TWI721544B - 單片式整合奈米發射器光源組件 - Google Patents

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Abstract

低成本且高效率之基於單片式整合奈米級光發射器技術可經使用於，舉例而言，電子顯示器應用及使用光譜儀之光譜應用。運用本發明之不同技術，光發射器可包括量子點（QDs）並且可經設置以放出單波段（如，單一波長）或寬波段（如，至少二波長）之光，舉例而言，於可見光至中紅外光範圍內，例如波長約為365 nm至約10 μm。此處描述之光發射器奈米技術可基於製造顯示器及光譜應用之奈米級晶圓技術。

Description

單片式整合奈米發射器光源組件 [優先權之主張]
本發明主張於2018年8月30日由Mohamed Azize等人提出之美國臨時專利申請案No.62/724,826之優先權，其題名為「單片式整合奈米發射器光源組件」，於此以參考文獻方式全部合併入本文中。
本文通常係有關但不限於光源裝置及其方法。
二極體可於多種光學應用中作為光源使用。雷射二極體因可產生大量的光，而經使用於一些應用中。亦可使用其他二極體(例如，發光二極體)或電驅動光源。二極體可根據通過該二極體之電流而發光。
紅(R)、藍(B)及綠(G)之原色可透過不同程度之組合而形成許多其他顏色。於電子顯示器中，原色存在於RGB色彩矩陣之中。不同顯示技術包括液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(LED)裝置(OLED)、微型發光二極體、發光二極體及電漿。儘管微型發光二極體具有高潛力，但主要之技術包括有機發光二極體及發光二極體。
本發明揭露之內容係關於低成本且高效率之單片式整合奈米級光發射器技術，其可經使用於，舉例而言，電子顯示器應用及使用光譜儀之光譜應用。運用本發明之不同技術，光發射器可包括量子點(QDs)並且可經設置以發射單波段(如，單一波長)或寬波段(如，至少二波長)之光，舉例而言，於可見光至中紅外光範圍內，例如波長約為365nm至10μm。此處描述之光發射器奈米技術可基於製造顯示器及光譜應用之奈米級晶圓技術。
於某些樣態中，本發明係關於光奈米發射器之單片式整合組件，其具有響應於組件內產生的至少一輸入波長之至少一特定發射波長，組件包含：光發射器，其經設置響應於一電子輸入訊號，以於組件內產生至少一輸入波長之光；及複數奈米發射器，其經設置以接收來自光發射器之光，各奈米發射器包括：波導，其包括能接收及導引至少一輸入波長之光之一波導尺寸；量子點配置，其經設置以接收至少一輸入波長之光，並響應以產生回應光；及濾光器，其經設置以接收來自量子點配置之回應光，並響應以自組件內發射特定發射波長之光，並且阻擋至少一輸入波長之光。
於某些樣態中，本發明係關於光奈米發射器之單片式整合組件，其具有響應於組件內所產生至少一輸入波長之至少一特定發射波長，組件包括：響應於一電子輸入訊號，於組件內產生至少一輸入波長之光之手段；及 接收來自用於產生光之手段之光，自組件發射特定發射波長之光，並阻擋至少一輸入波長之光之手段。
於某些樣態中，本發明係關於一種產生響應於奈米發射器之單片式整合組件內產生之至少一輸入波長之至少一特定發射波長之方法，該方法包含：響應於一電子輸入訊號，於組件內產生至少一輸入波長之光；及接收，其透過奈米發射器接收來自光發射器之光，該接收包括：接收及導引至少一輸入波長之光；接收至少一輸入波長之光，並響應以產生回應光；及接收回應光，並響應以自組件發射特定發射波長之光並且阻擋至少一輸入波長之光。
此概述係用以提供本發明專利申請案主體之概要。其非用以提供本發明唯一或徹底之解釋。包含詳細說明以提供有關本發明專利申請案更進一步之資訊。
100:單片式整合組件
426A:歐姆接觸點
102:量子點開口
426B:歐姆接觸點
104:光發射器
426C:歐姆接觸點
106:奈米發射器
426D:歐姆接觸點
108:波導
428:半透明金屬層
110:量子點配置
430A:介電層
112A:第一分佈式布拉格反射器
430B:介電層
112B:第二分佈式布拉格反射器
432A:接觸點
114:電晶體
432B:接觸點
116:電容器
432C:接觸點
200:單片式整合組件
434:第一濾光器層
202A:奈米發射器
436:波導及量子點配置層
202B:奈米發射器
438:第二濾光器層
202C:奈米發射器
440A:奈米發射器
204A:電晶體
440B:奈米發射器
204B:電晶體
440C:奈米發射器
204C:電晶體
440D:奈米發射器
206:基板
442A:透鏡
208:量子點配置
442B:透鏡
210A:發光二極體
442C:透鏡
210B:發光二極體
442D:透鏡
210C:發光二極體
444:量子點配置層
212:緩衝層
450A:奈米發射器
300:單片式整合組件
450B:奈米發射器
302A:奈米發射器
450C:奈米發射器
302B:奈米發射器
450D:奈米發射器
302C:奈米發射器
