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TW201403881A - 具有奈米結構磷光體之發光裝置 - Google Patents

具有奈米結構磷光體之發光裝置 Download PDF

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TW201403881A
TW201403881A TW102117087A TW102117087A TW201403881A TW 201403881 A TW201403881 A TW 201403881A TW 102117087 A TW102117087 A TW 102117087A TW 102117087 A TW102117087 A TW 102117087A TW 201403881 A TW201403881 A TW 201403881A
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Abstract

本發明之實施例包含一發光裝置、一第一波長轉換材料及一第二波長轉換材料。該第一波長轉換材料包含一奈米結構波長轉換材料。該奈米結構波長轉換材料包含具有長度不超過100 nm之至少一個維度之粒子。該第一波長轉換材料與該發光裝置間隔開。

Description

具有奈米結構磷光體之發光裝置
本發明係關於一種與奈米結構磷光體組合之諸如發光二極體之半導體發光裝置。
半導體發光裝置(包含發光二極體(LED)、共振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊緣發射雷射屬於當前可用之最有效光源。在能夠跨越可見光譜操作的高亮度發光裝置之製造中當前所關注之材料系統包含III-V族半導體，特別是鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金(亦稱為III族氮化物材料)。通常，藉由以下操作來製作III族氮化物發光裝置：藉由金屬有機物化學汽相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)或其他磊晶技術在一藍寶石、碳化矽、III族氮化物或其他適合基板上磊晶生長不同組合物及摻雜劑濃度之一半導體層堆疊。該堆疊通常包含形成於基板上方摻雜有(舉例而言)Si之一或多個n型層、在形成於該(等)n型層上方之一作用區域中之一或多個發光層及形成於該作用區域上方摻雜有(舉例而言)Mg之一或多個p型層。在該等n型及p型區域上形成電觸點。
III族氮化物裝置可如此項技術中已知與諸如磷光體之波長轉換材料組合，以形成白色光或其他色彩之光。波長轉換材料吸收由該III族氮化物裝置之發光區域所發射之光並發射一不同、更長波長之光。 經波長轉換III氮化物裝置可用於諸如一般照明、顯示器背光、汽車照明、及相機或其他閃光燈之諸多應用。
本發明之一目的係提供一種高效經波長轉換發光裝置。
本發明之實施例包含一發光裝置、一第一波長轉換材料及一第二波長轉換材料。該第一波長轉換材料包含一奈米結構波長轉換材料。該奈米結構波長轉換材料包含具有長度不超過100nm之至少一個維度之粒子。該第一波長轉換材料與該發光裝置間隔開。
1‧‧‧峰
2‧‧‧峰
3‧‧‧虛線
10‧‧‧發光二極體
12‧‧‧奈米結構波長轉換層
13‧‧‧奈米結構波長轉換材料
14‧‧‧基質
16‧‧‧波長轉換層
18‧‧‧介電材料
20‧‧‧反射容器
22‧‧‧線
24‧‧‧介電質
26‧‧‧波長轉換區域
28‧‧‧反射層
30‧‧‧介電質
32‧‧‧介電層
34‧‧‧介電層
h‧‧‧間距
h1‧‧‧距離
h2‧‧‧距離
h3‧‧‧距離
h6‧‧‧厚度
h7‧‧‧厚度
圖1圖解說明隨一發紅光磷光體及一發紅光奈米結構磷光體之波長而變化之強度。
