TWI403571B

TWI403571B - 在多晶陶瓷結構中之磷光體及包含彼之發光元件

Info

Publication number: TWI403571B
Application number: TW95108428A
Authority: TW
Inventors: Graaf Jan De; Theo Arnold Kop
Original assignee: Koninkl Philips Electronics Nv
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN101142857A; TW200641100A; CN100566490C

Description

在多晶陶瓷結構中之磷光體及包含彼之發光元件

本發明關於在一多晶陶瓷結構中之磷光體、一包括由該磷光體所提供之發光二極體的發光元件、一製造彼之方法以及一調整該磷光體之光擴散及發光特性的方法。

此一於多晶陶瓷結構之磷光體形成一發光陶瓷複合物。

高亮度白光LED(發光二極體)之目前狀態面臨瓶頸。沉積於該LED上之該磷光體層，由於光線之反向散射回LED，導致一光線損失。反向散射之損失一般係20－30%。此外，來自該LED及該磷光體之熱傳導，對於其中接面溫度及磷光體溫度變高而光學元件(磷光體封裝及擷取透鏡)使該LED有效絕緣的高功率應用成為一個問題。一般地，所使用的封裝基質係由聚矽氧及/或環氧樹脂所製成，但這些材料具有極低之熱傳導性，會由於該基質與該等LED材料之折射率不匹配導致較不理想的光外耦合，且係受它們的光熱穩定性之限制。

JP 2003－243717說明一安裝於一發光二極體表面之陶瓷基板。該陶瓷基板於一可見光區域中係半透明，且包含若干YAG(釔－鋁－榴石)磷光體。根據此專利公告，當與一其中樹脂為基本材料之傳統實例比較時，可加以抑制長期變化以及發光顏色與發射量之耗散。此專利公告於該等基質材料之特性與對於避免藍LED光線反向散射之基本材料有所需求的特殊情況上係無聲明。

DE 10349038揭示一主要由一作為該陶瓷基本材料之磷光體(即摻雜Ce之YAG)所形成的材料。一小量之氧化鋁可存在於該基本材料，作為外來晶體。該陶瓷材料及外來晶體之粒度係1至100 μm。所揭示之材料具有許多缺點。僅該等孔洞及該等外來晶體，可促使對於獲得所欲顏色同質性所需之前向散射。然而，此等孔洞及外來晶體亦導致反向散射。YAG：Ce作為基本材料之使用缺點，係其具較低之熱傳導係數以及該材料與其製作過程之高成本。

本發明之一目的係欲減輕此等問題及缺點，同時獲得一改良之發光元件。已發現上述該等問題可藉由採用一摻雜YAG型之磷光體有效予以解決，其中該磷光體嵌入於一包括形成一陶瓷基質複合物之非冷光多晶氧化鋁的陶瓷基質中，其中陶瓷基質複合物包括80至99.99 vol.%(體積百分比)之氧化鋁及0.01至20 vol.%之磷光體。

於本發明中，術語「磷光體」指一具有若干冷光特性材料之通用意義。

其他LED包括嵌入於一基質中之磷光體係已揭示於EP 1369935中。然而一般而言，此處說明係嵌入於一環氧或聚矽氧主材料中的磷光體粒子，其仍具有該等上述及其他缺點。

本發明申稱之於多晶陶瓷結構與發光元件(LEE)中的磷光體，包括如一磷光體作為一發光陶瓷複合物，即嵌入一多晶氧化鋁基質中之石榴石磷光體(例如YAG：Ce)的多晶陶瓷複合物，尚未於先前技術中有所說明。

該等冷光材料之主要功能係轉變部分的藍光以及傳輸其他部分的藍光以產生所需之白色發光。對於產生適當白色發光之新穎發光陶瓷的典型尺寸與材料組成，係一LED加一具200－1000微米厚度之發光陶瓷基板於其頂上，以及一具有體積百分比大概為例如約15至7 vol.%的Y₂ _. ₉ ₄ Ce₀ _. ₀ ₆ Al₅ O₁ ₂ 向下計數至例如約3至1.4 vol.%的Y₂ _. ₇ Ce₀ _. ₃ Al₅ O₁ ₂ 範圍之間的磷光體的組合。對於高冷光磷光體轉變之LED，一具有向下計數至50微米壁厚度之薄共形冷光杯狀物，以及一YAG之重量百分比向下計數至12 vol.%之Y₂ _. ₇ Ce₀ _. ₃ Al₅ O₁ ₂ 產生一適當的白色發光。

