JP2024542496A - メタマテリアル光コリメート機能を含む発光ダイオードアレイおよびその形成方法 - Google Patents

Abstract

発光デバイスは、バックプレーンと、前記バックプレーン上に配置された第１発光ダイオード、第２発光ダイオードおよび第３発光ダイオードと、前記第１発光ダイオードの上に配置された第１ナノ構造を含む第１パターン化メタマテリアルレンズと、前記第２発光ダイオードの上に配置された第２ナノ構造を含む第２パターン化メタマテリアルレンズと、前記第３発光ダイオードの上に配置された第３ナノ構造を含む第３パターン化メタマテリアルレンズと、を備える。前記第１ナノ構造の構成は前記第２ナノ構造の構成と異なり、前記第３ナノ構造の構成は前記第１ナノ構造および前記第２ナノ構造の構成と異なる。
【選択図】図１４

Description

（関連出願）本出願は、２０２１年１１月２２日に出願された米国仮特許出願第６３／２８１，８２０号からの優先権の利益を主張しており、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、発光デバイスに関し、特に、メタマテリアルコリメート機能を含む発光ダイオードアレイおよびその形成方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光デバイスは、ラップトップまたはテレビに配置された液晶ディスプレイのバックライト、ＬＥＤビルボード、マイクロディスプレイ、およびＬＥＤテレビなどの電子ディスプレイに使用される。マイクロＬＥＤは、１ｍｍを超えない横方向寸法を有する発光ダイオードを指す。マイクロＬＥＤは、１ミクロン～１５０ミクロンの範囲の典型的な横方向寸法を有する。マイクロＬＥＤのアレイは、個々のピクセル要素を形成することができる。直視型表示装置は、異なる発光スペクトルを有する光を放出するいくつかのマイクロＬＥＤをそれぞれ含むピクセル要素のアレイを含むことができる。

本開示の一態様によれば、発光デバイスは、バックプレーンと、前記バックプレーン上に配置された第１発光ダイオード、第２発光ダイオードおよび第３発光ダイオードと、前記第１発光ダイオードの上に配置された第１ナノ構造を含む第１パターン化メタマテリアルレンズと、前記第２発光ダイオードの上に配置された第２ナノ構造を含む第２パターン化メタマテリアルレンズと、前記第３発光ダイオードの上に配置された第３ナノ構造を含む第３パターン化メタマテリアルレンズと、を備える。前記第１ナノ構造の構成は前記第２ナノ構造の構成と異なり、前記第３ナノ構造の構成は前記第１ナノ構造および前記第２ナノ構造の構成と異なる。

図１は、本開示の一実施形態に係る、バックプレーンを含む第１例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図２は、本開示の一実施形態に係る、第１発光ダイオードを取り付けた後における第１例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図３Ａは、本開示の一実施形態に係る、第２発光ダイオードおよび第３発光ダイオードを取り付けた後における第１例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図３Ｂは、図３Ａの第１例示的構造の上面図である。

図４は、本開示の一実施形態に係る、誘電体マトリクス層の形成後における第１例示的構造の垂直断面図である。

図５は、本開示の一実施形態に係る、発光ダイオードのアレイの前面にメタマテリアル層を形成した後における第１例示的構造の垂直断面図である。

図６は、本開示の一実施形態に係る、メタマテリアル層をパターン化メタマテリアルレンズのアレイにパターニングした後における第１例示的構造の垂直断面図である。

図７Ａ－７Ｆは、本開示の一実施形態に係る、パターン化メタマテリアルレンズに使用されうる例示的なパターンを示す。

図８は、本開示の一実施形態に係る、バックプレーン上に誘電体マトリクス層を形成した後における第２例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図９は、本開示の一実施形態に係る、誘電体マトリクス層を通るキャビティのアレイの形成後における第２例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図１０は、本開示の一実施形態に係る、リフレクタのアレイの形成後における第２例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図１１は、本開示の一実施形態に係る、発光ダイオードのアレイをバックプレーンに取り付けた後における第２例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図１２は、本開示の一実施形態に係る、キャビティ充填誘電体材料部の形成後における第２例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図１３は、本開示の一実施形態に係る、発光ダイオードのアレイの前面にメタマテリアル層を形成した後における第２例示的構造の垂直断面図である。

図１４は、本開示の一実施形態に係る、メタマテリアル層をパターン化メタマテリアルレンズのアレイにパターニングした後における第２例示的構造の垂直断面図である。

図１５は、本開示の一実施形態に係る、発光ダイオードのアレイをバックプレーンに取り付けた後における第３例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図１６は、本開示の一実施形態に係る、キャビティ充填誘電体材料部の形成後における第３例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図１７は、本開示の一実施形態に係る、色変換媒体部のアレイの形成後における第３例示的構造の一領域の垂直断面図である。

図１８は、本開示の一実施形態に係る、発光ダイオードのアレイの前面にメタマテリアル層を形成した後における第３例示的構造の垂直断面図である。

図１９は、本開示の一実施形態に係る、メタマテリアル層をパターン化メタマテリアルレンズのアレイにパターニングした後における第３例示的構造の垂直断面図である。

一般に、発光ダイオードから放出される光子は、ランバート（Lambertian）発光パターンに従い、コリメートされない。発光要素から放出される光のコリメーションの欠如は、ヘッドアップ表示デバイス、バーチャルリアリティ表示デバイスまたはアーティフィシャルリアリティ表示デバイスなどの高密度発光デバイスアレイの効果的な実装において障害となる。言い換えれば、放出される光のコリメーション度が高いと、高精細で忠実度の高い表示デバイスに有利である。本開示の実施形態は、メタマテリアル光コリメート機能を含む発光ダイオードアレイおよびその形成方法を対象とする。当該アレイは、ヘッドアップ表示デバイス、バーチャルリアリティ表示デバイス、アーティフィシャルリアリティ表示デバイス、または、その他の適切なデバイスに使用されうる。

図面は、縮尺通りに描かれていない。要素の重複がないことが明示的に記載されているか、または別途明確に示されていない限り、要素の単一のインスタンスが示されている場所で要素の複数のインスタンスが重複していることがある。「第１」、「第２」および「第３」などの序数は、単に同様の要素を識別するために使用され、本開示の明細書および特許請求の範囲にわたって異なる序数が使用されることがある。同じ参照符号は、同じ要素または同様の要素を指す。特に明記しない限り、同じ参照符号を有する要素は、同じ組成を有するものと仮定される。本明細書で使用される場合、第２要素の「上」に配置される第１要素は、第２要素の表面の外側、または第２要素の内側に配置されうる。本明細書で使用される場合、第１要素の表面と第２要素の表面との間に物理的な接触が存在する場合、第１要素は、第２要素の「直接上」に配置される。本明細書で使用される場合、「層」は、厚さを有する領域を含む少なくとも１つの材料の連続部分を指す。層は、均質な組成を有する単一の材料部分で構成されている場合もあれば、異なる組成を有する複数の材料部分を含む場合もある。

本明細書で使用される場合、「導電性材料」は、１．０×１０^５Ｓ／ｃｍよりも大きい導電率を有する材料を指す。本明細書で使用される場合、「絶縁体材料」または「誘電体材料」は、１．０×１０^－６Ｓ／ｃｍよりも小さい導電率を有する材料を指す。本明細書で使用される場合、「半導体材料」は、１．０×１０^－６Ｓ／ｃｍ～１．０×１０^５Ｓ／ｃｍの導電率を有する材料を指す。本明細書で使用される場合、「金属材料」は、その中に少なくとも１つの金属元素を含む導電性材料を指す。導電率の測定は全て標準条件で行われる。