圖2圖解說明包含一LED、一波長轉換層及與該LED間隔開之一奈米結構波長轉換材料之一結構。
圖3A及圖3B圖解說明可在一奈米結構波長轉換材料中用來耗散熱量之線之圖案。
圖4圖解說明包含一LED、延伸於該LED之側面上方之一波長轉換層及與該LED間隔開之一奈米結構波長轉換材料之一結構。
圖5圖解說明包含皆與一LED間隔開之一波長轉換層及一奈米結構波長轉換層之一結構。
圖6圖解說明包含一LED及一單個波長轉換區域之一結構。
圖7圖解說明包含一密封奈米結構波長轉換層之一結構。
圖8圖解說明一奈米結構波長轉換層及一反射體之一部分。
如本文中所使用，「泵浦光」係指由諸如一LED之一半導體發光裝置發射之光。「經轉換光」係指由一波長轉換材料吸收且在一不同波長下重發射之泵浦光。
與一或多種波長轉換材料組合之諸如一LED之一光源之效率可因為至少兩個理由而非最佳。
首先，發射白色光之裝置通常包含發射紅色光之諸如磷光體之一波長轉換材料。某些發紅光磷光體在超出人的眼睛反應曲線之波長下發射至少某些光。此光對於大多數應用而言實際上被損失。另外，人的眼睛反應曲線之範圍介於自約380nm至約780nm之間，其中一峰最大值為555nm。人的眼睛在不同波長下具有不同敏感度。舉例而言，人的眼睛可偵測在555之一波長下僅10個光子/秒但需要在450nm下214個光子/秒且在650nm下126個光子/秒之一通量。由於人的眼睛對紅色(650nm)光不是很敏感，因而紅光發射波長轉換材料在一很窄的波長頻帶中發射光係合意的。此合意之紅光發射波長轉換材料特性由係隨一紅光發射磷光體之波長而變化之發射強度之一曲線圖之圖1上之峰1圖解說明。峰1係完全處於由圖1中之虛線3所指示之人的眼睛反應曲線範圍內之一陡峭、窄峰。許多常見紅光發射波長轉換材料展現由圖1中之峰2所圖解說明之低效率特性。此等材料在一寬廣波長範圍上發射光。
其次，引入太多散射之波長轉換材料可降低該裝置之效率。
在本發明之實施例中，諸如一LED之一波長轉換半導體裝置包含吸收泵浦光並發射經轉換光之一奈米結構發光材料。奈米結構材料係在至少一個維度上呈奈米長度尺度之諸如(舉例而言)棒形、錐形、球形、管形或任何其他適合形狀之各種形狀之奈米大小半導體粒子。量子井係在一個維度上呈奈米長度尺度之粒子，量子線係在兩個維度上呈奈米長度尺度之粒子，且量子點係在所有3個維度上呈奈米長度尺度之粒子。奈米結構材料可具有在某些實施例中至少6×105cm-1且在某些實施例中不超過1.5×107cm-1之一表面積對體積比。在某些實施例中，該奈米結構材料之至少一個維度短於該奈米結構材料之電子波 函數或波爾原子半徑。此將諸如半導體能帶間隙之一整體性質修改為現在隨該奈米結構材料之相關維度中之長度而變化之一介觀或量子性質。該奈米結構材料可在某些實施例中係一紅光發射奈米結構磷光體或發射一不同色彩之光之一奈米結構磷光體。奈米結構磷光體可在本文中稱作「量子點」或「Q點」。適合材料之實例包含CdSe、CdS、InP、InAs、CdTe、HgTe、ZnS、ZnSe、CuInS2、CuInSe2、Si、Ge及具有接近可見光之一能帶間隙(亦即，具有在某些實施例中不超過2.0eV之一能帶間隙)之任何半導體材料。該奈米結構材料可在某些實施例中係摻雜有過渡金屬離子之一發光奈米結構材料及/或稀土金屬離子亦可在一窄波長範圍內發射適合紅色光。此等材料可在本文中稱作「經摻雜點」或「D點」。適合材料之實例包含包含摻雜劑、以Cu摻雜之ZnSe、以Mn摻雜之ZnSe、以Cu摻雜之CdS及以Mn摻雜之CdS之上列量子點材料中之任一者。
