TW201932752A - 具有結構化層及奈米磷光體的led - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種裝置，其包含一發光二極體(LED)基板及經定位於自該LED基板之一發射光路徑內之一元分子波長轉換層，該元分子波長轉換層包括複數個奈米粒子，該複數個奈米粒子經組態以增加該波長轉換層之一光路長度。

Description

具有結構化層及奈米磷光體的LED
本發明係關於發光二極體(LED)，且更特定言之，係關於具有結構化層及奈米磷光體的LED。
本發明係關於發光二極體(LED)，且更特定言之，係關於具有結構化層及奈米磷光體的LED。典型磷光體轉換之白色LED使用磷光體轉換器將藍色泵浦光之一部分降頻轉換為其他色彩，諸如綠色、橙色及紅色。通常，磷光體轉換器係嵌入聚合物薄膜中之呈粉末形式之磷光粒子抑或嵌入固體介質(諸如陶瓷或玻璃)中之磷光粒子。在任一組態下，磷光體轉換器沈積於藍色泵浦LED晶粒之頂部上。磷光體轉換器常常包括晶體，諸如摻雜有鈰、鉺及其他三價鑭系元素之YAG且近年來包括量子點。
嵌入聚合物薄膜中或嵌入固體介質中之粉末磷光粒子的使用面臨挑戰。首先，磷光粒子之吸收橫截面低且因此需要大量磷光粒子來達成所需經轉換光強度及色點。此等磷光粒子需要大量體積散射劑來改良散射。此外，磷光粒子可將大量藍色泵浦光反向散射至LED晶粒中。此反向散射光經吸收於晶粒內，從而使LED之效率降低。此外，主要歸因於薄膜內較大的光散射，源自典型磷光粒子之光具有朗伯角譜。此類角譜並非係需要導入式或準直光發射之應用中之適用特徵。
本發明揭示一種裝置，其包含發光二極體(LED)基板及定位於自該LED基板之發射光路徑內之元分子波長轉換層，該元分子波長轉換層包括複數個奈米粒子，該複數個奈米粒子經組態以增加該波長轉換層之光路長度。
本發明揭示一種裝置，其包含發光二極體(LED)基板及定位於自該LED基板之發射光路徑內之元分子波長轉換層，該元分子波長轉換層包括光子奈米結構，該光子奈米結構經組態以增加該波長轉換層之光路長度。
本發明揭示一種方法，其包含向發光二極體(LED)之激發層提供電力以使LED提供發射光，及使用包括複數個奈米粒子或光子奈米結構中之至少一者的元分子波長轉換層與發射光相互作用，以增加元分子波長轉換層之光路長度。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2017年12月21日申請之美國臨時申請案第62/609,085號、2017年12月22日申請之美國臨時申請案第62/609,520號、2018年3月13日申請之歐洲專利申請案第18161535.2號，及2018年3月14日申請之歐洲專利申請案第8161807.5號及2018年12月20日申請之美國非臨時申請案第16/228,522號的權益，其等係以如同完全闡述般引用的方式併入。
下文將參考隨附圖式更充分地描述不同光照明系統及/或發光二極體實施之實例。此等實例並非彼此互斥的，且一個實例中發現的特徵可與一或多個其他實例中發現的特徵組合以達成額外實施。因此，應理解，隨附圖式中所展示之實例僅出於說明性目的而提供，且其並不意欲以任何方式限制本發明。類似編號始終指代類似元件。
應理解，儘管在本文中可使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受限於此等術語。此等術語可用於將一個元件與另一元件區相區分。舉例而言，在不脫離本發明之範疇之情況下，第一元件可被稱為第二元件，且第二元件可被稱為第一元件。如本文所用，術語「及/或」可包括相關聯的所列項中之一或多者之任何及所有組合。
應理解，當諸如層、區域或基板之元件被稱作「在另一元件上」或延伸「至另一元件上」時，其可直接在另一元件上或直接延伸至另一元件上，或亦可存在插入元件。相比之下，當一元件被稱作「直接在另一元件上」或「直接延伸至另一元件上」時，不存在插入元件。亦應理解，當元件被稱作「連接」或「耦接」至另一元件時，其可直接連接或耦接至另一元件及/或經由一或多個插入元件連接或耦接至另一元件。相比之下，當元件被稱作「直接連接」或「直接耦接」至另一元件時，在該元件與另一元件之間不存在插入元件。應理解，此等術語意欲涵蓋除諸圖中所描繪的任何定向以外的元件之不同定向。