ヘッドアップ表示デバイス、バーチャルリアリティ表示デバイスまたはアーティフィシャルリアリティ表示デバイスなどの表示デバイスは、順序付けられたピクセルのアレイから形成されうる。各ピクセルは、それぞれの発光スペクトルで発光するサブピクセルのセットを含むことができる。例えば、ピクセルは、赤色サブピクセル、緑色サブピクセル、および青色サブピクセルを含むことができる。一実施形態において、各サブピクセルは、いくつかのピーク波長（例えば、赤色光、緑色光および青色光）のうち１つの光を放出する１以上の発光ダイオードを含むことができる。別の実施形態では、全ての発光ダイオードが、同じピーク波長の放射線（例えば、紫外線、または、青色光および紫色光を含む青色スペクトルの光）を放出する。各ピクセルは、色域内における色の任意の組合せがピクセルごとにディスプレイ上に示されうるように、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、バックプレーン上に配置された接合パッドにＬＥＤサブピクセルが半田付けされる或いは電気的に取り付けられるプロセスによって形成されうる。接合パッドは、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る。

図１を参照すると、第１例示的構造はバックプレーン４００を含む。バックプレーン４００は、絶縁基板でありうるバックプレーン基板４１０を含む。バックプレーン４００に取り付けられた発光ダイオードの動作を制御するための制御回路は、バックプレーン内に設けられうる。例えば、スイッチングデバイス４５０が、バックプレーン４００内に設けられうる。例示的な実施例において、スイッチングデバイス４５０は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの電界効果トランジスタを含むことができる。この場合、各電界効果トランジスタ４５０は、ゲート電極４２０、ゲート誘電体４３０、チャネル領域４４２、ソース領域４４６、およびドレイン領域４４４を含みうる。図１にはインバーテッド・スタガード（inverted staggered）型ＴＦＴ４５０が示されているが、インバーテッド・コプラナー（inverted coplanar）型、トップゲート・スタガード（top gatedstaggered）型、およびトップゲート・コプラナー（top gated coplanar）型ＴＦＴなどの他のタイプのＴＦＴを代わりに使用することができる。ＴＦＴ４５０の代わりに、またはＴＦＴ４５０に加えて、他のタイプのスイッチングデバイスを使用することもできる。電界効果トランジスタの様々な電気ノードをバックプレーン４００上の電気インターフェース（明示的には図示せず）に相互接続するために、様々な電気配線が設けられうる。パターン化パッシベーション層４５４は、ソース領域４４６およびドレイン領域４４４上に任意選択で形成されうる。必要に応じて、追加の相互接続配線が設けられてもよい。スイッチングデバイス４５０は、封入誘電体層４６５によって封入されうる。第１レベル金属相互接続構造４６０は、封入誘電体層４６５を通って、ドレイン領域４４４などの各スイッチングデバイス４５０のノードに形成されうる。相互接続レベル誘電体層４７５は封入誘電体層４６５上に形成され、第２レベル金属相互接続構造４７０は、第１レベル金属相互接続構造４６０上の相互接続レベル誘電体層４７５を通って形成されうる。第２レベル金属相互接続構造４７０は、発光ダイオード１０のアレイを取り付けるためのボンディングパッドのアレイを含むことができる。

図２～図６に示される一実施形態において、異なる色の発光ダイオードが、異なるサブピクセルにおいてバックプレーンに取り付けられる。図２を参照すると、第１発光ダイオード１０Ａは、バックプレーン４００内に配置された金属相互接続構造（４６０、４７０）のサブセットである、物理的に露出された金属ボンディングパッドの第１サブセットに取り付けられうる。一実施形態において、物理的に露出された金属ボンディングパッドの第１サブセットは、例えば、第２レベル金属相互接続構造４７０の第１サブセットであってもよい。本開示は、２つのレベルの金属相互接続構造（４６０、４７０）を含むバックプレーン４００を使用して説明されるが、バックプレーン４００が任意の数の金属相互接続レベルを含みうることを理解されたい。一般に、ボンディング構造のアレイがバックプレーン４００の前面に設けられ、発光ダイオードのアレイが、当技術分野で知られている任意のボンディング方法を用いて、バックプレーン４００内の各ボンディング構造に接合されうる。

一般に、第１発光ダイオード１０Ａのアレイは、バックプレーン４００内の金属相互接続構造（４６０、４７０）（金属ボンディングパッドなど）の第１サブセットに取り付けられうる。第１発光ダイオード１０Ａは、例えば、６２０ｎｍ～７５０ｎｍの波長範囲を有する赤色光でありうる第１ピーク波長で発光するように構成されうる。各第１発光ダイオード１０Ａは、任意選択のバッファ層２４および第１ドープ化合物半導体層２６（ｎドープＧａＮ層など）を備えうる。第１ドープ化合物半導体層２６は、第１導電型（ｎ型など）のドーピングを有し、バッファ層２４（存在する場合）の単結晶構造にエピタキシャル配列される。例示的な実施例において、バッファ層２４は、第１導電型のドーピングを有するバッファＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料（例えば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ）を含むことができるとともに、単結晶基板２２の格子定数に実質的に一致する格子定数を有することができる。いくつかの実施形態において、バッファ層２４は、バッファ層２４の上部が第１ドープ化合物半導体層２６の第１ドープ化合物半導体材料の格子定数を有するように、組成勾配を有してもよい。例示的な実施例において、第１導電型はｎ型でありうる。バッファ層２４の厚さは、１ミクロン～３ミクロンなど、０．５ミクロン～１０ミクロンの範囲内でありうるが、より薄いおよびより厚い厚さを使用することもできる。

非限定的な例示的な実施例において、第１ドープ化合物半導体層２６は、バッファ層２４の単結晶構造にエピタキシャル配向した単結晶窒化ガリウム材料を含むことができる。単結晶ｎドープ窒化ガリウム層は、例えば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）プロセスなどのエピタキシャル堆積プロセスによって形成されうる。単結晶ｎドープ窒化ガリウム層は、エピタキシャル堆積プロセス中にｎ型ドーパントとしてシリコンを導入することによってｎドープになりうる。

第１活性層３０Ａは、第１ドープ化合物半導体層２６上に配置される。第１活性層３０Ａは、第１ピーク波長で発光するように構成されたドープ化合物半導体材料層のセットを含む。一実施形態において、第１活性層３０Ａは、量子井戸を形成する第１化合物半導体層３２Ａと第２化合物半導体層３４Ａとの周期的な繰り返しを含みうる。第１化合物半導体層３２Ａと第２化合物半導体層３４Ａとの材料組成および厚さは、第１活性層３０Ａが第１ピーク波長で発光するように選択されうる。第１活性層３０Ａ内には、発光の量子効率を高めるように構成された追加の材料層が存在していてもよい。或いは、第１活性層３０Ａに非量子井戸構造が採用されてもよい。非限定的な例示的な実施例において、第１活性層３０Ａは、平面発光窒化インジウムガリウム層と、平面ＧａＮバリア層と、任意選択の平面ｐドープＩＩＩ族窒化物層（ｐドープ窒化アルミニウムガリウム層など）とを備えうる。一般に、第１活性層３０Ａは、第１ピーク波長で発光するように構成されたドープ化合物半導体材料層の任意のセットを含むことができる。

第２ドープ化合物半導体部３６は、第１活性層３０Ａ上に配置される。第２ドープ化合物半導体部３６は、第１導電型とは反対の第２導電型のドーピングを有するドープ半導体材料を含む。例示的な実施例において、第１ドープ化合物半導体層２６は、ｎドープＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料（ｎドープＧａＮなど）を含むことができ、第２ドープ化合物半導体部３６は、ｐドープＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料（ｐドープＧａＮまたはＡｌＧａＮなど）を含むことができる。第２ドープ化合物半導体部３６は、２００ｎｍ～５００ｎｍなど、１００ｎｍ～１ミクロンの範囲内の厚さを有することができるが、より薄いおよびより厚い厚さを使用することもできる。