452A:透鏡
308:量子點配置
452B:透鏡
400:緩衝/基板層
452C:透鏡
402:高電子移動性電晶體結構
452D:透鏡
404:光發射器
500:基板層
406:基板層
502:緩衝層
408:緩衝層
504:高電子移動性電晶體結構
410:背阻障層
506:光發射器
412:GaN通道層
508:接觸層
414:InAlGaN層
510:InAlGaN層
416:InAlGaN蝕刻終止層
512:InGaN/GaN複數量子井層
418:AlGaN蝕刻終止層
514:p-GaN/p-AlGaN接觸層
420:n-AlGaN/n-GaN接觸層
1:控制訊號
422:InGaN/GaN複數量子井層
2:控制訊號
424:p-GaN/p-AlGaN接觸層
3:控制訊號
圖式未必以實際比例繪製，相同標號可描述不同圖式中相似元件。具有不同字尾之相同標號可表示相似元件之不同範例。圖式通常係以舉例方式而非限定方式描繪本發明中所述各種實施例。
圖1係為本發明光奈米發射器之單片式整合組件之一範例其例示性示意圖。
圖2係為本發明光奈米發射器之單片式整合組件之另一範例其例示性示意圖。
圖3係為代表圖2示意圖之電路圖。
圖4係為本發明光奈米發射器之單片式整合組件之另一範例其例示性示意圖。
圖5係為代表圖4示意圖之電路圖。
圖6A至6K描繪用於生產本發明光奈米發射器之單片式整合組件之製造流程之一範例。
圖7A至7G描繪用於生產本發明光奈米發射器之單片式整合組件之製造流程之另一範例。
圖8描繪可用於例示製造流程之起始材料之另一範例。
紅(R)、藍(B)及綠(G)之原色可透過不同程度之組合而形成許多其他顏色。於電子顯示器中，原色存在於RGB色彩矩陣之中。不同之顯示技術包括液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(LED)裝置(OLED)、微型發光二極體、發光二極體及電漿。儘管微型發光二極體具有高潛力，但主要之技術包括有機發光二極體及發光二極體。微型發光二極體之優點包括高能源效率、高解析度、高亮度及低耗能。
顯示器市場目前仍未採用微型發光二極體技術，因為，舉例而言，其成本較高(如，低產量及非自動化生產流程)，及某些技術障礙(如，外部及內部量子效率較差)。
微型光譜技術具有低成本及高能源效率之小型化光源需求，且其可涵蓋可見光至中紅外光範圍。現在，替代解決方案係使用由紅外光(IR)磷 (如，使用降頻轉換法則)所覆蓋之可見光發光二極體。如此之解決方案可能具有較差之性能及可靠度問題，且發射波長涵蓋約650奈米(nm)至1微米(μm)。
本發明揭露之內容係關於低成本且高效率之單片式整合奈米級光發射器技術，其可經使用於，舉例而言，電子顯示器應用及使用光譜儀之光譜應用。運用本發明之不同技術，光發射器可包括量子點(QDs)並且可經設置以放出單波段(如，單一波長)或寬波段(如，至少二波長)之光，舉例而言，於可見光至中紅外光範圍內，如，波長約為365nm至10μm。此處描述之光發射器奈米技術可基於製造顯示器及光譜應用之奈米級晶圓技術。
如下詳細所述，本發明光奈米發射器之組件可包括於單片整合於相同晶圓上之複數奈米發射器。舉例而言，該等奈米發射器可包括至少一種量子點，例如不同材料及不同直徑之量子點。於某些非限制性例示配置中，奈米發射器直徑之長度範圍約可從10nm至500μm。組件可包括複數參雜或無參雜之寬能隙層體。舉例而言，裝置結構之基礎架構係可為三層之半導體。
於某些例示配置中，濾光器例如位於奈米發射器一端或兩端之分佈式布拉格反射器(DBR)，可經使用作為濾光器或共振器。一旦受光發射器例如發光二極體、雷射裝置或自然日光之激發，奈米發射器可發射光，例如使用下轉換(down-conversion)技術。於某些例示配置中，平面透鏡可經設置於奈米發射器之頂部，以改善經擷取/發射光之擷取及校準效率。
於某些例示配置中，組件可包括單片整合於相同晶圓上之一電晶體。電晶體係可為增強型電晶體或空乏型電晶體，其可使用寬能隙材料，舉例而言，高電子移動性電晶體(HEMT)，例如AlGaN/GaN。
於某些例示配置中，組件可包括單片整合於相同晶圓上之一電容器。舉例而言，電容器結構可利用金屬氧化物半導體(MOS)、金屬絕緣體半導體(MIS)、金屬氧化物金屬(MOM)或金屬絕緣體金屬(MIM)技術。
圖1係為本發明光奈米發射器106之單片式積體(整合)組件100之一範例其例示性示意圖。響應於單片式積體組件100中所產生之至少一輸入波長，光奈米發射器106可具有至少一特定發射波長。如圖1所示，於光發射器104上例如發光二極體或雷射裝置之上可界定至少一量子點開口102。光發射器104可經配置以響應於一電子輸入訊號以於單片式積體組件100內產生輸入波長之光。
至少一奈米發射器106可經形成於量子點開口102上。各奈米發射器106可包括一波導108，其經構建以具有合適之尺寸以接收及引導光發射器104產生之至少一波長之光。舉例而言，於使用藍光發光二極體作為光發射器104之組態中，波導108可經設置接收及引導波長約450至500nm之光，其約為藍光之波長範圍。
