TWI487136B - 光轉換構造 - Google Patents

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泰瑞 李 史密斯
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張俊穎
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Description

光轉換構造
本發明概言之係關於半導體發光裝置。本發明具體而言適用於具有經改良亮度之半導體發光裝置。
在包含投影顯示系統、液晶顯示器之背光及諸如此類之多種不同用途中皆使用發光裝置。投影系統通常使用一或多個白光源，例如高壓汞燈。通常將白光束分成三基色即紅、綠及藍，並被引導至各形成圖像之空間光調變器，以產生各基色之圖像。將所得基色圖像束合並且投影至用於觀看之投影屏幕上。
最近，發光二極體(LED)被認為係白光源之替代者。LED有潛力提供可與習用光源媲美之亮度及工作壽命。然而，目前LED因光捕獲在(例如)高折射率區域中而相對低效。
概言之，本發明係關於半導體發光裝置。在一個實施例中，半導體光轉換構造包含半導體勢阱，其將至少一部分第一波長之光轉換為第二較長波長之光；外層，其佈置於半導體勢阱上且具有第一折射率；及佈置於外層上之結構化層，其具有比第一折射率小的第二折射率。結構化層包含複數個直接佈置於外層上之結構及複數個暴露外層之開放部分。半導體光轉換構造進一步包含結構化外層，其直接佈置於至少一部分結構化層上及一部分外層上之複數個開放部分中。外層具有比第二折射率大的第三折射率。在某些情況下，結構化外層之平均厚度不超過約1000奈米、或不超過約700奈米。在某些情況下，外層之外表面與結構化層之外表面相貼合。
在另一實施例中，發光系統包含LED及光轉換構造，該光轉換構造向下轉換由LED所發射之光且具有結構化最外表面。結構化表面具有複數個暴露光轉換構造之內層之開放部分。發光系統進一步包含結構化外層，其形成於結構化最外表面及內層之暴露區上。結構化外層增強光自光轉換構造之取出。外層之外表面與結構化最外表面相貼合。在某些情況下，外層之折射率係在約1.8至約2.7之範圍內。
在另一實施例中，半導體光轉換構造包含第一半導體層，其用來吸收至少一部分第一波長之光；半導體勢阱，其用來將至少一部分在第一波長下所吸收的光轉換為第二較長波長之光；及第二半導體層，其可吸收至少一部分第一波長之光。第一半導體層在第二波長下具有最大第一折射率。第二半導體層在第二波長下具有比最大第一折射率大的第二折射率。在某些情況下，第一半導體層之帶隙能量大於第二波長之光子的能量。在某些情況下，第二半導體層之帶隙能量大於第二波長之光子的能量。在某些情況下，第二半導體層之帶隙能量小於第一半導體層之最小帶隙能量。在某些情況下，第一半導體層之帶隙能量大於半導體勢阱之轉變能。在某些情況下，第二半導體層之帶隙能量大於半導體勢阱之轉變能。在某些情況下，當用具有以第一波長為中心且包含比第一波長長的波長λe 之光譜之入射光照射時，第一半導體層吸收第一波長之光，而不吸收λe 之光，但第二半導體層吸收λe 之光。
在另一實施例中，半導體光轉換構造包含第一半導體層，其用來吸收至少一部分第一波長之光；半導體勢阱，其用來將至少一部分在第一波長下所吸收之光轉換為第二較長波長之光；及第二半導體層，其可吸收至少一部分第一波長之光。第二半導體層具有比第一半導體層之最小帶隙能量小的帶隙能量。在某些情況下，第一半導體層之帶隙能量大於第二波長之光子能量。在某些情況下，第二半導體層之帶隙能量大於第二波長之光子能量。在某些情況下，第二半導體層在第二波長下之折射率大於第一半導體層在第二波長下之最大折射率。在某些情況下，第一半導體層之帶隙能量大於半導體勢阱之轉變能。在某些情況下，第二半導體層之帶隙能量大於半導體勢阱之轉變能。在某些情況下，半導體光轉換構造包含複數個具有相同轉變能之半導體勢阱。在某些情況下，半導體光轉換構造包含複數個具有不同轉變能之半導體勢阱。
在另一實施例中，光學構造包含第一半導體層，其在可見第一波長下具有折射率n1 ；第二半導體層，其佈置於第一半導體層上且在第一波長下具有折射率n2 ，其中n2 小於n1 ；第三半導體層，其佈置於第二半導體層上且在第一波長下具有折射率n3 ，其中n3 大於n2 ；結構化層，其直接佈置於第三半導體層上；及外層，其直接佈置於至少一部分結構化層上。光學構造在第一波長下實質上可透射。在某些情況下，外層包含光子晶體。在某些情況下，第一半導體層係勢阱。在某些情況下，第二半導體層實質上在第一波長下吸光而非在第二波長下吸收光。在某些情況下，第三半導體層實質上在第一波長下吸光而非在第二波長下吸收光。
在另一實施例中，發光系統包含光源，其發射第一波長及第二較長波長之光；一或多個第一半導體吸光層，其在第一波長下而非第二波長下能吸收光。一或多個第一半導體吸光層可吸收由光源所發射之光的至少80%。發光系統進一步包含半導體勢阱，其將至少一部分由一或多個第一半導體吸光層所吸收之光轉換為較長波長輸出光；及一或多個第二半導體吸光層，其在第二波長下能吸收光。一或多個第二半導體吸光層可吸收由光源所發射之剩餘光。在某些情況下，一或多個第一半導體吸光層吸收由光源所發射之光的至少90%。在某些情況下，一或多個第一半導體吸光層吸收由光源所發射之光的至少95%。在某些情況下，發光系統包含複數個具有相同或不同轉變能之半導體勢阱。
在另一實施例中，半導體光轉換構造包含第一半導體層，其具有帶隙能量Eabs ，用來吸收部分而非全部入射光；半導體勢阱，其具有比Eabs 低之轉變能Etr ，用來向下轉換至少一部分所吸收入射光；及第二半導體層，其具有比Eabs 小且比Etr 大之帶隙能量E1b ，用來吸收剩餘入射光。在某些情況下，由第一半導體層所吸收之入射光的一部分與由第二半導體層所吸收之剩餘入射光包含不同的光譜波長區域。在某些情況下，半導體光轉換構造進一步包含具有比Eabs 大之帶隙能量Ew 之半導體窗口。在某些情況下，Ew 大於入射光之光子能。在某些情況下，第一半導體層與半導體勢阱緊密相鄰。在某些情況下，第一半導體層與半導體勢阱直接相鄰。在某些情況下，第一半導體層佈置於半導體勢阱與第二半導體層之間。在某些情況下，第一及第二半導體層各自皆與半導體勢阱直接相鄰。
在另一實施例中，製作用於自基板取出光之光學構造之方法包含以下步驟：(a)提供具有表面之基板；(b)將複數個結構佈置於基板表面上，其中複數個結構形成暴露基板表面之開放區；(c)使至少一部分結構收縮；及(d)施加外層以覆蓋收縮結構及開放區中之基板表面。在某些情況下，藉由將蝕刻劑施加至複數個結構來實施步驟(c)。在某些情況下，施加蝕刻劑後，基板表面由複數個結構覆蓋之百分比下降。在某些情況下，複數個結構包含聚苯乙烯。在某些情況下，複數個結構包含複數個粒子。在某些情況下，施加蝕刻劑之前複數個粒子實質上呈球形，且施加蝕刻劑之後實質上呈錐形。在某些情況下，依次實施步驟(a)至(d)。在某些情況下，該方法進一步包含使至少某些結構回流之步驟，其中，在某些情況下，使至少某些結構回流之步驟係藉由將熱施加至複數個結構來實施。在某些情況下，同時實施使至少某些粒子收縮及回流之步驟。在某些情況下，在步驟(c)中將結構收縮至少20%或至少40%。在某些情況下，步驟(d)中之外層包含結構化外層。在某些情況下，步驟(d)中之外層具有與複數個結構之外表面相貼合之結構化外表面。
在另一實施例中，在基板表面上製作複數個結構用於自基板取出光之方法包含以下步驟：(a)提供具有表面之基板；(b)確定期望的基板表面第一面積覆蓋率百分比；(c)將複數個結構佈置於基板表面上，此產生比期望的第一面積覆蓋率百分比大的第二面積覆蓋率百分比；及(d)使至少某些結構收縮以將面積覆蓋率百分比降低至期望的第一面積覆蓋率百分比。在某些情況下，該方法進一步包含施加結構化外層以覆蓋收縮結構及未經覆蓋區中之基板表面之步驟。在某些情況下，該方法進一步包含使複數個結構中至少某些結構回流之步驟。
