CN102124583A - 半导体光转换构造 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了半导体光转换构造。所述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更长的第二波长的光；外层，设置在所述半导体势阱上并且具有第一折射率；结构化层，设置在所述外层上并且具有小于所述第一折射率的第二折射率。所述结构化层包括直接设置在所述外层上的多个结构体以及暴露所述外层的多个开口。所述半导体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所述结构化层的至少一部分上以及所述多个开口内的所述外层的一部分上。所述外涂层具有大于所述第二折射率的第三折射率。
Description
技术领域
本发明整体涉及半导体发光装置。本发明特别适用于具有改善亮度的半导体发光装置。
背景技术
发光装置用于投影显示系统、液晶显示器的背光源等等在内的多种不同的应用中。投影系统通常使用一个或多个白色光源，例如高压汞灯。通常将白色光束分离成三原色(红、绿和蓝)并且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。将所得的原色图像光束进行组合并且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源。LED具有提供可与常规光源相媲美的亮度和运行寿命的潜能。然而，目前的LED由于(例如)高折射率区内的光俘获而相对效率低下。
发明内容
一般来讲，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，用于将至少一部分第一波长的光转换成更长的第二波长的光；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暴露外层的多个开口。半导体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以及位于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超过约1000nm、或不超过约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和光转换构造，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。结构化表面具有暴露光转换构造的内层的多个开口。所述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。结构化外涂层增强了来源于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，外涂层的折射率位于约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更长的第二波长的光；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，当利用光谱中心位于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，并且第二半导体层吸收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更长的第二波长的光；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，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，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。该光学构造在第一波长下为基本透射性的。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，所述光源发射第一波长和更长的第二波长的光；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带隙能量Eabs，以用于吸收入射光的一部分而非全部；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不同波长的光谱区。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。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中的每一个均紧邻半导体势阱。
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)将多个结构体设置在基材的表面上，其中所述多个结构体形成暴露基材的表面的开口区域；(c)使结构体的至少一些结构体缩小；以及(d)涂布外涂层，以覆盖缩小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)是通过将蚀刻剂涂布到所述多个结构体上来进行的。在一些情况下，在施加蚀刻剂之后通过所述多个结构体会降低基材表面的覆盖百分比。在一些情况下，所述多个结构体包括聚苯乙烯。在一些情况下，所述多个结构体包括多个粒子。在一些情况下，所述多个粒子在施加蚀刻剂之前为基本球形并且在施加蚀刻剂之后为基本锥状。在一些情况下，按顺序进行步骤(a)至(d)。在一些情况下，该方法还包括软熔结构体中的至少一些结构体的步骤，其中在一些情况下，软熔结构体中的至少一些结构体的步骤是通过向所述多个结构体施加热来进行的。在一些情况下，使粒子中的至少一些粒子缩小和软熔是同时进行的。在一些情况下，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)中的外涂层具有与多个结构体的外表面一致的外结构化表面。
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的表面上，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)使结构体中的至少一些结构体缩小，以将该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，该方法还包括涂布结构化外涂层以覆盖缩小结构体和未被覆盖区域内的基材表面的步骤。在一些情况下，该方法还包括软熔多个结构体中的至少一些结构体的步骤。
在另一个实施例中，一种光转换构造包括：荧光体板，所述荧光体板具有第一折射率，以用于将第一波长的光的至少一部分转换成更长的第二波长的光；以及结构化层，所述结构化涂层设置在荧光体板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荧光体板上的多个结构体和暴露荧光体板的多个开口。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多个开口内的荧光体板的一部分上。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，结构化外涂层增强了从荧光体板对第二波长的光的提取。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至少为0.3、或至少为0.5、或至少为0.7、或至少为0.9。在一些情况下，第三和第二折射率之间的差值至少为0.3、或至少为0.5、或至少为0.7、或至少为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封装光转换构造的封壳。在一些情况下，结构化外涂层在第二波长下的折射率位于约1.35至约2.2的范围内。
附图说明
结合附图对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分别为外涂布的单层纳米粒子和外涂布的多层纳米粒子的SEM图像；
图7为另一个外涂布的单层纳米粒子的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光谱；
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进行变化的图线；
图21A-21C为在制造光学构造的过程中的中间阶段或步骤处的装置的示意图；
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为图22B中的利用ZnS外涂布的粒子的SEM图像；