各奈米發射器106可包括至少一組量子點之量子點配置110，如可見光及紅外光發射器。各量子點配置110可經設置以接收來自光發射器例如發光二極體或雷射裝置之光輸入波長，並響應以產生回應光，如紅光、藍光、綠光等。
如圖1所示之非限制性例示，各奈米發射器106可包括量子點配置108，其具有三種不同種類之量子點，且經配置以產生三種不同對應波長之光，以產生紅光、綠光及藍光。於圖1所示之配置中，三種不同種類之量子點可經使 用以產生白光發射(寬波段)。於下述其他配置中，各奈米發射器可包括單一種類之量子點，藉此產生單一波長之光，例如紅光。
各奈米發射器106可包括位於奈米發射器至少一端之至少一濾光器，其經使用作為濾光器或共振器。舉例而言，光發射器可包括第一分佈式布拉格反射器(DBR)112A，如圖1中位於奈米發射器106第一端之「DBR1」，及第二分佈式布拉格反射器(DBR)112B，如圖1中位於奈米發射器106第二端之「DBR2」之中至少一者。舉例而言，DBR2可經配置以接收來自量子點配置110之回應光，並響應自單片式積體組件100發射特定發射波長之光例如紅光，並且阻擋輸入波長之光，例如，由作為光發射器104使用之藍光發光二極體所產生之藍光。
於圖1所示之例示配置中，單片式整合晶圓可包括至少一電晶體114。電晶體114係可為增強型或空乏型電晶體。電晶體114可包括，舉例而言，無機電晶體、有機電晶體、場效電晶體(FET)、有機藍場效電晶體(organic blue FET)、金屬半導體場效電晶體(MESFET)、金屬絕緣體半導體場效電晶體(MISFET)、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)及金屬絕緣體半導體高電子移動性電晶體(MISHEMT)。如下所述，各奈米發射器106可經耦合至一相對應電晶體，其經設置以響應於由電晶體所接收之控制訊號例如施加於場效電晶體或場效電晶體型電晶體之閘極之電壓，以選擇性控制來自奈米發射器之光發射。
此外，單片式整合晶圓可包括至少一電容器116。電容器116係可為，舉例而言，金屬絕緣體半導體(MIS)電容器、金屬氧化物半導體(MOS)電容器及金屬氧化物金屬(MOM)電容器。
圖2係為本發明光奈米發射器之單片式整合組件200之另一範例其例示性示意圖。圖2描繪之單片式積體組件200具有形成於基板206上之三個奈米發射器202A、202B與202C，及與其等對應之電晶體204A、204B與204C。於所示之非限制性例示中，奈米發射器202A可經設置以發射紅光子，奈米發射器202B可經設置以發射綠光子，且奈米發射器202C可經以設置發射藍光子。為了簡潔描述，僅論述圖2之單一奈米發射器，即奈米發射器202A。
如上所述，奈米發射器202A可包括一波導108、一量子點配置208及至少一濾光器112A、112B。於圖2所示之例示中，奈米發射器可經設置於量子點洞內，且至少部分經限制於半透明金屬例如鎳及銦錫氧化物。
單片式積體組件200可進一步包括光發射器，例如發光二極體210A。發光二極體210A可使用III-V族半導體(如不同氮化鎵〔GaN〕層)或II-VI族半導體形成，其中量子點光發射器之發射可優於發光二極體發射器之發射。舉例而言，於圖2所示之特定非限制性例示中，發光二極體210A可包括一p-GaN層、複數量子井(MQW)層及一n-GaN接觸層。於某些例示之實施方式，發光二極體係可為藍光發光二極體。發光二極體210A可形成於緩衝層212例如u-GaN層體上，及基板206例如藍寶石上。
如上所述，各光發射器，如發光二極體210A，可具有相應之電晶體，如電晶體204A，其經配置對應於電晶體接收之控制訊號，可選擇性控制來自奈米發射器，如奈米發射器202A，之發射光。電晶體204A係可為具有閘極、汲極及源極端之FET電晶體，如圖2所示，舉例而言，其汲極端電耦合至發光二極體210A之n-GaN接觸層。
同樣地，奈米發射器202B及202C可透過與其等對應之電晶體204B及204C而受選擇性控制。
圖3係為代表圖2示意圖之電路圖。圖3所示之單片式整合組件200可包括電晶體204A至204C、光發射器210A至210C及奈米發射器202A至202C。
於某些例示配置中，舉例而言，使用增強型電晶體時，當電晶體例如電晶體204A，接收如控制訊號1之控制訊號時，則電晶體可經開啟。如圖3所示，各電晶體之汲極係耦合至相對應光發射器之n-GaN接觸層，例如發光二極體或雷射裝置之n-GaN接觸層。當電晶體經開啟時，舉例而言，發光二極體可產生順向偏壓，其可允許來自傳導帶之電子與來自價帶之電洞重組，並且釋放足夠之能量，藉以產生至少一波長之光。舉例而言，藍光發光二極體210A可產生波長介於450至500nm之光。