在另一實施例中，光轉換構造包含磷光體板，其具有第一折射率，用來將至少一部分第一波長之光轉換為第二較長波長之光；及結構化層，其佈置於磷光體板上且具有比第一折射率小的第二折射率。結構化層包含複數個直接佈置於磷光體板上之結構及複數個暴露磷光體板之開放部分上。光轉換構造進一步包含結構化外層，其直接佈置於至少一部分結構化層及一部分磷光體板上之複數個開放部分中。結構化外層具有比第二折射率大的第三折射率。在某些情況下，結構化外層增強第二波長之光自磷光體板之取出。在某些情況下，結構化外層包含Si3 N4 、ZnS、ZnSe、ZnSSe、ITO、TiO2 、ZrO2 、Ta2 O5 、HfO2 及矽酸鹽中之至少一種。在某些情況下，第一與第二折射率之間的差為至少0.3、或至少0.5、或至少0.7、或至少0.9。在某些情況下，第三與第二折射率之間的差為至少0.3、或至少0.5、或至少0.7、或至少0.9。在某些情況下，結構化外層之結構化外表面與結構化層之外表面相貼合。在某些情況下，光轉換構造進一步包含囊封光轉換構造之囊封劑。在某些情況下，結構化外層在第二波長下之折射率係在約1.35至約2.2之範圍內。
本申請案揭示包含半導體光源及一或多個波長轉換器之半導體發光裝置，其中該轉換器可係半導體波長轉換器。本申請案進一步揭示用來增強光取出之結構。
某些所揭示裝置具有得自相同半導體族(例如III-V族)之光源及光轉換層。在此等情況下，將(例如)III-V波長轉換器以整體形式直接形成及製作至III-V光源(例如III-V LED)上係切實可行的。然而，在某些情況下，具有期望輸出波長、高轉換效率或其他合意特性之波長轉換器可得自不同於LED所屬半導體族之半導體族。在此等情況下，將一個組件形成至其他具有高品質者上係不可能或不可行的。舉例而言，高效率波長轉換器可係得自II-VI族且光源(例如LED)可係得自III-V族。在此等情況下，可使用多種方法將光轉換器附接至光源。某些此等方法闡述於2007年12月10日提出申請之美國專利申請案第61/012608號中。
本申請案中所揭示之波長轉換器向下轉換由光源所發射之光。本文所用向下轉換意指經轉換光之波長大於未經轉化或入射光之波長。
圖19係包含光源1910、光轉換層1920及光取出層1930之發光系統1900的示意性側視圖。光源1910發射通常在UV光譜或藍色光譜區域內之第一波長λ1 之光1915。光轉換層1920將至少一部分光1915轉換為通常在綠色或紅色光譜區域內之第二較長波長λ2 之光1925。光取出層1930藉由增強光1925自光轉換層1920之取出而改良發光系統之輸出光的亮度或強度。舉例而言，光取出層1930取出以另外方式捕獲在光轉換層1920中或以另外方式未經光轉換層1920傳輸之光。
一般而言，光轉換層1920可包含能將至少一部分第一波長之光轉換為第二波長之光之任何元件或材料。舉例而言，層1920可包含磷光體、螢光染料、共軛發光有機材料例如聚茀、光致發光半導體層、半導體勢阱、或總成或複數個半導體量子點。可用於光轉換層1920中之例示性磷光體包含硫代鎵酸鍶、經摻雜GaN、經銅活化之硫化鋅、及經銀活化之硫化鋅。其他有用磷光體包含經摻雜YAG、矽酸鹽、氧氮化矽、氮化矽、及鋁酸鹽為主之磷光體。此等磷光體之實例包含Ce:YAG、SrSiON:Eu、SrBaSiO:Eu、SrSiN:Eu及BaSrSiN:Eu。
在某些情況下，光轉換層1920可包含磷光體板，例如Ce:YAG板。Ce:YAG板可藉由(例如)在高溫及壓力下燒結Ce:YAG磷光體粒子以形成實質上光學透明及不散射板來製備，如(例如)美國專利第7,361,938號中所闡述。
光取出層1930包含直接佈置於光轉換層1920上之結構化層1940及佈置於結構化層上之外層1950(例如結構化外層1950)。結構化層1940包含複數個直接佈置於光轉換層1920上之結構。在某些情況下，外層之外表面與結構化層之外表面相貼合。
在某些情況下，該等結構在λ2 下之折射率比相同波長下光轉換層1920中最外層之折射率低。可(例如)藉由使輸出表面上的光阻劑圖案化(例如光圖案化)、或藉由將部分或全部單層粒子、或多層粒子(例如奈米粒子)沈積在輸出表面上而將低折射率結構化層1940形成於光轉換層之輸出表面1921上。在某些情況下，結構化層可包含空氣用來(例如)降低結構化層在λ2 下之折射率。舉例而言，在某些情況下，結構化層可在輸出表面1921上包含中空結構或粒子。可藉由(例如)使輸出表面上之材料(例如有機材料)圖案化、在圖案化材料上外塗佈外層並藉由(例如)在高溫下分解部分經外塗佈圖案化材料而除去該等部分以形成空氣區域來將包含空氣或氣袋之結構化層1940形成於輸出表面上。在某些情況下，結構化層1940中結構之折射率低於與結構化層直接相鄰之光轉換層1920中最外層之折射率。
外層1950增強光自光轉換層1920之取出。在某些情況下，外層可包含玻璃狀材料或金屬氧化物，例如Al2 O3 、TiO2 、ZrO2 、La2 O3 、Ta2 O5 、HfO2 、矽酸鹽、氮化矽、氧氮化矽、或氧化銦錫。在某些情況下，外層可係半導體外層，例如含有ZnS、ZnSe、ZnO或半導體合金(例如ZnSx Se1-x )之外層。在某些情況下，外層可係溶膠，例如緻密化溶膠。在某些情況下，外層之折射率大於與結構化層直接相鄰之光轉換層1920中最外層之折射率。
圖1係半導體發光元件105之示意性側視圖，該半導體發光元件包含電致發光裝置110，其發射第一波長λ1 之光且具有光子能E1 ；及半導體光轉換構造115，其用來將至少一部分第一波長之光轉換為第二較長波長λ2 之光且具有光子能E2 。
半導體光轉換構造115包含面向電致發光裝置110之第一窗口120、佈置於第一窗口上之第一吸收層130、佈置於第一吸收層上之勢阱140、佈置於勢阱上之第二吸收層131、佈置於第二吸收層上之第二窗口121、直接佈置於第二窗口上之結構化層150、佈置於結構化層上之外層160、及佈置於外層上且囊封半導體電致發光元件105之囊封劑170。
一般而言，光轉換器118可包含能將至少一部分第一波長λ1 之光轉換為第二波長λ2 之光的任何元件。舉例而言，光轉換器118可包含磷光體、螢光染料、共軛發光有機材料，例如聚茀。可用於光轉換器118中之例示性磷光體包含硫代鎵酸鍶、經摻雜GaN、經銅活化之硫化鋅、及經銀活化之硫化鋅。
在某些情況下，層140可包含勢阱、量子阱、量子點、或各自皆為多個或複數個。無機物勢阱及量子阱(例如無機半導體勢阱及量子阱)通常具有比(例如)有機材料增加之光轉換效率，且藉此更為可靠地不易受環境因素(例如水分)影響。此外，無機物勢阱及量子阱往往具有較窄的輸出光譜，此產生(例如)經改良的色域。
本文所用勢阱意指經設計以僅在一個方向上限制載流子之多層半導體結構中的半導體層，其中該(等)半導體層具有比周圍層低的導電帶能量及/或比周圍層高的價帶能量。量子阱通常意指充分薄以使量子化效應可增大阱中電子-電洞對重組能量之勢阱。量子阱之厚度通常為約100奈米或更低、或約10奈米或更低。量子點之最大尺寸通常為約100奈米或更低、或約10奈米或更低。
在某些情況下，勢阱或量子阱140包含II-VI半導體勢阱或量子阱，其具有比由電致發光裝置110所發射之光子的能量E1 小的轉變能Epw 。一般而言，勢阱或量子阱140之轉變能實質上等於由勢阱或量子阱重新發射之光子的能量E2 。
在某些情況下，勢阱140可包含含有化合物ZnSe、CdSe及MgSe作為合金三種組成之CdMgZnSe合金。在某些情況下，合金中可不存在Cd、Mg及Zn中的一或多種，尤其Mg。舉例而言，勢阱140可包含能在紅色區域內重新發射之Cd0.70 Zn0.30 Se量子阱、或能在綠色區域內重新發射之Cd0.33 Zn0.67 Se量子阱。作為另一實例，勢阱140可包含Cd、Zn、Se及視情況Mg之合金，在此情況下，合金系統可由Cd(Mg)ZnSe表示。作為另一實例，勢阱140可包含Cd、Mg、Se、及視情況Zn之合金。在某些情況下，勢阱可包含ZnSeTe。在某些情況下，量子阱140之厚度係在約1奈米至約100奈米、或約2奈米至約35奈米之範圍內。
一般而言，勢阱140可具有任何導電帶及/或價帶特徵。例示性特徵闡述於(例如)美國專利申請案第60/893804號中。
在某些情況下，勢阱140可係n-摻雜或p-摻雜型，其中該摻雜可藉由任一適宜方法且藉由納入任一適宜摻雜物來實現。在某些情況下，電致發光裝置110及勢阱140可得自兩個不同半導體族。舉例而言，在此等情況下，電致發光裝置110可係III-V半導體裝置且勢阱140可係II-VI勢阱。在某些情況下，電致發光裝置110可包含AlGaInN半導體合金且勢阱140可包含Cd(Mg)ZnSe半導體合金，其中圓括號中所包含之材料係可選材料。
