CN102171847A - 半导体颜色可调谐宽带光源和全色微显示器 - Google Patents

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Abstract

提供了可用于采用和制造光源装置的方法和系统。第一发光二极管发射具有第一波长的光，以及第二发光二极管以用于发射具有第二波长的光。所述第一和第二发光二极管中的每一个可包括成角小平面以便在朝向所述第一发光二极管顶端的方向上反射入射光。包括成角小平面的第二发光二极管可在朝向所述第二发光二极管顶端的方向上反射入射光。第一分布式布拉格反射器布置在所述第一发光二极管的顶端和所述第二发光二极管底端之间以便允许来自所述第一发光二极管的光通过并且反射来自所述第二发光二极管的光。

Description

半导体颜色可调谐宽带光源和全色微显示器
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年10月3日提交的序列号为61/102,760的美国临时申请的权益，通过对其整体引用而被结合于此。
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)器件。
背景技术
LED是光电器件，其通过再结合注入的电子和空穴辐射发光。依赖于特定光电器件中活性物质的带隙，LED可发射从紫外到红外的宽范围波长的光。然而，主要关注的光波长在可见光区域。在可见光谱段(典型地从～400nm(紫色)到～700nm(红色))发光的LED对于人眼是可见的，并因此对照明用途有用。为了发射可见波长的光，经常使用的III族和V族元素(即分别在周期表中第三列和第五列中的元素)是镓(Ga)、铟(In)和氮(N)。经常用来自周期表中其他列的杂质对这样的材料进行掺杂以赋予电活性，再通过电子从导电态到价态的再结合而产生光。
上述器件被称作(In，Ga)N材料族。已经采用由这种材料体系制作的LED。LED典型地包括单色光源，该单色光源发射单光谱峰值和窄线宽(例如～30nm)的光。通过改变材料系中的铟成份可使得使用(In，Ga)N材料体系制作的LED发射范围从～380nm(近UV)到～540nm(即绿色)的单色光。具有其单色特性的LED在其中仅要求单色的、例如光指示器的应用中是有用的。
另一方面，白光是无法利用单个LED直接产生的宽带多色光。然而，如果可使得LED在许多离散的或连续的波长上产生光，则由此得到的光谱可为多色的并且来自这样的LED的发射可显示为白色。这可能是有用的，因为对于照明用途来说，白光通常是理想的。就发光效率、寿命以及光谱纯度而言，作为照明光源的LED要优于例如白炽灯和荧光管等以前的照明技术。
有两种主要的制作宽带LED光源的常规方法。第一种方法使用磷光体以用于颜色向下转换。传统上使用暴露于某些波长的辐射时发光的磷光材料以用于发光二极管(LED)中的颜色转换。器件可发射高能光子，磷光体可吸收之，然后重发射较低能量且因此为不同颜色的光子。
这种磷光体吸收较短波长的光子并且重发射更长波长的光子。对于白光发射，可使用绿色和红色发光磷光体。应该注意的是任何形式的颜色转换会带来能量损失。虽然绿色磷光体可具有高达90％的量子效率，但是红色磷光体的量子效率典型地被限制到40％左右。这又解释了低墙装插头(wall-plug)效率。
在这种颜色向下转换方案中，可将例如发射460nm(蓝色)光的InGaN LED的较短波长单色LED用作激励光源。这种光可用于激励发射例如绿色和红色的较长波长的磷光体的发光。产生的光由可见光谱的不同部分的成分组成，并因此被认为是宽带光。因为磷光体粒子小(例如在纳米量级)并且裸眼不能分辨，如果不同颜色的比例合适，发出的光显示为白色。这种白光产生的形式类似于荧光灯管采用的形式。
但是，存在与磷光体关联的许多缺点，包括有限的寿命、斯托克斯波(Stokes-wave)能量损失、低可靠性和低发光效率。
