TW201911608A - 光電元件 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種光電元件，包括： 發光源，每個發光源能夠發射具有第一波長的第一輻射； 光致發光塊，分配成第一光致發光塊及第二光致發光塊，該等第一光致發光塊能夠藉由光激升將該第一輻射轉換成具有第二波長的第二輻射，該等第二光致發光塊能夠藉由光激升將該第一輻射轉換成具有第三波長的第三輻射；以及 對於每個光致發光塊而言，光耦合器包含至少部分圍繞該光致發光塊的第一光子晶體，並用該光致發光塊覆蓋該光致發光塊旁邊的其中一個發光源，該光耦合器能夠改變由該發光源發射的該第一輻射的光線的傳播方向，以使該等光線朝該光致發光塊重新定向。

Description

光電元件
本揭露涉及一種光電元件，特別是包含發光源的顯示螢幕或影像投影裝置，特別是基於半導體材料的發光二極體；以及製造該光電元件的方法。
影像的像素對應於光電元件所顯示影像的單位單元。當光電元件是彩色影像顯示螢幕時，為了顯示影像的每個像素，光電元件通常包含至少三個部件，也稱為顯示子像素，每個顯示子像素發射實質上單色的光輻射（例如紅色、綠色、及藍色）。三個顯示子像素所發射的輻射疊加為觀看者提供與顯示影像的像素相對應的彩色感知。在這種情況下，將用於顯示影像的像素的三個顯示子像素所形成的組件稱為光電元件的顯示像素。
存在包含基於半導體材料的發光二極體的光電元件，特別是基於半導體材料的發光二極體；以及覆蓋至少一些發光源的光致發光材料塊。每個光致發光塊能夠將由相關發光源所發射的輻射或第一輻射轉換成所需波長的輻射或第二輻射。
光電元件的發光效率被定義為光電元件朝外部發射的光流與光電元件的發光源消耗的電能之比。
先前描述的光電元件的缺點在於：由發光源發射的部分輻射通常無法被相關的光致發光塊轉換，並且通常會被覆蓋光致發光塊的濾光片阻擋。然而，不希望過度增加光致發光塊的厚度以增加轉換成第二輻射的第一輻射的比例。實際上，此舉增加了光致發光塊中第二輻射的平均傳播時間，並導致第二輻射在光致發光塊中的再吸收增加。因此，光電元件的發光效率可能很低。
先前描述的光電元件的缺點在於形成光致發光塊的材料的製造成本可能很高。
因此，實施例的目的是克服先前所述的包含發光源和光致發光塊的光電元件的至少部分缺點。
實施例的另一目的是增加光電元件的發光效率。
實施例的另一目的是增加由光致發光塊轉換的第一輻射的比例。
實施例的另一目的是減少第二輻射在光致發光塊中的再吸收。
實施例的另一目的是減小光致發光塊的尺寸。
實施例的另一目的是能夠以工業規模和低成本製造包含發光二極體的光電元件。
因此，一實施例提供了一種光電元件，包含： 發光源，每個發光源能夠發射具有第一波長的第一輻射； 光致發光塊，分配成第一光致發光塊及第二光致發光塊，該等第一光致發光塊能夠藉由光激升將該第一輻射轉換成具有第二波長的第二輻射，該等第二光致發光塊能夠藉由光激升將該第一輻射轉換成具有第三波長的第三輻射；以及 對於每個光致發光塊而言，光耦合器包含至少部分圍繞該光致發光塊的第一光子晶體，並用該光致發光塊覆蓋該光致發光塊旁邊的其中一個發光源，該光耦合器能夠改變由該發光源發射的該第一輻射的光線的傳播方向，以使該等光線朝該光致發光塊重新定向。
依據一實施例，每個光耦合器包含第一材料的第一層，該第一材料在該第一波長下具有第一折射率，該第一層具有第一和第二相對表面，該第一或第二表面覆蓋該發光源，每個光耦合器還包含第一開口，該等第一開口在該第一層中從該第一表面及/或該第二表面延伸並填有第二材料，該第二材料在該第一波長下具有第二折射率，該第二折射率與該第一折射率不同。
依據一實施例，每個光致發光塊包含能夠讓道給該第一輻射的第二光子晶體，該第一輻射在該光致發光塊中的傳播速度小於該第一輻射在與該光致發光塊相鄰的該光耦合器中的傳播速度。
依據一實施例，每個光致發光塊包含半導體材料的奈米範圍光致發光單晶顆粒。
依據一實施例，每個光致發光塊包含第三材料的第二層，該第三材料在該第一波長下具有第三折射率，該第二層具有第三和第四相對表面，該第三或第四表面覆蓋該發光源，每個光致發光塊還包含第二開口，該等第二開口在該第二層中從該第三及/或第四表面延伸並填有第四材料，該第四材料在該第一波長下具有第四折射率，該第四折射率與該第三折射率不同。
依據一實施例，該光致發光單晶顆粒位於該第二層中及/或該等第二開口中。
依據一實施例，對於每個光致發光塊而言該元件還包含夾置於該光源與該光致發光塊之間的第一選擇性反射鏡，該第一選擇性反射鏡能夠讓道給該第一輻射並反射該第二輻射及/或該第三輻射。
依據一實施例，該第一選擇性反射鏡包含第三光子晶體。
依據一實施例，對於每個光致發光塊而言該元件還包含第二選擇性反射鏡，該光致發光塊被夾置於該光源與該第二反射鏡之間，該第二反射鏡能夠反射該第一輻射並且能夠讓道給該第二輻射及/或該第三輻射。
依據一實施例，該元件還包含第三光致發光塊，該等第三光致發光塊能夠藉由光激升將該第一輻射轉換成具有第四波長的第四輻射。
依據一實施例，該元件還包含反射該等第一、第二、及第三輻射的壁，該等壁分隔該等發光源並分隔該等光致發光塊。
