波長轉換器以及具有所述波長轉換器的發(fā)光器件的制作方法
【專利說明】波長轉換器以及具有所述波長轉換器的發(fā)光器件
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請是要求題為"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No. 14/038，709的權益的國際申請，該 美國申請的整體內容被通過引用合并到此。
【背景技術】
[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色、紅色、綠色、紫外(UV)和/或近UV譜區(qū)域中的光。當 想要構建產生與LED的輸出色彩不同的色彩的光的LED光源時，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（"主級光"或"激勵光"）轉換為具有第二波長或波 長范圍的光（"次級光"或"發(fā)射光"）。
[0003] 光致發(fā)光一般牽涉利用波長轉換材料(諸如磷或磷的混合物)來吸收更高能量主 級光。吸收主級光可以將波長轉換材料激勵到更高能態(tài)。當波長轉換材料返回到更低能態(tài) 時，其發(fā)射一般具有與主級光不同的波長/波長范圍的次級光。次級光的波長/波長范圍取 決于所使用的波長轉換材料的成分。像這樣，可以通過恰當選擇波長轉換材料來實現想要 的波長/波長范圍的次級光。這種處理可以理解為"波長下轉換"，并且與包括波長轉換材料 (諸如磷）的波長轉換結構組合以產生次級光的LED可以被描述為"磷轉換的LED"（pc-LED) 或"波長轉換的LED"。
[0004] 波長轉換材料可以通過適當的方法(諸如按壓并且燒結粉末狀的材料)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換器可以于是被直接附接到LED 管芯，以實現LED所發(fā)射的光的芯片級轉換(CLC)，或者其可以被放置在距LED的發(fā)光表面一 定距離處，以便實現遠距轉換布置。因為透明陶瓷波長轉換器不遭受來自把被轉換的光后 向散射到LED源一在LED源處被轉換的光可能被吸收一的損耗，所以對于這些應用而言透明 陶瓷波長轉換器具有潛力來生成最高水平的轉換效率。然而，由于以更高的透明度制成陶 瓷波長轉換器，因此總內部反射(TIR)變?yōu)橄拗埔蛩?，約束可以從轉換器提取的光的量，并 且由此限制光源的效力。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明將透明陶瓷的高轉換效率的優(yōu)點與增加流明輸出的光提取改進組合。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 的陶瓷波長轉換器。作為用于形成自身實質上透明的體塊陶瓷的燒結處理的結果，形成表 面層。
[0006] 根據本發(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換 器。所述陶瓷材料由能夠將具有第一峰值波長的主級光轉換為具有第二峰值波長的次級光 的基于氧化鋁的磷構成。所述轉換器的體塊部分實質上是透明的，并且所述轉換器具有至 少一個主表面，所述至少一個主表面帶有具有氧化鋁第二相的燒結態(tài)的表面層。
[0007] 根據本發(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 峰值波長的主級光；以及波長轉換器，被定位為從所述發(fā)光二極管接收所述主級光。所述波 長轉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將所述主級光的至少 一部分轉換為具有第二峰值波長的次級光的基于氧化鋁的磷。所述轉換器的體塊部分實質 上是透明的，并且所述轉換器具有至少一個主表面，所述至少一個主表面帶有具有氧化鋁 第二相的燒結態(tài)的表面層。
【附圖說明】
[0008] 圖1是根據本發(fā)明的實施例的利用具有陶瓷波長轉換器的LED的發(fā)光器件的橫截 面的示意性圖解。
[0009]圖2是根據本發(fā)明的另一實施例的利用具有陶瓷波長轉換器的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)的所燒結的YGdAG:Ce陶瓷波長 轉換器的橫截面的SEM顯微圖。
[0011] 圖4是利用TE0S燒結助劑制成的所燒結的YGdAG: Ce陶瓷波長轉換器的橫截面的 SEM顯微圖。
[0012] 圖5是利用TE0S燒結助劑制成的所燒結的YGdAG:Ce陶瓷波長轉換器的表面的SEM。 [0013]圖6是利用TE0S燒結助劑制成的所燒結的LuAG:Ce陶瓷波長轉換器的表面的光顯 微鏡圖像。
[0014] 圖7在(i)燒結態(tài)的條件與（ii)被拋光以移除表面上的第2相氧化鋁晶體中對利用 TE0S燒結助劑燒結的YGdAG: Ce陶瓷波長轉換器的直線透射進行比較。
[0015] 圖8對具有燒結態(tài)的YGdAG:Ce陶瓷轉換器板的pc-LED的發(fā)射譜與來自同一 pc-LED 配置的發(fā)射譜進行比較，其中，轉換器的一側或兩側已經被拋光以移除具有氧化鋁的第2相 的表面層。
【具體實施方式】
[0016] 為了連同本發(fā)明的其它和進一步的目的、優(yōu)點和能力一起更好地理解本發(fā)明，參 照結合上面描述的附圖所作的以下公開和所附權利要求。
[0017]如在此所使用的那樣，"陶瓷波長轉換器"意味著由已經通過燒結粉末狀材料(諸 如無機磷)形成的固體單片陶瓷工件構成的波長轉換器。一般地，燒結態(tài)的陶瓷波長轉換器 是多晶的。術語"陶瓷波長轉換器"不包括由聚合物基質(諸如硅酮或環(huán)氧樹脂）中的磷顆粒 的分散構成的波長轉換器。術語"表面層"意味著相鄰于并且包括有關表面的層。
[0018] 實質上透明意味著材料展現通過材料的光的很少的散射，并且更特別地其展現其 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 體層被沉積于其上的更大得多的晶片而產生的小的單獨的工件的形式）的LED1ED管芯可 以包括適合用于應用電功率的接觸。
[0020] 對磷、LED或轉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 色LED發(fā)射藍色光，黃色磷發(fā)射黃色光并且依此類推。
[0021] 現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換器104的pc-led 的形式的發(fā)光器件 100。陶瓷波長轉換器由基于氧化鋁 (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)構成。優(yōu)選地，陶瓷波長轉換器由可以由通式 A3B5〇12: Ce表示的基于氧化鋁的磷構成，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)選的實施例中，波長轉換器具有平坦板的形狀，雖然其不被限制成這樣。
[0022] 從藍色發(fā)射LED管芯102的發(fā)光表面107發(fā)射的主級光106通入到陶瓷波長轉換器 104中，陶瓷波長轉換器104將藍色光的至少一部分轉換為具有不同峰值波長的次級光116 (諸如黃色光）。最終從轉換器104的發(fā)光表面120發(fā)射的光的色彩將取決于轉換器內的通過 轉換器的未轉換的主級光106的量對于轉換為次級光116的主級光的量的比率。
[0023] 在圖1所示的實施例中，陶瓷波長轉換器104具有拋光的底部表面118,其面對LED 管芯102的發(fā)光表面107。包括發(fā)光表面120的相對側具有包含第二相的氧化鋁(優(yōu)選地作為 氧化鋁微晶）的整體的燒結態(tài)的表面層110。表面層邊界由虛線126表示。陶瓷波長轉換器 104的體塊材料124是由基于