СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ ФИЛЬТР (ВАРИАНТЫ)
LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING FILTER (VERSIONS)

Данное изобретение касается полупроводниковых светоизлучающих устройств, содержащих фильтр.
Полупроводниковые светоизлучающие устройства, такие как светоизлучающие диоды (СИД), находятся среди наиболее эффективных источников света, доступных в настоящее время. Системы материалов, вызывающие сейчас интерес в производстве СИД высокой яркости, способных работать в видимом спектре, включают в себя полупроводники группы III-V, в частности двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, также называемые III-нитридными материалами; и двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия, мышьяка и фосфора. Часто III-нитридные устройства эпитаксиально выращивают на сапфире, карбиде кремния или III-нитридных подложках, а III-фосфидные устройства эпитаксиально выращивают на арсениде галлия с помощью химического осаждения из паров металлоорганического соединения (МОХПО), эпитаксии молекулярным пучком (МПЭ) или других технологий эпитаксии. Часто область n-типа осаждают на подложке, затем активную область осаждают на области n-типа, затем область р-типа осаждают на активной области. Порядок слоев может быть обратным, так что область р-типа соседствует с подложкой.
Цвет света, излучаемого от кристалла полупроводникового светоизлучающего устройства, такого как светоизлучающий диод, может изменяться путем расположения преобразующего длину волны материала на пути света, выходящего из кристалла. Преобразующий длину волны материал может быть, например, люминофором. Люминофоры являются люминесцентными материалами, которые могут поглощать энергию возбуждения (обычно лучевую энергию) и сохранять эту энергию в течение некоторого периода времени. Сохраненная энергия затем испускается в виде излучения с иной энергией, чем энергия исходного возбуждения. Например, "преобразование с понижением" относится к ситуации, когда испускаемое излучение имеет меньший квант энергии, чем исходное возбуждающее излучение. Длина волны существенно увеличивается, смещая цвет света в красную сторону.
3
5
12
3
Обычным способом изготовления светоизлучающего устройства, которое испускает белый свет, является объединение люминофора, такого как YAlO:Ce+, который излучает желтый свет, с синим СИД кристаллом, который излучает синий свет. Комбинация желтого люминофор-преобразованного света и не преобразованного синего света через слой люминофора выглядит белой. Цветовые характеристики комбинированного света регулируются путем выбора СИД, который излучает синий свет конкретной длины волны, и путем изменения толщины слоя люминофора, чтобы регулировать величину просачивания синего света и величину люминофорного преобразования. Этот подход является неэффективным, так как большое число СИД, которые излучают синий свет с длиной волны вне желаемого диапазона, не используется, и дает большие вариации коррелированной температуры цвета (КТЦ) данного света, поскольку трудно точно регулировать величину синего просачивания и люминофорного преобразования. КТЦ люминофор-преобразующих СИД, продаваемых сейчас, может варьировать от 5500 К до 8500 К. Различимые различия цвета зависят от КТЦ комбинированного света. При 6500 К различие в 300 К заметно для наблюдателя. Большое изменение КТЦ между частями неприемлемо для многих приложений.
Согласно вариантам осуществления данного изобретения обеспечивается полупроводниковая структура, включающая в себя светоизлучающую область, расположенную между областью n-типа и областью р-типа. Светоизлучающая область сформирована так, чтобы излучать первый свет, синий свет в некоторых вариантах осуществления. Преобразующий длину волны материал, сформированный так, чтобы поглощать часть первого света и излучать второй свет, желтый свет в некоторых вариантах осуществления, располагается на пути первого света. Фильтр располагается на пути первого и второго света. В некоторых вариантах осуществления данный фильтр поглощает или отражает часть первого света при интенсивности, большей, чем заданная интенсивность. В некоторых вариантах осуществления фильтр поглощает или отражает часть второго света. В некоторых вариантах некоторое количество фильтрующего материала располагается на пути первого и второго света, затем КТЦ первого и второго света, проходящего через фильтр, детектируется. Больше фильтрующего материала может быть добавлено, или фильтрующий материал может быть удален, чтобы корректировать определенный КТЦ к заданному КТЦ.