各第２ドープ化合物半導体領域３６上には、任意選択の透明ｐ側電極３８が形成されてもよい。ｐ側電極３８は、透明導電性酸化物など光学的に透明な導電性材料を含むことができる。透明導電性酸化物の例としては、インジウムスズ酸化物、アルミニウム亜鉛酸化物、またはフッ素ドープスズ酸化物が挙げられる。

各第１発光ダイオード１０Ａは、第２ドープ化合物半導体部３６および第１活性層３０Ａに電気的絶縁を提供する絶縁スペーサ６０を備えうる。さらに、各第１発光ダイオード１０Ａは、光反射材料（アルミニウム、銀、金、または銅など）を含み且つ第１ドープ化合物半導体層２６の遠位表面（第１ドープ化合物半導体層２６とバッファ層２４との間の界面など）に向けて光を反射するように構成されたリフレクタ８２を備えうる。一実施形態において、リフレクタ８２は、例えば、絶縁スペーサ６０の開口を通って垂直に延在し、第２ドープ化合物半導体部３６に直接接触することによって、または、リフレクタ８２のうち垂直に突出する部分と第２ドープ化合物半導体部３６との間に介在するｐ側電極３８に接触することによって、第２ドープ化合物半導体部３６に電気的に接続されうる。リフレクタ８２は、３０ｎｍ～１００ｎｍなど、１０ｎｍ～３００ｎｍの範囲内の厚さを有することができるが、より薄いおよびより厚い厚さを使用することもできる。

各第１発光ダイオード１０Ａは、例えば、半田材料部５０のアレイなどの半田接点のアレイを介して、バックプレーン４００に取り付けられうる。例えば、半田材料部のアレイ５０は、第１発光ダイオード１０Ａのリフレクタ８２の凹部領域内に形成され、第２レベル金属相互接続構造４７０などの金属相互接続構造でありうるバックプレーン４００内のそれぞれの金属ボンディング構造に接合されうる。或いは、半田材料部のアレイ５０は、バックプレーン４００内の金属ボンディング構造（第２レベル金属相互接続構造４７０など）上に形成され、リフレクタ８２の凹部領域のそれぞれ１つに接合されうる。

図３Ａ～３Ｂを参照すると、第２発光ダイオード１０Ｂのアレイは、バックプレーン４００内の金属相互接続構造（４６０、４７０）（金属ボンディングパッドなど）の第２サブセットに取り付けられうる。第２発光ダイオード１０Ｂは、例えば、５３０ｎｍ～５７０ｎｍの波長範囲を有する緑色光でありうる第２ピーク波長で発光するように構成されうる。第２発光ダイオード１０Ｂは、その中の活性層の構造が第１発光ダイオード１０Ａと異なっていてもよく、当該活性層は本明細書では第２活性層３０Ｂと呼ばれる。第２活性層３０Ｂは、第２ピーク波長で発光するように構成されたドープ化合物半導体材料層のセットを含む。一実施形態において、第２活性層３０Ｂは、量子井戸を形成する第１化合物半導体層３２Ｂと第２化合物半導体層３４Ｂとの周期的な繰り返しを含んでいてもよい。第１化合物半導体層３２Ｂと第２化合物半導体層３４Ｂとの材料組成および厚さは、第２活性層３０Ｂが第２ピーク波長で発光するように選択されうる。例えば、第２発光ダイオード１０Ｂにおける第１化合物半導体層３２Ｂは、第１発光ダイオード１０Ａにおける第１化合物半導体層３２Ａよりもインジウム濃度が高い窒化インジウムガリウムを含みうる。第２の活性層３０Ｂ内には、発光の量子効率を高めるように構成された追加の材料層が存在していてもよい。或いは、第２活性層３０Ｂに非量子井戸構造が採用されてもよい。一般に、第２活性層３０Ｂは、第２ピーク波長で発光するように構成されたドープ化合物半導体材料層の任意のセットを含むことができる。

各第２発光ダイオード１０Ｂは、例えば、半田材料部５０のアレイなどの半田接点のアレイを介して、バックプレーン４００に取り付けられうる。例えば、半田材料部のアレイ５０は、第２発光ダイオード１０Ｂのリフレクタ８２の凹部領域内に形成され、第２レベル金属相互接続構造４７０などの金属相互接続構造でありうるバックプレーン４００内のそれぞれの金属ボンディング構造に接合されうる。或いは、半田材料部のアレイ５０は、バックプレーン４００内の金属ボンディング構造（第２レベル金属相互接続構造４７０など）上に形成され、リフレクタ８２の凹部領域のそれぞれ１つに接合されうる。

第３発光ダイオード１０Ｃのアレイは、バックプレーン４００内の金属相互接続構造（４６０、４７０）（金属ボンディングパッドなど）の第３サブセットに取り付けられうる。第３発光ダイオード１０Ｃは、例えば、４２０ｎｍ～４８０ｎｍの波長範囲を有する青色光でありうる第３ピーク波長で発光するように構成されうる。第３発光ダイオード１０Ｃは、その中の活性層の構造が第１発光ダイオード１０Ａと異なっていてもよく、当該活性層は本明細書では第３活性層３０Ｃと呼ばれる。第３活性層３０Ｃは、第３ピーク波長で発光するように構成されたドープ化合物半導体材料層のセットを含む。一実施形態において、第３活性層３０Ｃは、量子井戸を形成する第１化合物半導体層３２Ｃと第２化合物半導体層３４Ｃとの周期的な繰り返しを含んでいてもよい。第１化合物半導体層３２Ｃと第２化合物半導体層３４Ｃとの材料組成および厚さは、第３活性層３０Ｃが第３ピーク波長で発光するように選択されうる。例えば、第３発光ダイオード１０Ｃにおける第１化合物半導体層３２Ｃは、第２発光ダイオード１０Ａにおける第１化合物半導体層３２Ｂよりもインジウム濃度が高い窒化インジウムガリウムを含みうる。第３活性層３０Ｃ内には、発光の量子効率を高めるように構成された追加の材料層が存在していてもよい。或いは、第３活性層３０Ｃに非量子井戸構造が採用されてもよい。一般に、第３活性層３０Ｃは、第３ピーク波長で発光するように構成されたドープ化合物半導体材料層の任意のセットを含むことができる。

各第３発光ダイオード１０Ｃは、例えば、半田材料部５０のアレイなどの半田接点のアレイを介して、バックプレーン４００に取り付けられうる。例えば、半田材料部のアレイ５０は、第３発光ダイオード１０Ｃのリフレクタ８２の凹部領域内に形成され、第２レベル金属相互接続構造４７０などの金属相互接続構造でありうるバックプレーン４００内のそれぞれの金属ボンディング構造に接合されうる。或いは、半田材料部のアレイ５０は、バックプレーン４００内の金属ボンディング構造（第２レベル金属相互接続構造４７０など）上に形成され、リフレクタ８２の凹部領域のそれぞれ１つに接合されうる。

一般に、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイはバックプレーン４００に取り付けられうる。一実施形態において、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイは、第１ピーク波長で発光するように構成された第１発光ダイオード１０Ａの第１サブアレイと、第２ピーク波長で発光するように構成された第２発光ダイオード１０Ｂの第２サブアレイと、第３ピーク波長で発光するように構成された第３発光ダイオード１０Ｃの第３サブアレイとを含む。第１ピーク波長、第２ピーク波長、および第３ピーク波長は、互いに異なる。本明細書で使用される場合、サブアレイは、要素の別のアレイのサブセットであり、それよりも少ない要素を含むアレイを指す。

一実施形態において、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイ内の各発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、第１ドープ化合物半導体層２６と、それぞれのピーク波長で発光するように構成された活性層（３０Ａ、３０Ｂ、または３０Ｃ）と、第２ドープ化合物半導体部分３６とを含む垂直スタックを備える。一実施形態において、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイ内の各発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、半田材料部５０のアレイを介してバックプレーン４００内のそれぞれの金属相互接続構造（第２レベル金属相互接続構造４７０など）に取り付けられる。

