CN101911318A - 发射均匀波长的下变换光源 - Google Patents
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Abstract
光源装置附连到半导体波长变换器。每个光源以各自的峰值波长发射光，并且光源装置具有第一峰值波长范围。半导体波长变换器具有当受到所述光源装置的泵激时的第二峰值波长范围。第二峰值波长范围窄于第一峰值波长范围。半导体波长变换器具有所具有的波长长于光源的最长峰值波长的吸收限。波长变换器还可用于减小扩展光源的输出的波长变动。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管，更具体地讲，涉及一种包括波长变换器的发光二极管(LED)，该波长变换器对由LED发射的光的波长进行变换。
背景技术
通常，使用诸如MOCVD的化学气相沉积过程在半导体晶片上制造发光二极管(LED)。制造过程中的晶片温度相当高，大约在800℃-1000℃之间，这会使得整个晶片上的均匀性出现问题。由于在整个晶片上温度可能是不均匀的所以会出现这些问题，并且在一些特定材料组合的情况下，过程温度可能足够高从而再蒸发组分材料中的一者或多者。例如，在使用铟的基于氮化物的LED(例如，发射蓝光/绿光的GaInN LED)的情况下，过程温度高于铟的再蒸发温度，其结果是，在整个晶片上铟的比率不均匀。铟比率的这种非均匀性导致在整个晶片上LED器件的输出波长的非均匀性。
输出波长的这种变动使得LED制造的成本非常高，这是因为不得不对从晶片生成的最终LED器件进行测试并且根据波长进行装箱。另外，LED用户或者不得不设计能够容忍峰值波长变动的系统或者对装箱LED支付额外费用。
因此，需要减小整个晶片上的LED器件的波长非均匀性。
发明内容
本发明的实施例涉及一种具有光源和半导体波长变换器的布置的光学器件。每个光源能够以各自的峰值波长发射光，并且光源装置具有第一峰值波长范围。半导体波长变换器附连到光源装置上。半导体波长变换器具有当受到来自光源装置的光泵激时的第二峰值波长范围。第二峰值波长范围窄于第一峰值波长范围。半导体波长变换器具有所具有的波长长于光源的最长峰值波长的吸收限。
本发明的另一个实施例涉及一种包括具有发光区域的扩展光源的光学器件。扩展光源具有与发光区域关联的峰值波长的第一空间变动以及与发光区域关联的相对发光强度的第一空间变动。半导体波长变换器附连到扩展光源的发光区域。半导体波长变换器具有输出表面。半导体波长变换器具有当受到来自扩展光源的光泵激时与输出表面关联的峰值波长的第二空间变动。峰值波长的第二空间变动小于峰值波长的第一空间变动。半导体波长变换器的另一特征在于当由来自扩展光源的光泵激时与输出表面关联的相对发光强度的第二空间变动。相对发光强度的第二空间变动基本与相对发光强度的第一空间变动成比例。
上述本发明的内容并非意图描述本发明的每一个图示实施例或每种实施方式。下面的附图以及具体实施方式更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
结合附图阅读下文对本发明的各种实施例所做的详细说明，可以更全面地理解本发明，其中：
图1A示意性示出了光源的示例性布置；
图1B示意性示出了光源峰值波长随位置的变动；
图1C示意性示出了从不同的光源获得的光谱；
图1D示意性示出了光源装置的输出强度分布；
图2A示意性示出了根据本发明的原理的具有波长变换器的光源的示例性布置；
图2B示意性示出了泵激光峰值波长和经变换光峰值波长随位置的变动；
图2C示意性示出了不同的泵激光谱和不同的经变换的光光谱；
图2D和2E示意性示出了波长变换器的不同实施例的泵激光和经变换的光的强度分布；
图3示意性示出了多层半导体波长变换器的实施例；
图4呈现了从LED晶片测量的光谱；
图5呈现了从半导体波长变换器测量的光致发光光谱；
图6A示意性示出了根据本发明的原理的具有波长变换器的示例性扩展光源；
