具有高颜色品质的磷光体转换LED

摘要

一种发光二极管（LED）器件可以包括在衬底上具有第一表面的LED管芯。第一磷光体层可以形成在LED管芯的第二表面和侧面上。第二表面可以与第一表面相对。第二磷光体层可以形成在第一磷光体层上。第二磷光体层可以具有位于LED管芯的峰值发射波长（LpkD）和第一磷光体层的峰值发射波长（Lpk1）之间的峰值发射波长（Lpk2）。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年10月19日提交的欧洲专利申请第18201516.4号和2018年8月31日提交的美国专利申请第16/119,688号的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

磷光体转换的白色LED发光二极管（LED）器件通常使用蓝色LED，该蓝色LED覆盖有一层发光材料，该发光材料部分地吸收蓝色LED的光并发射绿光、黄光和红光。发光材料通常包含无机材料的混合粉末。对于高颜色品质，由照明委员会（CIE）定义为显色指数（CRI），从LED发射的光的光谱功率分布（SPD）必须严格遵循白色参考光的SPD。如果从LED发射的光与照相机系统组合使用（例如，作为闪光），避免SPD中的锐利峰值和最小值可能特别重要。

发明内容

一种发光二极管（LED）器件可以包括在衬底上具有第一表面的LED管芯。第一磷光体层可以形成在LED管芯的第二表面和侧面上。第二表面可以与第一表面相对。第二磷光体层可以形成在第一磷光体层上。第二磷光体层可以具有位于LED管芯的峰值发射波长（L

一种发光二极管（LED）器件可以包括在衬底上具有第一表面的LED管芯。第一磷光体层可以形成在LED管芯的第二表面上。第二表面可以与第一表面相对。第二磷光体层可以形成在第一磷光体层上。第二磷光体层可以具有位于LED管芯的峰值发射波长（L

附图说明

从以下结合附图通过示例的方式给出的描述中，可以具有更详细的理解，其中图中类似的附图标记指示类似的元件，并且其中：

图1是图示了衬底上的LED管芯的截面图；

图2是图示了在LED上形成第一磷光体层的截面图；

图3是图示了在第一磷光体层上形成第二磷光体层以形成LED器件的截面图；

图4是图示了可选地在LED器件周围形成透镜的截面图；

图5是图示了可选地从LED器件移除第一磷光体层和第二磷光体层的部分的截面图；

图6是图示了在LED管芯的侧面、第一磷光体层的剩余部分、和第二磷光体层的剩余部分上形成反射涂层以形成LED器件的截面图；

图7是图示了可选地在LED器件周围形成透镜的截面图；

图8是图示了比较仅涂覆有第一磷光体层的LED管芯、以及涂覆有第一磷光体层和第二磷光体层两者的LED管芯的发射光谱的图表；以及

图9是图示了第二磷光体层和LED管芯的发射光谱的图表。

具体实施方式

下文将参考附图更全面地描述不同的发光二极管（“LED”）实施方式的示例。这些示例不是相互排斥的，并且在一个示例中发现的特征可以与在一个或多个其他示例中发现的特征相组合，以实现附加的实施方式。于是，将要理解，附图中示出的示例仅为了说明的目的而提供，并且它们不旨在以任何方式限制本公开。类似的数字自始至终指代类似的元件。

将要理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项的任何和所有组合。

将要理解，当一个元件（诸如层、区或衬底）被称为“在”或“延伸到”另一个元件上时，它可以直接在或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”或“直接延伸到”另一个元件上时，没有中间元件存在。还将要理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，没有中间元件存在。将要理解，除了图中描绘的任何取向之外，这些术语旨在涵盖元件的不同取向。

诸如“下面”或“上面”或“上方”或“下方”或“水平”或“竖直”的相关术语可以在本文中用于描述一个元件、层或区与图中所图示的另一个元件、层或区的关系。将要理解，除了图中描绘的取向之外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。

如上所描述，对于高颜色品质，由照明委员会（CIE）定义为显色指数（CRI），从LED发射的光的光谱功率分布（SPD）必须严格遵循白色参考光的SPD。为了实现高CRI，可能必须应用不同的磷光体材料，以便发射不同波长的光。以较短波长发射的磷光体的发射可以被以较长波长发射的磷光体吸收。这种磷光体-磷光体的相互作用可能由于转换过程中的光子损失而降低效率。由于发射的光重定向回到一个或多个LED管芯，磷光体-磷光体的相互作用还可能增加包括一个或多个LED管芯的LED封装中的吸收损失。

