CN102124577A - 制造光提取器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了制造光提取器的方法。制造用于从基材中提取光的光学构造的所述方法包括下述步骤：(a)提供具有表面的基材；(b)在所述基材的表面上设置多个结构体，其中所述多个结构体形成露出所述基材的表面的开口区域；(c)使所述结构体中的至少一些结构体缩小；以及(d)涂布外涂层，以覆盖所述缩小的结构体以及所述开口区域内的所述基材的表面。
Description
技术领域
本发明一般地涉及半导体发光装置。本发明尤其适用于具有改善亮度的半导体发光装置。
背景技术
发光装置用于多种不同的应用中，包括投影显示系统、液晶显示器的背光源等等。投影系统通常使用一个或多个白色光源，例如高压汞灯。白色光束通常被分离成三原色(红、绿和蓝)，并且被引导至各自的图像形成空间光调制器，以产生各个原色的图像。所得的原色图像光束被组合并被投影到用于观看的投影屏幕上。
近来，发光二极管(LED)已被视为白色光源的替代光源。LED具有提供可与传统光源媲美的亮度和使用寿命的潜能。然而，目前的LED由于(例如)高折射率区内的光截留而相对地低效率。
发明内容
总体上，本发明涉及半导体发光装置。在一个实施例中，一种半导体光转换构造包括：半导体势阱，用于将第一波长的光的至少一部分转换成较长的第二波长的光；外层，所述外层设置在半导体势阱上并且具有第一折射率；以及结构化层，设置在外层上并且具有小于第一折射率的第二折射率。结构化层包括直接设置在外层上的多个结构体以及露出外层的多个开口。半导体光转换构造还包括结构化外涂层，结构化外涂层直接设置在结构化层的至少一部分以及所述多个开口内的外层的一部分上。外涂层具有大于第二折射率的第三折射率。在一些情况下，结构化外涂层的平均厚度不大于约1000nm、或不大于约700nm。在一些情况下，外涂层的外表面与结构化层的外表面一致。
在另一个实施例中，一种发光系统包括：LED；以及光转换构造，所述光转换构造降频转换由LED发射的光并且具有结构化最外表面。结构化表面具有露出光转换构造内层的多个开口。发光系统还包括形成于结构化最外表面和内层的暴露区域上的结构化外涂层。结构化外涂层可增强从光转换构造中的光提取。外涂层的外表面与结构化最外表面一致。在一些情况下，外涂层的折射率在约1.8至约2.7的范围内。
在另一个实施例中，一种半导体光转换构造包括：第一半导体层，用于吸收第一波长的光的至少一部分；半导体势阱，用于将所吸收的第一波长的光的至少一部分转换成较长的第二波长的光；以及第二半导体层，能够吸收第一波长的光的至少一部分。第一半导体层在第二波长下具有最大第一折射率。第二半导体层在第二波长下具有大于最大第一折射率的第二折射率。在一些情况下，第一半导体层的带隙能量大于第二波长的光子的能量。在一些情况下，第二半导体层的带隙能量大于第二波长的光子的能量。在一些情况下，第二半导体层的带隙能量小于第一半导体层的最小带隙能量。在一些情况下，第一半导体层的带隙能量大于半导体势阱的跃迁能量。在一些情况下，第二半导体层的带隙能量大于半导体势阱的跃迁能量。在一些情况下，当用其光谱中心为第一波长并且包括长于第一波长的波长λe的入射光照射时，第一半导体层吸收第一波长的光，但不吸收λe的光，而第二半导体层吸收λe的光。
在另一个实施例中，一种半导体光转换构造包括：第一半导体层，用于吸收第一波长的光的至少一部分；半导体势阱，用于将所吸收的第一波长的光的至少一部分转换成较长的第二波长的光；以及第二半导体层，能够吸收第一波长的光的至少一部分。第二半导体层具有的带隙能量小于第一半导体层的最小带隙能量。在一些情况下，第一半导体层的带隙能量大于第二波长的光子的能量。在一些情况下，第二半导体层的带隙能量大于第二波长的光子的能量。在一些情况下，第二半导体层在第二波长下的折射率大于第一半导体层在第二波长下的最大折射率。在一些情况下，第一半导体层的带隙能量大于半导体势阱的跃迁能量。在一些情况下，第二半导体层的带隙能量大于半导体势阱的跃迁能量。在一些情况下，所述半导体光转换构造包括多个具有相同跃迁能量的半导体势阱。在一些情况下，所述半导体光转换构造包括多个具有不同跃迁能量的半导体势阱。
在另一个实施例中，一种光学构造包括：第一半导体层，所述第一半导体层在可见光内的第一波长下具有折射率n1；第二半导体层，所述第二半导体层设置在第一半导体层上并且在第一波长下具有折射率n2，其中n2小于n1；第三半导体层，所述第三半导体层设置在第二半导体层上并且在第一波长下具有折射率n3，其中n3大于n2；结构化层，所述结构化层直接设置在第三半导体层上；以及外涂层，所述外涂层直接设置在结构化层的至少一部分上。所述光学构造基本上透射第一波长的光。在一些情况下，外涂层包括光子晶体。在一些情况下，第一半导体层为势阱。在一些情况下，第二半导体层基本上吸收第一波长而非第二波长的光。在一些情况下，第三半导体层基本上吸收第一波长而非第二波长的光。
在另一个实施例中，一种发光系统包括：光源，所述光源发射具有第一波长和较长的第二波长的光；一个或多个第一半导体光吸收层，所述一个或多个第一半导体光吸收层能够吸收第一波长而非第二波长的光。所述一个或多个第一半导体光吸收层吸收由光源发射的光的至少80％。所述发光系统还包括：半导体势阱，所述半导体势阱将由所述一个或多个第一半导体光吸收层吸收的光的至少一部分转换成较长波长的输出光；以及一个或多个第二半导体光吸收层，所述一个或多个第二半导体光吸收层能够吸收第二波长的光。所述一个或多个第二半导体光吸收层吸收由光源发射的剩余光。在一些情况下，所述一个或多个第一半导体光吸收层吸收由光源发射的光的至少90％。在一些情况下，所述一个或多个第一半导体光吸收层吸收由光源发射的光的至少95％。在一些情况下，所述发光系统包括多个具有相同或不同跃迁能量的半导体势阱。
在另一个实施例中，一种半导体光转换构造包括：第一半导体层，所述第一半导体层具有用于吸收入射光的一部分而非全部的带隙能量Eabs；半导体势阱，所述半导体势阱具有小于Eabs的跃迁能量Etr，以用于降频转换所吸收的入射光的至少一部分；以及第二半导体层，所述第二半导体层具有小于Eabs且大于Etr的带隙能量Elb，以用于吸收剩余的入射光。在一些情况下，由第一半导体层吸收的入射光部分以及由第二半导体层吸收的剩余入射光包括光谱的不同波长区。在一些情况下，所述半导体光转换构造还包括具有大于Eabs的带隙能量Ew的半导体窗口。在一些情况下，Ew大于入射光的光子能量。在一些情况下，第一半导体层毗邻半导体势阱。在一些情况下，第一半导体层紧邻半导体势阱。在一些情况下，第一半导体层设置在半导体势阱和第二半导体层之间。在一些情况下，第一和第二半导体层各自紧邻半导体势阱。
在另一个实施例中，一种制造用于从基材中提取光的光学构造的方法包括下述步骤：(a)提供具有表面的基材；(b)在基材的表面上设置多个结构体，其中所述多个结构体形成露出基材表面的开口区域；(c)使所述结构体中的至少一些结构体缩小；以及(d)涂布外涂层，以覆盖缩小的结构体和位于开口区域内的基材表面。在一些情况下，步骤(c)通过对所述多个结构体施用蚀刻剂来执行。在一些情况下，施用蚀刻剂后所述多个结构体对基材表面的覆盖百分比降低。在一些情况下，所述多个结构体包含聚苯乙烯。在一些情况下，所述多个结构体包含多个粒子。在一些情况下，所述多个粒子在施用蚀刻剂之前为基本为球形并且在施用蚀刻剂之后基本为锥状。在一些情况下，依次执行步骤(a)至(d)。在一些情况下，所述方法还包括软熔所述结构体中的至少一些结构体的步骤，其中在一些情况下，软熔所述结构体中的至少一些结构体的步骤通过向所述多个结构体加热而执行。在一些情况下，缩小和软熔所述粒子中的至少一些粒子的步骤被同时执行。在一些情况下，所述结构体在步骤(c)中缩小至少20％、或至少40％。在一些情况下，步骤(d)中的外涂层包括结构化外涂层。在一些情况下，步骤(d)中的外涂层具有的结构化外表面与所述多个结构体的外表面一致。