图23为光源的示意性侧视图；并且
图24为计算的提取效率百分比随外涂层折射率进行变化的图线。
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
本专利申请公开了包括半导体光源和一个或多个波长转换器的半导体发光装置，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、高转换效率或其他所需特性的波长转换器可得自下述半导体族，所述半导体族不同于LED所归属的半导体族。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接到光源上。一些此类方法描述于2007年12月10日提交的美国专利申请序列号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。如本文所用的，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或蓝色区域内的第一波长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色或红色区域内的较长第二波长λ2的光1925。光提取层1930通过从光转换层1920中增强光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提取将会被光转换层1920俘获或者说是未被光转换层透射的光。
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、或者组件或多个半导体量子点。可用于光转换层1920中的示例性荧光体包括硫化镓酸锶、掺杂GaN、铜激活硫化锌、和银激活硫化锌。其他可用的荧光体包括掺杂钇铝石榴石(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。
在一些情况下，光转换层1920可包括诸如Ce:YAG板之类的板荧光体。Ce:YAG板的制备方式可为(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，如在(例如)美国专利号7,361,938中所述。
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。可通过例如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，所述方式为图案化输出表面上的材料(例如有机材料)、利用外涂层来外涂布图案化材料、并且移除外涂布图案化材料中的部分(例如通过高温下分解该部分)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增强了光转换层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为包括电致发光装置110和半导体光转换构造115的半导体发光元件105的示意性侧视图，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120、设置在第一窗上的第一吸收层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121、直接设置在第二窗上的结构化层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、铜激活硫化锌和银激活硫化锌。
在一些情况下，层140可包含势阱、量子阱、量子点、或者多种或多个上述材料。例如与有机材料相比，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，其中所述半导体层具有低于围绕层的导带能和/或高于围绕层的价带能。量子阱通常是薄得足以使量子化效应提升阱中电子-空穴对复合能量的势阱。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，所述合金中可不存在Cd、Mg和Zn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可包括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可包括Cd、Mg、Se和可任选的Zn的合金。在一些情况下，势阱可包括ZnSeTe。在一些情况下，量子阱140的厚度位于约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，其中可通过任何合适的方法以及通过添加任何合适的掺杂剂来完成掺杂。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半导体装置，并且势阱140可为II-VI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可包括Cd(Mg)ZnSe半导体合金，其中括在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、或至少三个、或至少四个具有不同的跃迁能量的势阱。
在一些情况下，势阱140基本吸收第一波长λ1的光。例如，在这种情况下，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下为基本光透射性的。例如，在这种情况下，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，它们在此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有效地扩散到势阱中来进行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中的每一个均紧邻势阱140。在一些情况下，半导体光转换构造115中的光吸收层可毗邻势阱140，即一个或几个居间层可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括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第三较长波长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杂有掺杂剂。在一些情况下，例如当光吸收层包括Cd(Mg)ZnSe合金时，掺杂剂可为VII族的n型掺杂剂。在一些情况下，掺杂剂可包括氯或碘。在一些情况下，掺杂剂的数量密度位于约1017cm-3到约1018cm-3的范围内。其他示例性的掺杂剂包括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不具有、具有一个、两个或两个以上的吸收层。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，光吸收层充分地接近于相应势阱，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。在其中半导体多层叠堆不包括光吸收层的情况下，势阱可基本吸收第一波长λ1的光。
第一和第二窗120和121主要设计成提供势垒，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中的空闲位置或外部表面。例如，第一窗120主要设计成阻止在第一吸收层130中产生的载流子迁移到表面123处，在此处它们可进行非发光性地复合。在一些情况下，窗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。通常，光转换构造可不具有、具有一个或两个窗。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。
在一些情况下，半导体光转换构造115中两个层之间的界面位置可为明确确定的或清晰的界面。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，两个相邻层之间的界面可为非明确确定的并且可为(例如)定义渐变区域的渐变界面。例如，在一些情况下，第一吸收层130和第一窗120可具有相同的材料成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层的材料组成，从而在这两个层之间产生渐变界面或区域。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时，Mg的浓度可增加。
