CN102906889A - 用于发光器件的滤光器 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例包括半导体发光器件，能够发射具有第一峰值波长的第一光；以及波长转换元件，能够吸收第一光并发射具有第二峰值波长的第二光。在一些实施例中，该结构还包括金属纳米颗粒阵列（32），配置成通过第一波长范围中的大部分光而反射或吸收第二波长范围中的大部分光。在一些实施例中，该结构还包括滤光器（42，16），配置成通过第一波长范围中的大部分光并反射或吸收第二波长范围中的大部分光，其中配置所述滤光器，使得对于以相对于滤光器主表面法线0°和60°之间角度入射在滤光器上的光而言，滤光器通过最小量光的波长偏移不超过30nm。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于半导体发光器件的滤光器。
背景技术
半导体发光器件是当前可用的最有效率的光源之一，包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边发射激光器。制造能够跨越可见光谱工作的高亮度发光器件时当前感兴趣的材料***包括III-V族半导体，尤其是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也称为III-氮化物材料。典型地，通过金属有机化学气相淀积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其他外延技术在蓝宝石、碳化硅、III-氮化物或其他适当衬底上外延生长成分和掺杂剂浓度不同的半导体层叠层，从而制造III-氮化物发光器件。叠层常常包括形成于衬底上、掺杂有例如Si的一个或多个n型层，形成于n型层上有源区中的一个或多个发光层，以及形成于有源区上，掺杂以例如Mg的一个或多个p型层。在n和p型区域上形成电接触。
图1示出了US 5813752中更详细描述的LED。短波通过（SWP）滤光器38设置于LED 36和磷光体层40之间，另一个SWP滤光器42添加在磷光体层40顶部（观看侧）。SWP滤光器42的功能是：（1）反射波长太长的光和（2）反射希望波长的光的一部分。没有滤光器，后一种光就会以相对于法线的小角度和大角度（以所谓的朗伯或余弦曲线分布）出射到空气中。有了滤光器，大角度光被滤光器反射并接下来散射，被磷光体层40和滤光器38到滤光器42重新进行角分布并反向反射。于是，这种光的大部分能够相对于表面上法线以小角度出射到空气中。优选的SWP滤光器是多层电介质叠层，优选至少12层，具有交替的高低折射率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于波长转换半导体发光器件的滤光器，其可以改善在该结构发射的光谱中颜色与角度关系的控制。
本发明的实施例包括半导体发光器件，能够发射具有第一峰值波长的第一光；以及波长转换元件，能够吸收第一光并发射具有第二峰值波长的第二光。在一些实施例中，该结构还包括金属纳米颗粒阵列，配置成通过第一波长范围中的大部分光而反射或吸收第二波长范围中的大部分光。在一些实施例中，该结构还包括滤光器，其配置成通过第一波长范围中的大部分光并反射或吸收第二波长范围中的大部分光，其中配置所述滤光器，使得对于以相对于滤光器主表面法线0°和60°之间角度入射在滤光器上的光而言，滤光器通过最小量光的波长偏移不超过30nm。
在常规滤光器、例如常规电介质叠层中，滤光器的反射率行为强烈取决于光的入射角。这里描述的滤光器可以具有较小的反射率与角度相关性或不同的反射率与角度行为，可以在结构发射的光的光谱中提供优异的颜色与角度关系的控制。
附图说明
图1示出了包括LED、磷光体层和两个滤光器的现有技术器件。
图2示出了半导体发光器件、波长转换元件和滤光器的布置。
图3示出了半导体发光器件、波长转换元件和滤光器的替代布置。