Фильтры согласно вариантам осуществления данного изобретения могут быть использованы, чтобы корректировать КТЦ белого света, образуемого путем объединения сине-излучающего полупроводникового светоизлучающего устройства с желто-излучающим люминофором.
Фиг.1 представляет собой график интенсивности и КТЦ как функции толщины люминофора для синего и желтого света, излучаемого в устройстве, объединяющем сине-излучающий СИД с желто-излучающим люминофором.
Фиг.2 представляет собой график выходной интенсивности потока как функции входной интенсивности потока для фильтрующего материала согласно вариантам осуществления данного изобретения.
Фиг.3 показывает конформный, преобразующий длину волны слой и конформный фильтрующий слой, расположенные над тонкопленочным полупроводниковым светоизлучающим устройством с перевернутым кристаллом.
Фиг.4 показывает керамический, преобразующий длину волны слой и фильтрующий слой, расположенные над тонкопленочным полупроводниковым светоизлучающим устройством с перевернутым кристаллом.
Фиг.5 показывает фильтрующий слой, расположенный над линзой, расположенной над люминофор-преобразующим полупроводниковым светоизлучающим устройством.
Фиг.6 показывает фильтрующий материал, расположенный в герметике, расположенном над люминофор-преобразующим полупроводниковым светоизлучающим устройством.
Согласно вариантам осуществления данного изобретения светоизлучающее устройство включает в себя фильтр для отфильтровывания любого нежелательного света из спектра, излучаемого данным устройством. Применение фильтра может придавать улучшенный контроль КТЦ комбинированного света, излучаемого люминофор-преобразующим полупроводниковым светоизлучающим устройством.
КТЦ комбинированного света, излучаемого сине-излучающим светоизлучающим устройством, объединенным с желто-излучающим люминофором, может изменяться путем изменения длины волны синего света, излучаемого устройством, количества синего света в комбинированном свете и количества желтого света в комбинированном свете.
В некоторых вариантах осуществления фильтрующий материал изменяет КТЦ комбинированного света путем запирания определенного количества синего света в комбинированном свете. Настоящие изобретатели обнаружили, что интенсивность света, излучаемого люминофором, линейно меняется с толщиной люминофора, тогда как интенсивность непреобразованного света, проходящего через люминофор, меняется экспоненциально с толщиной люминофора. Фиг.1 представляет собой график интенсивности и КТЦ как функции толщины слоя люминофора для синего (ромбы на фиг.1) и желтого (квадраты на фиг.1) света в люминофор-преобразующем светоизлучающем устройстве. Треугольники показывают КТЦ комбинированного света. Как показано на фиг.1, когда толщина люминофора увеличивается, интенсивность желтого света в комбинированном свете падает линейно. Когда толщина люминофора увеличивается, интенсивность синего света в комбинированном свете падает экспоненциально. Нелинейное отношение между толщиной люминофора и интенсивностью синего света делает получение желаемой интенсивности синего света особенно трудным.
Фиг.2 показывает поведение фильтрующего материала, способного сдерживать интенсивность синего света. Фиг.2 представляет собой график выходной интенсивности потока как функции выходной интенсивности потока для фильтрующего материала. Фильтрующий материал, показанный на фиг.2, является прозрачным ниже заданного порога входной интенсивности. Когда порог входной интенсивности достигается, фильтрующий материал становится непрозрачным для любого света за порогом интенсивности. Таким образом, фильтрующий материал перекрывает интенсивность синего света, излучаемого из данного устройства, на пороговом уровне, часто с помощью способа, называемого обратным предельным поглощением.
