KR20110031953A - 반도체 광 변환 구조체 - Google Patents

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KR20110031953A
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준-잉 장
테리 엘 스미스
마이클 에이 하아세
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

반도체 광 변환 구조체가 개시되어 있다. 반도체 광 변환 구조체는 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 더 긴 제2 파장의 광으로 변환하는 반도체 전위 우물(semiconductor potential well), 반도체 전위 우물 상에 배치되고 제1 굴절률을 갖는 외부층(outer layer), 및 외부층 상에 배치되고 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 구조화된 층을 포함한다. 구조화된 층은 외부층 바로 위에 배치된 복수의 구조물들 및 외부층을 노출시키는 복수의 개구들을 포함한다. 반도체 광 변환 구조체는 구조화된 층의 적어도 일부분 및 복수의 개구들에 있는 외부층의 일부분 바로 위에 배치되어 있는 구조화된 오버코트를 더 포함한다. 오버코트는 제2 굴절률보다 큰 제3 굴절률을 갖는다.

Description

반도체 광 변환 구조체{SEMICONDUCTOR LIGHT CONVERTING CONSTRUCTION}
본 발명은 일반적으로 반도체 발광 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 상세하게는 향상된 휘도를 갖는 반도체 발광 디바이스에 적용가능하다.
발광 디바이스는 프로젝션 디스플레이 시스템, 액정 디스플레이의 백라이트, 기타 등등을 비롯한 많은 서로 다른 응용에서 사용된다. 프로젝션 시스템은 통상적으로 고압 수은 램프와 같은 하나 이상의 백색 광원을 사용한다. 백색 광빔은 보통 3개의 기본색(적색, 녹색 및 청색)으로 분할되고, 각각의 기본색(primary color)에 대한 이미지를 생성하기 위해 각자의 이미지 형성 공간 광 변조기로 보내진다. 그 결과로 얻어진 기본색 이미지 빔들은 결합되어, 시청을 위해 프로젝션 스크린 상으로 투영된다.
보다 최근에, 발광 다이오드(LED)가 백색 광원에 대한 대안으로서 고려되고 있다. LED는 종래의 광원들과 경쟁하게 될 휘도 및 동작 수명을 제공할 잠재력을 가지고 있다. 그렇지만, 현재의 LED는, 예를 들어, 고굴절 영역에서의 광 포획(light entrapment)으로 인해 비교적 효율이 좋지 않다.
일반적으로, 본 발명은 반도체 발광 디바이스에 관한 것이다. 일 실시예에서, 반도체 광 변환 구조체(semiconductor light converting construction)는 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 더 긴 제2 파장의 광으로 변환하는 반도체 전위 우물(semiconductor potential well), 반도체 전위 우물 상에 배치되고 제1 굴절률을 갖는 외부층(outer layer), 및 외부층 상에 배치되고 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 구조화된 층(structured layer)을 포함한다. 구조화된 층은 외부층 바로 위에 배치된 복수의 구조물들 및 외부층을 노출시키는 복수의 개구들을 포함한다. 반도체 광 변환 구조체는 구조화된 층의 적어도 일부분 및 복수의 개구들에 있는 외부층의 일부분 바로 위에 배치되어 있는 구조화된 오버코트(structured overcoat)를 더 포함한다. 오버코트는 제2 굴절률보다 큰 제3 굴절률을 갖는다. 어떤 경우들에, 구조화된 오버코트의 평균 두께는 약 1000 ㎚ 이하 또는 약 700 ㎚ 이하이다. 어떤 경우들에, 오버코트의 외측 표면은 구조화된 층의 외측 표면과 정합(conform)한다.
다른 실시예에서, 발광 시스템은 LED와, LED에 의해 방출된 광을 다운-컨버전(down-convert)하고 구조화된 가장 바깥쪽 표면을 갖는 광 변환 구조체를 포함한다. 구조화된 표면은 광 변환 구조체의 내부층을 노출시키는 복수의 개구들을 갖는다. 발광 시스템은 구조화된 가장 바깥쪽 표면 및 내부층의 노출된 영역 상에 형성되는 구조화된 오버코트를 더 포함한다. 구조화된 오버코트는 광 변환 구조체로부터의 광 추출을 향상시킨다. 오버코트의 외측 표면은 구조화된 가장 바깥쪽 표면과 정합한다. 어떤 경우들에, 오버코트의 굴절률은 약 1.8 내지 약 2.7의 범위에 있다.
다른 실시예에서, 반도체 광 변환 구조체는 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 흡수하는 제1 반도체층, 제1 파장의 흡수된 광의 적어도 일부분을 더 긴 제2 파장의 광으로 변환하는 반도체 전위 우물, 및 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 흡수할 수 있는 제2 반도체층을 포함한다. 제1 반도체층은 제2 파장에서 최대 제1 굴절률을 갖는다. 제2 반도체층은 제2 파장에서 최대 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층의 밴드 갭 에너지(band gap energy)는 제2 파장의 광자의 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 제2 반도체층의 밴드 갭 에너지는 제2 파장의 광자의 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 제2 반도체층의 밴드 갭 에너지는 제1 반도체층의 최소 밴드 갭 에너지보다 작다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층의 밴드 갭 에너지는 반도체 전위 우물의 천이 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 제2 반도체층의 밴드 갭 에너지는 반도체 전위 우물의 천이 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 제1 파장에 중심을 둔 스펙트럼을 갖고 제1 파장보다 더 긴 파장 λe를 포함하는 입사광으로 조명될 때, 제1 반도체층이 제1 파장의 광은 흡수하지만 λe의 광은 흡수하지 않고, 제2 반도체층이 λe의 광을 흡수한다.
다른 실시예에서, 반도체 광 변환 구조체는 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 흡수하는 제1 반도체층, 제1 파장의 흡수된 광의 적어도 일부분을 더 긴 제2 파장의 광으로 변환하는 반도체 전위 우물, 및 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 흡수할 수 있는 제2 반도체층을 포함한다. 제2 반도체층은 제1 반도체층의 최소 밴드 갭 에너지보다 작은 밴드 갭 에너지를 갖는다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층의 밴드 갭 에너지는 제2 파장의 광자의 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 제2 반도체층의 밴드 갭 에너지는 제2 파장의 광자의 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 제2 파장에서의 제2 반도체층의 굴절률은 제2 파장에서의 제1 반도체층의 최대 굴절률보다 크다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층의 밴드 갭 에너지는 반도체 전위 우물의 천이 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 제2 반도체층의 밴드 갭 에너지는 반도체 전위 우물의 천이 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체는 동일한 천이 에너지를 갖는 복수의 반도체 전위 우물을 포함한다. 어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체는 서로 다른 천이 에너지를 갖는 복수의 반도체 전위 우물을 포함한다.
다른 실시예에서, 광 구조체는 가시광(visible) 내의 제1 파장에서 굴절률 n1을 갖는 제1 반도체층, 제1 반도체층 위에 배치되고 제1 파장에서 굴절률 n2를 갖는 제2 반도체층 - 여기서, n2가 n1보다 작음 -, 제2 반도체층 위에 배치되고 제1 파장에서 굴절률 n3를 갖는 제3 반도체층 - 여기서, n3가 n2보다 큼 -, 제3 반도체층 바로 위에 배치되는 구조화된 층, 및 구조화된 층의 적어도 일부분 바로 위에 배치되는 오버코트를 포함한다 광 구조체는 제1 파장에서 실질적으로 투과성이다. 어떤 경우들에, 오버코트는 광결정(photonic crystal)을 포함한다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층은 전위 우물이다. 어떤 경우들에, 제2 반도체층이 제1 파장에서는 실질적으로 광 흡수성이지만, 제2 파장에서는 그렇지 않다. 어떤 경우들에, 제3 반도체층이 제1 파장에서는 실질적으로 광 흡수성이지만, 제2 파장에서는 그렇지 않다.
다른 실시예에서, 발광 시스템은 제1 파장 및 더 긴 제2 파장의 광을 방출하는 광원, 및 제1 파장의 광은 흡수할 수 있지만 제2 파장의 광은 흡수할 수 없는 하나 이상의 제1 반도체 광 흡수층을 포함한다. 하나 이상의 제1 반도체 광 흡수층은 광원에 의해 방출된 광의 적어도 80%를 흡수한다. 발광 시스템은 하나 이상의 제1 반도체 광 흡수층에 의해 흡수된 광의 적어도 일부분을 더 긴 파장의 출력 광으로 변환하는 반도체 전위 우물, 및 제2 파장의 광을 흡수할 수 있는 하나 이상의 제2 반도체 광 흡수층을 더 포함한다. 하나 이상의 제2 반도체 광 흡수층은 광원에 의해 방출된 나머지 광을 흡수한다. 어떤 경우들에, 하나 이상의 제1 반도체 광 흡수층은 광원에 의해 방출된 광의 적어도 90%를 흡수한다. 어떤 경우들에, 하나 이상의 제1 반도체 광 흡수층은 광원에 의해 방출된 광의 적어도 95%를 흡수한다. 어떤 경우들에, 발광 시스템은 동일한 또는 서로 다른 천이 에너지를 갖는 복수의 반도체 전위 우물을 포함한다.
다른 실시예에서, 반도체 광 변환 구조체는 입사광의 전부가 아닌 일부분을 흡수하는, 밴드 갭 에너지 Eabs를 갖는 제1 반도체층, 흡수된 입사광의 적어도 일부분을 다운-컨버전하는, Eabs보다 작은 천이 에너지 Etr을 갖는 반도체 전위 우물, 및 나머지 입사광을 흡수하는, Etr보다 크고 Eabs보다 작은 밴드 갭 에너지 Elb를 갖는 제2 반도체층을 포함한다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층에 의해 흡수된 입사광의 일부분 및 제2 반도체층에 의해 흡수된 나머지 입사광은 스펙트럼의 서로 다른 파장 영역을 포함한다. 어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체는 Eabs보다 큰 밴드 갭 에너지 Ew를 갖는 반도체 윈도우(semiconductor window)를 더 포함한다. 어떤 경우들에, Ew는 입사광의 광자 에너지보다 크다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층은 반도체 전위 우물에 가깝게 인접해 있다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층은 반도체 전위 우물에 바로 인접해 있다. 어떤 경우들에, 제1 반도체층은 반도체 전위 우물과 제2 반도체층 사이에 배치되어 있다. 어떤 경우들에, 제1 및 제2 반도체층 각각은 반도체 전위 우물에 바로 인접해 있다.
다른 실시예에서, 기판으로부터 광을 추출하는 광 구조체를 제조하는 방법은 (a) 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계, (b) 기판의 표면 상에 복수의 구조물들을 배치하는 단계 - 복수의 구조물들은 기판의 표면을 노출시키는 개구 영역들(open areas)을 형성함 -, (c) 구조물들의 적어도 일부를 수축시키는 단계, 및 (d) 수축된 구조물들 및 개구 영역들 내의 기판의 표면을 덮도록 오버코트를 도포하는 단계를 포함한다. 어떤 경우들에, 단계 (c)는 복수의 구조물들에 에칭제를 도포함으로써 수행된다. 어떤 경우들에, 복수의 구조물들에 의한 기판의 표면의 퍼센트 점유(percent coverage)가 에칭제의 도포 후에 감소된다. 어떤 경우들에, 복수의 구조물들은 폴리스티렌을 포함한다. 어떤 경우들에, 복수의 구조물들은 복수의 입자들을 포함한다. 어떤 경우들에, 복수의 입자들은 에칭제를 도포하기 전에 실질적으로 구형(spherical)이고, 에칭제를 도포한 후에 실질적으로 원추와 비슷하다(cone-like). 어떤 경우들에, 단계 (a) 내지 단계 (d)는 순차적으로 수행된다. 어떤 경우들에, 이 방법은 또한 구조물들의 적어도 일부를 리플로우(reflow)하는 단계를 포함하며, 어떤 경우들에, 구조물들의 적어도 일부를 리플로우하는 단계가 복수의 구조물들에 열을 가함으로써 수행된다. 어떤 경우들에, 입자들 중 적어도 일부를 수축시키는 단계 및 리플로우하는 단계가 동시에 수행된다. 어떤 경우들에, 구조물들이 단계 (c)에서 적어도 20% 또는 적어도 40% 수축된다. 어떤 경우들에, 단계 (d)에서의 오버코트가 구조화된 오버코트를 포함한다. 어떤 경우들에, 단계 (d)에서의 오버코트가 복수의 구조물들의 외측 표면과 정합하는 구조화된 외측 표면을 갖는다.
