CN107068829A - 发光光电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发光光电装置(1)，包括：‑具有发射表面(44)的、能够发射称作“激励光辐射”的光辐射的至少一个电致发光二极管(40)；和‑覆盖发射表面(44)的光致发光材料(31)，其包括适于将穿过发射表面(44)的激励光辐射至少部分地转换成称作“光致发光光辐射”的光辐射的光致发光颗粒。该装置包括与电致发光二极管(40)相邻的至少一个光电二极管(50)，其具有被光致发光材料(31)覆盖的接收表面(54)，并适于检测穿过接收表面的激励辐射和/或来自光致发光材料(31)的光致发光辐射的至少一部分。

Description

发光光电装置
技术领域
本发明涉及一种发光光电装置，该装置包括覆有具有光致发光颗粒的材料的至少一个电致发光二极管。本发明尤其可用于希望控制或调节与电致发光二极管相关的发射光谱的照明系统。
背景技术
已存在包括发射表面覆有光致发光材料的电致发光二极管的光电装置。发射白光的照明系统尤其是这样的。
电致发光二极管是由适于发射光辐射、例如蓝色或紫外线辐射的半导体层的叠置形成的。这些半导体层一般是基于包括周期表III列和V列的元素的材料(例如：III-N化合物、氮化嫁(GaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化铝镓(AlGaN))来制成的。
根据所追求的光电装置的发射光谱的特征，光致发光材料层覆盖电致发光二极管的发射表面，该光致发光材料适于将电致发光二极管发射的称作“激励光辐射”的光辐射的至少一部分转换成称作“光致发光光辐射”的、具有更长的波长的光辐射。该光致发光材料可以包括散布在连结基质(matrice liante)中的颗粒，例如被铈离子活化的钇铝石榴石(称作YAG:Ce)颗粒。
然而，存在对控制光电装置的发射光谱特征、尤其是与电致发光二极管本身相关的发射光谱特征的需求。还存在对具有准许高电致发光二极管密度的单片结构的光电装置的需求。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地解决现有技术的缺陷，并更具体地在于提出一种发光光电装置，该装置包括：
-具有发射表面的、能够发射称作“激励光辐射”的光辐射的至少一个电致发光二极管；以及
-覆盖该发射表面的光致发光材料，该光致发光材料包括适于将穿过发射表面的所述激励光辐射至少部分地转换成称作“光致发光光辐射”的光辐射的光致发光颗粒。
根据本发明，该光电装置包括与所述电致发光二极管相邻的至少一个光电二极管，该光电二极管具有被该光致发光材料覆盖的接收表面，并适于检测穿过接收表面激励辐射和/或穿过接收表面来自于光致发光材料的光致发光辐射的至少一部分。
该光电装置的某些优选但非限制性的特征如下：
电致发光二极管和光电二极管可以每个都具有台面结构，发射表面和接收表面是大致共平面的。
电致发光二极管和光电二极管可以每个都包括根据第一导通类型掺杂的第一半导体部分和根据与第一导通类型相反的第二导通类型掺杂的第二半导体部分，第一半导体部分和第二半导体部分分别是大致共平面的，并由组成相同的材料制成。
电致发光二极管的掺杂的第一半导体部分和光电二极管的掺杂的第一半导体部分具有这样的侧面：该侧面包括由掺杂的第一半导体部分的与其第一部位相对的第二部位形成的凹进表面。
侧向电气连接元件可以这样地在电致发光二极管和相邻光电二极管之间延伸，以与掺杂的第一半导体部分的凹进表面电气接触，该侧向连接元件还通过覆盖台面结构的侧面的电介质部分与掺杂的第二半导体部分和位于掺杂的第一和第二半导体部分之间的活性区域电绝缘。
电致发光二极管和光电二极管可以每个都包括位于掺杂的第一和第二半导体部分之间的活性区域，这些活性区域大致共平面，并由组成相同的材料制成。
电致发光二极管的和光电二极管的活性区域可以每个都包括至少一个第一量子阱，电致发光二极管的活性区域的所述第一量子阱适于发射具有称作“激励波长”的波长的激励光辐射。
电致发光二极管的和光电二极管的活性区域可以每个都包括至少一个第二量子阱，光电二极管的活性区域的所述量子阱适于检测光致发光光辐射。
第二量子阱可以位于N型掺杂的第一半导体部分和第一量子阱之间。
可在光致发光材料和光电二极管的接收表面之间布置光滤波器，该滤波器适于传输光致发光辐射并阻挡激励辐射的传输。
所述光电装置可以还包括适于根据被光电二极管检测的光辐射的检测信号来改变电致发光二极管发射的激励光辐射的控制装置。
本发明还涉及一种用于制造上述发光光电装置的方法，在该方法中：
i)实现具有发射表面并能够发射称作“激励光辐射”的光辐射的至少一个电致发光二极管，以及具有接收表面的至少一个相邻光电二极管；
ii)用包括适于将穿过该发射表面的所述激励光辐射至少部分地转换成称作“光致发光光辐射”的光辐射的光致发光颗粒的光致发光材料来覆盖发射表面和接收表面。
步骤i)可以包括子步骤，在这些子步骤中：
a.实现包括掺杂的第一半导体层和掺杂的第二半导体层的层的叠置，在掺杂的第一半导体层和掺杂的第二半导体层之间夹置有包括至少一个量子阱的活性层；
b.这样地刻蚀所述的层叠置以形成用于形成电致发光二极管的台面结构和用于形成相邻光电二极管的台面结构，每个台面结构都是由掺杂的第一半导体部分、活性区域和掺杂的第二半导体部分的叠置形成的，所述台面结构的掺杂的第一半导体部分包括具有凹进表面的侧面；
