TW202224216A - Ｒｇｂ單塊整合式高純度微型發光二極體顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種色彩轉換共振腔系統，包括：一第一部分反射區域，其被配置為傳送具有一第一主峰值波長的光並反射具有一第二主峰值波長的光；一第二部分反射區域，其被配置為至少部分地傳送具有該第一和該第二主峰值波長的光並反射具有一第三主峰值波長的光；一第三部分反射區域，其被配置為至少部分地反射具有該第三主峰值波長的光；一第一色彩轉換共振腔，佈置為通過該第一部分反射區域接收具有該第一主峰值波長的輸入光以及轉換至少一些的具有該第一主峰值波長的光，以提供具有該第二主峰值波長的光，其中，該第一色彩轉換共振腔被佈置為使得該第二主峰值波長在該第一色彩轉換共振腔中共振並且通過該第二部分反射區域輸出具有該第二主峰值波長的共振光；以及一第二色彩轉換共振腔，佈置為通過該第二部分反射區域接收包括具有該第二主峰值波長的輸入光並且轉換至少一些的該第二主峰值波長，以提供具有該第三主峰值波長的光，其中，該第二色彩轉換共振腔被佈置為使得該第三主峰值波長在該第二色彩轉換共振腔中共振並且通過該第三部分反射區域輸出具有該第三主峰值波長的共振光，其中，該第一色彩轉換共振腔和該第二色彩轉換共振腔被佈置為部分重疊以提供非重疊部分和重疊部分，從而分別界定一第一發光表面和一第二發光表面，其中，該第一發光表面被佈置為提供具有該第二主峰值波長的共振光，並且該第二發光表面被佈置為提供具有該第三主峰值波長的共振光。

Description

RGB　單塊整合式高純度微型發光二極體顯示裝置
本發明涉及發光二極體結構和形成發光二極體結構的方法。特別地，但非排他地，本發明涉及垂直整合的色彩轉換共振腔系統。
已知使用泵浦源發光二極體(light emitting diode, LED)產生所需主峰值波長的波長以提供輸入光和色彩轉換材料，以將這種輸入光轉換為所需波長的光。例如，這種色彩轉換材料可以是磷光體材料或量子點(quantum dots, QD)。 特別重要的是產生對應於紅光、綠光和藍光波長的光。這種彩色發光在顯示應用中具有重要意義。
已知從單塊生長的發光二極體裝置的單個晶圓提供紅光、綠光和藍光，這些發光二極體裝置產生特定波長的光(通常為藍光)，使用QD材料對光進行下轉換。 類似地，包括量子井(quantum wells, QW)的紅色、綠色和藍色發光結構可以堆疊在彼此的頂部以產生堆疊裝置。 在此類裝置中，在低電流水平下，通過增加電流水平，點亮最頂部的 QW，而中間和底部的 QW 則依次點亮。
然而，QD 材料用於微型發光二極體顯示應用尚未成熟，因為此類材料通常在超過 0.2W/cm 2輸入功率時容易降解。 此外，在 QD 用作色彩轉換材料的情況下，QD 材料層的厚度通常至少為 20 μm，以便完全吸收輸入光。 因此，提供足夠光波長轉換所需的QD 材料的厚度大於適合提供高解析度微型發光二極體陣列所需的像素尺寸和間距的材料厚度。此外，典型的色彩轉換材料，例如 QD 和磷光體材料，會導致較大的半高寬 (full width half maximum, FWHM) 光譜，因而造成色域減小。
因此，需要具有適用於微型發光二極體的具有增加的色域的不同波長的光源，例如紅光、綠光和藍光。
為了減少至少一些上述問題，根據附加的申請專利範圍提供了一種色彩轉換共振腔系統，以及一種形成色彩轉換共振腔系統的方法。
本發明提供一種色彩轉換共振腔系統，包括：一第一部分反射區域，其被配置為傳送具有一第一主峰值波長的光並反射具有一第二主峰值波長的光；一第二部分反射區域，其被配置為至少部分地傳送具有該第一和該第二主峰值波長的光並反射具有一第三主峰值波長的光；一第三部分反射區域，其被配置為至少部分地反射具有該第三主峰值波長的光；一第一色彩轉換共振腔，佈置為通過該第一部分反射區域接收具有該第一主峰值波長的輸入光以及轉換至少一些的具有該第一主峰值波長的光，以提供具有該第二主峰值波長的光，其中，該第一色彩轉換共振腔被佈置為使得該第二主峰值波長在該第一色彩轉換共振腔中共振並且通過該第二部分反射區輸出具有該第二主峰值波長的共振光；以及一第二色彩轉換共振腔，其佈置為通過該第二部分反射區域接收包括具有該第二主峰值波長的輸入光並且轉換至少一些的該第二主峰值波長，以提供具有該第三主峰值波長的光，其中，該第二色彩轉換共振腔被佈置為使得該第三主峰值波長在該第二色彩轉換共振腔中共振並且通過該第三部分反射區輸出具有該第三主峰值波長的共振光，其中，該第一色彩轉換共振腔和該第二共振腔被佈置為部分重疊以提供非重疊部分和重疊部分，從而分別界定一第一發光表面和一第二發光表面，其中，該第一發光表面被佈置為提供具有該第二主峰值波長的共振光，並且該第二發光表面被佈置為提供具有該第三主峰值波長的共振光。
較佳地，該第三部分反射區域更被配置為反射具有一第四主峰值波長的光，該色彩轉換共振腔系統更包括：一第四部分反射區域，其被配置為至少部分地反射具有該第四主峰值波長的光；以及一第三色彩轉換共振腔系統，其佈置為通過該第三部分反射區接收包含具有該第三主峰值波長的輸入光，並且轉換至少一些該第三主峰值波長，以提供具有該第四主峰值波長的光，其中，該第三色彩轉換共振腔被佈置為使得該第四主峰值波長在該第三色彩轉換共振腔中共振並且通過該第四部分反射區域輸出具有該第四主峰值波長的共振光， 該第二色彩轉換共振腔和該第三色彩轉換共振腔佈置成部分重疊設置以提供非重疊部分和重疊部分，從而分別界定該第二發光表面和該第三發光表面，其中，該第二發光表面佈置成提供具有該第三主峰值波長的共振光，該第三發光表面佈置成提供具有該第四主峰值波長的共振光，其中，該第二色彩轉換共振腔和該第三色彩轉換共振腔佈置成部分重疊以提供非重疊部分和重疊部分，從而分別界定該第二發光表面和一第三發光表面，其中，該第二發光表面佈置成提供具有該第三主峰值波長的共振光，該第三發光表面佈置成提供具有該第四主峰值波長的共振光。
這樣的配置形成了磊晶層的單塊系統。與已知的單塊 LED 裝置相比，本發明的色彩轉換共振器系統能夠在垂直整合系統中提供不同波長的不同光。單塊生長這種色彩轉換共振腔系統不需要使用傳統耗時的「取放」方法，即 LED 在晶圓上單獨生長並單獨移動到顯示電子設備上。此外，由於選擇性蝕刻，在第一和第二色彩轉換共振腔與第二和第三色彩轉換共振腔之間產生的部分重疊能夠使系統發射具有相對較窄的半高寬(full width half maximum, FWHM)光譜的不同顏色的光。此外，這樣的系統提高了發光的方向性，減少了對准直器或透鏡整合的需要，而這種整合可能需要複雜的過程才能實現。有利地，本發明提供了改良的光輸出，其實現窄光束角和窄光譜，例如用於近眼顯示器。有益的是，色彩轉換共振腔系統能夠形成高色域顯示和高解析度微型發光二極體陣列。有利地，光學色彩轉換共振腔系統能夠在沒有准直器的情況下實現晶圓級加工和窄光束角發射，並且能夠以較低的效率損失壓縮發光光譜。
色彩轉換共振腔系統可以被配置為從不同的發光表面發出紅、綠和藍光。這種系統在用於顯示螢幕的微型發光二極體應用中特別有用。
較佳地，該第一部分反射區域和該第二部分反射區域相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted為該第二主峰值波長和n(λ converted)是分隔該第一部分反射區域和該第二部分反射區域的材料的有效折射率，從而界定該第一色彩轉換共振腔的長度和/或其中，該第二部分反射區域和該第三部分反射區域相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted為該第三主峰值波長，n(λ converted)為分隔該第二部分反射區域和該第三部分反射區域的材料的有效折射率，從而界定該第二色彩轉換共振腔的長度和/或其中，該第三部分反射區域和該第四部分反射區域相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N是正整數，λ converted是該第四主峰值波長，n(λ converted)是分隔該第三部分反射區域和該第四部分反射區域的材料的有效折射率，從而界定該第三色彩轉換共振腔的長度。