図３Ｂに示されるように、各発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、表示デバイスのピクセル「Ｐ」のサブピクセルを備えうる。例えば、ピクセルＰは、少なくとも１つの赤色発光ダイオードと、少なくとも１つの緑色発光ダイオードと、少なくとも１つの青色発光ダイオードとを含みうる。他の色の発光ダイオードを使用することもできる。

図４を参照すると、アンダーフィル材料、シリコン酸化物、またはポリマー材料などの誘電体充填材料が、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）の隣り合うペア間のギャップに堆積されうる。誘電体充填材料は、注入よって、スピンコーティングなどの自己平坦化堆積法によって、または、化学蒸着などのコンフォーマル堆積プロセスによって堆積されうる。誘電体充填材料の余分な部分は、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）の遠位水平面を含む水平面の上から除去されうる。一実施形態において、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）の遠位水平面は、バッファ層２４の裏面を含んでもよいし、（誘電体材料の余分な部分を除去する平坦化プロセス中にバッファ層２４が使用または除去されない場合に）第１ドープ化合物半導体層２６の裏面を含んでもよい。

一般に、誘電体充填材料は、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイをバックプレーン４００に取り付けた後に、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイの周りに塗布され、誘電体充填材料の一部は、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイの上面を含む水平面の上から除去されうる。誘電体充填材料の残りの部分は、誘電体マトリクス層１１０を含む。誘電体マトリクス層１１０によって横方向に囲まれた発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイは、バックプレーン４００の上に形成されうる。発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイは、バックプレーン４００の前面に取り付けられ、したがって、バックプレーン４００の上に配置される。

一実施形態において、誘電体マトリクス層１１０は、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）の各々の側壁に接触する。一実施形態において、誘電体マトリクス層１１０は、バッファ層２４の側壁、第１ドープ化合物半導体層２６の側壁、活性層（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ）の側壁、第２ドープ化合物半導体層３６の側壁、絶縁スペーサ６０の側壁、および各発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）内のリフレクタ８２の表面に接触しうる。一実施形態において、誘電体マトリクス層１１０は、半田材料部５０の各々に接触して横方向に囲む。

図５を参照すると、透明導電材料層１５０は、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイの前面に堆積されうる。透明導電材料層１５０は、バッファ層２４に直接堆積されてもよいし、各活性層（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ）の第１電気ノード、即ち第１ドープ化合物半導体層２６に電気的に接続される第１ドープ化合物半導体層２６上に直接堆積されてもよい。この場合、透明導電材料層１５０は、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイの共通接地ノード（例えば、共通ｎ側電極）として機能することができ、半田材料部５０は、それぞれの発光ダイオードのｐ側電極３８に電気的に接続されうる。半田材料部５０と透明導電材料層１５０の共通接地ノードとを横切る電圧バイアスは、それぞれの活性層（３０Ａ、３０Ｂ、または３０Ｃ）からの発光を誘導することができる。透明導電性材料層１５０は、透明導電性酸化物材料（インジウムスズ酸化物、フッ素ドープスズ酸化物、またはドープ亜鉛酸化物など）、導電性ポリマー、金属グリッド、もしくは、ランダム金属もしくはカーボンナノチューブネットワーク（例えば、それらのパーコレーション閾値を超える金属ナノワイヤまたはナノチューブのネットワーク）を含んでいてもよい。透明導電材料層１５０の厚さは、１０ｎｍ～１００ｎｍなど、３ｎｍ～３００ｎｍの範囲内でありうるが、より薄いおよびより厚い厚さを使用することもできる。

メタマテリアル層１２０Ｌは、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイの前面に、透明導電材料層１５０の遠位水平面の上に直接堆積されうる。例えば、メタマテリアル層１２０Ｌは、誘電体マトリクス層１１０上および発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイ上に堆積されうる。一実施形態において、メタマテリアル層１２０Ｌは、広いバンドギャップ、即ち、２ｅＶよりも大きい大きさを有するバンドギャップを有する光学的に透明な材料を含むことができる。一実施形態において、メタマテリアル層１２０Ｌは、シリコン、シリコンゲルマニウム、またはＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体材料（ＧａＮなど）などの半導体材料、または誘電性金属酸化物材料（チタン酸化物、タンタル酸化物、アルミニウム酸化物、イットリウム酸化物、ランタン酸化物など）、またはシリコン酸化物を含む、および／または本質的にそれらから構成されうる。別の実施形態において、メタマテリアル層１２０Ｌは、例えば金や銀の金属など、光学的に不透明な材料を含んでもよい。メタマテリアル層１２０Ｌは、化学気相堆積または原子層堆積によって堆積されうる。メタマテリアル層１２０Ｌの厚さは、５０ｎｍ～５００ｎｍなど、３０ｎｍ～２，０００ｎｍの範囲内でありうるが、より薄いおよびより厚い厚さを使用することもできる。

図６および図７Ａ～７Ｆを参照すると、メタマテリアル層１２０Ｌは、パターン化メタマテリアルレンズのアレイ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）にパターニングされうる。図６は、メタマテリアル層１２０Ｌをパターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングした後の第１例示的構造の垂直断面図である。メタマテリアルレンズは、長さおよび／または幅の少なくとも一方が８００ｎｍ以下、例えば１０ｎｍ～８００ｎｍ、例えば５０ｎｍ～２００ｎｍ、例えば５０ｎｍ～１５０ｎｍでありうる。メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、光学レンズと同様に、これらのレンズに入射する可視光を屈曲および／または集束させることができる。

メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、光学メタ表面としても知られており、光と強く相互作用するサブ波長（即ち、可視光の波長（例えば４００～８００ｎｍ）未満）寸法のパターン化された層または構造である。そのようなレンズは、サブ波長の厚さにわたって光特性を変化させる。光の屈折および伝搬に依存する従来の光学系とは対照的に、メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、小さなナノ構造からの散乱に基づいて光を操作する。そのようなナノ構造は、光を共鳴的に捕捉し、規定された位相、偏光、モダリティ、およびスペクトルで光を再放出することができるため、光波の屈曲を可能にする。

メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、位相操作によって光ビームを曲げる導電性プラズモニックナノ構造、または、電気的性質および磁気的性質の両方の強いミー型共鳴（Mie-type resonances）を示す誘電体（即ち、電気絶縁性）ナノ構造を含むことができ、共鳴波長は、ナノ構造のサイズに誘電体材料の屈折率を乗じたものに比例する。共鳴において、誘電性ナノ構造は、誘導された電気的または磁気的な双極子（または、より高次の）モーメントを有し、その干渉が光散乱の方向性に強く影響する。

図７Ａ～７Ｆは、本開示の一実施形態に係る、パターン化メタマテリアルレンズに使用されうる例示的なパターンを示す。図７Ａ～７Ｆに示されるメタマテリアルレンズは、D. Neshev, et al., Light: Science & Applications (2018) 7:58に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。図７Ａは、ゴールドアンテナアレイから構成される光学メタ表面を示す。プラズモニック界面の単位セルは、８つのゴールドＶ字形光アンテナを備える。図７Ｂは、６６０ｎｍで動作するとともに、ガラス基板上のＴｉＯ_２ナノフィンから成るメタマテリアルレンズを示す。スケールバーは３００ｎｍである。図７Ｃは、開口数（ＮＡ）～０．１を有する無彩色メタマテリアルレンズを示す。スケールバーは５００ｎｍである。ナノピラーとバビネット（Babinet）構造との垂直境界が見える。図７Ｄは、１０ｍｍの距離で５ｍｍの大きさの画像を生成する製造されたメタホログラムを示す。ポストは、ＳｉＯ_２上のシリコンである。図７Ｅは、λ＝５５０ｎｍで１００ｍｍの局所ベッセルスポット（Bessel spot）焦点距離をもたらすＳｉナノビームに基づく誘電体メタ表面レンズのＳＥＭ画像である。図７Ｆは、ｘ偏光とｙ偏光とを分離してそれらを２つの異なった点に集束させる、ＳｉＯ_２上の非晶質シリコンピラーから作製された誘電体メタ表面を示す。