다른 실시예에서, 기판으로부터 광을 추출하는 기판의 표면 상의 복수의 구조물들을 제조하는 방법은 (a) 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계, (b) 기판의 표면의 원하는 제1 퍼센트 영역 점유(percent area coverage)를 확인하는 단계, (c) 원하는 제1 퍼센트 영역 점유보다 큰 제2 퍼센트 영역 점유가 얻어지도록 기판의 표면 상에 복수의 구조물들을 배치하는 단계, 및 (d) 퍼센트 영역 점유를 원하는 제1 퍼센트 영역 점유로 감소시키기 위해 구조물들 중 적어도 일부를 수축시키는 단계를 포함한다. 어떤 경우들에, 이 방법은 수축된 구조물들 및 덮이지 않은 영역들에 있는 기판의 표면을 덮기 위해 구조화된 오버코트를 도포하는 단계를 더 포함한다. 어떤 경우들에, 이 방법은 복수의 구조물들 중 적어도 일부를 리플로우하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 광 변환 구조체는 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 더 긴 제2 파장의 광으로 변환하는, 제1 굴절률을 갖는 형광체 슬라브(phosphor slab), 및 형광체 슬라브 상에 배치되고 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 구조화된 층을 포함한다. 구조화된 층은 형광체 슬라브 바로 위에 배치된 복수의 구조물들 및 형광체 슬라브를 노출시키는 복수의 개구들을 포함한다. 광 변환 구조체는 구조화된 층의 적어도 일부분 및 복수의 개구들에 있는 형광체 슬라브의 일부분 바로 위에 배치되어 있는 구조화된 오버코트를 더 포함한다. 구조화된 오버코트는 제2 굴절률보다 큰 제3 굴절률을 갖는다. 어떤 경우들에, 구조화된 오버코트는 형광체 슬라브로부터 제2 파장의 광을 추출하는 것을 향상시킨다. 어떤 경우들에, 구조화된 오버코트는 Si3N4, ZnS, ZnSe, ZnSSe, ITO, TiO2, ZrO2, Ta2O5, HfO2, 및 실리케이트 중 적어도 하나를 포함한다. 어떤 경우들에, 제1 굴절률과 제2 굴절률의 차이는 적어도 0.3 또는 적어도 0.5 또는 적어도 0.7 또는 적어도 0.9이다. 어떤 경우들에, 제3 굴절률과 제2 굴절률의 차이는 적어도 0.3 또는 적어도 0.5 또는 적어도 0.7 또는 적어도 0.9이다. 어떤 경우들에, 구조화된 오버코트의 구조화된 외측 표면은 구조화된 층의 외측 표면과 정합한다. 어떤 경우들에, 광 변환 구조체는 광 변환 구조체를 밀봉시키는 밀봉제(encapsulant)를 더 포함한다. 어떤 경우들에, 제2 파장에서의 구조화된 오버코트의 굴절률은 약 1.35 내지 약 2.2의 범위에 있다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완벽하게 이해되고 인식될 수 있다.
<도 1>
도 1은 발광 시스템의 개략 측면도.
<도 2>
도 2는 구조화된 층 및 오버코트의 개략 측면도.
<도 3>
도 3은 다른 구조화된 층 및 다른 오버코트의 개략 측면도.
<도 4>
도 4는 다른 구조화된 층 및 다른 오버코트의 개략 측면도.
<도 5a 및 도 5b>
도 5a 및 도 5b는, 각각, 단층의 나노입자 및 다층의 나노입자의 SEM(scanning electron microscope) 이미지.
<도 6a 및 도 6b>
도 6a 및 도 6b는, 각각, 오버코팅된 단층의 나노입자 및 오버코팅된 다층의 나노입자의 SEM 이미지.
<도 7>
도 7은 다른 오버코팅된 단층의 나노입자의 SEM 이미지.
<도 8>
도 8은 발광 시스템의 개략 측면도.
<도 9>
도 9는 방출된 광의 개략적인 강도 스펙트럼.
<도 10>
도 10은 광 변환기의 개략적인 밴드 다이어그램.
<도 11>
도 11은 다른 광 변환기의 개략적인 밴드 다이어그램.
<도 12>
도 12는 다른 광 변환기의 개략적인 밴드 다이어그램.
<도 13>
도 13은 다른 광 변환기의 개략적인 밴드 다이어그램.
<도 14>
도 14는 다른 광 변환기의 개략적인 밴드 다이어그램.
<도 15>
도 15는 다른 광 변환기의 개략적인 밴드 다이어그램.
<도 16>
도 16은 다른 광 변환기의 개략적인 밴드 다이어그램.
<도 17>
도 17은 다른 광 변환기의 개략적인 밴드 다이어그램.
<도 18>
도 18은 광 구조체의 개략 측면도.
<도 19>
도 19는 발광 시스템의 개략 측면도.
<도 20>
도 20은 계산된 퍼센트 추출 효율(percent extraction efficiency)을 오버코트 굴절률의 함수로서 나타낸 그래프.
<도 21a 내지 도 21c>
도 21a 내지 도 21c는 광 구조체를 제조하는 공정에서의 중간 스테이지들 또는 단계들에서의 디바이스를 개략적으로 나타낸 도면.;
<도 22a>
도 22a는 단층의 폴리스티렌 입자의 SEM 이미지.
<도 22b>
도 22b는 에칭되고 리플로우된 도 22a의 입자의 SEM 이미지.
<도 22c>
도 22c는 ZnS로 오버코팅된 도 22b의 입자의 SEM 이미지.
<도 23>
도 23은 광원의 개략 측면도.
<도 24>
도 24는 계산된 퍼센트 추출 효율을 오버코트 굴절률의 함수로서 나타낸 그래프.
다수의 도면들에서 사용된 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 특성 및 기능을 갖는 동일하거나 유사한 구성요소들을 가리킨다.
본 출원은 반도체 광원 및 하나 이상의 파장 변환기를 포함하는 반도체 발광 디바이스를 개시하고 있으며, 이 변환기는 반도체 파장 변환기일 수 있다. 본 출원은 또한 광 추출을 향상시키는 구조물을 개시하고 있다.
몇몇 개시된 디바이스는 동일한 반도체 족(III-V 족 등)으로 된 광원 및 광 변환층을 갖는다. 이러한 경우들에, 예를 들어, III-V 광원(III-V LED 등) 바로 위에 III-V 파장 변환기를 모놀릭적으로 성장시켜 제조하는 것이 실시가능할 수 있다. 그렇지만, 어떤 경우들에, 원하는 출력 파장, 높은 변환 효율 또는 기타 바람직한 특성들을 갖는 파장 변환기가, LED가 속하는 반도체 족과 다른 반도체 족으로 되어 있을 수 있다. 이러한 경우들에, 한 성분을 다른 성분 위에 고품질로 성장시키는 것이 가능하거나 실시가능하지 않을 수 있다. 예를 들어, 고효율 파장 변환기가 II-VI 족으로 되어 있을 수 있고, LED 등의 광원이 III-V 족으로 되어 있을 수 있다. 이러한 경우들에, 광 변환기를 광원에 부착시키는 다양한 방법들이 이용될 수 있다. 몇몇 이러한 방법들이 2007년 12월 10일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/012608호에 기술되어 있다.
이 미국 출원에 개시된 파장 변환기는 광원에 의해 방출된 광을 다운-컨버전(down converting) 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 다운-컨버전이란 변환된 광의 파장이 미변환된 광, 즉 입사광의 파장보다 크다는 것을 의미한다.
도 19는 광원(1910), 광 변환층(1920), 및 광 추출층(1930)을 포함하는 발광 시스템(1900)의 개략 측면도이다. 광원(1910)은 통상적으로 스펙트럼의 UV 또는 청색 영역에 있는 제1 파장λ1의 광(1915)을 방출한다. 광 변환층(1920)은 광(1915)의 적어도 일부분을 통상적으로 스펙트럼의 녹색 또는 적색 영역에 있는 더 긴 제2 파장λ2의 광(1925)으로 변환한다. 광 추출층(1930)은 광 변환층(1920)으로부터 광(1925)을 추출하는 것을 향상시킴으로써 발광 시스템의 출력광의 휘도 또는 강도를 향상시킨다. 예를 들어, 광 추출층(1930)은 그렇지 않았으면 광 변환층(1920) 내에 포획되었거나 광 변환층(1920)에 의해 투과되지 않았을 광을 추출한다.
일반적으로, 광 변환층(1920)은 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환할 수 있는 어떤 요소 또는 물질이라도 포함할 수 있다. 예를 들어, 층(1920)은 형광체, 형광 염료, 폴리플루오렌과 같은 공액 발광 유기 물질, 축광 반도체층, 반도체 전위 우물, 또는 조립체 또는 복수의 반도체 양자점을 포함할 수 있다. 광 변환층(1920)에서 사용될 수 있는 예시적인 형광체는 스트론튬 티오갈레이트, 도핑된 GaN, 구리-활성 황화아연, 및 은-활성 황화아연을 포함한다. 다른 유용한 형광체는 도핑된 YAG, 실리케이트, 산질화 규소, 질화 규소, 및 알루미네이트계 형광체를 포함한다. 이러한 형광체의 일례는 Ce:YAG, SrSiON:Eu, SrBaSiO:Eu, SrSiN:Eu, 및 BaSrSiN:Eu를 포함한다.
어떤 경우들에, 광 변환층(1920)은 Ce:YAG 슬라브와 같은 슬라브 형광체를 포함할 수 있다. Ce:YAG 슬라브는, 예를 들어, 미국 특허 제7,361,938호에 기술된 바와 같이 실질적으로 광 투과성이고 비산란성(non-scattering)인 슬라브를 형성하기 위해, 예를 들어, Ce:YAG 형광체 입자를 고온 고압에서 소결시킴으로써 제조될 수 있다.
광 추출층(1930)은 광 변환층(1920) 바로 위에 배치되는 구조화된 층(1940), 및 구조화된 층 위에 배치되는 구조화된 오버코트(1950)와 같은 오버코트(1950)를 포함한다. 구조화된 층(1940)은 광 변환층(1920) 바로 위에 배치되는 복수의 구조물들을 포함한다. 어떤 경우들에, 오버코트의 외측 표면은 구조화된 층의 외측 표면과 정합한다.
어떤 경우들에, λ2에서의 구조물들의 굴절률은 동일한 파장에서 광 변환층(1920) 내의 가장 바깥쪽 층의 굴절률보다 낮다. 저굴절률의 구조화된 층(1940)은, 예를 들어, 출력면 상에 포토레지스트를 패턴화(광 패턴화 등)함으로써 또는 출력면 상에 부분적으로 또는 전체적으로 단층의 입자 또는 다층의 입자(나노입자 등)를 증착함으로써, 광 변환층의 출력면(1921) 상에 형성될 수 있다. 어떤 경우들에, 구조화된 층은 λ2에서의 구조화된 층의 굴절률을 저하시키기 위해, 예를 들어, 공기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우들에, 구조화된 층은 출력면(1921) 상에 중공 구조물들 또는 입자들을 포함할 수 있다. 공기 또는 공기 포켓들을 포함하는 구조화된 층(1940)이, 예를 들면, 출력면 상에 물질(유기 물질 등)을 패턴화하는 것, 패턴화된 물질을 오버코트로 오버코팅하는 것, 및, 예를 들어, 오버코팅된 패턴화된 물질의 일부분을 고온에서 분해시킴으로써 공기 영역을 형성하기 위해 그 일부분을 제거하는 것에 의해, 출력면 상에 형성될 수 있다. 어떤 경우들에, 구조화된 층(1940) 내의 구조물들의 굴절률은 구조화된 층에 바로 인접해 있는 광 변환층(1920) 내의 가장 바깥쪽 층의 굴절률보다 작다.
오버코트(1950)는 광 변환층(1920)으로부터 광을 추출하는 것을 향상시킨다. 어떤 경우들에, 오버코트는 Al2O3, TiO2, ZrO2, La2O3, Ta2O5, HfO2, 실리케이트, 질화 규소, 산질화 규소, 또는 인듐-주석 산화물과 같은 유리질 물질 또는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 오버코트는 ZnS, ZnSe, ZnO 또는 반도체 합금(ZnSxSe1-x등)을 함유하는 오버코트와 같은 반도체 오버코트일 수 있다. 어떤 경우들에, 오버코트는 치밀화된 졸-겔(sol-gel)과 같은 졸-겔일 수 있다. 어떤 경우들에, 오버코트의 굴절률은 구조화된 층에 바로 인접해 있는 광 변환층(1920) 내의 가장 바깥쪽 층의 굴절률보다 크다.
도 1은 광자 에너지 E1 을 갖는 제1 파장 λ1의 광을 방출하는 전계발광 디바이스(110) 및 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 광자 에너지 E2를 갖는 더 긴 제2 파장 λ2의 광으로 변환하는 반도체 광 변환 구조체(115)를 포함하는 반도체 발광 요소(105)의 개략 측면도이다.
반도체 광 변환 구조체(115)는 전계발광 디바이스(110)와 마주하는 제1 윈도우(120), 제1 윈도우 위에 배치되는 제1 흡수층(130), 제1 흡수층 위에 배치되는 전위 우물(140), 전위 우물 위에 배치되는 제2 흡수층(131), 제2 흡수층 위에 배치되는 제2 윈도우(121), 제2 윈도우 바로 위에 배치되는 구조화된 층(150), 구조화된 층 위에 배치되는 오버코트(160), 및 오버코트 위에 배치되어, 반도체 전계발광 요소(105)를 밀봉시키는 밀봉제(170)를 포함한다.