這樣的配置實現在第一色彩轉換共振腔中的第二主峰值波長的建設性干涉、在第二色彩轉換共振腔中的第三主峰值波長的建設性干涉和第三色彩轉換共振腔中的第四主峰值波長的建設干涉。有利地，色彩轉換共振腔的細緻調整可增強發射的輸出。
較佳地，該色彩轉換共振腔系統包含至少一LED。更較佳地，該色彩轉換共振腔系統包含一第一LED，其佈置為控制來自該第一發光表面的發光；和一第二LED，其佈置為控制來自該第二發光表面的發光。
更較佳地，該色彩轉換共振腔系統包含一第一LED，其佈置為控制來自該第一發光表面的光發射；一第二LED，其佈置為控制來自該第二發光表面的光發射；和一第三LED，其佈置為控制來自該第三發光表面的光發射。有利地，這樣的系統能夠單獨控制每個像素。
例如，一個系統至少有三個獨立的LED並被配置為發射紅、綠、藍光，可以只讓一個藍色像素發光，或只讓一個綠色像素發光或只讓一個紅色像素發光。另外，像素的組合可以使得以像素以藍綠光組合發光，以藍紅光組合發光，以紅綠光組合發光，或者以紅綠藍組合發光。
較佳地，輸入光為紫外(UV)光和藍光中的至少一種，較佳地，其中輸入光的波長在340nm和460nm之間。 有利地，具有比光學顯示器所需的其他可見光顏色的波長更短的波長的高品質、已建立的輸入LED源為在色彩轉換共振腔中的色彩轉換提供輸入泵浦源。
較佳地，至少一個該色彩轉換共振腔包括至少一個量子井層，較佳地，其中該量子井層被放置為與色彩轉換共振腔的一波腹重合以用於轉換光，從而增強了具有共振轉換的主峰值波長的輸出光的強度、光譜寬度和方向性中的至少一個。
替代地或附加地，本發明提供該色彩轉換共振腔系統，其中該色彩轉換共振腔中的至少一個包括一量子井層，該量子井層包括至少一個量子井，以及一另外的量子井層，其包括至少一個量子井，其中，該量子井層和該另外的量子井層相隔距離為N乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted為該色彩轉換共振腔中共振光的波長，n(λ converted) 是在該色彩轉換共振腔中的共振光波長下該量子層和該另外的量子井層之間的材料的有效折射率。
有益地，這樣的配置將每個量子井層位於色彩轉換共振腔中光的共振駐留波長的波腹處，從而實現建設性干涉和增強輸出光。
較佳地，至少一個該色彩轉換共振腔包括至少一個吸收層，該吸收層被配置為吸收輸入光從而能夠將能量從該輸入光波長轉移到該至少一個量子井層中，較佳地，其中，該吸收層包括具有比該輸入光的該能量低的能帶隙的材料。有利地，吸收層有助於使載流子在量子井層中復合，因此能夠改善量子井層發射的轉換光的共振。
較佳地，該色彩轉換共振腔系統更包括至少一個擴散阻擋層，其佈置為減少載流子從至少一個該色彩轉換共振腔的擴散。有利地，使用擴散阻擋層減少了載流子的擴散並因此增強了色彩轉換共振腔中的發射復合。
較佳地，該色彩轉換共振腔系統包括至少一個另外的部分反射區域，其對應於該第一和該第二發光表面中的至少一個。有利地，調整部分反射區域以優化由色彩轉換共振腔系統和LED裝置的組合形成的發光像素發光的波長。有利地，具有預定波長的光在色彩轉換共振腔中被回收，以提高具有主峰值波長的輸入光到具有不同主峰值波長的輸出光的轉換效率。
較佳地，該部分反射區域和/或該另外的部分反射區域中的至少一個包括一分佈式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)，較佳地，其中，該DBR是以下至少之一：雙帶DBR、常規DBR和兩個垂直堆疊的DBR。
較佳地，該部分反射區域中的至少一個包括以藍色波長為中心的低赫平折射率(Herpin index)的DBR或以綠色波長為中心的低赫平折射率DBR或以紅色波長為中心的低赫平折射率DBR。
較佳地，該色彩轉換共振腔系統包括以藍色波長為中心的低赫平折射率的DBR和以綠色波長為中心的低赫平折射率DBR和以紅色波長為中心的低赫平折射率DBR。有利地，這樣的配置創造了一個針對藍色波長光優化的像素、一個針對綠色波長光優化的像素和一個針對紅色波長光優化的像素。
較佳地，該部分反射區域和該色彩轉換共振腔中的至少一個包括磊晶結晶層，較佳地，其中，該色彩轉換共振腔系統包括介電材料和III-V半導體材料中的至少一個。有利地，部分反射區域是使用能夠使色彩轉換諧振腔中的功能層無縫整合的技術形成的。
較佳地，該色彩轉換共振腔系統形成一種像素陣列，其中，該陣列包括一第一像素，其被配置為向一第二像素發射不同波長的光以及一第三像素，其被配置為向該第一像素與該第二像素發射不同波長的光。較佳地，該第一和/或該第二像素和/或該第三像素包括與其發光表面相對應的另外的部分反射區域。有利地，基於發光裝置的組合的發光像素，例如LED裝置和色彩轉換共振腔，意味著可以按比例形成高純度彩色發光像素，這意味著其可以在高解析度微型陣列中實現。
色彩轉換共振腔系統較佳通過在基板上形成該色彩轉換共振腔中的至少一個來生產，較佳地，其中在該基板上形成該色彩轉換共振腔中的至少一個包括磊晶生長複數層。該方法更包括在該基板上形成該部分反射區域中的至少一個，較佳地，其中在該基板上形成該部分反射區域中的至少一個包括在該基板上依序形成色彩轉換共振腔和該部分反射區域中的至少一個。該方法較佳地包括將該色彩轉換共振腔系統接合到至少一個LED並且選擇性地蝕刻色彩轉換共振腔系統，從而提供發光表面。有利地，在基板上形成色彩轉換共振腔能夠大規模形成用於與發光裝置整合的色彩轉換共振腔。有利地，已知的生長和加工技術被應用於形成具有高品質、低缺陷密度的材料結構，材料提供高效的光輸入和光轉換，以用於發光像素。
本發明的其他方面在依據說明書和所附申請權利範圍中是顯而易見的。
為了解決至少如上所述的現有技術的裝置相關的缺點，下面參照圖1至圖11描述一種結構和形成該結構的方法。以下描述了一種色彩轉換共振腔系統，該系統提供了一種以有效方式下轉換和重複使用輸入光的方式，以提供多色波長光輸出系統。有利地，此類系統提供具有更窄光束角的高純度、窄FWHM輸出光，從而改進光輸出的控制並提供具有更好色域和受控方向性的系統。有利地，形成和加工磊晶生長的結晶層可用於提供用於改善光輸出的高品質且因此高效率的系統。可使用這種磊晶生長的結晶層在單個生長過程中形成色彩轉換共振腔系統，或者一組或多個磊晶生長的結晶層可以各自優化並接合在一起以形成色彩轉換共振腔，從而並行生長和加工個別優化層。
此外，有利地，由來自磊晶生長系統形成的色彩轉換諧振腔的形成和加工，使得能夠界定與不同顏色發光相關的發光表面，因此發光表面與能像素相關聯，該像素能夠以適合於在微型發光二極體像素陣列中實施的大小形成(包括具有發光表面小於或等於100 μm 2且較佳小於或等於16 μm 2的像素 ，以及具有像素間距小於或等於10 μm且較佳小於或等於5μm的像素的高解析度微型發光二極體陣列)。
在圖1中展示出了色彩轉換共振腔系統100的剖面圖，其是具有三個色彩轉換共振腔的磊晶結構。形成該磊晶結構並隨後加工該磊晶結構，以提供與光輸入裝置相接合的色彩轉換共振腔系統，如參考圖2至11所述。
色彩轉換共振腔系統100是磊晶結晶化合物半導體層的堆疊。 通過在生長基板102上依序生長的磊晶層來提供磊晶結晶化合物半導體層。生長基板102，例如矽、碳化矽、藍寶石、氮化鎵或其他合適的生長基板，可以在磊晶化合物半導體結晶層形成後去除。有益的是，可以高精度控制以這種方式形成的這種磊晶化合物半導體結晶層的生長，以提供具有低缺陷密度的高品質材料，以及層的受控厚度和在受控波長的光下有效地發射載子復合。
磊晶結構的三個色彩轉換共振腔分別設計用於接收來自一個或多個輸入光源的輸入光，並將來自輸入光源的具有主峰值波長的輸入光轉換為具有不同、轉換的主峰值波長的輸出光。磊晶結構被設計成使得具有轉換的主峰值波長的光在磊晶結構的各個色彩轉換共振腔中共振，並且具有多個不同波長的共振轉換光在與輸入光源加工和組合時，從色彩轉換共振器系統100輸出。適當加工磊晶結構能夠實現多色發射器的提供，其中多個色彩轉換共振腔與不同發光表面相關聯，該發光表面用於不同波長的發光，至少如本文所述。
圖1展示出了生長在生長基板102上的緩衝104。基板102是矽基板，緩衝104是氮化鋁鎵(AlGaN) 磊晶層。在其他的實施例中，替代地或附加地，緩衝104由氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)和氮化鎵(GaN)中的至少一種形成。