一実施形態において、フォトレジスト層（図示せず）は、メタマテリアル層１２０Ｌの上に塗布され、それぞれの下にある発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）から放出される光のコリメーションを誘発する光学干渉パターンを形成するようにリソグラフィでパターニングされうる。異なるタイプの発光ダイオードは異なるピーク波長で発光するため、各発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）上に形成される光学干渉パターンは、光学干渉パターンがそれぞれの下にある発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）から放出される光の波長に対してコリメーションを提供するように最適化されうる。フォトレジスト層のパターンは、異方性エッチングプロセス（反応性イオンエッチングプロセスなど）を含みうるエッチングプロセスを実行することによって、メタマテリアル層１２０Ｌを通して転写されうる。メタマテリアル層１２０Ｌは、エッチングプロセスによって、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングされうる。フォトレジスト層は、その後、例えばアッシングによって除去されうる。

各パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、それぞれの下にある発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）から放出される光をコリメートするパターンを有することができる。第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａは、第１ピーク波長で発光する第１発光ダイオード１０Ａの上に形成されうるとともに、第１ピーク波長を有する光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂは、第２ピーク波長で発光する第２発光ダイオード１０Ｂの上に形成されうるとともに、第２ピーク波長を有する光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。第３パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｃは、第３ピーク波長で発光する第３発光ダイオード１０Ｃ上に形成されうるとともに、第３ピーク波長を有する光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。

したがって、第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａにおけるナノ構造のサイズ（例えば、幅および／または長さ）、ナノ構造間の間隔、および／またはナノ構造の方向（即ち、位置角度）などの構成は、第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂの構成と異なっていてもよく、第３パターン化メタマテリアルレンズの構成は、第１および第２パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ）の構成と異なっていてもよい。例えば、第１発光ダイオード１０Ａが赤色光を放出する場合、第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａの構成は、赤色光のコリメーションを最適化するように構成されうる。同様に、第２および第３発光ダイオード（１０Ｂ、１０Ｃ）がそれぞれ緑色光および青色光を放出する場合、第２パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ｂ、１２０Ｃ）の構成は、それぞれ緑色光および青色光のコリメーションを最適化するように構成されうる。一般に、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイ内の各パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、バックプレーン４００の上面に垂直な垂直方向に沿って、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイ内のそれぞれの下にある発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）から放出された異なる色の光をコリメートするように構成されうる。

本開示の一態様によれば、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイは、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイ全体にわたって連続的に延在する単一のメタマテリアル層１２０Ｌからパターニングされうるとともに、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイ全体にわたって連続的に延在する透明導電材料層１５０の上面の上に直接形成されうる。一実施形態において、各パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、それぞれの下にある発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）の領域にわたって延在する非周期的メタマテリアル部のセット（図７Ａ～７Ｆに示される）を備えうる。一実施形態において、非周期的メタマテリアル部のセットは、同じ厚さを有する。

発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイによって提供される光コリメーションは、発光デバイスからの光の指向性を増加させる。したがって、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイは、本開示の実施形態の発光デバイスを、ヘッドアップディスプレイまたはバーチャルリアリティアプリケーションに適したものにすることができる。

図８を参照すると、本開示の第２実施形態に係る第２例示的構造は、バックプレーン４００上に誘電体マトリクス層２１０を形成することによって、図１に示される第１例示的構造から導出することができる。誘電体マトリックス層２１０は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、誘電体金属酸化物（アルミニウム酸化物またはチタン酸化物など）、またはポリマー材料（ポリイミドなど）などの誘電体材料を含む。誘電体マトリクス層２１０の厚さは、２ミクロン～３０ミクロンなど、１ミクロン～６０ミクロンの範囲であってもよいが、より薄い厚さおよびより厚い厚さが採用されてもよい。

図９を参照すると、キャビティ２１９のアレイは、誘電体マトリクス層２１０を通して形成されうる。例えば、フォトレジスト層（図示せず）が、誘電体マトリクス層２１０上に塗布されて、開口のアレイを形成するようにリソグラフィでパターニングされうるとともに、異方性エッチングプロセスが、フォトレジスト層内の開口のパターンを誘電体マトリクス層２１０に転写するために実行されうる。フォトレジスト層は、その後、例えばアッシングによって除去されうる。或いは、誘電体マトリックス層２１０は、感光性ポリイミド材料などの感光性材料を含んでいてもよい。この場合、誘電体マトリクス層２１０の材料は、その中にキャビティ２１９のアレイを形成するために、直接露出され且つ現像されてもよい。キャビティ２１９は、光学キャビティを含んでもよい。誘電体マトリクス層２１０の残りの部分は、表示デバイスの隣り合うサブピクセルを分離し、光学キャビティ２１９の側壁として機能するセパレータ２１２を備える。

各キャビティ２１９は、各第２レベル金属相互接続構造４７０などの各金属相互接続構造（４６０、４７０）でありうるそれぞれの金属ボンディングパッド上に配置されうる。一実施形態において、第２レベル金属相互接続構造４７０は、各キャビティ２１９の底部の中央領域において物理的に露出され、別の第２レベル金属相互接続構造４７０は、各キャビティ２１９の底部の周辺部分において物理的に露出されうる。一実施形態において、キャビティ２１９は、各キャビティ２１９の上部が各キャビティ２１９の下部よりも大きい横方向寸法を有するように、１度～１０度など、０．１度～３０度の範囲のテーパ角度で形成されてもよい。

図１０を参照すると、反射材料層（金属層など）が、キャビティ２１９内にコンフォーマルに堆積されうる。反応性イオンエッチングプロセスは、反射材料層のうち水平方向に延在する部分を除去するために実行されうる。反射材料層のうち残りのチューブ状部分は、リフレクタ２８２を含む。或いは、フォトレジスト層（図示せず）は、反射材料層上に塗布されうるとともに、反射材料層のうち垂直に延在する部分をカバーするようにリソグラフィでパターニングされうる。異方性エッチングプロセスなどのエッチングプロセスは、反射材料層のうちマスクされていない部分を除去するために実行されうる。反射材料層のうち残りの部分は、リフレクタ２８２を含む。

リフレクタ２８２は反射材料を含む。例えば、リフレクタ２８２は、アルミニウム、銀、金、または銅などの金属を含みうる。リフレクタ２８２は、３０ｎｍ～１００ｎｍなど、１０ｎｍ～３００ｎｍの範囲の厚さを有してもよいが、より薄い厚さおよびより厚い厚さが採用されてもよい。一実施形態において、各リフレクタ２８２は、メガフォン形状のチューブの構成を有しうる。一実施形態において、各リフレクタ２８２の底面は、各金属相互接続構造（第２レベル金属相互接続構造４７０など）に接触しうるとともに、金属相互接続構造（別の第２レベル金属相互接続構造４７０など）は、各キャビティ２１９の底部の中央領域において物理的に露出されうる。一般に、リフレクタ２８２のアレイは、キャビティ２１９のアレイ内に形成されうる。各リフレクタ２８２は、各キャビティ２１９の側壁（即ち、セパレータ２１２の側壁）上に直接形成されうる。

或いは、セパレータ２１２（リフレクタ２８２の有無にかかわらず）は、別個に形成されて、その後にバックプレーン４００に取り付けられてもよい。別の実施形態において、セパレータ２１２は、反射性（例えば、金属）材料で形成されてもよい。この場合、セパレータ２１２の側壁がリフレクタ２８２として機能する。

