CN101627482A - 发光元件阵列 - Google Patents

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迈克尔·A·哈斯
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Abstract

本发明公开了发光系统及其制备方法。所述发光系统包括单片集成的两个或更多个发光元件。每个发光元件包括电致发光器件和用于驱动所述电致发光器件的专用开关电路。至少一个发光元件包括用于下转换所述发光元件中所述电致发光器件发出的光的势阱。

Description

发光元件阵列
技术领域
本发明整体涉及发光系统。本发明尤其适用于具有两个或更多个发光区域的发光系统。
背景技术
照明系统用于多种不同的应用中，这些应用包括投影显示系统、液晶显示器的背光源等。投影系统通常使用一个或多个白色光源，例如高压汞灯。白色光束通常被分成红绿蓝三原色，并且射向各自的图像形成空间光调制器，以便为每种原色生成图像。所得的原色成像光束混合后投射到投影屏幕上供观看。
近来，发光二极管(LED)已被视为白色光源的替代形式。LED具有提供堪比常规光源的亮度和使用寿命的潜力。然而当前的LED，尤其是绿光发射LED，效率相对较差。
常规光源通常体积较大、发射一种或多种原色的效率较低、难以集成，并且往往会导致采用它们的光学系统的体积和功耗增大。
发明内容
总体上，本发明涉及发光系统。在一个实施例中，发光系统包括单片集成的两个或更多个发光元件。每个发光元件包括电致发光器件和用来驱动该电致发光器件的专用开关电路。至少一个发光元件包括用于下转换发光元件中电致发光器件发出的光的势阱。
在另一个实施例中，发光系统包括单片集成的两个或更多个发光元件。每个发光元件包括电致发光器件。至少一个发光元件包括用于下转换发光元件中电致发光器件发出的光的势阱。
在另一个实施例中，发光系统包括能够输出具有第一波长的光的第一发光元件；能够输出具有不同于第一波长的第二波长的光的第二发光元件；以及能够输出具有不同于第一波长和第二波长的第三波长的光的第三发光元件。第三发光元件包括能够发出具有第一波长的光的电致发光器件；用于将电致发光器件发出的光的至少一部分从第一波长转换为第二波长的第一光致发光元件；以及用于将电致发光器件发出的光的至少一部分或第一光致发光元件转换的光转换为第三波长的第二光致发光元件。
在另一个实施例中，发光系统包括能够输出具有第一波长的光的第一发光元件；以及能够输出具有不同于第一波长的第二波长的光的第二发光元件。第二发光元件包括电致发光器件和势阱，其中电致发光器件能够发出具有第一波长的光，势阱用于将电致发光器件发出的光的至少一部分从第一波长转换为第二波长。
在另一个实施例中，光学系统包括能够发光的像素化发光系统。每个像素包括电致发光器件。至少一个像素包括用于下转换该像素中电致发光器件发出的光的一个或多个势阱；以及用于接收像素化发光系统发出的光的像素化空间光调制器。
在另一个实施例中，像素化发光系统能够形成图像和发光。该发光系统中的每个像素包括电致发光器件。至少一个像素包括用于下转换该像素中电致发光器件发出的光的一个或多个势阱。
在另一个实施例中，显示系统包括具有多个第一像素的发光系统。每个像素具有用于控制该像素输出的光的专用开关电路。至少一个像素包括电致发光器件和用于下转换该电致发光器件发出的光的势阱。该显示系统还包括可接收来自发光系统的光的空间光调制器(SLM)，并且还包括多个第二像素。多个第一像素中的每个像素会照亮第二多个像素的不同子集。
在另一个实施例中，发光系统包括单片集成的两个或更多个发光元件。每个发光元件都能够输出白光。至少一个发光元件包括能够发出UV或蓝光的发光二极管(LED)；用于将UV或蓝光的至少一部分转换为绿光的第一势阱；以及用于将绿光、UV或蓝光的至少一部分转换为红光的第二势阱。
在另一个实施例中，发光系统包括多个能够发光的电致发光器件。第一光转换元件包括两个或更多个电致发光器件，用于下转换这两个或更多个电致发光器件发出的光的至少一部分。
在另一个实施例中，制品包括多个在第一基底上制得的电致发光器件；用于转换该多个电致发光器件中某个电致发光器件发出的光的势阱；以及多个在第二基底上制得的开关电路。第二基底上的每个开关电路被设计为用于驱动第一基底上的对应的电致发光器件。第一基底附接到第二基底，第二基底上的每个开关电路面向第一基底上的对应的电致发光器件。
在另一个实施例中，发光系统包括能够输出具有第一波长的光的第一发光元件；以及能够输出具有不同于第一波长的第二波长的光的第二发光元件。第二发光元件包括能够发出具有第一波长的光的电致发光器件；用于将该电致发光器件发出的光的至少一部分从第一波长转换为第三波长(不同于第一波长和第二波长)的第一光转换元件；以及用于将第一光转换元件转换的光的至少一部分从第三波长转换为第二波长的第二光转换元件。
附图说明
结合附图对本发明的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更完整地理解和体会本发明，其中：
图1为发光系统的示意性俯视图；
图2为发光系统的示意性侧视图；
图3为光转换元件和电致发光器件的示意性侧视图；
图4为电路图的示意图；
图5为投影系统的示意性侧视图；
图6为另一个投影系统的示意性侧视图；
图7为发光系统的像素与空间光调制器的像素之间对应关系的示意图；
图8为发光系统的示意性侧视图；
图9为发光系统的示意性侧视图；
图10A-10F为器件在发光系统加工工艺的中间阶段或步骤的示意图；
图11为发光系统的示意性侧视图；
图12为发光元件的示意性侧视图；
图13A-13H为器件在发光系统加工工艺的中间阶段或步骤的示意图；以及
图14A-14F为势阱的示例性导带分布的示意图。
多个图中所用的相同附图标号代表具有相同或类似特性和功能的相同或类似元件。
具体实施方式
本专利申请提出包括发光区域阵列的光源。本发明所公开的光源可有效输出具有(例如)可见光谱区内任意波长的光。该光源可设计为用于输出(例如)一种或多种原色光或白光。该光源可更紧凑、重量更轻，因为(例如)可将发光区域阵列紧凑地集成到基底上。本发明所公开光源的发光效率和紧凑性可以导致形成重量更轻、体积和功耗更小的改进的新型光学系统，例如便携式投影系统。
本发明所公开的光源可具有较大和较小的发光区域，其中每个区域输出的光可以受到主动和独立的控制。该光源可用于(例如)投影系统，以照亮一个或多个像素化成像装置。该光源的每个发光区域可照亮成像装置的不同部分或区域。这种能力可得到有效的自适应照明系统，在该系统中，光源发光区域的输出光强度可主动调整，以提供成像装置中对应的区域所需的最少照明。
本发明所公开的光源可形成单色(例如，绿色或墨绿色)或彩色图像。本发明所公开的这种光源将光源和成像装置的主要功能相结合，从而减少了装配本发明所公开光源的光学系统中所用元件或组件的大小、功耗、成本和数量。例如，在显示系统中，本发明所公开的光源可同时起到光源和成像装置的作用，因而不需要或较少需要背光源或空间光调制器。又如，如果在投影系统中装配本发明所公开的光源，则不需要或较少需要成像装置和中继光学器件。
本发明公开了发光元件阵列，例如显示系统中的像素阵列，其中至少一些发光元件包括能够响应电信号而发光的电致发光器件，例如LED。一些发光元件包括一个或多个光转换元件，例如一个或多个势阱和/或量子阱，用于下转换电致发光器件发出的光。如本文所用，下转换是指转换后光的波长大于未转换光的波长。
本专利申请所公开的发光元件阵列可用于(例如)投影系统或其他光学系统中所用的照明系统，例如自适应照明系统。
图11为发光系统1100的示意性侧视图，该系统包括发光元件(例如发光元件1110、1111和1113)的阵列，其中每个元件都能够独立地输出光。每个发光元件包括能够响应电信号而发光的电致发光器件。例如，发光元件1110、1111和1113分别包括设置在基底1105上的电致发光器件1120、1121和1123。
在一些情况下，发光元件被构造为有源矩阵，也就是说，每个发光元件具有用于驱动该元件中电致发光器件的专用开关电路。在这些情况下，发光元件包括其专用的任何开关电路。例如，发光元件1113包括用于驱动电致发光器件1123的专用开关电路1130，其中开关电路包括晶体管1131。
在一些情况下，发光元件被构造为无源矩阵，也就是说，发光元件未被构造为有源矩阵。在无源矩阵构造中，发光元件没有用于驱动该发光元件中电致发光器件的专用开关电路。