諸如「在……下方」、「在……上方」、「上部」、「下部」、「水準」或「豎直」之相對術語可在本文中用以描述如諸圖中所說明的一個元件、層或區域與另一元件、層或區域之關係。應理解，此等術語意欲涵蓋裝置的除諸圖中所描繪的定向以外的不同定向。
半導體發光裝置或諸如發射紫外(UV)或紅外(IR)光功率之光功率發射裝置為當前可利用的最有效的光源。此等裝置可包括發光二極體、諧振腔發光二極體、垂直腔雷射二極體、邊緣發射雷射或類似者(在下文被稱作「LED」及呈單數形式之「LED」)。舉例而言，歸因於其緊湊大小及較低功率需求，LED對於許多不同應用可為有吸收力的候選。舉例而言，LED可用作諸如攝影機及蜂巢式電話之掌上型電池供電裝置之光源(例如閃光燈及攝影機閃光燈)。LED亦可用於例如汽車照明、抬頭顯示器(HUD)照明、園藝照明、街道照明、視訊之炬、一般照明(例如，家庭、商店、辦公室及演播室照明、電影院/舞台照明及建築照明)、擴增實境(AR)照明、虛擬實境(VR)照明、作為顯示器之背光以及IR光譜。單個LED可提供不如白熾光源亮的光，且因此，多接面裝置或LED陣列(諸如單塊LED陣列、微LED陣列等)可用於需要或要求較大亮度之應用。
揭示用於效率改良、波束成形及色彩調諧之具有奈米結構化之磷光體之LED。奈米結構可實施為元材料、電漿子奈米結構、元分子、光子晶體及其類似者。本發明之奈米結構化之磷光體藉由將其中光學天線與轉換材料整合且置放於LED頂部上之LED裝置的設計來解決關於磷光體轉換器之已知問題。轉換材料經整合至人工結構化之金屬及/或介電奈米結構中，以使得經組合結構(在本文中被稱作「元分子及/或「元磷光體」」)具有獨特的定製光學特性。元分子使用其內之轉換粒子將光耦合至光學遠場且向轉換材料增添其他功能性，至少包括用於定向光發射之波束成形。元磷光體包括嵌入主體奈米結構化之介質中之磷光粒子。所描述之元分子之應用亦可改良用於基於雷射之照明系統(諸如，雷射照亮轉換器薄膜以產生白光之彼等照明系統)中的磷光體薄膜的吸收。
本發明揭示一種裝置，其包括定位於自發光二極體(LED)基板之發射光路徑內之元分子層，該層包括至少一個整合式降頻轉換器，其包括複數個奈米粒子，該降頻轉換器經組態以藉由增加轉換層中之散射而增加藍色泵浦光之吸收，增加局部光子能態密度以增加層與光子之相互作用從而增加經降頻轉換之光，與經發射光相互作用以控制光發射至光學遠場中之角向發射圖案或提供波束成形以導入經發射光。
本發明揭示一種裝置，其包括定位於自LED基板之發射光路徑內之元分子層，該層包括至少一個整合式降頻轉換器，其包括光子奈米結構，該降頻轉換器經組態以藉由增加轉換層中之散射而增加藍色泵浦光之吸收，增加局部光子能態密度以增加層與光子之相互作用從而增加經降頻轉換之光，與經發射光相互作用以控制光發射至光學遠場中之角向發射圖案或提供波束成形以導入經發射光。
圖1說明包括元磷光層2之裝置1，該元磷光層2由嵌入在LED結構7之頂部上之主體介電介質中的元分子6組成。裝置1包括元磷光材料6之層2。此層2可直接耦接至LED結構7及/或可置放於LED結構7之頂部正上方，諸如置放於LED之發射內。LED結構7可包括以LED堆疊結構佈置之氮化鎵(GaN)或藍寶石層之LED表面3、作用層4及背反射器5。在瞭解一般熟習相關技術者將理解LED內所包括之其他元件的情況下，LED結構7係以簡化形式呈現以便於理解本發明。
氮化鎵(GaN)或藍寶石層為半導體層或腔，且可採用一層pGaN之形式。如一般熟悉相關技術者應理解，GaN為常用於發光二極體中之二元III/V直接帶隙半導體。GaN具有寬頻隙為3.4 eV之晶體結構，其使得該材料對於在光電子件、高功率及高頻裝置中之應用係理想的。GaN可摻雜有矽(Si)或氧以形成n型GaN且摻雜有鎂(Mg)以形成p型GaN，如本發明實例中所使用。作用層4為在電致發光發生時發射光的區域。
背反射器5可採用電漿子層之形式，包括平面金屬反射鏡、分佈式布拉格反射器(DBR)及/或其他已知LED反射器。背反射器5經設計以在適用方向上反射被忽略的光。