第二窗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或蓝光波长并且λ2为位于约420nm至约650nm范围内的可见光波长。在这种情况下，n1可为可见光谱范围内的折射率。在一些情况下，n1为在波长λ2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121上。折射率n2小于第二窗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材进行连接，例如通过基材155而彼此连接的结构体153和154。结构化层150包括暴露第二窗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下的总光学透射率为至少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)网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离散的结构体。例如，在一些情况下，结构化层可包括多个粒子。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，粒子的平均尺寸不超过2000nm、或不超过1500nm、或不超过1000nm、或不超过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包括多个粒子，其中所述粒子的相当大一部分为基本球形。例如，在这种情况下，粒子的最大尺寸与最小尺寸的比率不超过1.3、或不超过1.25、或不超过1.2、或不超过1.15、或不超过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有机材料或聚合物(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可包括聚苯乙烯，例如聚苯乙烯微球体。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且不包括或包括极少的结构体的区域。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为直接设置在第二窗121上的包括多层粒子451的结构化层450的示意性侧视图。结构化层涂布有连续性外涂层460，并且封壳470遮盖外涂层。
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121中通过结构化层150中的开口来暴露窗的区域的一部分上。外涂层160在(例如)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，否则该光将会在第二窗的表面125处进行全内反射。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。
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超过结构化层150中的结构体的平均尺寸。在一些情况下，外涂层160的平均厚度不超过1000nm、或不超过800nm、或不超过700nm、或不超过600nm、或不超过500nm、或不超过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下的总光学透射率为至少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)包括一个或多个岛状物而为不连续层。例如，在图2中，结构化层250直接设置在第二窗121上并且在结构体251和252之间定义了开口255。外涂层260直接设置在结构化层250上，且在开口区域中，在第二窗121上的形成位于开口和暴露区域255内的岛状物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上并且包封半导体发光元件105且保护元件免受例如环境中的水分的影响。在一些情况下，封壳可具有光学功能，例如用于当光181离开半导体发光元件时来(例如)准直该光的光焦度。
电致发光装置110可为能够响应电信号而发光的任何装置。例如，电致发光装置可为能够响应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能够发射可在应用中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，所述材料例如为有机半导体或无机半导体，包括IV族元素，例如Si或Ge；III-V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化合物的合金；II-VI化合物，例如ZnSe、CdSe、BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、BeS、MgS、以及II-VI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、一个或多个有源层(可包括一个或多个势阱和/或量子阱)、缓冲层、基底层、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。
通过下面的实例进一步说明所公开的构造的一些优点。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当限制。
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值概述于表I中。
表I：实例1的构造中的各个层的详细资料：
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族生长的表面。然后，将构造通过超高真空传送系统移到另一个MBE室，以便进行用于光转换的II-VI外延层的生长。转换器118包括四个CdZnSe量子阱140。每个量子阱140均夹在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。
在将构造粘附到玻璃显微镜载片上之后，利用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：
当利用发射λin＝440nm蓝光的激光二极管从构造的窗侧照射构造时，计算实例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。利用表达式(Pout/Pin)×(λin/λout)来计算EQE，其中Pin为入射功率并且Pout为转换光离开构造的输出功率。所计算的EQE为23％。
实例3：
利用SiO2纳米粒子来涂布实例1中制备的构造的吸收层侧，从而得到类似于结构化层150的结构化层。粒子具有约440nm的平均直径并且得自德克萨斯州休斯顿市(Houston，Texas)的日产化学美国公司(Nissan Chemical America Corporation)。将粒子在1-甲氧基-2-丙醇中分散成5重量％的固体含量。将该溶液利用浸涂法以约65毫米/分钟的速度涂布到构造上。将一个上述样品(样品A)浸涂一次。将第二上述样品(样品B)浸涂若干次。图5A和5B分别为样品A和B的侧视扫描电镜(SEM)图像。利用实例2中概述的方法，计算出样品A和B的EQE分别为30.7％和38.2％。
实例4：
利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法为得自实例3的样品A和B涂布Si3N4外涂层，从而分别得到外涂布的样品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分别为外涂布的样品A1和B1的侧视SEM图像。利用实例2中概述的方法，计算出样品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，以制备新样品C(单次浸涂)。利用实例2中概述的方法，计算出样品C的EQE为33.45％。
