CN116420241A - 红绿蓝单块整合式高纯度微型发光二极管显示装置 - Google Patents

红绿蓝单块整合式高纯度微型发光二极管显示装置 Download PDF

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Abstract

一种色彩转换谐振腔***(600)，包括：透射具有第一波长的光(742)并反射具有第二波长的光(744)的第一部分反射区域(120)；至少部分地透射具有第一波长和第二波长的光并反射具有第三波长的光(746)的第二部分反射区域(116)至少部分地反射具有第三波长的光的第三部分反射区域(112)；第一色彩转换谐振腔(118)，该第一色彩转换谐振腔接收穿过第一部分反射区域的具有第一主峰波长的输入光并将至少一些具有第一波长的光转换为具有第二波长的光，其中，第一色彩转换谐振腔使得第二波长在第一色彩转换谐振腔中谐振并且通过第二部分反射区域输出具有第二波长的谐振光；以及第二色彩转换谐振腔(114)，该第二色彩转换谐振腔接收穿过第二部分反射区域的包括第二波长的输入光并且将至少一些第二波长转换为具有第三波长的光，其中，第二色彩转换谐振腔使得第三波长在第二色彩转换谐振腔中谐振并且通过第三部分反射区域输出具有第三波长的谐振光，其中，第一色彩转换谐振腔和第二色彩转换谐振腔被布置为部分重叠以提供非重叠部分和重叠部分，从而分别限定第一发光表面和第二发光表面，其中，第一发光表面提供具有第二波长的谐振光，并且第二发光表面提供具有第三波长的谐振光。

Description

红绿蓝单块整合式高纯度微型发光二极管显示装置
技术领域
本发明涉及发光二极管结构和形成发光二极管结构的方法。特别地，但非排他地，本发明涉及一种垂直整合的色彩转换谐振腔***。
背景技术
已知使用泵浦源发光二极管(light emitting diode,LED)产生所需主峰波长的波长以提供输入光和色彩转换材料，以将这种输入光转换为所需波长的光。例如，这种色彩转换材料可以是磷光体材料或量子点(QD)。特别重要的是产生对应于红光、绿光和蓝光的波长的光。这种彩色发光在显示应用中具有重要意义。
已知从单块生长的发光二极管装置的单个晶圆提供红光、绿光和蓝光，这些发光二极管装置产生特定波长的光(通常为蓝光)，使用QD材料对光进行下转换。类似地，包括量子阱(QW)的红色、绿色和蓝色发光结构可以彼此上下堆叠以产生堆叠装置。在这样的装置中，在低电流水平，通过增加电流水平，点亮最顶部的QW，而中间和底部的QW则依次点亮。
然而，QD材料用于微型发光二极管显示应用尚未成熟，因为这种材料通常在超过0.2W/cm2输入功率时容易降解。进一步，在QD用作色彩转换材料的情况下，QD材料层的厚度通常至少为20μm，以便完全吸收输入光。因此，提供足够光波长转换所需的QD材料的厚度大于适合提供高分辨率微型发光二极管阵列所需的像素尺寸和间距的材料厚度。此外，典型的色彩转换材料，比如QD和磷光体材料，会导致大半高全宽(FWHM)的光谱，因而造成色域减小。
因此，需要具有适用于微型发光二极管的具有增加的色域的明显且不同的波长的(比如红光、绿光和蓝光)光源。
发明内容
为了减少至少一些上述问题，根据附加的权利要求提供了一种色彩转换谐振腔***、以及一种形成色彩转换谐振腔***的方法。
本发明提供了一种色彩转换谐振腔***，包括：第一部分反射区域，被配置为透射具有第一主峰波长的光并反射具有第二主峰波长的光；第二部分反射区域，被配置为至少部分地透射具有第一主峰波长和第二主峰波长的光并反射具有第三主峰波长的光；第三部分反射区域，被配置为至少部分地反射具有第三主峰波长的光；第一色彩转换谐振腔，被布置为接收穿过第一部分反射区域的具有第一主峰波长的输入光以及转换至少一些具有第一主峰波长的光，以提供具有第二主峰波长的光，其中，第一色彩转换谐振腔被布置为使得第二主峰波长在第一色彩转换谐振腔中谐振并且通过第二部分反射区域输出具有第二主峰波长的谐振光；以及第二色彩转换谐振腔，被布置为接收穿过第二部分反射区域的包括具有第二主峰波长的输入光并且转换至少一些的第二主峰波长，以提供具有第三主峰波长的光，其中，第二色彩转换谐振腔被布置为使得第三主峰波长在第二色彩转换谐振腔中谐振并且通过第三部分反射区域输出具有第三主峰波长的谐振光，其中，第一色彩转换谐振腔和第二色彩转换谐振腔被布置为部分重叠以提供非重叠部分和重叠部分，从而分别限定第一发光表面和第二发光表面，其中，第一发光表面被布置为提供具有第二主峰波长的谐振光，并且第二发光表面被布置为提供具有第三主峰波长的谐振光。
优选地，第三部分反射区域进一步被配置为反射具有第四主峰波长的光，色彩转换谐振腔***进一步包括：第四部分反射区域，被配置为至少部分地反射具有第四主峰波长的光；以及第三色彩转换谐振腔***，被布置为接收穿过第三部分反射区的包括第三主峰波长的输入光并且转换至少一些第三主峰波长以提供具有第四主峰波长的光，其中，第三色彩转换谐振腔被布置成使得第四主峰波长在第三色彩转换谐振腔中谐振并且通过第四部分反射区域输出具有第四主峰波长的谐振光，第二色彩转换谐振腔和第三色彩转换谐振腔被布置成部分重叠以提供非重叠部分和重叠部分，从而分别限定第二发光表面和第三发光表面，其中，第二发光表面被布置为提供具有第三主峰波长的谐振光，并且第三发光表面被布置为提供具有第四主峰波长的谐振光。
这样的配置形成了外延层的单块***。与已知的单块LED装置相比，本发明的色彩转换谐振器***能够在垂直整合***中提供具有不同波长的不同光。单块生长这种色彩转换谐振腔***避免需要使用传统耗时的“取放”方法，其中LED在晶圆上单独生长并单独移动到显示电子设备上。此外，由于选择性蚀刻，在第一色彩转换谐振腔和第二色彩转换谐振腔与第二色彩转换谐振腔和第三色彩转换谐振腔之间产生的部分重叠允许***发射具有相对较窄的半高全宽(FWHM)光谱的不同颜色的光。此外，这样的***改进了发射的光的方向性，减少了对准直器或透镜整合的需要，而这种整合可能需要复杂的过程才能实现。有利地，提供了改进的光输出，从而实现窄光束角和窄光谱，例如用于在近眼显示器中使用。有益地，色彩转换谐振腔***实现高色域显示器和形成高分辨率微型发光二极管阵列。有利地，光学色彩转换谐振腔***能够在没有准直器的情况下实现晶圆级加工和窄光束角发射，并且能够以较低的效率损失压缩光发射光谱。
色彩转换谐振腔***可以被配置为从不同的发光表面发射红光、绿光和蓝光。这种***在用于显示屏幕的微型发光二极管应用中特别有用。
优选地，第一部分反射区域和第二部分反射区域分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted为第二主峰波长以及n(λconverted)是将第一部分反射区域和第二部分反射区域分开的材料的有效折射率，从而限定第一色彩转换谐振腔的长度，和/或其中，第二部分反射区域和第三部分反射区域分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted为第三主峰波长，并且n(λconverted)为将第二部分反射区域和第三部分反射区域分开的材料的有效折射率，从而限定第二色彩转换谐振腔的长度，和/或其中，第三部分反射区域和第四部分反射区域分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N是正整数，λconverted是第四主峰波长，n(λconverted)是将第三部分反射区域和第四部分反射区域分开的材料的有效折射率，从而限定第三色彩转换谐振腔的长度。
这样的配置实现在第一色彩转换谐振腔中的第二主峰波长的建设性干涉、在第二色彩转换谐振腔中的第三主峰波长的建设性干涉和在第三色彩转换谐振腔中的第四主峰波长的建设性干涉。有利地，色彩转换谐振腔的细致调整能够增强输出发射。