依據一實施例，該元件還包含濾光片，該濾光片在該等光致發光塊與該等發光源相對的一側上覆蓋該等光致發光塊並且能夠阻擋該第一輻射並讓道給該等第二和第三輻射。
依據一實施例，該等發光源包含發光二極體或垂直腔表面發射雷射二極體。
一實施例還提供一種製造諸如先前所定義之光電元件的方法，包含以下步驟： a）形成該等發光源； b）在該等發光源上形成該等光致發光塊；以及 d）在該等發光源上形成該等光耦合器，每個光耦合器至少部分圍繞其中一個光致發光塊。
將在以下特定實施例的非限制性描述中結合附圖詳細討論前述的和其他的特徵和優點。
為清楚起見，在各圖中相同的元件用相同的元件符號表示，並且，此外，如一般電子電路所表示的，各圖未依比例繪製。此外，僅圖示出對於理解本說明書有用的彼等元件，並將對該等元件進行描述。特定而言，用於控制光電元件的發光源（特別是發光二極體）的手段是所屬技術領域中具有通常知識者熟知的，並且將不再描述。
在以下描述中，除非另有說明，否則術語「實質上」、「約」、「大約」、「在...的量級」表示「在10％以內」。當術語「大約」、「實質上」、「在...的量級」與角度或方向相關地使用時係表示所論述的值的正負10°的公差。此外，發光二極體的「主動區」表示發射由發光二極體提供的大部分電磁輻射的發光二極體區域。
在以下描述中，當輻射的大部分能量處於該波長的10％以內時，則將該輻射稱為「具有...的波長」。
此外，諸如在本揭露的上下文中使用的術語「顆粒」應該被廣義地理解，並且不僅對應於或多或少具有球形形狀的緻密顆粒，而且還對應於有角的顆粒、扁平顆粒、片狀顆粒、纖維狀顆粒、或纖維顆粒等。應當理解的是，在本揭露的上下文中，顆粒的「大小」是指顆粒的最小橫向尺寸。材料的顆粒是指單獨考慮的顆粒，即材料的單位單元，可知材料可以以顆粒簇的形式出現。片語顆粒的「平均大小」是指依據本揭露顆粒尺寸的算術平均值，即顆粒尺寸的總和除以顆粒的數量。顆粒的粒度分佈（grain-size distribution）可以使用例如Malvern Mastersizer 2000以雷射測粒術量測。
第1圖和第2圖圖示光電元件10的實施例，例如對應於顯示螢幕或包含顯示子像素Pix的影像投影裝置。第1圖為第2圖沿線II-II的剖視圖。
元件10包含支座12，而且對於每個顯示子像素Pix而言，元件10還包含能夠發射具有第一波長的第一輻射並位於支座12上的發光二極體14。對於至少一些顯示子像素Pix而言，元件10還包含位於發光源14上的光致發光塊16和位於發光源14上並圍繞光致發光塊16的光耦合器18。每個光致發光塊16皆能將發光源14發射的第一輻射轉換成另一波長的輻射。每個光耦合器18皆能將第一輻射導向其包圍的光致發光塊16。
依據一實施例，所有發光源14皆發射具有第一波長的輻射。
依據一實施例，光電元件10包含至少兩種類型的光致發光塊16。第一類型的光致發光塊16能夠藉由光激升將具有第一波長的第一輻射轉換為具有第二波長的第二輻射。第二類型的光致發光塊16能夠藉由光激升將具有第一波長的第一輻射轉換為具有第三波長的第三輻射。依據一實施例，光電元件10包含至少三種類型的光致發光塊16，第三類型的光致發光塊16能夠藉由光激升將具有第一波長的第一輻射轉換為具有第四波長的第四輻射。
依據一實施例，第一波長對應於紫外線輻射，並且在350 nm至430 nm的範圍內。依據一實施例，第二波長對應於綠光並且在510 nm至570 nm的範圍內。依據一實施例，第三波長對應於紅光並且在600 nm至720 nm的範圍內。依據一實施例，第四波長對應於藍光並且在440 nm至490 nm的範圍內。對於要顯示的影像的每個像素，光電元件10則包含至少一個具有第一類型的光致發光塊16的顯示子像素Pix、一個具有第二類型的光致發光塊16的顯示子像素Pix、以及一個第三類型的顯示子像素Pix。
依據一實施例，光電元件10包含第四類型的光致發光塊16。第四類型的光致發光塊16能夠藉由光激升將具有第一波長的第一輻射轉換為具有第五波長的第五輻射。依據一實施例，第五波長對應於黃光並且在570 nm至600 nm的範圍內。依據一實施例，第一、第二、第三、第四、及第五波長是不同的。對於要顯示的影像的每個像素，光電元件10包含具有四種類型的光致發光塊16的子像素。
依據一實施例，第一波長對應於藍光並且在440 nm至490 nm的範圍內。在此實施例中，如第1圖和第2圖所示，對於要顯示的影像的每個像素，光電電路12包含一個具有第一類型的光致發光塊16的顯示子像素Pix、一個具有第二類型的光致發光塊16的顯示子像素Pix、及一個沒有光致發光塊的顯示子像素。
元件10還可以包含反射壁20，反射壁20在發光源14與光致發光塊16之間延伸，並且形成界定顯示子像素Pix的格柵。壁20減小相鄰子像素Pix之間的干擾。對於每個顯示子像素Pix而言，元件10還可以包含能夠反射第一輻射並且佈置於支座12與發光源14之間的反射鏡22。
元件10還可以包含未圖示出的濾光片，濾光片覆蓋光致發光塊並且能夠阻擋第一輻射並且讓道給第二和第三輻射。濾光片可以具有多層結構。依據一實施例，對於發射具有在350 nm至430 nm範圍內的第一波長的輻射的發光源14而言，濾光片可以是僅讓道給波長在440 nm至720 nm範圍內的帶通濾光片。
元件10還包含未圖示出的、能夠控制發光源14的連接元件。
