光转换构造的制作方法

专利名称：光转换构造的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体发光装置。本发明尤其适用于具有改善亮度的半导体发 光装置。
背景技术：
发光装置用于多种不同的应用中，包括投影显示系统、液晶显示器的背光源等等。 投影系统通常使用一个或多个白色光源，例如高压汞灯。白色光束通常被分离成三原色 (红、绿和蓝)，并且被引导至各自的图像形成空间光调制器，以产生各个原色的图像。所得 的原色图像光束被组合并被投影到用于观看的投影屏幕上。近来，发光二极管(LED)已被视为白色光源的替代光源。LED具有提供可与传统光 源媲美的亮度和使用寿命的潜能。然而，目前的LED由于(例如)高折射率区内的光截留 而相对地低效率。

发明内容
总体上，本发明涉及半导体发光装置。在一个实施例中，一种半导体光转换构造包 括半导体势阱，用于将第一波长的光的至少一部分转换成更长的第二波长的光；外层，所 述外层设置在半导体势阱上并且具有第一折射率；以及结构化层，设置在外层上并且具有 小于第一折射率的第二折射率。结构化层包括直接设置在外层上的多个结构体以及露出外 层的多个开口。半导体光转换构造还包括结构化外涂层，结构化外涂层直接设置在结构化 层的至少一部分以及所述多个开口内的外层的一部分上。外涂层具有大于第二折射率的第 三折射率。在一些情况下，结构化外涂层的平均厚度不大于约lOOOnm、或不大于约700nm。 在一些情况下，外涂层的外表面与结构化层的外表面一致。在另一个实施例中，一种发光系统包括LED ；以及光转换构造，所述光转换构造 降频转换由LED发射的光并且具有结构化最外表面。结构化表面具有露出光转换构造内层 的多个开口。发光系统还包括形成于结构化最外表面和内层的暴露区域上的结构化外涂 层。结构化外涂层可增强从光转换构造中的光提取。外涂层的外表面与结构化最外表面一 致。在一些情况下，外涂层的折射率在约1. 8至约2. 7的范围内。在另一个实施例中，一种半导体光转换构造包括第一半导体层，用于吸收第一波 长的光的至少一部分；半导体势阱，用于将所吸收的第一波长的光的至少一部分转换成更 长的第二波长的光；以及第二半导体层，能够吸收第一波长的光的至少一部分。第一半导 体层在第二波长下具有最大第一折射率。第二半导体层在第二波长下具有大于最大第一折 射率的第二折射率。在一些情况下，第一半导体层的带隙能量大于第二波长的光子的能量。 在一些情况下，第二半导体层的带隙能量大于第二波长的光子的能量。在一些情况下，第二 半导体层的带隙能量小于第一半导体层的最小带隙能量。在一些情况下，第一半导体层的 带隙能量大于半导体势阱的跃迁能量。在一些情况下，第二半导体层的带隙能量大于半导 体势阱的跃迁能量。在一些情况下，当用其光谱中心为第一波长并且包括长于第一波长的波长λ e的入射光照射时，第一半导体层吸收第一波长的光，但不吸收λ e的光，而第二半导 体层吸收的光。在另一个实施例中，一种半导体光转换构造包括第一半导体层，用于吸收第一波 长的光的至少一部分；半导体势阱，用于将所吸收的第一波长的光的至少一部分转换成更 长的第二波长的光；以及第二半导体层，能够吸收第一波长的光的至少一部分。第二半导体 层具有的带隙能量小于第一半导体层的最小带隙能量。在一些情况下，第一半导体层的带 隙能量大于第二波长的光子的能量。在一些情况下，第二半导体层的带隙能量大于第二波 长的光子的能量。在一些情况下，第二半导体层在第二波长下的折射率大于第一半导体层 在第二波长下的最大折射率。在一些情况下，第一半导体层的带隙能量大于半导体势阱的 跃迁能量。在一些情况下，第二半导体层的带隙能量大于半导体势阱的跃迁能量。在一些 情况下，所述半导体光转换构造包括多个具有相同跃迁能量的半导体势阱。在一些情况下， 所述半导体光转换构造包括多个具有不同跃迁能量的半导体势阱。在另一个实施例中，一种光学构造包括第一半导体层，所述第一半导体层在可见 光内的第一波长下具有折射率Ill ；第二半导体层，所述第二半导体层设置在第一半导体层 上并且在第一波长下具有折射率η2，其中η2小于H1 ；第三半导体层，所述第三半导体层设置 在第二半导体层上并且在第一波长下具有折射率η3，其中η3大于η2 ；结构化层，所述结构化 层直接设置在第三半导体层上；以及外涂层，所述外涂层直接设置在结构化层的至少一部 分上。所述光学构造基本上透射第一波长的光。在一些情况下，外涂层包括光子晶体。在 一些情况下，第一半导体层为势阱。在一些情况下，第二半导体层基本上吸收第一波长而非 第二波长的光。在一些情况下，第三半导体层基本上吸收第一波长而非第二波长的光。