在緩衝104上生長有蝕刻停止層106。蝕刻停止層106是具有相對高鋁含量的AlGaN層。 蝕刻停止層106促進精確控制加工步驟，該加工步驟用於從磊晶結構100去除材料以提供加工系統。
在蝕刻停止層 106 之上生長有部分反射區域108。在部分反射區域108 上生長有色彩轉換共振腔110 和另外的部分反射區域 112。色彩轉換共振腔110被配置為接收具有主峰值波長的輸入光並將該輸入光轉換為具有不同主峰值波長的轉換光。
在部分反射區域112之上生長另外的色彩轉換諧振腔114和另外的部分反射區域116。色彩轉換諧振腔114被配置為接收具有另一主峰值波長的輸入光並且轉換該輸入光為具有不同主峰波長的轉換光。在其他實施例中，蝕刻停止層形成在部分反射區域112和另外的色彩轉換諧振腔114之間。蝕刻停止層(未示出)有助於在後續步驟中進行嚴格控制以從結構中去除材料。在其他實施例中，在結構內形成替代的或附加的蝕刻停止層以便於通過蝕刻製程控制層的去除。
在部分反射區域116之上生長有另外的色彩轉換諧振腔118和另外的部分反射區域120。色彩轉換諧振腔118被配置為接收具有另一個主峰值波長的輸入光並且轉換該輸入光為具有不同主峰值波長的轉換光。在其他實施例中，蝕刻停止層形成在部分反射區域116和另外的色彩轉換諧振腔118之間。蝕刻停止層(未示出)有助於在後續步驟中進行嚴格控制以從結構中去除材料。在其他實施例中，在結構內形成替代的或附加的蝕刻停止層以便於通過蝕刻製程控制層的去除。
色彩轉換共振腔系統100形成磊晶層的單塊系統。這種磊晶層是平面層。圖1的色彩轉換共振腔系統100是使用磊晶化合物半導體生長技術形成的，例如金屬有機化學氣相沉積(metalorganic chemical vapour deposition, MOCVD)和分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE)。附加地或替代地，色彩轉換共振腔系統100使用任何合適的技術形成。
磊晶層的順序是依序生長的，如此一來，當翻轉該系統並將其接合到LED時，色彩轉換共振腔相對於 LED 的接近順序使得光的波長較短，例如來自LED 的UV光在色彩轉換共振腔118 中被吸收，然後更長波長的光，例如藍光，從色彩轉換共振腔118輸出。從色彩轉換共振腔 118 和 LED 輸出的光在色彩轉換共振腔114中被吸收。然後色彩轉換共振腔114輸出比LED和色彩轉換腔118波長更長的光，例如綠光。從色彩轉換共振腔118、色彩轉換共振腔114和LED輸出的光在色彩轉換共振腔110中被吸收，然後輸出波長更長的光，例如紅光。這意味著輸入光可以被色彩轉換共振腔吸收和發射，使得連續色彩轉換共振腔發出的光在離開最終結構之前被重新使用。
有利地，按此順序生長色彩轉換共振腔系統100的磊晶結構意味著色彩轉換共振腔118、114、110可以使用生長基板102來處理，在生長基板102上形成色彩轉換共振腔系統100的層，以便促進與 LED 結構的接合，而不需要另外的加工步驟來讓色彩轉換共振腔系統100能夠與形成在不同底層基板上的一個或多個發光裝置對準和接合。
圖1所述的色彩轉換共振腔系統100係由具有氮化物的材料形成。特別地，磊晶結晶化合物半導體層是具有氮化鎵(GaN)的材料。雖然圖1所描述的結構是具有氮化物的半導體化合物材料，但本發明所屬技術領域通常知識者理解本文所描述的概念適用於其他材料，特別是其他半導體材料，例如其他III-V族化合物半導體材料，或 II-VI族化合物半導體材料。
提供三個色彩轉換共振腔使其能夠形成發射具有多個不同的主峰值波長的光的結構。本發明所屬技術領域通常知識者理解，在其他的實施例中使用替代的或附加的結構以提供發射具有不同主峰值波長的光的不同結構。
部分反射區域108與另外的部分反射區域112相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted是從色彩轉換共振腔110發出的轉換後的主峰值波長，n(λ converted)是將部分反射區域108和另外的部分反射區域112分開的材料的有效折射率。這樣的配置讓具有轉換的主峰值波長的光在色彩轉換共振腔110中共振。在其他的實施例中，部分反射區域108和另外的部分反射區域112以不同的距離分開。
類似地，部分反射區域112與另外的部分反射區域116相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted是從色彩轉換共振腔 114 發出的轉換後的主峰值波長， n(λ converted) 是分隔部分反射區域 112 和另外的部分反射區域 116 的材料的有效折射率。這種配置讓具有轉換的主峰值波長的光在色彩轉換共振腔114中共振。在其他的實施例中，部分反射區域112和另外的部分反射區域116以不同的距離分開。
此外，部分反射區域116與另外的部分反射區域120相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted為從色彩轉換共振腔118發出的轉換主峰值波長，n(λ converted)是分隔部分反射區域116 和另外的部分反射區域 120 的材料的有效折射率。這種配置讓具有轉換的主峰值波長的光在色彩轉換共振腔118中共振。在其他的實施例中，部分反射區域116和另外的部分反射區域120以不同的距離分開。
色彩轉換共振腔110包括至少一個量子井層。量子井層包括多個量子井。在其他實施例中，量子井層包括單一個量子井。量子井層被放置在色彩轉換共振腔駐留波長的波腹處，用於從色彩轉換共振腔110發出的轉換後的主峰值波長。類似地，色彩轉換共振腔114包括至少一個量子井層，放置在色彩轉換共振腔駐波波腹處，用於從色彩轉換共振腔114發出的轉換後的主峰值波長。量子井層包括多個量子井。在其他的實施例中，量子井層包括單一個量子井。此外，色彩轉換共振腔118包括至少一個量子井層，放置在色彩轉換共振腔駐波波腹處，用於從色彩轉換共振腔118發出的轉換後的主峰值波長。量子井層包括多個量子井。在其他實施例中，量子井層包括單一個量子井。這樣的配置增強了具有共振轉換的主峰值波長的輸出光的強度、光譜寬度中的至少一個。在其他實施例中，各個色彩轉換共振腔110、114、118具有替代層或附加層，例如在量子井層中的單個或多個量子井被定位成與各個色彩轉換共振腔110、114、118中的光的轉換波長的不同波腹重合。
每個色彩轉換共振腔110、114和118都包括多個量子井(multiple quantum wells, MQW)。 在其他實施例中，每個色彩轉換共振腔110、114、118都包括單一個量子井(single quantum well, SQW)。在其他實施例中，色彩轉換共振腔110、114、118包括與彼此不同的層。量子井層被設計成使載流子能夠復合，使得發射復合造成具有主峰值波長的輸出光的波長與造成發出輸出光的輸入光的波長不同。
為了能夠發光，輸入光被與每個色彩轉換共振腔110、114、118中的相應量子井層相關的吸收層吸收。在吸收層吸收的輸入光具有主峰值波長。 在一實施例中，輸入光是具有波長大約為450nm的藍光。被量子井層輸出的光的波長比輸入的波長長。光的輸出波長是光的轉換波長。雖然輸入光是藍光，但在其他實施例中，使用附加或替代波長的作為輸入光。更較佳地，每個吸收層包括具有比輸入主峰值波長的能量更低的能帶隙的材料。
色彩轉換共振腔系統100的磊晶結構一旦形成，就被設計成倒置並接合到發光裝置，並且去除基板102、緩衝104和蝕刻停止層106。因此，在生長之前考慮色彩轉換共振腔系統100的磊晶結構中的輸入光和隨後的、轉換的、輸出光的層的順序，並且以下的圖 2 和圖 3更詳細地描述部分反射區域的形成。部分反射區域108、112、116和120是分佈式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflectors, DBR)。在其他的實施例中，部分反射區域108、112、116和120包括替代的或附加的結構。