該等奈米結構材料粒子可具有在某些實施例中至少2nm、在某些實施例中不超過20nm、在某些實施例中不超過50nm及在某些實施例中不超過100nm之一平均直徑。在某些實施例中，奈料結構材料之粒子具有在某些實施例中至少5%且在某些實施例中超過30%之一大小分佈。舉例而言，該等粒子直徑可在某些實施例中在該平均直徑之+/- 5%之間變化且在某些實施例中在該平均直徑之+/- 30%之間變化。相比之下，習用粉末磷光體通常具有1μm或以上之一粒子大小。絕大部分磷光體粒子(舉例而言，大於99%的磷光體粒子)具有大於20nm之一直徑。另外，在一奈米結構材料中，諸如一吸收及發射波長之光學性質可隨粒子大小而變化。在一粉末磷光體中，具有不同大小之相同材料的兩個粒子通常具有相同吸收及發射波長。
諸如量子點之奈米結構材料通常附著至促進處理之一配位體(舉例而言，在沒有該配位體之情況下，該等粒子可相互融合以形成一大 質量)。該配位體可係任何適合材料。適合配位體之實例包含羧酸及諸如油酸或三辛基膦之基於膦官能化烷烴之分子。
在某些實施例中，該奈米結構材料在一窄波長頻帶中發射光。舉例而言，一奈米結構材料可具有在某些實施例中至少20nm且在某些實施例中不超過60nm之一半峰全寬。由一紅光發射奈米結構磷光體發射之峰波長可藉由選擇該等粒子之組成及/或大小來加以調諧。奈米結構材料之可調諧性可歸因於對該等粒子內部之激子之量子限制。奈米結構材料展現很少或沒有對可見之散射。
對奈米結構材料之使用帶來設計挑戰。首先，由於奈米結構材料之高表面積對體積比，因而此等材料之結構及化學性質可在氧及水分之存在下改變。此等改變可不合需要地改變該等奈米結構材料之光學性質。
其次，諸如吸收及發射特性之光學性質可因溫度升高而降級。舉例而言，由奈米結構波長轉換材料發射之峰波長可不合需要地隨因該奈米結構波長轉換材料之內在性質而引起之溫度升高而移位。另外，由奈米結構波長轉換材料發射之峰強度可隨溫度而降低。最新技術高亮度LED在電能至光子能之變換期間產生熱量。舉例而言，當在350mA之電流下驅動時，當前高亮度LED之接面溫度可為大約85℃。此溫度可在奈米結構材料直接附著至LED時影響奈米結構材料之光學效能。
在本發明之實施例中，包含一LED及一奈米結構波長轉換材料之一裝置經封裝以高效地自該奈米結構波長轉換材料移除熱量並保護該奈米結構材料免受氧及水分影響。以下圖式圖解說明本發明之實施例。
作為一初步事項，提供諸如LED之一或多個半導體裝置。可使用任何適合III族氮化物LED且此等LED係習知的。儘管在下文實例中半 導體發光裝置係發射藍色光或UV光之III族氮化物LED，但可使用除LED之外的諸如雷射二極體之半導體發光裝置及由諸如其他III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、ZnO或基於Si之材料之其他材料系統製成之半導體發光裝置。
以下圖式中之LED 10可係(舉例而言)經組態以自該LED之頂表面發射大部分光之一覆晶裝置。為形成此一LED，如此項技術中已知，首先在一生長基板上生長一III族氮化物半導體基板。該生長基板可係諸如(舉例而言)藍寶石、SiC、Si、GaN或複合基板之任何適合基板。該半導體結構包含夾在n型區域與p型區域之間的一發光區域或作用區域。可首先生長一n型區域且其可包含不同組合物及摻雜劑濃度之多個層，舉例而言，包含諸如緩衝層或成核層之製備層及/或經設計以促進生長基板之移除之層(其可係n型或未經有意摻雜)，及針對為使發光區域有效地發射光而期望之特定光學、材料或電性質設計之n型或甚至p型裝置層。在該n型區域上方生長一發光區域或作用區域。適合發光區域之實例包含一單個厚或薄發光層或一多量子井發光區域，該多量子井發光區域包含由障壁層分離之多個薄或厚發光層。然後，可在發光區域上方生長一p型區域。如n型區域一樣，該p型區域可包含不同組合物、厚度及摻雜劑濃度之多個層，包含未經有意摻雜之層或n型層。該裝置中之所有半導體材料之總厚度在某些實施例中小於10μm且在某些實施例中小於6μm。
在該p型區域上形成一金屬p觸點。若大部分光穿過與該p觸點相對之一表面被引導出該半導體結構(諸如在一覆晶裝置中)，則該p觸點可係反射性。可藉由以下操作來形成一覆晶裝置：藉由標準光微影操作來圖案化該半導體結構並蝕刻該半導體結構以移除p型區域之整個厚度之一部分及發光區域之整個厚度之一部分，以形成顯露其上形成一金屬n觸點之n型區域之一表面之一臺面。該臺面以及p觸點及n觸 點可以任何適合方式形成。形成該臺面以及p觸點及n觸點為熟習此項技術者所習知。
