Светоизлучающий прибор, включающий в себя фотонный кристалл и люминесцентную керамику

Светоизлучающий прибор, включающий в себя фотонный кристалл и люминесцентную керамику

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Эта заявка является частичным продолжением патентной заявки США № 10/861172, поданной 3 июня 2004 г. (Gerd O. Mueller et al.) под названием «Luminescent ceramic for a light emitting device» и включенной в настоящую заявку путем ссылки.

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к полупроводниковым светоизлучающим приборам с преобразованием длины волны.

Описание области техники, к которой относится изобретение

Светоизлучающие диоды являются хорошо известными полупроводниковыми приборами, которые могут генерировать свет, имеющий пиковую длину волны в определенном диапазоне спектра света. Светоизлучающие диоды обычно используют в качестве осветителей, индикаторов и дисплеев. Традиционно наиболее эффективные светоизлучающие диоды излучают свет, имеющий пиковую длину волны в красной области спектра света, то есть красный свет. Однако разработаны III-нитридные светоизлучающие диоды, которые могут эффективно излучать свет, имеющий пиковую длину волны в области спектра от ультрафиолетовой до зеленой. III-нитридные светоизлучающие диоды могут создавать выходной свет значительно более высокой яркости, чем традиционные светоизлучающие диоды.

В дополнение к этому, поскольку свет из III-нитридных приборов обычно имеет более короткую длину волны, чем красный свет, то свет, генерируемый III-нитридными светоизлучающими диодами, можно без труда преобразовывать, чтобы получать свет, имеющий более длинную длину волны. Из данной области техники хорошо известно, что свет, имеющий первую пиковую длину волны («первичный свет»), можно преобразовывать в свет, имеющий более длинную пиковую длину волны («вторичный свет»), используя процесс, известный как люминесценция/флуоресценция. Процесс флуоресценции включает в себя поглощение первичного света преобразующим длину волны материалом, таким как люминофор, возбуждение центров люминесценции люминофорного материала, который излучает вторичный свет. Пиковая длина волны вторичного света зависит от люминофорного материала. Тип люминофорного материала можно выбирать, чтобы получать вторичный свет, имеющий конкретную пиковую длину волны.

Обратимся к фиг.1, на которой показан люминофорный светоизлучающий диод 10 из предшествующего уровня техники, описанный в патенте США № 6351069. Светоизлучающий диод 10 включает в себя III-нитридный кристалл 12, который при подаче напряжения генерирует голубой первичный свет. III-нитридный кристалл 12 расположен на отражающей чашеобразной выводной рамке 14 и электрически присоединен к выводам 16 и 18. Выводы 16 и 18 подводят электрическую энергию к III-нитридному кристаллу 12. III-нитридный кристалл 12 покрыт слоем 20 обычно прозрачной смолы, который включает в себя преобразующий длину волны материал 22. Вид преобразующего длину волны материала, используемого для формирования слоя 20, можно изменять в зависимости от требуемого спектрального распределения вторичного света, который должен генерироваться флуоресцентным материалом 22. III-нитридный кристалл 12 и флуоресцентный слой 20 герметизированы покрывающей линзой 24. Линзу 24 обычно изготавливают из прозрачного эпоксидного или силиконового материала.

В процессе работы электрическую энергию подводят к III-нитридному кристаллу 12 для возбуждения кристалла 12. При возбуждении кристалл 12 излучает первичный свет на расстояние от верхней поверхности кристалла. Часть излучаемого первичного света поглощается преобразующим длину волны материалом 22 в слое 20. В таком случае преобразующий длину волны материал 22 излучает вторичный свет, то есть преобразованный свет, имеющий более длинную пиковую длину волны, в ответ на поглощение первичного света. Остающаяся непоглощенной часть излучаемого первичного света проходит через преобразующий длину волны слой вместе с вторичным светом. Линза 24 направляет непоглощенный первичный свет и вторичный свет по общему направлению, показанному стрелкой 26, в качестве выходного света. Таким образом, выходной свет представляет собой составной свет, который состоит из первичного света, излучаемого из кристалла 12, и вторичного света, излучаемого из преобразующего длину волны слоя 20. Кроме того, преобразующему длину волны материалу можно придавать такую конфигурацию, при которой первичный свет в очень небольшом количестве выходит из прибора или вовсе не выходит, как в случае кристалла, который излучает ультрафиолетовый первичный свет, объединенного с одним или несколькими преобразующими длину волны материалами, которые излучают видимый вторичный свет.

