芯片200上。参照图6C，可选的折射率渐变层230接合到波长转换层220。如图6C中所示，波长转换层220可以被安置在折射率渐变层230和LED芯片200之间。然而，在一些实施例中，折射率渐变层230可以被安置在LED芯片200和波长转换层220之间。

[0086] 可以在LED芯片200上提供光散射层235，例如，在折射率渐变层230和/或波长转换层220上。

[0087] 最后，可选的透镜240被接合到LED芯片200。可以使用例如粘合剂将透镜240接合到LED芯片200。透镜240可以由玻璃、硅树脂、聚丙烯酸酯或者任何其他适当的材料形成，并且形状可被确定为产生所期望的光发射图案。在一些实施例中，可以在透镜240的表面上提供抗反射涂层以减少因Fresnel反射引起的透镜-空气界面处的光损失。

[0088] 粘合剂可以是液体硅树脂，其可以在透镜240附着到LED芯片210之前被分配到单个波长转换层220、折射率渐变层230和/或透镜240上，并且随后在透镜240附着之后被固化。例如，基于硅树脂的液体环氧树脂可以在室温下配制并且使用透镜240放置的拾取和放置力而散布。随后可以通过在炉中加热而进行固化。

[0089] 图7中图示了根据本发明的一些实施例的封装操作。提供LED芯片或晶片(框302)。在LED芯片/晶片上形成可选的折射率渐变层(框304)。在一些实施例中，折射率渐变层可以独立于LED芯片/晶片而形成并且作为预制件被应用到LED芯片/晶片。在另外的实施例中，折射率渐变层可以通过如下方式形成：将包括折射率改变颗粒的液体硅树脂旋涂到LED晶片上，并且在固化之前使得折射率改变颗粒沉淀。在另一示例中，折射率渐变层可以通过如下方式形成：将包括折射率改变颗粒的液体硅树脂分配到LED晶片上并且在固化之前使得折射率改变颗粒沉淀。

[0090] 将波长转换结构应用到LED芯片/晶片(框306)。如上文提到的，波长转换结构可以独立于LED芯片/晶片而形成并且作为预制件被应用于LED芯片/晶片，或者在一些实施例中，可以通过旋涂直接形成在LED晶片上。

[0091] 根据本发明的各种实施例，可以与波长转换结构组合地提供许多其他光学元件。通常，光学元件可以被配置为通过如下方式改变从固态光发射管芯发射的至少一些光：改变其幅度、频率和/或方向。这些光学元件可以包括其他的波长转换结构，其包括多晶荧光体颗粒、诸如透镜的光学折射元件、诸如彩色滤光器的光学滤光元件、诸如光学散射颗粒的光学散射元件、诸如纹理化表面的光学漫射元件和/或诸如反射表面的光学反射元件，其包括在单晶荧光体波长转换结构之中和/或之上。可以提供这些和/或其他实施例的组合。而且，可以提供两个或更多个单晶荧光体波长转换结构，其中每个单晶荧光体波长转换结构可以取决于固态光发射器件的所期望的功能而执行不同的光学处理功能、同一光学处理功能或者重叠的光学处理功能。

[0092] 图8A～8E是根据本发明的各种实施例的封装器件的剖视图。在图8A～8E中，对于相似的元件使用共同的附图标记。参照图8A，封装的LED 400A包括安装在子衬底402上的LED芯片100。LED芯片100和子衬底402安装在杯部404的基部，该杯部404限定了LED芯片100上方的光学腔406。杯部404可以由诸如铝和/或银的反射金属形成和/或涂覆有诸如铝和/或银的反射金属。光学腔406可以填充有密封材料，诸如硅树脂和/或环氧树脂。

[0093] 波长转换结构410A被安置在杯部404上方并且覆盖光学腔406，从而从光学腔406选出的光穿过波长转换结构410A。如上文所述，穿过波长转换结构410A的至少一些光可以从第一波长被转换为第二波长。透镜420被安置在波长转换结构410A上方，并且按所期望的方式引导LED芯片100发射的光通过波长转换结构410A。如图8A中进一步图示的，在杯部404上可以提供可选的有角度的反射器415，用于额外控制封装408的光学发射图案。