另一种制作宽带LED光源的方法是将分立的LED芯片安装在单个封装之上。这经常被称作多芯片LED，其中将发射基色光(即蓝、绿和红)的LED安装到单个封装之上。然而，使用这种技术无法获得白光发射。每个LED芯片的尺寸典型地在100微米以上，而LED芯片的间隔具有相同的量级。结果颜色不均匀并因此对于裸眼呈现分立的颜色，除非将其放置在很远的距离，但此时LED的强度已极大下降。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供了半导体颜色可调谐宽带光源和全色微显示器，以及制造半导体颜色可调谐宽带光源和全色微显示器的方法。
按照本发明的第一方面，提供了一种光源装置，包括：第一发光二极管，用于发射具有第一波长的光，所述第一发光二极管包括成角小平面以便在朝向所述第一发光二极管顶端的方向上反射入射光；第二发光二极管，用于发射具有第二波长的光，所述第二发光二极管布置在所述第一发光二极管的顶端之上，并且所述第二发光二极管包括成角小平面以便在朝向所述第二发光二极管顶端的方向上反射入射光；以及第一分布式布拉格反射器，布置在所述第一发光二极管的顶端和所述第二发光二极管底端之间以便允许来自所述第一发光二极管的光通过并且反射来自所述第二发光二极管的光。
按照本发明的第二方面，提供了一种光电器件，包括单色微显示器的堆叠，所述单色微显示器的堆叠包括：发射具有第一波长的光的第一微显示器；发射具有第二波长的光的至少第二微显示器，所述第一波长不同于所述第二波长；以及分布式布拉格反射器，布置在所述第一微显示器和所述至少第二微显示器之间以便允许来自所述第一微显示器的光通过并且反射来自所述至少第二微显示器的光。
按照本发明的第三方面，提供了一种电子和光电器件的晶片切割过程，所述晶片切割过程基于激光微机械加工以便形成具有成角小平面的切割芯片，所述晶片切割过程包括：提供在上表面上具有多个制造器件的加工过的晶片；在晶片表面引导激光束以用于晶片切割；将激光束反射离开激光反射镜，其中所述激光束以与垂直轴倾斜的角度入射到加工过的晶片上，通过去除半导体、金属或绝缘材料，入射光束在入射点形成槽；平移所述加工过的晶片使得所述激光束在所述加工过的晶片上的器件的外围附近形成槽。
附图说明
参考下列附图描述了本发明的非限制性和非穷尽的方面。除非另外说明，在各附图中，相同的附图标记指相同的部件。
图1示出了根据本发明的LED堆叠；
图2示出了根据本发明的、通过对红色LED器件、绿色LED器件和蓝色LED器件进行选择性供电可产生不同颜色的光的一些示例；
图3示出了根据本发明的、光束可在红色LED器件、绿色LED器件和蓝色LED器件内传播的不同角度；
图4示出了根据本发明的三LED堆叠的示意图；
图5示出了根据本发明已装配的三LED堆叠的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图6示出了根据本发明的第一分布式布拉格反射器(DBR)层和第二DBR层的层的反射光谱；
图7示出了根据本发明的、来自LED堆叠的单色蓝光发射以及相应的光谱；
图8示出了根据本发明的、通过混合蓝色和红色发射的、来自LED堆叠的多色粉红色光发射连同相应的光谱；
图9示出了根据本发明的、由LED堆叠发射的不同颜色范围连同其相应的光谱；
图10示出了根据本发明的红色、绿色、蓝色三个微显示器的示意图；
图11示出了根据本发明制作的蓝色单色微显示器的显微照片；
图12示出了根据本发明已装配的堆叠的微显示器的正交视图；
图13示出了根据本发明已装配的堆叠的微显示器的顶视图；
图14示出了根据本发明的激光微机械加工系统和X-Y-Z平移系统，所述激光微机械加工系统可包括若干主要部件，包括高功率紫外(UV)激光器、光束扩展器、激光线反射镜、聚焦透镜、宽带UV反射镜、晶片；
图15示出了根据本发明的LED堆叠。
具体实施方式
这里描述的某些示范方法和系统可用于采用和制造包括发光二极管(LED)堆叠的固态光源。还提供了制造这种固态光源的工艺。这种固态光源能够发射分立的基色光(即红色、蓝色和绿色)，或包括白色的混合色。这种LED堆叠可由堆叠在绿色LED上的蓝色LED组成，该绿色LED可随后堆叠在红色LED之上。这样的堆叠策略可确保最佳的颜色混合。该三个LED器件可以是单独可控的。如果点亮所有三个LED，则光学混合的输出可产生白光。可通过仅开启LED堆叠的单个LED器件来获得单色光。可通过同时开启两个或三个LED器件并通过调节适当的偏压来调谐其他颜色。
