(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変換構成体であって、
第１の波長の光の少なくとも一部をより長い第２の波長の光に変換するための第１の屈折率を有する蛍光体スラブと、
前記蛍光体スラブ上に配設され、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、前記蛍光体スラブ上に直接に配設された複数の構造体と前記蛍光体スラブを露出する複数の開口とを含む、構造化された層と、
前記構造化された層の少なくとも一部と前記複数の開口中の前記蛍光体スラブの一部との上に直接に配設され、前記第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する、構造化されたオーバーコートと、を含む、光変換構成体。
【請求項２】
請求項１に記載の光変換構成体と、
前記第１の波長で発光し、少なくとも一部が前記光変換構成体により前記第２の波長の光に変換されるＬＥＤと、
を備えたエレクトロルミネッセンス要素、
及び
前記エレクトロルミネッセンス要素をカプセル化するカプセル化層、
を含む、発光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね、半導体発光デバイスに関する。本発明は、特に改善された輝度を有する半導体発光デバイスに適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
発光デバイスは、投射型ディスプレイシステム、液晶ディスプレイ用のバックライトなどを含む、多種多様な用途で使用される。投射システムは、通常、高圧水銀ランプなど、１つ以上の白色光源を使用する。白色光線は、普通、３原色、すなわち、赤色、緑色、及び青色に分かれ、それぞれの画像形成空間光変調器へと導かれて、原色ごとに画像を生成する。得られる原色画像ビームは、組み合わされ、見るために投射スクリーン上に投射される。
【０００３】
ごく最近では、発光ダイオード（ＬＥＤ）が白色光源の代替として考えられている。ＬＥＤは、従来の光源に匹敵する輝度及び動作寿命を提供する可能性を有する。しかしながら、現行のＬＥＤは、例えば、高屈折率領域で光がトラップされるために比較的非効率的である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概して、本発明は半導体発光デバイスに関する。一つの実施形態では、半導体光変換構成体は、第１の波長の光の少なくとも一部をより長い第２の波長の光に変換するための半導体ポテンシャル井戸と、半導体ポテンシャル井戸上に配設され、第１の屈折率を有する外側層と、第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する、外側層上に配設された構造化された層を含む。構造化された層は、外側層上に直接に配設された複数の構造体と、外側層を露出させる複数の開口と、を含む。半導体光変換構成体は、構造化された層の少なくとも一部及び複数の開口中の外側層の一部の上に直接に配設された、構造化されたオーバーコートを更に含む。オーバーコートは、第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する。ある場合には、構造化されたオーバーコートの平均厚さは、約１０００ｎｍ以下、又は約７００ｎｍ以下である。ある場合には、オーバーコートの外側表面は、構造化された層の外側表面に一致する。
【０００５】
別の実施形態では、発光システムは、ＬＥＤと、ＬＥＤが発光する光を下方変換する光変換構成体とを含み、構造化された最も外側の表面を有する。構造化された表面は、光変換構成体の内側層を露出させる、複数の開口を有する。発光システムは、構造化された最も外側の表面と内側層の露出された領域上に形成された、構造化されたオーバーコートを更に含む。構造化されたオーバーコートは、光変換構成体からの光抽出を増強する。オーバーコートの外側表面は、構造化された最も外側の表面に一致する。ある場合には、オーバーコートの屈折率は、約１．８〜約２．７の範囲にある。
【０００６】
別の実施形態では、半導体光変換構成体は、第１の波長の光の少なくとも一部を吸収するための第１の半導体層と、第１の波長の吸収される光の少なくとも一部をより長い第２の波長の光に変換するための半導体ポテンシャル井戸と、第１の波長の光の少なくとも一部を吸収する能力のある第２の半導体層と、を含む。第１の半導体層は、最大の第１の屈折率を第２の波長で有する。第２の半導体層は、最大の第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を第２の波長で有する。ある場合には、第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の波長のフォトンのエネルギーよりも大きい。ある場合には、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の波長のフォトンのエネルギーよりも大きい。ある場合には、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第１の半導体層の最小のバンドギャップエネルギーよりも小さい。ある場合には、第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、半導体ポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも大きい。ある場合には、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、半導体ポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも大きい。ある場合には、第１の波長に中心があるスペクトルを有し、第１の波長よりも長い波長λｅを含む入射光により照射された場合、第１の半導体層は、第１の波長の光を吸収するが、λｅの光を吸収せず、第２の半導体層はλｅの光を吸収する。
【０００７】
別の実施形態では、半導体光変換構成体は、第１の波長の光の少なくとも一部を吸収するための第１の半導体層と、第１の波長の吸収される光の少なくとも一部をより長い第２の波長の光に変換するための半導体ポテンシャル井戸と、第１の波長の光の少なくとも一部を吸収する能力のある第２の半導体層と、を含む。第２の半導体層は、第１の半導体層の最小のバンドギャップエネルギー未満のバンドギャップエネルギーを有する。ある場合には、第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の波長のフォトンのエネルギーよりも大きい。ある場合には、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の波長のフォトンのエネルギーよりも大きい。ある場合には、第２の波長での第２の半導体層の屈折率は、第２の波長での第１の半導体層の最大の屈折率よりも大きい。ある場合には、第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、半導体ポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも大きい。ある場合には、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、半導体ポテンシャル井戸の遷移エネルギーよりも大きい。ある場合には、半導体光変換構成体は、同一の遷移エネルギーを有する複数の半導体ポテンシャル井戸を含む。ある場合には、半導体光変換構成体は、異なる遷移エネルギーを有する複数の半導体ポテンシャル井戸を含む。
【０００８】
別の実施形態では、光学的構成体は、可視域中の第１の波長で屈折率ｎ１を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に配設され、屈折率ｎ２（ここで、ｎ２はｎ１よりも小さい）を第１の波長で有する第２の半導体層と、第２の半導体層上に配設され、屈折率ｎ３（ここで、ｎ３はｎ２よりも大きい）を第１の波長で有する第３の半導体層と、第３の半導体層上に直接に配設された構造化された層と、構造化された層の少なくとも一部の上に直接に配設されたオーバーコートを含む。光学的構成体は第１の波長で実質的に透過性である。ある場合には、オーバーコートはフォトニック結晶を含む。ある場合には、第１の半導体層はポテンシャル井戸である。ある場合には、第２の半導体層は、第１の波長で実質的に光吸収性であるが、第２の波長では光吸収性でない。ある場合には、第３の半導体層は、第１の波長で実質的に光吸収性であるが、第２の波長では光吸収性でない。
【０００９】
別の実施形態では、発光システムは、第１の波長及びより長い第２の波長で発光する光源と、第１の波長で光を吸収する能力があるが、第２の波長で光を吸収する能力がない、１つ以上の第１の半導体光吸収層を含む。１つ以上の第１の半導体光吸収層は、光源が発光する光の少なくとも８０％を吸収する。発光システムは、１つ以上の第１の半導体光吸収層が吸収する光の少なくとも一部をより長い波長の出力光に変換する半導体ポテンシャル井戸と、第２の波長で光を吸収する能力がある、１つ以上の第２の半導体光吸収層を更に含む。１つ以上の第２の半導体光吸収層は、光源が発光する残余の光を吸収する。ある場合には、１つ以上の第１の半導体光吸収層は、光源が発光する光の少なくとも９０％を吸収する。ある場合には、１つ以上の第１の半導体光吸収層は、光源が発光する光の少なくとも９５％を吸収する。ある場合には、発光システムは、同一の又は異なる遷移エネルギーを有する複数の半導体ポテンシャル井戸を含む。
【００１０】
別の実施形態では、半導体光変換構成体は、入射光の全部でないが、一部を吸収するためのバンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する第１の半導体層と、吸収された入射光の少なくとも一部を下方変換するためのＥａｂｓ未満の遷移エネルギーＥｔｒを有する半導体ポテンシャル井戸と、残余の入射光を吸収するためのＥａｂｓ未満及びＥｔｒよりも大きいバンドギャップエネルギーＥｌｂを有する、第２の半導体層と、を含む。ある場合には、第１の半導体層により吸収される入射光の一部及び第２の半導体層により吸収される残余の入射光は、スペクトルの異なる波長領域を含む。ある場合には、半導体光変換構成体は、Ｅａｂｓよりも大きいバンドギャップエネルギーＥｗを有する半導体ウインドウを更に含む。ある場合には、Ｅｗは、入射光のフォトンエネルギーよりも大きい。ある場合には、第１の半導体層は、半導体ポテンシャル井戸に密に隣接する。ある場合には、第１の半導体層は、半導体ポテンシャル井戸に直接に隣接する。ある場合には、第１の半導体層は、半導体ポテンシャル井戸と第２の半導体層との間に配設される。ある場合には、第１及び第２の半導体層のそれぞれは、半導体ポテンシャル井戸に直接に隣接する。
【００１１】
