專利名稱：包括濾光器的發光裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括濾光器的半導體發光裝置。
背景技術：
諸如發光二極管(LED)的半導體發光裝置是目前可獲得的最高 效光源之一。當前在能夠跨過可見光譜工作的高亮度LED制作中感興
趣的材料體系包括ni-v族半導體，特別是鎵、鋁、銦和氮的二元、三
元和四元合金，也稱為III族氮化物材料；以及鎵、鋁、銦、砷和磷的 二元、三元和四元合金。通常，通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD )、
分子束外延(MBE)或其它外延技術，in族氮化物裝置外延生長在藍
寶石、碳化硅或III族氮化物襯底上，并且III族磷化物裝置外延生長 在砷化鎵上。通常，n型區域沉積在襯底上，隨后有源區沉積在該n 型區域上，隨后p型區域沉積在該有源區上。這些層的順序可以顛倒， 使得p型區域毗鄰襯底。
從諸如發光二極管的半導體發光裝置芯片發射的光的顏色可以通 過將波長轉換材料置于光從芯片出射的路徑內而改變。該波長轉換材 料例如可以是磷光體。磷光體為發光材料，這種發光材料可以吸收激 勵能量(通常為輻射能量)并存儲這一能量一段時間。所存儲的能量 隨后作為能量不同于初始激勵能量的輻射而發射。例如，"降頻轉換" 是指發射的輻射具有比初始激勵輻射少的量子能量的情形。能量波長 有效地增加，使光的顏色朝紅色偏移。
制作發射白光的發光裝置的通常方法是將諸如Y3AlsOu:Ce^的發 射黃光的磷光體與發射藍光的藍光LED芯片組合。黃色的經磷光體轉 換的光和泄漏穿過該磷光體層的未轉換的藍光的組合看上去是白色。 通過僅選擇發射特定波長藍光的LED，并且通過改變磷光體層的厚度 以控制藍光泄漏數量和磷光體轉換的數量，由此控制組合光的顏色特 性。該方法是低效的，因為在期望范圍以外的波長發射藍光的大量LED 是不可用的，并且因為難以精確地控制藍光泄漏和磷光體轉換的數量，
4導致光的相關色溫(CCT)的大的變動。目前有售的磷光體轉換LED 的CCT可從5500K變化到8500K。可識別的顏色差異依賴于組合光的 CCT。在6500K，小至300K的差異對于觀察者而言是明顯的。部件之 間CCT的大的變動對于許多應用是無法接受的。
發明內容
依據本發明的實施例，提供了包括布置在n型區域和p型區域之 間的發光區域的半導體結構。該發光區域配置成發射第一光，在一些 實施例中為藍光。波長轉換材料配置成吸收部分該第一光并發射第二 光，在一些實施例中為黃光，該波長轉換材料布置在該第一光的路徑 內。濾光器布置在該第一光和第二光的路徑內。在一些實施例中，該 濾光器在大于預定強度的強度吸收或反射部分該第一光。在一些實施 例中，該濾光器吸收或反射部分該第二光。在一些實施例中， 一定數 量的濾料(filter material)布置在該笫 一光和第二光的路徑內，隨后 穿過該濾光器的第一光和第二光的CCT被探測。可以增加更多的濾料 或者可以除去濾料以將所探測的CCT校正到預定CCT。
本發明實施例的濾光器可用于校正通過將藍光半導體發光裝置和 黃光磷光體組合而形成的白光的CCT。
圖1為對于將藍光LED與黃光磷光體組合的裝置中發射的藍光和 黃光，強度及CCT與磷光體厚度的函數的曲線。
圖2為對于本發明實施例的濾料，輸出流量(fluence)與輸入流 量的函數的曲線。
圖3示出布置在倒裝芯片安裝的薄膜半導體發光裝置上方的共形 波長轉換層和共形濾光層。
圖4示出布置在倒裝芯片安裝的薄膜半導體發光裝置上方的陶瓷 波長轉換層和濾光層。
圖5示出布置在透鏡上方的濾光層，該透鏡布置在磷光體轉換半 導體發光裝置上方。
圖6示出布置在密封劑內的濾料，該密封劑布置在磷光體轉換半 導體發光裝置上方。
具體實施例方式