本發明之新穎的多晶陶瓷複合物，對於若干發生於磷光體轉變之LED的一般光學及光熱問題，提供若干解決方法。以下為本發明之一些缺點，包括關於該等光學特性、該等熱特性以及於先前技術所說明使此等新穎材料遍佈於包括其他基本材料之基質中的處理等之缺點。

熱：於發光二極體之功率耗散係一高重要性之因素。一發光二極體之運作係其溫度之函數，且隨該裝置功效下降，裝置中的溫度便上升。由斯托克位移損失產生於該等磷光體中的熱散逸係重要的，因該磷光體效率隨溫度上升而下降。此方面對於高功率與高亮度LED光源，係尤具重要性。

純Al₂ O₃ (氧化鋁)之熱傳導性高於YAG(35 vs.15 W/mK)。因此，本複合物之熱傳導性高於DE 10349038的該等陶瓷材料，其具有YAG作為基本材料。結果，一發光陶瓷複合物以及因此還有獲得具有較佳散熱至周圍之發光元件，導致較低磷光體與二極體溫度，且從而導致該等所發明之複合物於相同功率中具較高光通量，或於較低功率中具相同光通量。

光學：於該冷光材料中主控該光散射的重要性係有較佳的瞭解(見範例EP 1369935)。光散射係用以實現來自若干LED與若干陶瓷組合(即LEE)之一均勻角度光譜發射，然而一高度之光散射，因尤其是光線由該LED本身再吸收所致之若干反向散射損失，係有害。吾人已發現，對於先前技術之磷光體層一般習知，該磷光體具有一體積至多為20 vol.%時，該反向散射損失可保持在一遠低於20至30%之降低位準。

於一例如環氧或聚矽氧之嵌入系統中的磷光體中的光散射，尤其取決於介於該磷光體材料與該環氧或聚矽氧之間的折射率不匹配。磷光體粒子之量及其尺寸係已選定，遂使得穿透該密實體之路徑長度係夠長使得藍光足以轉變成黃，且夠短使得一足夠量之藍光穿透該嵌入之磷光體層。該產生的光散射不僅向前散射光線，而且還可向後散射光線。該反向散射之光線具有一相當多於該LED中遭再吸收的機會。此降低該效率。於DE 10349038中該環氧係由一透明陶瓷基質所取代。已陳述顏色同質性可藉由導入若干孔洞或導入光散射的第二相而達成。然而，尤其是孔洞將亦導致反向散射，同時因此導致一降低之效率。本發明之一有利方面係於該冷光材料中，藉由將氧化鋁中YAG：Ce之部分主要限制於約20 vol.%，以降低該反向損散射失之可能性。一進一步改良係藉由控制該多孔性與該孔洞尺寸分布而達成。於一項有利的具體實施例中，該陶瓷複合物具有一至多約1%之多孔性。此外，該等孔洞尺寸應維持小，例如小於300 nm，較佳的情況為小於約100 nm。最佳的結果係於具有低於50 nm孔洞尺寸中達成。

與該YAG部分之限制結合，欲達到反向散射損失相當於5%低係可能的。

對於該等磷光體粒子，將氧化鋁作為該基質，在無導致反向散射下，於調整該發光元件之顏色同質性中產生一額外的優點。由於氧化鋁之六角形晶體構造，以及於兩主要方向中折射率之小差異，光線將於晶粒邊界上予以折射，即予以擴散，同時於該反射或反向散射之組件係較該前向擴散能力至少小於一個等級。因此多晶氧化鋁之運用作為該基質材料將進一步提昇該發光陶瓷複合物，以及因此其所提供之發光元件之效率。該等材料之前向散射與表面結構係用以獲得一改良之顏色同質性。由此，已發現於該陶瓷基質中該等晶粒之平均粒度為0.3－50 μm係有利。

色點及色溫：一定量之Ce對於一定程度之藍色轉變為必須。YAG：Ce之發射光譜取決於YAG晶格中該Ce之濃度。與其他晶格比較，其中活化劑離子(Ce或Pr)係藉由擴散導入，且於該基質中獲得一均質濃度，本複合物使得於該磷光體粉末(YAG：Ce)局部具有一根據DE 10349038相同總量之Ce之濃度為高的Ce濃度為可能。因此，高濃度之Ce於維持一低整體濃度係為可能。此提供在該色點與色溫最佳化時一額外之自由度。由於較共形磷光體層(一般而言30微米)為厚的薄板可加以應用且較易處置，組合該LED裝置係亦方便。