在另一个实施例中，一种发光系统包括光源，所述光源发射具有第一波长和更长 的第二波长的光；一个或多个第一半导体光吸收层，所述一个或多个第一半导体光吸收层 能够吸收第一波长而非第二波长的光。所述一个或多个第一半导体光吸收层吸收由光源发 射的光的至少80%。所述发光系统还包括半导体势阱，所述半导体势阱将由所述一个或 多个第一半导体光吸收层吸收的光的至少一部分转换成较长波长的输出光；以及一个或多 个第二半导体光吸收层，所述一个或多个第二半导体光吸收层能够吸收第二波长的光。所 述一个或多个第二半导体光吸收层吸收由光源发射的剩余光。在一些情况下，所述一个或 多个第一半导体光吸收层吸收由光源发射的光的至少90%。在一些情况下，所述一个或多 个第一半导体光吸收层吸收由光源发射的光的至少95%。在一些情况下，所述发光系统包 括多个具有相同或不同跃迁能量的半导体势阱。在另一个实施例中，一种半导体光转换构造包括第一半导体层，所述第一半导体 层具有用于吸收入射光的一部分而非全部的带隙能量Eabs ；半导体势阱，所述半导体势阱具 有小于Eabs的跃迁能量Ete，以用于降频转换所吸收的入射光的至少一部分；以及第二半导 体层，所述第二半导体层具有小于Eabs且大于Ete的带隙能量&b，以用于吸收剩余的入射光。 在一些情况下，由第一半导体层吸收的入射光部分以及由第二半导体层吸收的剩余入射光 包括光谱的不同波长区。在一些情况下，所述半导体光转换构造还包括具有大于Eabs的带 隙能量EwW半导体窗口。在一些情况下，Ew大于入射光的光子能量。在一些情况下，第一 半导体层毗邻半导体势阱。在一些情况下，第一半导体层紧邻半导体势阱。在一些情况下， 第一半导体层设置在半导体势阱和第二半导体层之间。在一些情况下，第一和第二半导体层各自紧邻半导体势阱。在另一个实施例中，一种制造用于从基材中提取光的光学构造的方法包括下述步 骤(a)提供具有表面的基材；(b)将多个结构体设置在基材的表面上，其中所述多个结构 体形成露出基材表面的开口区域；(C)使所述结构体中的至少一些结构体缩小；以及(d)涂 布外涂层，以覆盖缩小的结构体和位于开口区域内的基材表面。在一些情况下，步骤(C)通 过对所述多个结构体施用蚀刻剂来执行。在一些情况下，施用蚀刻剂后所述多个结构体对 基材表面的覆盖百分比降低。在一些情况下，所述多个结构体包含聚苯乙烯。在一些情况 下，所述多个结构体包含多个粒子。在一些情况下，所述多个粒子在施用蚀刻剂之前基本为 球形并且在施用蚀刻剂之后基本为锥状。在一些情况下，依次执行步骤(a)至(d)。在一些 情况下，所述方法还包括软熔所述结构体中的至少一些结构体的步骤，其中在一些情况下， 软熔所述结构体中的至少一些结构体的步骤通过向所述多个结构体加热而执行。在一些情 况下，缩小和软熔所述粒子中的至少一些粒子的步骤被同时执行。在一些情况下，所述结构 体在步骤(c)中缩小至少20%、或至少40%。在一些情况下，步骤(d)中的外涂层包括结 构化外涂层。在一些情况下，步骤(d)中的外涂层具有的外结构化表面与所述多个结构体 的外表面一致。在另一个实施例中，一种在基材表面上制造用于从基材中提取光的多个结构体的 方法包括下述步骤(a)提供具有表面的基材；(b)确定基材表面中的所需第一面积覆盖百 分比；(c)将多个结构体设置在基材表面上，以产生大于所需第一面积覆盖百分比的第二 面积覆盖百分比；以及(d)使所述结构体中的至少一些结构体缩小，以将面积覆盖百分比 降至所需第一面积覆盖百分比。在一些情况下，所述方法还包括步骤涂布结构化外涂层， 以覆盖缩小的结构体和未覆盖区域内的基材表面。在一些情况下，所述方法还包括步骤软 熔所述多个结构体中的至少一些结构体。在另一个实施例中，一种光转换构造包括荧光体板条，所述荧光体板条具有第一 折射率，以用于将第一波长的光的至少一部分转换成更长的第二波长的光；以及结构化层， 所述结构化层设置在荧光体板条上并且具有小于第一折射率的第二折射率。所述结构化层 包括直接设置在荧光体板条上的多个结构体以及露出荧光体板条的多个开口。所述光转换 构造还包括结构化外涂层，所述结构化外涂层直接设置在结构化层的至少一部分上以及荧 光体板条的处于所述多个开口内的部分上。结构化外涂层具有大于第二折射率的第三折射 率。在一些情况下，结构化外涂层可增强从荧光体板条中对于第二波长的光的提取。在一 些情况下，结构化外涂层包括Si3N4、ZnS, ZnSe, ZnSSe, ITO, TiO2, ZrO2, Ta2O5^HfO2和硅酸盐 中的至少一种。在一些情况下，第一和第二折射率之间的差值为至少0. 3、或至少0. 5、或至 少0. 7、或至少0. 9。在一些情况下，第三和第二折射率之间的差值为至少0. 3、或至少0. 5、 或至少0. 7、或至少0. 9。在一些情况下，结构化外涂层的结构化外表面与结构化层的外表 面一致。在一些情况下，所述光转换构造还包括包封光转换构造的封壳。在一些情况下，结 构化外涂层在第二波长下的折射率在约1. 35至约2. 2的范围内。