c.实现覆盖台面结构的、除凹进表面以外的侧面的电介质部分；
d.在台面结构之间沉积导电材料，该导电材料与掺杂的第一半导体部分的凹进表面接触，并通过电介质部分与所述区域和掺杂的第二半导体部分电绝缘。
可以实现这样的电气连接元件：这些元件适于基于位于与光致发光材料相对的表面上的极化导电部分而直接使电致发光二极管极化并间接地使光电二极管极化。
附图说明
阅读以下示例性地而非限制性地提供的对本发明的优选实施形式的详细说明，本发明的其它方面、目的、优点和特征将更好地显现出来，该详细说明是参照附图做出的，在附图中：
图1a是根据一个实施方式的发光光电装置的剖视示意图，其中，盖件包括光致发光单元，图1b是一个变型，其中，盖件包括光致发光层；
图2a是根据适于检测光致发光辐射的另一实施方式的发光光电装置的剖视示意图，图2b是这样的光电装置的电致发光二极管和相邻光电二极管的半导体层叠置的细节图；
图3a至图3h示出了根据另一实施方式的光电装置的实施方法的步骤。
具体实施方式
在附图中并且在以下说明中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。而且，为了优先使附图清晰可见，并没有按比例示出各个元件。此外，术语“大致”、“大约”、“约”指“在误差10％之内”。
本发明涉及一种光电装置，该装置包括至少一个电致发光二极管和被布置为与该电致发光二极管相邻的光电二极管，该电致发光二极管的发射表面和该光电二极管的接收表面覆有包括光致发光颗粒的光致发光材料。该光电二极管是在其相对于光致发光材料与电致发光二极管位于同一侧并位于该电致发光二极管附近的意义上与电致发光二极管相邻的。
发射表面是电致发光二极管这样的表面：称作“激励光辐射”的光辐射穿过该表面被发射出。接收表面是光电二极管这样的表面：入射光辐射穿过该表面被光电二极管接收并被其检测。
光致发光材料是适于至少部分地将电致发光二极管发射的入射光辐射转换成称作“光致发光光辐射”的、具有不同波长的光辐射的材料。颗粒是光致发光材料的彼此有别的成分，其形状可以是任意的，例如球形、角形、平的或细长的，或其它任何形状。颗粒的尺寸在此是颗粒的最小维度，并且平均尺寸是颗粒尺寸的算术平均值。
图1a是根据一个实施方式的发光光电装置的剖视示意图。
在此并且为以下说明定义三维正交参考系(X，Y，Z)，其中平面(X，Y)大致与发射表面和接收表面的平面平行，并且其中轴Z取向为沿着与发射表面和接收表面正交的方向。
光电装置1在此包括：
a.称作“光电芯片”的第一印刷电路芯片10，该芯片包括至少一个电致发光二极管40和被布置为与该电致发光二极管相邻的光电二极管50。光电芯片10在此包括电致发光二极管40的矩阵，该矩阵限定发光像素矩阵，其像素中的至少一部分包括光电二极管50。
b.称作“控制芯片”的第二印刷电路芯片20，该芯片被布置在电子芯片10的称作“后表面”的表面11b上。控制芯片20包括允许使电致发光二极管40和光电二极管50极化的连接元件。
c.盖件30，该盖件被布置在光电芯片10的称作“前表面”的、与后表面11b相对的表面11a上，并包括具有光致发光颗粒的材料。
光电芯片10包括每个都由掺杂的第一半导体层和掺杂的第二半导体层的叠置形成的多个电致发光二极管40和光电二极管50，活性区域位于掺杂的第一半导体层和掺杂的第二半导体层之间。活性区域是二极管这样的区域：在该区域处发射(在电致发光二极管的情况下)或检测(在光电二极管的情况下)光辐射。
电致发光二极管40和光电二极管50形成彼此大致共平面的台面结构。“台面结构”指这样的结构：该结构由大致平面的半导体层或部分的叠置形成，这些半导体层或部分的活性区域在刻蚀步骤结束时凸出生长基片。电致发光二极管和光电二极管的结构可以与Fan等人的题为《III-nitride micro-emetter arrays development and applications》，J.Phys.D:Appl.Phys.41(2008)094001的公开文献中所述的结构相同或相似。作为变型，并且优选地，该结构可以与于2014年6月27日提交的专利申请FR1456085中所述的结构相同或相似，该专利申请的文本被视为构成本说明书的一部分。该台面结构在电致发光二极管的半导体部分和光电二极管的半导体部分相互共平面的意义上是大致共平面的。
电致发光二极管40包括由第一导通类型(例如N型)掺杂的第一半导体部分41和与第一类型相反的第二导通类型掺杂(例如P型)的第二半导体部分42形成的叠置，在该第一和第二半导体层之间夹置有称作“发射性活性区域”的活性区域43，在该活性区域处产生二极管的光辐射。N掺杂的第一部分41的与活性区域43相对的表面形成发射表面44，所发射的光辐射是穿过该发射表面发射的。
光电二极管50包括由第一导通类型(例如N型)掺杂的第一半导体部分51和与第一类型相反的第二导通类型(例如P型)掺杂的第二半导体部分52形成的叠置，在第一和第二半导体部分之间夹置有称作“检测用活性区域”的活性区域53，在该活性区域处检测所接收到的入射光辐射。N掺杂的第一部分51的与活性区域53相对的表面形成接收表面54，入射光辐射是穿过该接收表面被接收到的。