支座12可以包含未圖示出的、用於控制發光源14的電子部件，特別是電晶體。作為變型，支座12可以不存在，並且光電元件10可以連接到用於控制發光源14的電子電路。
依據一實施例，發光源14對應於發光二極體。
依據一實施例，每個發光二極體14可以對應於所謂的二維發光二極體，該二維發光二極體包含實質上平面的半導體層的疊層，該等半導體層包括主動區。
作為實例，在第1圖中，每個發光二極體14皆包含半導體層的疊層，該等半導體層具有兩個相對表面28、30。在第1圖中從下到上，該疊層包含： 第一導電類型的摻雜半導體層32，例如P型摻雜且界定表面28； 主動區34；及 第二導電類型的摻雜半導體層36，例如N型摻雜、界定表面30。
在此實施例中，在操作中，對於至少一些子像素Pix而言，在半導體層32和36之間施加電壓，使得子像素Pix的發光源14的主動區34發射第一輻射（第1圖中的箭頭38），第一輻射的強度取決於在半導體層32和36之間施加的電壓。
依據一實施例，每個發光二極體14可以包含至少一個所謂的三維發光二極體，該三維發光二極體包含覆蓋三維半導體元件的半導體殼，該三維半導體元件特別是微絲、奈米線、錐體、截錐體、角錐體、截角錐，該殼體由包括該主動區的非平面半導體層的疊層形成。
依據另一個實施例，發光源14對應於垂直腔表面發射雷射二極體或VCSEL二極體。
依據一實施例，發光源14被佈置成六邊形棋盤圖案。在本實施例中，在第2圖的俯視圖中，發光源14和光致發光塊16具有圓形形狀。然而，發光源14和光致發光塊16的形狀可以是不同的，例如正方形、矩形、或六邊形。
依據一實施例，每個光耦合器18對應於光子晶體，該光子晶體能夠將所接收的第一輻射的光線導向所包圍的光致發光塊16。
第3圖和第4圖分別是光耦合器18的實施例的局部剖視圖和俯視圖。
在本實施例中，光耦合器18包含在第一波長下具有第一折射率的第一材料層40。層40具有兩個平面且平行的表面42、44，表面42位於發光源14側上並且例如與表面30接觸。開口46在層40中從表面44延伸到表面42。在本實施例中，開口46延伸穿過層40的整個厚度。作為變型，開口46可以僅從表面44或從表面42延伸穿過層40的一部分厚度。例如，每個開口46皆沿著實質上與表面42和44垂直的軸延伸。每個開口46皆填有第二材料，該第二材料可以是在該第一波長下具有第二折射率的空氣，該第二折射率小於該第一折射率。較佳地，該第一折射率與該第二折射率之間的差值儘可能地大。光耦合器18與軸A的孔47相交，孔47中佈置有子像素的光致發光塊16。稱D為徑向量測的光耦合器18的尺寸，並且d為徑向量測的開口46的尺寸。
開口46以週期性或偽週期性陣列佈置在層40中。在與表面42、44平行的平面上，開口46的剖面可以是相同的或取決於所考慮的開口46。如第1圖所示，選擇開口46的形狀和佈局以使穿透到光耦合器18中的第一輻射的光線48被重新定向到用光耦合器18包圍的光致發光塊16。較佳地，出自光耦合器18的第一輻射的光線50實質上平行於光耦合器18的表面42、44並指向軸A。
依據一實施例，開口46可以實質上相對於軸A沿徑向方向對齊。
在第4圖中，開口46在俯視圖中具有圓形的剖面。然而，開口46的剖面可以是不同的，例如正方形、矩形或六邊形。作為變型，開口46可以對應於圍繞中心孔47的環，例如軸A的同心環。
第一材料在可見光範圍內可以是透明的。第一材料可以是氧化物、氮化物、或有機材料。依據一實施例，第一材料係選自包含氧化鈦（TiO2 ）、氧化鋁（Al2 O3 ）、氮化矽（SiN）、氮氧化矽（SiOy Nx ）、氧化矽（SiO2 ）、氧化鋯（ZrO2 ）、氧化鉿（HfO2 ）、氧化鎦（Lu2 O3 ）、氧化鎂（MgO）、氧化釔（Y2 O3 ）、氧化鋅（ZnO）、聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）、矽氧烷、阻劑、以及此等化合物中至少兩者的合金或混合物的群組。層40對第一輻射至少部分透明。第一材料在第一波長處的折射率在1.4至4的範圍內。
第二材料係選自包含空氣、在第一波長下折射率小於1.5、在可見光範圍內透明的氧化物（尤其是氧化矽（SiO2 ））、或在可見光範圍內透明的有機材料（例如PMMA或矽氧烷）的群組。第二材料在第一波長下的折射率在1至1.5的範圍內。
層40沿垂直於表面28的方向量測的高度在100 nm至500 nm的範圍內，並且較佳在150 nm至350 nm的範圍內。在俯視圖中，耦合器內接於直徑在3 μm至50 μm的範圍內的圓中。兩個相鄰開口46的中心之間的間距在150 nm至250 nm的範圍內。尺寸d與兩個相鄰開口46的中心之間的間距的比率（也稱為開口46的填充因子）在10％至90％的範圍內。
依據一實施例，當第一波長等於450 nm時，光耦合器18可以包含由TiO2 製成的層40，TiO2 在450 nm波長下的折射率等於3.14，並且開口46可以填有空氣，空氣在450 nm波長下的折射率等於1。兩個相鄰開口46之間的間距可以在203 nm的量級，並且尺寸d在101 nm的量級。對於一系列實質上徑向對齊的二十個開口46而言，光耦合器18的尺寸D係在4 μm的量級。