结合附图本发明的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更完整地理解和体 会本发明，其中
图1为发光系统的示意性侧视图；图2为结构化层和外涂层的示意性侧视图；图3为另一个结构化层和另一个外涂层的示意性侧视图；图4为另一个结构化层和另一个外涂层的示意性侧视图；图5A和5B分别为单层纳米粒子和多层纳米粒子的扫描电镜(SEM)图像；图6A和6B分别为外涂的单层纳米粒子和外涂的多层纳米粒子的SEM图像；图7为另一个外涂的单层纳米粒子的SEM图像；图8为发光系统的示意性侧视图；图9为发射光的示意性强度谱；图10为光转换器的示意性能带图；图11为另一个光转换器的示意性能带图；图12为另一个光转换器的示意性能带图；图13为另一个光转换器的示意性能带图；图14为另一个光转换器的示意性能带图；图15为另一个光转换器的示意性能带图；图16为另一个光转换器的示意性能带图；图17为另一个光转换器的示意性能带图；图18为光学构造的示意性侧视图；图19为发光系统的示意性侧视图；图20为计算的提取效率百分比随外涂层折射率变化的图线；图21A-21C为在制造光学构造的过程中的中间阶段或步骤中的装置的示意图；图22A为单层聚苯乙烯粒子的SEM图像；图22B为图22A中的经蚀刻和软熔的粒子的SEM图像；图22C为用ZnS外涂的图22B中的粒子的SEM图像；图23为光源的示意性侧视图；以及图M为计算的提取效率百分比随外涂层折射率变化的图线。在多个附图中使用的相同附图标记表示具有相同或相近特性和功能的相同元件 或相近元件。
具体实施例方式本专利申请公开了一些半导体发光装置，所述半导体发光装置包括半导体光源和 一个或多个波长转换器，其中所述转换器可为半导体波长转换器。本专利申请还公开了用 于增强光提取的结构体。一些公开的装置具有得自诸如III-V族之类的同一半导体族的光源和光转换层。 在这种情况下，直接在诸如III-V族LED之类的III-V光源上来一体化地生长和制造(例 如HII-V波长转换器或许是可行的。然而，在一些情况下，具有所需输出波长、高转换效率 或其他理想特性的波长转换器可得自与LED所归属的半导体族不同的半导体族。在这种情 况下，在一个元件上高质量地生长另一个元件或许是不可能的或不可行的。例如，高效率波 长转换器可得自II-VI族而诸如LED之类的光源可得自III-V族。在这种情况下，可使用各种方法将光转换器附装到光源上。一些此类方法描述于2007年12月10日提交的美国 专利申请 ^irial No. 61/0U608 中。本专利申请中所公开的波长转换器降频转换由光源发射的光。如本文所用，降频 转换是指转换光的波长大于未转换光或入射光的波长。图19为发光系统1900的示意性侧视图，发光系统1900包括光源1910、光转换层 1920和光提取层1930。光源1910发射通常位于光谱的UV或蓝光区域内的第一波长X1W 光1915。光转换层1920将光1915的至少一部分转换成通常位于光谱的绿光或红光区域内 的较长第二波长λ 2的光1925。光提取层1930通过增强从光转换层1920的光1925的提 取来改善发光系统的输出光的亮度或强度。例如，光提取层1930可提取否则会被截留在光 转换层1920中或者否则会不被光转换层1920发射的光。通常，光转换层1920可包括能够将第一波长的光的至少一部分转换成第二波长 的光的任何成分或材料。例如，层1920可包括荧光体、荧光染料、诸如聚芴之类的共轭发 光有机材料、光致发光半导体层、半导体势阱、或者半导体量子点的集合或多个半导体量子 点。可用在光转换层1920中的示例性荧光体包括硫化镓酸锶、掺杂GaN、铜活化硫化锌和银 活化硫化锌。其他可用的荧光体包括掺杂YAG、硅酸盐、氮氧化硅、氮化硅和基于铝酸盐的荧 光体。这类荧光体的实例包括 Ce:YAG, SrSiON:Eu、SrBaSiO:Eu、SrSiN:Eu 和 BaSrSiN:Eu。在一些情况下，光转换层1920可包括诸如Ce:YAG板条之类的板条荧光体。Ce:YAG 板条的制备方式可为(例如)在高温和高压下烧结Ce:YAG荧光体粒子来形成基本上光学 透明的且不散射的板条，如在(例如)美国专利No. 7，361，938中所描述。光提取层1930包括直接设置在光转换层1920上的结构化层1940、设置在结构化 层上的诸如结构化外涂层1950之类的外涂层1950。结构化层1940包括直接设置在光转换 层1920上的多个结构体。在一些情况下，外涂层的外表面与结构化层的外表面一致。在一些情况下，结构体在λ 2下的折射率小于光转换层1920中的最外层在同一波 长下的折射率。