器件中分立的蓝色、绿色、红色LED可以被单独驱动，并且可以改变各种颜色成分的强度。但是，颜色未被混合，因此无法构成颜色可调谐器件。到目前为止市场上还没有真正的颜色可调谐LED。
近年，已经展示了使用LED材料的、基于半导体的发射微显示器。但是，由于LED晶片的单色特性，这些微显示器只能发射单色光。虽然可使用三色像素实现全色微显示器，但是存在有若干不利之处。这些不利之处包括(1)如上所讨论的与磷光体关联的所有不利之处，(2)在微米量级给单独的像素涂覆磷光体的复杂性，以及(3)驱动电路的复杂性。
如这里所讨论的堆叠LED设计不采用颜色转换来产生白光。堆叠中的每个LED器件可包括透明材料以便允许光通过。通过采用正确的LED堆叠顺序(也就是，蓝色LED器件在绿色LED器件之上，接着是红色LED器件位于底部)，发射的光可穿越上面的透明器件并具有最小的吸收损失。由于LED器件彼此堆叠的事实，来自三个LED器件的光子都从相同的窗口(也就是，经过顶部的蓝色LED器件)发射的，使得输出的颜色被充分光学混合。在LED器件之间集成分布式布拉格发射器(DBR)可确保向发射窗口的方向发射光，这归因于介质镜的波长选择反射特性。
LED器件中的每一个可包括微机械加工的成角小平面，该成角小平面具有涂覆的金属反射镜以便抑制单色光从LED小平面泄漏。这种实际应用也可消除与使用磷光体进行颜色转换有关的问题，包括有限的寿命、斯托克斯波能量损失、低可靠性和低发光效率。通过避免传统白光LED器件的这些不利之处，可开发LED的全部潜能以提供高量子效率、长寿命和高可靠性。
还可使用类似的堆叠策略将实际应用扩展到全色微显示器。例如，可适当对准彼此堆叠三个单色微显示器以实现全色微显示器。可将蓝色微显示器堆叠在绿色微显示器之上，随后又将绿色微显示器堆叠在红色微显示器之上。三个微显示器可具有相同的设计和尺寸，使得如果堆叠在一起，单独的像素彼此交迭(例如，这可被称作“像素堆叠”)。因此，每个像素可实际包括由三个彼此堆叠其上的LED器件组成的器件。通过控制三个LED器件的强度，可控制像素的输出颜色。这样，可获得具有全色发射的任何像素尺寸和分辨率的微显示器。
图1示出了本发明的LED堆叠100。这种LED堆叠可由红色LED器件105、绿色LED器件110和蓝色LED器件115组成。红色LED器件105可发射具有大约650nm范围波长的光，绿色LED器件110可发射具有大约510nm范围波长的光，而蓝色LED器件115可发射具有大约475nm范围波长的光。LED堆叠100可包括布置在绿色LED器件110之下的红色LED器件105顶部边缘上的第一分布式布拉格反射器(DBR)120。第二DBR 125可布置在蓝色LED器件115之下的绿色LED器件110的顶部边缘上。该DBR可允许来自下面的LED的光通过并且还可反射来自布置在上面的LED的光。例如，来自绿色LED器件110的光可通过DBR 125而且任何向下反射经过蓝色LED器件115到达DBR 125顶部表面上的光可在朝向蓝色LED器件115的顶部表面130的方向上被反射。
图2示出了根据本发明的、通过对红色LED器件105、绿色LED器件110和蓝色LED器件115选择性供电可产生不同颜色的光的一些示例。在本示例中，红色LED 105可发射红色光束200，其经过DBR120、绿色LED 110、DBR 125、蓝色LED 115并且经过蓝色LED器件115的顶部表面130向上传播。绿色LED器件110可发射绿色光束205，其经过DBR 125、蓝色LED 115并且经过蓝色LED器件115的顶部表面130向上传播。绿色LED器件还可产生第二绿色光束210，其初始沿着朝向DBR 120的方向传播。但是，DBR 120可在经过DBR125、蓝色LED 115并且经过蓝色LED器件115的顶部表面130的方向上反射第二绿色光束210。
蓝色LED器件115可发射蓝色光束215，其经过蓝色LED器件115的顶部表面130向上传播。蓝色LED器件115还可产生第二蓝色光束220，其初始沿着朝向DBR 125的方向传播。但是，DBR 125可在经过蓝色LED器件115的顶部表面130的方向上反射反射第二蓝色光束220。