图6B示意性示出了泵激光峰值波长和经变换的光峰值波长随位置的变动；
图6C示意性示出了不同的泵激光谱和不同的经变换的光光谱；以及
图6D和6E示意性示出了波长变换器的不同实施例的泵激光和经变换的光的强度分布。
虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但其细节已通过举例的方式在附图中示出并且将会作详细描述。然而应当理解，目的不是要将本发明限定为所述的特定实施方式。相反，本发明的目的在于涵盖所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
本发明可应用于使用波长变换器将由LED发射的光的至少一部分变换成不同的一般更长的波长的发光二极管。本发明特别适用于一种对通常基于例如AlGaInN的氮化物材料的蓝光或UV LED有效使用半导体波长变换器的方法。更具体地讲，本发明的一些实施例涉及向LED晶片附连多层半导体波长变换器晶片。与LED晶片自身相比，这种组装能够表现出更低的波长非均匀性。因此，不需要根据波长对从经波长变换的晶片获取的LED器件进行测试和装箱，从而降低了整体制造成本。
现在参照图1A-1D描述光源100的布置的波长非均匀性。图1A示意性示出了作为光源100的示例性布置的LED晶片。在LED晶片100的宽度上具有多个LED器件。在图1A中，晶片100具有六个LED器件101、102、103、104、105和106，尽管应该明白LED晶片可以具有不同数目的器件。每个LED器件101、102、103、104、105和106分别发射具有峰值波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6的光谱的光。
λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6的值不需要总是相同。在许多情况下，在λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6的相邻值之间是有差别的。这种差别可以是规则的也可以是不规则的。在所示的实施例中，如图1B所示，这种差别在整个LED晶片100上是规则的，正如波长变动归因于处理条件的情况一样。
晶片100的波长变动被定义为最长与最短峰值波长之差的绝对值。在所示例子中，最长峰值波长是λ6，最短峰值波长是λ1。因此，整个所示晶片100上的波长均匀性被定义为|λ6-λ1|。因此，较低的变动值表示更加均匀的输出。
图1C示出了不同的LED器件101-106的输出光谱。这显示每个器件101-106在围绕峰值波长的波长范围内进行发光。晶片100的光谱输出是每个独立的发光器件101-106的输出光谱的相加的结果。
在一些实施例中，这些器件可以输出等量的光。然而，更加一般性地发现，由器件发射的光的量存在一些变动。这种变动可以是随机的也可以是系统性的。在这个所示例子中，如图1C和1D所示，更靠近晶片100的中心的那些器件103和104的输出强度最高，靠近晶片100的边缘的器件101和106的输出强度较低，尽管驱动电流对于所有的LED 101-106是相同的。应当理解，由这些器件发射的光功率可以以一些其它方式是非均匀的，例如，功率可以从晶片的一侧向另一侧从低向高进行变化或者可以在晶片的中心具有最小值。
图2A示意性示出了包括波长变换器的光源200的布置的例子，它显示了作为光源装置的例子的LED晶片210。LED晶片210具有多个独立的LED器件。这些LED器件可以单片形式集成在晶片210上，例如，在晶片210上进行生长。在所示实施例中，晶片210具有六个LED器件201-206，尽管晶片210可以具有不同数目的LED器件。LED器件201-206分别发射具有各自的峰值波长λp1-λp6的泵激光。