奈米發射器例如奈米發射器202A，可接收來由光發射器例如發光二極體210A所產生之光，並且發射特定發射波長之光。舉例而言，奈米發射器202A可接收藍光發光二極體210A產生之藍光。透過使用上述之波導、量子點配置及至少一濾光器，奈米發射器202A可自組件200發射特定發射波長之光，並且阻擋至少一輸入波長之光。舉例而言，奈米發射器202A可包括量子點配置，其經配置以產生紅光，並且可包括濾光器例如DBR，其經配置以允許紅光發射但可阻擋任何來自藍光發光二極體210A之藍光。於此方式，響應於由電晶體所接收之一控制訊號，電晶體204A可選擇性控制來自奈米發射器之光發射，例如紅光之發射。
同樣地，響應於電晶體204B及204C所接收之控制訊號，電晶體204B及204C可選擇性控制來自與其等對應之奈米發射器202B及202C之光發 射。舉例而言，於增強型配置中，響應於控制訊號2，電晶體204B可經開啟，舉例而言，藉以順向偏壓發光二極體210B，並使奈米發射器202B發射綠光。同樣地，響應於控制訊號3，電晶體204C可經開啟，舉例而言，藉以順向偏壓發光二極體210C，並使奈米發射器202C發射藍光。
如上所述，於某些例示中，奈米發射器之量子點配置可產生單一特定發射波長之光例如紅光。於其他例示中，係期望奈米發射器可經設置產生至少二特定發射波長之光。如此，各奈米發射器可至少包括第一組量子點，其經設置以產生第一單一特定發射波長，例如紅光，及第二組量子點，其經設置以產生第二單一特定發射波長，例如綠光。上述奈米發射器可包括複數濾光器，其用於阻擋多餘發射波長。於某些配置中，各奈米發射器可包括第三組量子點，其經設置以產生第三單一特定發射波長，例如藍光。該等三組之紅綠藍量子點可組合而產生多種色彩。
舉例而言，於圖2及3論述之技術可經使用於電子顯示器。電子顯示器可使用單波段色彩(紅、綠及藍)。於某些例示配置中，舉例而言，圖2之濾光器可經設置只允許對應各奈米發射器之單一紅、綠或藍光。
本發明之奈米發射器技術亦可適用於光譜儀。期望光譜儀可使用寬波段發射，例如同時發射複數波長。於此應用，其可使用任何濾光器例如DBR，允許一波長範圍之光通過，而非單一波長。對於光譜應用，該等量子點係可為經插入於相同奈米發射器或於具有用以獲取寬波段發射之特定量子點之複數奈米發射器中不同類型及尺寸例如直徑大小之量子點之混合。圖4及圖5描繪光譜應用之示意圖，並於下文描述之。
圖4係為本發明光奈米發射器之單片式整合組件300之另一範例其例示性示意圖。圖4描繪之單片式整合組件300具有形成於基板206上之三個奈米發射器302A、302B與302C，及與其等對應之且形成於基板206上的電晶體204A、204B與204C。於所示之非限制性例示中，各奈米發射器302A至302C可經設置以發射寬波段色彩，例如同時發射複數波長之光。為了簡潔描述，僅論述圖4之單一奈米發射器，即奈米發射器302A。
如上所述，奈米發射器302A可包括一波導108、一量子點配置308及至少一濾光器112A、112B。對於光譜應用，該等量子點係可為不同類型及尺寸例如直徑大小之量子點之混合，該等量子點經插入於相同奈米發射器內，或於複數奈米發射器具有特定量子點，藉以獲取寬波段之發射光。可使用濾光器112A、112B例如DBR，允許一波長範圍之光通過，而非單一波長。於圖4所示之例示中，奈米發射器可經設置於量子點洞內，且至少部分經限制於半透明材料，例如鎳及銦錫氧化物之金屬。
單片式整合組件300可進一步包括一光發射器，例如發光二極體210A。發光二極體210A可使用複數氮化鎵(GaN)層形成。舉例而言，於圖4所示之特定非限制性例示中，發光二極體210A可包括p-GaN層、InGaN/GaN複數量子井(MQW)層及n-GaN接觸層。於某些例示之實施方式中，發光二極體係可為藍光發光二極體。發光二極體210A可形成於一緩衝層212例如u-GaN層體，及一基板例如藍寶石之上。
如上所述，各光發射器，如發光二極體210A，可具有相應之電晶體例如電晶體204A，其經配置響應於由電晶體所接收之控制訊號以選擇性控制來自奈米發射器例如奈米發射器302A之光發射。電晶體204A係可為具有閘 極、汲極及源極端之FET電晶體，舉例而言，其汲極端電耦合至發光二極體210A之n-GaN接觸層。
同樣地，奈米發射器302B及302C可透過與其等對應之電晶體204B及204C而受選擇性控制。
圖5係為代表圖4示意圖之電路圖。圖5所示之單片式整合組件300可包括電晶體204A至204C、光發射器210A至210C及奈米發射器302A至302C。
於某些例示配置中，舉例而言，使用增強型電晶體時，當一電晶體例如電晶體204A接收例如控制訊號1之控制訊號時，則電晶體可經開啟。如圖5所示，各電晶體之汲極經耦合至與其對應之光發射器，如發光二極體或雷射裝置，之n-GaN接觸層。當電晶體經開啟時，舉例而言，發光二極體可為順向偏壓，其可允許來自一傳導帶之電子與來自一價帶之電洞重組，並且釋放足夠之能量以產生至少一波長之光。舉例而言，藍光發光二極體210A可產生波長介於450至500nm之光。