在另一个实施例中，一种在基材表面上制造用于从基材中提取光的多个结构体的方法包括下述步骤：(a)提供具有表面的基材；(b)确定基材表面中的所需第一面积覆盖百分比；(c)将多个结构体设置在基材表面上，以产生大于所需第一面积覆盖百分比的第二面积覆盖百分比；以及(d)使所述结构体中的至少一些结构体缩小，以将面积覆盖百分比降至所需第一面积覆盖百分比。在一些情况下，所述方法还包括步骤：涂布结构化外涂层，以覆盖缩小的结构体以及未覆盖区域内的基材表面。在一些情况下，所述方法还包括步骤：软熔所述多个结构体中的至少一些结构体。
在另一个实施例中，一种光转换构造包括：荧光体板条，所述荧光体板条具有第一折射率，以用于将第一波长的光的至少一部分转换成较长的第二波长的光；以及结构化层，所述结构化层设置在荧光体板条上并且具有小于第一折射率的第二折射率。所述结构化层包括直接设置在荧光体板条上的多个结构体以及露出荧光体板条的多个开口。所述光转换构造还包括结构化外涂层，所述结构化外涂层直接设置在结构化层的至少一部分上以及荧光体板条的处于所述多个开口内的部分上。结构化外涂层具有大于第二折射率的第三折射率。在一些情况下，结构化外涂层可增强从荧光体板条中提取第二波长的光。在一些情况下，结构化外涂层包括Si3N4、ZnS、ZnSe、ZnSSe、ITO、TiO2、ZrO2、Ta2O5、HfO2、和硅酸盐中的至少一种。在一些情况下，第一和第二折射率之间的差值为至少0.3、或至少0.5、或至少0.7、或至少0.9。在一些情况下，第三和第二折射率之间的差值为至少0.3、或至少0.5、或至少0.7、或至少0.9。在一些情况下，结构化外涂层的结构化外表面与结构化层的外表面一致。在一些情况下，所述光转换构造还包括包封光转换构造的封壳。在一些情况下，结构化外涂层在第二波长下的折射率在约1.35至约2.2的范围内。
附图说明
结合附图本发明的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更完整地理解和体会本发明，其中：
图1为发光系统的示意性侧视图；
图2为结构化层和外涂层的示意性侧视图；
图3为另一个结构化层和另一个外涂层的示意性侧视图；
图4为另一个结构化层和另一个外涂层的示意性侧视图；
图5A和5B分别为单层纳米粒子和多层纳米粒子的扫描电镜(SEM)图像；
图6A和6B分别为外涂的单层纳米粒子和外涂的多层纳米粒子的SEM图像；
图7为另一个外涂的单层纳米粒子的SEM图像；
图8为发光系统的示意性侧视图；
图9为发射光的示意性强度谱；
图10为光转换器的示意性能带图；
图11为另一个光转换器的示意性能带图；
图12为另一个光转换器的示意性能带图；
图13为另一个光转换器的示意性能带图；
图14为另一个光转换器的示意性能带图；
图15为另一个光转换器的示意性能带图；
图16为另一个光转换器的示意性能带图；
图17为另一个光转换器的示意性能带图；
图18为光学构造的示意性侧视图；
图19为发光系统的示意性侧视图；
图20为计算的提取效率百分比随外涂层折射率变化的图线；
图21A-21C为在制造光学构造的过程中的中间阶段或步骤中的装置的示意图；
图22A为单层聚苯乙烯粒子的SEM图像；
图22B为图22A中的经蚀刻和软熔的粒子的SEM图像；
图22C为用ZnS外涂的图22B中的粒子的SEM图像；
图23为光源的示意性侧视图；以及
图24为计算的提取效率百分比随外涂层折射率变化的图线。
在多个附图中使用的相同附图标记表示具有相同或相近特性和功能的相同元件或相近元件。
具体实施方式
本专利申请公开了一些半导体发光装置，所述半导体发光装置包括半导体光源和一个或多个波长转换器，其中所述转换器可为半导体波长转换器。本专利申请还公开了用于增强光提取的结构体。
一些公开的装置具有得自诸如III-V族之类的同一半导体族的光源和光转换层。在这种情况下，直接在诸如III-V族LED之类的III-V光源上来一体化地生长和制造(例如)III-V波长转换器或许是可行的。然而，在一些情况下，具有所需输出波长、高转换效率或其他理想特性的波长转换器可得自与LED所归属的半导体族不同的半导体族。在这种情况下，在一个元件上高质量地生长另一个元件或许是不可能的或不可行的。例如，高效率波长转换器可得自II-VI族而诸如LED之类的光源可得自III-V族。在这种情况下，可使用各种方法将光转换器附装到光源上。一些此类方法描述于2007年12月10日提交的美国专利申请Serial No.61/012608中。
本专利申请中所公开的波长转换器降频转换由光源发射的光。如本文所用，降频转换是指转换光的波长大于未转换光或入射光的波长。
图19为发光系统1900的示意性侧视图，发光系统1900包括光源1910、光转换层1920和光提取层1930。光源1910发射通常位于光谱的UV或蓝光区域内的第一波长λ1的光1915。光转换层1920将光1915的至少一部分转换成通常位于光谱的绿光或红光区域内的较长第二波长λ2的光1925。光提取层1930通过增强从光转换层1920的光1925的提取来改善发光系统的输出光的亮度或强度。例如，光提取层1930可提取否则会被截留在光转换层1920中或者否则会不被光转换层1920发射的光。
通常，光转换层1920可包括能够将第一波长的光的至少一部分转换成第二波长的光的任何成分或材料。例如，层1920可包括荧光体、荧光染料、诸如聚芴之类的共轭发光有机材料、光致发光半导体层、半导体势阱、或者半导体量子点的集合或多个半导体量子点。可用在光转换层1920中的示例性荧光体包括硫化镓酸锶、掺杂GaN、铜活化硫化锌、和银活化硫化锌。其他可用的荧光体包括掺杂YAG、硅酸盐、氮氧化硅、氮化硅、和基于铝酸盐的荧光体。这类荧光体的实例包括Ce:YAG、SrSiON:Eu、SrBaSiO:Eu、SrSiN:Eu、和BaSrSiN:Eu。
在一些情况下，光转换层1920可包括诸如Ce:YAG板条之类的板条荧光体。Ce:YAG板条的制备方式可为(例如)在高温和高压下烧结Ce:YAG荧光体粒子来形成基本上光学透明的且不散射的板条，如在(例如)美国专利No.7,361,938中所描述。
光提取层1930包括直接设置在光转换层1920上的结构化层1940、设置在结构化层上的诸如结构化外涂层1950之类的外涂层1950。结构化层1940包括直接设置在光转换层1920上的多个结构体。在一些情况下，外涂层的外表面与结构化层的外表面一致。
在一些情况下，结构体在λ2下的折射率小于光转换层1920中的最外层在同一波长下的折射率。可通过下述方式将低折射率的结构化层1940形成于光转换层的输出表面1921上，所述方式为(例如)图案化(例如光致图案化)输出表面上的光致抗蚀剂、或者将部分或完整单层的粒子或者多层粒子(例如纳米粒子)沉积到输出表面上。在一些情况下，结构化层可包含空气，以例如用于降低结构化层在λ2下的折射率。例如，在一些情况下，结构化层可包括输出表面1921上的中空结构或粒子。可通过下述方式将包含空气或气穴的结构化层1940形成于输出表面上，所述方式为(例如)图案化输出表面上的材料(例如有机材料)、用外涂层来外涂图案化材料、并且移除外涂图案化材料中的部分(通过例如高温下分解该部分)来形成空气区域。在一些情况下，结构化层1940中的结构体的折射率小于光转换层1920中紧邻结构化层的最外层的折射率。
外涂层1950可增强从光转换层1920中的光提取。在一些情况下，外涂层可包含玻璃质材料或金属氧化物，例如Al2O3、TiO2、ZrO2、La2O3、Ta2O5、HfO2、硅酸盐、氮化硅、氮氧化硅、或铟锡氧化物。在一些情况下，外涂层可为半导体外涂层，例如含有ZnS、ZnSe、ZnO或诸如ZnSxSe1-x之类的半导体合金的外涂层。在一些情况下，外涂层可为溶胶-凝胶，例如致密的溶胶-凝胶。在一些情况下，外涂层的折射率大于光转换层1920中紧邻结构化层的最外层的折射率。
图1为半导体发光元件105的示意性侧视图，半导体发光元件105包括电致发光装置110和半导体光转换构造115，电致发光装置110发射具有光子能量E1的第一波长λ1的光，半导体光转换构造115用于将第一波长的光的至少一部分转换成具有光子能量E2。