Когда III-нитридные светоизлучающие диоды работают при более высокой мощности и более высокой температуре, существует тенденция снижения прозрачности органических капсулирующих веществ, используемых в слое 20, при этом нежелательно снижается эффективность вывода света из прибора и потенциально нежелательно изменяется зрительное восприятие света, излучаемого из прибора. Предложено несколько вариантов решений, касающихся выполнения преобразующих длину волны материалов, например, выращивание светоизлучающих приборов на монокристаллических люминесцентных подложках, описанное в патенте США № 6630691, тонкопленочные люминофорные слои, описанные в патенте США № 6696703, и конформные слои, осаждаемые электрофоретическим осаждением, описанные в патенте США № 6576488, или трафаретная печать, описанная в патенте США № 6650044. Однако один главный недостаток предшествующих решений заключается в оптической неоднородности системы люминофор/капсулирующее вещество, которая приводит к рассеянию, потенциально обуславливающему падение эффективности преобразования.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с осуществлениями изобретения полупроводниковая структура, включающая в себя светоизлучающий слой, расположенный между областью n-типа и областью p-типа, и фотонный кристалл, сформированный внутри или на поверхности полупроводниковой структуры, объединена с керамическим слоем, который расположен на пути света, излучаемого светоизлучающим слоем. Керамический слой состоит из преобразующего длину волны материала, такого как люминофор, или включает в себя этот материал.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 - вид полупроводникового светоизлучающего прибора с люминофорным преобразованием;

фиг.2 - полупроводниковый светоизлучающий прибор с перевернутым кристаллом, включающий в себя керамический люминофорный слой;

фиг.3 - полупроводниковый светоизлучающий прибор, включающий в себя присоединенные основную подложку и керамический люминофорный слой;

фиг.4 - пример профиля распределения легирующей примеси в керамическом люминофорном слое;

фиг.5 - полупроводниковый светоизлучающий прибор, включающий в себя несколько керамических слоев;

фиг.6 - полупроводниковый светоизлучающий прибор, включающий в себя фасонный люминофорный слой;

фиг.7 - полупроводниковый светоизлучающий прибор, включающий в себя керамический люминофорный слой, более широкий, чем эпитаксиальные слои в приборе;

фиг.8 - полупроводниковый светоизлучающий прибор, включающий в себя керамический люминофорный слой и теплоотводящую структуру;

фиг.9 - сечение светоизлучающего прибора с фотонным кристаллом, не имеющего подложки для выращивания, согласно осуществлению;

фиг.10 - вид сверху прибора из фиг.9;

фиг.11 - вариант осуществления настоящего изобретения;

фиг.12A-12D - виды сверху с местным разрезом прибора из фиг.11;

фиг.13 - вид сверху структуры фотонного кристалла, содержащего плоскую решетку отверстий;

фиг.14 - иллюстрация способа изготовления прибора из фиг.9;

фиг.15 - вид эпитаксиальной структуры до присоединения к основной подложке;

фиг.16 - иллюстрация способа присоединения эпитаксиальной структуры к основной подложке;

фиг.17 - иллюстрация способа удаления сапфировой подложки из III-нитридной эпитаксиальной структуры;

фиг.18 - иллюстрация фотоэлектрохимического травления для уменьшения толщины эпитаксиальных слоев после удаления подложки для выращивания;

фиг.19-22 - иллюстрация способа формирования структуры фотонного кристалла;

фиг.23А и 23В - иллюстрация способа формирования структуры фотонного кристалла;

фиг.24 - прибор, включающий в себя оптический затвор и люминесцентную керамику, расположенные на расстоянии от полупроводниковой структуры, включающей в себя фотонный кристалл;

фиг.25 - прибор, включающий в себя оптический затвор и люминесцентную керамику, приклеенные к полупроводниковой структуре, включающей в себя фотонный кристалл;

фиг.26 - прибор, включающий в себя оптический затвор, люминесцентную керамику и линзу, расположенные на расстоянии от полупроводниковой структуры, включающей в себя фотонный кристалл;

фиг.27 - прибор, включающий в себя оптический затвор и люминесцентную керамику, сформированную в виде линзы, расположенные на расстоянии от полупроводниковой структуры, включающей в себя фотонный кристалл;

