專利名稱：發光二極管用磷進行波長轉換的方法和裝置的制作方法
相關申請本發明要求1998年10月21日遞交的美國臨時申請60/105,056的利益。
以往，發光波長在紫外光與藍光之間的發光二極管(LED)的外部效率很低，例如只有發紅光AlGaAs LED之類其他裝置的百分之一的千分之幾。但是，由于InGaN/AlGaN量子阱裝置所取得的進展，已可制作發光波長在紫外光與藍光之間、其效率可與最佳發紅光或發黃光的LED相比擬的LED。例如，據報道，室溫下發光波長為400-450nm的InGaN/AlGaN LED的外部效率達10％。參見Nakamura等人的Appl.Phys.Lett.67(13),1995,p.1868；也可參見作為參考材料包括在此的Nakamura等人的美國專利5,959,307。由于InGaN/AlGaN的折射率高，因此10％的外部效率與接近100％的內部效率相當。因此，發光波長在紫外光與藍光之間的這些LED的內部效率比公知的發紅光或發黃光的LED高。
由于發光波長在紫外光與藍光之間的LED的相對效率較高，因此以這些裝置為良好基礎可設計發光波長從綠光到紅光的發光裝置。但是，現有系統無法有效地裝有發光波長在紫外光與藍光之間的LED。
發明概述一裝置包括一激活區、一磷層和一基片。該激活區可發射從第一組波長中選出的第一波段波長的光。該磷層具有第一折射率。該磷層包括多個波長轉換磷。該磷層可把從該激活區發射的光的第一波段波長轉換成第二波段波長。第二波段波長的中心波長比第一波段波長的中心波長大。該基片位于該激活區與該磷層之間并與它們接觸。該基片具有第二折射率。第一折射率大致等于第二折射率。
圖2示出本發明發光裝置另一實施例。
圖3示出本發明發光裝置一實施例的外部效率上限與一磷層的折射率之間的關系。
圖4示出本發明一實施例的具有三個顏色象素的發光裝置的一部分。
圖5示出本發明另一實施例的具有至少一個反射層的發光裝置。
圖6示出本發明另一實施例的具有一反射層的發光裝置。
圖7示出本發明一實施例的呈臺型結構的發光裝置。
圖8示出本發明該實施例的具有多個象素的發光裝置，其中，每一個象素呈臺型結構。
詳細說明
圖1示出本發明發光裝置一實施例。發光裝置100包括接觸點110、激活區120、基片130、磷層140和接觸點150。激活區120可進一步包括裝置層121、激活層122和裝置層123。
激活區120可為任何類型的層，該(這些)層通過受激發光過程生成具有特殊波段波長的光。該特殊波段波長可為一可由一特殊激活層生成的一大組波長的子集。例如，一至少由AlxGa1-xN(其中，x為0和1之間的值)構成的激活層122可生成波段波長在約300nm-約500nm的光。波長的這一范圍(即300nm-500nm)在紫外光與藍光之間。換句話說，由激活層122生成的該組可能波長可看成可至少由AlxGa1-xN構成的一激活區生成的波長，其中，x為0和1之間的值。
在一實施例中，激活層122可至少由InGaN/AlxGa1-xN構成，裝置層121可為一與激活層122接觸的p型AlGaN層，裝置層123可為配置在激活層122與基片130之間并與它們接觸的一n型AlGaN層。對這種激活區的說明見上述出版物。激活區120可由接觸點110和接觸點150激發，其中，接觸點150呈圍繞裝置層123的環形。
應該指出，術語“裝置層”和“激活層”可各包括多層，例如具有多層的超晶格結構。例如，一p型裝置層可包括總體顯示出p型行為的多層。具體到圖1，裝置層121、激活層122、裝置層123可各包括比方說呈超晶格結構的多層。
基片130可為任何類型的基片，例如藍寶石基片、碳化硅或可與裝置層123鄰接所適當構成的任何材料。
磷層140可為任何合適類型的涂層，其具有埋置在一接合材料中的一波長轉換磷矩陣。術語“磷”指在轉換入射光的波長的同時可發光的任何物質。“磷”比方說可包括可發光的聚合物。表1例示出可用來構作磷層140的若干涂層。
