專利名稱：用于使用熒光物質(zhì)對發(fā)光二極管進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的裝置的制作方法
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本發(fā)明總地來說涉及發(fā)光二極管。具體而言，本發(fā)明涉及用于使用熒光物質(zhì)來對發(fā)光二極管進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的方法和裝置。
直到最近，發(fā)射波長在紫外線和藍(lán)光之間的光的發(fā)光二極管(LED)的外部效率相對于其它諸如發(fā)射紅光的AlGaAs LED等裝置而言是非常低的，例如，在幾千分之一的范圍內(nèi)。但是，InGaN/AlGaN量子井裝置的成功使得發(fā)射波長在紫外線和藍(lán)光之間的LED結(jié)構(gòu)具有與最好的發(fā)射紅光或黃光的LED相當(dāng)?shù)男?。例如，?jù)報道InGaN/AlGaN LED在室溫下的發(fā)射波長為400至450nm時的外部效率達(dá)到了10％。參見Nakamura等人的Appl.Phys.Lett.67(13),1995,p.1868；并參見此處引用的授予Nakamura等人的美國專利5,959,307?？紤]到InGaN/AlGaN的高折射率，10％的外部效率意味著接近100％的內(nèi)部效率。由此，這些發(fā)射波長在紫外線和藍(lán)光之間的LED的內(nèi)部效率高于眾所周知的發(fā)射紅光或黃光的LED的內(nèi)部效率。
由于發(fā)射波長在紫外線和藍(lán)光之間的LED的相當(dāng)高的效率，所以這種裝置能夠構(gòu)成一上好的基底用于設(shè)計發(fā)射具有從綠光到紅光的波長的光的裝置。然而，已知的系統(tǒng)未能有效地引入發(fā)射波長在紫外線和藍(lán)光之間的LED。
本發(fā)明涉及一種包括一活性區(qū)，一熒光物質(zhì)層和一反射層的裝置。該活性區(qū)被構(gòu)成為可發(fā)射具有第一組波長中的第一波段的波長的光。該熒光物質(zhì)層設(shè)置于活性區(qū)和一外部介質(zhì)之間并與該兩者接觸。該熒光物質(zhì)層可將從活性區(qū)發(fā)射的光的第一波段波長轉(zhuǎn)換為第二波段波長。該第二波段波長的中心波長大于所述第一波段波長的中心波長。該反射層光耦合于該活性區(qū)。該活性區(qū)設(shè)置于該反射層和該熒光物質(zhì)層之間。該反射層被構(gòu)成為至少可反射第一波段波長和第二波段波長的光。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的發(fā)光裝置；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的發(fā)光裝置；圖3是表示根據(jù)一當(dāng)前實(shí)施例的發(fā)光裝置的外部效率上限和熒光物質(zhì)層的折射率的關(guān)系曲線圖；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的具有三種顏色象素的發(fā)光裝置的一部分；圖5表示根據(jù)當(dāng)前層的另一實(shí)施例的具有至少一個反射層的發(fā)光裝置；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的具有一反射層的發(fā)光裝置；圖7表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有一臺式結(jié)構(gòu)的發(fā)光裝置；圖8表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有多個象素的發(fā)光裝置，其中，每個象素都具有一臺式的結(jié)構(gòu)。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的發(fā)光裝置。發(fā)光裝置100包括接觸層110、活性區(qū)120、襯底130、熒光物質(zhì)層140和觸點(diǎn)150。活性區(qū)120進(jìn)一步包括器件層121、活性層122和器件層123。
活性區(qū)120可以是任何類型的一個或多個層，其可通過受激發(fā)射過程來產(chǎn)生具有特定波段波長的光。該特定波段波長可以是由一特定的活性層產(chǎn)生的一大組波長的子集。例如，至少由AlxGa1-xN構(gòu)成的活性層122可產(chǎn)生具有在約300納米和約500納米之間的波段波長的光，其中x的值在0和1之間。這一范圍的波長(即300nm至500nm)可被表征為在紫外線和藍(lán)光之間?；蛘呖梢哉f，由活性層122可能產(chǎn)生的波長的組可被描述為可由至少由AlxGa1-xN構(gòu)成的一活性區(qū)產(chǎn)生的波長，其中x的值在0和1之間。