一般而言，半導體光轉換構造115可具有一或多個勢阱。在某些情況下，構造115可具有多個勢阱。舉例而言，在此等情況下，構造115可具有至少2個勢阱、或至少5個勢阱、或至少10個勢阱。在某些情況下，構造115可具有至少2個勢阱、或至少3個勢阱、或至少4個勢阱，且具有不同的轉變能。
在某些情況下，勢阱140實質上吸收第一波長λ1 之光。舉例而言，在此等情況下，勢阱140吸收至少30%、或至少40%、或至少50%的第一波長λ1 之光。在某些情況下，勢阱140在第一波長λ1 下實質上透光。舉例而言，在此等情況下，勢阱140傳輸至少60%、或至少70%、或至少80%、或至少90%的第一波長λ1 之光。
吸光層130及131有助於光180之吸收及半導體光轉換構造115中載流子之產生。在某些情況下，吸光層130及131吸收至少一部分光180且結果產生光致載流子對，例如電子-電洞載流子。該等載流子自吸光層擴散或遷移至勢阱140，其中其在第二波長λ2 下重組且發射光。
靠近勢阱放置吸光層130及131，以使光致載流子可有效地擴散至勢阱，用於在第二波長λ2 下載流子之重組及光之發射。
在某些情況下，半導體光轉換構造115中之吸光層可與勢阱140直接相鄰，意指在吸收層與勢阱之間不佈置中間層。舉例而言，在圖1中，第一及第二吸光層130及131各自皆與勢阱140直接相鄰。在某些情況下，半導體光轉換構造115中之吸光層可與勢阱140緊密相鄰，意指在吸收層與勢阱之間可佈置一或數個中間層。舉例而言，在某些情況下，在第一吸光層130與勢阱140之間可佈置一或多個中間層(圖1中未示出)。
在某些情況下，吸光層可包含半導體，例如無機半導體，例如II-VI半導體。舉例而言，一或多個吸收層130及131可包含Cd(Mg)ZnSe半導體合金。
在某些情況下，吸光層具有比由電致發光裝置110所發射光子之能量E1 小的帶隙能量Eabs 。在此等情況下，吸光層可吸收(例如強吸收)由電致發光裝置所發射之光。在某些情況下，吸光層具有比勢阱140之轉變能大的帶隙能量。在此等情況下，吸光層對在第二波長λ2 下由勢阱重新發射之光181實質上光學透明。
在某些情況下，吸光層(例如第二吸光層131)具有比在第二波長λ2 下所發射之光181的光子能小的帶隙能量。在此等情況下，吸光層可吸收至少一部分光181。在此等情況下，可將至少一部分所吸收之光向下轉化為第三較長波長λ3 之光。
在某些情況下，半導體光轉換構造115中之至少一個吸光層摻雜有摻雜物。在某些情況下，例如當吸光層包含Cd(Mg)ZnSe合金時，摻雜物可係VII族n-型摻雜物。在某些情況下，摻雜物可包含氯或碘。在某些情況下，摻雜物之數量密度係在約1017 公分-3 至約1013 公分-3 之範圍內。其他例示性摻雜物包含Al、Ga、In、F、Br、I及N。
例示性半導體光轉換構造115包含兩個吸光層130及131。一般而言，半導體光轉換構造可不含吸收層、含1、2或2個以上吸收層。在某些情況下，半導體光轉換構造115可具有至少2個、或至少3個、或至少4個具有不同帶隙能量之吸光層。
一般而言，吸光層充分接近相應勢阱，以使吸光層中之光致載流子有合理的機會擴散至勢阱。在其中半導體多層堆疊不包含吸光層之情況下，勢阱實質上可在第一波長λ1 吸收光。
第一及第二窗口120及121經設計主要來提供障壁，以使吸收層及/或勢阱中光致載流子(例如電子-電洞對)沒有機會或者具有非常少的機會遷移至構造115中之自由或外表面。舉例而言，第一窗口120經設計主要來防止第一吸收層130中所產生之載流子遷移至表面123，在此其可以非輻射方式重組。在某些情況下，窗口120及121具有比由電致發光裝置110所發射之光子的能量E1 大的帶隙能量Ew 。在此等情況下，窗口120及121對由電致發光裝置110所發射之光及由勢阱140所重新發射之光實質上光學透明。
例示性半導體光轉換構造115包含兩個窗口。一般而言，光轉換構造可不含有窗口、可含有1或2個窗口。舉例而言，在某些情況下，半導體光轉換構造115可含有佈置於電致發光裝置110與勢阱140之間、或佈置於電致發光裝置110與吸收層130之間之單一窗口。
在某些情況下，半導體光轉換構造115中兩相鄰層之間之介面的位置可係明確界定的或清晰的介面。在某些情況下，例如當層內之材料組成隨沿厚度方向之距離變化時，兩相鄰層之間之介面可未經明確界定，且可係(例如)界定梯度區域之梯度介面。舉例而言，在某些情況下，第一吸收層130及第一窗口120可具有相同的材料組份，但具有不同的材料濃度。在此等情況下，吸收層之材料組成可逐漸變化為窗口層之材料組成，從而在兩層之間產生梯度介面或區域。舉例而言，在其中兩層皆包含Mg之情況下，當由吸收層逐漸過渡至窗口時，可增加Mg之濃度。
第二窗口121在包含波長λ2 之所關注波長區域內具有折射率n1 。在某些情況下，λ1 係UV或藍光波長且λ2 係約420奈米至約650奈米範圍內之可見光波長。在此等情況下，n1 可係可見光譜範圍內之折射率。在某些情況下，n1 係在或接近波長λ2 下之折射率。
在例示性半導體光轉換構造115中，第二窗口121佈置於勢阱140上且形成半導體光轉換構造之外層121及光轉換器118之最外層。結構化層150在(例如)λ2 下具有折射率n2 且直接佈置於外層或第二窗口121上。折射率n2 小於第二窗口121之折射率n1 。在某些情況下，n1 與n2 之間的差為至少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。
結構化層150包含複數個結構，例如結構151-154。複數個結構中之某些結構可係離散的，例如結構151及152。某些結構可經由基底連接，例如結構153及154經由基底155彼此連接。結構化層150包含複數個暴露第二窗口121之開放部分，例如開放部分101及102。
在某些情況下，結構化層150在第二波長λ2 下實質上光學透明。舉例而言，在此等情況下，結構化層在波長λ2 下之總透光率為至少50%、或至少60%、或至少70%、或至少80%。
在某些情況下，結構化層150中之複數個結構形成規則的結構陣列。在某些情況下，該等結構橫跨第二窗口121之頂面125隨意放置。在某些情況下，結構化層150係連續層，其包含複數個在至少一部分結構之間具有開放部分的類似於(例如)格子圖案之連接結構、或連接結構陣列。
在某些情況下，結構化層150中之複數個結構形成複數個離散結構。舉例而言，在某些情況下，結構化層可包含複數個粒子。舉例而言，圖3中之結構化層350具有複數個粒子，例如粒子351及352。在某些情況下，粒子實質上係微粒或奈米粒子。舉例而言，在此等情況下，粒子之平均尺寸不超過2000奈米、或不超過1500奈米、或不超過1000奈米、或不超過750奈米。結構化層350中之粒子可具有任何形狀，例如任何規則或不規則形狀。
在某些情況下，圖1中之結構化層150包含複數個粒子，其中大部分的粒子實質上呈球形。舉例而言，在此等情況下，粒子之最大尺寸與最小尺寸之比率不超過1.3、或不超過1.25、或不超過1.2、或不超過1.15、或不超過1.1。
在某些情況下，結構化層150可包含有機材料，例如可圖案化或光可圖案化有機材料或聚合物，例如光阻劑。在某些情況下，結構化層150可包含聚苯乙烯，例如聚苯乙烯微球體。在某些情況下，結構化層150可包含無機材料，例如金屬氧化物或玻璃。無機材料之實例包含SiO2 、GeO2 、Al2 O3 、MgF2 及矽酸鹽玻璃。
在某些情況下，結構化層150可包含橫跨頂面125緊密堆積之單一或單層結構。在某些情況下，結構化層150可包含次單層結構，意指該等結構並非緊密地堆積及/或不含或包含極少數結構之區域顯著大於結構之標稱或平均大小。在此等情況下，次單層結構化層150中之開放區實質上可大於單一結構(例如單一粒子)之平均尺寸。
在某些情況下，結構化層150可包含多層結構。舉例而言，圖4係直接佈置於第二窗口121上且包含多層粒子451之結構化層450的示意性側視圖。結構化層塗佈有連續外層460且囊封劑470覆蓋外層。
結構化外層160直接佈置於至少一部分結構化層150上及一部分第二窗口121上之窗口透過結構化層150中之開放部分所暴露出之區域中。外層160在(例如)波長λ2 下具有比第二折射率n2 大之第三折射率n3 。在某些情況下，n3 小於n1 。在某些情況下，n3 大於n1 。在某些情況下，n3 與n2 之間的差為至少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。