Подходящие фильтрующие материалы, способные перекрывать интенсивность синего света на заданном пороговом уровне, могут быть органическими или неорганическими и включают в себя фуллерены, гидротермальные цинк-оксидные кристаллы и декорированные дендритами порфирины.
Преобразующий длину волны слой устройства, использующего фильтрующий материал, способный перекрывать интенсивность синего света на заданном пороговом уровне, может быть сконструирован так, что преобразующий длину волны слой функционирует при пиковой эффективности независимо от количества синего света, проходящего через преобразующий длину волны слой. В целом, эффективность люминофор-преобразующих светоизлучающих устройств в величинах люменов света, извлекаемого на единицу подаваемой электрической энергии, увеличивается, когда количество синего света, проходящего через люминофорный слой, увеличивается, так как люминофор более эффективно генерирует свет при меньшем поглощении, и так как люминофорный слой тоньше, так что меньше света теряется на обратное рассеяние и позднейшее поглощение люминофорным слоем или полупроводниковым устройством. В таком устройстве с тонким люминофорным слоем, который позволяет значительное прохождение синего света, фильтрующий материал, способный перекрывать интенсивность синего света на заданном пороговом уровне, может использоваться, чтобы удалять избыточный, нежелательный синий свет из спектра, так что комбинированный свет, пропускаемый фильтрующим материалом, имеет желаемый КТЦ.
Фильтрующий материал, способный перекрывать интенсивность синего света на заданном пороговом уровне, также может быть использован, чтобы линеаризовать отношение между толщиной люминофорного слоя и интенсивностью синего света, проходящего через люминофор, показанное на фиг.1. Когда используется такой фильтрующий материал, КТЦ комбинированного света можно легче регулировать с помощью толщины люминофорного слоя, так как интенсивность синего света и, следовательно, КТЦ менее чувствительны к небольшим изменениям толщины люминофорного слоя, когда отношение между толщиной люминофорного слоя и интенсивностью синего света является скорее линейным, чем экспоненциальным.
В некоторых вариантах осуществления фильтрующий материал изменяет КТЦ комбинированного света путем изменения длины волны синего света или путем изменения относительных количеств синего и желтого света в комбинированном свете. В таких вариантах осуществления фильтрующий материал может представлять сбой один или несколько красителей или пигментов, находящихся в прозрачном материале. В некоторых примерах фильтрующий материал включает в себя один или несколько неорганических пигментов, которые обычно устойчивы при высоком тепловом и высоком световом потоке от светоизлучающего устройства. Подходящие пигменты могут включать в себя Bayferrox или оксидно-хромовые пигменты, доступные от Lanxess, или Heucodur пигменты, доступные от Heubach. Толщина слоя фильтрующего материала и концентрация красителя или пигмента в слое определяют, как много света поглощается. В некоторых вариантах осуществления фильтрующий слой сформирован так, чтобы ограничивать поглощение фильтром. Например, фильтр может быть сформирован так, чтобы пропускать, по меньшей мере, 50% света, падающего на фильтр, более предпочтительно, по меньшей мере, 70% света, падающего на фильтр. Напротив, типичный фильтр, разработанный так, чтобы изолировать красный, зеленый или синий свет в RGB дисплее, обычно пропускает только 30% света, падающего на фильтр.
В одном примере, когда преобразующий длину волны материал расположен над устройством, КТЦ комбинации света с преобразованной длиной волны и непреобразованного света измеряют, затем вычисляют требуемые типы и количества пигментов. Фильтрующий слой с требуемыми количествами и типами пигментов затем формируют, например, с помощью струйной печати. Такой способ может выполняться на индивидуальных устройствах, но производительность будет увеличиваться путем выполнения данного способа в партиях. Например, КТЦ могут быть измерены и формирующие слои сформированы перед размещением индивидуальных полупроводниковых устройств на пластине, или перед заполнением пластины с креплениями, на которых расположены индивидуальные полупроводниковые устройства.