奈米發射器例如奈米發射器302A，可接收由光發射器例如發光二極體210A所產生之光，並發射特定發射波長之光。舉例而言，奈米發射器302A可接收由藍光發光二極體210A產生之藍光。透過使用其上述之波導、量子點配置及至少一濾光器，奈米發射器302A可自單片式整合組件300發射特定發射波長範圍之光，例如以產生一寬波段色彩之發射光，並阻擋至少一輸入波長之光。舉例而言，奈米發射器302A可包括一量子點配置，其包括不同量子點之組合，且可經配置以產生一範圍之發射波長。各奈米發射器可包括濾光器例如DBR，其經配置以允許一範圍之發射波長，並且舉例而言阻擋任何來自藍光發光二極體210A之藍光。於其他配置中，具有特定量子點例如紅、藍、綠之一組奈米發 射器可經使用以提供寬波段發射光。以此種方式，響應於由電晶體204A所接收之一控制訊號1，電晶體204A可選擇性控制來自奈米發射器302A之光發射。
同樣地，響應於由電晶體204B及204C所接收之控制訊號，電晶體204B及204C可選擇性控制來自與其等對應之奈米發射器302B及302C之光發射。舉例而言，響應於控制訊號2，電晶體204B可經開啟，藉以順向偏壓發光二極體210B，並且舉例而言，使奈米發射器302B發射具有一發射波長範圍之光。同樣地，響應控制訊號3，電晶體204C可經開啟，藉以順向偏壓發光二極體210C，並且舉例而言，使奈米發射器302C發射具有一發射波長範圍之光。
用於形成本文論述之半導體裝置之化合物半導體，其可包括來自化學週期表不同族之化學化合物。該化學化合物可包括第III族元素(該族包含硼〔B〕、鋁〔Al〕、鎵〔Ga〕、銦〔In〕及鉈〔Tl〕)與第V族元素(該族包含氮〔N〕、磷〔P〕、砷〔As〕、銻〔Sb〕及鉍〔Bi〕)之配對。週期表之第III族亦可表示為第三族，且第V族亦可表示為第五族。
非限制地，半導體裝置可由氮化鎵(GaN)及氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所製成。此外，半導體裝置可由AlN/GaN/AlN異質結構、InAlN/GaN、GaN/AlGaN或其他第13族及第15族元素之組合所製成。該等異質結構可於形成該異質結構之兩化合物半導體界面處形成二維電子氣體(2DEG)，例如GaN與AlGaN之介面。二維電子氣體可形成電子之導電通道，其可經控制耗盡，例如透過位於通道上方之閘極電壓金屬接觸點，藉此控制通過半導體裝置之電流。
於其一例示中，半導體裝置係可為場效電晶體，例如高電子移動性電晶體(HEMT)，其源極及汲極端電耦合至二維電子氣體所形成之通道，且 其閘極經設置於通道之上。由相對於汲極端之電壓所決定之閘極端上之電壓，其可於通道內誘導產生一電場，以控制二維電子氣體內自由電子之濃度，例如控制通過電晶體之電流。
圖6A至6K描繪用以生產本發明光奈米發射器之單片式整合組件之製造流程之範例示意圖。圖6A描繪經使用於第一例示流程中之起始材料。普遍而言，圖6A所示材料之層體，其可用以生產緩衝/基板層400、嵌入一光發射結構內例如發光二極體結構之高電子移動性電晶體結構402，及一光發射器404例如藍光發光二極體。
基板層406可由例如藍寶石、矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、玻璃及聚合物自底部開始形成。於基板層406之頂部上可形成緩衝層408，例如u-GaN層或AlN層。可選地，可於緩衝層之頂部上，例如透過沉積或生長形成一InAlGaN背阻障層410。
接著，可形成GaN通道層412，例如位於可選性之背阻障層410上，其用於二維電子氣體侷域。於GaN通道層412之上可形成InAlGaN層414，其係作為二維電子氣體之提供者及蝕刻終止層。
可於層體414上形成兩個其他(及可選性)的蝕刻終止層。舉例而言，一可選的InAlGaN蝕刻終止層416可形成於層體414之上，且一可選的AlGaN蝕刻終止層418可形成於InAlGaN蝕刻終止層416之上。層體408至418可共同形成高電子移動性電晶體結構。
於高電子移動性電晶體結構之頂部，可形成三個其他層體420至424以形成光發射器例如發光二極體。詳言之，n-AlGaN或n-GaN接觸層420可形成於層體418之上。接續地，InGaN或GaN複數量子井(MQW)層422可形成於 接觸層420之上。接著，p-GaN或p-AlGaN接觸層424可形成於複數量子井層422之上。
圖6B描繪製造流程之第一乾式蝕刻步驟。如圖6B所示，頂部兩層體之部分，即p接觸層424及複數量子井層422，可透過第一蝕刻移除，藉此允許，舉例而言，於接觸層420之上形成接觸點。
圖6C描繪製造流程之第二蝕刻及第三蝕刻。該兩蝕刻可經使用於界定一電晶體及一電容器，其等各對應於發光二極體404。第二蝕刻可移除層體420至424，以開始界定一電晶體與一電容器。接著，第三蝕刻可移除層體410至418，並終止於緩衝層408。
圖6D描繪製造流程中，歐姆接觸點之形成。歐姆接觸點426A至426D例如鈦(Ti)或金(Au)，可於移除蝕刻終止層418之後，形成於發光二極體之接觸層420之上(舉例而言，產生陰極接觸點)、於電晶體之層體416之上(如，形成源極及汲極接觸點)，及於移除蝕刻終止層418之後，形成於電容器之層體416之上。
