包括發光器件和波長轉換材料的光學腔的制作方法
【專利摘要】本發明的實施例包括附接到襯底的半導體發光二極管。波長轉換材料的第一區布置在襯底上。波長轉換材料被配置成吸收半導體發光二極管發射的光并且以不同的波長發射光。在第一區中，波長轉換材料涂敷襯底的整個表面。襯底被布置成接近光學腔的底表面。波長轉換材料的第二區被布置成接近光學腔的頂表面。
【專利說明】包括發光器件和波長轉換材料的光學腔

【技術領域】
[0001]本發明涉及包括諸如發光二極管之類的半導體發光器件和諸如磷光體之類的波長轉換材料的光學腔。

【背景技術】
[0002]包括發光二極管(LED)、諧振腔發光二極管(RCLED)、諸如表面發射激光器之類的垂直腔激光器二極管(VCSEL)和邊發射激光器的半導體發光器件是當前可用的最高效的光源之一。當前在能夠跨可見光譜進行操作的高亮度發光器件的制造中感興趣的材料體系包括II1-V族半導體，特別是鎵、鋁、銦與氮的二元、三元和四元合金，其也被稱為III族氮化物材料。典型地，通過經由金屬-有機化學氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技術在藍寶石、碳化硅、III族氮化物或其它合適的襯底上外延生長不同組分和摻雜濃度的半導體層的堆疊來制作III族氮化物發光器件。該堆疊通常包括形成在襯底之上的摻雜有例如Si的一個或多個η型層、形成在該一個或多個η型層之上的有源區中的一個或多個發光層以及形成在有源區之上的摻雜有例如Mg的一個或多個P型層。電接觸形成在η型區和P型區上。
[0003]如本領域中已知的，III族氮化物器件可以與諸如磷光體之類的波長轉換材料組合以形成白色光或其它顏色的光。
[0004]圖1圖示了在US 7，052, 152中更加詳細地描述的背光。US 7，052, 152的第5欄第33行到第6欄第7行描述了當僅使用藍色、UV或近UV LED時作為背光配置的圖1中的器件，并且其中顏色轉換磷光體層139在蓋板140上。蓋板140可以是或者可以不是漫射體，這取決于磷光體執行的漫射的量。磷光體層139是均勻層，其由一個或多個不同類型的磷光體構成。優選地，使用綠色和紅色磷光體，但是也可以使用黃色(YAG)磷光體。該層139可以例如通過噴涂、絲網印刷或電泳沉積來施加，或者可以是膜，所述膜具有均勻密度的顆粒或遍及該膜分布的發光染料。該配置是吸引人的，因為磷光體不在LED管芯的頂部上，并且從磷光體發射到背光126的后部的光比發射到LED芯片中的光具有更大的回收效率，這歸因于背光126中所使用的膜的高反射性。并且除了回收效率之外，磷光體可以在較低溫度處操作并且沒有與LED管芯的化學兼容性問題，從而顯著提高了效率和壽命。LCD面板114布置在背光126之上。
[0005]在另一實施例中，一種類型的磷光體被施加到蓋板140，該磷光體優選地為綠色或琥珀色磷光體，而另一磷光體(優選地為紅色磷光體)被施加到背光配置的后面板148。該后面板充當漫射體。該磷光體不作為均勻涂層被施加，而是作為點圖案被施加。來自LED的藍色光和來自磷光體層的紅色和綠色光的組合產生用于LED面板114的基本上白色的背光。通過在這樣的配置中分離磷光體，實現了較高轉換效率，而通過優化磷光體點的大小和間隔，可以實現所需要的顏色平衡和色域。


【發明內容】

[0006]本發明的目的是形成可以提高系統效率的光學系統，其中LED和波長轉換材料布置在襯底上。
[0007]本發明的實施例包括附接到襯底的半導體發光二極管。波長轉換材料的第一區布置在襯底上。波長轉換材料被配置成吸收由半導體發光二極管發射的光并且以不同的波長發射光。在第一區中，波長轉換材料涂敷襯底的整個表面。襯底被布置成接近光學腔的底表面。波長轉換材料的第二區被布置成接近光學腔的頂表面。
[0008]本發明的實施例包括附接到襯底的半導體發光二極管。波長轉換材料的第一區布置在襯底上。波長轉換材料被配置成吸收由半導體發光二極管發射的光并且以不同的波長發射光。襯底被布置成接近光學腔的底表面。波長轉換材料的第二區被布置成接近光學腔的頂表面。反射性表面布置在半導體發光二極管上方。反射性表面被配置成引導反射光從半導體發光二極管離開。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1圖示了包括LED的二維陣列的現有技術背光。