該半導體結構可經由該等p觸點及n觸點連接至一支撐件。該支撐件係機械支撐該半導體結構之一結構。該支撐件係適合於附著至其上安裝LED 10之一結構之一自支撐結構。舉例而言，該支撐件可係可回銲的。亦可使用任何適合支撐件。適合支撐件之實例包含具有用於形成至該半導體結構之電連接之導電通孔之一絕緣或半絕緣晶圓，諸如一矽晶圓、(舉例而言)藉由電鍍形成於該半導體結構上之厚金屬接合墊、或一陶瓷、金屬或任何其他適合基座。該生長基板可移除，或者其可仍為該裝置之部分。藉由移除該生長基板所曝露之半導體結構可經粗化、圖案化或構造以增加光擷取。
以下圖式中之奈米結構波長轉換層12包含諸如上文所述之Q點或D點之一發光材料及其中安置該奈米結構發光材料之一基質材料。該奈米結構發光材料可係該基質中之隨機或有序配置之Q點或D點。該等奈米結構波長轉換材料粒子可接合(共價或離子或配位)至該基質或機械或實體陷獲於該基質中。在某些實施例中，奈米結構波長轉換材料之粒子形成為其中相鄰粒子彼此實體接觸之密集或有序膜。奈米結構粒子有序膜可藉由(舉例而言)使該等粒子懸浮於一溶劑中從而使得該等粒子能夠在該溶劑乾燥時穩定成一有序膜。另一選擇係，奈米結構粒子有序膜可藉由使該等奈米結構粒子浮動於不易與該等粒子混合之一液面上來形成。當該等粒子浮動時，其可實體推到一起且隨後作為一有序陣列轉換至隨後可用於上文所述之配置中之一者中之一基板上。
在某些實施例中，一個粒子貼近另一個粒子係不合需要的，此乃因相鄰粒子可淬減彼此之螢光性質或改變峰發射波長。舉例而言，相鄰粒子之間的間距越近，發射波長紅移就越多。相鄰粒子之間的間 距可為在某些實施例中至少5nm、在某些實施例中至少10nm、在某些實施例中至少20nm、在某些實施例中不超過100nm、在某些實施例中不超過500nm及在某些實施例中不超過1μm。
在某些實施例中，該等奈米結構材料粒子塗有排斥其他奈米結構材料粒子之一殼層。在某些實施例中，該基質經選擇而以一易混合方式提供對相鄰粒子之充分分離(亦即，對該等奈米結構粒子之分離而不是聚集或聚類)。在某些實施例中，避免致使奈米結構粒子在膜形成或該裝置之操作期間聚集之基質材料。在某些實施例中，使用相對於溫度、藍色通量及奈米結構粒子游離光學及化學穩定之在該裝置之操作期間保持其形狀之基質材料。(游離係指該等奈米結構材料自奈米結構粒子表面發射電子。)
適合基質材料之實例包含(舉例而言)空氣或介電材料(聚合物或陶瓷)、有機材料(諸如聚乙烯(HDPE、LDPE))、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙二烯鹵化物鹵、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚四氟乙烯、聚氟氯乙烯、聚醯胺6、聚醯胺66、聚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚縮醛、聚對苯二甲酸乙二醇酯、醋酸丁酸纖維素、硝酸纖維素、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚乙烯醇縮甲醛、矽膠、聚碸、塑料細胞培養片、熱塑性彈性體、聚戊烯、聚對二甲苯或交聯聚合物或無機材料(諸如基於溶膠-凝膠之二氧化矽、二氧化鈦或氧化鋯或此等與玻璃陶瓷之組合)或複合材料。複合材料包含針對粒子性質最佳化之材料之混合物。舉例而言，玻璃珠可與一聚合物混合以形成具有與單獨該聚合物相比增大之黏度。在另一實例中，聚矽氧可與一有機聚合物混合以形成具有所期望溶解度之一混合物。在某些實施例中，無機材料與有機或聚矽氧材料混合以形成具有諸如玻璃轉移溫度、折射率及熔點之所期望性質之材料。