多层半导体波长变换器晶片212附连到LED晶片210。由LED器件201-206发射的泵激光的至少一些传播进入波长变换器晶片212，在波长变换器晶片212内它受到吸收并且以更长的不同波长进行发射。波长变换器晶片212可以直接与LED晶片210进行接合(例如，序号61/012,604的美国临时专利申请详细所述)，或者波长变换器晶片212可以通过粘合层附连到LED晶片210(例如，序号60/978,304的美国临时专利申请更加详细所述)。
在美国专利申请11/009,217和美国临时专利申请60/978,304中描述了一种合适类型的多层半导体波长变换器212。多层波长变换器通常采用多层量子阱结构。基于由LED发射的光的波长和经变换的光的期望波长，选择用于多层波长变换器的半导体材料。例如，II-VI半导体材料可以用于将GaInN蓝色或UV发光LED晶片的输出变换成绿光。在另一个例子中，III-V半导体材料可以用于将发绿光的基于Ga或基于GaInN的LED的输出变换成红光或近红外光。
在多层波长变换器中，吸收层设置有带隙，这个带隙所具有的能量被选择成使LED所发射的泵激光的至少一些被吸收。通过吸收泵激光而产生的电荷载子进入具有更小带隙的结构的其它部分、势阱(通常为)量子阱，其中，在这个更小带隙处，载子再组合并且产生更长波长的光。这个描述并非旨在限制半导体材料的类型或者波长变换器的多层结构。
在序号60/978,304的美国临时专利申请中描述了合适的波长变换器的一个特定例子。初始时，使用分子束外延(MBE)在InP衬底上制备多层量子阱半导体变换器300。首先通过MBE在InP衬底上生长GaInAs缓冲层以制备用于II-VI生长的表面。该晶片然后通过超高真空传递系统移动至另一个MBE室以生长变换器的II-VI外延层。在图3中显示并且在表1中归纳完整带有衬底302的已生长完的变换器300的详情。该表列出了变换器300中的不同层的厚度、材料组成、带隙和层说明。变换器300包括八个CdZnSe量子阱304，其中，每个CdZnSe量子阱304具有2.15 eV的能隙(Eg)。每个量子阱304夹在CdMgZnSe吸收层306之间，该CdMgZnSe吸收层306具有2.48eV的能隙，可以吸收由GaInN LED发射的蓝光。变换器300还包括各种窗口、缓冲器和过渡层。
表I：各种波长变换器层的详情
在波长变换器300附连到LED晶片以后，可以对InP衬底302的背面进行机械研磨并且通过3HCl∶1H2O的溶液进行去除。这种蚀刻剂终止于GaInAs缓冲层320。接下来，可以在30ml氢氧化铵(30重量％)、5ml过氧化氢(30重量％)、40g己二酸和200ml水的搅拌溶液内去除缓冲层320，从而仅仅留下附连到LED的II-VI半导体波长变换器300。
波长变换器晶片212的不同区域发射不同波长的光。例如，主要位于LED 201上方的晶片212的区域发射具有峰值波长λe1的光。相似的是，LED 202-206上方的变换器晶片212的区域分别发射具有峰值波长λp2-λp6的光。由变换器晶片212发射的光的波长的较小位置变动通常是制造过程的结果(例如，在变换器层沉积过程中整个晶片上的温度变动)。
图2B示出了整个LED晶片210上的泵激波长λp相对于位置x以及经变换的波长λe随位置x变化的示例性曲线图。图2C以与图1C相似的方式示出了不同LED的光谱输出。峰值泵激波长的范围|λp1-λp6|大于峰值经变换光的波长的范围|λe1-λe6|。
变量λa表示波长变换器212中的泵激波长吸收的带沿。值λa取决于用于在半导体波长变换器中吸收光的半导体材料的组分，并且能够通过改变组分进行选择。通过选择形成波长变换器中的吸收材料的材料的精确比率，值λa能够被设置为长于由LED晶片210发射的光的最长峰值波长。例如，在图3所示的示例性波长变换器中，对Zn、Cd和Mg的比率进行选择从而使得吸收材料的能隙是2.48eV，这对应于λa等于500nm。
