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特表2024-539436量子ドット色変換材料を含む発光素子およびその製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-28
(54)【発明の名称】量子ドット色変換材料を含む発光素子およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 33/50 20100101AFI20241018BHJP
H01L 33/58 20100101ALI20241018BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20241018BHJP
【ＦＩ】
H01L33/50
H01L33/58
H01L33/32
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024529324
(86)(22)【出願日】2022-11-15
(85)【翻訳文提出日】2024-07-16
(86)【国際出願番号】 US2022049970
(87)【国際公開番号】W WO2023091415
(87)【国際公開日】2023-05-25
(31)【優先権主張番号】63/279,964
(32)【優先日】2021-11-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】000186762
【氏名又は名称】昭栄化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100116713
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 正己
(74)【代理人】
【識別番号】100179844
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 芳國
(72)【発明者】
【氏名】ハートラブ，ジェイソン
(72)【発明者】
【氏名】チャッダ，サケット
(72)【発明者】
【氏名】リー，アーネスト シー．
(72)【発明者】
【氏名】キム，ブライアン
(72)【発明者】
【氏名】アントニアディス，ホーマー
(72)【発明者】
【氏名】タンジララ，ラビスバーシュ
(72)【発明者】
【氏名】オルマイヤー，デイビッド
【テーマコード（参考）】
5F142
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F142AA03
5F142AA05
5F142BA32
5F142CD02
5F142CD15
5F142CD16
5F142CD17
5F142CD44
5F142CE03
5F142CE15
5F142CG03
5F142CG14
5F142DA13
5F142DA23
5F142DA36
5F142DA64
5F142DA72
5F142DA73
5F142DB20
5F142EA34
5F142FA28
5F142GA02
5F241CA04
5F241CA40
5F241FF06
(57)【要約】
発光素子であって、キャビティ壁によって境界を囲まれた第１の光キャビティと、第１の光キャビティ内に配置され、青色または紫外線放射の第１の入射光子を射出するように構成された第１の発光ダイオードと、前記第１の発光ダイオードの上に位置し、前記発光ダイオードによって射出された前記第１の入射光子を吸収し、前記第１の入射光子のピーク波長よりも長いピーク波長を有する第１の変換光子を生成するように構成された第１の色変換材料と、前記第１の色変換材料の上に配置され、前記第１の入射光子を吸収または反射し、前記第１の変換光子を透過するように構成された第１の色セレクタと、を含む発光素子。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１つの第１のキャビティ壁によって境界を囲まれた第１の光キャビティと、前記第１の光キャビティ内に配置され、青色または紫外線放射の第１の入射光子を射出するように構成された第１の発光ダイオードと、
前記第１の発光ダイオードの上に位置し、前記発光ダイオードによって射出された前記第１の入射光子を吸収し、前記第１の入射光子のピーク波長よりも長いピーク波長を有する第１の変換光子を生成するように構成された第１の色変換材料と、
前記第１の色変換材料の上に配置され、前記第１の入射光子を吸収または反射し、前記第１の変換光子を透過するように構成された第１の色セレクタと、
を含む、
発光素子。
【請求項2】
前記第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、１００ミクロン未満の長さおよび幅を有し、非ドープＧａＮまたはＩｎＧａＮ発光層を含むマイクロＬＥＤを含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項3】
前記第１の色変換材料は、量子ドットの層を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項4】
前記量子ドットの層は、前記第１の入射光子を吸収し、赤、緑、または青色を有する前記第１の変換光子を射出するように構成される、請求項３に記載の発光素子。
【請求項5】
前記第１の色セレクタは、有機ポリマーに埋め込まれた有機色素を含む色フィルタを含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項6】
前記第１の色セレクタが、分布ブラッグ反射体を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項7】
前記少なくとも１つの第１のキャビティ壁が絶縁性金属酸化物材料を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項8】
前記第１の発光ダイオードと前記第１の色変換材料との間の前記第１の光キャビティ内に位置する光抽出材料をさらに含み、前記光抽出材料は、前記少なくとも１つの第１のキャビティ壁の第２の屈折率よりも小さい第１の屈折率を有する、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項9】
少なくとも１つの第２キャビティ壁で境界を囲まれた第２の光キャビティと、前記第２の光キャビティ内に配置され、青色または紫外線放射の第２の入射光子を射出するように構成された第２の発光ダイオードと、
前記第２の発光ダイオードの上に位置し、前記発光ダイオードによって射出された前記第２の入射光子を吸収し、前記第２の入射光子のピーク波長および前記第１の変換光子のピーク波長よりも長いピーク波長を有する第２の変換光子を生成するように構成された第２の色変換材料と、
前記第２の色変換材料の上に配置され、前記第２の入射光子を吸収または反射し、前記第２の変換光子を透過するように構成された第２の色セレクタと、
少なくとも１つの第３の光キャビティ壁で境界を囲まれた第３の光キャビティと、
前記第３の光キャビティ内に配置され、青色または紫外線の第３の入射光子を射出するように構成された第３の発光ダイオードと、
前記第３の発光ダイオードの上に位置し、前記発光ダイオードによって射出された前記第３の入射光子を吸収し、前記第３の入射光子のピーク波長、前記第１の変換光子のピーク波長および前記第２の変換光子のピーク波長よりも長いピーク波長を有する第３の変換光子を生成するように構成された第３の色変換材料と、
前記第３の色変換材料の上に配置され、前記第３の入射光子を吸収または反射し、前記第３の変換光子を透過するように構成された第３の色セレクタと、
をさらに含む、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項10】
前記第１、第２および第３の発光ダイオードを支持するバックプレーンをさらに含み、前記少なくとも１つの第１、第２および第３のキャビティ壁は、前記バックプレーン上に位置し、その中に前記第１、第２および第３の光キャビティを含むマトリックス層の一部を備える、
請求項１に記載の発光素子。
【請求項11】
発光素子アレイを形成する方法であって、マトリックス材料に第１のビアを形成すること、
前記第１のビア内に第１の複数の量子ドットを堆積させて、第１の色に対応する色変換材料層の第１の部分を形成すること、
前記マトリックス材料中に第２のビアを形成すること、