在一些应用中，可能期望减少SPD中与LED的蓝色发射峰值相邻的局部最小值。磷光体成分的发射峰值可能必须接近蓝色LED的发射峰值。当磷光材料吸收光子时，它获得能量并进入激发态。磷光体材料弛豫的一种方式是发射光子，因而损失它的能量（另一种方法将是作为热的能量损失）。当发射的光子具有小于吸收的光子的能量时，这个能量差就是斯托克斯位移。斯托克斯荧光是由已经吸收了较短波长的光子（较高频率或能量）的分子发射的较长波长光子（较低频率或能量）。换句话说，斯托克斯位移可以是吸收最大波长和发射最大波长之间的距离。由于斯托克斯位移，可能需要大浓度的磷光体材料。可能需要尽可能多的减少由其他磷光体再吸收发射的光。

以下描述包括使用形成在LED上的多个磷光体层的系统、方法和装置，以减少由最外面的磷光体层发射的光的再吸收，并提高LED在高CRI下的效率。通过使用具有位于第一磷光体层的发射峰值和LED的发射峰值之间的发射峰值的第二磷光体层，可以有效地填充LED发射和第一磷光体层的发射之间的波长间隙。

现在参考图1，示出了图示衬底102上的LED管芯104的截面图。LED管芯104的第一表面可以位于衬底102上，并且LED管芯的第二表面可以位于第一表面的对面。LED管芯104可以是任何类型的常规半导体发光器件，并且可以在衬底102上形成、附着或生长。图1示出了可以使用的一种类型的LED管芯104的说明性示例，并且不旨在限制以下描述。LED管芯104可以是本领域已知的III族-氮化物类型的LED。典型地，III族-氮化物LED通过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-氮化物或其他合适的衬底上外延生长不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的堆叠来制作。该堆叠通常包括在衬底之上形成的掺杂有例如硅的一个或多个n型层，在一个或多个n型层之上形成的有源区（例如，p-n二极管）中的一个或多个发光层，以及在有源区之上形成的掺杂有例如镁的一个或多个p型层。电接触形成在n型和p型区上。

在下面的示例中，LED管芯104可以发射蓝光或UV光。然而，可以使用除LED之外的半导体发光器件，诸如激光二极管和由其他材料系统（诸如其他III-V族材料、III族-磷化物、III族-砷化物、II-VI族材料、ZnO、或Si基材料）制成的半导体发光器件。

如本领域中已知的，图1的器件可以通过在衬底102上生长III族-氮化物类型的半导体结构来形成。衬底102可以是蓝宝石、或任何合适的衬底（诸如例如SiC、Si、GaN或复合衬底）。衬底102的表面——在该表面上生长III族-氮化物类型的半导体结构——可以在生长之前被图案化、粗糙化或纹理化，这可以改善从器件的光提取。衬底102的与生长表面相对的表面（即在倒装芯片配置中通过其提取大部分光的表面）可以在生长之前或之后被图案化、粗糙化或纹理化，这可以改善从器件的光提取。

该半导体结构包括夹在n型和p型区之间的发光或有源区。n型区16可以首先生长，并且可以包括不同组分和掺杂剂浓度的多层。n型区16可以包括：制备层，诸如缓冲层或成核层、和/或设计成促进移除生长衬底的层，其可以是n型的或不是有意掺杂的；以及n型或甚至p型器件层，设计用于发光区有效地发射光所需的特定光学、材料或电学性质。发光或有源区18生长在n型区16之上。合适的发光区18的示例包括：单个厚的或薄的发光层；或者多量子阱发光区，其包括由阻挡层分隔的多个薄的或厚的发光层。然后可以在发光区之上生长p型区20。像n型区一样，p型区可以包括不同组分、厚度和掺杂剂浓度的多层，其包括不是有意掺杂的层或n型层。

生长之后，可以在p型区18的表面上形成p触点。p触点21可以包括多个导电层，诸如反射金属和可以防止或减少反射金属的电迁移的防护金属。反射金属通常是银，但是可以使用任何合适的一种或多种材料。可以移除p触点21、p型区20和有源区18的一部分，以暴露n型区16的一部分，在该n型区16上形成n触点22。n触点22和p触点21可以通过间隙25彼此电隔离，该间隙25可以填充有电介质，诸如硅的氧化物或任何其他合适的材料。可以形成多个n触点通孔。n触点22和p触点21不限于图1中所图示的布置。如本领域中已知的，n触点22和p触点21可以重新分布以形成具有电介质/金属堆叠的接合焊盘。

为了形成到LED管芯104的电连接，一个或多个互连26和28可以形成在n触点22和p触点21上、或电连接到n触点22和p触点21。互连26可以电连接到n触点22。互连28可以电连接到p触点21。互连26和28可以通过电介质层24和间隙27与n触点22和p触点21电隔离、以及彼此电隔离。互连26和28可以是例如焊料、柱形凸块、金层或任何其他合适的结构。半导体结构、n触点22、p触点21、以及互连26和28在下面的图中示出为LED结构104。衬底102可以变薄或完全移除。衬底102的表面可以通过图案化、纹理化或粗糙化变薄来暴露，以改善光提取。

