具有电介质间隔物的磷光体转换发光二极管、用于操作这种磷光体转换发光二极管的阵列的方法、以及用于制造具有电介质间隔物的磷光体转换发光二极管的方法与流程

本发明总体上涉及发光二极管和磷光体转换发光二极管。

背景技术：

1、半导体发光二极管和激光二极管(在本文中统称为“led”)是当前可用的最有效的光源之一。led的发射光谱通常在由该器件的结构和由其构成的半导体材料的成分所确定的波长处表现出单一的窄峰。通过合适地选择器件结构和材料体系，led可以被设计为在紫外、可见、或红外波长处来操作。

2、led可以与吸收由led发射的光并作为响应发射更长波长的光的一种或多种波长转换材料(在本文中一般称为“磷光体”)组合。对于这种磷光体转换led(“pcled”)，由led发射的被磷光体吸收的光的份额取决于由led发射的光的光路上的磷光体材料的量，例如取决于设置在led上或led周围的磷光体层中磷光体材料的浓度以及该层的厚度。

3、可以将磷光体转换led设计为使得由led发射的所有光都被一种或多种磷光体吸收，在该情况下，来自pcled的发射完全来自磷光体。在这种情况下，例如，可以选择磷光体以在狭窄的光谱区域内发射光，该光不由led直接有效地生成。

4、替代地，可以将pcled设计为使得由led发射的光的仅一部分被磷光体吸收，在该情况下，来自pcled的发射是由led发射的光和由磷光体发射的光的混合。通过合适地选择led、磷光体、和磷光体成分，可以将这样的pcled设计成发射例如具有期望的色温和期望的显色特性的白光。

5、可以在单个衬底上一起形成多个led或pcled，以形成阵列。这种阵列可以用于形成有源照明显示器，诸如在例如智能手机和智能手表、计算机或视频显示器、增强或虚拟现实显示器、或者标牌中采用的那些；或者用于形成自适应照明源，诸如在例如机动车前灯、街灯、相机闪光源、或闪光灯(即手电筒)中采用的那些。每毫米具有一个或几个或许多单独器件的阵列(例如，大约一毫米、几百微米、或小于100微米的器件间距或间隔，以及相邻器件之间小于100微米或者仅几十微米或更小的分隔)通常被称为miniled阵列或microled阵列(替代地，μled阵列)。这种miniled阵列或microled阵列在许多实例中还可以包括如上所述的磷光体转换器；这种阵列可以被称为pc-miniled阵列或pc-microled阵列。

技术实现思路

1、本发明的半导体发光器件包括：半导体二极管结构、反射器、波长转换层和中间间隔物。半导体二极管结构包括第一和第二掺杂半导体层以及它们之间的有源层。有源层以标称发射真空波长λ0发射由流过二极管结构的电流产生的二极管输出光，以在二极管结构内传播。反射器抵靠第二半导体层的后表面定位，并且内反射从二极管结构内入射的二极管输出光。波长转换层被定位成使其后表面面向第一半导体层的前表面并与第一半导体层的前表面间隔开。波长转换层吸收处于真空波长λ0的二极管输出光，并且作为响应发射处于真空波长λ1的下转换光，λ1大于λ0。下转换光的至少一部分通过波长转换层的前表面离开波长转换层。

2、中间间隔物位于第一半导体层和波长转换层之间，并且包括一个或多个电介质层。间隔物的每个电介质层在真空波长λ0下至少部分透明，并且中间间隔物的有效折射率ns小于波长转换层的有效折射率nc。波长转换层由此充当支持在真空波长λ0和λ1下的一个或多个横向传播光学模式的光波导。

3、本发明的半导体发光器件还可以包括以下中的一种或多种：在波长转换层的前表面处的微米或纳米结构化散射元件的前阵列、位于波长转换层的前表面上的输出光学结构、或在波长转换层的后表面处的微米或纳米结构化散射元件的后阵列。

4、在参考附图中所图示及以下书面描述或所附权利要求中公开的示例时，与led、pcled、miniled阵列、pc-miniled阵列、microled阵列、和pc-microled阵列相关的目的和优点可以变得清楚。

5、提供本技术实现要素：是为了以简化形式介绍构思的选择，这些构思在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

技术特征：

1.一种半导体发光器件，包括：

2.根据权利要求1所述的器件，由所述波长转换层在真空波长λ0下表现出的单程吸收大于约5％、或小于约50％。

3.根据权利要求1所述的器件，所述波长转换层(i)小于约5μm厚，或(ii)被布置成以便在真空波长λ0和λ1中的每一个下支持最多十个横向传播光学模式。

4.根据权利要求1所述的器件，所述波长转换层包括布置在层或矩阵结构中或者分散在透明固体介质中的大量量子点，所述量子点吸收处于真空波长λ0的二极管输出光并发射处于真空波长λ1的下转换光。