通常，在无源矩阵构造中，发光系统中的电致发光器件每次通电一行。相比之下，在有源矩阵构造中，尽管每次通常只对一行寻址，但开关电路通常允许电致发光器件连续通电。
在一些情况下，发光系统1100中的至少一些(例如全部)电致发光器件是单片集成的。如本文所用，单片集成包括但不必须限于两个或更多个在同一基底(公共基底)上制得并且用于该同一基底上最终应用的电子器件。整体转移到另一个基底上的多个单片集成器件仍然是单片集成的。电子器件的例子包括LED、晶体管和电容器。
当两个或更多个元件中每一个的一部分为单片集成时，这两个元件被视为是单片集成的。例如，如果(例如)两个发光元件中的电致发光器件是单片集成的，这两个元件就是单片集成的。即使(例如)每个元件中的光转换元件以粘结方法结合到对应的电致发光器件上，情况亦如此。
在电致发光器件包括半导体层的情况下，如果电致发光器件是在同一基底上制得的，和/或如果其包括公用的半导体层，则器件是单片集成的。例如，当每个电致发光器件包括N型半导体层时，如果N型半导体层横过电致发光器件延伸，则器件是单片集成的。在这种情况下，电致发光器件中的N型半导体层会形成横过电致发光器件的连续层。
发光系统1100中的至少一个发光元件包括一个或多个光转换元件，用于转换该发光元件中电致发光器件发出的光。例如，发光元件1110包括光转换元件1140和1141，发光元件1111包括光转换元件1142。在一些情况下，光转换元件可为势阱或量子阱，或者包括势阱或量子阱。
如本文所用，势阱是指设计为仅在一个维度上限定载流子的多层半导体结构中的半导体层，其中半导体层具有低于周围层的导带能和/或高于周围层的价带能。量子阱通常是指足够薄的势阱，从而使得量子化效应可增大势阱中电子-空穴对重新复合所需的能量。量子阱的厚度通常为约100nm或更小，或者约10nm或更小。
发光系统1100中的某些发光元件不包括光转换元件。例如，发光元件1113包括电致发光器件1123，但不包括光转换元件。在这些情况下，发光元件的输出光和发光元件中电致发光器件的输出光具有相同的波长或光谱。
围绕显示系统，发光元件可为发光系统中的像素或亚像素。像素化发光系统可发出(例如)可见光谱区内不同波长的光。例如，发光系统1100中的电致发光器件可发出蓝光。光转换元件1140可包括蓝光到绿光的光转换势阱，该势阱吸收电致发光器件1120发出的蓝光并发出绿光。光转换元件1141可包括绿光到红光的光转换势阱，该势阱吸收电致发光器件1140发出的绿光并发出红光。光转换元件1142可包括蓝光到绿光的光转换势阱，该势阱吸收电致发光器件1121发出的蓝光并发出绿光。在这些情况下，发光元件1110、1111和1113分别输出红光、绿光和蓝光。
发光系统1100可有效输出(例如)可见光谱区内任何波长的光。例如，由于发射蓝光的电致发光器件和蓝光到绿光的光转换势阱或量子阱效率可以极高，因此发光系统1100可有效地发出绿光。效率的提高可以导致结合类似于器件1100的发光系统的光学系统功耗降低。
发光系统1100可比常规光源更为紧凑。因此，采用发光系统1100的光学系统可更为紧凑，例如更薄，并且重量更轻。
在一些应用中，例如在投影系统或背光源系统中，发光系统1100可充当光源，照亮一个或多个成像装置。发光系统可设计为有效发出(例如)原色光或白光。发光系统1100提高的效率和紧凑性可以改善和/或革新系统设计。例如，便携式电池供电光学系统可设计成具有更小的尺寸、更低的能耗和更轻的重量。
在一些应用中，例如在投影系统中，发光系统1100可充当光源和成像装置。在这些应用中，投影系统中可不使用常规成像装置，例如液晶成像装置(LCD)或数字微镜成像装置(DMD)。常规投影系统包括一个或多个中继光学器件，用于将光从光源传递到成像装置。结合发光成像装置1100的投影系统可不使用中继光学器件，因而元件数目减少、尺寸减小、能耗降低、重量减轻，总成本也得以降低。
一般来讲，发光系统1100中的发光元件阵列可为应用中所需的任何类型阵列。在一些情况下，阵列可为行或列，例如1×n阵列，其中n为2或更大的数。在一些情况下，阵列可为正方形阵列(例如m×m阵列)或矩形阵列(例如m×n阵列)，其中n和m均为2或更大的数，并且m不等于n。在一些情况下，阵列可为梯形阵列、六边形阵列或任何其他类型的阵列，例如任何规则类型或不规则类型的阵列。
在一些情况下，阵列中的发光元件(或者围绕显示系统为阵列中的像素)可具有相同尺寸，或者具有不同尺寸(例如)以导致不同颜色的效率不同。
发光元件阵列中的发光元件可有任何形状，例如正方形、椭圆形、矩形或更复杂的形状，以满足(例如)结合该阵列的器件的光学和电学功能。阵列中的发光元件可布置成应用可能需要的任何结构。例如，发光元件可以均匀间隔以形成(例如)矩形或六边形结构。在一些情况下，发光元件可以不均匀布置，例如，为了通过(例如)减小或校正光学象差(例如枕形失真或桶形失真)来改善器件性能。
图1为发光系统100的示意性俯视图，该系统包括两个或更多个发光元件，例如发光元件110-114。每个发光元件包括通电后能够发光的电致发光器件。每个发光元件还包括用于驱动发光元件中电致发光器件的开关电路。例如，发光元件110包括电致发光器件120和用于驱动电致发光器件120的开关电路130。在一些情况下，发光元件可以包括不止一个电致发光器件。
发光系统100中的至少一个发光元件包括一个或多个光转换元件(LCE)，用于转换该发光元件中电致发光器件发出的光。例如，发光元件110包括能够转换(例如下转换)电致发光器件120发出的光的光转换元件140。又如，发光元件112不包括光转换元件。
光转换元件140可包括任何这样的元件，其能够接收具有第一波长的光，并将所接收光的至少一部分转换为具有不同于第一波长的第二波长的光。例如，光转换元件140可包括荧光体、荧光染料、共轭发光有机材料(例如聚芴)、势阱、量子阱或量子点。可以用作光转换元件的示例性荧光体包括硫化镓酸锶、掺杂质的氮化镓、铜活化的硫化锌和银活化的硫化锌。
无机势阱和量子阱，例如无机半导体势阱和量子阱，通常具有更高的光转换效率，并且不易受环境因素(例如水分)的影响，因而更为可靠。此外，无机势阱和量子阱往往具有较窄的输出光谱，从而得到(例如)改善的色域。
电致发光器件120能够在存在电信号的情况下发光。例如，在一些情况下，对电致发光器件120施加强电场时，器件会发光。又如，电致发光器件120会响应通过其的电流而发光。
在一些情况下，电致发光器件120可包括吸收电能后能够发光的磷光材料。在一些情况下，电致发光器件120可包括半导体电致发光器件，例如，发光二极管(LED)或激光二极管。
发光系统100还包括行使能电极150和列数据电极160，用于将图1未示出的来自外部电路的电信号施加到开关电路上。在一些情况下，行使能电极150沿着发光系统的行设置，以便选择性地对发光系统的行进行寻址，列数据电极160则沿着发光系统的列设置，以便选择性地对发光系统的列进行寻址。在一些情况下，行使能电极150和列数据电极160连接到各自的行驱动电路和列驱动电路(图1未明确示出)。
发光系统100中的电致发光器件可为任何能够响应电信号而发光的器件。例如，电致发光器件可为能够响应电流而发射光子的发光二极管(LED)，例如，如名称为“Adapting Short-Wavelength LED’s forPolychromatic，Broadband，or‘White’Emission”(用于多色、宽带或“白色”光发射的自适应短波长LED)的美国专利公布No.2006/0124917所讨论的发光二极管，该专利公布以引用的方式全文并入本文。
LED电致发光器件可发出应用可能需要的任何波长的光。例如，LED可发出具有UV波长、可见光波长或IR波长的光。在一些情况下，LED可为能够发出UV光子的短波长LED。一般来讲，LED和/或光转换元件(LCE)可以由任何合适的材料构成，例如由有机半导体或无机半导体构成，所述有机半导体或无机半导体包括IV族元素(例如Si或Ge)；III-V族化合物(例如InAs、AlAs、GaAs、InP、AlP、GaP、InSb、AlSb、GaSb、GaN、AlN和InN)与III-V族化合物合金(例如AlGaInP和AlGaInN)；II-VI族化合物(例如ZnSe、CdSe、BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、BeS和MgS)及II-VI族化合物合金，或以上列出的任何化合物的合金。
