СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ПРЕОБРАЗОВАННОЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ
LIGHT-EMITTING DEVICE WITH CONVERTED WAVELENGTH

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к полупроводниковому светоизлучающему устройству с преобразованной длиной волны.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включая светоизлучающие диоды (LED), светоизлучающие диоды с резонатором (RCLED), лазерные диоды с вертикальным резонатором (VCSEL) и лазеры с торцевым излучением входят в число наиболее эффективных источников света из доступных на сегодняшний день. Системы материалов, представляющие на данный момент интерес в области производства светоизлучающих устройств высокой яркости, способных работать в видимом спектре, включают полупроводники III-V групп, в частности двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, также называемые III-нитридными материалами. Обычно III-нитридные светоизлучающие устройства изготавливают путем эпитаксиального выращивания набора полупроводниковых слоев разного состава и с различными концентрациями добавок на сапфире, карбиде кремния, III-нитриде или на другой подходящей подложке посредством химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE) или других эпитаксиальных технологий. Набор часто включает один или более слоев n-типа с добавлением, например, Si, сформированных над подложкой, один или более светоизлучающих слоев в активной области, сформированных над слоем или слоями n-типа, и один или более слоев p-типа с добавлением, например, Mg, сформированных над активной областью. Электрические контакты формируются в областях n- и p-типа.
Фиг. 1 изображает LED, более подробно описанный в US 7,341,878. Полупроводниковая структура 130, включающая активную область, соединена с керамическим люминофором 52 посредством поверхности 56 контакта. Контакты 18 и 20 сформированы на полупроводниковой структуре 130, которые соединены с элементом 132 корпуса посредством металлических поверхностей 134 контакта. В некоторых вариантах осуществления все слои, расположенные между элементом 132 корпуса и керамическим люминофором 52, имеют толщину менее 100 микронов. Хотя Фиг. 1 изображает полупроводниковую структуру 130, установленную на элемент 132 корпуса в конфигурации с перевернутым кристаллом, где оба контакта 18 и 20 сформированы на одной стороне полупроводниковой структуры, в альтернативном варианте осуществления часть керамического люминофора 52 может быть удалена таким образом, что контакт 18 будет сформирован на противоположной стороне полупроводниковой структуры 130 относительно контакта 20.
В US 7,341,878 говорится о том, что любой люминесцентный материал с желаемыми свойствами люминофора, такими как хорошее поглощение света, излучаемого первичным светоизлучающим слоем, и высокая квантовая эффективность, может быть использован для эффективного получения света в описанных выше вариантах осуществления. Преобразующие длину волны материалы с большой мнимой частью показателя преломления, k, при длинах волн, излучаемых светоизлучающей областью, и пренебрежительно малым k при преобразованной длине волны, такие как, например, некоторые III-V и II-VI полупроводники, могут быть использованы вместо люминофоров. В частности, у подходящих материалов при длинах волн, излучаемых первичной светоизлучающей областью, k больше 0,01, более предпочтительно, больше 0,1 и, более предпочтительно, больше 1. Средства для извлечения света из люминесцентного материала могут быть предоставлены, такие как текстурирование, рифление или формирование.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является обеспечение полупроводникового светоизлучающего устройства с преобразованной длиной волны, которое эффективно излучает свет.
Варианты осуществления изобретения включают полупроводниковое светоизлучающее устройство, способное излучать свет, имеющий первую пиковую длину волны, и полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, способный поглощать первый свет и излучать второй свет, имеющий вторую пиковую длину волны. Полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, присоединен к основанию и расположен на пути света, излучаемого полупроводниковым светоизлучающим устройством. Полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, имеет структуру, включающую, по меньшей мере, две первые области полупроводникового преобразующего длину волны материала и, по меньшей мере, одну вторую область без полупроводникового преобразующего длину волны материала, расположенную между, по меньшей мере, двумя первыми областями.
Варианты осуществления изобретения включают полупроводниковое светоизлучающее устройство, способное излучать свет, имеющий первую пиковую длину волны, и полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, способный поглощать первый свет и излучать второй свет, имеющий вторую пиковую длину волны. Полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, расположен на пути света, излучаемого полупроводниковым светоизлучающим устройством, и имеет структуру, включающую, по меньшей мере, две первые области полупроводникового преобразующего длину волны материала и, по меньшей мере, одну вторую область без полупроводникового преобразующего длину волны материала, расположенную между, по меньшей мере, двумя первыми областями. Элемент, преобразующий длину волны, расположен в, по меньшей мере, одной второй области, причем элемент, преобразующий длину волны, способен поглощать первый свет и излучать третий свет, имеющий третью пиковую длину волны.
Варианты осуществления изобретения включают первое полупроводниковое светоизлучающее устройство, способное излучать свет, имеющий первую пиковую длину волны, и второе светоизлучающее устройство, способное излучать свет, имеющий вторую пиковую длину волны. Второе светоизлучающее устройство включает полупроводниковое светоизлучающее устройство, способное излучать третий свет, имеющий третью длину волны, и полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, способный поглощать третий свет и излучать второй свет.
Полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, может обеспечить эффективное преобразование длины волны в узком спектре для отличной цветопередачи и высокого светового выхода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 изображает устройство известного уровня техники, включающее слой керамического люминофора, соединенный с LED.
Фиг. 2 изображает тонкопленочное полупроводниковое светоизлучающее устройство с перевернутым кристаллом.