优选地，色彩转换谐振腔***包括至少一个LED。更优选地，色彩转换谐振腔***包括被布置为控制第一发光表面的光发射的第一LED以及被布置为控制第二发光表面的光发射的第二LED。
更优选地，色彩转换谐振腔***包括被布置为控制第一发光表面的光发射的第一LED、被布置为控制第二发光表面的光发射的第二LED、以及被布置为控制第三发光表面的光发射的第三LED。有益地，这样的***允许单独控制每个像素。
例如，至少有三个单独LED并被配置为发射红光、绿光、蓝光的***可以允许仅蓝色像素发光、或仅绿色像素发光或仅红色像素发光。附加地，像素的组合可以发光，使得蓝光和绿光组合发射，蓝光和红光组合发射，红光和绿光组合发射，或者红光、绿光和蓝光组合发射。
优选地，输入光为紫外(UV)光和蓝光中的至少一种，优选地其中，输入光的波长在340nm与460nm之间。有利地，具有比光学显示器所需的其他可见光颜色的波长更短的波长的高质量、已建立的输入LED源用于提供输入泵浦源以在色彩转换谐振腔中进行色彩转换。
优选地，色彩转换谐振腔中的至少一个包括至少一个量子阱层，优选地其中，该至少一个量子阱层被放置为与色彩转换谐振腔的驻波波长的波腹重合以用于转换光，从而增强具有谐振转换的光波长的输出光的强度、光谱宽度和方向性中的至少一个。
替代地或附加地，提供了该色彩转换谐振腔***，其中，色彩转换谐振腔中的至少一个包括：量子阱层，该量子阱层包括至少一个量子阱；以及另外的量子阱层，该另外的量子阱层包括至少一个量子阱，其中，该量子阱层和该另外的量子阱层的间隔为N乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted为色彩转换谐振腔中谐振光的波长，n(λconverted)是在色彩转换谐振腔中的谐振光的波长处该量子阱层与该另外的量子阱层之间的材料的有效折射率。
有益地，这样的配置将每个量子阱层置于色彩转换谐振腔中的光的谐振驻波波长的波腹处，从而实现建设性干涉和增强输出光。
优选地，色彩转换谐振腔中的至少一个包括至少一个吸收层，吸收层被配置为吸收输入光从而能够将能量从该输入光波长转移到该至少一个量子阱层中，优选地，其中，吸收层包括具有比输入光的能量低的能带隙的材料。有利地，吸收层有助于使载流子能够在量子阱层中复合，因此能够改善量子阱层发射的转换光的谐振。
优选地，色彩转换谐振腔***进一步包括至少一个被布置为减少载流子从色彩转换谐振腔中的至少一个扩散的扩散阻挡层。有利地，使用扩散阻挡层减少了载流子的扩散并因此增强了色彩转换谐振腔中的发射复合。
优选地，色彩转换谐振腔***包括至少一个另外的部分反射区域，该至少一个另外的部分反射区域对应于第一和或第三发光表面中的至少一个。有利地，调整部分反射区域以便优化由色彩转换谐振腔***和LED装置的组合形成的发光像素发射的波长。有益地，具有预定义波长的光在色彩转换谐振腔中被回收，以便提高具有主峰波长的输入光到具有不同主峰波长的输出光的转换效率。
优选地，这些部分反射区域和/或这些另外的部分反射区域中的至少一个包括分布式布拉格反射镜(DBR)，优选地其中，DBR是以下中的至少一个：双带DBR、常规DBR、以及两个DBR的垂直堆。
优选地，这些部分反射区域中的至少一个包括以蓝色波长为中心的低赫平折射率分布式布拉格反射镜(DBR)或以绿色波长为中心的低赫平折射率DBR或以红色波长为中心的低赫平折射率DBR。
优选地，色彩转换谐振腔***包括以蓝色波长为中心的低赫平折射率DBR和以绿色波长为中心的低赫平折射率DBR和以红色波长为中心的低赫平折射率DBR。有益地，这样的配置创造了一个针对蓝色波长光优化的像素、一个针对绿色波长光优化的像素和一个针对红色波长光优化的像素。
优选地，这些部分反射区域和这些色彩转换谐振腔中的至少一个包括外延结晶层，优选地其中，色彩转换谐振腔***包括介电材料和III-V半导体材料中的至少一种。有利地，部分反射区域是使用能够使色彩转换谐振腔中的功能层无缝整合的技术形成的。
优选地，色彩转换谐振腔***形成像素阵列，其中，该阵列包括：第一像素，被配置为发射与第二像素不同波长的光；以及第三像素，被配置为发射与第一像素与第二像素不同波长的光。优选地，第一像素和/或第二像素和/或第三像素包括与其发光表面相对应的另外的部分反射区域。有利地，基于发光装置(比如LED装置)和色彩转换谐振腔的组合的发光像素意味着可以规模形成高纯度彩色发光像素，这意味着其可以在高分辨率微型阵列中实现。
色彩转换谐振腔***优选地通过在衬底上形成色彩转换谐振腔中的至少一个来生产，优选地其中，在衬底上形成色彩转换谐振腔中的至少一个包括外延生长多个层。该方法进一步包括在衬底上形成部分反射区域中的至少一个，优选地，其中在衬底上形成部分反射区域中的至少一个包括在衬底上依序形成色彩转换谐振腔和部分反射区域中的至少一个。该方法优选地包括将色彩转换谐振腔***结合到至少一个LED并且选择性地蚀刻色彩转换谐振腔***，从而提供发光表面。有利地，在衬底上形成色彩转换谐振腔能够大规模形成用于与发光装置整合的色彩转换谐振腔。有益地，已知的生长和加工技术应用于形成具有高质量、低缺陷密度的材料结构，材料提供高效的光输入和光转换，以用于发光像素中。
本发明的另外的方面将从说明书和所附权利要求清楚。
附图说明
参考附图通过示例方式对本发明实施例的进行详细的描述，其中：
图1示出了三色色彩转换谐振腔***的剖视图；
图2示出了图1的三色色彩转换谐振腔***结合到LED的剖面图；
图3示出了图2的三色色彩转换谐振腔***进一步加工后的剖面图；
图4示出了图3的三色色彩转换谐振腔***进一步加工后的剖面图；
图5示出了图4的三色色彩转换谐振腔***进一步加工后的剖面图；
图6示出了三色色彩转换谐振腔***的光输入及发光的剖面图；
图7示出了具有独立可寻址光输入的三色色彩转换谐振腔***的剖面图；
图8示出了三色色彩转换谐振腔***的剖视图；
图9示出了图8的三色色彩转换谐振腔***进一步加工后的剖面图；
图10示出了图9的三色色彩转换谐振腔***进一步加工后的剖面图；以及
图11示出了图10的三色色彩转换谐振腔***进一步加工后的剖面图。
具体实施方式
为了解决至少如上所述的现有技术的装置相关的缺点，下面参照图1至图11描述一种结构和形成该结构的方法。描述了一种色彩转换谐振腔***，该***提供了一种以高效方式下转换和重复使用输入光的巧妙方式，以提供多色波长光输出***。有利地，这种***提供具有更窄光束角的高纯度、窄FWHM输出光，从而改进光输出的控制并提供具有更好色域和受控方向性的***。有益地，形成和加工外延生长的结晶层可以用于提供用于改善光输出的高质量且因此高效率的***。可以使用这种外延生长的结晶层在单个生长过程中形成色彩转换谐振腔***，或者一个或多个外延生长的结晶层组成的群组可以单独优化并结合在一起以形成色彩转换谐振腔，从而并行生长和加工单独优化的层。
进一步，有利地，由外延生长***形成的色彩转换谐振腔的形成和加工使得能够限定与不同颜色发光相关的发光表面，因此发光表面与像素相关联，像素能够以适合于在微型发光二极管像素阵列中实施的大小形成(包括具有小于或等于100μm2、优选小于或等于16μm2的像素发光表面、并且像素间距小于或等于10μm、优选小于或等于5μm的高分辨率微型发光二极管阵列)。
在图1中示出了色彩转换谐振腔***100的剖面图，其是具有三个色彩转换谐振腔的外延结构。形成该外延结构并随后加工该外延结构，以提供与光输入装置相结合的色彩转换谐振腔***，如参考图2至11所述。
色彩转换谐振腔***100是外延结晶化合物半导体层的堆叠体。通过在生长衬底102上依序生长外延层来提供外延结晶化合物半导体层。生长衬底102，例如硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓或其他合适的生长衬底，可以在外延化合物半导体结晶层形成后去除。有益的是，可以高精度控制以这种方式形成的这种外延化合物半导体结晶层的生长，以提供缺陷密度低的高质量材料、以及层的受控厚度和在受控波长的光下高效地发射载子复合。