在一實(shí)施例中，活性層122可至少由InGaN/AlxGa1-xN構(gòu)成，器件層121可以是與活性層122接觸的一p型AlGaN層，而器件層123可以是設(shè)置于活性層122和襯底130之間并與該兩者接觸的一n型AlGaN層。該類型的活性區(qū)已在前面的公開文本中進(jìn)行了描述。該活性區(qū)120可由觸點(diǎn)110和觸點(diǎn)150激活，這里，觸點(diǎn)150具有圍繞器件層123的環(huán)形形狀。
注意術(shù)語“器件層”和“活性層”的每一個都可包括多個層，如具有多層的超晶格結(jié)構(gòu)。例如，一個p型器件層可包括整體呈現(xiàn)p型特性的多個層。具體地參見圖1，器件層121、活性層122、器件層123的每一個都包括例如具有，如超晶格結(jié)構(gòu)的多個層。
襯底130可以是諸如藍(lán)寶石襯底、碳化硅或其它任何可適合于鄰近器件層123構(gòu)建的材料的任何類型的襯底。
熒光物質(zhì)層140可以是具有嵌入在粘合劑中的波長轉(zhuǎn)換熒光物質(zhì)基底(matrix)的任何適當(dāng)類型的涂層。術(shù)語“熒光物質(zhì)”意指轉(zhuǎn)換入射光波長時能發(fā)光的任何物質(zhì)?！盁晒馕镔|(zhì)”包括，例如，能發(fā)光的聚合物。表1表示能夠構(gòu)成熒光物質(zhì)層140的多個典型涂層。
注意，雖然圖1中所示的觸點(diǎn)110延伸過器件層121的整個表面，但也可以使觸點(diǎn)110具有任何使得通過觸點(diǎn)110和150在活性層133中具有適當(dāng)過剩載流子濃度的結(jié)構(gòu)。例如，觸點(diǎn)110可具有環(huán)形形狀。
(接下頁表格)
表1
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的發(fā)光裝置。圖2中所示的發(fā)光裝置200除了其襯底層210不是設(shè)置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間，由此使熒光物質(zhì)層直接與一個器件層接觸外，其余都與圖1中所示的發(fā)光裝置100的結(jié)構(gòu)類似。具體而言，發(fā)光裝置200包括襯底210、觸點(diǎn)250、活性區(qū)220、熒光物質(zhì)層230、和觸點(diǎn)240。活性區(qū)220包括器件層221、活性層222和器件層223。
本發(fā)明的實(shí)施例的特定的構(gòu)造依據(jù)熒光物質(zhì)層中的熒光物質(zhì)的濃度而變化。以下論述兩種不同類型的構(gòu)造并簡要說明用于設(shè)計每種構(gòu)造類型的發(fā)光裝置的方法。
假設(shè)活性層中的自發(fā)發(fā)射(例如，圖1所示的活性層122；圖2所示的活性層222)各向同性地輻射，并忽略沿背離熒光物質(zhì)層(例如，圖1所示的熒光物質(zhì)層140；圖2所示的熒光物質(zhì)層230)方向發(fā)射的輻射。在這種情況下，如果活性層和熒光物質(zhì)層之間其它層的反射率都不低于熒光物質(zhì)層的折射率nc，則由下面的等式來估算耦合率ηc，即由活性層發(fā)射的與熒光物質(zhì)層耦合的輻射部分(1)ηc=1/2(1-(1-(nc/na)2)1/2)在等式(1)中，na為設(shè)置于活性區(qū)的活性層和熒光物質(zhì)層之間(但未必與其接觸)的活性區(qū)的器件層的折射率。例如，如圖1所示，na與器件層123相關(guān)；如圖2所示，na與器件層223相關(guān)。
等式(1)考慮了傳播進(jìn)熒光物質(zhì)層中的激勵輻射的全內(nèi)反射，并忽略了在內(nèi)部層界面(例如圖1中所示的襯底130和熒光物質(zhì)層140的界面)處的菲涅爾反射。如等式(1)所示，耦合率ηc從活性區(qū)到熒光物質(zhì)層隨著熒光物質(zhì)層折射率nc的增加而增加；然而，熒光物質(zhì)層和熒光物質(zhì)層外部的介質(zhì)(如空氣)之間的界面的耦合率隨著nc的增加而降低?？捎玫仁?2)來估算熒光物質(zhì)層和熒光物質(zhì)層外介質(zhì)之間的界面的耦合率ηp(2)ηp=1/2(1-(1-(1/nc)2)1/2)*4nc/(1+nc)2≌1/(nc(nc+1)2)在等式(2)中，考慮了熒光物質(zhì)層與熒光物質(zhì)層外介質(zhì)的界面處的菲涅爾反射以及在此界面處的全內(nèi)反射。等式(1)和(2)的乘積產(chǎn)生(在近似一個光路發(fā)射器的情況下)發(fā)光裝置的外部效率的上限，ηc為nc的函數(shù)。