依據一實施例，每個光致發光塊16包含分散在基質中的磷光體。磷光體可以是半導體材料的奈米範圍單晶顆粒，以下也稱為半導體奈米晶體。磷光體可以是有機磷光體。依據另一個實施例，每個光致發光塊16包含形成多個量子阱的半導體層的疊層。
依據一實施例，每個光致發光塊16還對應於光子晶體，該光子晶體能夠減緩從周圍的光耦合器18接收的第一輻射的光線，然而不會減緩在藉由光激升進行轉換之後由光致發光塊16提供的輻射。
第5圖和第6圖分別是光致發光塊16的實施例的局部剖視圖和俯視圖。
依據本實施例，每個光致發光塊16包含在第一波長下具有第三折射率的第三材料層52。層52具有兩個平坦且平行的表面54、56，表面54位於發光二極體14側上並且例如與表面30接觸。開口58在層52中從表面56延伸。在本實施例中，開口58延伸穿過層52的整個厚度。每個開口58例如沿著與表面54和56實質上垂直的軸延伸。每個開口58填有第四材料，該第四材料在第一波長下具有小於第三折射率的第四折射率。第四材料可以與第二材料相同。稱D'為徑向量測的光致發光塊16的尺寸，並且d'為徑向量測的開口58的尺寸。
光致發光塊16還包含能夠將第一輻射轉換成另一輻射的磷光體60。在本實施例中，磷光體60位於層52中。
開口58以週期性或偽週期性陣列佈置在層52中。在與表面54、56平行的平面上，開口58的剖面可以是相同的或取決於所考慮的開口58。選擇開口58的形狀和佈局以使穿透到光致發光塊16中的第一輻射的光線50繼續行進通過光致發光塊16而通常不改變其傳播方向，但是平均傳播速度相對於光源14或光耦合器18中第一輻射的光線的平均傳播速度減小。依據一實施例，開口58可以實質上相對於軸A沿徑向對齊。
依據一實施例，每個光致發光塊16具有光子晶體鏡的結構，特別是布拉格反射鏡的結構。定義光子晶體鏡的特性，使得光子晶體鏡的帶隙的下限實質上等於第一波長，或者使得光子晶體鏡的帶隙的上限實質上等於第一波長。因此，第一輻射在光致發光塊16中實質上沒有反射地傳播，但是具有降低的平均傳播速度。第一輻射在光致發光塊16中的行進持續時間增加，故磷光體60吸收用於轉換成另一波長下的輻射的第一輻射相對於不存在開口58的光致發光塊增加了至少1.5倍。在藉由光激升轉換第一輻射之後由光致發光塊16發射的輻射的波長遠大於光子晶體鏡的帶隙的波長，使得該輻射在光致發光塊16中實質上自由地傳播。鑑於該輻射從所有方向發射，故該輻射會從光致發光塊16逸出，如第1圖中的箭頭62所示。較佳地，光致發光塊16藉由光激升發射的輻射的平均傳播速度係大於第一輻射在光致發光塊16中的平均傳播速度。
在第6圖中，開口58在俯視圖中具有圓形的剖面。然而，開口58的剖面可以是不同的，例如正方形、矩形或六邊形。作為變型，開口58可以對應於環，例如軸A的同心環。
第三材料係選自包含聚合物（特別是PMMA）、矽氧烷、及阻劑的群組。層52對第一輻射至少部分透明。第三材料在第一波長下的折射率在1.4至4的範圍內。
第四材料為例如空氣。
層52沿垂直於表面28的方向量測的高度在100 nm至500 nm的範圍內。依據一實施例，層52的高度實質上等於層40的高度。在俯視圖中，光致發光塊16內接於具有直徑D'的圓內，直徑D'在3 μm至40 μm的範圍內。依據一實施例，在俯視圖中，兩個相鄰開口58的中心之間的間距與第一波長的比率大約等於0.355。兩個相鄰開口58之間的間距在124 nm（對於第一350 nm波長）和163 nm（對於第一460 nm波長）的範圍內。選擇每個開口58的尺寸d'，使得尺寸d'與兩個相鄰開口58的中心之間的間距的比率（也稱為開口58的填充因子）在10％至90％的範圍內。
第7圖圖示光致發光塊16的實施例隨波長的反射率變化的曲線C16 ，其中開口58的尺寸在60 nm的量級並填有空氣，並且層52由具有量子點類型的磷光體60的矽氧烷製成、尺寸在60 nm的量級。由層52和磷光體60形成的組件在450 nm波長下的折射率等於大約1.56。兩個相鄰開口58之間的間距在160 nm的量級，並且尺寸在100 nm的量級。這提供了帶隙下限大約等於450 nm的光子晶體鏡。
第8圖為光致發光塊16的另一個實施例的放大剖視圖，其中光致發光塊16包含多個量子阱。然後，層52對應於形成交替的量子阱64和阻障層66的半導體層的疊層，並且開口58實質上沿著堆疊方向與疊層的半導體層相交。疊層最靠近半導體層36的層可以在形成開口58時提供蝕刻終止層的功用。阻障層66和量子阱64由不同材料製成，該等材料可以對應於其中銦和鋁（可能為零）的比例不同的AlInGaN型合金。由於層52由至少兩種不同的材料製成，因此用於決定光致發光塊16的光學性質的第三前述材料的光學性質則由形成阻障層66的材料和形成量子阱層64的材料的光學性質界定。作為實例，可以認為第三材料的光學折射率等於形成量子阱層64和阻障層66的材料的光學折射率通過此等層的厚度加權的平均值。第四材料可以是氧化物（SiO2 ）、折射率小於第三材料的碳化矽、空氣、或聚合物。
第9圖為光致發光塊16的另一個實施例的放大剖視圖，其中開口58僅延伸穿過層52的一部分厚度。在光致發光塊16包含多個量子阱的情況下，開口58的蝕刻可以選擇性地停止在疊層中提供的終止層上，從而提供所需深度的開口58。
