JP2012514329A - 両方の側に波長変換器を有する光生成デバイス - Google Patents

両方の側に波長変換器を有する光生成デバイス Download PDF

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Abstract

発光デバイス（２００）は、発光ダイオード（ＬＥＤ２０２）に取り付けられた波長変換器（２０４）を含む。波長変換器は第１の側及び第２の側の両方にエッチングされたパターンを有してもよい。一部の実施形態では、変換器の第１の側及び第２の側はそれぞれ、その頂部において、その基部と異なる幅を有する、対応の構造体を含む。波長変換器は、ＬＥＤの第２領域（２２４）と重なることなく、ＬＥＤの第１領域（２１８）に実質的に重なる第１フォトルミネセント要素（２０８）を含んでもよく、一方で第２フォトルミネセント要素（２１０）は、第１領域と重なることなく、第２領域と実質的に重なる。一部の実施形態では、不動態化層は、第１の側のエッチングされてたパターンの上に配置される。非エピタキシャル材料が、窓層の１つの領域の第１の側及び第２の側に配置されている状態で、窓層は、第１フォトルミネセント要素と第２フォトルミネセント要素との間に配置されてもよい。

Description

本発明は発光ダイオードに関するものであり、特にＬＥＤによって放射される光の波長を変換する波長変換器を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）に関するものである。
照明システムは、投射型表示システム、液晶ディスプレイ用のバックライトなどを包含する、多種多様な用途で使用される。投射システムは、通常、高圧水銀ランプなど、１つ以上の白色光源を使用する。白色光線は、普通、三原色、すなわち、赤色、緑色、及び青色に分かれ、それぞれの画像形成空間光変調器へと導かれて、原色ごとに画像を生成する。得られる原色画像ビームは、組み合わされ、見るために投射スクリーン上に投射される。
ごく最近では、発光ダイオード（ＬＥＤ）が白色光源の代替として考えられている。ＬＥＤは、従来の光源に匹敵する輝度及び動作寿命を提供する可能性を有する。しかし、現在のＬＥＤ、特に緑色の発光ＬＥＤは、対して相対的非効率である。
従来の光源は、一般に、体積が大きく、１つ以上の原色の発光において非効率であり、集積困難であり、それらを用いる光学システムにおいてサイズ及び電力消費の増大をまねく傾向にある。
ＬＥＤでは通常生成しない光の色を必要とする場合や、単独のＬＥＤが、通常は複数の様々なＬＥＤを合わせて作られるスペクトルを有する光の製作に使用される場合の照明装置に関して、波長が変換された発光ダイオード（ＬＥＤ）が益々重要となっている。この様な装置の例は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のコンピュターのモニターやテレビなどの、ディスプレイのバックライトにある。この様な装置では、ＬＣＤパネルの照明用に実質的に白色の光が必要である。単独のＬＥＤで白色を生成させる一つの方法としては、まずＬＥＤで青色を生成させて、次にその光の一部若しくは全部を異なる色に変換するものがある。一例として、青色発光ＬＥＤが白色源として用いられる場合には、青色光の一部分は波長変換器を用いて黄色光に変換され得る。結果として生ずる黄色と青色の組み合わせの光は、観察者には白く見える。しかし、その白色光は２つの異なる色のみの結果であるため、結果としてもたらされる光の色（白色点）は、ディスプレイデバイスに用いるには最適ではない場合がある。
ＬＥＤはまた、画像ディスプレイシステム、例えばテレビのスクリーンにおいて使用されている。かかる応用例では、個々にアドレス可能な、ＬＥＤの放射する赤、緑、青色光の配列は、１つのピクセルを照明するために使用される。それぞれのＬＥＤの相対輝度は、ピクセルから知覚される全体の色を制御するように、制御され得る。
大面積を覆うことができる、安価で、頑健で、かつ高効率なＬＥＤアレイを提供する必要性が残っている。
本発明の一実施形態は、第１の側及び第２の側を有する、共に成長した少なくとも３つの半導体層を有する層状構造体で形成された多層半導体構造体を目的とする。少なくとも３つの半導体層は、第１変換波長の光を生成するための第１半導体フォトルミネセント要素と、第１変換波長と異なる第２変換波長の光を生成するための第２フォトルミネセント要素と、を備える。第１変換波長及び第２変換波長の少なくとも１つは、可視光である。層状構造体の第１の側は、第１の側からパターン形成され、層状構造体の第２の側は第２の側からパターン形成される。
本発明の別の実施形態は、出力側を有するエレクトロルミネセント要素と、第１の側及び第２の側を有する波長変換器と、を有する、光生成デバイスを目的とする。波長変換器はエレクトロルミネセント要素の出力側に取り付けられる。波長変換器は、第１の側に第１のエッチングされたパターンと、第２の側に第２のエッチングされたパターンと、を有する。
本発明の別の実施形態は、第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を形成する半導体層の集積化スタックで形成された、半導体構造体を目的とする。第１フォトルミネセント要素及び第２のフォトルミネセント要素は、共通の励起波長の光によって照射されたときに、第１波長及び第２波長の光をそれぞれ放射可能である。第１フォトルミネセント要素がパターン形成されており、パターン形成された第１フォトルミネセント要素の少なくとも一部は第１半導体構造体を有し、第１半導体構造体の頂部の幅は第１半導体構造体の基部の幅と異なる。第２フォトルミネセント要素がパターン形成されており、パターン形成された第２フォトルミネセント要素の少なくとも一部は第２半導体構造体を有し、第２半導体構造体の頂部の幅は第２半導体構造体の基部の幅と異なる。第１半導体構造体及び第２半導体構造体の頂部は、第１半導体構造体及び第２半導体構造体のそれぞれの基部よりも狭く、第１半導体構造体及び第２半導体構造体の頂部は、第１半導体構造体及び第２半導体構造体のそれぞれの基部よりも広い。
本発明の別の実施形態は、励起波長の光を放射することができるエレクトロルミネセントデバイスと、このエレクトロルミネセントデバイスに取り付けられた波長変換器と、を有する、発光デバイスを目的とする。波長変換器は、単一の半導体層のスタック上にパターン形成された第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を少なくとも有する。第１フォトルミネセント要素及び第２のフォトルミネセント要素は、励起波長の光によって照射されたときに、第１波長及び第２波長の光をそれぞれ放射可能である。第１フォトルミネセント要素は、エレクトロルミネセントデバイスの第１領域と実質的に重なり、エレクトロルミネセントデバイスの第２領域と実質的に重ならない。第２フォトルミネセント要素は、エレクトロルミネセントデバイスの第２領域と実質的に重なり、エレクトロルミネセントデバイスの第２領域と実質的に重ならない。
本発明の別の実施形態は、第１の側及び第２の側を有する半導体層の集積化スタックを有する半導体波長変換器を目的とする。第１パターンは、半導体層スタックの第１の側の第１フォトルミネセント要素内に形成され、第２パターンは、半導体層スタックの第２の側の第２フォトルミネセント要素内に形成される。第１不動態化層は、第１の側のエッチングされたパターンの上に配置される。
本発明の他の実施形態は、第１フォトルミネセント要素と第２フォトルミネセント要素との間に配置される窓層を含む、半導体層のエピタキシャル成長されたスタックを有する、半導体波長変換器を目的とする。スタックは、第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素から横方向に離間されている第１領域を少なくとも有し、この第１領域は、窓層と、窓層の第１の側及び第２の側に配置された非エピタキシャル材料と、を含む。
本発明の別の実施形態は、励起波長の光を放射することができるエレクトロルミネセントデバイスと、このエレクトロルミネセントデバイスに取り付けられた波長変換器と、を有する、発光デバイスを目的とする。波長変換器は、半導体層のスタック上にパターン形成された第１フォトルミネセント要素を少なくとも備える。励起波長の光によって照射されたときににに、第１フォトルミネセントは、第１変換波長の光を生成することができる。窓層は、スタック内の第１フォトルミネセント要素の１つの側に配置される。第１フォトルミネセント要素は、エレクトロルミネセントデバイスの第１領域と重なる。窓層は、第１領域から横方向に離間されるエレクトロルミネセントデバイスの第２領域を覆う。第１フォトルミネセント要素は、第２領域と実質的に覆ならない。
本発明の上記の概要は、本発明の図示された各実施形態又は全ての実施を説明しようとするものではない。以下の図及び詳細な説明によって、これらの実施形態をより具体的に例示する。
添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解され得る。
発光システムの側面図を概略的に図示する。 本発明の原理による、半導体波長変換器を使用する発光システムの実施形態を概略的に図示する。 本発明の原理による、半導体波長変換器の実施形態を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの一実施形態の製造における製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの一実施形態の製造における製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの一実施形態の製造における製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの一実施形態の製造における製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの一実施形態の製造における製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの一実施形態の製造における製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの一実施形態の製造における製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの一実施形態の製造における製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの実施形態の製造における、異なる製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの実施形態の製造における、異なる製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの実施形態の製造における、異なる製造工程を概略的に図示する。 波長変換された発光システムの実施形態の製造における、異なる製造工程を概略的に図示する。 波長変換器が、本発明の原理によって、非垂直の、エッチングされた側壁を有する製造工程を概略的に図示する。 波長変換器が、本発明の原理によって、非垂直の、エッチングされた側壁を有する製造工程を概略的に図示する。 波長変換器が、本発明の原理によって、非垂直の、エッチングされた側壁を有する製造工程を概略的に図示する。 波長変換器が、本発明の原理によって、非垂直の、エッチングされた側壁を有する製造工程を概略的に図示する。 波長変換器が、本発明の原理によって、非垂直の、エッチングされた側壁を有する製造工程を概略的に図示する。 本発明の原理による、２つのフォトルミネセント要素を含む、層状波長変換器の実施形態を概略的に示す。