[0094] 将理解，LED芯片100和波长转换结构410A之间的距离可以根据LED芯片100、子衬底402和杯部404的配置而变化。

[0095] 根据本发明的各种实施例，可以与单晶荧光体光转换结构组合地提供许多其他的光学元件。如上文所讨论的，光学元件可以被配置为通过改变光的幅度、频率和/或方向来改变从LED芯片100发射的至少一些光。这些光学元件可以包括另外的波长转换结构、诸如折射率渐变层的折射率匹配结构、诸如透镜的光学折射元件、诸如彩色滤光器的光学滤光元件、诸如光学散射颗粒的光学散射元件、诸如纹理化表面的光学漫射元件和/或诸如反射表面的光学反射元件。可以提供这些和/或其他实施例的组合。而且，可以提供两个或更多个波长转换结构，其中取决于固态光发射器件所期望的功能，每个波长转换结构可以执行不同的光学处理功能、相同的光学处理功能或者重叠的处理功能。将详细描述许多其他示例。

[0096] 图8B中图示了根据本发明的另外的实施例的封装的LED 400B。如其中所示，可以在波长转换结构410B上提供梯形透镜424。在图8B中图示的实施例中，梯形透镜424包括被安置为与波长转换结构410B相邻的近端表面424A、远离波长转换结构410B的远端表面424B、和从近端表面424A延伸到远端表面424B的有角度的侧表面424C。诸如梯形透镜424的梯形透镜可以提供较之传统的半球形透镜不同的光发射图案。

[0097] 图8C中图示了根据本发明的另外的实施例的封装的LED 400C。如其中所示，可以在杯部404上提供折射率渐变层430，并且半球形主透镜420位于折射率渐变层430上。折射率渐变层430可以被提供用于提供光学腔406中的密封材料和主透镜420之间的折射率匹配。

[0098] 如图8C中进一步示出的，可以在半球形主透镜420上提供准梯形次透镜425。准梯形次透镜425包括共形地与主透镜420的半球形表面配合的凹入表面425A、远离主透镜420的远端表面424B、和从凹入表面425A延伸到远端表面425B的有角度的侧表面425C。
在远端表面425B上提供波长转换结构410C。

[0099] 在图8D中图示了根据本发明的另外的实施例的封装的LED400D。如其中所示，在次透镜425的远端表面425B上提供波长转换结构410D。在有角度的表面425C上形成反射层或涂层435，以向上反射光并且使其通过波长转换结构410D。

[0100] 在波长转换结构410D上提供可选的折射率渐变层430D。用于430D的折射率渐变层可以提供与波长转换结构410D的折射率匹配，这可以增加来自封装400D的光提取。

[0101] 在图8E中图示的封装LED 400E中，在次透镜425的远端表面425B上提供反射器或反射涂层445，并且在次透镜425的侧表面425C上提供波长转换结构410E。因此，通过次透镜425的侧表面425C提取光。

[0102] 图9中图示了本发明的另外的实施例。如其中所示，LED封装500包括安装在子衬底502上的LED芯片100。在LED芯片100和子衬底502上提供波长转换结构520。波长转换结构520由例如铸为透镜形状的硅树脂形成。例如，可以使用硅环氧树脂的薄层512将波长转换结构520附着到衬底。

[0103] 根据本发明的一些实施例提供的光发射器件可以在许多发光应用中使用。例如，参照图10，包括根据本发明的一些实施例的多个光发射器件的发光面板600可以用作诸如液晶显示器(LCD)610的显示器的背光。如图10中所示，LCD 610可以包括发光面板600，其相对于LCD屏幕615安置，使得发光面板600发射的光620穿过LCD屏幕615，从而为LCD屏幕615提供背光。LCD屏幕615包括适当布置的遮挡和关联的滤光器，它们被配置为有选择地通过/阻挡来自发光面板600的选定颜色的光620以产生显示图像。发光面板600可以包括多个根据这里描述的任何实施例的光发射器件。

[0104] 作为另外的示例，参照图11，包括根据本发明的一些实施例的多个光发射器件的发光面板600可以被用作用于固态发光装置或照明器650的发光面板。照明器650发射的光655可以用于照明某个区域和/或物体。例如在受让于本发明的受让人的在2006年4月21日提交的题为“Solid State Luminaires for General Illumination”的美国专利申请No.11/408,648中描述了固态照明器，其整体内容通过引用合并于此。

[0105] 这里结合以上描述和附图描述了许多不同的实施例。将理解，逐个地描述和图示这些实施例的每种组合和子组合将是不必要地重复的和混乱的。因此，包括附图的本说明书将被解释为构成这里描述的实施例的所有组合和子组合以及实现和使用它们的方式和过程的完整的撰写描述，并且对于任何组合或子组合，将支持权利要求。

[0106] 在附图和说明书中，已公开了本发明的实施例，尽管使用了特定的术语，但是它们仅是在一般的和描述性的意义上使用的，并非出于限制的目的，在所附权利要求中阐述了本发明的范围。