在某些情況下，外層160可取出可沿第二窗口之表面125以另外方式全內反射之光181。在此等情況下，外層增強第二波長λ2 之光181自半導體光轉換構造115取出。
在某些情況下，結構化外層160之外表面162實質上與結構化層150之外表面161相貼合。舉例而言，在某些情況下，可使用真空沈積技術將外層160沈積在結構化層150上。在此等情況下，外表面162可與外表面161相貼合。在某些情況下，結構化外層之平均厚度不大於結構化層150中之結構的平均尺寸。在某些情況下，外層160之平均厚度不超過1000奈米、或不超過800奈米、或不超過700奈米、或不超過600奈米、或不超過500奈米、或不超過400奈米。
在某些情況下，外層160在第二波長λ2 下實質上光學透明。舉例而言，在此等情況下，外層在波長λ2 下之總透光率為至少50%、或至少60%、或至少70%、或至少80%。
在某些情況下，外層160可係(例如)包含一或多個島之非連續層。舉例而言，在圖2中，結構化層250直接佈置於第二窗口121上且界定結構251及252之間的開放部分255。外層260直接佈置於結構化層250上及第二窗口121上之開放區中，從而在開放部分255中形成島261。在某些情況下，外層160可係連續層。舉例而言，在圖3中，外層360直接佈置於結構化層350上形成連續層。
在某些情況下，外層160可包含半導體、金屬氧化物或陶瓷。在某些情況下，外層可包含下列之至少一種：Si3 N4 、氧氮化矽、矽酸鹽、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnSSe、ZnSeTe、ZnSTe、CdS、CdSe、CdSSe、ITO、TiO2 、ZrO2 、Ta2 O5 及HfO2 。
囊封劑170佈置於外層160上且囊封半導體發光元件105並保護元件不受(例如)環境中水分影響。在某些情況下，囊封劑可具有光學函數(例如光功率)用於例如當光181離開半導體發光元件時將其校準。
電致發光裝置110可係能響應電信號發光之任一裝置。舉例而言，電致發光裝置可係能響應電流發射光子之發光二極體(LED)或雷射二極體。LED電致發光裝置110可發射應用中可期望之任一波長之光。舉例而言，LED可發射UV波長、可見波長、或IR波長之光。在某些情況下，LED可係能發射UV光子之短波長LED。一般而言，LED可由任何適宜材料組成，例如有機半導體或無機半導體，包含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及III-V化合物合金，例如AlGaInP及AlGaInN；II-VI化合物，例如ZnSe、CdSe、BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、BeS、MgS及II-VI化合物合金、或上文所列示任一化合物之合金。
在某些情況下，電致發光裝置110可包含一或多個p-型及/或n-型半導體層、一或多個可包含一或多個勢阱及/或量子阱之活性層、緩衝層、基板層、及上層。在某些情況下，電致發光裝置110可係III-V半導體光源，例如III-V LED，且可包含AlGaInN半導體合金。舉例而言，電致發光裝置110可係基於GaN之LED。作為另一實例，電致發光裝置110可係II-VI LED，例如基於ZnO之LED。
所揭示構造之部分優點由以下實例進一步闡釋。該實例中所列舉之特定材料、數量、及尺寸以及其他條件及細節不應視為不適當地限制本發明。
實例1：
製作與圖1中光轉換器118類似之半導體光轉換構造。相對層順序及不同層之材料組成及厚度之估計值總結於表I中。
在InP基板上首先藉由分子束外延(MBE)生長GaInAs緩衝層以準備用於II-VI生長之表面。隨後，藉由超高真空轉移系統將該構造移動至另一MBE室用於光轉換之II-VI外延層生長。轉換器118包含4個CdZnSe量子阱140。將各量子阱140夾在CdMgZnSe吸收層130及131之間，該等吸收層可吸收在440奈米下由基於GaInN之雷射二極體所發射之藍光。
在以黏結形式使構造附著至顯微鏡玻璃載玻片之後，用3HCl:1H2 O溶液除去InP基板。蝕刻劑終止於GaInAs緩衝層(第2層)。隨後在30毫升氫氧化銨(30重量%)、5毫升過氧化氫(30重量%)、40克己二酸及200毫升水之攪動溶液中除去緩衝層，僅留下附著至顯微鏡載玻片之II-VI光轉換器118。
實例2：
當採用在λin =440奈米下發射藍光之雷射二極體自構造之窗口側照射構造時，計算實例1中所製備之構造的外部量子效率(EQE)。經量測重新發射波長為λout =539奈米。由表達式(Pout /Pin )x(λin /λout )計算EQE，其中Pin 係離開構造之經轉換光之入射功率且Pout 係其輸出功率。經計算EQE係23%。
實例3：
用SiO2 奈米粒子對實例1中所製備之構造的吸收塗層側實施塗佈，從而產生與結構化層150類似的結構化層。粒子具有約440奈米之平均直徑且其係得自Nissan Chemical America公司(Houston，Texas)。將粒子分散於1-甲氧基-2-丙醇中至5重量%固體含量。使用浸塗方法以約65毫米/分鐘之速度將溶液塗佈在構造上。將一個此樣品(樣品A)浸塗一次。將第二此樣品(樣品B)浸塗數次。圖5A及5B分別係樣品A及B之側視掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。使用實例2中所概述之製程，樣品A及B之EQE經計算分別為30.7%及38.2%。
實例4：
使用電漿增強化學氣體沈積(PECVD)製程用Si3 N4 外層對得自實例3之樣品A及B實施塗佈，從而分別產生經外塗佈之樣品A1 及B1 。外層之厚度係約300奈米且Si3 N4 之折射率為約1.8。圖6A及6B分別係經外塗佈樣品A1 及B1 之側視SEM圖像。使用實例2中所概述之製程，樣品A1 及B1 之EQE經計算分別為41.2%及41.5%。在經單浸粒子塗佈之樣品的情況下，Si3 N4 外層之添加將EQE自30.7%升高至41.2%，增加約34%。在經多浸粒子塗佈之樣品的情況下，Si3 N4 外層之添加將EQE自38.2%升高至41.5%，增加約8.6%。
實例5：
重複實例3中所概述之製程來製備新樣品C(單浸)。使用實例2中所概述之製程，樣品C之經計算EQE為33.45%。
接著，使用真空昇華製程用ZnS對樣品C實施外塗佈，產生經外塗佈之樣品C1 。外層之厚度為約400奈米且ZnS外層之折射率預計為2.4。圖7係樣品C1 之側視SEM圖像。使用實例2中所概述之製程，樣品C1 之經計算EQE為45.13%。因此，ZnS外層之添加將EQE自33.45%升高至45.13%，增加約34.9%。
實例6：
重複實例1中所概述之製程來製備新樣品D1 -D4 。使用實例2中所概述之製程，樣品D1 -D4 之經計算EQE分別為22.1%、19.93%、21.25%及25.7%。接著，使用實例3中所概述之製程，以不同浸塗速度使樣品塗佈有單層SiO2 粒子。所得樣品D1 -D4 之預計面積覆蓋率百分比分別為30%、40%、50%及70%。所得樣品之經計算EQE分別為29.47%、33.45%、31.76%及41.5%。因此，SiO2 粒子之添加使樣品D1 -D4 之EQE分別增加33%、68%、49%及61%。
圖8係發光系統800之示意性側視圖，發光系統800包含光源(例如LED)810，其發射第一波長λ1 之光850且具有光子能E1 ；及半導體光轉換構造815，其用來將至少一部分第一波長之光轉換為具有光子能E2 之λ2 之光。
半導體光轉換構造815包含光轉換器818、直接佈置於構造818上之結構化層150、及佈置於結構化層上之外層160(例如結構化外層160)。
光轉換器818包含面向光源810之第一窗口120；相應第一、第二、第三、及第四勢阱840、841、842及843；環繞四個勢阱之相應第一、第二、第三、第四及第五吸光層830、831、832、833及834；及輔助吸光層870。
吸光層830-834與吸光層130及131類似，且吸收至少一部分光850，且結果產生光致載流子(例如光致電子-電洞對)，其自吸光層擴散或遷移至勢阱840-843，在此其重組並發生第二波長λ2 之光。吸光層830-834靠近勢阱佈置，以使光致載流子可有效地擴散至勢阱，用於載流子之重組及第二波長λ2 之光852的發射。在某些情況下，吸光層830-834在(例如)第二波長下具有比勢阱840-843低的折射率。