红色LED器件105、绿色LED器件110和蓝色LED器件115可共用公共阳极230且可经由它们自身的阴极选择性供电。例如，蓝色LED115可采用第一阴极235，绿色LED器件110可采用第二阴极240，而红色LED器件105可采用第三阴极245。
图3示出了根据本发明的、光束在红色LED器件105、绿色LED器件110和蓝色LED器件115内传播的各种角度。在本示例中，可对红色LED器件105、绿色LED器件110和蓝色LED器件115中每一个的成角小平面或壁涂覆镜面材料，以确保光束不会从LED器件的侧面逃逸，而是被向上引导经过蓝色LED器件115的顶部表面130。在本示例中，红色LED器件105包括第一镜面300，绿色LED器件110包括第二镜面305，蓝色LED器件115包括第三镜面310。任一镜面可涂覆例如铝或银的金属。
图4示出了根据本发明的三LED堆叠的示意图。如图所示，将第一LED器件400布置在第二LED器件405和第三LED器件410之下。相对于图1，第一LED器件400可对应于红色LED器件105，第二LED器件405可对应于绿色LED器件110，而第三LED器件可对应于蓝色LED器件115。
图5示出了根据本发明已装配的三LED堆叠的扫描电子显微镜(SEM)图像。如图所示，该三LED堆叠可包括布置在第二LED器件505和第三LED器件510之下的第一LED器件500。
图6示出了根据本发明的第一DBR层(例如图1的DBR 120)和第二DBR层(例如图1的DBR 125)的层的反射光谱。如图所示，DBR 120的反射光谱具有位于550nm附近的峰值，而DBR 125的反射光谱具有位于470nm附近的峰值。
图7示出了根据本发明的、来自LED堆叠的单色蓝光发射700以及相应的光谱705。如图所示，作为峰值功率分布的光谱位于475nm附近。
图8示出了根据本发明的、通过混合蓝光和红光发射的、来自LED堆叠的多色粉红光发射800连同其相应的光谱805。如图所示，该光谱具有位于475nm和650nm附近的峰值功率分布。
图9示出了根据本发明的LED堆叠发射的不同颜色的范围连同其相应的光谱。如图所示，可发射各种不同颜色的光，而且该不同颜色可由各种峰值功率分布组成。发射的各种颜色包括示例(a)中的青绿色、示例(b)中的海军蓝、示例(c)中的深紫色、示例(d)中的浅紫色、示例(e)中的黄色、示例(f)中的栗色，以及示例(g)中的黑色。
图10示出了根据本发明的红色、绿色和蓝色三个微显示器的示意图。如图所示，可将红色微显示器1000布置在绿色微显示器1005之下，进而可将绿色微显示器1005布置在蓝色微显示器1010之下。
图11示出了根据本发明制作的蓝色单色微显示器的显微照片1100。图12示出了根据本发明已装配的堆叠的微显示器的正交视图。如图所示，可将红色微显示器1200布置在绿色微显示器1205之下，进而可将绿色微显示器1205布置在蓝色微显示器1210之下。图13示出了根据本发明已装配的堆叠的微显示器1300的顶视图。
如这里所讨论的包含堆叠LED的器件的实际应用，可消除或基本减少与传统的涂覆磷光体的白色LED相关联的不利之处，开发LED的全部潜能以实现固态照明。首先，消除对例如磷光体的颜色转换媒介的需求实现了无损白光生成。其次，例如磷光体的颜色转换媒介的寿命限制了传统白光LED的寿命。但是，通过避免使用磷光体，白光LED的寿命只是LED堆叠中单独LED的寿命，众所周知其具有延长的寿命并且极其可靠。
第三，可消除与颜色转换媒介关联的所有其他的缺点，例如有限的寿命，斯托克斯波能量损失、低可靠性和低发光效率。第四，通过在两个LED之间插入反射来自上部LED的光但仍允许传输来自下部LED的光的分布式布拉格反射器(DBR)(例如图1的DBR 120和125)来解决下面的器件的光吸收问题。第五，将以另外的方式影响发射均匀性的、来自器件小平面的潜在光泄漏问题通过涂覆镜面的成角小平面的引入而得到解决，使得横向传播的光被反射并被改变方向以用于从器件顶部表面发射。最后，该堆叠拓扑确保了光学颜色混合，提供了均匀的多色光发射。
可使用标准LED加工顺序制作绿色、蓝色和红色LED，包括光刻法、干法刻蚀和金属淀积。可使用LED晶片制作绿色和蓝色LED，其中在透明蓝宝石衬底上通过MOCVD外延生长InGaN材料。在LED结构中嵌入一系列多量子(multi-quantum)阱以获得期望的发射波长(通过微调带隙)。可使用LED晶片制作红色LED，其中在非透明GaAs衬底上通过MOCVD外延生长AlInGaP材料。
