具有雙面波長轉換器的光產生裝置的製作方法

2023-09-20 05:26:15

專利名稱：具有雙面波長轉換器的光產生裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體，更具體地講，涉及包含轉換LED發光波長的波長轉換器的發光二極體(LED)。
背景技術：
照明系統用於包括投影顯示系統、液晶顯示器的背光源等等在內的多種不同的應用中。投影系統通常使用一個或多個白光源，例如高壓汞燈。白光束通常被分為三原色，紅色、綠色和藍色，然後被引導向各自的成像空間光調製器，以生成各原色的圖像。所得原色圖像光束被組合併投影到投影屏幕上以便於觀看。最近，發光二極體(LED)已被考慮作為白光源的替代物。LED具有提供能夠與傳統光源競爭的亮度和可操作壽命的潛能。然而，現在的LED，特別是發射綠光的LED，是相對低效的。傳統光源一般體積龐大，發射一種顏色或原色的效率低，難以集成，並且往往會導致採用它們的光學系統的尺寸和功耗增加。波長轉換發光二極體(LED)在照明應用中變得日益重要，這些應用中需要通常不是由LED產生的彩光，或者可使用單個LED產生通常由多個不同的LED共同產生的具有一定光譜的光。此類應用的一個實例是用在顯示器的背向照明中，例如計算機顯示器和電視機的液晶顯示器(LCD)。在此類應用中，需要使用基本上為白色的光來照明LCD面板。利用單一的LED產生白光的一種方法是首先用LED產生藍光，然後將該光的一部分或全部轉換成不同的顏色。例如，在使用發射藍光的LED作為白光源時，可利用波長轉換器將藍光的一部分轉換為黃光。所得光是黃光和藍光的組合，在觀察者看來為白色。然而，所得光的顏色 (白點)就用於顯示裝置而言可能並非最佳，因為該白光是僅混合兩種不同顏色光的結果。LED還用於圖像顯示系統中，例如，用於電視屏幕中。在這類應用中，使用能單獨尋址的發射紅光、綠光和藍光的LED的排列來照射一個像素。可以控制各LED的相對亮度，以控制從像素感知的整體顏色。仍然需要提供一種低成本、穩固且有效的能夠覆蓋大面積的LED陣列。

發明內容
本發明的一個實施例涉及一種多層半導體構造，其由具有一起生長的至少三個半導體層並具有第一面和第二面的分層構造形成。所述至少三個半導體層包括用於產生第一轉換波長的光的第一半導體光致發光元件和用於產生不同於所述第一轉換波長的第二轉換波長的光的第二半導體光致發光元件。所述第一轉換波長和所述第二轉換波長中的至少一個是可見光。所述分層構造的所述第一面被圖案化並且所述分層構造的所述第二面被圖案化。本發明的另一個實施例涉及一種光產生裝置，其包括具有輸出面的電致發光元件和具有第一面和第二面的半導體波長轉換器。所述波長轉換器附著於所述電致發光元件的
9所述輸出面。所述波長轉換器在所述第一面上具有第一蝕刻圖案並且在所述第二面上具有第二蝕刻圖案。本發明的另一個實施例涉及一種半導體構造，其由形成第一光致發光元件和第二光致發光元件的一體化半導體層疊堆形成。所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件在被共同的泵浦波長的光照射時能夠分別發射第一波長和第二波長的光。所述第一光致發光元件被圖案化，使圖案化的所述第一光致發光元件的至少一部分具有第一半導體結構，所述第一半導體結構的頂部的寬度與所述第一半導體結構的底部的寬度不同。所述第二光致發光元件被圖案化，使圖案化的所述第二光致發光元件的至少一部分具有第二半導體結構，所述第二半導體結構的頂部的寬度與所述第二半導體結構的底部的寬度不同。所述第一半導體結構的頂部和所述第二半導體結構的頂部分別比所述第一半導體結構的底部和所述第二半導體結構的底部窄，或者所述第一半導體結構的頂部和所述第二半導體結構的頂部分別比所述第一半導體結構的底部和所述第二半導體結構的底部寬。本發明的另一個實施例涉及一種發光裝置，其具有能夠發射泵浦波長的光的電致發光器件和附著於電致發光器件的波長轉換器。所述波長轉換器至少具有在單個半導體層疊堆上被圖案化的第一光致發光元件和第二光致發光元件。所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件在被泵浦波長的光照射時能夠分別發射第一波長和第二波長的光。所述第一光致發光元件基本上覆蓋所述電致發光器件的第一區域並且基本上沒有覆蓋所述電致發光器件的第二區域。所述第二光致發光元件基本上覆蓋所述電致發光器件的所述第二區域並且基本上沒有覆蓋所述電致發光器件的所述第一區域。本發明的另一個實施例涉及一種半導體波長轉換器，其包括具有第一面和第二面的一體化半導體層疊堆。在所述半導體層疊堆的所述第一面的第一光致發光元件中形成有第一圖案並且在所述半導體層疊堆的所述第二面的第二光致發光元件中形成有第二圖案。 在所述第一面的蝕刻圖案上設置第一鈍化層。本發明的另一個實施例涉及一種半導體波長轉換器，其具有外延生長的半導體層疊堆，所述疊堆包括第一光致發光元件和第二光致發光元件以及設置在所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間的窗層。所述疊堆至少具有與所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件橫向隔開的第一區域，所述第一區域包括所述窗層和設置在所述窗層的第一面和第二面上的非外延材料。本發明的另一個實施例涉及一種發光裝置，其具有能夠發射泵浦波長的光的電致發光器件；和附著於電致發光器件的波長轉換器。所述波長轉換器至少包括在半導體層疊堆上被圖案化的第一光致發光元件。所述第一光致發光元件在被泵浦波長的光照射時能夠產生第一轉換波長的光。在所述疊堆中在所述第一光致發光元件的一側設置有窗層。所述第一光致發光元件覆蓋所述電致發光器件的第一區域。所述窗層覆蓋與所述第一區域橫向隔開的所述電致發光器件的第二區域。所述第一光致發光元件基本上沒有覆蓋所述第二區域。上述本發明的發明內容並非意圖描述本發明的每一個說明性實施例或每種實施方式。以下附圖和具體實施方式