請注意，盡管圖1所示接觸點110覆蓋裝置層121整個表面，但接觸點110也可構作成經接觸點110和150在激活層133中獲得合適過量的載流子濃度。例如，接觸點110可構作成環形。
圖2示出本發明發光裝置另一實施例。圖2所示發光裝置200與圖1所示發光裝置100類似，只是裝置100的基片層130不在激活區與磷層之間，磷層與裝置層之一直接接觸。確切說，發光裝置200包括基片210、接觸點250、激活區220、磷層230和接觸點240。激活區220包括裝置層221、激活層222和裝置層223。
本發明各實施例的具體構型可隨磷層中的磷的濃度而變。下面討論兩種不同的構型之間的區別并示出這兩種構型的發光裝置的設計方法。
設激活層(例如圖1所示激活層122；圖2所示激活層222)中的自發發射為各向同性，在與磷層(例如圖1中磷層140；圖2中磷層230)相反方向上的輻射忽略不計。在這種情況下，如激活層與磷層之間沒有其反射率小于磷層折射率nc的其他層，則下列方程估計耦合效率ηc，即從激活層發出的光耦合到磷層上的部分ηc=12(1-1-[ncne]2)]]>(1)在方程(1)中，na為位于激活區的激活層與磷層之間(但不必與之接觸)的激活區的裝置層的折射率。例如，如圖1所示，na為裝置層123的折射率；如圖2所示，na為裝置層223的折射率。
方程(1)計及傳入磷層的激發輻射的全內反射，忽略內部層各交界面上(例如圖1中基片130與磷層140的交界面)的菲涅耳反射。如方程(1)所示，從激活區到磷層的耦合效率ηc隨磷層折射率nc的增加而增加；但是，磷層與磷層外部介質(例如空氣)之間交界面的耦合效率隨nc的增加而減小。可用方程(2)估計磷層與磷層外部介質之間交界面的耦合效率ηpηp=12(1-1nc2)4nc(1+nc)2≅1nc(nc+1)2]]>(2)在方程(2)中，計及磷層與磷層外部介質交界面上的菲涅耳反射和該交界面上的全內反射。方程(1)與(2)的乘積生成(在一光路發射體的近似下)該發光裝置外部效率的上限ηe，ηe為nc的函數。
圖3示出本發明發光裝置一實施例的外部效率上限與磷層折射率之間的函數關系。如圖3所示，當nc等于na時該裝置的外部效率ηe最大。因此該裝置交界面上的菲涅耳反射在最佳條件下、例如在折射率匹配的裝置中可忽略不計。這些因素是在激活區與磷層之間沒有中間層或材料(例如如圖2所示激活區與磷層之間沒有基片)時用作選擇具有特定折射率的磷層的合理基礎。
但是，當激活區與磷層之間有基片時，例如在圖1所示發光裝置100中，這一方法就不適用。這一方法在這里之所以不適用，是因為基片130的折射率一般小于激活區折射率na。例如，當基片130用藍寶石制成時，其折射率約為1.75，大大小于激活區折射率(例如，na約等于2.25)。當磷層的折射率大于基片的折射率時，外部效率ηe不提高，因為該效率受到激活區與基片的交界面的限制。換句話說，在nc＞ns的范圍內增加nc并不提高磷的抽運效率(即激活區到磷層的耦合效率)。
因此，當基片不位于激活區與磷層之間(例如圖2所示發光裝置200)時，當磷層的折射率(例如磷層230)大致等于激活區的與磷層鄰接的裝置層(例如裝置層223)的折射率時，發光裝置的外部效率最大。相反，當基片位于激活區與磷層之間(例如圖1所示發光裝置100)時，基片(例如基片130)與磷層(例如磷層140)的折射區的折射率應大致相同。
術語“大致相同”在這里指盡可能接近。換句話說，對于基片不位于激活區與磷層之間的發光裝置，磷層中的接合材料和磷可選擇成磷層的折射率盡可能接近激活區的與磷層鄰接的裝置層的折射率。換句話說，在設計一發光裝置時在磷層的兩組可能的接合材料與磷中作出選擇時，應選擇折射率與該鄰接裝置層更接近的一組接合材料與磷。
或者，對于基片位于激活區與磷層之間的各實施例，在設計一發光裝置時在磷層的兩組可能的接合材料與磷中作出選擇時，應選擇折射率與基片更接近的一組接合材料與磷。