依據本發明的實施例，發光裝置包括用于從由該裝置發射的光譜 濾掉任何不期望光的濾光器。使用濾光器可提供優于由磷光體轉換半
導體發光裝置發射的組合光的CCT的改進控制。
由藍光發光裝置和黃光磷光體組合而發射的組合光的CCT可以通 過改變由該裝置發射的藍光的波長、該組合光內藍光的數量以及該組 合光內黃光的數量來改變。
在一些實施例中，該濾料通過蓋住(capping)組合光內藍光的數 量來改變該組合光的CCT。發明人已經觀察到，由磷光體發射的光的 強度隨著磷光體厚度而線性地變化，而泄露穿過該磷光體的未被轉換 的光的強度隨著磷光體厚度而指數地變化。圖1為對于磷光體轉換發 光裝置中的藍光(圖1中菱形)和黃光(圖1中方形)，強度及CCT 與磷光體層厚度的函數的曲線。三角形示出組合光的CCT。如圖1所 示，隨著磷光體厚度增加，組合光內黃光的強度線性地降低。隨著磷 光體厚度增加，組合光內藍光的強度指數地降低。磷光體厚度與藍光
強度之間的非線性關系使得實現期望強度的藍光的目標尤難實現。
圖2示出能夠蓋住藍光強度的濾料的性能。圖2為對于濾料，輸 出流量與輸入流量的函數的曲線。圖2所示的濾料在給定輸入強度閾 值以下是透明的。 一旦達到輸入強度閾值，該濾料對于超過該強度閾 值的任何光是不透明的。因此，該濾料經常通過稱為反飽和吸收的過 程在該閾值水平蓋住從該裝置發射的藍光的強度。
能夠在給定閾值水平蓋住藍光強度的合適濾料可以是有機或無機 的，且包括富勒烯、水熱氧化鋅晶體以及樹突裝飾卟啉。
采用能夠在給定閾值水平蓋住藍光強度的濾料的裝置的波長轉換 層設計成使得，該波長轉換層在峰值效率工作，而與泄漏穿過波長轉 換層的藍光數量無關。 一般而言，就每單位所供應電功率所提取光的 流明而言，磷光體轉換發光裝置的效率隨著泄漏穿過磷光體層的藍光 數量增加而增大，這不僅是因為磷光體在較低吸收時更高效地產生光， 而且因為該磷光體層更薄，使得更少的光由于背散射以及隨后被磷光 體層或半導體裝置吸收而損失。在具有允許藍光顯著泄漏的薄磷光體 層的這種裝置中，能夠在給定閾值水平蓋住藍光強度的濾料可用于從光譜除去過量的不期望的藍光，使得濾料透射的組合光具有期望CCT。
能夠在給定閾值水平蓋住藍光強度的濾料也可用于線性化圖1所 示的磷光體層厚度和泄漏穿過磷光體的藍光強度之間的關系。當這種 濾料被使用時，組合光的CCT可通過磷光體層的厚度而更容易地控制， 因為當磷光體層厚度和藍光強度之間的關系為線性而非指數關系時， 藍光強度且因此CCT對于磷光體層厚度的小的變動較不敏感。
在一些實施例中，濾料通過改變藍光的波長或者通過改變組合光 內藍光和黃光的相對數量來改變組合光的CCT。在這些實施例中，濾 料可以是布置在透明材料內的一種或多種染料或色素。在一些示例中， 濾料包括一種或多種無機色素，這些無機色素對于發光裝置在高熱量 和高通量下通常是穩定的。合適的色素可包括可從Lanxess獲得的 Bayferrox⑧或氧化鉻色素，或者可從Heubach獲得的Heucodur⑧色素。 濾料層的厚度和該層內染料或色素的濃度決定多少光被吸收。在一些 實施例中，濾光層配置成限制濾光器的吸收。例如，濾光器可配置成 透射至少50%的入射在濾光器上的光，更優選地至少70%的入射在濾 光器上的光。相反，在RGB顯示器中設計成隔離紅光、綠光或藍光的 典型濾光器通常僅透射30%的入射在濾光器上的光。
在一個示例中， 一旦波長轉換材料布置在裝置上，測量來自該裝 置的經波長轉換的光和未經轉換光的組合的CCT，隨后計算所需的色 素類型和數量。具有所需數量和類型的色素的濾光層隨后例如通過噴 墨印刷而形成。這一工藝可以在各個裝置上進行，不過通過分批次進 行該工藝，生產能力可以提高。例如，可以在分割晶片內的各個半導 體裝置之前，或者在分割其上布置各個半導體裝置的底座的晶片之前， 測量CCT和形成濾光層。