更具體地舉例說明這些實施例。


結合附圖對本發明的各種實施例所做的以下詳細說明可以更全面地理解本發明， 其中圖1示意性地示出發光系統的側視圖；圖2示意性地示出根據本發明原理的使用半導體波長轉換器的發光系統的實施例；圖3示意性地示出根據本發明原理的半導體波長轉換器的實施例；圖4A至圖4H示意性地示出波長轉換發光系統的一個實施例的構造中的一些構造步驟；圖5A至圖5D示意性地示出波長轉換發光系統的實施例的構造中的不同構造步驟；圖6A至圖6E示意性地示出根據本發明原理的其中波長轉換器具有非垂直蝕刻側壁的一些構造步驟；和圖7示意性地示出根據本發明原理的包括兩個光致發光元件的分層波長轉換器的實施例。雖然本發明可修改為各種修改形式和替代形式，但其具體的方式已以舉例的方式在附圖中示出並且將會作詳細描述。然而應當理解，目的並不是將本發明局限於所述的具體實施例。相反，目的在於涵蓋落入到所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍內的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具體實施例方式本發明適用於光源，所述光源裝配波長轉換器以將最初由光源以給定波長發射的光中的至少一部分光的波長轉換成至少一種另外的波長，並且在一些實施例中，將其轉換成兩個或更多種另外的波長。文中在說到光具有特定波長時，應當理解該光可具有一定範圍的波長，這時所述特定波長為該波長範圍內的峰值波長。例如，在說到光具有波長λ的場合，應當理解該光可具有一定範圍的波長，其中波長λ為該波長範圍內的峰值波長。另外，如果說到光具有特定顏色，則應當理解即使光可能包含不同顏色的分量，其也被識別為這種特定顏色。例如，如果說到光是藍色，則光被識別為藍色，但是其可具有廣譜並且還可包括位於該光譜藍色區域之外的分量。本文所述的光源可以具有更大或更小的發光區域，其中，各區域的輸出光可以被主動地且獨立地控制。所述光源可以用於(例如)投影系統中，以照射一個或多個像素化圖像形成裝置。光源的各發光區域可以照射圖像形成裝置中不同的部分或區域。這種能力允許有效自適應的照明系統，在該照明系統中，可以主動調節光源發光區域的輸出光強度以提供圖像形成裝置中對應區域所需的最小照明。本發明所公開的光源可形成單色(例如，綠色或墨綠色)或彩色圖像。這類公開的光源將光源和圖像形成裝置的主要功能結合，從而導致裝配本發明所公開的光源的光學系統的尺寸減小、功耗降低、成本降低並且其中使用的元件或組件的數量減少。例如，在顯示系統中，本發明所公開的光源既可用作光源又可用作圖像形成裝置，從而消除或減少對背光源或空間光調製器的需要。又如，在投影系統中裝配本發明所公開的光源會消除或減少對圖像形成裝置和光中繼元件的需要。
本發明中公開了發光元件的陣列，例如顯示系統中像素的陣列，其中至少一些發光元件包括電致發光器件，例如發光二極體(LED)，其能夠響應電信號而發光。一些發光元件包括一個或多個光轉換元件，例如一個或多個勢阱和/或量子阱，用於下轉換電致發光器件所發射的光。下轉換是產生比輸入的未經轉換的光具有更長波長的輸出光或經轉換的光的過程。本專利申請所公開的發光元件陣列可以用在照明系統(例如自適應照明系統) 中，以供例如投影系統或其它光學顯示系統之用。圖1是包括發光元件陣列(例如，發光元件110、111和113)的發光系統100的示意性側視圖，其中各發光元件能夠獨立地輸出光。各發光元件包括能夠響應於電信號而發光的電致發光器件。例如，發光元件110、111和113包括可設置在基底105上的相應的電致發光器件120、121和123。在一些情況下，發光元件被構造成有源矩陣的形式，這意味著至少一些發光元件包括相應的專用開關電路，所述開關電路用於驅動這些元件中的電致發光器件。在這類情況下，發光元件113可包括用於驅動電致發光器件123的專用開關電路130。開關電路130 可包括一個或多個電晶體131。在一些情況下，發光元件可被構造為無源矩陣，這意味著發光元件沒有被構造為有源矩陣。在無源矩陣構造中，發光元件沒有用於驅動該元件中的電致發光器件的專用開關電路。典型地，在無源矩陣構造中，發光系統中的電致發光器件一次一行通電。相比之下，在有源矩陣構造中，雖然通常一次對多行進行尋址，但開關電路通常允許電致發光器件被單獨地供電。在一些情況下，發光系統中的至少一些(有可能全部)電致發光器件被單片集成。如本文所用，單片集成包括(但不一定限於)兩個或更多個在同一基底(公共基底)上製造並且在同一公共基底上最終應用的電子器件。作為一個單元轉移到另一個基底的單片集成的器件保持單片集成。示例性的電子器件包括LED、電晶體、電容器等。在兩個或更多個元件中的每個元件的一部分被單片集成的情況下，這兩個元件被認為是單片集成的。例如，如果例如這兩個發光元件中的電致發光器件是單片集成的，則這兩個發光元件是單片集成的。即使(例如)各元件中的光轉換元件是通過粘附方式粘合到相應的電致發光器件，也是如此。在電致發光器件包括半導體層的情況下，如果電致發光器件是在同一基底上製造和/或如果它們包括公共半導體層，則電致發光器件是單片集成的。例如，在各電致發光器件包括η-型半導體層的情況下，如果η-型半導體層遍布整個電致發光器件，則電致發光器件是單片集成的。在這種情況下，電致發光器件中的η型半導體層可以形成遍布整個電致發光器件上的連續層。發光系統100中的至少一個發光元件包括一個或多個光轉換元件，其用於轉換發光元件中的電致發光器件發射的光。例如，發光元件Iio包括光轉換元件140和141，並且發光元件111包括光轉換元件142。在一些情況下，光轉換元件可以是或者可以包括勢阱或