可通过下述方式将低折射率的结构化层1940形成于光转换层的输出表面 1921上，所述方式为(例如)图案化(例如光致图案化)输出表面上的光致抗蚀剂、或者 将部分或完整单层的粒子或者多层粒子(例如纳米粒子)沉积到输出表面上。在一些情况 下，结构化层可包含空气，以例如用于降低结构化层在λ 2下的折射率。例如，在一些情况 下，结构化层可包括输出表面1921上的中空结构或粒子。可通过下述方式将包含空气或气 穴的结构化层1940形成于输出表面上，所述方式为(例如)图案化输出表面上的材料(例 如有机材料)、用外涂层来外涂图案化材料、并且移除外涂图案化材料中的部分(通过例如 高温下分解该部分)来形成空气区域。在一些情况下，结构化层1940中的结构体的折射率 小于光转换层1920中紧邻结构化层的最外层的折射率。外涂层1950可增强从光转换层1920中的光提取。在一些情况下，外涂层可包含 玻璃质材料或金属氧化物，例如A1203、Ti02、&02、La203> iTa2O5、HfO2、硅酸盐、氮化硅、氮氧化 硅、或铟锡氧化物。在一些情况下，外涂层可为半导体外涂层，例如含有aiS、a^e、ZnO或诸 如aiS3ei_x之类的半导体合金的外涂层。在一些情况下，外涂层可为溶胶-凝胶，例如致密 的溶胶-凝胶。在一些情况下，外涂层的折射率大于光转换层1920中紧邻结构化层的最外 层的折射率。图1为半导体发光元件105的示意性侧视图，半导体发光元件105包括电致发光装置110和半导体光转换构造115，电致发光装置110发射具有光子能量E1的第一波长λ工 的光，半导体光转换构造115用于将第一波长的光的至少一部分转换成具有光子能量E2的 较长的第二波长λ2的光。半导体光转换构造115包括面向电致发光装置110的第一窗口 120、设置在第一窗 口上的第一吸收层130、设置在第一吸收层上的势阱140、设置在势阱上的第二吸收层131、 设置在第二吸收层上的第二窗口 121、直接设置在第二窗口上的结构化层150、设置在结构 化层上的外涂层160、以及设置在外涂层上并且包封半导体电致发光元件105的封壳170。通常，光转换器118可包含能够将第一波长λ工的光的至少一部分转换成第二波 长λ2的光的任何成分。例如，光转换器118可包含荧光体、荧光染料、诸如聚芴之类的共 轭发光有机材料。可用于光转换器118中的示例性荧光体包括硫化镓酸锶、掺杂GaN、铜活 化硫化锌和银活化硫化锌。在一些情况下，层140可包含势阱、量子阱、量子点、或多重结构即各有多个。与 (例如)有机材料相比，诸如无机半导体势阱和量子阱之类的无机势阱和量子阱通常具有 增强的光转换效率并且由于不太易受诸如水分之类的环境因素的影响而较为可靠。此外， 无机势阱和量子阱往往会具有较窄的输出光谱，从而导致(例如)改善的色域。如本文所用的，势阱是指设计成将载流子仅限定在一个维度上的多层半导体结构 中的半导体层，其中该半导体层具有低于周围层的导带能和/或高于周围层的价带能。量 子阱通常是指这样的势阱，所述势阱薄得足以使量子化效应提升在所述阱中电子-空穴对 复合的能量。量子阱通常具有约IOOnm或更小、或者约IOnm或更小的厚度。量子点通常具 有约IOOnm或更小、或者约IOnm或更小的最大尺寸。在一些情况下，势阱或量子阱140包括跃迁能量Epw小于由电致发光装置110发射 的光子的能量E1的II-VI族半导体势阱或量子阱。通常，势阱或量子阱140的跃迁能量基 本上等于由势阱或量子阱再发射的光子的能量E2。在一些情况下，势阱140可包括以化合物a^e、Cc^e和Mgk作为合金的三种组分 的CdMgZr^e合金。在一些情况下，该合金中可不存在Cd、Mg和Si中的一种或多种，尤其 是Mg。例如，势阱140可包括能够再发射红光的Cda7tlZna3t^e量子讲、或能够再发射绿光的 Cd0.33Zn0.67Se量子阱。又如，势阱140可包含CcUZnje和可任选的Mg的合金，在这种情况 下，合金体系可由Cd(Mg)S^e表示。又如，势阱140可包含Cd、Mg、Se和可任选的Si的合 金。在一些情况下，势阱可包含a^e^Te。在一些情况下，量子阱140的厚度在约Inm至约 lOOnm、或约2nm至约35nm的范围内。通常，势阱140可具有任何导带和/或价带分布。示例性的分布描述于(例如) 美国专利申请号60/893804中。在一些情况下，势阱140可为η掺杂的或ρ掺杂的，其中掺杂可通过任何合适的方 法和通过添加任何合适的掺杂物来完成。在一些情况下，电致发光装置Iio和势阱140可 得自两个不同的半导体族。例如，在这种情况下，电致发光装置110可为III-V族半导体装 置并且势阱140可为II-VI族势阱。在一些情况下，电致发光装置110可包括MGaInN半 导体合金并且势阱140可包含Cd(Mg)S^e半导体合金，其中括号内的材料为可选材料。通常，半导体光转换构造115可具有一个或多个势阱。在一些情况下，构造115可 具有多个势阱。例如，在这种情况下，构造115可具有至少2个势阱、或至少5个势阱、或至