複合材料可係介電材料及/或金屬材料(包含在至少一個、兩個或 三個維度上呈奈米尺度之粒子材料)之組合。舉例而言，黏土奈米粒子/聚合物、金屬奈米粒子/聚合物及碳奈米管/聚合物奈米複合材料可係適合的。適合奈米複合材料可在市場上買到。舉例而言，可使用奈龍奈米複合材料、聚烯烴奈米複合材料、M9(Mitsubishi)、Durethan KU2-2601(Bayer)、Aegis NC(Honeywell)、Aegis TM Ox(低氧傳輸速率-Honeywell)、或Forte奈米複合材料(Noble)及上述材料之組合。可單獨或與其他材料組合使用諸如nanomers(Nanocor)、closite(Southern Clay products)、Bentone(Elementis)、Polymer-pellet(PolyOne,Clariant,RTP)、Nanofil(Sud-Chemie)、Planomers(TNO)、Planocolors(TNO)、PlanoCoatings(TNO)之奈米黏土奈米複合材料。舉例而言，可提供極佳透明度及阻隔性質之PlanoCoatings可與可提供熱穩定性之Planomers組合。具有聚合物與來自Suncolor公司之奈米材料(HTLT1070或HTLT1070AA)之組合之複合材料在可見波長(380nm至780nm)及高玻璃轉移溫度中提供極佳透明度。
在一項實例中，該奈米結構波長轉換材料包含安置於CdZnS之一殼層中之CdSe量子點。該基質係脂肪族丙烯酸酯或聚矽氧。奈米結構波長轉換層12為100μm厚。最近鄰奈米結構粒子間隔開至少5nm且間隔開不超過200nm。奈米結構波長轉換層12可藉由混合CdSe/CdZnS核殼型材料與該基質材料以形成刮刀塗佈、滴鑄或以其他方式施配於一基板上之一黏性膜。
在圖2、4、5、6及7中所圖解說明之實例中，一奈米結構波長轉換層與一LED 10間隔開。通常並非係一奈米結構波長轉換層且可係(舉例而言)一粉末或陶瓷磷光體層之一第二波長轉換層可安置於LED 10與奈米結構波長轉換層12之間。
圖2圖解說明包含一奈米結構波長轉換層之一裝置之一實例。一波長轉換層16貼近LED 10形成於LED 10之頂表面上方。波長轉換層 16可係一或多個習用磷光體、有機磷光體、有機半導體、II-VI族或III-V族半導體、染料、聚合物或發冷光之其他材料。亦可使用任何適合磷光體，包含(但不限於)基於石榴石之磷光體、Y3Al5O12：Ce、Lu3Al5O12：Ce、Y3Al5-xGaxO12：Ce、(Ba1-xSrx)SiO3：Eu(BOSE)、基於氮化物之磷光體、(Ca,Sr)AlSiN3：Eu及(Ca,Sr,Ba)2Si5N8：Eu。波長轉換層16可包含一單個波長轉換材料或可混合在一起或在LED 10之頂部上安置成單獨層之多個波長轉換材料。波長轉換層16可係(舉例而言)藉由電泳沈積形成之一粉末磷光體層、與諸如模製、絲網印刷、噴塗或注入於LED 10上方之聚氧矽或於環氧樹脂之透明黏結劑混合之染料或粉末磷光體或嵌入於玻璃、聚氧矽或其他透明材料中之諸如陶瓷磷光體或磷光體或染料之預製波長轉換層。波長轉換層16之厚度取決於所使用之材料及沈積技術。波長轉換層16可在某些實施例中為至少20μm厚且在某些實施例中為不超過500μm厚。
LED 10及波長轉換層16定位於一反射容器20之底部中。反射容器20可係矩形、圓形、錐形或任何其他適合形狀。反射容器20可(舉例而言)由聚合物、金屬、陶瓷、介電材料、材料之組合或任何其他適合材料形成。在某些實施例中，反射容器20係由至少一個導熱材料形成或包含至少一個導熱材料以將熱量傳導遠離反射容器20內之該等結構。在某些實施例中，反射容器20組態為或熱連接至一散熱器。儘管圖2圖解說明安置於反射容器20中之一個LED 10，但在某些實施例中多個LED 10安置於一單個反射容器中。
