CN102150289A - 稳定光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了发光***。所述发光***发射具有第一颜色的输出光。所述发光***包括响应于第一信号发射第一波长的光的第一电致发光装置。第一波长基本上独立于第一信号。所发射的第一波长光的强度基本上与第一信号成比例。所述发光***还包括第一发光元件，该第一发光元件包括第二电致发光装置和第一光转换层。第二电致发光装置响应于第二信号发射第二波长的光。第一光转换层包括半导体势阱并将第二波长的光的至少一部分转换为比第二波长长的第三波长的光。所述发光***将第一波长的光与第三波长的光组合，以形成第一颜色的输出光。当第一和第二信号中的一个从该信号的最大额定值的约50％变化至所述最大额定值的约100％，但是第一信号与第二信号之比基本上保持不变时，输出光的第一颜色基本上保持不变。
Description
技术领域
本发明整体涉及半导体发光装置。本发明特别适用于具有稳定输出颜色的半导体发光装置。
背景技术
发光装置用在许多不同的应用中，包括投影显示***、用于液晶显示器的背光源等。投影***通常使用一个或多个白光源，例如高压汞灯。白光束通常被分为三基色，红色、绿色和蓝色，然后被引导向各自的成像空间光调制器，以生成各基色的图像。所得基色图像光束被组合并投影到投影屏幕上以便于观看。
最近，发光二极管(LED)已被考虑作为白光源的替代物。LED具有提供能够与传统光源竞争的亮度和可操作寿命的潜能。然而，目前的LED，特别是发射绿光、黄光和琥珀色光的LED效率相对低。另外，传统光源的光谱特征通常随输出光强而变化。常常采用复杂且昂贵的装置来使发射的光的光谱特征(例如，颜色)稳定。
发明内容
总体上，本发明涉及半导体发光装置。在一个实施例中，一种发光***发射具有第一颜色的输出光。所述发光***包括响应于第一信号发射第一波长的光的第一电致发光装置。第一波长基本上独立于第一信号。所发射的第一波长光的强度基本上与第一信号成比例。所述发光***还包括第一发光元件，该第一发光元件包括第二电致发光装置和第一光转换层。第二电致发光装置响应于第二信号发射第二波长的光。第一光转换层包括半导体势阱并将第二波长的光的至少一部分转换为比第二波长长的第三波长的光。所述发光***将第一波长的光与第三波长的光组合，以形成第一颜色的输出光。当第一和第二信号中的一个从该信号的最大额定值的约50％变化至所述最大额定值的约100％，但是第一信号与第二信号之比基本上保持不变时，输出光的第一颜色基本上保持不变。
在另一个实施例中，一种发光***发射具有第一颜色的输出光。所述发光***包括发射第一波长的光的第一电致发光装置和第一发光元件，所述第一发光元件包括发射第二波长的光的第二电致发光装置和第一光转换层，所述第一光转换层包括半导体势阱并将第二波长的光的至少一部分转换为更长的第三波长的光。所述发光***将第一和第三波长的光组合，以形成第一颜色的输出光。所述发光***还包括控制器，所述控制器接收输入信号，并响应于控制信号输出用于驱动第一电致发光装置的第一信号，并响应于控制信号输出用于驱动第二电致发光装置的第二信号。当控制信号从该控制信号的最大额定值的约50％变化至约100％，但是第一信号与第二信号之比基本上保持不变时，输出光的第一颜色基本上保持不变。
在另一个实施例中，一种发光***包括：第一LED，其响应于输入信号发射第一颜色的第一光；第二LED，其响应于输入信号发射第二颜色的第二光；以及光转换层，其包括II-VI半导体势阱，并将第二光的至少一部分转换为第三颜色的第三光。所述发光***通过将第一和第三光组合来输出具有输出颜色和输出强度的光。所述输入信号的变化使所述输出强度变化，但是不会使所述输出颜色变化。
在另一个实施例中，一种发光***发射具有输出颜色的输出光。所述发光***包括发射主颜色的光的主LED以及N个发光元件，N≥1。第i发光元件(i＝1至N)包括：发射第i LED颜色的光的第i LED；以及第i光转换层，其包括半导体势阱并将第i LED颜色的光的至少一部分转换为不同于第iLED颜色的第i中间颜色的光。当i不等于j时，第i中间颜色不同于第j中间颜色。所述发光***将主颜色的光与第i中间颜色(i＝1至N)的光组合，以形成具有输出颜色的输出光。所述发光***还包括控制器，其接收输入信号，并响应于所述输入信号输出用于驱动主LED的主信号，并响应于所述输入信号输出用于驱动第i LED的第i信号(i＝1至N)。当输入信号从该输入信号的最大额定值的约50％变化至约100％，但是主信号与第i信号之比基本上保持不变(i＝1至N)时，输出光的输出颜色基本上保持不变。
在另一个实施例中，一种发光***包括：第一电致发光装置，其响应于第一信号S1发射第一波长λ1的第一光；以及第一发光元件，其包括第二电致发光装置，所述第二电致发光装置响应于第二信号S2发射第二波长λ2的第二光。λ2不同于λ1。所述第一发光元件还包括第一光转换层，其包括半导体势阱。第一光转换层将第二光的一部分转换为不同于λ1和λ2的第三波长λ3的第三光，并透射第二光的一部分作为λ2的第四光。所述发光***将第一、第三和第四光组合，以形成具有第一颜色Co的输出光。当S1和S2信号中的一个从该信号的最大额定值的约50％变化至所述最大额定值的约100％，但比率S1/S2基本上保持不变时，所述第一颜色Co基本上保持不变。在一些情况下，λ1对应于绿光，λ2对应于蓝光，λ3对应于红光，第一颜色Co对应于白光。在一些情况下，当S1和S2信号中的一个从该信号的最大额定值的约50％变化至所述最大额定值的约100％，比率S1/S2变化约3％或更小，且Co的变化Δ(u’，v’)不超过0.003，其中u’和v’是颜色Co的CIE颜色坐标。
附图说明
结合附图对本发明的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更完整地理解和体会本发明，其中：
图1是发光***的示意性侧视图；
图2是光转换层的示意性侧视图；
图3A至图3F是势阱的示例性导带轮廓的示意图；
图4是光转换层的示意性带图；
图5是另一发光***的示意性侧视图；
图6是另一发光***的示意性侧视图；以及
图7是实例1中所述的发光***的示意性侧视图。
多个图中使用的相同附图标记指代具有相同或相似性能和功能的相同或相似元件。
具体实施方式
本专利申请公开了半导体发光装置，其包括半导体光源和一个或多个波长转换器，其中所述转换器可以是半导体波长转换器。具体地讲，本发明所公开的装置的光谱特征具有改善的稳定性。对于本发明所公开的装置中的至少一些，所发射的输出光具有改善的颜色稳定性。例如，当输出强度变化时，所发射的光的颜色坐标基本上保持不变。本发明所公开的稳定装置采用稳定光源(例如，稳定发光二极管(LED))和稳定光转换器(例如，稳定磷光体或半导体光转换势阱)。本发明所公开的装置显示出改善的光谱稳定性，并且与传统的稳定光源相比，例如与采用一个或多个反馈***来稳定输出光颜色的半导体光源相比，成本降低。
本发明所公开的装置中的一些包括稳定半导体势阱，例如稳定II-VI半导体势阱。在一些情况下，稳定颜色转换器具有诸如高转换效率的附加理想性能。
一些公开的装置具有来自相同半导体族(例如，III-V族)的光源和光转换层。在这种情况下，可能可行的是将例如III-V波长转换器整体地直接生长和制造到III-V光源(例如，III-V LED)上。然而，在一些情况下，具有高转换效率和/或其他理想性能的波长转换器可来自与LED所属的半导体族不同的半导体族。在这种情况下，以高品质将一个元件生长到另一元件上可能是不可能或不可行的。例如，高效率稳定波长转换器可来自II-VI族，而光源(例如，LED)可来自III-V族。在这种情况下，可采用多种方法将光转换器附接到光源。一些此类方法在提交于2007年10月8日的美国专利申请No.60/978304中有所描述。