[0010]圖2圖示了具有附接到襯底的至少一個半導體發光器件和布置在襯底上的波長轉換材料的光學腔。
[0011]圖3圖示了一種光學腔，其具有附接到襯底的至少一個半導體發光器件和布置在該腔的頂部和底部處的波長轉換材料。
[0012]圖4圖示了一種光學腔，其具有附接到襯底的至少一個半導體發光器件、布置在腔的側面處的波長轉換材料和布置在半導體發光器件之上的反射區。
[0013]圖5、6和7圖示了具有成形的反射區的光學腔。

【具體實施方式】
[0014]圖2圖示了根據本發明的實施例的光學腔。一個或多個III族氮化物LED 16布置在處于光學腔10中或靠近光學腔10的襯底14上。盡管以下示例提及發射藍色或UV光的III族氮化物LED，但是在本發明的實施例中，可以使用除LED之外的諸如激光二極管之類的半導體發光器件以及由諸如其它II1-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、I1-VI族材料、ZnO或硅基材料之類的其它材料體系制成的半導體發光器件。
[0015]可以使用任何合適的III族氮化物LED并且這樣的LED是眾所周知的。LED 16可以例如是被配置成從LED的頂表面發射大多數光的倒裝芯片器件。為了形成這樣的LED，III族氮化物半導體結構首先生長在生長襯底上，如本領域中已知的那樣。生長襯底可以是任何合適的襯底，諸如例如，藍寶石、SiC、S1、GaN或復合襯底。半導體結構包括夾在η型區與P型區之間的發光或有源區。N型區可以首先生長并且可以包括不同組分和摻雜濃度的多個層，這些層包括例如諸如緩沖層或成核層之類的準備層和/或被設計成促進生長襯底的移除的層(其可以是η型或意外摻雜的)以及被設計用于對于發光區高效發射光而言期望的特定光學、材料或電學屬性的η型或者甚至P型器件層。發光或有源區生長在η型區之上。合適的發光區的示例包括單個厚或者薄的發光層，或者包括被阻擋層分隔的多個薄或者厚的發光層的多量子阱發光區。然后P型區可以生長在發光區之上。類似于η型區，P型區可以包括不同組分、厚度和摻雜濃度的多個層，這些層包括意外摻雜的層或η型層。器件中的所有半導體材料的總厚度在一些實施例中小于10 μ m并且在一些實施例中小于6 μ m。
[0016]金屬P接觸形成在P型區上。如果大多數光通過與P接觸相對的表面被引導離開半導體結構，諸如在倒裝芯片器件中，P接觸可以是反射性的。倒裝芯片器件可以通過借由標準光刻操作圖案化半導體結構并且蝕刻半導體結構以移除P型區的整個厚度的一部分和發光區的整個厚度的一部分來形成，以便形成露出其上形成金屬η接觸的η型區的表面的臺面。臺面以及P和η接觸可以以任何合適的方式形成。形成臺面以及P和η接觸是本領域技術人員公知的。
[0017]半導體結構可以通過P和η接觸連接到支撐件。支撐件是機械支撐半導體結構的結構。支撐件是適于附接到圖2的襯底14的自支撐結構。例如，該支撐件可以是可回流焊的。可以使用任何合適的支撐件。合適的支撐件的示例包括具有用于形成到半導體結構的電連接的導電通孔的絕緣或半絕緣晶片(諸如硅晶片)，例如通過鍍覆形成在半導體結構上的厚金屬結合墊，或者陶瓷、金屬或任何其它合適的底座。
[0018]包括以上描述的半導體結構、金屬接觸和支撐件的LED 16安裝在襯底14上。襯底14可以是光學反射性的并且是導熱的。到LED 16的電接觸可以通過襯底14制得。合適的襯底14的不例包括金屬核印刷電路板、基于FR4的印刷電路板、陶瓷、金屬、塑料和娃樹脂。在一些實施例中，襯底14的頂表面是反射性的，或者涂敷有諸如反射性涂料或反射性金屬層之類的反射性物質。襯底14可以在一些實施例中具有至少0.1ff/mK的熱導率(硅樹脂)，在一些實施例中至少10W/mK并且在一些實施例中至少100W/mK，以及在一些實施例中介于0.1ff/mK與400W/mK (銅)之間。