一奈米結構波長轉換層12(舉例而言)跨越反射容器20中之一頂部開口與LED 10及波長轉換層16間隔開。波長轉換層16之頂部(或LED 10之頂部)與奈米結構波長轉換層12之底部之間的一間距h可為在某些實施例中至少1mm、在某些實施例中至少2mm、在某些實施例中不超過5mm及在某些實施例中不超過10mm。奈米結構波長轉換層12如 上文所述包含安置於一基質14中之一奈米結構波長轉換材料13。奈米結構層12之總厚度可為在某些實施例中至少10μm、在某些實施例中至少20μm、在某些實施例中不超過200μm及在某些實施例中不超過2mm。
奈米結構波長轉換層12可藉由(舉例而言)以下處理技術中之一或多者形成：浸塗、旋塗、滴鑄、噴墨印刷、絲網印刷、噴塗、刷塗、層壓、電鍍沈積、汽相沈積、擠壓、旋壓、壓光、熱成型、澆鑄及模製。舉例而言，一奈米結構波長轉換材料可與諸如一液體有機聚合物或聚矽氧之一基質混合。該基質可使用上文所列出之方法中之一者安置於介電材料18上方。另一選擇係，該基質可安置於隨後安置於介電材料18上方之諸如一透明板或膜之一基板上。該膜可藉由下述方式來處理及/或固化：根據需要在周圍或惰性環境或一特殊環境中使用熱量及/或UV及/或壓力，以將該液體基質材料轉化成其中懸浮該等奈米結構粒子之一固體材料。該膜可經塑形且過剩材料可藉由諸如切削、修整、拋光、機械緊固接合、密封焊接、電鍍真空金屬化、印刷、模壓或雕刻之一或多個製程來移除。在某些實施例中，奈米結構波長轉換層12形成於一薄、透明基板上，該薄、透明基板隨後在使奈米結構波長轉換層12形成於該基板上之前或之後附著至介電材料18。
在某些實施例中，為了增強熱量自該奈米結構波長轉換層之耗散，在奈米結構波長轉換層12上或中形成傳導熱量之金屬或陶瓷線。該等線可(舉例而言)在某些實施例中為至少1μm寬，在某些實施例中為不超過100μm寬，在某些實施例中為不超過1mm寬，在某些實施例中為至少1μm厚，在某些實施例中為至少10μm厚，且在某些實施例中為不超過100μm厚。該等線可在某些實施例中間隔開至少1mm，在某些實施例中間隔開不超過10mm，且在某些實施例中間隔開不超過20mm。該等線可在某些實施例中係>90%反射的。該等線 可形成於基質層14中且可係(舉例而言)隨機的、平行的，或以其他方式安置成任何適合配置。線22之圖案之兩項實例圖解說明於圖3A及圖3B中。在某些實施例中，線22將熱量傳導至可充當一散熱器或者可熱連接至一散熱器之反射容器20。該等線可藉由(舉例而言)絲網印刷、濺鍍隨後微影圖案化適合材料或將一適合材料蒸發透過一蔽蔭屏蔽來形成。任何適合導電材料皆可用於線22，包含(舉例而言)鋁、銅、銀及銀塗佈銅。
在某些實施例中，奈米結構波長轉換層12與波長轉換層16之間的間隔完全或部分填充有一介電材料18。介電材料18可係(舉例而言)用於奈米結構波長轉換層12之基質之周圍氣體、空氣、陶瓷、氧化鋁、聚合物或上述材料中之一者或一組合。介電材料18之材料可經選擇以傳導熱量，或者熱傳導材料可安置於介電材料18內。在某些實施例中，文字附圖3A及圖3B中所述之一或多條線22可嵌入於介電材料18中，以代替或補充安置於奈米結構波長轉換材料12上或中之線。
在圖4中所圖解說明之裝置中，波長轉換層16延伸於LED 10之側面上方。
圖5圖解說明包含一奈米結構波長轉換層之一裝置之另一實例。LED 10、奈米結構波長轉換層12、波長轉換層16、介電材料18及反射容器20之細節可與上文所述相同。奈米結構波長轉換層12及波長轉換層16兩者與LED 10間隔開。波長轉換層16安置於LED 10與奈米結構波長轉換層12之間。波長轉換層16與LED 10隔開可在某些實施例中大小0mm、在某些實施例中至少1mm、在某些實施例中不超過10mm及在某些實施例中不超過20mm之一距離h2。波長轉換層16與LED 10之間的間隔可填充有一介電材料18。奈米結構波長轉換層12與波長轉換層16隔開可在某些實施例中大於0mm、在某些實施例中至少1mm、在某些實施例中不超過5mm及在某些實施例中不超過10 mm之一距離h1。奈米結構波長轉換層12與波長轉換層16之間的間隔可填充有介電質24，介電質24可係上文所述之任何適合介電材料。介電材料18及24可在某些實施例中為不同材料且在某些實施例中為相同材料。奈米結構波長轉換層12及波長轉換層16之位置可在某些實施例中交換以使得奈米結構波長轉換層12安置於LED 10與波長轉換層16之間。