別の実施形態では、基板から光を抽出するための光学的構成体を作製する方法は、（ａ）表面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）基板の表面を露出させる空き領域を形成する、複数の構造体を基板の表面上に配設する工程と、（ｃ）構造体の少なくとも一部を収縮させる工程と、（ｄ）オーバーコートを施して、収縮した構造体と空き領域中の基板の表面を被覆する工程と、を含む。ある場合には、工程（ｃ）は、エッチング剤を複数の構造体に施すことにより行われる。ある場合には、エッチング剤を施した後、複数の構造体による基板の表面のパーセント被覆率は減少する。ある場合には、複数の構造体はポリスチレンを含む。ある場合には、複数の構造体は複数の粒子を含む。ある場合には、エッチング剤を施す前は複数の粒子は実質的に球形であり、エッチング剤を施した後は実質的に円錐状である。ある場合には、工程（ａ）から（ｄ）は順次行われる。ある場合には、この方法は、構造体の少なくとも一部をリフローする工程を更に含み、ある場合には、構造体の少なくとも一部をリフローする工程は複数の構造体に熱を加えることにより行われる。ある場合には、粒子の少なくとも一部を収縮させる工程及びリフローする工程は、同時に行われる。ある場合には、構造体は、工程（ｃ）において少なくとも２０％、又は少なくとも４０％収縮する。ある場合には、工程（ｄ）におけるオーバーコートは、構造化されたオーバーコートを含む。ある場合には、工程（ｄ）におけるオーバーコートは、複数の構造体の外側表面に一致する外側の構造化された表面を有する。
【００１２】
別の実施形態では、光を基板から抽出するために基板の表面上に複数の構造体を作製する方法は、（ａ）表面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）基板の表面の所望の第１のパーセント面積被覆率を確認する工程と、（ｃ）基板の表面上に複数の構造体を配設して、所望の第１のパーセント面積被覆率よりも大きい第２のパーセント面積被覆率を得る工程と、（ｄ）構造体の少なくとも一部を収縮させて、パーセント面積被覆率を所望の第１のパーセント面積被覆率まで低減させる工程と、を含む。ある場合には、この方法は、構造化されたオーバーコートを施して、収縮した構造体と、非被覆領域中の基板の表面を被覆する工程を更に含む。ある場合には、この方法は、複数の構造体の少なくとも一部をリフローする工程を更に含む。
【００１３】
別の実施形態では、光変換構成体は、第１の波長の光の少なくとも一部をより長い第２の波長の光に変換するための第１の屈折率を有する蛍光体スラブと、蛍光体スラブ上に配設され、第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する構造化された層を含む。構造化された層は、蛍光体スラブ上に直接に配設された複数の構造体と、蛍光体スラブを露出する複数の開口と、を含む。光変換構成体は、構造化された層の少なくとも一部と複数の開口中の蛍光体スラブの一部との上に直接に配設された構造化されたオーバーコートを更に含む。構造化されたオーバーコートは、第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有する。ある場合には、構造化されたオーバーコートは、蛍光体スラブからの第２の波長の光の抽出を増強する。ある場合には、構造化されたオーバーコートは、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＩＴＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、及びシリケートの少なくとも１つを含む。ある場合には、第１及び第２の屈折率の差は、少なくとも０．３、又は少なくとも０．５、又は少なくとも０．７、又は少なくとも０．９である。ある場合には、第３及び第２の屈折率の差は、少なくとも０．３、又は少なくとも０．５、又は少なくとも０．７、又は少なくとも０．９である。ある場合には、構造化されたオーバーコートの構造化された外側表面は、構造化された層の外側表面に一致する。ある場合には、光変換構成体は、光変換構成体をカプセル化するカプセル化層を更に含む。ある場合には、構造化されたオーバーコートの第２の波長での屈折率は、約１．３５〜約２．２の範囲にある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は、添付の図面に関連して以下の本発明の種々の実施形態の「発明を実施するための形態」を考慮したとき、より完全に理解し正しく認識され得る。
【図１】発光システムの概略側面図。
【図２】構造化された層とオーバーコートの概略側面図。
【図３】別の構造化された層と別のオーバーコートの概略側面図。
【図４】別の構造化された層と別のオーバーコートの概略側面図。
【図５Ａ】ナノ粒子の単層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。
【図５Ｂ】ナノ粒子の多層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。
【図６Ａ】ナノ粒子のオーバーコートされた単層のＳＥＭ像。
【図６Ｂ】ナノ粒子のオーバーコートされた多層のＳＥＭ像。
【図７】ナノ粒子の別のオーバーコートされた単層のＳＥＭ像。
【図８】発光システムの概略側面図。
【図９】発光の概略の強度スペクトル。
【図１０】光変換器の概略のバンドダイヤグラム。
【図１１】別の光変換器の概略のバンドダイヤグラム。
【図１２】別の光変換器の概略のバンドダイヤグラム。
【図１３】別の光変換器の概略のバンドダイヤグラム。
【図１４】別の光変換器の概略のバンドダイヤグラム。
【図１５】別の光変換器の概略のバンドダイヤグラム。
【図１６】別の光変換器の概略のバンドダイヤグラム。
【図１７】別の光変換器の概略のバンドダイヤグラム。
【図１８】光学的構成体の概略側面図。
【図１９】発光システムの概略側面図。
【図２０】オーバーコート屈折率の関数として計算されたパーセント抽出効率のプロット。
【図２１Ａ】光学的構成体を作製する方法における中間の段階又は工程におけるデバイスの概略図。
【図２１Ｂ】光学的構成体を作製する方法における中間の段階又は工程におけるデバイスの概略図。
【図２１Ｃ】光学的構成体を作製する方法における中間の段階又は工程におけるデバイスの概略図。
【図２２Ａ】ポリスチレン粒子の単層のＳＥＭ像。
【図２２Ｂ】エッチングされ、リフローされた図２２Ａ中の粒子のＳＥＭ像。
【図２２Ｃ】ＺｎＳによりオーバーコートされた図２２Ｂ中の粒子のＳＥＭ像。
【図２３】光源の概略側面図。
【図２４】オーバーコート屈折率の関数として計算されたパーセント抽出効率のプロット。
【００１５】
多数の図で使用される同一の参照番号は、同一又は類似の特性及び機能を有する同一又は類似の要素を指す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本出願は、半導体光源と１つ以上の波長変換器とを含み、変換器が半導体波長変換器であることができる、半導体発光デバイスを開示している。本出願は、光抽出を増強するための構造体を更に開示している。
【００１７】
一部の開示されたデバイスは、ＩＩＩ〜Ｖ族などの同一の半導体群からの光源と光変換層とを有する。このような場合には、例えば、ＩＩＩ〜Ｖ族波長変換器をＩＩＩ〜Ｖ族ＬＥＤなどのＩＩＩ〜Ｖ族光源の上に直接モノリシックに成長させ、作製することが実行可能であることもある。しかしながら、ある場合には、所望の出力波長、高変換効率又は他の望ましい性質を持つ波長変換器は、ＬＥＤが属する半導体群と異なる半導体群からのものでもよい。そのような場合では、一方の部品を他方の上に高品質に成長させることは不可能であるか、又は実現不可能な場合がある。例えば、高効率波長変換器は、ＩＩ〜ＶＩ族のものであることができ、ＬＥＤなどの光源は、ＩＩＩ〜Ｖ族のものであることができる。このような場合、光変換器を光源に取り付けるためにいろいろな方法を使用することができる。いくつかのこのような方法は、２００７年１２月１０日出願の米国特許出願番号６１／０１２６０８で述べられている。
【００１８】
この出願で開示されている波長変換器は、光源により発光される光を下方変換する。本明細書で使用するとき、下方変換は、変換された光の波長が、変換されていない光又は入射光の波長よりも大きいことを意味する。
【００１９】
図１９は、光源１９１０と光変換層１９２０と光抽出層１９３０とを含む発光システム１９００の概略側面図である。光源１９１０は、通常、スペクトルのＵＶ又は青色領域の第１の波長λ１の光１９１５を発光する。光変換層１９２０は、光１９１５の少なくとも一部を通常、スペクトルの緑色又は赤色領域のより長い第２の波長λ２の光１９２５に変換する。光抽出層１９３０は、光変換層１９２０からの光１９２５の抽出を増強することにより、発光システムの出力光の輝度又は強度を改善する。例えば、光抽出層１９３０は、そうでなければ光変換層１９２０の中でトラップされるか、又はそうでなければ光変換層１９２０により透過されない光を抽出する。
【００２０】
一般に、光変換層１９２０は、第１の波長の光の少なくとも一部を第２の波長の光に変換する能力のある、任意の要素又は材料を含むことができる。例えば、層１９２０は、蛍光体、蛍光染料、ポリフルオレンなどの共役発光有機材料、フォトルミネッセンス半導体層、半導体ポテンシャル井戸、又は集合体若しくは複数の半導体量子ドットを含むことができる。光変換層１９２０で使用され得る例示の蛍光体には、ストロンチウムチオガレート、ドープＧａＮ、銅活性化硫化亜鉛及び銀活性化硫化亜鉛が挙げられる。他の有用な蛍光体には、ドープＹＡＧ、シリケート、シリコンオキシナイトライド、シリコンナイトライド、及びアルミネートベースの蛍光体が挙げられる。このような蛍光体の例には、Ｃｅ：ＹＡＧ、ＳｒＳｉＯＮ：Ｅｕ、ＳｒＢａＳｉＯ：Ｅｕ、ＳｒＳｉＮ：Ｅｕ及びＢａＳｒＳｉＮ：Ｅｕが挙げられる。
【００２１】
ある場合には、光変換層１９２０は、Ｃｅ：ＹＡＧスラブなどのスラブ蛍光体を含むことができる。例えば、米国特許第７，３６１，９３８号に述べられているように、例えばＣｅ：ＹＡＧ蛍光粒子を高い温度及び圧力で焼成して、実質的に光学的に透過性で、非散乱性のスラブを形成することにより、Ｃｅ：ＹＡＧスラブを作製することができる。
【００２２】
光抽出層１９３０は、光変換層１９２０上に直接に配設された構造化された層１９４０と、構造化された層上に配設された、構造化されたオーバーコート１９５０などのオーバーコート１９５０と、を含む。構造化された層１９４０は、光変換層１９２０上に直接に配設された複数の構造体を含む。ある場合には、オーバーコートの外側表面は、構造化された層の外側表面に一致する。
【００２３】
ある場合には、λ２での構造体の屈折率は、光変換層１９２０中の最外側層の同一の波長での屈折率よりも小さい。例えば、出力表面上のフォトレジストを光パターニングなどパターン化することにより、あるいはナノ粒子などの粒子の部分的若しくは完全な単層、又は多層を出力表面上に堆積することによって、低屈折率の構造化された層１９４０を光変換層の出力表面１９２１上に形成することができる。ある場合には、構造化された層は、例えば、構造化された層のλ２での屈折率を低下させるために、空気を含むことができる。例えば、ある場合には、構造化された層は、出力表面１９２１上に中空構造体又は粒子を含むことができる。空気又は空気ポケットを含む構造化された層１９４０は、例えば、出力表面上に有機材料などの材料をパターン作成し、パターン化された材料をオーバーコートによりオーバーコートし、並びにオーバーコートされたパターン化材料の一部を除去して、例えば、一部を高い温度で分解し、空気領域を形成することによって、出力表面上に形成することができる。ある場合には、構造化された層１９４０中の構造体の屈折率は、構造化された層に直接隣接した、光変換層１９２０中の最外側層の屈折率未満である。