外延结构的三个色彩转换谐振腔分别设计用于接收来自一个或多个输入光源的输入光，并将来自输入光源的具有的输入光进行转换以提供具有不同、转换的主峰值光波长主峰波长的输出光。外延结构被设计成使得具有转换的主峰波长的光在外延结构的各个色彩转换谐振腔中谐振，并且在被加工并与输入光源组合时，从色彩转换谐振器***100输出具有多个不同波长的谐振转换光。适当加工外延结构能够提供多色发射器，其中多个色彩转换谐振腔与不同发光表面相关联，这些发光表面用于发射不同波长的光，至少如本文所述。
图1示出了生长在生长衬底102上的缓冲层104。衬底102是硅衬底，并且缓冲层104是氮化铝镓(AlGaN)外延层。在另外的示例中，替代地或附加地，缓冲层104由氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)中的至少一种形成。在缓冲层104上生长有蚀刻停止层106。蚀刻停止层106是具有相对高铝含量的AlGaN层。蚀刻停止层106有助于精确控制加工步骤，这些加工步骤用于从外延结构100去除材料以提供加工后的***。
在蚀刻停止层106之上生长有部分反射区域108。在部分反射区域108上生长有色彩转换谐振腔110和另外的部分反射区域112。色彩转换谐振腔110被配置为接收具有主峰波长的输入光并将该输入光转换为具有不同主峰波长的转换光。
在部分反射区域112之上生长有另外的色彩转换谐振腔114和另外的部分反射区域116。色彩转换谐振腔114被配置为接收具有另一主峰波长的输入光并且将该输入光转换为具有不同主峰波长的转换光。在另外的示例中，蚀刻停止层形成在部分反射区域112和另外的色彩转换谐振腔114之间。蚀刻停止层(未示出)有助于在后续步骤中进行严格控制以从结构中去除材料。在另外的示例中，在结构内形成替代的或附加的蚀刻停止层以有助于通过蚀刻工艺控制层的去除。
在部分反射区域116之上生长有另外的色彩转换谐振腔118和另外的部分反射区域120。色彩转换谐振腔118被配置为接收具有另一主峰波长的输入光并且将该输入光转换为具有不同主峰波长的转换光。在另外的示例中，蚀刻停止层形成在部分反射区域116和另外的色彩转换谐振腔118之间。蚀刻停止层(未示出)有助于在后续步骤中进行严格控制以从结构中去除材料。在另外的示例中，在结构内形成替代的或附加的蚀刻停止层以有助于通过蚀刻工艺控制层的去除。
色彩转换谐振腔***100形成外延层的单块***。这种外延层是平面层。图1的色彩转换谐振腔***100是使用外延化合物半导体生长技术形成的，比如金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。附加地或替代地，色彩转换谐振腔***100使用任何合适的技术形成。
外延层的顺序是依序生长的，使得当翻转该***并将其结合到LED时，色彩转换谐振腔相对于LED的接近顺序使得波长较短的光(比如来自LED的UV光)在色彩转换谐振腔118中被吸收，然后波长更长的光(比如蓝光)从色彩转换谐振腔118输出。从色彩转换谐振腔118和LED输出的光在色彩转换谐振腔114中被吸收。然后色彩转换谐振腔114输出比LED和色彩转换腔118波长更长的光，比如绿光。从色彩转换谐振腔118、色彩转换谐振腔114和LED输出的光在色彩转换谐振腔110中被吸收，然后输出波长更长的光，比如红光。这意味着输入光可以被色彩转换谐振腔吸收和发射，使得相继的色彩转换谐振腔发射的光被重新使用然后从最终结构出射。
有利地，按此顺序生长色彩转换谐振腔***100的外延结构意味着色彩转换谐振腔118、114、110可以使用生长衬底102来处理，在该生长衬底上形成色彩转换谐振腔***100的层，以便有助于与LED结构的结合，而不需要另外的加工步骤来让色彩转换谐振腔***100能够与形成在不同底层衬底上的一个或多个发光装置对准和结合。
结合图1所述的色彩转换谐振腔***100由基于氮化物的材料形成。特别地，外延结晶化合物半导体层是基于氮化镓(GaN)的材料。虽然图1所描述的结构是基于氮化物的半导体化合物材料，但技术人员理解本文所描述的构思适用于其他材料，特别是其他半导体材料，例如其他III-V族化合物半导体材料，或II-VI族化合物半导体材料。
设置三个色彩转换谐振腔能够形成发射具有多个不同的主峰波长的光的结构。技术人员理解，在另外的示例中使用替代的或附加的结构以提供发射具有不同主峰波长的光的不同结构。
部分反射区域108与另外的部分反射区域112分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted是从色彩转换谐振腔110发射的转换后的主峰波长，n(λconverted)是将部分反射区域108和另外的部分反射区域112分开的材料的有效折射率。这样的配置允许具有转换的主峰波长的光在色彩转换谐振腔110中谐振。在另外的实施例中，部分反射区域108和另外的部分反射区域112分开不同的距离。
类似地，部分反射区域112与另外的部分反射区域116分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted是从色彩转换谐振腔114发射的转换后的主峰波长，n(λconverted)是将部分反射区域112和另外的部分反射区域116分开的材料的有效折射率。这样的配置允许具有转换的主峰波长的光在色彩转换谐振腔114中谐振。在另外的实施例中，部分反射区域112和另外的部分反射区域116分开不同的距离。
附加地，部分反射区域116与另外的部分反射区域120分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted为从色彩转换谐振腔118发射的转换后的主峰波长，n(λconverted)是将部分反射区域116和另外的部分反射区域120分开的材料的有效折射率。这样的配置允许具有转换的主峰波长的光在色彩转换谐振腔118中谐振。在另外的实施例中，部分反射区域116和另外的部分反射区域120分开不同的距离。
色彩转换谐振腔110包括至少一个量子阱层。量子阱层包括多个量子阱。在另外的示例中，量子阱层包括单个量子阱。量子阱层被放置在色彩转换谐振腔驻波波长的波腹处，用于从色彩转换谐振腔110发射的转换后的主峰波长。类似地，色彩转换谐振腔114包括至少一个量子阱层，量子阱层放置在色彩转换谐振腔驻波波长的波腹处，用于从色彩转换谐振腔114发射的转换后的主峰波长。量子阱层包括多个量子阱。在另外的示例中，量子阱层包括单个量子阱。此外，色彩转换谐振腔118包括至少一个量子阱层，量子阱层放置在色彩转换谐振腔驻波波长的波腹处，用于从色彩转换谐振腔118发射的转换后的主峰波长。量子阱层包括多个量子阱。在另外的示例中，量子阱层包括单个量子阱。这样的配置增强了具有谐振转换后的主峰波长的输出光的强度、光谱宽度中的至少一个。在另外的示例中，色彩转换谐振腔110、114、118均具有替代层或附加层，例如在量子阱层中的单个或多个量子阱被定位成与各个色彩转换谐振腔110、114、118中的光的转换波长的不同波腹重合。
每个色彩转换谐振腔110、114和118都包括多个量子阱(MQW)。在另外的示例中，色彩转换谐振腔110、114、118均包括单一量子阱(SQW)。在另外的示例中，色彩转换谐振腔110、114、118包括与彼此不同的层。量子阱层被设计成使载流子能够复合，使得发射复合产生具有主峰波长的光输出，该主峰波长与产生输出光发射的输入光的波长不同。
为了能够发光，输入光被与色彩转换谐振腔110、114、118中的每一个的相应量子阱层相关的吸收层吸收。在吸收层处吸收的输入光具有主峰波长。在示例中，输入光是波长大约为450nm的蓝光。被量子阱层输出的光的波长比输入的波长长。输出的光波长是光的转换波长。虽然输入光是蓝光，但在另外的示例中，使用附加或替代波长的输入光。更优选地，每个吸收层包含具有比输入主峰波长的能量更低的能带隙的材料。
