(57)【要約】  半導体光変換構成体が開示される。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分を、より長い第２の波長の光に変換する半導体ポテンシャル井戸と、半導体ポテンシャル井戸の上に配置され、かつ第１の屈折率を有する外層と、外層の上に配置され、かつ第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する構造化層と、を含む。構造化層は、外層の上に直接配置される複数の構造体、及び外層を露出する複数の開口部を含む。半導体光変換構成体は、構造化層の少なくとも一部分、及び複数の開口部内の該層の一部分の上に直接配置される構造化オーバーコートを更に含む。オーバーコートは、第２の屈折率より大きい第３の屈折率を有する。
2011526079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長の光の少なくとも一部分を、より長い第２の波長の光に変換する半導体ポテンシャル井戸と、
前記半導体ポテンシャル井戸の上に配置され、かつ第１の屈折率を有する外層と、
前記外層の上に配置され、かつ前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有し、前記外層の上に直接配置される複数の構造体と、前記外層を露出する複数の開口部とを含む、構造化層と、
前記構造化層の少なくとも一部分、及び前記複数の開口部内の前記外層の一部分の上に直接配置され、前記第２の屈折率より大きい第３の屈折率を有する、構造化オーバーコートと、
を含む半導体光変換構成体。
【請求項２】
前記構造化オーバーコートが、前記半導体光変換構成体からの前記第２の波長の光の抽出を強化する、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項３】
前記構造化層が、前記第２の波長で実質的に光学的に透明である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項４】
前記構造化オーバーコートが、前記第２の波長で実質的に光学的に透明である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項５】
前記構造化層の中の前記複数の構造体が複数の離散構造体を含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項６】
前記構造化層の中の前記複数の構造体が、複数の相互結合した構造体を含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項７】
前記構造化層の中の前記複数の構造体が複数の粒子を含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項８】
前記複数の粒子の相当な割合が実質的に球状である、請求項７に記載の半導体光変換構成体。
【請求項９】
前記構造化層が有機材料を含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１０】
前記構造化層がフォトレジストを含む、請求項９に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１１】
前記構造化層が無機材料を含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１２】
前記構造化層がＳｉＯ２を含む、請求項１１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１３】
前記構造化オーバーコートが１つ、又は２つ以上のアイランドを含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１４】
前記構造化オーバーコートが、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＩＴＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、及びケイ酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１５】
前記構造化オーバーコートが半導体を含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１６】
前記構造化オーバーコートの平均厚さが約１０００ｎｍ未満である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１７】
前記構造化オーバーコートの平均厚さが約７００ｎｍ未満である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１８】
前記第１の屈折率と第２の屈折率との間の差異が少なくとも０．３である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項１９】
前記第１の屈折率と第２の屈折率との間の差異が少なくとも０．５である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２０】
前記第１の屈折率と第２の屈折率との間の差異が少なくとも０．７である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２１】
前記第１の屈折率と第２の屈折率との間の差異が少なくとも０．９である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２２】
前記第３の屈折率と第２の屈折率との間の差異が少なくとも０．３である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２３】
前記第３の屈折率と第２の屈折率との間の差異が少なくとも０．５である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２４】
前記第３の屈折率と第２の屈折率との間の差異が少なくとも０．７である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２５】
前記第３の屈折率と第２の屈折率との間の差異が少なくとも０．９である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２６】
前記ポテンシャル井戸及び前記外層の少なくとも一方がＩＩ−ＶＩ化合物を含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２７】
前記ポテンシャル井戸及び前記外層の少なくとも一方が、Ｃｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ又はＺｎＳｅＴｅを含む、請求項２６に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２８】
前記外層が前記第１の波長で実質的に吸収性である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項２９】
前記外層が前記第２の波長で実質的に透過性である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項３０】
前記オーバーコートの外表面が、前記構造化層の外表面と適合する、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項３１】
前記半導体光変換構成体を封入する封止体を更に含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項３２】
前記第２の波長での前記オーバーコートの屈折率が、約１．８〜約２．７の範囲内である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項３３】
前記第２の波長での前記オーバーコートの屈折率が、約２．０〜約２．７の範囲内である、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項３４】
請求項１の半導体光変換構成体と、少なくとも一部分が、前記半導体光変換構成体によって前記第２の波長の光に変換される、前記第１の波長の光を放出するＬＥＤとを含む半導体エレクトロルミネセントデバイスと、
前記半導体エレクトロルミネセントデバイスを封入する封止体と、
を含む光放出システム。
【請求項３５】
異なる遷移エネルギーを有する少なくとも２つの半導体ポテンシャル井戸を含む、請求項１に記載の半導体光変換構成体。
【請求項３６】
ＬＥＤと、
前記ＬＥＤによって放出される光をダウンコンバートし、かつ構造化された最外表面を有する光変換構成体であって、該構造化された表面が該光変換構成体の内層を露出する複数の開口部を有する、光変換構成体と、
前記構造化された最外表面、及び前記光変換構成体からの光抽出を強化する前記内層の前記露出領域の上に形成される構造化オーバーコートであって、該オーバーコートの外表面は前記構造化された最外表面と適合する、構造化オーバーコートと、
を含む光放出システム。
【請求項３７】
前記オーバーコートの屈折率が約１．８〜約２．７の範囲内である、請求項３６に記載の光放出システム。
【請求項３８】
前記オーバーコートの屈折率が約２．０〜約２．７の範囲内である、請求項３６に記載の光放出システム。
【請求項３９】
前記オーバーコートが半導体を含む、請求項３６に記載の光放出システム。
【請求項４０】
前記光放出システムを封入する封止体を更に含む、請求項３６に記載の光放出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して半導体発光デバイスに関する。本発明は、特に、輝度が改善された半導体発光デバイスに適用される。
【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、又は２つ以上の白色光源を使用する。白色光線は、普通、３原色、即ち、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、現在のＬＥＤは、例えば、屈折率の高い領域に光を取り込むので、比較的効率が悪い。
【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。一実施形態において、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分を、より長い第２の波長の光に変換する半導体ポテンシャル井戸と；半導体ポテンシャル井戸の上に配置され、かつ第１の屈折率を有する外層と；外層の上に配置され、かつ第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する構造化層と；を含む。構造化層は、外層の上に直接配置される複数の構造体と、外層を露出する複数の開口部とを含む。半導体光変換構成体は、構造化層の少なくとも一部分、及び複数の開口部内の外層の一部分の上に直接配置される構造化オーバーコートを更に含む。オーバーコートは、第２の屈折率より大きい第３の屈折率を有する。一部の例では、構造化オーバーコートの平均厚さは、約１０００ｎｍ未満、又は約７００ｎｍ未満である。一部の例では、オーバーコートの外表面は構造化層の外表面と適合する。
【０００５】
別の実施形態において、光放出システムは、ＬＥＤと、ＬＥＤによって放出される光をダウンコンバートし、かつ構造化された最外表面を有する光変換構成体とを含む。構造化された表面は、光変換構成体の内層を露出する複数の開口部を有する。光放出システムは、構造化された最外表面、及び内層の露出領域の上に形成される構造化オーバーコートを更に含む。構造化オーバーコートは、光変換構成体からの光抽出を高める。オーバーコートの外表面は、構造化された最外表面と適合する。一部の例では、オーバーコートの屈折率は、約１．８〜約２．７の範囲内である。