圖3是表示根據(jù)一當(dāng)前實(shí)施例的發(fā)光裝置的外部效率上限和熒光物質(zhì)層的折射率的關(guān)系曲線。如圖3所示，當(dāng)nc等于na時，裝置的外部效率ηe最大。因此，在最佳條件下，例如在比率匹配的裝置中，可忽略裝置界面處的菲涅爾反射。當(dāng)在活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間沒有出現(xiàn)插入層或材料時(例如，當(dāng)如圖2所示，未將襯底置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間時)，這種考慮是選擇具有特定折射率的熒光物質(zhì)層的一個合理的基礎(chǔ)。
然而，當(dāng)將襯底置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間時，例如圖1中所示的發(fā)光裝置100，這樣一種方法是不適合的。這種方法在此處不適合是因?yàn)橐r底130典型地具有比活性區(qū)折射率na小的折射率。例如，當(dāng)襯底130由藍(lán)寶石構(gòu)成時，其折射率大約為1.75，它比活性區(qū)折射率小得多(例如na≌2.25)。具有比襯底的折射率大的折射率的熒光物質(zhì)層并不能提高外部效率ηe，由此該效率受活性區(qū)和襯底間界面的限制。換言之，在nc＞ns的范圍內(nèi)增加nc并不能提高熒光物質(zhì)泵送(pumping)的效率(即活性區(qū)對熒光物質(zhì)層的耦合率)。
因此，當(dāng)未將襯底設(shè)置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間時(例如圖2所示的發(fā)光裝置200)，在熒光物質(zhì)層(例如熒光物質(zhì)層230)的折射率基本等于與該熒光物質(zhì)層鄰接的活性區(qū)的器件層(例如器件層223)的折射率時，發(fā)光裝置的外部效率可達(dá)到最大。相反，當(dāng)將襯底置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間時(例如圖1所示的發(fā)光裝置100)，襯底(例如襯底130)的折射率和熒光物質(zhì)層(例如熒光物質(zhì)層140)的折射率應(yīng)為基本相等。
上文中的術(shù)語“基本相等”意味著實(shí)踐上可行的接近。換言之，對于未將襯底設(shè)置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間的發(fā)光裝置而言，可以選擇粘合材料和熒光物質(zhì)層的熒光物質(zhì)以使熒光物質(zhì)層的折射率以實(shí)踐中可行的程度接近于鄰接熒光物質(zhì)層的活性區(qū)的器件層的折射率。或者說，當(dāng)設(shè)計發(fā)光裝置而在兩組可能的粘合材料和用于熒光物質(zhì)層的熒光物質(zhì)中進(jìn)行選擇時，應(yīng)當(dāng)選擇具有與相鄰器件層更匹配的折射率的那組粘合材料和熒光物質(zhì)。
或者，對于襯底設(shè)置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間的實(shí)施例而言，當(dāng)設(shè)計發(fā)光裝置而在兩組可能的粘合材料和用于熒光物質(zhì)層的熒光物質(zhì)中進(jìn)行選擇時，應(yīng)當(dāng)選擇具有與襯底更匹配的折射率的那組粘合材料和熒光物質(zhì)。
當(dāng)熒光物質(zhì)中的熒光物質(zhì)的濃度低時，上述論述是充分的，因此，熒光物質(zhì)層的折射率實(shí)質(zhì)上不總是隨著光的波長而變化。當(dāng)熒光物質(zhì)層的折射率主要由用于熒光物質(zhì)層的粘合材料的折射率來確定時，熒光物質(zhì)的濃度較低。換個方式來說，當(dāng)在與由活性區(qū)產(chǎn)生的光相關(guān)的波長下的熒光物質(zhì)層的折射率基本上和在與由熒光物質(zhì)層進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的光相關(guān)的波長下的熒光物質(zhì)層折射率相同時，熒光物質(zhì)的濃度較低。換言之，當(dāng)熒光物質(zhì)層具有相對低的分散(dispersion)時，熒光物質(zhì)的濃度較低。
當(dāng)熒光物質(zhì)層在粘合材料中具有高的熒光物質(zhì)濃度時，存在另一設(shè)計思路。在此情況下，熒光物質(zhì)層很可能在與由發(fā)光裝置的活性區(qū)產(chǎn)生的光相關(guān)的波長下具有強(qiáng)的吸收性。因此，在與由活性區(qū)產(chǎn)生的光相關(guān)的波長下的熒光物質(zhì)層的折射率nce不同于在與由熒光物質(zhì)層進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的光相關(guān)的波長下的熒光物質(zhì)層的折射率ncr。此時，使用例如攙雜離子受激Cds和Zns熒光物質(zhì)以及由于有機(jī)物質(zhì)中的強(qiáng)的Frank-Condon變換而造成的有機(jī)染料熒光物質(zhì)。