现在参考图2，示出了图示在LED管芯104上形成第一磷光体层202的截面图。第一磷光体层202可以施加到LED管芯104的第二表面和侧面。第一磷光体层202可以具有范围从大约1 μm到大约150 μm的厚度。

第一磷光体层202可以使用常规沉积工艺形成。在示例中，第一磷光体层202可以是放置在LED管芯104顶上的薄片，并且然后被处理以符合LED管芯104的形状。真空和热的组合可以用于将第一磷光体层202层压到LED管芯104。

本领域技术人员将认识到，第一磷光体层202不需要是层压薄片的形式；它可以经由喷涂、模塑、丝网印刷等以液体或糊状形式施加。例如，第一磷光体层202可以使用常规沉积工艺——诸如化学气相沉积（CVD）、等离子体增强CVD（PECVD）、原子层沉积（ALD）、蒸发、溅射、化学溶液沉积、旋涂沉积、或其他类似工艺——共形地形成在LED管芯104上。

第一磷光体层202可以包括波长转换材料，该波长转换材料可以是例如常规磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI族或III-V族半导体、II-VI族或III-V族半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物、或其他发光的材料。第一磷光体层202可以包括与波长转换材料混合的透明材料，诸如硅树脂。

波长转换材料可以吸收由LED管芯104发射的光，并且可以发射一种或多种不同波长的光。由LED管芯104发射的未转换的光可以是从该结构提取的光的最终光谱的一部分，尽管它不需要这样。

在示例中，LED管芯104可以是具有峰值发射波长为L

在示例中，第一磷光体层202可以包括具有组合的峰值发射波长为L

第一磷光体层202可以包括硅树脂中的一种或多种磷光体粉末。例如，第一磷光体层202可以包括GaLuAG、SCASN和CASN。第一磷光体层202中的材料的质量比可以约为20%SCASN:80% CASN。在第一磷光体层202中的GaLuAG与总红色质量的比率可以约为8.47。

在另一示例中，第一磷光体层202可以包括发射绿色的波长转换材料和发射红色的波长转换材料的混合物。发射绿色的波长转换材料可以包括用铈激活的石榴石，其具有(Y,Gd,Lu)

在另一示例中，第一磷光体层202可以包括发射绿色的波长转换材料和发射红色的波长转换材料的混合物。发射绿色的波长转换材料可以包括GaLuAG和GaYAG。发射红色的波长转换材料可以包括SCASN和CASN，其中SCASN与CASN的质量比约为20:80。发射绿色的波长转换材料的总质量与发射红色的波长转换材料的总质量的比率约为8.47，并且范围可以从5到10。

现在参考图3，示出了图示在第一磷光体层202上形成第二磷光体层302以形成LED器件300的截面图。第二磷光体层302可以施加到第一磷光体层202的顶部和侧面。第二磷光体层302可以使用上面参考第一磷光体层202的形成描述的任一技术来形成。第二磷光体层302可以具有范围从大约10 μm到大约150 μm的厚度。

第二磷光体层302可以包括波长转换材料，该波长转换材料可以是例如常规磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI族或III-V族半导体、II-VI族或III-V族半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物、或其他发光的材料。第二磷光体层302可以包括与波长转换材料混合的透明材料，诸如硅树脂。

波长转换材料可以吸收由LED管芯104和/或第一磷光体层202发射的光，并且可以发射一种或多种不同波长的光。由LED管芯104和/或第一磷光体层202发射的未转换的光可以是从该结构提取的光的最终光谱的一部分，尽管它不需要这样。

第二磷光体层302可以包括具有在L

在另一示例中，峰值发射波长L

在另一示例中，第二磷光体层的峰值发射波长约为460 nm。第二磷光体层的峰值发射波长可以比L

第二磷光体层302可以包括硅树脂中的Sr

现在参考图4，示出了图示可选地在LED器件300周围形成透镜402的截面图。透镜402可以与衬底102和第二磷光体层302接触。透镜402可以横向延伸到LED器件300之外。透镜402可以包括透明材料，以改善从LED器件300的光提取。透镜402可以使用常规沉积技术形成。透镜402可以包括以下中的一种或多种：PMMA、聚碳酸酯、硅树脂、HRPC。透镜的一个或多个部分可以涂覆铝。