[0019]盡管在圖2、3和4的每一個中圖示了多個LED，但是在本發明的一些實施例中可以使用單個LED 16。多個LED 16可以以任何合適的設置被設置在襯底14上。例如，四個LED 16可以以二乘二的方形陣列設置在襯底14上，或者多個LED 16可以以圓形設置在襯底14上。許多變型是可能的并且在本發明的范圍內。
[0020]靠近LED 16，一個或多個波長轉換區18布置在襯底14上。在包括多個LED 16的器件中，波長轉換區18可以布置在LED 16之間。在一些實施例中，與其形成為如在圖1中圖示的器件中那樣在其中形成波長轉換區18的區中僅部分地覆蓋襯底的表面的點，波長轉換區18覆蓋其中形成它的區中的襯底的整個表面。
[0021]在一些實施例中，在LED 16與波長轉換區18的邊緣之間不存在間隙。例如，LED16可以安裝在襯底14上，然后包括LED 16和襯底14的整個結構被用波長轉換材料涂敷，使得在波長轉換區18與LED 16之間不存在間隙。
[0022]在一些實施例中，在LED 16與波長轉換區18的邊緣之間存在小間隙。例如，波長轉換區18可以形成在襯底14上，然后LED 16被安裝在波長轉換區之間的區域中。制造公差需要LED 16的邊緣與波長轉換區18的邊緣之間的小間隙將不被波長轉換材料覆蓋。
[0023]波長轉換區18在一些實施例中至少0.5mm寬并且在一些實施例中不多于20mm寬。LED 16與波長轉換區18的邊緣之間的任何間隙在一些實施例中介于Omm與0.5mm之間。波長轉換區18在一些實施例中可以與LED 16厚度相同。在可替換方案中，波長轉換區18可以比LED 16更薄或更厚。
[0024]波長轉換區18中的波長轉換材料吸收LED 16發射的光并且發射不同波長的光。由發光器件發射的未經轉換的光通常是從光學腔提取的光的最終光譜的一部分，盡管它不需要是這樣。常見組合的示例包括與黃色發射波長轉換材料組合的藍色發射LED，與綠色和紅色發射波長轉換材料組合的藍色發射LED、與藍色和黃色發射波長轉換材料組合的UV發射LED以及與藍色、綠色和紅光發射波長轉換材料組合的UV發射LED。可以添加發射其它顏色的光的波長轉換材料以定制從器件發射的光的光譜。
[0025]波長轉換材料可以是常規磷光體、有機磷光體、量子點、有機半導體、I1-VI或II1-V族半導體、I1-VI或II1-V族半導體量子點或納米晶體、染料、聚合物或諸如GaN之類的發光材料。可以使用任何合適的磷光體，包括但不限于諸如Y3Al5O12 = Ce(YAG)、Lu3Al5O12ICe (LuAG) ,Y3Al5^xGaxO12: Ce (YAlGaG)、(Ba1^xSrx) S13: Eu (BOSE)之類的基于石榴石的磷光體，以及諸如(Ca，Sr)AlSiN3:Eu和(Ca，Sr，Ba)2Si5N8:Eu之類的基于氮化物的磷光體。
[0026]本文所描述的任何波長轉換區可以包括布置在諸如硅樹脂、環氧樹脂、玻璃或任何其它合適的材料之類的透明材料基質中的波長轉換材料。本文所描述的波長轉換區可以是例如薄膜、利用或不利用除波長轉換材料自身之外的粘合劑材料預形成或就地形成的陶瓷片、與諸如硅樹脂、環氧樹脂或任何其它合適的材料之類的透明粘合劑混合并且通過絲網印刷、模制、噴涂、制版或任何其它合適的技術形成的顆粒或粉末狀波長轉換材料。本文所描述的每個波長轉換區可以包括單個波長轉換材料、波長轉換材料的混合物或作為隔離層形成而不是混合在一起的多個波長轉換材料。發射不同顏色的光的波長轉換材料可以布置在隔離區中或者混合在一起。
[0027]波長轉換區18的厚度取決于波長轉換材料和沉積技術。波長轉換區的厚度在一些實施例中可以介于至少0.5 μ m之間，在一些實施例中不大于500 μ m,并且在一些實施例中不大于1_。在各種實施例中，波長轉換材料可以布置在LED 16的頂部之上，或者不布置在LED 16的頂部之上，如圖2、3和4中所示。
[0028]在一些實施例中，波長轉換區18中的波長轉換材料的厚度和密度被選擇成使得很少或沒有入射在波長轉換區18的頂部上的光穿過波長轉換區18到達襯底14。所形成的使得沒有光到達襯底的波長轉換層對于高散射性的波長轉換材料和/或在其中期望對LED16發射的大部分光的進行波長轉換的應用中可能是有利的。例如，在一些其中該結構發射暖白光的實施例中，由LED 16發射的光的至少90%被波長轉換區波長轉換。