處理：準備透明的YAG主體係困難，由於YAG係一線狀化合物，且通常一富含鋁或釔之相可發現緊鄰於該意欲之YAG相。然而，氧化鋁之處理係予以完善的控制。氧化鋁亦係較YAG便宜。此外，半透明之氧化鋁可於一較低溫度中予以製造。上述之具有薄膜或共形磷光體層的裝置，因該等磷光體層傾向於脆弱，而難以處置。根據本發明之具體實施例，來自磷光體之波長轉變層係於一氧化鋁基質中形成，以形成發光陶瓷基質複合物。該發光陶瓷基質複合物一般係自該半導體裝置個別形成之自支撐層，其隨後係附接到該完成之半導體裝置或對於該半導體裝置用作為一成長基板。該等陶瓷基質複合層可為半透明或透明，其可減輕該等關於非透明波長轉變層，例如共形層之散射損失。發光陶瓷基質複合層可比薄膜或共形磷光體層堅固耐用。此外，由於發光陶瓷基質複合層係固體，其可較輕易地行光學接觸至額外的光學元件，例如亦係為固體之透鏡以及第二光學元件。

本發明所使用之磷光體係屬YAG型(釔鋁榴石)。可以形成發光陶瓷基質複合層之磷光體之範例包括YAG磷光體，其具有一般化學式(Lu_1-x-y-a-b Y_x Gd_y )₃ (Al_1-z Ga_z )₅ O₁₂ ：Ce_a Pr_b ，其中0x1；0y<1；0z0.1；0a0.2；0b0.1；且a+b>0，例如發出於綠-黃範圍中之光的Lu₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ 與Y₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ 。合適之Y₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ 陶瓷材料可購買自Charlotte的Baikowski International Corporation，NC。

一發光陶瓷基質複合物可藉由一包括以下步驟的程序形成：形成一氧化鋁及磷光體粉末之研磨液，將該研磨液塑形成一粉末密實體，隨後加以熱處理，可視需要結合熱均壓(HIP)處理成一具有最低反向散射之含磷光體多晶氧化鋁陶瓷鋁複合結構。該陶瓷材料包括80至99.99 vol.%之氧化鋁以及0.01至20 vol.%之磷光體。較佳的情況為該陶瓷材料包括90至99.9 vol.%之氧化鋁以及0.1至10 vol.%之磷光體，且更佳的情況為該陶瓷材料包括95至99 vol.%之氧化鋁以及1至5 vol.%之磷光體。氧化鋁以及磷光體之總和並不需為100 vol.%，若存在著小量之其他金屬、合金、無機化合物，以及之類則可為較低。欲獲得透明的LEE，尤佳的情況係使陶瓷粒子具有介於0.3與50 μm間之平均尺寸，較佳的情況為介於20與40 μm間。

該程序包括混合氧化鋁及磷光體之粉末，可視需要加上穩定劑與接合劑，以及隨後進行一粉末密實體之塑形。該粉末密實體隨後係予以加熱以移除該等有機接合劑，然後完成該密實體之密集化。該產物具有一高度半透明度以及若干波長轉變特性。不像傳統共形磷光體層或置於一透明樹脂中之磷光體層，該多晶氧化鋁磷光體複合物實質上不含有機材料(低於1%)。

發光陶瓷基質複合元件可藉由，例如晶圓焊接、燒結、與若干已知有機黏著劑如環氧或聚矽氧之薄層進行膠合、與若干高折射率無機黏合劑進行膠合以及與若干溶膠凝膠玻璃進行膠合而附接至發光裝置。

高折射率黏合劑之範例包括高折射率光學玻璃，例如Schott玻璃SF 59、Schott玻璃LaSF 3、Schott玻璃LaSF N18，以及其混合物。該等玻璃可從Pa Duryea的Schott玻璃技術有限公司獲得。其他包括高折射率硫族化合物玻璃之高折射率黏合劑範例，例如(Ge、Sb、Ga)(S、Se)硫族化合物玻璃、包括但不限於GaP、InGaP、GaAs及GaN之第III至V族半導體、包括但不限於ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe及CdTe之第II至VI族半導體、包括但不限於Si及Ge之第IV族半導體以及化合物、有機半導體、包括但不限於氧化鎢、氧化鈦、氧化鎳、氧化鋯、氧化銦錫及氧化鉻之金屬氧化物、包括但不限於氟化鎂及氟化鈣之金屬氟化物、包括但不限於Zn、In、Mg及Sn之金屬、YAG、磷化物、砷化物、銻化物、氮化物、高折射率有機化合物以及其混合物或合金。與高折射率無機黏合劑進行之膠合係於美國專利申請案於2000年9月12日之第09/660,317號以及申請於2001年6月12日之第09/880,204號中有較詳細之說明，二申請案的揭示內容皆併入本文供作參考。