的较长的第二波长λ2的光。半导体光转换构造115包括面向电致发光装置110的第一窗口120、设置在第一窗口上的第一吸收层130、设置在第一吸收层上的势阱140、设置在势阱上的第二吸收层131、设置在第二吸收层上的第二窗口121、直接设置在第二窗口上的结构化层150、设置在结构化层上的外涂层160、以及设置在外涂层上并且包封半导体电致发光元件105的封壳170。
通常，光转换器118可包含能够将第一波长λ1的光的至少一部分转换成第二波长λ2的光的任何成分。例如，光转换器118可包含荧光体、荧光染料、诸如聚芴之类的共轭发光有机材料。可用于光转换器118中的示例性荧光体包括硫化镓酸锶、掺杂GaN、铜活化硫化锌、和银活化硫化锌。
在一些情况下，层140可包含势阱、量子阱、量子点、或多重结构即各有多个。与(例如)有机材料相比，诸如无机半导体势阱和量子阱之类的无机势阱和量子阱通常具有增强的光转换效率并且由于不太易受诸如水分之类的环境因素的影响而较为可靠。此外，无机势阱和量子阱往往会具有较窄的输出光谱，从而导致(例如)改善的色域。
如本文所用的，势阱是指设计成将载流子仅限定在一个维度上的多层半导体结构中的半导体层，其中该半导体层具有低于周围层的导带能和/或高于周围层的价带能。量子阱通常是指这样的势阱，所述势阱薄得足以使量子化效应提升在所述阱中电子-空穴对复合的能量。量子阱通常具有约100nm或更小、或者约10nm或更小的厚度。量子点通常具有约100nm或更小、或者约10nm或更小的最大尺寸。
在一些情况下，势阱或量子阱140包括跃迁能量Epw小于由电致发光装置110发射的光子的能量E1的II-VI族半导体势阱或量子阱。通常，势阱或量子阱140的跃迁能量基本上等于由势阱或量子阱再发射的光子的能量E2。
在一些情况下，势阱140可包括以化合物ZnSe、CdSe、和MgSe作为合金的三种组分的CdMgZnSe合金。在一些情况下，该合金中可不存在Cd、Mg、和Zn中的一种或多种，尤其是Mg。例如，势阱140可包括能够再发射红光的Cd0.70Zn0.30Se量子阱、或能够再发射绿光的Cd0.33Zn0.67Se量子阱。又如，势阱140可包含Cd、Zn、Se、和可任选的Mg的合金，在这种情况下，合金体系可由Cd(Mg)ZnSe表示。又如，势阱140可包含Cd、Mg、Se、和可任选的Zn的合金。在一些情况下，势阱可包含ZnSeTe。在一些情况下，量子阱140的厚度在约1nm至约100nm、或约2nm至约35nm的范围内。
通常，势阱140可具有任何导带和/或价带分布。示例性的分布描述于(例如)美国专利申请号60/893804中。
在一些情况下，势阱140可为n掺杂的或p掺杂的，其中掺杂可通过任何合适的方法和通过添加任何合适的掺杂物来完成。在一些情况下，电致发光装置110和势阱140可得自两个不同的半导体族。例如，在这种情况下，电致发光装置110可为III-V族半导体装置并且势阱140可为II-VI族势阱。在一些情况下，电致发光装置110可包括AlGaInN半导体合金并且势阱140可包含Cd(Mg)ZnSe半导体合金，其中括号内的材料为可选材料。
通常，半导体光转换构造115可具有一个或多个势阱。在一些情况下，构造115可具有多个势阱。例如，在这种情况下，构造115可具有至少2个势阱、或至少5个势阱、或至少10个势阱。在一些情况下，构造115可具有至少两个势阱、或至少三个势阱、或至少四个势阱，它们具有不同跃迁能量。
在一些情况下，势阱140基本上吸收第一波长λ1的光。例如，在这类情况下，势阱140吸收第一波长λ1的光的至少30％、或至少40％、或至少50％。在一些情况下，势阱140在第一波长λ1下为基本上可透射光。例如，在这类情况下，势阱140透射第一波长λ1的光的至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％。
光吸收层130和131有助于吸收光180并且在半导体光转换构造115中产生载流子。在一些情况下，光吸收层130和131吸收光180的至少一部分，并因此产生诸如电子-空穴载流子之类的光生载流子对。载流子从光吸收层扩散或迁移到势阱140中，它们在该处复合并且发射第二波长λ2的光。
光吸收层130和131设置为靠近势阱，以使得光生载流子可高效地扩散到势阱中，以用于载流子的复合以及第二波长λ2的光的发射。
在一些情况下，半导体光转换构造115中的光吸收层可紧邻势阱140，即无居间层设置在吸收层和势阱之间。例如，在图1中，第一和第二光吸收层130和131各自紧邻势阱140。在一些情况下，半导体光转换构造115的光吸收层可毗邻势阱140，这意味着可以有一个或几个居间层设置在吸收层和势阱之间。例如，在一些情况下，一个或多个居间层(图1中未示出)可设置在第一光吸收层130和势阱140之间。
在一些情况下，光吸收层可包括诸如无机半导体(例如II-VI族半导体)之类的半导体。例如，吸收层130和131中的一个或多个可包含Cd(Mg)ZnSe半导体合金。
在一些情况下，光吸收层的带隙能量Eabs小于由电致发光装置110发射的光子的能量E1。在这种情况下，光吸收层可吸收(例如，强烈地吸收)由电致发光装置发射的光。在一些情况下，光吸收层的带隙能量大于势阱140的跃迁能量。在这种情况下，光吸收层对于由势阱再发射的第二波长λ2的光181为基本上光学透明的。
在一些情况下，诸如第二光吸收层131之类的光吸收层的带隙能量小于以第二波长λ2发射的光181的光子能量。在这种情况下，光吸收层可吸收光181的至少一部分。在这种情况下，所吸收光的至少一部分可降频转换成较长的第三波长λ3的光。
在一些情况下，半导体光转换构造115中的至少一个光吸收层掺有掺杂物。在一些情况下，例如当光吸收层包含Cd(Mg)ZnSe合金时，掺杂物可为VII族的n型掺杂物。在一些情况下，掺杂物可包括氯或碘。在一些情况下，掺杂物的数密度在约1017cm-3到约1018cm-3的范围内。其他示例性的掺杂物包括Al、Ga、In、F、Br、I、和N。
示例性的半导体光转换构造115包括两个光吸收层130和131。通常，半导体光转换构造可具有零个、一个、两个、或更多的吸收层。在一些情况下，半导体光转换构造115可具有至少两个、或至少三个、或至少四个具有不同带隙能量的光吸收层。
通常，光吸收层充分接近于对应的势阱，以使得光吸收层中的光生载流子具有扩散到势阱中的适当机会。在半导体多层叠堆不包括光吸收层的情况下，势阱可基本上吸收第一波长λ1的光。
第一和第二窗口120和121设计成主要用来形成阻挡，以使得在吸收层和/或势阱中光生的诸如电子-空穴对之类的载流子没有或具有极少的机会迁移到构造115中的自由或外表面。例如，第一窗口120设计成主要用来阻止在第一吸收层130中产生的载流子迁移到表面123处，在此处它们可无辐射地复合。在一些情况下，窗口120和121的带隙能量Ew大于由电致发光装置110发射的光子的能量E1。在这种情况下，窗口120和121对于由电致发光装置110发射的光以及由势阱140再发射的光为基本上光学透明的。
示例性的半导体光转换构造115包括两个窗口。通常，光转换构造可具有零个、一个、或两个窗口。例如，在一些情况下，半导体光转换构造115可具有设置在电致发光装置110和势阱140之间、或电致发光装置110和吸收层130之间的单个窗口。
在一些情况下，半导体光转换构造115中两个层之间的交界位置可为明确确定的即有清晰的交界。在一些情况下，例如当层中的材料组成随厚度方向上的距离而变化时，两个相邻层之间的交界可为非明确确定的，可以例如为限定一个渐变区域的渐变交界。例如，在一些情况下，第一吸收层130和第一窗口120可具有相同的材料组分但具有不同的材料浓度。在这种情况下，吸收层中的材料组成可逐渐改变成窗口层的材料组成，从而在这两个层之间产生渐变交界或区域。例如，在其中两个层均包含Mg的情况下，当从吸收层逐渐过渡到窗口层时，Mg的浓度可增加。
第二窗口121在包括波长λ2的所关注波长区域内具有折射率n1。在一些情况下，λ1为UV或蓝光波长，而λ2为在约420nm至约650nm范围内的可见光波长。在这种情况下，n1可为光谱的可见光范围内的折射率。在一些情况下，n1为在波长λ2下或接近该波长下的折射率。