Фиг. 3 изображает вертикальное полупроводниковое светоизлучающее устройство.
Фиг. 4 изображает LED в сочетании с полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны, необязательным вторым элементом, преобразующим длину волны и необязательным элементом извлечения света.
Фиг. 5 изображает один пример полупроводникового элемента, преобразующего длину волны.
Фиг. 6 изображает источник света для генерации белого света.
Фиг. 7 изображает устройство со структурированным полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны.
Фиг. 8 изображает устройство со структурированным полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны, сформированным на вспомогательной части.
Фиг. 9 изображает устройство с множеством элементов, преобразующих длину волны, сформированных в структуру.
Фиг. 10 изображает спектр излучения люминофора и полупроводникового элемента, преобразующего длину волны.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В вариантах осуществления изобретения полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, совмещен с полупроводниковым светоизлучающим устройством. Хотя в приведенных ниже примерах полупроводниковое светоизлучающее устройство является III-нитридным LED, который излучает синий или УФ свет, полупроводниковые светоизлучающие устройства, отличные от LED, такие как лазерные диоды и полупроводниковые светоизлучающие устройства, сделанные из других систем материалов, таких как другие III-V материалы, III-фосфиды, III-арсениды, II-VI материалы или материалы на основе Si, могут быть использованы.
Любой подходящий LED может быть использован. Фиг. 2 и 3 изображают два примера подходящих LED 10. Для того чтобы сделать устройства, изображенные на Фиг. 2 и 3, полупроводниковая структура 22 выращивается над подложкой для выращивания. Полупроводниковая структура 22 включает светоизлучающую или активную область, расположенную между областями n- и p-типа. Область n-типа может быть выращена первой и может включать множество слоев различного состава и с различными концентрациями добавок, включая, например, подготовительные слои, такие как буферные слои или слои образования центров кристаллизации, которые могут иметь добавки n-типа или не иметь специальных добавок, и слои устройства n- или даже p-типа, сконструированные с конкретными оптическими или электрическими свойствами, желательными для светоизлучающей области для эффективного излучения света. Светоизлучающая или активная область выращивается поверх области n-типа. Примеры подходящих светоизлучающих областей включают отдельный толстый или тонкий светоизлучающий слой, или светоизлучающая область со множеством квантовых ям, включающая множество тонких или толстых светоизлучающих слоев, разделенных барьерными слоями. Область p-типа может быть затем выращена над светоизлучающей областью. Как и область n-типа, область p-типа может включать множество слоев различного состава, толщины и с различной концентрацией добавок, включая слои без специальных добавок или слои n-типа. P-контактный металл 26 располагается на области p-типа, затем части области p-типа и активной области могут быть вытравлены для того, чтобы сделать слой n-типа доступным для металлизации, как изображено на Фиг. 2. P-контакты 26 и n-контакты 24 этого варианта осуществления расположены на одной стороне устройства. Как изображено на Фиг. 2, p-контакты 26 могут быть расположены между множеством областей 24 n-контактов, хотя это и не обязательно. В некоторых вариантах осуществления какой-то один или оба из n-контакта 24 и p-контакта 26 являются отражающими и устройство установлено таким образом, что свет извлекается через верх устройства ориентированного так, как изображено на Фиг. 2. В некоторых вариантах осуществления контакты могут быть ограничены в размере или сделаны прозрачными, и устройство может быть установлено таким образом, чтобы свет извлекался через поверхность, на которой сформированы контакты. Полупроводниковая структура прикреплена к креплению 28. Подложка для выращивания может быть удалена, как изображено на Фиг. 2, или может оставаться частью устройства. В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый слой, который становится открытым при удалении подложки для выращивания, структурируется или делается шероховатым, что может улучшить извлечение света из устройства.
В LED вертикального ввода, изображенном на Фиг. 3, n-контакт формируется на одной стороне полупроводниковой структуры, а p-контакт формируется на другой стороне полупроводниковой структуры. Например, p-контакт 26 может быть сформирован в области p-типа, и устройство может быть соединено с креплением 28 через p-контакт. Вся целиком или часть подложки могут быть удалены и n-контакт 24 может быть сформирован на поверхности области n-типа, открытой при удалении части подложки. Электрический контакт с n-контактом может быть создан путем соединения проводом, как изображено на Фиг. 3, или с помощью любой другой подходящей структуры.
Полупроводящий элемент, преобразующий длину волны, расположен на пути света, излучаемого из LED 10. Полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, может быть единственным преобразующим длину волны материалом в устройстве, или может быть совмещен с другими преобразующими длину волны материалами, такими как люминофоры, квантовые точки, другие полупроводниковые элементы, преобразующие длину волны, или красители для создания белого света или монохромного света других цветов. Другие преобразующие длину волны материалы могут являться, например, предварительно сформированным слоем керамического люминофора, который приклеивается или крепится к LED или расположен отдельно от LED, или порошком люминофора или квантовыми точками, расположенными в неорганическом или органическом вмещающем их в себе материале, который наносится по шаблону, печатается путем трафаретной или струйной печати, распыляется, осаживается, выпаривается, разбрызгивается или распределяется каким-либо еще способом поверх LED. Преобразующие длину волны материалы поглощают свет, излучаемый LED, и излучают свет с другой длиной волны. Весь свет или только часть света, излучаемого LED, может быть преобразована преобразующими длину волны материалами. Непреобразованный свет, излучаемый LED, может являться частью окончательного спектра света, хотя в этом нет необходимости. Полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, может эффективно преобразовывать свет, который он поглощает, в свет с другой длиной волны. Свет, излучаемый полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны, может иметь более узкую ширину спектра по сравнению со светом, излучаемым традиционными люминофорами. Более узкая ширина спектра может являться преимуществом, в частности, для излучающего красный свет полупроводникового элемента, преобразующего длину волны, для производства устройств, которые излучают белый свет с хорошей цветопередачей и высокой эффективностью и высокой световой эффективностью.