일반적으로, 광 변환기(118)는 제1 파장 λ1의 광의 적어도 일부분을 제2 파장 λ2의 광으로 변환시킬 수 있는 어떤 요소라도 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 변환기(118)는 형광체, 형광 염료, 및 폴리플루오렌과 같은 공액 발광 유기 물질을 포함할 수 있다. 광 변환기(118)에서 사용될 수 있는 예시적인 형광체는 스트론튬 티오갈레이트, 도핑된 GaN, 구리-활성 황화아연, 및 은-활성 황화아연을 포함한다.
어떤 경우들에, 층(140)은 전위 우물, 양자 우물, 양자점을 포함하거나, 이들 각각을 다수개 또는 복수개 포함할 수 있다. 무기 반도체 전위 우물 및 양자 우물과 같은 무기 전위 및 양자 우물은 통상적으로, 예를 들어, 유기 물질에 비해 향상된 광 변환 효율을 가지며, 습기 등의 환경적 요소들에 영향을 덜 받음으로써 보다 신뢰성이 있다. 게다가, 무기 전위 및 양자 우물은 보다 좁은 출력 스펙트럼을 가지는 경향이 있으며, 그 결과, 예를 들어, 향상된 색역(color gamut)이 얻어진다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 전위 우물이란 한 차원에서만 캐리어를 구속하도록 설계되어 있는 다층 반도체 구조물 내의 반도체층(들)을 의미하며, 여기서 이 반도체층(들)은 주변의 층들보다 낮은 전도대(conduction band) 에너지 및/또는 주변의 층들보다 높은 가전자대(valence band) 에너지를 갖는다. 양자 우물이란 일반적으로 양자 효과(quantization effect)가 우물에서의 전자-정공쌍 재결합을 위한 에너지를 증가시킬 정도로 충분히 얇은 전위 우물을 의미한다. 양자 우물은 통상적으로 약 100 ㎚ 이하 또는 약 10 ㎚ 이하의 두께를 갖는다. 양자점은 통상적으로 약 100 ㎚ 이하 또는 약 10 ㎚ 이하의 최대 치수를 갖는다.
어떤 경우들에, 전위 또는 양자 우물(140)은 전계발광 디바이스(110)에 의해 방출된 광자의 에너지 E1보다 작은 천이 에너지 Epw를 갖는 II-VI 반도체 전위 또는 양자 우물을 포함한다. 일반적으로, 전위 또는 양자 우물(140)의 천이 에너지는 전위 또는 양자 우물에 의해 재방출되는 광자의 에너지 E2와 실질적으로 같다.
어떤 경우들에, 전위 우물(140)은 합금의 3가지 성분으로서 화합물 ZnSe, CdSe, 및 MgSe을 갖는 CdMgZnSe 합금을 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, Cd, Mg, 및 Zn 중 하나 이상, 특히 Mg가 합금에 없을 수 있다. 예를 들어, 전위 우물(140)은 적색으로 재방출할 수 있는 Cd0.70Zn0.30Se 양자 우물, 또는 녹색으로 재방출할 수 있는 Cd0.33Zn0.67Se 양자 우물을 포함할 수 있다. 다른 일례로서, 전위 우물(140)은 Cd, Zn, Se, 및 선택적으로 Mg의 합금을 포함할 수 있으며, 이 경우에 합금계(alloy system)가 Cd(Mg)ZnSe으로 표현될 수 있다. 다른 일례로서, 전위 우물(140)은 Cd, Mg, Se, 및 선택적으로 Zn의 합금을 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 전위 우물은 ZnSeTe를 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 양자 우물(140)은 약 1 ㎚ 내지 약 100 ㎚ 또는 약 2 ㎚ 내지 약 35 ㎚의 범위의 두께를 가진다.
일반적으로, 전위 우물(140)은 어떤 전도대 및/또는 가전자대 프로필이라도 가질 수 있다. 예시적인 프로필들이, 예를 들어, 미국 특허 출원 제60/893804호에 기술되어 있다.
어떤 경우들에, 전위 우물(140)은 n-도핑 또는 p-도핑되어 있을 수 있으며, 여기서 도핑은 임의의 적합한 방법에 의해 임의의 적합한 도펀트를 포함시킴으로써 달성될 수 있다. 어떤 경우들에, 전계발광 디바이스(110) 및 전위 우물(140)은 2개의 서로 다른 반도체 족으로 되어 있을 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 전계발광 디바이스(110)는 III-V 반도체 디바이스일 수 있고, 전위 우물(140)은 II-VI 전위 우물일 수 있다. 어떤 경우들에, 전계발광 디바이스(110)는 AlGaInN 반도체 합금을 포함할 수 있고, 전위 우물(140)은 Cd(Mg)ZnSe 반도체 합금을 포함할 수 있으며, 여기서 괄호 안에 포함된 물질은 선택적인 물질이다.
일반적으로, 반도체 광 변환 구조체(115)는 하나 이상의 전위 우물을 가질 수 있다. 어떤 경우들에, 구조체(115)는 다수의 전위 우물을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 구조체(115)는 적어도 2개의 전위 우물, 또는 적어도 5개의 전위 우물, 또는 적어도 10개의 전위 우물을 가질 수 있다. 어떤 경우들에, 구조체(115)는 서로 다른 천이 에너지를 갖는 적어도 2개의 전위 우물, 또는 적어도 3개의 전위 우물, 또는 적어도 4개의 전위 우물을 가질 수 있다.
어떤 경우들에, 전위 우물(140)은 제1 파장 λ1의 광을 실질적으로 흡수한다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 전위 우물(140)은 제1 파장 λ1의 광의 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%를 흡수한다. 어떤 경우들에, 전위 우물(140)은 제1 파장 λ1에서 실질적으로 광 투과성이다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 전위 우물(140)은 제1 파장 λ1의 광의 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%를 투과한다.
광 흡수층(130 및 131)은 반도체 광 변환 구조체(115)에서의 광(180)의 흡수 및 캐리어의 발생에 도움을 준다. 어떤 경우들에, 광 흡수층(130 및 131)은 광(180)의 적어도 일부분을 흡수하고, 그 결과 전자-정공 캐리어와 같은 광-발생 캐리어 쌍을 생성한다. 이 캐리어는 광 흡수층으로부터 전위 우물(140)로 확산 또는 이동하고, 전위 우물(140)에서 재결합하여 제2 파장 λ2의 광을 방출한다.
광-발생 캐리어가 캐리어의 재결합 및 제2 파장 λ2의 광의 방출을 위해 전위 우물로 효율적으로 확산할 수 있도록, 광 흡수층(130 및 131)이 전위 우물에 근접하여 위치된다.
어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체(115) 내의 광 흡수층은 전위 우물(140)에 바로 인접해 있을 수 있으며, 이는 흡수층과 전위 우물 사이에 어떤 개재층(intervening layer)도 배치되어 있지 않음을 의미한다. 예를 들어, 도 1에서, 제1 및 제2 광 흡수층(130 및 131) 각각은 전위 우물(140)에 바로 인접해 있다. 어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체(115) 내의 광 흡수층은 전위 우물(140)에 가깝게 인접해 있을 수 있으며, 이는 흡수층과 전위 우물 사이에 하나 또는 몇개의 개재층이 배치될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 어떤 경우들에, 하나 이상의 개재층(도 1에 도시되지 않음)이 제1 광 흡수층(130)과 전위 우물(140) 사이에 배치될 수 있다.
어떤 경우들에, 광 흡수층은 무기 반도체(II-VI 반도체 등)와 같은 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡수층(130 및 131) 중 하나 이상이 Cd(Mg)ZnSe 반도체 합금을 포함할 수 있다.
어떤 경우들에, 광 흡수층은 전계발광 디바이스(110)에 의해 방출된 광자의 에너지 E1 보다 작은 밴드 갭 에너지 Eabs를 갖는다. 이러한 경우들에, 광 흡수층은 전계발광 디바이스에 의해 방출된 광을 흡수(예를 들어, 강하게 흡수)할 수 있다. 어떤 경우들에, 광 흡수층은 전위 우물(140)의 천이 에너지보다 큰 밴드 갭 에너지를 갖는다. 이러한 경우들에, 광 흡수층은 전위 우물에 의해 제2 파장 λ2으로 재방출되는 광(181)에 대해 실질적으로 광 투과성이다.
어떤 경우들에, 제2 광 흡수층(131)과 같은 광 흡수층은 제2 파장 λ2으로 방출된 광(181)의 광자 에너지보다 작은 밴드 갭 에너지를 갖는다. 이러한 경우들에, 광 흡수층은 광(181)의 적어도 일부분을 흡수할 수 있다. 이러한 경우들에, 흡수된 광의 적어도 일부분은 더 긴 제3 파장 λ3의 광으로 다운-컨버전될 수 있다.
어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체(115) 내의 적어도 하나의 광 흡수층은 도펀트로 도핑되어 있다. 광 흡수층이 Cd(Mg)ZnSe 합금을 포함하는 때와 같은 어떤 경우들에, 도펀트는 VII족 n-형 도펀트일 수 있다. 어떤 경우들에, 도펀트는 염소 또는 요오드를 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 도펀트의 수 밀도(number density)는 약 1017 ㎝-3 내지 약 1018 ㎝-3의 범위에 있다. 다른 예시적인 도펀트는 Al, Ga, In, F, Br, I, 및 N을 포함한다.
예시적인 반도체 광 변환 구조체(115)는 2개의 광 흡수층(130 및 131)을 포함한다. 일반적으로, 반도체 광 변환 구조체는 1개, 2개 또는 3개 이상의 흡수층을 갖거나 전혀 갖지 않을 수 있다. 어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체(115)는 서로 다른 밴드 갭 에너지를 갖는 적어도 2개, 또는 적어도 3개, 또는 적어도 4개의 광 흡수층을 가질 수 있다.
일반적으로, 광 흡수층은 광 흡수층 내의 광-발생 캐리어가 전위 우물로 확산할 알맞한 가능성을 갖도록 대응하는 전위 우물에 충분히 가까이 있다. 반도체 다층 적층물이 광 흡수층을 포함하지 않는 경우에, 전위 우물(들)은 제1 파장 λ1에서 실질적으로 광 흡수성일 수 있다.
제1 및 제2 윈도우(120 및 121)는, 흡수층 및/또는 전위 우물에서 광-발생되는 전자-정공 쌍과 같은 캐리어가 구조체(115) 내의 자유 또는 외측 표면으로 이동할 가능성이 전혀 또는 거의 없도록, 주로 장벽을 제공하도록 설계되어 있다. 예를 들어, 제1 윈도우(120)는 주로, 캐리어가 비방사적으로(non-radiatively) 재결합할 수 있는 표면(123)으로 제1 흡수층(130)에서 발생된 캐리어가 이동하는 것을 방지하도록 설계되어 있다. 어떤 경우들에, 윈도우(120 및 121)는 전계발광 디바이스(110)에 의해 방출된 광자의 에너지 E1보다 큰 밴드 갭 에너지 Ew를 갖는다. 이러한 경우들에, 윈도우(120 및 121)는 전계발광 디바이스(110)에 의해 방출된 광 및 전위 우물(140)에 의해 재방출된 광에 대해 실질적으로 광 투과성이다.
예시적인 반도체 광 변환 구조체(115)는 2개의 윈도우를 포함하고 있다. 일반적으로, 광 변환 구조체는 윈도우를 1개, 또는 2개 갖거나 전혀 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체(115)는 전계발광 디바이스(110)와 전위 우물(140) 사이에 또는 전계발광 디바이스(110)와 흡수층(130) 사이에 배치된 하나의 윈도우를 가질 수 있다.
어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체(115) 내의 2개의 인접한 층 사이의 계면의 위치는 윤곽이 명확한(well-defined) 또는 뚜렷한 계면일 수 있다. 층 내의 물질 조성이 두께 방향을 따라 거리의 함수로서 변하는 때와 같은 어떤 경우들에, 2개의 인접한 층 사이의 계면은 윤곽이 명확하지 않을 수 있고, 예를 들어, 경사 영역을 정의하는 경사 계면(graded interface)일 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우들에, 제1 흡수층(130) 및 제1 윈도우(120)는 동일한 물질 성분을 서로 다른 물질 농도로 가질 수 있다. 이러한 경우들에, 흡수층의 물질 조성은 윈도우 층의 물질 조성으로 단계적으로 변화될 수 있으며, 그 결과 2개의 층 사이에 경사 계면 또는 영역이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 2개의 층 둘다가 Mg를 포함하는 경우에, 흡수층으로부터 윈도우로 단계적으로 천이할 때 Mg의 농도가 증가될 수 있다.