图4示出了光通过设置于半导体发光器件上的波长转换元件的路径。
图5示出了薄膜倒装芯片发光器件。
图6示出了垂直发光器件。
图7示出了金属纳米颗粒阵列。
图8是针对各种点阵间隔的银纳米柱阵列，作为波长函数的消光图。
图9是针对各种纳米柱直径的银纳米柱阵列，作为波长函数的消光图。
图10是针对金纳米颗粒阵列上各种入射角的光，作为波长函数的透射率图。
图11是针对具有不同折射率的两种材料的叠层，作为较小折射率的函数的折射率比率图。
具体实施方式
在常规反射体中，例如上文参考图1所述的多层电介质叠层中，对于不同的入射角，反射率可能会有极大变化。这种行为由图1中所示的光线例示，小角度光被透射，而大角度光被反射。这样的反射体不适合不希望反射率与角度相关的应用。
在本发明的实施例中，将全向波长可调滤光器与诸如LED的半导体发光器件组合进行颜色控制。滤光器可以被配置成通过特定波长并反射其他波长（波长可调），与被通过或反射光的入射角无关（全向）。
尽管在下面的范例中，半导体发光器件是发射蓝色或紫外光的III-氮化物LED，但可以使用除LED之外的半导体发光器件，例如由其他材料***制造的激光二极管和半导体发光器件，其他材料***例如是其他III-V材料、III-磷化物、III-砷化物、II-VI材料或Si基材料。
可以使用任何适当的LED。图5和6示出了适当的LED 10的两个范例。为了制造图5和6中所示的器件，在生长衬底上生长半导体结构22。半导体结构22包括夹在n和p型区域之间的发光或有源区。通常首先生长n型区域，n型区域可以包括多个不同成分和掺杂剂浓度的层，例如包括准备层，如缓冲层或成核层，其可以是n型或非人为掺杂的，以及n或甚至p型器件层，为实现发光区域期望的特定光学或电学性质而设计，以有效率地发光。在n型区域上生长发光区域或有源区。适当发光区域的范例包括单个厚的或薄的发光层，或者包括多个由势垒层分开的薄或厚发光层的多量子阱发光区域。在发光区域上生长p型区域。像n型区域那样，p型区域可以包括多个不同成分、厚度和掺杂剂浓度的层，包括非人为掺杂的层或n型层。
在图5中所示的器件中，在p型区域上设置p接触金属26，然后蚀刻掉p型区域和有源区的一部分，以暴露n型层进行金属化。P接触26和n接触24在器件的同一侧上。如图5所示，p接触26可以设置于多个n接触区域24之间，但这并非必要的。在一些实施例中，n接触24和p接触26之一或两者是反射性的，安装器件使得通过图5中所示的取向的器件顶部提取光。在一些实施例中，接触可以在范围上受限或做成透明的，可以安装器件，从而通过其上形成接触的表面提取光。将半导体结构附着于底座28。如图5所示，可以去除生长衬底，或者它可以保持为器件的一部分。在一些实施例中，对通过去除生长衬底而暴露的半导体层进行构图或粗糙化，这可以改善从器件提取光。
在图6中所示的垂直注入LED中，在半导体结构一侧上形成n接触，在半导体结构的另一侧形成p接触。例如，可以在p型区域上形成p接触26，可以将器件通过p接触26附着于底座28。可以去除衬底的全部或一部分并可以在通过去除衬底一部分暴露的n型区域表面上形成n接触24。可以利用图6中所示的丝焊或任何其他适当结构做出通往n接触的电接触。
可以将LED与一种或多种波长转换材料组合，例如磷光体、量子点、半导体量子阱或染料，以生成白光或其他颜色的单色光。波长转换材料吸收LED发射的光并发射不同波长的光。可以通过波长转换材料转换LED发射的全部或仅一部分光。LED发射的未转换光可以是最终光谱的一部分，但未必一定这样。常见组合的范例包括发蓝光LED与发黄光磷光体组合，发蓝光LED与发绿光和红光磷光体组合，发紫外光LED与发蓝光和黄光磷光体组合，以及发紫外光LED与发蓝光、绿光和红光的磷光体组合。可以添加发射其他颜色光的波长转换材料以调节从器件发射的光的光谱。在一些实施例中，将发红光磷光体和发绿光或黄光磷光体与发蓝光LED组合，发红光磷光体可以设置于发蓝光LED和发绿光或发黄光磷光体之间。例如，发红光磷光体可以是粉末，发绿光或黄光磷光体可以是陶瓷，使得粉末设置于LED和陶瓷之间。或者，发红光磷光体可以是陶瓷，发绿光或黄光磷光体可以是粉末，使得粉末设置于陶瓷上方。