В другом примере фильтрующий слой исходно формируют слишком толстым, чтобы создавать желаемый КТЦ. КТЦ данного устройства измеряют в первый раз после формирования фильтрующего слоя, затем фильтрующий материал удаляют регулируемым образом, получая желаемый КТЦ. Альтернативно, фильтрующий слой может быть исходно сформирован слишком тонким для получения желаемого КТЦ, затем КТЦ измеряют и дополнительный фильтрующий материал добавляют регулируемым образом, получая желаемый КТЦ.
В любом из вышеприведенных примеров КТЦ может измеряться много раз и фильтрующий материал добавляться или удаляться после каждого измерения до достижения желаемого КТЦ.
Контролируемый компьютером способ лазерной подгонки может использоваться, чтобы удалять фильтрующий материал, получая желаемый КТЦ. Когда устройства тестируют в партиях, контролируемый компьютером лазер может удалять фильтрующий слой на каждом устройстве на количество, специально подобранное для данного устройства в зависимости от индивидуального КТЦ для этого устройства.
Каждое устройство может тестироваться и фильтрующий материал удаляться в повторяющемся процессе или, когда система откалибрована, т.е. количество фильтрующего материала, который необходимо удалять для получения конкретного изменения КТЦ, известно, каждое устройство может измеряться один раз, и соответствующее количество фильтрующего материала удаляется. В зависимости от количества удаляемого материала, может быть необходимо удалять фильтрующий материал, используя множество проходов, где каждый проход удаляет только небольшое количество материала. Использование множества проходов снижает риск обгорания смолы в фильтрующем материале, если он удаляется лазером.
Лазерное удаление может включать в себя удаление ряда линий или пятен фильтрующего материала, так что толщина слоя фильтрующего материала после удаления является более тонкой в некоторых областях и более толстой в некоторых областях, скорее чем равномерное снижение по всему протяжению фильтрующего материала. В одном варианте осуществления может быть снижение толщины в одном месте и увеличение толщины в другом месте, соответствующем единичному устройству. Фильтрующий материал может быть частично или полностью удален в локализованных областях, так что средняя толщина фильтрующего материала снижается, хотя толщина фильтрующего материала в некоторых областях остается неизменной. Может применяться узор, иной, чем линии и пятна, для изменения толщины преобразующего длину волны элемента.
Пространственная карта КТЦ может быть получена, когда измеряют КТЦ каждого прибора. Пространственная карта КТЦ может быть обеспечена с помощью компьютерного контроля и больших пятен фильтрующего материала, поэтому получается не только желаемый КТЦ, а также КТЦ делается более пространственно однородным.
Способы, иные, чем лазерное удаление, могут быть использованы для удаления фильтрующего материала. Например, фильтрующий материал можно удалять, используя такие технологии, как механическое и/или химическое травление, удаление ионным пучком или электронным пучком.
Фильтры, описанные выше, могут использоваться с любой подходящей конфигурацией светоизлучающего устройства и с любой подходящей конфигурацией преобразующих длину волны слоев. Следует понимать, что данное изобретение не ограничивается материалами, ориентациями устройств или другими деталями, описанными в примерах ниже. Например, варианты осуществления данного изобретения могут применяться к любой подходящей системе материалов светоизлучающего устройства, включая, например, III-V материалы, III-нитридные материалы, III-фосфидные материалы и II-VI материалы. Варианты осуществления данного изобретения могут применяться к любой геометрии устройства, включая тонкопленочные устройства, из которых удаляют растущую подложку, устройства с контактами на противоположных сторонах полупроводниковых слоев и устройства с контактами на той же стороне полупроводниковых слоев, такие как перевернутые кристаллы, где свет извлекается сквозь подложку, и эпитаксиальные структуры, где свет извлекают сквозь контакты. Варианты осуществления данного изобретения могут применяться к преобразующему длину волны слою любого типа, содержащему преобразующие длину волны материалы, находящиеся в смолах, как описано в патенте США 6351069; монокристаллические люминесцентные подложки, на которых выращивают слои светоизлучающего устройства, как описано в патенте США 6630691; тонкопленочные люминофорные слои, как описано в патенте США 6696703; и конформные слои, осажденные с помощью электрофоретического осаждения, как описано в патенте США 6576488, или трафаретной печати, как описано в патенте США 6650044; люминесцентные керамические слои, как описано в опубликованной патентной заявке США 2005-0269582. Каждый из патентов США 6630691, 6696703, 6576488 и 6650044, а также опубликованная патентная заявка США 2005-0269582, включены сюда посредством ссылки.