在示例性的半导体光转换构造115中，第二窗口121设置在势阱140上并且形成半导体光转换构造的外层121和光转换器118中的最外层。结构化层150在(例如)λ2下具有折射率n2并且直接设置在外层或第二窗口121上。折射率n2小于第二窗口121的折射率n1。在一些情况下，n1和n2之间的差值为至少0.2、或至少0.3、或至少0.4、或至少0.5、或至少0.6、或至少0.7、或至少0.8、或至少0.9。
结构化层150包括诸如结构体151-154之类的多个结构体。所述多个结构体中的一些结构体可为分立的，例如结构体151和152。一些结构体可通过基底连接，例如通过基底155而彼此连接的结构体153和154。结构化层150包括露出第二窗口121的多个开口，例如开口101和102。
在一些情况下，结构化层150在第二波长λ2下为基本上光学透明的。例如，在这种情况下，结构化层在波长λ2下的总透光率为至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％。
在一些情况下，结构化层150中的多个结构体形成结构体的规则阵列。在一些情况下，结构体无规地设置在第二窗口121的整个顶部表面125上。在一些情况下，结构化层150为连续层，所述连续层包括多个连接结构体或连接结构体的阵列且在类似于(例如)方格图案的结构体中的至少一些之间具有开口。
在一些情况下，结构化层150中的多个结构体形成多个分立结构体。例如，在一些情况下，结构化层可包含多个粒子。例如，图3中的结构化层350具有诸如粒子351和352之类的多个粒子。在一些情况下，所述粒子基本上为微粒或纳米粒子。例如，在这种情况下，粒子的平均尺寸不大于2000nm、或不大于1500nm、或不大于1000nm、或不大于750nm。结构化层350中的粒子可具有任何形状，例如任何规则的或不规则的形状。
在一些情况下，图1中的结构化层150包含多个粒子，其中所述粒子的相当大一部分基本上为球形。例如，在这种情况下，粒子的最大尺寸与最小尺寸的比率不大于1.3、或不大于1.25、或不大于1.2、或不大于1.15、或不大于1.1。
在一些情况下，结构化层150可包括诸如可图案化或可光图案化材料或聚合物(例如光致抗蚀剂)之类的有机材料。在一些情况下，结构化层150可包含聚苯乙烯，例如聚苯乙烯微球。在一些情况下，结构化层150可包括诸如金属氧化物或玻璃之类的无机材料。无机材料的实例包括SiO2、GeO2、Al2O3、MgF2、和硅酸盐玻璃。
在一些情况下，结构化层150可包括密集堆积在整个顶部表面125上的单个或单层结构体。在一些情况下，结构化层150可包括亚单层结构体，即结构体为非密集堆积的并且/或者存在基本大于结构体的标称或平均尺寸的不包括或包括极少结构体的区域。在这种情况下，亚单层结构化层150中的开口区域基本大于单个结构体(例如，单个粒子)的平均尺寸。
在一些情况下，结构化层150可包括多层结构体。例如，图4为结构化层450的示意性侧视图，结构化层450直接设置在第二窗口121上且包括多层粒子451。结构化层涂布有连续性外涂层460，并且封壳470包覆外涂层。
结构化外涂层160直接设置在结构化层150的至少一部分以及第二窗口121中通过结构化层150中的开口露出的窗口区域的一部分上。外涂层160例如在波长λ2下的第三折射率n3大于第二折射率n2。在一些情况下，n3小于n1。在一些情况下，n3大于n1。在一些情况下，n3和n2之间的差值为至少0.2、或至少0.3、或至少0.4、或至少0.5、或至少0.6、或至少0.7、或至少0.8、或至少0.9。
在一些情况下，外涂层160可提取光181，该光否则将会在第二窗口的表面125处全部被内反射。在这种情况下，外涂层增强了从半导体光转换构造115中提取第二波长λ2的光181的能力。
在一些情况下，结构化外涂层160的外表面162与结构化层150的外表面161基本一致。例如，在一些情况下，可利用真空沉积技术将外涂层160设置在结构化层150上。在这种情况下，外表面162可与外表面161一致。在一些情况下，结构化外涂层的平均厚度不大于结构化层150中的结构体的平均尺寸。在一些情况下，外涂层160的平均厚度不大于1000nm、或不大于800nm、或不大于700nm、或不大于600nm、或不大于500nm、或不大于400nm。
在一些情况下，外涂层160在第二波长λ2下为基本上光学透明的。例如，在这种情况下，外涂层在波长λ2下的总透光率为至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％。
在一些情况下，外涂层160可通过例如包括一个或多个岛区而成为不连续的层。例如，在图2中，结构化层250直接设置在第二窗口121上并且在结构体251和252之间限定了开口255。外涂层260直接设置在结构化层250上和第二窗口121的开口区域上，在开口的外露区域255中形成岛区261。在一些情况下，外涂层160可为连续层。例如，在图3中，直接设置在结构化层350上的外涂层360形成连续层。
在一些情况下，外涂层160可包括半导体、金属氧化物、或陶瓷。在一些情况下，外涂层可包括Si3N4、氮氧化硅、硅酸盐、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnSSe、ZnSeTe、ZnSTe、CdS、CdSe、CdSSe、ITO、TiO2、ZrO2、Ta2O5、和HfO2中的至少一种。
封壳170设置在外涂层160上，包封半导体发光元件105并且保护元件免受例如环境中水分的影响。在一些情况下，封壳可具有光学功能，如具有用于当光181离开半导体发光元件时来(例如)使之准直的光焦度。
电致发光装置110可为能够随电信号而发光的任何装置。例如，电致发光装置可为能够随电流而发射光子的发光二极管(LED)或激光二极管。LED电致发光装置110能够发射应用中可能需要的任何波长的光。例如，LED可发射UV波长、可见光波长、或IR波长的光。在一些情况下，LED可为能够发射UV光子的短波长LED。通常，LED可由任何合适的材料构成，所述材料为(例如)有机半导体或无机半导体，包括如Si或Ge等IV族元素；III-V族化合物，例如InAs、AlAs、GaAs、InP、AlP、GaP、InSb、AlSb、GaSb、GaN、AlN、InN以及诸如AlGaInP和AlGaInN之类的III-V族化合物的合金；II-VI族化合物，例如ZnSe、CdSe、BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、BeS、MgS、以及II-VI族化合物的合金，或者以上所列出的任何化合物的合金。
在一些情况下，电致发光装置110可包括一个或多个p型和/或n型半导体层、一个或多个活化层(可包括一个或多个势阱和/或量子阱)、缓冲层、衬底层、和覆盖层。在一些情况下，电致发光装置110可为诸如III-V族LED之类的III-V族半导体光源，并且可包括AlGaInN半导体合金。例如，电致发光装置110可为GaN基LED。又如，电致发光装置110可为II-VI族LED，例如ZnO基LED。
通过下面的一些实例进一步说明所公开的构造的一些优点。本实例中详述的具体材料、数量、和尺寸以及其它条件和细节不应理解为对本发明的不适当的限制。
实例1：
制造与图1中的光转换器118相类似的半导体光转换构造。相对层序以及用于不同层的材料组成和厚度的估计值概述于表I中。
表I：实例1的构造中各种层的详细数据：
首先通过分子束外延(MBE)在InP衬底上生长GaInAs缓冲层，以制备用于II-VI生长的表面。然后，将构造通过超高真空转移系统移到另一个MBE室，以进行用于光转换的II-VI外延层的生长。转换器118包括四个CdZnSe量子阱140。各量子阱140夹在CdMgZnSe吸收层130和131之间，所述吸收层可吸收由GaInN基激光二极管发射的440nm的蓝光。
在所述构造粘附到玻璃显微镜载片上之后，用3HCl:1H2O的溶液移除InP衬底。蚀刻停止于GaInAs缓冲层(层#2)。随后在30ml氢氧化铵(30重量％)、5ml的过氧化氢(30重量％)、40g己二酸、和200ml水的搅拌溶液中移除缓冲层，从而仅留下粘附到显微镜载片上的II-VI光转换器118。