色彩转换谐振腔***100的外延结构一旦形成，就被设计成倒置并结合到发光装置，并且去除衬底102、缓冲层104和蚀刻停止层106。因此，在生长之前考虑色彩转换谐振腔***100的外延结构中的输入光和随后的转换的输出光的层的顺序，并且以下结合图2和图3更详细地描述部分反射区域的形成。部分反射区域108、112、116和120是分布式布拉格反射器(DBR)。在另外的示例中，部分反射区域108、112、116和120包括替代的或附加的结构。
一旦***100已形成，就将其倒置并结合到LED结构。图2中示出了这一点。在图2中，示出了色彩转换谐振腔***200，其包括发光二极管(LED)224和衬底装置202。衬底装置是用于有助于加工色彩转换谐振腔***200的临时衬底。替代地，在示例中，衬底装置202是互补金属氧化物半导体(CMOS)背板，其与比如发光二极管装置的发光装置结合，以便向最终结构中提供输入光并控制输入光。结合图1所描述的色彩转换谐振腔***100通过倒置结合图1的色彩转换谐振结构100并使用结合层222将最上面的部分反射区120外延层结合到LED 224而与衬底装置202和LED 224结合。然后去除衬底102、缓冲层104和蚀刻停止层106，留下图2所示的结构。
有利地，色彩转换谐振腔相对于LED 224的接近顺序使得来自LED 224的波长较短的光(比如蓝光)在第一色彩转换谐振腔中被吸收，然后来自第一色彩转换谐振腔和LED224的输出光在第二色彩转换谐振腔中被吸收，然后来自第一色彩转换谐振腔、第二色彩转换谐振腔和LED 224的输出光在第三色彩转换谐振腔中被吸收。这意味着输入光可以被色彩转换谐振腔吸收和发射，使得色彩转换谐振腔发射的光被重新使用然后从最终结构出射。
因此，部分反射区域120被示出为直接位于LED 224上的结合层222之上。部分反射区域120之上是色彩转换谐振腔118，接着是另外的部分反射区域116。部分反射区域116之上是另外的色彩转换谐振腔114，接着是另外的部分反射区域112。在部分反射区域112之上是另外的色彩转换谐振腔110，接着是另外的部分反射区域108。
虽然是加工图1的色彩转换谐振腔***100以便结合到LED 224，如图2所示，但在其他的示例中，色彩转换谐振腔***200的外延层直接生长在LED 224上。有利的是，这种直接在LED 224之上生长层防止了避免了制造这种装置的后续结合步骤。
虽然参照图1所述的色彩转换谐振腔***100的外延层被示出为以特定顺序生长以便能够将结构结合到发光二极管结构，但在另外的示例中，生长顺序相反，以便保持从最靠近输入LED光源的色彩转换谐振腔的较短波长，到离输入LED最远的色彩转换谐振腔的较长波长的光的有效吸收和发射。
在图2中，示出了色彩转换谐振腔***200。如上所述，色彩转换谐振腔***200是如下形成的：将色彩转换谐振腔***100倒置并通过结合层222将色彩转换谐振腔***100结合到LED 224上，使得部分反射区域120直接结合在LED 224及结合层222的之上，并且使得部分反射区域108位于色彩转换谐振腔***200的顶部，随后从色彩转换谐振腔***200去除衬底102和缓冲层104。色彩转换谐振腔***100可以通过在去除衬底102和缓冲层104之前处理色彩转换谐振腔***100的所述层来倒置。
使用介电结合将LED 224结合到部分反射区域120。LED 224的待结合到部分反射区120的表面以高密度氧化膜终止，以有助于这种结合。部分反射区域120的待结合到输入LED 224的表面也以高密度氧化膜终止，以有助于晶圆级氧化物结合。因此，LED 224的主发光表面被放置成与部分反射区域120非常接近或与该部分反射区域接触，使得从LED 224输出的光用作色彩转换谐振腔***200的输入光。
在另外的示例中，LED 224使用比如聚酰亚胺结合的聚合物结合来结合到部分反射区域120。在另外的示例中，使用附加的或替代的结合机制以将LED 224附接到部分反射区域120。有利地，将LED 224结合到部分反射区域120以形成单个装置，该装置在与色彩转换谐振腔***200的界面处的LED 224光发射界面损失最小。
色彩转换谐振腔***200被配置为接收具有第一主峰波长的输入光并将该输入光转换为具有第二主峰波长的光。色彩转换谐振腔***200进一步将具有第二主峰波长的光(和具有第一主峰波长的光)转换为具有第三主峰波长的光。具有第三主峰波长(以及具有第一和第二主峰波长)的光然后被转换为具有第四主峰波长的光。
这样的设置允许色彩转换谐振腔118在另外的色彩转换谐振腔114和110之前接收来自LED 224的具有第一主峰波长的输入光。这在色彩转换谐振腔118被配置用于谐振具有第二主峰波长的光时是高效的，其中该波长小于第三主峰波长和第四主峰波长。第三主峰波长大于第二主峰波长且小于第四主峰波长。
例如，色彩转换谐振腔118可以针对对应于蓝光的光波长(例如，大约450nm，从而输入光具有更短的波长，例如大约380nm的UV光)进行优化，另外的色彩转换谐振腔114可以针对对应于绿光的光波长(例如，大约530nm，从而输入光具有较短波长，例如蓝光和UV光)进行优化，并且另外的色彩转换谐振腔110可以针对对应于红光的光波长(例如，大约630nm，从而输入光具有更短的波长，例如绿光、蓝光和UV光)进行优化。
为了实现光波长的谐振，部分反射区域108、112、116、120被配置为改善光穿过色彩转换谐振腔***200从光输入LED 224到发光表面的通路。
部分反射区域120对于色彩转换谐振腔110中产生的转换光的波长具有较高的反射率，而对于输入光的波长具有较高的透射率。在示例中，部分反射区120针对例如来自结合到部分反射区域120的LED 224的输入光的主峰波长的具有相对低的反射率，例如小于20％，并且针对通过在色彩转换谐振腔118中吸收输入光和重新发射产生的转换光具有相对高的反射率，例如大于80％。在另外的示例中，部分反射区域120使用不同的反射率值。在示例中，部分反射区域120的输入光反射率小于10％并且转换光反射率大于90％。在另外的示例中，部分反射区域120的输入光反射率小于5％并且转换光反射率大于95％。类似地，部分反射区域116针对色彩转换谐振腔114中产生的转换光的波长具有相对高的反射率，并且针对输入光的波长具有相对高的透射率。
在示例中，部分反射区域116针对输入光的主峰波长具有相对低的反射率，例如小于20％，以及针对通过在色彩转换谐振腔114中吸收输入光和重新发射产生的转换光具有相对高的反射率，例如，大于80％。在另外的示例中，部分反射区域116使用不同的反射率值。在示例中，部分反射区域116的输入光反射率小于10％并且转换光反射率大于90％。在另外的示例中，部分反射区域116的输入光反射率小于5％并且转换光反射率大于95％。附加地，部分反射区域112针对色彩转换谐振腔110中产生的转换光的波长具有相对高的反射率，并且针对输入光的波长具有相对高的透射率。
在示例中，部分反射区域112针对输入光的主峰波长具有相对低的反射率，例如小于20％，以及针对通过在色彩转换谐振腔110中吸收输入光和重新发射产生的转换光具有相对高的反射率，例如，大于80％。在另外的示例中，部分反射区域112使用不同的反射率值。在示例中，部分反射区域112的输入光反射率小于10％并且转换光反射率大于90％。在另外的实施例中，部分反射区域112的输入光反射率小于5％并且转换光反射率大于95％。
在示例中，部分反射区域108针对输入光的主峰波长具有相对低的反射率，例如小于20％，以及针对通过在色彩转换谐振腔110中吸收输入光和重新发射产生的转换光具有相对高的反射率，例如，大于80％。在另外的示例中，部分反射区域108使用不同的反射率值。在示例中，部分反射区域108的输入光反射率小于10％并且转换光反射率大于90％。在另外的示例中，部分反射区域108的输入光反射率小于5％并且转换光反射率大于95％。