【０００６】
別の実施形態において、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分を吸収する第１の半導体層と；第１の波長で吸収された光の少なくとも一部分を、より長い第２の波長の光に変換する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分を吸収可能な第２の半導体層と；を含む。第１の半導体層は、第２の波長で最大の第１の屈折率を有する。第２の半導体層は、最大の第１の屈折率より大きい第２の波長で第２の屈折率を有する。一部の例では、第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の波長の光子のエネルギーより大きい。一部の例では、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の波長の光子のエネルギーより大きい。一部の例では、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第１の半導体層の最小バンドギャップエネルギーより小さい。一部の例では、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大きい。一部の例では、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大きい。一部の例では、第１の波長に中心があり、かつ第１の波長より長い波長λｅを含むスペクトルを有する入射光で照射されると、第１の半導体層は第１の波長の光を吸収するが、λｅの光は吸収せず、第２の半導体層はλｅの光を吸収する。
【０００７】
別の実施形態において、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分を吸収する第１の半導体層と；第１の波長で吸収された光の少なくとも一部分を、より長い第２の波長の光に変換する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分を吸収可能な第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。一部の例では、第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の波長の光子のエネルギーより大きい。一部の例では、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の波長の光子のエネルギーより大きい。一部の例では、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の半導体層の屈折率より大きい。一部の例では、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大きい。一部の例では、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大きい。一部の例では、半導体光変換構成体は、同じ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。一部の例では、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】
別の実施形態において、光学構造物は、可視領域内の第１の波長の屈折率ｎ１を有する第１の半導体層と；第１の半導体層の上に配置され、かつ第１の波長の屈折率ｎ２を有し、屈折率ｎ２はｎ１より小さい、第２の半導体層と；第２の半導体層の上に配置され、かつ第１の波長の屈折率ｎ３を有し、ｎ３はｎ２より大きい、第３の半導体層と；第３の半導体層の上に直接配置される構造化層と；構造化層の少なくとも一部分の上に直接配置されるオーバーコートと；を含む。光学構造物は、第１の波長で実質的に透過性である。一部の例では、オーバーコートはフォトニック結晶を含む。一部の例では、第１の半導体層はポテンシャル井戸である。一部の例では、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の波長で実質的に光吸収性でない。一部の例では、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の波長で実質的に光吸収性でない。
【０００９】
別の実施形態において、光放出システムは、第１の波長、及びより長い第２の波長で光を放出する光源と；第１の波長の光を吸収可能であるが、第２の波長の光を吸収可能でない１つ、又は２つ以上の第１の半導体光吸収層と；を含む。１つ、又は２つ以上の第１の半導体光吸収層は、光源によって放出された光の少なくとも８０％を吸収する。光放出システムは、１つ、又は２つ以上の第１の半導体光吸収層によって吸収された光の少なくとも一部分を、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の波長の光を吸収可能な１つ、又は２つ以上の第２の半導体光吸収層と；を更に含む。１つ、又は２つ以上の第２の半導体光吸収層は、光源によって放出された残りの光を吸収する。一部の例では、１つ、又は２つ以上の第１の半導体光吸収層は、光源によって放出された光の少なくとも９０％を吸収する。一部の例では、１つ、又は２つ以上の第１の半導体光吸収層は、光源によって放出された光の少なくとも９５％を吸収する。一部の例では、光放出システムは、同じ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】
別の実施形態において、半導体光変換構成体は、入射光の一部分を吸収するが全てを吸収しない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分をダウンコンバートするための、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；残りの入射光を吸収するための、Ｅａｂｓ未満でＥｔｒより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。一部の例では、第１の半導体層によって吸収された入射光の一部分、及び第２の半導体層によって吸収された残りの入射光は、スペクトルの異なる波長領域を含む。一部の例では、半導体光変換構成体は、Ｅａｂｓより大きいバンドギャップエネルギーＥｗを有する半導体ウィンドウを更に含む。一部の例では、Ｅｗは、入射光の光子エネルギーより大きい。一部の例では、第１の半導体層は、半導体ポテンシャル井戸と密接に隣接している。一部の例では、第１の半導体層は、半導体ポテンシャル井戸と直接隣接している。一部の例では、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置される。一部の例では、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隣接している。
【００１１】
別の実施形態において、基板から光を抽出するための光学構造物の作製方法は、（ａ）表面を有する基板を提供する工程と、（ｂ）基板の表面上に複数の構造体を配置する工程と、ここで、この複数の構造体は、基板の表面を露出する開領域を形成する、（ｃ）構造体の少なくともいくつかを縮小する工程と、（ｄ）縮小した構造体、及び開領域内の基板の表面を覆うために、オーバーコートを塗布する工程と、を含む。一部の例では、工程（ｃ）は、エッチング液を複数の構造体に塗布することによって行われる。一部の例では、複数の構造体による基板表面の被覆率は、エッチング液を塗布した後に減少する。一部の例では、複数の構造体はポリスチレンを含む。一部の例では、複数の構造体は複数の粒子を含む。一部の例では、複数の粒子は、エッチング液を塗布する前は実質的に球状であり、エッチング液を塗布した後は実質的に錐体状である。一部の例では、工程（ａ）〜（ｄ）は逐次的に実施される。一部の例では、当該方法は、構造体の少なくともいくつかをリフローする工程を更に含み、ここで、一部の例では、構造体の少なくともいくつかをリフローする工程は、複数の構造体に熱を適用することによって行われる。一部の例では、粒子の少なくともいくつかを縮小及びリフローする工程は、同時に行われる。一部の例では、工程（ｃ）において、構造体は、少なくとも２０％、又は少なくとも４０％縮小される。一部の例では、工程（ｄ）におけるオーバーコートは構造化オーバーコートを含む。一部の例では、工程（ｄ）におけるオーバーコートは、複数の構造体の外表面と適合する構造化外表面を有する。
【００１２】
別の実施形態において、基板から光を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提供する工程と、（ｂ）基板の表面の所望の第１の被覆面積率を確認する工程と、（ｃ）基板の表面上に、所望の第１の被覆面積率より大きい第２の被覆面積率をもたらす複数の構造体を配置する工程と、（ｄ）被覆面積率を所望の第１の被覆面積率に低減するために、構造体の少なくともいくつかを縮小する工程と、を含む。一部の例では、当該方法は、縮小した構造体、及び被覆されていない領域内の基板の表面を覆うために、構造化オーバーコートを塗布する工程を更に含む。一部の例では、当該方法は、複数の構造体の少なくともいくつかをリフローする工程を更に含む。
【００１３】
別の実施形態において、光変換構成体は、第１の波長の光の少なくとも一部分をより長い第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；蛍光体スラブの上に配置され、かつ第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する構造化層と、を含む。構造化層は、蛍光体スラブの上に直接配置される複数の構造体と、蛍光体スラブを露出する複数の開口部とを含む。光変換構成体は、構造化層の少なくとも一部分、及び複数の開口部内の蛍光体スラブの一部分、の上に直接配置される構造化オーバーコートを更に含む。構造化オーバーコートは、第２の屈折率より大きい第３の屈折率を有する。一部の例では、構造化オーバーコートは、蛍光体スラブからの第２の波長の光の抽出を高める。一部の例では、構造化オーバーコートは、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＩＴＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、及びケイ酸塩のうちの少なくとも１つを含む。一部の例では、第１の屈折率と第２の屈折率との間の差異は、少なくとも０．３、少なくとも０．５、少なくとも０．７、又は少なくとも０．９である。一部の例では、第３の屈折率と第２の屈折率との間の差異は、少なくとも０．３、少なくとも０．５、少なくとも０．７、又は少なくとも０．９である。一部の例では、構造化オーバーコートの構造化外表面は、構造化層の外表面と適合する。一部の例では、光変換構成体は、光変換構成体を封入する封止体を更に含む。一部の例では、第２の波長における構造化オーバーコートの屈折率は、約１．３５〜約２．２の範囲内である。
【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詳細な説明を考慮して、より完全に理解し正しく認識することができる。
【図１】光放出システムの概略側面図。
【図２】構造化層及びオーバーコートの概略側面図。
【図３】別の構造化層及び別のオーバーコートの概略側面図。
