[发明专利]具有单晶磷光体的白光发光二极管和生产的方法

说明书

发明背景

本发明涉及当利用磷光体技术转换光时具有高于0.5W的功率和高于40Im的光通量的高效率的白光发光二极管。此外，本发明涉及单晶磷光体、其的组成和形状、其的生产技术和二极管构造排列的优化。

现有技术的描述

标准白光发光二极管(也仅称为“W-LED”)的结构不允许直接发射白光，而是基于混合色谱的蓝光分量(最大地450至470nm)和黄光分量(最大地550nm)或，可能地，红光分量(EP0936682和US6600175专利)。在最常见的排列中，其是具有具有量子空穴的InGaN芯片的结构，发射具有在455至470nm之间的发射峰的蓝光，此时芯片的量子效率朝向更长的波长减少并且随着芯片中的InN的增加的部分减少。黄光分量由在称为“磷光体”的荧光材料的辅助下芯片发射的蓝光的部分向下转换而获得。考虑到其突出的性质，在大多数的应用中被用作磷光体的是(Y_1-aGd_a)₃(Al_1-bGa_b)₅O₁₂:Ce³⁺，其中0<a<1，0<b<1，掺杂有铈或可能地镓或钆的钇-铝石榴石(此外仅称为YAG:Ce)。在该材料中吸收的蓝光光子以高至100％效率转换，归因于向具有较低的能量和在55nm处发射峰的光子的斯托克斯位移(EP0936682专利)。已转换的蓝光光子的量与材料中的Ce³⁺原子浓度成正比例。

所有的这些磷光体以具有几百纳米高至几十微米的晶粒度的粉末或多晶陶瓷的层的形式应用在二极管上(US/8133461，WO/2008/051486A1)。磷光体可以置于在InGaN芯片正上方的薄层中或可以被分散在芯片上的环氧物或硅氧烷光学部件中。极度重要的是磷光体的均匀的分布，取决于来自芯片的蓝光的光角度，以保持所得到的光的颜色均匀性。

当沉积转换光的磷光体时，是重要的是保持磷光体的均匀的分布，使得光的色温应当不取决于光的角度。然而，在所有的所声明的情况下，普遍地使用的粉末磷光体受制于很多缺点，例如反向散射、温度消光和热降解。

具有超过500nm的大小的磷光体晶粒上光的反向散射的现象导致在期望的方向的光强度的显著的减少。具有比光波长小的大小的磷光体晶粒上光的瑞利散射导致光子的在各种方向的偏转以及在朝向芯片的非期望的方向的返回。如果这些散射中心的数量是大的，那么被反向散射的光的强度不是可忽略的并且可以是总强度的百分之几十。后续地，反向散射的光被吸收在二极管的单个部分中并且促进其的进一步暖化。这种现象可以通过将晶粒大小减少至低于光波长的大小来减少，这使它们是对于单个光子不可见的并且光可以更容易地穿透经过它们。然而，粉末大小的减少导致磷光体的转换效率下降，归因于缺陷对单个晶粒的表面的增加的影响。

标准二极管的一个显著的问题是在操作的过程中的芯片和磷光体的暖化。热由InGaN芯片自身产生，其效率为约30％，并且热也在斯托克斯位移期间在光朝向更长波长的转换期间在磷光体中产生。磷光体可以被局部地暴露于高至200℃的温度，这导致磷光体的发光效率(被吸收的蓝光光子和被发射的黄光光子的比率)的减少，这被称为磷光体的温度消光。这种消光以具有最小的尺寸的晶粒的磷光体显示出最多。晶粒的内部部分是单晶的，然而，在它们的表面上有大量的缺陷以及晶格结构的有关的表面位错，均来源于加工并且来源于材料的天然的特性。这些缺陷作为无光发射复合中心起作用，这显著地减少磷光体的转换效率。磷光体消光伴随着YAG主体中的超过0.5原子％Ce³⁺的浓度显示。Ce³⁺的较大的浓度同时用于减少粉末磷光体的体积以及用于减少反向散射效应。

同样地，增加的温度显著地增加二极管单个部分的热降解。硅氧烷聚合物，最普遍地使用的高效率W-LED的包胶剂和透镜材料，是相对地稳定的。尽管如此，但热学影响导致包胶剂材料分解以及在磷光体的微晶晶粒和包胶剂的边界上的光学上活性的缺陷的产生。这些缺陷促使总的辐射功率的减少和进一步的二极管暖化。

解决与热产生相关的问题的一种方式称为“远程磷光体”(WO/2010/143086A1；EP2202444；WO/2012/092175A1；WO/2009/134433A3)，此时磷光体粉末的转换材料被分散至较大的表面上并且被定位在外部与InGaN芯片直接接触。例如，其以薄层沉积至位于芯片发射的蓝光束中或位于外部灯护套的内部壁上的光学上可穿透的板上，使得蓝光的至少某个部分朝向更长的波长转换。