當磷層中的磷濃度低、從而磷層的折射率不隨光的波長而變時上述討論是充分的。當磷層的折射率主要決定于磷層的接合材料的折射率時磷濃度低。換句話說，當在由激活區生成的光的波長下的磷層折射率與在由磷層進行波長轉換的光的波長下的磷層折射率大致相同時，磷濃度低。換句話說，當磷層的散射相對較低時，磷濃度低。
當磷層在接合材料中的磷濃度高時可使用另一種設計。此時，磷層在由發光裝置激活區生成的光的波長下的吸收能力強。因此，磷層在由激活區生成的光的波長下的折射率nce與磷層在由磷層進行波長轉換的光的波長下的折射率ncr不同。例如，當使用雜質離子激發的CdS和ZnS磷以及使用有機染料磷時，由于有機材料中的強弗蘭克-康登移位，就會發生這種情況。
在磷層折射率隨波長而變的情況下，接合材料和磷應選擇成在由激活區生成的光的波長下的磷層折射率nce大致等于磷層旁與之接觸的層的折射率(例如，圖1所示基片130或圖2所示裝置層223)。如果nce約等于na，不發生反射損耗且激活區中生成的在磷層方向上傳播的所有光都轉換成波長轉換光。同樣，接合材料和磷應選擇成在由磷層進行波長轉換的光的波長下的磷層折射率ncr大致等于磷層外部介質的折射率。該介質比方說可為環氧樹脂(其折射率比方說為1.4-1.6)、空氣、水、真空或具有其自己相應折射率的其他介質。
術語“大致相同”在這里指盡可能接近。換句話說，對于基片位于激活區與磷層之間的發光裝置，接合材料和磷可選擇成在由激活區生成的光的波長下的磷層折射率nce盡可能接近基片的折射率。同樣，在由磷層進行波長轉換的光的波長下的磷層折射率ncr選擇成盡可能接近磷層外部介質的折射率。
由于磷的波長轉換的內部效率接近100％，因此磷層折射率nc的散射可導致該裝置的外部輻射效率絕對值提高。使用由方程(2)給出的ηe近似值，波長轉換輻射的外部效率與沒有磷涂層的紫外光/藍光發光裝置的效率之比等于0.5na(na+1)2/ncr(ncr+1)2。由于波長轉換輻射中只有一半在發射表面方向上傳播，因此使用0.5因子。盡管如此，如比方說na=nce=2.5和ncr=1.5，波長轉換輻射的量子效率預期比紫外光/藍光發光裝置的效率高50％，其絕對值甚至在所述一光路模型的框架中高達5％。
圖4示出本發明一實施例的一具有三個顏色象素的發光裝置的一部分。發光裝置400可包括基片410、裝置層420、象素430、440和450。每一象素430、440和450可代表用于顯示的一種顏色。例如，象素430可生成波長與紅色對應的光、象素440可生成波長與綠色對應的光、象素450可生成波長與藍色對應的光。當然，盡管圖4例示出一發光裝置的一部分(即該部分有三個象素)，但這類發光裝置可包括比方說在一兩維陣列中的許多象素。此時，每一象素可被單獨地定址以顯示一種顏色。
象素430進一步包括接觸點431、磷層432、裝置層433、激活層434和接觸點435。對于象素430，激活區434可被定義為裝置層433、激活層434和裝置層420的與激活層434鄰接并與之接觸的部分和接觸點435。
象素440進一步包括接觸點441、磷層442、裝置層443、激活層444和接觸點445。對于象素440，激活區444可被定義為裝置層443、激活層444和裝置層420的與激活層444鄰接并與之接觸的部分和接觸點445。
最后，象素450進一步包括接觸點451、磷層452、裝置層453、激活層454和接觸點455。對于象素450，激活區454可被定義為裝置層453、激活層454和裝置層420的與激活層454接觸的部分和接觸點455。
磷層432、442和452可選擇成，其對應象素430、440和450分別發出與紅色、綠色和藍色對應的波長的光。確切說，象素450所發出的光的波段波長的中心波長為約400nm-約550nm。象素440所發出的光的波段波長的中心波長為約430nm-約650nm。象素430所發出的光的波段波長的中心波長為約550nm-約750nm。