前記第２のビア中に第２の複数の量子ドットを堆積させて、第２の色に対応する前記色変換材料層の第２の部分を形成すること、
前記マトリックス材料中に第３のビアを形成すること、および
前記第３のビア内に第３の複数の量子ドットを堆積させて、第３の色に対応する前記色変換材料層の第３の部分を形成すること、
を含み、
前記第１の複数の量子ドットは第１の発光ダイオードの上に配置され、前記第２の複数の量子ドットは第２の発光ダイオードの上に配置され、前記第３の複数の量子ドットは第３の発光ダイオードの上に配置される、
発光素子アレイを形成する方法。
【請求項12】
前記マトリックス材料に前記第２のビアを形成する前に、前記第１の複数の量子ドットの上に第１の保護層を形成すること、および、前記マトリックス材料に前記第３のビアを形成する前に、前記第２の複数の量子ドットの上に第２の保護層を形成すること、をさらに含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
同一のポジ型フォトレジスト堆積ステップ中に、前記第１のビアに第１のポジ型フォトレジスト部を形成し、前記第２のビアに第２のポジ型フォトレジスト部を形成し、前記第３のビアに第３のポジ型フォトレジスト部を形成することであって、ここで前記マトリックス材料に前記第１、第２および第３のビアを形成することは、同一のビア形成工程中に行われる、前記第１のビアに前記第１の複数の量子ドットを堆積させる前に、前記第１のビアを覆う前記第１のポジ型フォトレジスト部を選択的に露光し除去すること、
前記第１のビアに前記第１の複数の量子ドットを堆積させた後、前記第２のビアに前記第２の複数の量子ドットを堆積させる前に、前記第２のビアを覆う前記第２のポジ型フォトレジスト部を選択的に露光し除去すること、および
前記第２のビアに前記第２の複数の量子ドットを堆積させた後、前記第３のビアに前記第３の複数の量子ドットを堆積させる前に、前記第３のビアを覆っている前記第３のポジ型フォトレジストポジ部を選択的に露光し除去すること、
をさらに含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項14】
前記第１、第２および第３の発光ダイオードは、バックプレーン上に配置され、前記マトリックス材料は、前記マトリックス材料に前記第１、第２および第３のビアを形成する前に、前記第１、第２および第３の発光ダイオードの上に形成され、
前記第１のポジ型フォトレジスト部を選択的に露光することは、前記第１の発光ダイオードを活性化して前記第１のポジ型フォトレジスト部を露光することを含み、
前記第２のポジ型フォトレジスト部を選択的に露光することは、前記第２の発光ダイオードを活性化して前記第２のポジ型フォトレジスト部を露光することを含み、
前記第３のポジ型フォトレジスト部を選択的に露光することは、前記第３の発光ダイオードを活性化して前記第３のポジ型フォトレジスト部を露光することを含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記第１、第２および第３の発光ダイオードは、バックプレーン上に配置され、前記マトリックス材料は、前記マトリックス材料に前記第１、第２および第３のビアを形成する前に、前記第１、第２および第３の発光ダイオードの上に形成され、
前記マトリックス材料は金属または金属酸化物層を含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項16】
前記マトリックス材料は、前記第１、第２および第３の発光ダイオードの上にアルミニウム層として形成され、前記マトリックス材料に前記第１、第２および第３のビアを形成することは、酸浴中で前記第１、第２および第３の発光ダイオードの電極に電圧を印加することによって前記アルミニウム層を陽極酸化してアルミナマトリックス材料を形成することを含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記第１のビア内において前記第１の複数の量子ドット上に第１の色セレクタを形成すること、前記第２のビア内において前記第２の複数の量子ドット上に第２の色セレクタを形成すること、および
前記第３のビア内において前記第３の複数の量子ドット上に第３の色セレクタを形成すること、
をさらに含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項18】
前記第１、第２および第３の色セレクタが、有機ポリマー中に埋め込まれた有機色素カラーフィルタを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記第１、第２および第３の色セレクタが、分布ブラッグ反射体を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項20】
前記第１、第２および第３の色セレクタを形成する前に、前記第１、第２および第３の発光ダイオードの上に光抽出材料を形成することをさらに含み、前記光抽出材料は、前記マトリックス材料の第２の屈折率よりも小さい第１の屈折率を有する、
請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２１年１１月１６日に出願された、米国仮特許出願番号第６３／２７９，９６４に対する優先権を主張するものであり、当該仮特許出願の全容を参照により本願に繰り入れるものとする。
本開示は、発光素子に関し、特に、色変換材料を用いて光キャビティ内に形成された発光ダイオード、ならびにそれらの製造方法に関する。
本開示は、発光素子に関し、特に、色変換材料を用いて光キャビティ内に形成された発光ダイオード、ならびにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
発光素子は、ノートパソコンやテレビの液晶ディスプレイのバックライトなど、電子ディスプレイに使用されている。発光素子には、発光ダイオード（ＬＥＤ）をはじめ、光を発するように構成されたさまざまな種類の電子デバイスが含まれる
【0003】
ＬＥＤなどの発光素子の場合、発光波長は、サイズに依存する量子閉じ込め効果とともに、ＬＥＤの活性領域のバンドギャップによって決定される。多くの場合、活性領域には１つ以上のバルク半導体層や量子井戸（ＱＷ）が含まれる。ＧａＮベースの素子のようなＩＩＩ－窒化物系ＬＥＤ素子の場合、活性領域（例えば、バルク半導体層またはＱＷ井戸層）の材料は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮのような組成を有する三元系であってもよく、ここで０＜ｘ＜１である。
【0004】
このようなＩＩＩ族窒化物材料のバンドギャップは、活性領域に混入されるＩｎの量に依存する。インジウムの混入量が多いほどバンドギャップが小さくなり、発光波長が長くなる。本明細書では、「波長」という用語はＬＥＤのピーク発光波長を指す。半導体ＬＥＤの典型的な発光スペクトルは、ピーク波長を中心とした狭帯域の波長であることを理解されたい。
【発明の概要】
【0005】
本実施形態の１つである発光素子は、少なくとも１つの第１のキャビティ壁によって境界を囲まれた第１の光キャビティと、第１の光キャビティ内に配置され、青色または紫外線放射の第１の入射光子を射出するように構成された第１の発光ダイオードと、前記第１の発光ダイオードの上に位置し、前記発光ダイオードによって射出された前記第１の入射光子を吸収し、前記第１の入射光子のピーク波長よりも長いピーク波長を有する第１の変換光子を生成するように構成された第１の色変換材料と、前記第１の色変換材料の上に配置され、前記第１の入射光子を吸収または反射し、前記第１の変換光子を透過するように構成された第１の色セレクタと、を含む。
【0006】
発光素子アレイを形成する実施形態方法は、マトリックス材料に第１のビアを形成すること、第１のビア内に第１の複数の量子ドットを堆積させて、第１の色に対応する色変換材料層の第１の部分を形成すること、前記マトリックス材料中に第２のビアを形成すること、前記第２のビア中に第２の複数の量子ドットを堆積させて、第２の色に対応する色変換材料層の第２の部分を形成すること、前記マトリックス材料に第３のビアを形成すること、および前記第３のビア内に第３の複数の量子ドットを堆積させて、第３の色に対応する色変換材料層の第３の部分を形成すること、を含む。第１の複数の量子ドットは第１の発光ダイオードの上に配置され、第２の複数の量子ドットは第２の発光ダイオードの上に配置され、第３の複数の量子ドットは第３の発光ダイオードの上に配置される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【発明を実施するための形態】