図１１を参照すると、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、半田材料部５０のアレイを通してそれぞれの第１金属相互接続構造（それぞれの第２レベル金属相互接続構造４７０など）に取り付けられうる。第２例示的構造で使用される発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、第１例示的構造で使用される発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）と同じであってもよいし、リフレクタ８２が存在しない点で第１例示的構造で使用される発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）と異なっていてもよい。言い換えれば、リフレクタ８２は、第２例示的構造において発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）内に存在していてもよいし存在していなくてもよい。

第１発光ダイオード１０Ａのアレイは、バックプレーン４００内の金属相互接続構造（４６０、４７０）（金属ボンディングパッドなど）の第１サブセットに取り付けられうる。第１発光ダイオード１０Ａは、例えば、６２０ｎｍ～７５０ｎｍの波長範囲を有する青色光でありうる第１ピーク波長で発光するように構成されうる。

第２発光ダイオード１０Ｂのアレイは、バックプレーン４００内の金属相互接続構造（４６０、４７０）（金属ボンディングパッドなど）の第２サブセットに取り付けられうる。第２発光ダイオード１０Ｂは、例えば、５３０ｎｍ～５７０ｎｍの波長範囲を有する緑色光でありうる第２ピーク波長で発光するように構成されうる。

第３発光ダイオード１０Ｃのアレイは、バックプレーン４００内の金属相互接続構造（４６０、４７０）（金属ボンディングパッドなど）の第３サブセットに取り付けられうる。第３発光ダイオード１０Ｃは、例えば、４２０ｎｍ～４８０ｎｍの波長範囲を有する青色光でありうる第３ピーク波長で発光するように構成されうる。

一般に、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイは、バックプレーン４００に取り付けられうる。一実施形態において、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイは、第１ピーク波長で発光するように構成された第１発光ダイオードの第１サブアレイ１０Ａと、第２ピーク波長で発光するように構成された第２発光ダイオードの第２サブアレイ１０Ｂと、第３ピーク波長で発光するように構成された第３発光ダイオードの第３サブアレイ１０Ｃとを備える。第１ピーク波長、第２ピーク波長、および第３のピーク波長は、互いに異なる。

図１２を参照すると、各第１ドープ化合物半導体層２６とバックプレーン４００との間の電気的接続を提供するために、各キャビティ２１９内にｎ側電極２５０が形成されうる。電気的接続は、図１２の図面の平面外に配置されてもよい。

キャビティ２１９のうち残りの体積内にキャビティ充填誘電体材料が堆積されうる。キャビティ充填誘電体材料は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、または光学的に透明なポリマー材料など、光学的に透明な誘電体材料を含む。キャビティ充填誘電体材料のうち余分な部分は、化学機械研磨プロセスなどの平坦化プロセスによって、セパレータ２１２の上面を含む水平面の上から除去されうる。キャビティ充填誘電材料部２２０のアレイは、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイ上のキャビティ２１９のアレイ内に形成されうる。

図１３を参照すると、メタマテリアル層１２０Ｌは、キャビティ充填誘電体材料部２２０および発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイの前面上に堆積されうる。一実施形態において、メタマテリアル層１２０Ｌは、セパレータ２１２の遠位水平面上に直接堆積されうる。例えば、メタマテリアル層１２０Ｌは、セパレータ２１２、リフレクタ２８２のアレイ、キャビティ充填誘電体材料部２２０、および発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイの上に堆積されうる。

図１４を参照すると、メタマテリアル層１２０Ｌは、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングされうる。第１例示的構造においてメタマテリアル層１２０Ｌをパターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングするために採用された同じパターニングプロセスが、第２例示的構造においてメタマテリアル層１２０Ｌをパターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングするために採用されうる。

各パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、それぞれの下にある発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）から放出される光をコリメートするパターンを有しうる。第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａは、第１ピーク波長で発光する第１発光ダイオード１０Ａの上に形成されうるとともに、第１ピーク波長を有する光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａは、第２ピーク波長で発光する第２発光ダイオード１０Ｂの上に形成されうるとともに、第２ピーク波長を有する光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。第３パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａは、第３ピーク波長で発光する第３発光ダイオード１０Ｃ上に形成されうるとともに、第３ピーク波長を有する光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。

一般に、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイ内の各パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、バックプレーン４００の上面に垂直な垂直方向に沿って、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイ内のそれぞれの下にある発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）から放出された光をコリメートするように構成されうる。上述したように、第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａにおけるナノ構造のサイズ（例えば、幅および／または長さ）、間隔および／または方向（即ち、位置角度）などの構成は、第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂの構成と異なっていてもよく、第３パターン化メタマテリアルレンズの構成は、第１および第２パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ）の構成と異なっていてもよい。

一実施形態において、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイは、セパレータ２１２の上面と接触しうるとともに、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイから垂直方向に離隔されうる。一実施形態において、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）の各々は、キャビティ充填誘電材料部２２０のアレイ内のそれぞれのキャビティ充填誘電材料部２２０の上に直接配置されうる。

図１５を参照すると、本開示の第３実施形態に係る第３例示的構造は、バックプレーン４００の金属ボンディングパッド（金属相互接続構造（４６０、４７０）のサブセットである）に発光ダイオード１０を取り付けることによって、図１０の第２例示的構造から導出することができる。

第３実施形態によれば、発光ダイオード１０の各々は、同じ構造を有することができ、したがって、紫外波長または青色波長（青色光および紫色光を含む）でありうる同じピーク波長で放射線を放出するように構成されうる。各発光ダイオード１０は、バッファ層２４と、第１ドープ化合物半導体層２６と、活性層３０と、第２ドープ化合物半導体部３６と、絶縁スペーサ６０とを備えることができ、任意選択でリフレクタ（図示せず）を備えることができる。各活性層３０は、ピーク波長で放射線を放出するように構成されたドープ化合物半導体材料層のセットを含む。一実施形態において、活性層３０は、量子井戸を形成する第１化合物半導体層３２と第２化合物半導体層３４との周期的な繰り返しを含みうる。第１化合物半導体層３２と第２化合物半導体層３４との材料組成および厚さは、紫外波長または青色波長であってもよいピーク波長で活性層３０が放射線を放出するように選択されうる。活性層３０内には、発光の量子効率を高めるように構成された追加の材料層が存在していてもよい。或いは、活性層３０に非量子井戸構造が採用されてもよい。一般に、活性層３０は、ピーク波長で放射線を放出するように構成されたドープ化合物半導体材料層の任意のセットを含むことができる。

発光ダイオード１０は、図１１を参照して説明した第２例示的構造の発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）を取り付ける方法と同じ方法を使用してバックプレーン４００に取り付けられうる。

図１６を参照すると、ｎ側電極２５０およびキャビティ充填誘電体材料部２２０のアレイは、図１２を参照して説明した処理ステップを実行することによって形成されうる。

図１７を参照すると、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）のアレイは、セパレータ２１２、リフレクタ２８２のアレイ、およびキャビティ充填誘電材料部２２０のアレイの上に、および任意選択で直接上に形成されうる。各色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）は、それぞれの下にある発光ダイオード１０の上に形成されうるとともに、平面視において当該発光ダイオード１０との領域的な重なりを有しうる。各色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）は、入射放射線を、入射光とは異なる波長を有する放出光に変換する材料を含む。例えば、発光ダイオード１０の活性層３０によって放出される入射放射線は、青色光または紫外線であってもよく、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）から放出される放射光は、入射放射線よりも長い波長の光であってもよい。例えば、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）は、量子ドット、蛍光体、色素、または、入射光による励起で発光する任意の材料を含みうる。例示的な実施例において、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）からの放出光は、それぞれ赤色光、緑色光、および青色光を含みうる。