【００２４】
オーバーコート１９５０は、光変換層１９２０からの光の抽出を増強する。ある場合には、オーバーコートは、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、シリケート、シリコンナイトライド、シリコンオキシナイトライド、又はインジウム−スズオキシドなどのガラス状材料又は金属酸化物を含むことができる。ある場合には、オーバーコートは、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、又はＺｎＳｘＳｅ１−ｘなどの半導体合金を含有するオーバーコートなどの半導体オーバーコートであることができる。ある場合には、オーバーコートは、緻密化されたゾル−ゲルなどのゾル−ゲルであることができる。ある場合には、オーバーコートの屈折率は、構造化された層に直接に隣接した、光変換層１９２０中の最外側層の屈折率よりも大きい。
【００２５】
図１は、フォトンエネルギーＥ１を有する第１の波長λ１の光を発光するエレクトロルミネッセンスデバイス１１０と、第１の波長の光の少なくとも一部をフォトンエネルギーＥ２を有するより長い第２の波長λ２の光に変換するための半導体光変換構成体１１５と、を含む、半導体ルミネッセンス要素１０５の概略側面図である。
【００２６】
半導体光変換構成体１１５は、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０に面する第１のウインドウ１２０と、第１のウインドウ上に配設された第１の吸収層１３０と、第１の吸収層上に配設されたポテンシャル井戸１４０と、ポテンシャル井戸上に配設された第２の吸収層１３１と、第２の吸収層上に配設された第２のウインドウ１２１と、第２のウインドウ上に直接に配設された構造化された層１５０と、構造化された層上に配設されたオーバーコート１６０と、オーバーコート上に配設され、半導体エレクトロルミネッセンス要素１０５をカプセル化するカプセル化層１７０と、を含む。
【００２７】
一般に、光変換器１１８は、第１の波長λ１の光の少なくとも一部を第２の波長λ２の光に変換する能力のある、任意の要素も含むことができる。例えば、光変換器１１８は、蛍光体、蛍光染料、ポリフルオレンなどの共役発光有機材料を含むことができる。光変換器１１８で使用され得る例示の蛍光体には、ストロンチウムチオガレート、ドープＧａＮ、銅活性化硫化亜鉛及び銀活性化硫化亜鉛が挙げられる。
【００２８】
ある場合には、層１４０は、ポテンシャル井戸、量子井戸、量子ドット、又は、それぞれを多数若しくは複数、含むことができる。無機半導体ポテンシャル井戸及び量子井戸などの無機のポテンシャル井戸及び量子井戸は、通常、例えば、有機材料と比較して増加した光変換効率を有し、水分などの環境要素に低感受性であることにより、信頼性が高い。更に、無機のポテンシャル井戸及び量子井戸は、より狭い出力スペクトルを有する傾向にあり、例えば、改善された色域をもたらす。
【００２９】
本明細書で使用するとき、ポテンシャル井戸は、キャリアを一つの次元内だけに閉じ込めるように設計された多層半導体構造体内の半導体層を意味しており、その際、半導体層は、周囲の層よりも低い伝導帯エネルギー、及び／又は、周囲の層よりも高い価電子帯エネルギーを有する。量子井戸は、一般に、量子化効果が井戸内の電子正孔対再結合のためのエネルギーを増大させるほど充分に薄いポテンシャル井戸を意味する。量子井戸は、通常、約１００ｎｍ以下又は約１０ｎｍ以下の厚さを有する。量子ドットは、通常、約１００ｎｍ以下の、又は約１０ｎｍ以下の最大寸法を有する。
【００３０】
ある場合には、ポテンシャル井戸又は量子井戸１４０は、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０が発光するフォトンのエネルギーＥ１よりも小さい遷移エネルギーＥｐｗを有する、ＩＩ〜ＶＩ半導体ポテンシャル井戸又は量子井戸を含む。一般に、ポテンシャル井戸又は量子井戸１４０の遷移エネルギーは、ポテンシャル井戸又は量子井戸が再発光するフォトンのエネルギーＥ２に実質的に等しい。
【００３１】
ある場合には、ポテンシャル井戸１４０は、合金の３つの構成要素として化合物ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ及びＭｇＳｅを有する、ＣｄＭｇＺｎＳｅ合金を含むことができる。ある場合では、Ｃｄ、Ｍｇ及びＺｎのうちの１つ以上、特にＭｇは、合金に存在しなくてもよい。例えば、ポテンシャル井戸１４０は、赤色で再発光することができるＣｄ０．７０Ｚｎ０．３０Ｓｅ量子井戸、又は緑色で再発光することができるＣｄ０．３３Ｚｎ０．６７Ｓｅ量子井戸を含むことができる。別の例として、ポテンシャル井戸１４０は、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｓｅ、及び所望によりＭｇの合金を含むことができ、その場合、合金系は、Ｃｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅによって表すことができる。別の例として、ポテンシャル井戸１４０は、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｓｅ、及び所望によりＺｎの合金を含むことができる。ある場合には、ポテンシャル井戸はＺｎＳｅＴｅを含むことができる。ある場合には、量子井戸１４０は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、又は約２ｎｍ〜約３５ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００３２】
一般に、ポテンシャル井戸１４０は、任意の伝導帯及び／又は価電子帯プロファイルを有することができる。例示のプロフィールは、例えば、米国特許出願番号６０／８９３８０４に述べられている。
【００３３】
ある場合には、ポテンシャル井戸１４０は、ｎドープ又はｐドープされていてよく、その際、ドーピングは、任意の好適な方法によって、及び任意の好適なドーパントを含めることによって、達成することができる。ある場合には、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０及びポテンシャル井戸１４０は、２つの異なる半導体群からのものであることができる。例えば、このような場合、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０はＩＩＩ〜Ｖ半導体デバイスであることができ、ポテンシャル井戸１４０はＩＩ〜ＶＩポテンシャル井戸であることができる。ある場合には、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０はＡｌＧａＩｎＮ半導体合金を含むことができ、ポテンシャル井戸１４０はＣｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ半導体合金を含むことができ、ここで括弧に括られている材料は任意の材料である。
【００３４】
一般に、半導体光変換構成体１１５は１つ以上のポテンシャル井戸を有することができる。ある場合には、構成体１１５は、多数のポテンシャル井戸を有することができる。例えば、このような場合、構成体１１５は、少なくとも２つのポテンシャル井戸、又は少なくとも５つのポテンシャル井戸、又は少なくとも１０個のポテンシャル井戸を有することができる。ある場合には、構成体１１５は、異なる遷移エネルギーを持つ、少なくとも２つのポテンシャル井戸、又は少なくとも３つのポテンシャル井戸、又は少なくとも４つのポテンシャル井戸を有することができる。
【００３５】
ある場合には、ポテンシャル井戸１４０は、第１の波長λ１の光を実質的に吸収する。例えば、このような場合、ポテンシャル井戸１４０は、第１の波長λ１の光の少なくとも３０％、又は少なくとも４０％、又は少なくとも５０％を吸収する。ある場合には、ポテンシャル井戸１４０は、第１の波長λ１で実質的に光学的に透過性である。例えば、このような場合、ポテンシャル井戸１４０は、第１の波長λ１の光の少なくとも６０％、又は少なくとも７０％、又は少なくとも８０％、又は少なくとも９０％を透過する。
【００３６】
光吸収層１３０及び１３１は、半導体光変換構成体１１５中での光１８０の吸収及びキャリアの発生を助ける。ある場合には、光吸収層１３０及び１３１は、光１８０の少なくとも一部を吸収し、結果として電子空孔キャリアなどの光生成キャリア対を作り出す。キャリアは、光吸収層からポテンシャル井戸１４０に拡散又は移動し、そこで再結合し、第２の波長λ２の光を発光する。
【００３７】
光吸収層１３０及び１３１は、光生成キャリアがキャリアを再結合し、第２の波長λ２の光を発光するためにポテンシャル井戸に効率的に拡散することができるように、ポテンシャル井戸に近接して配置される。
【００３８】
ある場合には、半導体光変換構成体１１５中の光吸収層は、ポテンシャル井戸１４０に直接隣接することができ、これは介在層が吸収層とポテンシャル井戸との間に配設されないということを意味する。例えば、図１では、第１の光吸収層１３０及び第２の光吸収層１３１のそれぞれはポテンシャル井戸１４０に直接に隣接する。ある場合には、半導体光変換構成体１１５中の光吸収層は、ポテンシャル井戸１４０に密に隣接することができ、これは１つ又は少数の介在層が吸収層とポテンシャル井戸との間に配設されてもよいということを意味する。例えば、ある場合には、図１に示されないが、１つ以上の介在層を第１の光吸収層１３０とポテンシャル井戸１４０との間に配設することができる。
【００３９】
ある場合には、光吸収層は、ＩＩ〜ＶＩ族半導体など、無機半導体などの半導体を含んでもよい。例えば、吸収層１３０及び１３１の１つ以上は、Ｃｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ半導体合金を含むことができる。
【００４０】
ある場合には、光吸収層は、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０が発光するフォトンのエネルギーＥ１よりも小さいバンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する。このような場合、光吸収層は、エレクトロルミネッセンスデバイスにより発光される光を強く吸収するなど、吸収することができる。ある場合には、光吸収層は、ポテンシャル井戸１４０の遷移エネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。このような場合、光吸収層は、ポテンシャル井戸が第２の波長λ２で再発光する光１８１に対して実質的に光学的に透過性である。
【００４１】