【0008】
直視型ディスプレイのような表示装置は、画素の配列から形成され得る。各画素は、それぞれのピーク波長で発光するサブ画素の集合を含んでもよい。例えば、画素は、赤色サブ画素、緑色サブ画素および青色サブ画素を含んでもよい。各サブ画素は、特定の波長の光を射出する１つ以上の発光ダイオードを含んでもよい。従来は、各画素内に赤、緑、青（ＲＧＢ）のサブピクセルを有するという配置である。各画素は、色域内の任意の色の組み合わせが各画素に対してディスプレイに表示されるように、バックプレーン回路によって駆動される。ディスプレイパネルは、ＬＥＤサブ画素をバックプレーン上のボンドパッドにはんだ付けする、またはその他の方法で電気的に取り付けるプロセスによって形成することができる。ボンドパッドは、バックプレーン回路および他の駆動電子機器によって電気的に駆動されてもよい。
【0009】
様々な実施形態は、垂直キャビティ構造内の光量子的励起量子ドットを使用して、より短い波長の励起源から高効率の赤、緑、青、および／または他の色のピクセル化された光を生成するように構成された発光素子を提供する。実施例でのミクロスケールの発光ダイオード（マイクロＬＥＤ）は、長さおよび幅が１００ミクロン未満、例えば５～２０ミクロンであり、ディスプレイ装置に使用することができる。この新技術により、ディスプレイ装置の各画素位置に個々のＬＥＤを使用することで究極の黒レベルを得られる。さらに、各画素は単一色の光を生成するように構成することも可能である。個々のＬＥＤが取り付けられるバックプレーンは、各ＬＥＤに独立して電圧または電流を印加するように構成される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）構造、シリコンＣＭＯＳ、または他のドライバ回路を備えた基板（プラスチック、ガラス、半導体など）を含んでもよい。例えば、バックプレーンには、ガラス基板やプラスチック基板上のＴＦＴや、バルクシリコン基板上またはＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板上のバルクシリコントランジスタ（ＣＭＯＳ構成のトランジスタなど）が含まれてもよい。以下の実施形態ではマイクロＬＥＤについて説明するが、マイクロＬＥＤの代わりに、またはマイクロＬＥＤに加えて、１００ミクロンより大きいサイズ（例えば、幅および長さ）を有する他のタイプのＬＥＤ（例えば、ナノワイヤまたは他のナノ構造ＬＥＤ）またはマクロＬＥＤを使用可能であることに留意すべきである。
【0010】
いくつかの実施形態では、各マイクロＬＥＤのサイズは、直視型ディスプレイ装置や他のディスプレイ装置などの特定のディスプレイ装置で使用されるピクセルのピッチよりも小さくてもよい。例えば、３００ｐｐｉのディスプレイは、約８５ミクロンのピッチのピクセルを有し得るが、そのようなディスプレイに対する典型的なマイクロＬＥＤは幅が約２０ミクロンであり得る。インジウムドープＧａＮ材料を含むマイクロＬＥＤ（すなわち、ＧａＮのインジウムドープに依存する色を発光するＬＥＤ）は、ＧａＮ結晶構造のインジウムドープに伴う困難さにより、ＬＥＤサイズ（例えば、１０ミクロン未満のサイズ）が小さくなるにつれて、効率と均一性の劣化に見舞われる可能性がある。従って、活性領域でより高いインジウム含有量を利用する、ピーク波長がより長波長の発光ＩＩＩ－窒化物マイクロＬＥＤ（例えば、赤色ＬＥＤ）は、劣化したインジウムドープのために効率と均一性が不十分となることがある。
【0011】
本開示の実施形態のいくつかには、光量子的励起色変換材料とカップリングされた非ドープＧａＮ活性領域（例えば、ＧａＮ発光活性層を有するマイクロＬＥＤ）または低インジウム・ドープＩｎＧａＮ活性領域（例えば、低インジウム含有ＩｎＧａＮ発光活性層を有するマイクロＬＥＤ）を有するＬＥＤを基にしたフォトニックエミッタが含まれる。このようなＬＥＤは、紫外（ＵＶ）放射または青色光スペクトル領域（例えば、３７０～４６０ｎｍ、例えば３９０～４２０ｎｍ、例えば４００～４１０ｎｍ）にピーク発光波長を有する紫外（ＵＶ）放射または青色光放射マイクロＬＥＤであってもよい。本明細書で使用されるように、青色光スペクトル領域には人間の観察者によって知覚される青色および紫色が含まれる。
【0012】
ある実施形態には、色変換材料には量子ドットが含まれてもよい。量子ドットは、ＧａＮエミッタによって生成された光子を吸収し、量子ドットの特性（例えば、量子ドットのサイズおよび材料組成）に応じて様々な色の光を生成するように構成され得る。このような構造により、小さなＧａＮ構造のインジウムドープに伴う問題を回避することができる。
【0013】
拡張現実（ＡＲ）ディスプレイ（例えば、スマートグラス）および他の用途に適切なサイズ領域（すなわち、１０ミクロン未満のサイズ）では、様々な色を作り出すために、非ドープＧａＮまたは低インジウムドープＧａＮ ＬＥＤ活性領域および光励起量子ドットの使用により、マイクロＬＥＤのアレイ全体にわたってより良好な均一性を有するディスプレイ装置が提供され得る。このようなアレイはまた、インジウムドープが比較的高いＧａＮ（例えば、青色ＬＥＤよりも多量のインジウムを含む赤色ＬＥＤ）を基にした着色ＬＥＤを有するシステムよりも高い効率を示す可能性がある。サイズおよび材料組成の高度な均一性で量子ドットが製造することができることから、効率および均一性の向上を達成することが可能である。こうした均一な量子ドットは、それに対応し均一な（すなわち、スペクトル線幅が狭い）発光特性を有する。
【0014】
マイクロＬＥＤによって射出された光の抽出は、画素ピッチおよびマイクロＬＥＤサイズが小さくなるにつれて、ますます困難となる可能性がある。開示される実施形態では、吸収表面への光子の損失を回避することによって高効率を維持しつつ、量子ドットによって生成された光子（例えば、特定の方向に沿って）の光抽出が改善される。また、開示されるシステムでは、励起光子が素子から逃げるのを防止または低減し、それによって所定のマイクロＬＥＤによって射出される色の純度を保証することができる。これは、光抽出材料層を含み、マイクロレンズ、および／または、分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ）を含む、反射性の光キャビティ壁を形成することによって達成が可能である。
【0015】
図１Ａは、様々な実施形態による、発光素子アレイの形成に使用され得る中間構造１００ａの垂直断面図である。中間構造１００ａには、基板１０４上に形成された複数のマイクロＬＥＤ１０２が含まれてもよい。上述したように、マイクロＬＥＤｓ１０２には、ＵＶ放射または青色光スペクトル領域にピーク発光波長を有するマイクロＬＥＤｓ（例えば、ＵＶまたは青色発光マイクロＬＥＤｓ、ＵＶまたは青色ＬＥＤｓとも呼ばれる）が含まれてもよい。このようなＬＥＤには、紫外線（ＵＶ）光子および／または青色スペクトル領域の光子を射出するように構成された非ドープＧａＮ活性領域が含まれてもよい。
【0016】
ある実施形態では、マイクロＬＥＤ１０２は、ＬＥＤの上部に配置され、基板１０４に対し反対側を向いた少なくとも１つの電極１０３を有してもよい。電極１０３は、陽極電極または陰極電極から構成されてもよい。ある実施形態では、マイクロＬＥＤ１０２は、第２の電極（明瞭化のため図示せず）が基板１０４とマイクロＬＥＤ１０２の底面との間に位置する垂直ＬＥＤから構成されてもよい。別の実施形態では、マイクロＬＥＤは、両方の電極がＬＥＤの同じ側（例えば、ＬＥＤの上側または下側）に位置する横型ＬＥＤを含んでもよい。
【0017】
基板１０４は、電極（電極１０３を含む）を介してマイクロＬＥＤ１０２に電圧および電流を供給し、それによってマイクロＬＥＤ１０２により発光を制御するように構成された電気回路（例えば、ＴＦＴ回路および／またはＣＭＯＳ回路）を有するバックプレーンであってもよい。バックプレーンは、ＬＥＤ駆動用のアクティブマトリックスまたはパッシブマトリックスバックプレーン基板であってもよい。本明細書で使用する「バックプレーン基板」とは、複数の素子をその上に貼り付けるように構成された任意の基板を指す。ある実施形態では、バックプレーンには、シリコン、ガラス、プラスチック、および／または、少なくともそれに取り付けられた素子に構造的支持を与えることができる他の材料を含む基板が含まれてもよい。ある実施形態では、バックプレーン基板は、メタライゼーション線を含む金属相互接続構造（図示せず）が例えば十字格子状に存在し、各ＬＥＤ用の専用アクティブ素子（例えば、ＴＦＴ）が存在しないパッシブバックプレーン基板であってもよい。別の実施形態では、バックプレーン基板はアクティブバックプレーン基板であってもよく、このアクティブバックプレーン基板には、導電ラインの十字格子としての金属相互接続構造を含み、さらに、導電ラインの十字格子の１つまたは複数の交差点に各ＬＥＤ用の専用アクティブ素子（例えば、ＣＭＯＳトランジスタまたはＴＦＴ）が含まれ得る。