在某些情況下，一部分光850未被吸收層830-834及/或勢阱840-843吸收，而是作為光851透過吸收層及勢阱。舉例而言，在某些情況下，發射光850可具有示意性展示在圖9中之強度譜910，其中水平軸係波長且豎直軸係以任意單位表示之強度。在此等情況下，波長λ1 可係峰值發射波長且具有峰值強度Io ，且吸光層830-834之帶隙波長可係(例如)比λ1 足夠大之λabs ，以使大部分光850被吸收層吸收。在某些情況下，λabs 足夠小以致為擴散至勢阱之光致載流子對提供充分限制，即使在高溫下亦如此。在此等情況下，通常對應於譜910尾部(其位於圖9中λabs 右側)之一部分光850未被吸光層830-834及/或勢阱840-843吸收，而是作為第一波長之光851透過吸光層及勢阱。在此等情況下，輔助吸光層870可吸收未被其他層吸收之殘餘或剩餘光851。在某些情況下，輔助吸光層870之帶隙波長λ1b 比λabs 足夠大，以使基本上所有光851由輔助吸光層吸收。在此等情況下，發光系統800之輸出光860基本上為λ2 且不具有、或具有極少波長為λ1 的光含量。在此等情況下，輔助吸光層之帶隙能量E1b 比吸光層830-834之帶隙能量Eabs 小。舉例而言，圖10係得自圖8呈現較小E1b 及較大Eabs 之光轉換器818的示意性條狀圖。在圖10中，Ec 及Ev 分別表示導電帶及價帶。在某些情況下，例如當需要使輸出光860之光強度最佳化時，輔助吸光層之帶隙能量E1b 大於勢阱840-843之轉變能Epw ，如圖10中所示。在此等情況下，E1b 大於λ2 之光子的能量E2 。
在某些情況下，例如當輔助吸光層870之帶隙能量小於第五吸收層834之帶隙能量Eabs 時，輔助吸光層870在波長λ2 下之折射率大於吸光層834之折射率。在此等情況下，在光轉換器818中波導或捕獲於其中之λ2 光模的電場向結構化層150移動。此可產生更遠地延伸至結構化層150及/或外層160中之漸消光模尾部，由此使得結構化層及外層對光852之取出增強。
在某些情況下，幫浦光源810(參見圖8及9)發射第一波長λd 及第二較長波長λe 之光。在某些情況下，第一波長可係幫浦光源之峰值發射波長λl 。吸光層830-834能吸收波長λd 之光。但吸光層不能吸收波長λe 之光，此乃因λe 比吸光層之帶隙波長λabs 長。在某些情況下，吸光層可吸收大部分光850。舉例而言，在此等情況下，吸光層能吸收至少80%、或至少85%、或至少90%、或至少95%的光850。勢阱840-843將至少一部分由吸光層所吸收之光轉換為較長波長輸出光860。輔助吸光層870能吸收第一波長λd 及第二波長λe 之光並吸收由光源810所發射之剩餘光。
在某些情況下，半導體光轉換構造815可包含除結構化層150及外層160中之結構以外的構件或同時包括二者，以自輔助吸光層870取出光。舉例而言，可藉由使輔助吸光層之頂面圖案化或紋理化(例如變粗糙)來取出光。作為另一實例，可藉由在輔助吸光層之外表面上形成光子晶體來取出光。例示性光子晶體闡述於(例如)美國專利第6,987,288號及第7,161,188號中。在某些情況下，可藉由在輔助吸光層之輸出表面上形成光學元件來取出光，其中該光學元件可係能取出至少一部分由於(例如)全內反射以另外方式未離開輔助吸光層之光的任一元件且可具有任一形狀。例示性光取出器闡述於(例如)共同擁有的美國專利公開案第2007/0284565號；2006年11月17日提出申請之共同擁有的美國臨時專利申請案第60/866,265號；及2006年6月12日提出申請之共同擁有的美國臨時專利申請案第60/804,544號中。
在某些情況下，吸光層834及輔助吸光層870中至少一個可係梯度材料。在此等情況下，在沿吸收層之厚度方向之至少一個位置輔助吸光層870之帶隙能量Elb 小於吸光層834之最小帶隙能量。舉例而言，圖11係光轉換器1100之示意性條狀圖，光轉換器1100包含具有恆定帶隙能量Eabs 之吸光層1120及線性梯度輔助吸光層1130。輔助吸光層870在位置「X」處之帶隙能量Elb 小於吸光層834之帶隙能量Eabs 。在某些情況下，在沿該層之厚度方向之至少一個位置處，輔助吸光層870在λ2 下之折射率大於吸光層834在λ2 下之最大折射率。
一般而言，光轉換器818中輔助吸光層870及諸如吸光層830-34等吸光層可具有在應用中切實可行及/或合意之任何條狀圖。舉例而言，圖12係與光轉換器818類似之光轉換器1218的示意性條狀圖，其包含勢阱1210、具有恆定帶隙能量Eabs 之吸光層1220、及具有線性梯度帶隙之輔助吸光層1230。輔助吸光層1230在位置「X」處之帶隙能量Elb 小於Eabs 且大於勢阱1210之轉變能Etr 。
作為另一實例，圖13係光轉換器1318之示意性條狀圖，光轉換器1318包含勢阱1310、具有恆定帶隙能量Eabs 之吸光層1320、及具有恆定帶隙能量Elb 且包含內嵌勢阱或量子阱1360之輔助吸光層1330。帶隙能量Elb 小於Eabs 且大於勢阱1310之轉變能Etr 。作為再一實例，圖14係光轉換器1418之示意性條狀圖，光轉換器1418包含勢阱1410、具有恆定帶隙能量Eabs 之吸光層1420、及具有彎曲條狀圖且包含勢阱或量子阱1460之輔助吸光層1430。輔助吸光層在位置「X」處具有小於Eabs 且大於勢阱1410之轉變能Etr 之帶隙能量Elb 。
在某些情況下，圖8中之光轉換器層818可包含一或多個載流子阻擋層，例如或者另外窗口120，其用來防止光致載流子遷移或擴散至(例如)光轉換器之外表面或內部區域。舉例而言，圖15係光轉換器1518之示意性條狀圖，光轉換器1518包含勢阱1510、具有恆定帶隙能量Eabs 之吸光層1520、具有恆定帶隙能量Elb 之輔助吸光層1530、及佈置在層1520與1530之間之載流子障壁層1540、且恆定帶隙能量Ecb 係用來阻擋吸光層1520中之載流子遷移(例如擴散)至輔助吸光層1530。帶隙能量Elb 小於Eabs 且大於勢阱1510之轉變能Etr 。作為另一實例，圖16係光轉換器1618之示意性條狀圖，光轉換器1618包含勢阱1610、具有恆定帶隙能量Eabs 之吸光層1620、及包含輔助吸光層1630及載流子障壁層1640之線性梯度區域1670，其用來阻擋(例如)勢阱1610及吸光層1620中之載流子遷移至輔助吸光層1630。輔助吸光層在位置「X」處之帶隙能量Elb 小於Eabs 且大於勢阱1610之轉變能Etr 。作為又一實例，圖17係光轉換器1718之示意性條狀圖，光轉換器1718包含勢阱1710、具有恆定帶隙能量Eabs 之吸光層1720、及包含輔助吸光層1730及載流子障壁層或窗口1740之非線性梯度區域1770，其用來阻擋(例如)吸光層1720及/或輔助吸光層1730中之載流子遷移至(例如)光轉換器1718之輸出表面(圖中未明確示出)。輔助吸光層在位置「X」處之帶隙能量Elb 小於Eabs 且大於勢阱1710之轉變能Etr 。
實例7：
製作與圖1中光轉換器118類似的半導體光轉換構造。相對層順序及不同層之材料組成、厚度、總體帶隙能量及折射率之估計值總結於表II中。
在InP基板上首先藉由MBE生長GaInAs緩衝層以製備用於II-VI生長之表面。隨後，藉由超高真空轉移系統將構造移動至另一MBE室用於光轉換之II-VI外延層之生長。轉換器118包含4個CdZnSe量子阱140。將各量子阱140夾在CdMgZnSe吸收層之間，該等吸收層可吸收由基於GaInN之雷射二極體所發射之440奈米藍光。
在將構造以黏著方式附著至顯微鏡玻璃載玻片之後，用3HCl:1H2 O溶液除去InP基板。蝕刻劑終止於GaInAs緩衝層(第2層)。隨後在30毫升氫氧化銨(30重量%)、5毫升過氧化氫(30重量%)、40克己二酸、及200毫升水之攪動溶液中除去緩衝層，僅留下附著至顯微鏡載玻片之II-VI光轉換器118。
可採用發射波峰在453奈米及光譜與圖9中譜910類似之GaInN藍色幫浦LED自窗口側照射所得構造。構造之重新發射輸出光的發射波峰可為538奈米，其對應於量子阱之轉變能2.305eV。如表II中所述，吸光層之帶隙能量為2.578eV，其對應於譜910中481奈米之波長λabs 。約96%的入射光(對應於λabs 左側譜910下之區域)可由吸收層吸收，且剩餘4%(對應於λabs 右側區域)可由輔助吸光層吸收。