在一些应用中，可能可取的是采用发射第一波长(例如，绿光波长)光的光谱稳定的光源。然而，在此类应用中，这样的稳定光源可能无法获得，或者其可获得，但是效率低、昂贵和/或无法接受的庞大。在此类应用中，可以有利地使用本专利申请中所公开的装置，其中所述装置可包括发射第一波长的光的稳定III-V LED以及用于将所述第一波长的光转换(例如，下转换)为第二波长的光的稳定II-VI势阱。除了改善的稳定性之外，本专利申请中所公开的装置可具有其他潜在的优点，例如高效率、低制造成本和/或小尺寸。如本文所用，“下转换”是指转换后的光的波长大于未转换或入射光的波长。
例如，本发明所公开的发光装置可被设计为输出一种或多种颜色(例如，一种或多种基色)，或者可输出白光。本发明所公开的发光装置的发射效率和紧凑度可带来重量、尺寸和/或功耗降低的新的、改善的光学***，例如便携式投影***。
在一些情况下，本发明所公开的发光装置可通过形成像素大小光源的阵列而用于制造像素化显示器。在这种情况下，所显示的图像的光谱特征可不随图像亮度的变化而变化，或者变化非常小。
在一些情况下，本专利申请中所公开的发光装置的阵列可用在照明***(例如，自适应照明***)中，以用在例如投影***或其他光学***中。
在一些情况下，本发明所公开的发光装置可用作显示器背光源，例如液晶显示器(LCD)背光源。例如，在一些情况下，LCD显示器可以是具有多个显示区或区域的分区显示器，其中可根据各区所需的亮度来动态地对显示器的不同区或区域进行照明。在这种情况下，可有利地使用本专利申请中所公开的一个或多个发光***来对各区进行照明。通常，分区显示器可有这样的益处：增加某些区的对比度，同时降低能耗。
在一些情况下，本发明所公开的发光装置可用在一般照明***中，例如用于室内照明。例如，本发明所公开的装置可用作受调光器开关控制的自立式或内置照明设备。在一些情况下，本发明所公开的装置可用于重点照明以突显例如房间中的特征。例如，所述装置可用于突显艺术画廊中的雕塑、建筑结构或绘画。
在一些情况下，本发明所公开的发光装置可用于标牌应用，例如广告机、电子广告牌、槽型发光字、背光灯箱等。例如，本发明所公开的发光装置可用于根据诸如显示时间(白天对夜晚)之类的条件来调节提供给显示标记的功率，同时降低总能耗。
图1是发射输出光190的发光***100的示意图，输出光190的强度为Io，并且具有与CIE颜色坐标u1’和v1’以及颜色坐标xo和yo对应的第一颜色Co。发光***100包括主控制器110、次控制器125、第一电致发光装置150、第二电致发光装置160和第一光转换层180。
第一电致发光装置150响应于具有值S1的第一信号130发射具有第一波长λ1和强度I1的光155。第二电致发光装置160响应于具有值S2的第二信号140发射具有第二波长λ2和强度I2的光165。当次控制器125从主控制器110接收到具有值So的控制信号120时生成信号130和140。
通常，第一波长λ1和第二波长λ2可以基本上相等，或者可以不相等。在一些情况下，波长λ1和λ2可以基本上相等。在这种情况下，两个波长之差可以不超过15nm，或者不超过10，或者不超过5nm，或者不超过3nm。
在一些情况下，所发射的光155和165可基本上是单一波长的光。在这种情况下，波长λ1和λ2可以是峰值发射波长，其半峰全光谱线宽(FWHM)各不超过约50nm，或者不超过约30nm，或者不超过约15nm，或者不超过约10nm，或者不超过约5nm。在一些情况下，所发射的光155和165中的一个或多个可具有相对宽的发射光谱。在这种情况下，发射光谱的FWHM可为至少50nm，或者至少70nm，或者至少100nm。在宽光谱光155的情况下，波长λ1可指峰值或中心波长。
在一些情况下，第一波长λ1基本上独立于第一信号S1，且所发射的第一波长光155的光强I1基本上与第一信号S1成比例。例如，在这种情况下，第一信号130从第一信号的最大额定值的约80％变化至约100％、或者从约50％变化至约100％可导致λ1偏移约10nm或更小，或者8nm或更小，或者5nm或更小，或者3nm或更小。作为另一个例子，在这种情况下，I1和S1基本上满足线性关系I1＝k1.S1，其中k1为实常数。
在一些情况下，第二波长λ2基本上独立于第二信号S2，所发射的第二波长光165的光强I2基本上与第二信号S2成比例。例如，在这种情况下，第二信号140从第二信号的最大额定值的约80％变化至约100％、或者从约50％变化至约100％可导致λ2偏移约10nm或更小，或者8nm或更小，或者5nm或更小，或者3nm或更小。作为另一个例子，在这种情况下，I2和S2基本上满足线性关系I2＝k2.S2，其中k2为实常数。在一些情况下，λ2取决于第二信号S2，但是基本上所有波长λ2的光均被发射***吸收，因而不存在于***中。在这种情况下，与波长λ2或光165关联的颜色不会影响输出颜色Co。
第一光转换层180将第二波长λ2的光165的至少一部分转换为具有第三波长λ3和强度I3的光185，其中λ3比λ2长。发光***100将波长λ1的光与λ3的光组合，以形成具有第一颜色Co的输出光190，所述第一颜色具有CIE颜色坐标uo’和vo’以及颜色坐标xo和yo。通常，颜色Co可以是应用中所需的任何颜色。在一些情况下，颜色Co可以是绿色、黄色、琥珀色、红色、品红色、青色或白色中的一种。例如，在一些情况下，λ1可对应于绿光，λ2可对应于蓝光。第一光转换层180可将λ2的蓝光165的一部分转换为与红光对应的波长λ3的光185，并透射蓝光165的一部分作为λ2的蓝光167。在这种情况下，输出光190可以是未转换的蓝光167、转换的红光185和LED所发射的绿光155的组合，其中在一些情况下，所述组合可导致白光190。
在一些情况下，λ2的光165的小部分未被光转换层180转换为波长λ3的光。在这种情况下，未转换的光的至少一部分可从光转换层出射，成为具有波长λ2和强度I4的光167。在一些情况下，未转换的光的至少一部分可被可选的吸光层187吸收，其中吸光层可至少对波长λ3是基本上光学透射性的。例如，在这种情况下，吸光层187对波长λ3可具有至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％的光学透射比。
在一些情况下，吸光层187可吸收任何未转换的第二波长光的大部分。例如，在这种情况下，吸光层187可具有至少1、或至少2、或至少3、或至少4、或至少5的光学吸光度。作为另一个例子，在这种情况下，吸光层187吸收未转换的第二波长光的至少50％、或至少70％、或至少90％、或至少95％、或至少99％、或至少99.9％。吸光层187的例子在例如提交于2008年6月26日的美国专利申请No.61/075918中有所描述。
在一些情况下，第一光转换层180将基本上所有波长λ2的光165转换为波长λ3的光185。例如，在这种情况下，第一光转换层180将波长λ的光的至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％转换为波长λ3的光。
通常，第一电致发光装置150和第二电致发光装置160可以是能够响应于信号发射所需波长的光的任何光源。例如，在一些情况下，电致发光装置150和160中的一者或其二者可为发射紫外光、紫光或蓝光的LED。
在一些情况下，电致发光装置150和160中的一者或其二者可包括一个或多个p型和/或n型半导体层、一个或多个活性层或发光层(可包括一个或多个势阱和/或量子阱)、缓冲层、基底层、以及覆盖层。
在一些情况下，电致发光装置150和160中的一者或其二者可为III-V半导体光源，例如III-V LED，并且可包括AlGaInN半导体合金。例如，电致发光装置150和160中的一者或其二者可为GaN或ZnO基LED。在一些情况下，GaN基LED的发射光谱(例如，颜色光谱)可基本上独立于施加于LED的输入激发信号的值。例如，在第一电致发光装置150包括GaN基LED的情况下，当第一信号130从第一信号的最大额定值的约80％变化至约100％、或者从约50％变化至约100％时，波长λ1的光165的CIE颜色坐标u1’和v1’中的每一个变化不超过1％，或不超过0.6％，或不超过0.5％，或不超过0.3％，或不超过0.1％；且光165的颜色点的变化Δu1’，v1’)不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001。