【0018】
図１Ｂは、様々な実施形態による、発光素子アレイの形成に使用され得る更なる中間構造１００ｂの垂直断面図である。中間構造１００ｂには、マイクロＬＥＤ１０２の上に形成された複数の光キャビティ１０６が含まれる。各光キャビティは、キャビティ壁１０８によって境界を囲まれてもよい。光キャビティ１０６は、比較的薄い側壁１０８を有する高アスペクト比のキャビティ（例えば、直径が１～２ミクロン等の５ミクロン以下、高さが２０～３０ミクロン等の１０ミクロン以上）を形成するのに適した機械的特性を有する反射材料を用いて形成してもよい。キャビティ壁１０８は、１～２ミクロンを含む０．５～５ミクロンなど、１０ミクロン未満の厚さを有してもよい。キャビティ壁１０８は、絶縁マトリックスを形成する。
【0019】
マトリックス材料は、熱蒸発処理工程と溶媒系の流体堆積よび蒸発の両方に対応するように選択してもよい。このようなマトリックス材料の１つはアルミナであるが、シリカ、チタニア、または他の絶縁性金属酸化物材料を使用することもできる。マイクロ電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスの製造に一般的に使用される様々な材料を使用して、電気絶縁材料（例えば、アルミナ）で作成されたキャビティ壁１０８で境界を囲まれた光キャビティ１０６を形成することができる。このような材料は比較的高い屈折率を有し、高いアスペクト比を有する構造を形成するのに適している。このようなマトリックス材料の層（図１Ｂには図示せず）は、基板１０４上に配置されたマイクロＬＥＤ１０２アレイ上に成長または堆積させることができ、エッチングや他の微細加工アプローチなどの技術を使用して、前記材料に光キャビティ１０６を生成することができる。図２Ａは、キャビティ壁１０８によって境界を囲まれた複数の円筒形光キャビティ１０６を有するマトリックス２００ａの上面透視図である。図２Ｂは、キャビティ壁１０８によって境界を囲まれた複数の六角形光キャビティ１０６を有するマトリックス２００ｂの上面透視図である。
【0020】
ある実施形態では、マイクロＬＥＤ１０２の陽極または陰極電極１０３に電圧を印加して、それによってエッチングバイアスの片側を形成することができる。例えば、マトリックス２００ａまたは２００ｂ（すなわち、キャビティ壁１０８）がアルミナを含む場合、陽極酸化によって多孔質アルミナが形成されてもよい。この実施形態では、アルミニウム金属層をマイクロＬＥＤ１０２上に堆積させ、次いで電気化学的に陽極酸化して、陽極酸化アルミナキャビティ壁１０８によって境界を囲まれた光キャビティ（すなわち、細孔）１０６を有する多孔性陽極酸化アルミナマトリックスを形成することができる。アルミニウム層を含む基板１０４を酸電解質（例えば、シュウ酸、クロム酸、硫酸、および／または、リン酸）中に置き、マイクロＬＥＤ１０２の電極１０３および／または外部電極に電圧を印加して、アルミナ壁１０８によって境界を囲まれた光キャビティ（すなわち、細孔）１０６を含む多孔性陽極アルミナマトリックスを形成する。光キャビティ１０６は、陽極アルミナマトリックス中に六角形アレイ状に配置することができる。
【0021】
図１Ｃは、様々な実施形態による、発光素子アレイの形成に使用され得る更なる中間構造１００ｃの垂直断面図である。中間構造１００ｃには、マイクロＬＥＤ１０２のアレイ上の光キャビティ１０６に形成された光抽出材料層１１０および色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）が含まれてもよい。光抽出材料層１１０は、キャビティ壁１０８を形成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有してもよい。例えば、光抽出材料層１１０は屈折率が１．７未満、例えばアルミナキャビティ壁１０８の場合は１．３～１．５の屈折率であってもよい。光抽出材料層１１０の屈折率が低いと、励起光子（すなわち、マイクロＬＥＤ１０２によって生成された光子）がキャビティ壁１０８に吸収されたり、キャビティ壁１０８を透過したりするのではなく、キャビティ壁１０８から反射される可能性がある。このような反射により光子の損失が防がれ、素子の量子効率が高められる。
【0022】
光抽出材料層１１０として、様々なポリマー材を使用することができる。そのようなポリマーの１つとして、Ｊｅｔ－１４４（すなわち、インクジェット適合ポリマー）があり、これは１．４４の屈折率を有し、インクジェットシステムを使用して光キャビティ１０６に堆積することができる。キャビティ壁１０８の厚さは、キャビティ壁１０８から反射しない光子が隣接するキャビティに侵入しないように吸収される（すなわち、消滅する）確率を高めるために、可能な限り厚くなるように構成されてもよい。
【0023】
光抽出材料層１１０は、インクジェット、真空、圧力、および／または、重力堆積を含む様々な技術を用いて堆積させることができる。堆積後、ポリマーは、例えば紫外線（ＵＶ）放射の露光によって架橋してもよい。他の実施形態では、ポリマーが溶解している溶媒を蒸発によって排出し、残留架橋ポリマーを残置し、各キャビティ内の光抽出材料層１１０としとすることも可能である。様々な実施形態において、光抽出材料層１１０は、様々な厚さで形成されてもよく、ＴｉＯ２またはＳｉＯ２のナノまたはマイクロビーズなどの光散乱材料を追加的に含んでもよいし含まなくてもよい。光抽出材料層１１０は、各キャビティの光抽出材料層１１０の上部に空のキャビティ空間が残るように、光キャビティ１０６を部分的に充填する。
【0024】
次いで、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）は、光キャビティ１０６（例えば、図１Ｂ参照）内、光抽出材料層１１０（例えば、図１Ｃ参照）上に形成されてもよい。色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）は、様々な異なる色に対応する量子ドットを含んでもよい。この例では、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）は、複数の第１の量子ドット１１２ａ、複数の第２の量子ドット１１２ｂ、複数の第３の量子ドット１１２ｃ、および複数の第４の量子ドット１１２ｄを含んでもよく、これらはＵＶ励起光子をそれぞれ第１、第２、第３、および第４の色を有する光子に変換するように構成される。第２および第３の色は、緑色スペクトル範囲内の異なるピーク波長から構成されてもよい。あるいは、３つの量子ドット色のみが使用されてもよい。量子ドットは、各々、例えばＩＩＩ－Ｖ族半導体材料（例えば、米国特許９，８８４，７６３Ｂ１に記載されるリン化インジウム、この引例は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）、ＩＩ－ＶＩ族半導体材料（例えば、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅなどのコアシェル量子ドット、米国特許出願公開２０１７／０２５０３２２Ａ１に記載、この引例は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）、および／または、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ族半導体材料（例えば、ＡｇＩｎＧａＳ／ＡｇＧａＳコアシェル量子ドット、米国特許１０，９２７，２９４Ｂ２に記載、この引例は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）といった化合物半導体材料の、１～１０ｎｍ、例えば２～８ｎｍなどのナノ結晶を含んでもよい。量子ドットは、その直径によって異なる色の光（例えば、赤、緑、青）を発することができる。ドットは大きければ大きいほどより長い波長の光を射出し、ドットが小さければ小さいほどより短い波長の光を射出する。量子ドットは、光抽出材料１１０の屈折率とは異なる（例えば、より高い）屈折率を有する材料（例えば、ポリイミドなどのポリマー）中に懸濁させてもよい。例として、ポリイミド材料の屈折率は１．６～１．７５、例えば約１．７であってもよい。