3
5
12
3
5
12
3
5
12
x
y
z
3
6
12
2
2
5
8
2
2
2
3+
3+
2+
2+
2+
2+
Примеры обычных сочетаний включают излучающий синий свет LED в сочетании с излучающим желтый свет преобразующим длину волны материалом, излучающий синий свет LED в сочетании с излучающими зеленый и красный свет преобразующими длину волны материалами, излучающий УФ свет LED в сочетании с излучающими синий и желтый свет преобразующими длину волны материалами, излучающий УФ свет LED в сочетании с излучающими синий, зеленый и красный свет преобразующими длину волны материалами. Преобразующие длину волны материалы, излучающие свет других цветов, могут быть добавлены для подстройки спектра света, излучаемого устройством. Примеры подходящих преобразующих длину волны материалов включают (Lu,Y,Gd)(AlGa)O:CePr, LuAlO:Ce, YAlOCe, (Sr,Ca,Ba)SiNO:Eu (x=1,5-2,5, y=1,5-2,5, z=1,5-2,5), (Ba,Ca,Sr)SiONEu, (Sr,Ca,Ba)SiNEu и SrSiNO:Eu.
Фиг. 4 изображает вариант осуществления изобретения, включающий LED 10 и полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны. Полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, является, по меньшей мере, одним эпитаксиально выращенным полупроводниковым слоем. В отличие от активной области LED 10, которая приводится в действие электрически, что означает, что она излучает свет при прямом смещении на n- и p-контактах, полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, приводится в действие оптически, что означает, что он поглощает свет с первой длиной волны (свет из активной области LED 10) и в ответ на это излучает свет со второй, более длинной длиной волны. Полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, электрически пассивен, и, следовательно, нет необходимости соединять его с металлическими контактами. Как вариант, к полупроводниковому элементу 12, преобразующему длину волны, могут быть добавлены добавки таким образом, чтобы он стал электропроводным и мог являться частью электропроводного пути n- или p-контакта LED 10.
Полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, выращивается на LED 10 или на отдельной подложке для выращивания. В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, выращивается на отдельной подложке для выращивания независимо от выращивания и обработки LED 10. Полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, может быть соединен с LED 10 посредством соединяющего слоя 11, или может быть непосредственно соединен с LED 10 без промежуточного соединяющего слоя. После соединения с LED 10 или с другой структурой для механической поддержки, подложка для выращивания полупроводникового элемента 12, преобразующего длину волны, может остаться частью устройства или может быть удалена при помощи любой подходящей технологии, такой как травление, шлифование, плавление лазером и срезание.
В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, является одним светоизлучающим слоем. Фиг. 5 изображает полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, из множества слоев. В структуре, изображенной на Фиг. 5, три светоизлучающих слоя 32 разделены барьерными слоями 34. Больше или меньше светоизлучающих слоев 32 может быть использовано. Например, светоизлучающие слои 32 и барьерные слои 34 могут формировать структуру с множеством квантовых ям или структуру сверхрешетки. Светоизлучающие слои 32 и барьерные слои 34 расположены между двумя необязательными покрывающими или ограничивающими слоями 30. Ограничивающие слои 30 могут иметь тот же состав, те же добавки и толщину, что и барьерный слой 34, или могут отличаться. В некоторых вариантах осуществления светоизлучающая область 33 полупроводникового элемента 12, преобразующего длину волны, является одним светоизлучающим слоем 32, расположенным между двумя ограничивающими слоями 30, как двойная гетероструктура или гетероструктура с одиночной квантовой ямой, например.
Полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, может быть сконструирован таким образом, чтобы минимизировать поглощение в несветоизлучающих слоях, таких как ограничивающие слои 30 и барьерные слои 34, например, для эффективного преобразования или передачи света от LED 10 с минимальными потерями, и чтобы максимизировать выход преобразованного света. Для полного преобразования все фотоны, излучаемые LED 10 (УФ, синего, зеленого и/или желтого света, например) и падающие на полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, могут быть поглощены для генерации фотонов преобразованного света (зеленого, желтого и/или красного, например), при этом минимизируя потери и максимизируя эффективность преобразования.
transmitted
0
-
x
Ограничивающие слои 30, барьерные слои 34 и светоизлучающие слои 32 все способны поглощать свет от LED 10, но обычно только светоизлучающие слои излучают свет. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления желательно максимизировать толщину светоизлучающих слоев относительно толщины не светоизлучающих ограничивающих слоев и барьерных слоев. Общая толщина полупроводникового элемента, преобразующего длину волны, влияет на количество света от LED 10, поглощенное элементом, преобразующим длину волны, по закону Беера в соответствии с выражением I=Ieα, где х является толщиной поглощающего свет материала (полупроводникового элемента, преобразующего длину волны), а α является коэффициентом поглощения. Если элемент, преобразующий длину волны, слишком толстый, свет из LED 10 не будет проходить через него. В некоторых вариантах осуществления светоизлучающий слой включает дефекты, которые выступают в роли центров неизлучающих рекомбинаций. Если светоизлучающие слои слишком толстые, неизлучающая рекомбинация может преобладать над излучающей рекомбинацией, что сделает эффективность полупроводникового элемента, преобразующего длину волны, нежелательно низкой. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления ограничивающие слои имеют поверхности, которые выступают в роли приемника для рекомбинации носителей. Если ограничивающие слои слишком тонкие, носители выходят из светоизлучающих слоев и распределяются по поверхностям ограничивающих слоев, где они рекомбинируют без излучения, уменьшая эффективность полупроводникового элемента, преобразующего длину волны.