在另一實施例中，無需有與生成波長為約400nm-約550nm(即藍色波長)的光的象素有關的磷層。換句話說，與藍色波長有關的象素的激活層可選擇成激活層生成主要為藍色波長的光。無需一有關磷層進行波長轉換。因此，在該激活層中生成的光可從該象素中直接發射。
一發光裝置的外部效率在多路光過程的情況下大大提高。激活層生成的在與波長轉換磷層相反方向上傳播的光可反射回來，從而激活層到磷層的抽運效率加倍。一反射層比方說可光耦合到激活區上。術語“光耦合”在這里指操作上相關聯以使從激活區發出的光受該反射層的反射。例如，激活層旁可有與之接觸的反射層，或者，反射層與激活層之間可有一中間層(例如一基片)。
此外，激活區與磷層之間可有另一波長選擇反射層。這一波長選擇反射層可使在激活區中生成的光通過已被透射且使得磷層生成的光反射回來后朝向該發光裝置的發光表面。例如，可在藍寶石基片上生長波長選擇反射GaN/AlGaN濾波器。
圖5示出本發明另一實施例的具有至少一個反射層的發光裝置。發光裝置500包括基片510、接觸點560、反射層520、激活區530、反射層540、磷層550和接觸點570。激活區530包括裝置層531、激活層532和裝置層533。在該實施例中，反射層520可反射由激活區530的激活層532生成的波段波長的光以及具有在磷層550中生成的第二波段波長的磷轉換光。換句話說，激活層532可生成第一波段波長的光(例如主要為藍光)向反射層520傳播。同樣，由磷層550進行波長轉換的光可向反射層520傳播。在這種情況下，反射層520可同時反射第一波段波長的光和第二波段波長的光(即由磷層500進行波長轉換的光)。
反射層540可為一波長選擇反射層。換句話說，反射層540可構作成透射第一波段波長的光(即由激活層532生成的光)，而在磷層550中生成的第二波段波長的光(即波長轉換光)在反射層540與磷層550之間交界面上反射。由于波長轉換光在該交界面上反射，因此該光更有效地從該發光裝置500射出，無需穿過發光裝置500的其他各層(例如裝置層533、激活層532、裝置層531)。
在其他實施例中只有一個反射層。換句話說，在其他實施例中，接觸點與裝置層之間有反射層，裝置層與磷層之間沒有反射層。在另一實施例中，也可與此相反，換句話說，裝置層與磷層之間有反射層，接觸點與裝置層之間沒有反射層。
圖6示出本發明又一實施例的具有一反射層的發光裝置。發光裝置600包括磷層610、接觸點620、激活區630、接觸點640、反射層650和基片660。激活區630包括裝置層631、激活層632和裝置層633。
反射層650可反射第一波段波長的光(例如由激活區630的激活層632生成的光)和第二波段波長的光(例如由磷層610進行波長轉換的光)。換句話說，激活層632生成的光可在反射層650的方向上傳播，磷層610中通過波長轉換生成的光也可在反射層650方向上傳播。具有任一這兩個波段波長的光都由反射層650反射后引向磷層610，最終從發光裝置600射出。
盡管圖6中未示出，但裝置層631與磷層610之間可有一波長選擇反射層。該波長選擇反射層可構作成具有第一波段波長的光(即激活層632生成的光)可透射過它，而在磷層610中生成的具有第二波段波長的光(即波長轉換光)在波長選擇反射層與磷層620之間的交界面上反射。
圖6所示反射層的原理也可用于本發明其他實施例，例如圖4所示發光裝置400。在該實施例中，裝置層420與基片410之間可加入一反射層。在該實施例中，反射層反射激活層434、444和454中生成的光以及磷層432、442和452中生成的波長轉換光的所有波長。換句話說，這一反射層可反射例如激活層中生成的主要為紫外光到藍光波長的光，也可反射與象素450有關的主要為藍色的波長轉換的光、由象素440生成的綠色光和由象素430生成的紅色光。同樣，磷層432與裝置層433之間可有一波長選擇反射層。