波长转换元件例如可以是预先形成的陶瓷磷光体层，其胶粘或接合到LED或与LED分隔开，或是设置于有机密封剂中的粉末磷光体或量子点，有机密封剂被模版印刷、丝网印刷、喷射、沉积、蒸镀、溅镀或以其他方式分配在LED上方。在一些实施例中，波长转换元件可以是生长于LED上或生长于独立的生长衬底上的外延生长的半导体层。与LED的电泵浦有源区（这意味着在正向偏置时其发光）不同，半导体波长转换元件是光泵浦的，这表示其吸收第一波长的光并作为响应发射第二更长波长的光。
图2示出了根据本发明实施例的发光器件、波长转换元件和滤光器的布置。滤光器12设置于半导体发光器件10和波长转换元件14之间。滤光器12可以被配置成允许器件10发射的波长的光子通过，并反射更长波长的光子，例如由波长转换元件14发射的波长。滤光器12可以减少器件10或器件10安装于其中或其上的封装吸收的光子数，这可以增大***的发光效能。
在一些实施例中，滤光器12设置于器件10的顶表面上或独立于器件10制造的波长转换元件、例如陶瓷磷光体的底表面上。
图3示出了根据本发明实施例的发光器件、波长转换元件和滤光器的替代布置。在图3所示的布置中，波长转换元件14设置于发光器件10和滤光器16之间。
在一些实施例中，滤光器16被配置成部分反射由器件10发射的光并通过更长波长的光，例如波长转换元件14发射的光。例如，滤光器16可以被配置成反射小入射角（例如，相对于器件顶表面的法线小于45°）的器件10发射的光，并通过器件10在大入射角（例如，相对于器件顶表面的法线大于45°）发射的光，这与图1的SWP滤光器42相反，其通过小入射角的光并反射大入射角的光。滤光器16反射器件10在小入射角发射的光并通过器件10在大入射角发射的光，这可以减少光晕的出现，即图4中所示的效应。在图4的器件中，从器件10以小入射角发射的光18“看到”较少的波长转换元件14，因此比以大入射角从器件10发射的光20被转换的可能性小。对于发蓝光的器件10和发黄光的波长转换元件14而言，在从上方观看时，来自结构中心的光将显得比来自边缘的光更蓝，来自边缘的光显得更黄，在器件周围导致黄色“光晕”的出现。反射器件10在小角度发射的光给这样的光更多机会在离开该结构之前得到波长转换，这可以改善结构发射的光的颜色均匀性。
滤光器16可以被配置成重新辐射滤光器16例如以朗伯或准朗伯模式通过的器件10发射的光，其可以根据入射角减小器件10发射的光的强度变化。例如，这可以通过在例如陶瓷磷光体波长转换元件14上放置滤光器16来实现。
在一些实施例中，图2的滤光器12或图3的滤光器16可以是由贵金属制造的纳米颗粒阵列。图7示出了这样的阵列。该阵列包括由第二材料30分开的第一材料32的区域，其中第一材料和第二材料具有不同折射率。在一些实施例中，圆32是金属柱，区域30是例如器件10、波长转换元件14的表面或诸如透明板的另一表面，以便于制造阵列或便于将阵列与器件10和/或波长转换元件14远远分开。在一些实施例中，区域30是金属层的表面，圆32是从其去除金属的孔。可以利用空气或诸如电介质的另一材料填充孔。在一些实施例中，元件32均具有5和500nm之间的宽度以及5和500nm之间的高度。最近的相邻元件32可以分开10和1000nm之间。
图7中所示的阵列可以由例如如下方式形成：沉积剥离层，例如通过光刻、电子束光刻或纳米印刷光刻对该层构图，沉积金属层，例如银或金，然后剥离剥离层以去除多余金属。在一些实施例中，阵列由自组装块状共聚物模板形成。自组装块状共聚物模板是由两个或三个不同单体长度构成的聚合物。不同的单体在疏水性方面有差异，因此它们易于自组装成图案。共聚物模板可以形成于要在其上形成纳米颗粒阵列的表面上。金属层可以沉积在模板上方，然后去除共聚物模板，留下金属纳米颗粒阵列。可替换地，可以在金属层上形成共聚物模板层并用作图案从而蚀刻金属层以形成纳米颗粒阵列。