本発明は様々な変更例及び代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すと共に詳細に説明する。しかしながら本発明を、記載される特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解されるべきである。反対に添付の特許請求の範囲により規定されるように、本発明の趣旨及び範囲内にある全ての変更、等価物、及び代替物を網羅しようとするものである。
本発明は、波長変換器を組み込み、所与の波長の、光源によって最初に放射された光の少なくとも一部の波長を、少なくとも追加の１つの更なる波長にいくつかの実施形態では、追加の２つ以上の波長に変換する、光源に適用可能である。本明細書で、ある特定の波長の光に言及する場合、その光が、ある範囲の波長を有することができ、その波長の範囲内のピーク波長である特定の波長を伴うものと理解されるべきである。例えば、光がλ波長を有すると述べた場合、その光は、その波長の範囲のピーク波長としてλを有する波長の範囲を含むことができるものと理解されるべきである。更に、光が特定の色であると記載されている場合、その光が異なる色の構成成分を含有し得るとしても、光は、その色であると知覚されると理解される。例えば、光は青色であると記載されている場合、その光は、青色として知覚されるが、広域スペクトルを有する場合があり、かつスペクトルの青色領域外にある構成成分を含む場合がある。
本明細書に記載の光源は、各領域の出力光を能動的かつ個別に制御できる、より大きい光放出領域又はより小さい光放出領域を有することができる。光源は、例えば、１つ以上のピクセル化された画像形成デバイスを照らすために投射システムにおいて使用することができる。光源の各光放出領域は、画像形成デバイスの異なる部分又はゾーンを照らすことができる。そのような能力によって、画像形成デバイス内の対応するゾーンが必要とする最小限の照明を提供するように光源の光放出領域の出力光強度を能動的に調節できる、効率的な適応照明システムが可能となる。
開示される光源は、単色（例えば、緑色、若しくは黒色背景上に緑色（green on black））の画像、又はカラー画像を形成することができる。開示されるそのような光源は、光源及び画像形成デバイスの主要な機能を組み合わせて、開示される光源を組み込んだ光学システムで使用される要素又はコンポーネントのサイズ、電力消費、コスト、及び数の低減をもたらす。例えば、ディスプレイシステムでは、開示される光源は、光源及び画像形成デバイスの両方の役割を果たし、それによってバックライト若しくは空間変調器の必要をなくす又は低減することができる。別の例として、開示される光源を投射システムに組み込むと、画像形成デバイス及びリレー光学系の必要がなくなる又は低減される。
ディスプレイシステムにおけるピクセルのアレイなどの発光要素のアレイが開示され、そこでは発光要素のうちの少なくとも一部が、電気信号に応答して光を放射することができるエレクトロルミネセントデバイス、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。発光要素のうちの一部は、エレクトロルミネセントデバイスによって放出される光を下方変換する、１つ以上のポテンシャル井戸及び／又は量子井戸など、１つ以上の光変換要素を含む。下方変換は、入力された、変換されていない光よりも長い波長を有する、出力光を又は変換光を作るプロセスである。
本出願で開示される発光要素のアレイは、例えば、投射システム又は他の光学ディスプレイシステムで使用するための、適応照明システムなどの照明システムにおいて使用することができる。
図１は、各要素が個別に光を出力可能な、発光要素１１０、１１１、及び１１３などの発光要素のアレイを含む、発光システム１００の概略側面図である。各発光要素は、電気信号に応答して光を放出可能なエレクトロルミネセントデバイスを含む。例えば、発光要素１１０、１１１及び１１３は基板１０５上に配置され得る、対応のエレクトロルミネセントデバイス１２０、１２１及び１２３を含む。
場合によっては、発光要素は、活性マトリックス内に構成され、発光要素の少なくとも一部は、これらの要素内のエレクトロルミネセントデバイスを駆動するための、対応の専用スイッチング回路を含むということを意味する。そのような場合では、発光要素１１３は、エレクトロルミネセントデバイス１２３を駆動するための、専用スイッチング回路１３０を含んでもよい。スイッチング回路１３０は、１つ以上のトランジスタ１３１を含んでもよい。
場合によっては、発光要素は、パッシブマトリクスとして構成されてもよく、これは、発光要素がアクティブマトリクスとして構成されていないことを意味する。パッシブマトリクス構成では、いずれの発光要素も、要素内のエレクトロルミネセントデバイスを駆動する専用スイッチング回路をもたない。
通常、パッシブマトリクス構成では、発光システム内のエレクトロルミネセントデバイスは、一度に１つの行に通電される。対照的に、アクティブマトリクス構成では、通常は一度に１つの行がアドレスされるが、スイッチング回路によって、通常、エレクトロルミネセントデバイスに個々に通電できるようになる。場合によっては、発光システム内のエレクトロルミネセントデバイスの少なくとも一部、恐らく全ては、モノリシック集積化される。本明細書で使用するときに、モノリシック集積化は、必ずしもこれだけに限定するものではないが、同一の基板（共通基板）上に製造され、その同一の共通基板上で最終用途に使用される、２つ以上の電子デバイスを含む。ユニットとして別の基板に移されるモノリシック集積化デバイスは、モノリシック集積化されたままである。代表的な電子デバイスには、ＬＥＤ、トランジスタ、キャパシタ等が挙げられる。
２つ以上の要素のそれぞれの部分がモノリシック集積化されている場合、２つの要素は、モノリシック集積化されているものと見なされる。例えば、２つの発光要素は、例えばそれらの２つの要素内のエレクトロルミネセントデバイスがモノリシック集積化されている場合、モノリシック集積化されている。これは、例えば、それぞれ要素内の光変換要素が対応するエレクトロルミネセントデバイスに接着接合されている場合でも言えることである。
エレクトロルミネセントデバイスが半導体層を含む場合、それらのエレクトロルミネセントデバイスは、それらが同一の基板上に製造される場合、及び／又はそれらが共通の半導体層を含む場合、モノリシック集積化されている。例えば、各エレクトロルミネセントデバイスがｎ型半導体層を含む場合、それらのデバイスは、ｎ型半導体層がそれらのエレクトロルミネセントデバイス全域にわたって延びる場合にはモノリシック集積化されている。そのような場合、エレクトロルミネセントデバイス内のｎ型半導体層は、エレクトロルミネセントデバイス全域にわたる連続層を形成してもよい。
発光システム１００内の少なくとも１つの発光要素は、この発光要素内のエレクトロルミネセントデバイスによって放出された光を変換する、１つ以上の光変換要素を含む。例えば、発光要素１１０は、光変換要素１４０及び１４１を含み、発光要素１１１は、光変換要素１４２を含む。場合によっては、光変換要素は、ポテンシャル井戸若しくは量子井戸とすることができ、又はポテンシャル井戸若しくは量子井戸を含んでもよい。
本明細書で使用するときに、ポテンシャル井戸は、キャリアを１つの次元内だけに閉じ込めるように設計された多層半導体構造体内の１つ以上の半導体層を意味しており、その際、半導体層は、周囲の層よりも低い伝導帯エネルギー、及び／又は周囲の層よりも高い価電子帯エネルギーを有する。用語「量子井戸」は、一般に、量子化効果が井戸内の電子−正孔対再接合のためのエネルギーを増大させるほど十分に薄いポテンシャル井戸を指す。量子井戸は、通常、約１００ｎｍ以下、好ましくは約１０ｎｍ以下の厚さを有する。
いくつかの実施形態では、発光システム１００内の全ての発光要素が光変換要素を含むわけではない。例えば、発光要素１１３は、エレクトロルミネセントデバイス１２３を含むが、光変換要素を含まない。そのような場合、発光要素及び発光要素内のエレクトロルミネセントデバイスの光出力は、同一の波長又はスペクトルを有する。
ディスプレイシステムの状況では、発光要素は、発光システム内のピクセル又はサブピクセルとすることができる。ピクセル化された発光システムは、例えばスペクトルの可視領域内の異なる波長の光を放出することができる。例えば、発光システム１００内のエレクトロルミネセントデバイス１２０、１２１、１２３は、青色光を放射してもよい。光変換要素１４０は、エレクトロルミネセントデバイス１２０によって放出された青色光を吸収し、緑色光を放出する、青色／緑色光変換ポテンシャル井戸を含んでもよい。光変換要素１４１は、光変換要素１４０によって放出される緑色光を吸収し、赤色光を放出する、緑色／赤色光変換ポテンシャル井戸を含むことができる。光変換要素１４２は、エレクトロルミネセントデバイス１２１によって放出された青色光を吸収し、したがって緑色光を放出する、青色／緑色光変換ポテンシャル井戸を包含してもよい。そのような場合、要素１１０、１１１、及び１１３は、それぞれ、赤色、緑色、及び青色光を出力する。他の実施形態では、光変換要素１４１及び１４２は、青色／緑色ポテンシャル井戸を含み、同時に光変換要素１４０は、青色／赤色光変換井戸を含む。この後者の場合、光変換要素１４０内で生成された赤色光は、光変換要素１４１を単に透過する。
発光システム１００は、例えばスペクトルの可視領域内のいずれか望ましい波長の光を効率的に出力してもよい。例えば、発光システム１００は、青色放出エレクトロルミネセントデバイス及び青色／緑色光変換要素がきわめて効率の高いものとなり得るので、効率的に緑色光を放出することができる。改善された効率は、システム１００に類似の発光システムを組み込んだ光学システムにおいて電力消費の低減をもたらすことができる。
発光システム１００は、従来の光源よりも小型になり得る。したがって、発光システム１００を用いる光学システムは、より小型の、例えば、より薄いものとなることができ、重量の低減されたものとなることができる。
投射システム又はバックライトシステムにおけるような一部の用途では、発光システム１００は、１つ以上の画像形成デバイスを照らす光源の役割を果たしてもよい。発光システムは、例えば原色又は白色光を効率的に放出するように設計することができる。発光システム１００の改善された効率及び小型度によって、改良型及び／又は新規のシステム設計が可能となる。例えば、サイズ、電力消費、及び重量が低減された、携帯型のバッテリ駆動式光学システムを設計することができる。
投射システムにおけるような一部の用途では、発光システム１００は、光源及び画像形成デバイスの両方の役割を果たすことができる。そのような用途では、液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤ）又はデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの従来の画像形成デバイスを、投射システムからなくすことができる。従来の投射システムは、光源から画像形成デバイスに光を伝える１つ以上のリレー光学要素を包含する。光放射型の画像形成デバイス１００を組み込んだ投射システムでは、リレー光学系をなくすことができ、それによって、要素の数、サイズ、電力消費、重量、及び全体的なコストが削減される。
一般に、光放射システム１００内の発光デバイスのアレイは、用途において望ましい任意のタイプのアレイとすることができる。場合によっては、アレイは、例えば１×ｎ（ここでｎは２以上の整数である）アレイなど、列又は段であってもよい。場合によっては、アレイは２次元のアレイ、例えば正方形（ｍ×ｍ）アレイ、又は矩形アレイ（ｍ×ｎ）アレイであってもよく、ここでｍ及びｎは両方とも２以上の整数である。場合によっては、アレイは台形のアレイ、六角形のアレイ、又はいずれか他のタイプのアレイであってもよく、ここで、要素の相対位置は一定間隔であるか、又は不規則である。