[0029]在可替換的實施例中，波長轉換區18中的波長轉換材料的厚度和密度被選擇成使得至少一些光透射通過波長轉換材料并且向后反射離開襯底而通過波長轉換材料。這樣的較薄的層對于諸如例如有機磷光體、量子點或致密的陶瓷之類的并非高散射性的波長轉換材料；在其中期望的是對LED 16發射的光的較小部分進行波長轉換的應用中；和/或當波長轉換材料昂貴時可能是有利的。
[0030]襯底14、LED 16和波長轉換區18形成光學腔10的底表面。腔10當從頂部觀看時可以是任何合適的形狀，諸如方形或圓形。腔10的側壁不需要如圖2、3和4中圖示的那樣是豎直的，它們可以傾斜以形成例如被截的倒金字塔或錐體。腔10的形狀可以由應用指定。腔10可以是填充有空氣(折射率為I)或周圍氣體的箱，或者是諸如玻璃(折射率為1.4-2.2)、硅樹脂(折射率為1.4-2)、透明陶瓷(折射率為1.8)、藍寶石(折射率為1.76)、SiC (折射率為2.4)、立方氧化鋯(折射率2.15)、金剛石(折射率為2.4)、GaN (折射率為
2.4)、環氧樹脂或任何其它合適的材料之類的固體透明材料。在一些實施例中，用于腔10的固體材料被選擇成具有盡可能與LED 16(具有變化但通常是大約2.4的折射率的III族氮化物材料)的折射率接近的折射率。光學腔10在一些實施例中具有至少I的折射率，在一些實施例中不大于2.4、在一些實施例中至少1.8并且在一些實施例中至少2。形成光學腔10的固體透明材料的厚度可以在一些實施例中至少為0.5mm并且在一些實施例中不大于3mm，盡管更厚和更薄的光學腔10 二者是可能的并且在本發明的范圍內。
[0031]在光學腔10是固體透明材料的情況下，包括襯底14、LED 16和波長轉換區18的結構可以通過諸如硅樹脂之類的粘合劑或通過另一其它合適的技術或材料附接到固體透明材料。
[0032]LED 16和波長轉換區18 二者布置在襯底14上或接近襯底14，其中熱量可以通過襯底14高效逸散，例如通過將襯底14配置為熱沉或通過將襯底14熱連接到熱沉。由于波長轉換區18可以在各種各樣的驅動條件下操作期間保持相對冷卻，因此諸如降低的量子效應和發射波長的漂移之類的與加熱相關聯的問題得到減少或消除。此外，由于波長轉換區18未直接形成在來自LED 16光的路徑中，因此波長轉換區上的入射光強度保持為低，這可以提高波長轉換材料的量子效率。LED 16與襯底14之間的路徑或者波長轉換區18與襯底14之間的路徑的熱阻率在一些實施例中至少為0.lcm2K/W，在一些實施例中不大于50cm2K/W，在一些實施例中至少為lcm2K/W并且在一些實施例中不大于2cm2K/W。
[0033]在一些實施例中，光學腔10的側壁12是反射性的。在其中腔體腔10是箱的情況下，側壁12可以是反射性的固體壁或布置在固體壁上或附接到固體壁的反射性材料。在其中腔10是固體透明材料的情況下，側壁12可以是反射性箔或布置在固體透明材料側面上的反射性材料。
[0034]在一些實施例中，可選的濾波器20布置在光學腔10的頂部上。例如，濾波器20可以是基于干擾的二向色(dichroic)反射層，或者任何其它合適的濾波器。在其中腔10是箱的情況下，二向色濾波器20可以是二向色材料片，或者涂敷或形成在諸如玻璃或塑料之類的透明片的頂部或底部上的二向色層，其可以起或者可以不起圖2中圖示的結構之上的覆蓋物的作用。在其中腔10是固體透明材料的情況下，二向色濾波器20可以涂敷或形成在固體透明材料的頂表面上。
[0035]濾波器20被配置成反射如射線24所示的由LED 16發射的并且以相對于LED 16的頂表面的法線的小角度入射在濾波器20上的全部或大多數光。這樣的光被反射，如射線28所示。在一些實施例中，濾波器20可選地被配置成較少反射LED 16發射的并且以相對于LED 16的頂表面的法線的大角度入射在濾波器20上的光，使得一些大角度光逃逸，如射線26所示。濾波器20還可以被配置成以任何角度透射被波長轉換區18波長轉換的全部或大多數光。