在一些情况下，LED可包括一个或多个P型和/或N型半导体层、一个或多个有源层(可以包括一个或多个势阱和/或量子阱)、缓冲层、基底层和覆盖层。
在一些情况下，LED和/或LCE可包括以化合物ZnSe、CdSe和MgSe作为三种合金组分的CdMgZnSe合金。在一些情况下，Cd、Mg和Zn中的一种或多种(尤其是Mg)在合金中的浓度可以为零，因此可以不存在于合金中。例如，LCE可包括能够发红光的Cd0.70Zn0.30Se量子阱，或能够发绿光的Cd0.33Zn0.67Se量子阱。又如，LED和/或LCE可包括Cd、Zn和Se(可选地包括Mg)的合金，在这种情况下，合金系可表示为Cd(Mg)ZnSe。又如，LED和/或LCE可包括Cd、Mg和Se(可选地包括Zn)的合金。在一些情况下，量子阱LCE的厚度范围为约1nm至约100nm，或者约2nm至约35nm。
在一些情况下，半导体LED或LCE可以为N-掺杂或P-掺杂，其中掺杂可通过任何合适的方法和通过添加任何合适的掺杂物实现。在一些情况下，LED和LCE来自相同半导体族。在一些情况下，LED和LCE来自两个不同的半导体族。例如，在一些情况下，LED为III-V族半导体器件，LCE为II-VI族半导体器件。在一些情况下，LED包括AlGaInN半导体合金，LCE包括Cd(Mg)ZnSe半导体合金。
LCE可通过任何合适的方法设置或附接到对应的电致发光器件上，例如通过粘合剂(如热熔粘合剂)、焊接、加压、加热或这些方法的任意组合。合适的热熔粘合剂的实例包括半结晶聚烯烃、热塑性聚酯和丙烯酸类树脂。
在一些情况下，可利用晶圆键合技术将LCE附接到对应的电致发光器件上。例如，可采用(例如)等离子辅助或常规CVD工艺在电致发光器件的顶表面和LCE的底表面上涂覆一薄层二氧化硅或其他无机材料。接着，可采用加热、加压、水或一种或多种化学试剂的组合方法将涂层表面可选地平面化和结合。可通过用氢原子轰击涂层表面中的至少一个或通过用低能等离子体激发表面的方式来改善结合。晶圆键合法在(例如)美国专利No.5,915,193和6,563,133，以及“Semiconductor Wafer Bonding”by Q.-Y.Tong and U.
Figure G2008800075231D00121
(JohnWiley&Sons，New York，1999)(半导体晶圆结合，Q.-Y.Tong和U.
Figure G2008800075231D00122
，约翰威立父子出版公司，纽约，1999年)的第4章和第10章有所描述。
在一些情况下，量子阱或势阱LCE可具有一个或多个邻近阱的光吸收层，以帮助吸收对应的电致发光器件发出的光。在一些情况下，吸收层由光生载流子可在其中有效扩散至势阱的材料构成。在一些情况下，光吸收层可包括半导体，例如无机半导体。在一些情况下，量子阱或势阱LCE可包括缓冲层、基底层和覆盖层。
可采用任何合适的方法制造电致发光器件或LCE。例如，可采用分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、液相外延(LPE)或蒸汽相外延(VPE)法制备半导体电致发光器件和/或LCE。
发光系统100能够以非常小的尺寸直接生成图像，其中每个发光元件或像素的亮度均可独立控制。作为另外一种选择，发光系统可用作成像装置的“区域照明”，从而可以通过将与最终图像暗区对应的发光系统像素的亮度变暗或降低来降低功耗。这种提供高度可控光源的能力在保存能量以及最大程度地减小采用该发光系统的光学系统(例如投影系统)的尺寸方面，具有很大的优点。
图2为发光系统200的示意性侧视图，该发光系统包括设置在公共基底205上的发光元件阵列，例如发光元件210-212的阵列。每个发光元件包括电致发光器件和用于驱动该电致发光器件的开关电路。例如，发光元件210包括电致发光器件220和用于驱动电致发光器件220的开关电路231，其中开关电路可包括一个或多个晶体管。电致发光器件220包括第一电极251、P型半导体层252、可选的半导体有源层254、N型半导体层256和可选的第二电极258。
电极251被设计为可与P型半导体层252进行欧姆接触，并且使电流通过该层。可选的有源层254通常为半导体层，通常为多量子阱层，用于使P型层252和N型层256注入的电子-空穴对辐射复合。
在一些情况下，例如当N型层256导电性足以使流过N型层的电流充分扩散时，可以在(例如)电致发光器件或发光系统周边形成第二电极258。
在示例性发光系统200中，N型层256横过发光元件210-212延伸，也就是说，N型层256形成横过发光元件210-212的连续层。一般来讲，发光元件中的半导体层可以横过或不横过其他发光元件延伸。例如，在一些情况下，每个发光元件都可具有离散的N型层256。
发光元件210还包括用于转换电致发光器件220发出的光的光转换元件。一般来讲，发光系统200中的至少一个发光元件包括光转换元件，例如势阱或量子阱，用于转换(例如下转换)发光元件中电致发光器件发出的光。在一些情况下，发光系统200中的每个发光元件包括光转换元件。
在示例性发光系统200中，发光元件210包括设置在电致发光器件220上的光转换元件240，发光元件211包括设置在电致发光器件221上的光转换元件241，发光元件212包括设置在电致发光器件222上的光转换元件242。
在一些情况下，发光元件210能够输出具有第一波长λ1的光290A，发光元件211能够输出具有第二波长λ2的光291A，发光元件212能够输出具有第三波长λ3的光292A。在一些情况下，波长λ2不同于λ1，波长λ3不同于λ1和λ2。
在一些情况下，电致发光器件220能够发出波长为λ1′的光290，电致发光器件221能够发出波长为λ2′的光291，电致发光器件222能够发出波长为λ3′的光292。在一些情况下，波长λ2′不同于λ1′，波长λ3′不同于λ1′和λ2′。在一些情况下，波长λ1′不同于波长λ1，波长λ2′不同于波长λ2，波长λ3′不同于波长λ3。在这些情况下，光转换元件240将波长为λ1′的光290的至少一部分转换为波长为λ1的光290A，光转换元件241将波长为λ2′的光291的至少一部分转换为波长为λ2的光291A，光转换元件242将波长为λ3′的光292的至少一部分转换为波长为λ3的光292A。
在一些情况下，发光元件210输出的光可以只是电致发光器件220发出的光。在这些情况下，波长λ1和λ1′基本上相同。在这些情况下，电致发光器件210中没有LCE 240，并且可以(例如)用厚度相等的透明元件来替代LCE 240，以(例如)有助于平面化发光系统。
一般来讲，光转换元件240可为任何能够将至少一部分光从第一波长转换为不同于第一波长的第二波长的元件。在一些情况下，光转换元件240可为能够通过吸收和光致发光来转换光的光致发光元件。在一些情况下，光致发光元件可包括一个或多个势阱和/或量子阱。
在一些情况下，光转换元件可包括势阱。一般来讲，势阱可具有任意导带分布和/或价带分布。图14A-14F示意性地示出了势阱的一些示例性导带分布，其中EC表示导带能。具体地讲，图14A所示的势阱1410具有正方形或矩形分布；图14B所示的势阱1420具有与第二矩形分布1422和第三矩形分布1423组合的第一矩形分布1421；图14C所示的势阱1430具有线性渐变分布；图14D所示的势阱1440具有与矩形分布1442组合的线性渐变分布1441；图14E所示的势阱1450具有曲线(例如抛物线)分布；图14F所示的势阱1460具有与矩形分布1462组合的抛物线分布1461。
重新参考图2，在一些情况下，波长λ1′、λ2′和λ3′可以位于相同光谱区域，例如蓝光、紫光或紫外光的光谱区域。在一些情况下，波长λ1′、λ2′和λ3′可以基本上相同。例如，波长λ1′、λ2′和λ3′可以为蓝光、紫光或紫外光的光谱区域中基本上相同的波长。
在一些情况下，λ1′、λ2′和λ3′为基本上相同的波长，波长λ1与λ1′基本上相同，波长λ2与λ2′不同，波长λ3与λ3′不同。例如，波长λ1、λ1′、λ2′和λ3′可全部为约460nm(蓝光)，λ2可为约540nm(绿光)，λ3可为约630nm(红光)。
在一些情况下，λ1、λ1′、λ2′和λ3′位于光谱中相同的第一区域，例如光谱的蓝光区域；波长λ2位于光谱中不同于第一区域的第二区域，例如光谱的绿光区域；波长λ3位于光谱中不同于第一区域和第二区域的第三区域，例如光谱的红光区域。