6
0,5
0,5
4
2
x
Пассивация поверхности полупроводникового элемента, преобразующего длину волны, может уменьшить плотность поверхностных состояний и уменьшить поверхностную рекомбинацию. Пассивация поверхности может быть особенно важна для ограничивающих слоев с высоким содержанием Al, которые могут иметь высокие скорости поверхностной рекомбинации (например, порядка 10 см/с для InAlP). Пассивация поверхности полупроводникового элемента, преобразующего длину волны, может пассивировать свободные связи и дефекты поверхности полупроводника и может уменьшить поверхностную рекомбинацию. Примеры подходящих материалов и технологий для пассивации поверхности включают серу, примененную, например, для обработки (NH)S, пассивацию водородом, пассивацию кислородом, пассивацию азотом и формирование собственного оксида.
18
-3
x
1-x
0,5
0,5
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, один несветоизлучающий слой в полупроводниковом элементе 12, преобразующем длину волны, такой как ограничивающий слой 30 или барьерный слой 34, например, является материалом из содержащего алюминий III-фосфида или III-арсенида, таким как AlInGaP, AlInGaAs или AlInP. Содержание Al в AlInGaP и AlInP слоях может быть высоким (Al≥50, например). Барьерные слои 34 и/или покрывающие слои 30 могут являться AlInGaP или AlInP слоями без специальных добавок или с небольшим содержанием n-добавок (например, с концентрацией добавок менее 10 см). Эти барьерные слои 34 и покрывающие слои 30, предпочтительно, тонкие, например, с толщиной менее 2000 Å в некоторых вариантах осуществления и менее 1000 Å в некоторых вариантах осуществления. В некоторых вариантах осуществления покрывающий слой 30, расположенный ближе всего к LED 10, имеет толщину менее 1000 Å. Покрывающий слой 30 напротив LED может быть толще и может иметь толщину, равную 1 мкм или более, например. В некоторых вариантах осуществления светоизлучающий слой 32 является (AlGa)InP, по строению решетки совпадая с GaAs. Такой светоизлучающий слой покрывает интервал длин волн от зеленого до красного (от порядка 5300 Å или 2,33 эВ для x=1 до порядка 6600 Å или 1,89 эВ для х=0). GaP с 4% несоответствием структуры кристаллической решетки с GaAs, например, может быть использован в качестве ограничивающего слоя 30, барьерного слоя 34 или светоизлучающего слоя 32. Общая толщина светоизлучающих слоев в полупроводниковом элементе, преобразующем длину волны, находится в интервале между 10 нм и 3 мкм в некоторых вариантах осуществления, между 20 нм и 1 мкм в некоторых вариантах осуществления, равна, по меньшей мере, 10 нм в некоторых вариантах осуществления и находится в интервале между 50 и 100 нм в некоторых вариантах осуществления.
0,24
0,43
0,33
0,33
0,67
0,70
0,30
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, один светоизлучающий слой 32 полупроводникового элемента 12, преобразующего длину волны, является полупроводником из II-VI соединения, таким как CdMgZnSe, близко схожим по структуре кристаллической решетки с InP, который покрывает диапазон длин волн от синего до красного (от 4600 Å до 6300 Å). Примеры подходящих светоизлучающих слоев 32 описаны в заявке US 2007/0284565, которая включена сюда в виде ссылки. В II-VI вариантах осуществления ограничивающий слой 30 может быть толще, если сочетание подстроено таким образом, чтобы оно было прозрачным для приводящей в действие длины волны, например CdMgZnSe имеет ширину запрещенной зоны, равную 2,6 эВ или 4800 Å. Светоизлучающий слой или слои 32 могут быть точно подстроены для желаемой преобразованной длины волны, например от CdZnSe, излучающего зеленый свет при 2,3 эВ или 5400 Å, до CdZnSe, который излучает красный свет при 1,9 эВ или 655 нм. Как и в III-V вариантах осуществления, описанных выше, II-VI преобразователь длины волны может иметь светоизлучающую область, которая имеет структуру с множеством квантовых ям, структуру сверхрешетки, структуру одного слоя, двойную гетероструктуру или гетероструктуру с одиночной квантовой ямой, например.