在熒光物質(zhì)層的折射率隨著波長改變時，對粘合材料和熒光物質(zhì)的選擇應(yīng)當(dāng)使在與由活性區(qū)產(chǎn)生的光相關(guān)的波長下的熒光物質(zhì)層的折射率nce基本等于與熒光物質(zhì)層相鄰并接觸的層的折射率(例如圖1所示的襯底130或圖2所示的器件層223)。如果nce≈na，則不會產(chǎn)生任何反射損失，且所有在熒光物質(zhì)層方向上傳播的產(chǎn)生于活性區(qū)中的光都會被轉(zhuǎn)換為波長轉(zhuǎn)換光。類似地，對粘合材料和熒光物質(zhì)的選擇也應(yīng)使在與由熒光物質(zhì)層進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的光相關(guān)的波長下的熒光物質(zhì)層的折射率ncr基本等于熒光物質(zhì)層外部介質(zhì)的折射率。這種介質(zhì)可以是，例如環(huán)氧樹脂(具有例如在1.4到1.6之間的折射率)、空氣、水、真空或其它類型的具有其各自折射率的介質(zhì)。
上文中的術(shù)語“基本相等”意味著實(shí)踐中可行的接近。換言之，對于將襯底設(shè)置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間的發(fā)光裝置而言，可以選擇粘合材料和熒光物質(zhì)以使在與由活性區(qū)產(chǎn)生的光相關(guān)的波長下的熒光物質(zhì)層的折射率nce以實(shí)踐中可行的程度接近于襯底的折射率。類似地，可選擇在由與熒光物質(zhì)層進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的光相關(guān)的波長下的熒光物質(zhì)層的折射率ncr以使其以實(shí)踐中可行的程度接近于熒光物質(zhì)層外部的介質(zhì)的折射率。
考慮到所研究的熒光物質(zhì)的波長轉(zhuǎn)換的內(nèi)部效率接近100％，所以，熒光物質(zhì)層的折射率nc的分散可導(dǎo)致裝置外部輻射率的絕對值增加。使用等式(2)給出的ηe的近似值，波長轉(zhuǎn)換輻射的外部效率與不具有熒光物質(zhì)涂層的紫外線/藍(lán)光發(fā)光裝置的效率的比率等于0.5na(na+1)2/ncr(ncr+1)2。因?yàn)橹挥幸话氲牟ㄩL轉(zhuǎn)換輻射在發(fā)光表面的方向上傳播，所以使用系數(shù)0.5。盡管如此，如果例如na=nce=2.5，并且ncr=1.5，則可期望波長轉(zhuǎn)換輻射的量子效率比紫外線/藍(lán)光發(fā)光裝置的效率高50％，并且，即使在到目前為止的在一條光路模型的框架中，其絕對值也能達(dá)到5％。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的具有三種顏色象素的發(fā)光裝置的一部分。發(fā)光裝置400可以包括襯底410，器件層420，象素430、440和450。每個象素430、440和450代表顯示應(yīng)用的一種單獨(dú)的顏色。例如，象素430可產(chǎn)生具有對應(yīng)于紅光的波長的光，象素440可產(chǎn)生具有對應(yīng)于綠光的波長的光，象素450可產(chǎn)生具有對應(yīng)于藍(lán)光的波長的光。當(dāng)然，雖然圖4表示了發(fā)光裝置的一個實(shí)例的一部分(即，具有三個象素的部分)，但這種發(fā)光裝置可包括排列為例如一二維陣列的多個象素。在這種構(gòu)造中，可單獨(dú)地訪問每個象素以提供一顏色顯示。
象素430進(jìn)一步包括觸點(diǎn)431、熒光物質(zhì)層432、器件層433、活性層434和觸點(diǎn)435。對于象素430，活性區(qū)434可定義為器件層433、活性層434和與活性層434和觸點(diǎn)435相鄰并接觸的部分器件層420。
象素440進(jìn)一步包括觸點(diǎn)441、熒光物質(zhì)層442、器件層443、活性層444和觸點(diǎn)445。對于象素440，活性區(qū)444可定義為器件層443、活性層444和與活性層444和觸點(diǎn)445相鄰并接觸的部分器件層420。
最后，象素450進(jìn)一步包括觸點(diǎn)451、熒光物質(zhì)層452、器件層453、活性層454和觸點(diǎn)455。對于象素450，活性區(qū)454可定義為器件層453、活性層454和與活性層454和觸點(diǎn)455相鄰并接觸的部分器件層420。