第10圖為光致發光塊16的另一個實施例的放大剖視圖，其中磷光體60僅位於開口58中。
第11圖為光致發光塊16的另一個實施例的放大剖視圖，其中磷光體60位於層52和開口58中。
依據一實施例，形成光源14的半導體層至少部分由半導體材料製成。該半導體材料可以是矽、鍺、碳化矽、III-V化合物、II-VI化合物、或此等化合物中至少兩者的組合。
形成光源14的半導體層可以至少部分由主要包含III-V化合物（例如III-N化合物）的半導體材料製成。III族元素的實例包含鎵（Ga）、銦（In）、或鋁（Al）。III-N化合物的實例為GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、或AlInGaN。也可以使用其他V族元素，例如磷或砷。通常，III-V化合物中的元素可以以不同莫耳分率組合。
形成光源14的半導體層可以至少部分由主要包含II-VI化合物的半導體材料製成。II族元素的實例包含IIA族元素（特別是鈹（Be）和鎂（Mg））和IIB族元素（特別是鋅（Zn）、鎘（Cd）、和汞（Hg））。VI族元素的實例包含VIA族元素，特別是氧（O）和碲（Te）。II-VI化合物的實例為ZnO、ZnMgO、CdZnO、CdZnMgO、CdHgTe、CdTe、或HgTe。通常，II-VI化合物中的元素可以以不同莫耳分率組合。
主動區34是發射由發光源14提供的大部分輻射的層。主動區34可包含侷限構件。主動區34可包含單個量子阱。然後，主動區34可以包含半導體材料，該半導體材料不同於形成半導體層32和36的半導體材料，並且具有比半導體層32和36小的帶隙。主動區34可以包含多個量子阱。然後主動區34包含形成交替的量子阱和阻障層的半導體層疊層。例如，主動區34由交替的GaN和InGaN層形成，GaN和InGaN層的厚度分別為3 nm至20 nm（例如6 nm）和1 nm至30 nm（例如2.5 nm）。GaN層可以摻雜例如N型或P型。依據另一實例，主動區34可以包含單個InGaN層，例如具有大於10 nm的厚度。
壁20沿垂直於表面28的方向量測的高度在500 nm至100 μm的範圍內，較佳在5 μm至30 μm的範圍內。壁20沿平行於表面28的方向量測的最小厚度在20 nm至50 μm的範圍內，較佳在50 nm至10 μm的範圍內。在第2圖的視圖中，每個發光源14的面積對應於半徑在1 μm至100 μm、較佳在3 μm至15 μm範圍內的圓的面積。
依據一實施例，壁20與主動層34電絕緣。依據一實施例，壁20可以由反射材料形成或者覆蓋有可反射由光致發光塊16及/或發光源14發射的輻射的塗層。作為實例，壁20可以包含金屬芯，特別是由鋁（Al）、銅（Cu）、或銀（Ag）製成的金屬芯，並覆蓋有電絕緣層，例如氧化物。
依據一實施例，磷光體60為半導體材料的奈米範圍單晶顆粒，在下文中也稱為半導體奈米晶體。光致發光材料的內部量子效率QYint 等於發射光子數與光致發光物質吸收的光子數之比。半導體奈米晶體的內部量子效率QYint 大於5％，較佳大於10％，更佳大於20％。
依據一實施例，奈米晶體的平均大小在0.5 nm至1,000 nm、較佳0.5 nm至500 nm、更佳1 nm至100 nm、特別是2 nm至30 nm的範圍中。對於小於50 nm的尺寸，半導體奈米晶體的光轉換性質基本上取決於量子侷限現象。然後，半導體奈米晶體對應於量子點。
依據一實施例，半導體晶體的半導體材料係選自包含硒化鎘（CdSe）、磷化銦（InP）、硫化鎘（CdS）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、碲化鎘（CdTe）、碲化鋅（ZnTe）、氧化鎘（CdO）、氧化鎘鋅（ZnCdO）、硫化鋅鎘（CdZnS）、硒化鋅鎘（CdZnSe）、硫化銦銀（AgInS2 ）、基於鋁、銦、及鎵的合金（AlInGa）、以及此等化合物中至少兩者的混合物的群組。依據一實施例，半導體奈米晶體的半導體材料係選自Le Blevenec等人於2014年4月在Physica Status Solidi（RRL） - Rapid Research Letters第8卷、第4號、第349-352頁的公開案中提到的材料。
依據一實施例，半導體奈米晶體的尺寸依據半導體奈米晶體發射的輻射的需求波長來選擇。作為實例，平均大小在3.6 nm的量級的CdSe奈米晶體能夠將藍光轉換成紅光，並且平均大小在1.3 nm的量級的CdSe奈米晶體能夠將藍光轉換成綠光。依據另一個實施例，依據半導體奈米晶體發射的輻射的需求波長來選擇半導體奈米晶體的成分。
依據一實施例，每個光致發光塊16含有2重量％至90重量％、較佳10重量％至60重量％的奈米晶體，例如大約20重量％的奈米晶體。
第12圖為光電元件70的實施例的局部簡化剖視圖。光電元件70包含與第1圖中所示的光電元件10相同的元件，而且對於每個顯示子像素Pix而言還包含插入在發光源14與光致發光塊16之間的選擇性反射鏡72以及在光致發光塊16上與發光源14相對的一側上覆蓋光致發光塊16的選擇性反射鏡74。