5.根据权利要求1所述的器件，所述波长转换层和所述二极管结构之间的分隔足够大，以便防止所述一个或多个横向传播模式与所述二极管结构的相当大的空间重叠。

6.根据权利要求1所述的器件，所述中间间隔物包括一种或多种电介质材料的多层，所述多层被布置为以便呈现出(i)在真空波长λ1下的反射率大于在真空波长λ0下的反射率，或(ii)在真空波长λ0下的透射率大于在真空波长λ1下的透射率。

7.根据权利要求1所述的器件，所述中间间隔物仅包括单层电介质材料，所述单层电介质材料在真空波长λ0下是透明的，其折射率小于所述波长转换层的折射率。

8.根据权利要求1所述的器件，还包括在所述中间间隔物内或在所述中间间隔物和所述波长转换层之间的金属层。

9.根据权利要求1所述的器件，还包括在所述波长转换层的前表面处的微米或纳米结构化散射元件的前阵列，所述前阵列的散射元件被共同布置成以便重定向在所述波长转换层中传播或传播通过所述波长转换层的下转换光的至少一部分，以通过所述波长转换层的前表面离开。

10.根据权利要求1所述的器件，还包括位于所述波长转换层的前表面上的输出光学结构，所述输出光学结构的有效折射率小于所述波长转换层的折射率。

11.根据权利要求10所述的器件，所述输出光学结构的有效折射率大约等于所述中间间隔物的有效折射率。

12.根据权利要求10所述的器件，所述输出光学结构包括一种或多种电介质材料的多层，所述多层被布置为以便呈现出(i)在真空波长λ0下的反射率大于在真空波长λ1下的反射率，或(ii)在真空波长λ1下的透射率大于在真空波长λ0下的透射率。

13.根据权利要求10所述的器件，所述输出光学结构仅包括单层电介质材料，所述单层电介质材料在真空波长λ1下是透明的，其折射率小于所述波长转换层的折射率。

14.根据权利要求10所述的器件，还包括在所述输出光学结构内或在所述波长转换层的前表面上的金属层。

15.根据权利要求1所述的器件，还包括在所述波长转换层的后表面处的微米或纳米结构化散射元件的后阵列，所述后阵列的散射元件被共同布置成以便将在所述中间间隔物中传播或传播通过所述中间间隔物的二极管输出光的至少一部分光学耦合到一个或多个横向传播光学模式中。

16.根据权利要求1所述的器件，所述反射器包括微米或纳米结构化散射元件的反射器阵列，所述微米或纳米结构化散射元件(i)被布置为mlr结构、微米或纳米结构化衍射mlr结构、分布式布拉格反射器(dbr)、准导模(qgm)结构、或slr结构中的一种或多种，或者(ii)被布置成使得所述反射器呈现从所述二极管结构内入射在其上的二极管输出光的非镜面反射重定向。

17.一种多个根据权利要求1所述的发光器件的阵列。

18.根据权利要求17所述的阵列，所述阵列的发光器件的间隔小于约0.10mm，所述阵列对于从相邻器件离开的下转换光呈现出大于5:1的对比度。

19.一种用于操作根据权利要求17所述的阵列的方法，所述方法包括向所述阵列中的一个或多个发光器件提供对应的电流，使得这些发光器件从对应波长转换层的前表面发射下转换光。

20.一种用于制造根据权利要求1所述的发光器件的方法，所述方法包括：(a)形成第一半导体层、有源层和第二半导体层；(b)在第二半导体层的后表面上形成反射器；(c)在第一半导体层的前表面上形成中间间隔物；以及(d)在中间间隔物上形成波长转换层。

技术总结一种发光器件包括：半导体二极管结构(102)、反射器(600)、波长转换层(106)、以及在二极管结构和波长转换层之间的中间间隔物(700)。二极管结构发射处于真空波长λ<subgt;0</subgt;的二极管输出光，以在二极管结构内传播。反射器在二极管结构的后面上，并且内反射二极管内部入射的输出光。波长转换层(106)被定位成其后表面面向二极管结构(102)的前表面(即，图中的上表面)并与二极管结构(102)的前表面间隔开，并且吸收处于λ<subgt;0</subgt;的二极管输出光并发射处于真空波长λ<subgt;1</subgt;的下转换光，λ<subgt;1</subgt;>λ<subgt;0</subgt;，该下转换光通过其前表面离开波长转换层。中间间隔物(700)包括一个或多个透明电介质层，并且具有小于波长转换层(106)的有效折射率n<subgt;C</subgt;的有效折射率n<subgt;S</subgt;，使得波长转换层充当支持在λ<subgt;0</subgt;和λ<subgt;1</subgt;下的一个或多个横向传播光学模式的光波导。技术研发人员：D·帕尔,A·F·科恩德林克,A·罗佩斯-茱莉亚,M·S·阿卜杜勒哈利克,J·戈麦斯-里瓦斯,A·瓦斯金受保护的技术使用者：亮锐有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/8/1