與若干溶膠凝膠玻璃進行之膠合係於美國專利第6,642,618號中有較詳細之說明，該申請案的揭示內容皆併入本文供作參考。於其中該發光陶瓷基質複合物係藉由一溶膠凝膠玻璃附接於該裝置之具體實施例中，一或多種材料，例如鈦、鈰、鉛、鎵、鉍、鎘、鋅、鋇或鋁之氧化物可包含於該SiO₂ 溶膠凝膠玻璃中，以增加該玻璃之折射率，為了更密切地符合該玻璃之折射率以及該發光陶瓷基質複合物與該發光裝置之折射率。例如，於氧化鋁陶瓷層中之一Y₃ Al₅ O₁ ₂ ：Ce³ ^＋可具有一約1.76之折射率，且可接至一半導體發光裝置之藍寶石成長基板，該藍寶石基板具有一1.76之折射率。令該黏合劑之折射率符合該Y₃ Al₅ O₁ ₂ ：Ce³ ^＋陶瓷層與該藍寶石成長基板之折射率係為所欲的。

發光陶瓷基質複合元件可包括一單一磷光體或混合在一起之多磷光體。於一些具體實施例中，於陶瓷層中磷光體濃度之大小係為漸變的。該結構允許藉由改變磷光體粒子及陶瓷氧化鋁粒子至少一部份、該陶瓷複合結構之該等粒子的粒度以及於該含磷光體多晶陶瓷複合結構中之多孔性，可簡易地調整該LED之光線擴散特性。

於一些具體實施例中，若干裝置可包括多陶瓷元件。

本發光陶瓷基質複合元件之一額外優點係以鑄型、研磨、機械加工、熱壓印或拋光使該等陶瓷元件成為想要的形狀，例如層之能力，用以使光萃取增加。發光陶瓷基質複合元件一般具有高折射率，例如對於一Y₃ Al₅ O₁ ₂ ：Ce³ ^＋陶瓷元件為1.75至1.8。為避免在介於該高折射率陶瓷元件與低折射率之空氣間的介面發生全內反射，該陶瓷元件可予以塑形成一透鏡，例如一圓蓋透鏡。來自該裝置之光萃取可藉由對該陶瓷元件之頂部進行隨機或例如塑形為菲涅爾透鏡之紋理化而進一步提昇。於一些具體實施例中，該陶瓷元件之頂部可予以紋理化為一光子晶體結構，例如一形成於該陶瓷材料中的電洞之週期晶格。該塑形後之陶瓷元件可小於或等於一其所附接裝置之面的尺寸，或其可大於該其所附接裝置之面的尺寸。於一些裝置中，較佳的光萃取係預期發生於塑形後之陶瓷元件，其具有一底長至少為該陶瓷元件安裝於其上之裝置面長度的兩倍。於一些具體實施例中，該波長轉變材料係侷限於該陶瓷元件最靠近該裝置之部分。於其他具體實施例中，該波長轉變材料係提供於一第一發光陶瓷基質複合層中，且隨後接於一第二、經塑形、透明陶瓷元件。於其他具體實施例中，該發光元件之顏色同質性係透過該發光陶瓷基質複合物之塑形加以確認。

於一些具體實施例中，該頂部陶瓷元件之表面係為粗糙化，以增加用以進行該光線混合之散射需求，例如於一裝置中，其中來自該發光裝置及一或多個波長轉變元件之光線會混合以形成白光。於其他具體實施例中，足夠的混合可藉由第二光學元件予以達成，例如一本技術中已知的透鏡或光學波導。

發光陶瓷基質複合元件之一進一步的優點係為該等包括一經塑形供光萃取之透明或發光陶瓷基質複合元件之陶瓷的較佳熱特性。一選擇性的額外透明或發光陶瓷基質複合元件可置於該元件與一裝置間。該裝置可安裝於一例如為一覆晶之子基板上。子基板與主基板，例如可為諸如Cu箔、Mo、Cu/Mo及Cu/W等之金屬；若干半導體，該等半導體具有若干金屬接點，諸如具有歐姆接觸之Si及具有包括例如一或多個Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag接觸等的歐姆接觸之GaAs；以及諸如壓縮鑽石之陶瓷。若干層可為將該陶瓷元件連接至該子基板之導熱材料，具降低發光陶瓷基質複合元件溫度之可能性，且因此可增加光輸出。用於子基板元件之若干合適材料包括該等上述之子基板材料。