接下来，利用真空升华法为样品C外涂布ZnS，从而得到外涂布的样品C1。外涂层的厚度为约400nm，并且ZnS外涂层的折射率估计为2.4。图7为样品C1的侧视SEM图像。利用实例2中概述的方法，计算出样品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，以制备新样品D1-D4。利用实例2中概述的方法，计算出D1-D4的EQE分别为22.1％、19.93％、21.25％、和25.7％。接下来，利用实例3中概述的方法，以不同的浸涂速度为样品涂布单层SiO2粒子。样品D1-D4的所得估计面积覆盖百分比分别为30％、40％、50％和70％。所得样品的计算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且具有光子能量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具有λ2且具有光子能量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120；单独的第一、第二、第三和第四势阱840、841、842和843；围绕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；以及辅助性光吸收层870。
光吸收层830-834类似于光吸收层130和131，并且吸收光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有效地扩散到势阱中来进行载流子的复合以及第二波长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吸收并且被吸收层和势阱透射为光851。例如，在一些情况下，所发射光850可具有示意性地示于图9中的强度光谱910，其中水平轴为波长并且竖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，该波长远大于λ1以使得光850的相当大一部分被吸收层吸收。在一些情况下，λabs足够小，以便即使在高温下仍为向势阱扩散的光生载流子对提供足够的限制。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，辅助性光吸收层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，辅助性光吸收层870的带隙波长λlb远大于λabs，以使得基本上所有的光851均被辅助性光吸收层吸收。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，辅助性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，则辅助性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，例如当辅助性光吸收层870的带隙能量小于第五吸收层834的带隙能量Eabs时，辅助性光吸收层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陷于光转换器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。辅助性光吸收层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性光吸收层870提取光的装置。例如，可通过图案化或纹理化(例如粗化)辅助性光吸收层的顶部表面来提取光。又如，通过在辅助性光吸收层的外表面上形成光子晶体而提取光。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，可通过在辅助性光吸收层的输出表面上形成光学元件来提取光，其中所述光学元件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，否则上述则将由于(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和辅助性光吸收层870中的至少一个可为渐变材料。在这种情况下，辅助性光吸收层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和线性渐变的辅助性光吸收层1130。辅助性光吸收层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，辅助性光吸收层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中的辅助性光吸收层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性光吸收层1230。辅助性光吸收层1230在位置“X”处的带隙能量Elb小于Eabs并且大于势阱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的辅助性光吸收层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的具有弯曲能带图的辅助性光吸收层1430。辅助性光吸收层在位置“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120或除窗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的辅助性光吸收层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中的载流子迁移(例如扩散)到辅助性光吸收层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包括辅助性光吸收层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性光吸收层1630中。辅助性光吸收层在位置“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包括辅助性光吸收层1730和载流子阻挡层或窗1740，载流子阻挡层或窗1740用于阻止(例如)光吸收层1720和/或辅助性光吸收层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。辅助性光吸收层在位置“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、体带隙能量和折射率的估值概述于表II中。
表II：实例6的构造中的各个层的详细资料：
首先通过MBE在InP衬底上生长GaInAs缓冲层，以制备用于II-VI族生长的表面。然后，将构造通过超高真空传送系统移到另一个MBE室，以便进行用于光转换的II-VI外延层的生长。转换器118包括四个CdZnSe量子阱140。每个量子阱140均夹在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。
在将构造粘附到玻璃显微镜载片上之后，利用3HCl:1H2O的溶液移除InP衬底。蚀刻剂停止于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。
可从窗侧利用峰值发射为453nm并且光谱类似于图9中的光谱910的GaInN蓝色泵浦LED来照射所得构造。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％可被辅助性光吸收层吸收。
构造的载流子限制能量(势阱的总深度)为0.273eV(2.578-2.305)。类似于此构造但具有与辅助性光吸收层包含相同材料的光吸收层的构造将吸收基本上所有的泵浦光但具有0.185eV(2.490-2.305)的降低的限制能量。因此，光吸收层和辅助性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％，同时辅助性光吸收层仅吸收入射泵浦光的约4％。
重新参考图1，针对光学构造1800，数值分析结构化层150和外涂层160随不同系统参数而变化的提取效率，该光学构造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D为200nm并且所述粒子的折射率n2对应于(例如)SiO2粒子为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。外涂层的折射率n3在数值模拟期间为变化的。
光源1805设置在基材的底部表面1814处并且发射540nm的均一光1807。利用有效的二维有限时域差分(FDTD)法来建模和数值计算光学构造1800的提取效率。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。不存在结构化层和外涂层的提取效率为16.4％。
