[发明专利]使用发光蓝宝石作为下转换器的LED

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及本发明人于2013年1月16日提交并且转让给本受让人的通过引用并入本文的美国临时申请序列号61/753,175并且要求该美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及发光二极管（LED）的波长转换，并且具体地涉及使用发光蓝宝石作为集成到LED管芯中的波长转换材料。

背景技术

磷光体转换LED（pcLED）当前使用在范围广泛的应用中，诸如用于白光LED、琥珀色LED等。磷光体转换LED包括有源初级LED光源（典型地为发射蓝光的III-氮化物p-n结）以及吸收初级光的部分并将其下转换成较低能量的次级光的无源次级光源（磷光体）。通过磷光体层泄漏的蓝光与次级光的组合可以产生范围广泛的颜色。多个磷光体可以用于贡献不同波长。次级光源不一定是磷光体，而是可以例如为量子点层，因此我们可以更一般地将这样的LED描述为下转换LED（dcLED）。

第一白色LED包括具有绿色发射磷光体涂层（Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG)）的蓝色初级光源（InGaN/GaN结LED管芯）。YAG磷光体的Ce激活剂吸收蓝色初级光的部分并且发射以绿色为中心的宽发射。LED的所得发射频谱因此是蓝光和绿光的组合，其看起来是白色的。现有技术LED现在采用具有范围广泛的发射可能性的多个磷光体的组合。典型的暖白色LED包含至少一个绿色和一个红色发射磷光体。

磷光体层可以以多种方式形成，诸如在透明结合剂（例如硅树脂、玻璃、环氧树脂）中混合磷光体粉末并且将混合物沉积在蓝色LED管芯的顶部上，或者利用透明粘合剂（例如硅树脂）将预形成的磷光体瓦片附连到LED管芯，或者使用电泳将磷光体沉积在LED管芯之上。预形成的磷光体瓦片典型地通过在压力之下烧结磷光体粉末而制得。

还已知的是将磷光体嵌入到固体透明基质（例如玻璃）中以创建发光衬底，然后将种子层沉积在衬底之上，并且然后将LED层外延生长在种子层之上。

以上提到的pcLED的一些缺陷包括以下。

盖覆蓝色LED管芯的磷光体层引发初级光的散射并且从而降低转换效率。

用于创建磷光体混合物的透明结合剂以及用于将磷光体瓦片附连到LED管芯的粘合剂具有主要缺点，诸如具有比III-氮化物和磷光体低的折射率，这降低转换效率，并且其热导率是低的，这降低LED效力和可靠性。

注入有磷光体的衬底由于晶格失配和不同的热膨胀系数（CTE）而是用于III-氮化物结的外延生长的不适当的衬底。在这些衬底上生长要求种子层的沉积，其可能降低结质量和性能并且是昂贵的。CTE失配仍旧存在。

一旦集成到LED中，以上提到的次级光源的强度和波长就不能被调谐。这可以引起所产生的LED内的颜色中的大扩展。不满足目标颜色准则的LED导致较低的生产产量以及总体LED成本的增加。

发明内容

依照本发明，发光蓝宝石材料被用作用于LED初级光的仅有下转换器或者与诸如磷光体或量子点之类的其它下转换材料结合使用。发光蓝宝石可以是以粉末形式并且沉积在LED管芯之上，或者可以形成用于LED外延层的生长衬底。

发光蓝宝石是纯透明的并且不散射穿过的光。用发光蓝宝石部分地或总体地替换磷光体因此可以改进LED性能。

蓝宝石也是用于III-氮化物蓝色LED的常见生长衬底材料。高度高效的p-n结因此可以使用发光蓝宝石生长衬底来生长而没有外延生长过程中的大的改变。在一个实施例中，因为外延生长的高温度破坏蓝宝石的期望发光性质，所以以较低温度的后续退火步骤被用于再激活蓝宝石中的发光中心。

使p-n结直接生长在发光蓝宝石上消除了对于常规用于将磷光体层提供在LED管芯的顶部之上的任何结合剂或粘合剂的需要。这可以引起LED的降低的成本、较高的转换效率以及较高的可靠性。

在一个实施例中，LED是生成初级蓝光的倒装芯片，并且发光蓝宝石生长衬底生成绿色次级光。未被衬底转换成绿光的蓝光穿过透明衬底。

包含发光蓝宝石的LED的总体颜色可以被调谐，甚至在将发光蓝宝石集成到LED管芯中之后。这可以通过使用激光器和/或热量修改蓝宝石的光学性质来完成，使得最终的LED满足所要求的颜色准则。

附图说明

图1是示出了发光蓝宝石中的各种可能的F-中心中的一些连同其吸收波长（以nm为单位）及其发射波长一起的表格。

图2是示出了在600℃之上的退火期间发光蓝宝石中的某个F-中心的荧光如何降低的图。