[0036]可選的散射層22可以形成在濾波器20之上，或者在不包括濾波器20的實施例中形成在光學腔10之上。散射層22可以包括諸如T12之類的散射顆粒或布置在諸如硅樹月旨、環氧樹脂、玻璃或任何其它合適的材料之類的透明基質中的任何其它合適的材料。在一些實施例中，取代散射層22或除了散射層22之外，散射顆粒可以布置在腔10的總體積或體積的部分內。
[0037]在操作期間，從LED 16發射的光的一部分被可選的濾波器20和可選的散射層22重定向而朝向腔10的底表面返回。入射在波長轉換區18上的光被轉換，即被吸收并以更長的波長重發射。經轉換的光從波長轉換區18通過散射而被引導向上并且通過反射性襯底14進入腔10。來自LED的經轉換的光和未經轉換的光的一部分，可能地在一次或多次反射離開腔10的反射性邊緣之后和/或可能地在被散射層22或其它表面散射之后，通過濾波器20逃逸。以上描述的反射和散射事件用來混合經轉換的和未經轉換的光，并且在波長轉換區18之上更加均勻地分布未經轉換的光，這可以減少“熱點”，即經歷未經轉換的光的更高相對強度的波長轉換區18上的點。由于當未經轉換的泵浦光的強度為低時許多合適的波長轉換材料是最高效的，因而更均勻的激發有助于提高總體系統效率。
[0038]透射通過濾波器20的來自LED 16的未經轉換的光的部分可以被調節以確保泵浦光的期望的部分逃出腔。例如，對于白色色點，在各種實施例中，逃出腔10的光的5%到30%應當是來自LED 16的未經轉換的光，這取決于混合光的期望的色溫，并且取決于從LED 16和波長轉換區18發射的光的光譜屬性。在包括二向色濾波器20的實施例中，如本領域中已知的那樣，可以通過選擇在二向色濾波器的層中使用的材料、層的厚度和二向色濾波器中的層數來調節被透射的未經轉換的光的部分。在包括散射層22的實施例中，可以通過增加或減少散射以增加或減少轉換來調節被透射的未經轉換的光的部分。散射可以通過增加散射顆粒的濃度、增加散射層的厚度、改變散射顆粒的組分、改變散射顆粒的大小和形狀或者改變其中嵌入散射顆粒的基質的組分來增加。散射還可以通過粗糙化諸如光學腔10的頂表面或側表面之類的光學腔10的表面來增加。在一些實施例中，未經轉換的光的部分通過減小波長轉換區中的波長轉換材料的厚度和/或濃度來增加。在一些實施例中，未經轉換的光的部分通過將散射顆粒引入到波長轉換區18中來增加，其導致更大部分的入射光從波長轉換材料散射離開，而不是被波長轉換材料吸收。散射顆粒可以布置在波長轉換材料上方的隔離層中，或者與波長轉換材料混合。在一些實施例中，被透射的未經轉換的光的分數通過僅在光學腔10的頂部的一部分上形成散射層22和/或濾波器20來增加。
[0039]在一些實施例中，濾波器20和散射層22被調節以減少從圖2、3和4中圖示的結構發射的光的顏色中的角變化。在一些實施例中，通過增加光學腔10的頂部處的散射，例如通過在頂表面處添加散射顆粒、在頂表面處添加散射波長轉換顆粒、粗糙化腔10的頂表面和/或向腔10的團塊(bulk)添加散射顆粒來降低角變化。在一些實施例中，如本領域中已知的那樣，通過調節濾波器20 (如果存在的話)的角透射屬性而以期望的角度選擇性地透射光來減少角變化。在一些實施例中，通過調節添加到光學腔10的側壁的波長轉換材料的量和/或通過調節通過側壁的光的透射來減少角變化。
[0040]圖3圖示了具有布置在光學腔的頂部和底部處的波長轉換區的光學腔10。在圖3的結構中，第一波長轉換區18布置在LED 16之間，如圖2中那樣。第二波長轉換區36布置在腔10的頂部處，例如在包括濾波器20的實施例中剛好在濾波器20下方或剛好在濾波器20上方，或者在包括散射層22的實施例中剛好在散射層22下方或剛好在散射層22上方。第二波長轉換區36可以是覆蓋腔10的整個頂部的單個連續區，如圖3中所示，或者它可以形成在被空間、透明材料或諸如散射材料之類的另一材料分隔的較小區中。第二波長轉換區36可以通過任何合適的技術形成在腔10的頂表面、濾波器20的底表面、濾波器20的頂表面上，或者例如透明材料的隔離片上。