9少10个势阱。在一些情况下，构造115可具有至少两个势阱、或至少三个势阱、或至少四个 势阱，它们具有不同跃迁能量。在一些情况下，势阱140基本上吸收第一波长A1的光。例如，在这类情况下，势 阱140吸收第一波长A1的光的至少30%、或至少40%、或至少50%。在一些情况下，势阱 140在第一波长X1T为基本上可透射光。例如，在这类情况下，势阱140透射第一波长X1 的光的至少60 %、或至少70 %、或至少80 %、或至少90 %。光吸收层130和131有助于吸收光180并且在半导体光转换构造115中产生载 流子。在一些情况下，光吸收层130和131吸收光180的至少一部分，并因此产生诸如电 子-空穴载流子之类的光生载流子对。载流子从光吸收层扩散或迁移到势阱140中，它们 在该处复合并且发射第二波长λ2的光。光吸收层130和131设置为靠近势阱，以使得光生载流子可高效地扩散到势阱中， 以用于载流子的复合以及第二波长λ2的光的发射。在一些情况下，半导体光转换构造115中的光吸收层可紧邻势阱140，即无居间层 设置在吸收层和势阱之间。例如，在图1中，第一和第二光吸收层130和131各自紧邻势阱 140。在一些情况下，半导体光转换构造115的光吸收层可毗邻势阱140，这意味着可以有一 个或几个居间层设置在吸收层和势阱之间。例如，在一些情况下，一个或多个居间层(图1 中未示出)可设置在第一光吸收层130和势阱140之间。在一些情况下，光吸收层可包括诸如无机半导体(例如II-VI族半导体)之类的 半导体。例如，吸收层130和131中的一个或多个可包含Cd(Mg)S^e半导体合金。在一些情况下，光吸收层的带隙能量Eabs小于由电致发光装置110发射的光子的 能量Ep在这种情况下，光吸收层可吸收(例如，强烈地吸收)由电致发光装置发射的光。 在一些情况下，光吸收层的带隙能量大于势阱140的跃迁能量。在这种情况下，光吸收层对 于由势阱再发射的第二波长λ2的光181为基本上光学透明的。在一些情况下，诸如第二光吸收层131之类的光吸收层的带隙能量小于以第二波 长入2发射的光181的光子能量。在这种情况下，光吸收层可吸收光181的至少一部分。在 这种情况下，所吸收光的至少一部分可降频转换成较长的第三波长λ3的光。在一些情况下，半导体光转换构造115中的至少一个光吸收层掺有掺杂物。在一 些情况下，例如当光吸收层包含Cd (Mg) ZnSe合金时，掺杂物可为VII族的η型掺杂物。在一 些情况下，掺杂物可包括氯或碘。在一些情况下，掺杂物的数密度在约IO17CnT3到约IO18CnT3 的范围内。其他示例性的掺杂物包括Al、Ga、In, F, Br, I和N。示例性的半导体光转换构造115包括两个光吸收层130和131。通常，半导体光转 换构造可具有零个、一个、两个、或更多的吸收层。在一些情况下，半导体光转换构造115可 具有至少两个、或至少三个、或至少四个具有不同带隙能量的光吸收层。通常，光吸收层充分接近于对应的势阱，以使得光吸收层中的光生载流子具有扩 散到势阱中的适当机会。在半导体多层叠堆不包括光吸收层的情况下，势阱可基本上吸收 第一波长X1的光。第一和第二窗口 120和121设计成主要用来形成阻挡，以使得在吸收层和/或势 阱中光生的诸如电子-空穴对之类的载流子没有或具有极少的机会迁移到构造115中的自 由或外表面。例如，第一窗口 120设计成主要用来阻止在第一吸收层130中产生的载流子迁移到表面123处，在此处它们可无辐射地复合。在一些情况下，窗口 120和121的带隙能 量Ew大于由电致发光装置110发射的光子的能量Ep在这种情况下，窗口 120和121对于 由电致发光装置110发射的光以及由势阱140再发射的光为基本上光学透明的。示例性的半导体光转换构造115包括两个窗口。通常，光转换构造可具有零个、一 个、或两个窗口。例如，在一些情况下，半导体光转换构造115可具有设置在电致发光装置 110和势阱140之间、或电致发光装置110和吸收层130之间的单个窗口。在一些情况下，半导体光转换构造115中两个层之间的交界位置可为明确确定的 即有清晰的交界。在一些情况下，例如当层中的材料组成随厚度方向上的距离而变化时，两 个相邻层之间的交界可为非明确确定的，可以例如为限定一个渐变区域的渐变交界。例如， 在一些情况下，第一吸收层130和第一窗口 120可具有相同的材料组分但具有不同的材料 浓度。