通常，在正常操作条件下，信号120、第一信号130和第二信号140中的每一个具有最大额定值。例如，所述信号中的每一个可为具有最大额定值的电流或电压。在一些情况下，例如当第一电致发光装置150和第二电致发光装置160中的每一个分别包括GaN基LED，并且第一光转换层180包括一个或多个II-VI势阱时，当控制信号120从该信号的最大额定值的约80％变化为该信号的最大额定值的约100％，或者从该信号的最大额定值的约50％变化为该信号的最大额定值的约100％，但是第一信号130与第二信号140之比(即，比率S1/S2)基本上保持不变时，输出光190的第一颜色Co基本上保持不变。例如，在这种情况下，当So从So的最大额定值的约50％变化至约100％；但是比率S1/S2变化约5％或更小，或者约3％或更小，或者约1％或更小，或者约0.5％或更小，或者约0.1％或更小，或者约0.01％或更小时；颜色Co的颜色坐标uo’和vo’中的每一个变化不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001；并且Co的变化Δuo’，vo’)不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001。作为另一个例子，在这种情况下，当So从其最大额定值的约50％变化为约100％，并且第一信号与第二信号之比变化约1％或更小时，Co的颜色坐标uo’和vo’中的每一个变化不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001；并且Co的变化Δuo’，vo’)不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001。
通常，颜色空间中的颜色点Co的位置至少部分地取决于第一电致发光装置150的光输出的强度I1以及发光元件170的光输出的强度I3。在一些情况下，例如当光167的强度I4相对于强度I1和I3微不足道时，或者在λ1和λ2基本上相等的情况下，颜色点Co是强度为I1的λ1的输出光155以及强度为I3的λ3的输出光185的线性函数。在这种情况下，颜色点Co的位置在连接光155和185的颜色点的颜色线上。在这种情况下，颜色Co基本上是固定的颜色点，这意味着各个强度I1和I3可(例如)随着控制信号So变化而变化，但是比率I1/I3基本上保持不变。
在一些情况下，输出光190可对应于基色，例如RGB基色体系中的蓝色、绿色或红色或者CMYK基色体系中的青色、品红和黄色。在一些情况下，输出光190不是基色。例如，在这种情况下，输出颜色Co可以是琥珀色、品红或白色。
在一些情况下，通过吸收第二波长光的至少一部分，并再发射吸收的光的至少一部分作为第三波长的光，光转换层180能够将第二波长λ2的光165的至少一部分转换为波长λ3的光185，其中第三波长λ3比第二波长λ2长。
第一光转换层180可包括能够将第二波长的光165的至少一部分转换为第三波长的光185的任何层。例如，光转换层180可包括磷光体(磷光材料)、荧光染料、共轭发光有机材料(例如，聚芴)、势阱、量子阱或量子点。可用作光转换层的示例性磷光体包括硫化镓酸锶、掺杂GaN、硫化锌：铜、硫化锌：银、硅酸盐基磷光体以及铝酸盐基磷光体。
无机势阱和量子阱(例如，无机半导体势阱和量子阱)通常具有增大的光转换效率，并且由于较不易受环境因素(例如，水分)影响而更可靠。另外，无机势阱和量子阱往往会具有较窄的输出光谱，从而导致(例如)改善的色域。
图2是光转换层180中可包括的示例性层的示意图。示例性转换层180分别包括第一窗口220和第二窗口260、第一吸光层230和第二吸光层250以及作为再发射层的势阱240。在一些情况下，光转换层180包括至少一个II-VI化合物层。例如，在这种情况下，再发射层或势阱240可包括一个或多个II-VI势阱，其能够将LED 160所发射的光(例如，紫外光、紫光或蓝光)的至少一部分转换为更长波长的光，例如绿光或红光。
如本文所用，势阱是指被设计为仅在一个维度上限制载流子的多层半导体结构中的半导体层，其中所述半导体层具有低于周围层的导带能和/或高于周围层的价带能。量子阱通常是指足够薄从而量子化效应增加用于阱中电子-空穴对复合的能量的势阱。量子阱通常具有约100nm或更小、或者约10nm或更小的厚度。
在一些情况下，势阱或量子阱或再发射层240包括II-VI半导体势阱或量子阱，其具有小于第二电致发光装置160所发射的光子的能量的带隙能量。通常，势阱或量子阱240的跃迁能量基本上等于通过势阱或量子阱再发射的光子的能量。
在一些情况下，势阱或再发射层240可包括以化合物ZnSe、CdSe和MgSe作为三种合金组分的CdMgZnSe合金。在一些情况下，合金中可不存在Cd、Mg和Zn中的一种或多种。例如，势阱或再发射层240可包括能够再发射红光的Cd0.70Zn0.30Se量子阱、或者能够再发射绿光的Cd0.33Zn0.67Se量子阱。作为另一个例子，势阱或再发射层240可包括Cd、Zn、Se和可选的Mg的合金，在这种情况下，该合金体系可用Cd(Mg)ZnSe表示。作为另一个例子，势阱或再发射层240可包括Cd、Mg、Se和可选的Zn的一种或多种合金。在一些情况下，势阱可包括ZnSeTe。在一些情况下，量子阱或再发射层240的厚度在约1nm至约100nm范围内，或者约2nm至约35nm范围内。
在一些情况下，第一光转换层180可包括图2中未明确示出的附加层。例如，第一光转换层180可包括半导体(例如，II-VI半导体)应变补偿层，其用于补偿或减轻势阱240中的应变。例如，应变补偿层可被设置在势阱与第一吸光层230和/或第二吸光层250之间。应变补偿层可包括(例如)ZnSSe和/或BeZnSe。
通常，势阱240可具有任何导带和/或价带轮廓。图3A至图3F示意性地示出了势阱的一些示例性导带轮廓，其中EC表示导带能。具体地讲，图3A所示的势阱310具有正方形或矩形轮廓；图3B所示的势阱320具有与第二矩形轮廓322和第三矩形轮廓323组合的第一矩形轮廓321；图3C所示的势阱330具有线性渐变轮廓；图3D所示的势阱340具有与矩形轮廓342组合的线性渐变轮廓341；图3E所示的势阱350具有曲线(例如，抛物线)轮廓；以及图3F所示的势阱360具有与矩形轮廓362组合的抛物线轮廓361。
在一些情况下，势阱或再发射层240可以是n掺杂或p掺杂的，其中可通过任何合适的方法，通过添加任何合适的掺杂物(例如，氯或碘)来实现掺杂。在一些情况下，掺杂物的次数密度在约1017cm-3至约1018cm-3范围内。其他示例性掺杂物包括Al、Ga、In、F、Br和N。
在一些情况下，第二电致发光装置160和第一光转换层180可得自两个不同的半导体族。例如，在这种情况下，第二电致发光装置160可为III-V半导体装置，而第一光转换层180可为II-VI半导体装置。在一些情况下，第二电致发光装置160可包括AlGaInN半导体合金，且第一光转换层180可包括Cd(Mg)ZnSe半导体合金，其中括号内的材料为可选材料。
在一些情况下，第一光转换层180和/或发光***100可具有单个势阱。在一些情况下，第一光转换层180和/或发光***100可具有多个势阱。例如，在一些情况下，第一光转换层180可具有至少2个势阱，或至少5个势阱，或至少10个势阱，其中在一些情况下，各势阱毗邻两个吸光层并设置在这两个吸光层之间。
