[發(fā)明專利]不需要顏色轉(zhuǎn)換的白色納米發(fā)光二極管

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380026961.3
• 申請日: 2013-05-24
• 公開（公告）號: CN104396028B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設計）人: 蔡凱威
• 申請（專利權）人: 香港大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 徐晶,梁謀

相關申請的交叉引用

本申請要求保護2012年5月24日提交的美國臨時申請61/651,362的權益，其全文通過引用結(jié)合到本文中來。

發(fā)明領域

本文公開的主題涉及發(fā)光二極管(LED)器件。

背景

LEDs為通過使注入的電子和空穴復合輻射地發(fā)射光的光電器件。根據(jù)在特定光電器件中活性材料的帶隙，LEDs可在從紫外到紅外的寬波長范圍發(fā)射。然而，主要感興趣的光波長為在可見區(qū)中的那些。人眼看得見LEDs發(fā)射的在可見光譜(通常為約400nm(紫色)至約700nm(紅色))范圍內(nèi)的光，且因此這樣的光可用于照明目的。發(fā)射可見光的LEDs也可用于提供目視指示器(visible indicator)。

為了發(fā)射在可見波長下的光，許多LEDs使用來自周期表的III和V族的元素構(gòu)造。這些元素中的三(3)種為鎵(Ga)、銦(In)和氮(N)。這類材料摻雜了“雜質(zhì)”，即，少量選自周期表的其他行的材料，以產(chǎn)生電活性，這繼而經(jīng)由電子從導電態(tài)到價態(tài)的復合而產(chǎn)生光。

上述器件稱為屬于(In,Ga)N材料類型。由該類型材料制造的LEDs包括單色LEDs，其在單光譜峰和窄線寬(例如，約30nm)下發(fā)射。使用(In,Ga)N材料體系制造的LEDs可通過改變在該材料體系中的銦組成制造成發(fā)射約380nm(近UV)至約580nm(即，綠色)的單色光。常將單色LEDs用作僅需要單色的燈光指示器。

另一方面，純白光為寬譜帶光，即多色光。其不能用單個LED直接產(chǎn)生。然而，如果可將LED制造成在多個離散波長或多個相對連續(xù)波長帶下產(chǎn)生光，則所得光譜仍然可視為多色的且自這類LED發(fā)射的光在人眼看來是白色的。

對于照明目的，白光通常優(yōu)選優(yōu)于非白光。作為發(fā)光器件，LEDs在發(fā)光效率、壽命、穩(wěn)定性和環(huán)保性方面優(yōu)于白熾燈和熒光管。

目前，有兩種主要或首要的制造寬譜帶LED光源的方法。第一種方法利用熒光體來“降色(color down)”轉(zhuǎn)換。在暴露于某些輻射波長時發(fā)射光的磷光材料在傳統(tǒng)上在發(fā)光二極管(LEDs)中用于顏色轉(zhuǎn)換。器件可發(fā)射高能光子，且熒光體可吸收該高能光子且隨后再發(fā)射低能且因此不同顏色的光子。

這類熒光體吸收較短波長的光子且再發(fā)射較長波長的光子。對于白光發(fā)射，可使用發(fā)綠光熒光體和發(fā)紅光熒光體。應該觀察到任何形式的顏色轉(zhuǎn)換都涉及能量損耗。雖然綠色熒光體可具有高達90%的量子效率，但紅色熒光體的量子效率通常限于約40%。這繼而解釋成低功率轉(zhuǎn)換效率(wall-plug efficiency)。

在這種降色轉(zhuǎn)換方案中，可將諸如在460nm(藍色)下發(fā)射的InGaN LED的較短波長的單色LED用作激發(fā)光源。這類光可用于在諸如綠色和紅色的較長波長下發(fā)射的熒光體中激發(fā)熒光。所得光由來自可見光譜的不同部分的成分構(gòu)成，且因此被視為寬譜帶光。因為熒光體粒子小(例如，在納米尺度上)且肉眼無法區(qū)別，所以如果不同顏色的比例是恰當?shù)模瑒t發(fā)射的光表現(xiàn)為白色。該形式的白光產(chǎn)生與熒光管中采用的形式類似。

然而，存在與熒光體相關的許多缺點，包括壽命有限、斯托克斯波能(Stokes-wave energy)損耗、可靠性低和發(fā)光效率低。

制造寬譜帶LED光源的另一方法是將多個離散的LED芯片安裝到單個封裝中，其各自發(fā)出不同的顏色。這些器件常稱作多芯片LEDs，其中將發(fā)射光的原色(即，藍色、綠色和紅色)的LEDs安裝到單個封裝上。然而，使用該技術無法實現(xiàn)真正的“白”光發(fā)射。各LED芯片的尺寸通常超過100微米，而LED芯片的間隔也為同樣的數(shù)量級。因此，顏色不是均勻的，且因此對于肉眼表現(xiàn)為離散的顏色，除非放置在非常遠的距離處，但這時LED的強度極大地下降了。

概要

本發(fā)明的實施方案提供了可用于利用和制造包括嵌入在LED的有源區(qū)內(nèi)的納米尺度結(jié)構(gòu)集合體(ensemble)的固態(tài)光源的方法和系統(tǒng)。還提供了制造其的方法。這類固態(tài)光源能夠發(fā)射多色光或基本多色光。這類LED器件可包括經(jīng)由自頂向下的技術制造的具有連續(xù)直徑(即，變化的直徑)的納米尺度柱結(jié)構(gòu)的陣列。具有特定直徑或在一定直徑范圍內(nèi)的各納米尺度柱結(jié)構(gòu)在與具有其他直徑或直徑范圍的其他納米尺度柱結(jié)構(gòu)稍微不同的波長下發(fā)射光。

在一個實施方案中，半導體發(fā)光二極管可包括發(fā)光區(qū)，且所述發(fā)光區(qū)可包括尺寸不均勻的納米柱的陣列。所述納米柱可使用自頂向下的方法形成。