圖2及3闡明包括若干發光陶瓷基質複合層之裝置。於圖2之裝置中，一n型區域42係成長於一合適的成長基板40上，往下接著為一作用區域43及一p型區域44。該成長基板40可為，例如藍寶石、SiC、GaN或任何其他合適的成長基板。n型區域42、作用區域43以及p型區域44之每一個均可包含不同組成、厚度及摻雜物濃度之多層。例如，n型區域42及p型區域44可包括對於歐姆接觸為最佳化之接觸層以及對於包含於作用區域43中之載體為最佳化之包覆層。作用區域43可包括一單一發光層，或可包括由若干阻障層所區隔之多量子井發光層。

於圖2所闡明之裝置中，p型區域44與作用區域43之一部份係予以蝕刻清除，以露出n型區域42之一部份。一p接點45係形成於p型區域44之剩餘部分上，而一n接點46係形成於n接點46之曝露部分上。於圖2所闡明之具體實施例中，接點45及46係反射型，使得光線係透過基板40之背面萃取自該裝置。此外，該接點45及46可能為透明，或形成的方式使得一大部分之p型區域44與n型區域42之表面不為接點所覆蓋。於此等裝置中，光線可透過該磊晶結構之頂表面萃取自該裝置，即於其上形成接點45及46之表面。

於圖3中所闡明之裝置中，該等磊晶層係透過p接點45焊接於一主基板49。額外用以促進焊接之若干層(未示出)可包含於p型區域44及主基板49間。在該等磊晶層係焊接至主基板49後，該成長基板可予以移除，以曝露一n型區域42之表面。接至作用區域p側的接點係透過主基板49提供。一n接點46係形成於n型區域42之曝露表面的一部份上。光線係透過n型區域42之頂表面自該裝置予以萃取。成長基板之移除係於美國專利申請案序號：10/804,810，申請於2004年3月19日，標題為[光子晶體發光裝置]中有較詳細之說明，其已授權予本發明之受讓人，且申請案的揭示內容皆併入本文供作參考。

於圖2及3中所闡明之該等裝置中，一發光陶瓷基質複合層50，例如上述之陶瓷層係附接至光線係從其予以萃取之裝置表面；於圖2中基板40之背面以及於圖3中n型區域42之頂面。該陶瓷層50可形成或附接於光線係從該裝置予以萃取之任何表面上。例如，陶瓷層50可於圖2中所闡明之裝置若干側上延伸。圖3闡明一選擇性濾光器30，其允許來自作用區域43之光進入陶瓷層50，但反射由陶瓷層50所發出之光，使得由陶瓷層50所發出之光係可加以抑制，而無法進入裝置52，類似於其係遭到吸收及損失。合適之若干濾光器範例包括二色濾光器可從列支敦斯登的Unaxis Balzers Ltd.或加州聖塔羅莎的Optical Coating Laboratory,Inc.獲得。

該發光陶瓷基質複合層50可包括一單一磷光體或混合在一起之多磷光體。於一些具體實施例中，於該陶瓷層中之活化摻雜物的量係漸變的。圖4闡明於一發光陶瓷基質複合層中之漸變摻雜剖面的範例。於圖4中之虛線代表該裝置之表面。最靠近該裝置表面之陶瓷層部分中的磷光體具有最高的摻雜物濃度。離該裝置表面之距離增加的同時，於該磷光體中之摻雜物濃度從而降低。雖然於圖4中係說明一具有一恆定摻雜物濃度之線狀摻雜剖面，應瞭解該漸變的剖面可採取任何形狀，包括例如一階梯狀漸變剖面或一指數剖面，且可包括多或無恆定摻雜物濃度之區域。此外，於一些具體實施例中，將該漸變剖面反向係有利的，如此使得最靠近該裝置表面之區域具有一低摻雜物濃度，該濃度可於離該裝置表面距離增加的同時增加。於一些具體實施例中，離該裝置表面最遠之陶瓷層部分係不允許包含任何磷光體或任何摻雜物，且可予以塑形(如下所示)以供光萃取。