量子阱。如本文所用，勢阱是指被設計為僅在一個維度上限制載流子的多層半導體結構中的一個或多個半導體層，其中所述一個或多個半導體層具有低於周圍層的導帶能和/或高於周圍層的價帶能。術語「量子阱」通常是指足夠薄從而量子化效應增加用於阱中電子-空穴對複合的能量的勢阱。量子阱通常具有約IOOnm或更小並且優選地約IOnm或更小的厚度。在一些實施例中，發光系統100中並非所有的發光元件都包括光轉換元件。例如， 發光元件113包括電致發光器件123但是不包括光轉換元件。在這類情況下，發光元件和發光元件中的電致發光器件的光輸出具有相同的波長或光譜。在顯示系統的環境下，發光元件可以是發光系統中的像素或子像素。像素化發光系統可以發射(例如)光譜的可見區域中的不同波長的光。例如，發光系統100中的電致發光器件120、121、123可以發射藍光。光轉換元件140可以包括藍-綠光轉換勢阱，從而吸收電致發光器件120發射的藍光並且發射綠光。光轉換元件141可以包括綠-紅光轉換勢阱，從而吸收光轉換元件140發射的綠光並且發射紅光。光轉換元件142可以包括藍-綠光轉換勢阱，用於吸收電致發光器件121發射的藍光並且由此發射綠光。在這類情況下，元件110、111和113分別輸出紅光、綠光和藍光。在另一個實施例中，光轉換元件141和142 包括藍-綠勢阱，而光轉換元件140包括藍-紅光轉換勢阱。在後一種情況下，光轉換元件 140中產生的紅光只是通過光轉換元件141傳輸。發光系統100可以有效地輸出(例如)光譜的可見區域中的任何所需波長的光。 例如，發光系統100可以有效地發射綠光，這是因為發射藍光的電致發光器件和藍-綠光轉換元件可以高度有效。效率提高會造成裝配與系統100近似的發光系統的光學系統的功耗降低。發光系統100可以比傳統光源更小型化。因此，利用發光系統100的光學系統可以更小型化，例如更薄，並且其重量減輕。在一些應用中，如在投影系統或背光系統中，發光系統100可以用作照射一個或多個圖像形成裝置的光源。發光系統可以被設計用於有效發射(例如)原色光或白光。由於發光系統100的效率提高並且小型化，因此允許改進和/或新型的系統設計。例如，可以設計可攜式電池供電的光學系統，使其尺寸減小、功耗降低且重量減輕。在一些應用中，如在投影系統中，發光系統100可以既用作光源又用作圖像形成裝置。在這類應用中，可以在投影系統中不使用諸如液晶顯示面板(LCD)或數字微鏡裝置 (DMD)之類的傳統圖像形成裝置。傳統投影系統包括一個或多個中繼光學元件，用於將來自光源的光傳遞到圖像形成裝置。在裝配發光圖像形成裝置100的投影系統中可以不使用光中繼元件，由此減少了元件數量，減小了尺寸，降低了功耗，減輕了重量並且降低了整體成本。通常，發光系統100中的發光器件陣列可以是應用中所需的任何類型的陣列。在一些情況下，所述陣列可以是行或列，如1 Xη陣列，其中，η是大於或等於2的整數。在一些情況下，所述陣列可以是二維陣列，例如，方形(mXm)陣列或矩形(mXn)陣列，其中，m和 η都是大於或等於2的整數。在一些情況下，所述陣列可以是梯形陣列、六邊形陣列或其中元件的相對位置規則或不規則的任何其他類型的陣列。在一些情況下，所述陣列中的發光元件(或在顯示系統的環境下，陣列中的像素) 可具有相同尺寸，或具有不同尺寸以例如導致不同顏色的產生效率的差異。發光元件陣列中的發光元件可具有任何形狀，例如方形、橢圓形、矩形或更加複雜
13的形狀，以適應(例如)裝配該陣列的裝置的光學和電學功能。陣列中的發光元件可設置成應用中可能需要的任何布置方式。例如，可將元件均勻地間隔成(有可能)矩形或六邊形布置方式。在一些情況下，可非均勻地設置元件，以例如通過(例如)降低或校正光學象差(例如枕形或桶形失真)來改善裝置性能。圖2中示意性地示出根據本發明第一實施例的波長轉換發光系統200的實例。 裝置200包括電致發光器件202。在一些情況下，電致發光器件202可以包括能夠在吸收電能時發光的磷光材料。在一些情況下，電致發光器件202可以包括諸如發光二極體 (LED)或雷射二極體之類的半導體電致發光器件。發光系統200中的電致發光器件可以是能夠響應於電信號而發光的任何器件。例如，電致發光器件可以是能夠響應於電流而發射光子的發光二極體(LED)，如(例如)通過引用方式全文併入本文的、標題為「Adapting Short-ffave 1 ength LED' s for Polychromatic,Broadband,or 『White』 Emission，，白勺美國專利公布No. 2006/0124917中所討論的。在一些情況下，LED可以包括一個或多個ρ型和/或η型半導體層、一個或多個有源層(可以包括一個或多個勢阱和/或量子阱)、緩衝層、基底層和覆蓋層。半導體波長轉換器204附著於電致發光器件202的上表面206。波長轉換器204能夠通過轉換從電致發光器件202接收的波長λ ρ的光來產生至少兩種不同波長λ 1和λ 2 的光。波長轉換器204形成為疊堆，所述疊堆包括(在圖示實施例中)比第二光致發光元件210更靠近電致發光器件202設置的第一光致發光元件208。光致發光元件是一種在被一種(通常較短的)特徵波長的光照射時產生另一種特徵波長的光的結構。光致發光元件可以是半導體材料，但是這並不是必須的。光致發光元件還可以被稱作光轉換元件。當被來自電致發光器件202的波長λρ的光照射時，第一光致發光元件208產生波長λ 1的光。當被來自電致發光器件202的波長λ ρ的光照射時， 第二光致發光元件產生波長λ 2的光。兩個光致發光元件208、210由蝕刻阻擋層212和窗層214隔開。此外，第二窗層216可將第一光致發光元件208和電致發光器件202隔開。LED電致發光器件能夠發射應用中可能需要的任何波長的光。例如，LED可發射UV 波長、可見光波長或頂波長的光。在一些情況下，LED可為能夠發射UV光子的短波長LED。 