在该示例中，电致发光二极管40的每个半导体部分41、42、43都分别与光电二极管50的各个半导体部分51、52、53共平面，并具有大致相同的厚度和组成。更具体地说，电致发光二极管40的N掺杂第一部分41与光电二极管50的N掺杂第一部分51共平面，并且具有大致相同的厚度和组成。“组成相同的材料”指由周期分类元素根据相同配比形成的材料。对于P掺杂部分42、52并且对于活性区域43、53也是同样的。由此，电致发光二极管和光电二极管的厚度大致相同。此外，发射表面44和接收表面54大致共平面。每个电致发光二极管40和光电二极管50都还包括与掺杂(在此为P型)的第二部分42、52的与活性区域43、53相对的表面接触的导电部分45、55。导电部分45、55的厚度可以从3nm到500nm。导电部分45、55优选地是大致共平面的。
每个电致发光二极管40和光电二极管50都具有在侧面处形成凹进的N掺杂的第一部分41、51的结构化，该凹进体现于在平面(X，Y)中的侧向维度的增大。更具体地说，每个N掺杂的第一部分41、51都包括位于活性区域43、53和第二部位41b、51b之间的第一部位41a、51a，其侧向维度大致与活性区域43、53的侧向维度相同。每个第一部分还包括第二部位41b、51b，其与第一部位41a、51a相对的表面形成发射表面44或接收表面54，其侧向维度大于第一部位41a、51a在侧面处的维度。由此，二极管40、50的N掺杂的第一部分41、51包括凹进表面46、56，该凹进表面大致与轴Z正交地延伸并连接第一部位41a、51a和第二部位41b、51b的侧面。此外，二极管40、50的活性区域43、53和P掺杂的第二部分42、52包括沿着轴Z连续地延伸的侧面。N掺杂的第一部分41、51的第二部位41b、51b的侧向维度比第一部位41a、51a的侧向维度大至少1％。例如，对于80μm的N掺杂部分的第一部位41a、51a的宽度，第二部位41b、51b的宽度可以是85μm。
电致发光二极管40和光电二极管50可以具有从100nm到50μm的厚度，N掺杂的第一部分41、51的厚度可以从50nm到20μm，活性区域43、53的厚度可以从10nm到500nm，P掺杂的第二部分42、52的厚度可以从50nm到20μm。根据目标应用，二极管在发射表面和接收表面处测得的侧向维度可以从500nm到数毫米。优选地，电致发光二极管的侧向维度大于光电二极管的侧向维度。
电致发光二极管和光电二极管可以是基于III-V半导体材料制成的，即主要包括周期表III列的至少一个元素和V列的元素。这些二极管尤其可以是基于III-N化合物(例如：GaN、InGaN、AlGaN、InN、AlInGaN)制成。活性区域可以包括基于禁带能量小于掺杂部分的带隙能量的半导体材料实现的至少一个量子阱。作为示例，掺杂的部分是由GaN制成的，并且活性区域包括GaN固有(无特意掺杂)半导体层和基于InGaN的至少一个量子阱的交替。电致发光二极管可以适于发射蓝光，即其发射光谱具有约从440nm到490nm的强度峰值，并且光电二极管在此适于检测由该二极管发射并穿过接收表面接收到的蓝光。
二极管的侧面除凹进表面46、56以外都覆有电介质部分47、57。更具体地说，不包括凹进的侧面连续地覆有电介质部分47、57。包括凹进的侧面覆有分为两个部位的电介质部分：覆盖P掺杂部分42、52的、活性区域43、53的和N掺杂部分41、51的第一部位41a、51a的侧面的第一部位47a、57a；以及，有别于第一部位47a、57a的第二部位47b、57b，该第二部位覆盖N掺杂部分41、51的第二部位41b、51b的侧面。由此，凹进表面46、56不被电介质部分47、57覆盖。电介质部分47、57还覆盖导电部分45、55的侧面。
光电芯片还包括称作“侧向电气连接元件”的电气连接元件48、58，这些元件夹置于电致发光二极管40和相邻的光电二极管50之间，在光电芯片的前表面11a和后表面11b之间延伸。由此，每个电致发光二极管40都包括在一方面的位于凹进46处的电介质部分47a、47b和另一方面的相面对的光电二极管50的电介质部分57之间延伸的侧向连接元件48。侧向连接元件48因此一方面与电致发光二极管40的活性区域43和P掺杂部分42电绝缘，另一方面与相面对的光电二极管50电绝缘。然而，该侧向连接元件48在凹进表面46处与电致发光二极管40的N掺杂部分41电气接触，从而能够使N掺杂部分41具有给定电势。相似地，每个光电二极管50都包括在一方面的位于凹进56处的电介质部分57a、57b和另一方面的相面对的电致发光二极管40的电介质部分47之间延伸的称作“侧向连接元件”的连接元件58。侧向连接元件58因此一方面与光电二极管的活性区域53和P掺杂部分52电绝缘，另一方面与相面对的电致发光二极管40电绝缘。然而，该侧向连接元件58在凹进表面56处与光电二极管50的N掺杂部分51电气接触，从而能够使该N掺杂部分51具有给定电势(其正负符号与电致发光二极管的侧向连接元件的相反)。要指出的是，侧向连接元件48、58是通过电介质部分47、57与导电部分45、55电绝缘的。电介质部分47、57的厚度和材料被这样地选择以获得该导电部分和侧向连接元件之间的可接受的漏电流。该厚度可以约为数纳米，例如根据所用电介质材料从3nm到5nm。