第一吸光层230和第二吸光层250靠近势阱240，以帮助吸收从电致发光装置160发出的光。在一些情况下，吸光层足够靠近势阱240，以使得吸光层内的光生载流子可有效地扩散至势阱。在一些情况下，吸光层可包括半导体，例如无机半导体，如II-VI半导体。例如，吸光层230和250中的至少一个可包括Cd(Mg)ZnSe半导体合金。在一些情况下，第一吸光层230和第二吸光层250各自的全部或至少部分可为n掺杂或p掺杂的，其中可通过任何合适的方法，通过添加任何合适的掺杂物(例如，氯或碘)来实现掺杂。在一些情况下，掺杂物的次数密度在约1017cm-3至约1018cm-3范围内。其他示例性掺杂物包括Al、Ga、In、F、Br和N。
在一些情况下，吸光层的带隙能量小于第二电致发光装置160所发射的光子的能量。在这种情况下，吸光层可强力吸收光源所发射的光。在一些情况下，吸光层的带隙能量大于势阱240的跃迁能量。在这种情况下，吸光层对于势阱所再发射的光而言是基本上光学透明的。
在一些情况下，吸光层230和250中的至少一个可毗邻势阱240，这意味着可在吸光层与势阱之间设置一个或少许几个中间层。在一些情况下，吸光层230和250中的至少一个可紧邻势阱240，这意味着在吸光层与势阱之间没有设置中间层。
图2中的示例性第一光转换层180包括两个吸光层230和250。通常，光转换层可没有吸光层，或者具有一个、两个或两个以上的吸光层。通常，吸光层足够靠近势阱240，以使得吸光层内的光生载流子有扩散到势阱的适当机会。在一些情况下，第一光转换层180中的所有吸光层的厚度之和足够大，以吸收光165的大部分，例如至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％。
第一窗口220和第二窗口260主要设计用于提供载流子，以使得吸光层中的光生载流子(例如，电子-空穴对)不会(或者很少机会)迁移到自由或外表面，例如第一光转换层180的表面222。例如，第一窗口220主要设计用于防止在第一吸光层230中通过LED 160所发射的光生成的载流子迁移到表面222从而在表面222处非辐射地复合。在一些情况下，窗口220和260的带隙能量大于LED 160所发射的光子的能量。在这种情况下，窗口220和260对于LED 160所发射的光以及势阱240所再发射的光而言基本上是光学透明的。
图2的示例性第一光转换层180包括两个窗口。通常，光转换层可没有窗口，或者具有一个、两个或更多个窗口。例如，在一些情况下，第一光转换层180可具有单个窗口，其设置在LED 160与势阱240之间、或LED 160与吸光层230之间。
在一些情况下，光转换层180中的两个相邻层之间的界面位置可以是清晰或明显的界面。在一些情况下，例如当层内的材料组成随着沿厚度方向的距离而变化时，两个相邻层之间的界面可能不清晰，并且可能是(例如)渐变界面。例如，在一些情况下，第一吸光层230和第一窗口220可具有相同的材料组分，但是具有不同的材料浓度。在这种情况下，吸光层的材料组成可逐渐变化为窗口层的材料组成，从而导致两个层之间的渐变界面。例如，在两个层包括Mg的情况下，Mg的浓度可在从吸光层逐渐过渡到窗口时增大。
示例性光转换层180包括位于两个吸光层230和250之间的单个势阱240。通常，处于势阱的一侧上的层(例如，层230)可吸收或者可不吸收光源160所发射的第二波长λ2的光165。通常，光转换层180可具有一个或多个势阱，其中各势阱设置在具有较大带隙能量的两个层之间。例如，图4是包括两个势阱440和441的光转换层480的示意图。势阱440设置在层430和450之间，层430和450各具有大于势阱440的带隙能量，且势阱441设置在层450和460之间，层450和460各具有大于势阱441的带隙能量。通常，层430、450和460的主要功能是将载流子限制在对应势阱中。在一些情况下，层430、450和460不能吸收第二波长的光165。在这种情况下，这些层的带隙能量大于λ2的光的第二光子能量。在一些情况下，层430、450和460中的一个或多个可能能够吸收第二波长的光165。在这种情况下，吸光层的带隙能量小于第二光子能量，但是大于势阱的跃迁能量。
在图1的示例性发光***100中，吸光层187不同于第一光转换层180并与第一光转换层180分离，或者在第一光转换层180外部。通常，吸光层187可包括在或者可不包括在第一光转换层180中。例如，在一些情况下，第一吸光层230和第二吸光层250可提供对LED 160所发射的光的必要吸收。作为另一个例子，在一些情况下，吸光层430、450和460可提供对LED 160所发射的光的必要吸收。
重新参考图1，在一些情况下，第一和第二电致发光装置可具有基本上相同的光学和电学特性。例如，在这种情况下，基于LED的电致发光装置中的所有势阱或量子阱由相同半导体合金制成。例如，对于蓝光LED，势阱全部由GaInN制成。作为另一个例子，LED中的所有势阱或量子阱具有基本上相同的厚度。在这种情况下，势阱或量子阱的厚度之间的变化不超过50％，或不超过40％，或不超过30％，或不超过20％，或不超过10％，或不超过5％。作为另一个例子，发光***100中的所有电致发光装置(例如，LED)利用相同的制造工艺由相同的材料体系制成。作为另一个例子，在一些情况下，例如当电致发光装置为LED时，所述装置具有相同的构造，并且在相同的晶片或基底上制造。作为另一个例子，第一和第二电致发光装置可对给定的驱动电流具有基本上相同的正向电压。例如，对于给定的驱动电流，LED的正向电压之差不超过10％，或不超过5％，或不超过1％。作为另一个例子，在相同的驱动电流施加到电致发光装置的情况下，随着驱动电流在其正常操作范围内变化，正向电压基本上保持相等。在这种情况下，随着用于两个LED的输入电流信号在输入信号的正常操作范围内变化，各自的正向电压中的每一个可略微变化，但是正向电压之差仍小于10％，或小于5％，或小于1％。
在一些情况下，对于S1＝S2，在驱动信号的最大额定值的约80％至约100％、或约50％至约100％范围内，第一电致发光装置的输出光功率P1(S1)与第二电致发光装置的输出光功率P2(S2)之比(即，P1(S1)/P2(S2))基本上独立于驱动信号S1&S2。例如，在这种情况下，随着S1从S1的最大额定值的约50％变化至约100％，比率P1(S1)/P2(S2)变化不超过10％，或不超过5％，或不超过1％。
在一些情况下，当第一和第二LED电致发光装置来自相同的Bin(参数范围)分组或LED分组时，它们具有基本上相同的光学和电学特性，其中所述分组基于例如效率、峰值波长和/或正向电压。例如，在这种情况下，第一和第二LED电致发光装置来自相同的Bin，其中该Bin中的LED的波长范围不超过5nm，或者不超过3nm。
在一些情况下，第二电致发光装置160(例如，LED 160)可与第一光转换层180分离，如图1中示意性示出的。在一些情况下，可能可取的是将两个元件附连。通常，第二电致发光装置160可通过任何合适的方法附连或结合到第一光转换层180，例如通过诸如热熔粘合剂的粘合剂270(图2)、焊接、加压、加热或这些方法的任意组合、或者应用中所需的其他方法，如在(例如)提交于2007年10月8日的美国专利申请No.60/978304中所描述的。合适的热熔粘合剂的例子包括半晶态聚烯烃、热塑性聚烯烃和丙烯酸类树脂。
其他示例性粘结材料包括光学透明的聚合材料，例如光学透明的聚合物粘合剂，包括丙烯酸酯类光学粘合剂，如Norland 83H(由Norland Products(Cranbury NJ)供应)；氰基丙烯酸酯，如Scotch-Weld瞬干胶(由3M Company(St.Paul，MN)供应)；苯并环丁烯类化合物，如CycloteneTM(由Dow Chemical Company(Midland，MI)供应)；透明蜡，如CrystalBond(Ted Pella Inc.(Redding CA))；基于铝硅酸钙的液体、水或水玻璃；以及旋涂玻璃(SOG)。
在一些情况下，半导体LED 160可通过晶片键合技术附接至半导体光转换层180，所述晶片键合技术在例如Q.-Y.Tong和U.