ある場合には、第２の光吸収層１３１などの光吸収層は、第２の波長λ２で発光する光１８１のフォトンエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。このような場合、光吸収層は、光１８１の少なくとも一部を吸収することができる。このような場合、吸収された光の少なくとも一部を第３の長波長λ３の光に下方変換することができる。
【００４２】
ある場合には、半導体光変換構成体１１５中の少なくとも１つの光吸収層は、ドーパントによりドープされる。光吸収層がＣｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ合金を含むときのような場合には、ドーパントは、ＶＩＩ族ｎ−型ドーパントであることができる。ある場合には、ドーパントは、塩素又はヨウ素を含むことができる。ある場合には、ドーパントの数密度は、約１０１７ｃｍ−３〜約１０１８ｃｍ−３の範囲にある。他の例示のドーパントはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｆ、Ｂｒ、Ｉ及びＮを含む。
【００４３】
例示の半導体光変換構成体１１５は、２つの光吸収層１３０及び１３１を含む。一般に、半導体光変換構成体は、ゼロ、１つ、２つ、又は２つ以上の吸収層を有することができる。ある場合には、半導体光変換構成体１１５は、異なるバンドギャップエネルギーを有する、少なくとも２つの、又は少なくとも３つの、又は少なくとも４つの光吸収層を有することができる。
【００４４】
一般に、光吸収層は、光吸収層中の光生成キャリアがポテンシャル井戸まで拡散する妥当な機会を有するように、対応するポテンシャル井戸に充分に密接している。半導体多層スタックが光吸収層を含まない場合には、ポテンシャル井戸は、第１の波長λ１で実質的に光吸収性であることができる。
【００４５】
第１のウインドウ１２０及び第２のウインドウ１２１は、主として、吸収層及び／又はポテンシャル井戸中で光生成する、電子空孔対などのキャリアに構成体１１５中で自由表面又は外部表面まで移動する機会を、全く又は殆ど与えないために、バリアを提供するように設計される。例えば、第１のウインドウ１２０は、主として、第１の吸収層１３０で発生するキャリアが表面１２３まで移動してキャリアが非輻射的に再結合できないように設計される。ある場合には、ウインドウ１２０及び１２１は、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０が発光するフォトンのエネルギーＥ１よりも大きい、バンドギャップエネルギーＥｗを有する。このような場合、ウインドウ１２０及び１２１は、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０が発光する光、及び、ポテンシャル井戸１４０が再発光する光、に対して実質的に光学的に透過性である。
【００４６】
例示の半導体光変換構成体１１５は２つのウインドウを含む。一般に、光変換構成体は、ゼロ、１つ又は２つのウインドウを有することができる。例えば、ある場合には、半導体光変換構成体１１５は、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０とポテンシャル井戸１４０との間に、又はエレクトロルミネッセンスデバイス１１０と吸収層１３０との間に配設される、単一のウインドウを有することができる。
【００４７】
ある場合には、半導体光変換構成体１１５中の２つの隣接する層間の境界面の位置は、明確な（well-defined）又ははっきりとした（sharp）境界面であってもよい。層内の材料組成が厚さ方向に沿った距離の関数として変化する場合などには、２つの隣接する層間の境界面は、明確でなくてもよく、例えば段階的な領域を規定する段階的な境界面であってもよい。例えば、ある場合には、第１の吸収層１３０及び第１のウインドウ１２０は、同一であるが、材料濃度が異なる、材料成分を有することができる。このような場合、吸収層の材料組成は、ウインドウ層の材料組成に応じて漸次変化し、２層間の段階的な境界又は領域を生じる。例えば、両方の層がＭｇを含む場合では、Ｍｇの濃度は吸収層からウインドウへ段階的に移るときに増加していてもよい。
【００４８】
第２のウインドウ１２１は、波長λ２を含む対象の波長領域中で屈折率ｎ１を有する。ある場合には、λ１はＵＶ又は青色波長であり、λ２は約４２０ｎｍ〜約６５０ｎｍの範囲の可視波長である。このような場合、ｎ１は、スペクトルの可視域中の屈折率であることができる。ある場合には、ｎ１は、波長λ２での、又はその近くの波長での屈折率である。
【００４９】
例示の半導体光変換構成体１１５中で、第２のウインドウ１２１は、ポテンシャル井戸１４０上に配設され、半導体光変換構成体の外側層１２１及び最外側層を光変換器１１８中で形成する。構造化された層１５０は、例えば、λ２での屈折率ｎ２を有し、外側層又は第２のウインドウ１２１上に直接に配設される。屈折率ｎ２は、第２のウインドウ１２１の屈折率ｎ１よりも小さい。ある場合には、ｎ１とｎ２との差は、少なくとも０．２、又は少なくとも０．３、又は少なくとも０．４、又は少なくとも０．５、又は少なくとも０．６、又は少なくとも０．７、又は少なくとも０．８、又は少なくとも０．９である。
【００５０】
構造化された層１５０は、構造体１５１〜１５４などの複数の構造体を含む。複数の構造体中の一部の構造体は、構造体１５１と１５２のように、離散したものであることができる。一部の構造体は、ベース１５５を通じて相互に連結した構造体１５３及び１５４のように、ベースを通して連結したものであることができる。構造化された層１５０は、開口１０１及び１０２など、第２のウインドウ１２１を露出させる、複数の開口を含む。
【００５１】
ある場合には、構造化された層１５０は、第２の波長λ２で実質的に光学的に透過性である。例えば、このような場合、構造化された層の波長λ２での全光学的透過率は、少なくとも５０％、又は少なくとも６０％、又は少なくとも７０％、又は少なくとも８０％である。
【００５２】
ある場合には、構造化された層１５０中の複数の構造体は、構造体の規則的な配列物を形成する。ある場合には、構造体は、第２のウインドウ１２１の最上表面１２５にわたってランダムに配置される。ある場合には、構造化された層１５０は、例えば、ワッフル模様に類似した、構造体の少なくとも一部の間で開口を持つ複数又は配列した連結した構造体を含む連続層である。
【００５３】
ある場合には、構造化された層１５０中の複数の構造体は、複数の離散した構造体を形成する。例えば、ある場合には、構造化された層は、複数の粒子を含むことができる。例えば、図３中の構造化された層３５０は、粒子３５１及び３５２などの複数の粒子を有する。ある場合には、粒子は、実質的にミクロ粒子又はナノ粒子である。例えば、このような場合、粒子の平均の大きさは、２０００ｎｍ以下、又は１５００ｎｍ以下、又は１０００ｎｍ以下、又は７５０ｎｍ以下である。構造化された層３５０中の粒子は、規則的又は不規則な形状など任意の形状も有することができる。
【００５４】
ある場合には、図１中の構造化された層１５０は、粒子の実質的な区分が実質的に球形である、複数の粒子を含む。例えば、このような場合、粒子の最小寸法に対する最大寸法の比率は、１．３以下、又は１．２５以下、又は１．２以下、又は１．１５以下、又は１．１以下である。
【００５５】
ある場合には、構造化された層１５０は、パターン形成可能な又は光パターン形成可能な有機材料などの有機材料又はフォトレジストなどのポリマーを含むことができる。ある場合には、構造化された層１５０は、ポリスチレン微小球などのポリスチレンを含むことができる。ある場合には、構造化された層１５０は、金属酸化物又はガラスなどの無機材料を含むことができる。無機材料の例には、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、及びシリケートガラスが挙げられる。
【００５６】
ある場合には、構造化された層１５０は、最上表面１２５にわたって密に充填された構造体の単層又は一層を含むことができる。ある場合には、構造化された層１５０は、構造体の下位単層を包含することができ、これは構造体が密に充填されていないということ、及び／あるいは、構造体を全く含まない若しくは極めて僅かしか含まない構造体の名目の又は平均の大きさよりも実質的に大きい領域が存在するということを意味する。このような場合、下位単層の構造化された層１５０中の空き領域は、単一粒子などの単一構造体の平均の大きさよりも実質的に大きくなることができる。
【００５７】
ある場合には、構造化された層１５０は、構造体の多層を含むことができる。例えば、図４は、粒子４５１の多層を含む第２のウインドウ１２１上に直接に配設された構造化された層４５０の概略側面図である。構造化された層は、連続的なオーバーコート４６０によりコーティングされ、カプセル化層４７０はオーバーコートを被覆する。
【００５８】
構造化されたオーバーコート１６０は、構造化された層１５０の少なくとも一部の上、及び、ウインドウが構造化された層１５０中の開口を通して露出される領域中の第２のウインドウ１２１の一部の上に直接に配設される。オーバーコート１６０は、例えば、第２の屈折率ｎ２よりも大きい、波長λ２での第３の屈折率ｎ３を有する。ある場合には、ｎ３はｎ１よりも小さい。ある場合には、ｎ３はｎ１よりも大きい。ある場合には、ｎ３とｎ２との差は、少なくとも０．２、又は少なくとも０．３、又は少なくとも０．４、又は少なくとも０．５、又は少なくとも０．６、又は少なくとも０．７、又は少なくとも０．８、又は少なくとも０．９である。
【００５９】
ある場合には、オーバーコート１６０は、そうでなければ第２のウインドウの表面１２５で全内部反射されることになる光１８１を抽出することができる。このような場合、オーバーコートは、半導体光変換構成体１１５からの第２の波長λ２の光１８１の抽出を増強する。
【００６０】
ある場合には、構造化されたオーバーコート１６０の外側表面１６２は、構造化された層１５０の外側表面１６１と実質的に一致する。例えば、ある場合には、真空堆積法を用いて、オーバーコート１６０を構造化された層１５０上に配設することができる。このような場合、外側表面１６２は、外側表面１６１に一致することができる。ある場合には、構造化されたオーバーコートの平均の厚さは、構造化された層１５０中の構造体の平均の大きさ以下である。ある場合には、オーバーコート１６０の平均の厚さは、１０００ｎｍ以下、又は８００ｎｍ以下、又は７００ｎｍ以下、又は６００ｎｍ以下、又は５００ｎｍ以下、又は４００ｎｍ以下である。
【００６１】
ある場合には、オーバーコート１６０は、第２の波長λ２で実質的に光学的に透過性である。例えば、このような場合、波長λ２でのオーバーコートの全光学的透過率は、少なくとも５０％、又は少なくとも６０％、又は少なくとも７０％、又は少なくとも８０％である。
【００６２】
ある場合には、オーバーコート１６０は、例えば、１つ以上のアイランドを含むことにより、不連続層であることができる。例えば、図２で、構造化された層２５０は、第２のウインドウ１２１上に直接に配設され、構造体２５１と２５２との間の開口２５５を規定する。オーバーコート２６０は、構造化された層２５０上に、及び空き領域中では、第２のウインドウ１２１上に直接に配設され、空いていてかつ露出された領域２５５中にアイランド２６１を形成する。ある場合には、オーバーコート１６０は、連続層であることができる。例えば、図３中、構造化された層３５０上に直接に配設されたオーバーコート３６０は、連続層を形成する。