場合によっては、アレイ内の発光要素（又は、ディスプレイシステムの状況ではアレイ内のピクセル）は、等しいサイズのものとすることもでき、又は例えば異なる色を生成する効率の差を考慮するために異なるサイズのものとすることもできる。
発光要素のアレイにおける発光要素は、例えば、アレイを組み込んだデバイスの光学的及び電気的機能に適応するように、正方形、楕円形、長方形、又はより複雑な形状など、いかなる形状を有することもできる。アレイ内の発光要素は、用途において望ましい可能性のある任意の配置で設置することができる。例えば、要素は、恐らく長方形又は六角形配置で、均一に間隔をあけることができる。場合によっては、要素は、糸巻形（pincushion）若しくは樽形（barrel）歪曲などの光学収差を低減又は補正することによって、例えばデバイス性能を改善するために、不均一に設置することができる。
本発明の第１の実施形態による、波長変換発光システム２００の例は、図２に概略図で示されている。デバイス２００は、エレクトロルミネセントデバイス２０２を含む。場合によっては、エレクトロルミネセントデバイス２０２は、電気エネルギーを吸収するときに光を放射可能なリン光性材料を含めることができる。場合によっては、エレクトロルミネセントデバイス２０２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオードなど、半導体エレクトロルミネセントデバイスを含むことができる。発光システム２００内のエレクトロルミネセントデバイスは、電気信号に応答して光を放出可能な任意のデバイスとすることができる。例えば、エレクトロルミネセントデバイスは、例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００６／０１２４９１７号、名称「ＡｄａｐｔｉｎｇＳｈｏｒｔ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＬＥＤｓ ｆｏｒ Ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ，Ｂｒｏａｄｂａｎｄ，ｏｒ ‘Ｗｈｉｔｅ’ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ」に論じられているように、電流に応答して光子を放出可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。
場合によっては、ＬＥＤは、１つ以上のｐ型半導体層及び／又はｎ型半導体層、１つ以上のポテンシャル井戸及び／又は量子井戸を含み得る１つ以上の活性層、バッファ層、基板層、並びにスーパーストレート（superstrate）層を包含することができる。
半導体波長変換器２０４は、エレクトロルミネセントデバイス２０２の上側表面２０６に取り付けられる。波長変換器２０４は、エレクトロルミネセントデバイス２０２から受ける波長λｐの光を変換することによって、少なくとも２つの異なる波長、λ１及びλ２の光を生成することができる。波長変換器２０４は、第２フォトルミネセント要素２１０よりも、エレクトロルミネセントデバイス２０２に近い、図示された実施形態に配置された第１フォトルミネセント要素２０８を含むスタック内で形成される。
フォトルミネセント要素は構造体であり、概してそれより短い波長特性の別の光によって照射されたときに、１つの波長特性の光を生成する。フォトルミネセント要素は、半導体材料であってもよいが、これは必要条件ではない。フォトルミネセント要素は、光変換要素と呼ばれることもある。第１フォトルミネセント要素２０８は、エレクトロルミネセントデバイス２０２からのλｐの光で照射されたときに、λ１の光を生成する。第２フォトルミネセント要素は、エレクトロルミネセントデバイス２０２からのλｐの光で照射されたときに、λ２の光を生成する。２つのフォトルミネセント要素２０８、２１０は、エッチング停止層２１２及び窓層２１４によって分離されている。更に、第２窓層２１６は、第１フォトルミネセント要素２０８を、エレクトロルミネセントデバイス２０２から分離し得る。
ＬＥＤエレクトロルミネセントデバイスは、用途において望ましい可能性のあるいかなる波長でも光を放出することができる。例えば、ＬＥＤは、ＵＶ波長、可視波長、又は赤外線の波長の光を発光することができる。場合によっては、ＬＥＤは、ＵＶ光子を放出可能な短波長ＬＥＤとすることができる。一般に、ＬＥＤ及び／又は光変換要素（ＬＣＥ）は、Ｓｉ若しくはＧｅなどのＩＶ族元素；ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＳ（登録商標）ｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ〜Ｖ族化合物、並びにＡｌＧａｎＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎＮなどのＩＩＩ〜Ｖ族化合物の合金；ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＢｅＳｅ、ＭｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＴｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＢｅＳ、ＭｇＳなどのＩＩ〜ＶＩ族化合物、及びＩＩ〜ＶＩ族化合物の合金、又は、以上に列挙した化合物のいずれかの合金を含めた、有機半導体又は無機半導体などのいずれかの適切な材料から構成することができる。
場合によっては、ＬＥＤ及び／又は波長変換器２０４は、合金の３つの構成要素として化合物ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、及びＭｇＳｅを有する、ＣｄＭｇＺｎＳｅ合金を含むことができる。場合によっては、Ｃｄ、Ｍｇ、及びＺｎのうちの１つ以上、特にＭｇは、合金中でゼロの濃度を有してよく、したがって、合金になくてよい。例えば、ＬＣＥは、赤色で発光可能なＣｄ０．７０Ｚｎ０．３０Ｓｅ量子井戸、又は緑色で発光可能なＣｄ０．３３Ｚｎ０．６７Ｓｅ量子井戸を包含することができる。別の例として、ＬＥＤ及び／又はＬＣＥは、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｓｅ、及び所望選択のＭｇからなる合金を包含することができ、その場合、合金系は、Ｃｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅによって表すことができる。別の例として、ＬＥＤ及び／又はＬＣＥは、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｓｅ、及び所望選択のＺｎからなる合金を含むことができる。場合によっては、量子井戸ＬＣＥは、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、又は約２ｎｍ〜約３５ｎｍの範囲の厚さを有する。
場合によっては、半導体ＬＥＤ又はＬＣＥは、ｎドープ又はｐドープされていてよく、その際、ドーピングは、任意の適切な方法によって、また任意の適切なドーパントを含めることによって、達成することができる。場合によっては、ＬＥＤ及びＬＣＥは、同一の半導体族に由来する。場合によっては、ＬＥＤ及びＬＣＥは、異なる２つの半導体族に由来する。例えば、場合によっては、ＬＥＤは、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体デバイスであり、ＬＣＥは、ＩＩ〜ＶＩ族半導体デバイスである。場合によっては、ＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＮ半導体合金を含み、ＬＣＥは、Ｃｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ半導体合金を含む。
ＬＣＥは、任意の適した方法、例えば接着剤によって、対応するエレクトロルミネセントデバイス上に配置され得る、又はこれに取り付けられ得る。接着剤の一部の例には、硬化性接着剤及びホットメルト接着剤が挙げられるが、これらに限定されない。他の技法、例えば溶接、圧力、熱、又はかかる方法の任意の組み合わせもまた、使用されてもよい。好適なホットメルト接着剤の例としては、半結晶ポリオレフィン、熱可塑性ポリエステル、及びアクリル樹脂が挙げられる。場合によっては、ＬＣＥは、ウエファーボンディング技術によって、対応するエレクトロルミネセントデバイスに取り付けることができる。例えば、エレクトロルミネセントデバイスの最上表面及びＬＣＥの最下表面を、例えばプラズマ支援又は従来のＣＶＤプロセス、又は他の堆積プロセスを使用して、シリカ又は他の無機材料の薄層でコーティングすることができる。次いで、コーティングされた表面は熱、圧力、水、又は１つ以上の化学剤を使用して、化学的・機械的研磨又はラッピングなどの、例えば研磨プロセスで所望により平坦化されてもよい。接合は、コーティングされた表面のうちの少なくとも１つに水素原子を衝突させることによって、又は低エネルギープラズマを使用して表面を活性化させることによって、改善することができる。ウエファー接合方法は、例えば、米国特許第５，９１５，１９３号及び同第６，５６３，１３３号、並びにＱ．Ｙ．Ｔｏｎｇ及びＵ．Ｇｏｓｅｌｅ（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ Ｓｏｎｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９９）による「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ」の第４章及び第１０章に記載されている。
場合によっては、量子又はポテンシャル井戸ＬＣＥは、対応するエレクトロルミネセントデバイスから放出された光の吸収を助けるために、井戸に近接した１つ以上の光吸収層を有することができる。場合によっては、吸収層は、光生成されたキャリアが効率的にポテンシャル井戸に拡散できる材料から構成される。場合によっては、光吸収層は、無機半導体などの半導体を包含することができる。場合によっては、量子又はポテンシャル井戸ＬＣＥは、バッファ層、基板層、及びスーパーストレート層を包含することができる。
エレクトロルミネセントデバイス又はＬＣＥは、任意の適切な方法によって製造することができる。例えば、半導体エレクトロルミネセントデバイス及び／又はＬＣＥは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）、又は気相エピタキシー（ＶＰＥ）を使用して製造することができる。
それぞれの半導体フォトルミネセント要素２０８、２１０は、エレクトロルミネセントデバイス２０２からのλｐの光を吸収する少なくとも１つの層を含むことにより、その半導体内のキャリア対と、これらのキャリアを収集する例えば量子井戸層である少なくとも１つのポテンシャル井戸層とを生成するものであり、収集されたキャリアは再結合されて、λｐより長い波長の光を発する。フォトルミネセント要素２０８、２１０は、エレクトロルミネセントデバイス２０２からの光によって照射されたときに、異なる波長の光を生成する。
エレクトロルミネセントデバイス２０２の第１領域２１８は、第２フォトルミネセント要素２１０のみによって覆われている。エレクトロルミネセントデバイス２０２の第１領域２１８からの波長λｐを有する光２２０は、第２フォトルミネセント要素２１０に入射し、λ２の光２２０を生成する。光は２２０は、エピタキシャル成長した半導体材料のない領域２２３を通過し、第２フォトルミネセント要素２１０に到達する。領域２２３は、非エピタキシャル成長材料、例えば無機若しくは有機の非エピタキシャル成長材料がなくてもよく、あるいは、これらで充填されているか、又は部分的に充填されているかのいずれかであってもよい。非エピタキシャル成長材料は、好ましくは、ごくわずかな量の光２２０（存在する場合）を吸収する。第２フォトルミネセント要素２１０は、エレクトロルミネセントデバイス２０２の第１領域２１８からの入射光２２０の実質的に全てを吸収する場合もあり、又は入射光２２０一部のみを吸収する場合もある。