構造之載流子限域能(勢阱之總深度)為0.273eV(2.578-2.305)。與該構造類似但具有吸光層(具有與輔助吸光層相同的材料)之構造將吸收基本上所有幫浦光，但具有降低之限域能0.185eV(2.490-2.305)。結果，吸光層與輔助吸光層之組合使用將限域能由0.185eV升高至0.273eV，增加近48%，而輔助吸光層僅吸收約4%的入射幫浦光。
再次參照圖1，對光學構造1800之結構化層150及外層160之取出效率與不同系統參數之關係進行數值分析，光學構造1800之側視圖示意性示於圖18中。光學構造包含基板1810；結構化層1850，其包含直接排列於基板1810頂面1812上之球形粒子1855的方形陣列；及外層1820，其直接佈置於結構化層上及基板之暴露區域上。基板之折射率n1 為2.646。粒子1855的直徑D為200奈米且粒子之折射率n2 為1.45，此對應於(例如)SiO2 粒子。相鄰粒子之間的間距P為500奈米。該等粒子覆蓋基板1810頂面1812之50%。對於外層而言，平面厚度t1 為100奈米，尺寸t2 及t3 各為100奈米，且t4 為300奈米。外層之折射率n3 在數值模擬期間係變化的。
將光源1805放置在基板底面1814上並發射均勻的540奈米之光1807。對光學構造1800之取出效率進行模擬並使用有效的兩維有限差分時域(FDTD)方法進行數值計算。將取出效率定義為輸出光1840之功率與所發射入射光1807之功率的比率。不存在結構化層及外層時之取出效率為16.4%。
圖20展示存在結構化層及結構化外層時光學構造1800之取出效率與n3 之關係。空氣外層之取出效率(n3 =1，對應於圖20中點P1 )為19.2%。因此，不含外層(或為空氣外層)時，粒子使取出效率由16.4%升高至19.2%，增加約17.1%。點P2 (n3 =1.45)之取出效率(對應於SiO2 外層)為19.8%，與不含外層相比增加約20.7%。圖20中點P3 -P5 分別對應於Si3 N4 、ZnS及ZnSe外層。取出效率在區域Q1 中通常遵循直線L1 ，在區域Q2 中遵循直線L2 且在區域Q3 中遵循直線L3 。區域Q2 中之直線L2 對應於在約2.0至約2.7範圍內之外層折射率n3 ，且具有比直線L1 及L3 大的斜率。區域Q2 表明取出效率更明顯地取決於結構化外層之折射率。
在某些情況下，在施加外層160之前可對結構化層150進行改良。舉例而言，在某些情況下，在用外層160對結構化層實施塗佈之前，可對結構化層150中至少某些結構之形狀及/或尺寸進行改良。一種此例示性方法參照圖21A-21C而闡述。圖21A係光學構造2100之示意性側視圖，光學構造2100包含半導體基板2110及直接佈置於半導體基板上之結構化層2120。基板可與(例如)圖1中之第二窗口121或圖8中之輔助吸收層870類似。在某些情況下，基板2110可係多層，其每一層皆可與(例如)輔助吸收層870類似。
結構化層2120可與(例如)圖1中之結構化層150類似。結構化層2120包含複數個直接佈置於基板2110上之離散粒子2122。在某些情況下，粒子2122可係有機物，例如聚合物。例示性聚合物包含聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚烯烴(例如，聚丙烯(PP))、聚胺基甲酸酯、聚酯(例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET))、聚醯胺、聚醯亞胺、酚醛樹脂、二乙酸纖維素、三乙酸纖維素、苯乙烯-丙烯腈共聚物、環氧樹脂及諸如此類。
粒子2122於基板2110之頂面2126上形成單層。該單層包含暴露基板頂面之開放區，例如開放區2124。在某些情況下，可藉由使粒子暴露於蝕刻劑而使粒子尺寸收縮或減小。舉例而言，蝕刻劑可蝕刻掉各粒子之一部分，從而得到較小或收縮粒子。例示性蝕刻方法包含濕式或幹式化學蝕刻、及反應離子蝕刻。在某些情況下，粒子係聚苯乙烯且蝕刻方法係氧電漿或反應離子蝕刻。
在某些情況下，藉由使粒子2122暴露於充足的熱量中而使該等粒子回流。舉例而言，聚合物粒子2122可在或接近粒子熔點之溫度下回流。在某些情況下，可將蝕刻劑及熱量同時施加至粒子以使至少某些粒子收縮及回流。在某些情況下，蝕刻製程可產生熱量，因此再施加一些熱量或不需要額外熱量即可使粒子回流。
在某些情況下，結構2122之平均尺寸實質上可確定結構之表面密度，且蝕刻量(例如蝕刻時間)可確定蝕刻步驟後結構(結構2132)之面積覆蓋率百分比。在某些情況下，根據期望表面結構密度及百分比表面覆蓋率可計算或以另外方式確定所需初始平均結構尺寸及蝕刻量。舉例而言，對於指定期望粒子密度而言，可確定平均粒徑R，且對於指定期望面積覆蓋率百分比且根據(例如)實驗數據，可確定蝕刻參數，例如蝕刻時間。接著，可將單層(例如)平均直徑R之緊密堆積粒子施加至表面，以提供期望的表面粒子密度。接著，根據所確定蝕刻參數可對粒子進行蝕刻，以藉由蝕刻粒子產生期望的百分比表面覆蓋率。在某些情況下，粒子可經外塗佈。
在某些情況下，為達成期望的最後百分比表面覆蓋率，將第一複數個結構佈置於頂面2126上，此產生大於期望的最後面積覆蓋率百分比之初始面積覆蓋率百分比。接著，使至少某些結構充分收縮以使初始面積覆蓋率百分比降低至期望的最後面積覆蓋率百分比。在某些情況下，可使至少某些結構回流。在某些情況下，然後在結構上塗佈外層，以覆蓋收縮結構及未經覆蓋區域中之頂面。
在經受重足熱量及一或多種蝕刻劑之後，光學構造2100可改良為示意性示於圖21B中之光學構造2150。具體而言，在層2120中之粒子2122經部分蝕刻及回流後，可將結構化層2120改變或改良為結構化層2130。結構化層2130包含比相應粒子2122小且由於暴露於熱而回流之粒子2132。回流後，粒子2132具有平底2134。在某些情況下，粒子2132呈穹頂形或或錐形。在某些情況下，可在同一時間或同時實施使粒子回流及收縮之步驟。在某些情況下，兩個步驟可依次實施。舉例而言，可藉由蝕刻劑使粒子尺寸減小，隨後實施加熱步驟以使經蝕刻粒子回流。
在某些情況下，在將蝕刻劑及熱量施加至粒子後，基板2110之頂面2126由複數個粒子覆蓋之百分比降低。舉例而言，在此等情況下，在圖21A中粒子2122覆蓋第一百分比的頂面2126，且在圖21B中粒子2132覆蓋第二百分比的頂面2126，其中第二百分比小於第一百分比。
在某些情況下，收縮步驟可使粒子平均尺寸(例如平均橫向尺寸)降低至少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%。在某些情況下，收縮步驟後基板頂面由複數個結構覆蓋之區域百分比降低。舉例而言，在此等情況下，面積覆蓋率百分比可降低至少10%、或至少20%、或至少30%、或至少40%、或至少50%。
在某些情況下，用外層2160對光學構造2150實施塗佈，產生示意性示於圖21C中之光學構造2180。外層2160覆蓋複數個粒子2132及開放區中(例如開放區2124中)之基板2110頂面。
舉例而言，在可見光譜區域中，基板2110具有折射率n1 ，結構化層2130中之粒子2132具有折射率n2 ，且外層2160具有折射率n3 。在某些情況下，n2 小於n1 。舉例而言，在此等情況下，基板2110包含折射率在約2至約2.7、或約2至約2.5範圍內之半導體材料，且粒子2132包含折射率在約1.5至約1.8範圍內之聚合物。在某些情況下，n3 大於n1 。舉例而言，在此等情況下，基板2110包含折射率在約2至約2.3範圍內之半導體材料且外層2160包含折射率在約2.3至約2.7範圍內之不同半導體。
實例8：
