[发明专利]利用非辐射能量传递的光学元件

说明书

技术领域

本发明涉及利用光响应性纳米粒子并利用一非辐射能量传递机制的改良型光电元件，且尤其涉及提高操作效率的实际元件配置。此类元件包括发光元件、光电(太阳能)电池、显示器、光探测器、激光器和单光子元件。 

背景技术

鉴于非可再生能源耗减及对环境产生的相关影响的全球意识增强，发展绿色可再生能源技术，以及尽可能地增加现有技术的能源转换效率(wall plug efficiency)受到密切关注并倾力为之。 

世界上大约19％的能源消耗通常是由照明引起的。目前的照明技术包括白炽灯、荧光灯、发光二极管和有机发光二极管。各种因素影响着能源转换效率。现在简要回顾一下每种技术的整体性能： 

发光技术 

一般LED以在一平面基板上生长的半导体异质结构为基础。当在所述异质结构两端施加一电势差时，电子-空穴对(激子)在外延异质结构的接合区域中产生，然后在一短时延迟(弛豫时间)后复合，产生一光子，光子具有的能量等于异质结构的电子能带间隙。 

一般LED可由许多不同的半导体材料制成。由于视本征能带间隙而定，所以发射波长主要与此材料的选择有关。一般LED的常见材料包括：GaN、InP、GaAs。可通过诱导和控制应力，使外延异质结构中的接合区域的任一侧的能带结构的相对能量级发生改变，微调其发射波长。此项技术已用在，例如，GaN基LED中，以获得绿光发射，其实原本的能带间隙是存在于光谱的蓝光部分中。 

一般LED中的损失机制包括影响内部量子效率(IQE)(电子到光子的转换效率)和光提取效率的因素。与内部量子效率有关的因素包括：外延层的品质(缺陷密度)、电连接点的电阻率，及由于层的局部受热(热提取)所产生的应变。 

在一般LED中，希望使得因为MQW层(多重量子阱层)中的激子 对复合所产生的辐射输出最大化。这与提高外延结构的内部量子效率(IQE)有关。为了获得高IQE，外延异质结构必须大致呈单晶态且具有低的外延缺陷密度。一般LED中的外延缺陷可包括点、线和位错缺陷的类型。为了降低缺陷密度，外延层的晶格常数必须与一底层基板材料的晶格常数相匹配，这进一步限制了它们的设计和冲击成本(impact cost)。为了减轻依赖于基板的生长问题已付出了相当大的努力，产生了各种各样的LED外延结构。 

举例而言，最基本的一般蓝光LED设计(被称作横向电流分布设计)之一包含直接在一蓝宝石基板上生长的一GaN层。一个厚且未经掺杂的种晶层首先沉积在所述基板上以改善与蓝宝石的晶格匹配。在生长一段距离以后，生长条件改变，生成连续的n型与p型掺杂层以及夹在两者之间的量子阱，形成接合区域。接着一透明的导电电流分布层沉积在元件顶部上以改良顶部p-GaN层的导电性。然后不透明的金属接点堆叠沉积在导电电流分布层上，以致于遮蔽了一部分发光区域，从而降低了元件效率。蓝宝石(与GaN晶格很匹配)是一种不良热导体，若此类设计的元件在一般照明应用所需的非常高的电流密度下被驱动，那么寿命会缩短。此外，对一个薄且透光的顶部电流分布层而言，必需限制可实现的接触电阻，且因此限制元件的供电效率。 

另一种常见配置被称作“垂直电流分布设计”。这克服了晶格失配问题并提供改良的散热性及减小的电连接点电阻。在此情况下，外延层在一牺牲基板上生长，然后，被粘合到一金属(或高导热性)基板上，且从牺牲生长基板释放，以形成一n型朝上元件，其底层基板的热传递特性得到改善。除此之外，金属基板还提供一反射镜，提高了光提取效率。 

改良外延生长品质的其他方法，包括使用初始生长位置通过光刻法、模板或纳米粒子而得以预涂晶种的图案化或模板化的基板。在此情况下，基板/半导体界面处的应变可减轻，且在极端情况下，可以生长单独隔离的量子线阵列(纳米GaN)。就图案化的基板而言，所产生的空洞(void)有助于通过提供其他散射中心来改良光提取。 

正如Nishida，T.；Saito，H.；Kobayashi，N.在2001年出版的《应用物理学快报》第79册第6期第711-712页(Applied Physics Letters  2001，79，(6)，711-712)上所发表的论文中所述，最好的(垂直的)GaN基LED的内部量子效率达到80％。 

一般LED的一关键的本质问题是不良光提取效率的问题。由于常见半导体材料的折射率相对较高以及光在外延结构的深处产生的事实，半导体/空气界面上发生的菲涅尔反射导致大部分辐射能量受到约束。因此，所述结构中产生的大部分光并未射出而是在内部反复循环。此因素严重限制了一般LED的能源转换效率。