【図４】別の構造化層及び別のオーバーコートの概略側面図。
【図５Ａ】それぞれ、ナノ粒子の単一層及びナノ粒子の多層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像。
【図５Ｂ】それぞれ、ナノ粒子の単一層及びナノ粒子の多層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像。
【図６Ａ】それぞれ、ナノ粒子のオーバーコートされた単一層及びナノ粒子のオーバーコートされた多層のＳＥＭ画像。
【図６Ｂ】それぞれ、ナノ粒子のオーバーコートされた単一層及びナノ粒子のオーバーコートされた多層のＳＥＭ画像。
【図７】ナノ粒子の別のオーバーコートされた単一層のＳＥＭ画像。
【図８】光放出システムの概略側面図。
【図９】放射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図。
【図１１】別の光変換器の概略のバンド図。
【図１２】別の光変換器の概略のバンド図。
【図１３】別の光変換器の概略のバンド図。
【図１４】別の光変換器の概略のバンド図。
【図１５】別の光変換器の概略のバンド図。
【図１６】別の光変換器の概略のバンド図。
【図１７】別の光変換器の概略のバンド図。
【図１８】光学構造物の概略側面図。
【図１９】光放出システムの概略側面図。
【図２０】オーバーコートの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】光学構造物を作製するプロセスの中間段階又は工程でのデバイスの略図。
【図２１Ｂ】光学構造物を作製するプロセスの中間段階又は工程でのデバイスの略図。
【図２１Ｃ】光学構造物を作製するプロセスの中間段階又は工程でのデバイスの略図。
【図２２Ａ】ポリスチレン粒子の単一層のＳＥＭ画像。
【図２２Ｂ】エッチングされかつリフローされた図２２Ａの粒子のＳＥＭ画像。
【図２２Ｃ】ＺｎＳでオーバーコートされた図２２Ｂの粒子のＳＥＭ画像。
【図２３】光源の概略側面図。
【図２４】オーバーコートの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、又は２つ以上の波長変換器とを含む半導体発光デバイスを開示し、この変換器は、半導体波長変換器であることができる。本出願は、光抽出を高めるための構造体を更に開示する。
【００１７】
開示されるデバイスのいくつかは、光源と、ＩＩＩ〜Ｖ族等の同じ半導体族による光変換層とを有する。このような場合では、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、作製することは実行可能であることもある。しかしながら、一部の例では、望ましい出力波長、高い変換効率、又はその他の望ましい特性を有する波長変換器は、このＬＥＤが属するのとは異なる半導体族によるものであってもよい。そのような場合には、一方のコンポーネント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族からのものであることがあり、ＬＥＤなどの光源は、ＩＩＩ〜Ｖ族からのものであることがある。そのような場合には、光変換器を光源に取り付けるために様々な方法を採用することができる。いくつかのかかる方法は、２００７年１０月１０日出願の米国特許出願第６１／０１２６０８号に記載されている。
【００１８】
本出願に開示される波長変換器は、光源が放出したダウンコンバートする。本明細書で使用するとき、ダウンコンバートは、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とを含む光放出システム１９００の概略側面図である。光源１９１０は、典型的には紫外線又はスペクトルの青色領域の第１の波長λ１の光１９１５を放出する。光変換層１９２０は、光１９１５の少なくとも一部分を、典型的には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の抽出を強化することによって、光放出システムの出力光の輝度又は強度を向上させる。例えば、光抽出層１９３０は、普通なら光変換層１９２０にトラップされる、ないしは別の方法で透過されないはずの光を抽出する。
【００２０】
広くは、光変換層１９２０は、第１の波長の光の少なくとも一部分を第２の波長の光に変換することが可能な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、光輝性半導体層、半導体ポテンシャル井戸、又は半導体量子ドットのアセンブリ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として使用できる代表的な蛍光体としては、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。その他の有用な蛍光体としては、ドープＹＡＧ、ケイ酸塩、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、及びアルミン酸塩系蛍光体が挙げられる。かかる蛍光体の例には、Ｃｅ：ＹＡＧ、ＳｒＳｉＯＮ：Ｅｕ、ＳｒＢａＳｉＯ：Ｅｕ、ＳｒＳｉＮ：Ｅｕ及びＢａＳｒＳｉＮ：Ｅｕが挙げられる。
【００２１】
一部の例では、光変換層１９２０は、Ｃｅ：ＹＡＧスラブなどのスラブ蛍光体（slab phosphor）を含むことができる。Ｃｅ：ＹＡＧスラブは、例えば、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体粒子を高温及び高圧で焼結し、例えば、米国特許第７，３６１，９３８号に記載のような実質的に光学的に透明かつ非散乱性のスラブを形成することによって作製され得る。
【００２２】
光抽出層１９３０は、光変換層１９２０の上に直接配置される構造化層１９４０と、この構造化層の上に配置される構造化オーバーコート１９５０などのオーバーコート１９５０とを含む。構造化層１９４０は、光変換層１９２０に直接配置された複数の構造体を含む。一部の例では、オーバーコートの外表面は構造化層の外表面と適合する。
【００２３】
一部の例では、λ２における構造体の屈折率は、同じ波長における光変換層１９２０の最外層の屈折率よりも小さい。屈折率の低い構造化層１９４０は、例えば、光パターニング等のパターニング、出射面上のフォトレジストによって、あるいはナノ粒子等の粒子の部分単層若しくは完全単層、又は粒子の多層を出射面上に蒸着することによって、光変換層の出射面１９２１上に形成され得る。一部の例では、構造化層は、例えば、λ２における構造化層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、一部の例では、構造化層は、出射面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有する構造化層１９４０は、例えば、出射面上に有機材料などの材料をパターニングし、パターニングされた材料をオーバーコートでオーバーコートし、かつ、例えば、オーバーコートされたパターニングされた材料の一部分を高温で変質させることによってこの部分を除去してエア領域を形成することによって、出射面上に形成され得る。一部の例では、構造化層１９４０の構造体の屈折率は、この構造化層に直接隣接している光変換層１９２０の最外層の屈折率よりも小さい。
【００２４】
オーバーコート１９５０は、光変換層１９２０からの光の抽出を強化する。一部の例では、オーバーコートは、ガラス状物質又は金属酸化物、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ケイ酸塩、窒化ケイ素、酸化窒化珪素、又は酸化インジウムスズ、を含むことができる。一部の例では、オーバーコートは、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯを含有するオーバーコート、又はＺｎＳｘＳｅ１−ｘ等の半導体合金、などの半導体オーバーコートであることができる。一部の例では、オーバーコートは、硬化ゾル−ゲルなどのゾル−ゲルであることができる。一部の例では、オーバーコートの屈折率は、構造化層に直接隣接した光変換層１９２０の最外層の屈折率より大きい。
【００２５】
図１は、光子エネルギーＥ１を有する第１の波長λ１の光を放出するエレクトロルミネセントデバイス１１０と、第１の波長の光の少なくとも一部分を、光子エネルギーＥ２を有するより長い第２の波長λ２の光に変換する半導体光変換構成体１１５と、を含む半導体発光素子１０５の概略側面図である。
【００２６】
半導体光変換構成体１１５は、エレクトロルミネセントデバイス１１０に対向する第１のウィンドウ１２０と、第１のウィンドウの上に配置される第１の吸収層１３０と、第１の吸収層の上に配置されるポテンシャル井戸１４０と、ポテンシャル井戸の上に配置される第２の吸収層１３１と、第２の吸収層の上に配置される第２のウィンドウ１２１と、第２のウィンドウの上に直接配置される構造化層１５０と、構造化層の上に配置されるオーバーコート１６０と、オーバーコートの上に配置されて半導体エレクトロルミネセント素子１０５を封入する封止体と、を含む。
【００２７】
広くは、光変換器１１８は、第１の波長λ１の光の少なくとも一部分を、第２の波長λ２の光に変換することが可能なあらゆる素子を含むことができる。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として使用できる代表的な蛍光体としては、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】
一部の例では、層１４０は、（１つの）ポテンシャル井戸、（１つの）量子井戸、又はそれぞれを多数又は複数含むことができる。無機半導体ポテンシャル及び量子井戸などの無機ポテンシャル及び量子井戸は、通常、例えば、有機材料と比べて高い光変換効率を有しており、水分などの環境要素の影響を受けにくいことにより、より信頼性が高い。更に、無機ポテンシャル及び量子井戸は、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１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内の半導体層（１つ又は複数）を意味しており、その際、半導体層（１つ又は複数）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十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未満又は約１０ｎｍ未満の厚さを有する。量子ドットは、典型的には、約１００ｍｍ以下、又は約１０ｍｍ以下の最大寸法を有する。
【００３０】
一部の例では、ポテンシャル又は量子井戸１４０は、エレクトロルミネセントデバイス１１０によって放出される光子のエネルギーＥ１よりも小さい遷移エネルギーＥｐｗを有するＩＩ〜ＶＩ族半導体ポテンシャル又は量子井戸を含む。広くは、ポテンシャル又は量子井戸１４０のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは、ポテンシャル又は量子井戸によって再放出される光子のエネルギーＥ２に実質的に等しい。
【００３１】
一部の例では、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。一部の例では、Ｃｄ、Ｍｇ、及びＺｎのうちの１つ、又は２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、赤色で再放出することができるＣｄ０．７０Ｚｎ０．３０Ｓｅ量子井戸、又は緑色で再放出することができる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、及び所望選択のＺｎの合金を含むことができる。一部の例では、ポテンシャル井戸はＺｎＳｅＴｅを含むことができる。一部の例では、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、任意の伝導及び／又は価電子帯プロファイルを有することができる。代表的なプロファイルは、例えば、米国特許出願第６０／８９３８０４号に記載されている。