在这种情况下，吸收层中的材料组成可逐渐改变成窗口层的材料组成，从而在这两个 层之间产生渐变交界或区域。例如，在其中两个层均包含Mg的情况下，当从吸收层逐渐过 渡到窗口层时，Mg的浓度可增加。第二窗口 121在包括波长λ 2的所关注波长区域内具有折射率ηι。在一些情况下， X1为UV或蓝光波长，而λ2为在约420nm至约650nm范围内的可见光波长。在这种情况 下，H1可为光谱的可见光范围内的折射率。在一些情况下，H1为在波长λ 2下或接近该波长 下的折射率。在示例性的半导体光转换构造115中，第二窗口 121设置在势阱140上并且形成 半导体光转换构造的外层121和光转换器118中的最外层。结构化层150在(例如)λ2 下具有折射率η2并且直接设置在外层或第二窗口 121上。折射率η2小于第二窗口 121的 折射率叫。在一些情况下，H1和η2之间的差值为至少0. 2、或至少0. 3、或至少0. 4、或至少 0. 5、或至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9。结构化层150包括诸如结构体151-1Μ之类的多个结构体。所述多个结构体中的 一些结构体可为分立的，例如结构体151和152。一些结构体可通过基底连接，例如通过基 底155而彼此连接的结构体153和154。结构化层150包括露出第二窗口 121的多个开口， 例如开口 101和102。在一些情况下，结构化层150在第二波长λ2下为基本上光学透明的。例如，在这 种情况下，结构化层在波长λ 2下的总透光率为至少50%、或至少60%、或至少70%、或至 少 80%。在一些情况下，结构化层150中的多个结构体形成结构体的规则阵列。在一些情 况下，结构体无规地设置在第二窗口 121的整个顶部表面125上。在一些情况下，结构化层 150为连续层，所述连续层包括多个连接结构体或连接结构体的阵列且在类似于(例如)方 格图案的结构体中的至少一些之间具有开口。在一些情况下，结构化层150中的多个结构体形成多个分立结构体。例如，在一些 情况下，结构化层可包含多个粒子。例如，图3中的结构化层350具有诸如粒子351和352 之类的多个粒子。在一些情况下，所述粒子基本上为微粒或纳米粒子。例如，在这种情况下， 粒子的平均尺寸不大于2000nm、或不大于1500nm、或不大于lOOOnm、或不大于750nm。结构 化层350中的粒子可具有任何形状，例如任何规则的或不规则的形状。在一些情况下，图1中的结构化层150包含多个粒子，其中所述粒子的相当大一部分基本上为球形。例如，在这种情况下，粒子的最大尺寸与最小尺寸的比率不大于1.3、或不 大于1. 25、或不大于1. 2、或不大于1. 15、或不大于1. 1。在一些情况下，结构化层150可包括诸如可图案化或可光图案化材料或聚合物 (例如光致抗蚀剂)之类的有机材料。在一些情况下，结构化层150可包含聚苯乙烯，例如 聚苯乙烯微球。在一些情况下，结构化层150可包括诸如金属氧化物或玻璃之类的无机材 料。无机材料的实例包括Si02、Ge02、A1203、MgF2和硅酸盐玻璃。在一些情况下，结构化层150可包括密集堆积在整个顶部表面125上的单个或单 层结构体。在一些情况下，结构化层150可包括亚单层结构体，即结构体为非密集堆积的并 且/或者存在基本大于结构体的标称或平均尺寸的不包括或包括极少结构体的区域。在这 种情况下，亚单层结构化层150中的开口区域基本大于单个结构体(例如，单个粒子)的平 均尺寸。在一些情况下，结构化层150可包括多层结构体。例如，图4为结构化层450的示 意性侧视图，结构化层450直接设置在第二窗口 121上且包括多层粒子451。结构化层涂布 有连续性外涂层460，并且封壳470包覆外涂层。结构化外涂层160直接设置在结构化层150的至少一部分以及第二窗口 121中通 过结构化层150中的开口露出的窗口区域的一部分上。外涂层160例如在波长λ2下的第 三折射率叫大于第二折射率η2。在一些情况下，η3小于叫。在一些情况下，η3大于ηι。在 一些情况下，η3和η2之间的差值为至少0. 2、或至少0. 3、或至少0. 4、或至少0. 5、或至少 0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9。在一些情况下，外涂层160可提取光181，该光否则将会在第二窗口的表面125处 全部被内反射。在这种情况下，外涂层增强了从半导体光转换构造115中提取第二波长入2 的光181的能力。在一些情况下，结构化外涂层160的外表面162与结构化层150的外表面161基 本一致。例如，在一些情况下，可利用真空沉积技术将外涂层160设置在结构化层150上。 在这种情况下，外表面162可与外表面161 —致。