图20示出了在存在结构化层和结构化外涂层的情况下光学构造1800随n3变化的提取效率。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以及区域Q3中的线条L3的方向。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表明该提取效率更显著地取决于结构化外涂层的折射率。
在一些情况下，可在涂布外涂层170之前来修改结构化层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。基材可(例如)类似于图1中的第二窗121或图8中的辅助性吸收层870。在一些情况下，基材2120可为多层的，其中一层可(例如)类似于辅助性吸收层870。
结构化层2120可类似于(例如)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。示例性的聚合物包括聚苯乙烯、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。所述单层包括暴露基材的顶部表面的开口区域，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，粒子2122通过使其暴露于足够的热而变得软熔。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，基于所需的表面结构体密度和表面覆盖百分比，可计算出、或者说是确定所需的初始平均结构体尺寸和蚀刻量。例如，对于给定的所需粒子密度来说，可确定平均粒径R，并且对于给定的所需面积覆盖百分比以及基于(例如)实验数据，可确定诸如(例如)蚀刻时间之类的蚀刻参数。接下来，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，以提供所需的表面粒子密度。接下来，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，粒子可进行外涂布。
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。接下来，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进行软熔。在一些情况下，随后利用外涂层涂布结构体来覆盖缩小的结构体以及未覆盖区域中的顶部表面。
在经受足够的热以及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，当层2120中的粒子2122已进行部分蚀刻和软熔之后，结构化层2120被改变或修改成结构化层2130。结构化层2130包括粒子2132，粒子2132小于对应的粒子2122并且已因暴露于热而软熔。软熔之后，粒子2132具有平坦底部2134。在一些情况下，粒子2132为穹顶或锥状的。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，在将蚀刻剂和热施加到粒子之后，被多个粒子覆盖的基材2110的顶部表面2126的覆盖百分比被降低。例如，在这种情况下，粒子2122覆盖图21A中的顶部表面2126的第一百分比，并且粒子2132覆盖图21B中的顶部表面2126的第二百分比，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(例如平均横向尺寸)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，在缩小步骤之后，基材的顶部表面的面积覆盖百分比通过多个结构体而被降低。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，利用外涂层2160涂布光学构造2150，从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以及位于开口区域(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中概述的方法来制造半导体光转换构造。构造的计算EQE为15.29％。利用聚苯乙烯(PS)微球体来涂布吸收层侧，从而得到与图21A中的结构化层2120相类似的结构化层。微球体具有约1000nm的平均直径并且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)。微球体的折射率为约1.59并且构造中的吸收层的折射率为约2.6。将微球体浸于H2O中，以达到10重量％的固体含量。利用旋涂方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体PS粒子。顶部表面中被微球体覆盖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功率为1200W)中进行蚀刻，以软熔和减小粒子的粒度。被粒子覆盖的所得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。粒子为锥状或穹顶状的且具有平坦底部。所得样品的计算EQE为27.8％。接下来，利用真空蒸镀法将该样品外涂布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中概述的方法来制造半导体光转换构造。构造的计算EQE为17.65％。利用聚苯乙烯(PS)微球体来涂布吸收层侧，从而得到与图21A中的结构化层2120相类似的结构化层。微球体具有约500nm的平均直径并且得自新泽西州南普兰菲尔德市的VWR科技产品公司。微球体的折射率为约1.59并且构造中的吸收层的折射率为约2.6。将微球体浸于H2O中，以达到1.5重量％的固体含量。利用浸涂方法将此溶液以约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。将样品浸涂单次。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。所得粒子为锥状或穹顶状的且具有平坦底部。接下来，利用真空蒸镀法将该样品外涂布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示意性侧视图，LED光源包括发射第一波长λ1的光850，光转换层2315将光850的至少一部分转换成较长第二波长λ2的光852。光转换构造2315包括设置在基材2320上的具有第一折射率n1的荧光体板2330。荧光体板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2330中的示例性荧光体包括硫化镓酸锶、掺杂GaN、铜激活硫化锌和银激活硫化锌。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。
基材2320可包括可适用于应用中的任何材料。示例性的材料包括玻璃、聚合物、诸如矾土之类的陶瓷、蓝宝石以及金属(例如，包括一个或多个允许光穿过的透明开口或孔隙的金属)。在一些情况下，基材2320在第一波长下为基本光学透射性的。在一些情况下，基材在λ1下可为不透光的。在这种情况下，基材可包括一个或多个用于光850穿过基材的光学或其他开口。在一些情况下，基材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小于荧光体板的第一折射率n1。结构化层包括直接设置在荧光体板上的多个结构体151以及暴露荧光体板的多个开口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，结构化外涂层2360直接设置在结构化层150的至少一部分以及荧光体板中位于多个开口(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可通过使被俘获光的渐逝尾部更远地延伸到结构化外涂层中来增强被俘获在荧光体板中的第二波长λ2的光的提取。尾部延伸可增加由结构体151俘获的光的散射，从而使得增强了从荧光体板中来提取被俘获光。
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离散的结构体，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为基本球形。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)中的至少一种。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来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(例如荧光体板2330)的典型值。粒子1855的直径D为200nm并且粒子的折射率n2对应于(例如)SiO2粒子为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。外涂层的折射率n3在数值模拟期间为变化的。