選擇熒光物質(zhì)層432、442和452以使每個相應(yīng)的象素430、440和450能分別發(fā)射具有分別對應(yīng)于、通常為紅光、綠光和藍(lán)光的波長的光。具體而言，象素450能夠發(fā)射中心波長在約400納米和約500納米之間波段的波長的光。象素440能夠發(fā)射中心波長在約430納米和約650納米之間波段的波長的光。象素430能夠發(fā)射中心波長在約550納米和約750納米之間波段的波長的光。
在另一可選擇的實(shí)施例中，不必存在與可產(chǎn)生約400納米和約550納米之間的波長(即藍(lán)光波長)的光的象素相關(guān)的熒光物質(zhì)層。換言之，可選擇與藍(lán)光波長相關(guān)的象素的活性層以使活性層產(chǎn)生具有主要為藍(lán)光波長的光。不必存在相關(guān)的熒光物質(zhì)層來進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換。這樣，產(chǎn)生于活性層中的光可恰好直接發(fā)射給相關(guān)象素。
在處理多路徑光時，發(fā)光裝置的外部效率會大幅度增加。由活性層產(chǎn)生的沿背離波長轉(zhuǎn)換熒光物質(zhì)層的方向傳播的光可被反射回來，因此可加倍活性層泵送入熒光物質(zhì)層中的效率。例如，可將反射層光耦合于該活性區(qū)。這里用的術(shù)語“光耦合”表示使從活性區(qū)發(fā)射的光可被反射層反射的操作上的相關(guān)。例如，反射層可與活性層鄰接并接觸，或可將一插入層(例如襯底)設(shè)置于該反射層和活性層之間。
另外，可將另一波長可選擇的反射層設(shè)置于活性區(qū)和熒光物質(zhì)層之間。這種波長可選擇的反射層可使在活性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光被發(fā)射并使由熒光物質(zhì)層產(chǎn)生的光向著發(fā)光裝置的發(fā)光表面被反射回來。例如，可在藍(lán)寶石襯底上生長多個波長可選擇的反射GaN/AlGaN濾光器。
圖5表示根據(jù)當(dāng)前層的另一實(shí)施例的具有至少一個反射層的發(fā)光裝置。發(fā)光裝置500包括襯底510、觸點(diǎn)560、反射層520、活性區(qū)530、反射層540、熒光物質(zhì)層550和觸點(diǎn)570?；钚詤^(qū)530包括器件層531、活性層532和器件層533。在該實(shí)施例中，反射層520被構(gòu)成為可反射具有由活性區(qū)530的活性層532產(chǎn)生的波段波長的光，以及具有在熒光物質(zhì)層550中產(chǎn)生的第二波段波長的熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)換光。換言之，活性層532可產(chǎn)生向發(fā)射層520傳播的具有第一波段波長(例如，主要是藍(lán)色的光)的光。類似地，光可由熒光物質(zhì)層550進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換并向反射層520傳播。這種情況下，反射層520可反射具有第一波段波長的光和具有第二波段波長的光(即，由熒光物質(zhì)層500進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換的光)。
反射層540可以是一波長可選擇的反射層。換言之，反射層540可構(gòu)成為使得具有第一波段波長的光(即由活性層532產(chǎn)生的光)被發(fā)射，而由熒光物質(zhì)層550產(chǎn)生的具有第二波段波長的光(即波長轉(zhuǎn)換光)在反射層540和熒光物質(zhì)層550的交界處被反射。通過在該交界處反射該波長轉(zhuǎn)換光，使得此光更有效地離開發(fā)光裝置500，而不必穿過發(fā)光裝置500的其它層(例如器件層533、活性層532、器件層531)傳播。
在另一可選擇的實(shí)施例中，僅能出現(xiàn)一個反射層。換言之，在另一實(shí)施例中，在器件層和熒光物質(zhì)層之間沒有反射層時，可在位觸點(diǎn)和器件層之間出現(xiàn)一反射層。在另一實(shí)施例中，與上述情況相反；換言之，在觸點(diǎn)和器件層之間沒有出現(xiàn)反射層時，可在器件層和熒光物質(zhì)層之間出現(xiàn)一反射層。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的具有一反射層的發(fā)光裝置。發(fā)光裝置600包括熒光物質(zhì)層610、觸點(diǎn)620、活性區(qū)630、觸點(diǎn)640、反射層650和襯底660。活性區(qū)630包括器件層631、活性層632和器件層633。