エレクトロルミネセントデバイス２０２の第２領域２２４は、第１フォトルミネセント要素２０８のみによって覆われている。エレクトロルミネセントデバイス２０２の第２領域２２４からの波長λｐを有する光２２６は、第１フォトルミネセント要素２０８に入射し、よってλ１の光２２８を生成する。第１フォトルミネセント要素２０８は、エレクトロルミネセントデバイス２０２の第２領域２２４からの入射光２２６の実質的に全てを吸収してもよい。
図示された実施形態では、エレクトロルミネセントデバイス２０２の第３領域２３０は、第１フォトルミネセント要素２０８又は第２フォトルミネセント要素２１０のいずれかによって覆われていない。したがって、λｐの光２３２は、光生成システム２００から外へ直接通過することができる。エレクトロルミネセントデバイス２０２からの光、及び同様に、第１フォトルミネセント要素２０８及び第２フォトルミネセント要素２１０からの光は、多数の異なる方向に伝播することを理解されたい。故に、異なる波長の光２２２、２２８、及び２３２は、光生成システム２００を通過して出て、空間的に混合されたものになる。
１つの代表的なデバイスには、エレクトロルミネセントデバイス２０２としてＧａＮ系ＬＥＤが挙げることができ、よってλｐの光、例えば光２２０、２２６及び２３２は青色である。第１フォトルミネセント要素２０８は、第１変換波長、λ１の光２２８を生成し、第２フォトルミネセント要素２１０は、第２の変換された波長、λ２の光２２２を生成する。一部の実施形態では、第１変換波長、λ１は赤色であり、一方で、第２変換波長、λ２は緑色である。故に、光生成システム２００は、ディスプレイに使用される赤色、緑色、青色の３色全ての光を発する能力を有することができる。他の実施形態では、第１変換波長は緑色であってもよく、一方で、第２変換波長は赤色である。
波長変換器２０４は、エレクトロルミネセントデバイス２０２に直接接合されてもよく、又は所望により接合層２３４を介して取り付けることもできる。接合層２３４の使用は、２００７年１０月８日に出願された米国特許出願第６０／９７８，３０４号の利益を主張する、代理人整理番号６３４９７ＷＯ００３を有する、ＰＣＴ出願ＵＳ２００８／０７５７１０号（２００８年９月９日出願）に、より詳細に記載されており、波長変換器２０４の、エレクトロルミネセントデバイスへの直接接合は、米国特許出願第６１／０１２，６０４号（２００７年１２月１０日出願）に記載されており、これらの全ては、参照により本明細書に組み込まれる。駆動電流を与えるために、電極２３６及び２３８をエレクトロルミネセントデバイス２０２のいずれかの側に備えることができる。例えば、仮特許出願第６０／９７８，３０４号の優先権を主張する、代理人整理番号６３４９７ＷＯ００３を有し、２００８年９月９日に出願の、ＰＣＴ出願ＵＳ２００８／０７５７１０号に記載のように、光生成システム２００は、抽出機構を１つ以上の表面に備えて提供されてもよく、これらの両方は、参照により本明細書に組み込まれる。他の実施形態では、ＬＥＤの個々の領域２１８、２２４、２３０は、個々にアドレス可能であってもよく、よって、システム２００によって放射される光は制御可能である。
本発明は、エレクトロルミネセントデバイスで使用可能な半導体材料のタイプを限定せず、したがってエレクトロルミネセントデバイス内に生成される光の波長も限定しないが、本発明は青色光の変換に有用なものとして見出されるであろうと予想される。例えば、青色光を生成するＡｌＧａＩｎＮ ＬＥＤは、青色光を吸収して赤色光及び緑色光を生成し、結果として白色に見える空間的に混合された光をもたらす波長変換器と共に用いることができる。
光生成システム２００と共に使用できる多層波長変換器の１つの実施例は、通常ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料（例えば、ＣｄＭｇＺｎＳｅのような多様なセレナイド金属合金）をベースとした多層量子井戸構造を採用する。そのような多層波長変換器では、エレクトロルミネセントデバイスによって放射される励起光の少なくとも一部、全てでなければほとんど全てを、これらの部分が吸収するように、構造体の一部におけるバンドギャップが設定されるように半導体波長変換器が設計される。励起光の吸収によって生成された電荷キャリアは、量子井戸層に拡散し、これは吸収領域より小さいバンドギャップを有するように設計される。キャリアは量子井戸層に再結合し、励起波長よりも長い波長の光を生成する。この記述は、半導体材料の種類や波長変換器の多層構造体を限定するものではない。
例示の半導体層状変換器３００のバンド構造体は、図３において図示されている。波長変換器は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は他の何らかのエピタキシャル技法を用いてエピタキシャル成長されてもよい。変換器３００の異なる層は、エピタキシャルスタックとして示されており、それぞれの層の幅はその層のバンドギャップの値の定性的な表示である。層状半導体波長変換器３００は、ＩｎＰ基板上に成長されてもよいが、他のタイプの半導体基板が使用されてもよい。代表的な波長変換器の多様な層の厚さ、材料、及びバンドギャップを、下表Ｉにまとめた。
Figure 2012514329
窓層は、窓層への入射光の少なくとも一部に対して透明であるように設計された半導体層である。底窓層３０２は、ＬＥＤに取り付けられた層である。グレードされた層は、隣接する層の間のバンドギャップの滑らかな移行をもたらすように１つの側からもう一方の側にかけて組成が変化する層である。この代表的な構造体では、グレードされた層の層組成は、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｚｎの相対量を変えることによって変化される。フォトルミネセント要素は、ポテンシャル井戸層と吸収層とが交互にあるスタックを含む。故に、赤色フォトルミネセント要素は層３０６、３０８、及び３１０を含み、一方、緑色フォトルミネセント要素は層３２０、３２２、及び３２４を含む。エッチング停止層３１２は、赤色フォトルミネセント要素をエッチングするために使用されるエッチング液によるエッチングに抵抗して、緑色フォトルミネセント要素にエッチング液が到達しないようにする層である。
この構造体の様々な変形が使用されてもよいということが理解される。例えば、異なる層の厚さ及び材料組成物が使用されてもよい。また、緑色発光のフォトルミネセント要素の代わりに、赤色発光のフォトルミネセント要素に近付くように、赤色発光のフォトルミネセント要素及び緑色発光のフォトルミネセント要素の位置は交換されてもよい。他の実施形態では、エッチング停止層及び窓層の位置は、特定の応用例によって、スタック内で異なってもよい。
デュアル波長を含み、ＬＥＤに取り付けられた層状の半導体を含む、光生成システムの位置実施形態の製造への１つのアプローチは、ここで、図４Ａ〜４Ｆを参照して記載される。プロセスについて一般的に説明するが、具体的な例については、図３を参照して説明したデュアル波長変換器を再び参照する。図４Ａ〜４Ｆは、上記のように波長が変換された光生成システムの一部の断面図を概略的に図示する。図４Ａ〜４Ｆに関して記載されるプロセス工程は、装置レベルで実施されてもよいが、ウェハーレベルで実施されもよい。ウェハーレベルのプロセスは、バルクプロセスの利益を提供する。
最初に、図４Ａに概略的に示したようなデュアル波長変換器ウェハー４００を生産するために、フォトルミネセント要素のスタックを、基板上にエピタキシャル成長させる従来の技法を用いて製作することができる。デュアル波長変換器ウェハー４００は、典型的に、その上に後続層が成長される成長基板である、基板４０２と、光を第１変換波長に変換するための第１フォトルミネセント要素４０４と、エッチング停止層４０６と、光を第２変換波長に変換するための第２フォトルミネセント要素４０８と、を含む。いくつかの実施形態では、波長変換器は、励起源からの青色光を変換するのに使用される。そのような場合では、第１変換波長及び第２変換波長はそれぞれ、緑色の波長及び赤色の波長であることが多く、それぞれ赤色及び緑色であってもよい。この記載は、説明目的のみであり、実際の励起波長、第１変換波長又は第２変換波長のいずれも制限するものではないということが理解される。
第２フォトルミネセント要素４０８は、基板４０２に隣接する下方の窓層４１０と、第１吸収層４１２及び第１量子井戸層４１４の交互の配列と、を含む。例示の実施形態は、簡略化のために、１つの第１量子井戸層４１４のみを示しているが、より多くの第１量子井戸層４１４及び付随の第１吸収層４１２が採用されてもよい。第２フォトルミネセント要素４０８は、エッチング停止層４０６に隣接する上方の窓層４１６で完成されてもよい。
この実施形態では、第１フォトルミネセント要素４０４は、エッチング停止層４０６に隣接する下方窓層４１８と、第２の吸収層４２０及び第２の量子井戸層４２２の交互の配列と、を含む。例示の実施形態は、簡略化のために１つの第２量子井戸層４２２のみを示しているが、より多くの第２量子井戸層４２２及び付随の第２吸収層４２０が採用されてもよい。第１フォトルミネセント要素４０４は、上方の窓層４２４で完成されてもよい。異なる層の他の配置も使用されてもよい。
様々なリソグラフィの技法を用いて、いくつかの実施形態では、第１フォトルミネセント要素４０４の様々な領域４２６が除去されてもよい。例えば、領域４２６は、適したエッチング液を使用して、エッチング停止層４０６まで、第１フォトルミネセント要素４０４をエッチングすることによって除去されてもよい。図３を参照して、上記の波長変換器の特定の実施例において、第１フォトルミネセント要素４０４は、ＣｄＭｇＺｎＳｅ層を含み、その場合、エッチング液は、例えばＨＣｌ又はＨＢｒを含有する溶液であってもよい。
第１フォトルミネセント要素４０４は、吸収光を第１変換波長に変換するように設計されるものであり、その特性を用いてエッチングプロセスをモニターすることができる。第１フォトルミネセント要素４０４のエッチング領域４２６は、第１フォトルミネセント要素４０４に吸収され、エッチングのプロセスが実施されている間に検出される、第１変換波長の変換された波長の光で照射されてもよい。第１変換波長で生成した光は、目視により、又は例えば、第１変換波長でない光を排除するフィルタ又はスペクトル分析器を結合した光検波器など任意の好適な検出器を使用して、検出することができる。第１変換波長で生成した光の量は、第１フォトルミネセント要素４０４の量子井戸４２２がエッチング領域４２６から除去されると減少する。第１フォトルミネセント要素４０４が領域４２６で完全にエッチングされると、エッチング速度は遅くなるか、又はエッチング停止層４０６の表面で実質的に停止して、図４Ｂの概略図に示されるエッチングされたウェハーを生産する。
図３のデュアル波長変換器の特定の実施例において、第１変換波長は緑色であり、第２変換波長は赤色である。エッチング領域４２６は、ＬＥＤ、レーザー、又は他の適した光源から青色又は紫外線で照射され、第１フォトルミネセント要素４０４からの、緑色変換光が検出される。エッチング停止層４０６は橙色の蛍光を発するので、第１フォトルミネセント要素４０４の量子井戸がエッチング領域４２６から除去されると、緑色変換光の発光は停止する。