在一些情况下，光转换元件240可以通过首先将波长为λ1′的光转换为第三波长的光，然后再将波长为λ1′的光转换为波长为λ1的光。例如，图3为光转换元件340的示意性侧视图，该元件包括第一光致发光元件305和第二光致发光元件310。光致发光元件305从类似于器件220的电致发光器件320接收波长为λ1′的光390，然后将光390的至少一部分转换为波长为λ1″的光390B。第二光致发光元件310将光390B的至少一部分转换为波长为λ1的光390A。
在一些情况下，电致发光器件320可以发出光谱中蓝光区域的光，光致发光元件305可以将蓝光的一部分转换为光谱中绿光区域的光，光致发光元件310可以将元件305所发出绿光的一部分转换为光谱中红光区域的光。
在一些情况下，每个光致发光层仅转换其接收的一部分光，然后传输剩余的光。例如，电致发光器件320可以发出蓝光，光致发光元件305可以将蓝光的一部分转换为绿光，然后传输剩余的蓝光，光致发光元件310可以将绿光和/或蓝光的一部分转换为红光，然后传输其从光致发光元件305接收的剩余蓝光和绿光。在这些情况下，光致发光元件310输出的光可以基本上为白光。
在一些情况下，图2中发光系统200的不同发光元件可以输出可见光谱中三个以上不同区域的光。例如，发光元件可以输出可见光谱中五个不同区域的光，例如，以改善发光系统输出的总体光的色彩特性。例如，一些发光元件可以输出蓝光；一些发光元件可以输出青光，例如波长为约500nm的青光；一些发光元件可以输出绿光；一些发光元件可以输出黄光或橙光；一些发光元件可以输出红光。
在一些情况下，可使用能够再次发出青光的势阱输出青光，也可通过混合两个势阱的输出来输出青光，在后一种情况下，第一势阱能够再次发出(例如)约460nm的光，第二势阱能够再次发出(例如)约540nm的光。
在一些情况下，通过混合两个势阱的输出也可输出品红光，其中第一势阱能够再次发出(例如)约460nm的光，第二势阱能够再次发出(例如)约630nm的光。
图2的发光元件210还包括光提取器270，用于提取在提取器下方设置的一层或多层的光，例如提取层240的光。一般来讲，可通过适合应用的任何方式来提取光。例如，可通过封装提取光，其中封装元件可(例如)具有半球状外形，以便部分准直所提取的光。也可通过图案化或纹理化(例如粗糙化)发光元件中一个或多个层的上表面和/或下表面来提取光。又如，可通过在光转换元件和/或电致发光器件和/或发光元件中其他层的外表面上形成光子晶体的方式来提取光。示例性光子晶体在(例如)美国专利No.6,987,288和7,161,188中有所描述。在一些情况下，可通过在输出表面上形成光学元件(例如光提取器270)来提取光。光提取器270可为具有任何形状的任何元件，只要这些元件能够提取本来由于(例如)全内反射而不会离开发光元件的光的至少一部分。示例性光提取器在(例如)下列文件中有所描述：标题为“LED Device with Re-emitting Semiconductor Construction and OpticalElement(具有再发射半导体构造和光学元件的LED器件)”、代理人档案号No.62217US003、提交于2006年6月14日的共同拥有的美国临时专利申请No.60/804,824；标题为“Planarized LED with OpticalExtractor(具有光提取器的平面化LED)”、代理人档案号No.62638US002、提交于2006年11月17日的共同拥有的美国临时专利申请No.60/866,265；以及标题为“LED Device with Re-emittingSemiconductor Construction and Converging Optical Element(具有再发射半导体构造和聚光元件的LED器件)”、代理人档案号No.62218US002、提交于2006年6月12日的共同拥有的美国临时专利申请No.60/804,544，这些文件均以引用的方式全文并入本文。
在一些情况下，发光元件可具有专用光提取器。在一些情况下，光提取器可以延伸超过发光元件。例如，在一些情况下，光提取器可以延伸横过两个或更多个发光元件。
一般来讲，光提取器270为光学透明的，并且在一些情况下具有相对较高的折射率。用于光提取器的示例性材料包括无机材料，例如高折射率玻璃(如可以商品名LASF35得自Schott North America，Inc.(Elmsford，NY)的LASF35型Schott玻璃)和陶瓷(如蓝宝石、氧化锌、氧化锆、金刚石和碳化硅)。示例性的可用玻璃在名称为“LED ExtractorComposed Of High Index Glass”(由高折射率玻璃构成的LED提取器)的共同转让的美国专利申请NO.11/381,518中有所描述，该专利申请以引用的方式并入本文。蓝宝石、氧化锌、金刚石和碳化硅为尤其有用的陶瓷材料，因为这些材料还具有相对较高的导热率(0.2-5.0W/cmK)。在一些情况下，光提取器270包括高折射率聚合物或填充有纳米粒子的聚合物，其中聚合物可为(例如)热塑性和/或热固性材料。在一些情况下，热塑性聚合物可包括聚碳酸酯和环状烯烃共聚物。在一些情况下，热固性聚合物可为(例如)丙烯酸类树脂、环氧树脂、硅树脂或本领域已知的其他材料。示例性陶瓷纳米粒子包括氧化锆、二氧化钛、氧化锌和硫化锌。
提取器270可采用常规技术制造，例如采用机加工或模制技术制造，或者采用全文以引用的方式并入本文的下列文件中公开的精密研磨技术制造：名称为“Process For Manufacturing Optical AndSemiconductor Elements(光学元件与半导体元件制造方法)”的共同转让的美国专利公布No.2006/0094340A1；名称为“Process ForManufacturing A Light Emitting Array(发光阵列的制备方法)”的美国专利公布No.2006/0094322A1；以及名称为“Arrays Of Optical ElementsAnd Method Of Manufacturing Same(光学元件阵列及其制备方法)”的美国专利申请NO.11/288,071。其他示例性制造技术在以引用的方式并入本文的共同转让的美国专利申请No.11/381,512中有所描述，该专利申请的名称为“Methods Of Making LED Extractor Arrays(LED提取器阵列的制备方法)”。
在一些情况下，图2中发光系统200的发光元件被构造为有源矩阵阵列。在这些情况下，发光系统中每个发光元件包括用于驱动发光元件中电致发光器件的专用开关电路。例如，发光元件210包括可以具有一个或多个晶体管(图2中未示出)的开关电路231。
在一些情况下，发光系统200中的发光元件被构造为无源矩阵阵列。在这些情况下，发光系统中的发光元件没有专用开关电路。在一些情况下，将P型电极连接成行，将N型电极连接成列。
基底205可包括可能适合应用的任何材料。例如，基底205可以包括Si、Ge、GaAs、GaN、InP、蓝宝石、SiC和ZnSe，或由这些材料构成。在一些情况下，基底205可以为N-掺杂、P-掺杂、绝缘或半绝缘的，其中掺杂可以通过任何合适的方法和/或通过添加任何合适的掺杂物的方式实现。
在一些情况下，发光系统200不包括基底205。例如，发光系统200的各种元件可以在基底205上形成，然后通过(例如)蚀刻或烧蚀与基底分离。
图4为发光系统400(类似于发光系统200)中三个发光元件410-412(类似于发光元件210-212)的示意性电路图，其中发光元件被构造为有源矩阵阵列。发光系统400还包括行使能线路425和426，以及列数据线路430-432。每个发光元件包括用于驱动发光元件中电致发光器件的开关电路。例如，发光元件410包括类似于开关电路231的开关电路460，该电路包括晶体管440和441以及电容器450。每个发光元件还包括类似于电致发光器件220的电致发光器件，该器件在图4中用二极管符号表示。具体地讲，发光元件410包括连接到电源405的电致发光器件420，该电源能够为电致发光器件420提供电压Vs；发光元件411包括连接到电源405的电致发光器件421；发光元件412包括连接到电源405的电致发光器件422。
晶体管440包括栅极440G、接地的源极440S以及连接到电致发光器件420的漏极440D。晶体管441包括连接到行使能线路425的栅极441G、连接到列数据线路430的漏极441D以及连接到晶体管440的栅极的源极。