一実施形態において、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）のアレイは、発光ダイオード１０のアレイ内の発光ダイオード１０の第１サブセットの上に重なり、入射光を第１ピーク波長を有する第１放出光（赤色光など）に変換するように構成された第１色変換媒体部９０Ａと、発光ダイオード１０のアレイ内の発光ダイオード１０の第２サブセットの上に重なり、入射光を第２ピーク波長を有する第２放出光（緑色光など）に変換するように構成された第２色変換媒体部９０Ｂと、発光ダイオード１０のアレイ内の発光ダイオード１０の第３サブセットの上に重なり、入射光を第３ピーク波長を有する第３放出光（青色光など）に変換するように構成された第３色変換媒体部９０Ｃとを備えうる。一実施形態において、第１ピーク波長、第２ピーク波長、および第３ピーク波長は、互いに異なる。色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）のアレイの隣り合う色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）のペア間に、変換レベルフレーム９２が任意選択で形成されうる。変換レベルフレーム９２Ｍは、アルミニウム、銀、金、または銅などの反射材料を備えうる。

図１８を参照すると、上述のメタマテリアル層１２０Ｌは、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）のアレイの遠位水平面上に堆積されうる。メタマテリアル層１２０Ｌは、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）のアレイにより、セパレータ２１２、リフレクタ２８２のアレイ、および発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイの上に配置され、それらから垂直に離間される。

図１９を参照すると、メタマテリアル層１２０Ｌは、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングされうる。第１例示的構造においてメタマテリアル層１２０Ｌをパターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングするために採用された同じパターニングプロセスが、第３例示的構造においてメタマテリアル層１２０Ｌをパターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングするために採用されうる。

各パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、それぞれの下にある発光ダイオード１０から放出されて各色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）を通過する放射線をコリメートするパターンを有することができる。発光ダイオード１０の第１サブセットから放出され、第１色変換媒体部９０Ａを通過する際により長い波長の光にダウンコンバートされる放射線は、第１ピーク波長を有しうる。第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａは、第１ピーク波長で発光する第１色変換媒体部９０Ａの上に形成されうるとともに、第１ピーク波長の光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。発光ダイオード１０の第２サブセットから放出され、第２色変換媒体部９０Ｂを通過する際により長い波長の光にダウンコンバートされる放射線は、第２ピーク波長を有しうる。第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂは、第２ピーク波長で発光する第２色変換媒体部９０Ｂの上に形成されうるとともに、第２ピーク波長の光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。発光ダイオード１０の第３サブセットから放出され、第３色変換媒体部９０Ｃを通過する際により長い波長の光にダウンコンバートされる放射線は、第３ピーク波長を有しうる。第３パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｃは、第３ピーク波長で発光する第３色変換媒体部９０Ｃの上に形成されうるとともに、第３ピーク波長の光を最も高い指向性でコリメートするパターンを有することができる。

一般に、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイ内の各パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、バックプレーン４００の上面に垂直な垂直方向に沿って、それぞれの下にある色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）に提供される光をコリメートするように構成されうる。

第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａにおけるナノ構造のサイズ（例えば、幅および／または長さ）、間隔および／または方向（即ち、位置角度）などの構成は、第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂの構成と異なっていてもよく、第３パターン化メタマテリアルレンズの構成は、第１および第２パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ）の構成と異なっていてもよい。例えば、第１色変換媒体部９０Ａが赤色光を放出する場合、第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａの構成は、赤色光のコリメーションを最適化するように構成されうる。同様に、第２および第３の色変換媒体部（９０Ｂ、９０Ｃ）がそれぞれ緑色光および青色光を放出する場合、第２パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ｂ、１２０Ｃ）の構成は、それぞれ緑色光および青色光のコリメーションを最適化するように構成されうる。

一実施形態において、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイは、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）の上面と接触しうるとともに、発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のアレイから垂直方向に離隔されうる。一実施形態において、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）の各々は、色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）のアレイ内のそれぞれの色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）上に直接配置されうる。一実施形態において、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイ内の各パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、第１色変換媒体部９０Ａ、第２色変換媒体部９０Ｂ、および第３色変換媒体部９０Ｃから選択されるそれぞれの色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、または９０Ｃ）上に直接配置される。

すべての図面を参照すると、本開示の様々な実施形態によれば、発光デバイスは、バックプレーン４００と、バックプレーン上に配置された第１、第２、および第３発光ダイオード｛１０、または（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）｝と、第１発光ダイオード上に配置された第１ナノ構造を含む第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａと、第２発光ダイオード上に配置された第２ナノ構造を含む第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂと、発光ダイオード上に配置された第３ナノ構造を含む第３パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｃとを含む。第１ナノ構造体の構成は第２ナノ構造体の構成と異なり、第３ナノ構造体の構成は第１および第２ナノ構造体の構成と異なる。

一実施形態において、第１ナノ構造の構成は、サイズ、間隔、または方向のうち少なくとも１つで第２ナノ構造体の構成と異なり、第３ナノ構造体の構成は、サイズ、間隔、または方向のうち少なくとも１つで第１および第２ナノ構造体の構成と異なる。一実施形態において、第１ナノ構造は第２ナノ構造と異なるサイズを有し、第３ナノ構造は第２ナノ構造と異なるサイズを有する。

第１および第２実施形態において、第１発光ダイオード１０Ａは赤色光を放出するように構成され、第２発光ダイオード１０Ｂは緑色光を放出するように構成され、第３発光ダイオード１０Ｃは青色光を放出するように構成される。第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａは赤色光のコリメーションを最適化するように構成され、第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂは緑色光のコリメーションを最適化するように構成され、第３パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｃは青色光のコリメーションを最適化するように構成される。

第１実施形態において、誘電体マトリクス層１１０は、第１、第２および第３発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）を横方向に囲む。

第２実施形態において、セパレータ２１２は、光学キャビティ２１９を囲む。第１、第２および第３発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、それぞれの光学キャビティ２１９内に配置される。リフレクタ２８２は、セパレータ２１２の側壁に配置される。キャビティ充填誘電材料部２２０は、光学キャビティ２１９内に配置されて、第１、第２および第３発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）の上に重なる。第１、第２および第３パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、キャビティ充填誘電体材料部２２０の遠位表面の上に重なる。第１、第２および第３発光ダイオード（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）の各々は、第１導電型の第１ドープ化合物半導体層２６と、第２導電型の第２ドープ化合物半導体層３６と、第１および第２化合物半導体層（２６、３６）の間に配置されてそれぞれのピーク波長で発光するように構成された活性層（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ）とを含む垂直スタックを含む。

第３実施形態において、第１、第２および第３発光ダイオード１０の各々は、同じピーク波長を有する入射放射線を放出するように構成される。入射放射線は、紫外線または青色光を含みうる。

第３実施形態において、第１色変換媒体部９０Ａは、第１発光ダイオードの上にあり、且つ入射放射線を第１ピーク波長を有する第１放出光に変換するように構成され、第２色変換媒体部９０Ｂは、第２発光ダイオードの上にあり、且つ入射放射線を第２ピーク波長を有する第２放出光に変換するように構成され、並びに、第３色変換媒体部分９０Ｃは、第３発光ダイオードの上にあり、且つ入射放射線を第３ピーク波長を有する第３放出光に変換するように構成される。第１ピーク波長、第２ピーク波長、および第３ピーク波長は、互いに異なる。第１、第２および第３色変換媒体部（９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ）は、互いに異なるサイズ（例えば、直径）を有する量子ドットを備えうる。

第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａは第１発光ダイオードの上（および部分９０Ａの上）に配置され、第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂは第２発光ダイオードの上（および部分９０Ｂの上）に配置され、並びに、第３パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｃは第３発光ダイオードの上（および部分９０Ｃの上）に配置される。

第３実施形態の一態様において、第１放出光は赤色光を含み、第２放出光は緑色光を含み、第３放出光は青色光を含む。第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ａは赤色光のコリメーションを最適化するように構成され、第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂは緑色光のコリメーションを最適化するように構成され、第３パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｃは青色光のコリメーションを最適化するように構成される。