фиг.28 - прибор, включающий в себя оптический затвор и люминесцентную керамику, отделенные линзой от полупроводниковой структуры, включающей в себя фотонный кристалл;

фиг.29 - прибор, включающий в себя оптический затвор и люминесцентную керамику, отделенную от него линзой, при этом оптический затвор присоединен к полупроводниковой структуре, включающей в себя фотонный кристалл;

фиг.30 - график зависимости пропускания в процентах от длины волны для света, падающего на оптический затвор, при нескольких углах падения;

фиг.31 - узкая диаграмма направленности излучения света, излучаемого, например, из полупроводникового светоизлучающего прибора, включающего в себя фотонный кристалл;

фиг.32 - диаграмма направленности излучения света по Ламберту, излучаемого, например, из полупроводникового светоизлучающего прибора, включающего в себя шероховатую поверхность;

фиг.33 - график зависимости пропускания в процентах от длины волны света, падающего на оптический затвор из источника света Ламберта и источника с узкой диаграммой направленности излучения; и

фиг.34 - график зависимости пропускания в процентах от длины волны света, падающего на оптический затвор из нескольких источников света, которые излучают свет в различных узких диаграммах направленности излучения.

Подробное описание

Упомянутые выше приборы с тонкопленочными или конформными люминофорными слоями может быть трудно транспортировать, поскольку для люминофорных слоев характерна тенденция быть ломкими. В соответствии с осуществлениями изобретения преобразующие длину волны материалы, такие как люминофоры, превращают в керамические пластины, называемые в настоящей заявке «люминесцентной керамикой». Керамические пластины обычно представляют собой самоподдерживающиеся слои, формируемые отдельно от полупроводникового прибора, затем присоединяемые к законченному полупроводниковому прибору или используемые в качестве подложки для выращивания полупроводникового прибора. Керамические слои могут быть пропускающими свет или прозрачными, что может снижать потери на рассеяние, связанные с непрозрачными преобразующими длину волны слоями, такими как конформные слои. Люминесцентные керамические слои могут быть более устойчивыми, чем тонкопленочные или конформные люминофорные слои. Кроме того, поскольку люминесцентные керамические слои являются твердотельными, то может быть легче осуществлять оптический контакт с дополнительными оптическими элементами, такими как линзы и вторичная оптика, которые также являются твердотельными.

Примеры люминофоров, которые могут быть превращены в люминесцентные керамические слои, включают в себя люминофоры на основе алюминиевого граната с общей формулой (Lu_1-x-y-a-bY_xGd_y)₃(Al_1-zGa_z)₅O₁₂:Ce_aPr_b, где 0<x<1; 0<y<1; 0<z≤0,1; 0<a≤0,2 и 0<b≤0,1; такие как Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ и Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, которые излучают свет в желто-зеленом диапазоне; и (Sr_1-x-yBa_xCa_y)_2-zSi_5-aAl_aN_8-aO_a:Eu_z ²⁺, где 0≤a<5, 0<x≤1, 0≤y≤1 и 0<z≤1, такие как Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺, которые излучают свет в красном диапазоне. Подходящие Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ керамические пластины можно приобрести в Baikowski International Corporation, Charlotte, NC. Кроме того, могут быть подходящими другие зеленые, желтые и красные излучающие люминофоры, включая (Sr_1-a-bCa_bBa_с)Si_xN_yO_z:Eu_a ²⁺ (a=0,002-0,2; b=0,0-0,25; c=0,0-0,25; x=1,5-2,5; y=1,5-2,5; z=1,5-2,5), в том числе, например, SrSi₂N₂O₂:Eu²⁺; (Sr_1-u-v-xMg_uCa_vBa_x)(Ga_2-y-zAl_yIn_zS₄):Eu²⁺, в том числе, например, SrGa₂S₄:Eu²⁺; Sr_1-xBa_xSiO₄:Eu²⁺; и (Ca_1-xSr_x)S:Eu²⁺, где 0<x≤1, в том числе, например, CaS:Eu²⁺ и SrS:Eu²⁺.