圖6圖解說明包含一奈米結構波長轉換材料之一裝置之另一實例。LED 10、介電材料18及反射容器20之細節可與上文所述相同。圖6中所圖解說明之裝置具有一單個波長轉換區域26。此區域包含一奈米結構波長轉換材料及一習用波長轉換材料兩者。在某些實施例中，波長轉換區域26包含上文所述彼此接觸形成為在彼此上分層之一奈米結構波長轉換層12及一波長轉換層16，其中這兩個層中的任一層皆位於波長轉換區域26之頂部上。在某些實施例中，波長轉換區域26包含混合在一起之一奈米結構波長轉換材料及一額外波長轉換材料。此一混合波長轉換層可藉由上文所述之技術中之任一技術以及上述基質材料中之任一材料形成。波長轉換區域26可在某些實施例中為至少20μm厚，在某些實施例中為至少50μm厚，在某些實施例中為不超過100μm厚，且在某些實施例中為不超過20mm厚。波長轉換區域26與LED 10隔開可在某些實施例中大小於0mm、在某些實施例中至少1mm、在某些實施例中不超過10mm及在某些實施例中不超過20mm之一距離h3。
如上所述，氧及水分可對奈米結構波長轉換材料之效能產生不利影響。上文所述之裝置中之奈米結構波長轉換材料可(舉例而言)藉由選擇適當的基質材料，藉由在該奈米結構波長轉換層上方形成一保護層，或藉由密封該奈米結構波長轉換層來加以保護。
在某些實施例中，奈米結構波長轉換材料13係以低氧與水分可 透性嵌入於基質材料14中。舉例而言，適合低氧與水分可透性材料包含諸如(舉例而言)玻璃、陶瓷、基於溶膠-凝膠之二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁、氧化鋯及氧化鋅之無機材料。另外，幾種聚合物展現適當低的氧與水分可透性。下表1列出適合材料以及其氧及水分可透性。適合聚合物及奈米結構波長轉換材料之複合材料可禁止或降低透過該奈米結構波長轉換層之水分及氧滲透率。在某些實施例中，水蒸汽傳輸速率為不超過10-6g/m2/天且氧傳輸速率為不超過10-3cm3/m2/天/大氣。
資料來源：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2004年1月，第1期，第10卷，第45頁。
在某些實施例中，在一奈米結構波長轉換層上沈積無機或有機材料以降低氧及水分滲透率。舉例而言，聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)上之一Al/氧化鋁或SiOx塗層或一有機-無機混合塗層可降低透過該奈米結構波長轉換層之氧及水分滲透率兩者。可在室溫下汽相沈積並交聯諸如基於聚對二甲苯基之化合物之某些適合聚合物。在另一實例中，在該奈米結構波長轉換層上沈積氧化鋁、二氧化矽、氮化矽/氧氮化矽以降低透過該奈米結構波長轉換層之氧及水分傳輸速率。此等塗層可藉由包含(舉例而言)電漿增強化學汽相沈積之任何適合方法來沈積。
在某些實施例中，一密封件形成於奈米結構波長轉換層12周圍，如圖7中所圖解說明。一介電層32在奈米結構波長轉換層12之底部及側面周圍形成一包殼。一介電層34安置於奈米結構波長轉換層12之頂部上方且密封由介電層32形成之該包殼。介電層32可係(舉例而言)氧化鋁、陶瓷或任何其他適合材料。介電層34可係(舉例而言)氧化鋁、玻璃或任何其他適合材料。介電層34之厚度h6可為在某些實施例中不超過10mm。圖7中所圖解說明之結構包含如上文所述安置於LED 10上方之一波長轉換層16。一介電質30可安置於LED 10及波長轉換層16周圍。介電質30可係(舉例而言)空氣、陶瓷、聚合物或任何其他適合材料。波長轉換層16上方之介電質30之厚度h7可為在某些實施例中不超過10mm。