在一些情况下，结构化外涂层的平均厚 度不大于结构化层150中的结构体的平均尺寸。在一些情况下，外涂层160的平均厚度不 大于lOOOnm、或不大于800nm、或不大于700nm、或不大于600nm、或不大于500nm、或不大于 400nmo在一些情况下，外涂层160在第二波长λ 2下为基本上光学透明的。例如，在这 种情况下，外涂层在波长λ 2下的总透光率为至少50%、或至少60%、或至少70%、或至少 80%。在一些情况下，外涂层160可通过例如包括一个或多个岛区而成为不连续的层。 例如，在图2中，结构化层250直接设置在第二窗口 121上并且在结构体251和252之间限 定了开口 255。外涂层260直接设置在结构化层250上和第二窗口 121的开口区域上，在开 口的外露区域255中形成岛区沈1。在一些情况下，外涂层160可为连续层。例如，在图3 中，直接设置在结构化层350上的外涂层360形成连续层。在一些情况下，外涂层160可包括半导体、金属氧化物、或陶瓷。在一些情况下， 外涂层可包括 Si3N4、氮氧化硅、硅酸盐、ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnSSe, ZnSeTe, ZnSTe, CdS、CdSe, CdSSe、ITO、TiO2、ZrO2、Ta2O5 和 HfO2 中的至少一种。
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封壳170设置在外涂层160上，包封半导体发光元件105并且保护元件免受例如 环境中水分的影响。在一些情况下，封壳可具有光学功能，如具有用于当光181离开半导体 发光元件时来(例如)使之准直的光焦度。电致发光装置110可为能够随电信号而发光的任何装置。例如，电致发光装置可 为能够随电流而发射光子的发光二极管(LED)或激光二极管。LED电致发光装置110能够 发射应用中可能需要的任何波长的光。例如，LED可发射UV波长、可见光波长、或顶波长 的光。在一些情况下，LED可为能够发射UV光子的短波长LED。通常，LED可由任何合适的 材料构成，所述材料为(例如)有机半导体或无机半导体，包括如Si或Ge等IV族元素； III-V 族化合物，例如 InAs、AlAs、GaAsJnP、AlP、GaPJnSb、AlSb、GaSb、GaN、AlNJnN 以及 诸如AWaInP和AlfeiInN之类的III-V族化合物的合金；II-VI族化合物，例如S^e、CdSe、 BeSe, MgSe, ZnTe, CdTe, BeTe, MgTe, ZnS, CdS、BeS、MgS,以及 II-VI 族化合物的合金，或者 以上所列出的任何化合物的合金。在一些情况下，电致发光装置110可包括一个或多个ρ型和/或η型半导体层、一 个或多个活化层(可包括一个或多个势阱和/或量子阱)、缓冲层、衬底层和覆盖层。在一 些情况下，电致发光装置Iio可为诸如III-V族LED之类的III-V族半导体光源，并且可包 括AlfeInN半导体合金。例如，电致发光装置110可为GaN基LED。又如，电致发光装置110 可为II-VI族LED,例如ZnO基LED。通过下面的一些实例进一步说明所公开的构造的一些优点。本实例中详述的具体 材料、数量和尺寸以及其它条件和细节不应理解为对本发明的不适当的限制。实例1 制造与图1中的光转换器118相类似的半导体光转换构造。相对层序以及用于不 同层的材料组成和厚度的估计值概述于表I中。表I 实例1的构造中的各个层的细节
权利要求
1.一种光转换构造，包括荧光体板条，所述荧光体板条具有第一折射率，以用于将第一波长的光的至少一部分 转换成更长的第二波长的光；结构化层，所述结构化层设置在所述荧光体板条上并且具有小于所述第一折射率的第 二折射率，所述结构化层包括直接设置在所述荧光体板条上的多个结构体和暴露所述荧光 体板条的多个开口 ；以及结构化外涂层，所述结构化外涂层直接设置在所述结构化层的至少一部分上和所述荧 光体板条的处于所述多个开口内的部分上，所述结构化外涂层具有大于所述第二折射率的 第三折射率。
2.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化外涂层增强从所述荧光体板条 中对于所述第二波长的光的提取。
3.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化层在所述第二波长下为基本光 学透明的。
4.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化外涂层在所述第二波长下为基 本光学透明的。