於一些具體實施例中，裝置包括多陶瓷層之，如圖5中所闡明之裝置。陶瓷層50a係附接至可能為例如圖2及3所闡明之任一裝置的裝置52。陶瓷層50b係附接至陶瓷層50a。於一些具體實施例中，該二陶瓷層50a及50b中之一，包含所有運用於該裝置中之波長轉變材料，且該二陶瓷層中之另一係透明，且如果其係鄰近裝置52之陶瓷層則用作為一間隔物層，或者如果其係離裝置52最遠之陶瓷層則用作一光萃取層。於一些具體實施例中，陶瓷層50a及50b其各自皆可包含一不同的磷光體或若干磷光體。雖然於圖5中係闡明二陶瓷層，應瞭解包括多於二陶瓷層及/或多於二磷光體之裝置，皆於本發明之範疇內。於陶瓷層50a及50b中之該等不同磷光體或該等陶瓷層50a及50b自身的配置，可予以選定例如以控制於一裝置中介於多磷光體間之交互作用，如同申請於2004年2月23日之美國專利申請案序號：10/785,616中所說明，同時申請案的揭示內容皆併入本文供作參考。雖然圖5中所示之陶瓷層50a及50b堆疊於裝置52上，其他配置亦可能，且於本發明之範疇內。於一些具體實施例中，一包括一或多個陶瓷層之裝置可與其他波長轉變層結合，例如於圖1中所示之波長轉變材料，或說明於發明背景段落中之薄膜、共形層以及冷光基板。若干非冷光之透明陶瓷層可為，例如彼之主材料作為該發光陶瓷基質複合層，且不具活化摻雜物。

發光陶瓷基質複合層之一優點係以鑄型、研磨、機械加工、熱壓印或拋光使該等陶瓷層成為所想要形狀，例如用以使光萃取增加之能力。發光陶瓷基質複合層一般具有高折射率，例如對於一Y₃ Al₅ O₁ ₂ ：Ce³ ^＋陶瓷層為1.75至1.8。為避免在介於該高折射率陶瓷層與低折射率之空氣間的介面發生全內反射，該陶瓷層可予以塑形成如圖6及7所闡明。圖6所闡明之裝置中，該發光陶瓷基質複合層54係塑形為一透鏡，例如為一圓蓋透鏡。自該裝置之光萃取可藉由使該陶瓷層之頂部進行隨機或，例如塑形成如圖7所闡明一菲涅爾透鏡之紋理化而進一步提昇。於一些具體實施例中該陶瓷層之頂部可予以紋理化為一光子晶體結構，例如一形成於該陶瓷材料中的電洞之週期晶格。該塑形後之陶瓷元件可小於或等於一其所附接裝置52之面的尺寸，或其可大於其所附接裝置52之面的尺寸，如圖6及7所闡明。於一些裝置中，例如圖7，較佳的光萃取係預期發生於若干塑形後之陶瓷層，其具有一底長至少為於其上安裝有該陶瓷層之裝置52的面長度的兩倍。於一些具體實施例中，該波長轉變材料係侷限於最靠近該裝置52之陶瓷層部分。於其他具體實施例中，如於圖7中所闡明，該波長轉變材料係於一第一陶瓷層50a中提供，且隨後接至一第二、經塑形、透明陶瓷層50b。

於一些具體實施例中，該頂部陶瓷層之表面係為粗糙化，以增加用以進行該光線混合之散射需求，例如於一裝置中，其中來自該發光裝置及一或多個波長轉變層之光線會混合以形成白光。於其他具體實施例中，足夠的混合可藉由第二光學元件予以達成，例如一本技術中已知的透鏡或光學波導。

發光陶瓷基質複合層之一進一步優點係為該等較佳的陶瓷熱特性。一包括一發光陶瓷基質複合層及一熱萃取結構之裝置係於圖8中予以闡明。如同於圖7中，圖8說明一經塑形以供光萃取之透明或發光陶瓷基質複合層50b。一可選擇的額外透明或發光陶瓷基質複合層50a係置於層50b及裝置52間。裝置52係安裝於一子基板58上，例如一如圖2所闡明之覆晶。圖3之子基板58及主基板49，例如可為諸如Cu箔、Mo、Cu/Mo及Cu/W等之金屬；若干半導體，該等半導體具有若干金屬接點，諸如具有歐姆接觸之Si及具有包括例如一或多個Pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag的歐姆接觸之GaAs；以及諸如壓縮鑽石之陶瓷。若干層56可為將該陶瓷層50b連接至該子基板58之導熱材料，具降低發光陶瓷基質複合層50a及/或50b溫度之可能性，且因此可增加光輸出。用於層56之若干合適材料包括上述之子基板材料。圖8中所闡明之配置對於從具有例如SiC之導電基板的覆晶裝置進行熱萃取，尤為適用。