通常，LED和/或光轉換元件(LCE)可以由諸如有機半導體或無機半導體之類的任何合適的材料構成，包括IV族元素，如Si或Ge ；III-V族化合物，如InAs、AlAs、GaAs、InP, AIP, GaP、InSb, AlSb, GaSb, GaN, A1N、InN 以及諸如 AlGanInP 和 AlGaInN 之類的 III-V 族化合物的合金；II-VI 族化合物，如 ZnSe、CdSe, BeSe, MgSe, ZnTe, CdTe, BeTe, MgTe, ZnS、CdS, BeS、MgS以及II-VI族化合物的合金，或者以上所列出的任何化合物的合金。在一些情況下，LED和/或波長轉換器204可包括以化合物S^e、CcKe和Mgk作為三種合金組分的CdMgZMe合金。在一些情況下，Cd、Mg和Si中的一者或多者(尤其是 Mg)在合金中的濃度可以為0，因此可以在合金中不含有。例如，LCE可包括能夠發射紅光的Cda7tlZna3tlSe量子阱，或能夠發射綠光的Cda33Znaf^e量子阱。又如，LED和/或LCE可包括CcUZnje和可選的Mg的合金，在這種情況下，合金體系可由Cd(Mg)S^e表示。又如， LED和/或LCE可包括Cd、Mg、Se和可選的的合金。在一些情況下，量子阱LCE的厚度範圍為約Inm至約IOOnm或者約2nm至約35nm。在一些情況下，半導體LED或LCE可為η摻雜或ρ摻雜的，其中可通過任何合適的
14方法以及通過添加任何合適的摻雜物來實現摻雜。在一些情況下，LED和LCE來自同一半導體族。在一些情況下，LED和LCE來自兩個不同的半導體族。例如，在一些情況下，LED是 III-V族半導體器件，而LCE是II-VI族半導體器件。在一些情況下，LED包含AlGaInN半導體合金，而LCE包含Cd(Mg)S^e半導體合金。LCE可以通過任何合適的方法(例如，通過粘合劑)設置在對應的電致發光器件上或者附著於對應的電致發光器件。粘合劑的一些實例包括(但不限於)固化性粘合劑和熱熔性粘合劑。還可以使用其它技術，例如焊接、施壓、加熱或這些方法的任何組合。合適的熱熔性粘合劑的例子包括半晶質聚烯烴、熱塑性聚酯和丙烯酸類樹脂。在一些情況中， LCE可以通過晶片粘合技術附著於對應的電致發光器件。例如，可以使用(例如)等離子體輔助的傳統CVD或其它沉積工藝，用二氧化矽或其它無機材料的薄層覆蓋電致發光器件最上面的表面和LCE最下面的表面。接著，可選地，例如，在諸如化學機械拋光或研磨之類的拋光工藝中使用熱、壓力、水或一種或多種化學試劑的組合對被覆蓋表面進行平坦化處理和粘合。粘合的步驟可通過用氫原子轟擊至少一個被覆蓋表面或通過用低能等離子體激活表面來改善。晶片粘合方法在例如美國專利No. 5，915，193和No. 6，563，133以及Q. -Y. Tong 和 U. Gosele所著的『。emiconductor Wafer Bonding」(《半導體晶片粘結》)(John ffiley&Sons, New York, 1999)的第4章和第10章中有所描述。在一些情況下，量子阱或勢阱LCE可以具有靠近阱的一個或多個光吸收層，以有助於吸收從對應電致發光器件發射的光。在一些情況下，吸收層由其中產生光子的載流子可以有效擴散到勢阱的材料構成。在一些情況下，光吸收層可包括諸如無機半導體之類的半導體。在一些情況下，量子或勢阱LCE可以包括緩衝層、基底層和覆蓋層。可以通過任何合適的方法製造電致發光器件或LCE。例如，可以使用分子束外延 (MBE)、化學氣相沉積(CVD)、液相外延(LPE)或氣相外延(VPE)製造半導體電致發光器件和 / 或 LCE。各半導體光致發光元件208、210包括至少一個用於吸收來自電致發光器件202的波長λρ的光的層(從而在半導體中形成載流子對)以及至少一個收集載流子的勢阱層 (例如，量子阱層)，這些載流子複合而發射波長長於λ P的光。光致發光元件208、210在被來自電致發光器件202的光照射時產生不同波長的光。電致發光器件202的第一區域218隻被第二光致發光元件210覆蓋。來自電致發光器件202的第一區域218的波長λ ρ的光220入射到第二光致發光元件210上以產生波長λ 2的光222。光220穿過沒有外延生長半導體材料的區域223到達第二光致發光元件 210。區域223可以是空的或者可以填充或部分填充非外延材料，例如有機或無機非外延材料。非外延材料優選地只吸收少量的光220(如果有的話)。第二光致發光元件210可以吸收基本上所有的從電致發光器件202的第一區域218入射的光220，或者可以只吸收部分的入射光220。電致發光器件202的第二區域224隻被第一光致發光元件208覆蓋。來自電致發光器件202的第二區域224的波長λ ρ的光2 入射到第一光致發光元件208上，從而產生波長λ 1的光228。第一光致發光元件208可吸收基本上所有的從電致發光器件202的第二區域2 入射的光226。在圖示實施例中，電致發光器件202的第三區域230既不被第一光致發光元件208覆蓋也不被第二光致發光元件210覆蓋。因此，波長λ ρ的光232可直接從光產生系統200 射出。應當理解，與來自第一光致發光元件208和第二光致發光元件210的光一樣，來自電致發光器件202的光在多個不同方向上傳播。因此，不同波長的光222、2觀和232從光產生系統200射出並成為空間上混合的光。一個示例性裝置可包括基於GaN的LED作為電致發光器件202，所以波長λρ的光，例如光220、2沈和232是藍光。第一光致發光元件208產生第一轉換波長λ 1的光228， 並且第二光致發光元件210產生第二轉換波長λ 2的光222。在一些實施例中，第一轉換波長λ 1為紅光而第二轉換波長λ 2為綠光。因此，光產生系統200可能能夠發射顯示器中所用的所有三種顏色(紅色、綠色和藍色)的光。在其它實施例中，第一轉換波長可以是綠光而第二轉換波長是紅光。波長轉換器204可以直接粘合到電致發光器件202或者可選地可以使用粘合層 234附著。