Кроме того, конкретные конфигурации фильтрующих материалов не ограничиваются конкретными конфигурациями преобразующих длину волны материалов или полупроводниковых светоизлучающих устройств, с которыми они показаны в описанных ниже вариантах осуществления. Любая подходящая конфигурация фильтра, конфигурация преобразующего длину волны слоя и конфигурация устройства могут объединяться согласно вариантам осуществления данного изобретения.
Фиг.3-6 показывают примеры применимых конфигураций полупроводниковых светоизлучающих устройств, преобразующих длину волны слоев и фильтрующих слоев. Фиг.3. показывает III-нитридное светоизлучающее устройство с установленным перевернутым кристаллом, из которого удалили подложку, включающее в себя конформный, преобразующий длину волны слой и конформный фильтрующий слой. III-нитридное светоизлучающее устройство 10 включает в себя светоизлучающую область 12, расположенную между областью n-типа и областью р-типа. Каждая область из области n-типа, светоизлучающей области и области р-типа включает в себя множество слоев с разными композициями и концентрациями легирующих добавок. Например, области n-типа и р-типа могут включать в себя слои противоположного типа проводимости или слои, которые намеренно не легировали, подготовительные слои, такие как буферные слои или слои зародышеобразования, освобождающие слои, разработанные так, чтобы облегчать позднейшее освобождение подложки роста или утонение полупроводниковой структуры после удаления подложки, и слои устройства, разработанные для особых оптических или электрических свойств, желательных для светоизлучающей области для эффективного излучения света. Светоизлучающая область может представлять собой один толстый или тонкий светоизлучающий слой или множество тонких слоев квантовой ямы, разделенных барьерными слоями разного состава.
После выращивания полупроводниковой структуры 10 на подложке роста часть области проводящего типа, выращенного последним, часто область р-типа, и светоизлучающую область стравливают, обнажая область проводящего типа, выращенного первым, часто область n-типа. Металлические контакты 13 и 14 формируют на открытых частях областей n- и р-типа. Полупроводниковая структура электрически и физически соединяется с опорой 18 посредством n- и р-соединений 15 и 16. После установки на опору 18 подложка роста (не показана на фиг.3) может удаляться с помощью способа, подходящего для материала подложки роста, такого как лазерное плавление или измельчение для сапфировой подложки или травление или измельчение для SiC или композитной подложки. Контейнер, который поддерживает полупроводниковую структуру 10, предотвращая и снижая образование трещин во время удаления подложки роста, может располагаться в любых открытых пространствах между полупроводниковой структурой 10 и опорой 18 до, во время или после того, как полупроводниковую структуру 10 присоединяют к опоре 18. Верхнюю поверхность полупроводниковой структуры 10 в ориентации, показанной на фиг.3, которую подвергли удалению подложки роста, можно утонять, например, посредством фотоэлектрохимического травления и можно делать шероховатой или текстурировать такими признаками, как световой кристалл, чтобы усилить извлечение света от полупроводниковой структуры 10.