晶体管441主要设计作为开关晶体管，用于控制晶体管440的栅极440G的电压VG。电压VG也是电容器450两端的电压。电容器450主要设计作为用于保持晶体管440的栅极电压VG，即使是在(例如)行使能线路425施加在栅极441G上的信号足够弱而导致晶体管441截止时亦如此。
晶体管440主要设计作为驱动晶体管，用于控制流经电致发光器件420的电流。流经电致发光器件420的电流可控制该器件所发出光的强度。
在一些情况下，发光系统400可为能够在装置平面上成像的显示装置。在这些情况下，每个电致发光元件都可为显示装置中的像素。在一些情况下，电致发光元件410-412可为像素中的三个亚像素。例如，电致发光元件410可为能够输出红光的红光亚像素，电致发光元件411可为能够输出绿光的绿光亚像素，电致发光元件412可为能够输出蓝光的蓝光亚像素，其中在一些情况下，三种输出光的组合可得到白光或其他颜色的光。
图5为投影系统500的示意性侧视图，该系统包括发光系统510、投影光学器件560和可选的投影屏590。发光系统510类似于发光系统200，能够发光以及在发光系统的平面515上形成图像，并且经过像素化后包括多个像素，例如像素520-522。每个像素都能够输出白光并且包括三个亚像素，其中每个亚像素都能够输出不同的原色光。例如，像素520包括三个亚像素570-572，其中每个亚像素包括电致发光器件。具体地讲，亚像素570包括电致发光器件501，亚像素571包括电致发光器件502，亚像素572包括电致发光器件503，其中电致发光器件501-503均可单片集成(例如)在基底505上。每个亚像素包括用于驱动该亚像素中电致发光器件的专用开关电路，为了简化图示说明，图5中未示出开关电路。
在一些情况下，从发光系统510中每个像素发出的光具有基本上相同的发射光谱。在一些情况下，发光系统510中的像素被构造为有源矩阵。在其他一些情况下，发光系统510中的像素被构造为无源矩阵。在一些情况下，发光系统510中的所有电致发光器件都能够发出相同颜色的光，例如蓝光。在一些情况下，亚像素570不包括光转换元件，并且能够输出蓝光；亚像素571包括具有势阱或量子阱的光转换元件530，用于将蓝光转换为绿光，从而使该亚像素能够输出绿光；亚像素572包括用于将蓝光转换为绿光的第一光转换元件531，以及用于将绿光转换为红光的第二光转换元件532，从而使亚像素572能够输出红光。在一些情况下，发光系统中的一个或多个或者所有光转换元件都可为势阱或量子阱，或者都可包括势阱或量子阱。
投影光学器件560会放大发光系统510形成的图像，然后将放大的图像投射到投影屏590上以供观众观看。在一些情况下，所投射的图像可以为虚像，在这种情况下，投影系统可以不需要投影屏。投影光学器件560通常包括一个或多个光学透镜，例如透镜561。
在一些情况下，投影系统500可以为背投系统，在这种情况下，投影屏590优选地为背投屏幕。在一些情况下，投影系统500可以为正投系统，在这种情况下，投影屏590优选地为正投屏幕。
发光系统510用作投影系统500的光源。发光系统510还用作投影系统的成像装置。投影系统500可视为发射投影系统，因为是通过调制发光系统510来直接生成图像的。
示例性投影系统500包括一个发光系统。一般来讲，投影系统500可包括一个或多个发光系统。例如，投影系统可具有三个发光系统，其中每个发光系统能够以不同原色形成相同的图像。在这些情况下，投影光学系统560可组合三个图像，然后将组合后的图像放大并投射到投影屏590上。
图6为投影系统600的示意性侧视图，该系统包括发光系统510、中继光学器件610、像素化空间光调制器(SLM)620、投影光学器件630以及可选的投影屏690，其中像素化空间光调制器用于接收系统510发出的光并且具有多个像素，例如像素621。SLM 620可为任何常规成像装置，例如液晶成像装置(LCD)或数字微镜成像装置(DMD)。发光系统510用作投影系统的光源。中继光学器件610将发光系统510发出的光导向空间光调制器，以便照亮SLM。在一些情况下，发光系统510中的每个像素都能够输出白光，并且都可包括(例如)三个亚像素，其中每个亚像素能够输出不同的原色光。
投影光学器件630会放大SLM 620形成的图像，然后将放大的图像投射到投影屏690上以供观众观看。在一些情况下，投射的图像可以为虚像，在这种情况下，投影系统可以不需要投影屏。投影光学器件630通常包括一个或多个光学透镜。投影系统600可被视为无源投影系统，因为是使用空间光调制器来形成图像的。
在一些情况下，投影系统600可以为背投系统，在这种情况下，投影屏690优选地为背投屏幕。在一些情况下，投影系统600可以为正投系统，在这种情况下，投影屏690优选地为正投屏幕。
示例性投影系统600包括一个发光系统和一个SLM。一般来讲，投影系统600可包括一个或多个发光系统和一个或多个SLM。例如，投影系统可具有三个SLM和一个发光系统。在这些情况下，发光系统发出的白光可分解为三原色。每个SLM由不同的原色照明。三个SLM所形成的三个图像通过(例如)光学组合器组合。得到的图像通过投影光学器件630放大并投射到投影屏690上。
在一些情况下，发光系统510具有比空间光调制器620少的像素。在一些情况下，发光系统510中的像素可以对应于SLM 620中的一组像素，也就是说，发光系统中像素对SLM的照明基本上限制为SLM中的对应的像素组。图7示出了发光系统510的像素与SLM 620的像素的示例性对应关系。具体地讲，SLM 620的第一组像素720(包括像素621-623)对应于发光系统的像素520，SLM的第二组像素721对应于发光系统的像素711。在一些情况下，发光系统510中的每个像素为SLM 620中像素的不同子集照明。在这些情况下，发光系统510中的每个像素对应于SLM 620中像素的不同子集。在一些情况下，SLM 620中的这些子集基本上没有像素重叠。在这些情况下，SLM 620中的至少一个像素接收由发光系统中单个像素发出的光。这种布置方式有利于降低功耗。例如，像素520只需发出像素组720中最亮的像素所需要的光。在一些情况下，例如当发光系统中的像素对应于并照亮SLM中的像素子集时，发光系统可以作为自适应照明器来照亮SLM，也就是说，可主动调节发光系统中像素的输出光强度，以提供SLM中对应的像素子集所需的最少照明，其中所需的最少照明至少部分地由像素子集中最亮的像素决定。一般来讲，自适应照明器使得(例如)采用该自适应照明器的显示器的功耗降低。
图8为发光系统800的示意性侧视图，该系统包括发光元件210-212。相邻发光元件之间设置有挡光元件，用来降低或消除(例如)相邻发光元件之间的光学串扰。具体地讲，发光系统800包括设置在发光元件210与211之间的挡光元件810，以及设置在发光元件211与212之间的挡光元件811。
在一些情况下，挡光元件可为吸光元件，吸收本来会从一个发光元件传播至相邻发光元件的一些光、大部分光或基本上全部的光。在一些情况下，挡光元件可包括用于反射光的反射性材料，例如金属涂层。在一些情况下，挡光元件可包括用于通过全内反射反射光的低折射率区域，例如气隙。
发光系统800还包括横过多个发光元件延伸的光提取器820。具体地讲，光提取器820横过发光元件210-212延伸。光提取器820通过光学耦合至发光元件来提取光。具体地讲，光提取器820被光学耦合至光转换元件240-242。
在一些情况下，光提取器820可重新导向由发光元件210-212发出的光。例如，光提取器820可(至少一定程度上)准直从发光元件提取的光。在一些情况下，光提取器提取的光具有第一角展度，光提取器发出的光具有第二角展度。在这些情况下，如果第二角展度小于第一角展度，光提取器820可具有准直作用。在一些情况下，光提取器820可具有半球状外形。
发光系统800中的发光元件限定了发光区域的最外侧边缘830和831。在一些情况下，光提取器820可延伸超过发光区域的最外侧边缘，以提高光提取效率。
图9为发光系统900的示意性侧视图，该系统包括多个在基底205上形成的电致发光器件，例如电致发光器件920-922。在一些情况下，每个电致发光器件对应于发光系统900中不同的发光元件。在一些情况下，电致发光器件中的每一个能够发出具有第一波长的光，例如具有蓝光波长的光。
发光系统900还包括横过多个电致发光器件延伸的光转换元件912。具体地讲，光转换元件912覆盖电致发光器件920和921。在一些情况下，光转换元件912形成横过多个(例如两个或三个)发光元件的连续层。
