波長轉(zhuǎn)換器以及具有所述波長轉(zhuǎn)換器的發(fā)光器件的制作方法
【專利說明】波長轉(zhuǎn)換器以及具有所述波長轉(zhuǎn)換器的發(fā)光器件
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)是要求題為"WAVELENGTH CONVERTER AND LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING SAME"的并且于2013年9月26日提交的美國專利申請(qǐng)No. 14/038，709的權(quán)益的國際申請(qǐng)，該 美國申請(qǐng)的整體內(nèi)容被通過引用合并到此。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)光二極管(LED)在電磁譜的特定區(qū)域中生成可見光或不可見光。取決于LED的材 料成分，從LED輸出的光可以是例如藍(lán)色、紅色、綠色、紫外(UV)和/或近UV譜區(qū)域中的光。當(dāng) 想要構(gòu)建產(chǎn)生與LED的輸出色彩不同的色彩的光的LED光源時(shí)，已知的是使用光致發(fā)光將具 有第一波長或波長范圍的從LED輸出的光（"主級(jí)光"或"激勵(lì)光"）轉(zhuǎn)換為具有第二波長或波 長范圍的光（"次級(jí)光"或"發(fā)射光"）。
[0003] 光致發(fā)光一般牽涉利用波長轉(zhuǎn)換材料(諸如磷或磷的混合物)來吸收更高能量主 級(jí)光。吸收主級(jí)光可以將波長轉(zhuǎn)換材料激勵(lì)到更高能態(tài)。當(dāng)波長轉(zhuǎn)換材料返回到更低能態(tài) 時(shí)，其發(fā)射一般具有與主級(jí)光不同的波長/波長范圍的次級(jí)光。次級(jí)光的波長/波長范圍取 決于所使用的波長轉(zhuǎn)換材料的成分。像這樣，可以通過恰當(dāng)選擇波長轉(zhuǎn)換材料來實(shí)現(xiàn)想要 的波長/波長范圍的次級(jí)光。這種處理可以理解為"波長下轉(zhuǎn)換"，并且與包括波長轉(zhuǎn)換材料 (諸如磷）的波長轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)組合以產(chǎn)生次級(jí)光的LED可以被描述為"磷轉(zhuǎn)換的LED"（pc-LED) 或"波長轉(zhuǎn)換的LED"。
[0004] 波長轉(zhuǎn)換材料可以通過適當(dāng)?shù)姆椒?諸如按壓并且燒結(jié)粉末狀的材料)而被形成 為固體單片陶瓷工件。典型地采用板的形式的陶瓷波長轉(zhuǎn)換器可以于是被直接附接到LED 管芯，以實(shí)現(xiàn)LED所發(fā)射的光的芯片級(jí)轉(zhuǎn)換(CLC)，或者其可以被放置在距LED的發(fā)光表面一 定距離處，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距轉(zhuǎn)換布置。因?yàn)橥该魈沾刹ㄩL轉(zhuǎn)換器不遭受來自把被轉(zhuǎn)換的光后 向散射到LED源一在LED源處被轉(zhuǎn)換的光可能被吸收一的損耗，所以對(duì)于這些應(yīng)用而言透明 陶瓷波長轉(zhuǎn)換器具有潛力來生成最高水平的轉(zhuǎn)換效率。然而，由于以更高的透明度制成陶 瓷波長轉(zhuǎn)換器，因此總內(nèi)部反射(TIR)變?yōu)橄拗埔蛩?，約束可以從轉(zhuǎn)換器提取的光的量，并 且由此限制光源的效力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明將透明陶瓷的高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)與增加流明輸出的光提取改進(jìn)組合。