在该示例中，所述光电装置包括夹置于(一方面的电致发光二极管和光电二极管和(另一方面的光致发光材料的盖件30之间的电介质层12(可选的)。该电介质层是由这样的电介质材料(例如Si3N4)制成的，以避免各个二极管和相应侧向连接元件之间的任何短路，并可以改善对光的提取。电介质层12的厚度例如从500nm到50μm，优选地从1μm到5μm。该电介质层包括前表面12a和相对的后表面12b。电致发光二极管40和光电二极管50在各自的发射表面和接收表面处与该电介质层的后表面12b接触。前表面12a可以具有位于发射表面对面、并如有必要位于接收表面对面的凸起(未示出)，以改善电致发光二极管发射的光辐射的提取。
在该示例中，所述光电装置还包括夹置于二极管40、50和控制芯片20之间的电气连接层13(可选的)，该层方便光电芯片和控制芯片之间的连接。由此，连接层13包括一方面确保侧向连接元件48、58与控制芯片的导电部分22之间的连接的电气连接元件14和确保导电部分45、55与控制芯片的其它导电部分22之间的连接的连接元件14。连接元件14通过电介质材料15彼此电绝缘。连接层13具有大致恒定的厚度，并且与二极管相对的表面形成光电芯片的后表面11b。
所述发光光电装置还包括在后表面11b处被组装到光电芯片上的控制芯片20。控制芯片尤其确保二极管40、50的电气连接，以确保电致发光二极管的发光和光电二极管的检测。由此，导电部分22确保电致发光二极管40的直接连接和光电二极管50的间接连接。更具体地说，第一负电势通过侧向连接元件48被施加到电致发光二极管的N掺杂部分41上，第一正电势通过导电部分45被施加到P掺杂部分42上。而且，第二负电势通过导电部分55被施加到光电二极管的P掺杂部分52上，并且第二正电势通过侧向连接元件58被施加到N掺杂部分51上。由此能够给电致发光二极管和光电二极管施加不同的电势差。控制芯片可以还包括确保对电致发光二极管发射的控制和对光电二极管的检测电信号的读取的晶体管类型的电子元件。替代地，控制芯片可以是仅主要包括导电部分的直至偏置的电子元件的电气连接线的无源构件。
所述发光装置可以还包括适于根据相邻光电二极管的检测电信号来关联电致发光二极管的控制电信号的伺服装置。由此能够根据每个相邻光电二极管检测到的光辐射的强度来增大或减小电致发光二极管的发射强度。该伺服装置可以位于控制芯片中或是偏置的。
所述发光装置可以还包括用于分析光电二极管的检测电信号的装置。由此能够将检测到的光辐射的强度与阈值比较、并根据与阈值的偏差来改变电致发光二极管的控制电信号、甚至向使用者发出信息。
所述光电装置还包括盖件30，该盖件包括具有光致发光颗粒的光致发光材料31。光致发光材料31覆盖电致发光二极管的发射表面44和光电二极管的接收表面54。“覆盖”指部分地或完全地覆盖表面。光致发光材料在此完全地覆盖发射表面和接收表面。
该光致发光材料包括适于吸收至少一部分电致发光二极管发射的激励光辐射并作为响应而发射具有比激励波长更长的光波长的光辐射的光致发光颗粒。光致发光材料一般被称作“磷光体”(英文为“phosphor”)。光致发光材料的形式可以是层、凸块或块状的。“层”指这样的材料：该材料的厚度小于其在平面(X，Y)中的长度和宽度的侧向维度，例如是十分之一、二十分之一甚至更小。“凸块或块状”指这样的材料：该材料的长度和宽度的侧向维度小于层的长度和宽度的侧向维度，并且该材料的厚度可以具有与侧向维度相同的量级。
单纯作为示例地，光致发光材料可以适于发射绿光(即光致发光的发射光谱具有从495nm到560nm的强度峰值)，并且例如是基于SrSi2O2N2:EU颗粒制成的。该材料可以适于发射黄光(即光致发光的发射光谱具有从560nm到580nm的强度峰值)，并且例如是基于YAG:Ce颗粒制成的。当然，其它材料以及发射橙色或红光是可行的。光致发光颗粒的尺寸可以是微米级的，并可以是从1μm到50μm，平均尺寸可以约为10μm。
作为变型，光致发光材料可以包括尺寸为纳米级的单晶光致发光颗粒(也被称作“纳晶半导体”)。纳晶半导体可以由鎘化硒(CdSe)、磷化銦(InP)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化镉(CdTe)、碲化锌(ZnTe)、氧化镉(CdO)、氧化镉锌(ZnCdO)、硫化镉锌(CdZnS)、硒化镉锌(CdZnSe)、硫化银铟(AgInS2)和这些化合物中至少两种的混合物制成，或由任何等同材料制成。光致发光颗粒由此具有从0.2nm到1000nm、例如从1nm到100nm、尤其是从2nm到30nm的平均尺寸。光致发光颗粒的尺寸和/或组成是根据所期望的发光波长来选择的。由此，平均尺寸约为3.6nm的CdSe的光致发光颗粒适于将蓝光转换成红光，平均尺寸约为1.3nm的CdSe的光致发光颗粒适于将蓝光转换成绿光。
光致发光颗粒优选地散布在形式为透明材料并在光学上具有惰性的连结基质中，该连结基质确保针对光致发光颗粒的连结功能。“透明材料”指传输至少50％、优选地至少80％的入射光的材料。“在光学上具有惰性”指不响应入射光的吸收而发光的材料。所述基质可以是至少部分透明的塑料或硅、尤其是由硅酮或聚乳酸(PLA)。
光致发光材料的厚度尤其取决于光致发光颗粒的类型。在微米级尺寸的颗粒(例如：YAG:Ce)的情况下，该厚度可以从100μm到500μm，例如约为200μm。在纳米级尺寸的颗粒(例如CdSe纳晶)的情况下，该厚度可以小于50μm，甚至小于30μm，例如约为1μm至5μm。