제2 윈도우(121)는 파장 λ2를 포함하는 관심의 파장 영역에서 굴절률 n1을 갖는다. 어떤 경우들에, λ1은 UV 또는 청색 파장이고, λ2는 약 420 ㎚ 내지 약 650 ㎚ 범위의 가시 파장이다. 이러한 경우들에, n1은 스펙트럼의 가시 영역에서의 굴절률일 수 있다. 어떤 경우들에, n1은 파장 λ2에서의 또는 그 근방에서의 굴절률이다.
예시적인 반도체 광 변환 구조체(115)에서, 제2 윈도우(121)는 전위 우물(140) 상에 배치되고, 반도체 광 변환 구조체의 외부층(121) 및 광 변환기(118) 내의 가장 바깥쪽 층을 형성한다. 구조화된 층(150)은, 예를 들어, λ2에서 굴절률 n2를 가지며, 외부층, 즉 제2 윈도우(121) 바로 위에 배치된다. 굴절률 n2는 제2 윈도우(121)의 굴절률 n1보다 작다. 어떤 경우들에, n1과 n2의 차이는 적어도 0.2, 또는 적어도 0.3, 또는 적어도 0.4, 또는 적어도 0.5, 또는 적어도 0.6, 또는 적어도 0.7, 또는 적어도 0.8, 또는 적어도 0.9이다.
구조화된 층(150)은 구조물(151-154)과 같은 복수의 구조물들을 포함한다. 구조물(151 및 152)과 같은 복수의 구조물들 내의 일부 구조물들은 분리되어 있을 수 있다. 기부(base)(155)를 통해 서로 연결된 구조물(153 및 154)과 같은 일부 구조물들은 기부를 통해 연결될 수 있다. 구조화된 층(150)은 제2 윈도우(121)를 노출시키는 개구(101 및 102)와 같은 복수의 개구들을 포함한다.
어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 제2 파장 λ2에서 실질적으로 광 투과성이다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 파장 λ2에서의 구조화된 층의 전체 광 투과율은 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%이다.
어떤 경우들에, 구조화된 층(150) 내의 복수의 구조물들은 규칙적인 구조물들의 어레이를 형성한다. 어떤 경우들에, 구조물들은 제2 윈도우(121)의 상부 표면(125)에 걸쳐 랜덤하게 배치된다. 어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 복수의 연결된 구조물들 또는 연결된 구조물들의 어레이를 포함하는 연속층이며, 예를 들어, 와플 패턴(waffle pattern)과 유사하게 구조물들 중 적어도 일부의 사이에 개구들이 있다.
어떤 경우들에, 구조화된 층(150) 내의 복수의 구조물들은 복수의 분리된 구조물들을 형성한다. 예를 들어, 어떤 경우들에, 구조화된 층은 복수의 입자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구조화된 층(350)은 입자(351 및 352)와 같은 복수의 입자들을 갖는다. 어떤 경우들에, 입자들은 실질적으로 미소입자 또는 나노입자이다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 입자의 평균 크기는 2000 ㎚ 이하, 또는 1500 ㎚ 이하, 또는 1000 ㎚ 이하, 또는 750 ㎚ 이하이다. 구조화된 층(350) 내의 입자들은 임의의 규칙적 또는 불규칙적 형상과 같은 어떤 형상이라도 가질 수 있다.
어떤 경우들에, 도 1의 구조화된 층(150)은 복수의 입자들을 포함하며, 여기서 입자들 중 상당 부분은 실질적으로 구형이다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 입자의 최대 치수 대 최소 치수의 비는 1.3 이하, 또는 1.25 이하, 또는 1.2 이하, 또는 1.15 이하, 또는 1.1 이하이다.
어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 패턴화가능 또는 광 패턴화가능 유기 물질 또는 중합체(포토레지스트 등)와 같은 유기 물질을 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 폴리스티렌 미소구와 같은 폴리스티렌을 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 금속 산화물 또는 유리와 같은 무기 물질을 포함할 수 있다. 무기 물질의 일례는 SiO2, GeO2, Al2O3, MgF2, 및 규산염 유리를 포함한다.
어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 상부 표면(125)에 걸쳐 밀집(closely packed)되어 있는 단일층의 또는 단층의 구조물들을 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 서브-단층(sub-monolayer)의 구조물들을 포함할 수 있으며, 이는 구조물들이 밀집되어 있지 않고 및/또는 구조물들을 거의 또는 전혀 포함하지 않는, 구조물들의 공칭의 또는 평균 크기보다 실질적으로 더 큰 영역들이 있다는 것을 의미한다. 이러한 경우들에, 서브-단층의 구조화된 층(150)에 있는 개구 영역들은 단일 입자와 같은 단일 구조물의 평균 크기보다 실질적으로 더 클 수 있다.
어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 다층의 구조물들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 다층의 입자들(451)을 포함하는 제2 윈도우(121) 바로 위에 배치된 구조화된 층(450)의 개략 측면도이다. 구조화된 층은 연속 오버코트(460)로 코팅되어 있고, 밀봉제(470)가 오버코트를 덮고 있다.
구조화된 오버코트(160)는 구조화된 층(150)의 적어도 일부분 및 구조화된 층(150) 내의 개구들을 통해 제2 윈도우(121)가 노출되는 영역들에 있는 제2 윈도우(121)의 일부분 바로 위에 배치된다. 오버코트(160)는, 예를 들어, 파장 λ2에서 제2 굴절률 n2보다 큰 제3 굴절률 n3를 갖는다. 어떤 경우들에, n3가 n1보다 작다. 어떤 경우들에, n3가 n1보다 크다. 어떤 경우들에, n3와 n2의 차이는 적어도 0.2, 또는 적어도 0.3, 또는 적어도 0.4, 또는 적어도 0.5, 또는 적어도 0.6, 또는 적어도 0.7, 또는 적어도 0.8, 또는 적어도 0.9이다.
어떤 경우들에, 오버코트(160)는 그렇지 않았으면 제2 윈도우의 표면(125)에서 전반사되었을 광(181)을 추출할 수 있다. 이러한 경우들에, 오버코트는 반도체 광 변환 구조체(115)로부터 제2 파장 λ2의 광(181)을 추출하는 것을 향상시킨다.
어떤 경우들에, 구조화된 오버코트(160)의 외측 표면(162)은 구조화된 층(150)의 외측 표면(161)과 실질적으로 정합한다. 예를 들어, 어떤 경우들에, 오버코트(160)는 진공 증착 기술을 사용하여 구조화된 층(150) 상에 배치될 수 있다. 이러한 경우들에, 외측 표면(162)은 외측 표면(161)과 정합할 수 있다. 어떤 경우들에, 구조화된 오버코트의 평균 두께가 구조화된 층(150) 내의 구조물들의 평균 크기 이하이다. 어떤 경우들에, 오버코트(160)의 평균 두께는 1000 ㎚ 이하, 또는 800 ㎚ 이하, 또는 700 ㎚ 이하, 또는 600 ㎚ 이하, 또는 500 ㎚ 이하, 또는 400 ㎚ 이하이다.
어떤 경우들에, 오버코트(160)는 제2 파장 λ2에서 실질적으로 광 투과성이다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 파장 λ2에서의 오버코트의 전체 광 투과율은 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%이다.
어떤 경우들에, 오버코트(160)는, 예를 들어, 하나 이상의 아일랜드(island)를 포함함으로써 불연속층일 수 있다. 예를 들어, 도 2에서, 구조화된 층(250)은 제2 윈도우(121) 바로 위에 배치되고, 구조물(251)과 구조물(252) 사이에 개구(255)를 정의한다. 오버코트(260)는 구조화된 층(250) 및, 개구 영역들에서, 제2 윈도우(121) 바로 위에 배치되어, 노출된 개구 영역(255)에 아일랜드(261)를 형성한다. 어떤 경우들에, 오버코트(160)는 연속층일 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, 구조화된 층(350) 바로 위에 배치된 오버코트(360)는 연속층을 형성한다.
어떤 경우들에, 오버코트(160)는 반도체, 금속 산화물, 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 오버코트는 Si3N4, 산질화 규소, 실리케이트, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnSSe, ZnSeTe, ZnSTe, CdS, CdSe, CdSSe, ITO, TiO2, ZrO2, Ta2O5, 및 HfO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
밀봉제(170)는 오버코트(160) 상에 배치되어 반도체 발광 요소(105)를 밀봉시키고 이 요소를, 예를 들어, 환경에서의 습기로부터 보호한다. 어떤 경우들에, 밀봉제는, 예를 들어, 반도체 발광 요소를 빠져나갈 때 광(181)을 평행화(collimate)시키는 광학 파워(optical power)와 같은 광학 기능(optical function)을 가질 수 있다.
전계발광 디바이스(110)는 전기 신호에 응답하여 광을 방출할 수 있는 어느 장치라도 될 수 있다. 예를 들어, 전계발광 디바이스는 전류에 응답하여 광자를 방출할 수 있는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드일 수 있다. LED 전계발광 디바이스(110)는 응용에서 바람직할 수 있는 어느 파장의 광이라도 방출할 수 있다. 예를 들어, LED는 UV 파장, 가시 파장, 또는 IR 파장의 광을 방출할 수 있다. 어떤 경우들에, LED는 UV 광자를 방출할 수 있는 단파장 LED일 수 있다. 일반적으로, LED는 Si 또는 Ge와 같은 IV족 원소, InAs, AlAs, GaAs, InP, AlP, GaP, InSb, AlSb, GaSb, GaN, AlN, InN과 같은 III-V 화합물 및 AlGaInP 및 AlGaInN과 같은 III-V 화합물의 합금, ZnSe, CdSe, BeSe, MgSe, ZnTe, CdTe, BeTe, MgTe, ZnS, CdS, BeS, MgS와 같은 II-VI 화합물 및 II-VI 화합물의 합금, 또는 이상에서 열거한 화합물들 중 임의의 화합물의 합금을 비롯한, 유기 반도체 또는 무기 반도체와 같은 임의의 적합한 물질들로 이루어져 있을 수 있다.
어떤 경우들에, 전계발광 디바이스(110)는 하나 이상의 p-형 및/또는 n-형 반도체층, 하나 이상의 전위 및/또는 양자 우물을 포함할 수 있는 하나 이상의 활성층, 완충제층, 기판층, 및 수퍼스트레이트층(superstrate layer)을 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 전계발광 디바이스(110)는 III-V LED와 같은 III-V 반도체 광원일 수 있고, AlGaInN 반도체 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전계발광 디바이스(110)는 GaN계 LED일 수 있다. 다른 일례로서, 전계발광 디바이스(110)는 ZnO계 LED와 같은 II-VI LED일 수 있다.
개시된 구조체의 이점들 중 몇몇에 대해 이하의 예들을 사용하여 더 설명한다. 이 예에서 언급하는 특정의 물질, 양 및 치수는 물론, 기타 조건 및 상세가 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
예 1:
도 1의 광 변환기(118)와 유사한 반도체 광 변환 구조체가 제조되었다. 서로 다른 층들에 대한 상대적 층 순서와 물질 조성 및 두께의 추정된 값들이 표 I에 요약되어 있다.
[표 I]
Figure pct00001
II-VI 성장을 위한 표면을 준비하기 위해 먼저 GaInAs 완충제층이 MBE(molecular beam epitaxy)에 의해 InP 기판 상에 성장되었다. 이어서, 광 변환을 위한 II-VI 에피택셜층을 성장시키기 위해 이 구조체가 초고진공 이송 시스템을 통해 다른 MBE 챔버로 이동되었다. 변환기(118)는 4개의 CdZnSe 양자 우물(140)을 포함하였다. 각각의 양자 우물(140)은 GaInN계 레이저 다이오드에 의해 방출된 440 ㎚의 청색광을 흡수할 수 있는 CdMgZnSe 흡수층들(130 및 131) 사이에 끼워졌다.
이 구조체가 유리 현미경 슬라이드(glass microscope slide)에 접착제로 부착된 후에, InP 기판이 3HCl:1H2O 용액을 사용하여 제거되었다. 에칭제가 GaInAs 완충제층(층 #2)에서 정지(stop)되었다. 이어서, 30 ml 수산화 암모늄(30 중량%), 5 ml 과산화수소(30 중량%), 40 g 아디프산 및 200 ml 물의 교반 용액에서 완충제층이 제거되었으며, 현미경 슬라이드에 부착된 II-VI 광 변환기(118)만을 남겨두었다.
예 2:
λin = 440 ㎚의 청색광을 방출하는 레이저 다이오드를 사용하여 구조체의 윈도우측으로부터 구조체가 조명되었을 때 예 1에서 제조된 구조체의 EQE(external quantum efficiency)가 계산되었다. 측정된 재방출된 파장은 λout = 539 ㎚이었다. EQE가 식 (Pout/Pin) × (λin/λout)로부터 계산되었으며, 여기서 Pin은 입사 전력(incident power)이었고, Pout은 구조체를 빠져나가는 변환된 광의 출력 전력(output power)이었다. 계산된 EQE는 23%이었다.