次いで、ウェハー４００をすすいでから、エッチング領域４２６のエッチング停止層４０６をエッチングする。次いで、第２エッチング液を用いてエッチング領域４２６のエッチング停止層４０６を除去する。このエッチングプロセスは、エッチングするにつれて生じるエッチング停止層４０６の照射によってもたらされるエッチング停止層４０６からの蛍光をモニターすることによって追跡調査できる。光源で照射したときに、エッチング停止層４０６によって生成した蛍光のスペクトルが、その下の中間窓層又は第２フォトルミネセント要素４０８によって生成した光のスペクトルと異なる場合、エッチング停止層４０６からの蛍光の減衰は、エッチング停止層４０６がエッチング領域４２６から除去された際に検出できる。この時点で、エッチングプロセスを停止して、図４Ｂに概略的に示されたウェハーを生産することができる。エッチング領域４２６を照射するために用いられる光の波長に依存して、その照射光は、窓層４１６に蛍光を生成するか、若しくは第２フォトルミネセント要素４０８で第２変換波長の光を生成する。
図４のデュアル波長変換器の特定の実施例では、エッチング停止層４０６は、塩素をドープしたＣｄＺｎＳｅで形成され、第２のエッチングは、例えば、ＨＢｒ／Ｈ２Ｏ／Ｂｒ２の溶液でよい。一部の実施形態では、エッチングの構成要素の容積比は２４０／４０／１であるが、他の比もまた使用することができる。ＣｄＺｎＳｅのエッチング停止層４０６を、第１フォトルミネセント要素４０４を照射するために使用したのと同じ青色光又は紫外線で照射することができる。照明光が、波長変換器が取り付けられる予定のＬＥＤによって生成される光と近いか又は同一の波長であるときに、中間窓４１６はその照射光に対して実質的に透明であるので、エッチング停止層４０６がいったんエッチングによって除去されるとすぐに、第２フォトルミネセント要素４０８によって、第１変換波長の光が生成される。したがって、蛍光の波長がエッチング停止層の蛍光の色から、第２変換波長の色に変化するとすぐに、エッチングプロセスは中断することができる。
ドライエッチング技法を含む、材料の除去の他の技法、例えば反応性イオンエッチング、イオンミリング、レーザーアブレーションもまた材料を除去するのに使用することができる。これらの技法のいくつかは、エッチング停止層を必要としない場合があり、その場合、エッチング停止層は省かれてもよく、エッチングプロセスは、２つの波長変換器の間の窓層において終了するために、慎重に制御される。
エッチングされた領域４２６は、次いで第１不動態化層４２８で充填されてもよく、これは図４Ｃで概略的に図示されているように、第１フォトルミネセント要素４０４の頂部と一緒のレベルに平坦化されてもよい。多くの異なるタイプの材料が、第１不動態化層４２８に適している。例えば、適した無機不動態化材料のいくつかの例には、金属酸化物、金属窒化物、又は金属オキシ窒化物が挙げられる。一部の特定の例には、酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）及び窒化ケイ素、ＺｎＳ、Ａｌ２Ｏ３及びＴｉＯ２が挙げられる。適した有機不動態化材料のいくつかの例には、自己組織化膜、反応性有機モノマー若しくはポリマー、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、又はワックスが挙げられる。ＰＣＴ出願ＵＳ２００８／０７５７１０号に記載される接合材料の多くはまた、有機不動態化材料として好適であり得る。特に有用な有機不動態化材料には、ベンゾシクロブテン類、シリコン含有ポリマー、及びパリレン材料を挙げることができる。不動態化層４２８はまた、１つ以上の不動態化材料を含んでもよい。無機材料の１つの利点は、それらが有機材料よりも、より良好な水分バリアを提供する傾向があるということである。他方では、有機材料の層は、無機材料よりも、より速く成長する傾向がある。不動態化層４２８は、１つ以上のタイプの不動態化材料の層を含んでもよい。例えば、不動態化層４２８は、水分バリアとして無機材料層の１つの層と、より速い層の成長のために有機層の１つの層とを含んでもよい。不動態化層４２８は、微細加工技法、例えば真空蒸着、スピンコーティング、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング、塗布（dispensing）等を使用して成長させることができる。不動態化層４２８はまた、標準的な微細加工技法、例えば化学機械研磨、ラッピング、及びエッチングなどを使用して平坦化することもできる。
波長変換器のウェハー４００は、次いでエレクトロルミネセントデバイスのウェハー、例えばＬＥＤウェハー４５０に取り付けられてもよい。これは、図４Ｂからのエッチングされたウェハーの上面４３０、又は図４Ｃからのエッチングされたウェハーの平坦化された表面４３２を、ＬＥＤウェハー４５０の上面に接合することによって実施されてもよい。波長変換器ウェハー４００は、任意の好適な技法、例えば、米国特許出願第６０／９７８，３０４号及びＰＣＴ出願ＵＳ２００８／０７５７１０号に記載のように、接着接合によって、又は米国特許出願第６１／０１２，６０４号に記載のように直接接合によって、ＬＥＤウェハー４５０に接合されてもよい。場合によっては、接合層は、不動態化材料の一部であってもよい。基板４０２は次いで、図４Ｄに示される波長変換ＬＥＤウェハー構造体を製造するために、例えばエッチングによって除去されてもよい。図３のデュアル波長変換器の例では、基板４０２はＩｎＰであり、３ＨＣｌ：１Ｈ２Ｏの溶液中でのエッチングにより除去することができる。ＩｎＰ基板４０２と第２フォトルミネセント要素４０８との間のＧａＩｎＡｓ（図示せず）のバッファ層は、窓層４１０を露出させるために、４０ｇのアジピン酸：２００ｍＬのＨ２Ｏ：３０ｍＬのＮＨ４ＯＨ：１５ｍＬのＨ２Ｏ２のエッチング液を使用して除去することができる。図示された実施形態では、第１フォトルミネセント要素４０４は、ＬＥＤウェハー４５０に取り付けられて、第２フォトルミネセント要素４０８はウェハー４５０から更に離れて位置決めされる。全てのエッチング液の構成成分は、特に指定されない限り、それらの最大濃度で使用される。
図４Ｅを参照して記載されるように、第２フォトルミネセント要素４０８の特定の部分がここでエッチングされてもよい。例えば、ＬＥＤウェハー４５０の領域４３６の上には波長変換器が残っていないように、第１不動態化層４２８の上の第２フォトルミネセント要素４０８の１つ以上の領域４３４が、エッチングされて、第２フォトルミネセント要素を除去してもよい。更に、第１フォトルミネセント要素４０４の上には第２フォトルミネセント要素４０８が残っていないように、第１フォトルミネセント要素４０４上の１つ以上の領域４３８が、エッチングされてもよい。更に、残っているエッチング停止層４０６は、第１フォトルミネセント要素４０４の上から除去されてもよい。したがって、ＬＥＤウェハー４５０の領域４４０の上にはたった１つのフォトルミネセント要素４０４が、ＬＥＤウェハー４５０の領域４４２の上にはたった１つのフォトルミネセント要素４０８が残る。第２フォトルミネセント要素４０８は、第１フォトルミネセント層をエッチングするために、上記と同様のエッチング液を使用してエッチングされてもよい。ＬＥＤウェハー４５０の異なる領域４３６、４４０、４４２は、個々にアドレス可能であってもよく、よって、波長変換されたＬＥＤウェハー４５０を使用する、光生成システムによって放射された光の色をユーザーが制御できるようにする。
第２不動態化層４４１は、図４Ｆに概略的に図示されているように、第２フォトルミネセント要素４０８が除去された区域４３４、４３８の上に位置決めされてもよい。第１不動態化層４２８のように、第２不動態化層４４１は、有機材料、無機材料、又は有機材料と無機材料両方の組み合わせによって形成されてもよい。更に、第２不動態化層４４１の上面４４４は、平坦な表面を提供するために化学機械研磨技法を使用して平坦化されてもよい。平坦化された表面４４４は、波長変換されたウェハーを、システムによって放射された光を集めるために使用される他の光学要素と嵌合させるために使用されてもよい。
このように、励起波長の光４５２は実質的にＬＥＤウェハー４５０の領域４３６から放射され、第１変換波長４５４の光４５４は、ＬＥＤウェハー５０の領域４４０の上で実質的に放射され、第２変換波長の光４５６はＬＥＤウェハー４５０の領域４４２の上で実質的に放射される。しかしながら、ＬＥＤウェハー４５０、並びにフォトルミネセント要素４０４及び４０８の両方において、光が生成される、分散された体積に起因して、また、３つの異なる波長の光がそれにわたって伝搬する広い角度範囲に起因して、いくつかのクロスオーバーがある場合がある。例えば、ある波長の光は、別の色の光を主に放射する光生成システムの領域の上に放射される場合がある。
図４Ａ〜４Ｆを参照し、ちょうど記載された実施形態では、より短い変換波長を生成するフォトルミネセント要素はエレクトロルミネセント要素の近くに位置決めされる。これは必要条件ではなく、他の可能な構成は、より長い変換波長を生成するフォトルミネセント要素が、エレクトロルミネセント要素の近くに位置決めされるものである。この構成の実施例は、図４Ｇに概略的に図示されており、これはＬＥＤ基板４５０に取り付けられた、第１フォトルミネセント要素４０４及び第２フォトルミネセント要素４０８を有する波長変換器を示す。第２フォトルミネセント要素４０８は、第１フォトルミネセント要素４０４よりも、ＬＥＤ基板４５０の近くに位置決めされる。この実施例では、第２フォトルミネセント要素４０８は、第２変換波長の光４５６を作り、これは、第１フォトルミネセント要素４０４によって作られた第１変換波長の光４５４よりも長い波長である。図示された構成に関して、第２変換波長の光の波長は、第２フォトルミネセント要素４０４によって吸収されるには長すぎるため、第２変換波長の光４５６は、第２フォトルミネセント要素の上にある第１フォトルミネセント要素４０４を通過する。
更に、光生成システムから透過された励起光を生成するＬＥＤウェハー４５０の部分を覆う波長変換器ウェハーの領域を完全に除去する必要はない。例えば、図４Ｇに示される例示の実施形態では、窓層４１８の部分は、励起光４５２を放射するＬＥＤウェハー４５０の領域４３６を覆う。
図４Ａ〜４Ｇにおいて、例示の断面図は横方向において制限されており、励起光、第１変換波長の光、及び第２変換波長の光を作る１つの区域のみを示す。ウェハーレベルにおいて、多くのこのような区域が含まれ得るというこということが理解される。例えば、光生成システムがフルカラーの投射ディスプレイで使用されるところでは、それぞれの色を生成することができる１つ以上の区域は、一緒にピクセルと見なされ、最小サイズのピクセルは、３色のそれぞれに関してたった１つの独立した区域を組み込んでいる。このように、図４Ａ〜４Ｇは、多くのうちのたった１つのピクセルを図示していると考えることができる。ウェハー上の隣接する領域は、個別にアドレス可能であり得、したがって異なるピクセルを構成する。図４Ｈに図示されている、ウェハーの１つの例示の断面図は、波線４６４によって分離された２つのピクセル４６２にわたって、波長変換された光を生成するシステム４６０の横方向の図を伸ばす。
図４Ａ〜４Ｈを参照する上記の実施例では、波長変換器は、１つの基板、典型的には成長基板から、波長変換器の１つの側がエッチングされた後、ＬＥＤに移動される。ＬＥＤウェハーに接合した後、波長変換器の第２の側は次いでエッチングされる。波長変換器の両方の側はこのプロセスにおいてエッチングされる。ある状況では、１つの側でエッチングされている波長変換器を、第２の側でエッチングするために、ＬＥＤウェハーよりはむしろ中間基板に移動させることが望ましい場合がある。波長変換器は、中間基板に取り付けられてもよく、したがって、両方の側にエッチングされた変換器のウェハーをＬＥＤウェハーと一体化する第二者に送られるまえに、変換器製造業者によって、変換器は両方の側をエッチングすることができる。