元磷光體6包括磷光體轉換材料(亦被稱作「波長轉換材料」)，其併入有被稱作元分子及奈米粒子之光學天線或散射元件。光學天線可實施為位於LED之表面上或分佈於主體介電介質中的奈米粒子之陣列(亦可被稱作奈米粒子)。光學天線可以週期或非週期模式佈置。元磷光體6由嵌入主體介電介質中之元分子構成。類似於由原子構成之化學分子，元分子由元原子組成，其中元原子組合在一起且相互作用以得到元分子6之元分子6獨特光學特性。個別元分子6之大小可為次波長且可在相同的使用波長量級下形成。元磷光層2可由僅一種類型之元分子6構成或可為不同類型之元分子6之混合物。元磷光體6可包括週期或非週期元分子6。
元分子6可包括：單個或多個降頻轉換器奈米粒子，諸如磷光體奈米粒子、量子點(QD)或QD之聚集體，其中QD經鈍化或受到保護；複數個金屬奈米粒子，其支援在特定所關注頻帶下之表面電漿子共振；介電材料，諸如矽、二氧化矽、二氧化鈦、二氧化鋁及其類似物；化合物半導體之奈米粒子及奈米先，及數層沈積於LED之表面上之轉換材料。複數個金屬奈米粒子可使用金屬(諸如，如同金、銀等之貴金屬，或鋁及類似者)使用。
元分子6經組態使得元分子6之光學吸收光譜的吸收峰經設計為與轉換元原子的光學吸收峰重疊。元分子6係設計為使得轉換材料對泵浦光子之吸收增加、轉換材料經歷之光子能態密度增加，及光發射被控制至某些角度範圍。此增加提供增加之量之經吸收的藍色泵浦光，導致自轉換材料輸出的光增加，這引起LED中所使用之轉換材料的量減少、具有轉換器之LED的製造簡化，以及自LED裝置發射之光的色點的改良。元分子6之吸收的增加亦提供轉換材料所經歷之局部光子能態密度的增加。光子能態密度之此增加會增加轉換材料與光子之相互作用。舉例而言，其導致經由珀賽爾(Purcell)效應自轉換材料發射之經降頻轉換光的增加。
元分子6內部之電磁場(光電場及磁場)經設計以在元分子6之吸收峰處增強，該吸收峰如所描述般與轉換器之吸收峰重疊。元分子6可被設計成具有轉換器元原子，其在空間上與高電磁場增強之區域重疊。這增加轉換元原子對泵浦光的吸收，從而引起局部光子能態密度的增加，及經降頻轉換之發射光的增加，如上文所描述。
元磷光體6亦可包括遍及主體介電介質分佈或經置放於主體介質與LED出射表面之間之介面處的光學天線或奈米結構。主體介電介質亦包括轉換材料，諸如磷光體、QD等。轉換材料之尺寸可為次波長或比波長大得多。奈米結構之尺寸為次波長或波長量級。此等奈米結構用以在轉換材料之吸收峰下散射藍色泵浦光，從而增加藍色泵浦光與轉換材料之間的相互作用，得到經改良的色彩轉換效率及色彩混合。此等奈米結構可經設計以使光在所有方向上或在特定所選擇方向上散射。
元磷光體6經設計使得其光學特性在與轉換元原子之發射峰重疊的波長下具有共振或可控制發射特性。因此，元磷光體6起光學天線的作用，且可將由轉換器發射的光輻射至自由空間，使得其滿足某些發射條件。這是藉由調諧散射元原子之結構及化學組成以便同時激發該結構內之電偶極及磁偶極、四偶極及高階多極來達成。對偶極及高階多極之同時激發調適元磷光體6的發射特性。
對元磷光體6之發射特性之調適藉由將轉換材料耦接至光學天線而實現對由轉換材料發射之光之角發射模式(或方向性)的控制。由於元磷光體6充當光學天線，可藉由調諧元磷光體之特性來調諧所發射光之方向性。元磷光體6可經設計以提供在多個波長下自LED之經準直光發射，由元磷光體6針對不同波長發射之光的波束成形，對由元磷光體6針對不同波長發射之光之偏振狀態的控制，及經由在特定角度下發射光之元磷光體之空元置對LED裝置之色彩關於角度的特性的調諧。
對元磷光體6之發射特性之調適進一步實現磷光材料基於元磷光體6對藍色泵浦光之反向散射的遏止。此遏止減少發送回至LED晶粒之泵浦光子，其經吸收於LED之半傳導性層及金屬背接點區域中。對反向散射泵浦光子之此遏止可改良總體LED效率。
對元磷光體6之電偶極及雌偶極之同時激發足以遏止將泵浦光子反向散射回至LED晶粒中。此類元磷光體6可使用純介電奈米粒子而不使用金屬來建構，從而降低吸收損失。遏止自磷光體之反向散射亦可藉由實際上使轉換元原子「藉由散射抵消來隱身」而達成。在特定波長下，元分子之淨體積極化率可經工程設計為零或接近零。以此方式，元磷光體6實際上抵消其散射輪廓，同時仍吸收藍色泵浦光子。此方法可例如尤其適用於下文關於圖1B所描述之實施例中。此類方法可使用電漿子元原子以增加元磷光體6內之吸收損失。