可以配置该阵列，使得纳米颗粒充当光学谐振器或光学天线，吸收光并在不同角度重新发射。可以在可见光范围调节金属纳米颗粒阵列以通过适当选择颗粒尺寸和间距来仅吸收并重新发射特定波长带中的光。可以设计这样的纳米颗粒阵列以对于特定光谱带具有最小吸收和最大反射率。由纳米颗粒阵列重新辐射光可能根据入射角具有一定的强度相关性，但光谱变化随着照明入射角微乎其微。该阵列可以用阵列元件32的直径以及相邻阵列元件之间的点阵间距来表征。尽管阵列元件32在图7中是圆形的，但可以使用任何适当的形状，包括，但不限于椭圆、矩形或平行四边形。尽管示出了三角形点阵，但可以使用任何适当的点阵，包括，例如矩形、五边形、六边形和八边形点阵。
图8是直径130nm高30nm的银纳米柱三角形阵列作为波长函数的消光图。纳米柱形成于石英表面上。消光是指未通过阵列的光，消失的光或者被散射或者被阵列吸收。图8示出了点阵间距为320nm、360nm、420nm和480nm的阵列作为波长函数的消光情况，向空气中和折射率为1.33的材料（水）中发射光。如图8所示，随着点阵间距增大，消光带的峰值波长变得更大，在向空气中提取光时，在a=320nm处大约为600nm，在a=480nm处为650nm。
图9是直径为50nm、75nm、100nm、150nm、180nm和200nm的30nm高银纳米柱的三角形阵列作为波长函数的消光图。如图9所示，随着阵列元件的直径增大，消光带的峰值波长更长。
图10是针对0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°的入射角，金纳米颗粒阵列作为波长函数的透射率图。如图10所示，透射率的波长相关性不强烈取决于入射角。例如，0°角，透射率曲线中的最小值约为540nm。在60°入射角，这个透射最小值仅偏移到531nm。在一些实施例中，在图2的滤光器12或图3的滤光器16中，滤光器反射或吸收第一波长范围中的大部分光并通过第二波长范围中的大部分光。在第二波长范围中，不论滤光器上的入射角如何，滤光器都通过至少70%的光。在一些实施例中，配置滤光器，使得在0°到60°入射角范围上透射最小量光的波长偏移不超过30nm。
在一些实施例中，靠近量子点、磷光体或物理厚度足够小（例如，在一些实施例中小于100nm厚）的其他波长转换元件使用金属纳米颗粒阵列。金属表面存在的强电场增强可以通过减少来自波长转换器的发射的辐射寿命来提高波长转换器的辐射效率。
在一些实施例中，图2的滤光器12或图3的滤光器16是类似于传统二向色滤光器的薄膜多层叠层，但仔细选择层折射率以生成在所有角度吸收或反射光的波长带。在一些实施例中，在500-750nm波长范围上反射的全向多层叠层反射器可以具有40%的范围-中列数比率。“范围-中列数比率”定义为比率（ω2-ω1）/0.5（ω2+ω1），其中ω2是透射的最低高频光子，ω1是透射的最高低频光子。范围-中列数比率定义了全向性所需的折射率。通过识别滤光器期望“阻带”的宽度来计算差异（ω2-ω1），阻带是所有角度上都吸收或反射光的波长带。频率通过E=ω/2π=c/λ与波长相关，其中c是光速。一旦计算了范围-中列数比率，就可以从图11识别适当的折射率，在Winn等人，Optics Letters 23（20）1573-1575，1998的文章中将其公开为图4。图11是对于折射率为n1和n2的两种材料的交替层的叠层作为较小折射率n1函数的折射率比率n2/n1的图示。
对于500到750nm的阻带，适当滤光器的一个范例是折射率为1.7和4.34的材料的多层叠层。为了仅反射器件10的窄光发射，仅需要大约10%或更小的窄范围-中列数比率。这可以利用高和低折射率透明薄膜的多层膜（例如二氧化钛以及折射率在1.4-2范围中的若干透明薄膜的任一种、例如SiO2）来实现。范围-中列数比率为10%或更小的多层叠层可以充当损失最小的窄带全向滤光器。