예 3:
예 1에서 제조된 구조체의 흡수기측(absorber side)이 SiO2 나노입자로 코팅되었고, 그 결과 구조화된 층(150)과 유사한 구조화된 층이 얻어졌다. 입자는 약 440 ㎚의 평균 직경을 가졌으며, Nissan Chemical America Corporation (미국 텍사스주 휴스턴 소재)로부터 입수되었다. 입자가 1-메톡시-2-프로판올에서 5 중량% 고형 함량으로 분산되었다. 이 용액이 침지 코팅법을 사용하여 약 65 ㎜/분의 속도로 구조체 상에 코팅되었다. 이러한 한 샘플(샘플 A)은 한번 침지 코팅되었다. 이러한 제2 샘플(샘플 B)은 여러번 침지 코팅되었다. 도 5a 및 도 5b는, 각각, 샘플 A 및 B의 측면 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다. 예 2에서 개략적으로 기술한 공정을 사용할 때, 샘플 A 및 B의 EQE가 30.7% 및 38.2%인 것으로 각각 계산되었다.
예 4:
예 3의 샘플 A 및 B는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정을 사용하여 Si3N4 오버코트로 코팅되었으며, 그 결과 오버코팅된 샘플 A1 및 B1이 각각 얻어졌다. 오버코트의 두께는 약 300 ㎚이었으며, Si3N4 굴절률은 약 1.8이었다. 도 6a 및 도 6b는, 각각, 오버코팅된 샘플 A1 및 B1의 측면 SEM 이미지이다. 예 2에서 개략적으로 기술한 공정을 사용할 때, 샘플 A1 및 B1의 EQE가 41.2% 및 41.5%인 것으로 각각 계산되었다. 1회-침지 입자 코팅된 샘플의 경우에서, Si3N4 오버코트의 추가는 EQE를 30.7%로부터 41.2%로 증가시켰으며, 이는 약 34%의 증가이다. 다수회-침지 입자 코팅된 샘플의 경우에서, Si3N4 오버코트의 추가는 EQE를 38.2%로부터 41.5%로 증가시켰으며, 이는 약 8.6%의 증가이다.
예 5:
새로운 샘플 C(1회 침지)를 제조하기 위해 예 3에 개략적으로 기술된 공정이 반복되었다. 예 2에 개략적으로 기술된 공정을 사용할 때, 샘플 C의 계산된 EQE는 33.45%이었다.
그 다음에, 샘플 C가 진공 승화(vacuum sublimation) 공정을 사용하여 ZnS로 오버코팅되었으며, 그 결과 오버코팅된 샘플 C1이 얻어졌다. 오버코트의 두께는 약 400 ㎚이었으며, ZnS 오버코트 의 굴절률은 2.4로 추정되었다. 도 7은 샘플 C1의 측면 SEM 이미지이다. 예 2에 개략적으로 기술된 공정을 사용할 때, 샘플 C1의 계산된 EQE는 45.13%이었다. 따라서, ZnS 오버코트의 추가는 EQE를 33.45%로부터 45.13%로 증가시켰으며, 이는 약 34.9%의 증가이다.
예 6:
새로운 샘플들 D1-D4를 제조하기 위해 예 1에 개략적으로 기술된 공정이 반복되었다. 예 2에서 개략적으로 기술한 공정을 사용할 때, 샘플들 D1-D4의 계산된 EQE가, 각각, 22.1%, 19.93%, 21.25% 및 25.7%이었다. 그 다음에, 예 3에 개략적으로 기술된 공정을 사용하여, 샘플들이 단층의 SiO2 입자들에 의해 서로 다른 침지 속도로 코팅되었다. 샘플들 D1-D4에 대해 얻어지는 추정된 퍼센트 영역 점유가, 각각, 30%, 40%, 50% 및 70%이었다. 얻어진 샘플들에 대한 계산된 EQE가, 각각, 29.47%, 33.45%, 31.76% 및 41.5%이었다. 따라서, SiO2 입자의 추가는 샘플들 D1-D4의 EQE를, 각각, 33%, 68%, 49% 및 61%만큼 증가시켰다.
도 8은 광자 에너지 E1을 갖는 제1 파장 λ1의 광(850)을 방출하는 LED(810)와 같은 광원, 및 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 광자 에너지 E2를 갖는 λ2의 광으로 변환하는 반도체 광 변환 구조체(815)를 포함하는 발광 시스템(800)의 개략 측면도이다.
반도체 광 변환 구조체(815)는 광 변환기(818), 구조체(818) 바로 위에 배치되는 구조화된 층(150), 및 구조화된 층 위에 배치되는 구조화된 오버코트(160)와 같은 오버코트(160)를 포함한다.
광 변환기(818)는 광원(810)과 마주하는 제1 윈도우(120), 각자의 제1, 제2, 제4 및 제4 전위 우물(840, 841, 842, 및 843), 4개의 전위 우물을 둘러싸는 각자의 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 광 흡수층(830, 831, 832, 833, 및 834), 및 보조 광 흡수층(870)을 포함한다.
광 흡수층(830-834)은 광 흡수층(130 및 131)과 유사하며, 광(850)의 적어도 일부분을 흡수하고, 그 결과, 광 흡수층으로부터, 캐리어가 재결합되어 제2 파장 λ2의 광을 방출하는 전위 우물(840-843)로 확산 또는 이동하는 광-발생 전자-정공 쌍과 같은 광-발생 캐리어를 생성한다. 광-발생 캐리어가 캐리어의 재결합 및 제2 파장 λ2의 광(852)의 방출을 위해 전위 우물로 효율적으로 확산할 수 있도록, 광 흡수층(830-834)이 전위 우물에 근접하여 위치된다. 어떤 경우들에, 광 흡수층(830-834)은, 예를 들어, 제2 파장에서 전위 우물(840-843)보다 낮은 굴절률을 갖는다.
어떤 경우들에, 광(850)의 일부분이 흡수층(830-834) 및/또는 전위 우물(840-843)에 의해 흡수되지 않고 흡수층 및 전위 우물에 의해 광(851)으로서 투과된다. 예를 들어, 어떤 경우들에, 방출된 광(850)은 도 9에 개략적으로 나타낸 강도 스펙트럼(910)을 가질 수 있으며, 여기서 수평축은 파장이고, 수직축은 강도(임의의 단위임)이다. 이러한 경우들에, 파장 λ1은 피크 강도 Io를 갖는 피크 방출 파장일 수 있고, 광 흡수층(830-834)의 밴드 갭 파장은, 광(850)의 상당 부분이 흡수층에 의해 흡수되도록, 예를 들어, λ1보다 충분히 큰 λabs 일 수 있다. 어떤 경우들에, λabs는 전위 우물로 확산될 광-발생 캐리어 쌍에 대해, 고온에서도, 충분한 구속(confinement)을 제공하기 위해 충분히 작다. 이러한 경우들에, 일반적으로 도 9에서 λabs의 우측에 위치하는 스펙트럼의 후미(tail end)에 대응하는 광(850)의 일부분이 광 흡수층(830-834) 및/또는 전위 우물(840-843)에 의해 흡수되지 않고, 광 흡수층 및 전위 우물에 의해 제1 파장의 광(851)으로서 투과된다. 이러한 경우들에, 보조 광 흡수층(870)이 다른 층들에 의해 흡수되지 않는 잔류 또는 나머지 광(851)을 흡수할 수 있다. 어떤 경우들에, 보조 광 흡수층(870)의 밴드 갭 파장 λlb이 λabs보다 충분히 더 크며, 따라서 본질적으로 광(851)의 전부가 보조 광 흡수층에 의해 흡수된다. 이러한 경우들에, 발광 시스템(800)의 출력 광(860)은 본질적으로 λ2에 있고, λ1의 광을 거의 또는 전혀 갖지 않는다. 이러한 경우들에, 보조 광 흡수층의 밴드 갭 에너지 Elb는 광 흡수층(830-834)의 밴드 갭 에너지 Eabs보다 작다. 예를 들어, 도 10은 보다 작은 Elb 및 보다 큰 Eabs를 보여주는 도 8의 광 변환기(818)의 개략적인 밴드 다이어그램이다. 도 10에서, Ec 및 Ev는, 각각, 전도대 및 가전자대를 나타낸다. 출력 광(860)의 광 강도를 최적화하는 것이 바람직한 때와 같은 어떤 경우들에, 보조 광 흡수층의 밴드 갭 에너지 Elb는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 전위 우물의 천이 에너지 Epw보다 크다. 이러한 경우들에, Elb는 λ2의 광자의 에너지 E2보다 크다.
보조 광 흡수층(870)의 밴드 갭 에너지가 제5 흡수층(834)의 밴드 갭 에너지 Eabs보다 작은 때와 같은 어떤 경우들에, 파장 λ2에서의 보조 광 흡수층(870)의 굴절률이 광 흡수층(834)의 굴절률보다 크다. 이러한 경우들에, 광 변환기(818) 내에 포획되거나 도파하는 λ2에서의 광학 모드(optical mode)의 전기장이 구조화된 층(150) 쪽으로 이동한다. 이 결과, 광학 모드의 아주 작아져 가는 후미가 구조화된 층(150) 및/또는 오버코트(160) 내의 더 멀리까지 뻗어 있고, 따라서 구조화된 층 및 오버코트에 의한 광(852)의 추출이 향상된다.
어떤 경우들에, 펌프 광원(pump light source)(810)(도 8 및 도 9 참조)은 제1 파장 λd 및 더 긴 제2 파장 λe의 광을 방출한다. 제1 파장은, 어떤 경우들에, 펌프 광원의 피크 방출 파장 λ1일 수 있다. 광 흡수층(830-834)은 파장 λd의 광을 흡수할 수 있다. 그렇지만, λe가 광 흡수층의 밴드 갭 파장 λabs보다 더 길기 때문에, 광 흡수층이 파장 λe의 광을 흡수할 수 없다. 어떤 경우들에, 광 흡수층은 광(850)의 상당 부분을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 광 흡수층은 광(850)의 적어도 80%, 또는 적어도 85%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%를 흡수할 수 있다. 전위 우물(840-843)은 광 흡수층에 의해 흡수된 광의 적어도 일부분을 더 긴 파장의 출력 광(860)으로 변환한다. 보조 광 흡수층(870)은 제1 파장 λd 및 제2 파장 λe의 광을 흡수할 수 있고, 광원(810)에 의해 방출된 나머지 광을 흡수한다.
어떤 경우들에, 반도체 광 변환 구조체(815)는, 보조 광 흡수층(870)으로부터 광을 추출하기 위해, 구조화된 층(150) 내의 구조물 및 오버코트(160)와 다른 수단 또는 이들 이외의 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 광 흡수층의 상부 표면을 패턴화하거나 텍스처링(예를 들어, 조면화)함으로써 광이 추출될 수 있다. 다른 일례로서, 보조 광 흡수층의 외측 표면 상에 광결정을 형성함으로써 광이 추출될 수 있다. 예시적인 광결정들이, 예를 들어, 미국 특허 제6,987,288호 및 제7,161,188호에 기술되어 있다. 어떤 경우들에, 보조 광 흡수층의 출력면 상에 광학 요소를 형성함으로써 광이 추출될 수 있으며, 여기서 광학 요소는 어떤 요소라도 될 수 있고 그렇지 않았으면, 예를 들어, 전반사로 인해 보조 광 흡수층으로부터 빠져나가지 않을 광의 적어도 일부분을 추출할 수 있는 어떤 형상이라도 가질 수 있다. 예시적인 광 추출기가, 예를 들어, 공동 소유의 미국 특허 출원 제2007/0284565호, 2006년 11월 17일자로 출원된 공동 소유인 미국 가특허 출원 제60/866,265호, 및 2006년 6월 12일자로 출원된 공동 소유인 미국 가특허 출원 제60/804,544호에 기술되어 있다.
어떤 경우들에, 광 흡수층(834) 및 보조 광 흡수층(870) 중 적어도 하나가 경사 물질(graded material)일 수 있다. 이러한 경우들에, 흡수층의 두께 방향을 따라 적어도 하나의 위치에서의 보조 광 흡수층(870)의 밴드 갭 에너지 Elb가 광 흡수층(834)의 최소 밴드 갭 에너지보다 작다. 예를 들어, 도 11은 일정한 밴드 갭 에너지 Eabs을 갖는 광 흡수층(1120) 및 선형 경사 보조 광 흡수층(linearly graded auxiliary light absorbing layer)(1130)을 포함하는 광 변환기(1100)의 개략적인 밴드 다이어그램이다. 위치 "X"에서의 보조 광 흡수층(870)의 밴드 갭 에너지 Elb가 광 흡수층(834)의 밴드 갭 에너지 Eabs보다 작다. 어떤 경우들에, 층의 두께 방향을 따라 적어도 하나의 위치에서 λ2에서의 보조 광 흡수층(870)의 굴절률이 λ2에서의 광 흡수층(834)의 최대 굴절률보다 크다.