轉換元原子之有效吸收橫截面可藉由允許在轉換器內僅散射藍色光子而增加。其可例如經設計於下文關於圖1B所描述之實施例中。散射元原子可經設計以提供在藍色波長區中之額外散射及在紅色/橙色/黃色/綠色光譜區中之較少散射。其允許較大數目之藍色泵浦光子散射至轉換器中，從而增加其有效吸收橫截面。可減少其他有色光子至轉換器中之散射。如先前所闡述，元磷光體6亦可包括遍及主體介電介質分佈或置放於主體介質與LED出射表面之間的介面處之光學天線或奈米結構。主體介電介質亦包括轉換材料，諸如磷光體、QD等。轉換材料之尺寸可為次波長或比波長大得多。奈米結構之尺寸為波長量級之次波長。此等奈米結構用以在轉換材料之吸收峰下散射藍色泵浦光，從而增加藍色泵浦光與轉換材料之間的相互作用，得到經改良之色彩轉換效率及色彩混合。此等奈米結構可經設計以使光在所有方向上或在特定所選擇方向上散射。
元磷光體6可為純電漿子，其由金屬奈米粒子構成，或為金屬介電質，其由金屬及介電奈米粒子構成，或為純介電質，其由介電奈米粒子構成，通常為高折射率介電質。元磷光體6可使用自上而下或自下而上的製造方法製造且可利用奈米例子自組裝，以提供用於加工及可擴展性的優點。元原子可包括(但不限於)不同形狀及尺寸之奈米粒子或不同厚度之轉換材料之層。元磷光體內之元原子可藉由不同技術(包括但不限於分子連接子、DNA及類似者)固持在一起。可替代地，元磷光體6可藉由自上而下的製造技術(諸如奈米壓印微影、奈米球面微影或類似者)及使用剝離技術釋放之個別元分子製造。整個元分子6可藉由諸如二氧化矽或二氧化鋁之介電質囊封以防止元分子特性隨時間之降級。元磷光體6亦可使用自上而下之製造技術經製造為在LED表面之頂部上(諸如在GaN層之頂部上或在藍寶石層之頂部上)之分層材料。
圖1B說明元分子6之組態，包括金屬/介電結構與轉換粒子之例示性組合。元分子可使用純金屬或純介電質實施為不同形狀之單個奈米粒子11。元分子可經實施為不同形狀之核殼奈米粒子12。此等粒子12可包括金屬/介電核及圍繞該核之不同介電/金屬殼。具有不同排序之層及材料之核殼奈米粒子12可為相同元分子之部分。該等奈米顆粒之光學特性可藉由形狀、尺寸及化學組成調諧。每一個別奈米例子之大小為次波長且可視應用所需而經化學鈍化。轉換粒子可為自組裝元分子中之量子點、雙曲線元材料中之量子井或經摻雜磷光體奈米晶體。
元分子6可經實施為由大量尺寸較小之元原子圍繞之發光/轉換粒子核14。其包括具有相同物理及光學特性之元原子，且亦包括元原子在物理及光學特性方面與其他元原子不同的可能性，如圖1B中之繪圖13中所示。
圖1B之繪圖13說明磷光體核14，其中奈米粒子15圍繞該核14。舉例而言，奈米顆粒15可包括單個粒子或核/殼組態，諸如具有矽石核及金殼。
在繪圖13中所描繪之實施中，藉由作出適合的材料選擇，可使元分子6對藍色泵浦光子透明/不散射，且藉由選擇元原子僅在藍色下強散射，而非在紅色/橙色/黃色/綠色下強散射，如所論述，可使藍色泵浦光子在轉換奈米粒子內部散射以增加有效吸收橫截面。
如所說明，如繪圖13中所描繪，可使用磷光體核14或中心。此磷光體核14可由單個奈米粒子15圍繞。舉例而言，該等奈米顆粒15可為單一或核/殼組態，諸如具有金殼之矽石核。舉例而言，該設計可不維持奈米粒子與磷光體之間的電導率。
在另一實施中，元原子17由尺寸較小之轉換奈米粒子18圍繞，如繪圖16中所示。轉換奈米粒子18可以多層圍繞元原子。此外，可使用不同類型之元原子及轉換奈米粒子。繪圖16說明轉換奈米粒子18，例如磷光體，其圍繞元原子17。繪圖16大致說明反向繪圖13。
在繪圖16中，展示由磷光粒子圍繞之單一或核/殼組態。再次，核/殼可為單一或核殼組態。舉例而言，核可為矽石且殼可為金。
在另一實施中，可形成由多個元原子20及轉換奈米粒子10組成之複合元原子，如繪圖19中所示。每一元分子可由不同形狀、尺寸及組成之不同元原子20構成。此外，不同類型的轉換器可為相同元分子之部分。轉換奈米粒子10及元原子20可具有類似尺寸。繪圖19表示繪圖13與繪圖16中所說明之彼等實施之間的混合實施。舉例而言，可存在不同形狀、多種組態。