圖6E描繪製造流程中，半透明金屬之形成。詳言之，半透明金屬428例如氧化銦錫(ITO)，可形成於發光二極體之接觸層424之上。可選地，介電層430A及430B可形成於電晶體及電容器之層體416之上。
圖6F描繪製造流程中，歐姆接觸點及閘極接觸點之形成。舉例而言，接觸點432A例如鎳(Ni)或金(Au)，可形成於發光二極體之半透明金屬層428之上(舉例而言，形成陽極接觸點)。可選地，接觸點432B及432C例如Ni或Au，可形成於電晶體之介電材料上，例如形成閘極接觸點，及電容器之介電材料上。
圖6G描繪製造流程中，第一濾光器之形成。第一濾光器層434，例如第一DBR，可形成於發光二極體之半透明金屬層428之上。
圖6H描繪製造流程中，波導及量子點之形成。波導及量子點配置層436可形成於第一濾光器層434之上。
圖6I描繪製造流程中，第二濾光器之形成。第二濾光器層438，例如第二DBR，可形成於波導及量子點配置層436之上。第二濾光器層438可作為寬波段濾光器並使特定波長之光通過例如紅光、綠光等，同時反射光發射器之波長，例如藍光發光二極體之藍光。
圖6J描繪製造過程中，獨立奈米發射器之形成。於圖6J之非限制性例示中，描繪於形成程序後之四個獨立奈米發射器440A至440D。奈米發射器440A至440D可於奈米尺寸下形成，如介於約10nm至500μm之直徑。於某些例示中，奈米發射器可利用Nano OPS公司提供之奈米級列印系統(http：//nano-ops.net)形成。上述奈米級列印系統之例示論述於美國專利第8,362,618號、第8,937,293號、第9,145,618號、第9,365,946號及第9,388,047號，其等各自之完整內容透過參考文獻方式全部合併至本文。奈米級列印系統可獨立形成奈米發射器440A至440D。
圖6K描繪製造過程中，獨立透鏡之形成。如圖6K所示，可選的透鏡442A至442D例如平面透鏡，可利用Nano OPS公司提供之奈米級列印系統形成。可經設置於鄰近相對應奈米發射器之一端之透鏡442A至442D係可經配置以接收及聚焦來自奈米發射器之特定發射波長之發射光。舉例而言，可選的透鏡可由二氧化鈦(TiO2)或二氧化矽(SiO2)製成。
圖7A至7G描繪用於生產本發明光奈米發射器之單片式整合組件之例示性製造流程之另一範例。圖7A至7G之流程可透過使用圖6A所示之起始材料及圖6B所示之第一乾式蝕刻開始。
圖7A描繪製造流程之第二蝕刻及第三蝕刻。該兩蝕刻可經使用於界定一電晶體及一電容器，其等各對應於發光二極體。第二蝕刻可移除層體420，以開始界定電晶體。接著，用以界定電容器之第三蝕刻可移除層體410至418，並終止於緩衝層408。
圖7A所示配置之優點係為，發光二極體之陰極例如n型層體420，可透過二維電子氣體區域直接連接於電晶體。此為相對於圖6C所示之配置，其中，圖6C之配置於電容器之汲極與發光二極體之陰極之間使用額外金屬互連。
圖7B描繪製造流程中，歐姆接觸點之形成。歐姆接觸點426C及426D例如鈦(Ti)或金(Au)，可分別於移除蝕刻終止層418之後形成於電晶體(如，形成汲極接觸點)之層體416上，及於移除蝕刻終止層418之後形成於電容器之層體416上
圖7C描繪製造流程中，半透明金屬之形成。詳言之，半透明金屬428例如氧化銦錫(ITO)，可形成於發光二極體之接觸層424之上。可選地，介電層430A及430B可形成於電晶體及電容器之層體416之上。
圖7D描繪製造流程中，歐姆接觸點及閘極接觸點之形成。舉例而言，接觸點432A例如鎳(Ni)或金(Au)，可形成於發光二極體之半透明金屬層428之上(舉例而言，形成陽極接觸點)。此外，接觸點432B及432C例如 Ni或Au，可分別形成於電晶體之介電材料430A上，例如形成閘極接觸點，及電容器之介電材料及430B上。
圖7E描繪製造流程中，第一濾光器之形成。第一濾光器層434例如第一DBR，可形成於發光二極體之半透明金屬層428之上。此外，量子點配置層444可經加設至第一濾光器層434之上。
於另一蝕刻移除層體412至416以進一步界定電晶體後，歐姆接觸點426A及426B例如鎳(Ni)或金(Au)，可分別形成於發光二極體之接觸層420上(例如形成陰極接觸點)，及形成於電晶體之層體416上(例如形成源極接觸點)。
圖7F描繪製造過程中，獨立奈米發射器由上到下之形成。於圖7F之非限制性例示中，描繪於形成程序後之四個獨立奈米發射器450A至450D。奈米發射器450A至450D可於奈米尺寸下形成，如介於約10nm至500μm之直徑。於某些例示中，奈米發射器可利用Nano OPS公司提供之奈米級列印系統(http：//nano-ops.net)形成。上述奈米級列印系統之例示論述於美國專利第8,362,618號、第8,937,293號、第9,145,618號、第9,365,946號及第9,388,047號，其等各自之完整內容透過參考文獻方式全部合併至本文。奈米級列印系統可獨立形成奈米發射器450A至450D。