【００６３】
ある場合には、オーバーコート１６０は、半導体、金属酸化物又はセラミックを含むことができる。ある場合には、オーバーコートは、Ｓｉ３Ｎ４、シリコンオキシナイトライド、シリケート、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳＳｅ、ＩＴＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、及びＨｆＯ２の少なくとも１つを含むことができる。
【００６４】
カプセル化層１７０は、オーバーコート１６０上に配設され、半導体ルミネッセンス要素１０５をカプセル化し、例えば、環境中の水分から要素を保護する。ある場合には、カプセル化層は、例えば、半導体ルミネッセンス要素を出るときの光１８１を平行化するための屈折力などの光学的機能を有することができる。
【００６５】
エレクトロルミネッセンスデバイス１１０は、電気信号に応じて発光する能力のある任意のデバイスであることができる。例えば、エレクトロルミネッセンスデバイスは、電流に応答してフォトンを発する能力のある発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザーダイオードであることができる。ＬＥＤエレクトロルミネセントデバイス１１０は、用途において望ましい可能性のあるいかなる波長でも光を発光することができる。例えば、ＬＥＤは、ＵＶ波長、可視波長、又はＩＲ波長で光を発光することができる。場合によっては、ＬＥＤは、ＵＶフォトンを放出可能な短波長ＬＥＤとすることができる。一般に、ＬＥＤは、Ｓｉ若しくはＧｅなどのＩＶ族元素、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＳ（登録商標）ｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ〜Ｖ化合物、並びにＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮなどのＩＩＩ〜Ｖ化合物の合金；ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＢｅＳｅ、ＭｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＴｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＢｅＳ、ＭｇＳなどのＩＩ〜ＶＩ化合物、及びＩＩ〜ＶＩ化合物の合金、又は、以上に列挙した化合物のいずれかの合金といった、有機半導体又は無機半導体などの任意の好適な材料から構成することができる。
【００６６】
ある場合には、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０は、１つ以上のｐ型及び／又はｎ型半導体層、１つ以上のポテンシャル井戸及び／又は量子井戸を含み得る１つ以上の活性層、緩衝層、基板層、並びに単板層を含むことができる。ある場合には、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０は、ＩＩＩ〜Ｖ族ＬＥＤなどのＩＩＩ〜Ｖ族半導体光源であることができ、ＡｌＧａＩｎＮ半導体合金を含んでもよい。例えば、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０は、ＧａＮベースのＬＥＤであることができる。別の例として、エレクトロルミネッセンスデバイス１１０は、ＺｎＯベースのＬＥＤなどのＩＩ〜ＶＩ族ＬＥＤであることができる。
【００６７】
開示される構成体の利点の一部を、以下の実施例によって更に説明する。この実施例で列挙される特定の材料、量及び寸法、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に制限するものと解釈されるべきではない。
【実施例】
【００６８】
（実施例１）：
図１の光変換器１１８に類似した半導体光変換構成体を作製した。表Ｉに相対的な層の順番と、異なる層に対する材料組成及び厚さの見積もり値を要約する。
【００６９】
【表１】
0005475767.tif 000002
【００７０】
最初に、ＧａＩｎＡｓ緩衝層をＩｎＰ基板上に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により成長させて、ＩＩ〜ＶＩ成長のための表面を調製した。続いて、光変換用のＩＩ〜Ｖ族エピタキシャル層を成長させるために、構成体を超高真空移送システムを通って別のＭＢＥチャンバへ移動させた。変換器１１８は、４つのＣｄＺｎＳｅ量子井戸１４０を含んだ。それぞれの量子井戸１４０を、ＧａＩｎＮベースのレーザーダイオードが発光する４４０ｎｍの青色光を吸収することができるＣｄＭｇＺｎＳｅ吸収層、１３０と１３１との間にサンドイッチした。
【００７１】
構成体をガラス顕微鏡スライドに接着剤で取り付けた後、ＩｎＰ基板を３ＨＣｌ：１Ｈ２Ｏの溶液により除去した。エッチング剤はＧａＩｎＡｓ緩衝層（層＃２）で停止した。３０ｍＬの水酸化アンモニウム（３０重量％）、５ｍＬの過酸化水素（３０重量％）、４０ｇのアジピン酸、及び２００ｍＬの水の攪拌した溶液中で緩衝層を引き続いて除去して、顕微鏡スライドに付着したＩＩ−ＶＩ光変換器１１８のみを残した。
【００７２】
（実施例２）：
構成体を構成体のウインドウ側からλｉｎ＝４４０ｎｍの青色光を発光するレーザーダイオードにより照射した場合の、実施例１で作製した構成体の外部量子効率（ＥＱＥ）を計算した。測定された再発光波長はλｏｕｔ＝５３９ｎｍであった。ＥＱＥを式（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）×（λｉｎ／λｏｕｔ）から計算した。式中、Ｐｉｎは入射エネルギーであり、Ｐｏｕｔは構成体を出る、変換された光の出射エネルギーであった。計算されたＥＱＥは２３％であった。
【００７３】
（実施例３）：
実施例１で作製した構成体の吸収層側をＳｉＯ２ナノ粒子によりコーティングして、構造化された層１５０に類似する構造化された層を得た。粒子は、約４４０ｎｍの平均直径を有し、Ｎｉｓｓａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ）から入手した。粒子を１−メトキシ−２−プロパノール中で５重量％固体含量まで分散した。ディップコーティング法を約６５ｍｍ／分の速度で用いて、溶液を構成体上にコーティングした。第１のこのような試料（試料Ａ）を１回ディップコーティングした。第２のこのような試料（試料Ｂ）を数回ディップコーティングした。図５Ａ及び５Ｂは、それぞれ試料Ａ及びＢの側面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。実施例２で述べた方法を用いて、試料Ａ及びＢのＥＱＥをそれぞれ３０．７％及び３８．２％であると計算した。
【００７４】
（実施例４）：
プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法を用いて、実施例３からの試料Ａ及びＢをＳｉ３Ｎ４オーバーコートによりコーティングして、オーバーコートされた試料Ａ１及びＢ１をそれぞれ得た。オーバーコートの厚さは約３００ｎｍであり、Ｓｉ３Ｎ４の屈折率は約１．８であった。図６Ａ及び６Ｂは、オーバーコートされた試料Ａ１及びＢ１の側面のＳＥＭ像である。実施例２で述べた方法を用いて、試料Ａ１及びＢ１のＥＱＥをそれぞれ４１．２％及び４１．５％であると計算した。１回粒子ディップコートした試料の場合、Ｓｉ３Ｎ４オーバーコートの追加は、ＥＱＥを３０．７％から４１．２％まで増加させ、約３４％の増加であった。多数回の粒子ディップコートを行った試料の場合、Ｓｉ３Ｎ４オーバーコートの追加は、ＥＱＥを３８．２％から４１．５％まで増加させ、約８．６％の増加であった。
【００７５】
（実施例５）：
実施例３で述べた方法を繰り返して、新しい試料Ｃ（１回ディップ）を作製した。実施例２で述べた方法を用いると、試料Ｃの計算されたＥＱＥは３３．４５％であった。
【００７６】
次に、真空昇華法を用いて、試料ＣをＺｎＳによりオーバーコートし、オーバーコート試料Ｃ１を得た。オーバーコートの厚さは約４００ｎｍであり、ＺｎＳオーバーコートの屈折率を２．４であると見積もった。図７は、試料Ｃ１の側面のＳＥＭ像である。実施例２で述べた方法を用いると、試料Ｃ１の計算されたＥＱＥは４５．１３％であった。したがって、ＺｎＳオーバーコートの追加はＥＱＥを３３．４５％から４５．１３％まで増加させ、約３４．９％の増加であった。
【００７７】
（実施例６）：
実施例３で述べた方法を繰り返して、新しい試料Ｄ１〜Ｄ４を作製した。実施例２で述べた方法を用いると、試料Ｄ１〜Ｄ４の計算されたＥＱＥは、それぞれ２２．１％、１９．９３％、２１．２５％、及び２５．７％であった。次に、実施例３で述べた方法を用いて、ＳｉＯ２粒子の単層により異なるディップ速度で試料をコーティングした。試料Ｄ１〜Ｄ４に対して得られる見積りパーセント面積被覆率は、それぞれ、３０％、４０％、５０％、及び７０％であった。得られた試料に対する計算されたＥＱＥは、それぞれ２９．４７％、３３．４５％、３１．７６％、及び４１．５％であった。したがって、ＳｉＯ２粒子の追加は試料Ｄ１〜Ｄ４のＥＱＥをそれぞれ３３％、６８％、４９％、及び６１％増加させた。
【００７８】
図８は、フォトンエネルギーＥ１を有する第１の波長λ１の光８５０を発光するＬＥＤなどの光源８１０と、第１の波長の光の少なくとも一部をフォトンエネルギーＥ２を有するλ２の光に変換するための半導体光変換構成体８１５を含む発光システム８００の概略側面図である。
【００７９】
半導体光変換構成体８１５は、光変換器８１８、構成体８１８上に直接に配設された構造化された層１５０、及び構造化された層上に配設された構造化されたオーバーコート１６０などのオーバーコート１６０を含む。
【００８０】
光変換器８１８は、光源８１０に面する第１のウインドウ１２０と、第１、第２、第３及び第４のポテンシャル井戸８４０、８４１、８４２及び８４３と、４つのポテンシャル井戸を囲む第１、第２、第３、第４及び第５の光吸収層８３０、８３１、８３２、８３３及び８３４と、補助的な光吸収層８７０と、を含む。
【００８１】
光吸収層８３０〜８３４は、光吸収層１３０及び１３１に類似し、光８５０の少なくとも一部を吸収し、結果として光生成電子空孔対などの光生成キャリアを生じさせ、光生成キャリアは、光吸収層からポテンシャル井戸８４０〜８４３まで拡散又は移動し、再結合し、第２の波長λ２に光を発光する。光吸収層８３０〜８３４は、光生成キャリアがキャリアを再結合し、第２の波長λ２の光８５２を発光するためにポテンシャル井戸に効率的に拡散することができるように、ポテンシャル井戸に近接して配置される。ある場合には、光吸収層８３０〜８３４は、例えばポテンシャル井戸８４０〜８４３よりも低い屈折率を第２の波長で有する。
【００８２】