在图1a中，盖件30包括多个光致发光单元31，这些单元每个都覆盖一个电致发光二极管40和相邻的光电二极管50。每个光致发光单元31都被包容在设置于该盖件中的空间中，该空间由有利地倾斜并覆有对于发射性的和光致发光的光辐射具有反射性的覆层32(例如铝膜)的侧壁限定。盖件的厚度尤其取决于光致发光材料的厚度。尤其是根据是否存在光提取电介质层，盖件可以由绝缘、半导体或导体材料制成。作为示例，盖件由硅制成。发光单元的侧向维度被调节为一对电致发光二极管和相邻光电二极管在平面(X、Y)中的侧向维度。该维度可以根据应用而是从2μm到1mm的。例如，在所述发光装置的“照明”应用的情况下，该维度可以约为100μm，在所述发光装置的“屏幕”应用的情况下，该维度可以约为5μm至20μm。盖件30可以还包括对于激励波长和光致发光波长透明的材料的层或板片33。
在工作中，这样地直接给电致发光二极管40施加电压以使得其发射具有称作“激励波长”的波长的光辐射，例如其发射光谱具有约为480nm的强度峰值的蓝光。该光辐射穿过发射表面44向着光致发光材料31的方向发射。
光致发光材料31将该激励入射辐射的至少一部分转换成具有称作“光致发光波长”的第二波长的光致发光光辐射，例如在包括SrSi2O2N2:Eu颗粒的光致发光材料的情况下，转换成其发射光谱具有约为530nm的强度峰值的绿光。
由此，所述发光装置的发射光谱局部地对应于电致发光二极管发射的光辐射的、未被光致发光材料转换的至少一部分和被光致发光材料转换的光辐射的至少一部分的叠加。
此外，这样地间接给光电二极管50施加电压，以使其检测穿过接收表面54接收到的入射光辐射。
根据本发明，由于光致发光材料31包括光致发光颗粒并且覆盖发射表面44和接收表面54，激励光辐射的一部分向着相邻光电二极管50的接收表面54的方向散射或背散射。由此，由于光电二极管50的活性区域53是由组成与电致发光二极管40的材料相同的材料制成的，光电二极管适于检测到背散射的激励光辐射的一部分。然后读取光电二极管在检测到入射光辐射之后的电信号。
当光致发光颗粒的平均尺寸小于激励波长时(例如在前述的纳晶半导体的情况下)，激励辐射向着相邻光电二极管方向的散射是大致各向同性的瑞利散射。当光致发光颗粒的平均尺寸大于激励波长时(例如在YAG:Eu颗粒的情况下)，该散射是米式散射。在这两种类型的散射中，光辐射中的背散射分量是非零的，因此能够被相邻光电二极管检测到。
由此，所述发光光电装置的优点在于，在允许对每个电致发光二极管发射的光的一部分的局部检测的同时发射光，该光的发射光谱尤其取决于光致发光材料和电致发光二极管的发射光谱。
由此获得具有对电致发光二极管发射的集成化并局部化的控制的发光光电装置。光电二极管的检测由于检测用活性区域具有与发射用活性区域相同的光学和电子特性而得到便利。
由此能够通过借助于相邻光电二极管进行的检测来获得实际上由电致发光二极管发射的光辐射，其中所述检测是独立于光致发光颗粒所实现的光转换的。这在发光装置包括适于将激励光转换成不同的光致发光波长的多个光致发光单元时(例如在一些光致发光单元适于转换成红光、一些适于转换成绿光、一些适于转换成黄光等的时候)是特别有利的。由此，无论各个单元的光致发光辐射的波长是什么样的，对各个电致发光二极管的激励光辐射的检测都是由相邻光电二极管来局部地实现的。
此外，电致发光二极管和光电二极管的具有凹进的共平面的台面结构允许获得高二极管密度，电致发光二极管和光电二极管的侧向维度可以约为10μm至50μm。在确保电气连接元件之间的良好的电绝缘的同时还方便了二极管的电气连接。
最后，所述发光装置包括以单片的方式被集成的电致发光二极管和光电二极管，这些二极管可以通过以下详细说明的制造方法来同时获得。
图1b示出了在图1a中示出的发光装置的另一实施方式。该实施方式的不同之处主要在于一方面光致发光材料盖件30和另一方面电气连接层13。
在该示例中，光电芯片与在图1a中示出的相似，不同之处在于连接元件22在此确保电致发光二极管的侧向连接元件48以及相邻光电二极管的导电部分55与控制芯片20的同一导电部分22的电气连接。电致发光二极管40的侧向连接元件48在此被布置在电致发光二极管40和相邻光电二极管50之间。由此，光电二极管的P掺杂部分52和电致发光二极管的N掺杂部分41每个都具有相同的电势。
在光电二极管的侧向连接元件位于电致发光二极管和相邻光电二极管之间的一个变型(见图2a)中，连接元件可以确保电致发光二极管的导电部分和相邻光电二极管的侧向连接元件与控制芯片的同一导电部分的电气连接。由此，电致发光二极管的P掺杂部分和相邻光电二极管的N掺杂部分每个都具有相同的电势。
此外，盖件30在此包括材料31的层，其中所述材料具有与前述相同或相似的光致发光颗粒。由此，该相同的材料覆盖多对电致发光二极管和相邻光电二极管。
图2a至图2b示出了所述发光光电装置的另一实施方式，其与在图1a中所示的不同之处主要在于，该光电装置适于通过电致发光二极管发射激励辐射并通过相邻光电二极管检测光致发光辐射的至少一部分。
在该示例中，光致发光材料的盖件30和控制芯片20与参照图1a所述的相同或相似。电致发光二极管40和光电二极管50具有与参照图1a所述的相同的共平面台面结构。
