CN101324306A - 发光二极管阵列及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光二极管阵列、制造方法及显示器装置。代表性的显示器装置包含：具有单一类型半导体堆叠的单一类型LED元件，其中色层设置于半导体堆叠的光输出侧，且安排每一色层以根据LED元件于显示器装置内的一位置，而将由单一类型半导体堆叠所发射的辐射转换为在电磁光谱的一红色部分、一绿色部分或一蓝色部分的辐射。

Description

发光二极管阵列及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(LED)阵列及用以制造此阵列的方法。

背景技术

目前有许多显示器型式，从供电视及监视器应用的传统的阴极射线管(CRT)显示器，到供电视、监视器及行动电话应用的主动矩阵(Active Matrix)液晶显示(LCD)显示器。AM LCD因其外形因素而快速地发展。薄膜晶体管(TFT)技术使得像素阵列片可用在平板系统。然而，LCD显示器的画面效果(对比、亮度、视角、切换时间、均匀度、色度)仍旧比传统CRT显示器差。主要的原因为CRT是发射式显示器类型，而LCD是穿透式、反射式或半反穿式(transflective)。

平板阵列片也可用于目前发展中的AM OLED(有机发光二极管)显示器。由于AM OLED也为发射式显示器类型，因此相较于AM LCD显示器，AM OLED显示器预期将有较佳的画面效果。

利基市场(Niche markets)由使用电泳的显示器所引导，产生具有静态影像(一般而言)的低功率电子书。非常大的屏幕显示器，如电子广告牌，可由LED元件阵列所形成，其中个别LED封装系设置于一载体上，以形成具有非常大像素尺寸的显示器。

发明内容

LED阵列的一实施例包含：一底座基板及多个发光二极管；多个发光二极管安排于底座基板上，作为一像素矩阵的次像素；一次像素的组合，其组成一像素且包含至少一第一颜色类型、一第二颜色类型及一第三颜色类型；每一发光二极管包含一第一接触层、一单一类型的一半导体堆叠及一第二接触层的一层堆叠；半导体堆叠位于第一接触层的顶部；第二接触层于半导体堆叠顶部；单一类型半导体堆叠用于在一光输出方向发射辐射；一色层设置于在半导体堆叠的光输出方向侧的层堆叠上；安排此色层以将由半导体堆叠所发射的辐射转换为至少第一颜色类型、第二颜色类型、及第三颜色类型的其中之一的辐射，以符合组成一像素的组合中的次像素的一位置的颜色类型。

用以制造一LED阵列的一方法的实施例包含：提供一底座基板；提供多个发光二极管于底座基板上，作为一像素矩阵的次像素；提供一次像素的组合，其组成一像素且包含至少一第一颜色类型、一第二颜色类型及一第三颜色类型，其中每一发光二极管包含具有一第一接触层、一单一类型的一半导体堆叠及一第二接触层的一层堆叠，半导体堆叠位于该第一接触层的顶部，第二接触层于半导体堆叠顶部，单一类型半导体堆叠用于在一光输出方向发射辐射；设置一色层于在半导体堆叠的光输出方向侧的层堆叠上，其中安排色层以将由半导体堆叠所发射的辐射转换为至少第一颜色类型、第二颜色类型及第三颜色类型的其中之一的辐射，以符合组成一像素的组合中的次像素的一位置的颜色类型。

显示器装置的一实施例包含：一单一类型LED元件，具有一单一类型半导体堆叠，其中色层设置于半导体堆叠的一光输出侧，且安排每一色层以根据LED元件于显示器装置内的一位置，而将由单一类型半导体堆叠所发射的辐射转换为在电磁光谱的一红色部分、一绿色部分或一蓝色部分的辐射。

附图说明

以上通过参考某些示意图而解释本发明，其仅为说明之用而非用以限制保护范畴，本发明保护范畴系由权利要求所定义，其中：

图1a及1b分别显示LED阵列的实施例的示范性布局的上视图及剖面图；

图2显示LED堆叠安排的第一实施例的示意剖面图；

图3显示LED堆叠安排的第二实施例的示意剖面图；

图4显示LED堆叠安排的第三实施例的示意剖面图；以及

图5显示用以驱动LED元件的第一电路的实施例。

具体实施方式

在一示范性实施例中，提供了安排于底座基板上的LED阵列显示器，其中底座基板做为组成LED阵列的多个LED元件的载体。LED元件通过使用沉积技术及光学微影而制造于底座基板上。