光源1805设置在基材的底部表面1814处并且发射540nm的均一光1807。利用有效的二维有限时域差分(FDTD)法来建模和数值计算光学构造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“竖直”、“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进行颠倒，第一吸收层130仍被视为在势阱140的“下方”。
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方式。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 (40)
1.一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更长的第二波长的光；
外层，设置在所述半导体势阱上并且具有第一折射率；
结构化层，设置在所述外层上并且具有小于所述第一折射率的第二折射率，所述结构化层包括直接设置在所述外层上的多个结构体以及暴露所述外层的多个开口；以及
结构化外涂层，直接设置在所述结构化层的至少一部分上以及所述多个开口内的所述外层的一部分上，所述外涂层具有大于所述第二折射率的第三折射率。
2.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化外涂层增强从所述半导体光转换构造对所述第二波长的光的提取。
3.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化层在所述第二波长下基本为光学透明的。
4.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化外涂层在所述第二波长下基本为光学透明的。
5.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化层中的所述多个结构体包括多个离散的结构体。
6.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化层中的所述多个结构体包括多个互连的结构体。
7.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化层中的所述多个结构体包括多个粒子。
8.根据权利要求7所述的半导体光转换构造，其中所述多个粒子中的相当大一部分基本为球形。
9.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化层包括有机材料。
10.根据权利要求9所述的半导体光转换构造，其中所述结构化层包括光致抗蚀剂。
11.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化层包括无机材料。
12.根据权利要求11所述的半导体光转换构造，其中所述结构化层包括SiO2。
13.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化外涂层包括一个或多个岛状物。
14.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化外涂层包括Si3N4、ZnS、ZnSe、ZnSSe、ITO、TiO2、ZrO2、Ta2O5、HfO2和硅酸盐中的至少一种。
15.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化外涂层包括半导体。
16.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化外涂层的平均厚度不超过约1000nm。
17.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述结构化外涂层的平均厚度不超过约700nm。
18.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述第一和第二折射率之间的差值至少为0.3。
19.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述第一和第二折射率之间的差值至少为0.5。
20.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述第一和第二折射率之间的差值至少为0.7。
21.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述第一和第二折射率之间的差值至少为0.9。
22.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述第三和第二折射率之间的差值至少为0.3。
23.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述第三和第二折射率之间的差值至少为0.5。
24.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述第三和第二折射率之间的差值至少为0.7。
25.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述第三和第二折射率之间的差值至少为0.9。
26.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述势阱和所述外层中的至少一个包括II-VI族化合物。
27.根据权利要求26所述的半导体光转换构造，其中所述势阱和所述外层中的至少一个包括Cd(Mg)ZnSe或ZnSeTe。
28.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述外层在所述第一波长下基本为吸收性的。
29.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述外层在所述第二波长下基本为透射性的。
30.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述外涂层的外表面与所述结构化层的外表面一致。
31.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，还包括封装所述半导体光转换构造的封壳。
32.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述外涂层在所述第二波长下的折射率在约1.8至约2.7的范围内。
33.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，其中所述外涂层在所述第二波长下的折射率在约2.0至约2.7的范围内。
34.一种发光系统，包括：
半导体电致发光元件，所述半导体电致发光元件包括：
根据权利要求1所述的半导体光转换构造；
发射所述第一波长的光的LED，所述第一波长的光的至少一部分被所述半导体光转换构造转换成所述第二波长的光；以及
封装所述半导体电致发光元件的封壳。
35.根据权利要求1所述的半导体光转换构造，包括至少两个具有不同跃迁能量的半导体势阱。
36.一种发光系统，包括：
LED；
光转换构造，所述光转换构造降频转换由所述LED发射的光并且具有结构化最外表面，所述结构化表面具有暴露所述光转换构造的内层的多个开口；和
结构化外涂层，形成于所述结构化最外表面以及所述内层的暴露区域上，从而增强从所述光转换构造的光提取，所述外涂层的外表面与所述结构化最外表面一致。
37.根据权利要求36所述的发光系统，其中所述外涂层的折射率在约1.8至约2.7的范围内。
38.根据权利要求36所述的发光系统，其中所述外涂层的折射率在约2.0至约2.7的范围内。
39.根据权利要求36所述的发光系统，其中所述外涂层包括半导体。
40.根据权利要求36所述的发光系统，还包括封装所述发光系统的封壳。
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