光转换元件912主要设计为用于将光从第一波长转换为第二波长，其中第二波长可为(例如)绿光波长。在一些情况下，对应于电致发光器件921的发光元件能够输出具有第二波长的光。
发光系统900还包括横过单个电致发光器件延伸的光转换元件913。具体地讲，光转换元件913覆盖电致发光器件920，但不覆盖任何相邻的电致发光器件，例如器件921。在示例性发光系统900中，电致发光器件922上没有设置光转换元件。
光转换元件913主要设计为用于将光从第二波长转换为第三波长，其中第三波长可为(例如)红光波长。在一些情况下，对应于电致发光器件920的发光元件能够输出具有第三波长的光。
发光系统900还包括光学透明的(例如，对于从下面的层入射的光是透明的)或透光的层940，从而在不进行任何波长转换的情况下透射光。在一些情况下，层940主要设计为用于平面化发光系统900的输出表面。
在一些情况下，透明层940在所需光谱区域(例如，蓝光区域、绿光区域、红光区域或可见光区域)的透光率可(例如)大于50％，或大于70％，或大于80％。
在一些情况下，第一波长可对应于蓝光，第二波长可对应于绿光，第三波长可对应于红光。
在图11的示例性发光系统1100中，光转换元件1140完全覆盖电致发光器件1120的发光输出表面，光转换元件1141完全覆盖光转换元件1140的输出表面。一般来讲，上层可以完全覆盖或不完全覆盖下层的输出表面。例如，在一些情况下，上层可仅覆盖下层的一部分。
例如，如图12所示意性地示出的那样，光转换元件1140部分覆盖电致发光器件1120的输出表面，光转换元件1141仅覆盖光转换元件1140的输出表面的一部分。在这些情况下，发光元件1110能够输出的光包括具有第一波长、第二波长和第三波长的光。在一些情况下，第一波长λB为蓝光波长，第二波长λG为绿光波长，第三波长λR为红光波长。在这些情况下，发光元件1110的输出光包括蓝光、绿光和红光，这些光可(例如)组合生成白光或任何其他颜色的光。
本专利申请所公开的发光系统可采用(例如)制造微电子和半导体器件以及其他基于晶圆的器件时常用的方法制得。已知的方法包括分子束外延(MBE)、金属-有机蒸汽相外延(MOVPE)、光刻法、晶圆键合、沉积法和蚀刻法。图13A-13H示意性地概括了制造有源矩阵发光系统的示例性制造方法。该方法包括将发光系统的各种元件制备到四个不同的晶圆上(每个晶圆称为元件晶圆)，然后将这四个元件晶圆组合以构成发光系统。具体地讲，在第一基底上制备电致发光器件；在不同于第一基底的第二基底上制备用于驱动电致发光器件的开关电路；在不同于第一和第二基底的第三基底上制备用于转换电致发光器件发出的光的光转换元件，例如势阱或量子阱；以及在不同于第一、第二和第三基底的第四基底上制备光提取元件。然后，将四个基底附接起来形成发光系统。
图13A为第一元件晶圆1350和第二元件晶圆1360的示意性侧视图。第一元件晶圆1350包括在晶圆或基底1302上制得的开关电路1315的阵列。一般来讲，每个开关电路都可包括一个或多个晶体管以及一个或多个电容器。在一些情况下，可首先单独制备开关电路，然后再将其集成到基底1302上。在其他一些情况下，可直接在基底1302上制备开关电路，从而形成开关电路的单片集成阵列。可使用(例如)制造采用(例如)加成和/或减成制造工艺的薄膜微电子电路的常规方法来制备开关电路。加成工艺通常包括光刻、沉积和剥离步骤。减成工艺通常包括沉积、光刻和蚀刻步骤。
开关电路通常包括有源层、导电电极层(例如金属电极层)和电绝缘层(例如金属氧化物层)。用于开关电路中晶体管有源区域的代表性材料包括单晶硅、无定形或多晶硅，或者可能适合晶体管有源层的其他材料。用作导电电极的示例性材料包括Al、Cu、Au、Ni或可能适合应用的任何其他金属。用作电绝缘层的示例性材料组合物包括SiOx(例如SiO2)、Al2O3、Si3N4或可能适合应用的任何其他电绝缘材料。示例性沉积方法包括物理气相沉积，例如热蒸镀、电子束沉积或溅射；化学气相沉积，例如MOCVD、PECVD、LPCVD、MBE或反应溅射；或者适合在应用中使用的任何其他方法。
第一元件晶圆1350可以包括其他层，例如钝化层、保护层和用于平面化晶圆的平面化层。在一些情况下，可以包括一个或多个平面化层，以平面化第一元件晶圆的顶面，进而改善与另一个晶圆的后续键合。
在一些情况下，基底1302可为Si基底、GaN基底或SiC基底。一般来讲，基底1302可为可能适合应用的任何基底。
第二元件晶圆1360包括设置在晶圆或基底1301上的电致发光器件1310的阵列。在一些情况下，电致发光器件可包括可利用多种已知方法和材料制得的发光二极管(LED)。
在一些情况下，可单片集成电致发光器件，方法是(例如)采用(例如)MOCVD体系中的光刻法、蚀刻法以及外延或准外延沉积法直接在基底1301上形成电致发光器件1310。在一些情况下，基底1301可为蓝宝石晶圆或(例如)与任何LED材料的生长相容的其他材料。
在一些情况下，电致发光器件1310可包括透明导电层(例如氧化铟锡(ITO)层)、平面化层、钝化层、用于后续键合到另一个晶圆的键合层、通孔以及类似于(例如)挡光元件810的挡光元件。
在一些情况下，制备好第一元件晶圆1350和第二元件晶圆1360之后，将其相互结合，结合时有源元件面向对方，如图13B所示意性地示出的那样。通过(例如)将第一元件晶圆和第二元件晶圆的顶面紧密接触，或者通过键合过程中应用一个或多个键合层，可实现键合。在一些情况下，键合层有助于在电致发光器件1310与对应的开关电路1315之间形成电连接。
在一些情况下，可通过在晶圆1350和1360的一个或两个上形成焊料凸起，在这两个晶圆的对应的部件之间形成电连接。形成焊料凸起之后，将两个晶圆对准并彼此键合在一起。在一些情况下，键合工艺可以包括一个或多个回流焊步骤，以及一个或多个通孔图案化和/或填充步骤。在一些情况下，可利用透过晶圆1350和1360中的一个的IR照射将这两个晶圆对准。在晶圆中的一个或多个能在可见光谱区域进行光传输的情况下，可采用可见光照射实现对准。
晶圆1350和1360键合之后，移除基底1301的至少一部分，以便露出电致发光器件1310，如图13C所示意性地示出的那样。可通过(例如)蚀刻工艺或激光烧蚀来移除基底1301。
图13D为用于制造发光系统的第三元件晶圆1370和第四元件晶圆1380的示意性侧视图。第三元件晶圆1370包括设置在基底1322上的光转换元件1335的阵列。
在一些情况下，光转换元件1335可包括势阱或量子阱，以及一个或多个用于吸收对应的电致发光器件发出的光的光吸收层。在一些情况下，光转换元件1335的势阱可包括构造在磷化铟(InP)晶圆1322上的II-VI族势阱。
在一些情况下，可通过一种或多种方法(例如分子束外延(MBE))直接在基底1322上制备光转换元件1335。光转换元件1335可以包括一个或多个通孔、平面化层、钝化层、挡光元件(例如挡光元件810)以及用于后续键合到另一个元件晶圆的键合层。
一般来讲，发光元件中的光控元件可以横过或可以不横过相邻发光元件延伸。例如，在图13D所示的示例性第三元件晶圆1370中，每个光转换元件1335专门用于单个发光元件，并且不横过其他发光元件延伸。在一些情况下，光转换元件1335可以形成横过两个或更多个发光元件或电致发光器件的连续层。
第四元件晶圆1380包括多个设置在基底1321上的光提取器1330。在一些情况下，光提取器1330包括光提取元件和光管理元件，例如用于准直所提取的光或将所提取的光导向一个或多个特定方向的透镜。一般来讲，可以使用多种材料以多种方式来构造光提取器1330。在一些情况下，可在模具中制得光提取器1330，然后再将其转移到基底1321上，其中基底可为临时基底。
在一些情况下，制备好第三元件晶圆1370和第四元件晶圆1380之后，将其相互键合，键合时提取器和LCE面向对方，如图13E所示意性示出的那样。可利用一个或两个晶圆中的任何现有键合层实现键合，和/或通过在键合过程中应用一个或多个额外的键合层实现键合。完成键合工艺之后，移除基底1322，从而形成图13F所示意性地示出的构造。
在一些情况下，制得图13C和13F的两个构造之后，将这两个构造如图13G所示意性示出的那样结键合在一起。接着，可以移除临时基底1321，从而形成图13H所示意性地示出的发光系统1300。