Люминесцентную керамику можно образовать, нагревая порошковый люминофор при высоком давлении до тех пор, пока поверхность люминофорных частиц не начнет размягчаться и плавиться. Частично расплавленные частицы приливают друг к другу с образованием жесткого агломерата частиц. В отличие от тонкой пленки, которая относительно оптических свойств ведет себя как одна крупная люминофорная частица без нарушений оптической непрерывности, люминесцентная керамика ведет себя как плотно упакованные отдельные люминофорные частицы, так что имеются небольшие нарушения оптической непрерывности на границе раздела между различными люминофорными частицами. Поэтому люминесцентная керамика является оптически почти однородной и имеет такой же показатель преломления, как и люминофорный материал, образующий люминесцентную керамику. В отличие от конформного люминофорного слоя или люминофорного слоя, расположенного в прозрачном материале, таком как смола, для люминесцентной керамики обычно не требуется связующий материал (такой как органическая смола или эпоксидная смола), иной по сравнению с самим люминофором, так что между отдельными люминофорными частицами имеется очень небольшое пространство или материал с другим показателем преломления. В результате, в отличие от конформного люминофорного слоя, люминесцентная керамика является прозрачной или пропускающей свет.

Люминесцентные керамические слои можно присоединять к светоизлучающим приборам, например, термокомпрессионной сваркой, спеканием, склеиванием тонкими слоями известных органических клеев, таких как эпоксидный клей или силиконовый клей, склеиванием неорганическими клеями с высокими коэффициентами преломления и склеиванием золь-гель стеклами.

Примеры клеев с высокими коэффициентами преломления включают в себя оптические стекла с высокими показателями преломления, такие как Schott glass SF59, Schott glass LaSF3, Schott glass LaSFN18 и смеси их. Эти стекла можно получить от Schott Glass Technologies Incorporated, Duryea, Pa. Примеры других клеев с высокими коэффициентами преломления включают в себя халькогенидные стекла с высокими показателями преломления, такие как (Ge, Sb, Ga)(S, Se) халькогенидные стекла, полупроводники III-V групп, включая, но без ограничения ими, GaP, InGaP, GaAs и GaN, полупроводники II-VI групп, включая, но без ограничения ими, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe и CdTe, полупроводники и соединения IV группы, включая, но без ограничения ими, Si и Ge, органические полупроводники, оксиды металлов, включая, но без ограничения ими, оксид вольфрама, оксид титана, оксид никеля, оксид циркония, оксид индия и олова и оксид хрома, фториды металлов, включая, но без ограничения ими, фторид магния и фторид кальция, металлы, включая, но без ограничения ими, Zn, In, Mg и Sn, иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), фосфидные соединения, арсенидные соединения, сурьмянистые соединения, нитридные соединения, органические соединения с высокими коэффициентами преломления и смеси или сплавы их. Склеивание неорганическими клеями с высокими показателями преломления более подробно описано в заявках № 09/660317, поданной 12 сентября 2000 г., и № 09/880204, поданной 12 июня 2001 г., обе включены в настоящую заявку путем ссылки.

Склеивание золь-гель стеклами более подробно описано в патенте США № 6642618, который включен в настоящую заявку путем ссылки. В осуществлениях, где люминесцентную керамику присоединяют к прибору золь-гель стеклом, один или несколько материалов, таких как оксиды титана, церия, свинца, галлия, висмута, кадмия, цинка, бария или алюминия, могут быть включены в SiO₂ золь-гель стекло для повышения показателя преломления стекла, чтобы более близко согласовать показатель стекла с показателями люминесцентной керамики и светоизлучающего прибора. Например, Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ керамический слой может иметь показатель преломления от около 1,75 до около 1,8 и может быть присоединен к сапфировой подложке для выращивания полупроводникового светоизлучающего прибора, при этом сапфировая подложка имеет показатель преломления около 1,8. Желательно согласовывать показатель преломления клея с показателями преломления Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ керамического слоя и сапфировой подложки для выращивания.