值λa可以被设置为长于LED晶片210上的LED 201-206的最长峰值波长。在这个示意性例子中，最长峰值波长是λ6，于是λa可以被设置为长于λ6.还可以对值λa进行选择从而使得与具有最长泵激波长的LED关联的光的所选比率短于值λa。为了进行图解说明，考虑示例性例子，其中，LED 206产生具有最长峰值波长λ6的泵激光。如图2C所示，由LED 206发射的泵激光的光谱是光谱216。还可以对值λa进行选择以使得由最长峰值波长LED 206发射的光的给定比率位于λa的短波长侧。换言之，位于λa的左侧的光谱216的区域是光谱216的总区域的期望比率。例如，可以对值λa进行选择以使得光谱216中的光的至少80％的波长短于λa。其它示例性标准是由最长峰值波长LED发射的光的至少95％或99％的波长短于λa。
在图2C中还示出了具有峰值波长λe1-λe6的波长变换器212的不同区的光谱输出。尽管峰值波长有一些扩展，但是该扩展小于泵激光的扩展。其原因之一在于，能够使用分子束外延方法制造波长变换器，这与MOCVD相比可以需要明显较低的生长温度。可以断言，与通过MOCVD在高温下生长的器件相比，所得的结构及伴随的光非均匀性更小。
对于给定的泵激波长，经变换的输出功率即经变换的波长的光功率基本上与输入泵激功率线性地变化：当泵激功率变化2倍时，经变换的功率也同样地变化2倍。如果值λa设置为大于最长峰值波长光源的大部分光谱，则波长变换器大约从每个光源吸收相同比率的光。结果，在整个波长变换器上发射的经变换的光的强度分布基本上与进入波长变换器的泵激光的强度分布相似。
在举例说明中，考虑图2D所示的示例性泵激光强度分布(曲线220)。这个曲线表示整个LED 210上的泵激光的强度随位置的变化。数字1-6分别表示LED 201-206的位置。根据这个例子，LED 201和206与中心LED 203和204相比发射较少的光。应该注意，为了简化波长均匀性的讨论，图2C所示的光谱省去了幅值的变动。
曲线222表示经波长变换的光的强度分布。在这个例子中，当值λa设置为基本吸收具有最长峰值波长的光谱的所有光时，强度分布222紧密跟随泵激光的分布220，也就是说，分布222与分布220成比例，即除了缩放因子以外它们的形状基本相同。
图2E示出了一种相似情况，但是假定与图2D情况相比λa设置为更短值，从而由波长变换器吸收的最长峰值波长光谱216的比率基本小于100％。结果，在位置6发出较少的经变换的光，从而经波长变换的光的分布226不再与泵激光220的分布220成比例。因此，当基本所有泵激光被吸收时，经波长变换的光的强度分布基本与泵激光的强度分布成比例。然而，如果λa设置为使得最长峰值波长光谱的至少一些不被吸收，则经变换的光的强度分布不与泵激光的强度分布成比例并且均匀度降低。
例子
在晶片上的五个不同位置测量从Epistar Corp.，Hsinchu，Taiwan获得的蓝GaInN LED晶片的发光光谱。图4示出了这些结果。在整个晶片上各个所记录的光谱的峰值波长从460nm到466nm进行变动，也就是说，波长变动在大约6nm(大约波长的1.3％)范围内。
通过蓝激光二极管激励图3所示的类型的波长变换晶片，并且在整个晶片上在不同位置测量光致发光光谱。图5示出了这些结果。整个波长变换器上的波长基于2.5nm(大约波长的0.46％)进行变动，这明显比单独的LED晶片均匀。
由于受到离析和再蒸发影响的铟的量更高，所以当前可用的基于GaInN的绿LED晶片的波长变动明显劣于针对蓝LED晶片测量的6nm。因此，与发绿光的GaInN LED的晶片相比，发绿光的经波长变换的晶片能够提供实质更高的波长均匀性，这可以降低对波长测试和装箱的需要。
本发明还可应用于扩展光源，其中，峰值发光波长可以在扩展光源的整个发光区域上进行变动。扩展光源的一个特定例子是具有大的发光表面(例如，0.5mm×0.5mm或更大)的LED。基于与上述相同的原因，当LED的发光区域变得更大时，从发光表面上的各个点发出的峰值波长变动更大。