光电二极管的活性区域53适于检测穿过接收表面54接收到的光致发光光辐射。为此，如在图2b中所详细示出的，活性区域53包括基于这样的半导体材料实现的至少一个量子阱3：该半导体材料的禁带能量小于掺杂部分51、52的禁带能量，并允许检测所接收的光致发光辐射。由于光致发光波长大于激励波长，量子阱3的禁带能量小于适于检测激励辐射的量子阱2的禁带能量。作为示例，量子阱3可以由具有23％的铟的InGaN制成，以在约为530nm的绿光中检测光致发光辐射。作为变型，量子阱3可以由具有30％的铟的InGaN制成，以在约为600nm的红光中检测光致发光辐射。
由于检测用活性区域53和发射用活性区域43具有相同的材料组成，用于光致发光检测的量子阱3也存在于相邻电致发光二极管的活性区域43中。为了避免改变电致发光二极管的发射特性，量子阱3优选地位于量子阱2和N掺杂部分41之间。实际上，由于空穴的移动性小于电子的移动性，光辐射的发射主要在位于P掺杂部分42附近的量子阱2中发生。由此，电致发光二极管的发射光谱没有由于在发射性活性区域中存在用于检测光致发光的量子阱而被改变。
在相邻光电二极管的活性区域53中，量子阱3可能会检测到光致发光辐射和激励辐射。为了仅检测光致发光辐射，有利的做法在于在光电二极管的接收表面54和光致发光材料31之间设置光滤波器4，以传输光致发光光辐射并阻挡激励光辐射的传输。该光滤波器可以连续地由电介质材料(例如SiN和SiO2)的多层叠置来形成。
由此，由于光致发光的发射是大致各向同性的，所述发光装置在能够检测到被接近电致发光二极管的光致发光材料转换的光致发光光线的同时具有前述各个优点。由此，在盖件包括适于发射不同波长的光致发光单元的情况下，各个光电二极管允许检测光电装置本身的整体发射光谱的各个分量的强度。通过使各个电致发光二极管的控制信号服从于各个光电二极管的检测信号，能够改变光电装置的整体发射光谱。此外，在盖件包括连续地覆盖电致发光二极管和光电二极管的光致发光材料的情况下，该发光装置允许检测该材料的光致发光空间响应并由此建立该材料的空间分布或光致发光图谱。
此外，反射性材料膜(未示出)覆盖电致发光二极管的与和半导体部分接触的表面相对的绝缘部分的表面，以优化电致发光二极管的发光效率。该膜可以由铝、银、或对激励波长的反射率高于或等于80％、优选地高于或等于90％、甚至95％的任何其它材料制成。
此外，吸收性材料膜(未示出)覆盖光电二极管的与和半导体部分接触的表面相对的绝缘部分的表面，以将激励辐射的传输限制到光电二极管的活性区域，尤其是在入射的激励辐射相对于光滤波器具有入射角的时候(该入射角体现为滤波器对激励辐射的阻挡率降低)。该膜可以由金或对激励波长的吸收率高于或等于80％、优选地高于或等于90％、甚至95％的任何其它材料制成。
现在参照图3a至图3h来说明用于实现根据另一实施方式的发光装置的方法的示例。该示例与于2014年6月27日提交的专利申请FR1456085中所述的方法相似，该专利申请的文本被视为构成本说明书的一部分。
参照图3a，在生长基片60上实现由N掺杂半导体层61、包括量子阱的活性层63、以及P掺杂半导体层62形成的叠置，其中所述量子阱中有参照图2a所述的、夹置于阻挡层之间的至少一个称作“发射性量子阱”的量子阱和至少一个称作“检测用量子阱”的量子阱。然后给P掺杂层的自由表面覆上例如铝制或银制的导电层65。这些叠置的层用于形成电致发光二极管的和光电二极管的P掺杂部分42、52、N掺杂部分41、51和活性区域43、53，以及导电部分45、55。要指出的是，N掺杂层61可以包括覆盖基片的、高度N+掺杂的部位，该部位覆盖有具有更低的掺杂水平的部位。N掺杂层的这两个部位可以由同一材料或两种不同的材料制成。此外，生长基片可以由绝缘材料(例如蓝宝石)或半导体材料(例如硅)制成，或基于III-V或II-VI材料。
然后沉积硬掩膜结构化凸块64。具有大侧向维度的凸块用于形成电致发光二极管，而具有小径向维度的凸块则用于形成光电二极管。凸块64具有在侧面处形成凹进64a的结构。由此，每个凸块64都包括形成靠在导电层65上的基座的第一部位64b，其侧向维度之后限定二极管的N掺杂部分41、51的第二部位41b、51b的侧向维度。每个凸块都包括第二部位64c，该第二部位从第一部位64b延伸，其侧向维度之后限定二极管的N掺杂部分的第一部位41a、51a、活性区域43、53和P掺杂部分42、52的侧向维度。硬掩膜的这两个部位的厚度是根据层叠置的不同材料的刻蚀速度来选择的。
参照图3b，基于导电层65、P掺杂层62、活性层63以及一部分N掺杂层61的叠置在硬掩膜凸块64之间暴露的表面，实现对该叠置体的刻蚀。形成硬掩膜凸块的凹进的部位64a也在该步骤期间被刻蚀。该刻蚀是干刻蚀，例如反应离子刻蚀或等离子刻蚀。
参照图3c，基于所述叠置体的没有被硬掩膜凸块64覆盖的表面，继续刻蚀。由此，获得多个共平面的台面结构，其每个都是由导电部分45、55、P掺杂部分42、52、活性区域43、53、以及在与活性区域接触的第一部位41a、51a和覆盖基片60的第二部位41b、51b之间具有凹进46、56的N掺杂部分41、51的叠置形成的。N掺杂部分的第一部位41a、51a在平面(X，Y)中的侧向维度比第二部位41b、51b在平面(X，Y)中的侧向维度的小，以形成凹进表面46、56。优选地，用于形成电致发光二极管的台面结构的侧向维度比用于形成光电二极管的相邻台面结构的大。导电部分具有暴露的(即没有可能存在的硬掩膜残留的)表面。