反射層650被構(gòu)成為可反射具有第一波段波長的光(例如，由活性區(qū)630的活性層632產(chǎn)生的光)和具有第二波段波長的光(例如，由熒光物質(zhì)層610進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的光)。換言之，由活性層632產(chǎn)生的光可沿反射層650的方向傳播，在熒光物質(zhì)層610中通過波長轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光也可沿反射層650的方向傳播。具有任一這些波段波長的光可被反射層650反射并被改變方向朝向熒光物質(zhì)層610，在這里，光最終離開發(fā)光裝置600。
雖然圖6中未示，但可在器件層631和熒光物質(zhì)層620之間設(shè)置一波長可選擇反射層。這種波長可選擇反射層可被構(gòu)成為使得具有第一波段波長的光(即由活性層632產(chǎn)生的光)被發(fā)射，而由熒光物質(zhì)層620產(chǎn)生的具有第二波段波長的光(即波長轉(zhuǎn)換光)在波長可選擇反射層和熒光物質(zhì)層620之間的交界處被反射。
圖6所示的反射層的概念也可用于本發(fā)明的其它實(shí)施例，像例如圖4中所示的發(fā)光裝置400。在這種實(shí)施例中，在器件層420和襯底410之間可加一反射層。在這種實(shí)施例中，該反射層反射由活性層434、444和454產(chǎn)生的所有波長的光以及在熒光物質(zhì)層432、442和452中產(chǎn)生的波長轉(zhuǎn)換光。換個說法，這種反射層可反射具有例如，在活性層產(chǎn)生的主要是紫外線至藍(lán)光波長的光，也能反射具有與象素450相關(guān)的主要為藍(lán)色的、由象素440產(chǎn)生的綠色的和由象素430產(chǎn)生的紅色的波長轉(zhuǎn)換光。類似地，也可在熒光物質(zhì)層432和器件層433之間設(shè)置一波長可選擇反射層。
上述的發(fā)光裝置的外部效率可通過收集沿與平行于器件層的平面方向接近的方向(即，與平行于穿出發(fā)光裝置的方向接近的方向)發(fā)射的光來提高。因?yàn)榛钚詤^(qū)的GaN器件層的有效折射率比襯底的高，所以它們形成一波導(dǎo)。裝置的傾斜側(cè)壁(例如臺式結(jié)構(gòu))可將波導(dǎo)輻射改變?yōu)檠匕l(fā)射表面(即熒光物質(zhì)層的外表面)的方向，由此又幾乎使發(fā)光裝置的外部效率增加了一倍。上述引入反射層和臺式結(jié)構(gòu)的發(fā)光裝置在整個可見光頻譜中可能使裝置獲得高達(dá)20-30％的外部效率。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有一臺式結(jié)構(gòu)的發(fā)光裝置。發(fā)光裝置700包括觸點(diǎn)710、活性區(qū)720、觸點(diǎn)730、襯底740和熒光物質(zhì)層750?；钚詤^(qū)720包括器件層721、活性層722和器件層723。襯底740包括第一邊741、第二邊742和側(cè)壁743。在圖7中，光線組760、770和780表示在發(fā)光裝置700傳播的光。
襯底740為一臺式結(jié)構(gòu)。具體而言，襯底740具有一傾角為θ的側(cè)壁740，它與襯底740的第二邊742的表面不垂直。換言之，由為襯底740的第一邊741的面積比襯底740的第二邊742的小，因此襯底740形成的側(cè)壁743是傾斜的。
一介質(zhì)被設(shè)置于襯底740的側(cè)壁743的外部并與之接觸。該外部介質(zhì)具有自己的折射率且在圖7中被標(biāo)記為790。
適于側(cè)壁743的特定傾角取決于襯底的折射率和外部介質(zhì)790的折射率。具體而言，因?yàn)楦鶕?jù)Snell’s定律，襯底740中發(fā)射的光在側(cè)壁743上相互作用，所以外部介質(zhì)790的折射率和襯底740的折射率為影響上述特定傾角的因素。外部介質(zhì)790可以是，例如環(huán)氧樹脂(具有例如1.4至1.6之間的折射率)、空氣、真空或其它類型的具有各自折射率的介質(zhì)。襯底740的折射率可以是在例如1.75至2.0之間。
可根據(jù)全內(nèi)反射由襯底740的特定折射率和外部介質(zhì)790的折射率來確定在襯底740中傳播的光如何被反射。下述關(guān)系式可定義一最佳傾角θ≤90°-arcsin(n2/n1)，其中，n1為襯底740的折射率，n2為外部介質(zhì)790的折射率。
當(dāng)然，通過使n2與發(fā)光裝置的其它層的折射率相等和使n1與該層的外部介質(zhì)的折射率相等，也可將這一關(guān)系式推廣到該裝置的其它層。這樣，就象是襯底的側(cè)壁可傾斜一樣，器件層721、活性層722和器件層723的相應(yīng)側(cè)壁也可傾斜。層721、722和723的側(cè)壁的傾角可以與襯底740的側(cè)壁743的傾角相同或是不同。換言之，在第一器件層、活性層、第二器件層和/或襯底的側(cè)壁中，至少有一個側(cè)壁傾斜，使得更多的光能射向發(fā)光表面。
