[发明专利]不需要颜色转换的白色纳米发光二极管

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求保护2012年5月24日提交的美国临时申请61/651,362的权益，其全文通过引用结合到本文中来。

发明领域

本文公开的主题涉及发光二极管(LED)器件。

背景

LEDs为通过使注入的电子和空穴复合辐射地发射光的光电器件。根据在特定光电器件中活性材料的带隙，LEDs可在从紫外到红外的宽波长范围发射。然而，主要感兴趣的光波长为在可见区中的那些。人眼看得见LEDs发射的在可见光谱(通常为约400nm(紫色)至约700nm(红色))范围内的光，且因此这样的光可用于照明目的。发射可见光的LEDs也可用于提供目视指示器(visible indicator)。

为了发射在可见波长下的光，许多LEDs使用来自周期表的III和V族的元素构造。这些元素中的三(3)种为镓(Ga)、铟(In)和氮(N)。这类材料掺杂了“杂质”，即，少量选自周期表的其他行的材料，以产生电活性，这继而经由电子从导电态到价态的复合而产生光。

上述器件称为属于(In,Ga)N材料类型。由该类型材料制造的LEDs包括单色LEDs，其在单光谱峰和窄线宽(例如，约30nm)下发射。使用(In,Ga)N材料体系制造的LEDs可通过改变在该材料体系中的铟组成制造成发射约380nm(近UV)至约580nm(即，绿色)的单色光。常将单色LEDs用作仅需要单色的灯光指示器。

另一方面，纯白光为宽谱带光，即多色光。其不能用单个LED直接产生。然而，如果可将LED制造成在多个离散波长或多个相对连续波长带下产生光，则所得光谱仍然可视为多色的且自这类LED发射的光在人眼看来是白色的。

对于照明目的，白光通常优选优于非白光。作为发光器件，LEDs在发光效率、寿命、稳定性和环保性方面优于白炽灯和荧光管。

目前，有两种主要或首要的制造宽谱带LED光源的方法。第一种方法利用荧光体来“降色(color down)”转换。在暴露于某些辐射波长时发射光的磷光材料在传统上在发光二极管(LEDs)中用于颜色转换。器件可发射高能光子，且荧光体可吸收该高能光子且随后再发射低能且因此不同颜色的光子。

这类荧光体吸收较短波长的光子且再发射较长波长的光子。对于白光发射，可使用发绿光荧光体和发红光荧光体。应该观察到任何形式的颜色转换都涉及能量损耗。虽然绿色荧光体可具有高达90%的量子效率，但红色荧光体的量子效率通常限于约40%。这继而解释成低功率转换效率(wall-plug efficiency)。

在这种降色转换方案中，可将诸如在460nm(蓝色)下发射的InGaN LED的较短波长的单色LED用作激发光源。这类光可用于在诸如绿色和红色的较长波长下发射的荧光体中激发荧光。所得光由来自可见光谱的不同部分的成分构成，且因此被视为宽谱带光。因为荧光体粒子小(例如，在纳米尺度上)且肉眼无法区别，所以如果不同颜色的比例是恰当的，则发射的光表现为白色。该形式的白光产生与荧光管中采用的形式类似。

然而，存在与荧光体相关的许多缺点，包括寿命有限、斯托克斯波能(Stokes-wave energy)损耗、可靠性低和发光效率低。

制造宽谱带LED光源的另一方法是将多个离散的LED芯片安装到单个封装中，其各自发出不同的颜色。这些器件常称作多芯片LEDs，其中将发射光的原色(即，蓝色、绿色和红色)的LEDs安装到单个封装上。然而，使用该技术无法实现真正的“白”光发射。各LED芯片的尺寸通常超过100微米，而LED芯片的间隔也为同样的数量级。因此，颜色不是均匀的，且因此对于肉眼表现为离散的颜色，除非放置在非常远的距离处，但这时LED的强度极大地下降了。

概要

本发明的实施方案提供了可用于利用和制造包括嵌入在LED的有源区内的纳米尺度结构集合体(ensemble)的固态光源的方法和系统。还提供了制造其的方法。这类固态光源能够发射多色光或基本多色光。这类LED器件可包括经由自顶向下的技术制造的具有连续直径(即，变化的直径)的纳米尺度柱结构的阵列。具有特定直径或在一定直径范围内的各纳米尺度柱结构在与具有其他直径或直径范围的其他纳米尺度柱结构稍微不同的波长下发射光。

在一个实施方案中，半导体发光二极管可包括发光区，且所述发光区可包括尺寸不均匀的纳米柱的阵列。所述纳米柱可使用自顶向下的方法形成。