【００３３】
一部の例では、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。一部の例では、エレクトロルミネセントデバイス１１０及びポテンシャル井戸１４０は、２つの異なる半導体族からのものであることができる。例えば、このような場合、エレクトロルミネセントデバイス１１０はＩＩＩ〜Ｖ族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族ポテンシャル井戸であることができる。一部の例では、エレクトロルミネセントデバイス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、括弧で囲まれる材料は任意の材料である。
【００３４】
広くは、半導体光変換構成体１１５は１つ、又は２つ以上のポテンシャル井戸を有することができる。一部の例では、構成体１１５は複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、もしくは少なくとも５つのポテンシャル井戸、又は少なくとも１０のポテンシャル井戸を有することができる。一部の例では、構成体１１５は、遷移エネルギーが異なる少なくとも２つのポテンシャル井戸、もしくは少なくとも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】
一部の例では、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％、若しくは少なくとも４０％、又は少なくとも５０％を吸収する。一部の例では、ポテンシャル井戸１４０は、第１の波長λ１において実質的に光透過性である。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％、若しくは少なくとも７０％、又は少なくとも８０％、あるいは少なくとも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において、光１８０の吸収及びキャリアの生成を助ける。一部の例では、光吸収層１３０及び１３１は光１８０の少なくとも一部分を吸収し、その結果、電子−正孔キャリアなどの光生成キャリア対を形成する。キャリアは、光吸収層からポテンシャル井戸１４０へと拡散又は移動し、そこで再結合して第２の波長λ２の光を放出する。
【００３７】
光吸収層１３０及び１３１は、キャリアの再結合及び第２の波長λ２の光の放出のために光生成キャリアがポテンシャル井戸へと効率良く拡散できるように、ポテンシャル井戸に隣接して設置される。
【００３８】
一部の例では、半導体光変換構成体１１５の光吸収層は、ポテンシャル井戸１４０に直接隣接してもよく、即ち、いずれの介在層も吸収層とポテンシャル井戸との間に配置されない。例えば、図１において、第１の光吸収層１３０及び第２の光吸収層１３１のそれぞれは、直接隣接したポテンシャル井戸１４０である。一部の例では、半導体光変換構成体１１５の光吸収層は、ポテンシャル井戸１４０に密接に隣接することができ、即ち、１つ又は数個の介在層が吸収層とポテンシャル井戸との間に配置されてもよい。例えば、一部の例では、図１に示されていない１つ、又は２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との間に配置することができる。
【００３９】
一部の例では、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、又は２つ以上は、Ｃｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ半導体合金を含むことができる。
【００４０】
一部の例では、光吸収層は、エレクトロルミネセントデバイス１１０によって放出される光子のエネルギー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、エレクトロルミネセントデバイスによって放出された光を吸収、例えば強く吸収、することができる。一部の例では、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、ポテンシャル井戸によって第２の波長λ２で再放出される光１８１に対して実質的に光学的に透明である。
【００４１】
一部の例では、第２の光吸収層１３１などの光吸収層は、第２の波長λ２で放出される光１８１の光子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の少なくとも一部分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分は、第３の長波長λ３の光にダウンコンバートされ得る。
【００４２】
一部の例では、半導体光変換構成体１１５の少なくとも１つの光吸収層は、ドーパントでドープされる。一部の例では、光吸収層がＣｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ合金を含むような場合、ドーパントはＶＩＩ族のｎ型ドーパントであり得る。一部の例では、ドーパントは塩素又はヨウ素を含むことができる。一部の例では、ドーパントの数密度は、約１０１７ｃｍ−３〜約１０１８ｃｍ−３の範囲内である。その他の代表的なドーパントには、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｆ、Ｂｒ、Ｉ，及びＮが挙げられる。
【００４３】
代表的な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。広くは、半導体光変換構成体は、吸収層を有さない、又は１つ、２つ、若しくは３つ以上の吸収層を有することができる。一部の例では、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、少なくとも３つ、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】
広くは、光吸収層は、対応するポテンシャル井戸に十分密接しており、よって光吸収層内の光生成キャリアは、ポテンシャル井戸に拡散する適切な機会を有する。半導体多層積層物が光吸収層を有さない場合、ポテンシャル井戸は第１の波長λ１において実質的に光吸収性であり得る。
【００４５】
第１のウィンドウ１２０及び第２のウィンドウ１２１は、主としてバリアを提供するように設計され、よって吸収層及び／又はポテンシャル井戸で光生成される電子−正孔キャリア対などのキャリアは、構成体１１５の自由又は外部面に移動しないか、又は移動する可能性が少ない。例えば、第１のウィンドウ１２０は主として、第１の吸収層１３０で生成されるキャリアが、それらが非放射的に再結合することができる面１２３に移動することを阻止するように設計される。一部の例では、ウィンドウ１２０及び１２１は、エレクトロルミネセントデバイス１１０によって放出される光子のエネルギーＥ１よりも大きいバンドギャップエネルギーＥｗを有する。そのような場合、ウィンドウ１２０及び１２１は、エレクトロルミネセントデバイス１１０によって放出される光、及びポテンシャル井戸１４０によって再放出される光に対して、実質的に光学的に透明である。
【００４６】
代表的な半導体光変換構成体１１５は２つのウィンドウを有する。広くは、光変換構成体は、ウィンドウを有さない、又はウィンドウを１つ若しくは２つ有することができる。例えば、一部の例では、半導体光変換構成体１１５は、エレクトロルミネセントデバイス１１０とポテンシャル井戸１４０との間、又はエレクトロルミネセントデバイス１１０と吸収層１３０との間に配置される単一ウィンドウを有することができる。
【００４７】
一部の例では、半導体光変換構成体１１５内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。一部の例では、層内の材料組成物が、厚さ方向に沿った距離に応じて変化する場合、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画定する段階的な境界面であってもよい。例えば一部の例では、第１の吸収層１３０及び第１のウィンドウ１２０は、同じ材料構成成分を有するが、異なる材料濃度であり得る。このような場合、吸収層の材料組成物は、ウィンドウ層の材料組成物に徐々に変化し２層間の段階的な境界面又は領域が得られる。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ィ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のウィンドウ１２１は、波長λ２を含む関心波長領域において屈折率１を有する。一部の例では、λ１は紫外線又は青色波長であり、λ２は約４２０ｎｍ〜約６５０ｎｍの範囲内の可視波長である。このような場合、ｎ１は、スペクトルの可視領域内のインデックスであり得る。一部の例では、ｎ１は波長λ２の又はその近傍のインデックスである。
【００４９】
代表的な半導体光変換構成体１１５では、第２のウィンドウ１２１はポテンシャル井戸１４０の上に配置されて、半導体光変換構成体の外層１２１及び光変換器１１８の最外層を形成する。構造化層１５０は、例えば、λ２において屈折率ｎ２を有し、第２のウィンドウ１２１の外層上に直接配置される。インデックスｎ２は、第２のウィンドウ１２１のインデックスｎ１よりも小さい。一部の例では、ｎ１とｎ２との間の差異は、少なくとも０．２、少なくとも０．３、少なくとも０．４、少なくとも０．５、少なくとも０．６、少なくとも０．７、少なくとも０．８、又は少なくとも０．９である。
【００５０】
構造化層１５０は、構造体１５１〜１５４などの複数の構造体を含む。複数の構造体のうちいくつかの構造体は、構造体１５１及び１５２のように別個であり得る。いくつかの構造体は、構造体１５３と１５４とがベース１５５を介して互いに結合しているように、ベースを介して結合され得る。構造化層１５０は、第２のウィンドウ１２１を露出する開口部１０１及び１０２などの複数の開口部を含む。
【００５１】
一部の例では、構造化層１５０は、第２の波長λ２で実質的に光学的に透明である。例えば、このような場合、波長λ２での構造化層の全光透過率は、少なくとも５０％、若しくは少なくとも６０％、又は少なくとも７０％、あるいは少なくとも８０％である。
【００５２】
一部の例では、構造化層１５０の中の複数の構造体は、構造体の規則的なアレイを形成する。一部の例では、構造体は、第２のウィンドウ１２１の上面１２５全域にランダムに設置される。一部の例では、構造化層１５０は、例えば、格子縞と同様に、構造体の少なくともいくつかの間に開口部を備える複数の結合構造体、又は結合構造体のアレイを含む連続層である。
【００５３】
一部の例では、構造化層１５０の複数の構造体は、複数の離散構造体を形成する。例えば、一部の例では、構造化層は複数の粒子を含むことができる。例えば、図３の構造化層３５０は、粒子３５１及び３５２などの複数の粒子を有する。一部の例では、粒子は実質的に微小粒子又はナノ粒子である。例えば、このような場合、粒子の平均サイズは、２０００ｎｍ未満、１５００ｎｍ未満、１０００ｎｍ未満、又は７５０ｎｍ未満である。構造化層３５０の中の粒子は、任意の規則的な又は不規則な形状などの任意の形状を有することができる。
【００５４】