在图6A中示意性呈现了扩展光源600的一个例子，它可以是具有发光区域608的LED，发光区域608能够被考虑为具有多个发光区(显示为区601-606)，这些发光区分别具有关联的峰值泵激波长λp1-λp6。这些峰值泵激波长不需要是相同的：图6B示出了整个光源600上的泵激峰值波长随位置变化的示例性图线，图6C示出了具有与发光区601-606关联的各个峰值波长λp1-λp6的光谱。
半导体波长变换器610附连到扩展光源600。半导体波长变换器610可以是上述类型的多层半导体波长变换器。半导体波长变换器610包括用于吸收由扩展光源600发射的泵激光的半导体材料。半导体波长变换器610还发射更长波长的光(称作经变换的光)。
半导体波长变换器610的不同区621-626大部分通过来自扩展光源600的各个区601-606的泵激光进行泵激。从区621-626的每一个发射的经变换的光的光谱具有各自的峰值波长λe1-λe6。值λe1-λe6不需要全部相同。图6B示出了整个光源600上的经变换的峰值波长随位置变化的示例性图线，图6C示出了分别具有与发光区621-626关联的峰值波长λe1-λe6的光谱。经变换的峰值波长的变动基本与泵激峰值波长的变动无关：这二者均源于制造时存在的各种处理条件。在图6A-6E所示的例子中，泵激波长随着在扩展光源上从左到右的位置而增加，而经变换的波长随着在扩展光源上从左到右的位置而减小。应当理解，λp和λe二者的空间变动可以与所示的不同。
按照与上述相似的方式，波长变换器具有与吸收性半导体材料中的带隙相对应的关联吸收波长λa。值λa可被选择为长于最长峰值泵激波长(当前例子中，λp6)并且可以进行设置以使得最长峰值泵激波长的光谱内的功率光的至少80％、95％或99％所具有的波长短于λa。经变换的峰值波长的均匀性强于泵激光的均匀性。
如果值λa设置为大于扩展光源600的最长峰值波长的光谱的大部分，则波长变换器610从扩展光源600的每个区吸收基本相同比率的光。结果，整个波长变换器上的经变换的光的强度的分布基本与进入波长变换器的泵激光的强度的分布相似。
在图示中，考虑图6D所示的示例性泵激光强度分布作为曲线620。该曲线表示整个扩展光源610上的泵激光的强度随位置的变化。数字1到6分别表示扩展光源的区201-206。根据这个例子，边缘区601和606与中心区603和604相比可以发射更多的泵激光。应该注意，为了简化波长均匀性的讨论，图6C所示的光谱省去了幅值变动。
曲线622表示经波长变换的光的强度分布。在这个例子中，在值λa设置为基本上吸收具有最长峰值波长的光谱的所有光的情况下，强度分布622与泵激光的分布620成比例，也就是说，除缩放因子以外它们的形状相似。
图6E示出了一种相似情况，但是在这个例子中假定λa设置为短于图6D情况的值，从而由波长变换器610进行吸收的最长峰值波长光谱616的比率基本小于100％。结果，在位置6发出较少的经变换的光，从而经波长变换的光的分布626不再与泵激光620的分布620成比例。
本发明不应被视为局限于上文所述的具体例子，而应该理解为涵盖所附权利要求书中明确陈述的本发明的所有方面。具体地讲，应该理解，峰值波长和峰值强度变动的各种例子仅用于示例性目的，本发明并非意图受限于峰值波长和峰值强度波长以在这些例子中所示的方式进行变动的器件。例如，可以在光源或扩展光源装置的中心而不一定在边缘处发现最长峰值波长。另外，不需要在光源或扩展光源装置的边缘或中心发现峰值强度，而是可在一些其它位置发现峰值强度。
此外，尽管以上说明讨论了基于GaN的LED，但是本发明还可以应用于使用其它III-V半导体材料制造的LED以及使用II-VI半导体材料的LED。另外，波长变换器不限于由II-VI半导体材料形成，而是还可以由III-V半导体材料形成。因此，与本文所述的特定例子相比，本发明可以应用的波长的范围明显更大。例如，波长变换器可用于减小蓝、绿和/或黄光源的峰值波长变动从而产生波长变动减小的红或红外光。