範例

一由細且佳之分散性氧化鋁顆粒(例如Taimei TM－DAR，Sumitomo AKP50)所組成之粉末，係與一YAG：Ce型粉末(例如Philips Lighting)混合，藉由該等氧化鋁顆粒之去黏聚作用(例如濕式球磨或超音波等)以及穩定作用(例如藉由運用HNO₃ 或聚丙烯酸)分散至水中。該氧化鋁懸浮液係澆注入(例如注漿成型或凝膠注模成型)若干模具中。

於進行乾燥與脫模後，該多孔氧化鋁產物係於氧中予以鈣化，以於一實質上低於該燒結溫度之溫度中，去除所有不欲的成分(例如穩定劑及接合劑)。隨後，該材料係於一合適的燒結環境(例如真空下或氧氣環境下)中予以燒結，直到該密度係高於95%。於該燒結處理後，施以熱均壓(HIP)，以於無需一較高燒結溫度下進一步增加該密度。該產物為高度半透明，且僅產生有限的反向散射。

10‧‧‧LED

12‧‧‧發光晶片

14‧‧‧基座

16‧‧‧LED晶粒

18‧‧‧電流連接頭

20‧‧‧透明樹脂

22‧‧‧磷光體顆粒

24‧‧‧透鏡

26‧‧‧LED放射光

30‧‧‧濾光器

40‧‧‧成長基板

42‧‧‧n型區域

43‧‧‧作用區域

44‧‧‧p型區域

45‧‧‧p接點

46‧‧‧n接點

49‧‧‧主基板

50‧‧‧發光陶瓷基質複合層

50a及50b‧‧‧陶瓷層

52‧‧‧裝置

54‧‧‧發光陶瓷基質複合層

56‧‧‧層

58‧‧‧子基板

本發明藉由下列若干非限制範例及圖式進一步加以闡明。

圖1闡明一先前技術磷光體轉變之半導體發光裝置。

圖2闡明一包括一多晶氧化鋁磷光體複合層，即一發光陶瓷基質複合物之覆晶半導體發光裝置。

圖3闡明一包括一焊接之主基板與一發光陶瓷基質複合物的半導體發光裝置。

圖4闡明一於一發光陶瓷基質複合層中之磷光體摻雜剖面的一範例。

圖5闡明一包括多陶瓷層之半導體發光裝置。

圖6闡明一包括一經塑形之發光陶瓷基質複合層的半導體發光裝置。

圖7闡明一半導體發光裝置，其包括的一陶瓷磷光體層寬於該裝置中之磊晶層。

圖8闡明一包括一陶瓷磷光體層與一熱萃取結構之半導體發光裝置。

40．．．成長基板

42．．．n型區域

43．．．作用區域

44．．．p型區域

45．．．p接點

46．．．n接點

50．．．發光陶瓷基質複合層

52．．．裝置

Claims

一種在一多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體，形成一陶瓷基質複合物，其特徵在於該磷光體係嵌入於一包括非發光多晶氧化鋁之陶瓷基質中，其中該陶瓷基質包括80至99.99 vol.%之氧化鋁以及0.01至20 vol.%之磷光體。
如請求項1之在該多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體，其中該陶瓷基質複合物至少90%之孔具有一平均孔尺寸小於300 nm。
如請求項1之在該多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體，其中該陶瓷基質複合物至少90%之孔具有一平均孔尺寸小於100 nm。
如請求項1或2之在該多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體，其中該磷光體係具有一組成(Lu_1-x-y-a-b Y_x Gd_y )₃ (Al_1-z Ga_z )₅ O₁₂ ：Ce_a Pr_b 之摻雜YAG，其中0x1；0y<1；0z0.1；0a0.2以及0b0.1，且a+b>0。
如請求項1或2之在該多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體，其中該陶瓷基質包括90至99.9 vol.%之氧化鋁以及0.1至10 vol.%之磷光體。
如請求項5之在該多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體，其中該基質包括95至99 vol.%之氧化鋁以及1至5 vol.%之磷光體。
如請求項1或2之在該多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體，該陶瓷基質包含具有平均粒度的晶粒，其中包含於該陶瓷基質中之晶粒的平均粒度為0.3至50 μm。