图1a及1b分别显示LED阵列的实施例的示范性布局的上视图及剖面图。特别是，图1a显示LED元件R、G、B的示范性阵列的上视图，其中相同颜色的LED元件条状排列。

包含多个发光二极管的LED阵列安排于像素矩阵中。像素矩阵包含可驱动像素，供形成一影像。每一发光二极管为三种颜色类型R、G、B的其中一个的次像素。包含三种颜色类型R、G、B的次像素的组合组成一像素。在此示范性例子中，R、G、B次像素的排序为所谓的RGB条状安排。也可能为其它的RGB次像素安排。LED元件R、G、B设置于底座基板BS上。在图1a中，红色LED元件R在水平方向X且邻近绿色LED元件G。绿色LED元件G邻接蓝色元件B。R、G、B LED元件的顺序沿水平方向X而重复。

用以连接LED元件的互连电路提供于底座基板上。阵列的每一LED元件与一端点(未显示)耦合而连接至第一互联机(其延伸形成在水平方向X的横列线R1、R2、R3)，且与另一端点(未显示)耦合而连接至第二互联机(其延伸形成在垂直方向Y的直行线C1、C2、C3、C4、C5、C6)。

横列线连接至横列驱动电路RD，而直行线连接至直行驱动电路CD。横列驱动电路RD及直行驱动电路CD安排供选择性地驱动在阵列中的每一LED元件。

每一LED元件包含驱动电路，供驱动LED元件于开启状态发射辐射。为清楚说明，连接至LED元件的电子电路在此并未详细显示。图5显示驱动电路的一范例。

图1b显示沿图1a中水平线IB-IB的LED阵列剖面图。就这点而言，每两个相邻的LED元件R、G、B通过一直行线而彼此分隔。LED元件R、G、B直接地安排于底座基板BS上，其将详述于后。

为产生特定颜色，每一LED元件或次像素需要不同的特定半导体堆叠ST，因为由LED元件产生的颜色取决于半导体堆叠中材料的能带能量。举例而言，AlGaAs的半导体堆叠可产生电磁光谱中红色部分的辐射、AlGaInP的堆叠可产生光谱中绿色/黄褐色部分的辐射、而AlGaInN的堆叠可产生光谱中绿色/蓝色部分的辐射。其它半导体堆叠也可用来产生红光、绿光或蓝光。

可了解到，LED元件R、G、B所发射的可见光波长不只可通过半导体堆叠的特定能带能量控制，也可通过在半导体堆叠的光输出方向中覆盖半导体堆叠的一色层的发光而控制。色层的发光与吸收LED半导体堆叠所发射的辐射及发射具有相对较长波长的辐射的色层特性相关。

在此示范性实施例中，一种单一类型的半导体堆叠只需要单一的LED元件类型。适当的色层设置于半导体堆叠的光输出侧。安排每一色层以根据LED元件在显示器装置内的位置，而转换单一类型半导体堆叠所发射的辐射为电磁光谱中的红、绿或蓝色部分。有利地，在此实施例中，单一半导体堆叠及色层的结构提供了相对简单的LED阵列制造方法。

需注意，每一LED元件R、G、B按照半导体制造程序的顺序而形成。这样的半导体制造程序包含各种制程步骤，像是光感层的涂布、通过暴露在辐射光下而图案化此层、以及移除已曝光(或未曝光)材料以形成图案化光罩层。此外，程序可包含气相沉积技术(物理的或是化学的)及/或原子层成长(例如分子束磊晶)。再者，程序可包含蚀刻(干式或湿式)及化学机械研磨。此外，程序可包含离子布植技术。熟此技艺者将可知道哪些半导体制造程序的组合用来制造LED阵列，这些制程可能随不同的实施例而有所改变。

在一实施例中，LED阵列可包含单一类型的半导体堆叠，其能带能量可允许发射在电磁光谱紫外光(UV)范围的辐射。安排LED元件上的色层以根据LED元件在LED阵列内的位置而转换紫外光辐射为红光、绿光或蓝光。在另一实施例中，单一类型的半导体堆叠可安排供发射对人眼为可见的光谱范围内的波长范围中的辐射。

图2显示LED堆叠安排的第一实施例的示意剖面图。剖面图沿水平方向X而延伸。如图2所示，LED元件R、G、B安排于一底座基板BS上相互邻接。在此实施例中的底座基板BS为具有特定结构定向的特定基板，其允许LED元件的半导体堆叠实质上磊晶成长于底座基板。

每一LED元件R、G、B建构在方向Z的层堆叠，且包含负接触层NCL。负接触层NCL通过层压(lamination)或沉积制程而依附至底座基板BS(光输出系导向为远离底座基板BS表面)。负电极NE位于负接触层NCL上。单一类型半导体堆叠ST位于LED元件R、G、B的负接触层的顶部。