本发明所属领域的技术人员在阅览本发明的说明书之后，本发明可适用于的各种修改形式、等价过程以及许多结构将变得一目了然。权利要求书旨在涵盖这些修改形式和器件。
Claims (19)
1.一种光学器件，包括：
光源装置，每个光源能够以各自的峰值波长发射光，所述光源装置具有第一峰值波长范围；以及
半导体波长变换器晶片，附连到所述光源装置，所述半导体波长变换器晶片当受到来自所述光源装置的光的泵激时具有第二峰值波长范围，所述第二峰值波长范围窄于所述第一峰值波长范围；所述半导体波长变换器晶片具有的吸收限的波长长于所述光源的最长峰值波长。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述光源装置包括发光二极管(LED)装置。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述LED以单片形式集成在晶片上。
4.根据权利要求2所述的器件，其中所述LED是基于GaN的LED。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述半导体波长变换器晶片包括II-VI多层半导体波长变换器晶片。
6.根据权利要求5所述的器件，其中所述光源包括以单片形式集成在晶片上的基于GaN的LED。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述吸收限被设置成，使得由与所述最长峰值波长关联的光源发射的光的至少大约95％所具有的波长短于吸收限波长。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述吸收限被设置成，使得由与所述最长峰值波长关联的光源发射的光的至少大约99％所具有的波长短于吸收限波长。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述光源装置具有第一发光强度分布，所述半导体波长变换器具有基本与所述第一发光强度分布成比例的第二发光强度分布。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述波长变换器以粘合方式附连到所述光源装置。
11.根据权利要求1所述的器件，其中所述波长变换器以光学方式接合到所述光源装置。
12.一种光学器件，包括：
扩展光源，具有发光区域，所述扩展光源具有与所述发光区域关联的第一峰值波长空间变动和与所述发光区域关联的第一相对发光强度空间变动；
半导体波长变换器，其附连到所述扩展光源的发光区域，所述半导体波长变换器具有输出表面，所述半导体波长变换器当受到来自所述扩展光源的光的泵激时具有与所述输出表面关联的第二峰值波长空间变动，所述第二峰值波长空间变动小于所述第一峰值波长空间变动，所述半导体波长变换器当受到来自所述扩展光源的光的泵激时还具有与所述输出表面关联的第二相对发光强度空间变动，所述第二相对发光强度空间变动基本与所述第一相对发光强度空间变动成比例。
13.根据权利要求12所述的器件，其中所述扩展光源是发光二极管(LED)。
14.根据权利要求13所述的器件，其中所述LED是基于GaN的LED。
15.根据权利要求12所述的器件，其中所述半导体波长变换器包括II-VI多层半导体波长变换器。
16.根据权利要求12所述的器件，其中半导体波长变换器具有的吸收带被设置为一定波长，以使得由所述扩展光源发射的光的至少大约95％所具有的波长短于吸收限波长。
17.根据权利要求16所述的器件，其中所述吸收带被设置为一定波长，以使得由所述扩展光源发射的光的至少大约99％所具有的波长短于所述吸收限波长。
18.根据权利要求12所述的器件，其中所述半导体波长变换器以粘合方式附连到所述扩展光源。
19.根据权利要求12所述的器件，其中所述半导体波长变换器以光学方式接合到所述扩展光源。
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