ある場合には、光８５０の一部は、吸収層８３０〜８３４及び／又はポテンシャル井戸８４０〜８４３により吸収されず、吸収層とポテンシャル井戸により光８５１として透過される。例えば、ある場合には、発光８５０は、図９で概略的に示す、水平軸が波長であり、垂直軸が任意単位の強度である、強度スペクトル９１０を有することができる。このような場合、波長λ１は、ピーク強度Ｉｏを有するピーク発光波長であることができ、光吸収層８３０〜８３４のバンドギャップ波長は、例えば、λａｂｓにおいてλ１よりも充分に大きくなることができ、光８５０の実質的な部分が吸収層により吸収される。ある場合には、λａｂｓは充分に小さく、ポテンシャル井戸まで拡散する光生成キャリア対に対して高い温度でも充分な閉じ込めを提供する。このような場合、図９でλａｂｓの右に位置するスペクトル９１０のテール端に概ね対応する光８５０の一部は、吸収層８３０〜８３４及び／又はポテンシャル井戸８４０〜８４３により吸収されず、吸収層とポテンシャル井戸により第１の波長の光８５１として透過される。このような場合、補助的な光吸収層８７０は、他の層により吸収されない残存する光又は残余の光８５１を吸収することができる。ある場合には、補助的な光吸収層８７０のバンドギャップ波長λｌｂは、λａｂｓよりも充分に大きく、光８５１の本質的に全部は補助的な光吸収層により吸収される。このような場合、発光システム８００の出力光８６０は、本質的にλ２にあり、λ１で光量を全く、又は極めて僅かしか持たない。このような場合、補助的な光吸収層のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、光吸収層８３０〜８３４のバンドギャップエネルギーＥａｂｓよりも小さい。例えば、図１０は、図８からの光変換器８１８の概略のバンドダイヤグラムであり、小さいＥｌｂと大きいＥａｂｓを示す。図１０中、Ｅｃ及びＥｖは、それぞれ、伝導帯と価電子帯を表す。出力光８６０の光強度を最適化するのが望ましい場合などでは、補助的な光吸収層のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、図１０に示すように、ポテンシャル井戸８４０〜８４３の遷移エネルギーＥｐｗよりも大きい。このような場合、Ｅｌｂは、λ２でのフォトンのエネルギーＥ２よりも大きい。
【００８３】
補助的な光吸収層８７０のバンドギャップエネルギーが第５吸収層８３４のバンドギャップエネルギーＥａｂｓよりも小さいなどの場合には、補助的な光吸収層８７０の波長λ２での屈折率は、光吸収層８３４の屈折率よりも大きい。このような場合、光変換器８１８中でウエーブガイド又はトラップされたλ２での光学モードの電場は、構造化された層１５０に向かって移動する。これは、構造化された層１５０及び／又はオーバーコート１６０の中に更に延びる光学モードのエバネッセントテールを生じさせることができ、翻って、構造化された層とオーバーコートによる光８５２の増進された抽出をもたらす。
【００８４】
ある場合には、ポンプ光源８１０（図８及び９を参照）は、第１の波長λｄ及びより長い第２の波長λｅで発光する。第１の波長は、ある場合には、ポンプ光源のピーク発光波長λ１であることができる。光吸収層８３０〜８３４は、波長λｄの光を吸収する能力がある。しかし、光吸収層は、λｅが光吸収層のバンドギャップ波長λａｂｓよりも長いために、波長λｅの光を吸収する能力がない。ある場合には、光吸収層は、光８５０の実質的な部分を吸収することができる。例えば、このような場合、光吸収層は、光８５０の少なくとも８０％、又は少なくとも８５％、又は少なくとも９０％、又は少なくとも９５％を吸収する能力がある。ポテンシャル井戸８４０〜８４３は、光吸収層により吸収される光の少なくとも一部をより長い波長の出力光８６０に変換する。補助的な光吸収層８７０は、第１の波長λｄ及び第２の波長λｅの光を吸収する能力があり、光源８１０により発せられる残余の光を吸収する。
【００８５】
ある場合には、半導体光変換構成体８１５は、補助的な光吸収層８７０からの光を抽出するのに、構造化された層１５０及びオーバーコート１６０中の構造体以外の、又はそれに追加される手段を含むことができる。例えば、補助的な光吸収層の最上表面をパターン化又はテクスチュア化、例えば粗化、することにより、光を抽出することができる。別の例として、補助的な光吸収層の外部表面上にフォトニック結晶を形成することにより、光を抽出することができる。代表的なフォトニック結晶は、例えば、米国特許第６，９８７，２８８号及び同第７，１６１，１８８号に記載されている。ある場合には、補助的な光吸収層の出力表面上に光学的要素を形成することにより、光を抽出することができ、ここで、光学的要素は、いかなる要素であることができ、そうでなければ、例えば、内部全反射により補助的な光吸収層から出られない、光の少なくとも一部を抽出する能力のある任意の形状を有することができる。例示の光抽出器は、例えば、同一所有者の米国特許出願公開第２００７／０２８４５６５号、２００６年１１月１７日出願の同一所有者の米国特許仮出願番号６０／８６６，２６５、及び２００６年６月１２日出願の同一所有者の米国暫定特許出願番号６０／８０４，５４４で述べられている。
【００８６】
ある場合には、光吸収層８３４及び補助的な光吸収層８７０の少なくとも１つは、組成漸変材料であることができる。このような場合、吸収層の厚さ方向に沿った少なくとも１つの場所における補助的な光吸収層８７０のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、光吸収層８３４の最小のバンドギャップエネルギーよりも小さい。例えば、図１１は、一定のバンドギャップエネルギーＥａｂｓと線形組成漸変型の補助的な光吸収層１１３０を持つ光吸収層１１２０を含む、光変換器１１００の概略のバンドダイヤグラムである。場所「Ｘ」における補助的な光吸収層８７０のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、光吸収層８３４のバンドギャップエネルギーＥａｂｓよりも小さい。ある場合には、層の厚さ方向に沿った少なくとも１つの場所における補助的な光吸収層８７０のλ２での屈折率は、光吸収層８３４のλ２での最大の屈折率よりも大きい。
【００８７】
一般に、光変換器８１８中の、補助的な光吸収層８７０と、光吸収層８３０〜３４などの光吸収層は、出願において実行可能及び／又は望ましい、いかなる形状のバンドダイヤグラムも有することができる。例えば、図１２は、ポテンシャル井戸１２１０と、一定のバンドギャップエネルギーＥａｂｓを持つ光吸収層１２２０と、線形組成漸変型のバンドギャップを有する補助的な光吸収層１２３０と、を含む、光変換器８１８に類似の光変換器１２１８の概略のバンドダイヤグラムである。場所「Ｘ」における補助的な光吸収層１２３０のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓよりも小さく、ポテンシャル井戸１２１０の遷移エネルギーＥｔｒよりも大きい。
【００８８】
別の例として、図１３は、ポテンシャル井戸１３１０と、一定のバンドギャップエネルギーＥａｂｓを持つ光吸収層１３２０と、埋め込まれたポテンシャル井戸又は量子井戸１３６０を含む一定のバンドギャップエネルギーＥｌｂを持つ補助的な光吸収層と、を含む、光変換器１３１８の概略のバンドダイヤグラムである。バンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓよりも小さく、ポテンシャル井戸１３１０の遷移エネルギーＥｔｒよりも大きい。更に別の例として、図１４は、ポテンシャル井戸１４１０と、一定のバンドギャップエネルギーＥａｂｓを持つ光吸収層１４２０と、ポテンシャル井戸又は量子井戸１４６０を含む、曲がったバンドダイヤグラムを持つ補助的な光吸収層１４３０と、を含む、光変換器１４１８の概略のバンドダイヤグラムである。補助的な光吸収層は、Ｅａｂｓよりも小さく、ポテンシャル井戸１４１０の遷移エネルギーＥｔｒよりも大きい、場所「Ｘ」でバンドギャップエネルギーＥｌｂを有する。
【００８９】
ある場合には、図８中の光変換器層８１８は、光生成キャリアが例えば光変換器の外側表面若しくは内側領域まで移動又は拡散するのを防止するために、ウインドウ１２０などの、又はそれに追加した１つ以上のキャリアブロック層を含むことができる。例えば、図１５は、光吸収層１５２０中のキャリアが補助的な光吸収層１５３０まで拡散するなど、移動するのをブロックするために、ポテンシャル井戸１５１０と、一定のバンドギャップエネルギーＥａｂｓを持つ光吸収層１５２０と、一定のバンドギャップエネルギーＥｌｂを持つ補助的な光吸収層１５３０と、層１５２０と１５３０との間に配設された一定のバンドギャップエネルギーＥｃｂを持つキャリアバリア層１５４０と、を含む、光変換器１５１８の概略のバンドダイヤグラムである。バンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓよりも小さく、ポテンシャル井戸１５１０の遷移エネルギーＥｔｒよりも大きい。別の例として、図１６は、例えば、ポテンシャル井戸１６１０及び光吸収層１６２０中でキャリアが補助的な光吸収層１６３０まで移動するのをブロックするために、ポテンシャル井戸１６１０と、一定のバンドギャップエネルギーＥａｂｓを持つ光吸収層１６２０と、補助的な光吸収層１６３０及びキャリアバリア層１６４０を含む組成線形漸変領域１６７０と、を含む、光変換器１６１８の概略のバンドダイヤグラムである。場所「Ｘ」における補助的な光吸収層のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓよりも小さく、ポテンシャル井戸１６１０の遷移エネルギーＥｔｒよりも大きい。更に別の例として、図１７は、例えば光吸収層１７２０及び／又は補助的な光吸収層１７３０中のキャリアが例えば図示していない光変換器１７１８の出力表面まで移動するのをブロックするために、ポテンシャル井戸１７１０と、一定のバンドギャップエネルギーＥａｂｓを持つ光吸収層１７２０と、補助的な光吸収層１７３０及びキャリアバリア層又はウインドウ１７４０を含む非線形組成傾斜型領域１７７０と、を含む、光変換器１７１８の概略のバンドダイヤグラムである。場所「Ｘ」における補助的な光吸収層のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓよりも小さく、ポテンシャル井戸１７１０の遷移エネルギーＥｔｒよりも大きい。
【００９０】
（実施例７）：
図１の光変換器１１８に類似した半導体光変換構成体を作製した。表ＩＩに相対的な層の順番と、異なる層に対する材料組成、厚さ、バルクバンドギャップエネルギー、及び屈折率の見積もり値を要約する。
【００９１】
【表２】
0005475767.tif 000003
【００９２】
最初に、ＧａＩｎＡｓ緩衝層をＩｎＰ基板上にＭＢＥにより成長させて、ＩＩ〜ＶＩ成長のための表面を調製した。続いて、光変換用のＩＩ〜Ｖ族エピタキシャル層を成長させるために、構成体を超高真空移送システムを通って別のＭＢＥチャンバへ移動させた。変換器１１８は、４つのＣｄＺｎＳｅ量子井戸１４０を含んだ。それぞれの量子井戸１４０を、ＧａＩｎＮベースのレーザーダイオードが発光する４４０ｎｍの青色光を吸収することができるＣｄＭｇＺｎＳｅ吸収層の間にサンドイッチした。
【００９３】
構成体をガラス顕微鏡スライドに接着剤で取り付けた後、ＩｎＰ基板を３ＨＣｌ：１Ｈ２Ｏの溶液により除去した。エッチング剤はＧａＩｎＡｓ緩衝層（層＃２）で停止した。３０ｍＬの水酸化アンモニウム（３０重量％）、５ｍＬの過酸化水素（３０重量％）、４０ｇのアジピン酸、及び２００ｍＬの水の攪拌した溶液中で緩衝層を引き続いて除去して、顕微鏡スライドに付着したＩＩ〜ＶＩ光変換器１１８のみを残した。
