JP2012514335A - 両方の側の波長変換器及びそれを使用する光生成デバイスの作製方法 - Google Patents
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Abstract
光変換要素を形成する方法は、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を有する半導体構造体を提供する工程を含む。第1領域は、半導体構造体の第1の側から、第1フォトルミネセント要素内でエッチングされ、第2領域は、半導体構造体の第2の側から、第2フォトルミネセント要素内でエッチングされる。一部の実施形態では、波長変換器は、エレクトロルミネセント要素、例えば発光ダイオード(LED)に取付けられる。
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を有する半導体構造体を用意する工程を含む、光変換要素を形成する方法を目的とする。第1領域は、半導体構造体の第1の側から、第1フォトルミネセント要素内でエッチングされ、第2領域は、半導体構造体の第2の側から、第2フォトルミネセント要素内でエッチングされる。
本発明の別の実施形態は、多重波長発光ダイオード(LED)の形成方法を対象とする。本方法は、波長変換器の第1の側の上の第1パターンをエッチングする工程と、波長変換器の第2の側の上の第2パターンをエッチングする工程と、を含む。この波長変換器はLEDに取付けられる。
本発明の別の実施形態は、波長変換器要素をエレクトロルミネセントデバイスに取付ける工程を含む、半導体デバイスを形成する方法を目的とする。波長変換器要素は、第1フォトルミネセント要素及び窓層を有する、半導体層のスタックを備える。エレクトロルミネセント要素の第1領域は、波長変換器の窓層の第1部分と共に実質的に覆われる。エレクトロルミネセントデバイスの第1領域ではなく、エレクトロルミネセントデバイスの第2領域は、波長変換器の第1フォトルミネセント要素の少なくとも一部分と共に、実質的に覆われる。
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「Adapting Short−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、InSb、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。
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、3 HCl:1 H2O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、共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、残りの半導体構造体は、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を向く方向及びLEDウェハー654からの方向で狭くなる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 (28)
- 光変換要素を形成する方法であって、
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を有する半導体構造体を用意する工程と、
前記半導体構造体の第1の側から、前記第1フォトルミネセント要素内の第1領域をエッチングする工程と、
前記半導体構造体の第2の側から、前記第2フォトルミネセント要素内の第2領域をエッチングする工程と、を含む、方法。 - 第1基板に取付けられた前記半導体構造体を用意する工程と、前記半導体構造体が前記第1基板に取付けられたままで、前記第1フォトルミネセント要素内の前記第1領域をエッチングする工程と、を更に含み、前記半導体構造体を前記第1基板から第2基板に移動する工程と、前記半導体構造体が前記第2基板に取付けられたままで、前記第2フォトルミネセント要素内の前記第2領域をエッチングする工程と、を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2基板が、エレクトロルミネセントデバイスを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記第2基板が中間基板を含み、前記第2領域をエッチングする工程の後、前記半導体構造体を、前記中間基板からエレクトロルミネセントデバイスに移動させる工程を更に含む、請求項3に記載の方法。
- 前記第1領域をエッチングする工程の後、第1不動態化(passivation)層を前記第1領域に設ける工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1不動態化層を平坦化する工程を更に含む、請求項5に記載の方法。
- 前記第2領域をエッチングする工程の後、第2不動態化層を前記第2領域に設ける工程を更に含む、請求項5に記載の方法。
- 前記第2不動態化層を平坦化する工程を更に含む、請求項7に記載の方法。
- 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るエッチング停止層を、前記半導体構造体に設ける工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記エッチング停止層が、カドミウム亜鉛セレン(CdZnSe)をベースとした半導体材料で形成され、かつ前記エッチング停止層をHBr/H2O/Br2の溶液に暴露する工程によって前記エッチング停止層をエッチングする工程を更に含む、請求項9に記載の方法。
- 前記第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ン(CdMgZnSe)を含み、かつ前記第1フォトルミネセント要素をエッチングする工程が、前記第1フォトルミネセント要素をHCl及びHBrの少なくとも1つの溶液に暴露する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 多重波長発光ダイオード(LED)を形成する方法であって、
波長変換器の第1の側の上の第1パターンをエッチングする工程と、
前記波長変換器の第2の側の上の第2パターンをエッチングする工程と、
前記波長変換器をLEDに取付ける工程と、を含む、方法。 - 前記波長変換器が、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及び第2フォトルミネセント要素を含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第1パターンをエッチングする工程が、第1フォトルミネセント要素内の前記第1パターンをエッチングする工程を含み、かつ前記第2パターンをエッチングする工程が、第2フォトルミネセント要素内の前記第2パターンをエッチングする工程を含む、請求項12に記載の方法。
- エッチングされた前記第1パターンの上に第1不動態化層を設ける工程を更に含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第1不動態化層を平坦化する工程を更に含む、請求項15に記載の方法。
- 第2不動態化層をエッチングされた前記第2パターンの上に設ける工程と、エッチングされた前記第2パターンを平坦化する工程と、を更に含む、請求項15に記載の方法。
- 前記波長変換器を前記LEDに取付ける工程が、前記波長変換器を前記LEDに直接接合させる工程を含む、請求項12に記載の方法。
- 前記波長変換器を前記LEDに取付ける工程が、接着層を使用して、前記波長変換器を前記LEDに接着させる工程を含む、請求項12に記載の方法。
- 半導体デバイスを形成する方法であって、
波長変換器要素をエレクトロルミネセントデバイスに取付ける工程であって、前記波長変換器要素が、半導体層のスタックを含み、前記半導体層のスタックが、第1フォトルミネセント要素及び窓層を含む、工程と、
前記エレクトロルミネセント要素の第1領域を、前記波長変換器の前記窓層の第1部分によって実質的に覆う工程と、
前記エレクトロルミネセントデバイスの前記第1領域ではなく、前記エレクトロルミネセントデバイスの第2領域を、前記波長変換器の前記第1フォトルミネセント要素の少なくとも一部分によって実質的に覆う工程と、を含む、方法。 - 前記半導体層のスタックが、第2フォトルミネセント要素を更に含み、前記方法が、前記エレクトロルミネセントデバイスの前記第1領域又は前記第2領域ではなく、前記エレクトロルミネセントデバイスの第3領域を、前記波長変換器要素の前記第2フォトルミネセント要素によって実質的に覆う工程を更に含む、請求項20に記載の方法。
- 前記第1領域を前記第2フォトルミネセント要素によって覆う工程を更に含む、請求項21に記載の方法。
- 非エピタキシャル材料を、前記窓層の前記第1部分の少なくとも1つの側の上に配置する工程を更に含む、請求項20に記載の方法。
- 前記非エピタキシャル材料を、前記窓層の前記第1部分の2つの側の上に配置する工程を更に含む、請求項23に記載の方法。
- 前記第1フォトルミネセント要素の一部分をエッチング停止層までエッチングし、前記窓層の前記第1部分を露出させる工程を更に含む、請求項20に記載の方法。
- 前記半導体層のスタックが、第2フォトルミネセント要素を更に含み、前記第2フォトルミネセント要素の一部分をエッチングする工程を更に含む、請求項25に記載の方法。
- 前記波長変換器要素を前記エレクトロルミネセントデバイスに取付ける工程が、接着剤を使用して、前記波長変換器要素を前記エレクトロルミネセントデバイスに接着させる工程を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記波長変換器要素を前記エレクトロルミネセントデバイスに付着させる工程が、前記波長変換器要素を前記エレクトロルミネセントデバイスに直接接合させる工程を含む、請求項20に記載の方法。
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