一旦系統100形成，就將其倒置並接合到LED結構。圖2中展示出該結構。在圖2中，展示出了色彩轉換共振腔系統200，其包括發光二極體(light emitting diode, LED)224和基板裝置202。基板裝置是便於加工色彩轉換共振腔系統200的臨時基板。或者，在一實施例中，基板裝置202 是互補金屬氧化物半導體 (complementary metal oxide semiconductor, CMOS) 背板，其與例如發光二極體裝置之類的發光裝置接合，其目的在於最終結構中提供和控制輸入光。參照圖1所描述的色彩轉換共振腔系統100通過反轉圖1的色彩轉換共振結構100並使用接合層222將最上面的部分反射區120磊晶層接合到LED 224而與基板裝置202和LED 224結合。然後去除基板102、緩衝104 和蝕刻停止層 106，留下圖 2 所示的結構。
有利地，色彩轉換共振腔相對於LED 224的接近順序使得來自LED 224的較短波長的光，例如藍光，在第一色彩轉換共振腔中被吸收，然後來自第一色彩轉換共振腔和LED 224的輸出光被第二色彩轉換共振腔吸收，然後從第一色彩轉換共振腔、第二色彩轉換共振腔和LED 224的輸出光被第三色彩轉換共振腔吸收。 這意味著輸入光可以被色彩轉換共振腔吸收和發射，使得被色彩轉換共振腔發射的光在離開最終結構之前被重新使用。
因此，部分反射區域120 被展示出為直接位於LED 224 上方的接合層 222 之上。在部分反射區域120 之上是色彩轉換共振腔 118，然後是另外的部分反射區域116。部分反射區域116之上是另外的色彩轉換共振腔114，後面是另外的部分反射區域112。在部分反射區域112之上是另外的色彩轉換共振腔110，然後是另外的部分反射區域108。
雖然是加工圖1的色彩轉換共振腔系統100以接合到LED 224，如圖2所示，在其他的實施例中，色彩轉換共振腔系統200的磊晶層直接生長在LED 224上。有利的是，這種直接在 LED 224 之上生長層的方法防止了此製造類裝置的後續接合步驟。
雖然參照圖 1 所述的色彩轉換共振腔系統100 的磊晶層展示為以特定順序生長以便能夠將結構接合到發光二極體結構，但在其他的實施例中，生長順序相反，以保持從最靠近輸入 LED 光源的色彩轉換共振腔的較短波長，到最遠離輸入LED 的色彩轉換共振腔的較長波長的光的有效吸收和發射。
在圖2中，展示出了色彩轉換共振腔系統200。如上所述，色彩轉換共振腔系統200是通過將色彩轉換共振腔系統100倒置並通過接合層222將色彩轉換共振腔系統100接合到LED 224上而形成的，使得部分反射區域120直接接合在LED 224及接合層222的上方，並且使得部分反射區域108位於色彩轉換共振腔系統200的頂部，並且隨後從色彩轉換共振腔系統200移除基板102和緩衝104。色彩轉換共振腔系統100可以通過在移除所述層之前加工色彩轉換共振腔系統100的基板102和緩衝104來反轉。
使用介電接合(dielectric bonding)將LED 224接合到部分反射區域120。LED 224待接合到部分反射區域120的表面以高密度氧化膜作為邊界，以促進這種接合。部分反射區域120的將被接合到輸入LED 224的表面也有高密度氧化膜作為邊界，以促進晶圓級氧化接合。因此，LED 224的主發光表面被放置在與部分反射區域120非常接近或接觸的位置，使得從LED 224輸出的光用作色彩轉換共振腔系統200的輸入光。
在其他實施例中，使用聚合物黏接(例如聚酰亞胺黏接)將LED 224接合到部分反射區域120。在其他實施例中，使用附加的或替代的接合機制以將 LED 224 連接到部分反射區域120。有利地，將LED 224接合到部分反射區域120以形成單一個裝置，該裝置在與色彩轉換共振腔系統200的接口處具有最小的來自LED 224發光的接口損失。
色彩轉換共振腔系統200被配置為接收具有第一主峰值波長的輸入光並將該輸入光轉換為具有第二主峰值波長的光。色彩轉換共振腔系統200更將具有第二主峰值波長的光(和具有第一主峰值波長的光)轉換為具有第三主峰值波長的光。具有第三主峰值波長(以及具有第一和第二主峰值波長)的光然後被轉換為具有第四主峰值波長的光。
這樣的設置讓色彩轉換共振腔118在另外的色彩轉換共振腔114和110之前接收來自LED 224的具有第一主峰值波長的輸入光。當色彩轉換共振腔118被配置用於共振具有第二主峰值波長的光時這是有效的，其中該波長小於第三主峰值波長和第四主峰值波長。第三主峰值波長大於第二主峰值波長且小於第四主峰值波長。
例如，色彩轉換共振腔118可以針對對應於藍光的光波長(例如，大約450nm，從而輸入光具有更短的波長，例如大約380nm的UV光)進行優化，另外的色彩轉換共振腔114可以針對對應於綠光的光波長(例如，大約530nm，從而輸入光具有較短波長，例如藍光和UV光)進行優化，並且另外的色彩轉換共振腔110可以針對對應於紅光的光波長(例如，大約630nm，從而輸入光具有更短的波長，例如綠光、藍光和UV光)進行優化。
為了實現光波長的共振，部分反射區域108、112、116、120被配置為改善光通過色彩轉換共振腔系統200從光輸入LED 224到發光表面的通路。
部分反射區域120對於色彩轉換共振腔110中產生的轉換光的波長具有較高的反射率，而對於輸入光的波長具有較高的透射率。在一實施例中，部分反射區120具有相對低的反射率，例如來自接合到部分反射區域120的 LED 224 的輸入光的主峰值波長的20%以下，並且具有相對高的反射率，例如通過在色彩轉換共振腔118吸收輸入光和重新發射產生的轉換光的80%以上。在其他的實施例中，以不同的反射率值用於部分反射區域120。在一實施例中，部分反射區域120的輸入光反射率小於10%和轉換光反射率大於90%。在其他實施例中，部分反射區域120的輸入光反射率小於5%和轉換光反射率大於95%。類似地，部分反射區域116對於色彩轉換共振腔114中產生的轉換光的波長具有相對高的反射率，並且對於輸入光的波長具有相對高的透射率。
在一實施例中，部分反射區域116具有相對低的反射率，例如輸入光的主峰值波長的20%以下，以及相對高的反射率，例如，通過在色彩轉換共振腔114 中吸收輸入光和重新發射產生的轉換光的 80% 以上。在其他的實施例中，以不同的反射率值用於部分反射區域116。在一實施例中，部分反射區域116的輸入光反射率小於10%和轉換光反射率大於90%。在其他的實施例中，部分反射區域116的輸入光反射率小於5%和轉換光反射率大於95%。此外，部分反射區域112對於色彩轉換共振腔110中產生的轉換光的波長具有相對高的反射率，並且對於輸入光的波長具有相對高的透射率。
在一實施例中，部分反射區域112具有相對低的反射率，例如輸入光的主峰值波長的20%以下，以及相對高的反射率，例如，通過在色彩轉換共振腔110中吸收輸入光並重新發射產生的轉換光的80%以上。在其他的實施例中，以不同的反射率值用於部分反射區域112。在一實施例中，部分反射區域112的輸入光反射率小於10%和轉換光反射率大於90%。在其他的實施例中，部分反射區域112的輸入光反射率小於5%和轉換光反射率大於95%。
在一實施例中，部分反射區域108具有相對低的反射率，例如輸入光的主峰值波長的20%以下，以及相對高的反射率，例如，通過在色彩轉換共振腔110中吸收輸入光並重新發射產生的轉換光的80%以上。在其他的實施例中，以不同的反射率值用於部分反射區域108。在一實施例中，部分反射區域108的輸入光反射率小於10%和轉換光反射率大於90%。在其他的實施例中，部分反射區域108的輸入光反射率小於5%和轉換光反射率大於95%。
部分反射區域108、112、116和120由不同折射率的交替的磊晶結晶層形成。層的折射率和層的厚度設計以提供作為在部分反射區域108、112、116和120處入射的光的波長的函數的反射率反應。以這種方式生長DBR能夠無縫形成具有高結晶品質的色彩轉共振系統100。