В некоторых осуществлениях люминесцентная керамика служит в качестве подложки для выращивания полупроводникового светоизлучающего прибора. Это особенно оправдано в случае III-нитридных светоизлучающих слоев, таких как InGaN, которые могут выращиваться на подложке с рассогласованными параметрами кристаллической решетки (например, сапфировой или SiC), что приводит к большим плотностям дислокаций, но при этом все же проявляется высокий квантовый выход в светоизлучающих диодах. Поэтому полупроводниковый светоизлучающий прибор можно выращивать аналогичным образом на люминесцентной керамике. Например, используя химическую эпитаксию из паровой фазы металлоорганических соединений или другой метод эпитаксии, осаждают III-нитридный слой зародышеобразования, обычно при низкой температуре (~550°С), непосредственно на люминесцентную керамическую подложку. Затем осаждают более толстый слой GaN («буферный» слой), обычно при более высокой температуре, на III-нитридный слой зародышеобразования и коалесцируют в монокристаллическую пленку. Повышением толщины буферного слоя можно снизить суммарную плотность дислокаций и повысить качество слоя. Наконец, осаждают слои n-типа и p-типа, между которыми включают светоизлучающие III-нитридные активные слои. Способность противостоять условиям выращивания III-нитрида (например, температурам свыше 1000°С и среде NH₃) будет влиять на выбор люминесцентной керамики в качестве подложки для выращивания. Поскольку керамика является поликристаллической, а получающиеся в результате III-нитридные слои должны быть монокристаллическими, можно отнестись с особым дополнительным вниманием к процессу выращивания. Например, в случае ситуации, описанной выше, возможно, возникнет необходимость введения нескольких низкотемпературных промежуточных слоев внутрь GaN буферного слоя для «сброса» процесса выращивания GaN и исключения распространения ориентационных эффектов зерен керамики в III-нитридные слои прибора. Эти и другие способы выращивания на подложках с рассогласованными параметрами кристаллической решетки известны из предшествующего уровня техники. Отвечающие требованиям способы выращивания описаны, например, в патенте США № 6630692 (Goetz et al.), который переуступлен правопреемнику настоящей заявки и включен в настоящую заявку путем ссылки.

Хотя приведенные ниже примеры относятся к III-нитридным светоизлучающим диодам, должно быть понятно, что осуществления изобретения можно распространить на другие светоизлучающие приборы, включая приборы из других систем материалов, таких как III-фосфид и III-арсенид, и другие структуры, такие как светоизлучающие диоды с объемными резонаторами, лазерные диоды и лазеры поверхностного излучения с вертикальными резонаторами.

На фиг.2 и 3 показаны III-нитридные приборы, включающие в себя люминесцентные керамические слои. В приборе из фиг.2 область 42 n-типа выращена поверх отвечающей требованиям подложки 40 для выращивания, за которой следуют активная область 43 и область 44 p-типа. Подложка 40 для выращивания может быть, например, сапфировой, SiC, GaN или любой другой подходящей подложкой для выращивания. Каждая из области 42 n-типа, активной области 43 и области 44 p-типа может включать в себя несколько слоев различного состава, толщины и с разной концентрацией легирующей примеси. Например, область 42 n-типа и область 44 p-типа могут включать в себя контактные слои, оптимизированные под омический контакт, и покрывающие слои, оптимизированные для содержания носителей внутри активной области 43. Активная область 43 может включать в себя единственный светоизлучающий слой или может включать в себя несколько светоизлучающих слоев с квантовыми ямами, разделенных барьерными слоями.

В приборе, показанном на фиг.2, часть области 44 p-типа и часть активной области 43 стравлены для открытия участка области 42 n-типа. p-контакт 45 образован на оставшейся части области 44 p-типа, и n-контакт 46 образован на открытом участке области 42 n-типа. В осуществлении, показанном на фиг.2, контакты 45 и 46 являются отражающими, так что свет выводится из прибора с обратной стороны подложки 40. В качестве варианта контакты 45 и 46 могут быть прозрачными или сформированными таким образом, что большая часть поверхностей области 44 p-типа и области 42 n-типа остается непокрытой контактами. В таких приборах свет может выводиться из прибора через верхнюю поверхность эпитаксиальной структуры, поверхность, на которой сформированы контакты 45 и 46.

В приборе, показанном на фиг.3, эпитаксиальные слои присоединены к основной подложке 49 через p-контакт 45. Дополнительные слои для содействия соединению (непоказанные) могут быть включены между областью 44 p-типа и основной подложкой 49. После присоединения эпитаксиальных слоев к основной подложке 49 подложку для выращивания можно удалить для открытия поверхности области 42 n-типа. Контакт с p-стороной активной области обеспечивается посредством основной подложки 49. n-контакт 46 сформирован на участке открытой поверхности области 42 n-типа. Свет выводится из прибора через верхнюю поверхность области 42 n-типа. Удаление подложки для выращивания описано более подробно в заявке № 10/804810, поданной 19 марта 2004 г., под названием «Photonic crystal light emitting device», переуступленной правопреемнику настоящего изобретения и включенной в настоящую заявку путем ссылки.