粘合層234的使用在PCT專利申請No.US2008/07571(K2008年9月9日提交，代理人案卷號為63497W0003，要求2007年10月8日提交的美國專利申請No. 60/978，304的優先權)中有更詳細的討論，並且將波長轉換器204直接粘合到電致發光器件在2007年12 月10日提交的美國專利申請No. 61/012，604中有所描述，以上所有這些專利申請通過引用方式併入本文。電極236和238可以設置在電致發光器件202的任一面上，用於提供驅動電流。光產生系統200還可以在一個或多個表面上設置有提取特徵物，例如，如在PCT專利申請No.US2008/07571(K2008年9月9日提交，代理人案卷號為63497W0003，並且要求臨時專利申請No. 60/978，304的優先權)中所討論的，以上所有這些專利申請通過引用方式併入本文。在其它實施例中，LED的各個區域218、2M、230可以被單獨尋址以便系統200所發射的顏色可控。雖然本發明不限制電致發光器件中可使用的半導體材料的類型，進而不限制電致發光器件內產生的光的波長，但是期望本發明將可用於轉換藍光。例如，產生藍光的 AlGaInN LED可與吸收藍光的波長轉換器一起使用來產生紅光和綠光，使所得的空間混合光呈現白色。可與光產生系統200 —起使用的多層波長轉換器的一個實例採用多層量子阱結構，該多層量子阱結構基於II-VI族半導體材料，例如，諸如CdMgZMe之類的各種金屬合金硒化物。在這種多層波長轉換器中，半導體波長轉換器被這樣設計製造，以使得結構的一些部分中的帶隙被設置成使得這些部分吸收電致發光器件發射的至少一些(如果並非全部或幾乎全部)泵浦光。由於吸收泵浦光而產生的電荷載流子擴散到量子阱層中，該量子阱層被設計製造成具有比吸收區域小的帶隙。量子阱層中的這些載流子複合並產生波長比泵浦波長長的光。此描述並非意圖限制半導體材料的類型或者波長轉換器的多層結構。圖3中示意性地示出示例性半導體分層波長轉換器300的能帶結構。例如，可以使用分子束外延(MBE)或一些其它外延技術使波長轉換器外延生長。轉換器300的這些不同層被示出為外延疊堆，其中每一層的寬度定量地代表該層帶隙的值。可以在InP基底上生長分層半導體波長轉換器300，儘管也可以使用其它類型的半導體基底。以下的表I匯總了示例性的波長轉換器中各層的厚度、材料和帶隙。表I 示例性波長轉換器結構的匯總
權利要求
1.一種多層半導體構造，包括具有一起生長的至少三個半導體層並具有第一面和第二面的分層構造，所述至少三個半導體層包括用於產生第一轉換波長的光的第一半導體光致發光元件和用於產生不同於所述第一轉換波長的第二轉換波長的光的第二半導體光致發光元件，所述第一轉換波長和所述第二轉換波長中的至少一個是可見光，所述分層構造的所述第一面被從所述第一面圖案化，並且所述分層構造的所述第二面被從所述第二面圖案化。
2.根據權利要求1所述的多層半導體構造，其中圖案化的所述第一面被蝕刻，並且圖案化的所述第二面被蝕刻。
3.根據權利要求2所述的多層半導體構造，其中被蝕刻的所述第一面包括具有底切蝕刻邊緣的蝕刻部分，並且被蝕刻的所述第二面包括具有底切蝕刻邊緣的蝕刻部分。
4.根據權利要求1所述的多層半導體構造，其中所述分層構造包括II-VI族半導體材料層。
5.根據權利要求4所述的多層半導體構造，其中所述II-VI族半導體材料層包括至少一層基於硒化鋅的半導體。
6.根據權利要求1所述的多層半導體構造，其中所述第一半導體光致發光元件包括用於吸收光的至少兩個第一半導體吸收層、和設置在所述至少兩個第一半導體吸收層之間的第一半導體量子阱層。
7.根據權利要求6所述的多層半導體構造，其中所述第二半導體光致發光元件包括用於吸收光的至少兩個第二半導體吸收層、和設置在所述至少兩個第一半導體吸收層之間的第二半導體量子阱層。
8.根據權利要求1所述的多層半導體構造，其中所述半導體層中的至少一個包括蝕刻阻擋層，所述蝕刻阻擋層相對於蝕刻相鄰的半導體層而言具有抵抗力。
9.根據權利要求1所述的多層半導體構造，還包括附著於所述分層構造的基底。
10.根據權利要求9所述的多層半導體構造，其中所述基底包括中間基底。
11.根據權利要求9所述的多層半導體構造，其中所述基底包括半導體基底。
12.根據權利要求11所述的多層半導體構造，其中所述半導體基底包括InP基底，並且所述分層構造包括II-VI族半導體材料層。
13.根據權利要求11所述的多層半導體構造，其中所述分層構造通過粘附層粘附於所述基底。
14.根據權利要求11所述的多層半導體構造，其中所述分層構造直接結合到所述基底。
15.根據權利要求11所述的多層半導體構造，其中所述半導體基底包括LED晶片。
16.一種光產生裝置，包括電致發光元件，具有輸出面；和半導體波長轉換器，具有第一面和第二面，所述波長轉換器附著於所述電致發光元件的所述輸出面，所述波長轉換器在所述第一面上具有第一蝕刻圖案並且在所述第二面上具有第二蝕刻圖案。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中所述波長轉換器包括第一光致發光元件和第二光致發光元件，所述第一蝕刻圖案形成在所述第一光致發光元件中，並且所述第二蝕刻圖案形成在所述第二光致發光元件中。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中所述第一光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第一勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的泵浦波長的光，所述第一勢阱能夠發射第一波長的光。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中所述第二光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第二勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的泵浦波長的光，所述第二勢阱能夠發射第二波長的光。