【0025】
以下でより詳細に説明するように（例えば、図３Ａから図４Ｐを参照）、様々な色に対応する量子ドットは、それぞれのキャビティに選択的に堆積させることができる。例えば、以下の図３Ａから図３Ｌを参照して説明されるように、第１のキャビティは、マトリックス材料に第１のビアをエッチングすることによって形成することができる。次に、第１の色に対応する第１の量子ドットを第１のキャビティに導入し、保護材料の層を第１の量子ドット上に形成することができる。次に、このプロセスを繰り返して、第２のキャビティ、第３のキャビティ等のように形成し、それぞれのキャビティに第２の量子ドット、第３の量子ドット等をそれぞれ導入してもよい。
【0026】
他の実施形態では（例えば、図４Ａから図４Ｐを参照）、フォトレジストが、複数の第１のキャビティを除く全てのキャビティ上に堆積されてもよい。次いで、第１の色（例えば、赤色）を生成するように構成された量子ドットの第１の層が、第１の色を有するサブピクセルに対応する複数の第１のキャビティに堆積されてもよい。次いで、第１の量子ドットが懸濁されたポリマーが、蒸発またはＵＶ光への露光によって架橋されてもよい。その後、他の光キャビティに対してこのプロセスを繰り返し、他の色の光（例えば、緑色および青色）を発生するように構成された量子ドットをそれぞれ蒸着させてもよい。
【0027】
任意の有機平坦化層が色変換材料上に形成されてもよい。色変換材料および任意の有機平坦化層が、光キャビティ１０６に部分的に充填されてもよい。
【0028】
図１Ｄは、様々な実施形態による、発光素子アレイ１００ｄの垂直断面図である。図示されるように、アレイ１００ｄは、光キャビティ１０６内および／または光キャビティ１０６上に形成された色セレクタ１１４を含んでもよい。色セレクタ１１４には、色フィルタアレイおよび／または分布ブラッグ反射体が含まれてもよい。ある実施形態では、色セレクタ１１４は、光キャビティ内に形成されてもよく、光キャビティ１０６が上記の材料で完全に充填されるようにキャビティ壁１０８の頂部まで達してもよい。
【0029】
色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）は、励起光子１１８を吸収し、射出変換光子（例えば、赤、緑または青などの可視光）１２０に変換するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）は、全ての励起光子１１８を変換光子１２０に完全に変換するのに十分な厚さおよび／または密度を有さない場合がある。このように、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）上に形成された色セレクタ１１４は、色変換材料によって射出された変換光子１２０を吸収および／または反射することなく、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）によって変換されなかった励起光子１１８の全てまたは一部を吸収および／または反射する。
【0030】
各マイクロＬＥＤ１０２は、共通の波長もしくはターゲット波長の範囲内の励起光子１１８を射出するように構成されてもよい。例えば、ＧａＮ系のマイクロＬＥＤ１０２は、約４００～４１０ｎｍ、例えば約４０５ｎｍ（すなわち、電磁スペクトルの青色または近紫外部分）の波長を有する励起光子１１８を射出することができる。マイクロＬＥＤ１０２は高い均一性を示し、高い効率を示し得る。しかしながら、そのようなマイクロＬＥＤ１０２の波長のわずかな変動は、容易に視認できない可能性がある。さらに、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）を介した励起光子１１８の漏れにより、変換光子１２０の色純度の劣化を最小限に抑えることができる。
【0031】
ある実施形態では、色セレクタ１１４には、有機ポリマーに埋め込まれた有機色素を含む色フィルタアレイが含まれる。色素は、励起光子１１８の紫外線を吸収するが、変換光子の青、緑、または赤色光を吸収しないように色素を構成してもよい。任意選択として、異なる色素を各着色サブピクセル（例えば、赤、緑、および青のサブピクセル）上に与えてもよい。例えば、主に赤色光を透過するように構成された第１の色素フィルタ材料を赤色サブピクセルに与え、主に緑色光を透過するように構成された第２の色素フィルタ材料を緑色サブピクセルに与え、主に青色光を透過するように構成された第３の色素フィルタ材料を青色サブピクセルに与えてもよい。色フィルタは、更なるフォトリソグラフィ工程を用いて形成することができる。様々な実施形態において、次に、薄膜封止（ＴＦＥ）層または層スタックを色フィルタ材料上に適用して、色変換材料の量子ドット層への空気または湿気の侵入に対する保護を提供してもよい。ある実施形態では、ＴＦＥには、ポリマー層によって分離された２つの窒化ケイ素層の３層スタックが含まれてもよい。
【0032】
代替の実施形態として、色セレクタ１１４には、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）上に形成された分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ）が含まれてもよい。ＤＢＲは、色変換材料を透過した励起光子１１８を反射して、反射光子１２２（例えば、紫外または濃青色光子）としてキャビティ１０６に戻し、変換光子１２０をキャビティ１０６から透過させるように構成してもよい。ＤＢＲは、異なる屈折率を有する材料（図示せず）の交互多層スタックとして形成することができる。例えば、ＤＢＲは、ＴｉＯ２（ｎ＝２．５）とＳｉＯ２（ｎ＝１．５）とを交互に積層したＮ層のスタックとして形成することができ、ここでＮは２以上である。他の実施形態では、それぞれの屈折率を有する他の様々な材料をＤＢＲの作成に使用してもよい。
【0033】
ＤＢＲがＴｉＯ２とＳｉＯ２を含み、またＮ＝２である実施形態では、中心波長４０５ｎｍにおいて帯域幅が１６４ｎｍであり最大反射率Ｒが８４％であり得る。ＤＢＲスタックがより多くの層数（すなわち、Ｎ＞２）を含む実施形態では、反射率が増加する可能性がある。そのため、ＵＶ励起光子１１８がＤＢＲを通過する確率が低下し得る。ＤＢＲから反射されて光キャビティ１０６に戻るＵＶ反射光子１２２は、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）を通って循環し、それによってまた、目的の波長（例えば、緑、青、または赤）を有する変換光子１２０に変換される確率が増加し得る。このようにして、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）によって最初に吸収されなかった任意のＵＶ反射光子１２２は、最終的に吸収され、目的の発光波長を有する変換光子１２０に変換される可能性がある。「光子リサイクル」と呼ばれることもあるこのプロセスは、デバイスの量子効率を高める可能性がある。
【0034】
マイクロＬＥＤ１０２が短波長の青色発光ＬＥＤを含む場合、ＤＲＢ１１４は、マイクロＬＥＤ１０２の短波長の青色光（すなわち、励起光子１１８）を遮断するが、色変換材料の青色量子ドットから射出される長波長の変換光子１２０は透過させることができる。あるいは、ＤＢＲ１１４は、青色光を射出するサブピクセル上では省略することも可能である。
【0035】
ＤＢＲは、すべてのサブピクセル上への多層スタック（図示せず）の蒸着（例えば蒸発）によって形成することができる。このように、ＤＢＲにより、量子ドット層への水分および酸素の侵入に対してさらなる保護が可能となる。Ｎの値が高いほど、ＤＢＲの反射率および湿気や酸素からの保護がさらに向上し、システム全体の性能および耐久性が向上する。
【0036】