Nano OPS公司提供之奈米級列印系統可使用空氣、二氧化矽(SiO2)及金屬材料(其可提供負折射率)之至少一者，製造波導及/或濾光器。於某些例示實施方式，波導可透過不同材料，例如空氣、二氧化矽及金屬材料之同心層體形成，以提供具有不同折射率之層體。
圖7G描繪製造過程中，獨立透鏡之形成。如圖7G所示，可選的透鏡452A至452D，例如平面透鏡，可利用Nano OPS公司提供之奈米級列印系統形成。透鏡452A至452D，其可經設置於鄰近相對應奈米發射器之一端，且經配置用於接收及聚焦來自奈米發射器之特定發射波長之發射光。舉例而言，可選的透鏡可由二氧化鈦(TiO2)或二氧化矽(SiO2)製成。
圖8描繪可用於例示製造流程之另一例示性起始材料。普遍而言，圖8所示材料之層體，其可用於生產基板層500、緩衝層502、未嵌入光發射結構內(相對於圖6A至圖6K)之高電子移動性電晶體結構504，及光發射器506例如藍光發光二極體。
基板層500可由例如藍寶石、矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)自底部開始形成。於基板層500之頂部，可形成緩衝層502，如u-GaN層或AlN層。
於緩衝層502之頂部，可形成n-AlGaN或n-GaN接觸層508，其可作為光發射器之部分，例如發光二極體。此外，InAlGaN層510可形成於緩衝層502之上且鄰近接觸層508，其作為部分高電子移動性電晶體結構之二維電子氣體提供者。
接續地，InGaN或GaN複數量子井層512可形成於接觸層508之上。接著，p-GaN或p-AlGaN接觸層514可形成於複數量子井層512之上。
[各種註記]
於此所述之各非限制性層面或範例可獨立存在，或者可與其他範例中至少一者以各種排列或組合進行結合。
以上詳細說明包括附圖之參考，附圖形成詳細說明之一部分。透過描繪之方式圖式顯示出可實施本發明之具體實施例。該等實施例於此亦稱為「範例」。該等範例可包括除已顯示或所述元件外之元件。然而，本發明人亦考量僅顯示或所述該等元件之範例。此外，本發明人亦考量利用所示或所述該等元件之任何組合或排列(或其至少一層面)，關於特定範例(或其至少一層面)或關於本文所示或所述之其他範例(或其至少一層面)。
如果本發明與透過引用方式併入本文之任何文獻之間用法上有不一致之情形，則以本發明之用法為準。
於本文件中，專利文件中常見之用語「一」或「一個」係包括一個或多於一個，係獨立於「至少一」或「一或多個」之任何其他例示或用途。於本文件中，該用語「或」係用以指一非排他性用語，除非另有說明，否則如「A或B」包括「A但非B」，「B但非A」以及「A與B」。於本文件中，用語「包括」與「於其中」係分別作該用語「包含」與「其中」簡明英文之同義詞。此外，於以下申請專利範圍中，該等用語「包括」與「包含」係開放式，即一系統、裝置、物件、組合、配方或過程包括已列出之元件外之元件，亦落入本發明之申請專利範圍內。再者，於以下申請專利範圍中，該等語「第一」、「第二」與「第三」等僅作為標示之用，並不用以對該等標的施加數字意義上之要求。
於此所述之方法範例可至少部分為機器或電腦所實施。某些範例可包括一電腦可讀取媒介或機器可讀取媒介，其等係編碼具有可操作以設置一電子裝置以執行上述範例中所述之方法之指令。該方法之實施可包括編碼如微代碼、彙編語言代碼、更高級語言代碼等。該代碼可包括用以執行各種方法之電腦可讀取指令。該代碼可形成電腦軟體產品之一部分。此外，於一範例中，該代碼如於執行期間或其他時點可有形儲存於至少一依電性(volatile)、非暫態或非依電性之有形電腦可讀取媒介上。該些有形之電腦可讀取媒介之範例可 包括但不限於，硬碟、可移動磁碟、可移動式光碟(如，光碟與數位光碟)、磁帶、記憶卡或棒、隨機存取記憶體(RAMs)、唯讀記憶體(ROMs)等。
上述說明係為說明性而非限制性。例如，上述範例(或其等至少一方面)可彼此相互組合使用。如該技術領域通常知識者於閱讀上述說明後可使用其他實施例。所提供之摘要係符合37 C.F.R.§1.72(b)以使讀者能快速理解本發明技術內容之本質。應理解為，其非用以解釋或限制申請專利範圍之範圍或含義。此外，於上述詳細說明中，各種特徵可經分群以簡化本發明所揭露之內容。此不應解釋為未見於申請專利範圍中之技術特徵對於任何本發明之申請專利範圍係相當重要的。相反地，本發明之目標主體可能比一特定揭露之實施例之所有特徵要來的少。因此，以下申請專利範圍係併入至該詳細說明中作為範例或實施例，其中各該申請專利範圍係各自作為一單獨實施例，且可預期該些實施例可以各種組合方式或排列方式彼此相互組合使用。本發明之範圍應由申請專利範圍中所載之內容以及落入該等申請專利範圍之均等物所決定。
100:單片式整合組件
102:量子點開口
104:光發射器
106:奈米發射器
108:波導
110:量子點配置
112A:第一分佈式布拉格反射器
112B:第二分佈式布拉格反射器
114:電晶體
116:電容器

Claims (20)