更特 別地，提供一種具有包含第二相的氧化鋁(優(yōu)選地作為氧化鋁微晶）的表面層的基于氧化鋁 的陶瓷波長轉(zhuǎn)換器。作為用于形成自身實(shí)質(zhì)上透明的體塊陶瓷的燒結(jié)處理的結(jié)果，形成表 面層。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種包括冷光陶瓷材料的固體單片工件的波長轉(zhuǎn)換 器。所述陶瓷材料由能夠?qū)⒕哂械谝环逯挡ㄩL的主級(jí)光轉(zhuǎn)換為具有第二峰值波長的次級(jí)光 的基于氧化鋁的磷構(gòu)成。所述轉(zhuǎn)換器的體塊部分實(shí)質(zhì)上是透明的，并且所述轉(zhuǎn)換器具有至 少一個(gè)主表面，所述至少一個(gè)主表面帶有具有氧化鋁第二相的燒結(jié)態(tài)的表面層。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種發(fā)光器件，包括:發(fā)光二極管，其發(fā)射具有第一 峰值波長的主級(jí)光；以及波長轉(zhuǎn)換器，被定位為從所述發(fā)光二極管接收所述主級(jí)光。所述波 長轉(zhuǎn)換器包括冷光陶瓷材料的固體單片工件。所述陶瓷材料包括能夠?qū)⑺鲋骷?jí)光的至少 一部分轉(zhuǎn)換為具有第二峰值波長的次級(jí)光的基于氧化鋁的磷。所述轉(zhuǎn)換器的體塊部分實(shí)質(zhì) 上是透明的，并且所述轉(zhuǎn)換器具有至少一個(gè)主表面，所述至少一個(gè)主表面帶有具有氧化鋁 第二相的燒結(jié)態(tài)的表面層。
【附圖說明】
[0008] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的利用具有陶瓷波長轉(zhuǎn)換器的LED的發(fā)光器件的橫截 面的示意性圖解。
[0009]圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的利用具有陶瓷波長轉(zhuǎn)換器的LED的發(fā)光器件的 橫截面的示意性圖解。
[0010]圖3是示出孔隙和第2相氧化鋁夾雜物（inclusion)的所燒結(jié)的YGdAG:Ce陶瓷波長 轉(zhuǎn)換器的橫截面的SEM顯微圖。
[0011] 圖4是利用TE0S燒結(jié)助劑制成的所燒結(jié)的YGdAG: Ce陶瓷波長轉(zhuǎn)換器的橫截面的 SEM顯微圖。
[0012] 圖5是利用TE0S燒結(jié)助劑制成的所燒結(jié)的YGdAG:Ce陶瓷波長轉(zhuǎn)換器的表面的SEM。 [0013]圖6是利用TE0S燒結(jié)助劑制成的所燒結(jié)的LuAG:Ce陶瓷波長轉(zhuǎn)換器的表面的光顯 微鏡圖像。
[0014] 圖7在(i)燒結(jié)態(tài)的條件與（ii)被拋光以移除表面上的第2相氧化鋁晶體中對(duì)利用 TE0S燒結(jié)助劑燒結(jié)的YGdAG: Ce陶瓷波長轉(zhuǎn)換器的直線透射進(jìn)行比較。
[0015] 圖8對(duì)具有燒結(jié)態(tài)的YGdAG:Ce陶瓷轉(zhuǎn)換器板的pc-LED的發(fā)射譜與來自同一 pc-LED 配置的發(fā)射譜進(jìn)行比較，其中，轉(zhuǎn)換器的一側(cè)或兩側(cè)已經(jīng)被拋光以移除具有氧化鋁的第2相 的表面層。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 為了連同本發(fā)明的其它和進(jìn)一步的目的、優(yōu)點(diǎn)和能力一起更好地理解本發(fā)明，參 照結(jié)合上面描述的附圖所作的以下公開和所附權(quán)利要求。