В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, включает основание 35 для добавления толщины и механической прочности структуре. Любой относительно прозрачный, полупрозрачный, рассеивающий или преобразующий длину волны материал, такой как сапфир, стекло, SiC, ScAlMgO, ZnS, ZnSe, GaP, керамика, керамический люминофор, люминофор или рассеивающий материал в стекле, или полимер, может быть использован. В таких вариантах осуществления общая толщина полупроводникового элемента, преобразующего длину волны, может быть равна 20 мкм или более. В других вариантах осуществления общая толщина полупроводникового элемента 12, преобразующего длину волны, равна 5 мкм или менее. В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, включает основание 35, включающее в себя керамический люминофор. В некоторых вариантах осуществления основание 35 является оптическим элементом, таким как линза. Например, основание 35 может являться полусферической линзой или линзой Френеля. В некоторых вариантах осуществления, например, если основание 35 является линзой, диаметр основания 35 может быть больше длины края или диагонали LED 10.
Полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, может являться отдельно стоящей структурой, которая соединена с LED 10, основанием 35 или другим слоем или материалом, таким как керамический люминофор, например. Материал полупроводникового элемента, преобразующего длину волны, может быть также расколот, поломан, раскрошен или измельчен и добавлен в связующий материал, такой как силикон, золь-гель или соединяющий материал или слой, такие как перечисленные ниже, например. Полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, может являться квантовыми точками или наночастицами.
Соединяющий слой 11 может являться любым подходящим материалом, таким как хлорид свинца, бромид свинца, фторид кальция, фторид цинка, оксид алюминия, сурьмы, висмута, бора, свинца, лития, фосфора, калия, кремния, натрия, теллура, таллия, вольфрама или цинка, или любая из их смесей. Соединяющий слой 11 может также включать III-V полупроводники, включая, но не ограничивая этим, арсенид галлия, нитрид галлия, фосфид галлия, фосфид индия и галлия; II-VI полупроводники, включая, но не ограничивая этим, селенид кадмия, сульфид кадмия, теллурид кадмия, сульфид цинка, селенид цинка и теллурид цинка; группу IV полупроводников и соединений, включая, но не ограничивая этим, германий, кремний и карбид кремния; органические полупроводники, оксиды, оксиды металлов и оксиды редкоземельных металлов, включая, но не ограничивая этим, оксид алюминия, сурьмы, мышьяка, висмута, бора, кадмия, церия, хрома, кобальта, меди, галлия, германия, индия, индия и олова, свинца, лития, молибдена, неодима, никеля, ниобия, фосфора, калия, кремния, натрия, теллура, таллия, титана, вольфрама, цинка или циркония; оксигалогениды, такие как оксихлорид висмута; фториды, хлориды и бромиды, включая, но не ограничивая этим, фториды, хлориды и бромиды кальция, свинца, магния, калия, натрия и цинка; металлы, включая, но не ограничивая этим, индий, магний, олово и цинк; иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), соединения фосфидов, соединения арсенидов, соединения антимонидов, соединения нитридов, органические соединения с большим показателем; и их смеси и сплавы. Показатель преломления соединяющего слоя 11 может быть больше 1,5 в некоторых вариантах осуществления, больше 1,6 в некоторых вариантах осуществления, больше 1,7 в некоторых вариантах осуществления, больше 1,8 в некоторых вариантах осуществления, больше 1,9 в некоторых вариантах осуществления, больше 2,0 в некоторых вариантах осуществления, больше 2,1 в некоторых вариантах осуществления или больше 2,2 в некоторых вариантах осуществления.
Соединяющий слой 11 может быть, в основном, свободен от традиционных связывающих веществ, таких как эпоксидные смолы, так как связывающие вещества склонны иметь низкие показатели преломления. Соединяющий слой 11 может также быть сформирован из материала с низким показателем преломления, т.е. из материала, имеющего показатель преломления менее порядка 1,5 при длинах волн, излучаемых матрицей LED. Фторид магния, например, является одним из таких соединяющих материалов. Оптические стекла, эпоксидные смолы и силиконы с низким показателем также могут являться подходящими соединяющими материалами с низким показателем.
Соединяющий слой 11 может быть также сформирован из стеклянного соединяющего материала, такого как стекло Schott LaSFN35, LaF10, NZK7, NLAF21, LaSFN18, SF59 или LaSF3, или стекло Ohara SLAH51, или SLAM60, или их смесей. Соединяющий слой 11 может быть также сформирован из стекол с высоким показателем, таких как (Ge, As, Sb, Ga)(S, Se, Te, F, Cl, I, Br) халькогенид или халькоген-галогенидные стекла, например. Материалы с более низким показателем, такие как стекло или полимеры, могут быть использованы. Смолы как с высоким показателем, так и с низким показателем, такие как силиконы и силоксаны доступны у производителей, таких как Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Токио, Япония. Боковые цепи скелета силоксана могут быть модифицированы для изменения показателя преломления силикона.
Соединяющий слой 11 может быть нанесен с использованием любого подходящего способа, включая выпаривание, разбрызгивание, химическое осаждение из паровой среды, распыление, печать, нанесение напылением, нанесение центрифугированием, шаберное нанесение. Соединяющие материалы с высоким показателем могут быть нанесены в жидкой форме, и могут оставаться жидкими вплоть до момента соединения, или могут быть частично отверждены или превращены в гель в момент соединения, или могут являться твердыми веществами, которые обладают повышенной клейкостью при нагревании, для обеспечения легкого соединения. Соединяющий материал с высоким показателем может реагировать с формированием затвердевшей связи, которая может варьироваться от гелеобразного состояния до состояния жесткой смолы.