一部の例では、図１の構造化層１５０は複数の粒子を含み、粒子の相当な割合は実質的に球状である。例えば、このような場合、粒子の最大寸法と最小寸法の比は、１．３未満、１．２５未満、１．２未満、１．１５未満、又は１．１未満である。
【００５５】
一部の例では、構造化層１５０は、フォトレジスト等の、パターン可能な又は光パターン可能な有機材料又はポリマーなどの有機材料を含むことができる。一部の例では、構造化層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。一部の例では、構造化層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及びケイ酸塩ガラスが挙げられる。
【００５６】
一部の例では、構造化層１５０は、上面１２５全域に密接に充填された単一構造体又は構造体の単層を含むことができる。一部の例では、構造化層１５０は構造体のサブ単層を含むことができ、即ち、構造体は密接に充填されておらず、及び／又は構造体がないか、あっても少数の構造体を含む、構造体の標準サイズ又は平均サイズよりも実質的に大きな領域が存在する。このような場合、サブ単層構造化層１５０の開領域は、単一粒子などの単一構造体の平均サイズよりも実質的に大きくあり得る。
【００５７】
一部の例では、構造化層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のウィンドウ１２１上に直接配置される構造化層４５０の概略側面図である。構造化層は、連続オーバーコート４６０でコーティングされ、封止体４７０はオーバーコートを覆っている。
【００５８】
構造化オーバーコート１６０は、構造化層１５０の少なくとも一部分、及び構造化層１５０開口部を介してウィンドウが露出する領域内の第２のウィンドウ１２１の一部分の上に直接配置される。オーバーコート１６０は、第２の屈折率ｎ２より大きい、例えば、波長λ２で第３の屈折率ｎ３を有する。一部の例では、ｎ３はｎ１より小さい。一部の例では、ｎ３はｎ１より大きい。一部の例では、ｎ３とｎ２との差異は、少なくとも０．２、少なくとも０．３、少なくとも０．４、少なくとも０．５、少なくとも０．６、少なくとも０．７、少なくとも０．８、又は少なくとも０．９である。
【００５９】
一部の例では、オーバーコート１６０は、普通であれば第２のウィンドウの面１２５で完全に内部反射するはずの光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の抽出を強化する。
【００６０】
一部の例では、構造化オーバーコート１６０の外表面１６２は、構造化層１５０の外表面１６１と実質的に適合する。例えば、一部の例では、オーバーコート１６０は、真空蒸着技術を用いて構造化層１５０の上に配置され得る。このような場合、外表面１６２は外表面１６１と適合し得る。一部の例では、構造化オーバーコートの平均厚さは、構造化層１５０の中の構造体の平均サイズより大きくない。一部の例では、オーバーコート１６０の平均厚さは、１０００ｎｍ未満、８００ｎｍ未満、７００ｎｍ未満、６００ｎｍ未満、５００ｎｍ未満、又は４００ｎｍ未満である。
【００６１】
一部の例では、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明である。例えば、このような場合、波長λ２におけるオーバーコートの全光透過率は、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、又は少なくとも８０％である。
【００６２】
一部の例では、オーバーコート１６０は、例えば、１つ、又は２つ以上のアイランドを含むことによって不連続層であることができる。例えば、図２では、構造化層２５０は第２のウィンドウ１２１の上に直接配置され、構造体２５１と２５２との間に開口部２５５を画定する。オーバーコート２６０は、構造化層２５０の上、及び、開領域においては、開口及び露出領域２５５の中にアイランド２６１を形成する第２のウィンドウ１２１の上に直接配置される。一部の例では、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では、構造化層３５０の上に直接配置されるオーバーコート３６０は連続層を形成している。
【００６３】
一部の例では、オーバーコート１６０は、半導体、金属酸化物、又はセラミックスを含むことができる。一部の例では、オーバーコートは、Ｓｉ３Ｎ４、酸化窒化珪素、ケイ酸塩、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳＳｅ、ＩＴＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、及びＨｆＯ２のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００６４】
封止体１７０はオーバーコート１６０の上に配置され、かつ半導体発光素子１０５を封入し、素子を、例えば、周囲の水分から保護する。一部の例では、封止体は、例えば、光１８１が半導体発光素子を出射するときにこれをコリメートするために、屈折力等の光学機能を有することができる。
【００６５】
エレクトロルミネセントデバイス１１０は、電気信号に応答して光を放出可能な任意のデバイスとすることができる。例えば、エレクトロルミネセントデバイスは、電流に応答して光子を放出可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザとすることができる。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放出することができる。例えば、ＬＥＤは、ＵＶ波長、可視波長、又はＩＲ波長で光を放出することができる。場合によっては、ＬＥＤは、ＵＶ光子を放出可能な短波長ＬＥＤとすることができる。広くは、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及び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を含めた、有機半導体又は無機半導体などのいずれかの適切な材料から構成することができる。
【００６６】
一部の例では、エレクトロルミネセントデバイス１１０は、１つ、又は２つ以上のｐ型及び／又はｎ型半導体層、１つ、又は２つ以上のポテンシャル及び／又は量子井戸を含み得る１つ、又は２つ以上の活性層、バッファー層、基板層、並びにスーパーストレート（superstrate）層を含むことができる。一部の例では、エレクトロルミネセントデバイス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、エレクトロルミネセントデバイス１１０は、ＧａＮベースのＬＥＤであることができる。別の例としては、エレクトロルミネセントデバイス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が、以下の実施例によって更に説明される。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すべきではない。
【実施例】
【００６８】
（実施例１）：
図１の光変換器１１８と同様の半導体光変換構成体を作製した。材料組成物の相対的な層順序及び推定値、並びに異なる層の厚さを表Ｉに要約する。
【００６９】
【表１】
2011526079.tif 000003
【００７０】
ＩＩ〜ＶＩ族成長用の表面を調製するために、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によってまずＧａＩｎＡｓバッファー層をＩｎＰ基板上に成長させた。続いて、光変換のためのＩＩ〜Ｖ族エピタキシャル層を成長させるために、超高真空移送システムを通って別のＭＢＥチャンバへ構成体を移動させた。変換器１１８は４つのＣｄＺｎＳｅ量子井戸１４０を含んでいた。量子井戸１４０のそれぞれを、ＧａＩｎＮベースの半導体によって放出された４４０ｎｍの青色光を吸収することができるＣｄＭｇＺｎＳｅ吸収層１３０と１３１との間に挟んだ。
【００７１】
次に、構成体がガラス顕微鏡スライドに接着剤で取り付けられた後、ＩｎＰ基板を３ＨＣｌ：１Ｈ２Ｏ溶液で除去した。エッチング液はＧａＩｎＡｓバッファー層（層番号２）で止まった。バッファー層は、次に、顕微鏡スライドに取り付けられたＩＩ〜ＶＩ族光変換器１１８のみを残して、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の水を撹拌した液で除去された。
【００７２】
（実施例２）：
λｉｎ＝４４０ｎｍの青色光を放出する半導体レーザで、構成体が構成体のウィンドウ側から照射された場合の、実施例１で作製された構成体の外部量子効率（ＥＱＥ）を計算した。測定された再放出波長は、λｏｕｔ＝５３９ｎｍであった。式（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）×（λｉｎ／λｏｕｔ）（式中、Ｐｉｎは放射電力、及びＰｏｕｔは構成体から射出する変換された光の出力パワーである）からＥＱＥを計算した。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体側をＳｉＯ２ナノ粒子でコーティングし、構造化層１５０と同様の構造化層を得た。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−プロパノール中に分散し、５重量％固形分とした。ディップコーティング法を約６５ｍｍ／分の速度で用いて、溶液を構成体の上にコーティングした。かかる試料の１つ（試料Ａ）は１回ディップコーティングされた。第２のかかる試料（試料Ｂ）は数回ディップコーティングされた。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、試料Ａ及びＢの側面から見た走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。実施例２に概説されたプロセスを用いて、試料Ａ及びＢのＥＱＥは、それぞれ３０．７％及び３８．２％と計算された。
【００７４】
（実施例４）：
実施例３で得た試料Ａ及びＢを、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセスを用いて、Ｓｉ３Ｎ４オーバーコートでコーティングして、オーバーコートされたＡ１及びＢ１をそれぞれ得た。オーバーコートの厚さは約３００ｎｍ、Ｓｉ３Ｎ４の屈折率は約１．８であった。８．図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、オーバーコートされた試料Ａ１及びＢ１の側面から見たＳＥＭ画像である。実施例２に概説されたプロセスを用いて、試料Ａ１及びＢ１のＥＱＥを計算し、それぞれ４１．２％及び４１．５％であった。粒子で１回ディップコーティングされた試料の場合、Ｓｉ３Ｎ４のオーバーコートを加えることにより、ＥＱＥが３０．７％から４１．２％へと増加し、これは約３４％の増加率であった。粒子で数回ディップコーティングされた試料の場合、Ｓｉ３Ｎ４のオーバーコートを加えることにより、ＥＱＥが３８．２％から４１．５％へと増加し、これは約８．６％の増加率であった。
【００７５】
（実施例５）：
実施例３に概説されたプロセスを繰り返し、新しい試料Ｃ（１回ディップ）を作製した。実施例２に概説されたプロセスを用いて、試料Ｃの計算されたＥＱＥは３３．４５％であった。
【００７６】
次に、真空昇華プロセスを用いて試料ＣをＺｎＳでオーバーコートし、オーバーコートされた試料Ｃ１を得た。オーバーコートの厚さは約４００ｎｍ、及びＺｎＳオーバーコートの屈折率は２．４であると推定された。図７は、試料Ｃ１を側面から見たＳＥＭ画像である。実施例２に概説されたプロセスを用いて、試料Ｃ１の計算されたＥＱＥは４５．１３％であった。このように、ＺｎＳオーバーコートを加えることによってＥＱＥが３３．４５％から４５．１３％へと増加し、これは約３４．９％の増加率であった。