在圖1B中所示之所有實施中，不同類型之元原子、轉換奈米粒子及元原子與轉換奈米粒子之不同組合可用於光譜覆蓋、色點調諧及角發射模式調諧。該等粒子可經共振調諧至相關聯磷光體。磷光粒子可為奈米級，諸如單一奈米或數十奈米或甚至數百奈米。繪圖13、繪圖16及繪圖19中之三個說明表示可用於本發明之組合的類型。
圖1C說明包括元磷光層22之裝置21，該元磷光層22包含嵌入利用在LED結構25之頂部上之背景介電層24分層的分層奈米結構23中的轉換粒子。裝置21包括奈米結構23之分層。此分層可直接耦接至LED結構25之頂部。LED結構25可包括以LED堆疊結構佈置之氮化鎵(GaN)或藍寶石層26之LED表面、作用層27及背反射器28。在瞭解一般熟習相關技術者將理解LED內所包括之其他元件的情況下，LED結構25係以簡化形式呈現以便於理解本發明。裝置21的操作可類似於上述裝置1。
氮化鎵(GaN)或藍寶石層26為半導體層或腔，且可採用一層pGaN之形式。如一般熟悉相關技術者應理解，GaN為常用於發光二極體中之二元III/V直接帶隙半導體。GaN具有寬頻隙為3.4 eV之晶體結構，其使得該材料對於在光電子件、高功率及高頻裝置中之應用係理想的。GaN可摻雜有矽(Si)或氧以形成n型GaN且摻雜有鎂(Mg)以形成p型GaN，如本發明實例中所使用。半導體層或作用層27為在電致發光發生時發射光的區域。
背反射器28可採用電漿子層之形式，包括平面金屬反射鏡、分佈式布拉格反射器(DBR)及/或其他已知LED反射器。背反射器28經設計以在適用方向上反射被忽略的光。
圖1C說明嵌入人工結構化之光子奈米結構23之層22內之轉換奈米粒子(奈米球、奈米線或量子井)。此等光子奈米結構23可採用雙曲線元材料(HMM)及光子晶體(PhC)之形式。HMM及PhC通常經實施為分層介電介質。在PhC組態中，該等層通常為介電層24或材料。在HMM組態中，該等層中之至少一者為金屬層。舉例而言，該等層可經組態有背景介電層24 (包括金屬、奈米粒子、HMM、介電質)與分層元材料23之交替層，與磷光層交替。磷光層之另一實例包括用於發射之2D半導體，諸如經摻雜之六邊形或立方形氮化硼及過渡金屬二硫屬化物(諸如二硒化鉬或二碲化鉬)，其與分層奈米結構一起形成元磷光層。奈米結構23可包括單一或多個降頻轉換器奈米粒子，諸如磷光體奈米粒子、量子點(QD)或QD之聚集體，其中QD經鈍化或受到保護。
奈米結構23 (亦即元磷光體結構)經組態以使得分層奈米結構之光學激發光譜的吸收峰經設計為與轉換元原子之光學激發峰重疊。可替代地，奈米結構23可由嵌入雙曲線元材料或超晶體介質中之磷光粒子(諸如量子點)組成。歸因於雙曲線介質，量子點經歷光子能態密度之增加，從而增加經轉換光之量。此外，雙曲線介質之奈米圖案化(包括添加光柵)可有助於自奈米結構23提取光。奈米結構23亦可由嵌入介電光子晶體中之磷光粒子(諸如量子點)組成。此等磷光體與各種經工程設計之布拉格模式相互作用，引起經轉換光之增加且亦引起所發射光之方向性之增加。此增加提供增加之量的經吸收藍色泵浦光，導致自轉換材料輸出之光增加，其引起LED中所使用之轉換材料的量減少，具有轉換器之LED之製造簡化，以及自LED裝置發射之光的色點之改良。元分子之吸收的增加亦提供轉換材料所經歷之局部光子能態密度的增加。該能態之此增加使轉換材料與光子之相互作用增加。舉例而言，其導致經由Purcell效應自轉換材料發射之經降頻轉換光的增加。
元分子內部之電磁場(光電場及磁場)經設計以在元分子之吸收峰處增強，該吸收峰如所描述般與轉換器之吸收峰重疊。元分子可經設計成具有轉換器元原子，其在空間上與高電磁場增強之區域重疊。其增加轉換器元原子對泵浦光之吸收，從而引起局部光子能態密度之增加及經降頻轉換之發射光之增加，如上文所描述。
對元磷光體之發射特性的調適藉由將轉換材料耦接至光學天線而實現對由轉換材料發射之光之角發射模式(或方向性)的控制。藉由使用具有雙曲線介質或超晶體之光柵，可藉由調諧元分子之特性來調諧所發射光之方向性。元分子可經設計以提供在多個波長下自LED之經準直光發射。