追加としての様々な実施形態では、素子の様々な構成要素に他の材料を使用してもよい。例えば、ＤＢＲには、例えば窒化物（ＴｉＮ、ＡｌＮ、ＴｉＮなど）、ポリシリコンなど、それぞれが各々の屈折率を有する広範囲の材料が含まれてもよい。いくつかの実施形態は、量子ドットの複数の層、複数のＤＢＲ構造などを含んでもよい。上述した光抽出材料層１１０は、いくつかの実施形態では省略してもよいし、複数の光抽出材料層１１０を用いてもよい。より効果的なＤＢＲ１１４を使用することにより、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）の層厚および密度を低減することができる。更なる実施形態では、光キャビティ１０６は様々な方法で形成することができる。例えば、以下で詳細に説明するように、光キャビティ１０６は、光キャビティ１０６が形成された後にマイクロＬＥＤ１０２のアレイに取り付けられる別個のマトリックス層に形成されてもよい。更なる実施形態では、横方向への光子伝播に起因する性能劣化を緩和するために、光コリメート素子を含めることもできる。
【0037】
図１Ｅは、様々な実施形態による、更なる発光素子アレイ１００ｅの垂直断面図である。そこに示されるように、発光素子アレイ１００ｅは、光キャビティ１０６上に形成されたマイクロレンズ１２４を含む。各マイクロレンズ１２４は、各マイクロＬＥＤ構造からの光抽出の改善に役立ち、それによってアレイ１００ｅの効率を改善することが可能である。一般に、マイクロＬＥＤによって射出される光の抽出は、画素ピッチおよびマイクロＬＥＤサイズが小さくなるにつれて、ますます困難になる可能性がある。この点に関して、色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）は、励起光子１１８の全てを各々が特定の色を有する変換光子１２０に変換するのに十分な厚さにするべく選択してもよい。色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）の厚さは、サブピクセルの横方向の寸法に比べて非常に大きくてもよい。このような構造において、光子はマイクロＬＥＤサブピクセルから弾道的ではなく拡散的に移動し得る。こうした拡散的に移動する光子は、隣接するサブピクセルに拡散し、光学的クロストークを引き起こす可能性がある。
【0038】
本開示の実施形態により、吸収表面への光子の損失を回避することによって高効率を維持しながら、量子ドットによって生成された光子（例えば、特定の方向に沿って）の光抽出が改善される。上述したように、これは、反射性のキャビティ壁１０８を含むマトリックス構造を形成すること、光抽出材料層１１０を含めること、および／またはＤＢＲなどの色セレクタ１１４を含めることによって達成し得る。
【0039】
マイクロＬＥＤディスプレイ用の色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）としての量子ドットの使用には、非常に小さなフィーチャサイズでの高密度量子ドット層の堆積およびパターニングが含まれてもよい。量子ドット層における励起光子１１８（例えば、図１Ｄおよび図１Ｅ参照）が十分に吸収されるためには、アスペクト比が１：１を超えるサブピクセルが使用されてもよい。このようなサブピクセルはまた、ディスプレイにおける色のクロストーク（すなわち、あるマイクロＬＥＤからの光子が隣接するサブピクセルに伝搬すること）を防止するために、不透明なマトリックス材料で形成されたキャビティ壁１０８によって分離されてもよい。
【0040】
色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）として使用される高濃度の量子ドットは、高解像度構造の作製に更なる課題をもたらす可能性がある。量子ドットは紫外線を強く吸収するため、フォトレジストで一般的に使用される光重合開始剤や光酸発生剤の活性が低下することがある。従って、量子ドットの存在により、従来の製造材料や製造方法を変更する必要があり得る。このように、量子ドットを高充填で使用する場合、高さが高く薄い構造のパターニングはより困難になる可能性がある。本開示の実施形態では、以下の図３Ａから４Ｐの参照により詳細に説明されるように、マトリックス材料中にエッチングされたビアとしてキャビティを形成することによってこの課題を解決する。
【0041】
様々な実施形態では、マトリックス２００ａまたは２００ｂなどのマトリックスが含まれ、これらにより各サブピクセルからのより良い光抽出が可能となり、フォトニック色クロストークを緩和し得る。マトリックスをテンプレートとして使用し、異なる色のサブピクセルに対応するビアを順次開口することにより、高解像度の光パターン形成可能な樹脂製剤に依存することなく、量子ドットインクの堆積および硬化が可能となる。以下に説明する様々な実施形態には、マトリックス層に１つの色に対応するビアを開口し、量子ドットインクを充填し、硬化して封止し、次いで同じプロセスを２番目の色、３番目の色などと繰り返すことが含まれる。
【0042】
図３Ａ～図３Ｌは、様々な実施形態による、発光素子アレイの形成に使用され得る中間構造の垂直断面図である。図３Ａに示すように、連続マトリクス層３０４Ｌが支持体３０２上に堆積されてもよい。ある実施形態では、連続マトリックス層３０４Ｌは約１０～３０ミクロンの厚さを有してもよい。マトリックス層３０４Ｌは、図１Ｂに関して上述した光キャビティ壁１０８を形成するために、シリカ、アルミナ、チタニアなどの絶縁材料を含んでもよい。あるいは、マトリックス層３０４Ｌには、陽極酸化されて陽極アルミナを形成するアルミニウムなどの金属が含まれてもよい。別の代替的実施形態では、マトリックス層３０４Ｌは、金属酸化物に変換されないアルミニウムなどの反射性金属であってもよい。この代替実施形態では、マトリックス層３０４Ｌは、隣接するマイクロＬＥＤ１０２の対応する電極が互いに電気的に短絡するのを避けるような方法で、マイクロＬＥＤ１０２の上に形成される。
【0043】
支持体３０２は、図１Ａに関して上述したように、マイクロＬＥＤ１０２を支持するバックプレーン１０４を含んでもよい。代替の実施形態では、支持体３０２は、マイクロＬＥＤ１０２を支持するバックプレーン１０４の上に続いて取り付けられる透明ガラスまたはポリマー基板等の基板を別に備えてもよい。
【0044】
図３Ｂに示すように、連続マトリクス層３０４Ｌ上にパターニングされたマスク材料３０６を形成してもよい。ある実施形態では、パターニングされたマスク材料３０６はフォトレジストであってもよく、フォトリソグラフィ技術を用いてパターン化されてもよい。
【0045】
連続マトリックス層３０４Ｌ（例えば、図３Ａ参照）は、第１のビア３０８ａを含むエッチングされたマトリックス層３０４を形成するべくエッチングされてもよい。例示としてある実施形態では、連続アルミニウムマトリックス層３０４Ｌは、ＢＣ１３ドライエッチングプロセスを使用してエッチングされてもよい。第１のビア３０８ａは、第１の複数のサブピクセルのための光キャビティ１０６に対応してもよい。例えば、第１の複数のサブピクセルは、第１の色（例えば、赤、緑または青色）に対応してもよい。エッチング後、前記パターニングされたマスク材料３０６は除去されてもよい。
【0046】
図３Ｃに示すように、パターニングされたマスク材料３０６（例えば、図３Ｂ参照）を除去し、超疎水性（すなわち、非粘着性）コーティング３１０で置き換えてもよい。コーティング３１０には、フルオロアルキルシラン基で官能化された無機ナノ粒子（例えば、シリカナノ粒子）などのフッ素化シランコーティングが含まれてもよい。図３Ｄに示されるように、次いで複数の第１の量子ドット１１２ａを有する量子ドットインクを、スピンコーティング、ドクターブレード、インクジェット印刷、または他の方法によって堆積し、第１のビア３０８ａを充填してもよい。フッ素化コーティング３１０は、量子ドットの大部分が構造体の上面に付着しないようにすることができる。その後、量子ドットインクはＵ Ｖ照射または加熱のいずれかによって硬化させることができる。その後、図３Ｅに示すように、フッ素化コーティング３１０および余分な量子ドットを洗浄除去してもよい。
【0047】
次に、図３Ｆに示すように、第１の量子ドット１１２ａの上に保護層３１４を形成してもよい。例えば、保護層３１４は、原子層堆積（ＡＬＤ）によって堆積可能なアルミナの層であってよい。例示として実施形態では、保護層３１４は、約３～１０ｎｍ、例えば約５ｎｍの厚さを有してもよい。他の実施形態には、ダイ保護層３１４に対して他の厚さ、他の材料、および他の堆積方法が含まれてもよい。
【0048】