的“Semiconductor Wafer Bonding”(半导体晶片键合)(John Wiley&Sons，New York，1999)的第4章和第10章中有所描述。
在一些情况下，发光***100可包括第二光转换层180’，该第二光转换层接收第一波长λ1的光并将接收的光的至少一部分转换为波长为λ1’的光155’。在这种情况下，电致发光装置150与光转换层180’的组合形成响应于第一信号S1发射λ1’的光155’的发光元件。在这种情况下，发光***的输出光190具有颜色Co，并且可以是第三波长λ3的光185与波长λ1’的光155’的组合。
在一些情况下，光转换层180’的输出光基本上为波长λ1’。在这种情况下，电致发光装置150与光转换层180’的组合的输出光谱可以波长λ1’为中心，并且在一些情况下可具有小FWHM，例如不超过约50nm、或不超过约30nm、或不超过约15nm、或不超过约10nm、或不超过约5nm的FWHM。在这种情况下，光转换层180’阻挡光155的大部分，其中可通过例如反射、转换、吸收或其任意组合来实现所述阻挡。例如，在这种情况下，光转换层180’阻挡光155的至少90％，或至少95％，或至少97％，或至少99％，或至少99.5％。
在一些情况下，第一光转换层180将λ2的光165的一部分转换为第三波长λ3的光185，并透射光165的一部分作为λ2的光167。在这种情况下，发光***的输出光190具有颜色Co，并且可以是波长λ3的光185、波长λ2的光167、以及波长λ1’。的光155’的组合。在一些情况下，当第一信号130(S1)和第二信号140(S2)中的一个从该信号的最大额定值的约80％或约50％变化至所述最大额定值的约100％，但比率S1/S2基本上保持不变时，第一颜色Co基本上保持不变。例如，当信号之一从该信号的最大额定值的约50％变化为所述最大额定值的约100％时，比率S1/S2变化约3％或更小，并且Co的变化Δ(u’，v’)不超过0.003。
在一些情况下，波长λ1和λ2属于可见光谱中的相同颜色范围。例如，在一些情况下，波长λ1和λ2中的每一个对应于蓝光。在一些情况下，波长λ1和λ2之差不超过约70nm、或约60nm、或约50nm、或约40nm、或约30nm、或约20nm、或约10nm、或约7nm、或约5nm。
在一些情况下，波长λ1和λ2中的每一个可对应于蓝光，波长λ1’可对应于绿光，λ3可对应于红光，且第一颜色Co可对应于白光。
图5是发射输出光190的发光***500的示意图，该输出光具有强度Io以及对应于CIE颜色坐标uo’和vo’的第一颜色Co。发光***500包括控制器510、第一电致发光装置150和第一发光装置550，该第一发光装置包括第二电致发光装置160和第一光转换层180。
第一电致发光装置150响应于具有值SS1的第一信号530发射具有第一波长λ1和强度I1的光155。第二电致发光装置160响应于具有值SS2的第二信号540发射具有第二波长λ2和强度I2的光165。当控制器510接收到具有值Mo的输入信号505时生成信号530和540。
在一些情况下，控制器510接收输入信号Mo，并响应于此，输出用于驱动第一电致发光装置150的第一信号530，并输出用于驱动第二电致发光装置160的第二信号540。
通常，第一波长λ1和第二波长λ2可以基本上相等，或者可以不相等。在一些情况下，波长λ1和λ2可以基本上相等。例如，在这种情况下，两个峰值波长之差可不超过15nm，或不超过10，或不超过5nm。
在一些情况下，第一波长λ1基本上独立于第一信号SS1，而发射的第一波长光155的光强I1基本上与第一信号SS1成比例。例如，在这种情况下，第一信号530从该信号的最大额定值的约80％变化至约100％、或从约50％变化至约100％会导致λ1变化约1％或更小，或者约0.5％或更小，或者约0.1％或更小，或者约0.01％或更小。作为另一个例子，在这种情况下，I1和SS1基本上满足线性关系I1＝k11.SS1，其中k11是实常数。
在一些情况下，第二波长λ2基本上独立于第二信号SS2，而发射的第二波长光165的光强I2基本上与第二信号SS2成比例。例如，在这种情况下，第二信号540从该信号的最大额定值的约80％变化至约100％、或从约50％变化至约100％会导致λ2变化约1％或更小，或者约0.5％或更小，或者约0.1％或更小，或者约0.01％或更小。作为另一个例子，在这种情况下，I2和SS2基本上满足线性关系：I2＝k22.SS2，其中k22是实常数。
第一光转换层180将第二波长λ2的光165的至少一部分转换为具有第三波长λ3和强度I3的光185，其中λ3比λ2长。发光***500将波长λ1的光与λ3的光组合，以形成具有第一颜色Co的输出光190，所述第一颜色具有CIE颜色坐标uo’和vo’。通常，颜色Co可以是应用中所需的任何颜色。在一些情况下，颜色Co可以是绿色、黄色、琥珀色、红色和白色中的一种。
在一些情况下，第一光转换层180将基本上所有的波长λ2的光165转换为波长λ3的光185。在一些情况下，第一光转换层165将波长λ2的光的至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％转换为波长λ3的光。
在一些情况下，λ2的光165的小部分未被光转换层180转换为波长λ3的光。在这种情况下，未转换的光的至少一部分可从光转换层出射，成为具有波长λ2和强度I4的光167。在一些情况下，未转换的光的至少一部分可被可选的吸光层187吸收，其中所述吸光层至少对波长λ3是基本上光学透射性的。
在一些情况下，吸光层187可吸收任何未转换的第二波长光的大部分。例如，在这种情况下，吸光层187具有至少1、或至少2、或至少3、或至少4、或至少5的光学吸光度。
在一些情况下，电致发光装置150和160中的一者或其二者可包括与关于图1-2和图4中描述的各种层类似的一个或多个p型和/或n型半导体层、一个或多个活性层(可包括一个或多个势阱和/或量子阱)、缓冲层、基底层和覆盖层。
在一些情况下，电致发光装置150和160中的一者或其二者可为III-V半导体光源，例如III-V LED，并且可包括AlGaInN半导体合金。例如，电致发光装置150和160中的一者或其二者可为GaN基LED。在一些情况下，GaN基LED的发射光谱(例如，颜色光谱)可基本上独立于施加于LED的输入激发信号的值。例如，在一些情况下，例如当第一电致发光装置150包括GaN基LED时，当第一信号530从该信号的最大额定值的约80％变化为约100％，或从约50％变化为约100％时，波长λ1的光155的颜色坐标u1’和v1’中的每一个变化不超过1％，或不超过0.5％，或不超过0.1％。
在一些情况下，例如当第一电致发光装置150和第二电致发光装置160中的每一个包括GaN基LED，并且第一光转换层180包括一个或多个II-VI势阱时，当输入信号505显著变化，但是第一信号530与第二信号540之比(即，比率SS1/SS2)基本上保持不变时，输出光190的第一颜色Co基本上保持不变。例如，在这种情况下，当Mo从Mo的最大额定值的约80％变化至约100％、或从约50％变化至约100％；但是比率SS1/SS2变化约1％或更小，或者约0.5％或更小，或者约0.1％或更小，或者约0.01％或更小时；颜色Co的变化Δuo’，vo’)不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001。作为另一个例子，在这种情况下，当Mo从Mo的最大额定值的约80％变化至约100％、或从约50％变化至约100％，并且第一信号与第二信号之比变化约1％或更小时，颜色Co的CIE颜色坐标uo’和vo’中的每一个变化不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001；并且颜色Co的变化Δuo’，vo’)不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001。
在一些情况下，光转换层180能够通过吸收第二波长光的至少一部分，并且再发射吸收的光的至少一部分作为第三波长的光来将第二波长λ2的光165的至少一部分转换为波长λ3的光185，其中第三波长λ3比第二波长λ2长。
在一些情况下，第一光转换层180和/或发光***500具有单个势阱。在一些情况下，第一光转换层180和/或发光***500包括多个势阱。例如，在这种情况下，第一光转换层180可具有至少2个势阱、或至少5个势阱、或至少10个势阱。
在示例性发光***500中，吸光层187不同于第一吸光层180并与第一吸光层180分离，或者在第一吸光层180外部。通常，吸光层187可包括在或者可不包括在第一吸光层180中。例如，在一些情况下，第一吸光层230和第二吸光层250(图2)可提供对第二电致发光装置160所发射的光的必要吸收。作为另一个例子，在一些情况下，吸光层430、450和460(图4)可提供对第二电致发光装置160所发射的光的必要吸收。