一実施形態において、発光デバイスは表示デバイスを含む。第１発光ダイオード（１０または１０Ａ）および第１パターン化メタマテリアルレンズ１２０は表示デバイスのピクセル「Ｐ」の第１サブピクセル内に配置され、第２発光ダイオード（１０または１０Ｂ）および第２パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｂは表示デバイスのピクセルの第２サブピクセル内に配置され、第３発光ダイオード（１０または１０Ｃ）および第３パターン化メタマテリアルレンズ１２０Ｃは表示デバイスのピクセルの第３サブピクセル内に配置される。表示デバイスは、ヘッドアップ表示デバイス、バーチャルリアリティ表示デバイス、またはアーティフィシャルリアリティ表示デバイスを含みうる。

本開示の様々な実施形態は、異なる色の光に対して前方方向に沿った光コリメーションが向上された発光デバイスを提供するために使用されうる。一実施形態において、メタマテリアル層１２０Ｌは、単一の堆積ステップで堆積されうるとともに、同じセットのリソグラフィパターニングステップおよび同じセットのパターン転写ステップを使用して、異なるコリメーション特性を有する（即ち、異なる波長に対して最適化された）パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）のアレイにパターニングされうる。この実施形態において、パターン化メタマテリアルレンズ（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）は、メタマテリアル層１２０Ｌを形成する単一の材料堆積ステップと、フォトレジスト層の塗布、露光、および現像を含む単一のリソグラフィパターニングステップと、メタマテリアル層１２０Ｌを通してフォトレジスト層内にパターンを転写する単一のエッチングステップと、単一のフォトレジスト除去ステップとを使用することによって経済的に製造されうる。

開示された実施形態の前述の説明は、当業者が本発明を作製または使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対する種々の変形は、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、本発明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されうる。したがって、本発明は、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、以下の特許請求の範囲ならびに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べきである。

Claims (20)

1. バックプレーンと、
   前記バックプレーン上に配置された第１発光ダイオード、第２発光ダイオードおよび第３発光ダイオードと、
   前記第１発光ダイオードの上に配置された第１ナノ構造を含む第１パターン化メタマテリアルレンズと、
   前記第２発光ダイオードの上に配置された第２ナノ構造を含む第２パターン化メタマテリアルレンズと、
   前記第３発光ダイオードの上に配置された第３ナノ構造を含む第３パターン化メタマテリアルレンズと、
   を備え、
   前記第１ナノ構造の構成は前記第２ナノ構造の構成と異なり、前記第３ナノ構造の構成は前記第１ナノ構造および前記第２ナノ構造の構成と異なる、発光デバイス。
2. 前記第１ナノ構造の構成は、サイズ、間隔または方向のうち少なくとも１つ前記第２ナノ構造と異なり、
   前記第３ナノ構造の構成は、サイズ、間隔または方向のうち少なくとも１つで前記第１ナノ構造および前記第２ナノ構造の構成と異なる、請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記第１ナノ構造は、前記第２ナノ構造と異なるサイズを有し、
   前記第３ナノ構造は、前記第２ナノ構造と異なるサイズを有する、請求項２に記載の発光デバイス。
4. 前記第１発光ダイオードは、赤色光を放出するように構成され、
   前記第２発光ダイオードは、緑色光を放出するように構成され、
   前記第３発光ダイオードは、青色光を放出するように構成され、
   前記第１パターン化メタマテリアルレンズは、赤色光のコリメーションを最適化するように構成され、
   前記第２パターン化メタマテリアルレンズは、緑色光のコリメーションを最適化するように構成され、
   前記第３パターン化メタマテリアルレンズは、青色光のコリメーションを最適化するように構成される、請求項１に記載の発光デバイス。
5. 前記第１発光ダイオード、前記第２発光ダイオードおよび前記第３発光ダイオードを横方向に囲む誘電体マトリクス層を更に備える、請求項４に記載の発光デバイス。
6. 光学キャビティを囲むセパレータと、
   前記セパレータの側壁に配置されたリフレクタと、を更に備え、
   前記第１発光ダイオード、前記第２発光ダイオードおよび前記第３発光ダイオードは、それぞれの光学キャビティ内に配置される、請求項４に記載の発光デバイス。
7. 前記光学キャビティ内に配置されて、前記第１発光ダイオード、前記第２発光ダイオードおよび前記第３発光ダイオードの上に重なるキャビティ充填誘電体材料部を更に備える、請求項６に記載の発光デバイス。
8. 前記第１パターン化メタマテリアルレンズ、前記第２パターン化メタマテリアルレンズおよび前記第３パターン化メタマテリアルレンズは、前記キャビティ充填誘電体材料部の遠位表面の上に重なる、請求項７に記載の発光デバイス。
9. 前記第１発光ダイオード、前記第２発光ダイオードおよび前記第３発光ダイオードの各々は、第１導電型の第１ドープ化合物半導体層と、第２導電型の第２ドープ化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層との間に配置されてそれぞれのピーク波長で発光するように構成された活性層とを含む垂直スタックを含む、請求項４に記載の発光デバイス。
10. 前記第１発光ダイオード、前記第２発光ダイオードおよび前記第３発光ダイオードの各々は、同じピーク波長を有する入射放射線を放出するように構成される、請求項１に記載の発光デバイス。
11. 前記入射放射線は紫外線または青色光を含む、請求項１０に記載の発光デバイス。
12. 前記第１発光ダイオードの上にあり、前記入射放射線を第１ピーク波長を有する第１放出光に変換するように構成された第１色変換媒体部と、
    前記第２発光ダイオードの上にあり、前記入射放射線を第２ピーク波長を有する第２放出光に変換するように構成された第２色変換媒体部と、
    前記第３発光ダイオードの上にあり、前記入射放射線を第３ピーク波長を有する第３放出光に変換するように構成された第３色変換媒体部と、を更に備え
    前記第１ピーク波長、前記第２ピーク波長および前記第３ピーク波長は、互いに異なる、請求項１１に記載の発光デバイス。
13. 前記第１パターン化メタマテリアルレンズは、前記第１発光ダイオードの上に配置され、
    前記第２パターン化メタマテリアルレンズは、前記第２発光ダイオードの上に配置され、
    前記第３パターン化メタマテリアルレンズは、前記第３発光ダイオードの上に配置される、請求項１２に記載の発光デバイス。
14. 前記第１放出光は赤色光を含み
    前記第２放出光は緑色光を含み
    前記第３放出光は青色光を含み
    前記第１パターン化メタマテリアルレンズは、赤色光のコリメーションを最適化するように構成され、
    前記第２パターン化メタマテリアルレンズは、緑色光のコリメーションを最適化するように構成され、
    前記第３パターン化メタマテリアルレンズは、青色光のコリメーションを最適化するように構成される、請求項１３に記載の発光デバイス。
15. 前記第１色変換媒体部、前記第２色変換媒体部および前記第３色変換媒体部の各々は、量子ドットを含む、請求項１２に記載の発光デバイス。
16. 前記発光デバイスは表示デバイスを含む、請求項１に記載の発光デバイス。
17. 前記第１発光ダイオードおよび前記第１パターン化メタマテリアルレンズは、前記表示デバイスのピクセルの第１サブピクセルに配置され、
    前記第２発光ダイオードおよび前記第２パターン化メタマテリアルレンズは、前記表示デバイスの前記ピクセルの第２サブピクセルに配置され、
    前記第３発光ダイオードおよび前記第３パターン化メタマテリアルレンズは、前記表示デバイスの前記ピクセルの第３サブピクセルに配置される、請求項１６に記載の発光デバイス。
18. 前記表示デバイスは、ヘッドアップ表示デバイスを含む、請求項１６に記載の発光デバイス。
19. 前記表示デバイスは、バーチャルリアリティ表示デバイスを含む、請求項１６に記載の発光デバイス。
20. 前記表示デバイスは、アーティフィシャルリアリティ表示デバイスを含む、請求項１６に記載の発光デバイス。