部分反射区域108、112、116和120由折射率不同的交替的外延结晶层形成。层的折射率和层的厚度被选择为提供作为在部分反射区域108、112、116和120处入射的光的波长的函数的反射率反应。以这种方式生长DBR能够无缝形成高结晶质量的色彩转换谐振***100。
虽然部分反射区域108、112、116和120是DBR，但在另外的示例中，使用替代区域或附加区域。在另外的示例中，部分反射区域108包括DBR或两个不同DBR的垂直叠或双带DBR。在另外的示例中，省略部分反射区域108。在另外的示例中，部分反射区域112和/或部分反射区域116和/或部分反射区域120包括具有相对高的转换波长反射率和低输入波长反射率的DBR。例如，作为对于蓝光高反射率和对于绿光和红光低反射率的滤波器，或者作为对于蓝光低反射率和对于绿光和红光高反射率的滤波器。还可以实现波长范围两侧的光的反射率。其中“H”定义了四分之一波长厚的高折射率材料，“L”定义了用于N个层的四分之一波长厚的低折射率材料，
Figure BDA0004195947310000111
以及/>
Figure BDA0004195947310000112
堆可以分别用于抑制短波长侧和长波长侧的反射率，/>
Figure BDA0004195947310000113
堆可以用作对于蓝光高反射率和对于绿光和红光低反射率的滤波器，以及
Figure BDA0004195947310000114
堆可以用作对于蓝光低反射率和段于绿光和红光高反射率的滤波器。在其他示例中，其他布置选择性地用于过滤光。
虽然部分反射区域108、112、116和120是由基于氮化物的外延层形成的DBR，但在另外的实施例中，部分反射区域108、112、116和120附加地或替代地是使用不同的方法形成的，同时保持能够反射某些波长的光和透射不同波长的光的功能。例如，部分反射区域108和/或部分反射区域112和/或部分反射区域116和/或部分反射区域120由介质堆形成。在另外的示例中，部分反射区域108和/或部分反射区域112和/或部分反射区域116和/或部分反射区域120由GaN和多孔GaN的交替层形成。控制形成部分反射区域108、112、116和120的外延结晶GaN层的孔隙率，以便提供作为波长函数的所需反射率响应，因为外延结晶层的孔隙率与其折射率相关。有利地，可以单独使用GaN来提供以这种方式形成的DBR。
优选地，提供至少一个扩散阻挡层，其被布置为减少载流子从色彩转换谐振腔110、114和118的扩散。在结构中结合了扩散阻档层，以便增强色彩转换谐振腔中转换光的谐振发射。
在图3中示出了色彩转换谐振腔***300，其包括LED 224、结合层222、部分反射区域120、色彩转换谐振腔118、另外的部分反射区域116和另外的色彩转换谐振腔114。这些层中的每一层如上所述依序生长(例如，以图1中所示的顺序并翻转，或以图2中所示的顺序，不翻转)。在这一系列层之上，示出了结合图1和图2所述的结构的部分蚀刻层。蚀刻层是部分反射区域112、色彩转换谐振腔110和部分反射区域108。蚀刻这些层，使得所述层108、110和112与剩余层224、222、120、118、116和114形成部分重叠区域。
色彩转换谐振腔***300通过在第一区域中选择性地蚀刻色彩转换谐振腔***200而形成。根据已知技术选择性地图案化部分反射区域108的表面。这种选择性图案化允许选择性蚀刻色彩转换谐振腔***的区域(例如，使用已知的湿法或干法蚀刻技术)。如图3所示，第一蚀刻从色彩转换谐振腔***200在第一区域中去除了部分反射区域108、112和色彩转换谐振腔110。在色彩转换谐振腔***114与部分反射区域112之间使用蚀刻停止层(未示出)有助于控制材料的蚀刻去除。在另外的实施例中，附加地或替代地，在第一蚀刻过程中不去除部分反射区域112。第一蚀刻过程形成与部分反射区域108相关的发光表面区域。虽然一个区域被示出为部分反射区域108，但在另外的实施例中，多个区域被蚀刻以提供与部分反射区域108相关的发光表面。这样的多个区域用于形成阵列。
一旦执行了第一蚀刻过程以选择性地去除与色彩转换谐振腔110相关的材料，就执行第二蚀刻过程。这一点在图4示出。
在图4中，示出了色彩转换谐振腔***400，其包括LED 224、结合层222、部分反射区域120和色彩转换谐振腔118。这些层如上所述依序生长，保持未蚀刻。在所述层224、222、120和118之上是部分反射区域116和另外的色彩转换谐振腔114。选择性地蚀刻部分反射区域116和色彩转换谐振腔114，使得层114和116形成与剩余层224、222、120和118部分重叠的区域。如上所述，在层114和116之上是另外的部分反射区域112、另外的色彩转换谐振腔110和另外的部分反射区域108，使得所述层112、110和108与层114和116形成部分重叠区域。在色彩转换谐振腔118和部分反射区域116之间使用蚀刻停止层(未示出)有助于控制材料的蚀刻去除。在另外的实施例中，附加地或替代地，在第二蚀刻过程中不去除部分反射区域116。第二蚀刻过程形成与色彩转换谐振腔114相关的暴露发光表面区域和与色彩转换谐振腔118相关的暴露发光表面区域。虽然结合与颜色转换谐振腔的不同层相关的三个暴露区域的剖面图描述了蚀刻过程，但在另外的示例中，蚀刻多个区域以提供与不同层的色彩转换谐振腔相关的发光表面以形成具有二维发光像素阵列的阵列，每个发光像素具有相关的发光表面。
通过在第二区域中蚀刻色彩转换谐振腔***300来形成色彩转换谐振腔***400。第二蚀刻从色彩转换谐振腔***300在第二区域中去除了部分反射区域116和色彩转换谐振腔114。
有益地，这种***创造了色彩转换谐振腔***400，其发光表面与不同区域相关，其中发光表面由暴露区域提供并且使得具有三个不同主峰波长的光能够从色彩转换谐振腔***400发射。
在图5中示出了色彩转换谐振腔***500，其中进一步加工结合图4所述的色彩转换谐振腔***400以提供第一另外的部分反射区域526、第二另外的部分反射区域528、以及第三另外的部分反射区域530。提供与色彩转换谐振腔110相关的第三另外的部分反射区域530来代替在初始外延结构中形成的部分反射区域108。替代地，在图5所示的结构中，部分反射区域108保持在原位并且没有形成第三另外的部分反射区域530。第一另外的部分反射区域526形成在色彩转换谐振腔118的暴露表面之上。第二另外的部分反射区域528形成在色彩转换谐振腔114的暴露表面之上。
部分反射区域108、112、116和120和/或另外的部分反射区域526、528、530包括分布式布拉格反射器(DBR)。这种DBR优选地是双带DBR、常规DBR、、以及两个DBR的垂直堆中的一个。更优选地，部分反射区域112、116和120包括低赫平折射率DBR，而部分反射区域108和另外的部分反射区域526、528和530包括双带DBR、常规DBR和两个DBR的垂直堆。
在示例中，部分反射区域108、112、116和120包括以蓝色波长为中心的低赫平折射率DBR、或以绿色波长为中心的低赫平折射率DBR、或以红色波长为中心的低赫平折射率DBR。例如，部分反射区域120可以具有以蓝色波长为中心的低赫平折射率DBR，使得第一像素针对蓝色波长光被优化。部分反射区域116可以具有以绿色波长为中心的低赫平折射率DBR，使得第二像素针对绿色波长光被优化。部分反射区域112可以具有以红色波长为中心的低赫平折射率DBR，使得第三像素针对红色波长光被优化。