通過收集與裝置層平面接近平行的方向上(即與傳播出發光裝置的方向接近平行)的光可進一步提高上述發光裝置的外部效率。激活區的GaN裝置層由于其有效折射率高于基片的折射率而形成一波導。發光裝置的傾斜側壁(例如臺型結構)可在發光表面(即磷層的外表面)的方向上傳播波導輻射，從而使發光裝置的外部效率幾乎再次加倍。結合該反射層和一臺型結構的上述發光裝置的外部效率在整個可見光譜范圍內可高達20-30％。
圖7示出本發明具有臺型結構的發光裝置的一實施例。發光裝置700包括接觸點710、激活區720、接觸點730、基片740和磷層750。激活區720包括裝置層721、激活層722和裝置層723。基片740包括第一面741、第二面742和側壁743。圖7還示出在傳播通過發光裝置700的一組光760、770和780。
基片740呈臺型結構。確切說，基片740的側壁743與基片740的第二面742斜交成一角度θ。換句話說，由于基片740的第一面741比基片740的第二面742短，因此基片740的側壁形成一斜面。
基片740的側壁743外部有一與之接觸的介質。該外部介質有其自身的折射率，在圖7中用標號790表示。
側壁743的該斜角取值決定于基片的折射率和外部介質790的折射率。確切說，外部介質790的折射率和基片740的折射率起決定作用是因為在基片740中傳播的光按照斯涅耳定律在側壁743上相互作用。外部介質790比方說可為環氧樹脂(其折射率比方說在1.4-1.6之間)、空氣、真空或其他有其折射率的介質。基片740的折射率比方說可為1.75-2.0之間。
基片740的折射率和外部介質790的折射率決定著在基片740中傳播的光如何按照全內反射進行反射。最佳斜角由下述關系式確定θ≤90°-ar csin(n2/n1)，其中，n1為基片740的折射率，n2為外部介質790的折射率。
當然，這一關系式同樣可用于發光裝置的其他各層，此時n2為發光裝置的該層的折射率，n1為該層外部介質的折射率。因此，與基片的側壁可傾斜一樣，裝置層721、激活層722和裝置層723的側壁也可傾斜。層721、722和723的側壁的斜角可與基片740側壁743的斜角相同或也可不同。換句話說，第一裝置層、激活層、第二裝置層和/或基片中至少一個側壁可傾斜以使更多光射向發射表面。
舉例說，如外部介質為環氧樹脂，其折射率為1.4-1.7；基片為藍寶石，其折射率為約1.75；激活區各層的折射率約為2.0，則發光裝置各側壁的斜角θ約為40°-60°。
通過使諸如光線770、780之類的光線在傳播方向上發生改變以在側壁743上經全內反射而被反射，因此經磷層750射出發光裝置700的光更多。
圖8示出本發明該實施例的一具有多個象素的發光裝置，所有象素都具有臺型結構。發光裝置800包括基片810、裝置層820和象素830、840和850。象素830包括接觸點831、磷層832、裝置層833、激活層834和接觸點835。同樣，象素840包括接觸點841、磷層842、裝置層843、激活層844和接觸點845。同樣，象素850包括接觸點851、磷層852、裝置層853、激活層854和接觸點855。
與結合圖7所示發光裝置700所述臺型結構一樣，圖8所示發光裝置800的一給定象素或多個象素呈臺型結構。下述討論以象素830為例，盡管象素840、850以及發光裝置800的兩維象素陣列中的任何其他象素(未示出)也可呈臺型結構。
磷層832與激活層834之間的與它們接觸的裝置層833包括與激活層834鄰接的第一面和與磷層832鄰接的第二面和一側壁836。在圖8中用標號860表示的側壁836外部有其自身的折射率的介質。
側壁的斜角為θ。θ應小于90°，按照θ、外部介質折射率和裝置層833的折射率之間的上述關系式如上所述，θ應在40-60°之間變化。請注意，激活層834和裝置層820與激活層834鄰接的部分的側壁也可比方說以斜角θ傾斜。