在另一示例中，該濾光層初始地形成太厚而無法產生期望的CCT。 在形成濾光層之后第一次測量該裝置的CCT，隨后以受控方式除去濾 料以產生期望的CCT。備選地，濾光層可以初始地形成太薄而無法產 生期望的CCT，隨后測量CCT，并以受控方式增加附加濾料以產生期 望的CCT。
在任一上述示例中，多次測量CCT且在每次測量之后添加或除去 濾料直至達到期望的CCT。
計算機控制的激光修整工藝可用于燒蝕濾料以產生期望的CCT。置上一定數
量的該濾光層，其中該數量是依據該裝置的單獨CCT而具體地調整以 用于該裝置的。
可以通過反復的過程來測試每個裝置和除去濾料，或者， 一旦該 系統被校準，即，必須被除去以產生特定CCT變化的濾料數量一旦已 知，每個裝置可被測量一次且恰當數量的濾料被除去。取決于待除去 的材料數量，可能需要多遍來燒蝕濾料，其中每遍僅除去少量的材料。 使用多遍降低了濾料利用激光除去的情形下，燒焦濾料內樹脂的風險。
激光燒蝕可涉及除去一系列線或點的濾料，使得在燒蝕之后濾料 層的厚度在一些區域較薄且在一些區域較厚，而不是在濾料的整個范 圍上均勻地減少。在一個實施例中，在一個位置的厚度可以減少，而 在對應于單一裝置的另一位置厚度可以增加。濾料可以在局域化區域 內部分或全部除去使得濾料的平均厚度減少，而在一些區域濾料的厚 度保持不變。線和點以外的圖案可用于改變波長轉換構件的厚度。
當測量每個裝置的CCT時，可以產生CCT的空間圖。CCT的空 間圖可以提供到計算機控制，且濾料上的高點可被燒蝕，因此不僅獲 得期望的CCT,而且可以使CCT在空間上更為均勻。
激光燒蝕以外的工藝可用于除去濾料。例如，可以使用諸如機械 和/或化學刻蝕、離子束或電子束燒蝕的技術來除去濾料。
上述濾光器可以與任何合適配置的發光裝置和任何合適配置的波 長轉換層一起使用。將理解的是，本發明不限于在以下示例中討論的 材料、裝置取向或者其它細節。例如，本發明的實施例可以應用于任 何合適的發光裝置材料體系，例如包括IH-V族材料、III族氮化物材 料、III族磷化物材料以及II-VI族材料。本發明的實施例可以應用于 任何裝置幾何形狀，包括生長襯底已經除去的薄膜裝置、具有位于半 導體層對立側上的接觸的裝置以及具有位于半導體層相同側上的接觸 的裝置，諸如通過襯底提取光的倒裝芯片以及通過接觸提取光的外延 向上(epitaxy-up)結構。本發明的實施例可以應用于任意類型的波長 轉換層，包括如美國專利6，351，069中所述的布置在樹脂內的波長轉換 材料；如美國專利6，630，691中所述的發光裝置層生長于其上的單晶發 光襯底；如美國專利6,696,703中所述的薄膜磷光體層；以及如美國專 利6,576,488中所迷的通過電泳沉積而沉積的共形層或者如美國專利6,650,044中所述的鏤花；以及如美國公開專利申請2005-0269582中所 述的發光陶瓷層。美國專利6，630，691、 6,696,703、 6,576,488和6，650，044 的每 一 個以及美國/>開專利申請2005-0269582通過引用結合于此。
而且，濾料的具體配置不限于在下述實施例中所示的波長轉換材 料或半導體發光裝置的具體配置。任何恰當的濾光器配置、波長轉換 層配置和裝置配置可以根據本發明的實施例來組合。
圖3至6說明合適配置的半導體發光裝置、波長轉換層和濾光層 的示例。圖3說明襯底已經除去的倒裝芯片安裝的III族氮化物發光裝 置，其包括共形波長轉換層和共形濾光層。III族氮化物半導體結構10 包括布置在n型區域和p型區域之間的發光區域12。 n型區域、發光 區域和p型區域的每一個可包括不同成份和摻雜濃度的多個層。例如， n型區域和p型區域可包括相反導電性的層或者非故意摻雜的層、諸如 緩沖層或成核層的準備層、設計成利于生長襯底的稍后釋放或者襯底 除去之后的半導體結構減薄的釋放層、以及針對發光區域所期望的具 體光學或電學屬性來設計以高效發射光的裝置層。發光區域可以是單 個厚或薄的發光層，或者是由不同成份的阻擋層分隔的多個薄量子阱 層。