その後、上述のプロセス（例えば、図３Ａ～図３Ｆ参照）を繰り返して、他の色用の量子ドットインクを堆積および硬化させてもよい。例えば、図３Ｆの中間構造の上にパターニングされたマスク材料３０６を形成し、図３Ｇに示すように、エッチング工程により保護層３１４を貫通する第２のビア３０８ｂを形成してもよい。図３Ｈに示すように、パターニングされたマスク材料３０６を除去し、上述の超疎水性（すなわち、非粘着性）フッ素化コーティング３１０で置換してもよい。次いで、図３Ｉに示されるように、次いで複数の第２の量子ドット１１２ｂ（すなわち、前記ドット１１２ａとは異なる色のドット）を有する量子ドットインクを、スピンコーティング、ドクターブレード、インクジェット印刷、または他の方法によって堆積し、第２のビア３０８ｂを充填してもよい。その後、図３Ｉに示すように、フッ素化コーティング３１０および余分な量子ドットを洗浄除去してもよい。次いで、図３Ｋに示すように、第１の部分３１４ａおよび第２の部分３１４ｂを有する第２の保護層が、第２の量子ドット１１２ｂ上に形成されてもよい。第１の部分３１４ａは既存の第１の保護層３１４の上に形成されてもよく、一方で第２の部分３１４ｂは第２の量子ドット１１２ｂで充填された第２のビア３０８ｂの上に形成されてもよい。
【0049】
同様に、図３Ｌに示すように、第３のビア３０８ｃを形成するためにこの工程を続けてもよい。第３のビア３０８ｃは、第３の量子ドット１１２ｃ（この図には示されず）を含む第３の量子ドットインクで充填されてもよい。様々な実施形態において、追加のそれぞれの色に対応する量子ドットで充填され得る追加のビアを形成するために前記工程を続けてもよい。
【0050】
支持体３０２が透明基板を含む場合、量子ドットを含む完成したマトリックスを支持する支持体３０２は、マイクロＬＥＤ１０２を支持するバックプレーン１０４の上に取り付けられる。支持体３０２がマイクロＬＥＤｓ１０２を支持するバックプレーン１０４を含む場合、エッチングされたマトリックス層３０４は、量子ドット（１１２ａ、１１２ｂなど）で満たされた光キャビティ１０６を囲むキャビティ壁１０８を含む。
【0051】
図４Ａ～図４Ｐは、様々な実施形態による、発光素子アレイの形成に使用され得る中間構造の垂直断面図である。図４Ａ～図４Ｐの工程には、支持体上にマトリックス層を設けること、平面ポジ型フォトレジスト層を成膜すること、このフォトレジストを選択的に露光・除去してビアを順次開口することが含まれる。図４Ａ～図４Ｐの工程は、光キャビティを形成するためのフォトレジストの除去に依存している。このように、特定の実施形態では、第２の工程フロー（すなわち、図４Ａ～図４Ｐの参照により以下に説明する）の方が、より汎用性が高く、より安価で、より安全であり得る。
【0052】
図４Ａに示すように、第１の中間構造は、上述の支持体３０２上に形成された連続的なマトリックス層１０８Ｌを含むことができる。マトリックス層１０８Ｌには、アルミナ、シリカ、チタニアなどの絶縁層、または例えばアルミニウムなどの金属層などの導電層が含まれてもよい。パターニングされたフォトレジスト４０６は、連続マトリックス層１０８Ｌ上に形成されてもよい。これに関して、フォトレジストのブランケット層（図示せず）を連続マトリックス層１０８Ｌ上に形成し、フォトリソグラフィ技術を使用してパターニングされたフォトレジスト４０６を形成してもよい。
【0053】
図４Ｂに示すように、パターニングされたフォトレジスト４０６をマスク層として使用して、連続マトリックス層１０８Ｌをエッチングして、ビアまたはキャビティ壁１０８によって境界を囲まれるキャビティ（例えば、光キャビティ）１０６を形成してもよい。その後、パターニングされたフォトレジスト４０６は、灰化または溶媒による溶解によって除去されてもよい。
【0054】
代替としての実施形態では、連続マトリックス層１０８Ｌをエッチングせずに、陽極酸化によってキャビティ壁１０８を形成してもよい。上述したように、連続マトリックス層１０８Ｌがアルミニウムを含む場合、それを上述したように酸中で陽極酸化して、光キャビティ（すなわち、細孔）１０６を取り囲むキャビティ壁１０８を含む多孔性陽極アルミナ層を形成してもよい。
【0055】
図４Ｃに示すように、次いで第１のフォトレジスト部４０８ａ、第２のフォトレジスト部４０８ｂ、および第３のフォトレジスト部４０８ｃを有するポジ型フォトレジストが、図４Ｂの中間構造体の上、光キャビティ１０６内に堆積さてもよい。各フォトレジスト部はそれぞれの光キャビティ１０６を充填する。
【0056】
図４Ｄに示すように、一選択としてパターニングされたマスク４１０をＵＶ放射源（例えば、ＵＶ発光ランプ）４１２と共に使用して、マスク４１０を介してポジ型フォトレジストの第１のフォトレジスト部４０８ａをＵＶ放射４１４に選択的に露光してもよい。ポジ型フォトレジストの第１のフォトレジスト部４０８ａの露光により、第１のフォトレジスト部４０８ａはフォトレジスト現像液に可溶となり、これはポジ型フォトレジストの第１のフォトレジスト部４０８ａを除去するために使用することが可能である。第２および第３のフォトレジスト部は紫外線に露光されない。
【0057】
あるいは、支持体３０２がＵＶ放射マイクロＬＥＤ１０２を支持するバックプレーン１０４を含む場合、第１のフォトレジスト部４０８ａの下に位置するマイクロＬＥＤ１０２を作動させて、第１のフォトレジスト部４０８ａは、その下からＵＶ放射を照射し現像液に可溶化してもよい。この代替的実施形態において、マスク４１０および放射源４１２は省略されてもよい。第２および第３のフォトレジスト部４０８ｂ、４０８ｃの下に位置するマイクロＬＥＤ１０２は活性化されない。
【0058】
図４Ｅに示すように、第１のビア４１６ａは、その構造をフォトレジスト現像液浴に浸漬するか、またはポジ型フォトレジストに現像液を噴霧することによって、他のフォトレジスト部４０８ｂ、４０８ｃを除去することなく、第１のフォトレジスト部４０８ａを除去することによって生成してもよい。
【0059】
図４Ｆに示されるように、次いで第１の量子ドットインク４１８ａは第１のビア４１６ａに導入されてもよい。それにより、第１のビア４１６ａは、第１の量子ドット１１２ａの均一な層で充填されてもよい。次いで、第１の量子ドット１１２ａが懸濁されたポリマーは熱的にまたはＵＶ放射線への曝露によって硬化されてもよい。例えば、図４Ｇには、第１の量子ドット１１２ａにパターニングされたマスク４１０およびＵＶ放射源４１２を用いたＵＶ放射へ露光することが示されている。あるいは、第１の量子ドット１１２ａの下にあるＵＶ発光マイクロＬＥＤ１０２を活性化して、第１の量子ドット１１２ａにＵＶ放射線を照射してもよい。
【0060】
次いで、図４Ｃ～図４Ｇに示す上述のプロセスを繰り返して、第２の光キャビティ１０６内に第２の量子ドット１１２ｂを形成してもよい。図４Ｈに示すように、この点に関して、図４Ｃに示すポジ型フォトレジストの第２のフォトレジスト部４０８ｂは、ＵＶ放射源４１２からのＵＶ放射またはマイクロＬＥＤ１０２からのＵＶ放射に露光されてもよい。次に、図４Ｉに示すように、ポジ型フォトレジストの第２のフォトレジスト部４０８ｂをフォトレジスト現像液で除去して、第２のビア４１６ｂを形成してもよい。次に、図４Ｊに示すように、第２の量子ドットインク４１８ｂを第２のビア４１６ｂに導入して、第２の量子ドット１１２ｂの均一な層を形成してもよい。次いで、図４Ｋに示されるように、第２の量子ドット１１２ｂの均一な層は、ＵＶ放射源４１２からのＵＶ放射またはマイクロＬＥＤ１０２からのＵＶ放射の露光によって硬化されてもよい。
【0061】
次いで、図４Ｃ～図４Ｇに示す上述のプロセスを繰り返して、第３の光キャビティ１０６内に第３の量子ドット１１２ｃを形成してもよい。図４Ｌに示すように、この点に関して、ポジ型フォトレジストの第３のフォトレジスト部４０８ｃは、ＵＶ放射源４１２からのＵＶ放射またはマイクロＬＥＤ１０２からのＵＶ放射に露光されてもよい。次に、図４Ｍに示すように、ポジ型フォトレジストの第３のフォトレジスト部４０８ｃをフォトレジスト現像液で除去して、第３のビア４１６ｃを形成してもよい。次いで、図４Ｎに示すように、第３の量子ドットインク４１８ｃを第３のビア４１６ｃに導入して、第３の量子ドット１１２ｃの均一な層を形成してもよい。次いで、図４Ｏに示されるように、第３の量子ドット１１２ｃの均一な層は、熱的にまたはＵＶ放射源４１２からのＵＶ放射またはマイクロＬＥＤ１０２からのＵＶ放射の露光によって硬化されてもよい。
【0062】
最後に、保護層３１４を、図４Ｐに示すように、第１の量子ドットの均一層１１２ａ、第２の量子ドットの均一層１１２ｂ、第３の量子ドットの均一層１１２ｃ、およびキャビティ壁１０８の上に形成することができる。上述のように、保護層３１４は、ＡＬＤによって堆積されるアルミナ層であってもよい。上述したように、保護層３１４および／または色セレクタ１１４（例えば、ＤＢＲ）を堆積するために、他の材料および堆積プロセスが使用されてもよい。