在一些情况下，第一电致发光装置150和第二电致发光装置160可具有基本上相同的光学和电学特性。例如，在这种情况下，LED电致发光装置中的所有势阱或量子阱由相同半导体合金制成。例如，对于蓝光LED，势阱全部由GaInN制成。作为另一个例子，LED中的所有势阱或量子阱具有基本上相同的厚度。在这种情况下，势阱或量子阱的厚度之间的变化不超过50％，或不超过40％，或不超过30％，或不超过20％，或不超过10％，或不超过5％。作为另一个例子，发光***500中的所有电致发光装置(例如，LED)利用相同的制造工艺由相同材料体系制成。作为另一个例子，在一些情况下，例如当电致发光装置为LED时，所述装置具有相同的构造，并且在相同的晶片或基底上制造。作为另一个例子，第一和第二LED可对给定的驱动电流具有基本上相同的正向电压。例如，对于给定的驱动电流，正向电压之差不超过10％，或不超过5％，或不超过1％。作为另一个例子，在相同的驱动电流施加到电致发光装置的情况下，随着驱动电流在其正常操作范围内变化，正向电压基本上保持相等。在这种情况下，随着用于两个LED的输入电流信号在输入信号的正常操作范围内变化，各自的正向电压中的每一个可略微变化，但是正向电压之差仍小于10％，或小于5％，或小于1％。
在一些情况下，对于SS1＝SS2，在驱动信号SS1的最大额定值的约1％至约100％范围内，第一电致发光装置的输出光功率P1(SS1)与第二电致发光装置的输出光功率P2(SS2)之比(即，P1(SS1)/P2(SS2))基本上独立于驱动信号SS1&SS2。例如，在这种情况下，随着SS1从SS1的最大额定值的约50％变化至约100％，比率P1(SS1)/P2(SS2)的变化不超过10％，或不超过5％，或不超过1％。
图6是示意性发光***600，该发光***包括第一LED 650，该第一LED响应于具有值Ninput的输入信号605(类似于图5中的输入信号Mo)发射具有第一颜色C1和第一强度I1的第一光655。该发光***还包括第一电致发光元件671，该第一电致发光元件包括第二LED 660和第一光转换层680(类似于光转换层180)，该第二LED响应于输入信号605发射具有第二颜色C2和第二强度I2的第二光665，该第一光转换层可包括II-VI半导体材料。光转换层680将第二光665的至少一部分转换为具有第三颜色C’2和强度I’2的第三光685。
发光***600通过将第一光655和第三光685组合来输出具有输出颜色Co和输出强度Io的光690。在一些情况下，具有颜色坐标uo’和vo’的颜色Co基本上独立于Ninput。例如，在这种情况下，Ninput从Ninput的最大额定值的约80％变化至约100％、或从约50％变化至约100％可导致CIE颜色坐标uo’和vo’中的每一个变化不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001；并且Co的变化Δuo’，vo’)不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001。
在一些情况下，输入信号Ninput的变化可引起输出光690的输出强度Io的变化，但是不会引起输出光的颜色Co的变化。在一些情况下，在输入信号的预定(例如，正常操作)范围内，输出强度基本上是输入强度的线性函数。在这种情况下，Io和Ninput基本上满足公式Io＝k3.Ninput，其中k3为实常数。在一些情况下，Io是输入信号Ninput的函数(例如，线性函数)，且输出颜色Co独立于输入信号Ninput。
在一些情况下，发光***600不包括针对输出颜色Co的变化调节输入信号Ninput的反馈***。在这种情况下，输出颜色Co可变化，而基本上不会影响输入信号Ninput，例如引起该输入信号相当大的变化。例如，在一些情况下，颜色Co的CIE颜色坐标uo’和vo’中任一个的约10％的变化，或者颜色Co的约10％的变化Δuo’，vo’)可导致输入信号Ninput的大小变化不超过1％，或不超过0.1％，或不超过0.05％，或不超过0.01％。
在一些情况下，发光***600可具有一个或多个附加的电致发光元件。例如，发光***600可包括第二电致发光元件672，该第二电致发光元件包括第三LED 661和第二光转换层681(类似于第一光转换层180)，该第三LED响应于输入信号605发射具有第四颜色C3和第四强度I3的第四光666，该第二光转换层可包括II-VI半导体材料。光转换层681将第四光666的至少一部分转换为具有第五颜色C’3和第五强度I’3的第五光686。在这种情况下，发光***600通过分别将第一光655、第三光685和第五光686组合来输出具有输出颜色Co和输出强度Io的光690。在一些情况下，具有CIE颜色坐标uo’和vo’的颜色Co基本上独立于Ninput。例如，在这种情况下，Ninput从Ninput的最大额定值的约80％变化至约100％、或从约50％变化至约100％可导致uo’和vo’颜色坐标中的每一个变化不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001；并且颜色Co的变化Δuo’，vo’)不超过0.01，或不超过0.005，或不超过0.004，或不超过0.003，或不超过0.002，或不超过0.001。
通常，具有输出颜色为Co、输出强度为Io的输出光690的发光***600包括发射主颜色的光的主LED 650以及N个发光元件，其中N≥1。第i发光元件(i＝1至N)包括发射第i LED颜色(例如，第1LED颜色)的第i LED(例如，第1LED)；以及包括半导体势阱的第i光转换层(例如，第1光转换层)。第i光转换层将来自第i LED的第i LED颜色的光的至少一部分转换为不同于第i LED颜色的第i中间颜色(例如，第1中间颜色)的光。在一些情况下，当i不同于j时，第i中间颜色不同于第j中间颜色。发光***600将主颜色的光与所有第i中间颜色(i＝1至N)的光组合，以形成具有输出颜色Co和CIE颜色坐标uo’和vo’的输出光690。
在一些情况下，发光***600具有类似于控制器510的控制器，该控制器接收输入信号Ninput，并响应于输入信号输出用于驱动主LED的主信号，并响应于输入信号输出用于驱动第i LED的第i信号(i＝1至N)。在一些情况下，当输入信号Ninput从该输入信号的最大额定值的约80％变化至约100％、或从约50％变化至约100％，但是主信号与第i信号之比基本上保持不变(i＝1至N)时，输出光的输出颜色基本上保持不变。
在一些情况下，发光***600中的LED具有基本上相同的光学和电学特性。例如，在这种情况下，LED中的所有势阱或量子阱由相同半导体合金制成，并且具有基本上相同的厚度。在这种情况下，势阱或量子阱的厚度变化不超过50％，或不超过40％，或不超过30％，或不超过20％，或不超过10％，或不超过5％。作为另一个例子，发光***600中的所有LED利用相同的制造工艺由相同材料体系制成。作为另一个例子，在一些情况下，LED具有相同的构造，并且在相同的晶片或基底上制造。作为另一个例子，LED可对给定的驱动电流具有基本上相同的正向电压。
在一些情况下，在输入信号的最大额定值的约50％至约100％范围内，主LED的输出光功率Pm(Ninput)与第i LED(i＝1至N)的输出光功率Pi(Ninput)之比(即，Pm(Ninput)/Pi(Ninput))基本上独立于输入信号。例如，在这种情况下，随着Mo从Ninput的最大额定值的约80％变化至约100％、或从约50％变化至约100％，比率Pm(Ninput)/Pi(Ninput)变化不超过10％，或不超过5％，或不超过1％。
通常，发光元件的数量N可以是应用中所需的任何数量。例如，在一些情况下，N可为2。在这种情况下并且作为例子，输出颜色Co可为白色，主颜色C1以及第一和第二LED颜色(即，C2和C3)中的每一个可为蓝色，第一中间颜色C’2可为绿色，而第二中间颜色C’3可为红色。
本发明所公开的构造的一些优点通过下面的实例进一步说明。实例中列出的特定材料、量和尺寸以及其他条件和细节不应被解释为不当地限制本发明。
实例1：
制造图7示意性地示出的发光***700。制造的发光***与图1的发光***100类似。制造用于发射第一波长λ1的光的电路710和用于发射第二波长λ2的光的电路720。在电路710中，通过运算放大器OP1、晶体管Q1以及电阻器R1＝490kΩ、R2＝10kΩ和R3＝1Ω将输入电压Vin施加到LED 750。输入电压Vin的最大额定值为6伏特。
在电路720中，发光元件770包括结合到光转换层780的LED 760。通过运算放大器OP2、晶体管Q2以及电阻器R4＝490kΩ、R5＝3kΩ和R6＝1Ω将输入电压Vin施加到LED 760。所述电阻器、运算放大器和晶体管从Digi-Key Corporation(Thief River Falls，Minnesota)购买。
从晶元光电股份有限公司(新竹，台湾)购买两个发蓝光的LED 750和760。所述LED是键合到硅基底的外延生长AlGaInN基LED。LED的顶部表面的一些部分用金轨迹来金属化，以传播电流并提供用于引线结合的焊盘。LED 750和760的峰值发射波长为λ1＝457。
制造多层半导体构造。估计的材料组成、厚度和体带隙能量总结在表I中。
表I：实例1的构造中的各种层的详细资料：
首先通过分子束外延(MBE)在InP基底上生长GaInAs缓冲层，以为随后的II-VI生长做准备。然后通过超高真空转移***将涂布的基底移动到另一MBE室，以便于进行不同的II-VI外延层的生长。多层半导体构造包括四个CdZnSe量子阱。各量子阱类似于势阱240，并具有约1.88eV的体能隙(Eg)。各量子阱被置于与吸光层230和250类似的两个CdMgZnSe吸光层之间。所述吸光层具有约2.52eV的能隙，并且能够强力吸收457nm的蓝光。多层半导体构造还包括与窗口220和260类似的两个窗口。多层半导体构造还包括两个渐变层，各位于窗口与吸光层之间。渐变层的材料组成从吸光侧的吸光层材料组成逐渐变化为窗口侧的窗口材料组成。