在生長襯底上生長半導體結構IO之后， 一部分的最后生長導電類 型區域(通常p型區域)和該發光區域被刻蝕掉，以暴露最初生長的 導電類型區域(通常n型區域)。金屬接觸13和14形成于n型區域和 p型區域的露出部分上。半導體結構通過n型互連15和p型互連16電 和物理連接到底座18。在安裝在底座18上之后，生長襯底(圖3中未 示出)可以通過適于生長襯底材料的工藝來除去，例如對于藍寶石村 底，通過激光熔融或研磨；或者對于SiC或復合襯底，通過刻蝕或研 磨。在半導體結構10連接到底座18之前、期間或之后，底層填料可 以布置在半導體結構10和底座18之間的任何開放空間內，其中該底 層填料支持半導體結構IO以防止或減少在生長襯底除去時的破裂。圖 3所示取向中通過除去生長襯底而露出的半導體結構10的頂面可以通 過例如光電化學刻蝕來減薄，且可以粗糙化或紋理化為具有諸如光子 晶體的特征，從而增強從半導體結構IO的光提取。
共形波長轉換層20形成于半導體結構10的頂部和側面。波長轉 換層20例如可以是通過電泳沉積或鏤花形成的磷光體層。共形濾光層
922形成于波長轉換層20上，該共形濾光層可包括一種或多種上述濾料。 濾光層22例如可以通過噴墨印刷或鏤花布置于諸如環氧樹脂或硅酮的 透明栽體內的濾料來形成。
圖4說明生長襯底已經除去的倒裝芯片安裝的III族氮化物發光裝 置，其包括陶瓷波長轉換層和濾光層。半導體結構IO為參考圖3在上 文描述的倒裝芯片安裝于底座18上的薄膜裝置。波長轉換層24為布 置在半導體結構10的露出頂面上的陶瓷磷光體。陶瓷磷光體層24例 如可以通過諸如環氧樹脂或硅酮的有機粘合劑、 一種或多種高指數無 機粘合劑、或者溶膠-凝膠玻璃而附著到半導體結構10。濾光層26形 成于波長轉換層24上，該濾光層可包括一種或多種前述濾料。濾光層 26例如可以通過噴墨印刷來形成，或者可以是諸如布置在玻璃、硅酮 或其它透明固體內的濾料的分開制作構件，該構件例如通過諸如環氧 樹脂或硅酮的有機粘合劑、 一種或多種高指數無機粘合劑、或者溶膠-凝膠玻璃而附著到陶瓷磷光體層24。
圖5說明形成在透鏡上方的濾光層，該透鏡布置在波長轉換的發 光半導體結構上方。任意合適的半導體結構10和波長轉換層27封裝 在包括透鏡30的封裝內。諸如硅酮的透明材料28可以布置在透鏡30 與半導體結構10及波長轉換層27之間的空間內。濾光層32可以如圖 5所示涂敷在透鏡30的外表面上，該濾光層可包括一種或多種上述濾 料，該透鏡可以是玻璃、塑料或者任何其它合適的透明材料。備選地， 濾光層32可以形成于透鏡30的內表面上，或者濾料的顆粒可以混合 在用于形成透鏡30的材料內。
圖6說明混合在覆蓋波長轉換的發光半導體結構的透明材料內的 濾光器。任何合適的半導體結構10和波長轉換層27置于諸如反射杯 或引線框的封裝結構36內。濾光層34包括一種或多種上述濾料，該 濾料與透明材料混合且涂敷在半導體結構IO和波長轉換層27上方。
圖3至6所示示例中說明的濾光層可以如上所述通過增加附加材 料或者通過燒蝕除去材料而調整。在一些實施例中，形成為不同配置 的不同波長轉換材料以及形成為不同配置的不同濾料可以組合在單個 裝置內。
已經詳細描述了本發明，本領域技術人員將意識到，鑒于本公開 內容，可以對本發明進行調整而不背離此處所述發明概念的精神。因此，本發明的范圍并不旨在受所說明和描述的具體實施例限制。
權利要求
1.一種裝置，包括含有布置在n型區域和p型區域之間的發光區域(12)的半導體結構(10)，該發光區域配置成發射第一光；布置在該第一光的路徑內的波長轉換材料(20、24、27)，該波長轉換材料配置成吸收部分該第一光并發射第二光；以及布置在該第一光的路徑內的濾光器(22、26、32、34)，該濾光器配置成在大于預定強度的強度吸收或反射部分該第一光。