20.根據權利要求16所述的裝置，其中所述半導體波長轉換器包括II-VI族半導體材料的半導體層。
21.根據權利要求20所述的裝置，其中所述波長轉換器包括第一光致發光元件和第二光致發光元件，所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件中的每個包括設置在鎘鎂鋅硒化物(CdMgZnSe)的吸收層之間的多個鎘鋅硒化物(CdZnSe)量子阱。
22.根據權利要求16所述的裝置，還包括設置在所述波長轉換器和所述電致發光器件之間的粘合劑層，所述粘合劑層將所述波長轉換器附著於所述電致發光器件。
23.根據權利要求16所述的裝置，其中所述波長轉換器直接結合到所述電致發光器件。
24.根據權利要求16所述的裝置，其中所述波長轉換器包括與第二光致發光元件一起外延生長的第一光致發光元件、以及在所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間外延生長的蝕刻阻擋層和窗層。
25.根據權利要求16所述的裝置，其中所述波長轉換器包括第一光致發光元件和第二光致發光元件，所述第一光致發光元件包括指向第一方向的第一半導體結構，並且所述第二光致發光元件包括指向第二方向的第二半導體結構，所述第二方向與所述第一方向相反。
26.根據權利要求16所述的裝置，其中所述波長轉換器包括第一光致發光元件和第二光致發光元件，所述第一光致發光元件基本上覆蓋所述電致發光器件的第一區域並且基本上沒有覆蓋所述電致發光器件的第二區域，所述第二光致發光元件基本上覆蓋所述電致發光器件的所述第二區域並且基本上沒有覆蓋所述電致發光器件的所述第一區域。
27.根據權利要求16所述的裝置，其中所述電致發光元件包括電致發光元件陣列。
28.根據權利要求27所述的裝置，其中所述半導體波長轉換器包括隨所述電致發光元件陣列布置的波長轉換器陣列。
29.一種半導體構造，包括形成第一光致發光元件和第二光致發光元件的一體化半導體層疊堆，所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件在被共同的泵浦波長的光照射時能夠分別發射第一波長和第二波長的光，所述第一光致發光元件被圖案化，使圖案化的所述第一光致發光元件的至少一部分具有第一半導體結構，所述第一半導體結構的頂部的寬度與所述第一半導體結構的底部的寬度不同，並且所述第二光致發光元件被圖案化，使圖案化的所述第二光致發光元件的至少一部分具有第二半導體結構，所述第二半導體結構的頂部的寬度與所述第二半導體結構的底部的寬度不同，所述第一半導體結構和所述第二半導體結構符合以下條件中的一者i)所述第一半導體結構的頂部和所述第二半導體結構的頂部比相應的所述第一半導體結構的底部和所述第二半導體結構的底部窄，和ii)所述第一半導體結構的頂部和所述第二半導體結構的頂部分別比所述第一半導體結構的底部和所述第二半導體結構的底部寬。
30.根據權利要求四所述的半導體構造，其中所述一體化疊堆包括II-VI族半導體材料層。
31.根據權利要求30所述的半導體構造，其中所述II-VI族半導體材料層包括至少一層基於硒化鋅的半導體。
32.根據權利要求四所述的半導體構造，其中所述第一半導體光致發光元件包括用於吸收光的至少兩個第一半導體吸收層、和設置在所述至少兩個第一半導體吸收層之間的第一半導體量子阱層。
33.根據權利要求32所述的半導體構造，其中所述第二半導體光致發光元件包括用於吸收光的至少兩個第二半導體吸收層、和設置在所述至少兩個第一半導體吸收層之間的第二半導體量子阱層。
34.根據權利要求四所述的半導體構造，其中所述半導體層疊堆還包括蝕刻阻擋層， 所述蝕刻阻擋層相對於蝕刻相鄰的半導體層而言具有抵抗力，所述蝕刻阻擋層設置在所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間。
35.根據權利要求四所述的半導體構造，還包括附著於所述半導體層疊堆的半導體基底。
36.根據權利要求35所述的半導體構造，其中所述半導體基底包括InP基底，並且所述半導體層疊堆包括II-VI族半導體材料層。
37.根據權利要求35所述的半導體構造，其中所述半導體層疊堆通過粘附層粘附於所述基底。
38.根據權利要求35所述的半導體構造，其中所述半導體層疊堆直接結合到所述基底。
39.根據權利要求四所述的半導體構造，還包括設置在圖案化的所述第一光致發光元件上的第一鈍化層。
40.根據權利要求39所述的半導體構造，其中所述第一鈍化層被平坦化。
41.根據權利要求40所述的半導體構造，還包括設置在圖案化的所述第二光致發光元件上的第二鈍化層。
42.根據權利要求41所述的半導體構造，其中所述第二鈍化層被平坦化。
43.一種發光裝置，包括電致發光器件，能夠發射泵浦波長的光；波長轉換器，附著於所述電致發光器件，所述波長轉換器至少包括在單個半導體層疊堆上圖案化的第一光致發光元件和第二光致發光元件，所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件在被所述泵浦波長的光照射時能夠分別發射第一波長和第二波長的光，所述第一光致發光元件基本上覆蓋所述電致發光器件的第一區域並且基本上沒有覆蓋所述電致發光器件的第二區域，所述第二光致發光元件基本上覆蓋所述電致發光器件的所述第二區域並且基本上沒有覆蓋所述電致發光器件的所述第一區域。
44.根據權利要求43所述的裝置，其中所述第一光致發光元件包括至少第一勢阱，並且所述第二光致發光元件包括至少第二勢阱。