由色彩转换谐振腔***500提供的这种配置能够提供发光表面以形成像素阵列。蚀刻和沉积上述部分反射区域引起产生具有作为顶层的第一另外的部分反射区域526的第一像素、具有作为顶层的第二另外的部分反射区域528的第二像素和具有作为顶层的第三另外的部分反射区域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。虽然以剖面示出了像素尺寸532、534、534，但本领域技术人员可以理解，在平面图中，像素具有与尺寸532、534、536相关的暴露发光表面(例如，具有正方形的像素发光表区—在另外的示例中，形成不同形式的阵列和形状的发光表面的像素)。进一步，虽然第一部分反射区域526和第二部分反射区域528被示出为分别邻接部分反射区域116和112，但在另外的示例中，第一部分反射区域526和第二部分反射区域528具有不同的表面覆盖率。进一步，虽然图中示出了剖面图像的相对厚度，但技术人员应理解，在另外的示例中，层具有不同的相对尺寸。
在图6中，示出了色彩转换谐振腔***600，示出了结合到CMOS背板602的色彩转换谐振腔***500，并进一步示出了具有第一主峰波长742的输入光、具有第二主峰波长744的转换光、具有第三主峰波长746的转换光和具有第四主峰波长748的转换光。
部分反射区域120被设计成使得具有第一主峰波长742的光被透射而具有第二主峰波长744的光被反射。部分反射区域116被配置成使得具有第一主峰波长742的光和具有第二主峰波长744的光被部分透射而具有第三主峰波长746的光被反射。部分反射区域112被配置成使得具有第一主峰波长742的光、具有第二主峰波长744的光和具有第三主峰波长746的光被部分透射而具有第四主峰波长748的光被反射。
具有第一主峰波长742的输入光从LED 224发射穿过色彩转换谐振腔***700。在图6的示例中，第一主峰波长742对应于UV光。具有第一主峰波长742的光透射过部分反射区120进入色彩转换谐振腔118中，在那里光被吸收并通过发射复合进行下转换。具有第一主峰波长742的光在色彩转换谐振腔118中被转换为具有第二主峰波长744的光。在图6的示例中，具有第二主峰波长的光对应于蓝光。
当LED，比如发光装置224，与色彩转换谐振腔***600耦合时，输入LED 224的光发射的角分布被改变。一旦来自具有这种朗伯分布的光发射的LED 224的输入光已经在色彩转换谐振腔***118的MQW和泵浦吸收层中被吸收，就在MQW和泵浦吸收层中产生电子空穴对。在泵浦吸收层中产生的电子和空穴移动到MQW。因此，发射的光波长由MQW跃迁波长决定。当QW材料为AlxInyGa1-x-yN时，该跃迁波长的光谱范围(FWHM：半高全宽)针对绿色为～30nm以及针对红色为～50nm。通常，AlxInyGa1-x-yN或AlxInyGa1-x-yP MQW向所有方向发射光，但色彩转换共谐振器增强了满足腔条件的发射。结果是从图6的色彩转换谐振腔***600发射的具有第二主峰波长744的光的窄光束角和集中发射光谱。在其他色彩转换谐振腔114、110中根据其各自的吸收和发射特性发生类似的吸收和透射。
具有第二主峰波长744的光在色彩转换谐振腔118中谐振并且至少部分地透射过部分反射区域116。具有第二主峰波长744的光也透射过第一另外的部分反射区域526并从相关的发光表面发射。
色彩转换谐振腔118上的部分反射区域116、526的相对特性使得谐振转换光744从与部分反射区域526相关的第一像素(例如，具有图5的尺寸532的像素)发射，并且使得具有第二主峰波长744的任何转换光和具有第一主峰波长的光穿过部分反射区域116，使得色彩转换谐振腔***600的部分中的光被高效地重复使用。
因此，在与第二像素和第三像素相关的区域(例如，与图5的像素尺寸534和536相关的区域)，具有第二主峰波长744的光通过部分反射区域116被接收在色彩转换谐振腔114中。色彩转换谐振腔114中还接收到未被转换的具有第一主峰波长742的光。
具有第一主峰波长742的光和具有第二主峰波长744的光在色彩转换谐振腔114中至少部分地转换为具有第三主峰波长746的光。在图6的实施例中，第三主峰波长对应于绿光。
具有第三主峰波长746的光在色彩转换谐振腔114中谐振并透射过部分反射区112。具有第三主峰波长746的光也透射过第二另外的部分反射区528并被发射。
在第二像素(例如，与图5的像素尺寸534相关的像素)处，具有第三主峰波长746的光透射过第二另外的部分反射区域528并被发射。在第三像素(例如，与图5的像素尺寸536相关的像素)处，具有第一主峰波长742、具有第二主峰波长744和具有第三主峰波长746的光穿过部分反射区域112被接收在色彩转换谐振腔110中。具有第三主峰波长746的光在色彩转换谐振腔110中被转换为具有第四主峰波长748的光。具有第四主峰波长748的光对应于红光。
具有第四主峰波长748的光在色彩转换谐振腔110中谐振并且透射过部分反射区域108和/或第三另外的部分反射区域530以被发射。
优选地，具有第一主峰波长742的输入光具有对应于紫外(UV)波长光的波长。替代地或附加地，具有第一主峰波长742的输入光具有对应于蓝光的波长。在另外的示例中，使用不同波长的光。
虽然展示了显示色彩转换以提供蓝色、绿色和红色转换光输出的***，但在另外的示例中，蓝光被用作第一主峰波长。有利地，在需要红色、绿色和蓝色光输出的地方不需要使用色彩转换谐振腔之一和相关的部分反射层。
具有第一主峰波长742的输入光具有对应于UV波长光的波长。具有第二主峰波长744的转换光对应于蓝色波长光，使得第一像素发射蓝色光。具有第三主峰波长746的转换光对应于绿色波长光，使得第二像素发射绿色光。具有第四主峰波长748的转换光对应于红色波长光，使得第三像素发射红色光。这样的实施例允许单块整合红色、绿色和蓝色像素，以提供单块色彩转换***。
在示例中，第一像素、第二像素和第三像素被隔离开并且可由CMOS背板602单独寻址，从而能够形成多色发光显示器。
虽然图6展示了LED 224，但在另外的示例中，单独的发光二极管选择性地用于向与特定色彩转换谐振腔相关的发光表面提供光以及提供相关输出光。在图7中，示出了色彩转换谐振腔***700的替代实施例。色彩转换谐振腔***700包括第一LED 224、第二LED638和第三LED 640。LED 224、638和640彼此相邻放置。在LED 224、638和640之上是层222、120、118、116、114、112、110、108、526、528和530，这些层依序生长并且处于色彩转换谐振腔***500的选择性蚀刻配置。
结合第一LED 224使得来自第一LED 224的输入光提供给具有像素尺寸532的第一像素，结合第二LED 638使得来自第二LED 638的输入光提供给具有像素尺寸534的第二像素，结合第三LED 640使得来自第三LED 640的输入光提供给具有像素尺寸536的第三像素。将LED 224、638、640结合至根据参考图1至图6所述的技术的色彩转换谐振腔***。LED224、638、640是可单独寻址的LED装置，其可以使用合适的背板(比如基于Si的CMOS背板)来寻址。
有益地，色彩转换谐振腔***700允许来自三个像素各自的单独受控的光发射。本文中展示的改良的角度分布、强度和色纯度提供了显著的好处，特别是在使用高分辨率LED阵列形成贴近用户的显示器的增强现实应用方面的好处。进一步，有益地，使用外延生长层来形成色彩转换谐振腔***意味着克服了基于量子点的色彩转换***所赋予的尺寸限制，并且可以提供基于微型发光二极管的发光像素的更小的发光表面，并且可以提供像素间距减小的发光像素阵列。
虽然图1至图7展示了通过在衬底上依序生长层而形成的外延生长的色彩转换谐振腔***，但在另外的示例中，外延生长一系列层并且随后结合到另一系列外延层。有利地，通过该方法，单独的色彩转换谐振腔或色彩转换谐振腔群组可以独立优化并结合在一起，从而提供针对特定波长的谐振光被优化的高结晶质量色彩转换谐振腔。