[0041]波長轉換區18的任何上述特性，包括但不限于材料、厚度和沉積技術，可以在本發明的實施例中應用于波長轉換區36。波長轉換區18和36不需要具有相同的特性，盡管在一些實施例中它們可以這樣。
[0042]在一些實施例中，第二波長轉換材料與散射層22中的散射顆粒混合，而不是如圖3中所示的那樣形成為第二、隔離層36。
[0043]單個或多個波長轉換材料可以包括在波長轉換區18和波長轉換區36中的每一個中。發射不同顏色的光的波長轉換材料可以被分隔或混合。散射或其它非波長轉換材料可以被添加到波長轉換區18和36中的任一個或二者。
[0044]在一些實施例中，在具有腔10的頂部和底部上的波長轉換區的系統中，腔10的頂表面的反射率(即濾波器20的反射率)可以被降低以允許更多的光被濾波器20透射，這可以提高結構的效率。由于存在頂部波長轉換區，需要來自LED 16的較少的光入射在底部波長轉換區上，因此較少的光必須朝向光學腔10的底部反射。結果，濾波器20可以是較小反射性的。此外，由腔10的頂部上的波長轉換區導致的散射可以增加朝向腔的底部上的波長轉換區18引導的光量，并且可以減小散射層22中所需的散射材料的量，或者可以完全消除對散射層22的需要。
[0045]在一些實施例中，布置在腔10底部上的波長轉換區包括經受具有增加的溫度的最嚴重性能退化的波長轉換材料，因為腔10的底部上的波長轉換區可能比腔10的頂部上的波長轉換區更易于冷卻。
[0046]在一些實施例中，器件包括波長轉換材料A，其可以被由另一波長轉換材料B發射的光激發。波長轉換材料A可以布置在腔10的底部上的波長轉換區中，而波長轉換材料B可以布置在腔10的頂部上的波長轉換區中，以最小化波長轉換材料之間的相互作用。
[0047]例如，制造白光的器件通常包括藍色LED和紅色和綠色或黃色發射磷光體。發射紅光的許多磷光體將吸收綠色或黃色發射磷光體發射的光。許多紅色發射磷光體還是溫度敏感的。在一些實施例中宏，紅色發射磷光體布置在腔10的底部上并且綠色或黃色發射磷光體布置在腔10的頂部上。在這樣的設置中，紅色發射磷光體可以吸收比在其中混合紅色和綠色/黃色磷光體的系統中更少的綠色或黃色光，這可以提高混合光的顯色指數，可以提高器件的效率，并且可以簡化顏色瞄準。
[0048]在一些實施例中，紅色發射磷光體布置在腔10的頂部上并且綠色或黃色發射磷光體布置在腔10的底部上。在一些實施例中，紅色發射和綠色/黃色發射磷光體被混合，并且該混合物布置在腔10的頂部和底部二者上。在一些實施例中，紅色發射磷光體和紅色發射量子點的混合物布置在腔10的底部上并且多個類型的綠色發射磷光體的混合物布置在腔10的頂部上。在一些實施例中，單個紅色發射磷光體布置在腔10的底部上并且相同或不同的紅色發射磷光體和綠色/黃色發射磷光體的混合物布置在腔10的頂部上。
[0049]在圖3中所示的系統的操作期間，來自LED 16的光26的一部分未經轉換地透射通過腔10的頂部并且被提取。未經轉換的光還可以在逃出腔10之前在腔10內部反射若干次。來自LED 16的光的另一部分被波長轉換區36吸收并且以不同的波長被重發射。該重發射的光中的一些直接逃出并且一些進入腔10，其中它可以在從腔10的頂部被提取出之前反射許多次。來自LED 16的光的最后一部分24反射離開腔10的頂部并且入射在波長轉換區18上。波長轉換區18吸收該光中的一些并且以不同的波長重發射它，并且反射其余的光。經波長轉換的或被反射的未經轉換的光在從腔10的頂部提取出之前可以反射許多次。
[0050]圖4圖示了對圖2和3中圖示的結構中的任一個的可能修改。在一些實施例中，使直接在LED 16之上的腔10的頂部區域比其中包括濾波器20的實施例中的濾波器20更具反射性，或者使其在其中不包括濾波器20的實施例中是反射性的。例如，反射區38可以在腔10的頂部處直接形成在LED 16之上，使得來自LED 16的光在遭遇濾波器20或散射層22之前遭遇反射區38。反射區38可以是例如布置在腔10的頂部上或濾波器20的底部上、在透明覆蓋物上或者在任何其它合適的層上的反射性金屬箔或其它反射性材料的盤。