【００７７】
（実施例６）：
実施例１に概説されたプロセスを繰り返して、新しい試料Ｄ１〜Ｄ４を作製した。実施例２に概説されたプロセスを用いて、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に概説されたプロセスを用いて、試料を、ＳｉＯ２粒子の単層で、異なるディップ速度でコーティングした。試料Ｄ１〜Ｄ４の得られる推定被覆面積率は、それぞれ、３０％、４０％、５０％及び７０％であった。得られた試料の計算されたＥＱＥは、それぞれ、２９．４７％、３３．４５％、３１．７６％及び４１．５％であった。このように、ＳｉＯ２粒子を加えることによって試料Ｄ１〜Ｄ４のＥＱＥが、それぞれ３３％、６８％、４９％及び６１％増加した。
【００７８】
図８は、光子エネルギーＥ１を有する第１の波長λ１で光８５０を放出する、ＬＥＤなどの光源８１０と、第１の波長の光の少なくとも一部分を、光子エネルギーＥ２を有するλ２の光に変換する半導体光変換構成体８１５と、を含む光放出システム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と、構成体８１８の上に直接配置される構造化層１５０と、構造化層の上に配置される、構造化オーバーコート１６０などのオーバーコート１６０と、を含む。
【００８０】
光変換器８１８は、光源８１０に対向する第１のウィンドウ１２０と；対応する第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取り囲む対応する第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と同様であり、光８５０の少なくとも一部分を吸収し、その結果、光吸収層からポテンシャル井戸８４０〜８４３へと拡散又は移動し、そこで再結合して第２の波長λ２の光を放出する、光生成される電子−正孔キャリアなどの光生成キャリアを生成する。光吸収層８３０〜８３４は、キャリアの再結合及び第２の波長λ２の光８５２の放出のために光生成キャリアがポテンシャル井戸へと効率良く拡散できるように、ポテンシャル井戸に隣接して設置される。一部の例では、光吸収層８３０〜８３４は、例えば、第２の波長で、ポテンシャル井戸８４０〜８４３よりも低い屈折率を有する。
【００８２】
一部の例では、光８５０の一部分は、吸収層８３０〜８３４及び／又はポテンシャル井戸８４０〜８４３で吸収されず、吸収層及びポテンシャル井戸によって光８５１として透過される。例えば、一部の例では、放射光８５０は、図９に概略的に示される強度スペクトル９１０を有し、図中、横軸は波長であり、縦軸は任意単位の強度である。このような場合、波長λ１はピーク強度Ｉｏを有するピーク放射波長であり得、光吸収層８３０〜８３４のバンドギャップ波長は、光８５０のかなりの部分が吸収層によって吸収されるように、例えば、λ１より十分に大きいλａｂｓであり得る。一部の例では、λａｂｓは、高温においてもポテンシャル井戸に拡散する光生成キャリア対の十分な閉じ込めを提供するために、十分に小さい。このような場合、一般に図９のλａｂｓの右に位置するスペクトル９１０の最後尾に対応する光８５０の一部分は、光吸収層８３０〜８３４及び／又はポテンシャル井戸８４０〜８４３によって吸収されず、この光吸収層及びこのポテンシャル井戸によって第１の波長の光８５１として透過される。このような場合、補助光吸収層８７０は、他の層で吸収されない余剰又は残りの光８５１を吸収することができる。一部の例では、補助光吸収層８７０のバンドギャップ波長λｌｂはλａｂｓより十分に大きく、その結果、本質的に光８５１の全ては補助光吸収層によって吸収される。このような場合、光放出システム８００の出力光８６０は本質的にλ２であり、λ１の光の含有量は全くないか又は非常に少ない。このような場合、補助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の光変換器８１８の概略のバンド図であり、小さなＥｌｂ及び大きなＥａｂｓを示している。図１０では、Ｅｃ及びＥｖは、それぞれ、伝導帯及び価電子帯を示す。出力光８６０の光の強度を最適化するのが望ましい場合のような一部の例では、図１０に示されるように、補助光吸収層のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、ポテンシャル井戸８４０〜８４３のＥｐｗよりも大きい。このような場合、Ｅｌｂは、λ２の光子のエネルギーＥ２より大きい。
【００８３】
補助光吸収層８７０のバンドギャップエネルギーが第５の吸収層８３４のバンドギャップエネルギーＥａｂｓよりも小さい場合のような一部の例では、波長λ２の補助光吸収層８７０の屈折率は、光吸収層８３４の屈折率より大きい。このような場合、光変換器８１８を導波している又は光変換器８１８にトラップされたλ２の光モードの電界は、構造化層１５０に向かって移動する。これにより、この光モードのエバネセントテールは構造化層１５０及び／又はオーバーコート１６０の中に更に延び、その結果、構造化層及びオーバーコートによる光８５２の抽出が強化される。
【００８４】
一部の例では、ポンプ光源８１０（図８及び図９）は、第１の波長λｄ及びより長い第２の波長λｅの光を放出する。一部の例では、第１の波長はポンプ光源のピーク放射波長λ１であり得る。光吸収層８３０〜８３４は、波長λｄの光を吸収することが可能である。しかし、λｅは、光吸収層のバンドギャップ波長λａｂｓよりも長いので、光吸収層は波長λｅの光を吸収することができない。一部の例では、光吸収層は、光８５０のかなりの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％、若しくは少なくとも８５％、又は少なくとも９０％、あるいは少なくとも９５％を吸収することが可能である。ポテンシャル井戸８４０〜８４３は、光吸収層によって吸収された光の少なくとも一部分をより長い波長の出力光８６０に変換する。補助光吸収層８７０は、第１の波長λｄ及び第２の波長λｅの光を吸収することが可能であり、かつ、光源８１０によって放出された残りの光を吸収する。
【００８５】
一部の例では、半導体光変換構成体８１５は、補助光吸収層８７０からの光を抽出するために、構造化層１５０及びオーバーコート１６０以外の、又はこれらに加えた、手段を含むことができる。例えば、補助光吸収層の上面をパターニングする又はテクスチャリングする、例えば、粗面化することによって、光を抽出することができる。別の例としては、補助光吸収層の外面にフォトニック結晶を形成することによって、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。一部の例では、補助光吸収層の出射面に光学素子を形成するとによって、光を抽出することができ、その場合光学素子は任意の素子であることができ、かつ、普通であれば例えば、全内部反射が原因で補助光吸収層を出射しないはずの光の少なくとも一部分を抽出可能な任意の形状を有することができる。代表的な光抽出器は、例えば、同一出願人による米国特許仮出願第２００７／０２８４５６５号；２００６年１１月１７日出願の同一出願人による米国特許仮出願第６０／８６６，２６５号；及び２００６年６月１２日出願の同一出願人による米国特許仮出願第６０／８０４，５４４号に記載されている。
【００８６】
一部の例では、光吸収層８３４及び補助光吸収層８７０の少なくとも一方は、傾斜材料である。このような場合、少なくとも吸収層の厚さ方向に沿ったある場所の、補助光吸収層８７０のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、光吸収層８３４の最小バンドギャップエネルギーより小さい。例えば、図１１は、一定バンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する光吸収層１１２０と、直線傾斜補助光吸収層１１３０とを有する光変換器１１００の概略のバンド図である。場所「Ｘ」における補助光吸収層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より小さい。一部の例では、少なくとも層の厚さ方向に沿ったある場所の、λ２における補助光吸収層８７０の屈折率は、λ２における光吸収層８３４の最大屈折率より大きい。
【００８７】
広くは、光変換器８１８内の補助光吸収層８７０及び光吸収層８３０〜３４などの光吸収層は、用途において実行可能な及び／又は望ましくあり得る任意の形状のバンド図を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、一定バンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する光吸収層１２２０と、直線傾斜バンドギャップを有する補助光吸収層１２３０と、を含む、光変換器８１８と同様な光変換器１２１８の概略のバンド図である。場所「Ｘ」における補助光吸収層１２３０のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓより小さく、ポテンシャル井戸１２１０の遷移エネルギーＥｔｒより大きい。
【００８８】
別の例として、図１３は、ポテンシャル井戸１３１０と、一定バンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する光吸収層１３２０と、組み込まれたポテンシャル又は量子井戸１３６０を含む、一定バンドギャップエネルギーがＥｌｂである補助光吸収層１３３０と、を含む光変換器１３１８の概略のバンド図である。バンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓより小さく、ポテンシャル井戸１３１０の遷移エネルギーＥｔｒより大きい。更に別の例として、図１４は、ポテンシャル井戸１４１０と、一定バンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する光吸収層１４２０と、ポテンシャル又は量子井戸１４６０を含む湾曲したバンド図を有する補助光吸収層１４３０と、を含む光変換器１４１８の概略のバンド図である。補助光吸収層の場所「Ｘ」におけるバンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓより小さく、ポテンシャル井戸１４１０の遷移エネルギーＥｔｒより大きい。
【００８９】
一部の例では、図８の光変換層８１８は、光生成キャリアが、例えば、光変換器の外表面又は内部領域へと移動する又は拡散するのを防ぐための、ウィンドウ１２０等の、又はウィンドウ１２０に加えて、１つ、又は２つ以上のキャリア遮断層を含むことができる。例えば、図１５は、ポテンシャル井戸１５１０と、一定バンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する光吸収層１５２０と、一定バンドギャップエネルギーＥｌｂを有する補助光吸収層１５３０と、光吸収層１５２０中のキャリアが補助光吸収層１５３０へと移動する、例えば拡散するのを遮断するための、層１５２０と１５３０との間に配置され、かつ一定バンドギャップエネルギーＥｃｂを有するキャリア遮断層１５４０と、を含む光変換器１５１８の概略のバンド図である。バンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓより小さく、ポテンシャル井戸１５１０の遷移エネルギーＥｔｒより大きい。別の例として、図１６は、ポテンシャル井戸１６１０と；一定バンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する光吸収層１６２０と；補助光吸収層１６３０と、例えば、ポテンシャル井戸１６１０及び光吸収層１６２０の中のキャリアが補助光吸収層１６３０へと移動するのを遮断するためのキャリア遮断層１６４０とを含む直線傾斜領域１６７０と；を含む光変換器１６１８の概略のバンド図である。場所「Ｘ」における補助光吸収体のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓより小さく、ポテンシャル井戸１６１０の遷移エネルギーＥｔｒより大きい。更に別の例として、図１７は、ポテンシャル井戸１７１０と；一定バンドギャップエネルギーＥａｂｓを有する光吸収層１７２０と；補助光吸収層１７３０と、例えば、光吸収層１７２０及び／又は補助光吸収層１７３０の中のキャリアが、例えば、光変換器１７１８の出射面（図には明確に示されず）へと移送するのを遮断するためのキャリア遮断層又はウィンドウ１７４０と；を含む光変換器１７１８の概略のバンド図である。場所「Ｘ」における補助光吸収体のバンドギャップエネルギーＥｌｂは、Ｅａｂｓより小さく、ポテンシャル井戸１７１０の遷移エネルギーＥｔｒより大きい。