奈米結構23亦可使用自上而下之製造技術而被製造成LED表面之頂部上(諸如在GaN層之頂部上或在藍寶石層之頂部上)的分層材料。
圖1D說明嵌入PhC及HMM中之轉換粒子的實例組態，如圖1C中所利用。圖1D之繪圖30說明奈米結構23與另一層24 (包括金屬(HMM)/介電質(PhC))之交替層以形成轉換粒子實施。奈米結構23可為本文所論述之發光粒子35中之任一者，包括磷光體、QD及類似者。轉換奈米粒子23可嵌入於由介電材料構成之主體層內。另一層24可係由呈HMM形式之金屬(諸如金)或呈PhC形式之介電質形成。PhC/HMM之每一單位晶胞可被稱為元分子。繪圖30中之PhC可被稱為分散式布拉格反射器(DBR)，係因為其為一維PhC，但本說明書可在多個維度使用。
藉由添加奈米圖案化41至元分子，繪圖40係以繪圖30之轉換粒子實施為基礎。此外，如上文關於繪圖30所說明及論述，存在奈米結構23與另一層24 (包括金屬(HMM)/介電質(PhC))之交替層以形成轉換粒子實施。奈米結構23可為本文所論述之發光粒子35中之任一者，包括磷光體、QD及類似者。轉換奈米粒子23可嵌入於由介電材料構成之主體層內。另一層24可係由呈HMM形式之金屬(諸如金)或呈PhC形式之介電質形成。繪圖40說明經添加至繪圖30之轉換粒子實施之孔及間隙41。舉例而言，此等孔及間隙41可係由介電材料形成。孔及間隙41可改良實施之光提取效率。孔及間隙41可併入近似為所利用波長之尺寸或更小之尺寸及間距。孔及間隔41之圖案不必為週期性的，且可為一維或二維的。
繪圖50說明以繪圖30中所呈現之實施為基礎的另一實施。此外，如上文關於繪圖30所說明及論述，存在奈米結構23與另一層24 (包括金屬(HMM)/介電質(PhC))之交替層以形成轉換粒子實施。奈米結構23可為本文所論述之發光粒子35中之任一者，包括磷光體、QD及類似者。轉換奈米粒子23可嵌入於由介電材料構成之主體層內。另一層24可係由呈HMM形式之金屬(諸如金)或呈PhC形式之介電質形成。在繪圖50中，其藉由併入額外介電夾雜物51來說明繪圖30之二維PhC實施。此等額外介電夾雜物51係提供於上文就繪圖30所描述之金屬層或介電層24中。夾雜物51之尺寸及間距小於二分之一之所用波長。
繪圖60中之實施例說明按照繪圖50之嵌入PhC及HMM中之轉換粒子之實施，包括關於繪圖40所論述之額外奈米圖案化。如關於繪圖50所闡述，存在奈米結構23 (亦即粒子)與另一層24 (包括金屬(HMM)/介電質(PhC))之交替層以形成轉換粒子實施。奈米結構23可為本文所論述之發光粒子35中之任一者，包括磷光體、QD及類似者。轉換奈米粒子23可嵌入由介電材料構成之主體層內。另一層24可由呈HMM形式之金屬(諸如金)或呈PhC形式之介電質形成。此外，可存在包括於金屬層或介電層24中之額外介電夾雜物51。
繪圖60說明添加至繪圖50之轉換粒子實施之孔及間隙41。舉例而言，此等孔及間隙41可由介電材料形成。孔及間隙41可改良實施之光提取效率。孔及間隙41之尺寸及間距可經形成為近似所利用波長之尺寸或更小。孔及間隔41之圖案不必為週期性的且可為一維或二維的。
圖1E說明使用圖1A至圖1D之元磷光層與LED之光相互作用的方法70。方法70包括在步驟71處向LED之激發層提供電力以使LED提供經發射光。方法70進一步包括在步驟72處使用元分子層與經發射光相互作用。元分子可包括至少一個整合式降頻轉換器，包括複數個奈米粒子及/或光子奈米結構。方法70亦可包括以下中之至少一者：在步驟73處藉由增加轉換層中之散射而增加藍色泵浦光之吸收；在步驟74處增加局部光子能態密度以增加層與光子的相互作用從而增加經降頻轉換之光；在步驟75處與所發射光相互作用以控制所發射光至光學遠場中之角發射模式；及在步驟76處提供波束成形以導入所發射光。圖1E說明方法70。一般熟習此項技術者將理解，可涉及更多或更少步驟。此外，可組合步驟中之任一者以便同時執行。此等步驟之次序亦可更改，以使得步驟中之任一者或多者係以不同於圖1E中所說明的序列執行。
圖1A至圖1E中所體現之裝置及方法可用於下文所描述之裝置及系統中之任一者紅或與下文所描述之裝置及系統結合使用。