В приборах, показанных на фиг.2 и 3, люминесцентный керамический слой 50, такой как керамические слои, описанные выше, присоединен к поверхности прибора, из которой выводится свет; к обратной стороне подложки 40 на фиг.2 и верхней поверхности области 42 n-типа на фиг.3. Керамический слой 50 может быть сформирован на или присоединен к любой поверхности, из которой свет выводится из прибора. Например, керамический слой 50 может продолжаться на протяжении боковых поверхностей прибора, показанного на фиг.2. На фиг.3 показан необязательный фильтр 30, который позволяет свету из активной области 43 проходить в керамический слой 50, но отражает свет, излучаемый керамическим слоем 50, так что предотвращается вхождение света, излучаемого керамическим слоем 50, в прибор 52, где он, вероятно, будет поглощаться и теряться. Примеры подходящих фильтров включают в себя дихроичные фильтры, поставляемые Unaxis Balzers Ltd., Liechtenstein, или Optical Coating Laboratory, Inc., Santa Rosa, California.

Люминесцентный керамический слой 50 может включать в себя единственный люминофор или несколько люминофоров, смешанных друг с другом. В некоторых осуществлениях количество активирующей примеси в керамическом слое плавно изменяется. На фиг.4 показан пример плавного профиля распределения легирующей примеси в люминесцентном керамическом слое. Пунктирной линией на фиг.4 представлена поверхность прибора. Люминофор на участке керамического слоя, наиболее близком к поверхности прибора, имеет наивысшую концентрацию легирующей примеси. По мере увеличения расстояния от поверхности прибора концентрация легирующей примеси в люминофоре уменьшается. Хотя на фиг.4 показан линейный профиль распределения легирующей примеси с областью постоянной концентрации примеси, должно быть понятно, что изменяющийся профиль может иметь любую форму, включая, например, ступенчато изменяющийся профиль или изменяющийся по степенному закону профиль, и может включать в себя несколько областей постоянной концентрации легирующей примеси или не иметь их. В дополнение к этому, в некоторых осуществлениях может быть выгодно обращать изменение профиля так, чтобы область, наиболее близкая к поверхности прибора, имела небольшую концентрацию легирующей примеси, которая возрастает по мере увеличения расстояния от поверхности прибора. В некоторых осуществлениях участок керамического слоя, наиболее удаленный от поверхности прибора, может не содержать никакого люминофора или никакой легирующей примеси и может быть определенной формы (показанной ниже) для вывода света.

В некоторых осуществлениях приборы включают в себя несколько керамических слоев, как, например, прибор, показанный на фиг.5. Керамический слой 50а присоединен к прибору 52, который может быть, например, любым из приборов, показанных на фиг.2 и 3. Керамический слой 50b присоединен к керамическому слою 50а. В некоторых осуществлениях один из двух керамических слоев 50а и 50b содержит все преобразующие длину волны материалы, используемые в приборе, а другой из двух керамических слоев является прозрачным и используется в качестве разделительного слоя, если он представляет собой керамический слой, прилегающий к прибору 52, или в качестве выводящего слоя, если он представляет собой керамический слой, наиболее удаленный от прибора 52. В некоторых осуществлениях каждый из керамических слоев 50а и 50b может содержать отличающийся люминофор или люминофоры. Хотя на фиг.5 показаны два керамических слоя, должно быть понятно, что приборы, включающие в себя большее количество, чем два керамических слоя, и/или большее количество, чем два люминофора, находятся в объеме изобретения. Размещение различных люминофоров в керамических слоях 50а и 50b или сами керамические слои 50а и 50b можно выбирать, чтобы управлять взаимодействием между несколькими люминофорами в приборе, как описано в заявке № 10/785616, поданной 23 февраля 2004 г. и включенной в настоящую заявку путем ссылки. Хотя на фиг.5 керамические слои 50а и 50b показаны расположенными последовательно поверх прибора 52, другие размещения являются возможными и находятся в объеме изобретения. В некоторых осуществлениях прибор, включающий в себя один или несколько керамических слоев, может быть объединен с другими преобразующими длину волны слоями, такими как преобразующий длину волны материал, показанный на фиг.1, или с тонкими пленками, конформными слоями и люминесцентными подложками, описанными в разделе, относящемся к уровню техники. Прозрачные керамические слои, которые не являются люминесцентными, могут быть, например, таким же материалом основной подложки без активирующей примеси, как и люминесцентный керамический слой.