选择性地，分布式布拉格反射器(DBR)层可实施于LED元件中用以调整LED元件的光输出方向。安排DBR层以将半导体堆叠所发射的光实质上导向一方向。DBR层的位置一般在半导体堆叠的一侧，朝向预期光输出的方向。举例来说，DBR层可位于负接触层及半导体堆叠之间。

单一类型半导体堆叠ST的能带能量允许LED元件发射在电磁光谱特定范围(如紫外光范围)中的辐射。

正接触层PCL位于每一半导体堆叠ST的顶部。每一正接触层PCL耦合至各自的正电极PE。在正接触层PCL及其各自的正电极PE上，可设置一调整层AL供改良各自LED元件的光学特性。

色层OC1、OC2、OC3提供作为每一LED元件的顶层。每一色层OC1、OC2、OC3安排以将由单一类型半导体堆叠ST所发射的辐射，转换为具有在可见光电磁光谱的红色R、绿色G及蓝色B部分其中一者中的波长的辐射。举例来说，安排色层OC1以转换半导体堆叠ST所发射的辐射为在电磁光谱的红色R部分中的辐射，安排色层OC2以将其转换为在电磁光谱的绿色G部分，而色层OC3用以将其转换为在电磁光谱的蓝色B部分。

举例而言，每一色层OC1、OC2、OC3可包含磷光体(phosphor)，以转换由单一类型半导体堆叠ST所发射的辐射为红、绿或蓝色。例如可通过网板印刷制程而将磷光体施加至LED元件。根据此实施例，使用磷光体的另一个优点为，每一色层OC1、OC2、OC3所产生的颜色可针对包含LED阵列的显示器装置的特定应用而客制化。

可提供一全面的覆盖层CP，以覆盖LED元件R、G、B，供保护LED元件免于环境的影响并降低可能的侵蚀。此外，覆盖层CP可包含一或多个次层，像是用以扩散由LED元件R、G、B所产生的光的扩散次层及/或抗反射次层。可能也有其它可改善每一LED元件的光学效能的次层。

色层也可具有调整由半导体堆叠所发射的辐射颜色为可较佳感知颜色的功能。举例来说，安排半导体堆叠ST以将辐射发射调整在光谱的蓝色部分。安排红色及绿色次像素LED元件R、G的色层OC1、OC2以转换半导体堆叠所发射的辐射为红色及绿色。安排蓝色次像素的色层OC3以将蓝色调整为具有较佳感知的蓝色。

图3显示LED堆叠安排的第二实施例的示意剖面图。在图3中，与图2所示相同的元件具有相同的元件符号。在此第二实施例中，单一类型半导体堆叠可安排供发射在对人眼为可见的光谱范围内的波长范围中的辐射。在此所示的范例中，安排单一类型半导体堆叠ST供蓝色辐射的发射。

红色及绿色次像素的LED元件R、G分别包含相同的半导体堆叠，供蓝色辐射的发射(在此范例中)。在光输出侧的半导体堆叠顶部，安排色层OC1、OC2分别用以将单一类型半导体堆叠ST所发射的辐射转换为红色及绿色。

图4显示LED堆叠安排的第三实施例的示意剖面图。剖面图沿水平方向X而延伸。

在底座基板BS上，LED元件R、G、B安排为彼此邻接。每一LED元件R、G、B建构为一层堆叠且包含一负接触层NCL，其中附着/先质层SL位于负接触层与半导体层ST之间。万一负接触层的(晶体)结构不允许半导体堆叠ST直接形成或成长于负接触层上，通过使用这样的附着/先质层SL做为一特定基板，半导体堆叠ST可容纳于负接触层上。

负电极NE设置于部分的负接触层。半导体堆叠ST设置于LED元件R、G、B的附着/先质层SL顶部。

正接触层PCL设置于每一半导体堆叠ST的顶部。每一正接触层PCL连接至各自的正电极PE。选择性地，根据LED元件的光学特性，调整层AL可设置于正接触层PCL及其各自的正电极PE之上。

最后，提供色层OC1、OC2、OC3于层堆叠顶部。在某些实施例中，附着/先质层SL及负接触层NCL的相对位置可互换。接着，附着/先质层SL设置于底座基板上，而负接触层NCL设置于附着/先质层顶部上。