【００９０】
（実施例７）：
図１の光変換器１１８と同様の半導体光変換構成体を製作した。材料組成物の相対的な層順序及び推定値、異なる層の厚さ、バルクバンドギャップエネルギー、及び屈折率を表ＩＩに要約する。
【００９１】
【表２】
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【００９２】
ＩＩ〜ＶＩ族成長用の表面を調製するために、ＭＢＥによってまずＧａＩｎＡｓバッファー層をＩｎＰ基板上に成長させた。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、超高真空移送システムを通って別のＭＢＥチャンバへ構成体を移動させた。変換器１１８は４つのＣｄＺｎＳｅ量子井戸１４０を含んだ。量子井戸１４０のそれぞれを、ＧａＩｎＮベースの半導体レーザによって放出された４４０ｎｍの青色光を吸収することができるＣｄＭｇＺｎＳｅ吸収層の間に挟んだ。
【００９３】
構成体がガラス顕微鏡スライドに接着剤で取り付けられた後、ＩｎＰ基板を３ＨＣｌ：１Ｈ２Ｏ溶液で除去した。エッチング液はＧａＩｎＡｓバッファー層（層番号２）で止まった。バッファー層は、次に、顕微鏡スライドに取り付けられたＩＩ〜ＶＩ族光変換器１１８のみを残して、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の水を撹拌した液で除去された。
【００９４】
得られた構成体は、ピーク放出４５３ｎｍ及び図９のスペクトル９１０と同様のスペクトルのＧａＩｎＮ青色ポンプＬＥＤを用いてウィンドウ側から照射されることができる。構成体の再放出された出力光は、量子井戸の遷移エネルギー２．３０５ｅＶに対応する５３８ｎｍでピーク放射を有することができる。表ＩＩに示されるように、光吸収層は、スペクトル９１０の波長λａｂｓ４８１ｎｍに対応するバンドギャップエネルギー２．５７８ｅＶを有した。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、吸収層によって吸収されることができ、λａｂｓの右側の領域に対応する残りの４％は、補助光吸収よって吸収されることができる。
【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。この構成体と同様であるが補助光吸収層と同じ材料を有する光吸収層を備える構成体は、本質的にポンプ光の全てを吸収するが、閉じ込めエネルギーは０．１８５ｅＶ（２．４９０〜２．３０５）と減少する。その結果、光吸収層と補助光吸収層とを組み合わせて使用することで、閉じ込めエネルギーを０．１８５ｅＶから０．２７３ｅＶへとほぼ４８％増加させたが、補助光吸収層は入射ポンプ光の約４％しか吸収しなかった。
【００９６】
図１に戻って参照すると、異なるシステムパラメータの関数としての構造化層１５０及びオーバーコート１６０の抽出効率を、図１８にその側面図が概略的に示されている光学構造物１８００に関して数値的に分析した。この光学構造物は、基板１８１０と、基板１８１０の上面１８１２上に直接配列された球状粒子１８５５の正方形のアレイを含む構造化層１８５０と、構造化層及び基板の露出領域上に直接配置されるオーバーコート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、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。隣接する粒子の間の間隔Ｐは５００ｎｍであった。粒子は、基板１８１０の上面１８１２の５０％を覆った。オーバーコートに関し、ランド厚さｔ１は１００ｎｍ、寸法ｔ２及びｔ３はそれぞれ１００ｎｍ、及びｔ４は３００ｎｍであった。数値シミュレーションの間、オーバーコートのインデックスｎ３は変化された。
【００９７】
光源１８０５は、基板の底表面１８１４に設置されて、５４０ｎｍの均一な光１８０７を放出した。光学構造物１８００の抽出効率をモデル化し、有効二次元有限差分時間領域法（Finite Difference Time Domain：ＦＤＴＤ）手法を用いて数値的に計算された。抽出効率は、出力光１８４０のパワーと放出された入射光１８０７のパワーとの比として定義された。構造化層及びオーバーコートがない場合の抽出効率は１６．４％であった。
【００９８】
図２０は、構造化層及び構造化オーバーコートが存在する場合のｎ３の関数としての、光学構造物１８００の抽出効率を示す。空気のオーバーコート（図２０の点Ｐ１に対応するｎ３＝１）の抽出効率は１９．２％であった。このように、オーバーコートがない、又は空気のオーバーコートでは、粒子は、抽出効率を１６．４％から１９．２％へと増加させ、これは約１７．１％の増加率であった。ＳｉＯ２オーバーコートに対応する点Ｐ２（ｎ３＝１．４５）の抽出効率は１９．８％であり、オーバーコートがない場合から約２０．７％の増加率であった。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した。抽出効率は、領域Ｑ１においては線Ｌ１、領域Ｑ２においては線Ｌ２、及び領域Ｑ３においては線Ｌ３に概ね追従する。領域Ｑ２における線Ｌ２は、約２．０〜約２．７の範囲内であるオーバーコートのインデックスｎ３に対応し、線Ｌ１及びＬ３よりも傾斜が大きい。領域Ｑ２は、抽出効率が構造化オーバーコートの屈折率に大きく依存することを示している。
【００９９】
一部の例では、オーバーコート１７０を塗布する前に、構造化層１５０に変更を加えることができる。例えば、一部の例では、構造化層がオーバーコート１７０でコーティングされる前に、構造化層１５０の中の構造体の少なくともいくつかの形状及び／又はサイズに変更を加えることができる。図２１Ａ〜図２１Ｃを参照して、このような代表的なプロセスの１つを説明する。図２１Ａは、半導体基板２１１０と、半導体基板上に直接配置される構造化層２１２０とを含む光学構造物２１００の概略側面図である。基板は、例えば、図１の第２のウィンドウ１２１又は図８の補助吸収層８７０と同様であり得る。一部の例では、基板２１２０は多層であることができ、その１つの層は、例えば、補助吸収層８７０と同様であり得る。
【０１００】
構造化層２１２０は、例えば、図１の構造化層１５０と同様であり得る。構造化層２１２０は、基板２１１０の上に直接配置される複数の離散粒子を含む。一部の例では、粒子２１２２はポリマーなどの有機であり得る。代表的なポリマーには、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又は（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、及びエポキシ等が挙げられる。
【０１０１】
粒子２１２２は、基板２１１０の上面２１２６上に単層を形成する。単層は、基板の上面に露出している、開領域２１２４等の開領域を含む。一部の例では、粒子をエッチング液に暴露することによって、粒子の寸法を縮小する又は小さくすることができる。例えば、エッチング液は各粒子の部分をエッチング除去することができ、より小さな又は縮小した粒子がもたらされる。代表的なエッチング法には、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。一部の例では、粒子はポリスチレンであり、エッチング法は、酸素プラズマ又は反応性イオンエッチングである。
【０１０２】
一部の例では、粒子を十分な熱に暴露することによって、粒子２１２２をリフローさせる。例えば、ポリマー粒子２１２２は、粒子の融点温度又は融点に近い温度でリフローすることができる。一部の例では、エッチング液及び熱を同時に粒子に適用して、粒子の少なくともいくつかを縮小及びリフローさせることができる。一部の例では、エッチングプロセスは、いくらかの追加の熱と共に又は追加の熱を加えずに粒子をリフローすることができる熱を生成することができる。
【０１０３】
一部の例では、構造体２１２２の平均寸法は、構造体の表面密度を実質的に決定することができ、エッチング時間等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）による被覆面積率を決定することができる。一部の例では、必要な構造体の初期平均サイズ及びエッチングの量は、所望の表面構造体密度及び表面被覆率に基づいて計算、ないしは別の方法で決定され得る。例えば、所与の望ましい粒子密度に対して、平均粒径Ｒを決定することができ、所与の望ましい被覆面積率に対して、及び例えば、実験データに基づいて、例えばエッチング時間等のエッチングパラメータを決定することができる。次に、例えば、密集した平均直径Ｒを有する粒子の単層を表面に適用して、所望の表面粒子密度を得る。次に、決定したエッチングパラメータに従って粒子をエッチングして、エッチングされた粒子による所望の表面被覆率を得ることができる。一部の例では、粒子はオーバーコートされることができる。
【０１０４】
一部の例では、所望の最終表面被覆率を達成するために、所望の最終表面被覆率よりも大きな初期表面被覆率をもたらす第１の複数の構造体が、上面２１２６の上に配置される。次に、構造体の少なくとも一部が十分に縮小されて、初期表面被覆率を所望の最終表面被覆率へと低減する。一部の例では、構造体の少なくとも一部はリフローされ得る。一部の例では、構造体は、次に、縮小した構造体及び被覆されていないエリア内の上面を被覆するために、オーバーコートでコーティングされる。
【０１０５】
十分な熱及び１つ、又は２つ以上のエッチング液に供された後、光学構造物２１００は、図２１Ｂに概略的に示される光学構造物２１５０に変更される。具体的には、層２１２０の粒子２１２２が部分的にエッチングされかつリフローされた後、構造化層２１２０は構造化層２１３０に変化される又は変更される。構造化層２１３０は、対応する粒子２１２２より小さく、熱への暴露に起因してリフローした粒子２１３２を含む。リフローの後、粒子２１３２は平底２１３４を有する。一部の例では、粒子２１３２は円蓋状又は錐体状である。一部の例では、粒子をリフローしかつ縮小する工程は、一緒に又は同時に行われることができる。一部の例では、この２つの工程は逐次的に行われることができる。例えば、エッチング液と、その後に続くエッチングされた粒子をリフローする加熱工程によって、粒子のサイズを小さくすることができる。
【０１０６】
一部の例では、複数の粒子による基板２１１０の上面２１２６の被覆率は、粒子にエッチング液及び熱を適用した後、減少する。例えば、このような場合、図２Ａにおいて粒子２１２２は上面２１２６の第１の割合を覆い、図２１Ｂにおいて粒子２１３２は上面２１２６の第２の割合を覆い、第２の割合は第１の割合未満である。
【０１０７】