45.根據權利要求44所述的裝置，其中所述第一光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第一勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的所述泵浦波長的光，所述第一勢阱能夠發射所述第一波長的光。
46.根據權利要求45所述的裝置，其中所述第二光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第二勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的所述泵浦波長的光，所述第二勢阱能夠發射所述第二波長的光。
47.根據權利要求43所述的裝置，其中所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件包含II-VI族半導體材料。
48.根據權利要求47所述的裝置，其中所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件均包括設置在鎘鎂鋅硒化物(CdMgZnSe)的吸收層之間的多個鎘鋅硒化物(CdZnSe)量子阱。
49.根據權利要求43所述的裝置，還包括設置在所述波長轉換器和所述電致發光器件之間的粘合劑層，所述粘合劑層將所述波長轉換器附著於所述電致發光器件。
50.根據權利要求43所述的裝置，其中所述波長轉換器直接結合到所述電致發光器件。
51.根據權利要求43所述的裝置，其中所述第一光致發光元件與所述第二光致發光元件一起外延生長。
52.根據權利要求51所述的裝置，還包括在所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間外延生長的蝕刻阻擋層和窗層。
53.根據權利要求43所述的裝置，其中所述第一光致發光元件包括指向第一方向的第一半導體結構，並且所述第二光致發光元件包括指向第二方向的第二半導體結構，所述第二方向與所述第一方向相反。
54.根據權利要求43所述的裝置，其中所述波長轉換器具有第一面和第二面，所述第一光致發光元件在所述第一面上具有第一圖案，所述第一圖案被從所述第一面蝕刻到所述波長轉換器中，並且所述第二光致發光元件在所述第二面上具有第二圖案，所述第二圖案被從所述第二面蝕刻到所述波長轉換器中。
55.根據權利要求43所述的裝置，其中所述電致發光器件包括電致發光器件陣列。
56.根據權利要求55所述的裝置，其中所述半導體波長轉換器包括隨所述電致發光器件陣列布置的波長轉換器陣列。
57.一種半導體波長轉換器，包括具有第一面和第二面的一體化半導體層疊堆，在所述半導體層疊堆的所述第一面的第一光致發光元件中形成有第一圖案，並且在所述半導體層疊堆的所述第二面的第二光致發光元件中形成有第二圖案；和設置在所述第一面的蝕刻圖案上的第一鈍化層。
58.根據權利要求57所述的波長轉換器，其中所述第一鈍化層被平坦化。
59.根據權利要求57所述的波長轉換器，還包括設置在所述第二面的蝕刻圖案上的第二鈍化層。
60.根據權利要求59所述的波長轉換器，其中所述第二鈍化層被平坦化。
61.根據權利要求57所述的波長轉換器，其中所述一體化半導體層疊堆包括第一光致發光元件和第二光致發光元件，並且還包括所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間的蝕刻阻擋層。
62.根據權利要求61所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件包括至少第一勢阱，並且所述第二光致發光元件包括至少第二勢阱。
63.根據權利要求61所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第一勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的泵浦波長的光，所述第一勢阱能夠發射第一波長的光。
64.根據權利要求63所述的波長轉換器，其中所述第二光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第二勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的泵浦波長的光，所述第二勢阱能夠發射第二波長的光。
65.根據權利要求61所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件包含II-VI族半導體材料。
66.根據權利要求65所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件均包括設置在鎘鎂鋅硒化物(CdMgZnSe)的吸收層之間的多個鎘鋅硒化物 (CdZnSe)量子阱。
67.根據權利要求61所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件與所述第二光致發光元件一起外延生長。
68.根據權利要求61所述的波長轉換器，還包括所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間的至少一個窗層。
69.根據權利要求61所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件至少包括指向第一方向的第一半導體結構，並且所述第二光致發光元件至少包括指向第二方向的第二半導體結構，所述第二方向與所述第一方向相反。
70.一種半導體波長轉換器，包括外延生長的半導體層疊堆，包括第一光致發光元件和第二光致發光元件以及設置在所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間的窗層，所述疊堆至少具有與所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件橫向隔開的第一區域，所述第一區域包括所述窗層和設置在所述窗層的第一面和第二面上的非外延材料。