雖然部分反射區域108、112、116和120是DBR，但在其他的實施例中，可使用替代或附加區域。在其他的實施例中，部分反射區域108包括DBR或兩個不同且垂直堆疊的DBR或雙帶DBR。在其他的實施例中，省略部分反射區域108。在其他的實施例中，部分反射區域112和/或部分反射區域116和/或部分反射區域120包括具有相對高的轉換波長反射率的光和低輸入波長反射率的DBR。例如，對於藍光高反射率和對於綠光和紅光低反射率的濾光片，或者對於藍光低反射率和對於綠光和紅光高反射率的濾光片。還可以實現波長範圍任一側的光的反射率。其中“H”界定了四分之一波長厚的高折射率材料，“L” 界定了用於 N 層的四分之一波長厚的低折射率材料，
Figure 02_image001
以及
Figure 02_image003
堆疊可分別用於抑制短波長側和長波長側的反射率，
Figure 02_image003
堆疊可用作對於藍光高反射率和對於綠光和紅光低反射率的濾光片， 以及
Figure 02_image001
堆疊可用作對於藍光低反射率和段於綠光和紅光高反射率的濾光片。在其他實施例中，其他佈置可選擇性地用於過濾光。
雖然部分反射區域108、112、116 和 120 是由氮化物的磊晶層形成的DBR，但在其他的實施例中，部分反射區域108、112、116 和 120 附加地或替代地使用不同的方法形成，同時保持能夠反射具有某些波長的光和傳輸具有不同波長的光的功能。例如，部分反射區域108和/或部分反射區域112和/或部分反射區域116和/或部分反射區域120由介電質堆疊形成。在其他的實施例中，部分反射區域108和/或部分反射區域112和/或部分反射區域116和/或部分反射區域120由GaN和多孔GaN的層交替形成。控制形成部分反射區域108、112、116 和120的磊晶結晶 GaN 層的孔隙率，以便提供作為波長函數的所需的反射率回應，因為磊晶結晶層的孔隙率與其折射率相關。有利地，可以單獨使用GaN來提供以這種方式形成的DBR。
較佳地，提供至少一個擴散阻擋層，其被佈置為減少載流子從色彩轉換共振腔110、114和118的擴散。在結構中加入了擴散屏障，以增強色彩轉換共振腔中轉換光的共振發光。
在圖3中展示出了色彩轉換共振腔系統300，其包括LED 224、接合層222、部分反射區域120、色彩轉換共振腔118、另外的部分反射區域116和另外的色彩轉換共振腔114。這些層中的每一層按照上述順序生長(例如，以圖1中所示的順序並翻轉，或以圖2中所示的順序，不翻轉)。在這一系列層之上，展示出了圖1和圖2所述的結構的部分蝕刻層。被蝕刻的層是部分反射區域112、色彩轉換共振腔110和部分反射區域108。蝕刻這些層，使得所述層108、110和112與剩餘層224、222、120、118、116 和 114形成部分重疊區域。
色彩轉換共振腔系統300通過在第一區域中選擇性地蝕刻色彩轉換共振腔系統200而形成。使用已知技術選擇性地圖案化部分反射區域108的表面。這種選擇性圖案化能夠選擇性蝕刻色彩轉換共振腔系統的區域(例如，使用已知的濕法或乾法蝕刻技術)。如圖3所示，第一蝕刻從第一區域中的色彩轉換共振腔系統200去除了部分反射區域108、112和色彩轉換共振腔110。在色彩轉換共振腔系統114和部分反射區域112之間使用蝕刻停止層(未示出)有助於控制通過蝕刻去除材料。在其他實施例中，附加地或替代地，在第一蝕刻製程期間不去除部分反射區域112。第一蝕刻製程形成與部分反射區域108相關聯的發光表面區域。雖然一個區域被顯示為部分反射區域108，但在其他實施例中，多個區域被蝕刻以提供與部分反射區域108相關聯的發光表面。這樣的多個區域用於形成陣列。
一旦執行了第一蝕刻製程以選擇性地去除與色彩轉換共振腔110相關聯的材料，則執行第二蝕刻製程。如圖4所示。
在圖4中，其展示出了色彩轉換共振腔系統400，其包括LED 224、接合層222、部分反射區域120和色彩轉換共振腔118。這些層，如上所述，依序生長，保持未蝕刻。在所述層224、222、120 和 118之上，是部分反射區域116 和另外的色彩轉換共振腔114。選擇性地蝕刻部分反射區域116和色彩轉換共振腔114，使得層114和116形成與剩餘層224、222、120和118部分重疊的區域。如前所述，在層114和116之上是另外的部分反射區域112、另外的色彩轉換共振腔110和另外的部分反射區域108，使得所述層112、110和108與層114和116形成部分重疊區域。在色彩轉換共振腔118和部分反射區域116之間使用蝕刻停止層(未示出)有助於控制通過蝕刻去除材料。在其他的實施例中，附加地或替代地，在第二蝕刻製程期間不去除部分反射區域116。第二蝕刻製程形成與色彩轉換共振腔114相關聯的暴露發光表面區域和與色彩轉換共振腔118相關聯的暴露發光表面區域。雖然關於與顏色轉換諧振腔的不同層相關聯的三個暴露區域的剖面圖描述了蝕刻製程，但在其他的實施例中，蝕刻多個區域以提供與不同顏色層相關聯的發光表面轉換共振腔以形成具有二維發光像素陣列的陣列，每個發光像素具有相關聯的發光表面。
通過在第二區域中蝕刻色彩轉換共振腔系統300來形成色彩轉換共振腔系統400。第二蝕刻從第二區域中的色彩轉換共振腔系統300去除了部分反射區域116和色彩轉換共振腔114。
有利地，這種系統創造了色彩轉換共振腔系統 400，其發光表面與不同區域相關聯，其中發光表面由暴露區域提供並且使得具有三個不同主峰值波長的光能夠從色彩轉換共振腔系統400發射。
在圖5中展示出了色彩轉換共振腔系統500，其進一步加工圖4所述的色彩轉換共振腔系統400以提供第一另外的部分反射區域526、第二另外的部分反射區域528、 以及第三另外的部分反射區域530。提供與色彩轉換共振腔110相關聯的第三另外的部分反射區域530來代替在初始磊晶結構中形成的部分反射區域108。或者，在圖5所示的結構中，部分反射區域108保持在原位並且第三另外的部分反射區域530沒有形成。第一另外的部分反射區域526形成在色彩轉換共振腔118露出的表面之上。第二另外的部分反射區域528形成在色彩轉換共振腔114露出的表面的之上。
部分反射區域108、112、116和120和/或另外的部分反射區域526、528、530包括分佈式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector, DBR)。 這種DBR較佳地是雙帶DBR、常規DBR和兩個垂直堆疊的DBR中的一種。更較佳地，部分反射區域112、116和120包括低赫平折射率(Herpin index)DBR，而部分反射區域108和另外的部分反射區域526、528和530包括雙帶DBR、常規DBR和兩個垂直堆疊的DBR。
在一實施例中，部分反射區域108、112、116和120包括以藍色波長為中心的低赫平指數DBR，或以綠色波長為中心的低赫平指數DBR，或以紅色波長為中心的低赫平指數DBR。例如，部分反射區域120可以具有以藍色波長為中心的低赫平指數DBR，使得第一像素針對藍色波長光進行優化。部分反射區域116可以具有以綠色波長為中心的低赫平指數DBR，使得第二像素針對綠色波長光進行優化。部分反射區域112可以具有以紅色波長為中心的低赫平指數DBR，使得第三像素針對紅色波長光進行優化。
由色彩轉換共振腔系統500提供的這種配置能夠提供發光表面以形成像素陣列。蝕刻和沈積上述部分反射區域導致產生具有作為頂層的第一另外的部分反射區域526的第一像素、具有作為頂層的第二另外的部分反射區域528的第二像素和具有作為頂層的第三另外的部分反射區域530的第三像素。第一像素具有像素尺寸532。第二像素具有像素尺寸 534。第三像素具有像素尺寸 536。雖然以剖面展示出像素尺寸532、534、534，但本領域通常知識者可以理解，在平面圖中，像素具有暴露的與尺寸532、534、536相關的發光表面(例如，具有正方形的像素發光表面積—在其他的實施例中，形成不同形式的陣列和形狀的發光面的像素)。此外，雖然第一和第二部分反射區域526、528被示為分別鄰接部分反射區域116和112，但在其他的實施例中，第一和第二部分反射區域526、528具有不同的表面覆蓋率。此外，雖然圖中呈現出了剖面圖像的相對厚度，但本領域通常知識者可以理解，在其他的實施例中，層具有不同的相對尺寸。