图10A-10F示意性地概括了用于制造能够输出白光或任何其他颜色光的有源矩阵发光系统的示例性制造方法。该方法包括在在两个不同的晶圆上(每个均称为元件晶圆)制备发光系统的各种元件，然后将这两个元件晶圆组合起来以构成发光系统。具体地讲，该方法包括形成两个或更多个光转换元件，然后选择性地移除光转换元件中的一个或多个，以获得所需输出光谱。
光转换元件的选择性移除可通过多种已知方法来实现，例如通过湿式或干式化学蚀刻或这两种方法的任意组合来实现。示例性干式化学蚀刻法包括反应离子蚀刻和聚焦离子束蚀刻。示例性图案化法包括光刻。
图10A为第一元件晶圆1060和第二元件晶圆1070的示意性侧视图。第一元件晶圆1060包括设置在基底1510上的第一LCE 1520和设置在LCE 1520上的第二LCE 1530。为便于举例说明和讨论，在不丧失一般性的同时，假设LCE 1520能够将绿光下转换为红光，光转换元件1530能够将蓝光下转换为绿光。
第一元件晶圆1060可以使用已知制造方法(例如外延沉积方法)在晶圆基底(例如InP基底)上制得。例如，可以使用分子束外延(MBE)法将II-VI族半导体材料合金沉积到InP基底1510上，形成作为光转换元件1520和1530的势阱或量子阱的层。
第二元件晶圆1070包括多个设置在基底1511上的电致发光器件1540。在一些情况下，电致发光器件可以为发光二极管(LED)。在这些情况下，可以使用已知制造方法(例如蒸汽相外延(VPE))，用包括(例如)GaN在内的III-V族半导体材料在蓝宝石基底1511上制备LED。在一些情况下，LED可包括诸如电极、透明电触点、通孔和键合层之类的层和/或元件。一般来讲，可采用半导体微加工行业使用的常规方法(例如常规光刻法和常规蚀刻和/或沉积法)来制备电致发光器件1540。
制备好第一元件晶圆1060和第二元件晶圆1070之后，将其相互结键合，键合时有源元件面向对方，如图10B所示意性地示出的那样。可以通过(例如)直接键合晶圆或者通过键合过程中在两晶圆之间设置一个或多个键合层的方式来实现键合。键合层可以(例如)包括一个或多个薄金属层、一个或多个薄金属氧化物层或者一个或多个其他材料(例如粘接剂、封装剂、高折射率玻璃)或溶胶-凝胶材料(例如低温溶胶-凝胶材料)层，或者它们的任何组合。
在一些情况下，键合层的厚度范围可以为约5nm至约200nm、约10nm至约100nm，或者约50nm至约100nm。两个晶圆之间的键合可以通过(例如)层合或加热和/或加压的方式来实现。
第一元件晶圆1060与第二元件晶圆1070键合之后，移除第一元件晶圆的基底1510，从而形成如图10C所示意性示出的结构。可使用已知方法(例如湿式化学蚀刻法)移除基底1510。就InP基底1510而言，可通过(例如)使用(例如)盐酸和水的溶液蚀刻基底的方法来移除基底。
在一些情况下，第一元件晶圆1050可以包括设置在基底与LCE1520之间的基底1510上的缓冲层(图10A中未示出)。在这些情况下，移除基底1510时也可以移除缓冲层。就InP基底1510而言，缓冲层可以包括GaInAs。例如，可使用己二酸、氢氧化铵和过氧化氢的蚀刻溶液来移除GaInAs缓冲层。例如，可通过在200mL水中添加40克己二酸、30mL氢氧化铵(约30％)和5mL过氧化氢来制备蚀刻溶液。
移除基底1510之后，选择性地移除光转换元件。例如，如图10D所示，将LCE 1520从覆盖电致发光器件1541和1542的区域移除，而不从覆盖电致发光器件1543的区域移除。选择性地移除LCE 1520会导致LCE 1521覆盖住电致发光器件1543。
作为选择性移除光转换元件的一部分，如图10E所示，将LCE 1530从覆盖电致发光器件1541的区域移除，而不从覆盖电致发光器件1542和1543的区域移除。选择性地移除LCE 1530会导致LCE 1531覆盖住电致发光器件1542和1543。
在图10E的示例性构造中，LCE 1531横过电致发光器件1542和1543延伸。在一些情况下，如图10F所示意性示出的那样，可以移除位于两个对应的电致发光器件之间的LCE 1531的一部分，从而导致LCE 1533覆盖住电致发光器件1542，LCE 1532覆盖住电致发光器件1543。在这些情况下，LCE 1533和LCE 1532来自相同的层。在这些情况下，可以在电致发光器件1542与1543之间以及(例如)电致发光器件1541与1542之间形成挡光元件，例如图8中的挡光元件810。
光转换元件的移除可(例如)使用已知的图案化和蚀刻法来实现。示例性图案化法包括光刻。示例性蚀刻法包括湿式蚀刻。例如，可使用含甲醇和溴的溶液来蚀刻II-VI族半导体光转换元件。
本文所公开的发光系统可以用于目前正在使用或预期未来将使用光源或成像装置的任何应用中。示例性的应用包括但不限于显示系统、图形显示系统、标牌系统、投影系统、液晶显示器、汽车前大灯、交通信号、室内照明、建筑或艺术照明、全面照明、检测和/或测量系统，以及可以使用本发明所公开的发光系统的任何其他应用。
如本文所用，诸如“竖直”、“水平”、“上”、“下”、“左”、“右”、“上部”和“下部”、“顶部”和“底部”之类的术语以及其他类似术语是指如图所示的相对位置。通常，物理实施例可以具有不同的取向，在这种情况下，以上术语旨在指修改为装置实际取向的相对位置。例如，即使将图2中的构造相对图中取向倒置，光提取器270仍被视为位于光转换元件240的“顶部”。
虽然为了有助于说明本发明的各个方面而在上文中详细描述了本发明的具体实例，但是应当理解，其目的并不是要将本发明限制于实例中所给出的具体内容。相反，其目的在于涵盖落在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改形式、实施例和可供选择的形式。

Claims (55)

1.一种发光系统，包括：
单片集成的两个或更多个发光元件，所述两个或更多个发光元件中的每个发光元件包括电致发光器件和用于驱动所述电致发光器件的专用开关电路，其中所述两个或更多个发光元件中的至少一个发光元件包括用于下转换所述发光元件中所述电致发光器件发出的光的势阱。
2.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述开关电路包括至少一个晶体管。
3.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述开关电路包括至少一个电容器。
4.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述开关电路包括用于控制流过所述电致发光器件的电流的驱动晶体管，以及用于控制所述驱动晶体管的栅极电压的开关晶体管。
5.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述单片集成的两个或更多个发光元件中的所述电致发光器件为单片集成的。
6.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述两个或更多个发光元件中的每个发光元件中的所述电致发光器件和所述开关电路是在不同的基底上制得的。
7.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述两个或更多个发光元件中的每个发光元件中的所述电致发光器件和所述开关电路为单片集成的。
8.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述至少一个发光元件中的所述势阱和所述电致发光器件是在不同的基底上制得的。
9.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述至少一个发光元件中的所述势阱包括无机势阱。
10.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述至少一个发光元件中的所述势阱包含II-VI族半导体。
11.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述至少一个发光元件中的所述势阱包含CdMgZnSe。
12.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述至少一个发光元件中的所述势阱和所述电致发光器件来自至少两个不同的半导体族。
13.根据权利要求12所述的发光系统，其中所述至少两个不同的半导体族包括II-VI半导体族和III-V半导体族。