В некоторых вариантах осуществления необязательный второй элемент 14, преобразующий длину волны, расположен над полупроводниковым элементом 12, преобразующим длину волны. Необязательный второй элемент 14, преобразующий длину волны, может являться любым из описанных выше преобразующих длину волны материалов. Необязательный соединяющий слой 15 может соединять второй элемент 14, преобразующий длину волны, с полупроводниковым элементом 12, преобразующим длину волны, или они могут быть соединены непосредственно без промежуточного соединяющего слоя, или они могут быть расположены на расстоянии друг от друга. Соединяющий слой 15 может быть сформирован из материалов и способами, описанными выше для соединяющего слоя 11. Соединяющий слой 15 не обязательно должен быть из того же материала, что и соединяющий слой 11. В некоторых вариантах осуществления расположения полупроводникового элемента 12, преобразующего длину волны, и второго элемента 14, преобразующего длину волны, были изменены друг на друга, таким образом, что второй элемент 14, преобразующий длину волны, расположен между LED 10 и полупроводниковым элементом 12, преобразующим длину волны.
В некоторых вариантах осуществления LED 10 излучает синий свет, полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, поглощает синий свет и излучает красный свет, второй элемент 14, преобразующий длину волны, является пластиной из керамического люминофора, которая поглощает синий свет и излучает желтый или зеленый свет. В некоторых вариантах осуществления поверхность выхода света (часто верхняя поверхность) верхнего элемента, преобразующего длину волны, (второго элемента 14, преобразующего длину волны, в конфигурации, изображенной на Фиг. 4) делается шероховатой или структурируется для улучшения извлечения света, например, путем травления с или без дополнительных этапов фотолитографии или печати.
В некоторых вариантах осуществления необязательный элемент 16 извлечения света расположен над верхним элементом, преобразующим длину волны. Примеры элемента 16 извлечения света включают блок или пластину с шероховатой или структурированной верхней и/или нижней поверхностью, или оптический элемент, такой как линза. В некоторых вариантах осуществления элемент 16 извлечения света имеет показатель преломления, близко совпадающий с показателем второго элемента 14, преобразующего длину волны, полупроводникового элемента 12, преобразующего длину волны, или LED 10. Необязательный соединяющий слой 17 может соединять элемент 16 извлечения света с верхним элементом, преобразующим длину волны, или они могут быть непосредственно соединены без промежуточного соединяющего слоя, или они могут находиться на расстоянии друг от друга. Соединяющий слой 17 может быть сформирован из материалов и способами, описанными выше для соединяющего слоя 11. Соединяющий слой 17 не обязательно должен быть из того же материала, что и соединительный слой 11 и/или 15. В некоторых вариантах осуществления показатель преломления соединяющего слоя 17 близко совпадает с показателем второго элемента 14, преобразующего длину волны, или LED 10. Показатели преломления элемента 16 извлечения света и соединяющего слоя 17, соединяющего слоя 11 или соединяющего слоя 15 могут быть больше 1,5 в некоторых вариантах осуществления, больше 1,6 в некоторых вариантах осуществления, больше 1,7 в некоторых вариантах осуществления, больше 1,8 в некоторых вариантах осуществления, больше 1,9 в некоторых вариантах осуществления, больше 2,0 в некоторых вариантах осуществления, больше 2,1 в некоторых вариантах осуществления или больше 2,2 в некоторых вариантах осуществления. Показатель преломления элемента 16 извлечения света и соединяющего слоя 17 может быть равен или менее 2,4 в некоторых вариантах осуществления или равен или менее 3,5 в некоторых вариантах осуществления. В некоторых вариантах осуществления элемент 16 извлечения света может быть больше LED 10 и может выходить за края LED 10. Например, если элемент 16 извлечения света является линзой, диаметр линзы может быть больше длины края или диагонали LED 10.
В некоторых вариантах осуществления верхняя поверхность одного, некоторых или всех из LED 10, полупроводникового элемента 12, преобразующего длину волны, и второго элемента 14, преобразующего длину волны, сделана шероховатой, текстурирована или структурирована, например, посредством механического полирования, сухого травления, фотоэлектрохимического травления, формования, шлифования, механической обработки, штампования, горячего штампования или химического полирования.
В некоторых вариантах осуществления один или более из соединяющих слоев 11, 15 и 17 включает люминесцентный материал, который преобразует свет с длинами волн, излучаемых активной областью LED 10, в свет с другими длинами волн. Люминесцентный материал может являться традиционными частицами люминофора, органическими полупроводниками, II-VI или III-V полупроводниками, II-VI или III-V полупроводниковыми квантовыми точками или нанокристаллами, красителями, полимерами или материалами, такими как GaN, которые обеспечивают люминесценцию. Если соединяющий слой включает традиционные частицы люминофора, соединяющий слой должен быть достаточно толстым для того, чтобы вмещать частицы, обычно имеющие размер от порядка 5 микронов до порядка 50 микронов.
В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, структурирован, как изображено на Фиг. 7, 8 и 9. Например, полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, может быть структурирован таким образом, чтобы он включал, по меньшей мере, две первые области полупроводникового преобразующего длину волны материала, и по меньшей мере, одну вторую область без полупроводникового преобразующего длину волны материала, расположенную между первыми областями.