圖2A為實例實施例中之LED裝置200之圖。LED裝置200可包括一或多個磊晶層202、作用層204及基板206。在其他實施例中，LED裝置可包括波長轉換層及/或初級光學件。如圖2A中所示，作用層204可與基板206相鄰，且在激發時發射光。磊晶層202可接近於作用層204及/或一或多個中間層可處於作用層204與磊晶層202之間。基板206可接近於作用層204及/或一或多個中間層可處於作用層204與基板206之間。作用層204將光發射至基板206中。
圖2B展示包括具有圖元201A、201B及201C之LED陣列210之照明系統220的橫截面視圖。LED陣列210包括圖元201A、201B及201C，其各自包括各別基板206B、作用層204B及磊晶層202B。LED陣列210中之圖元201A、201B及201C可使用陣列分段或可替代地使用取放技術形成，且可例如在不同峰值波長下發射諸如紅色、綠色及藍色的光。經展示在一或多個圖元201A、201B及201C之間的空間203可包括氣隙且可由諸如金屬材料之材料填充，該金屬材料可為接點(例如n接點)。根據一些實施例，可提供諸如一或多個透鏡及/或一或多個波導之次級光學件。
LED裝置200或圖元201A、201B及201C可為單波長發射器且可經個別或作為陣列供電。LED裝置200或圖元201A、201B及201C可為照明系統之一部分，該照明系統包括一或多個電子板、電源模組、感測器、連通性及控制模組、LED附接區域或類似者。陣列中之圖元可基於不同通道信號供電且其操作可藉由微控制器判定。
圖3展示包括應用平台560及LED系統552及556之實例系統550。LED系統552產生經展示於箭頭561a與561b之間的光束561。LED系統556可產生箭頭562a與562b之間的光束562。作為實例實施例，LED系統552及556可為汽車之部分且可發射紅外(IR)光通信波束，以使得光束561及/或562之路徑中之來駛車輛能夠接收來自汽車之通信。在實例實施例中，系統550可為攝影機閃光系統之行動電話、室內住宅或商業照明、室外燈具(諸如街道照明)、汽車、醫療裝置、AR/VR裝置及機器裝置。
如本文所論述，應用平台560可經由電源匯流排、經由管線565或其他可適用輸入向LED系統552及/或556提供電力。此外，應用平台560可經由管線565提供輸入信號以用於操作LED系統552及LED系統556，該輸入可基於使用者輸入/偏好、經感測讀數、經預程式化或自主判定之輸出，或類似者。一或多個感測器可在應用平台560之外殼之內部或外部。
在各種實施例中，應用平台560感測器及/或LED系統552及/或556感測器可收集資料，該資料諸如視訊資料(例如，LIDAR資料、IR資料、經由攝影機收集之資料，等)、音訊資料、基於距離之資料、移動資料、環境資料，或類似者或其組合。可基於藉由例如LED系統552及/或556發射光學信號(諸如IR信號)及基於所發射光學信號收集資料來收集資料。資料可由與發射用於資料收集之光學信號的元件不同的元件來收集。繼續該實例，感測設備可定位於汽車上，且可使用垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)發射光束。一或多個感測器可感測對所發射光束或任何其他可適用輸入之回應。
在詳細描述實施例之後，熟習此項技術者將瞭解，鑒於本發明描述，可在不脫離本發明概念之精神之情況下對本文中所描述之實施例進行修改。因此，本發明之範疇不意欲限於所說明及描述之具體實施例。
1‧‧‧裝置
2‧‧‧元磷光層
3‧‧‧LED表面
4‧‧‧作用層
5‧‧‧背反射器
6‧‧‧元分子
7‧‧‧LED結構
11‧‧‧奈米粒子
12‧‧‧核殼奈米粒子
13‧‧‧繪圖
14‧‧‧發光/轉換粒子核
15‧‧‧奈米粒子
16‧‧‧繪圖
17‧‧‧元原子
18‧‧‧轉換奈米粒子
19‧‧‧繪圖
20‧‧‧元原子
21‧‧‧裝置
22‧‧‧元磷光層
23‧‧‧分層奈米結構
24‧‧‧背景介電層
26‧‧‧氮化鎵(GaN)或藍寶石層
27‧‧‧作用層
28‧‧‧背反射器
35‧‧‧發光粒子
40‧‧‧繪圖
41‧‧‧奈米圖案化
50‧‧‧繪圖
51‧‧‧介電夾雜物
60‧‧‧繪圖
70‧‧‧方法
71‧‧‧步驟