可通过首先利用光刻法限定LED的台面(mesa)区域来制作绿色或蓝色LED。将光刻胶层旋转涂覆到LED晶片上，并将其曝露于通过掩模对准器上具有预定图案的光掩模的紫外光。曝光后的样品可在光刻胶显影剂中显影。所要求的图案被转移到样品上。随后可使用具有CI2和BCl3气体的感应耦合等离子体(ICP)干法蚀刻形成台面结构。随后以500nm/min的典型速率将GaN材料蚀刻掉。
另一光刻步骤可限定LED的有源区。可再使用相同的ICP方法对晶片进行干法蚀刻，将n型GaN区域的一部分曝露以用于后续的n接触。电流扩散区域可通过光刻法来限定。通过电子束蒸发来淀积包括5nm Au和5nm Ni的电流扩散层。接着可在丙酮中起离(lift off)金属层，使得金属双层留在电流扩散区域中。该层可充当该器件的p型接触。
可通过光刻法来限定n型和p型接触盘区域。可通过电子束蒸发来淀积厚度分别为20/200nm的Ti/Al金属双层。可在丙酮中起离金属层，使得金属仅留在接触盘区域，充当n型和p型接触盘。可使晶片的蓝宝石面变薄到大约100微米以改进热消散，并对其进行抛光以增强通过蓝宝石衬底的光传输。
通过在顶部LED表面上淀积Au p型接触以及在底部GaAs表面上淀积Au n型接触来制作红色LED。与基于GaN的LED不同，垂直电流传导是可能的，因为GaAs是导电体。
如果需要可在LED晶片之上生长DBR。DBR可包括波长选择反射镜，其可反射反射带(refletance band)内某些波长的光并传输传输带内的其他波长的光，包括具有折射率差的交替电介质材料对。DBR的特征取决于设计参数，包括电介质材料和它们厚度的选择。
在红-绿-蓝(“RGB”)堆叠的情况下，可在绿色LED晶片和红色LED晶片之上生长DBR层。在绿色LED之上的DBR可反射来自上面的蓝色LED的蓝光，而允许分别来自绿色LED和红色LED的绿光和红光通过。在红色LED之上的DBR可反射来自上面的绿色LED的绿光，而允许来自红色LED的红光通过。
可使用定制的激光微机械加工系统切割晶片。可获得具有期望尺寸的有成角小平面的单独的LED芯片。
图14示出了激光微机械加工系统1400，其可包括若干主要部件，包括高功率紫外(UV)激光器1405、光束扩展器1410、激光线反射镜1415、聚焦UV物镜1420、宽带UV倾斜反射镜1425、晶片1430以及X-Y平移台1435。当聚焦的激光束照射到晶片1430上时，通过X-Y平移台1435可移动晶片1430。
在传统激光微机械加工中，聚焦透镜将激光束聚焦到小点，其入射到将要垂直微机械加工的晶片上。然而，根据这里的实际应用，将宽带UV反射镜插入聚焦透镜和晶片之间。以倾斜角度放置该反射镜，其目的是将光束反射离开反射镜，使得聚焦光束可以任意倾斜角度入射到晶片上。可通过转动该反射镜来调整该角度。结果，切割后的器件芯片可具有带任意倾斜角度的成角小平面。
LED堆叠的装配始于使用导热和导电的加银环氧树脂(silver epoxy)将红色LED芯片绑定(chip-bind)到TO-can封装。通过施加UV粘合剂(例如Norland63)层将绿色LED安装到红色LED之上，同时将红色LED的上部p型焊盘曝露。一旦对准了器件，就可在UV照射下固化组件。
接着在组件之上安装蓝色LED，确保下方器件的焊盘曝露。再次在LED芯片之间使用UV粘合剂。通过在UV辐射下曝露而将LED堆叠固定在适当的位置上。
可以倒转LED堆叠，并且通过溅射的电子束蒸发、典型地使用铝或银来涂覆金属反射镜。将在堆叠中芯片的成角小平面上涂覆金属反射镜。这种反射镜可防止光传过小平面。
来自全部三个芯片的光发射可以发射通过顶部蓝色LED。这是可能的，因为顶部蓝色LED对绿光和红光是透明的。这遵循光吸收规则。向下的光发射，就是，朝向下面的LED的光传播可因为DBR层的存在而被抑制。结果，将光损失减少到最小。依靠用来向上反射横向传播的光的涂覆反射镜的成角小平面也抑制了来自侧面小平面的光发射。