このアプローチにおけるいくつかの例示のプロセス工程は、ここで、図５Ａ〜５Ｄを参照して記載されている。図４Ｃに示されるように、エッチングされた変換器で始まる、このアプローチの記載（すなわち、この地点まで誘導するプロセス工程）は、既に記載されている。エッチングされた変換器ウェハー４３１の上面４３２は、図５Ａに示されているように、中間基板５０２に取り付けられ、基板４０２は除去される。第２フォトルミネセント要素４０８の異なる領域５３４、５３８は、図５Ｂで示されるように例えばエッチングによって除去されてもよく、図５Ｃに示されてるように、上記と同様の方法で、第２の平坦層５０４はエッチングされた領域４３４の上に堆積される。これは、両方の側がエッチングされ、中間基板５０２に実装されている波長変換器５２０となり、輸送に好適である。エッチングされた波長変換器５２０はまた、例えば、ワックス、フォトレジスト、輸送のための保護テープの保護層が備わっていてもよい。中間基板５０２は、ガラス、セラミック、半導体、又はプラスチックを含むが、これらに限定されない任意の適した材料で形成されてもよい。
エッチングされた波長変換器５２０の上面４４４は、既に記載されているように接着剤層又は直接接合を用いて、又は任意の他の適した方法を用いて、ＬＥＤウェハー５２２に取り付けられてもよい。中間基板５０２は次いで除去されてもよく、結果として図５Ｄに概略的に図示されている光生成システム５５０が得られ、ここではＬＥＤウェハー５２２は、両方の側においてエッチングされている。
図４Ａ〜４Ｆ及び５Ａ〜５Ｄにおいて示されているデバイスは、製造の様々な中間段階のデバイスを概略的に示し、中間デバイスの正確な断面図を示すと仮定されているわけではないということが理解される。異なる材料除去の技法は、エッチングされた領域において、非垂直な側壁となり得る。湿式エッチングの１つの実用的な態様は、例えば、エッチングプロセスが垂直の壁を作るのではなく、側壁が深くなるにつれてエッチングされた領域内へ湾曲する側壁を作る傾向があるということである。結果として、実際のデバイス内のエッチングされた領域は必ずしも、図４Ｂ〜４Ｆ及び５Ａ〜５Ｄにおいて示された垂直側壁を有さないが、湾曲している側壁を有し、得られる半導体構造体はその頂部において、その基部よりも狭い。他の材料除去の技法は、他方に側壁を付形し、よって得られる半導体構造体は、その頂部において、その基部よりも広い。また、他の材料除去の技法は、湾曲というよりはむしろ傾斜及び直線である側壁を作ることができる。側壁の最終形状は、直線であれ、又は湾曲であれ、エッチングされる材料及びエッチング液の組成物に応じて決まり得るということに注意されたい。
例えば湿式エッチングを用いて形成され得るように、湾曲した側壁を有する、波長変換器の１つの実施例は、図６Ａ〜６Ｃにおいて概略的に示されている。この実施例において、窓層６０６、６０８、６１０を含む第１フォトルミネセント要素６０２及び第２フォトルミネセント要素６０４を含む、波長変換器６００は、図６Ａに概略的に示されているように、基板６１２に取り付けられている。変換器のウェハー６００は、より複雑な構造体を有してもよいが、エッチング停止層及び他の層は、簡略化のために図から省略されているということが理解される。
第２フォトルミネセント要素６０４の部分が、例えばエッチングによって除去され、エッチングされた部分は、第１不動態化層６１４で充填され、これは平坦化されて、図６Ｂに概略的に図示されるように、平坦化表面６１８を製造することができる。エッチングプロセスによって形成された第２フォトルミネセント要素６０４の側壁６１６は、側壁６１６が深くなるにつれ、エッチング領域内に湾曲しているのを示している。明瞭さのために、側壁６１６の湾曲の量は、図において強調されている。結果として、フォトルミネセント要素６０４のエッチングされていない部分は、エッチングプロセスが開始されたときに、エッチング液に最初に曝露された面において、エッチングから外側に向いている面よりも狭い。換言すれば、エッチングされていない部分は、その根部よりも、その頂部において狭い。
平坦化表面６１８は次いで、第２の基板６２０に取り付けられてもよく、これはＬＥＤウェハー、又は中間基板若しくはある他の基板であってもよく、第１基板６１２は除去されて、第２フォトルミネセント要素６０４を、第１フォトルミネセント要素６０２及び第２の基板の中間に配置する。第１フォトルミネセント要素６０２の様々な領域はここで、例えばエッチングを介して除去されてもよい。図６Ｃにおいて示される実施例では、第１フォトルミネセント要素６０２の部分を除去するために、領域６２２及び６２４はエッチングされる。再び、エッチングされた側壁６２６は湾曲しており、よって第１フォトルミネセント要素６０２の残りの部分は、頂部６２８（基板６２０から遠く離れている部分）ではより狭く、底部、６３０（基板６２０に近い）ではより狭い。基板６２０から離れた第２フォトルミネセント要素６０４の頂部６３２は、しかしながら、基板６２０により近い、第２フォトルミネセント要素６０４の底部６３４よりも広い。２つのフォトルミネセント要素６０２、６０４の幅が、基板６２０に対する異なる方向において様々であるという事実は、波長変換器がそれぞれの側からエッチングされているという事実によるものである。領域６２２及び６２４は不動態化層で充填されてもよい。
光生成デバイス６５０の他の例示の実施形態の断面図は、図６Ｄに概略的に図示されている。デバイス６５０は、第１フォトルミネセント要素６５６及び第２フォトルミネセント要素６５８を有し、ＬＥＤウェハー６５４に取り付けられた波長変換器６５２を含む。波長変換器６５２は、両方の側においてパターン形成されている。例示の実施形態では、ＬＥＤウェハー６５４に面する波長変換器６５２の側は、第２フォトルミネセント要素６５８を含み、ＬＥＤウェハー６５４から外側を向く波長変換器６５２の側部は、第１フォトルミネセント要素６５６を含む。第２フォトルミネセント要素６５８は、ＬＥＤウェハー６５４を向く方向で狭くなる１つ以上の構造体６６０を備えてパターン形成される。換言すれば、構造体６６０の頂部は、構造体６６０の基部よりも狭い。第１フォトルミネセント要素６５６は、ＬＥＤウェハー６５４から離れる方向で狭くなる１つ以上の構造体６６２を備えてパターン形成される。換言すれば、構造体６６２の頂部は、構造体６６２の基部よりも狭い。用語「頂部」は本明細書では、半導体スタックの中心から離れる構造体の部分を指し、用語「基部」は、スタックの中心に近い構造体の部分を指す。
この実施形態では、窓層６６４はフォトルミネセント要素６５６と６５８との間にあり、この実施形態では、第１フォトルミネセント要素６５６又は第２フォトルミネセント要素６５８のいずれよりも覆われていない領域６６６など、ＬＥＤウェハー６５４の領域にわたって延びる。例示のデバイス６５０の例示図は、波線６６８によって分子された２つのピクセルを示しているが、ウェハーは多くのピクセルを含んでもよいということが理解される。
異なる色を作る、異なる区域のサイズは、全て同じである必要はないということにも注意されたい。例えば、例示の実施形態では、ＬＥＤの波長の光を放射する領域６６６の横方向の幅は、第１フォトルミネセント要素６５６及び第２フォトルミネセント要素６５８それぞれの下の領域６７０及び６７２の横方向の幅よりも狭い。これらの別個の領域の幅は、特定のカラーバランスを達成するために選択されてもよい。例えばある色の、領域６７２から放射された光は、第２の光の、領域６６６から放射された光ほど明るくないと視聴者に思われ、２つの領域６６６及び６７２が同じ幅である場合、２つの領域が、視聴者にとって同じ輝度であるように見えるように、領域６６６の幅を減少させ、領域６７２の幅を増加させることが望ましい。
一部の他の実施形態では、例えば、波長変換された光源６８０に関して図６Eに概略的に図示されているように、構造体６６０の頂部は、構造体６６０の基部よりも広くてもよく、構造体６６２の頂部は、構造体６６２の基部よりも広くてもよい。この実施形態では、側壁６６３は直線であるが、他の実施形態では湾曲していていてもよい。
場合によっては、光変換要素は、スラブ蛍光体（slab phosphor）を含んでもよい。例えば、周知の蛍光体Ｃｅ：ＹＡＧは、高温及び圧力で、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体粒子を焼結することによってスラブにし、実質的に光学的に透明であり、非散乱のスラブを形成することができる。製造の詳細は、例えば、米国特許第７，３６１，９３８号に記載されており、参照によって本明細書に組み込まれる。光変換要素で使用できる代表的な蛍光体としては、ストロンチウムチオガレート、ドープＧａＮ、銅活性化硫化亜鉛、及び銀活性化硫化亜鉛が挙げられる。その他の有用な蛍光体としては、ドープＹＡＧ、ケイ酸塩、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、及びアルミン酸塩系蛍光体が挙げられる。かかる蛍光体の例には、Ｃｅ：ＹＡＧ、ＳｒＳｉＯＮ：Ｅｕ、ＳｒＢａＳｉＯ：Ｅｕ、ＳｒＳｉＮ：Ｅｕ及びＢａＳｒＳｉＮ：Ｅｕが挙げられる。
異なる組成物又は主な放射波長を備える複数の蛍光体スラブ層は、共焼結によって積層することができる。他の場合では、別々の蛍光体スラブは、接着剤、熱可塑性樹脂、ゾル−ゲル、又は他の接合材料を用いて、共に接合されてもよい。いくつかの実施形態では、接合材料は、エッチング停止として機能するために、接合材料は、蛍光体スラブとは実質的に異なる溶解度を有してもよい。
複数の色に変換可能である層状の波長変換器は、１つ以上の半導体フォトルミネセント要素及び／又は１つ以上の蛍光体フォトルミネセント要素を用いて形成されてもよい。層状の多波長変換器７００が図７に概略的に図示され、ここでは層７０２は第１フォトルミネセント要素であり、層７０４は第２フォトルミネセント要素であり、層７０６は任意の接合層である。第１フォトルミネセント要素７０２及び第２フォトルミネセント要素７０４のいずれかは、半導体フォトルミネセント要素であってもよく、あるいはスラブ蛍光体フォトルミネセント要素であってもよい。
本発明は、上記の特定の実施例に限定されると考えられるべきではなく、むしろ添付の「特許請求の範囲」に適正に記載されるように、本発明の全ての態様を網羅すると理解されるべきである。本明細書を検討すれば、本発明が適用可能であっても良い様々な変更、等価の処理、並びに多数の構造が、本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになるであろう。「特許請求の範囲」は、そのような修正及び工夫を網羅することを意図したものである。例えば、上記の記述はＧａＮ系ＬＥＤを論じたものであるが、本発明は他のＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料を用いて製作されたＬＥＤにも応用でき、更にＩＩ〜ＶＩ族半導体材料を用いるＬＥＤにも応用できる。

Claims (91)

  1. 少なくとも３つの共に成長した半導体層、並びに第１の側及び第２の側を有する層状構造体を備える、多層半導体構造体であって、前記少なくとも３つの半導体層が、第１変換波長の光を生成するための第１半導体フォトルミネセント要素と、前記第１変換波長と異なる第２変換波長の光を生成するための第２半導体フォトルミネセント要素とを含み、前記第１変換波長及び前記第２変換波長のうちの少なくとも１つは可視光であり、前記層状構造体の前記第１の側が、前記第１の側からパターン形成され、前記層状構造体の前記第２の側が、前記第２の側からパターン形成される、多層半導体構造体。
  2. パターン形成された前記第１の側がエッチングされ、パターン形成された前記第２の側がエッチングされる、請求項１に記載の多層半導体構造体。
  3. エッチングされた前記第１の側が、アンダーカットエッチングされた縁部を有するエッチング部分を含み、エッチングされた前記第２の側が、アンダーカットエッチングされた縁部を有するエッチング部分を含む、請求項２に記載の多層半導体構造体。
  4. 前記層状構造体が、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料層を含む、請求項１に記載の多層半導体構造体。