В устройстве с Фиг. 7 полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, структурирован таким образом, чтобы он формировал области 46 преобразующего длину волны материала и области 48 без преобразующего длину волны материала. Полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, может быть выборочно сформирован только в определенных областях путем, например, нанесения по шаблону или трафаретной, или струйной печати или сформирован в виде единого листа материала, из которого области 48 удаляются с помощью, например, традиционных литографических технологий. Свет с преобразованной длиной волны излучается областями 46, а непреобразованный свет из LED 10 излучается областями 48. В одном примере устройства, изображенного на Фиг. 7, LED 10 излучает синий свет, а области 46 излучают желтый свет, таким образом, чтобы смешанный свет был белым. В другом примере устройства, изображенного на Фиг. 7, LED 10 излучает синий свет, области 46 излучают желтый или зеленый свет и устройство совмещено с излучающей красный свет частью, преобразующей длину волны, которая расположена отдельно от устройства с Фиг. 7. В другом примере устройства, изображенного на Фиг. 7, LED 10 излучает синий свет, области 46 излучают красный свет и устройство совмещено с излучающей желтый или зеленый свет частью, преобразующей длину волны, которая расположена отдельно от устройства с Фиг. 7. Добавление красного света к синему и желтому или зеленому свету может обеспечить более теплый белый свет и может обеспечить лучшую цветопередачу по сравнению с устройством без красного света.
В устройстве, изображенном на Фиг. 8, структурированный полупроводниковый элемент 12, преображающий длину волны, сформирован на необязательной вспомогательной части 51. Структурированный полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, включает области 46 преобразующего длину волны материала и области 50 другого материала. В некоторых вариантах осуществления области 50 являются прозрачным, полупрозрачным или рассеивающим материалом, таким как силикон, который заполняет промежутки между областями 46. В некоторых вариантах осуществления области 50 являются другим преобразующим длину волны материалом, который излучает свет другого цвета. Области 50 могут являться другим полупроводниковым преобразующим длину волны материалом или другим преобразующим длину волны материалом, таким как люминофор. Например, области 46 могут излучать желтый или зеленый свет, а области 50 могут излучать красный свет, или наоборот. Вспомогательная часть может являться, например, другим элементом, преобразующим длину волны, таким как керамический люминофор, или вспомогательной частью, не преобразующей длину волны, как описано выше. В одном примере устройства, изображенного на Фиг. 8, вспомогательная часть 51 является керамическим люминофором, который излучает желтый или зеленый свет, и области 46 являются полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны, который излучает красный свет. В данном примере области 50 являются прозрачным материалом или опущены, оставляя промежутки между областями 46. Например, синий свет, излучаемый LED 10, может смешиваться с желтым или зеленым светом, излучаемым керамическим люминофором 51, и красным светом, излучаемым полупроводниковым элементом 12, преобразующим длину волны, для формирования белого света. В другом примере синий свет, излучаемый LED 10, может смешиваться с желтым или зеленым светом, излучаемым полупроводниковым элементом 12, преобразующим длину волны, и красным светом, излучаемым керамическим люминофором 51, для формирования белого света. В другом примере УФ свет, излучаемый LED 10, может смешиваться с синим светом, излучаемым керамическим люминофором 51, и желтым или зеленым светом, излучаемым полупроводниковым элементом 12, преобразующим длину волны, для формирования белого света. Вспомогательная часть 51 может находиться между LED 10 и структурированным полупроводниковым элементом 12, преобразующим длину волны, как изображено на Фиг. 8, или может быть напротив LED 10 со структурированным полупроводниковым элементом 12, преобразующим длину волны, между ними.
В устройстве, изображенном на Фиг. 9, структурированный полупроводниковый элемент 12, преобразующий длину волны, включает в себя три различных области 50, 52 и 54. В некоторых вариантах осуществления все три области 50, 52 и 54 являются различными преобразующими длину волны материалами, по меньшей мере, один из которых является полупроводником. В некоторых вариантах осуществления две из областей 50, 52 и 54 являются различными элементами, преобразующими длину волны, а третья область из 50, 52 и 54 является элементом, не преобразующим длину волны, или прозрачным материалом, или промежутком без материала между двумя областями из 50, 52 и 54. В некоторых вариантах осуществления только два типа областей из двух различных преобразующих длину волны материалов включены, а третий тип области опущен. В одном примере устройства, изображенного на Фиг. 9, LED 10 излучает синий свет, одна из областей 52 и 54 является полупроводниковым преобразующим длину волны материалом, области 52 являются полупроводниковым материалом или люминофором, который излучает красный свет, области 54 являются полупроводниковым материалом или люминофором, который излучает желтый или зеленый свет, а области 50 опущены. В другом примере устройства, изображенного на Фиг. 9, LED 10 излучает синий свет, одна из областей 52 и 54 является полупроводниковым преобразующим длину волны материалом, области 52 являются полупроводниковым материалом или люминофором, который излучает красный свет, области 54 являются полупроводниковым материалом или люминофором, который излучает желтый или зеленый свет, а области 50 являются прозрачным материалом или промежутком, который позволяет синему свету из LED 10 выходить без преобразования.
Структурированные полупроводниковые элементы, преобразующие длину волны, изображенные на Фиг. 7, 8 и 9, могут быть совмещены с любыми другими особенностями изобретения, описанными здесь. Структурированные полупроводниковые элементы, преобразующие длину волны, изображенные на Фиг. 7, 8 и 9, могут быть расположены отдельно от LED 10, а не расположены на LED 10, как это изображено.