实例2：
在用发射λin＝440nm蓝光的激光二极管从构造的窗口侧照射构造时，计算了实例1中制备的构造的外量子效率(EQE)。测定的再发射波长为λout＝539nm。EQE用表达式(Pout/Pin)×(λin/λout)算出，其中Pin为入射功率并且Pout为转换光离开构造的输出功率。算出的EQE为23％。
实例3：
用SiO2纳米粒子涂布实例1中制备的构造的吸收层侧，得到类似于结构化层150的结构层。所述粒子具有约440nm的平均直径，得自得克萨斯州休斯顿市(Houston，Texas)的日产化学美国公司(Nissan Chemical America Corporation)。所述粒子在1-甲氧基-2-丙醇中散布，固体含量达到5重量％。该溶液利用浸涂法以约65毫米/分钟的速度涂布到构造上。一个这种样品(样品A)浸涂了单次。第二个这种样品(样品B)浸涂了若干次。图5A和5B分别为样品A和B的侧视扫描电镜(SEM)图像。用实例2中概述的方法，算出了样品A和B的EQE分别为30.7％和38.2％。
实例4：
通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法用实例3的样品A和B涂布Si3N4外涂层，分别得到外涂的样品A1和B1。外涂层的厚度为约300nm，并且Si3N4的折射率为约1.8。图6A和6B分别为外涂的样品A1和B1的侧视SEM图像。用实例2中概述的方法，算出了样品A1和B1的EQE分别为41.2％和41.5％。就单次浸涂粒子涂布的样品而言，Si3N4外涂层的添加使得EQE从30.7％增至41.2％，增幅为约34％。就多次浸涂粒子涂布的样品而言，Si3N4外涂层的添加使得EQE从38.2％增至41.5％，增幅为约8.6％。
实例5：
重复实例3中概述的方法，制备了新样品C(单次浸涂)。利用实例2中概述的方法，算出了样品C的EQE为33.45％。
接着，用真空升华法将样品C外涂ZnS，得到了外涂的样品C1。外涂层的厚度为约400nm，并且ZnS外涂层的折射率被估计为2.4。图7为样品C1的侧视SEM图像。用实例2中概述的方法算出的样品C1的EQE为45.13％。因此，ZnS外涂层的添加使得EQE从33.45％增至45.13％，增幅为约34.9％。
实例6：
重复实例1中概述的方法，制备了新样品D1-D4。用实例2中概述的方法算出的D1-D4的EQE分别为22.1％、19.93％、21.25％、和25.7％。接着用实例3中概述的方法，对这些样品以不同的浸涂速度涂布单层SiO2粒子。所得到的样品D1-D4的估计面积覆盖百分比分别为30％、40％、50％、和70％。所得到的样品的计算EQE分别为29.47％、33.45％、31.76％、和41.5％。因此，SiO2粒子的添加使得样品D1-D4的EQE分别增加了33％、68％、49％、和61％。
图8为发光系统800的示意性侧视图，发光系统800包括诸如LED之类的光源810和半导体光转换构造815，光源810发射第一波长λ1的具有光子能量E1的光850，半导体光转换构造815将第一波长的光的至少一部分转换成λ2的具有光子能量E2的光。
半导体光转换构造815包括光转换器818、直接设置在构造818上的结构化层150、以及设置在结构化层上的外涂层160(例如结构化外涂层160)。
光转换器818包括面向光源810的第一窗口120；单独的第一、第二、第三、和第四势阱840、841、842、和843；包围所述四个势阱的相应的第一、第二、第三、第四和第五光吸收层830、831、832、833、和834；以及辅助光吸收层870。
光吸收层830-834类似于光吸收层130和131，它们吸收光850的至少一部分，并因此产生诸如光生电子-空穴对之类的光生载流子，所述载流子从光吸收层扩散或迁移到势阱840-843中，它们在此处复合并且发射第二波长λ2的光。光吸收层830-834设置为靠近势阱，以使得光生载流子可高效地扩散到势阱中来进行载流子的复合和第二波长λ2的光852的发射。在一些情况下，与势阱840-843相比，光吸收层830-834在例如第二波长下具有较低的折射率。
在一些情况下，光850的一部分未被吸收层830-834和/或势阱840-843吸收，而被这些吸收层和势阱作为光851透射。例如，在一些情况下，所发射光850可具有示意性地示于图9中的强度谱910，其中水平轴为波长、垂直轴为以任意单位表示的强度。在这种情况下，波长λ1可为具有峰值强度Io的峰值发射波长，并且光吸收层830-834的带隙波长可为(例如)λabs，该波长足够大于λ1，使得光850的相当大一部分被吸收层吸收。在一些情况下，λabs小到即使在高温下仍足以对向势阱扩散的光生载流子对构成充分的限制。在这种情况下，光850的一部分(通常对应于光谱910的尾端，位于图9中λabs的右侧)未被光吸收层830-834和/或势阱840-843吸收并且以第一波长的光851透射通过光吸收层和势阱。在这种情况下，辅助光吸收层870可吸收未被其他层吸收的残余或剩余光851。在一些情况下，辅助光吸收层870的带隙波长λlb远大于λabs，以使得基本上所有的光851均被辅助光吸收层吸收。在这种情况下，发光系统800的输出光860基本上为λ2并且不具有或具有极少的λ1的光含量。在这种情况下，辅助光吸收层的带隙能量Elb小于光吸收层830-834的带隙能量Eabs。例如，图10为得自图8中的光转换器818的示意性能带图，其中示出了较小的Elb和较大的Eabs。在图10中，Ec和Ev分别表示导带和价带。在一些情况下，例如当希望优化输出光860的光强度时，辅助光吸收层的带隙能量Elb大于势阱840-843的跃迁能量Epw，如图10所示。在这种情况下，Elb大于λ2的光子的能量E2。
在一些情况下，例如当辅助光吸收层870的带隙能量小于第五吸收层834的带隙能量Eabs时，辅助光吸收层870在波长λ2下的折射率大于光吸收层834的折射率。在这种情况下，光学模式的电场在波导或截留于光转换器818中的λ2下移向结构化层150。这可导致此光学模式的渐逝尾部延伸地更远而进入到结构化层150和/或外涂层160中，从而又导致通过结构化层和外涂层而增强光852的提取。
在一些情况下，泵浦光源810(参见图8和9)发射第一波长λd和较长第二波长λe的光。在一些情况下，第一波长可为泵浦光源的峰值发射波长λ1。光吸收层830-834能够吸收波长为λd的光。但光吸收层不能够吸收波长为λe的光，因为λe长于光吸收层的带隙波长λabs。在一些情况下，光吸收层可吸收光850的相当大一部分。例如，在这种情况下，光吸收层能够吸收光850的至少80％、或至少85％、或至少90％、或至少95％。势阱840-843将由光吸收层吸收的光的至少一部分转换成较长波长的输出光860。辅助光吸收层870能够吸收第一波长λd和第二波长λe的光并且吸收由光源810发射的剩余光。
在一些情况下，半导体光转换构造815可包括除结构化层150和外涂层160中的结构体之外的或另外附加的用于从辅助光吸收层870提取光的装置。例如，可通过图案化或纹理化(例如粗化)辅助光吸收层的顶部表面来提取光。又如，可通过在辅助光吸收层的外表面上形成光子晶体来提取光。示例性的光子晶体描述于(例如)美国专利号6,987,288和7,161,188中。在一些情况下，可通过在辅助光吸收层的输出表面上形成光学单元来提取光，其中所述光学单元可为任何元件并且可具有能够提取光的至少一部分的任何形状，上述光否则将由于(例如)全内反射而没有离开辅助光吸收层。示例性的光提取器描述于：(例如)共同拥有的美国专利公开号2007/0284565；2006年11月17日提交的共同拥有的美国临时专利申请号60/866,265；以及2006年6月12日提交的共同拥有的美国临时专利申请号60/804,544中。