當然，應該指出，盡管以上結合特殊構型說明了本發明，但顯然也可使用其他構型。例如，盡管各附圖示出發光裝置的剖面圖，但可使用各種構型，使得發光裝置的俯視圖比方說呈長方形、圓形或任何其他合適形狀。請注意，各附圖不以真實比例示出發光裝置。以上所示所述各發光裝置可呈各層直接相接的整體結構。
權利要求
1.一種裝置，包括具有至少一激活層和第一裝置層的一激活區，該第一裝置層有一激活區折射率，所述激活區被構成為發射第一組波長中的第一波段波長的光；以及所述激活區與一外部介質之間、與它們接觸的一磷層，所述磷層被構成為把所述激活區發射的第一波段波長的光轉換成第二波段波長的光，第二波段波長的中心波長比第一波段波長的中心波長大，所述磷層有與第一波段波長相關的第一折射率和與第二波段波長相關的第二折射率，所述磷層的第一折射率大致等于該激活區折射率，所述磷層的第二折射率大致等于外部介質的折射率。
2.按權利要求1所述的裝置，其特征在于，該第一組波長在約300nm至約500nm之間。
3.按權利要求1所述的裝置，其特征在于第一組波長可由至少由AlxGa1-xN構成的激活層生成，x為0和1之間的一值。
4.按權利要求1所述的裝置，其特征在于所述磷層具有一接合材料和多個波長轉換磷，多個波長轉換磷在所述磷層中的濃度很高。
5.按權利要求1所述的裝置，其特征在于所述激活區包括與該激活層接觸的第二裝置層。
6.按權利要求1所述的裝置，其特征在于所述激活區包括與該激活層接觸的第二裝置層，該激活層至少由InGaN/AlxGa1-xN構成，x為0和1之間的一值，第二裝置層為一與該激活層接觸的p型AlGaN層，以及第一裝置層為該激活層與所述磷層之間配置的并與它們接觸的n型AlGaN層。
7.一種設計一發光裝置的方法，該發光裝置包括一激活區和一波長轉換磷層，該激活區至少包括一激活層和第一裝置層，該第一裝置層位于該激活層與該波長轉換磷層之間并與它們接觸，所述方法包括確定磷層的磷濃度；當磷層的磷濃度低時，選擇第一裝置層的折射率，使之與磷層的折射率大致相同；以及當磷層的磷濃度高時，進行下列步驟選擇磷層在第一波段波長下的折射率，使之大致等于第一裝置層的折射率，該第一波段波長從第一組波長中選出；以及選擇磷層在第二波段波長下的折射率，使之與該磷層相鄰的外部介質的折射率大致相同，第一波段波長與從激活層發射的光相關，第二波段波長與由磷層進行波長轉換的光相關，第二波段波長的中心波長比第一波段波長的中心波長大。
8.按權利要求7所述的裝置，其特征在于，該第一組波長在約300nm和約500nm之間。
9.按權利要求7所述的裝置，其特征在于第一組波長可由至少由AlxGa1-xN構成的激活層生成，x為0和1之間的一值。
10.按權利要求7所述的裝置，其特征在于所述激活區包括與該激活層接觸的第二裝置層。
11.按權利要求7所述的裝置，其特征在于所述激活區包括與該激活層接觸的第二裝置層，該激活層至少由InGaN/AlxGa1-xN構成，x為0和1之間的一值，第二裝置層為一與該激活層接觸的p型AlGaN層，以及第一裝置層為該激活層與所述磷層之間配置的并與它們接觸的n型AlGaN層。
全文摘要
一種裝置(100),包括一激活區(120)、一磷層(140)和一基片(130)。該激活區可發射第一組波長中第一波段波長的光。該磷層有第一折射率。該磷層包括多個波長轉換磷。該磷層可把激活區發射的第一波段波長的光轉換成第二波段波長。第二波段波長的中心波長比第一波段波長的中心波長大。該基片位于該激活區與該磷層之間并與它們接觸。該基片有第二折射率。該第一折射率大致等于該第二折射率。
文檔編號H01L27/15GK1324498SQ99812442
公開日2001年11月28日 申請日期1999年10月21日 優先權日1998年10月21日
發明者德米特里·Z·加爾布佐夫, 約翰·C·康諾利, 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