  5. 前記ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料層が、少なくとも１つのセレン化亜鉛系半導体層を含む、請求項４に記載の多層半導体構造体。
  6. 前記第１半導体フォトルミネセント要素が、光を吸収するための少なくとも２つの第１半導体吸収層と、前記少なくとも２つの第１半導体吸収層の間に配置された第１半導体量子井戸層と、を含む、請求項１に記載の多層半導体構造体。
  7. 前記第２半導体フォトルミネセント要素が、光を吸収するための少なくとも２つの第２半導体吸収層と、前記少なくとも２つの第１半導体吸収層の間に配置された第２半導体量子井戸層と、を含む、請求項６に記載の多層半導体構造体。
  8. 前記半導体層の少なくとも１つが、隣接する半導体層のエッチングに対して相対的耐性を示すエッチング停止層を含む、請求項１に記載の多層半導体構造体。
  9. 前記層状構造体に取り付けられた基板を更に含む、請求項１に記載の多層半導体構造体。
  10. 前記基板が中間基板を含む、請求項９に記載の多層半導体構造体。
  11. 前記基板が半導体基板を含む、請求項９に記載の多層半導体構造体。
  12. 前記半導体基板がＩｎＰ基板を含み、前記層状構造体がＩＩ〜ＶＩ族半導体材料層を含む、請求項１１に記載の多層半導体構造体。
  13. 前記層状構造体が接着層を介して前記基板に接着される、請求項１１に記載の多層半導体構造体。
  14. 前記層状構造体が前記基板に直接接合される、請求項１１に記載の多層半導体構造体。
  15. 前記半導体基板がＬＥＤウェハーを含む、請求項１１に記載の多層半導体構造体。
  16. 出力側を有するエレクトロルミネセント要素と、
    第１の側及び第２の側を有し、前記エレクトロルミネセント要素の前記出力側に取り付けられ、前記第１の側に第１のエッチングされたパターン及び前記第２の側に第２のエッチングされたパターンを有する、半導体波長変換器と、を有する、光生成デバイス。
  17. 前記波長変換器が、第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を含み、前記第１のエッチングされたパターンが前記第１フォトルミネセント要素内に形成され、前記第２のエッチングされたパターンが前記第２フォトルミネセント要素内に形成される、請求項１６に記載のデバイス。
  18. 前記第１フォトルミネセント要素が、エレクトロルミネセントデバイスからの励起波長の入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第１ポテンシャル井戸を含み、前記第１ポテンシャル井戸が第１波長の光を放射可能である、請求項１７に記載のデバイス。
  19. 前記第２フォトルミネセント要素が、エレクトロルミネセントデバイスからの励起波長の入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第２ポテンシャル井戸を有し、前記第２ポテンシャル井戸が第２波長の光を放射可能である、請求項１８に記載のデバイス。
  20. 前記半導体波長変換器がＩＩ〜ＶＩ族半導体材料の半導体層を含む、請求項１６に記載のデバイス。
  21. 前記波長変換器が、第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を含み、前記第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素のそれぞれが、カドミウムマグネシウム亜鉛セレン（ＣｄＭｇＺｎＳｅ）の吸収層の間に配置された複数のカドミウム亜鉛セレン（ＣｄＺｎＳｅ）量子井戸を含む、請求項２０に記載のデバイス。
  22. 前記波長変換器とエレクトロルミネセントデバイスとの間に配置された接着層を更に含み、前記接着層が前記波長変換器を前記エレクトロルミネセントデバイスに取り付けている、請求項１６に記載のデバイス。
  23. 前記波長変換器が前記エレクトロルミネセントデバイスに直接接合される、請求項１６に記載のデバイス。
  24. 前記波長変換器が、前記第２フォトルミネセント要素と共にエピタキシャル成長した第１フォトルミネセント要素と、窓層と、前記第１フォトルミネセント要素と第２フォトルミネセント要素との間にエピタキシャル成長したエッチング停止層と、を含む、請求項１６に記載のデバイス。
  25. 前記波長変換器が、第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を含み、前記第１フォトルミネセント要素が、第１方向に向く第１半導体構造体を含み、前記第２フォトルミネセント要素が、前記第１方向と反対側の第２方向に向く第２半導体構造体を含む、請求項１６に記載のデバイス。
  26. 前記波長変換器が、第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を備え、前記第１フォトルミネセント要素が、エレクトロルミネセントデバイスの第１領域と実質的には重なるが、前記エレクトロルミネセントデバイスの第２領域とは実質的に重ならず、前記第２フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスの前記第２領域と実質的には重なるが、前記エレクトロルミネセントデバイスの前記第１領域とは実質的には重ならない、請求項１６に記載のデバイス。
  27. 前記エレクトロルミネセント要素がエレクトロルミネセント要素のアレイを含む、請求項１６に記載のデバイス。
  28. 前記半導体波長変換器が、前記エレクトロルミネセント要素のアレイと共に配置された波長変換器のアレイを含む、請求項２７に記載のデバイス。
  29. 第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を形成する半導体層の集積化スタックを含む、半導体構造体であって、前記第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素が、共通の励起波長の光によって照射されたとき、第１波長及び第２波長の光をそれぞれ放射可能であり、前記第１フォトルミネセント要素がパターン形成されており、パターン形成された前記第１フォトルミネセント要素の少なくとも一部は第１半導体構造体を有し、前記第１半導体構造体の頂部の幅は前記第１半導体構造体の基部の幅と異なり、前記第２フォトルミネセント要素がパターン形成されており、パターン形成された前記第２フォトルミネセント要素の少なくとも一部は第２半導体構造体を有し、前記第２半導体構造体の頂部の幅は前記第２半導体構造体の基部の幅と異なり、前記第１半導体構造体及び前記第２半導体構造体が、ｉ）前記第１半導体構造体及び前記第２半導体構造体の頂部が、前記第１半導体構造体及び前記第２半導体構造体のそれぞれの基部よりも狭い、及びｉｉ）前記第１半導体構造体及び前記第２半導体構造体の前記頂部が、前記第１半導体構造体及び前記第２半導体構造体のそれぞれの基部よりも広い、のうちの１つを条件とする、半導体構造体。
  30. 前記集積化スタックが、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料層を含む、請求項２９に記載の半導体構造体。
  31. 前記ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料層が、少なくとも１つのセレン化亜鉛系半導体層を含む、請求項３０に記載の半導体構造体。
  32. 前記第１半導体フォトルミネセント要素が、光を吸収するための少なくとも２つの第１半導体吸収層と、前記少なくとも２つの第１半導体吸収層の間に配置された第１半導体量子井戸層と、を含む、請求項２９に記載の半導体構造体。
  33. 前記第２半導体フォトルミネセント要素が、光を吸収するための少なくとも２つの第２半導体吸収層と、前記少なくとも２つの第１半導体吸収層の間に配置された第２半導体量子井戸層と、を含む、請求項３２に記載の半導体構造体。
  34. 前記半導体層のスタックが、隣接する半導体層のエッチングに対して相対的耐性を示すエッチング停止層を更に含み、前記エッチング停止層が、前記第１フォトルミネセント要素と第２フォトルミネセント要素との間に配置される、請求項２９に記載の半導体構造体。
  35. 前記半導体層のスタックに取り付けられた半導体基板を更に含む、請求項２９に記載の半導体構造体。
  36. 前記半導体基板がＩｎＰ基板を含み、前記半導体層のスタックがＩＩ〜ＶＩ族半導体材料層を含む、請求項３５に記載の半導体構造体。
  37. 前記半導体層のスタックが接着層を介して前記基板に接着される、請求項３５に記載の半導体構造体。
  38. 前記半導体層のスタックが前記基板に直接接合される、請求項３５に記載の半導体構造体。
  39. パターン形成された前記第１フォトルミネセント要素の上に配置される第１不動態化（passivation）層を更に含む、請求項２９に記載の半導体構造体。
  40. 前記第１不動態化層が平坦化される、請求項３９に記載の半導体構造体。
  41. パターン形成された前記第２フォトルミネセント要素上に配置される第２不動態化層を更に含む、請求項４０に記載の半導体構造体。
  42. 前記第２不動態化層が平坦化される、請求項４１に記載の半導体構造体。
  43. 励起波長の光を放射可能なエレクトロルミネセントデバイスと、
    前記エレクトロルミネセントデバイスに取り付けられた波長変換器と、を有する発光デバイスであって、
    前記波長変換器が、単一の半導体層のスタック上にパターン形成された第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を少なくとも含み、前記第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素がそれぞれ、前記励起波長の光によって照射されたとき、第１波長及び第２波長の光を放射可能であり、前記第１フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスの第１領域と実質的に重なるが、前記エレクトロルミネセントデバイスの第２領域とは実質的に重ならず、前記第２フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスの前記第２領域と重なるが、前記エレクトロルミネセントデバイスの第１領域と実質的には重ならない、発光デバイス。
  44. 前記第１フォトルミネセント要素が、少なくとも第１ポテンシャル井戸を有し、前記第２フォトルミネセント要素が、少なくとも第２ポテンシャル井戸を有する、請求項４３に記載のデバイス。
  45. 前記第１フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスからの励起波長の入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第１ポテンシャル井戸を含み、前記第１ポテンシャル井戸が前記第１波長の光を放射可能である、請求項４４に記載のデバイス。
  46. 前記第２フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスからの前記励起波長の前記入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第２ポテンシャル井戸を有し、前記第２ポテンシャル井戸が、第２波長の光を放射可能である、請求項４５に記載のデバイス。
  47. 前記第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素が、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料を含む、請求項４３に記載のデバイス。