通过使用这样一个附着/先质层SL作为基板层，可建构LED阵列于底座基板上，其可具有大尺寸及低成本的优点。在此情况下，底座基板不需要具有可允许(直接)形成或成长LED元件的半导体堆叠的适当表面条件(即晶格)。

图5显示第一电路实施例的范例，其用以驱动LED阵列显示器装置的实施例的LED元件。此实施例的电路CT包含选择线SEL、数据线DATA及供应线Vdd、第一晶体管T1、第二晶体管T2及储存电容CS。

第一及第二晶体管一般实现为薄膜晶体管(TFT)。选择线SEL延伸成为横列线R1、R2、R3且耦合至第一薄膜晶体管T1的闸极。数据线DATA延伸成为直行线C1、C2、C3、C4、C5、C6，且耦合至第一晶体管T1的源极。第一晶体管T1的汲极耦合至第二晶体管T2的闸极及储存电容CS的第一端点。

供应线Vdd耦合至第二晶体管T2的源极。第二晶体管T2的汲极耦合至LED元件R、G、B的正电极P1、P2、P3。此外，储存电容CS的第二端点耦合至LED元件的负电极N1、N2、N3并接地GND。

在使用时，在SEL在线的闸极选择脉冲开启TFT T1，以致能将DATA在线的数据电压(其中电压等级对应LED元件的光输出)储存于储存电容CS。横跨储存电容CS的电压控制第二晶体管T2的闸极，并在第一TFT T1再次关闭后开启第二TFT T2。LED元件在讯框时间(frame time)中由供应线Vdd驱动。在SEL上的下一个选择脉冲，可放入类似或不同的数据电压(在DATA上)于储存电容CS上，其可相应地改变LED电流。此简单电路CT的可能缺点为，LED电流及LED光输出将直接地取决于第二TFT T2的临界电压。

为克服此缺点，可加入用以补偿第二晶体管T2的临界电压的补偿电路于驱动电路CT中。可使用补偿第二晶体管T2临界电压的各种补偿电路，像是电流控制或电压控制的补偿电路。这些补偿电路一般包含4到6个(薄膜)晶体管。

对发射式显示器类型的LED阵列来说，次像素R、G、B的开口率并不是个问题。具有储存电容CS的TFT电路CT可放置在每一个别LED元件旁边、或是在LED元件之下、或是部分在LED元件旁且部分在其底下。

连接至共享横列及直行电极的个别LED装置的互连可以许多方法建立。前述已说明了LED堆叠安排，其中负电极比正电极的形成步骤早了一或多个步骤。这指示了半导体层的顺序及较佳的光输出方向(在图2、3及4中，较佳输出方向为实质上沿Z方向向上)。如本领域技术人员所知，若基板为透明的，也可颠倒正、负电极的顺序及半导体堆叠相对于底座基板位置的堆叠顺序，而较佳光输出方向也因此而颠倒。朝向远离放置LED元件之侧的透明基板一侧可包含调整层及/或扩散次层及/或抗反射次层及/或可改善LED元件光学效能的其它次层。可提供DBR(于相对于基板的半导体堆叠之上)以将光输出定向于通过基板的一方向上。

此外，除了产生红、绿、或蓝色辐射的LED类型之外，LED阵列可包含至少一种额外类型的LED元件。举例来说，除了红、绿、及蓝色LED元件，LED阵列可包含通过适当色层(RGBW LED)而产生实质白光辐射的类型的LED元件。此适当的色层可包含磷光体，其安排供转换由半导体堆叠所发射的辐射为「白光」辐射。

需注意，色层将半导体堆叠所产生的辐射转换为该色的辐射的效率将因颜色不同而有差异。就这点而言，由一组次像素(RGB或像是RGBW)所产生的颜色可能会因为次像素之间亮度的不平衡而有偏差。为了提供校正，在制造过程中可选择每一次像素的面积尺寸，以校正次像素之间亮度的不平衡。举例来说，若红色色层R所发射的红色辐射相较于绿及/或蓝色具有相对低的强度，则红色LED元件R的面积尺寸可选择为大于绿及/或蓝色LED元件的面积尺寸，以补偿各别次像素在强度上的差异。

至少某些实施例包含显示器装置，其中只有仅具有一单一类型半导体堆叠的单一类型LED元件需要建立。适当的色层设置于半导体堆叠的光输出侧。安排每一色层以根据LED元件于显示器装置内的位置，而转换单一类型半导体堆叠所发射的辐射为在电磁光谱的一红色部分、一绿色部分、或一蓝色部分中的辐射。此单一半导体堆叠及色层的结构提供了相对简单的LED阵列制造方法。