可能需要五个丝焊来建立与芯片的电连接，包括红色LED的p盘以及绿色和蓝色LED的p盘和n盘。可以利用导电的加银粘合剂来连接红色LED的n盘。可以互连这样的n盘以便形成公共阳极。最终，获得包括分别用于红色、绿色和蓝色LED的一个公共阳极和三个阴极的4-端子器件。
通过对单个阴极施加偏压，开启单个器件而整个堆叠发射单色光。通过施加偏压到一个以上的阴极可发射多色光。通过调整相应的阴极可调谐发射颜色。通过调整红色、绿色和蓝色的适当成分(例如相应的强度和量)，可获得白光发射。
这可能是白光产生的无损方法，涉及来自交迭的单色器件的光谱成分的相加(总计)。
可堆叠单色发射微发光二极管二维阵列以形成全色二维微显示器。可使用蓝色、绿色和红色LED晶片制作单色2D微显示器。该LED阵列可以是单片LED阵列。
X乘Y阵列的设计可基于矩阵寻址方案。该阵列可包括形成阵列的基的X列，和y数目个沿每列均匀分布的微LED元件(微米尺寸)。
所以，列上的器件共用公共n型区域，以及因此共用公共n型电极。可通过穿过列的金属线互连每个微LED之上的p型区域。接触盘的总数目因此是(x+y)，比如果每个像素具有自己单独的电极的数目(x*y)要小很多。
由感应耦合等离子体(ICP)蚀刻来形成列和微LED像素。调谐该加工条件以蚀刻具有与垂直方向成30°到45°倾角的侧壁的台面结构。通过电子束蒸发来淀积40nm的SiO2层以用于n和p掺杂区域的绝缘。
可使用起离工艺随后将每个单独像素的顶部平面曝露以用于接触形成。使用电子束蒸发通过起离淀积Ti/Al(20/200nm)和Ni/Au(30/30nm)作为n型和p型欧姆接触。接触可在氮气环境中经受5分钟的550℃快速热退火(RTA)。这种金属互连可覆盖微LED像素的侧壁以确保仅经过顶部表面发射光。
可在绿色微显示器之上堆叠蓝色微显示器、继之堆叠在红色LED显示器上来装配全色微显示器。可设计红色、绿色和蓝色微显示器使得它们的像素对准，但它们的焊盘处于不同位置。
可将红色微显示芯片焊接(chip-bond)到合适的陶瓷封装。通过施加UV粘合剂(Norland63)层而将绿色微显示器安装到红色微显示器之上，同时将红色微显示器的焊盘曝露。一旦对准了单独的像素，就可在UV照射下固化组件。
在组件之上安装蓝色微显示器，确保下方器件的焊盘被曝露。再次在LED芯片之间使用UV粘合剂。
通过在UV辐射下曝露而将LED堆叠固定在适当的位置上。通过丝焊将焊盘连接到封装。可将整个器件连接到用于操作的适当的外部矩阵驱动器。可控制像素以便发射可见光谱中的任何颜色。
图15示出了根据另一实施例的LED堆叠。参考图15，为了均匀，光发射通过堆叠的器件。类似于上面讨论的三LED器件堆叠的LED设计，在底部形成红色LED 1505而在顶部堆叠蓝色LED 1510。对于图15提供的实施例，省略了中间的绿色LED器件。取而代之，通过使用布置在蓝色LED 1510上的绿色荧光微球体1515实现绿光的产生。在另一实施例中，可使用磷光体或量子点(quantum dots)来提供可激发的绿光波长。用两个堆叠的LED代替三个堆叠的LED，装配更加容易并且可以改善热消散。另外，顶部丝焊的数目可从5个顶部丝焊减少到3个顶部丝焊。因此，该混合器件可能更容易装配，具有更好的散热能力，并且可因顶部丝焊的减少而更容易封装。一些能量损失可能会发生，但在绿色荧光微球体下的蓝色LED能有效地激发绿色荧光，使能量损失最小。
可使用类似的策略将实际应用扩展到全色微显示器。例如，可适当地在彼此之上堆叠对准两个单色微显示器，其中将染色荧光微球体布置在顶部微显示器上。可将蓝色微显示器堆叠在红色微显示器之上，可在蓝色微显示器上设置绿色荧光微球体。在将蓝色微显示器堆叠在红色微显示器之上前，可在蓝色微显示器上设置绿色荧光微球体。这两个微显示器可具有相同的设计和尺寸，使得如果堆叠在一起则单独的像素彼此交迭。
根据一个实际应用，可使用任何适当的工艺制作红色LED和蓝色LED。还可在LED晶片的顶部表面上生长DBR。在一个实际应用中，在红色LED 1505的顶部表面上生长DBR 1520以反射来自上面的蓝色LED 1510的蓝光，而允许来自红色LED 1505的红光通过。在另一个实际应用中，还在蓝色LED 1510的顶部表面上生长DBR 1530以反射来自绿色荧光微球体的绿光。