[0051]如果被反射區38反射的光被引導朝向LED 16返回，光可以被LED 16吸收并且損失。在一些實施例中，反射區38可以被配置成引導反射光從LED 16離開。例如，圖4中圖示的反射區可以具有引導反射光從LED 16離開的粗糙化的、紋理化的或圖案化的表面。圖
5、6和7圖不了引導反射光從LED 16離開的成形的反射區38的不例。盡管圖5、6和7圖示了一個LED 16,但是所圖示的反射區38可以在腔10中的多個LED之上重復。所圖示的反射區38通常圍繞LED 16的頂表面的法線旋轉對稱，盡管在一些實施例中它們不需要是這樣。
[0052]圖5中圖示的反射區38具有從接近LED 16的中心朝向腔10的頂部上升然后向后朝向波長轉換區18延伸的表面41。由于表面41朝向波長轉換區18向下延伸，它距LED16更遠。表面41在圖5中被圖示為接觸LED 16的頂表面和波長轉換區18的頂表面二者，盡管在一些實施例中它不需要接觸任一個表面或這兩個表面。如射線43所示，從LED 16發射的光被表面41反射開而遠離LED 16并且朝向波長轉換區18。表面41可以如圖5中圖示的那樣是彎曲的或平坦的，并且它可以包括彎曲的部分和平坦的部分二者。在一些實施例中，可以省略頂部波長轉換區36并且波長轉換材料可以布置在區42中。
[0053]圖7圖示了包括具有與圖5中的相同的形狀的反射區38的系統。在圖7中，省略圖5的區42，并且反射區38的表面41形成光學腔10的頂表面。波長轉換區36作為保形涂層(即具有基本上均勻厚度的涂層)形成在反射區38之上。例如，圖7中的波長轉換區36的厚度可以以小于50%變化。圖7中圖示的結構可以通過在襯底14之上模制光學腔10、LED 16和波長轉換區18，然后在光學腔10之上模制波長轉換區36，或者在光學腔10之上壓制預先形成的柔性波長轉換片來形成。如圖5中那樣，反射區38無需具有圖7中圖示的精確形狀。
[0054]圖6中圖示的反射區38具有從LED 16上方并且接近LED 16的中心的光學腔10的區斜向地(digaonally)向上朝向波長轉換區36并且遠離LED 16上升的表面47。表面47還可以認為突起，諸如從腔10的頂部處的基座朝向定位在腔10的頂部下方并且在LED16上方的點延伸的反向的錐體或金字塔。表面47在圖6中圖不為與LED 16的頂表面間隔開，盡管它在一些實施例中可以接觸LED 16。如射線45所圖不的,從LED 16發射的光被反射離開表面47而遠離LED 16并且朝向波長轉換區18。表面47可以如圖6中圖示的那樣是平坦的，或者是彎曲的，并且它可以包括彎曲部分和平坦部分二者。
[0055]在一些實施例中，圖5和6中圖示的結構通過在反射區38的頂部(圖5中的42，圖6中的44)與反射區38的底部(腔10)之間的表面41和47處創建折射率差異來經由全內反射進行反射。因為反射區38通過全內反射進行反射，所以以小于臨界角的角度入射在表面41和47上的光被透射通過表面而不是被反射。結構在一些實施例中可以被模制。例如，圖5的結構可以在波長轉換區36或諸如透明覆蓋物之類的另一合適的結構上被模制，然后定位在襯底14之上，使得腔10是空氣并且區42是模制化合物、硅樹脂或任何其它合適的材料。圖6的結構可以模制在襯底14之上使得區44是空氣并且腔10是模制化合物、硅樹脂或任何其它合適的材料。在一些實施例中，形成反射區38的折射率差異介于空氣與玻璃或者以上描述為適于形成腔10的任何材料之間。例如，區42和44可以是玻璃并且腔10可以是空氣，或者區42和44可以是空氣并且腔10可以是玻璃。形成圖5和6中圖示的表面的兩種材料之間的折射率差異在一些實施例中可以為至少0.4，在一些實施例中至少
0.5，在一些實施例中至少0.8，并且在一些實施例中至少I。在一些實施例中，圖5和6中圖示的反射區38利用反射性材料形成或涂敷有反射性材料。
[0056]回到圖4，在一些實施例中，波長轉換和/或散射材料布置在光學腔10的側面上。例如，波長轉換區40可以形成在腔10的側壁上。波長轉換區可以包括諸如磷光體之類的波長轉換材料，其與諸如硅樹脂之類的透明材料混合，然后被涂敷在腔10的側面上，布置在定位成鄰近腔10的側面的材料的透明片上，或者形成到附接到腔10的側面的膜中。遭遇波長轉換區40的光被吸收并且以不同的波長被重發射或者被反射。