应强调的是，上述实施例仅为可能的实施范例，提出用以对本发明原理有较清楚的了解。在不偏离本发明精神及范畴下可对上述实施例做出许多变化及修改。所有这些修改及变化都包含于此说明书及本发明的范畴内，且由权利要求所保护。

主要元件符号说明

R红色LED元件            G绿色LED元件

B蓝色LED元件            BS底座基板

X水平方向               R1、R2、R3横列线

Y垂直方向

C1、C2、C3、C4、C5、C6直行线

RD横列驱动电路          CD直行驱动电路

NCL负接触层             Z方向

NE负电极                ST半导体堆叠

OC1、OC2、OC3色层       CP覆盖层

SL附着/先质层           SEL选择线

DATA资料线              Vdd供应线

T1第一晶体管            T2第二晶体管

CS储存电容              CT驱动电路

N1、N2、N3负电极    P1、P2、P3正电极

GND地               PE正电极

AL调整层。

Claims (10)

1.一种发光二极管阵列，包含：

一底座基板及多个发光二极管；

所述多个发光二极管安排于所述底座基板上，作为一像素矩阵的次像素；

一次像素的组合，所述组合组成一像素且包含至少一第一颜色类型、一第二颜色类型及一第三颜色类型；

每一发光二极管包含具有一第一接触层、一单一类型的半导体堆叠及一第二接触层的层堆叠，所述半导体堆叠位于所述第一接触层的顶部，所述第二接触层位于所述半导体堆叠的顶部，所述单一类型的半导体堆叠用于在一光输出方向发射辐射；以及

一色层，设置于所述半导体堆叠的光输出方向侧的所述层堆叠上；

其中安排所述色层以将由所述半导体堆叠所发射的辐射转换为所述至少第一颜色类型、第二颜色类型、及第三颜色类型的其中之一的辐射，以符合组成一像素的所述组合中的次像素的一位置的所述颜色类型。

2.根据权利要求1所述的LED阵列，其中所述LED阵列还包含位于所述底座基板上的互连电路，用以连接所述阵列的多个发光二极管，供驱动每一所述发光二极管。

3.根据权利要求1所述的LED阵列，其中所述辐射在由所述色层转换后具有比由所述半导体对叠所发射的所述幅射更长的一波长。

4.根据权利要求1所述的LED阵列，其中所述色层包含至少一第一类型、一第二类型、及一第三类型的其中之一的磷光体，用于将由所述半导体堆叠所发射的辐射转换为所述至少一第一颜色类型、一第二颜色类型、及一第三颜色类型的其中之一的辐射。

5.根据权利要求1所述的LED阵列，其中每一发光二极管还包含一附着/先质层，且所述附着/先质层介于所述底座基板与层堆叠之间。

6.一种用以制造一LED阵列的方法，包含：

提供一底座基板；

提供多个发光二极管于所述底座基板上，作为一像素矩阵的次像素；

提供一次像素的组合，所述组合组成一像素且包含至少一第一颜色类型、一第二颜色类型、及一第三颜色类型，其中每一发光二极管包含具有一第一接触层、一单一类型的半导体堆叠及一第二接触层的层堆叠，所述半导体堆叠位于所述第一接触层的顶部，所述第二接触层位于所述半导体堆叠顶部，所述单一类型的半导体堆叠用于在一光输出方向发射辐射；

设置一色层于所述半导体堆叠的光输出方向侧的所述层堆叠上，其中安排所述色层以将由所述半导体堆叠所发射的辐射转换为所述至少第一颜色类型、第二颜色类型、及第三颜色类型的其中之一的辐射，以符合组成一像素的所述组合中的次像素的一位置的所述颜色类型。

7.根据权利要求6所述的方法，还包含：

提供互连电路于所述底座基板上，用以连接所述阵列的多个发光二极管，供驱动每一所述发光二极管。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述色层包含至少一第一类型、一第二类型及一第三类型的其中之一的磷光体，供转换由所述半导体堆叠所发射的辐射为所述至少第一色层类型、第二色层类型及第三色层类型的其中之一的辐射。

9.根据权利要求6所述的方法，还包含：

提供一附着/先质层于所述底座基板与所述半导体堆叠之间。

10.一种显示器装置，包含：

一单一类型LED元件，具有一单一类型半导体堆叠，其中色层设置于所述半导体堆叠的一光输出侧，且安排每一色层以根据所述LED元件于所述显示器装置内的一位置，而将所述单一类型半导体堆叠所发射的辐射转换为在电磁光谱的一红色部分、一绿色部分或一蓝色部分的辐射。

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