使用實例1中所概述之製程來製作半導體光轉換構造。構造之經計算EQE為15.29%。用聚苯乙烯(PS)微球體對構造之吸收塗層側實施塗佈，此產生與圖21A中結構化層2120類似之結構化層。微球體具有約1000奈米之平均直徑且係得自VWR Scientific Products(South Plainfield,New Jersey)。微球體之折射率為約1.59且構造中吸收塗層之折射率為約2.6。將微球體分散於H2 O中至10重量%固體含量。使用旋塗方法以約200rpm之速度將該溶液施加至吸收塗層頂面(圖21A中之頂面2126)約20秒，隨後以約5000rpm之速度施加約5秒。圖22A係緊密堆積微球形PS粒子呈現於光轉換構造頂面上之所得樣品的SEM圖像。頂面由微球體覆蓋之區域為約90%且所得樣品之經計算EQE為22.9%。因此，PS粒子使EQE由15.29%升高至22.9%，增加約49.8%。隨後在氧電漿(6mT，RF功率80W，及感應耦合電漿功率1200W)中對樣品進行蝕刻以回流及減小粒子尺寸。所得粒子之表面覆蓋率為約64%。因此，蝕刻步驟將面積覆蓋率百分比由約90%降低至約64%。圖22B係所得樣品之SEM圖像。粒子呈具有平底之錐形或穹頂形。所得樣品之經計算EQE為27.8%。接著，使用真空蒸發製程使樣品外塗佈有ZnS。外層之厚度為約400奈米且ZnS外層之折射率為約2.4。圖22C係所得樣品之SEM圖像。所得樣品之經計算EQE為37.8%。因此，ZnS外層之添加使EQE由27.8%升高至37.8%，增加約36%。
實例9：
使用實例1中所概述之製程來製作半導體光轉換構造。構造之經計算EQE為17.65%。用聚苯乙烯(PS)微球體對構造之吸收塗層側實施塗佈，此產生與圖21A中結構化層2120類似之結構化層。微球體具有約500奈米之平均直徑且係得自VWR Scientific Products(South Plainfield,New Jersey)。微球體之折射率為約1.59且構造中吸收塗層之折射率為約2.6。將微球體分散於H2 O中至1.5重量%固體含量。使用浸塗方法以約65毫米/分鐘之速度將該溶液施加至吸收塗層頂面(圖21A中之頂面2126)。將樣品浸塗一次。所得樣品之經計算EQE為26.40%。因此，PS粒子使EQE由17.65%升高至26.40%，增加約49.6%。隨後在氧電漿(200mT，200mW，及8英吋直徑壓板)中對樣品實施蝕刻以使粒子輕微收縮及回流。所得粒子呈具有平底之錐形或穹頂形。接著，使用真空蒸發製程使樣品外塗佈有ZnS。外層之厚度為約400奈米且ZnS外層之折射率為約2.4。所得樣品之經計算EQE為35.5%。因此，ZnS外層之添加使EQE由26.4%升高至35.5%，增加約34.5%。
圖23係光源2300之示意性側視圖，光源2300包含LED光源，其發射第一波長λ1 之光850；及光轉換層2315，其將至少一部分光850轉換為第二較長波長λ2 之光852。光轉換構造2315包含具有第一折射率n1 且佈置於基板2320上之磷光體板2330。磷光體板2330吸收至少一部分光850且作為波長λ2 之光852重新發射至少一部分所吸收之光。可用於磷光體板2330中之例示性磷光體包含硫代鎵酸鍶、經摻雜GaN、經銅活化之硫化鋅及經銀活化之硫化鋅。其他有用之磷光體包含經摻雜YAG、矽酸鹽、氧氮化矽、氮化矽、及基於鋁之磷光體。此等磷光體之實例包含Ce:YAG、SrSiON:Eu、SrBaSiO:Eu、SrSiN:Eu、及BaSrSiN:Eu。
基板2320可包含適合應用之任何材料。例示性材料包含玻璃、聚合物、陶瓷例如氧化鋁、藍寶石、及金屬，例如包含一或多個透明開放部分或孔以使光通過之金屬。在某些情況下，基板2320在第一波長下實質上可透光。在某些情況下，基板在λ1 下可不透明。在此等情況下，基板可包含一或多個光學(或以另外方式)開放部分以使光850通過基板。在某些情況下，基板2320可包含其他功能層(未明確示於圖23中)，例如λ2 之反射層或散熱片。
光轉換構造2315進一步包含佈置於磷光體板2330上之結構化層150。結構化層150具有第二折射率n2 ，其小於磷光體板之第一折射率n1 。結構化層包含複數個直接佈置於磷光體板上之結構151及複數個暴露磷光體板之開放部分2305。光轉換構造2315進一步包含與外層160類似之結構化外層2360，其直接佈置於至少一部分結構化層150上及一部分磷光體板上之複數個開放部分(例如開放部分2305)中。結構化外層2360具有大於第二折射率n2 之第三折射率n3 。
在某些情況下，結構化外層2360可藉由使捕獲在磷光體板中且具有第二波長λ2 之光之漸消尾部更遠地延伸至結構化外層中而增強所捕獲光之取出。尾部延伸可增加由結構151所捕獲之光之散射，使得所捕獲光自磷光體板之取出增加。
在某些情況下，結構化層150在第二波長下實質上光學透明。在某些情況下，結構化外層2360在第二波長下實質上光學透明。在某些情況下，結構化層150中之複數個結構包含諸如離散粒子等複數個離散結構，其中在某些情況下，大部分的複數個離散粒子實質上呈球形。在某些情況下，結構化層150中之複數個結構包含複數個互連結構。
在某些情況下，結構化外層2360包含Si3 N4 、ZnS、ZnSe、ZnSSe、ITO、TiO2 、ZrO2 、Ta2 O5 、HfO2 及矽酸鹽(例如矽酸鹽玻璃)中至少一種。在某些情況下，結構化外層2360包含半導體。在某些情況下，結構化外層2360之結構化外表面2361與結構化層150之結構化外表面2362相一致。
使用圖18中之光學構造1800對光轉換構造2315之取出效率與不同系統參數之關係進行數值分析。基板之折射率n1 為1.84，對於磷光體板(例如磷光體板2330)係典型值。粒子1855之直徑D為200奈米且粒子之折射率n2 為1.45，其對應於(例如)SiO2 粒子。相鄰粒子之間的間距P為500奈米。該等粒子覆蓋50%的基板1810頂面1812。對於外層而言，平面厚度t1 為100奈米，尺寸t2 及t3 各自為100奈米，且t4 為300奈米。外層之折射率n3 在數值模擬期間係變化的。
光源1805放置在基板底面1814上並發射均勻的540奈米之光1807。使用有效的兩維有限差分時域(FDTD)方法對光學構造1800之取出效率進行模擬及數值計算。
圖24展示存在結構化層及外層時光學構造1800之取出效率與n3 之關係。點Q1 (n3 =1.45)(對應於SiO2 外層)之取出效率為40.5%。圖24中之點Q2 及Q3 分別對應於Si3 N4 及TiO2 外層。對於在約1.35至約2.2、或約1.45至約2.2範圍內之n3 而言，取出效率為至少約40%。在某些情況下，外層可包括折射率在約1.38至約1.39範圍內之MgF2 。在某些情況下，外層可包括多孔塗層。舉例而言，外層可包括折射率小於約1.45之多孔SiO2 塗層，例如約1.4、或約1.35、或約1.30、或約1.29之折射率。
本文所用詞語例如「豎直」、「水平」、「上方」、「下方」、「左」、「右」、「上部」及「下部」、「頂」及「底」及其他類似詞語係指如圖中所示之相對位置。一般而言，具體實施例可具有不同取向，且在此情況下，該等術語意欲指根據裝置之實際取向而調整之相對位置。舉例而言，即使當圖1中構造相比該圖中之取向翻轉時，仍認為第一吸收層130在勢阱140「下方」。
儘管為便於解釋本發明之各個態樣而在上文中詳細闡述了本發明具體實例，但應理解，本文並非意欲將本發明限於該等實例之細節。相反，本發明意欲覆蓋屬於由隨附申請專利範圍界定的本發明精神及範圍內之所有修改、實施例及替代方案。
101．．．開放部分
102．．．開放部分
105．．．半導體發光元件
110．．．電致發光裝置
115．．．半導體光轉換構造
118．．．光轉換器
120．．．第一窗口
121．．．第二窗口/外層
123．．．表面
125．．．頂面
130．．．第一吸收層
131．．．第二吸收層
140．．．層/勢阱或量子阱
150．．．結構化層
151．．．結構
152．．．結構
153．．．結構
154．．．結構
155．．．基底
160．．．外層
161．．．外表面
162．．．外表面
170．．．囊封劑
180．．．光
181．．．光
250．．．結構化層
251．．．結構
252．．．結構
255．．．開放部分
260．．．外層
261．．．島
350．．．結構化層
351．．．粒子
352．．．粒子
360．．．外層
450．．．結構化層
451．．．多層粒子
460．．．外層
470．．．囊封劑
800．．．發光系統
810．．．光源
815．．．半導體光轉換構造
818．．．光轉換器/構造
830．．．第一吸光層
831．．．第二吸光層
832．．．第三吸光層
833．．．第四吸光層
834．．．第五吸光層
840．．．第一勢阱
841．．．第二勢阱
842．．．第三勢阱
843．．．第四勢阱
850．．．光
851．．．殘餘或剩餘光
852．．．光
860．．．輸出光
870．．．輔助吸光層
1100．．．光轉換器
1120．．．吸光層
1130．．．輔助吸光層