接下来，使用得自Norland Products，Inc.(Cranbury，New Jersey)的Norland光学粘合剂83H将多层半导体构造的窗口侧粘结到LED 760的发射或顶部表面。粘结粘合剂层的厚度在约1μm至约10μm的范围内。
接着用溶液3HCl:1H2O去除InP基底。蚀刻剂停在GaInAs缓冲层处。随后在30ml氢氧化铵(30重量％)、5ml过氧化氢(30重量％)、40g己二酸和200ml水的搅拌溶液中去除缓冲层，仅留下粘附于LED 760的II-VI转换层780。
然后穿过转换层和粘合剂粘结层蚀刻通路，以便与LED的顶部表面的金涂布部分电接触。利用负性光致抗蚀剂(NR7-1000PY，Futurrex(Franklin，New Jersey))使用常规接触光刻法制造所述通路。在制造通路时，通过将构造浸入按体积计与10份H2O混合并以Br饱和的HCl(30重量％)中约10分钟来在转换层中蚀刻II-VI层。随后，通过在得自Oxford Instruments(Oxfordshire，UK)的等离子体反应离子蚀刻***中，在200mTorr的压力和200W的RF功率下使构造暴露于氧等离子体20分钟来蚀刻粘合剂粘结层和图案化的光致抗蚀剂，从而得到图7中的发光元件770。光转换层780将λ1＝457nm的光765转换为λ2＝634nm的光767。
发光***700的输出光793是λ1＝457nm的光755与λ2＝634的光767的组合。输入电压Vin的值从6伏特变化为4.75伏特。在每一种情况下，测量流过LED 750的电流S1、流过760的电流S2以及输出光793的颜色坐标u’和v’的值。结果总结于表II中。
表II.针对不同的输入电压V
in
值的***700的参数
当输入电压Vin从6.0伏特或该输入电压的最大额定值的约100％改变为4.75伏特或该输入电压的最大额定值的约79％时，输出光793的的u’颜色坐标从0.1950改变为0.1966或者变化Δu’＝0.0016，且输出光的v’颜色坐标从0.1739改变为0.1720或者变化Δu’＝-0.0019，从而变化Δu’，v’)为0.0025。另外，电流S1改变约20.1％，电流S2改变约20.6％，但是电流比率S1/S2仅改变约0.59％。
如本文所用，诸如“竖直”、“水平”、“上方”、“下方”、“左侧”、“右侧”、“上部”和“下部”、“顶部”和“底部”以及其他类似术语的术语是指图中所示的相对位置。通常，物理实施例可具有不同的取向，在这种情况下，所述术语意在指修改到装置的实际取向的相对位置。例如，即使图2中的构造与图中的取向相比翻转，但第一吸光层230仍被认为是在势阱或再发射层240的“顶部”。
尽管上面详细描述了本发明的具体实例以有利于说明本发明的各个方面，但是应该理解的是，并不意图将本发明限于这些实例的具体描述。相反，本发明的目的在于覆盖所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改形式，等同形式和替代形式。
Claims (81)
1.一种发射具有第一颜色的输出光的发光***，所述***包括：
第一电致发光装置，所述第一电致发光装置响应于第一信号发射第一波长的光，所述第一波长基本上独立于所述第一信号，并且所发射的第一波长光的强度基本上与所述第一信号成比例；以及
第一发光元件，所述第一发光元件包括第二电致发光装置和第一光转换层，其中：
所述第二电致发光装置响应于第二信号发射第二波长的光；并且其中：
所述第一光转换层包括半导体势阱并将所述第二波长的光的至少一部分转换为第三波长的光，所述第三波长比所述第二波长长；
其中所述发光***将所述第一波长的光与所述第三波长的光组合，以形成具有所述第一颜色的输出光，并且其中当所述第一和第二信号中的一个从该信号的最大额定值的约50％变化至所述最大额定值的约100％，但是所述第一信号与所述第二信号之比基本上保持不变时，所述输出光的所述第一颜色基本上保持不变。
2.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第二波长基本上独立于所述第二信号。
3.根据权利要求1所述的发光***，其中所发射的第二波长光的强度基本上与所述第二信号成比例。
4.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一和第二电致发光装置中的至少一个为LED。
5.根据权利要求4所述的发光***，其中所述LED为III-V LED。
6.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一和第二电致发光装置中的每一个包括至少一个势阱，并且其中所述第一和第二电致发光装置中的各势阱包括相同的半导体合金。
7.根据权利要求6所述的发光***，其中所述第一和第二电致发光装置中的各势阱具有相同的厚度。
8.根据权利要求6所述的发光***，其中所述第一和第二电致发光装置中的各势阱包括GaInN。
9.根据权利要求8所述的发光***，其中所述第一和第二电致发光装置中的各势阱紧邻包含GaN的层。
10.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一光转换层中的所述势阱包括II-VI化合物。
11.根据权利要求10所述的发光***，其中所述第一光转换层中的所述势阱包括Cd(Mg)ZnSe或ZnSeTe。
12.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一波长基本上等于所述第二波长。
13.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一和第二波长中的至少一个为蓝光。
14.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第三波长为绿光或红光。
15.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一和第二电致发光装置具有基本上相同的光学和电学特性。
16.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一信号的10％的变化导致所述第一波长的1％或更小的变化。
17.根据权利要求1所述的发光***，其中所发射的第一波长的强度是所述第一信号的k1倍，k1为实常数。
18.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第二信号的10％的变化导致所述第二波长的1％或更小的变化。
19.根据权利要求1所述的发光***，其中所发射的第二波长的强度是所述第二信号的k2倍，k2为实常数。
20.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一光转换层基本上将所有所述第二波长的光转换为所述第三波长的光。
21.根据权利要求20所述的发光***，其中所述第一光转换层将所述第二波长的光的至少50％转换为所述第三波长的光。
22.根据权利要求20所述的发光***，其中所述第一光转换层将所述第二波长的光的至少70％转换为所述第三波长的光。
23.根据权利要求20所述的发光***，其中所述第一光转换层将所述第二波长的光的至少90％转换为所述第三波长的光。
24.根据权利要求1所述的发光***，其中任何未转换的第二波长光的大部分被所述发光***吸收。
25.根据权利要求24所述的发光***，其中所述未转换的第二波长光的至少50％被所述发光***吸收。
26.根据权利要求24所述的发光***，其中所述未转换的第二波长光的至少70％被所述发光***吸收。
27.根据权利要求24所述的发光***，其中所述未转换的第二波长光的至少90％被所述发光***吸收。
28.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一颜色是绿色、黄色、琥珀色、红色和白色中的一种。
29.根据权利要求1所述的发光***，其中所述第一和第二信号源自相同的控制信号。
30.根据权利要求29所述的发光***，其中当所述控制信号显著变化，但是所述第一信号与所述第二信号之比基本上保持不变时，所述输出光的所述第一颜色基本上保持不变。
31.根据权利要求30所述的发光***，其中当所述控制信号变化约10％，并且所述第一信号与所述第二信号之比变化约1％或更小时，所述第一颜色的u’和v’颜色坐标中的每一个变化不超过0.003。
32.根据权利要求1所述的发光***，还包括第二发光元件，所述第二发光元件包括第三电致发光装置和第二光转换层，其中：
所述第三电致发光装置响应于第三信号发射第四波长的光；并且其中：
所述第二光转换层包括半导体势阱并将所述第四波长的光的至少一部分转换为第五波长的光，所述第五波长比所述第二波长长；
其中所述发光***将所述第一、第三和第五波长的光组合，以形成具有所述第一颜色的输出光，并且其中当所述第一、第二和第三信号中的一个从该信号的最大额定值的约50％变化为所述最大额定值的约100％，但是所述第一信号与所述第二信号之比基本上保持不变，并且所述第一信号与所述第三信号之比基本上保持不变时，所述输出光的所述第一颜色基本上保持不变。
33.根据权利要求32所述的发光***，其中所述第四波长基本上等于所述第一波长。
34.根据权利要求32所述的发光***，其中所述第一、第二和第三电致发光装置中的每一个包括至少一个势阱，并且其中所述第一、第二和第三电致发光装置中的各势阱包括相同的半导体合金。