参照图3d，实现绝缘部分47、57，这些绝缘部分被布置在台面结构之间的空间中，并且覆盖这些台面结构的除了凹进表面46、56以外的侧面。这些绝缘部分可以是通过均匀地沉积连续覆盖台面结构和基片暴露的表面的电介质材料(例如厚度从3nm到100nm的SiN)层来实现的。然后，通过对电介质层的位于台面结构之间、凹进表面上和导电部分的表面上的部分的干刻蚀，仅保留位于台面结构的侧面上的部分。
可选地，通过传统的平板印刷步骤实现阴极溅射类型的刻蚀和均匀沉积或化学气相沉积，可以实现由对激励波长具有反射性的材料制成的(例如由铝或银制成的)、覆盖绝缘部分的暴露表面的膜，其中所述绝缘部分的暴露表面覆盖用于形成电致发光二极管的台面结构的侧面。作为示意，该膜的厚度可以在铝的情况下小于或等于50nm，或在银的情况下小于或等于75nm。也可以实现由对激励波长具有吸收性的材料制成的(例如由金制成的)、覆盖绝缘部分的暴露表面的膜，其中所述绝缘部分的暴露表面覆盖用于形成光电二极管的台面结构的侧面。作为示意，该膜的厚度可以在金的情况下大于或等于100nm。最终进行干刻蚀以重新暴露导电部分的表面并通过绝缘部分使导电部分与反射性或吸收性膜绝缘。在反射性和吸收性膜是导电体的情况下，这些膜可以覆盖相应的凹进表面。
参照图3e，通过填充位于各个台面结构之间的空间来形成侧向连接元件48、58。为此，实现导电材料的实心板沉积，然后进行机械-化学平整和/或刻蚀(例如RIE刻蚀)，以去除所沉积的覆盖台面结构的导电材料并由此使得导电部分45、55的上表面和绝缘部分47、57的上表面暴露。所获得的上表面由此是大致平面的。
参照图3f，实现覆盖在前一步骤结束时获得的结构的上表面的电气连接层13，该连接层是由电介质材料15形成的，所述电介质材料15围绕在层13的两个相对的表面之间延伸并与导电部分45、55和侧向连接元件48、58接触的连接元件14。为此，在所获得的结构上沉积电介质层，然后通过平板印刷和刻蚀限定用于容纳各个连接元件的空腔。然后，通过导电材料(例如：铝)的实心板沉积来填充这些空腔，然后进行机械-化学平整。所述连接层具有适于例如直接与控制芯片胶合的大致平面的暴露表面。
参照图3g，在连接层13的暴露表面处将所形成的结构固定到控制芯片20上。控制芯片包括与连接层13的连接元件14接触的极化导电部分22。该固定尤其可以通过光电芯片的和控制芯片各自的金属表面之间以及这两个芯片各自的电介质表面之间的直接胶合、或分子粘附胶合来确保。替代地，也可以进行借助于电气连接微珠和/或热压缩的固定。
在该示例中，例如通过机械-化学平整和/或干刻蚀取走生长基片60，以暴露光电芯片的包括二极管40、50的发射表面44和接收表面54的上表面。
然后，通过传统平面印刷、刻蚀和沉积步骤，实现覆盖光电二极管的接收表面54的光滤波器4，该覆盖例如是借助于电介质材料层部分的交替实现的。然后用电介质材料层12覆盖光电芯片的上表面和光滤波器4，然后例如以机械-化学方式平整所述的电介质材料层。该层的暴露表面可以被局部地结构化，以形成布置在发射表面和(如有必要)接收表面对面的凸起。
参照图3h，将包括具有光致发光颗粒的材料的单元31的盖件30固定到光电芯片的前表面11a上，以使得该光致发光材料覆盖电致发光二极管的发射表面44和相邻光电二极管的接收表面54。在此，每个光致发光单元31都面对一个包括一个电致发光二极管和一个光电二极管的像素。这些光致发光单元可以具有彼此不同的光致发光波长。
由此，可以通过热压缩或直接胶合将光电芯片固定到包括用于接收光致发光单元的贯穿开口网眼的框架上，然后通过称作“增材沉积方法”的方法用光致发光材料填充这些开口。该方法可以是喷墨印刷、凹版印刷、丝网印刷、柔版印刷、滴沉积或溅射涂覆，或任何其它合适的技术。然后可以例如通过紫外线辐射使连结基质聚合化。
以上说明了具体的实施方式。各种变型和改动对本领域技术人员是明显的。
由此，前述的实施方式提及包括凹进表面的N掺杂部分和位于控制芯片对面的P掺杂部分。掺杂部分的导通类型当然可以调换。
此外，某些单元可以不包括光致发光材料而是包括在光学上具有惰性(即不作为对可能的激励辐射的吸收而发光并包括散布在连结基质中的散射颗粒)的材料。散射颗粒可以具有纳米级的平均尺寸，例如从0.2nm到1000nm，可能地约为5nm至10nm，或者具有微米级尺寸，例如从1μm到50μm，可能地约为10μm。

Claims (14)

1.一种发光光电装置(1)，该装置包括：
-具有发射表面(44)的、能够发射称作“激励光辐射”的光辐射的至少一个电致发光二极管(40)；以及
-覆盖所述发射表面(44)的光致发光材料(31)，该光致发光材料包括适于将穿过所述发射表面(44)的所述激励光辐射至少部分地转换成称作“光致发光光辐射”的光辐射的光致发光颗粒；
该装置的特征在于，该装置包括与所述电致发光二极管(40)相邻的至少一个光电二极管(50)，该光电二极管具有被所述光致发光材料(31)覆盖的接收表面(54)，并适于检测穿过所述接收表面(54)的激励辐射和/或穿过所述接收表面(54)来自于所述光致发光材料(31)的光致发光辐射的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的光电装置(1)，其中，所述电致发光二极管(40)和所述光电二极管(50)每个都具有台面结构，所述发射表面(44)和所述接收表面(54)是大致共平面的。