[0017]如在此所使用的那樣，"陶瓷波長轉(zhuǎn)換器"意味著由已經(jīng)通過燒結(jié)粉末狀材料(諸 如無機(jī)磷)形成的固體單片陶瓷工件構(gòu)成的波長轉(zhuǎn)換器。一般地，燒結(jié)態(tài)的陶瓷波長轉(zhuǎn)換器 是多晶的。術(shù)語"陶瓷波長轉(zhuǎn)換器"不包括由聚合物基質(zhì)(諸如硅酮或環(huán)氧樹脂）中的磷顆粒 的分散構(gòu)成的波長轉(zhuǎn)換器。術(shù)語"表面層"意味著相鄰于并且包括有關(guān)表面的層。
[0018] 實(shí)質(zhì)上透明意味著材料展現(xiàn)通過材料的光的很少的散射，并且更特別地其展現(xiàn)其 中材料沒有吸收峰值的電磁譜的區(qū)域中如所測量的至少60%的直線透射。例如，由于材料歸 因于Ce 3+催化劑而在350nm和460nm處具有強(qiáng)吸收峰值，因此將在高于550nm的波長處測量用 于鈰催化的鋁石榴石材料的直線透射。特別是，被濾波以掃描波長范圍的氙氣燈一般地被 用于測量直線透射。
[0019] LED"管芯"（又被提及為LED"芯片"）是采用其最基本形式（即，采用通過切分半導(dǎo) 體層被沉積于其上的更大得多的晶片而產(chǎn)生的小的單獨(dú)的工件的形式）的LED1ED管芯可 以包括適合用于應(yīng)用電功率的接觸。
[0020] 對(duì)磷、LED或轉(zhuǎn)換材料的色彩的提及一般提及其發(fā)射色彩，除非另外指定。因此，藍(lán) 色LED發(fā)射藍(lán)色光，黃色磷發(fā)射黃色光并且依此類推。
[0021] 現(xiàn)在參照具有更大特定性的附圖，圖1中示出采用具有陶瓷波長轉(zhuǎn)換器104的pc-led 的形式的發(fā)光器件 100。陶瓷波長轉(zhuǎn)換器由基于氧化鋁 (ai2〇3) 的磷材料，例如冷光釔鋁 石榴石Υ3Α15〇12(其也可以寫為3Υ 2〇3 · 5Al2〇3)構(gòu)成。優(yōu)選地，陶瓷波長轉(zhuǎn)換器由可以由通式 A3B5〇12: Ce表示的基于氧化鋁的磷構(gòu)成，其中，A是Y、Sc、1^、6(1、1^或113，并且8是41、63或3(3。 優(yōu)選地，A是Y，Gd、Lu或Tb，并且B是A1。更優(yōu)選地，磷是如下之一:Y 3Al5〇12: Ce、（Y，Gd)3Α15〇12: Ce、Tb3Al50i2: Ce 和 Lu3Al50i2: Ce、其可以分別被提及為 YAG: Ce、YGdAG: Ce、TbAG: Ce 和 LuAG: Ce。波長轉(zhuǎn)換器104-般具有20μπι和500μπι之間并且優(yōu)選地100μπι和250μπι之間的厚度Ti。在 優(yōu)選的實(shí)施例中，波長轉(zhuǎn)換器具有平坦板的形狀，雖然其不被限制成這樣。
[0022] 從藍(lán)色發(fā)射LED管芯102的發(fā)光表面107發(fā)射的主級(jí)光106通入到陶瓷波長轉(zhuǎn)換器 104中，陶瓷波長轉(zhuǎn)換器104將藍(lán)色光的至少一部分轉(zhuǎn)換為具有不同峰值波長的次級(jí)光116 (諸如黃色光）。最終從轉(zhuǎn)換器104的發(fā)光表面120發(fā)射的光的色彩將取決于轉(zhuǎn)換器內(nèi)的通過 轉(zhuǎn)換器的未轉(zhuǎn)換的主級(jí)光106的量對(duì)于轉(zhuǎn)換為次級(jí)光116的主級(jí)光的量的比率。
[0023] 在圖1所示的實(shí)施例中，陶瓷波長轉(zhuǎn)換器104具有拋光的底部表面118,其面對(duì)LED 管芯102的發(fā)光表面107。包括發(fā)光表面120的相對(duì)側(cè)具有包含第二相的氧化鋁(優(yōu)選地作為 氧化鋁微晶）的整體的燒結(jié)態(tài)的表面層110。表面層邊界由虛線126表示。陶瓷波長轉(zhuǎn)換器 104的體塊材料124是由基于