2. 如權利要求l所述的裝置，其中該半導體結構(10)包括多個 III族氮化物層。
3. 如權利要求l所述的裝置，其中該第一光包括藍光，該第二光 包括黃光。
4. 如權利要求l所述的裝置，其中該波長轉換材料(20、 24、 27) 包括磷光體。
5. 如權利要求l所述的裝置，還包括布置在該半導體結構(10) 上的透鏡(30)，其中該濾光器(32)涂敷在該透鏡的表面上。
6. —種裝置，包括含有布置在n型區域和p型區域之間的發光區域(12)的半導體 結構(10)，該發光區域配置成發射第一光；布置在該第一光的路徑內的波長轉換材料(20、 24、 27)，該波長轉換材料配置成吸收部分該第一光并發射第二光；以及布置在該第一光和該第二光的路徑內的濾光器(22、 26、 32、 34)， 其中該濾光器配置成吸收或反射部分該第二光，其中該濾光器配置成 透射至少50%的入射在該濾光器上的光。
7. 如權利要求6所述的裝置，其中該濾光器為第一濾光器，該裝 置還包括布置在該第一光和該第二光的路徑內的第二濾光器，其中該 第二濾光器配置成吸收或反射部分該第一光。
8. 如權利要求6所述的裝置，其中該第一光包括藍光，該第二光 包括黃光。
9. 如權利要求6所述的裝置，其中在穿過該濾光器之后，包括第 一光和第二光的復合光看上去為白色。
10. —種方法，包括提供半導體發光裝置和波長轉換材料(20、 24、 27)，該半導體發 光裝置配置成發射第一光，且該波長轉換裝置(20、 24、 27)布置在 該第一光的路徑內，配置成吸收部分該第一光并發射第二光；探測組合的第一和第二光的CCT;以及將濾光器(22、 26、 32、 34)布置在該第一光和第二光的路徑內， 其中該濾光器配置成吸收或反射部分該第一光和部分該第二光之一， 并且其中所布置的濾料的數量或類型是基于所探測的CCT來確定。
11. 如權利要求IO所述的方法，其中將濾光器(22、 26、 32、 34) 布置在該第一光和第二光的路徑內包括在該波長轉換材料上噴墨印刷 該數量的濾料。
12. 如權利要求IO所述的方法，其中將濾光器(32)布置在該第 一光和第二光的路徑內包括在透鏡(30)的表面上噴墨印刷該數量的 濾料，該方法還包括將該透鏡布置在該波長轉換材料(27)上方。
13. 如權利要求IO所述的方法，還包括在將濾光器(22、 26、 32、 34)布置在該第一光和第二光的路徑內之后，第二次探測組合的 第一和第二光的CCT;以及基于該第二次所探測的CCT而除去濾料或 者增加附加濾料。
14. 如權利要求13所述的方法，其中除去濾料包括除去選擇為將 所探測的CCT校正到預定CCT的一定數量的濾料。
15. 如權利要求13所述的方法，其中除去濾料包括通過激光燒蝕 來除去。
全文摘要
半導體結構(10)包括布置在n型區域和p型區域之間的發光區域(12)。波長轉換材料(20、24、27)配置成吸收由該發光區域發射的部分第一光并發射第二光，該波長轉換材料布置在該第一光的路徑內。濾光器(22、26、32、34)布置在該第一光和第二光的路徑內。在一些實施例中，該濾光器在大于預定強度的強度吸收或反射部分該第一光。在一些實施例中，該濾光器吸收或反射部分該第二光。在一些實施例中，一定數量的濾料布置在該第一光和第二光的路徑內，隨后穿過該濾光器的第一光和第二光的CCT被探測。可除去濾料以將所探測的CCT校正到預定CCT。
文檔編號H01L33/00GK101652868SQ200780047683
公開日2010年2月17日 申請日期2007年12月21日 優先權日2006年12月22日
發明者M·H·庫帕, T·A·特羅蒂爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司;飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司