在圖6中，展示出了色彩轉換共振腔系統600，其展示出了接合到CMOS背板602的色彩轉換共振腔系統500，並進一步示出了具有第一主峰值波長742的輸入光、具有第二主峰值波長744的轉換光、 具有第三主峰值波長746的轉換光和具有第四主峰值波長748的轉換光。
部分反射區120被設計成使得具有第一主峰值波長742的光被透射並且具有第二主峰值波長744的光被反射。 部分反射區域116被配置為使得具有第一主峰值波長742的光和具有第二主峰值波長744的光被部分透射並且具有第三主峰值波長746的光被反射。部分反射區域112被配置為使得具有第一主峰值波長742的光、具有第二主峰值波長744的光和具有第三主峰值波長746的光被部分透射並且具有第四主峰值波長748的光被反射。
具有第一主峰值波長742的輸入光通過色彩轉換共振腔系統700從LED 224發射。在圖6的實施例中，第一主峰值波長742對應於UV光。具有第一主峰值波長742的光通過部分反射區120傳輸到色彩轉換共振腔118中，在那裡光被吸收並通過發射複合進行下轉換。具有第一主峰值波長742的光在色彩轉換共振腔118中被轉換為具有第二主峰值波長744的光。在圖6的實施例中，第二主峰值波長的光對應於藍光。
當LED，例如發光裝置224，與色彩轉換共振腔系統600耦合時，輸入LED 224的光發射的角分佈被改變。一旦來自具有這種朗伯分佈的發光的LED 224的輸入光已經被色彩轉換共振腔系統118的MQW和泵浦吸收層吸收，則在MQW和泵浦吸收層中產生電子電洞對。在泵浦吸收層中產生的電子和電洞移動到MQW。因此，發光波長由MQW躍遷波長決定。當QW材料為 AlxInyGa1-x-yN 時，該躍遷波長的光譜範圍(FWHM：全寬半高值)為 ~30 nm 的綠色和 ~50 nm 的紅色。通常，AlxInyGa1-x-yN 或 AlxInyGa1-x-yP MQW 向所有方向發光，但色彩轉換共諧振器增強了滿足腔條件的發射。結果是從圖6的色彩轉換共振腔系統600發射的具有第二主峰值波長744的光的窄光束角和集中發射光譜。類似的吸收和透射根據其各自的吸收和發射特性發生在其他色彩轉換共振腔114、110中。
具有第二主峰值波長744的光在色彩轉換共振腔118中共振並且至少部分地通過部分反射區域116透射。具有第二主峰值波長744的光也通過第一另外的部分反射區域526透射並從相關的發光表面發光。
色彩轉換共振腔118上的部分反射區域116、526的相對特性使得共振轉換光744從與部分反射區域526相關聯的第一像素(例如，具有圖5的尺寸532的像素)發光，並且使得具有第二主峰值波長744的任何轉換光和具有第一主峰值波長的光穿過部分反射區域116，色彩轉換共振腔系統600 部分中的光被有效地再利用。
因此，在與第二和第三像素相關聯的區域(例如，與圖5的像素尺寸534和536相關聯的區域)，具有第二主峰值波長744的光通過部分反射區域116在色彩轉換共振腔114中被接收。色彩轉換共振腔114中還接收到未被轉換的具有第一主峰值波長742的光。
具有第一主峰值波長742的光和具有第二主峰值波長744的光在色彩轉換共振腔114中至少部分地轉換為具有第三主峰值波長746的光。在圖6的實施例中， 第三主峰值波長對應於綠光。
具有第三主峰值波長746的光在色彩轉換共振腔114中共振並透射通過部分反射區112。具有第三主峰值波長746的光也透射通過第二另外的部分反射區528並被發射 。
在第二像素(例如，與圖5的像素尺寸534相關聯的像素)處，具有第三主峰值波長746的光通過第二另外的部分反射區域528透射並被發射。在第三像素(例如，與圖5的像素尺寸536相關聯的像素）處，具有第一主峰值波長742、具有第二主峰值波長744和具有第三主峰值波長746的光在色彩轉換共振腔110中通過部分反射區域112被接收。具有第三主峰值波長746的光在色彩轉換共振腔110中被轉換為具有第四主峰值波長748的光。具有第四主峰值波長748的光對應於紅光。
具有第四主峰值波長748的光在色彩轉換共振腔110中共振並且通過部分反射區域108和/或第三另外的部分反射區域530被透射以被發射。
較佳地，具有第一主峰值波長742的輸入光具有對應於紫外(UV)波長光的波長。替代地或附加地，具有第一主峰值波長742的輸入光具有對應於藍光的波長。在其他的實施例中，使用不同波長的光。
雖然展示了顏色轉換以提供藍色、綠色和紅色轉換光輸出的系統，但在其他的實施例中，藍光被用作第一主峰值波長。有利地，在需要紅色、綠色和藍色光輸出的地方不需要使用其中之一的色彩轉換共振腔和相關聯的部分反射層。
具有第一主峰值波長742的輸入光具有對應於UV波長光的波長。 具有第二主峰值波長744的轉換光對應於藍色波長光，使得第一像素發射藍色光。
具有第三主峰值波長746的轉換光對應於綠色波長光，使得第二像素發出綠色光。具有第四主峰值波長748的轉換光對應於紅色波長光，使得第三像素發射紅色光。這樣的實施例能夠單塊整合紅色、綠色和藍色像素，以提供單塊色彩轉換系統。
在實施例中，第一像素、第二像素和第三像素被隔開並且由CMOS背板602獨立定址，從而能夠形成多色發光顯示器。
雖然圖6展示出了LED 224，但在其他的實施例中，單獨的發光二極體被選擇性地用於向與特定色彩轉換共振腔和與輸出光相關聯的發光表面提供光。在圖7中，展示出了色彩轉換共振腔系統700 的替代實施例。色彩轉換共振腔系統 700 包括第一 LED 224、第二 LED 638和第三 LED 640。LED 224、638和640彼此相鄰設置。在 LED 224、638 和 640 之上是層222、120、118、116、114、112、110、108、526、528 和 530，這些層在色彩轉換共振腔系統 500 的選擇性蝕刻配置中依序生長。
接合第一 LED 224使得來自第一 LED 224的輸入光提供給具有像素尺寸532的第一像素，接合第二 LED 638使得來自第二 LED 638的輸入光提供給具有像素尺寸534的第二像素，接合第三 LED 640 使得來自第三 LED 640 的輸入光提供給具有像素尺寸536的第三像素。接合LED 224、638、640 至根據圖1至圖6所述的色彩轉換共振腔系統。LED 224、638、640是可單獨定址的LED裝置，其可以使用合適的背板(例如基於Si的CMOS背板)來定址。
有利地，色彩轉換共振腔系統700實現從三個像素中的每一個單獨控制發光。在此說明的改良的角度分佈、強度和色純度提供了顯著的好處，特別是在增強現實應用方面，使用高解析度 LED 陣列來形成靠近使用者的顯示器。 此外，有利地，使用磊晶生長層來形成色彩轉換共振腔系統意味著克服了色彩轉換系統的基於量子點所賦予的尺寸限制，並且可以提供基於微型發光二極體的發光像素的更小的發光表面， 並且可以提供具有減小的像素間距的發光像素陣列。
雖然圖1-7展示出了通過在基板上依序生長層而形成的磊晶生長的色彩轉換共振腔系統，但在其他的實施例中，磊晶生長一系列層並且隨後接合到另一系列磊晶層。有利地，通過該方法，單獨的色彩轉換共振腔或色彩轉換共振腔群組可以各自地優化並接合在一起，從而提供針對特定波長的共振光進行優化的高結晶品質色彩轉換共振腔。
在圖8中，展示出了色彩轉換共振腔系統800的替代實施例。色彩轉換共振腔系統800包括色彩轉換共振腔118，該色彩轉換共振腔118磊晶生長在部分反射區域120的之上並且隨後經由接合層222接合到輸入LED 224和接合基板裝置202。在這一系列層的之上，經由接合層850接合部分反射區域116和色彩轉換共振腔114。另外，在這一系列層的之上經由接合層852接合部分反射區域112，色彩轉換共振腔110和可選的部分反射區域108。有效地，單獨提供每個色彩轉換共振腔110、114、118及其各自的部分反射區域並且接合在一起以形成圖8的結構。有利地，每個色彩轉換共振腔110、114、118和在接合在一起以形成最終結構之前，可以分別優化各個部分反射區域。這種單獨的優化意味著，例如，藍色和綠色發光結構可以形成基於氮化物的材料，而紅色發光結構可以使用不同材料形成，例如磷化物材料。在其他的實施例中，使用不同的材料組合以提供用於在特定光頻率下的色彩轉換和共振的優化結構。