일반적으로, 광 변환기(818) 내의 보조 광 흡수층(870) 및 광 흡수층(830-834)과 같은 광 흡수층은 응용에서 실시가능하고 및/또는 바람직할 수 있는 어떤 형상의 밴드 다이어그램이라도 가질 수 있다. 예를 들어, 도 12는 전위 우물(1210), 일정한 밴드 갭 에너지 Eabs를 갖는 광 흡수층(1220), 및 선형 경사 밴드 갭을 갖는 보조 광 흡수층(1230)을 포함하는 광 변환기(818)와 유사한 광 변환기(1218)의 개략적인 밴드 다이어그램이다. 위치 "X"에서의 보조 광 흡수층(1230)의 밴드 갭 에너지 Elb는 Eabs보다 작고 전위 우물(1210)의 천이 에너지 Etr보다 크다.
다른 일례로서, 도 13은 전위 우물(1310), 일정한 밴드 갭 에너지 Eabs를 갖는 광 흡수층(1320), 및 매립된 전위 또는 양자 우물(1360)을 포함하는 일정한 밴드 갭 에너지 Elb를 갖는 보조 광 흡수층(1330)을 포함하는 광 변환기(1318)의 개략적인 밴드 다이어그램이다. 밴드 갭 에너지 Elb가 Eabs보다 작고 전위 우물(1310)의 천이 에너지 Etr보다 크다. 다른 일례로서, 도 14는 전위 우물(1410), 일정한 밴드 갭 에너지 Eabs를 갖는 광 흡수층(1420), 및 전위 또는 양자 우물(1460)을 포함하는 곡선 밴드 다이어그램을 갖는 보조 광 흡수층(1430)을 포함하는 광 변환기(1418)의 개략적인 밴드 다이어그램이다. 보조 광 흡수층은 위치 "X"에서 Eabs보다 작고 전위 우물(1410)의 천이 에너지 Etr보다 큰 밴드 갭 에너지 Elb를 갖는다.
어떤 경우들에, 도 8의 광 변환기층(818)은, 광-발생 캐리어가, 예를 들어, 광 변환기의 외측 표면 또는 내부 영역으로 이동 또는 확산하는 것을 방지하기 위해, 윈도우(120)와 같은 또는 그에 부가하여 하나 이상의 캐리어 차단층(carrier blocking layer)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 15는 전위 우물(1510), 일정한 밴드 갭 에너지 Eabs를 갖는 광 흡수층(1520), 일정한 밴드 갭 에너지 Elb를 갖는 보조 광 흡수층(1530), 및 층(1520)과 층(1530) 사이에 배치되고 일정한 밴드 갭 에너지 Ecb를 갖는, 광 흡수층(1520) 내의 캐리어가 보조 광 흡수층(1530)으로 이동(확산 등)하는 것을 차단하기 위한 캐리어 장벽층(1540)을 포함하는 광 변환기(1518)의 개략적인 밴드 다이어그램이다. 밴드 갭 에너지 Elb가 Eabs보다 작고 전위 우물(1510)의 천이 에너지 Etr보다 크다. 다른 일례로서, 도 16은 전위 우물(1610), 일정한 밴드 갭 에너지 Eabs를 갖는 광 흡수층(1620), 및 보조 광 흡수층(1630)과, 예를 들어, 전위 우물(1610) 및 광 흡수층(1620) 내의 캐리어가 보조 광 흡수층(1630)으로 이동하는 것을 차단하기 위한 캐리어 장벽층(1640)을 포함하는 선형 경사 영역(1670)을 포함하는 광 변환기(1618)의 개략적인 밴드 다이어그램이다. 위치 "X"에서의 보조 광 흡수기의 밴드 갭 에너지 Elb는 Eabs보다 작고 전위 우물(1610)의 천이 에너지 Etr보다 크다. 다른 일례로서, 도 17은 전위 우물(1710), 일정한 밴드 갭 에너지 Eabs를 갖는 광 흡수층(1720), 및 보조 광 흡수층(1730)과, 예를 들어, 광 흡수층(1720) 및/또는 보조 광 흡수층(1730) 내의 캐리어가 동 도면에 명시적으로 도시하지 않은 광 변환기(1718)의 출력면으로 이동하는 것을 차단하기 위한 캐리어 장벽층 또는 윈도우(1740)를 포함하는 비선형 경사 영역(1770)을 포함하는 광 변환기(1718)의 개략적인 밴드 다이어그램이다. 위치 "X"에서의 보조 광 흡수기의 밴드 갭 에너지 Elb는 Eabs보다 작고 전위 우물(1710)의 천이 에너지 Etr보다 크다.
예 7:
도 1의 광 변환기(118)와 유사한 반도체 광 변환 구조체가 제조되었다. 서로 다른 층들에 대한 상대적 층 순서와 물질 조성, 두께, 벌크 밴드 갭 에너지, 및 굴절률의 추정된 값들이 표 II에 요약되어 있다.
[표 II]
Figure pct00002
II-VI 성장을 위한 표면을 준비하기 위해 먼저 GaInAs 완충제층이 MBE에 의해 InP 기판 상에 성장되었다. 이어서, 광 변환을 위한 II-VI 에피택셜층을 성장시키기 위해 이 구조체가 초고진공 이송 시스템을 통해 다른 MBE 챔버로 이동되었다. 변환기(118)는 4개의 CdZnSe 양자 우물(140)을 포함하였다. 각각의 양자 우물(140)은 GaInN계 레이저 다이오드에 의해 방출된 440 ㎚의 청색광을 흡수할 수 있는 CdMgZnSe 흡수층들 사이에 끼워졌다.
이 구조체가 유리 현미경 슬라이드에 접착제로 부착된 후에, InP 기판이 3HCl:1H2O 용액을 사용하여 제거되었다. 에칭제가 GaInAs 완충제층(층 #2)에서 정지(stop)되었다. 이어서, 30 ml 수산화 암모늄(30 중량%), 5 ml 과산화수소(30 중량%), 40 g 아디프산 및 200 ml 물의 교반 용액에서 완충제층이 제거되었으며, 현미경 슬라이드에 부착된 II-VI 광 변환기(118)만을 남겨두었다.
그 결과 얻은 구조체가, 453 ㎚에서 피크 방출을 갖고 도 9의 스펙트럼(910)과 유사한 스펙트럼을 갖는 GaInN 청색 펌프 LED를 사용하여 윈도우측으로부터 조명될 수 있다. 구조체의 재방출된 출력광이 양자 우물의 2.305 eV의 천이 에너지에 대응하는 538 ㎚에서 피크 방출을 가질 수 있다. 표 II에 나타낸 바와 같이, 광 흡수층은 스펙트럼(910)에서 481 ㎚의 파장 λabs에 대응하는 2.578 eV의 밴드 갭 에너지를 가졌다. λabs의 좌측에 있는 스펙트럼(910) 아래의 영역에 대응하는 입사광의 약 96%가 흡수층에 의해 흡수될 수 있고, λabs의 우측에 있는 영역에 대응하는 나머지 4%가 보조 광 흡수기에 의해 흡수될 수 있다.
구조체의 캐리어 구속 에너지(전위 우물의 전체 깊이)는 0.273 eV(2.578-2.305)이었다. 이 구조체와 유사하지만 보조 광 흡수층과 동일한 물질을 갖는 광 흡수층을 갖는 구조체가 본질적으로 모든 펌프 광(pump light)을 흡수할 것이지만 0.185 eV(2.490-2.305)의 감소된 구속 에너지를 가질 것이다. 그 결과, 광 흡수층과 보조 광 흡수층의 결합 사용은 구속 에너지를 0.185 eV로부터 0.273 eV로 증가시켰으며, 이는 거의 48%의 증가인 반면, 보조 광 흡수층은 입사 펌프 광의 약 4%만을 흡수하였다.
다시 도 1을 참조하면, 측면도가 도 18에 개략적으로 나타내어져 있는 광 구조체(1800)에 대해, 서로 다른 시스템 파라미터들의 함수인 구조화된 층(150) 및 오버코트(160)의 추출 효율이 수치 해석되었다. 광 구조체는 기판(1810), 기판(1810)의 상부 표면(1812) 바로 위에 배열된 구형 입자들(1855)의 정사각형 어레이를 포함하는 구조화된 층(1850), 및 구조화된 층 및 기판의 노출된 영역들 바로 위에 배치된 오버코트(1820)를 포함하였다. 기판의 굴절률 n1이 2.646이었다. 입자(1855)의 직경 D가 200 ㎚이었고, 입자의 굴절률 n2가, 예를 들어, SiO2 입자에 대응하는 1.45이었다. 이웃하는 입자들 간의 간격 P가 500 ㎚이었다. 입자들이 기판(1810)의 상부 표면(1812)의 50%를 덮었다. 오버코트의 경우, 랜드 두께 t1이 100 ㎚이었고, 치수 t2 및 t3가 각각 100 ㎚이었으며, t4가 300 ㎚이었다. 오버코트의 굴절률 n3가 수치 시뮬레이션 동안에 변화되었다.
광원(1805)이 기판의 하부 표면(1814)에 위치되었고 540 ㎚의 균일 광(1807)을 방출하였다. 효과적인 2차원 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 사용하여 광 구조체(1800)의 추출 효율이 모델링되어 수치적으로 계산되었다. 추출 효율은 출력광(1840)의 전력 대 방출된 입사광(1807)의 전력의 비로서 정의되었다. 구조화된 층 및 오버코트가 없는 경우의 추출 효율은 16.4%이었다.
도 20은 구조화된 층 및 구조화된 오버코트가 존재하는 경우 n3의 함수인 광 구조체(1800)의 추출 효율을 나타내고 있다. 공기 오버코트에 대한 추출 효율(n3=1은 은 도 20에서 지점 P1에 대응함)이 19.2%이었다. 따라서, 오버코트(또는 공기 오버코트)가 없는 경우, 입자들이 추출 효율을 16.4%로부터 19.2%로 증가시켰으며, 이는 약 17.1%의 증가이다. SiO2 오버코트에 대응하는 지점 P2 (n3=1.45)에서의 추출 효율은 19.8%이었고, 이는 오버코트가 없는 것으로부터 약 20.7%의 증가이다. 도 20에서의 지점들 P3-P5은, 각각, Si3N4, ZnS, 및 ZnSe 오버코트에 대응한다. 추출 효율이 일반적으로 영역 Q1에서는 라인 L1을 따라가고, 영역 Q2에서는 라인 L2를 따라가며, 영역 Q3에서는 라인 L3를 따라간다. 영역 Q2에서의 라인 L2는 약 2.0 내지 약 2.7의 범위에 있는 오버코트 굴절률 n3에 대응하고 라인 L1 및 L3보다 큰 기울기를 갖는다. 영역 Q2는 추출 효율이 구조화된 오버코트의 굴절률에 더 많이 의존한다는 것을 나타낸다.
어떤 경우들에, 오버코트(170)를 도포하기 전에 구조화된 층(150)이 수정될 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우들에, 구조화된 층이 오버코트(170)로 코팅되기 전에, 구조화된 층(150) 내의 구조물들 중 적어도 일부의 형상 및/또는 크기가 수정될 수 있다. 이러한 한가지 예시적인 공정이 도 21a 내지 도 21c를 참조하여 기술된다. 도 21a는 반도체 기판(2110) 및 반도체 기판 바로 위에 배치된 구조화된 층(2120)을 포함하는 광 구조체(2100)의 개략 측면도이다. 기판은, 예를 들어, 도 1의 제2 윈도우(121) 또는 도 8의 보조 흡수층(870)과 유사할 수 있다. 어떤 경우들에, 기판(2120)은 다층일 수 있으며, 그 중 한 층이, 예를 들어, 보조 흡수층(870)과 유사할 수 있다.
구조화된 층(2120)은, 예를 들어, 도 1의 구조화된 층(150)과 유사할 수 있다. 구조화된 층(2120)은 기판(2110) 바로 위에 배치된 복수의 분리된 입자들(2122)을 포함한다. 어떤 경우들에, 입자(2122)는 유기성(중합체성 등)일 수 있다. 예시적인 중합체는 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리(메트)아크릴레이트[예를 들어, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리프로필렌(PP))], 폴리우레탄, 폴리에스테르[예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)], 폴리아미드, 폴리이미드, 페놀 수지, 셀룰로오스 다이아세테이트, 셀룰로오스 트라이아세테이트, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 에폭시, 기타 등등을 포함한다.
입자들(2122)은 기판(2110)의 상부 표면(2126) 상에 단층을 형성한다. 단층은 기판의 상부 표면을 노출시키는 개구 영역(2124)과 같은 개구 영역들을 포함한다. 어떤 경우들에, 입자들을 에칭제에 노출시킴으로써 입자들이 수축되거나 크기가 감소될 수 있다. 예를 들어, 에칭제는 각각의 입자의 일부분을 에칭 제거할 수 있으며, 그 결과 더 작은 또는 수축된 입자가 얻어진다. 예시적인 에칭 방법은 습식 또는 건식 화학적 에칭 및 반응성 이온 에칭을 포함한다. 어떤 경우들에, 입자들이 폴리스티렌이고, 에칭 방법이 산소 플라즈마 또는 반응성 이온 에칭이다.