14.根据权利要求1所述的发光系统，还包括用于减少所述两个或更多个发光元件之间光学串扰的挡光元件。
15.一种发光系统，包括：
单片集成的两个或更多个发光元件，所述两个或更多个发光元件中的每个发光元件包括电致发光器件，其中所述两个或更多个发光元件中的至少一个发光元件包括用于下转换所述发光元件中所述电致发光器件发出的光的势阱。
16.根据权利要求15所述的发光系统，其中所述至少一个发光元件中的所述势阱包括无机势阱。
17.根据权利要求15所述的发光系统，其中所述单片集成的两个或更多个发光元件中的发光元件都没有用于驱动所述发光元件中所述电致发光器件的专用开关电路。
18.根据权利要求15所述的发光系统，其中所述单片集成的两个或更多个发光元件中的所述电致发光器件为单片集成的。
19.一种发光系统，包括：
至少一个第一发光元件，所述第一发光元件能够输出具有第一波长的光；
至少一个第二发光元件，所述第二发光元件能够输出具有不同于所述第一波长的第二波长的光；以及
至少一个第三发光元件，所述第三发光元件能够输出具有不同于所述第一和第二波长的第三波长的光，并且包括：
电致发光器件，所述电致发光器件能够发出具有所述第一波长的光；
第一光致发光元件，所述第一光致发光元件用于将所述电致发光器件发出的光的至少一部分从第一波长转换为第二波长；以及
第二光致发光元件，所述第二光致发光元件用于将所述电致发光器件发出的光的至少一部分或所述第一光致发光元件转换的光转换为所述第三波长。
20.根据权利要求19所述的发光系统，其中所述至少一个第一发光元件包括能够发出具有所述第一波长的光的电致发光器件。
21.根据权利要求19所述的发光系统，其中所述至少一个第二发光元件包括电致发光器件和光致发光元件，所述电致发光器件能够发出具有第四波长的光，所述光致发光元件用于将所述电致发光器件发出的光的至少一部分从所述第四波长转换为所述第二波长。
22.根据权利要求21所述的发光系统，其中所述第四波长与所述第一波长相同。
23.根据权利要求19所述的发光系统，其中所述第一光致发光元件包括势阱。
24.根据权利要求19所述的发光系统，其中所述第二光致发光元件包括势阱。
25.根据权利要求19所述的发光系统，其中所述第一波长位于光谱的蓝光区域，所述第二波长位于光谱的绿光区域，所述第三波长位于光谱的红光区域。
26.根据权利要求19所述的发光系统，包括至少两个第二发光元件，所述至少两个第二发光元件中的每个第二发光元件包括电致发光器件和光致发光元件，其中所述电致发光器件能够发出具有所述第一波长的光，所述光致发光元件用于将所述电致发光器件发出的光的至少一部分从所述第一波长转换为所述第二波长，并且其中所述至少两个第二发光元件中的至少两个光致发光元件形成连续结构。
27.一种发光系统，包括：
至少一个第一发光元件，所述第一发光元件能够输出具有第一波长的光；以及
至少一个第二发光元件，所述第二发光元件能够输出具有不同于所述第一波长的第二波长的光，并且包括：
电致发光器件，所述电致发光器件能够发出具有所述第一波长的光；以及
势阱，所述势阱用于将所述电致发光器件发出的光的至少一部分从所述第一波长转换为所述第二波长。
28.根据权利要求27所述的发光系统，其中所述至少一个第一发光元件包括能够发出具有所述第一波长的光的电致发光器件。
29.一种光学系统，包括：
像素化发光系统，所述像素化发光系统能够发光，每个像素包括电致发光器件，其中至少一个像素包括用于下转换所述像素中所述电致发光器件发出的光的一个或多个势阱；以及
像素化空间光调制器，所述像素化空间光调制器用于接收所述像素化发光系统发出的光。
30.根据权利要求29所述的光学系统，其中所述发光系统的每个像素发出的光具有基本上相同的光谱。
31.根据权利要求29所述的光学系统，其中所述发光系统的像素比所述空间光调制器的像素少。
32.一种投影系统，所述投影系统包括权利要求29所述的光学系统。
33.一种像素化发光系统，所述像素化发光系统能够形成图像并发光，其中所述发光系统中的每个像素包括电致发光器件，并且其中至少一个像素包括用于下转换所述像素中所述电致发光器件发出的光的一个或多个势阱。
34.根据权利要求33所述的像素化发光系统，其中所述发光系统中的所述像素被构造为有源矩阵。
35.根据权利要求33所述的像素化发光系统，其中所述发光系统中的所述电致发光器件为单片集成的。
36.根据权利要求33所述的像素化发光系统，其中所述一个或多个势阱包括无机势阱。
37.一种投影系统，所述投影系统包括根据权利要求33所述的像素化发光系统。
38.一种显示系统，包括：
发光系统，所述发光系统包括多个第一像素，每个像素具有用于控制所述像素的输出光的专用开关电路，至少一个像素包括电致发光器件和用于下转换所述电致发光器件发出的光的势阱；以及
空间光调制器，所述空间光调制器接收来自所述发光系统的光，并且包括多个第二像素，所述多个第一像素中的每个像素照亮所述多个第二像素的不同子集。
39.根据权利要求38所述的显示系统，其中所述多个第二像素中的至少一个像素只接收来自所述多个第一像素中一个像素的光。
40.根据权利要求38所述的显示系统，其中所述发光系统中的至少一个像素包括多个亚像素，所述至少一个像素的所述专用开关电路控制所述至少一个像素中每个亚像素的输出光。
41.一种投影系统，所述投影系统包括根据权利要求38所述的显示系统。
42.一种发光系统，包括：
单片集成的两个或更多个发光元件，每个发光元件都能够输出白光，所述两个或更多个发光元件中的至少一个发光元件包括：
发光二极管，所述发光二极管能够发出蓝光；
第一势阱，所述第一势阱用于将所述蓝光的至少一部分转换为绿光；以及
第二势阱，所述第二势阱用于将所述绿光或蓝光的至少一部分转换为红光。
43.根据权利要求42所述的发光系统，其中所述发光二极管包含III-V族半导体，并且所述第一势阱和所述第二势阱中的至少一个包含II-VI族半导体。
44.根据权利要求42所述的发光系统，其中所述II-VI族半导体包括Cd、Zn、Se和可选的Mg的合金。
45.根据权利要求42所述的发光系统，其中所述两个发光元件中的每一个包括：
发光二极管，所述发光二极管能够发出蓝光；以及
第一势阱，所述第一势阱用于将所述蓝光的至少一部分转换为绿光，其中
两个所述第一势阱来自相同的层。
46.一种发光系统，包括：
多个电致发光器件，所述电致发光器件能够发光，其中第一光转换元件覆盖两个或更多个电致发光器件，并且用于下转换所述两个或更多个电致发光器件发出的光的至少一部分。
47.根据权利要求46所述的发光系统，还包括覆盖所述第一光转换元件的一部分的第二光转换元件，所述第二光转换元件用于转换所述第一光转换元件发出的光的至少一部分。
48.根据权利要求47所述的发光系统，其中所述第一和第二光转换元件中的至少一个包括势阱。
49.根据权利要求46所述的发光系统，其中所述多个电致发光器件中的至少一个为发光二极管。
50.根据权利要求46所述的发光系统，还包括光学透明的层，用于平面化所述发光系统的发光面。
51.一种制品，包括：
多个电致发光器件，所述多个电致发光器件在第一基底上制得；
势阱，所述势阱用于转换所述多个电致发光器件中的电致发光器件发出的光；以及
多个开关电路，所述多个开关电路在第二基底上制得，所述第二基底上的每个开关电路设计为用于驱动所述第一基底上的对应的电致发光器件，其中所述第一基底附接到所述第二基底，附接时所述第二基底上的每个开关电路面向所述第一基底上的对应的电致发光器件。
52.根据权利要求51所述的制品，其中所述多个电致发光器件中的至少一个电致发光器件包括发光二极管。
53.根据权利要求51所述的制品，其中所述第一基底通过结合层附接到所述第二基底。
54.一种发光系统，包括：
至少一个第一发光元件，所述第一发光元件能够输出具有第一波长的光；以及
至少一个第二发光元件，所述第二发光元件能够输出具有不同于所述第一波长的第二波长的光，并且包括：
电致发光器件，所述电致发光器件能够发出具有所述第一波长的光；
第一光转换元件，所述第一光转换元件用于将所述电致发光器件发出的光的至少一部分从所述第一波长转换为不同于所述第一和第二波长的第三波长；以及
第二光转换元件，所述第二光转换元件用于将所述第一光转换元件转换的光的至少一部分从所述第三波长转换为所述第二波长。
55.根据权利要求54所述的发光系统，其中所述第一光转换元件和第二光转换元件中的至少一个包括势阱。
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