【0063】
上述した実施形態では、発光素子アレイにおけるサブピクセルの形状は、キャビティ／ビアの形状によって定められてもよい。このように、量子ドットインク（４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｃ）に対するパターニング化要件は、マトリックステンプレートに依存しない実施形態に対する要件よりも大幅に緩和することができる。いくつかの実施形態では、ＵＶ硬化性量子ドットインクが、量子ドットを標的サブピクセルに閉じ込めるために使用されてもよい。他の実施形態では、熱硬化性インクを使用することもできる。ＵＶ硬化性または熱硬化性量子ドットインクの使用により、（量子ドット系の）色変換材料（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ）を形成する際に使用され得る化学物質の選択肢が増える。
【0064】
様々な実施形態には、溶媒系または無溶媒の量子ドットインクが含まれてもよい。
各サブピクセルの量子ドットインクに熱硬化を使用することにより、インク配合のための光硬化性アクリレート／エポキシを省略することができる。更なる実施形態において、量子ドットインクは、無機リガンドおよびマトリックス材料（例えば、金属カルコゲニドおよび金属酸化物）を使用して形成されてもよく、これにより高温安定性などの代替利点が得られる。
各サブピクセルの量子ドットインクに熱硬化を使用することにより、インク配合のための光硬化性アクリレート／エポキシを省略することができる。更なる実施形態において、量子ドットインクは、無機リガンドおよびマトリックス材料（例えば、金属カルコゲニドおよび金属酸化物）を使用して形成されてもよく、これにより高温安定性などの代替利点が得られる。
【0065】
図５Ａ～５Ｇは、様々な実施形態による、発光素子アレイの形成に使用され得る更なる中間構造の垂直断面図である。図５Ａに示すように、複数のマイクロＬＥＤ１０２を基板１０４上に形成してもよい。基板１０４は、マイクロＬＥＤ１０２に電圧を供給し、それによってマイクロＬＥＤ１０２による発光を制御するように構成された電気回路（例えば、ＣＭＯＳ回路またはＴＦＴ回路）を有するバックプレーンであってもよい。上述したように、マイクロＬＥＤｓ１０２は、青色または紫外発光ＬＥＤを含んでもよい。図５Ａの中間構造には、透明導電性酸化物（例えば、酸化インジウムスズ）で形成された複数のマイクロＬＥＤ１０２用の共通の陰極５０２と、それとは別にそれぞれのバックプレーン回路（明瞭化のため図示せず）に電気的に接続された各マイクロＬＥＤ１０２用の陽極５０３とが含まれてもよい。従って、複数のマイクロＬＥＤ１０２は、それらの陰極（例えば、ｎ型）側で短絡されるが、それらの陽極（例えば、ｐ型）側でバックプレーン回路によって別々に活性化される。共通の陰極５０２もまた、マイクロＬＥＤ１０２の領域の外側でバックプレーン回路に接続されている。
【0066】
ある実施形態では、マイクロＬＥＤｓ１０２には、ＬＥＤの反対側に位置する陰極および陽極電極（５０２、５０３）を有する垂直ＬＥＤが含まれてもよい。ある実施形態では、マイクロＬＥＤ１０２は逆テーパーを有していてもよい。言い換えれば、マイクロＬＥＤ１０２は、共通の陰極５０２に面する上面側よりも、陽極５０３およびバックプレーン１０４に面する下面側が幅広であってもよい。
【0067】
図５Ｂに示すように、第１の色変換材料（例えば、第１の色量子ドット）５０４ａは、第１の複数のマイクロＬＥＤ１０２の上に形成されてもよい。第１の色変換材料５０４ａは、第１の色サブピクセルのそれぞれのマイクロＬＥＤ１０２上の共通陰極５０２の第１の部分上に第１の量子ドットインクのみを直接印刷するために使用され得るインクジェットプロセスによって形成されてもよい。あるいは、連続的な量子ドット層を共通陰極上に直接堆積させ、次いで、フォトリソグラフィとパターニングを行い、第１の色サブピクセルのそれぞれのマイクロＬＥＤ１０２上にのみ第１の色量子ドット５０４ａを残すようにしてもよい。
【0068】
図５Ｃに示すように、第２の色変換材料５０４ｂは、マイクロＬＥＤ１０２の第２の複数の上に形成されてもよい。第２の色変換材料５０４ｂは、それぞれのマイクロＬＥＤ１０２上の共通陰極５０２の第２の部分上に第２の量子ドットインクを直接印刷するために使用され得るインクジェットプロセスによって、または連続量子ドット層を堆積し、次いでフォトリソグラフィパターニングすることによって形成されてもよい。色変換材料は、青色発光マイクロＬＥＤ１０２上では省略することができる。あるいは、青色色変換材料を紫外線発光マイクロＬＥＤ１０２上に形成してもよい。最後に、第１の色変換材料５０４ａおよび第２の色変換材料５０４ｂの上にそれぞれの色セレクタ１１４を形成してもよい。例えば、色セレクタ１１４は、上述したようにＤＢＲであってもよい。所望により、アルミナ層などの封止層を色セレクタ１１４上に形成してもよい。
【0069】
あるいは、図５Ｂおよび図５Ｃの中間構造体は、図４Ａ～図４Ｐを参照して上述したものと同様の工程を用いて形成することができる。この点に関して、パターニングされたフォトレジスト（図示せず）が共通陰極５０２上に形成されてもよく、第１の色変換材料５０４ａの堆積のためのマスク材料として使用されてもよい。これに関して、マスク材料には、第１の色変換材料５０４ａが堆積されるべき場所に対応する開口部が含まれてもよい。第１の色変換材料５０４ａが堆積され、硬化された後、フォトレジストは、第２の色変換材料５０４ｂが堆積されるべき場所に対応する開口部を形成するようにパターニングされてもよい。
【0070】
更なる実施形態では、図５Ｄおよび図５Ｅの中間構造は、図５Ａの構造の共通陰極５０２上にエッチングストップ層５０８を形成することによって形成されてもよい。次いで、図５Ｄおよび図５Ｅに示すように、第１の色変換材料５０４ａおよび第２の色変換材料５０４ｂを堆積させてもよい。エッチングストップ層５０８には、酸化シリコンまたは他の類似のエッチングストップ材料が含まれ得る。エッチングストップ層５０８の存在は、ダイフォトレジストがエッチングされるプロセスの間、共通陰極５０２を形成する透明導電性酸化物を保護することができる。
【0071】
図５Ｆおよび５Ｇの追加の代替的中間構造を形成する工程は、図５Ａのダイ中間構造から図５Ｄおよび５Ｅの中間構造を形成するために使用される工程と同様であってよい。この点に関して、図５Ｆおよび５Ｇの中間構造の各々は、図５Ａの共通陰極５０２上に形成された図５Ｄおよび５Ｅのエッチングストップ層５０８を含でもよい。図５Ｆおよび図５Ｇの中間構造には、キャビティ壁１０８によって境界を囲まれた光キャビティ１０６をさらに含まれてもよい。マイクロＬＥＤ１０２が青色ＬＥＤからなる場合、青色サブピクセル上の光キャビティ１０６は未充填のままであってもよい。このように、図５Ｆおよび図５Ｇの中間構造は、図１Ｂ～図１Ｅ、図３Ｌ、および図４Ｂ～図４Ｐの実施形態と類似していてもよい。
【0072】
開示された実施形態の前述の説明は、当業者が開示された実施形態を製造または使用できるようにするために提供される。これらの実施形態への様々な修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、本開示の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態に適用することが可能である。したがって、本開示は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、以下の請求の範囲、および本明細書に開示される原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲が与えられるものである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図3H】
【図3I】
【図3J】
【図3K】
【図3L】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図4I】
【図4J】
【図4K】
【図4L】
【図4M】
【図4N】
【図4O】
【図4P】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【国際調査報告】