어떤 경우들에, 입자들을 충분한 열에 노출시킴으로써 입자들(2122)이 리플로우하게 된다. 예를 들어, 중합체성 입자들(2122)은 입자들의 용융점 또는 그 근방의 온도에서 리플로우할 수 있다. 어떤 경우들에, 입자들의 적어도 일부를 수축 및 리플로우시키기 위해 에칭제 및 열이 동시에 입자들에 가해질 수 있다. 어떤 경우들에, 에칭 공정이 열을 발생할 수 있으며, 이 열은 어떤 부가의 열과 함께 또는 어떤 부가의 열이 없어도 입자들을 리플로우시킬 수 있다.
어떤 경우들에, 구조물들(2122)의 평균 크기가 실질적으로 구조물들의 표면 밀도를 결정할 수 있고, 에칭 시간과 같은 에칭의 양이 에칭 단계 이후의 구조물들[구조물들(2132)]에 의한 퍼센트 영역 점유를 결정할 수 있다. 어떤 경우들에, 요구되는 초기 평균 구조물 크기 및 에칭의 양이, 원하는 표면 구조물 밀도 및 퍼센트 표면 점유에 기초하여, 계산되거나 다른 방식으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 주어진 원하는 입자 밀도에 대해, 평균 입자 직경 R이 결정될 수 있고, 주어진 원하는 퍼센트 영역 점유에 대해, 예를 들어, 실험 데이터에 기초하여, 예를 들어, 에칭 시간과 같은 에칭 파라미터가 결정될 수 있다. 그 다음에, 단층의, 예를 들어, 평균 직경 R을 갖는 밀집된 입자들이 원하는 표면 입자 밀도를 제공하도록 표면에 도포될 수 있다. 그 다음에, 결정된 에칭 파라미터들에 따라 입자들이 에칭될 수 있고, 그 결과 에칭된 입자들에 의해 원하는 퍼센트 표면 점유가 얻어진다. 어떤 경우들에, 입자들이 오버코팅될 수 있다.
어떤 경우들에, 원하는 최종 퍼센트 표면 점유를 달성하기 위해, 먼저 복수의 구조물들이 상부 표면(2126) 상에 배치되고, 그 결과, 초기 퍼센트 영역 점유가 원하는 최종 퍼센트 영역 점유보다 크게 된다. 그 다음에, 초기 퍼센트 영역 점유를 원하는 최종 퍼센트 영역 점유로 감소시키기 위해 구조물들 중 적어도 일부가 충분히 수축된다. 어떤 경우들에, 구조물들 중 적어도 일부가 리플로우될 수 있다. 어떤 경우들에, 그 다음에 구조물들이 오버코트로 코팅되어, 수축된 구조물들 및 덮이지 않은 영역들 내의 상부 표면을 덮게 된다.
충분한 열 및 하나 이상의 에칭제에 노출된 후에, 광 구조체(2100)는 도 21b에 개략적으로 나타낸 광 구조체(2150)로 수정된다. 상세하게는, 구조화된 층(2120) 내의 입자들(2122)이 부분적으로 에칭되고 리플로우된 후에, 구조화된 층(2120)은 구조화된 층(2130)으로 변경 또는 수정된다. 구조화된 층(2130)은, 대응하는 입자들(2122)보다 작고 열에 노출시킨 것으로 인해 리플로우된 입자들(2132)을 포함한다. 리플로우 후에, 입자들(2132)은 평탄한 하부(2134)를 갖는다. 어떤 경우들에, 입자들(2132)은 돔과 비슷하거나 원추와 비슷하다. 어떤 경우들에, 입자들을 리플로우 및 수축시키는 단계가 동시에 또는 동시적으로 수행될 수 있다. 어떤 경우들에, 2개의 단계가 순차적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 입자들의 크기가 에칭제에 의해 감소될 수 있고, 이어서 가열 단계가 에칭된 입자들을 리플로우시킬 수 있다.
어떤 경우들에, 에칭제 및 열을 입자들에 가한 후에, 복수의 입자들에 의한 기판(2110)의 상부 표면(2126)의 퍼센트 점유가 감소된다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 입자들(2122)은 도 21a의 상부 표면(2126)의 제1 퍼센트를 덮고, 입자들(2132)은 도 21b의 상부 표면(2126)의 제2 퍼센트를 덮으며, 여기서 제2 퍼센트가 제1 퍼센트보다 작다.
어떤 경우들에, 수축시키는 단계는 입자의 평균 횡방향 크기와 같은 평균 크기를 적어도 10% 만큼, 또는 적어도 20% 만큼, 또는 적어도 30% 만큼, 또는 적어도 40% 만큼, 또는 적어도 50% 만큼, 또는 적어도 60% 만큼, 또는 적어도 70% 만큼 감소시킬 수 있다. 어떤 경우들에, 복수의 구조물들에 의한 기판의 상부 표면의 퍼센트 영역 점유가 수축시키는 단계 후에 감소된다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 퍼센트 영역 점유가 적어도 10% 만큼, 또는 적어도 20% 만큼, 또는 적어도 30% 만큼, 또는 적어도 40% 만큼, 또는 적어도 50% 만큼 감소될 수 있다.
어떤 경우들에, 광 구조체(2150)가 오버코트(2160)로 코팅되고, 그 결과, 도 21c에 개략적으로 나타낸 광 구조체(2180)가 얻어진다. 오버코트(2160)는 복수의 입자들(2132) 및 개구 영역(2124)과 같은 개구 영역들에 있는 기판(2110)의 상부 표면을 덮는다.
기판(2110)은, 예를 들어, 스펙트럼의 가시 영역에서 굴절률 n1을 가지고, 구조화된 층(2130) 내의 입자들(2132)은 굴절률 n2를 가지며, 오버코트(2160)는 굴절률 n3를 갖는다. 어떤 경우들에, n2가 n1보다 작다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 기판(2110)은 약 2 내지 약 2.7 또는 약 2 내지 약 2.5의 범위에 있는 굴절률을 갖는 반도체 물질을 포함하고, 입자들(2132)은 약 1.5 내지 약 1.8의 범위에 있는 굴절률을 갖는 중합체를 포함한다. 어떤 경우들에, n3가 n1보다 크다. 예를 들어, 이러한 경우들에, 기판(2110)은 약 2 내지 약 2.3의 범위에 있는 굴절률을 갖는 반도체 물질을 포함하고, 오버코트(2160)는 약 2.3 내지 약 2.7의 범위에 있는 굴절률을 갖는 다른 반도체를 포함한다.
예 8:
예 1에 개략적으로 기술한 공정을 사용하여 반도체 광 변환 구조체가 제조되었다. 구조체의 계산된 EQE가 15.29%이었다. 구조체의 흡수기측은 폴리스티렌(PS) 미소구로 코팅되었고, 그 결과, 도 21a의 구조화된 층(2120)과 유사한 구조화된 층이 얻어진다. 미소구는 약 1000 ㎚의 평균 직경을 가졌으며, VWR Scientific Products(미국 뉴저지주 사우스 플레인필드 소재)로부터 입수되었다. 미소구의 굴절률은 약 1.59이었고, 구조체 내의 흡수기의 굴절률은 약 2.6이었다. 미소구들이 H2O에서 10 중량% 고형 함량으로 분산되었다. 스핀-온 코팅법을 사용하여 약 20초 동안 약 200 rpm의 속도로 이어서 약 5초 동안 약 5000 rpm의 속도로, 이 용액이 흡수기의 상부 표면[도 21a의 상부 표면(2126)]에 도포되었다. 도 22a는 그 결과 얻어진 샘플의 SEM 이미지로서, 광 변환 구조체의 상부 표면 상의 밀집된 미소구 PS 입자들을 나타내고 있다. 미소구들에 의한 상부 표면의 영역 점유가 약 90%이었고, 그 결과 얻어진 샘플의 계산된 EQE가 22.9%이었다. 따라서, PS 입자들이 EQE를 15.29%로부터 22.9%로 증가시켰으며, 이는 약 49.8%의 증가이다. 샘플이 이어서, 입자들을 리플로우시켜 그 크기를 감소시키기 위해, 산소 플라즈마(6 mT, 80 W의 RF 전력, 및 1200 W의 유도 결합 플라즈마 전력)에서 에칭되었다. 그 결과 얻어진 입자들에 의한 표면 점유는 약 64%이었다. 따라서, 에칭 단계가 퍼센트 영역 점유를 약 90%로부터 약 64%로 감소시켰다. 도 22b는 그 결과 얻어진 샘플의 SEM 이미지이다. 입자들은 원추와 비슷하거나 돔과 비슷하며 평탄한 하부를 가졌다. 그 결과 얻어진 샘플의 계산된 EQE가 27.8%이었다. 그 다음에, 샘플이 진공 증발 공정을 사용하여 ZnS로 오버코팅되었다. 오버코트의 두께는 약 400 ㎚이었으며, ZnS 오버코트의 굴절률은 약 2.4이었다. 도 22c는 그 결과 얻어진 샘플의 SEM 이미지이다. 그 결과 얻어진 샘플의 계산된 EQE가 37.8%이었다. 따라서, ZnS 오버코트의 추가는 EQE를 27.8%로부터 37.8%로 증가시켰으며, 이는 약 36%의 증가이다.
예 9:
예 1에 개략적으로 기술한 공정을 사용하여 반도체 광 변환 구조체가 제조되었다. 구조체의 계산된 EQE가 17.65%이었다. 구조체의 흡수기측은 폴리스티렌(PS) 미소구로 코팅되었고, 그 결과, 도 21a의 구조화된 층(2120)과 유사한 구조화된 층이 얻어진다. 미소구는 약 500 ㎚의 평균 직경을 가졌으며, VWR Scientific Products(미국 뉴저지주 사우스 플레인필드 소재)로부터 입수되었다. 미소구의 굴절률은 약 1.59이었고, 구조체 내의 흡수기의 굴절률은 약 2.6이었다. 미소구들이 H2O에서 1.5 중량% 고형 함량으로 분산되었다. 침지 코팅법을 사용하여 약 65 ㎜/분의 속도로 흡수기의 상부 표면[도 21a의 상부 표면(2126)]에 이 용액이 도포되었다. 샘플이 한번 침지 코팅되었다. 그 결과 얻어진 샘플의 계산된 EQE가 26.40%이었다. 따라서, PS 입자들이 EQE를 17.65%로부터 26.40%로 증가시켰으며, 이는 약 49.6%의 증가이다. 이어서, 입자들을 약간 수축시키고 리플로우시키기 위해, 샘플이 산소 플라즈마[200 mT, 200 mW, 및 20.3 ㎝ (8 인치) 직경 플래튼(platen)]에서 에칭되었다. 그 결과 얻어진 입자들은 원추와 비슷하거나 돔과 비슷하며 평탄한 하부를 가졌다. 그 다음에, 샘플이 진공 증발 공정을 사용하여 ZnS로 오버코팅되었다. 오버코트의 두께는 약 400 ㎚이었으며, ZnS 오버코트의 굴절률은 약 2.4이었다. 그 결과 얻어진 샘플의 계산된 EQE가 35.5%이었다. 따라서, ZnS 오버코트의 추가는 EQE를 26.4%로부터 35.5%로 증가시켰으며, 이는 약 34.5%의 증가이다.
도 23은 제1 파장 λ1의 광(850)을 방출하는 LED 광원 및 광(850)의 적어도 일부분을 더 긴 제2 파장 λ2의 광(852)으로 변환시키는 광 변환층(2315)을 포함하는 광원(2300)의 개략 측면도이다. 광 변환 구조체(2315)는 기판(2320) 상에 배치된 제1 굴절률 n1을 갖는 형광체 슬라브(2330)를 포함한다. 형광체 슬라브(2330)는 광(850)의 일부분을 흡수하고 흡수된 광의 적어도 일부분을 파장 λ2의 광(852)으로서 재방출한다. 형광체 슬라브(2330)에서 사용될 수 있는 예시적인 형광체는 스트론튬 티오갈레이트, 도핑된 GaN, 구리-활성 황화아연, 및 은-활성 황화아연을 포함한다. 다른 유용한 형광체는 도핑된 YAG, 실리케이트, 산질화 규소, 질화 규소, 및 알루미네이트계 형광체를 포함한다. 이러한 형광체의 일례는 Ce:YAG, SrSiON:Eu, SrBaSiO:Eu, SrSiN:Eu, 및 BaSrSiN:Eu를 포함한다.