72‧‧‧步驟
73‧‧‧步驟
74‧‧‧步驟
75‧‧‧步驟
76‧‧‧步驟
200‧‧‧LED裝置
201A‧‧‧圖元
201B‧‧‧圖元
201C‧‧‧圖元
202‧‧‧磊晶層
202B‧‧‧磊晶層
203‧‧‧空間
204‧‧‧作用層
204B‧‧‧作用層
206‧‧‧基板
206B‧‧‧基板
210‧‧‧LED陣列
220‧‧‧照明系統
550‧‧‧系統
552‧‧‧LED系統
556‧‧‧LED系統
560‧‧‧應用平台
561‧‧‧光束
561a‧‧‧箭頭
561b‧‧‧箭頭
562‧‧‧光束
562a‧‧‧箭頭
562b‧‧‧箭頭
565‧‧‧管線
圖1A說明包括元磷光體之裝置，該元磷光體由嵌入在發光二極體(LED)結構之頂部上之主體介電介質中的元分子組成；
圖1B說明圖1A之元分子之組態，包括金屬/介電結構與轉換粒子之例示性組合；
圖1C說明包括元磷光體之裝置，該元磷光體由嵌入在LED結構之頂部上之主體介電介質中的元分子組成；
圖1D說明圖1C之元分子之組態，包括金屬/介電結構與轉換粒子之例示性組合；
圖1E說明使用元磷光層與LED之光相互作用之方法；
圖2A為展示LED裝置之圖；
圖2B為展示多個LED裝置之圖；及
圖3為實例應用系統之圖。

Claims (20)

  1. 一種裝置，其包含： 一發光二極體(LED)基板；及 一元分子波長轉換層，其經定位於自該LED基板之一經發射光路徑內，該元分子波長轉換層包括複數個奈米粒子，該複數個奈米粒子經組態以增加該波長轉換層中之一光路長度。
  2. 如請求項1之裝置，其中該複數個奈米粒子進一步經組態以與該光相互作用，以控制自該裝置發射之一角發射模式。
  3. 如請求項1之裝置，其中增加該光路長度增加一藍色泵浦光之吸收。
  4. 如請求項1之裝置，其中該元分子波長轉換層支援在一特定所關注頻帶下之一表面電漿子共振。
  5. 如請求項1之裝置，其中該複數個奈米粒子包括至少一個磷光體奈米粒子、量子點、複數個金屬奈米粒子，或複數個介電材料。
  6. 如請求項5之裝置，其中該量子點經鈍化且受保護。
  7. 如請求項5之裝置，其中該複數個介電材料包括矽、二氧化矽、二氧化鈦及二氧化鋁中之至少一者。
  8. 如請求項5之裝置，其中該複數個金屬奈米粒子包括至少一種貴金屬(諸如金及銀)或鋁。
  9. 如請求項1之裝置，其中該元分子波長轉換層包括化合物半導體之奈米線。
  10. 如請求項1之裝置，其中該元分子波長轉換層大體上垂直於自該LED發射之該光之一傳播平面延伸。
  11. 如請求項1之裝置，其中該元分子波長轉換層鄰近於該LED之一頂表面定位。
  12. 一種裝置，其包含： 一發光二極體(LED)基板；及 一元分子波長轉換層，其經定位於自該LED基板之一經發射光路徑內，該元分子波長轉換層包括一光子奈米結構，該光子奈米結構經組態以增加該波長轉換層中之一光路長度。
  13. 如請求項12之裝置，其中該光子奈米結構經進一步組態以與該光相互作用，以控制自該裝置發射之一角發射模式。
  14. 如請求項12之裝置，其中增加該光路長度增加藍色泵浦光之吸收。
  15. 如請求項12之裝置，其中該元分子波長轉換層支援在一特定所關注頻帶下之一表面電漿子共振。
  16. 如請求項12之裝置，其中該元分子波長轉換層大體上垂直於自該LED發射之該光之一傳播平面延伸。
  17. 如請求項12之裝置，其中該元分子波長轉換層係鄰近於該LED之一頂表面定位。
  18. 一種方法，其包含： 向一發光二極體(LED)之一激發層提供電力以使該LED提供經發射光；及 使用包括複數個奈米粒子或光子奈米結構中之至少一者之一元分子波長轉換層與該經發射光相互作用，以增加該元分子波長轉換層中之一光路長度。
  19. 如請求項18之方法，進一步包含藉由該複數個奈米粒子或該光子奈米結構中之該至少一者與該經發射光相互作用，以控制自該裝置發射之一角發射模式。
  20. 如請求項18之方法，其中增加該光路長度經由與該光子奈米結構之相互作用來增加藍色泵浦光之吸收。
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