選擇性反射鏡72能夠讓道給第一輻射並反射由光致發光塊16發射的輻射。選擇性反射鏡72能夠有利地避免由光致發光塊16提供的輻射從光致發光塊16的發光源14側上逸出。
選擇性反射鏡74能夠讓道給光致發光塊16發射的輻射並反射第一輻射。選擇性反射鏡74能夠有利地避免第一輻射從光致發光塊16朝向觀察者逸出。此外，藉由在光致發光塊16中反射第一輻射，反射鏡74能夠增加第一輻射在光致發光塊16中行進的距離，從而增加由光致發光塊16轉換的第一輻射的比例。
依據一實施例，每個反射鏡72、74對應於光子晶體，例如對應於布拉格反射鏡。
第13圖圖示在反射鏡72具有布拉格反射鏡結構的情況下選擇性反射鏡72的實施例。選擇性反射鏡72包含兩個表面76和78，表面76位於發光源14的表面30上，較佳與發光源14接觸，光耦合器18和光致發光塊16位於表面78上，較佳與表面78接觸。反射鏡72包含交替的第一和第二介電層80、82，第一和第二介電層80、82實質上是平面的並平行於表面76。第一介電層80由第五材料製成，該第五材料在由光致發光塊16發射的輻射的波長下具有第五折射率，並且第二介電層82由第六材料製成，該第六材料在由光致發光塊16發射的輻射的波長下具有第六折射率，該第六折射率小於該第五折射率。
第五材料可以是氧化物、氮化物、或有機材料。依據一實施例，第五材料係選自包含氧化鈦（TiO2 ）、氧化鋁（Al2 O3 ）、氮化矽（SiN）、氮氧化矽（SiOy Nx ）、氧化矽（SiO2 ）、氧化鋯（ZrO2 ）、氧化鉿（HfO2 ）、氧化鎦（Lu2 O3 ）、氧化鎂（MgO）、氧化釔（Y2 O3 ）、氧化鋅（ZnO）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、矽氧烷、阻劑、以及此等化合物中至少兩者的合金或混合物的群組。第五材料在由光致發光塊16發射的輻射的波長下的折射率在1.4至4的範圍內。
第六材料係選自包含空氣、在第一波長下折射率小於1.5、在可見光範圍內透明的氧化物（尤其是氧化矽（SiO2 ））、或在可見光範圍內透明的有機材料（例如PMMA或矽氧烷）的群組。第六材料在由光致發光塊16發射的輻射的波長下的折射率在1至1.5的範圍內。
對於所有顯示子像素Pix而言，選擇性反射鏡72的結構可以是相同的。
反射鏡74可以具有與反射鏡72相同的結構，選擇反射鏡74的層80和82的厚度以讓道給光致發光塊16發射的輻射並反射第一輻射。
對於所有顯示子像素Pix而言，選擇性反射鏡74的結構可以是相同的。
第14圖圖示分別在反射鏡72包含被夾置於nm的氧化矽層57之間、包含至少重複六次的74 nm氧化鈦層和115 nm氧化矽層的圖案的疊層的情況下、以及在反射鏡74包含被夾置於15 nm的氧化鈦層之間、包含至少重複12次的31 nm氧化鈦層和64 nm氧化矽層的圖案的疊層的情況下，反射率隨波長變化的曲線C72 和C74 。
反射鏡72對於450 nm波長下的第一輻射實質上是透明的，並且反射由光致發光塊16發射、波長範圍在570 nm至700 nm的輻射。反射鏡74對於光致發光塊16發射、波長範圍在520 nm至700 nm的輻射實質上是透明的，並且反射450 nm波長下的第一輻射。
第15圖為反射鏡72的另一個實施例的放大剖視圖，其中反射鏡具有類似於第3圖所示的結構。
依據一實施例，反射鏡72包含層84，層84具有兩個平行的相對表面86、88，該等表面由第五材料製成。開口90在層84中從表面88延伸。在本實施例中，開口90延伸穿過層84的整個厚度。每個開口90填有第六材料，與先前所列相比，該第六材料可以進一步對應於空氣。選擇開口90的尺寸和分佈，使得反射鏡72讓道給第一輻射並反射由光致發光塊16發射的輻射。反射鏡74也可具有第15圖所示的結構，選擇開口90的尺寸和分佈以使反射鏡72讓道給由光致發光塊16發射的輻射並反射第一輻射。
製造第1圖所示的光電元件10的方法的實施例可以包含以下步驟： 1）在支座12的整個表面上形成半導體層的疊層，該半導體層的疊層形成發光源14。
形成發光源14的半導體層可以藉由諸如化學氣相沉積（CVD）或金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、也稱為金屬有機氣相磊晶（MOVPE）的方法形成。然而，可以使用諸如分子束磊晶（MBE）、氣源MBE（GSMBE）、金屬有機MBE（MOMBE）、電漿輔助MBE（PAMBE）、原子層磊晶（ALE）、或氫化物氣相磊晶（HVPE）等方法、以及原子層沉積（ALD）或物理氣相沉積（PVD）。此外，可以使用諸如蒸鍍或陰極濺射的方法。
步驟1）可以進一步包含為每個顯示子像素Pix形成發光源14的連接元件。 2）形成光子晶體18和光致發光塊16。
光致發光塊16可以藉由在步驟1）獲得的結構上沉積在結合基質中的半導體奈米晶體的膠體分散液而形成，例如藉由所謂的加成法。所謂的加成法可以包含在所需位置直接印刷膠體分散液，例如藉由噴墨印刷、照相凹版印刷、絲網印刷、柔版印刷、噴塗、氣溶膠塗佈、或液滴塗佈。由此獲得每個光致發光塊16的層52。然後可以在每個層52中蝕刻開口58，例如藉由光微影術。作為變型，可以在步驟1）獲得的整個結構上方沉積包含分散在結合基質中的半導體奈米晶體的膠體分散液，然後藉由光微影術界定光致發光塊16。