Преимущество люминесцентных керамических слоев заключается в возможности формовать, шлифовать, механически обрабатывать, подвергать горячей штамповке или полировать керамические слои с приданием форм, которые являются желательными, например, для повышенного выхода света. Люминесцентные керамические слои обычно имеют высокие показатели преломления, например, от 1,75 до 1,8 для Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ керамического слоя. Чтобы исключить полное внутреннее отражение на границе раздела между керамическим слоем с высоким показателем преломления и воздухом с низким показателем, керамическому слою можно придавать форму, показанную на фиг.6 и 7. В приборе, показанном на фиг.6, люминесцентный керамический слой 54 формован с получением линзы, такой как куполообразная линза. Выход света из прибора можно дополнительно повысить текстурированием верхней поверхности керамического слоя, случайным образом или, например, с приданием ей формы линзы Френеля, показанной на фиг.7. В некоторых осуществлениях верхняя поверхность керамического слоя может быть текстурирована структурой фотонного кристалла, такой как периодическая решетка или отверстия, образованные в керамике. Как показано на фиг.6 и 7, профилированный керамический слой может быть меньше или того же самого размера, что и передняя поверхность прибора 52, к которой он присоединен, или он может быть больше, чем передняя поверхность прибора 52, к которой он присоединен. В приборах, таких как на фиг.7, благоприятный выход света ожидается в случае профилированных керамических слоев, имеющих длину нижней поверхности, равную по меньшей мере удвоенной длине передней поверхности прибора 52, на которой расположен керамический слой. В некоторых осуществлениях преобразующий длину волны материал ограничен участком керамического слоя, наиболее близким к прибору 52. Как показано на фиг.7, в других осуществлениях преобразующий длину волны материал создают на первом керамическом слое 50а, затем присоединяемом ко второму, профилированному, прозрачному керамическому слою 50b.

В некоторых осуществлениях поверхность верхнего керамического слоя является шероховатой для повышения рассеяния, необходимого для смешивания световых излучений, например, в приборе, где свет из светоизлучающего прибора и свет из одного или нескольких преобразующих длину волны слоев смешиваются с образованием белого света. В других осуществлениях достаточная степень смешивания может быть достигнута с помощью известной из предшествующего уровня техники вторичной оптики, такой как линза или световод.

Дополнительное преимущество люминесцентных керамических слоев заключается в благоприятных термических свойствах керамики. Прибор, включающий в себя люминесцентный керамический слой и теплоотводящую структуру, показан на фиг.8. Как и на фиг.7, прибор на фиг.8 включает в себя прозрачный или люминесцентный керамический слой 50b, который профилирован для вывода света. Необязательный дополнительный прозрачный или люминесцентный керамический слой 50а расположен между слоем 50b и прибором 52. Прибор 52 закреплен на субдержателе 58, например, подобно перевернутому кристаллу, показанному на фиг.2. Субдержатель 58 и основная подложка 49 из фиг.3 могут быть, например, металлами, такими как медная фольга, Mo, Cu/Mo и Cu/W; полупроводниками с металлическими контактами, такими как Si с омическими контактами и GaAs с омическими контактами, включающими в себя, например, один или несколько из Pd, Ge, Ti, Au, Ni, Ag; и керамикой, такой как прессованный алмаз. Слои 56 представляют собой теплопроводящие материалы, которые соединяют керамический слой 50b с субдержателем 58, потенциально понижая температуру люминесцентного керамического слоя 50а и/или 50b и тем самым повышая выход света. Подходящий материал для слоев 56 включает в себя материал субдержателя, описанный выше. Структура, показанная на фиг.8, является особенно полезной для отвода теплоты из приборов, смонтированных методом перевернутого кристалла, с проводящими подложками, такими как SiC.

Пример

Ниже дан пример керамической пластины на основе легированного церием иттриево-алюминиевого граната, присоединенной диффузионной сваркой к сапфировой подложке.

Многослойные структуры из соединенных диффузионной сваркой иттриево-алюминиевого граната и сапфира являются предпочтительными вследствие их высокой механической прочности и хорошего оптического качества. В соответствии с фазовой диаграммой оксида иттрия-оксида алюминия в интервале состава Al₂O₃ и 3Y₂O₃5Al₂O₃ не существует иной фазы, за исключением эвтектической при 33% Al. Поэтому многослойная структура из соединенных спеканием иттриево-алюминиевого граната и сапфира имеет средний показатель преломления на (эвтектоидной) границе раздела между керамикой на основе иттриево-алюминиевого граната (n_i=1,84) и сапфировой подложкой (n_i=1,76), и тем самым может быть получен высококачественный оптический контакт. В дополнение к этому, вследствие близких коэффициентов теплового расширения иттриево-алюминиевого граната и сапфира (для иттриево-алюминиевого граната: 6,9×10^-6 К^-1, для Al₂O₃: 8,6×10^-6 К^-1) можно получать соединенные спеканием пластины с низким механическим напряжением.