在一些情况下，光吸收层834和辅助光吸收层870中的至少一个可为渐变材料。在这种情况下，辅助光吸收层870在沿吸收层厚度方向上的至少一个位置处的带隙能量Elb小于光吸收层834的最小带隙能量。例如，图11为光转换器1100的示意性能带图，光转换器1100包括具有恒定带隙能量Eabs的光吸收层1120和线性渐变的辅助光吸收层1130。辅助光吸收层870在位置“X”处的带隙能量Elb小于光吸收层834的带隙能量Eabs。在一些情况下，辅助光吸收层870于λ2下在沿该层厚度方向上的至少一个位置处的折射率大于光吸收层834于λ2下的最大折射率。
通常，光转换器818中的辅助光吸收层870和光吸收层(例如光吸收层830-34)能具有可在应用中实行和/或需要的任何形状的能带图。例如，图12为类似于光转换器818的光转换器1218的示意性能带图，光转换器1218包括势阱1210、具有恒定带隙能量Eabs的光吸收层1220、和具有线性渐变带隙的辅助光吸收层1230。辅助光吸收层1230在位置“X”处的带隙能量Elb小于Eabs且大于势阱1210的跃迁能量Etr。
又如，图13为光转换器1318的示意性能带图，光转换器1318包括势阱1310、具有恒定带隙能量Eabs的光吸收层1320、和包括嵌入势阱或量子阱1360的具有恒定带隙能量Elb的辅助光吸收层1330。带隙能量Elb小于Eabs且大于势阱1310的跃迁能量Etr。又如，图14为光转换器1418的示意性能带图，光转换器1418包括势阱1410、具有恒定带隙能量Eabs的光吸收层1420、和包括势阱或量子阱1460的具有弯曲带图的辅助光吸收层1430。辅助光吸收层在位置“X”处的带隙能量Elb小于Eabs且大于势阱1410的跃迁能量Etr。
在一些情况下，图8中的光转换器层818可包括一个或多个诸如窗口120或除窗口之外的载流子阻挡层，以用于阻止光生载流子迁移或扩散到(例如)光转换器的外表面或内部区域上。例如，图15为光转换器1518的示意性能带图，光转换器1518包括势阱1510、具有恒定带隙能量Eabs的光吸收层1520、具有恒定带隙能量Elb的辅助光吸收层1530、以及设置在层1520和1530之间的具有恒定带隙能量Ecb的载流子阻挡层1540，载流子阻挡层1540用于阻止光吸收层1520的载流子迁移(例如扩散)到辅助光吸收层1530中。带隙能量Elb小于Eabs且大于势阱1510的跃迁能量Etr。又如，图16为光转换器1618的示意性能带图，光转换器1618包括势阱1610、具有恒定带隙能量Eabs的光吸收层1620、和线性渐变区1670，线性渐变区1670包括辅助光吸收层1630和载流子阻挡层1640，载流子阻挡层1640用于阻止(例如)势阱1610和光吸收层1620中的载流子迁移到辅助光吸收层1630中。辅助光吸收层在位置“X”处的带隙能量Elb小于Eabs且大于势阱1610的跃迁能量Etr。又如，图17为光转换器1718的示意性能带图，光转换器1718包括势阱1710、具有恒定带隙能量Eabs的光吸收层1720、和非线性渐变区1770，非线性渐变区1770包括辅助光吸收层1730和载流子阻挡层或窗口1740，载流子阻挡层或也就是窗口1740用于阻止(例如)光吸收层1720和/或辅助光吸收层1730中的载流子迁移到(例如)光转换器1718的输出表面(图中未明确示出)上。辅助光吸收层在位置“X”处的带隙能量Elb小于Eabs且大于势阱1710的跃迁能量Etr。
实例7：
制造了与图1中的光转换器118相类似的半导体光转换构造。相对层序以及用于不同层的材料组成、厚度、容积带隙能量、和折射率的估计值汇总于表II中。
表II：实例6的构造中各种层的详细数据：
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。然后，将所述构造通过超高真空转移系统移到另一个MBE室，以进行用于光转换的II-VI外延层的生长。转换器118包括四个CdZnSe量子阱140。各量子阱140夹在CdMgZnSe吸收层之间，所述吸收层可吸收由GaInN基激光二极管发射的440nm的蓝光。
在所述构造粘附到玻璃显微镜载片上之后，用3HCl:1H2O溶液移除InP衬底。蚀刻停止于GaInAs缓冲层(层#2)。随后在30ml氢氧化铵(30重量％)、5ml的过氧化氢(30重量％)、40g己二酸、和200ml水的搅拌溶液中移除缓冲层，从而仅留下粘附到显微镜载片上的II-VI光转换器118。
所得到的构造可用具有峰值发射为453nm且光谱类似于图9所示光谱910的GaInN蓝光泵浦LED从窗口侧照射。该构造的再发射输出光可具有538nm的峰值发射，所述峰值发射对应于量子阱的2.305eV的跃迁能量。如表II所示，光吸收层具有2.578eV的带隙能量，该带隙能量对应于光谱910中的481nm的波长λabs。与光谱910下λabs左侧的面积相对应的入射光的约96％可被吸收层吸收，并且与λabs右侧的面积相对应的剩余4％可被辅助光吸收层吸收。
所述构造的载流子限制能量(势阱的总深度)为0.273eV(2.578-2.305)。一种与此构造类似的但其光吸收层具有于辅助光吸收层相同的材料的构造会吸收基本上所有的泵浦光，然而会有0.185eV(2.490-2.305)的降低的限制能量。因此，光吸收层和辅助光吸收层的结合使用将限制能量从0.185eV增至0.273eV，增幅接近48％，可是辅助光吸收层仅吸收入射泵浦光的约4％。
再回到图1，就光学构造1800的结构化层150和外涂层160随不同系统参数而变化的提取效率进行数值分析，光学构造1800的侧视图示意性地示于图18中。该光学构造包括基材1810、结构化层1850、和外涂层1820，结构化层1850包括直接设置在基材1810的顶部表面1812上的球形粒子1855的方形阵列，外涂层1820直接设置在结构化层和基材的暴露区域上。基材的折射率n1为2.646。粒子1855的直径为200nm并且所述粒子的折射率n2为对应于(例如)SiO2粒子的1.45。相邻粒子之间的间距P为500nm。粒子覆盖基材1810的顶部表面1812的50％。对于外涂层，基体厚度t1为100nm，尺寸t2和t3分别为100nm，并且t4为300nm。在数值模拟期间使外涂层的折射率n3有变化。
光源1805设置在基材的底部表面1814处并且均匀发射540nm的光1807。用有效的二维时域有限差分(FDTD)法对光学构造1800的提取效率建模并作数值计算。提取效率定义为输出光1840的功率与发射的入射光1807的功率的比率。没有结构化层和外涂层时的提取效率为16.4％。
图20示出了在存在结构化层和结构化外涂层时光学构造1800的提取效率随n3而变化。空气外涂层(n3＝1，对应于图20中的点P1)的提取效率为19.2％。因此，在不具有(或具有空气)外涂层情况下，粒子将提取效率从16.4％增至19.2％，增幅为约17.1％。点P2(n3＝1.45，对应于SiO2外涂层)的提取效率为19.8％，与不含外涂层相比增幅为约20.7％。图20中的点P3-P5分别对应于Si3N4、ZnS、和ZnSe外涂层。提取效率大致沿区域Q1中的线条L1、区域Q2中的线条L2、和区域Q3中的线条L3而行。区域Q2中的线条L2对应于范围为约2.0至约2.7的外涂层折射率n3并且与线条L1和L3相比具有较大的斜率。区域Q2表明该提取效率对结构化外涂层的折射率有更大的相依性。
在一些情况下，可在涂布外涂层170之前修改结构化层150。例如，在一些情况下，可在利用外涂层170涂布结构化层之前来修改结构化层150内的结构体中的至少一些结构体的形状和/或尺寸。参照图21A-21C来描述一个这样的示例性方法。图21A为光学构造2100的示意性侧视图，光学构造2100包括半导体基材2110和直接设置在半导体基材上的结构化层2120。例如，所述基材可类似于图1中的第二窗口121或图8中的辅助吸收层870。在一些情况下，基材2120可为多层，其中一层可例如类似于辅助吸收层870。
例如，结构化层2120可类似于图1中的结构化层150。结构化层2120包括直接设置在基材2110上的多个分立粒子2122。在一些情况下，粒子2122可为有机物，例如聚合物。示例性的聚合物包含聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯(如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、聚烯烃(如聚丙烯(PP))、聚氨酯、聚酯(如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))、聚酰胺、聚酰亚胺、酚醛树脂、二乙酸纤维素、三乙酸纤维素、苯乙烯-丙烯腈共聚物、环氧树脂等等。