一部の例では、縮小工程は、粒子の平均横方向サイズ等の平均寸法を、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、又は少なくとも７０％低減することができる。一部の例では、複数の構造体による基板の上面の被覆面積率は、縮小工程の後減少する。例えば、このような場合、被覆面積率は、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、又は少なくとも５０％減少し得る。
【０１０８】
一部の例では、光学構造物２１５０はオーバーコート２１６０でコーティングされて、図２１Ｃに概略的に示される光学構造物２１８０がもたらされる。オーバーコート２１６０は複数の粒子２１３２、及び開領域の基板２１１０の上面、例えば開領域２１２４を覆う。
【０１０９】
基板２１１０は、例えば、スペクトルの可視領域にいて屈折率ｎ１を有し、構造化層２１３０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。一部の例では、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の範囲内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の範囲内の屈折率を有するポリマーを含む。一部の例では、ｎ３はｎ１より大きい。例えば、このような場合、基板２１１０は、約２〜約２．３の範囲内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の範囲内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に概説されたプロセスを用いて、半導体光変換構成体を作製した。この構成体の計算されたＥＱＥは１５．２９％であった。構成体の吸収体側はポリスチレン（ＰＳ）微小球でコーティングされ、図２１Ａの構造化層２１２０と同様の構造化層を得た。微小球の平均直径は約１０００ｎｍであり、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、構成体の吸収体の屈折率は約２．６であった。微小球をＨ２Ｏ中に分散し、１０重量％固形分とした。この溶液を、速度約２００ｒｐｍで約２０秒間と、その後に続く速度約５０００ｒｐｍで約５秒間のスピンオンコーティング法を用いて、吸収体の上面（図２Ａの上面２１２６）に塗布した。図２２Ａは、光変換構成体の上面上で密集した微小球体ＰＳ粒子を示している、得られたサンプルのＳＥＭ画像である。微小球による上面の被覆面積は約９０％であり、得られたサンプルの計算されたＥＱＥは２２．９％であった。このように、ＰＳ粒子はＥＱＥを１５．２９％から２２．９％へと増加させ、これは約４９．８の増加率であった。次に、サンプルは酸素プラズマの中でエッチングされ（６ｍＴ、無線周波電力８０Ｗ、及び誘導カップリングプラズマ電力１２００Ｗ）、粒子をリフローしかつサイズを低減した。得られた粒子による表面被覆率は約６４％であった。このように、エッチング工程は被覆面積率を約９０％から約６４％へ低減した。図２２Ｂは、得られたサンプルのＳＥＭ画像である。粒子は、平底を有する錐体状又は円蓋状であった。得られたサンプルの計算されたＥＱＥは２７．８％であった。次に、真空蒸発法を用いてサンプルをＺｎＳでオーバーコートした。オーバーコートの厚さは約４００ｎｍ、ＺｎＳオーバーコートの屈折率は約２．４であった。図２２Ｃは、得られたサンプルのＳＥＭ画像である。得られたサンプルの計算されたＥＱＥは３７．８％であった。このように、ＺｎＳオーバーコートを加えることによって、ＥＱＥが２７．８％から３７．８％へと増加し、これは約３６％の増加率であった。
【０１１１】
（実施例９）：
実施例１に概説されたプロセスを用いて半導体光変換構成を作製した。構成体の計算されたＥＱＥは１７．６５％であった。構成体の吸収体側はポリスチレン（ＰＳ）微小球でコーティングされ、図２１Ａの構造化層２１２０と同様の構造化層を得た。微小球の平均直径は約５００ｎｍであり、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、構成体の吸収体の屈折率は約２．６であった。微小球をＨ２Ｏ中に分散し、１．５重量％固形分とした。この溶液を、ディップコーティング法を約６５ｍｍ／分で用いて、吸収体の上面（図２１Ａの上面２１２６）に塗布した。サンプルは、単回ディップコーティングされた。得られたサンプルの計算されたＥＱＥは２６．４０％であった。このように、ＰＳ粒子はＥＱＥを１７．６５％から２６．４０％へと増加させ、約４９．６％の増加率であった。次に、サンプルは酸素プラズマの中でエッチングされ（２００ｍＴ、２００ｍＷ、及び直径２０．３ｃｍ（８インチ）の圧盤）、粒子をわずかに縮小しかつリフローした。得られた粒子は、平底を有する錐体状又は円蓋状であった。次に、真空蒸発法を用いてサンプルをＺｎＳでオーバーコートした。オーバーコートの厚さは約４００ｎｍ、ＺｎＳオーバーコートの屈折率は約２．４であった。得られたサンプルの計算されたＥＱＥは３５．５％であった。このように、ＺｎＳのオーバーコートを加えることによってＥＱＥが２６．４％から３５．５％へと増加し、これは約３４．５％の増加率であった。
【０１１２】
図２３は、第１の波長λ１で光８５０を放出するＬＥＤ光源と、光８５０の少なくとも一部分をより長い第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の上に配置された、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の少なくとも一部分を吸収し、吸収された光の少なくとも一部分を、波長λ２の光８５２として再放出する。蛍光体スラブ２３３０として使用できる代表的な蛍光体としては、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。その他の有用な蛍光体には、ドープＹＡＧ、ケイ酸塩、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、及びアルミン酸塩系蛍光体が挙げられる。かかる蛍光体の例には、Ｃｅ：ＹＡＧ、ＳｒＳｉＯＮ：Ｅｕ、ＳｒＢａＳｉＯ：Ｅｕ、ＳｒＳｉＮ：Ｅｕ、及びＢａＳｒＳｉＮ：Ｅｕが挙げられる。
【０１１３】
基板２３２０は、用途に適している可能性のある任意の材料を包含することができる。代表的な材料には、ガラス、ポリマー、アルミナなどのセラミックス、サファイア、及び、光を透過させるための１つ、又は２つ以上の透明開口部又は開口を有する金属などの金属が挙げられる。一部の例では、基板２３２０は、第１の波長において実質的に光透過性である。基板は、λ１において不透明であってもよい。このような場合、基板は、光８５０が基板を通過するための、１つ、又は２つ以上の光学的な、ないしは別の方法の開口部を有することができる。一部の例では、基板２３２０は、λ２の反射体又は放熱板等の、図２３に明確に示されていないそ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の上に配置される構造化層１５０を更に含む。構造化層１５０は、蛍光体スラブの第１の屈折率ｎ１より小さい第２の屈折率ｎ２を有する。構造化層は、蛍光体スラブの上に直接配置される複数の構造体１５１と、蛍光体スラブを露出する複数の開口部２３０５とを含む。光変換構成体２３１５は、構造化層１５０の少なくとも一部分、及び開口部２３０５などの複数の開口部内の蛍光体スラブの一部分の上に直接配置される、オーバーコート１６０と同様の構造化オーバーコート２３６０を更に含む。構造化オーバーコート２３６０は、第２の屈折率ｎ２より大きい第３の屈折率ｎ３を有する。
【０１１５】
一部の例では、構造化オーバーコート２３６０は、トラップされた光のエバネセントテールを更に構造化オーバーコートの中に拡張することによって、蛍光体スラブ内にトラップされた第２の波長λ２の光の抽出を強化することができる。テールの拡張は、構造体１５１にトラップされた光の散乱を増加させることができ、その結果、蛍光体スラブからのトラップされた光の抽出が増加する。
【０１１６】
一部の例では、構造化層１５０は、第２の波長で実質的に光学的に透明である。一部の例では、構造化オーバーコート２３６０は、第２の波長で実質的に光学的に透明である。一部の例では、構造化層１５０の中の複数の構造体は、離散粒子などの複数の離散構造体を含み、一部の例では、複数の離散粒子の相当な割合は実質的に球状である。一部の例では、構造化層１５０の中の複数の構造体は、複数の相互結合した構造体を含む。
【０１１７】
一部の例では、構造化オーバーコート２３６０は、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＩＴＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、及びケイ酸塩ガラスなどのケイ酸塩のうちの少なくとも１つを含む。一部の例では、構造化オーバーコート２３６０は半導体を含む。一部の例では、構造化オーバーコート２３６０の構造化外表面２３６１は、構造化層１５０の構造化外表面２３６２と適合する。
【０１１８】
異なるシステムパラメータの関数としての光変換構成体２３１５の抽出効率を、図１８に示される光学構造物１８００を用いて数値的に分析した。基板の屈折率ｎ１は、１．８４であり、蛍光体スラブ２３３０などの蛍光体スラブの標準値であった。粒子１８５５の直径Ｄは２００ｎｍ、及び粒子の屈折率ｎ２は、例えば、ＳｉＯ２粒子に対応する１．４５であった。隣接する粒子間の間隔はＰ  ５００ｎｍであった。粒子は、基板１８１０の面１８１２の５０％を覆った。オーバーコートについては、ランド厚さｔ１は１００ｎｍ、寸法ｔ２及びｔ３はそれぞれ１００ｎｍ、及びｔ４は３００ｎｍであった。数値シミュレーションの間、オーバーコートのインデックスｎ３は変化された。
【０１１９】
光源１８０５は、基板の底表面１８１４に設置されて、５４０ｎｍの均一な光１８０７を放出した。光学構造物１８００の抽出効率をモデル化し、有効二次元有限差分時間領域法（Finite Difference Time Domain：ＦＤＴＤ）手法を用いて数値的に計算された。
【０１２０】
図２４は、構造化層及びオーバーコートが存在する場合のｎ３の関数としての、光学構造物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）の抽出効率は４０．５％であった。図２４の点Ｑ２及びＱ３は、Ｓｉ３Ｎ４、及びＴｉＯ２オーバーコートにそれぞれ対応する。約１．３５〜約２．２、又は約１．４５〜約２．２の範囲内のｎ３では、抽出効率は少なくとも約４０％である。一部の例では、オーバーコートは、屈折率が約１．３８〜約１．３９の範囲内のＭｇＦ２を含むことができる。一部の例では、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、屈折率が約１．４５未満、例えば屈折率約１．４、約１．３５、約１．３０、又は約１．２９である、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における構成が、図における向きと比較して反転された場合にも、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すべての変形例、実施形態及び代替例をすべ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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【国際調査報告】
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