在某些實施例中，一反射層28安置於奈米結構波長轉換層12上方，如圖8中所圖解說明。一波長轉換層之厚度確定多少泵浦光由該波長轉換材料吸收。由諸如粉末磷光體之某些波長轉換材料所引起之散射有效地增加該波長轉換層之光學厚度。奈米結構波長轉換材料幾 乎不引起散射。因此，一奈米結構波長轉換材料必須厚於包含一散射材料之一波長轉換層。厚層係不合需要的，此乃因其與更薄的層相比較必須耗散更多熱量。圖8中之反射體28經組態以對泵浦光更具反射性而對經轉換光不太具反射性。泵浦光因此被反射回至奈米結構波長轉換層12中，在那裏泵浦光可經轉換，而經轉換光透過反射體28。反射體28有效地使奈米結構波長層12之光學厚度增加兩倍，從而使得能夠針對一既定波長轉換量形成一更薄的層。在某些實施例中，反射體28係一個二向色堆疊。
儘管已詳細闡述本發明，但熟習此項技術者將瞭解，在給出本發明之情況下，可對本發明進行修改而不背離本文中所闡述本發明概念之精神。舉例而言，儘管在上文所述之實例中該發光裝置係一半導體裝置，但在其他實施例中使用其他發光裝置，諸如LED、高壓UV弧光燈或任何其他適合光源。因此，並非意欲將本發明之範疇限制於所圖解說明及闡述之特定實施例。
10‧‧‧發光二極體
12‧‧‧奈米結構波長轉換層
13‧‧‧奈米結構波長轉換材料
14‧‧‧基質
16‧‧‧波長轉換層
18‧‧‧介電材料
20‧‧‧反射容器
h‧‧‧間距

Claims (16)

  1. 一種結構，其包括：一發光裝置；一第一波長轉換材料，其中該第一波長轉換材料包括一奈米結構波長轉換材料，該奈米結構波長轉換材料包括具有長度不超過100mm之至少一個維度之粒子；及一第二波長轉換材料；其中該第一波長轉換材料與該發光裝置間隔開。
  2. 如請求項1之結構，其中該第二波長轉換材料安置於該發光裝置與該第一波長轉換材料之間。
  3. 如請求項2之結構，其中：該第二波長轉換材料與該發光裝置間隔開一第一距離；該第一波長轉換材料與該第二波長轉換材料間隔開一第二距離；且該第一距離大於該第二距離。
  4. 如請求項2之結構，其中：該第二波長轉換材料與該發光裝置間隔開一第一距離；該第一波長轉換材料與該第二波長轉換材料間隔開一第二距離；且該第一距離小於該第二距離。
  5. 如請求項1之結構，其中包含該第一波長轉換材料之一層之一底表面距離該發光裝置之一頂表面至少1mm。
  6. 如請求項1之結構，其中該第一波長轉換材料安置於包括至少一種透明材料之一基質中。
  7. 如請求項6之結構，其中第一波長轉換材料之最近鄰粒子直接接 觸。
  8. 如請求項6之結構，其中第一波長轉換材料之最近鄰粒子間隔開至少5nm。
  9. 如請求項1之結構，其中該第二波長轉換材料安置成與該發光裝置之一頂表面直接接觸地安置。
  10. 如請求項1之結構，其中該第二波長轉換材料與該發光裝置及該第一波長轉換材料兩者間隔開。
  11. 如請求項1之結構，其進一步包括安置於該透明基質中之至少一條線。
  12. 如請求項11之結構，其中該至少一條線熱連接至一散熱器。
  13. 如請求項1之結構，其中該等第一及第二波長轉換材料混合在一起在一單個波長轉換層中。
  14. 如請求項1之結構，其中該奈米結構波長轉換材料安置於一密封包殼中。
  15. 如請求項1之結構，其進一步包括一反射體，其中該奈米結構波長轉換材料安置於該發光裝置與該反射體之間，且其中該反射體對由該發光裝置發射之光比對由該奈米結構波長轉換材料發射之光更具反射性。
  16. 如請求項1之結構，其中該發光裝置係一半導體裝置。
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