Конформный, преобразующий длину волны слой 20 формируют над верхней и боковыми сторонами полупроводниковой структуры 10. Преобразующий длину волны слой 20 может быть, например, люминофорным слоем, сформированным с помощью электрофоретического осаждения или трафаретной печати. Конформный фильтрующий слой 22, который может включать в себя один или несколько фильтрующих материалов, описанных выше, формируют над преобразующим длину волны слоем 20. Фильтрующий слой 22 может быть сформирован, например, путем струйной печати или трафаретной печати фильтрующего материала, расположенного в прозрачном носителе, таком как эпоксидная смола или силикон.
Фиг.4 показывает III-нитридное светоизлучающее устройство с установленным перевернутым кристаллом, из которого удалили подложку, включающее в себя керамический, преобразующий длину волны слой и фильтрующий слой. Полупроводниковая структура 10 представляет собой тонкопленочное устройство, установленное перевернутым кристаллом на опоре 18, как описано выше в отношении фиг.3. Преобразующий длину волны слой 24 является керамическим люминофором, расположенным поверх открытой верхней поверхности полупроводниковой структуры 10. Керамический люминофорный слой 24 может прикрепляться к полупроводниковой структуре 10 посредством, например, органического адгезива, такого как эпоксидная смола или силикон, одного или нескольких высокоиндексных неорганических адгезивов или золь-гель стекла. Фильтрующий слой 26, который может включать в себя один или несколько фильтрующих материалов, описанных выше, формируют поверх преобразующего длину волны слоя 24. Фильтрующий слой 26 может быть образован, например, путем струйной печати или может быть отдельно изготовленным элементом, таким как фильтрующий материал, расположенный в стекле, силиконе или другом прозрачном твердом теле, который прикрепляют к керамическому люминофорному слою 24 с помощью, например, органического адгезива, такого как эпоксидная смола или силикон, одного или нескольких высокоиндексных неорганических адгезивов или золь-гель стекла.
Фиг.5 показывает фильтр, сформированный на линзе, расположенной над преобразующей длину волны, светоизлучающей полупроводниковой структурой. Любую подходящую полупроводниковую структуру 10 и преобразующий длину волны слой 27 собирают в пакет, включающий в себя линзу 30. Прозрачный материал 28, такой как силикон, может располагаться в пространстве между линзой 30 и полупроводниковой структурой 10 и преобразующим длину волны слоем 27. Фильтрующий слой 32, который может включать в себя один или несколько фильтрующих материалов, описанных выше, может наноситься, как показано на фиг.5, на внешнюю поверхность линзы 30, которая может быть из стекла, пластика или любого другого подходящего прозрачного материала. Альтернативно, фильтрующий слой 32 может быть сформирован на внутренней поверхности линзы 30, или частицы фильтрующего материала могут быть смешаны в материале, используемом для образования линзы 30.
Фиг.6 показывает фильтр, смешанный в прозрачном материале, покрывающем преобразующую длину волны, светоизлучающую полупроводниковую структуру. Любую подходящую полупроводниковую структуру 10 и преобразующий длину волны слой 27 помещают в упаковочную структуру 36, такую как отражательная чашка или направляющая рамка. Фильтрующий слой 34 включает в себя один или несколько фильтрующих материалов, описанных выше, смешанных с прозрачным материалом, и наносится поверх полупроводниковой структуры 10 и преобразующего длину волны слоя 27.
Фильтрующие слои, продемонстрированные в примерах, показанных на фиг.3-6, могут быть модифицированы путем добавления дополнительного материала или удаления материала путем уноса, как описано выше. В некоторых вариантах осуществления различные, преобразующие длину волны материалы, образованные в разных конфигурациях, и различные фильтрующие материалы, образованные в разных конфигурациях, могут объединяться в одном устройстве.
Имея подробно описанное данное изобретение, специалистам в данной области техники будет понятно, что задаваемые настоящим содержанием модификации могут быть сделаны к данному изобретению без отклонения от сущности описанной здесь концепции изобретения. Поэтому не предполагается, что объем данного изобретения ограничивается конкретными вариантами осуществления, показанными и описанными.