5.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化层中的所述多个结构体包括多 个离散的结构体。
6.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化层中的所述多个结构体包括多 个互连的结构体。
7.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化层中的所述多个结构体包括多 个粒子。
8.根据权利要求7所述的光转换构造，其中所述多个粒子中的大部分基本为球形。
9.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化层包括有机材料。
10.根据权利要求9所述的光转换构造，其中所述结构化层包括光致抗蚀剂。
11.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化层包括无机材料。
12.根据权利要求11所述的光转换构造，其中所述结构化层包括Si02。
13.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化外涂层包括一个或多个岛区。
14.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化外涂层包括Si3N4、aiS、 ZnSe, ZnSSe, ITO, TiO2, ZrO2, Ta2O5, HfO2 和硅酸盐中的至少一种。
15.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化外涂层包括半导体。
16.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述第一和第二折射率之间的差值为至 少 0. 3。
17.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述第一和第二折射率之间的差值为至 少 0. 5。
18.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述第一和第二折射率之间的差值为至 少 0. 7。
19.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述第一和第二折射率之间的差值为至 少 0. 9。
20.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述第三和第二折射率之间的差值为至少 0. 3。
21.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述第三和第二折射率之间的差值为至 少 0. 5。
22.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述第三和第二折射率之间的差值为至 少 0. 7。
23.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述第三和第二折射率之间的差值为至 少 0. 9。
24.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化外涂层的结构化外表面与所 述结构化层的外表面一致。
25.根据权利要求1所述的光转换构造，还包括包封所述光转换构造的封壳。
26.根据权利要求1所述的光转换构造，其中所述结构化外涂层在所述第二波长下的 折射率在约1. 35至约2. 2的范围内。
27.一种发光系统，包括电致发光元件，所述电致发光元件包括根据权利要求1所述的光转换构造；LED，所述LED发射所述第一波长的光，所述第一波长的光的至少一部分被所述光转换 构造转换成所述第二波长的光；以及封壳，所述封壳包封所述电致发光元件。
全文摘要
本发明公开了光转换构造。所述光转换构造包括荧光体板条，所述荧光体板条具有第一折射率，以用于将第一波长的光的至少一部分转换成更长的第二波长的光；以及结构化层，所述结构化层设置在所述荧光体板条上并且具有小于所述第一折射率的第二折射率。所述结构化层包括直接设置在荧光体板条上的多个结构体以及露出荧光体板条的多个开口。所述光转换构造还包括结构化外涂层，所述结构化外涂层直接设置在结构化层的至少一部分上以及荧光体板条的处于所述多个开口内的部分上。结构化外涂层具有大于第二折射率的第三折射率。
文档编号H01L33/44GK102124581SQ200980132106
公开日2011年7月13日 申请日期2009年6月3日 优先权日2008年6月26日
发明者张俊颖, 特里·L·史密斯, 迈克尔·A·哈斯 申请人:3M创新有限公司