现在参考图5，该截面图图示了可选地从图3中所示的LED器件300移除第一磷光体层202和第二磷光体层302的部分。

第一磷光体层202和第二磷光体层302的部分可以使用常规蚀刻或喷砂工艺移除。例如，第一磷光体层202和第二磷光体层302的部分可以使用反应离子蚀刻（RIE）、等离子蚀刻或选择性蚀刻工艺来移除。

第一磷光体层202的剩余部分可以具有与LED管芯104的侧壁502基本上齐平的侧壁504。第二磷光体层302的剩余部分可以具有与LED管芯104的侧壁502基本上齐平的侧壁506。

现在参考图6，该截面图图示了在LED管芯104的侧面、第一磷光体层202的剩余部分、和第二磷光体层302的剩余部分上形成反射涂层602以形成LED器件600。

反射涂层602可以使用常规沉积工艺形成。在示例中，反射涂层602可以是放置在LED管芯104、以及第一磷光体层202和第二磷光体层302的剩余部分上的薄片，并且然后被处理以粘附到LED管芯104、以及第一磷光体层202和第二磷光体层302的剩余部分。真空和热的组合可以用于将反射涂层602层压到LED管芯104、以及第一磷光体层202和第二磷光体层302的剩余部分。

本领域技术人员将认识到，反射涂层602不需要是层压薄片的形式；它可以经由喷涂、模塑、丝网印刷、分配等以液体或糊状形式施加。例如，第一反射涂层602可以使用常规沉积工艺——诸如CVD、PECVD、ALD、蒸发、溅射、化学溶液沉积、旋涂沉积、或其他类似工艺——形成在邻近LED管芯104的衬底102上。

反射涂层602可以包括金属，诸如Ti、Au、或Ag等。在示例中，反射涂层602可以包括硅树脂基体中的TiO

反射涂层602可以具有与第二磷光体层302的剩余部分的上表面基本上齐平的上表面。

现在参考图7，示出了图示可选地在LED器件600周围形成透镜702的截面图。透镜702可以与衬底102、反射涂层602、和第二磷光体层302接触。透镜702可以横向延伸到LED器件600之外。透镜702可以包括透明材料，以改善从LED器件600的光提取。透镜702可以使用常规沉积技术形成。透镜702可以包括以下中的一种或多种：PMMA、聚碳酸酯、硅树脂、HRPC。透镜的一个或多个部分可以涂覆铝。

现在参考图8，示出了图示仅涂覆有第一磷光体层202的LED管芯104的第一发射光谱802、以及涂覆有第一磷光体层202和第二磷光体层302两者的LED管芯104的第二发射光谱804的图表。第一发射光谱802和第二发射光谱804可以示出相同的LED波长和相同的颜色坐标。

第一发射光谱802和第二发射光谱804可以被归一化为蓝色LED管芯104的发射。可以看出，与第一磷光体层202组合的LED管芯104、以及与第一磷光体层202和第二磷光体层302两者组合的LED管芯104都发射具有光谱峰值在蓝光（450-490 nm）和红光（635-700 nm）之间的光。应当注意，用于生成第一发射光谱802的第一磷光体层202和用于生成第二发射光谱804的第一磷光体层202可以由相同的磷光体材料组成。然而，每个第一磷光体层202中的具体磷光体浓度可以变化以产生相同的色点。另外，应当注意，由于可以被第一磷光体层202吸收和转换的光的反射，第二磷光体层302的施加可以改变第一磷光体层202的发射。

如与仅第一磷光体层202相比，在具有两个磷光体层的LED管芯104的蓝色发射峰值之后的SPD中的局部最小值在大约470 nm处可以增加。这可以在下面的表1中看到。

表1：发射特性。

如相比于仅具有第一磷光体层202的LED管芯104的91.4的CRI（Ra），具有两个磷光体层的LED管芯104的SPD的显色指数CRI（Ra）增加到94.2的CRI（Ra）。如相比于仅具有第一磷光体层202的LED管芯104的LED峰值高度的38.2%，在具有两个磷光体层的LED管芯104的蓝色发射峰值之后的SPD中的局部最小值可以增加到LED峰值的48%。

现在参考图9，示出了图示第二磷光体层302和LED管芯104的发射光谱的图表。如上所描述，第二磷光体层302可以包括具有在LED管芯104的L

尽管上面以特定组合描述了特征和元件，但是本领域普通技术人员将领会，每个特征或元件可以单独使用、或者与其他特征和元件以任何组合使用。另外，本文描述的方法可以在计算机可读介质中并入的计算机程序、软件或固件中实施，以由计算机或处理器执行。计算机可读介质的示例包括电子信号（通过有线或无线连接传输）和计算机可读存储介质。计算机可读存储介质的示例包括但不限于只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储器设备、诸如内部硬盘和可移动盘的磁介质、磁光介质、以及诸如CD-ROM盘和数字多用盘（DVD）的光学介质。