3.根据权利要求1或2所述的光电装置(1)，其中，所述电致发光二极管(40)和所述光电二极管(50)每个都包括根据第一导通类型掺杂的第一半导体部分(41、51)和根据与所述第一导通类型相反的第二导通类型掺杂的第二半导体部分(42、52)，所述第一半导体部分和第二半导体部分分别是大致共平面的，并由组成相同的材料制成。
4.根据权利要求3所述的光电装置(1)，其中，所述电致发光二极管的掺杂的第一半导体部分(41)和所述光电二极管的掺杂的第一半导体部分(51)每个都具有这样的侧面：该侧面包括由所述掺杂的第一半导体部分(41、51)的与其第一部位(41a、51a)相对的第二部位(41b、51b)形成的凹进表面(46、56)。
5.根据权利要求4所述的光电装置(1)，其中，侧向电气连接元件(48、58)这样地在所述电致发光二极管(40)和相邻所述光电二极管(50)之间延伸，以与所述掺杂的第一半导体部分(41、51)的凹进表面(46、56)电气接触，该侧向连接元件还通过覆盖所述台面结构的侧面的电介质部分(47、57)与掺杂的第二半导体部分(42、52)和位于所述掺杂的第一半导体部分(41、51)和所述掺杂的第二半导体部分(42、52)之间的活性区域(43、53)电绝缘。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的光电装置(1)，其中，所述电致发光二极管和所述光电二极管每个都包括位于所述掺杂的第一半导体部分(41、51)和所述掺杂的第二半导体部分(42、52)之间的活性区域(43、53)，这些活性区域大致共平面，并由组成相同的材料制成。
7.根据权利要求6所述的光电装置(1)，其中，所述电致发光二极管的和所述光电二极管的活性区域(43、53)每个都包括至少一个第一量子阱(2)，所述电致发光二极管的活性区域(43)的所述第一量子阱适于发射具有称作“激励波长”的波长的激励光辐射。
8.根据权利要求7所述的光电装置(1)，其中，所述电致发光二极管的和所述光电二极管的活性区域(43、53)每个都包括至少一个第二量子阱(3)，所述光电二极管的活性区域(53)的所述量子阱适于检测所述光致发光光辐射。
9.根据权利要求8所述的光电装置(1)，其中，所述第二量子阱(3)位于N型掺杂的第一半导体部分(41、51)和所述第一量子阱(2)之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光电装置(1)，该装置包括布置在所述光致发光材料(31)和所述光电二极管的接收表面(54)之间的光滤波器(4)，该滤波器适于传输所述光致发光辐射并阻挡所述激励辐射的传输。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光电装置(1)，该装置还包括适于根据被所述光电二极管(50)检测到的光辐射的检测信号来改变所述电致发光二极管发射的激励光辐射的控制装置。
12.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的发光光电装置(1)的方法，在该方法中：
i)实现具有发射表面(44)并能够发射称作“激励光辐射”的光辐射的至少一个电致发光二极管(40)，以及具有接收表面(54)的至少一个相邻光电二极管(50)；
ii)用包括适于将穿过所述发射表面(44)的所述激励光辐射至少部分地转换成称作“光致发光光辐射”的光辐射的光致发光颗粒的光致发光材料(31)覆盖所述发射表面(44)和所述接收表面(54)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述步骤i)包括子步骤，在这些子步骤中：
a.实现包括掺杂的第一半导体层(61)和掺杂的第二半导体层(62)的层的叠置，在所述掺杂的第一半导体层和掺杂的第二半导体层之间夹置有包括至少一个量子阱(2)的活性层(63)；
b.这样地刻蚀所述层叠置以形成用于形成电致发光二极管(40)的台面结构和用于形成相邻光电二极管(50)的台面结构，每个台面结构都是由掺杂的第一半导体部分(41、51)、活性区域(43、53)和掺杂的第二半导体部分(42、52)的叠置形成的，所述台面结构的掺杂的第一半导体部分(41、51)包括具有凹进表面(46、56)的侧面；
c.实现覆盖所述台面结构的、除所述凹进表面以外的所述侧面的电介质部分(47、57)；
d.在所述台面结构之间沉积导电材料(48、58)，该导电材料与所述掺杂的第一半导体部分(41、51)的凹进表面(46、56)接触，并通过所述电介质部分(47、57)与所述活性区域(43、53)和所述掺杂的第二半导体部分(42、52)电绝缘。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，实现这样的电气连接元件(14)：这些元件适于基于位于与所述光致发光材料(31)相对的表面上的极化导电部分(22)而直接使所述电致发光二极管(40)极化并间接地使所述光电二极管(50)极化。
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