混合LED堆叠的装配可始于在将红色LED的顶部p型焊盘曝露时使用例如UV粘合剂层在选择的红色LED上安装蓝色LED。对于其中LED包括成角小平面的实际应用来说，红色LED/蓝色LED堆叠可倒转并且可在堆叠中的芯片的成角小平面上涂覆金属反射镜。可在蓝色LED的顶部表面上均匀涂覆绿色荧光微球体。
能够利用的示范荧光微球体可包括Duke科技公司和Merck Estapor提供的微球体。这些荧光微球体典型地悬浮在去离子(DI)水中，并且它们的尺寸范围是直径在几十纳米到几十微米。可提供具有球体形状和尺寸均匀的微球体。
为了在蓝色LED的表面均匀涂覆微球体，使用滴管、注射器或吸液管将微球体悬浮液分配到蓝色LED上。
可使用旋涂器通过旋转涂覆将微球体均匀地涂覆在蓝色LED上。对于该工艺可使用1-5rpm的转速。也可通过倾斜散开微球体。例如，在将微球体悬浮液施加到LED芯片上后，将该器件倾斜到与垂直方向成约45度的角度。
可将微球体层的厚度控制为若干单层。这归因于与磷光体相比荧光微球体较大的尺寸(几百纳米到微米的直径)。通过获得薄的微球体涂层(例如不超过几个单层)，微球体将其自身组织成六角形阵列。这成为纳米粒子的自装配有序阵列。
可通过使用电子束蒸发涂覆例如SiO2的电介质层来保护和适当固定荧光微球体。还可在涂覆微球体的芯片上应用环氧树脂类的密封剂以保护混合LED堆叠不受外部环境影响。
微球体涂覆的另一种方法是将微球体与密封剂预先混合。将微球体悬浮液放入试管里并加热以去除水分(DI水)。往试管里加入密封剂。将试管放在混合器上以用于均匀混合。然后可使用滴管、注射器或吸液管将混合物施加到LED堆叠上。
在一个方面，可改变比例来混合具有不同发射波长的不同染色微球体以获得不同级别“白度”(whiteness)，也就是不同色温。
虽然这里使用各种方法和系统描述和显示了某些示范的技术，但是本领域技术人员应当理解，在没有背离要求保护的主题的情况下，可进行各种其他修改，以及可用等同物进行替代。另外，在没有背离这里所描述的中心概念的情况下，可进行许多修改以使特定的情形适于要求保护的主题的教导。因此，其目的是要求保护的主题不限于所公开的特定示例，而是这种要求保护的主题还可包括落入所附的权利要求的保护范围及其等同物的范围内的所有实际应用。

Claims (32)

1.一种光源装置，包括：
第一发光二极管，用于发射具有第一波长的光，所述第一发光二极管包括成角小平面以便在朝向所述第一发光二极管顶端的方向上反射入射光；
第二发光二极管，用于发射具有第二波长的光，所述第二发光二极管布置在所述第一发光二极管的顶端之上，并且所述第二发光二极管包括成角小平面以便在朝向所述第二发光二极管顶端的方向上反射入射光；以及
第一分布式布拉格反射器，布置在所述第一发光二极管的顶端和所述第二发光二极管底端之间以便允许来自所述第一发光二极管的光通过并且反射来自所述第二发光二极管的光。
2.如权利要求1所述的光源装置，其中所述第一发光二极管和第二发光二极管中的至少一个基本为单片。
3.如权利要求1所述的光源装置，其中所述第一波长比所述第二波长更长。
4.如权利要求1所述的光源装置，还包括第三发光二极管，用于发射具有第三波长的光，所述第三发光二极管布置在所述第二发光二极管顶端之上，并且所述第三发光二极管包括成角小平面以便在朝向所述第三发光二极管顶端的方向上反射入射光。
5.如权利要求4所述的光源装置，还包括第二分布式布拉格反射器，所述第二分布式布拉格反射器布置在所述第二发光二极管的顶端和所述第三发光二极管底端之间以便允许来自所述第二发光二极管的光通过并且反射来自所述第三发光二极管的光。
6.如权利要求4所述的光源装置，其中所述第一、第二和第三发光二极管具有基本相同的设计和发射面积，在具有不同带隙的不同半导体材料上制作所述第一、第二和第三发光二极管。
7.如权利要求4所述的光源装置，其中从所述第一发光二极管发射的光因为相应的带隙而基本无损失地通过所述第二和第三发光二极管。
8.如权利要求4所述的光源装置，其中所述第一发光二极管发射红光，所述第二发光二极管发射绿光，所述第三发光二极管发射蓝光。
9.如权利要求8所述的光源装置，其中所述光源装置响应于仅开启所述第一发光二极管而发射红光，所述光源装置响应于仅开启所述第二发光二极管而发射绿光，所述光源装置响应于仅开启所述第三发光二极管而发射蓝光。