Фиг. 6 изображает источник света для генерации белого света. Устройство 41, которое генерирует красный свет, совмещено с устройством 42, которое генерирует зеленый свет, и устройством 43, которое генерирует синий свет. Любое из устройств 41, 42, 43 может являться любым из устройств, описанных выше, или может включать некоторые или все особенности, описанные выше. Устройства 42 и 43, которые генерируют зеленый и синий свет могут являться, например, III-нитридными светоизлучающими диодами. Свет от этих диодов может иметь преобразованную или непреобразованную длину волны. Например, устройство 42, которое генерирует зеленый свет, может являться LED, излучающим синий или УФ цвет, совмещенным с излучающим зеленый свет элементом, преобразующим длину волны. Устройство 41, которое генерирует красный свет, включает LED, совмещенный с полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны, который излучает красный свет, и может быть таким, как описано выше со ссылкой на Фиг. 4 и 5. LED может излучать зеленый, синий или УФ свет. Полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, сконфигурирован таким образом, чтобы достаточное количество света, излучаемого LED, преобразовывалось для того, чтобы свет из устройства 41 был красным. В некоторых вариантах осуществления все устройства 41, 42 и 43 являются перевернутыми кристаллами.
В некоторых вариантах осуществления с Фиг. 6 устройство 43 опущено. Например, устройство 41 может излучать синий свет, который смешивается с желтым или зеленым светом, излучаемым устройством 42. Устройство 42 может являться LED, излучающим синий свет, совмещенным с люминофором, керамическим люминофором или полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны, который излучает желтый или зеленый свет. Синий свет от LED может присутствовать или не присутствовать в спектре света, излучаемого устройством 42. В другом примере устройство 41, которое излучает синий свет, и устройство 42, которое излучает желтый или зеленый свет, совмещены с излучающим красный свет люминофором, керамическим люминофором или полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны, для получения источника белого света. В другом примере излучающее желтый или зеленый свет устройство 41 совмещено с излучающим красный и синий свет устройством 42 для получения источника белого света. Излучающее желтый и зеленый свет устройство 41 может являться LED, который непосредственно генерирует желтый или зеленый свет в III-нитридном или III-фосфидном светоизлучающем слое, или может являться излучающим синий свет LED, совмещенным с излучающим желтый или зеленый свет люминофором, керамическим люминофором или полупроводниковым элементом, преображающим длину волны. Излучающее красный и синий свет устройство 42 может являться излучающим синий свет LED, совмещенным с излучающим красный свет люминофором, керамическим люминофором или полупроводниковым элементом, преображающим длину волны. В другом примере излучающее красный свет устройство 41 совмещено с излучающим желтый или зеленый и синий свет устройством 42 для получения источника белого света. Излучающее красный свет устройство 41 может являться LED, который непосредственно генерирует красный свет, или может являться излучающим синий свет LED, совмещенным с излучающим красный свет люминофором, керамическим люминофором или полупроводниковым элементом, преображающим длину волны. Излучающее желтый или зеленый и синий свет устройство 42 может являться излучающим синий свет LED, совмещенным с излучающим желтый или зеленый свет люминофором, керамическим люминофором или полупроводниковым элементом, преображающим длину волны.
Использование полупроводникового элемента, преображающего длину волны, излучающего красный свет, в сочетании с излучающим синий, зеленый или желтый свет LED может быть использовано для получения красного света с узким спектром, который сложно получить с традиционными люминофорами. Источник красного света с узким спектром может быть использован в источнике белого света, который эффективен и имеет хорошую цветопередачу. Фиг. 10 изображает спектр красного люминофора и полупроводникового элемента, преобразующего длину волны. Толстая линия на Фиг. 10 является спектром излучения красного нитридосиликатного люминофора, имеющего полную ширину на половине амплитуды (FWHM), равную порядка 100 нм. Тонкая линия на Фиг. 10 является спектром излучения излучающего красный свет полупроводникового элемента, преобразующего длину волны, имеющего FWHM, равную порядка 25 нм или менее.
Сочетания полупроводниковых элементов, преобразующих длину волны, и полупроводниковых светоизлучающих устройств, описанных здесь, могут эффективно излучать красный свет с желаемой узкой шириной спектра, которой современные люминофоры достичь не могут. В связи с ограничениями люминофоров в области генерации красного света, традиционные источники белого света часто совмещают устройства из различных систем материалов, таких как, например, III-нитридные устройства для генерации синего света и зеленого света, с III-фосфидными или III-арсенидными устройствами для генерации красного света. Устройства из различных систем материалов могут иметь различные рабочие характеристики и конфигурации, такие как эффективность как функция от тока (уменьшения) или температуры (горячий/холодный показатель), прямое напряжение, прямая и обратная пропускная возможность по току, рассеивание тепла и способность выдерживать температуру. Кроме того, сложности могут возникнуть в результате сочетания устройств с различными размерами оснований, различными размерами кристаллов и различной геометрией, как при совмещении вертикальных кристаллов с перевернутыми кристаллами. Напротив, в вариантах осуществления данного изобретения источник белого света может быть сформирован только из III-нитридных устройств. Красный свет с узким спектром может генерироваться III-нитридным устройством в сочетании с полупроводниковым элементом, преобразующим длину волны. Такой источник света может быть сформирован с оптимальным цветом, эффективностью и рабочими характеристиками.
На основе подробного описания изобретения специалистам в данной области будет понятно, что на основе данного раскрытия модификации изобретения могут выполняться без отклонения от сущности изобретения, описанной здесь. Таким образом, отдельные варианты осуществления, изображенные или описанные, не означают ограничения объема изобретения.