在图8中，示出了色彩转换谐振腔***800的替代实施例。色彩转换谐振腔***800包括色彩转换谐振腔118，该色彩转换谐振腔外延生长在部分反射区域120之上，随后经由结合层222结合到输入LED 224和衬底装置202。在这一系列层之上，经由结合层850结合部分反射区域116和色彩转换谐振腔114。附加地，在这一系列层之上经由结合层852结合部分反射区域112、色彩转换谐振腔110和可选地部分反射区域108。有效地，单独提供每个色彩转换谐振腔110、114、118及其各自的部分反射区域并且结合在一起以形成图8的结构。有利地，每个色彩转换谐振腔110、114、118及其各自的部分反射区域可以在结合在一起以形成最终结构之前单独优化。这种单独的优化意味着例如蓝色和绿色发光结构可以形成基于氮化物的材料，而红色发光结构可以使用比如磷化物材料的不同材料形成。在另外的示例中，使用不同的材料组合以便提供用于在特定光频率处的色彩转换和谐振的优化结构。
使用介电结合将LED 224结合到部分反射区域120。LED 224的待结合到部分反射区120的表面以高密度氧化膜终止，以有助于这种结合。部分反射区域120的待结合到输入LED 224的表面也以高密度氧化膜终止，以有助于晶圆级氧化物结合。因此，LED 224的主发光表面被放置成与部分反射区域120非常接近或与该部分反射区域接触，使得从LED 224输出的光用作色彩转换谐振腔***800的输入光。类似地，色彩转换谐振腔118和部分反射区域116以高密度氧化膜终止以有助于晶圆级氧化物结合。附加地，色彩转换谐振腔114和部分反射区域112以高密度氧化膜终止以有助于晶圆级氧化物结合。
在另外的示例中，LED 224使用比如聚酰亚胺结合的聚合物结合来结合到部分反射区域120。类似地，色彩转换谐振腔118使用聚合物结合(比如聚酰亚胺结合)来结合到部分反射区域116。进一步，色彩转换谐振腔114使用聚合物结合(比如聚酰亚胺结合)来结合到部分反射区域112。在另外的示例中，使用附加的或替代的结合机制来结合对应的层。有利地，结合这些层以形成单个装置，该装置在与色彩转换谐振腔***800的界面处的LED224光发射界面损失最小。
虽然在图8中示出了这些层与结合层222、850、852结合，但在另外的示例中，使用附加的和/或替代的结合层形成图8的结构800。
在图9中，示出了色彩转换谐振腔***900，其包括LED 224、结合层222、部分反射区域120、色彩转换谐振腔118、结合层850、另外的部分反射区域116和另外的色彩转换谐振腔114。这些层中的每一个如以上在图8中所述的那样依序生长并随后依序结合。在这一系列层之上，示出了结合图8所述的结构的部分蚀刻层。蚀刻层是结合层852、部分反射区域112、色彩转换谐振腔110和部分反射区域108。蚀刻这些层使得所述层108、110和112和852与剩余的层224、222、120、118、850、116和114形成部分重叠区域。
在另外的示例中，通过结合已经被蚀刻的层以提供部分重叠区域来提供色彩转换谐振腔***900。例如，设置被蚀刻的层阵列并将其结合在一起以提供对应于不同光输出波长的部分重叠区域。
在图10中，示出了色彩转换谐振腔***1000，其包括LED 224、结合层222、部分反射区域120和色彩转换谐振腔118。这些层如上所述依序生长并结合，保持未蚀刻。在所述层224、222、120和118之上是结合层850、部分反射区域116和另外的色彩转换谐振腔114。选择性地蚀刻结合层850、部分反射区域116和色彩转换谐振腔114，使得层114、116和850与剩余的层224、222、120和118形成部分重叠区域。如上所述，在层114、116和850之上是结合层852、另外的部分反射区域112、另外的色彩转换谐振腔110和另外的部分反射区域108，使得所述层852、112、110和108与层114、116和850形成部分重叠区域。在色彩转换谐振腔118与结合层850之间使用蚀刻停止层(未示出)有助于控制材料的蚀刻去除。第二蚀刻过程形成与色彩转换谐振腔114相关的暴露发光表面区域和与色彩转换谐振腔118相关的暴露发光表面区域。在另外的示例中，通过结合已经被蚀刻的层以提供部分重叠区域来提供色彩转换谐振腔***1000。例如，设置被蚀刻的层阵列并将其结合在一起以提供对应于不同光输出波长的部分重叠区域。
在图11中示出了色彩转换谐振腔***1100，其中进一步加工结合图10所述的色彩转换谐振腔***1000以提供第一另外的部分反射区域526、第二另外的部分反射区域528、以及第三另外的部分反射区域530。提供与色彩转换谐振腔110相关的第三另外的部分反射区域530来代替在初始外延结构中形成的部分反射区域108。替代地，在图11所示的结构中，部分反射区域108保持在原位并且没有形成第三另外的部分反射区域530。第一另外的部分反射区域526形成在色彩转换谐振腔118的暴露表面之上。第二另外的部分反射区域528形成在色彩转换谐振腔114的暴露表面之上。
虽然LED 224被示出为单个LED，但在另外的示例中，LED 224由单独可寻址的LED装置形成，其中单独LED装置对应于由色彩转换谐振腔***1100的部分重叠区域形成的一个或多个像素处的光输出。以这种方式，可以形成高分辨率显示器。
在另外的示例中，不同的空腔组合生长在一起随后结合在一起。例如，色彩转换谐振腔118和色彩转换谐振腔114可以与部分反射区域120和116一起在一个步骤中生长。这些外延生长的层随后可以经由结合层结合到色彩转换谐振腔110和部分反射区域112和108。有益地，这样的过程允许色彩转换谐振腔118和114由相似的材料生长而成以提供高质量的腔并且允许色彩转换谐振腔110由不同的材料生长而成，该不同的材料对于色彩转换谐振腔110中所需光波长更佳。例如，色彩转换谐振腔118可以对应于蓝色波长的光，并且色彩转换谐振腔114可以对应于绿色波长的光。这样，由氮化物材料一起生长色彩转换谐振腔118和114会是最佳的。色彩转换谐振腔110可以对应于红色波长的光。这样，与基于磷化物的材料分开地生长色彩转换谐振腔110会是最佳的。
为了有助于参考图8至11所述的结合过程，在装置加工的适当阶段使用和去除用于各个部件的处理晶圆或生长衬底。
因此，色彩转换谐振腔***1100可以用于提供像素阵列，比如以类似于关于图1至图7的色彩转换谐振腔***所述的方式发射不同波长的光的高分辨率微型发光二极管像素阵列。
虽然以上参照图1至图11描述了用于形成色彩转换谐振腔***的方法，但本领域技术人员可以理解，在另外的示例中，使用附加的或替代的步骤，并且在又另外的示例中，省略了一些步骤。在另外的示例中，改变加工步骤的顺序，同时提供一个或多个LED结构与一个或多个色彩转换谐振腔相组合以提供至少如本文中所述的改进的光发射特性。

Claims (25)

1.一种色彩转换谐振腔***，包括：
第一部分反射区域，被配置为透射具有第一主峰波长的光并反射具有第二主峰波长的光；
第二部分反射区域，被配置为至少部分地透射具有所述第一主峰波长和所述第二主峰波长的光并反射具有第三主峰波长的光；
第三部分反射区域，被配置为至少部分地反射具有所述第三主峰波长的光；
第一色彩转换谐振腔，被布置为接收穿过所述第一部分反射区域的具有所述第一主峰波长的输入光并且转换至少一些具有所述第一主峰波长的光，以提供具有所述第二主峰波长的光，其中，所述第一色彩转换谐振腔被布置为使得所述第二主峰波长在所述第一色彩转换谐振腔中谐振并且通过所述第二部分反射区域输出具有所述第二主峰波长的谐振光；以及
第二色彩转换谐振腔，被布置为接收穿过所述第二部分反射区域的包括具有所述第二主峰波长的输入光并且转换至少一些的所述第二主峰波长，以提供具有所述第三主峰波长的光，其中，所述第二色彩转换谐振腔被布置为使得所述第三主峰波长在所述第二色彩转换谐振腔中谐振并且通过所述第三部分反射区域输出具有所述第三主峰波长的谐振光，其中，所述第一色彩转换谐振腔和所述第二色彩转换谐振腔被布置为部分重叠以提供非重叠部分和重叠部分，从而分别限定第一发光表面和第二发光表面，其中，所述第一发光表面被布置为提供具有所述第二主峰波长的谐振光，并且所述第二发光表面被布置为提供具有所述第三主峰波长的谐振光。