기판(2320)은 응용에 적합할 수 있는 어떤 물질이라도 포함할 수 있다. 예시적인 물질은 유리, 중합체, 알루미나 등의 세라믹, 사파이어, 및 광이 통과할 수 있게 해주는 하나 이상의 투명한 개구 또는 개구부를 포함하는 금속 등의 금속을 포함한다. 어떤 경우들에, 기판(2320)은 제1 파장에서 실질적으로 광 투과성이다. 어떤 경우들에, 기판은 λ1에서 불투명일 수 있다. 이러한 경우들에, 기판은 하나 이상의 광학 개구, 또는 광(850)이 기판을 통과하기 위한 다른 개구를 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 기판(2320)은 도 23에 명시적으로 도시되지 않은, λ2에서의 반사기 또는 히트 싱크와 같은 다른 기능층을 포함할 수 있다.
광 변환 구조체(2315)는 형광체 슬라브(2330) 상에 배치된 구조화된 층(150)을 더 포함한다. 구조화된 층(150)은 형광체 슬라브의 제1 굴절률 n1보다 작은 제2 굴절률 n2를 갖는다. 구조화된 층은 형광체 슬라브 바로 위에 배치된 복수의 구조물들(151) 및 형광체 슬라브를 노출시키는 복수의 개구들(2305)을 포함한다. 광 변환 구조체(2315)는 구조화된 층(150)의 적어도 일부분 및 개구(2305)와 같은 복수의 개구들에 있는 형광체 슬라브의 일부분 바로 위에 배치되어 있는 오버코트(160)와 유사한 구조화된 오버코트(2360)를 더 포함한다. 구조화된 오버코트(2360)는 제2 굴절률 n2보다 큰 제3 굴절률 n3를 갖는다.
어떤 경우들에, 구조화된 오버코트(2360)는, 포획된 광의 아주 작아져 가는 후미가 구조화된 오버코트 내의 더 멀리까지 뻗어 있게 함으로써, 형광체 슬라브 내에 포획되는 제2 파장 λ2에서의 광의 추출을 향상시킬 수 있다. 후미 연장은 구조물들(151)에 의한 포획된 광의 산란을 증가시킬 수 있으며, 그 결과, 형광체 슬라브로부터의 포획된 광의 추출이 증가된다.
어떤 경우들에, 구조화된 층(150)은 제2 파장에서 실질적으로 광 투과성이다. 어떤 경우들에, 구조화된 오버코트(2360)는 제2 파장에서 실질적으로 광 투과성이다. 어떤 경우들에, 구조화된 층(150) 내의 복수의 구조물들은 분리된 입자들과 같은 복수의 분리된 구조물들을 포함하며, 여기서, 어떤 경우들에, 복수의 분리된 입자들 중 상당 부분이 실질적으로 구형이다. 어떤 경우들에, 구조화된 층(150) 내의 복수의 구조물들은 복수의 상호 연결된 구조물들을 포함한다.
어떤 경우들에, 구조화된 오버코트(2360)는 Si3N4, ZnS, ZnSe, ZnSSe, ITO, TiO2, ZrO2, Ta2O5, HfO2, 및 실리케이트(규산염 유리 등) 중 적어도 하나를 포함한다. 어떤 경우들에, 구조화된 오버코트(2360)는 반도체를 포함한다. 어떤 경우들에, 구조화된 오버코트(2360)의 구조화된 외측 표면(2361)은 구조화된 층(150)의 구조화된 외측 표면(2362)과 정합한다.
서로 다른 시스템 파라미터들의 함수인 광 변환 구조체(2315)의 추출 효율이 도 18의 광 구조체(1800)를 사용하여 수치 해석되었다. 기판의 굴절률 n1이, 형광체 슬라브(2330)와 같은 형광체 슬라브에 대한 대표적인 값인, 1.84이었다. 입자(1855)의 직경 D가 200 ㎚이었고, 입자의 굴절률 n2가, 예를 들어, SiO2 입자에 대응하는 1.45이었다. 이웃하는 입자들 간의 간격 P가 500 ㎚이었다. 입자들이 기판(1810)의 상부 표면(1812)의 50%를 덮었다. 오버코트의 경우, 랜드 두께 t1이 100 ㎚이었고, 치수 t2 및 t3가 각각 100 ㎚이었으며, t4가 300 ㎚이었다. 오버코트의 굴절률 n3가 수치 시뮬레이션 동안에 변화되었다.
광원(1805)이 기판의 하부 표면(1814)에 위치되었고 540 ㎚의 균일 광(1807)을 방출하였다. 효과적인 2차원 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 사용하여 광 구조체(1800)의 추출 효율이 모델링되어 수치적으로 계산되었다.
도 24는 구조화된 층 및 오버코트가 존재하는 경우 n3의 함수인 광 구조체(1800)의 추출 효율을 나타내고 있다. SiO2 오버코트에 대응하는 지점 Q1 (n3=1.45)에서의 추출 효율이 40.5%이었다. 도 24에서의 지점들 Q2 및 Q3은, 각각, Si3N4, 및 TiO2 오버코트에 대응한다. 약 1.35 내지 약 2.2 또는 약 1.45 내지 약 2.2의 범위에 있는 n3에 대해, 추출 효율이 적어도 약 40%이다. 어떤 경우들에, 오버코트는 약 1.38 내지 약 1.39의 범위에 있는 굴절률을 갖는 MgF2를 포함할 수 있다. 어떤 경우들에, 오버코트는 다공성 코팅(porous coating)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 오버코트는, 약 1.4, 또는 약 1.35, 또는 약 1.30, 또는 약 1.29의 굴절률과 같은, 약 1.45 미만의 굴절률을 갖는 다공성 SiO2 코팅을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "수직", "수평", "위", "아래", "좌측", "우측", "상부" 및 "하부", "상단" 및 "하단", 기타 유사한 용어들과 같은 용어들은 도면들에 나타낸 바와 같은 상대적 위치를 말한다. 일반적으로, 물리적 실시예는 다른 배향을 가질 수 있고, 그 경우에, 이 용어들은 디바이스의 실제 배향으로 수정된 상대적 위치를 말하기 위한 것이다. 예를 들어, 도 1의 구조체가 도면들에서의 배향에 비해 뒤집혀 있지만, 제1 흡수층(130)이 여전히 전위 우물(140)의 "아래"에 있는 것으로 간주된다.
본 발명의 구체적인 예들은 본 발명의 다양한 태양들에 대한 설명을 용이하게 하기 위해 위에서 상세히 설명되었으나, 본 발명을 상기 예들의 구체적인 사항들로 제한하고자 하는 것이 아님을 이해해야 한다. 반대로, 첨부된 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 변형예, 실시예 및 대체예를 포함하고자 하는 것이다.

Claims (40)

  1. 제1 파장의 광의 적어도 일부분을 더 긴 제2 파장의 광으로 변환하는 반도체 전위 우물(semiconductor potential well),
    반도체 전위 우물 상에 배치되고 제1 굴절률을 갖는 외부층(outer layer),
    외부층 상에 배치되고 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 구조화된 층(structured layer) - 구조화된 층은 외부층 바로 위에 배치된 복수의 구조물들 및 외부층을 노출시키는 복수의 개구들을 포함함 -, 및
    구조화된 층의 적어도 일부분 및 복수의 개구들에 있는 외부층의 일부분 바로 위에 배치되어 있는 구조화된 오버코트(structured overcoat) - 오버코트는 제2 굴절률보다 큰 제3 굴절률을 가짐 - 를 포함하는 반도체 광 변환 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 구조화된 오버코트가 반도체 광 변환 구조체로부터 제2 파장의 광을 추출하는 것을 향상시키는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 구조화된 층이 제2 파장에서 실질적으로 광 투과성인 반도체 광 변환 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 구조화된 오버코트가 제2 파장에서 실질적으로 광 투과성인 반도체 광 변환 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 구조화된 층 내의 복수의 구조물들이 복수의 분리된 구조물들을 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  6. 제1항에 있어서, 구조화된 층 내의 복수의 구조물들이 복수의 상호 연결된 구조물들을 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  7. 제1항에 있어서, 구조화된 층 내의 복수의 구조물들이 복수의 입자들을 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  8. 제7항에 있어서, 복수의 입자들의 상당 부분이 실질적으로 구형인 것인 반도체 광 변환 구조체.
  9. 제1항에 있어서, 구조화된 층이 유기 물질을 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  10. 제9항에 있어서, 구조화된 층이 포토레지스트를 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  11. 제1항에 있어서, 구조화된 층이 무기 물질을 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  12. 제11항에 있어서, 구조화된 층이 SiO2를 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  13. 제1항에 있어서, 구조화된 오버코트가 하나 이상의 아일랜드를 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  14. 제1항에 있어서, 구조화된 오버코트가 Si3N4, ZnS, ZnSe, ZnSSe, ITO, TiO2, ZrO2, Ta2O5, HfO2, 및 실리케이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  15. 제1항에 있어서, 구조화된 오버코트가 반도체를 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  16. 제1항에 있어서, 구조화된 오버코트의 평균 두께가 약 1000 ㎚ 이하인 것인 반도체 광 변환 구조체.
  17. 제1항에 있어서, 구조화된 오버코트의 평균 두께가 약 700 ㎚ 이하인 것인 반도체 광 변환 구조체.
  18. 제1항에 있어서, 제1 굴절률과 제2 굴절률의 차이가 적어도 0.3인 반도체 광 변환 구조체.
  19. 제1항에 있어서, 제1 굴절률과 제2 굴절률의 차이가 적어도 0.5인 반도체 광 변환 구조체.
  20. 제1항에 있어서, 제1 굴절률과 제2 굴절률의 차이가 적어도 0.7인 반도체 광 변환 구조체.
  21. 제1항에 있어서, 제1 굴절률과 제2 굴절률의 차이가 적어도 0.9인 반도체 광 변환 구조체.
  22. 제1항에 있어서, 제3 굴절률과 제2 굴절률의 차이가 적어도 0.3인 반도체 광 변환 구조체.
  23. 제1항에 있어서, 제3 굴절률과 제2 굴절률의 차이가 적어도 0.5인 반도체 광 변환 구조체.
  24. 제1항에 있어서, 제3 굴절률과 제2 굴절률의 차이가 적어도 0.7인 반도체 광 변환 구조체.
  25. 제1항에 있어서, 제3 굴절률과 제2 굴절률의 차이가 적어도 0.9인 반도체 광 변환 구조체.
  26. 제1항에 있어서, 전위 우물 및 외부층 중 적어도 하나가 II-VI 화합물을 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  27. 제26항에 있어서, 전위 우물 및 외부층 중 적어도 하나가 Cd(Mg)ZnSe 또는 ZnSeTe를 포함하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  28. 제1항에 있어서, 외부층이 제1 파장에서 실질적으로 흡수성인 반도체 광 변환 구조체.
  29. 제1항에 있어서, 외부층이 제2 파장에서 실질적으로 투과성인 반도체 광 변환 구조체.
  30. 제1항에 있어서, 오버코트의 외측 표면이 구조화된 층의 외측 표면과 정합(conform)하는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  31. 제1항에 있어서, 반도체 광 변환 구조체를 밀봉시키는 밀봉제를 더 포함하는 반도체 광 변환 구조체.
  32. 제1항에 있어서, 제2 파장에서의 오버코트의 굴절률이 약 1.8 내지 약 2.7의 범위에 있는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  33. 제1항에 있어서, 제2 파장에서의 오버코트의 굴절률이 약 2.0 내지 약 2.7의 범위에 있는 것인 반도체 광 변환 구조체.
  34. 반도체 전계발광 요소를 포함하고, 이 반도체 전계발광 요소는,
    제1항의 반도체 광 변환 구조체,
    제1 파장의 광을 방출하는 LED - 이 광의 적어도 일부분이 반도체 광 변환 구조체에 의해 제2 파장의 광으로 변환됨 -, 및
    반도체 전계발광 요소를 밀봉시키는 밀봉제를 포함하는 것인 발광 시스템.
  35. 제1항에 있어서, 서로 다른 천이 에너지를 갖는 적어도 2개의 반도체 전위 우물을 포함하는 반도체 광 변환 구조체.
  36. LED;
    구조화된 가장 바깥쪽 표면을 갖는, LED에 의해 방출된 광을 다운-컨버전(down-converting)하는 광 변환 구조체 - 이 구조화된 표면은 광 변환 구조체의 내부층을 노출시키는 복수의 개구들을 가짐 -, 및
    구조화된 가장 바깥쪽 표면 및 내부층의 노출된 영역들 상에 형성되는, 광 변환 구조체로부터의 광 추출을 향상시키는 구조화된 오버코트 - 이 오버코트의 외측 표면은 구조화된 가장 바깥쪽 표면과 정합함 - 를 포함하는 발광 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 오버코트의 굴절률이 약 1.8 내지 약 2.7의 범위에 있는 것인 발광 시스템.
  38. 제36항에 있어서, 오버코트의 굴절률이 약 2.0 내지 약 2.7의 범위에 있는 것인 발광 시스템.
  39. 제36항에 있어서, 오버코트가 반도체를 포함하는 것인 발광 시스템.
  40. 제36항에 있어서, 발광 시스템을 밀봉시키는 밀봉제를 더 포함하는 발광 시스템.
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