粒子2122在基材2110的顶部表面2126上形成单层。所述单层包括将基材的顶部表面露出的开口区域，例如开口区域2124。在一些情况下，可通过将粒子暴露于蚀刻剂而使粒子的尺寸缩小或减小。例如，蚀刻剂可蚀刻掉每个粒子的一部分，从而导致更小的或缩小的粒子。示例性的蚀刻方法包括湿法或干法化学蚀刻、以及反应离子蚀刻。在一些情况下，粒子为聚苯乙烯，并且蚀刻方法为氧等离子体或反应离子蚀刻。
在一些情况下，通过将粒子2122暴露于足够的热量而使之软熔。例如，聚合物粒子2122可在处于或接近该粒子熔点的温度下软熔。在一些情况下，可将蚀刻剂和热同时施加到粒子上，以缩小和软熔粒子中的至少一些。在一些情况下，蚀刻过程可产生热，所述热可与一些附加热一起或无需附加热来软熔粒子。
在一些情况下，结构体2122的平均尺寸可基本上决定结构体的表面密度，并且诸如蚀刻时间之类的蚀刻量可决定结构体在蚀刻步骤之后(结构体2132)的面积覆盖百分比。在一些情况下，所需的初始平均结构体尺寸和蚀刻量可基于所需表面结构体密度和表面覆盖百分比算出或者以其他方式确定。例如，可对于给定的所需粒子密度来确定平均粒径R，并且可对于给定的所需面积覆盖百分比并基于(例如)实验数据来确定诸如(例如)蚀刻时间之类的蚀刻参数。接着，可将(例如)单层具有平均直径R的密集堆积的粒子涂布到表面上，以达到所需的表面粒子密度。接着，可根据所确定的蚀刻参数来蚀刻粒子，以获得由经蚀刻粒子实现的所需表面覆盖百分比。在一些情况下，粒子可以被外涂。
在一些情况下，为了实现所需的最终表面覆盖百分比，首先将多个结构体设置在顶部表面2126上，以获得大于所需的最终面积覆盖百分比的初始面积覆盖百分比。接着，使结构体中的至少一些结构体充分缩小，以将初始的面积覆盖百分比减小至所需的最终面积覆盖百分比。在一些情况下，结构体中的至少一些可以被软熔。在一些情况下，结构体接着被涂以外涂层，以覆盖缩小的结构体以及未覆盖区域中的顶部表面。
在经受足够的热量并被施用一种或多种蚀刻剂之后，光学构造2100被修改成示意性地示于图21B中的光学构造2150。具体地讲，在层2120中的粒子2122被部分地蚀刻和软熔之后，结构化层2120被改变成或修改成结构化层2130。结构化层2130包括粒子2132，粒子2132小于对应的粒子2122并且已因受热而软熔。软熔之后，粒子2132具有平坦底部2134。在一些情况下，粒子2132为凸圆状或锥状。在一些情况下，软熔和缩小粒子的步骤可同时或并行进行。在一些情况下，这两个步骤可按顺序进行。例如，可通过蚀刻剂来减小粒子的尺寸，然后通过加热步骤来软熔经蚀刻的粒子。
在一些情况下，在粒子被施用蚀刻剂并被加热后，基材2110的顶部表面2126中通过多个粒子的覆盖百分比降低。例如，在这种情况下，粒子2122覆盖图21中第一百分比的顶部表面2126，并且2132覆盖图21B中第二百分比的顶部表面2126，其中第二百分比小于第一百分比。
在一些情况下，缩小步骤可将粒子的平均尺寸(例如平均侧向尺寸)减小至少10％、或至少20％、或至少30％、或至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％。在一些情况下，所述基材的顶部表面中通过多个结构体的面积覆盖百分比在缩小步骤之后可降低。例如，在这种情况下，面积覆盖百分比可降低至少10％、或至少20％、或至少30％、或至少40％、或至少50％。
在一些情况下，用外涂层2160涂布光学构造2150而得到示意性地示于图21C中的光学构造2180。外涂层2160覆盖多个粒子2132和位于开口区域(例如开口区域2124)内的基材2110的顶部表面。
基材2110在(例如)可见光谱区域内具有折射率n1，结构化层2130中的粒子2132具有折射率n2，并且外涂层2160具有折射率n3。在一些情况下，n2小于n1。例如，在这种情况下，基材2110包括折射率范围为约2至约2.7、或约2至约2.5的半导体材料，并且粒子2132包括折射率范围为约1.5至约1.8的聚合物。在一些情况下，n3大于n1。例如，在这种情况下，基材2110包括折射率范围为约2至约2.3的半导体材料，并且外涂层2160包括折射率范围为约2.3至约2.7的不同半导体。
实例8：
利用实例1中概述的方法制造了半导体光转换构造。构造的计算EQE为15.29％。用聚苯乙烯(PS)微球涂布所述构造的吸收层侧，从而得到与图21A中的结构化层2120相类似的结构化层。微球具有约1000nm的平均直径，得自新泽西州南普兰菲尔德市(South Plainfield，New Jersey)的VWR科技产品公司(VWR Scientific Products)。微球的折射率为约1.59，并且构造中的吸收层的折射率为约2.6。微球散布于H2O中，其固体含量为10重量％。用旋涂法将此溶液涂布到吸收层的顶部表面(图21A中的顶部表面2126)上，涂布方式为以约200rpm的速度旋涂约20秒然后以约5000rpm的速度旋涂约5秒。图22A为所得样品的SEM图像，其中示出了位于光转换构造的顶部表面上的密集堆积的微球PS粒子。顶部表面中通过微球的面积覆盖百分比为约90％并且所得样品的计算EQE为22.9％。因此，PS粒子使EQE从15.29％增至22.9％，增幅为约49.8％。然后将样品在氧等离子体(6mT，射频功率为80W，且电感耦合等离子体电源为1200W)中进行蚀刻以软熔并减小粒子的尺寸。所得到的粒子面积覆盖百分比为约64％。因此，蚀刻步骤将面积覆盖百分比从约90％降至约64％。图22B为所得样品的SEM图像。粒子为锥状或凸圆状的且具有平坦底部。所得样品的计算EQE为27.8％。接着，用真空蒸镀法将该样品外涂以ZnS。外涂层的厚度为约400nm，并且ZnS外涂层的折射率为约2.4。图22C为所得样品的SEM图像。所得样品的计算EQE为37.8％。因此，ZnS外涂层的添加使EQE从27.8％增至37.8％，增幅为约36％。
实例9：
利用实例1中概述的方法制造了半导体光转换构造。该造的计算EQE为17.65％。用聚苯乙烯(PS)微球涂布所述构造的吸收层侧，从而得到与图21A中的结构化层2120相类似的结构化层。微球具有约500nm的平均直径，得自新泽西州南普兰菲尔德市的VWR科技产品公司。微球的折射率为约1.59，并且该构造中的吸收层的折射率为约2.6。微球被散布于H2O中，其固体含量达到1.5重量％。用浸涂法将此溶液以约65毫米/分钟的速度涂布到吸收层的顶部表面(图21A中的顶部表面2126)上。样品被浸涂单次。所得样品的计算EQE为26.40％。因此，PS粒子使EQE从17.65％增至26.40％，增幅为约49.6％。然后将样品在氧等离子体(200mT，200mW，以及8英寸直径的台板)中进行蚀刻，以轻微地缩小和软熔粒子。所得粒子为锥状或凸圆状的且具有平坦底部。接着，用真空蒸镀法将该样品外涂以ZnS。外涂层的厚度为约400nm，并且ZnS外涂层的折射率为约2.4。所得样品的计算EQE为35.5％。因此，ZnS外涂层的添加使EQE从26.4％增至35.5％，增幅为约34.5％。
图23为包括LED光源和光转换层2315的光源2300的示意性侧视图，LED光源发射第一波长λ1的光850，光转换层2315将光850的至少一部分转换成较长的第二波长λ2的光852。光转换构造2315包括设置在衬底2320上的具有第一折射率n1的荧光体板条2330。荧光体板条2330吸收光850的至少一部分并且将所吸收光的至少一部分再发射为波长λ2的光852。可用于荧光体板条2330中的示例性荧光体包括硫化镓酸锶、掺杂GaN、铜活化硫化锌、和银活化硫化锌。其他可用的荧光体包括掺杂YAG、硅酸盐、氮氧化硅、氮化硅、和基于铝酸盐的荧光体。这种荧光体的实例包括Ce:YAG、SrSiON:Eu、SrBaSiO:Eu、SrSiN:Eu、和BaSrSiN:Eu。