71.根據權利要求70所述的波長轉換器，其中設置在所述第一面上的所述非外延材料包括第一鈍化層，並且設置在所述第二面上的所述非外延材料包括第二鈍化層。
72.根據權利要求70所述的波長轉換器，其中所述半導體層疊堆還包括在所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間的蝕刻阻擋層。
73.根據權利要求70所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件包括至少第一勢阱，並且所述第二光致發光元件包括至少第二勢阱。
74.根據權利要求70所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第一勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的泵浦波長的光，所述第一勢阱能夠發射第一波長的光。
75.根據權利要求74所述的波長轉換器，其中所述第二光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第二勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的泵浦波長的光，所述第二勢阱能夠發射第二波長的光。
76.根據權利要求70所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件包含II-VI族半導體材料。
77.根據權利要求76所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件均包括設置在鎘鎂鋅硒化物(CdMgZnSe)的吸收層之間的多個鎘鋅硒化物 (CdZnSe)量子阱。
78.根據權利要求70所述的波長轉換器，其中所述第一光致發光元件至少包括指向第一方向的第一半導體結構，並且所述第二光致發光元件至少包括指向第二方向的第二半導體結構，所述第二方向與所述第一方向相反。
79.一種發光裝置，包括電致發光器件，能夠發射泵浦波長的光；和波長轉換器，附著於所述電致發光器件，所述波長轉換器至少包括在半導體層疊堆上圖案化的第一光致發光元件，所述第一光致發光元件在被所述泵浦波長的光照射時能夠產生第一轉換波長的光，在所述疊堆中在所述第一光致發光元件的一側設置有窗層，所述第一光致發光元件覆蓋所述電致發光器件的第一區域，並且所述窗層覆蓋與所述第一區域橫向隔開的所述電致發光器件的第二區域，所述第一光致發光元件基本上沒有覆蓋所述第二區域。
80.根據權利要求79所述的裝置，其中所述波長轉換器還包括第二光致發光元件，所述窗層設置在所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間，所述第二光致發光元件在被所述泵浦波長的光照射時能夠產生第二轉換波長的光，所述第二轉換波長不同於所述第一轉換波長，所述第二光致發光元件覆蓋與所述第一區域和所述第二區域橫向隔開的所述電致發光器件的第三區域，所述第二光致發光元件基本上沒有覆蓋所述第二區域。
81.根據權利要求79所述的裝置，其中所述第二光致發光元件還覆蓋所述第一區域。
82.根據權利要求79所述的裝置，還包括在覆蓋所述第二區域的所述窗層的至少一側上設置的非外延材料。
83.根據權利要求82所述的裝置，其中所述非外延材料包括第一鈍化層。
84.根據權利要求80所述的裝置，其中所述半導體層疊堆還包括在所述第一光致發光元件和所述第二光致發光元件之間的蝕刻阻擋層。
85.根據權利要求79所述的裝置，其中所述第一光致發光元件包括至少第一勢阱。
86.根據權利要求85所述的裝置，其中所述第一光致發光元件包括設置在吸收半導體層之間的多個第一勢阱，所述吸收半導體層吸收從所述電致發光器件入射的所述泵浦波長的光，所述第一勢阱能夠發射所述第一轉換波長的光。
87.根據權利要求79所述的裝置，其中所述第一光致發光元件包含II-VI族半導體材料。
88.根據權利要求87所述的裝置，其中所述第一光致發光元件包括設置在鎘鎂鋅硒化物(CdMgZnSe)的吸收層之間的多個鎘鋅硒化物(CdZnSe)量子阱。
89.根據權利要求80所述的裝置，其中所述第一光致發光元件至少包括指向第一方向的第一半導體結構，並且所述第二光致發光元件至少包括指向第二方向的第二半導體結構，所述第二方向與所述第一方向相反。
90.根據權利要求79所述的裝置，其中所述電致發光器件包括電致發光器件陣列。
91.根據權利要求90所述的裝置，其中所述半導體波長轉換器包括隨所述電致發光器件陣列布置的波長轉換器陣列。
全文摘要
本發明提供了一種發光裝置(200)，其包括附著於發光二極體(LED202)的波長轉換器(204)。所述波長轉換器可在第一面和第二面上具有蝕刻圖案。在一些實施例中，所述轉換器的第一面和第二面均包括其頂部寬度不同於其底部寬度的相應結構。所述波長轉換器可包括基本上覆蓋LED的第一區域(218)而沒有覆蓋LED的第二區域(224)的第一光致發光元件(208)，而第二光致發光元件(210)基本上覆蓋第二區域而沒有覆蓋第一區域。在一些實施例中，在所述第一面的蝕刻圖案上方設置鈍化層。可以在第一光致發光元件和第二光致發光元件之間設置窗層，使非外延材料設置在窗層的一個區域的第一面和第二面上。
文檔編號H01L33/50GK102318089SQ200980156984
公開日2012年1月11日 申請日期2009年12月10日 優先權日2008年12月24日
發明者凱薩琳·A·萊瑟達勒, 安德魯·J·烏德科克, 託米·W·凱利 申請人:3M創新有限公司