35.根据权利要求34所述的发光***，其中所述第一、第二和第三电致发光装置中的各势阱具有相同的厚度。
36.一种发射具有第一颜色的输出光的发光***，所述***包括：
发射第一波长的光的第一电致发光装置；
第一发光元件，所述第一发光元件包括：
发射第二波长的光的第二电致发光装置；以及
第一光转换层，所述第一光转换层包括半导体势阱并将所述第二波长的光的至少一部分转换为更长的第三波长的光，所述发光***将所述第一和第三波长的光组合，以形成具有所述第一颜色的输出光；以及
控制器，所述控制器接收输入信号，并响应于控制信号输出用于驱动所述第一电致发光装置的第一信号，以及响应于控制信号输出用于驱动所述第二电致发光装置的第二信号，其中当所述控制信号从所述控制信号的最大额定值的约50％变化为约100％，但是所述第一信号与所述第二信号之比基本上保持不变时，所述输出光的所述第一颜色基本上保持不变。
37.根据权利要求36所述的发光***，其中在所述控制信号的所述最大额定值的约50％至约100％范围内，所述第一电致发光装置的输出光功率与所述第二电致发光装置的输出光功率之比基本上独立于所述控制信号。
38.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第一和第二电致发光装置中的至少一个为LED。
39.根据权利要求38所述的发光***，其中所述LED为III-VLED。
40.根据权利要求36所述的发光***，其中所述势阱包括II-VI化合物。
41.根据权利要求40所述的发光***，其中所述第一光转换层中的所述半导体势阱包括Cd(Mg)ZnSe或ZnSeTe。
42.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第一波长基本上等于所述第二波长。
43.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第一和第二波长中的至少一个为紫外光或蓝光。
44.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第三波长为绿光、黄光、琥珀色光或红光。
45.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第一和第二电致发光装置具有基本上相同的光学和电学特性。
46.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第一信号的10％的变化导致所述第一波长的1％或更小的变化。
47.根据权利要求36所述的发光***，其中所发射的第一波长的强度是所述第一信号的k1倍，k1为实常数。
48.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第二信号的10％的变化导致所述第二波长的1％或更小的变化。
49.根据权利要求36所述的发光***，其中所发射的第二波长的强度是所述第二信号的k2倍，k2为实常数。
50.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第一光转换层基本上将所有所述第二波长的光转换为所述第三波长的光。
51.根据权利要求50所述的发光***，其中所述第一光转换层将所述第二波长的光的至少50％转换为所述第三波长的光。
52.根据权利要求50所述的发光***，其中所述第一光转换层将所述第二波长的光的至少70％转换为所述第三波长的光。
53.根据权利要求50所述的发光***，其中所述第一光转换层将所述第二波长的光的至少90％转换为所述第三波长的光。
54.根据权利要求36所述的发光***，其中任何未转换的第二波长光的大部分被所述发光***吸收。
55.根据权利要求54所述的发光***，其中所述未转换的第二波长光的至少50％被所述发光***吸收。
56.根据权利要求54所述的发光***，其中所述未转换的第二波长光的至少70％被所述发光***吸收。
57.根据权利要求54所述的发光***，其中所述未转换的第二波长光的至少90％被所述发光***吸收。
58.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第一颜色是绿色、黄色、琥珀色、红色和白色中的一种。
59.根据权利要求36所述的发光***，其中所述第一和第二信号源自相同的控制信号。
60.根据权利要求59所述的发光***，其中当所述控制信号从所述控制信号的最大额定值的约50％变化至约100％，但是所述第一信号与所述第二信号之比基本上保持不变时，所述输出光的所述第一颜色基本上保持不变。
61.根据权利要求60所述的发光***，其中当所述控制信号从约50％变化至约100％，并且所述第一信号与所述第二信号之比变化约1％或更小时，所述第一颜色的x和y颜色坐标中的每一个变化不超过0.003。
62.一种发光***，包括：
第一LED，所述第一LED响应于输入信号发射具有第一颜色的第一光；以及
第二LED，所述第二LED响应于所述输入信号发射具有第二颜色的第二光；以及
光转换层，所述光转换层包括II-VI半导体势阱，并将所述第二光的至少一部分转换为具有第三颜色的第三光，其中所述发光***通过将所述第一和第三光组合来输出具有输出颜色和输出强度的光，并且其中所述输入信号的变化使所述输出强度变化，但是不会使所述输出颜色变化。
63.根据权利要求62所述发光***，其中所述第一和第二LED中的每一个包括至少一个势阱，并且其中所述第一和第二LED中的各势阱包括相同的半导体合金。
64.根据权利要求63所述发光***，其中所述第一和第二LED中的各势阱具有相同的厚度。
65.根据权利要求62所述发光***，其中所述输出颜色的变化不会导致所述输入信号的变化。
66.一种发射具有输出颜色的输出光的发光***，所述***包括发射主颜色的光的主LED以及N个发光元件，N≥1，其中第i发光元件，i＝1至N，包括：
发射第i LED颜色的光的第i LED；以及
第i光转换层，包括半导体势阱并将第i LED颜色的光的至少一部分转换为不同于第i LED颜色的第i中间颜色的光，当i不等于j时，第i中间颜色不同于第j中间颜色，所述发光***将所述主颜色的光与第i中间颜色的光组合，i＝1至N，以形成具有所述输出颜色的输出光；以及
控制器，接收输入信号，并响应于所述输入信号输出用于驱动所述主LED的主信号，以及响应于所述输入信号输出用于驱动第i LED的第i信号，i＝1至N，其中当所述输入信号从所述输入信号的最大额定值的约50％变化至约100％，但是所述主信号与第i信号之比基本上保持不变，i＝1至N时，所述输出光的所述输出颜色基本上保持不变。
67.根据权利要求66所述发光***，其中在所述输入信号的所述最大额定值的约50％至约100％的范围内，所述主LED的输出光功率与第i LED，i＝1至N，的输出光功率之比基本上独立于所述输入信号。
68.根据权利要求66所述发光***，其中所述输出颜色为白色，N＝2，所述主颜色以及第一和第二LED颜色中的每一个为蓝色，第一中间颜色为绿色，且第二中间颜色为红色。
69.根据权利要求66所述发光***，其中所述主LED和第i LED，i＝1至N，中的每一个包括至少一个势阱，并且其中各势阱包括相同的半导体合金。
70.根据权利要求69所述发光***，其中各势阱具有相同的厚度。
71.一种发光***，包括：
第一发光元件，所述第一发光元件响应于第一信号S1发射第一波长λ1的第一光；以及
第二发光元件，所述第二发光元件包括：
第一电致发光装置，所述第一电致发光装置响应于第二信号S2发射不同于λ1的第二波长λ2的第二光；以及
第一光转换层，所述第一光转换层包括半导体势阱，并将所述第二光的一部分转换为不同于λ1和λ2的第三波长λ3的第三光，并透射所述第二光的一部分作为λ2的第四光；
其中所述发光***将第一、第三和第四光组合，以形成具有第一颜色Co的输出光，并且其中当S1和S2信号中的一个从该信号的最大额定值的约50％变化至所述最大额定值的约100％，但比率S1/S2基本上保持不变时，所述第一颜色Co基本上保持不变。
72.根据权利要求71所述的发光***，其中所述第一发光元件包括：
第二电致发光装置，所述第二电致发光装置响应于所述第二信号S2发射第四波长λ4的第五光；以及
第二光转换层，所述第二光转换层包括半导体势阱并将所述第五光的至少一部分转换为所述第一波长λ1的第一光。
73.根据权利要求72所述的发光***，其中波长λ2和λ4中的每一个对应于蓝光。
74.根据权利要求72所述的发光***，其中λ2与λ4之差不超过70nm。
75.根据权利要求72所述的发光***，其中λ2与λ4之差不超过50nm。
76.根据权利要求72所述的发光***，其中λ2与λ4之差不超过30nm。
77.根据权利要求72所述的发光***，其中λ2与λ4之差不超过10nm。
78.根据权利要求71所述的发光***，其中所述第一发光元件的输出光谱以所述第一波长λ1为中心。
79.根据权利要求71所述的发光***，其中所述第一电致发光装置为LED。
80.根据权利要求71所述的发光***，其中λ1对应于绿光，λ2对应于蓝光，λ3对应于红光，所述第一颜色Co对应于白光。
81.根据权利要求71所述的发光***，其中当S1和S2信号中的一个从该信号的最大额定值的约50％变化至所述最大额定值的约100％，所述比率S1/S2变化约3％或更小，并且Co的变化Δ(u’，v’)不超过0.003，u’和v’为颜色Co的颜色坐标。
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