已经详细描述了本发明，本领域的技术人员将认识到，在给定本公开的情况下，可以对本发明做出修改而不脱离这里描述的发明构思的精神。因此，本发明的范围并非旨在要限于图示和描述的具体实施例。
Claims (20)
1.一种结构，包括：
半导体发光器件，能够发射具有第一峰值波长的第一光；
波长转换元件，能够吸收第一光并发射具有第二峰值波长的第二光；以及
包括金属纳米颗粒阵列的滤光器，所述金属纳米颗粒阵列包括由第二材料分隔的第一材料区域的阵列，其中所述第一材料和所述第二材料具有不同折射率，且所述第一材料和所述第二材料之一为金属；其中
金属纳米颗粒阵列被配置成通过第一波长范围中的大部分光而反射或吸收第二波长范围中的大部分光。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述金属纳米颗粒阵列设置于所述半导体发光器件和所述波长转换元件之间。
3.根据权利要求2所述的结构，其中所述第一波长范围包括所述第一光，所述第二波长范围包括所述第二光。
4.根据权利要求1所述的结构，其中所述波长转换元件设置于所述半导体发光器件和所述金属纳米颗粒阵列之间。
5.根据权利要求4所述的结构，其中所述第一波长范围包括所述第二光，所述第二波长范围包括所述第一光。
6.根据权利要求1所述的结构，其中所述第一材料是金属，所述第二材料是空气。
7.根据权利要求1所述的结构，其中所述第一材料是空气，所述第二材料是金属。
8.根据权利要求1所述的结构，其中金属包括银和金中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的结构，其中所述金属纳米颗粒阵列被配置成通过所述第一波长范围中至少70%的光而不论金属纳米颗粒阵列上的入射角如何。
10.根据权利要求1所述的结构，其中配置所述滤光器，使得对于以相对于滤光器主表面法线0°和60°之间的角度入射在滤光器上的光，滤光器通过最小量光的波长偏移不超过30nm。
11.根据权利要求1所述的结构，其中第一材料区域是金属元件，其中每个金属元件具有5和500nm之间的宽度以及5和500nm之间的高度，且其中最近的相邻金属元件间隔10和1000nm之间。
12.一种结构，包括：
半导体发光器件，能够发射具有第一峰值波长的第一光；
波长转换元件，能够吸收第一光并发射具有第二峰值波长的第二光；以及
滤光器，配置为通过第一波长范围中的大部分光并反射或吸收第二波长范围中的大部分光，其中配置所述滤光器，使得对于以相对于滤光器主表面法线0°和60°之间角度入射在滤光器上的光而言，滤光器通过最小量光的波长偏移不超过30nm。
13.根据权利要求12所述的结构，其中所述滤光器包括具有不同折射率的材料的多层叠层。
14.根据权利要求13所述的结构，其中所述多层叠层包括二氧化钛和折射率至少为1.4且不超过2的材料。
15.根据权利要求12所述的结构，其中所述滤光器设置于所述半导体发光器件和所述波长转换元件之间。
16.根据权利要求15所述的结构，其中所述第一波长范围包括所述第一光，所述第二波长范围包括所述第二光。
17.根据权利要求12所述的结构，其中所述波长转换元件设置于所述半导体发光器件和所述滤光器之间。
18.根据权利要求17所述的结构，其中所述第一波长范围包括所述第二光，所述第二波长范围包括所述第一光。
19.根据权利要求12所述的结构，其中：
所述滤光器是金属纳米颗粒阵列；
所述波长转换元件是陶瓷磷光体；并且
所述滤光器设置于所述半导体发光器件和所述磷光体之间。
20.根据权利要求19所述的结构，其中：
所述金属纳米颗粒阵列包括金属元件的阵列；
每个金属元件具有5和500nm之间的宽度以及5和500nm之间的高度；并且
最近的相邻金属元件分开10和1000nm之间。
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