  48. 前記第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素がそれぞれ、カドミウムマグネシウム亜鉛セレナイド（ＣｄＭｇＺｎＳｅ）の吸収層の間に配置された、複数のカドミウム亜鉛セレナイド（ＣｄＺｎＳｅ）量子井戸を有する、請求項４７に記載のデバイス。
  49. 前記波長変換器と前記エレクトロルミネセントデバイスとの間に配置された接着層を更に含み、前記接着層が前記波長変換器を前記エレクトロルミネセントデバイスに取り付けている、請求項４３に記載のデバイス。
  50. 前記波長変換器が前記エレクトロルミネセントデバイスに直接接合される、請求項４３に記載の装置。
  51. 前記第１フォトルミネセント要素が、前記第２フォトルミネセント要素と共にエピタキシャル成長される、請求項４３に記載のデバイス。
  52. 窓層と、前記第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素の間にエピタキシャル成長したエッチング停止層とを更に含む、請求項５１に記載のデバイス。
  53. 前記第１フォトルミネセント要素が、第１方向を向く第１半導体構造体を含み、前記第２フォトルミネセント要素が、前記第１方向と反対側の第２方向を向く第２半導体構造体を含む、請求項４３に記載のデバイス。
  54. 前記波長変換器が第１の側及び第２の側を有し、前記第１フォトルミネセント要素が前記第１の側上に、前記第１の側から前記波長変換器内へエッチングされた第１パターンを有し、前記第２フォトルミネセント要素が、前記第２の側上に、前記第２の側から前記波長変換器内へエッチングされた第２パターンを有する、請求項４３に記載のデバイス。
  55. 前記エレクトロルミネセントデバイスが、エレクトロルミネセントデバイスのアレイを含む、請求項４３に記載のデバイス。
  56. 前記半導体波長変換器が、前記エレクトロルミネセントデバイスのアレイと共に配置された波長変換器のアレイを含む、請求項５５に記載のデバイス。
  57. 第１の側及び第２の側を有する半導体層の集積化スタックであって、第１パターンが前記半導体層のスタックの前記第１の側の第１フォトルミネセント要素内に形成され、第２パターンが前記半導体層のスタックの前記第２の側の第２フォトルミネセント要素内に形成される、集積化スタックと、
    前記第１の側のエッチングされたパターンの上に配置される第１不動態化層と、を含む、半導体波長変換器。
  58. 前記第１不動態化層が平坦化される、請求項５７に記載の波長変換器。
  59. 前記第２の側のエッチングされたパターン上に配置される第２不動態化層を更に含む、請求項５７に記載の波長変換器。
  60. 前記第２不動態化層が平坦化される、請求項５９に記載の波長変換器。
  61. 前記半導体層の集積化スタックが、第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を含み、かつ前記第１フォトルミネセント要素と第２フォトルミネセント要素との間にエッチング停止層を更に含む、請求項５７に記載の波長変換器。
  62. 前記第１フォトルミネセント要素が少なくとも第１ポテンシャル井戸を含み、前記第２フォトルミネセント要素が少なくとも第２ポテンシャル井戸を含む、請求項６１に記載の波長変換器。
  63. 前記第１フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスからの励起波長の入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第１ポテンシャル井戸を含み、前記第１ポテンシャル井戸が前記第１波長の光を放射可能である、請求項６１に記載の波長変換器。
  64. 前記第２フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスからの前記励起波長の入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第２ポテンシャル井戸を含み、前記第２ポテンシャル井戸が、第２波長の光を放射可能である、請求項６３に記載の波長変換器。
  65. 前記第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素が、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料を含む、請求項６１に記載の波長変換器。
  66. 前記第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素がそれぞれ、カドミウムマグネシウム亜鉛セレナイド（ＣｄＭｇＺｎＳｅ）の吸収層の間に配置された、複数のカドミウム亜鉛セレナイド（ＣｄＺｎＳｅ）量子井戸を含む、請求項６５に記載の波長変換器。
  67. 前記第１フォトルミネセント要素が、前記第２フォトルミネセント要素と共にエピタキシャル成長される、請求項６１に記載の波長変換器。
  68. 前記第１フォトルミネセント要素と前記第２フォトルミネセント要素との間に、少なくとも１つの窓層を更に含む、請求項６１に記載の波長変換器。
  69. 前記第１フォトルミネセント要素が、第１方向を向く第１半導体構造体を少なくとも含み、前記第２フォトルミネセント要素が、前記第１方向と反対側の第２方向を向く第２半導体構造体を少なくとも含む、請求項６１に記載の波長変換器。
  70. 第１フォトルミネセント要素及び第２フォトルミネセント要素を含む半導体層と、前記第１フォトルミネセント要素及び前記第２フォトルミネセント要素の間に配置される窓層と、のエピタキシャル成長されたスタックを含む、半導体波長変換器であって、前記スタックが、前記第１フォトルミネセント要素及び前記第２フォトルミネセント要素から横方向に離間されている第１領域を少なくとも有し、前記第１領域が、前記窓層と、前記窓層の第１の側及び第２の側の上に配置された非エピタキシャル材料と、を含む、半導体波長変換器。
  71. 前記第１の側上に配置される前記非エピタキシャル材料が第１不動態化層を含み、前記第２の側上に配置される前記非エピタキシャル材料が第２不動態化層を含む、請求項７０に記載の波長変換器。
  72. 前記半導体層のスタックが、前記第１フォトルミネセント要素と前記第２フォトルミネセント要素との間にエッチング停止層を更に含む、請求項７０に記載の波長変換器。
  73. 前記第１フォトルミネセント要素が少なくとも第１ポテンシャル井戸を含み、前記第２フォトルミネセント要素が少なくとも第２ポテンシャル井戸を含む、請求項７０に記載の波長変換器。
  74. 前記第１フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスからの励起波長の入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第１ポテンシャル井戸を含み、前記第１ポテンシャル井戸が前記第１波長の光を放射可能である、請求項７０に記載の波長変換器。
  75. 前記第２フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスからの励起波長の入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第２ポテンシャル井戸を含み、前記第２ポテンシャル井戸が第２波長の光を放射可能である、請求項７４に記載の波長変換器。
  76. 前記第１フォトルミネセント要素及び前記第２フォトルミネセント要素が、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料を含む、請求項７０に記載の波長変換器。
  77. 前記第１フォトルミネセント要素及び前記第２フォトルミネセント要素がそれぞれ、カドミウムマグネシウム亜鉛セレナイド（ＣｄＭｇＺｎＳｅ）の吸収層の間に配置された、複数のカドミウム亜鉛セレナイド（ＣｄＺｎＳｅ）量子井戸を含む、請求項７６に記載の波長変換器。
  78. 前記第１フォトルミネセント要素が、第１方向を向く第１半導体構造体を少なくとも含み、前記第２フォトルミネセント要素が、前記第１方向と反対側の第２方向を向く第２半導体構造体を少なくとも含む、請求項７０に記載の波長変換器。
  79. 励起波長の光を放射可能なエレクトロルミネセントデバイスと、
    前記エレクトロルミネセントデバイスに取り付けられた波長変換器と、を有する発光デバイスであって、
    前記波長変換器が、半導体層のスタック上にパターン形成された第１フォトルミネセント要素を少なくとも含み、前記第１フォトルミネセント要素が、励起波長の光によって照射されたときに第１変換波長の光を生成可能であり、前記第１フォトルミネセント要素の１つの側に窓層が前記スタック内で配置され、前記第１フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスの第１領域と重なり、前記窓層が、前記第１領域から横方向に離間される前記エレクトロルミネセントデバイスの第２領域と重なり、前記第１フォトルミネセント要素が、前記第２領域と実質的に重ならない、発光デバイス。
  80. 前記波長変換器が、第２フォトルミネセント要素を更に含み、前記窓層が、前記第１フォトルミネセント要素と前記第２フォトルミネセント要素との間に配置され、前記第２フォトルミネセント要素が、励起波長の光によって照射されたときに第２変換波長の光を生成可能であり、前記第２変換波長は前記第１変換波長とは異なり、前記第２フォトルミネセント要素が、前記第１領域及び前記第２領域から横方向に離間される前記エレクトロルミネセントデバイスの第３領域と重なり、前記第２フォトルミネセント要素が前記第２領域と実質的に重ならない、請求項７９に記載のデバイス。
  81. 前記第２フォトルミネセント要素もまた、前記第１領域と重なる、請求項７９に記載のデバイス。
  82. 前記第２領域と重なる、前記窓層の少なくとも１つの側の上に配置された非エピタキシャル材料を更に含む、請求項７９に記載のデバイス。
  83. 前記非エピタキシャル材料が、第１不動態化層を含む、請求項８２に記載のデバイス。
  84. 前記半導体層のスタックが、前記第１フォトルミネセント要素と前記第２フォトルミネセント要素との間にエッチング停止層を更に含む、請求項８０に記載のデバイス。
  85. 前記第１フォトルミネセント要素が、少なくとも第１ポテンシャル井戸を含む、請求項７９に記載のデバイス。
  86. 前記第１フォトルミネセント要素が、前記エレクトロルミネセントデバイスからの励起波長の入射光を吸収する吸収性半導体層の間に配置される、複数の第１ポテンシャル井戸を含み、前記第１ポテンシャル井戸が前記第１波長の光を放射可能である、請求項８５に記載のデバイス。
  87. 前記第１フォトルミネセント要素が、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料を含む、請求項７９に記載のデバイス。
  88. 第１フォトルミネセント要素が、カドミウムマグネシウム亜鉛セレナイド（ＣｄＭｇＺｎＳｅ）の吸収層の間に配置された、複数のカドミウム亜鉛セレナイド（ＣｄＺｎＳｅ）量子井戸を含む、請求項８７に記載のデバイス。
  89. 前記第１フォトルミネセント要素が、第１方向を向く少なくとも第１半導体構造体を含み、前記第２フォトルミネセント要素が、前記第１方向と反対側の第２方向を向く少なくとも第２半導体構造体を含む、請求項８０に記載の半導体変換器。
  90. 前記エレクトロルミネセントデバイスが、エレクトロルミネセントデバイスのアレイを含む、請求項７９に記載のデバイス。
  91. 前記半導体波長変換器が、前記エレクトロルミネセントデバイスのアレイと共に配置された波長変換器のアレイを含む、請求項９０に記載のデバイス。
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