舉例說明，當(dāng)外部介質(zhì)為折射率為1.4至1.7之間的環(huán)氧樹脂，襯底為折射率為約1.75的藍(lán)寶石襯底，且活性區(qū)的層的折射率為約2.0時，發(fā)光裝置的側(cè)壁的傾角θ將在約40度和60度之間。
通過在側(cè)壁743上全內(nèi)反射傳播方向不同的光線，諸如光線770和780，可使更多的光通過熒光物質(zhì)層750而射出發(fā)光裝置700。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有多個象素的發(fā)光裝置，其中，每個象素都具有一臺式的結(jié)構(gòu)。發(fā)光裝置800包括襯底810、器件層820和象素830、840和850。象素830包括觸點(diǎn)831、熒光物質(zhì)層832、器件層833、活性層834和觸點(diǎn)835。類似地，象素840包括觸點(diǎn)841、熒光物質(zhì)層842、器件層843、活性層844和觸點(diǎn)845。類似地，象素850包括觸點(diǎn)851、熒光物質(zhì)層852、器件層853、活性層854和觸點(diǎn)855。
與圖7中所示的發(fā)光裝置700所述的臺式結(jié)構(gòu)相似，圖8中所示的發(fā)光裝置800的一個給定象素或多個象素可具有臺式結(jié)構(gòu)。下面的論述涉及象素830，類似的結(jié)構(gòu)也可用于象素840和850，以及發(fā)光裝置800的其它任何排列為二維象素陣列的象素(未示出)。
設(shè)置于熒光物質(zhì)層832和活性層834之間并與該兩者接觸的器件層833具有一與活性層834鄰接的第一邊和與熒光物質(zhì)層832和側(cè)壁836鄰接的第二邊。在圖8中，側(cè)壁836外部的介質(zhì)被標(biāo)記為860，并具有其自己的折射率。
側(cè)壁836可傾斜θ角。該傾角θ應(yīng)當(dāng)小于90度，并如上所述，根據(jù)上述的θ、外部介質(zhì)折射率和器件層833的折射率之間的關(guān)系，可在40和60度之間變化。注意，活性層834和與活性層834相鄰的部分器件層820的類似側(cè)壁也可傾斜一角度，該傾角例如為θ。
當(dāng)然應(yīng)該明白，盡管參照一些特定的構(gòu)造對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，其它構(gòu)造也是明顯的。例如，雖然圖中示出了發(fā)光裝置的具有一些特定構(gòu)造的橫截面視圖，但是也可使用不同的構(gòu)造，從而裝置的俯視圖可以例如是矩形、圓形或任何其它適當(dāng)?shù)男螤?。值得注意的是，圖中所表示的發(fā)光裝置是不成比例的。圖中所示的和這里討論的發(fā)光裝置可以被形成為各層直接設(shè)置于一起的單片結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括一活性區(qū)，所述活性區(qū)被構(gòu)成為可發(fā)射具有第一組波長中的第一波段波長的光；一設(shè)置于所述活性區(qū)和一外部介質(zhì)之間并與該兩者接觸的熒光物質(zhì)層，所述熒光物質(zhì)層被構(gòu)成為可將從所述活性區(qū)發(fā)射的第一波段波長的光轉(zhuǎn)換為第二波段波長的光，其中，第二波段波長的中心波長大于第一波段波長的中心波長；和一反射層，其光耦合于所述活性區(qū)，所述活性區(qū)設(shè)置于一反射層和所述熒光物質(zhì)層之間，所述反射層被構(gòu)成為至少可反射第一波段波長和第二波段波長的光。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述活性區(qū)具有一活性層，一第一器件層和一第二器件層，且該第一器件層位于所述反射層和所述活性區(qū)的活性層之間并與該兩者接觸。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括一置于所述熒光物質(zhì)層和活性區(qū)的第二器件層之間的襯底；一置于所述襯底和所述熒光物質(zhì)層之間并與該兩者接觸的第二反射層，所述第二反射層被構(gòu)成為可反射從所述活性區(qū)發(fā)射的第一波段波長的光，所述第二反射層被構(gòu)成為可反射從所述熒光物質(zhì)層發(fā)射的第二波段波長的光。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一襯底，所述活性區(qū)具有一活性層、一第一器件層和一第二器件層，所述反射層位于所述襯底和所述活性區(qū)的第一器件層之間并與該兩者接觸。