1210．．．勢阱
1218．．．光轉換器
1220．．．吸光層
1230．．．輔助吸光層
1310．．．勢阱
1318．．．光轉換器
1320．．．吸光層
1330．．．輔助吸光層
1360．．．勢阱或量子阱
1410．．．勢阱
1418．．．光轉換器
1420．．．吸光層
1430．．．輔助吸光層
1460．．．勢阱或量子阱
1510．．．勢阱
1518．．．光轉換器
1520．．．吸光層
1530．．．輔助吸光層
1540．．．載流子障壁層
1610．．．勢阱
1618．．．光轉換器
1620．．．吸光層
1630．．．輔助吸光層
1640．．．載流子障壁層
1670．．．線性梯度區域
1710．．．勢阱
1718．．．光轉換器
1720．．．吸光層
1730．．．輔助吸光層
1740．．．載流子障壁層/窗口
1770．．．非線性梯度區域
1800．．．光學構造
1805．．．光源
1807．．．入射光
1810．．．基板
1812．．．頂面
1814．．．基板底面
1820．．．外層
1840．．．輸出光
1850．．．結構化層
1855．．．球形粒子
1900．．．發光系統
1910．．．光源
1915．．．光
1920．．．光轉換層
1921．．．輸出表面
1925．．．光
1930．．．光取出層
1940．．．結構化層
1950．．．外層
2100．．．光學構造
2110．．．半導體基板
2120．．．結構化層
2122．．．粒子/結構
2124．．．開放區
2126．．．頂面
2130．．．結構化層
2132．．．結構/粒子
2134．．．平底
2150．．．光學構造
2160．．．外層
2180．．．光學構造
2300．．．光源
2305．．．開放部分
2315．．．光轉換層
2320．．．基板
2330．．．磷光體板
2360．．．結構化外層
2361．．．結構化外表面
2362．．．結構化外表面
結合附圖閱讀上文中本發明各項實施例之詳細說明，可更全面地理解及瞭解本發明，圖式中：
圖1係發光系統之示意性側視圖；
圖2係結構化層及外層之示意性側視圖；
圖3係另一結構化層及另一外層之示意性側視圖；
圖4係又一結構化層及又一外層之示意性側視圖；
圖5A及5B分別係單層奈米粒子及多層奈米粒子之掃描電子顯微鏡(SEM)圖像；
圖6A及6B分別係經外塗佈單層奈米粒子及經外塗佈多層奈米粒子之SEM圖像；
圖7係另一經外塗佈單層奈米粒子之SEM圖像；
圖8係發光系統之示意性側視圖；
圖9係發射光之示意性強度譜；
圖10係光轉換器之示意性條狀圖；
圖11係另一光轉換器之示意性條狀圖；
圖12係又一光轉換器之示意性條狀圖；
圖13係再一光轉換器之示意性條狀圖；
圖14係又一光轉換器之示意性條狀圖；
圖15係再一光轉換器之示意性條狀圖；
圖16係另一光轉換器之示意性條狀圖；
圖17係再一光轉換器之示意性條狀圖；
圖18係光學構造之示意性側視圖；
圖19係發光系統之示意性側視圖；
圖20係經計算百分比取出效率與外層折射率之關係曲線；
圖21A-21C係製作光學構造之製程中中間階段或步驟時裝置之示意圖；
圖22A係單層聚苯乙烯粒子之SEM圖像；
圖22B係圖22A中經蝕刻及回流之粒子的SEM圖像；
圖22C係圖22B中外塗佈ZnS後粒子之SEM圖像；
圖23係光源之示意性側視圖；及
圖24係經計算百分比取出效率與外層折射率之關係曲線。
多個圖中所使用之相同參考編號係指具有相同或類似特性及功能性之相同或類似元件。
101．．．開放部分
102．．．開放部分
105．．．半導體發光元件
110．．．電致發光裝置
115．．．半導體光轉換構造
118．．．光轉換器
120．．．第一窗口
121．．．第二窗口/外層
123．．．表面
125．．．頂面
130．．．第一吸收層
131．．．第二吸收層
140．．．層/勢阱或量子阱
150．．．結構化層
151．．．結構
152．．．結構
153．．．結構
154．．．結構
155．．．基底
160．．．外層
161．．．外表面
162．．．外表面
170．．．囊封劑
180．．．光
181．．．光

Claims (27)

  1. 一種光轉換構造，其包括：一具有第一折射率之磷光體板，其用來將至少一部分第一波長之光轉換為第二較長波長之光；一結構化層，其佈置於該磷光體板上且具有小於該第一折射率之第二折射率，該結構化層包括複數個直接佈置於該磷光體板上之結構及複數個暴露該磷光體板之開放部分；及一結構化外層，其直接佈置於至少一部分該結構化層上及一部分該磷光體板上之該複數個開放部分中，該結構化外層具有大於該第二折射率之第三折射率。
  2. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化外層增強該第二波長之光自該磷光體板之取出。
  3. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化層在該第二波長下實質上為光學透明。
  4. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化外層在該第二波長下實質上為光學透明。
  5. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化層中之該複數個結構包括複數個離散結構。
  6. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化層中之該複數個結構包括複數個互連結構。
  7. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化層中之該複數個結構包括複數個粒子。
  8. 如請求項7之光轉換構造，其中該複數個粒子中之大部 分實質上呈球形。
  9. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化層包括有機材料。
  10. 如請求項9之光轉換構造，其中該結構化層包括光阻劑。
  11. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化層包括無機材料。
  12. 如請求項11之光轉換構造，其中該結構化層包括SiO2 。
  13. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化外層包括一或多個島。
  14. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化外層包括Si3 N4 、ZnS、ZnSe、ZnSSe、ITO、TiO2 、ZrO2 、Ta2 O5 、HfO2 及矽酸鹽中之至少一種。
  15. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化外層包括半導體。
  16. 如請求項1之光轉換構造，其中該第一與第二折射率之間的差至少為0.3。
  17. 如請求項1之光轉換構造，其中該第一與第二折射率之間的差至少為0.5。
  18. 如請求項1之光轉換構造，其中該第一與第二折射率之間的差至少為0.7。
  19. 如請求項1之光轉換構造，其中該第一與第二折射率之間的差至少為0.9。
  20. 如請求項1之光轉換構造，其中該第三與第二折射率之 間的差至少為0.3。
  21. 如請求項1之光轉換構造，其中該第三與第二折射率之間的差至少為0.5。
  22. 如請求項1之光轉換構造，其中該第三與第二折射率之間的差至少為0.7。
  23. 如請求項1之光轉換構造，其中該第三與第二折射率之間的差至少為0.9。
  24. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化外層之結構化外表面與該結構化層之外表面相一致。
  25. 如請求項1之光轉換構造，其進一步包括囊封該光轉換構造之囊封劑。
  26. 如請求項1之光轉換構造，其中該結構化外層在該第二波長下之折射率係在約1.35至約2.2範圍內。
  27. 一種發光系統，其包括：一電致發光元件，其包括：如請求項1之光轉換構造；一發射第一波長之光之LED，該光之至少一部分係由該光轉換構造轉換為第二波長之光；及囊封劑，其囊封該電致發光元件。
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