10.如权利要求8所述的光源装置，其中所述光源装置同时从所述第一发光二极管发射红光、从所述第二发光二极管发射绿光以及从所述第三发光二极管发射蓝光，以便产生多色光。
11.如权利要求10所述的光源装置，其中所述多色光包括白光。
12.如权利要求11所述的光源装置，其中产生所述白光且未使用颜色转换。
13.如权利要求10所述的光源装置，其中通过改变红光、蓝光和绿光的强度或量，使得能够调谐所述光源装置的光学输出。
14.如权利要求4所述的光源装置，还包括单独LED的成角小平面上的反射镜涂层，所述反射镜涂层包括金属层并且适于反射光以及抑制从所述第一、第二和第三发光二极管的成角小平面的光的泄漏。
15.如权利要求1所述的光源装置，还包括在所述第二发光二极管上的荧光微球体层，当被来自所述第一发光二极管或所述第二发光二极管的光激发时，所述荧光微球体层发射具有第三波长的光。
16.如权利要求15所述的光源装置，其中所述第一发光二极管发射红光，所述第二发光二极管发射蓝光，所述荧光微球体层发射绿光。
17.如权利要求16所述的光源装置，其中所述光源装置同时从所述第一发光二极管发射红光、从所述第二发光二极管发射蓝光以便通过所述荧光微球体层产生多色光。
18.一种光电器件，包括单色微显示器的堆叠，所述单色微显示器的堆叠包括：
发射具有第一波长的光的第一微显示器；
发射具有第二波长的光的至少第二微显示器，所述第一波长不同于所述第二波长；以及
分布式布拉格反射器，布置在所述第一微显示器和所述至少第二微显示器之间以便允许来自所述第一微显示器的光通过并且反射来自所述至少第二微显示器的光。
19.如权利要求18所述的光电器件，其中所述第一微显示器和所述至少第二微显示器包括在红色微显示器之上堆叠的绿色微显示器以及在所述绿色微显示器之上堆叠的蓝色微显示器。
20.如权利要求19所述的光电器件，其中所述绿色、蓝色和红色微显示器具有基本相同的设计和尺寸。
21.如权利要求20所述的光电器件，其中在具有与发射颜色相对应的带隙的不同半导体材料上制作所述绿色、蓝色和红色微显示器。
22.如权利要求19所述的光电器件，其中每个单独的单色微显示器包括至少一个像素，所述像素包括矩阵可寻址的微米量级的发光二极管的二维阵列。
23.如权利要求22所述的光电器件，其中将所述红色、绿色和蓝色微显示器中每一个上的单独像素堆叠在彼此之上以便形成像素堆叠。
24.如权利要求23所述的光电器件，其中所述像素堆叠中的部件是单独可控的以便获得不同的发射强度。
25.如权利要求23所述的光电器件，其中对像素堆叠中来自发光二极管的发射进行光学混合。
26.如权利要求23所述的光电器件，其中将像素堆叠布置为发光二极管堆叠的二维阵列，所述发光二极管堆叠中的至少一个是颜色可调谐的。
27.如权利要求18所述的光电器件，其中将所述第二微显示器堆叠在所述第一微显示器之上，所述光电器件还包括在所述第二微显示器上的至少一个荧光微球体层。
28.如权利要求27所述的光电器件，其中所述第一微显示器是红色微显示器，所述第二微显示器是蓝色微显示器，所述至少一个荧光微球体层包括绿色荧光微球体。
29.一种电子和光电器件的晶片切割过程，所述晶片切割过程基于激光微机械加工以便形成具有成角小平面的切割芯片，所述晶片切割过程包括：
提供在上表面上具有多个制造器件的加工过的晶片；
在晶片表面引导激光束以用于晶片切割；
将激光束反射离开激光反射镜，其中所述激光束以与垂直轴倾斜的角度入射到加工过的晶片上，通过去除半导体、金属或绝缘材料，入射光束在入射点形成槽；
平移所述加工过的晶片使得所述激光束在所述加工过的晶片上的器件的外围附近形成槽。
30.如权利要求29所述的晶片切割过程，其中倾斜角度的范围是与垂直轴成大约0度到大约89度。
31.如权利要求29所述的晶片切割过程，其中因为加工过的晶片上存在激光微机械加工划线道，所述加工过的晶片为分开作好准备。
32.如权利要求29所述的晶片切割过程，还包括通过消融或吸收中的至少一种将半导体、金属或绝缘材料从所述加工过的晶片中移去。
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