使用介電接合將LED 224接合到部分反射區域120。LED 224的待接合到部分反射區120的表面係以高密度氧化膜作為邊界，以促進這種接合。部分反射區域120的將被接合到輸入LED 224的表面也以高密度氧化膜作為邊界，以促進晶圓級氧化接合。因此，LED 224的主發光表面被放置為與部分反射區域120緊密接近或接觸，使得從LED 224輸出的光用作色彩轉換共振腔系統800的輸入光。類似地，色彩轉換共振腔118和部分反射區域116以高密度氧化膜作為邊界以促進晶圓級氧化接合。此外，色彩轉換共振腔114和部分反射區域112以高密度氧化膜作為邊界以促進晶圓級氧化接合。
在其他的實施例中，LED 224使用聚合物接合，例如聚酰亞胺接合，接合到部分反射區域120。類似地，色彩轉換共振腔118使用聚合物接合(例如聚酰亞胺接合)接合到部分反射區域116。 此外，色彩轉換共振腔114使用聚合物接合(例如聚酰亞胺接合) 接合到部分反射區域112。在其他的實施例中，使用附加的或替代的接合機制來接合相應的層。有利地，接合這些層以形成單一個裝置，該裝置在與色彩轉換共振腔系統800的接口處具有最小的來自LED 224發光的接口損失。
雖然在圖8中展示這些層與接合層222、850、852接合，但在其他的實施例中，使用附加的和/或替代的接合層形成圖8的結構800。
在圖9中，展示出了色彩轉換共振腔系統900，其包括LED 224、接合層222、部分反射區域120、色彩轉換共振腔118、接合層850、另外的部分反射區域116和另外的色彩轉換共振腔114。每一個這些層的都按照順序生長並隨後如上文在圖8中所描述的那樣接合。在這一系列層的之上，展示出了來自圖8所述的結構的部分蝕刻的層。被蝕刻的層是接合層852、部分反射區域112、色彩轉換共振腔110和部分反射區域108。蝕刻這些層使得所述層108、110和112和852與剩餘的層224、222、120、118、850、116和114形成部分重疊區域。
在其他的實施例中，色彩轉換共振腔系統900設有由被蝕刻的接合層，以提供部分重疊區域。例如，設置被蝕刻的層陣列並將其接合在一起以提供對應於不同光輸出波長的部分重疊區域。
在圖10中，展示出了色彩轉換共振腔系統1000，其包括LED 224、接合層222、部分反射區域120和色彩轉換共振腔118。如上所述，這些層依序生長和接合，並保持未蝕刻。在所述層224、222、120 和118 的之上，是接合層850、部分反射區域116和另外的色彩轉換共振腔114。選擇性地蝕刻接合層850、部分反射區域116和色彩轉換共振腔114，使得層114、116和850與剩餘的層224、222、120和118形成部分重疊的區域。如上所述，層114、116和850之上是接合層852、另外的部分反射區域112、另外的色彩轉換共振腔110和另外的部分反射區域108，使得所述層852、112、110和108與層114、116和850形成部分重疊的區域。在色彩轉換共振腔118和接合層850之間使用蝕刻停止層(未示出)有利於控制通過蝕刻去除材料。第二蝕刻製程形成與色彩轉換共振腔114相關聯的露出的發光表面區域和與色彩轉換共振腔118相關聯的露出的發光表面區域。在其他的實施例中，色彩轉換共振腔系統1000 設置有被蝕刻的接合層，以提供部分重疊區域。例如，提供蝕刻層陣列並將其接合在一起以提供對應於不同光輸出波長的部分重疊區域。
在圖11中展示出了色彩轉換共振腔系統1100，其中由圖10所述的色彩轉換共振腔系統1000被進一步加工以提供第一另外的部分反射區域526、第二另外的部分反射區域528、以及第三另外的部分反射區域530。設置與色彩轉換共振腔110相關聯的第三另外的部分反射區域530來代替在初始磊晶結構中形成的部分反射區域108。或者，部分反射區域108保持在原位，並且在圖11所示的結構中不形成第三另外的部分反射區域530。第一另外的部分反射區域526形成在色彩轉換共振腔118的露出的表面的之上。第二另外的部分反射區域528形成在色彩轉換共振腔114的露出的表面的之上。
雖然 LED 224展示為單個 LED，但在其他的實施例中，LED 224 由單獨可定址的LED裝置形成，其中單獨的 LED 裝置對應於一個或多個像素處的光輸出，這些像素由部分重疊區域形成色彩轉換共振腔系統1100。以這種方式，可以形成高解析度顯示器。
在其他的實施例中，不同的空腔組合生長隨後接合在一起。例如，色彩轉換共振腔118和色彩轉換共振腔114可以與部分反射區域120和116一起在一個步驟中生長。這些磊晶生長的層隨後可以經由接合層接合到色彩轉換共振腔110和部分反射區域112和108。有利地，這樣的製程使得色彩轉換共振腔118和114以相似的材料生長以提供高品質的腔並且讓色彩轉換共振腔110以不同的材料生長，所述不同的材料對色彩轉換共振腔110 中所需光波長更優化。例如，色彩轉換共振腔118可以對應藍色波長的光，色彩轉換共振腔114可以對應綠色波長的光。 因此，由氮化物材料一起生長色彩轉換共振腔118和114可能是最佳的。色彩轉換共振腔110可以對應紅色波長的光。因此，與磷化物材料分開地生長色彩轉換共振腔110可能是最佳的。
為了促進如圖8至11所述的接合製程，在裝置加工的適當階段使用和移除用於各個部件的處理晶圓或生長基板。
因此，色彩轉換共振腔系統1100可用於設置像素陣列，例如以類似於圖1到7所述的色彩轉換共振腔系統的方式發射不同波長的光的高解析度微型發光二極體像素陣列。
雖然以上參照圖1至圖11描述了用於形成色彩轉換共振腔系統的方法，但本領域所屬通常知識者可以理解，在其他的實施例中，使用附加的或替代的步驟，並且在其他的實施例中，省略了一些步驟。在其他的實施例中，改變加工步驟的順序，同時設置一個或多個LED結構與一個或多個色彩轉換共振腔的組合以提供至少如本文所述的改進的發光特性。
100、200、300、400、500、600、800、900、1000、1100:色彩轉換共振腔系統 102、202:生長基板 104:緩衝層 106:蝕刻停止層 108、112、116、120、526、528、530:部分反射區域 110、114、118:色彩轉換共振腔 222、850、852:接合層 224、638、640:LED 532、534、536:像素尺寸 602:CMOS背板 742:第一主峰值波長 744:第二主峰值波長 746:第三主峰值波長 748:第四主峰值波長
以下將參考附圖對本發明實施例的進行詳細的描述，其中： 圖1展示三色色彩轉換共振腔系統的剖面圖； 圖2展示圖1的三色色彩轉換共振腔系統接合到LED的剖面圖； 圖3展示圖2的三色色彩轉換共振腔系統進一步加工後的剖面圖； 圖4展示圖3的三色色彩轉換共振腔系統進一步加工後的剖面圖； 圖5展示圖4的三色色彩轉換共振腔系統進一步加工後的剖面圖； 圖6展示來自三色色彩轉換共振腔系統的光輸入及發光的剖面圖； 圖7展示具有獨立可定址光輸入的三色色彩轉換共振腔系統的剖面圖； 圖8展示三色色彩轉換共振腔系統的剖面圖； 圖9展示圖8的三色色彩轉換共振腔系統進一步加工後的剖面圖； 圖10展示圖9的三色色彩轉換共振腔系統進一步加工後的剖面圖；以及 圖11展示圖10的三色色彩轉換共振腔系統進一步加工後的剖面圖。
100:色彩轉換共振腔系統
102:生長基板
104:緩衝層
106:蝕刻停止層
108、112、116、120:部分反射區域
110、114、118:色彩轉換共振腔

Claims (25)

  1. 一種色彩轉換共振腔系統，包括： 一第一部分反射區域，其被配置為傳送具有一第一主峰值波長的光並反射具有一第二主峰值波長的光； 一第二部分反射區域，其被配置為至少部分地傳送具有該第一和該第二主峰值波長的光並反射具有一第三主峰值波長的光； 一第三部分反射區域，其被配置為至少部分地反射具有該第三主峰值波長的光； 一第一色彩轉換共振腔，佈置為通過該第一部分反射區域接收具有該第一主峰值波長的輸入光以及轉換至少一些的具有該第一主峰值波長的光，以提供具有該第二主峰值波長的光，其中，該第一色彩轉換共振腔被佈置為使得該第二主峰值波長在該第一色彩轉換共振腔中共振並且通過該第二部分反射區域輸出具有該第二主峰值波長的共振光；以及 一第二色彩轉換共振腔，佈置為通過該第二部分反射區域接收包括具有該第二主峰值波長的輸入光並且轉換至少一些的該第二主峰值波長，以提供具有該第三主峰值波長的光，其中，該第二色彩轉換共振腔被佈置為使得該第三主峰值波長在該第二色彩轉換共振腔中共振並且通過該第三部分反射區域輸出具有該第三主峰值波長的共振光，其中，該第一色彩轉換共振腔和該第二色彩轉換共振腔被佈置為部分重疊以提供非重疊部分和重疊部分，從而分別界定一第一發光表面和一第二發光表面，其中，該第一發光表面被佈置為提供具有該第二主峰值波長的共振光，並且該第二發光表面被佈置為提供具有該第三主峰值波長的共振光。