一種發光元件，其包括一發光二極體(LED)以及一如請求項1至7中任一項之在該多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體。
如請求項8之發光元件，其中該陶瓷基質複合物係加以應用作為一板狀物或為一經塑形之杯狀物於該LED頂上，且具有介於約50 μm及約1 mm之厚度。
如請求項8或9之發光元件，其中該陶瓷基質複合物具有經紋理化之陶瓷層頂部。
如請求項8或9之發光元件，其中該陶瓷基質複合物藉由晶圓焊接、燒結、與一已知有機黏著劑之薄層進行膠合、與高折射率無機黏合劑進行膠合及與溶膠-凝膠玻璃進行膠合之其中一種方式而附接至該發光二極體。
一種發光裝置，其包括如請求項8至11中任一項之元件。
一種製造如請求項1至7中任一項之在一多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體之方法，其包括以下步驟：將磷光體及氧化鋁粒子之粉末轉變成一研磨液，將該研磨液塑形成一含磷光體多晶陶瓷氧化鋁複合結構，隨後加以一熱處理，於其後該陶瓷基質係安裝至一LED。
如請求項13之製造在一多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體之方法，其包括以下步驟：將磷光體及氧化鋁粒子之粉末轉變成一研磨液，將該研磨液塑形成一含磷光體多晶陶瓷氧化鋁複合結構，隨後加以一熱處理，並且結合熱均壓處理成該陶瓷基質，於其後該陶瓷基質係安裝至一LED。
如請求項13或14之方法，其中該研磨液係藉由注漿成型或射出成型予以塑形成一含磷光體多晶陶瓷基質，遂得獲一陶瓷光轉變封裝、一準直透鏡或準直反射器、一光外耦合結構或一熱散逸裝置。
如請求項13或14之方法，其中該陶瓷基質包括90至99.9 vol.%之氧化鋁以及0.1至10 vol.%之磷光體。
一種調整如請求項1至7中任一項之在一多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體的光擴散特性之方法，其係藉由改變以下至少其中一者而達成：於該陶瓷基質中之磷光體及氧化鋁之部分；包括於該陶瓷基質中之該等粒子之平均粒度；以及該陶瓷基質之多孔性。
如請求項17之方法，其中該陶瓷基質包括90至99.9 vol.%之氧化鋁以及0.1至10 vol.%之磷光體。
一種調整如請求項1至7中任一項之在一多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體的光發射特性之方法，其係藉由改變以下至少其中一者而達成：於該陶瓷基質中之磷光體及氧化鋁之部分；於該磷光體中之Ce及/或Pr與YAG之比例；以及該YAG之組成。
如請求項19之方法，其中該陶瓷基質包括90至99.9 vol.%之氧化鋁以及0.1至10 vol.%之磷光體。
一種製造如請求項8至11中任一項之發光元件的方法，其包括如請求項13至20中任一項之該等步驟，其中該陶瓷基質係安裝至一LED。
一種製造包括發光二極體(LED)以及在一多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體之發光元件的方法，其中該磷光體係嵌入於一包括非發光多晶氧化鋁之陶瓷基質中，其中該陶瓷基質包括80至99.99 vol.%之氧化鋁以及0.01至20 vol.%之磷光體，該方法包括以下步驟：將磷光體及氧化鋁粒子之粉末轉變成一研磨液，將該研磨液塑形成一含磷光體多晶陶瓷氧化鋁複合結構，隨後加以一包含在合適的燒結環境中予以燒結之熱處理，於其後該陶瓷基質係安裝至一LED。
如請求項22之製造包括發光二極體(LED)以及在一多晶陶瓷結構中之摻雜YAG型之磷光體之發光元件的方法，其中該磷光體係嵌入於一包括非發光多晶氧化鋁之陶瓷基質中，其中該陶瓷基質包括80至99.99 vol.%之氧化鋁以及0.01至20 vol.%之磷光體，該方法包括以下步驟：將磷光體及氧化鋁粒子之粉末轉變成一研磨液，將該研磨液塑形成一含磷光體多晶陶瓷氧化鋁複合結構，隨後加以一包含在合適的燒結環境中予以燒結之熱處理，並且結合熱均壓處理成該陶瓷基質，於其後該陶瓷基質係安裝至一LED。
如請求項22或23之方法，其中該陶瓷基質包括90至99.9 vol.%之氧化鋁以及0.1至10 vol.%之磷光體。