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，還包括一第二活性區(qū)，該活性區(qū)被構(gòu)成為可發(fā)射具有第一波段波長的光；一設(shè)置于所述第二活性區(qū)和外部介質(zhì)之間并與該兩者接觸的第二熒光物質(zhì)層，所述第二熒光物質(zhì)層被構(gòu)成為可將由所述第二活性區(qū)發(fā)射的第一波段波長的光轉(zhuǎn)換為第三波段波長的光，其中，第三波段波長的中心波長大于第一波段波長的中心波長；和一第三活性區(qū)，所述第三活性區(qū)具有一活性層、一第一器件層和一第二器件層，所述第三活性區(qū)的第二器件層設(shè)置為與所述反射層相鄰并與之接觸，所述第三活性區(qū)被構(gòu)成為可發(fā)射具有第一波段波長的光，所述反射光還與所述第二活性區(qū)和所述第三活性區(qū)光耦合，所述第二活性區(qū)設(shè)置于所述反射層和所述第二熒光物質(zhì)層之間，所述反射層被構(gòu)成為可反射第三波段波長的光。
6.一種裝置，包括一活性區(qū)，其具有一活性層、一第一器件層和一第二器件層，所述活性區(qū)的活性層被構(gòu)成為可發(fā)射具有第一組波長中的第一波段波長的光；一熒光物質(zhì)層，所述活性區(qū)的第一器件層設(shè)置于所述熒光物質(zhì)層和所述活性區(qū)的活性層之間并與該兩者接觸，所述熒光物質(zhì)層被構(gòu)成為可將從所述活性區(qū)發(fā)射的第一波段波長的光轉(zhuǎn)換為第二波段波長的光，其中，第二波段波長的中心波長大于第一波段波長的中心波長，第一器件層具有一第一邊、一第二邊和一位于第一邊和第二邊之間的側(cè)壁，該第一邊具有第一面積并與所述活性區(qū)的活性層相鄰，該第二邊具有比第一面積大的第二面積，并與所述熒光物質(zhì)層相鄰，該側(cè)壁自第一器件層的第二邊傾斜一角度，該角度小于90度。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述角度實(shí)質(zhì)上在約40度和約60度之間。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述襯底具有一第一折射率，所述襯底的側(cè)壁與一具有第二折射率的外部介質(zhì)相鄰并接觸，所述角度實(shí)質(zhì)上小于90度減去第二折射率除以第一折射率的反正弦。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述活性區(qū)的活性層具有一側(cè)壁，該側(cè)壁具有該第一器件層的側(cè)壁的角度，且所述活性區(qū)的第二器件層具有一側(cè)壁，該側(cè)壁具有該第一器件層的側(cè)壁的角度。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括一第二活性區(qū)，包括一第二活性層、一第三器件層和一第四器件層，所述第二活性區(qū)的第二活性層被構(gòu)成為可發(fā)射具有第一波段波長的光；一第二熒光物質(zhì)層，所述活性區(qū)的第三器件層置于所述第二熒光物質(zhì)層并與其接觸，所述熒光物質(zhì)層被構(gòu)成為可將從所述第二活性區(qū)發(fā)射的第一波段波長的光轉(zhuǎn)換為第三波段波長的光，其中，第一波段波長的中心波長大于第一波段波長的中心波長，所述第三器件層具有一第一邊、一第二邊和一位于第一邊和第二邊之間的側(cè)壁，該第三器件層的第一邊具有第一面積并與所述第二活性區(qū)的第二活性層相鄰，該第三器件層的第二邊具有一比第三器件層的第一面積大的第二面積，并與所述熒光物質(zhì)層相鄰，第三器件層的側(cè)壁自第三器件層的第二邊傾斜一第二角度，該第二角度小于90度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一包括一活性區(qū)、一熒光物質(zhì)層和一反射層的裝置。該活性區(qū)可發(fā)射具有第一組波長中的第一波段波長的光。該熒光物質(zhì)層設(shè)置于活性區(qū)和一外部介質(zhì)之間并與該兩者接觸。該熒光物質(zhì)層可將從活性區(qū)發(fā)射的第一波段波長的光轉(zhuǎn)換為第二波段波長的光。第二波段波長的中心波長大于第一波段波長的中心波長。該反射層光耦合于該活性區(qū)。該活性區(qū)設(shè)置于該反射層和該熒光物質(zhì)層之間。該反射層被構(gòu)成為至少可反射第一波段波長和第二波段波長的光。
文檔編號H01L33/20GK1324494SQ9981248
公開日2001年11月28日 申請日期1999年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月21日
發(fā)明者德米特里·Z·加爾布佐夫, 約翰·C·康諾利, 小羅伯特·F·卡爾利切克, 伊恩·T·弗格森 申請人:薩爾諾夫公司, 埃姆科公司