  2. 如請求項1所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該色彩轉換共振腔系統係一單塊色彩轉換系統。
  3. 如請求項1或2所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該第一部分反射區域和該第二部分反射區域相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted為該第二主峰值波長，n(λ converted)是分隔該第一部分反射區域和該第二部分反射區域的材料的有效折射率，從而界定該第一色彩轉換共振腔的長度和/或其中，該第二部分反射區域和該第三部分反射區域相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted為該第三主峰值波長，n(λ converted)為分隔該第二部分反射區域和該第三部分反射區域的材料的有效折射率，從而界定該第二色彩轉換共振腔的長度。
  4. 如前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該色彩轉換共振腔系統包含至少一LED。
  5. 如請求項4所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該色彩轉換共振腔系統包含 一第一LED，其佈置為控制來自該第一發光表面的發光；和 一第二LED，其佈置為控制來自該第二發光表面的發光。
  6. 如前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該第三部分反射區域更被配置為反射具有一第四主峰值波長的光，該色彩轉換共振腔系統更包括： 一第四部分反射區域，其被配置為至少部分地反射具有該第四主峰值波長的光；以及 一第三色彩轉換共振腔，其佈置為通過該第三部分反射區接收包含具有該第三主峰值波長的輸入光，並且轉換至少一些該第三主峰值波長，以提供具有該第四主峰值波長的光，其中，該第三色彩轉換共振腔被佈置為使得該第四主峰值波長在該第三色彩轉換共振腔中共振並且通過該第四部分反射區域輸出具有該第四主峰值波長的共振光，較佳地，其中，該第三部分反射區域和該第四部分反射區域相隔距離為(N+1)乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N是正整數，λ converted是該第四主峰值波長，n(λ converted)是分隔該第三部分反射區域和該第四部分反射區域的材料的有效折射率，從而界定該第三色彩轉換共振腔的長度。
  7. 如請求項6所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該第二色彩轉換共振腔和該第三色彩轉換共振腔佈置成部分重疊以提供非重疊部分和重疊部分，從而分別界定該第二發光表面和一第三發光表面，其中，該第二發光表面佈置成提供具有該第三主峰值波長的共振光，該第三發光表面佈置成提供具有該第四主峰值波長的共振光。
  8. 如前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統， 其中， 該色彩轉換共振腔中的至少一個包括至少一個量子井層，較佳地，其中，該至少一個量子井層被放置為與該色彩轉換共振腔的一波腹重合以用於轉換光，從而增強了具有共振轉換的主峰值波長的輸出光的強度、光譜寬度和方向性中的至少一個。
  9. 如請求項8之色彩轉換共振腔系統， 其中，至少一個該色彩轉換共振腔包括至少一個吸收層，該吸收層被配置為吸收輸入光從而能夠將能量從該輸入光波長轉移到該至少一個量子井層中，較佳地，其中，該吸收層包括具有比該輸入光的該能量低的能帶隙的材料。
  10. 如前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統， 更包括至少一個擴散阻擋層，其佈置為減少載流子從至少一個該色彩轉換共振腔的擴散。
  11. 如前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，至少一個該色彩轉換共振腔包括 一量子井層，該量子井層包括一或多個量子井，以及 一另外的量子井層，其包括一或多個量子井； 其中，該量子井層和該另外的量子井層相隔距離為N乘以λ converted/2n(λ converted)，其中，N為正整數，λ converted為該色彩轉換共振腔中共振光的波長，n(λ converted) 是在該色彩轉換共振腔中的共振光波長下該量子層和該另外的量子井層之間的材料的有效折射率。
  12. 如前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統， 更包括至少一個另外的部分反射區域，其對應於該第一和該第二發光表面中的至少一個。
  13. 如前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該部分反射區域和/或該另外的部分反射區域中的至少一個包括一分佈式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)，較佳地，其中，該DBR是以下至少之一：雙帶DBR、常規DBR和兩個垂直堆疊的DBR。
  14. 如請求項13所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該部分反射區域中的至少一個包括以藍色波長為中心的低赫平折射率(Herpin index)的DBR或以綠色波長為中心的低赫平折射率DBR或以紅色波長為中心的低赫平折射率DBR。
  15. 如前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統， 其中，該部分反射區域和該色彩轉換共振腔中的至少一個包括磊晶結晶層，較佳地，其中，該色彩轉換共振腔系統包括介電材料和III-V半導體材料中的至少一種。
  16. 一種包含前述請求項中任一項所述之色彩轉換共振腔系統的像素陣列。
  17. 如請求項16述之像素陣列， 其中，該陣列包括一第一像素，其被配置為向一第二像素發射不同波長的光，較佳地，其中，該第一和/或該第二像素包括與其發光表面相對應的另外的部分反射區域。
  18. 如請求項17所述之像素陣列， 更包括一第三像素，其被配置為向該第一像素與該第二像素發射不同波長的光。
  19. 一種形成如請求項1至17中任一項所述之色彩轉換共振腔系統的方法。
  20. 如請求項19所述之方法，包括在一基板上形成該色彩轉換共振腔中的至少一個。
  21. 如請求項20所述之方法，其中，在該基板上形成該色彩轉換共振腔中的至少一個，包括磊晶生長複數層。
  22. 如請求項21所述之方法， 更包括在該基板上形成該部分反射區域中的至少一個，較佳地，其中，在該基板上形成該部分反射區中的至少一個包括在該基板上依序形成該色彩轉換共振腔和該部分反射區中的至少一個。
  23. 如請求項19至22中任一項所述之方法，更包括將該色彩轉換共振腔系統接合到至少一個LED。
  24. 如請求項19至23所述之方法，更包括將兩個或多個該第一部分反射區、該第二部分反射區、該第三部分反射區、該第一色彩轉換共振腔和該第二色彩轉換共振腔接合在一起。
  25. 如請求項19至23中任一項所述之方法，更包括選擇性地蝕刻該色彩轉換共振腔系統，從而提供該發光表面。
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