每個光耦合器18的層40可以藉由所謂的加成法在步驟1）獲得的結構上、在未被光致發光塊16佔據的位置處形成。然後可以在每個層40中蝕刻開口46，例如藉由光微影術。 3）為每個顯示像素Pix形成界定光源14和光耦合器18的壁20。此舉可以藉由在壁20的期望位置處蝕刻出貫穿在步驟1）和2）在支座12上形成的結構的整個厚度的開口來獲得。所實施的蝕刻可以是乾蝕刻，例如使用基於氯和氟的電漿，或使用感應耦合電漿（ICP）的蝕刻、反應性離子蝕刻（RIE）、乾蝕刻、或該等製程的組合。然後用形成壁20的材料填充開口。壁20可以具有多層結構，然後藉由連續沉積來填充開口。
在光致發光塊16具有第8圖所示結構的情況下，步驟2）可包含以下步驟： 2a）在第一基板上磊晶生長半導體層的疊層，從而在整個第一基板上形方成第一類型的光致發光塊的多個量子阱； 2b）蝕刻該疊層以界定第一類型的光致發光塊； 2c）在第一類型的光致發光塊上沉積選擇性生長掩模； 2d）在第一類型的光致發光塊之間磊晶生長形成第二類型的光致發光塊的多個量子阱的半導體層的疊層； 2e）在第一類型和第二類型的光致發光塊中形成開口58； 2f）例如藉由分子鍵結或使用黏合材料（例如聚合物）將步驟2e）獲得的結構結合在光致發光塊16的側面上，第一類型和第二類型的光致發光塊與所需的顯示子像素對齊；以及 2g）移除第一基板。
製造第12圖所示的光電元件70的方法的實施例可以包含先前描述的步驟1）、2）、及3），而且在步驟1）和2）之間包含在步驟1）獲得的整個結構上方形成選擇性反射鏡72的結構的步驟，以及在步驟2）和3）之間包含在步驟2）獲得的整個結構上方形成選擇性反射鏡74的結構的步驟，壁20的形成為每個顯示像素Pix界定反射鏡72和反射鏡74。
第16圖為光電元件95的另一個實施例的局部簡化剖視圖。光電元件95包含與第1圖所示的光電元件10相同的元件，不同之處在於對於每個第一類型的光致發光塊而言，光電元件95還包含對第二輻射實質上透明（例如在可見光範圍內實質上透明）、覆蓋周圍的光致發光塊16和光耦合器18的層96，並且不同之處在於對於每個第二類型的光致發光塊而言，光電元件90還包含實質上對第一輻射透明（例如在可見光和紫外光範圍內實質上透明）、被夾置於一方面層36與另一方面第二光致發光塊16和周圍的光耦合器18之間的層98。
在每個光致發光塊16包含多個量子阱的情況下，製造光電元件95的方法的實施例可以包含先前描述的步驟1）、2）、及3），形成光子晶體18和光致發光塊16的步驟2）包含以下步驟： 4）對於第一類型的光致發光塊而言： 4a）在第一基板上磊晶生長半導體層的疊層，從而在整個第一基板上方形成第一類型的光致發光塊的多個量子阱； 4b）蝕刻該疊層以界定第一類型的光致發光塊； 4c）在第一類型的光致發光塊上沉積選擇性生長掩模； 4d）在第一類型的光致發光塊之間在第一基板上磊晶生長層98； 4e）在第一類型的光致發光塊中形成開口58； 4f）例如藉由分子鍵結或使用黏合材料（例如聚合物）將步驟4e）獲得的結構在第一類型的光致發光塊16和層98的側面上結合於步驟1）獲得的結構，第一類型和第二類型的光致發光塊與所需的顯示子像素對齊；以及 4g）移除第一基板； 5）對於第二類型的光致發光塊而言： 5a）在第二基板上磊晶生長半導體層的疊層，從而在整個第二基板上方形成第二類型的光致發光塊的多個量子阱； 5b）蝕刻該疊層以界定第二類型的光致發光塊； 5c）在第二類型的光致發光塊上沉積選擇性生長掩模； 5d）在第二類型的光致發光塊之間在第二基板上磊晶生長層96； 5e）在第二類型的光致發光塊中形成開口58； 5f）例如藉由分子鍵結或使用黏合材料（例如聚合物）將步驟5e）獲得的結構在第二類型的光致發光塊16和層96的側面上結合於步驟4g）獲得的結構，第二類型的光致發光塊與所需的顯示子像素對齊；以及 5g）移除第二基板； 6）形成壁20； 7）可選地移除存在於不包含光致發光塊的子像素上的層96和98的部分。
已經描述了具體實施例。所屬技術領域中具有通常知識者將可思及各種變更和修改。特定而言，儘管在先前描述的實施例中，壁20具有實質上垂直於發光源14的表面28的側面，但是壁20的側面可以是成型的，例如相對於表面28傾斜。此外，對於每個顯示子像素Pix而言，光電元件可以僅包含選擇性反射鏡72或選擇性反射鏡74。
此等變更、修改及改進意在成為本揭露的一部分，並且意在落入本發明的精神和範圍內。因此，前面的描述只是舉例言之，且無意為限制性的。本發明僅由以下申請專利範圍及其均等物界定。
10‧‧‧元件
12‧‧‧支座
14‧‧‧發光二極體/發光源
16‧‧‧光致發光塊
18‧‧‧光耦合器
20‧‧‧壁
22‧‧‧反射鏡
28‧‧‧表面
30‧‧‧表面
32‧‧‧半導體層
34‧‧‧主動區
36‧‧‧半導體層
38‧‧‧箭頭
40‧‧‧層
42‧‧‧表面
44‧‧‧表面
46‧‧‧開口
47‧‧‧孔
48‧‧‧光線
50‧‧‧光線
52‧‧‧層
54‧‧‧表面
56‧‧‧表面
58‧‧‧開口
60‧‧‧磷光體
62‧‧‧箭頭
64‧‧‧量子阱
66‧‧‧阻障層
70‧‧‧光電元件
72‧‧‧選擇性反射鏡
74‧‧‧選擇性反射鏡
76‧‧‧表面
78‧‧‧表面