【００９４】
得られた構成体をウインドウ側からＧａＩｎＮ青色ポンプＬＥＤにより照射することができ、４５３ｎｍでのピーク発光と、図９のスペクトル９１０に類似のスペクトルを得る。構成体の再発光される出力光は、量子井戸に対する２．３０５ｅＶの遷移エネルギーに対応する、５３８ｎｍのピーク発光を有することができる。表ＩＩに示すように、光吸収層は、スペクトル９１０において４８１ｎｍの波長λａｂｓに対応する、２．５７８ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するものであった。λａｂｓの左側のスペクトル９１０の下の領域に対応する入射光の約９６％は、吸収層により吸収可能であり、λａｂｓの右側の領域に対応する残余の４％は、補助的な光吸収層により吸収可能である。
【００９５】
構成体のキャリア閉じ込めエネルギー（ポテンシャル井戸の全深さ）は０．２７３ｅＶ（２．５７８〜２．３０５）であった。この構成体に類似であるが、補助的な光吸収層と同一の材料を有する光吸収層を持つ構成体は、本質的に全部のポンプ光を吸収するが、０．１８５ｅＶ（２．４９０〜２．３０５）の低下した閉じ込めエネルギーを有する。結果として、光吸収層と補助的な光吸収層の複合使用は、閉じ込めエネルギーを０．１８５ｅＶからｔｏ０．２７３ｅＶまで増加させ、ほぼ４８％の増加であり、一方補助的な光吸収層は約４％の入射ポンプ光を吸収するのみであった。
【００９６】
図１に戻って、異なるシステムパラメーターの関数としての構造化された層１５０及びオーバーコート１６０の抽出効率を、光学的構成体１８００（図１８に側面図を概略示す）に対して数値解析した。光学的構成体は、基板１８１０と、基板１８１０の最上表面１８１２上に直接に配列された球形粒子１８５５の正方形アレイを含む構造化された層１８５０と、基板の構造化された層及び露出された領域上に直接に配設されたオーバーコート１８２０と、を含んだ。基板の屈折率ｎ１は２．６４６であった。粒子１８５５の直径Ｄは２００ｎｍであり、粒子の屈折率ｎ２は、例えば、ＳｉＯ２粒子に対応する１．４５であった。隣接粒子の間の間隔Ｐは５００ｎｍであった。粒子は、基板１８１０の最上表面１８１２の５０％を被覆した。オーバーコートに対しては、ランド厚さｔ１は１００ｎｍであり、寸法ｔ２及びｔ３はそれぞれ１００ｎｍであり、ｔ４は３００ｎｍであった。数値シミュレーション時にオーバーコートの屈折率ｎ３を変えた。
【００９７】
光源１８０５を基板の底部表面１８１４に配置し、５４０ｎｍの均一な光１８０７を発光させた。光学的構成体１８００の抽出効率をモデル化し、有効な二次元時間領域差分法（ＦＤＴＤ）を用いて、数値計算した。抽出効率を発光した入射光１８０７のパワーに対する出力光１８４０のパワーの比として定義した。構造化された層及びオーバーコートが不在の場合、抽出効率は１６．４％であった。
【００９８】
図２０は、構造化された層及び構造化されたオーバーコートが存在する場合のｎ３の関数としての光学的構成体１８００の抽出効率を示す。空気オーバーコート（図２０の点Ｐ１に対応するｎ３＝１）に対する抽出効率は１９．２％であった。したがって、オーバーコート無し（又は空気）の場合には、粒子は、抽出効率を１６．４％から１９．２％に増加させ、約１７．１％の増加であった。ＳｉＯ２オーバーコートに対応する点Ｐ２（ｎ３＝１．４５）における抽出効率は、１９．８％であり、オーバーコート無しよりも約２０．７％の増加であった。図２０の点Ｐ３〜Ｐ５は、それぞれ、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｎＳ、及びＺｎＳｅオーバーコートに対応する。抽出効率は、概ね、領域Ｑ１の線Ｌ１、領域Ｑ２の線Ｌ２、及び領域Ｑ３の線Ｌ３に従う。領域Ｑ２の線Ｌ２は、オーバーコート屈折率ｎ３が約２．０〜約２．７の範囲にあり、線Ｌ１及びＬ３よりも大きい勾配を有することに対応する。領域Ｑ２は、構造化されたオーバーコート屈折率への抽出効率の依存性が大きいことを示す。
【００９９】
ある場合には、オーバーコート１７０を施す前に構造化された層１５０を改変することができる。例えば、ある場合には、構造化された層をオーバーコート１７０によりコーティングする前に構造化された層１５０中の構造体の少なくとも一部の形状及び／又は大きさを改変することができる。図２１Ａ〜２１Ｃを参照しながら、一つのこのような例示の方法を述べる。図２１Ａは、半導体基板２１１０と、半導体基板上に直接に配設された構造化された層２１２０と、を含む、光学的構成体２１００の概略の側面図である。基板は、例えば、図１の第２のウインドウ１２１又は図８の補助的な吸収層８７０に類似であることができる。ある場合には、基板２１２０は、多層、例えば補助的な吸収層８７０に類似であることができる層であることができる。
【０１００】
構造化された層２１２０は、例えば、図１の構造化された層１５０に類似であることができる。構造化された層２１２０は、基板２１１０上に直接に配設された複数の離散した粒子２１２２を含む。ある場合には、粒子２１２２は、ポリマー系など有機であることができる。例示のポリマーには、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート（例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリオレフィン（例えば、ポリプロピレン（ＰＰ））、ポリウレタン、ポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））、ポリアミド、ポリイミド、フェノール樹脂、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート、スチレン−アクリロニトリルコポリマー及びエポキシなどが挙げられる。
【０１０１】
粒子２１２２は、基板２１１０の最上表面２１２６上に単層を形成する。単層は、空き領域２１２４などの空き領域を含み、基板の最上表面を露出する。ある場合には、粒子をエッチング剤に曝露することにより、粒子の大きさを収縮又は低減させることができる。例えば、エッチング剤により、それぞれの粒子の一部を除去して、より小さな又は収縮した粒子を得ることができる。例示のエッチング方法には湿式又は乾式化学エッチング、及び反応性イオンエッチングが挙げられる。ある場合には、粒子はポリスチレンであり、エッチング方法は酸素プラズマ又は反応性イオンエッチングである。
【０１０２】
ある場合には、粒子を充分な熱に曝露することにより、粒子２１２２をリフローさせる。例えば、ポリマー粒子２１２２を粒子の融点又はその近傍の温度でリフローさせることができる。ある場合には、エッチング剤及び熱を粒子に同時に適用して、粒子の少なくとも一部を収縮させ、リフローさせることができる。ある場合には、エッチング工程は熱を発生し、若干の熱を加えるか、又は追加の熱なしで粒子をリフローさせることができる。
【０１０３】
ある場合には、構造体２１２２の平均の大きさは、構造体の表面密度を実質的に決定することができ、エッチング時間などのエッチングの量は、エッチング工程後の構造体（構造体２１３２）によるパーセント面積被覆率を決定することができる。ある場合には、所望の表面構造体密度及びパーセント表面被覆率に基づいて、必要とされる初期の平均の構造体の大きさ及びエッチング量を計算、又は決定することができる。例えば、所定の所望の粒子密度に対しては、平均の粒子直径Ｒを求めることができ、所定の所望のパーセント面積被覆率に対しては、実験データに基づいて、例えばエッチング時間などのエッチングパラメーターを求めることができる。次に、例えば、平均直径Ｒを持つ密充填した粒子の単層を表面に施して、所望の表面粒子密度を得る。次に、予め決められたエッチングパラメーターにしたがって粒子をエッチングして、エッチングされた粒子により所望のパーセント表面被覆率を得ることができる。ある場合には、粒子をオーバーコートすることができる。
【０１０４】
ある場合には、所望の最終のパーセント表面被覆率を得るために、第１の複数の構造体を最上表面２１２６上に配設して、所望の最終のパーセント面積被覆率よりも大きい初期のパーセント面積被覆率を得る。次に、構造体の少なくとも一部を充分に収縮させて、初期のパーセント面積被覆率を所望の最終のパーセント面積被覆率まで縮小することができる。ある場合には、構造体の少なくとも一部をリフローすることができる。ある場合には、次に、構造体をオーバーコートによりコーティングして、収縮させた構造体と、未被覆領域中の最上表面を被覆する。
【０１０５】
充分な熱と、１つ以上のエッチング剤にかけた後、光学的構成体２１００を図２１Ｂで概略的に示した光学的構成体２１５０に改変する。特に、層２１２０中の粒子２１２２を部分的にエッチングし、リフローした後で、構造化された層２１２０を構造化された層２１３０に変化又は改変する。構造化された層２１３０は、対応する粒子２１２２よりも小さく、熱への曝露によりリフロー済の粒子２１３２を含む。リフロー後、粒子２１３２は平坦な底部２１３４を有する。ある場合には、粒子２１３２は、ドーム状又は円錐状である。ある場合には、リフロー及び粒子の収縮の工程を同一の時間又は同時に行うことができる。ある場合には、２つの工程を順次行うことができる。例えば、粒子の大きさをエッチング剤により縮小し、続いて加熱工程を行って、エッチングされた粒子をリフローすることができる。
【０１０６】
ある場合には、複数の粒子による基板２１１０の最上表面２１２６のパーセント被覆率は、エッチング剤及び熱を粒子に適用した後に減少する。例えば、このような場合、粒子２１２２は、図２１Ａの最上表面２１２６の第１のパーセントを被覆し、粒子２１３２は、図２１Ｂの最上表面２１２６の第２のパーセントを被覆し、ここで、第２のパーセントは第１のパーセント未満である。
【０１０７】
ある場合には、収縮工程は、粒子の平均の側面大きさなどの平均の大きさを少なくとも１０％、又は少なくとも２０％、又は少なくとも３０％、又は少なくとも４０％、又は少なくとも５０％、又は少なくとも６０％、又は少なくとも７０％縮小することができる。ある場合には、複数の構造体による基板の最上表面のパーセント面積被覆率は、収縮工程の後減少する。例えば、このような場合、パーセント面積被覆率は、少なくとも１０％、又は少なくとも２０％、又は少なくとも３０％、又は少なくとも４０％、又は少なくとも５０％減少し得る。
【０１０８】
ある場合には、光学的構成体２１５０をオーバーコート２１６０によりコーティングして、図２１Ｃに概略的に示す光学的構成体２１８０を得る。オーバーコート２１６０は、複数の粒子２１３２と、空き領域２１２４などの空き領域中の基板２１１０の最上表面を被覆する。
【０１０９】
基板２１１０は、例えばスペクトルの可視領域において屈折率ｎ１を有し、構造化された層２１３０中の粒子２１３２は屈折率ｎ２を有し、オーバーコート２１６０は屈折率ｎ３を有する。ある場合には、ｎ２はｎ１未満である。例えば、このような場合、基板２１１０は、約２〜約２．７、又は約２〜約２．５の範囲の屈折率を有する半導体材料を含み、粒子２１３２は、約１．５〜約１．８の範囲の屈折率を有するポリマーを含む。ある場合には、ｎ３はｎ１よりも大きい。例えば、このような場合、基板２１１０は、約２〜約２．３の範囲の屈折率を有する半導体材料を含み、オーバーコート２１６０は、約２．３〜約２．７の範囲の屈折率を有する異なる半導体を含む。