衬底2320可包括适于应用的任何材料。示例性的材料包括玻璃、聚合物、诸如矾土之类的陶瓷、兰宝石、以及金属(例如，包括一个或多个让光透过的透光的开口或孔隙的金属)。在一些情况下，衬底2320在第一波长下为基本上透光的。在一些情况下，该衬底在λ1下可为不透光的。在这种情况下，该衬底可包括一个或多个让光850穿过衬底的光学的或其他方式的开口。在一些情况下，衬底2320可包括其他功能层(未明确地示于图23中)，例如λ2的反射器或散热器。
光转换构造2315还包括设置在荧光体板条2330上的结构化层150。结构化层150的第二折射率n2小于荧光体板条的第一折射率n1。结构化层包括直接设置在荧光体板条上的多个结构体151以及露出荧光体板条的多个开口2305。光转换构造2315还包括类似于外涂层160的结构化外涂层2360，该结构化外涂层直接设置在结构化层150的至少一部分上以及荧光体板条中位于多个开口(例如开口2305)内的部分上。结构化外涂层2360的第三折射率n3大于第二折射率n2。
在一些情况下，结构化外涂层2360可通过使截留光的渐逝尾部更远地延伸到结构化外涂层中来增强截留在荧光体板条中的第二波长λ2的光的提取。尾部延伸可增加由结构体151截留的光的散射，结果增加了从荧光体板条中来提取截留光。
在一些情况下，结构化层150在第二波长下为基本上光学透明的。在一些情况下，结构化外涂层2360在第二波长下为基本上光学透明的。在一些情况下，结构化层150中的多个结构体包括多个分立的结构体，例如分立的粒子，其中在一些情况下，多个分立粒子中的相当大一部分基本上为球形。在一些情况下，结构化层150中的多个结构体包括多个互连的结构体。
在一些情况下，结构化外涂层2360包括Si3N4、ZnS、ZnSe、ZnSSe、ITO、TiO2、ZrO2、Ta2O5、HfO2、和硅酸盐(例如硅酸盐玻璃)中的至少一个。在一些情况下，结构化外涂层2360包括半导体。在一些情况下，结构化外涂层2360的结构化外表面2361与结构化层150的结构化外表面2362一致。
利用图18中的光学构造1800，数值分析光转换构造2315的随不同系统参数变化的提取效率。基材的折射率n1为1.84，该值为用于荧光体板条(例如荧光体板条2330)的典型值。粒子1855的直径D为200nm，并且粒子的折射率n2为对应于(例如)SiO2粒子的1.45。相邻粒子之间的间距P为500nm。粒子覆盖基材1810的顶部表面1812的50％。对于外涂层，基体厚度t1为100nm，尺寸t2和t3各为100nm，t4为300nm。在数值模拟期间使外涂层的折射率n3有变化。
光源1805设置在基材的底部表面1814处并且均匀发射540nm的光1807。利用有效的二维时域有限差分(FDTD)法来建模并数值计算光学构造1800的提取效率。
图24示出了在存在结构化层和外涂层的情况下光学构造1800随n3变化的提取效率。点Q1(n3＝1.45)(对应于SiO2外涂层)处的提取效率为40.5％。图24中的点Q2和Q3分别对应于Si3N4、和TiO2外涂层。对于在约1.35至约2.2、或约1.45至约2.2范围内的n3，提取效率为至少约40％。在一些情况下，外涂层可包括折射率范围为约1.38至约1.39的MgF2。在一些情况下，外涂层可包括多孔涂层。例如，外涂层可包括多孔的SiO2涂层，该涂层具有小于约1.45的折射率，例如具有约1.4、或约1.35、或约1.30、或约1.29的折射率。
如本文所用，术语(例如“垂直”、“水平”、“上面”、“下面”、“左”、“右”、“上方”及“下方”、“顶部”及“底部”以及其他类似的术语)是指如附图所示的相对位置。通常，物理实施例可以具有不同的取向，在这种情况下，所述术语意在指示修改为装置实际取向的相对位置。例如，即使将图1中的构造相对于附图中的取向颠倒，第一吸收层130仍被视为在势阱140“下面”。
虽然为了有助于说明本发明的各个方面，上文详细描述了本发明的具体实例，但是应当理解，其目的并不是将本发明限制于实例中所给出的具体内容。相反，其目的在于涵盖附带的权利要求书中限定的本发明的精神和范围内的所有变化形式、实施例和可供选择的形式。
Claims (19)
1.一种制造用于从基材中提取光的光学构造的方法，所述方法包括下述步骤：
(a)提供具有表面的基材；
(b)在所述基材的表面上设置多个结构体，所述多个结构体形成露出所述基材的表面的开口区域；
(c)使所述结构体中的至少一些结构体缩小；以及
(d)涂布外涂层，以覆盖缩小的结构体和所述开口区域内的所述基材的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)通过对所述多个结构体施用蚀刻剂来执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在施用所述蚀刻剂后，所述多个结构体对所述基材的覆盖百分比降低。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个结构体包含聚苯乙烯。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个结构体包含多个粒子。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个粒子在施用所述蚀刻剂前基本上为球形并且在施用所述蚀刻剂后基本上为锥状。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述基材具有折射率n1并且所述多个结构体具有折射率n2，并且其中n2小于n1。
8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)至(d)按顺序执行。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括软熔所述结构体中的至少一些结构体的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中软熔所述结构体中的至少一些结构体的步骤通过将热量施加到所述多个结构体来执行。
11.根据权利要求9所述的方法，其中缩小和软熔所述粒子中的至少一些粒子的步骤同时执行。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述结构体中的至少一些结构体在步骤(c)中缩小至少20％。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述结构体中的至少一些在步骤(c)中缩小至少40％。
14.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(d)中的所述外涂层包括结构化外涂层。
15.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(d)中的所述外涂层具有与所述多个结构体的外表面一致的结构化外表面。
16.一种在基材表面上制造用于从所述基材中提取光的多个结构体的方法，所述方法包括下述步骤：
(a)提供具有表面的基材；
(b)确定所述基材的表面中的所需第一面积覆盖百分比；
(c)在所述基材的表面上设置多个结构体，产生大于所述所需第一面积覆盖百分比的第二面积覆盖百分比；以及
(d)使所述结构体中的至少一些结构体缩小，以将面积覆盖百分比降至所述所需第一面积覆盖百分比。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括步骤：涂布结构化外涂层，以覆盖缩小的结构体以及未覆盖区域内的所述基材的表面。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括步骤：软熔所述多个结构体中的至少一些结构体。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述多个结构体包含多个粒子。
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