80‧‧‧第一介電層
82‧‧‧第二介電層
84‧‧‧層
86‧‧‧表面
88‧‧‧表面
90‧‧‧開口
95‧‧‧光電元件
96‧‧‧層
98‧‧‧層
Pix‧‧‧顯示子像素
第1圖和第2圖分別為光電元件的一個實施例的部分且簡化的剖視圖和俯視圖；
第3圖和第4圖分別為第1圖所示的光電元件的光耦合器的一個實施例的部分且簡化的剖視圖和俯視圖；
第5圖和第6圖分別為第1圖所示的光電元件的光致發光塊的一個實施例的部分且簡化的剖視圖和俯視圖；
第7圖圖示光致發光塊的一個實施例隨波長的反射率變化曲線；
第8圖至第11圖為第1圖中所示的光電元件的光致發光塊的其他實施例的局部簡化剖視圖；
第12圖為光電元件的另一個實施例的局部簡化剖視圖；
第13圖為第12圖所示的光電元件的反射鏡的一個實施例的局部簡化剖視圖；
第14圖圖示第13圖的反射鏡的一個實施例隨波長的反射率變化曲線；
第15圖為第12圖所示的光電元件的反射鏡的另一個實施例的局部簡化剖視圖；以及
第16圖為光電元件的另一個實施例的局部簡化剖視圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (14)

  1. 一種光電元件（10；70；95），包含： 發光源（14），每個發光源能夠發射具有一第一波長的一第一輻射並包含第一和第二相對表面（28、30）；光致發光塊（16），分配成第一光致發光塊及第二光致發光塊，該等第一光致發光塊能夠藉由光激升將該第一輻射轉換成具有一第二波長的一第二輻射，該等第二光致發光塊能夠藉由光激升將該第一輻射轉換成具有一第三波長的一第三輻射；以及對於每個光致發光塊而言，一光耦合器（18）包含至少部分圍繞該光致發光塊的一第一光子晶體，並用該光致發光塊覆蓋該光致發光塊旁邊的一個發光源的該第一表面（30），該光耦合器能夠改變由該發光源發射的該第一輻射的光線的該傳播方向，以使該等光線朝該光致發光塊重新定向。
  2. 如請求項1所述之光電元件，其中每個光耦合器（18）包含一第一材料的一第一層（40），該第一材料在該第一波長下具有一第一折射率，該第一層具有第一和第二相對表面（42、44），該第一或第二表面覆蓋該發光源（14），每個光耦合器還包含第一開口（46），該等第一開口（46）在該第一層中從該第一表面及/或該第二表面延伸並填有一第二材料，該第二材料在該第一波長下具有一第二折射率，該第二折射率與該第一折射率不同。
  3. 如請求項1或2所述之光電元件，其中每個光致發光塊（16）包含能夠讓道給該第一輻射的一第二光子晶體，該第一輻射在該光致發光塊中的該傳播速度小於該第一輻射在與該光致發光塊相鄰的該光耦合器（18）中的該傳播速度。
  4. 如請求項3所述之光電元件，其中每個光致發光塊（16）包含一半導體材料的奈米範圍光致發光單晶顆粒（60）。
  5. 如請求項4所述之光電元件，其中每個光致發光塊（16）包含一第三材料的一第二層（52），該第三材料在該第一波長下具有一第三折射率，該第二層具有第三和第四相對表面（54、56），該第三或第四表面覆蓋該發光源（14），每個光致發光塊還包含第二開口（58），該等第二開口（58）在該第二層中從該第三及/或第四表面延伸並填有一第四材料，該第四材料在該第一波長下具有一第四折射率，該第四折射率與該第三折射率不同。
  6. 如請求項5所述之光電元件，其中該等發光單晶顆粒（60）位於該第二層（52）中及/或該等第二開口（58）中。
  7. 如請求項1或2所述之光電元件，對於每個光致發光塊（16）而言還包含夾置於該光源（14）與該光致發光塊之間的一第一選擇性反射鏡（72），該第一反射鏡能夠讓道給該第一輻射並反射該第二輻射及/或該第三輻射。
  8. 如請求項7所述之光電元件，其中該第一選擇性反射鏡（72）包含一第三光子晶體。
  9. 如請求項7所述之光電元件，對於每個光致發光塊（16）而言還包含一第二選擇性反射鏡（74），該光致發光塊（16）被夾置於該光源（14）與該第二反射鏡之間，該第二反射鏡能夠反射該第一輻射並且能夠讓道給該第二輻射及/或該第三輻射。
  10. 如請求項1或2所述之光電元件，還包含第三光致發光塊，該等第三光致發光塊能夠藉由光激升將該第一輻射轉換成具有一第四波長的一第四輻射。
  11. 如請求項1或2所述之光電元件，還包含反射該等第一、第二、及第三輻射的壁（20），該等壁分隔該等發光源（14）並分隔該等光致發光塊（16）。
  12. 如請求項1或2所述之光電元件，還包含一濾光片，該濾光片在該等光致發光塊與該等發光源（14）相對的該側上覆蓋該等光致發光塊（16）並且能夠阻擋該第一輻射並讓道給該等第二和第三輻射。
  13. 如請求項1或2所述之光電元件，其中該等發光源（14）包含發光二極體或垂直腔表面發射雷射二極體。
  14. 一種製造如請求項1至13中任一項所述之光電元件（10；70）的方法，包含以下步驟： a）形成該等發光源（14）； b）在該等發光源上形成該等光致發光塊（32）；以及 d）在該等發光源上形成該等光耦合器（18），每個光耦合器至少部分圍繞其中一個光致發光塊。
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