2.如权利要求1所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述色彩转换谐振腔***是单块色彩转换***。
3.如权利要求1或2所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述第一部分反射区域和所述第二部分反射区域分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted为所述第二主峰波长，n(λconverted)是将所述第一部分反射区域和所述第二部分反射区域分开的材料的有效折射率，从而限定所述第一色彩转换谐振腔的长度，和/或其中，所述第二部分反射区域和所述第三部分反射区域分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted为所述第三主峰波长，n(λconverted)为将所述第二部分反射区域和所述第三部分反射区域分开的材料的有效折射率，从而限定所述第二色彩转换谐振腔的长度。
4.如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述色彩转换谐振腔***包括至少一个LED。
5.如权利要求4所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述色彩转换谐振腔***包括被布置为控制所述第一发光表面的光发射的第一LED以及被布置为控制所述第二发光表面的光发射的第二LED。
6.如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述第三部分反射区域进一步被配置为反射具有第四主峰波长的光，所述色彩转换谐振腔***进一步包括：
第四部分反射区域，被配置为至少部分地反射具有所述第四主峰波长的光；以及
第三色彩转换谐振腔，被布置为接收穿过所述第三部分反射区域的包括所述第三主峰波长的输入光，并且转换至少一些所述第三主峰波长，以提供具有所述第四主峰波长的光，其中，所述第三色彩转换谐振腔被布置为使得所述第四主峰波长在所述第三色彩转换谐振腔中谐振并且通过所述第四部分反射区域输出具有所述第四主峰波长的谐振光，优选地，其中，所述第三部分反射区域和所述第四部分反射区域分开的距离为(N+1)乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N是正整数，λconverted是所述第四主峰波长，n(λconverted)是将所述第三部分反射区域和所述第四部分反射区域分离的材料的有效折射率，从而限定所述第三色彩转换谐振腔的长度。
7.如权利要求6所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述第二色彩转换谐振腔和所述第三色彩转换谐振腔被布置成部分重叠以提供非重叠部分和重叠部分，从而分别限定所述第二发光表面和第三发光表面，其中，所述第二发光表面被布置为提供具有所述第三主峰波长的谐振光，所述第三发光表面被布置为提供具有所述第四主峰波长的谐振光。
8.如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述色彩转换谐振腔中的至少一个包括至少一个量子阱层，优选地其中，所述至少一个量子阱层被放置为与所述色彩转换谐振腔的驻波波长的波腹重合以用于转换光，从而增强具有谐振转换的光波长的输出光的强度、光谱宽度和方向性中的至少一个。
9.如权利要求8所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述色彩转换谐振腔中的至少一个包括至少一个吸收层，所述吸收层被配置为吸收输入光从而能够将能量从所述输入光波长转移到所述至少一个量子阱层中，优选地其中，所述吸收层包含具有比所述输入光的能量低的能带隙的材料。
10.如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***，包括至少一个被布置为减少载流子从所述色彩转换谐振腔中的至少一个扩散的扩散阻挡层。
11.如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述色彩转换谐振腔中的至少一个包括：量子阱层，所述量子阱层包括一个或多个量子阱；以及另外的量子阱层，所述另外的量子阱层包括一个或多个量子阱，其中，所述量子阱层和所述另外的量子阱层的间隔为N乘以λconverted/2n(λconverted)，其中，N为正整数，λconverted为所述色彩转换谐振腔中的谐振光的波长，n(λconverted)是在所述色彩转换谐振腔中的谐振光波长处所述量子层与所述另外的量子阱层之间的材料的有效折射率。
12.如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***，包括至少一个另外的部分反射区域，所述另外的部分反射区域对应于所述第一发光表面和所述第二发光表面中的至少一个。
13.如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述部分反射区域和/或所述另外的部分反射区域中的至少一个包括分布式布拉格反射镜，优选地，其中，所述分布式布拉格反射镜是以下中的至少一个：双带分布式布拉格反射镜、常规分布式布拉格反射镜、以及两个分布式布拉格反射镜的垂直堆。
14.如权利要求13所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述部分反射区域中的至少一个包括以蓝色波长为中心的低赫平折射率DBR或以绿色波长为中心的低赫平折射率DBR或以红色波长为中心的低赫平折射率DBR。
15.如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***，其中，所述部分反射区域和所述色彩转换谐振腔中的至少一个包括外延结晶层，优选地其中，所述色彩转换谐振腔***包括介电材料和III-V半导体材料中的至少一种。
16.一种像素阵列，包括如前述权利要求中任一项所述的色彩转换谐振腔***。
17.如权利要求16所述的像素阵列，其中，所述阵列包括第一像素，所述第一像素被配置为发射与第二像素不同波长的光，优选地其中，所述第一像素和/或所述第二像素包括与其发光表面相对应的另外的部分反射区域。
18.如权利要求17所述的像素阵列，进一步包括第三像素，所述第三像素被配置为发射与所述第一像素和所述第二像素不同波长的光。
19.一种形成如权利要求1至17中任一项所述的色彩转换谐振腔***的方法。
20.如权利要求19所述的方法，包括在衬底上形成所述色彩转换谐振腔中的至少一个。
21.如权利要求20所述的方法，其中，在所述衬底上形成所述色彩转换谐振腔中的至少一个包括外延生长多个层。
22.如权利要求21所述的方法，包括在所述衬底上形成所述部分反射区域中的至少一个，优选地其中，在所述衬底上形成所述部分反射区中的至少一个包括在所述衬底上依序形成所述色彩转换谐振腔和部分反射区中的至少一个。
23.如权利要求19至22中任一项所述的方法，包括将所述色彩转换谐振腔***结合到至少一个LED。
24.如权利要求19至23所述的方法，包括将所述第一部分反射区域、所述第二部分反射区域、所述第三部分反射区域、所述第一色彩转换谐振腔和所述第二色彩转换谐振腔中的两个或更多个结合在一起。
25.如权利要求19至23中任一项所述的方法，包括选择性地蚀刻色彩转换谐振腔***，从而提供所述发光表面。
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