  1. 一種光奈米發射器之單片式整合組件，其具有響應於該單片式整合組件內所產生至少一輸入波長之至少一特定發射波長，該單片式整合組件包含：一光發射器，其經設置以響應於一電子輸入訊號以於該單片式整合組件內產生至少一輸入波長之光；及複數奈米發射器，其經設置以接收來自該光發射器之該光，各該奈米發射器包括：一波導，其包括一波導尺寸，該波導尺寸經設計可接收及導引該至少一輸入波長之該光；一量子點配置，其經設置以接收該至少一輸入波長之該光，並響應以產生回應光；及一濾光器，其設置在該光發射器與該量子點配置之間，且經設置以接收來自該量子點配置之該回應光，並響應以自該單片式整合組件發射一特定發射波長之光，並且阻擋該至少一輸入波長之該光。
  2. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中，各該奈米發射器經耦合至：一相對應電晶體，其經設置以響應於該相對應電晶體所接收之一控制訊號，以選擇性控制來自該奈米發射器之光發射。
  3. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中，該至少一輸入波長小於500奈米。
  4. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中，該至少一輸入波長介於450至500奈米之間，以產生藍光。
  5. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中，該量子點配置包括：一第一組之至少一量子點，其經配置以接收該至少一輸入波長之光，並響應以產生一第一波長之回應光；以及一第二組之至少一量子點，其經配置以接收該至少一輸入波長之光，並響應以產生一第二波長之回應光。
  6. 如請求項5所述之單片式整合組件，其中，該量子點配置包括：一第三組之至少一量子點，其經配置以接收該至少一輸入波長之光，並響應以產生一第三波長之回應光。
  7. 如請求項6所述之單片式整合組件，其中，於該第一波長之該回應光係為紅光，該第二波長之該回應光係為藍光，且該第三波長之該回應光係為綠光。
  8. 如請求項6所述之單片式整合組件，其中，該第一組、該第二組及該第三組之該至少一量子點係為相對彼此垂直配置。
  9. 如請求項6所述之單片式整合組件，其中，該第一組、該第二組及該第三組之該至少一量子點包括至少十個量子點。
  10. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中，該量子點配置包括：至少一量子點之一群體，其經配置以接收該至少一輸入波長之該光，並響應以產生僅具一第一波長的回應光。
  11. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中，該光發射器係為一發光二極體。
  12. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中，該光發射器係為一雷射裝置。
  13. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中，該濾光器包括一分佈式布拉格反射器(DBR)。
  14. 如請求項13所述之單片式整合組件，其進一步包括：一透鏡，其經設置於鄰近該至少一奈米發射器之一端，該透鏡經配置用於接收及聚焦該特定發射波長發射之光。
  15. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中該單片式整合組件與一顯示裝置結合。
  16. 如請求項1所述之單片式整合組件，其中該單片式整合組件與一光譜儀結合。
  17. 一種光奈米發射器之單片式整合組件，其具有響應於該單片式整合組件內所產生之至少一輸入波長之至少一特定發射波長，該單片式整合組件包含：用於響應於一電子輸入訊號，於該單片式整合組件內產生至少一輸入波長之光之手段；及用於接收該產生光之手段之光，並自該單片式整合組件發射一特定發射波長之光，並阻擋該至少一輸入波長之光之手段，其包括一濾光器以及一量子點配置；其中，該濾光器設置在該產生光之手段與該量子點配置之間。
  18. 如請求項17所述之組件，其中，該至少一輸入波長介於450至500奈米之間，以產生藍光。
  19. 一種響應於奈米發射器之單片式整合組件內所產生之至少一輸入波長而產生至少一特定發射波長之方法，該方法包括：由一光發射器響應於一電子輸入訊號，於該單片式整合組件內產生至少一輸入波長之光；及透過該奈米發射器接收來自一光發射器之光，其中該透過該奈米發射器接收來自一光發射器之光包括：接收及導引步驟該至少一輸入波長之該光；由一量子點配置接收該至少一輸入波長之該光，並響以產生回應光；及由一濾光器接收該回應光，並響應以自該單片式整合組件發射一特定發射波長之光，並且阻擋該至少一輸入波長之該光；其中，該濾光器設置在該光發射器與該量子點配置之間。
  20. 如請求項19所述之方法，其進一步包括：一控制步驟，響應於一電晶體所接收之一控制訊號選擇性控制該至少一奈米發射器之光發射。
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