Пластину из соединенных диффузионной сваркой керамики на основе иттриево-алюминиевого граната, легированного Се, и сапфира можно образовать следующим образом:

а) Получение керамики на основе иттриево-алюминиевого граната, легированного Се: 40 г Y₂O₃ (99,998%), 32 г Al₂O₃ (99,999%) и 3,44 г СеО_2, измельчали в изопропиловом спирте шариками из алюминия высокой чистоты в количестве 1,5 кг (диаметром 2 мм) на роликовом стенде в течение 12 ч. Затем высушенный порошок-предшественник кальцинировали при 1300°С в течение двух часов в атмосфере СО. После этого полученный порошок иттриево-алюминиевого граната деагломерировали в планетарной шаровой мельнице (с агатовыми шариками) при воздействии этанола. Затем осуществляли литье из шликера, чтобы после сушки получить сырец керамического материала. После этого сырец спекали между графитовыми пластинами при 1700°С в течение двух часов.

b) Соединение диффузионной сваркой сапфировой пластины и керамики на основе иттриево-алюминиевого граната, легированного Се: Шлифованные и полированные пластины сапфира и иттриево-алюминиевого граната соединяли диффузионной сваркой в одноосной установке горячего прессования. С этой целью между пластинами сапфира и иттриево-алюминиевого граната располагали вольфрамовую фольгу (толщиной 0,5 мм) и набор помещали в графитовую матрицу для прессования. Для повышения скорости обработки можно комплектовать и одновременно обрабатывать несколько наборов из сапфира, керамики на основе иттриево-алюминиевого граната, легированного Се, и вольфрамовой фольги.

После извлечения из установки горячего прессования температуру сначала повышали до 1700°С в течение 4 ч без приложения внешнего давления. Затем одноосное давление 300 бар (30 МПа) прикладывали и поддерживали постоянным в течение 2 ч. По прошествии времени выдержки температуру понижали до 1300°С в течение 2 ч, поддерживая давление постоянным. Наконец, после сброса давления систему охлаждали до комнатной температуры в течение 6 ч.

с) Последующая обработка присоединенных спеканием пластин сапфира и иттриево-алюминиевого граната, легированного Се: после шлифования и полирования поверхностей присоединенных спеканием пластин образцы отжигали в течение 2 ч при 1300°С в воздухе (скорость нагрева: 300 К/ч), затем охлаждали до комнатной температуры в течение 12 ч.

В некоторых осуществлениях изобретения фотонный кристалл сформирован в слое n-типа III-нитридного прибора, присоединенного к основной подложке, из которого удалена подложка для выращивания. Такие приборы могут излучать свет от около 280 до около 650 нм и обычно излучают свет от около 420 до около 550 нм. На фиг.9 представлено сечение прибора согласно осуществлению изобретения. На фиг.10 представлен вид сверху прибора из фиг.9. Как показано на фиг.9, фотонный кристалл 122 сформирован в области 108 n-типа, а не в области 116 p-типа. n-контакт 60 сформирован на участке области 108 n-типа, который не текстурирован фотонным кристаллом, хотя в других осуществлениях n-контакт 60 может быть сформирован на участке фотонного кристалла области 108 n-типа. Поскольку фотонный кристалл сформирован в области n-типа, материал n-типа может инжектировать в поперечном направлении ток от контакта 60 к фотонному кристаллу 122. Свет выводится из прибора через фотонный кристалл 122, поэтому размещение n-контакта 60 выбирают, чтобы максимизировать площадь фотонного кристалла. Например, как показано на фиг.10, n-контакт 60 может окружать область 122-i фотонного кристалла. n-контакт 60 не ограничен кольцевым контактом, но также может быть сеточным или иной структуры, которая способствует надлежащему растеканию тока. Для исключения поглощения света n-контактом 60 можно выполнять ионное легирование или использовать диэлектрик на эпитаксиальном материале под n-контактом 60, предотвращающий протекание тока и генерацию света на этом у