【０１１０】
（実施例８）：
実施例１で述べた方法を用いて、半導体光変換構成体を作製した。構成体の計算されたＥＱＥは１５．２９％であった。構成体の吸収層側をポリスチレン（ＰＳ）微小球によりコーティングして、図２１Ａの構造化された層２１２０に類似の構造化された層を得た。微小球は約１０００ｎｍの平均直径を有し、これをＶＷＲ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（Ｓｏｕｔｈ  Ｐｌａｉｎｆｉｅｌｄ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ）から入手した。微小球の屈折率は約１．５９であり、構成体中の吸収層の屈折率は約２．６であった。微小球をＨ２Ｏ中１０重量％固体含量まで分散した。約２００ｒｐｍの速度で約２０秒間、続いて約５０００ｒｐｍの速度で約５秒間スピン−オンコーティング法を用いて、溶液を吸収層の最上表面（図２１Ａの最上表面２１２６）に塗布した。図２２Ａは、得られた試料のＳＥＭ像であり、密充填の球形ＰＳ粒子を光変換構成体の最上表面上に示す。微小球による最上表面の面積被覆率は約９０％であり、得られた試料の計算されたＥＱＥは２２．９％であった。したがって、ＰＳ粒子は、ＥＱＥを１５．２９％から２２．９％まで増加させ、約４９．８％の増加であった。次いで、試料を酸素プラズマ（６ｍＴ、８０ＷのＲＦパワー、及び１２００Ｗの誘導結合プラズマパワー）中でエッチングして、リフローし、粒子の大きさを縮小した。粒子による得られた表面被覆率は約６４％であった。したがって、エッチング工程は、パーセント面積被覆率を約９０％から約６４％まで低下させた。図２２Ｂは得られた試料のＳＥＭ像である。粒子は円錐状又はドーム状であり、平らな底部を有した。得られた試料の計算されたＥＱＥは、２７．８％であった。次に、真空蒸着法を用いて、試料をＺｎＳによりオーバーコートした。オーバーコートの厚さは約４００ｎｍであり、ＺｎＳオーバーコートの屈折率は約２．４であった。図２２Ｃは得られた試料のＳＥＭ像である。得られた試料の計算されたＥＱＥは、３７．８％であった。したがって、ＺｎＳオーバーコートの追加は、ＥＱＥを２７．８％から３７．８％まで増加させ、約３６％の増加であった。
【０１１１】
（実施例９）：
実施例１で述べた方法を用いて、半導体光変換構成体を作製した。構成体の計算されたＥＱＥは、１７．６５％であった。構成体の吸収層側をポリスチレン（ＰＳ）微小球によりコーティングして、図２１Ａの構造化された層２１２０に類似の構造化された層を得た。微小球は約５００ｎｍの平均直径を有し、これをＶＷＲ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（Ｓｏｕｔｈ  Ｐｌａｉｎｆｉｅｌｄ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ）から入手した。微小球の屈折率は約１．５９であり、構成体中の吸収層の屈折率は約２．６であった。微小球をＨ２Ｏ中に１．５重量％固体含量まで分散した。ディップコーティング法を約６５ｍｍ／分の速度で用いて、この溶液を吸収層の最上表面（図２１Ａ中の最上表面２１２６）に塗布した。この試料を１回ディップコーティングした。得られた試料の計算されたＥＱＥは、２６．４０％であった。したがって、ＰＳ粒子は、ＥＱＥを１７．６５％から２６．４０％まで増加させ、約４９．６％の増加であった。次いで、試料を酸素プラズマ（２００ｍＴ、２００ｍＷ、及び２０．３２ｃｍ（８インチ）直径のプラテン）中でエッチングして、若干収縮させ、粒子をリフローした。得られた粒子は円錐状又はドーム状であり、平らな底部を有した。次に、真空蒸着法を用いて、試料をＺｎＳによりオーバーコートした。オーバーコートの厚さは約４００ｎｍであり、ＺｎＳオーバーコートの屈折率は約２．４であった。得られた試料の計算されたＥＱＥは、３５．５％であった。したがって、ＺｎＳオーバーコートの追加は、ＥＱＥを２６．４％から３５．５％まで増加させ、約３４．５％の増加であった。
【０１１２】
図２３は、第１の波長λ１の光８５０を発光するＬＥＤ光源と、光８５０の少なくとも一部をより長い第２の波長λ２の光８５２に変換する光変換層２３１５と、を含む、光源２３００の概略側面図である。光変換構成体２３１５は、基板２３２０上に配設され、第１の屈折率ｎ１を有する蛍光体スラブ２３３０を含む。蛍光体スラブ２３３０は、光８５０の少なくとも一部を吸収し、吸収された光の少なくとも一部を波長λ２の光８５２として再発光する。蛍光体スラブ２３３０として使用できる例示の蛍光体には、ストロンチウムチオガレート、ドープＧａＮ、銅活性化硫化亜鉛及び銀活性化硫化亜鉛が挙げられる。他の有用な蛍光体には、ドープＹＡＧ、シリケート、シリコンオキシナイトライド、シリコンナイトライド、及びアルミネートベースの蛍光体が挙げられる。このような蛍光体の例には、Ｃｅ：ＹＡＧ、ＳｒＳｉＯＮ：Ｅｕ、ＳｒＢａＳｉＯ：Ｅｕ、ＳｒＳｉＮ：Ｅｕ及びＢａＳｒＳｉＮ：Ｅｕが挙げられる。
【０１１３】
基板２３２０は、用途に好適であり得るいずれの材料も含むことができる。例示の材料には、ガラス、ポリマー、アルミナ、サファイアなどのセラミック、及び光を通すために１つ以上の透明な開口又は穴を含む金属などの金属が挙げられる。ある場合には、基板２３２０は、第１の波長で実質的に光学的に透過性である。ある場合には、基板はλ１で不透明であってもよい。このような場合、基板は、光８５０が基板を通るための１つ以上の光学的な、又は他の形の開口を含むことができる。ある場合には、基板２３２０は、図２３で示されていないが、λ２での反射体又はヒートシンクなどの他の機能層を含むことができる。
【０１１４】
光変換構成体２３１５は、蛍光体スラブ２３３０上に配設された構造化された層１５０を更に含む。構造化された層１５０は、蛍光体スラブの第１の屈折率ｎ１よりも小さい第２の屈折率ｎ２を有する。構造化された層は、蛍光体スラブ上に直接に配設された複数の構造体１５１と、蛍光体スラブを露出させる複数の開口２３０５と、を含む。光変換構成体２３１５は、構造化された層１５０の少なくとも一部と開口２３０５などの複数の開口中の蛍光体スラブの一部との上に直接に配設された、オーバーコート１６０に類似した構造化されたオーバーコート２３６０を更に含む。構造化されたオーバーコート２３６０は、第２の屈折率ｎ２よりも大きい第３の屈折率ｎ３を有する。
【０１１５】
ある場合には、構造化されたオーバーコート２３６０は、トラップされた光のエバネッセントテールを構造化されたオーバーコートの中にまで延ばすことにより、蛍光体スラブ中にトラップされた第２の波長λ２の光の抽出を増強することができる。テールを延ばすことによって、構造体１５１によりトラップされた光の散乱を増加して、蛍光体スラブからのトラップされた光の抽出を増加させる。
【０１１６】
ある場合には、構造化された層１５０は、第２の波長で実質的に光学的に透過性である。ある場合には、構造化されたオーバーコート２３６０は、第２の波長で実質的に光学的に透過性である。ある場合には、構造化された層１５０中の複数の構造体は、ある場合には、複数の離散した粒子の実質的な区分が実質的に球形である、離散した粒子などの複数の離散した構造体を含む。ある場合には、構造化された層１５０中の複数の構造体は、複数の相互に接続された構造体を含む。
【０１１７】
ある場合には、構造化されたオーバーコート２３６０は、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＩＴＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、及びシリケートガラスなどのシリケートの少なくとも１つを含む。ある場合には、構造化されたオーバーコート２３６０は半導体を含む。ある場合には、構造化されたオーバーコート２３６０の構造化された外側表面２３６１は、構造化された層１５０の構造化された外側表面２３６２に一致する。
【０１１８】
図１８の光学的構成体１８００を用いて、異なるシステムパラメーターの関数としての光変換構成体２３１５の抽出効率を数値解析した。基板の屈折率ｎ１は、蛍光体スラブ２３３０などの蛍光体スラブに対する典型的な値の１．８４であった。粒子１８５５の直径Ｄは２００ｎｍであり、粒子の屈折率ｎ２は、例えば、ＳｉＯ２粒子に対応する１．４５であった。隣接粒子の間の間隔Ｐは５００ｎｍであった。粒子は、基板１８１０の最上表面１８１２の５０％を被覆した。オーバーコートに対しては、ランド厚さｔ１は１００ｎｍであり、寸法ｔ２及びｔ３はそれぞれ１００ｎｍであり、ｔ４は３００ｎｍであった。数値シミュレーション時にオーバーコートの屈折率ｎ３を変えた。
【０１１９】
光源１８０５を基板の底部表面１８１４に配置し、５４０ｎｍの均一な光１８０７を発光させた。光学的構成体１８００の抽出効率をモデル化し、有効な二次元時間領域差分法（ＦＤＴＤ）を用いて、数値計算した。
【０１２０】
図２４は、構造化された層及びオーバーコートの存在する場合のｎ３の関数としての光学的構成体１８００の抽出効率を示す。ＳｉＯ２オーバーコートに対応する点Ｑ１（ｎ３＝１．４５）における抽出効率は、４０．５％であった。図２４中の点Ｑ２及びＱ３は、それぞれＳｉ３Ｎ４とＴｉＯ２オーバーコートに対応する。約１．３５〜約２．２の、又は約１．４５〜約２．２の範囲のｎ３に対しては、抽出効率は少なくとも約４０％である。ある場合には、オーバーコートは、約１．３８〜約１．３９の範囲の屈折率を有するＭｇＦ２を含むことができる。ある場合には、オーバーコートは、多孔質コーティングを含むことができる。例えば、オーバーコートは、約１．４５未満の屈折率、例えば、約１．４、又は約１．３５、又は約１．３０、又は約１．２９の屈折率を有する、多孔質ＳｉＯ２コーティングを含むことができる。
【０１２１】
本明細書で使用するとき、「垂直の」、「水平の」、「上方の」、「下方の」、「左」、「右」、「上側」及び「下側」、「最上」及び「最下」などの用語、並びに他の類似の用語は、諸図に示される相対的位置を指す。広くは、物理的実施形態は異なる配向を有することができ、その場合、用語は、装置の実際の配向に修正された相対位置を意味することを意図している。例えば、図１における構成体が、この図における向きと比較して上下を逆さにされた場合にも、第１の吸収層１３０は、依然として、ポテンシャル井戸１４０の「下」にあると見なされる。
【０１２２】
本発明の様々な態様の説明を容易にするために本発明の特定の実施例を上記に詳細に説明したが、本発明は、それら実施例の詳細に限定されるものではないことを理解すべきである。むしろ添付の「特許請求の範囲」により規定されるように本発明の趣旨及び範囲内にある全ての変形例、実施形態及び代替例を全て網羅しようとするものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３】
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【図２４】
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