[0057]本發明的實施例可以具有優點。由于波長轉換材料的至少一部分布置成使得其可以保持冷卻(諸如在襯底14上)，因而系統的效率相比于其中波長轉換材料經受加熱的系統可以得到提高。系統提取的光中的隨角度變化的顏色可以在維持高效率的同時被最小化。此外，可以使轉換的光的部分獨立于波長轉換材料加載和波長轉換區的厚度，使得混合光的色點可以不受波長轉換區的形成中的微小工藝變化影響。
[0058]已經詳細描述了本發明，本領域技術人員將領會到，鑒于本公開，可以對本發明做出修改而不脫離于本文所描述的發明概念的精神。例如，不同實施例的不同元件可以組合以形成新的實施例。因此，意圖不在于將本發明的范圍局限于所圖示和描述的特定實施例。
【權利要求】
1.一種結構，包括: 附接到襯底的半導體發光二極管；以及 布置在襯底上的波長轉換材料的第一區，其中波長轉換材料被配置成吸收半導體發光二極管發射的光并且以不同的波長發射光，其中在第一區中，波長轉換材料覆蓋襯底的整個表面； 光學腔，其中襯底布置成接近光學腔的底表面；以及 布置成接近光學腔的頂表面的波長轉換材料的第二區。
2.權利要求1的結構，其中在第一區中的波長轉換材料與襯底之間的路徑是導熱的。
3.權利要求1的結構，其中襯底是熱沉。
4.權利要求1的結構，其中襯底具有介于0.1ff/mK與400W/mK之間的熱導率。
5.權利要求1的結構，其中: 波長轉換材料包括能夠發射第一波長的光的第一波長轉換材料和能夠發射第二波長的光的第二波長轉換材料；并且 第一和第二區中的每一個包括第一和第二波長轉換材料的混合物。
6.權利要求1的結構，其中: 第一區包括能夠發射第一波長的光的第一波長轉換材料；并且 第二區包括能夠發射第二波長的光的第二波長轉換材料。
7.權利要求6的結構，其中第一波長轉換材料發射紅色光并且第二波長轉換材料發射綠色和黃色光中的一種。
8.權利要求6的結構，其中第一波長轉換材料能夠吸收第二波長轉換材料發射的光并且發射不同波長的光。
9.權利要求6的結構，其中第一波長轉換材料在暴露于熱時的性能比第二波長轉換材料在暴露于熱時的性能降低得多。
10.權利要求1的結構，還包括布置成接近光學腔的頂表面的光散射結構。
11.權利要求1的結構，其中光學腔包括固體透明材料。
12.權利要求1的結構，還包括布置在光學腔內的光散射材料的顆粒。
13.權利要求1的結構，還包括布置成接近光學腔的側表面的波長轉換材料的第三區。
14.權利要求1的結構，其中與半導體發光二極管對準的接近光學腔的頂表面的第一區比不與半導體發光二極管對準的接近光學腔的頂表面的第二區具有更高反射性。
15.權利要求1的結構，其中半導體發光二極管是第一半導體發光二極管，所述結構還包括附接到襯底的第二半導體發光二極管，其中波長轉換材料的第一區布置在第一與第二半導體發光二極管之間。
16.—種結構,包括: 附接到襯底的半導體發光二極管；以及 布置在襯底上的波長轉換材料的第一區，其中波長轉換材料被配置成吸收半導體發光二極管發射的光并且以不同的波長發射光； 光學腔，其中襯底布置成接近光學腔的底表面； 布置成接近光學腔的頂表面的波長轉換材料的第二區；以及 布置在半導體發光二極管上方的反射性表面，其中該反射性表面被配置成引導反射光離開半導體發光二極管。
17.權利要求16的結構，其中反射性表面包括通過全內反射進行反射的折射率中的對比。
18.權利要求16的結構，其中反射性表面圍繞半導體發光二極管的頂表面的法線旋轉對稱。
19.權利要求16的結構，其中反射性表面是從接近光學腔的頂表面的基座延伸的反向錐體。
20.權利要求16的結構，其中波長轉換材料的第二區保形涂敷反射性表面。
【文檔編號】G02F1/1335GK104205375SQ201380018280
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月30日 優先權日:2012年3月30日
【發明者】K.瓦姆波拉, H.H.蔡, M.M.布特沃思 申請人:皇家飛利浦有限公司