CN108417682B - 一种微型发光元件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型发光元件及其制作方法，利用导电基板搭配绝缘隔离，形成针孔电极的支撑柱子，用共电极并联的方式。用模块化金属牺牲层做测试电极，实现微型发光元件的巨量全测。微型发光元件包括：外延叠层，依次包含第一类型半导体层、有源层、第二类型半导体层，其具有相对的第一表面和第二表面；第一电极，形成于所述外延叠层的第二表面之上，与所述第一类型半导体层连接；第二电极，形成于所述外延叠层的第二表面之上，与所述第二类型半导体层连接；所述第一电极和第二电极表面上分别设有第一连接区。所述第一连接区可从表面形貌或外观颜色上区别于所在电极的其他区域。

Description

一种微型发光元件及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体制造领域，具体涉及一种微型发光元件及其制作方法。
背景技术
微型LED(Micro LED，又称μ-LED)，除了具有OLED自发光、厚度薄、质量轻、视角大、响应时间短、发光效率高等特性外，更容易实现高PPI（像素密度）、体积小、易于携带、功耗低等优异特性，LED产业已经有很多单位致力于元件的开发应用。由于LED芯片很小，电极比探针还小，如何实现全测已经成为一个很重要的难点。目前主要就是牺牲部分芯片实现抽测。为了实现巨量转移，芯片采用悬空式制作，对应的就需要悬空搭桥测试，但是容易出现断桥，或者掉电极(peeling)等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种微型发光二极管，其至少在一个电极上设置连接区用于金属联线，达到微型LED(Micro LED)全测目的。
本发明的第一个技术方案为：微型发光二极管芯片，包括：外延叠层，依次包含第一类型半导体层、有源层、第二类型半导体层，其具有相对的第一表面和第二表面；第一电极，形成于所述外延叠层的第二表面之上，与所述第一类型半导体层连接；第二电极，形成于所述外延叠层的第二表面之上，与所述第二类型半导体层连接；所述第一电极设有第一连接区。
优选地，所述第一电极和第二电极用于制作金属连线，以形成测试电极。
优选地，所述第一电极以电极中心由内到外划分为第一区域、第二区域和第三区域，所述三个区域可以从表面形貌或外观颜色上进行区分。
优选地，所述第一区域为测试区，用于连接测试电极。
优选地，所述第一、第二区域的形状为多边形、圆形或者半圆形。
优选地，所述微型发光二极管芯片的厚度为20μm以内。
优选地，所述微型发光二极管芯片的尺寸为100μm×100μm以内。
优选地，所述第一电极与第二电极的总面积不小于所述芯片面积的40%。
本发明的第二个技术方案为：微型发光元件，包括：微型发光二极管芯片、支撑结构和导电支撑基板，所述微型发光二极管芯片包括：发光外延叠层及位于同侧的第一电极和第二电极，所述支撑结构同时连接所述第一电极的下表面连和支撑基板的上表面，使得所述芯片处于待拾取状态，其特征在于：所述支撑结构从下至上包含：粘接层、导电层和绝缘层，其中所述导电层之靠近芯片的一端具有导电柱状结构，与所述第一电极接触。
优选地，在第一电极设置导电的接触支撑柱，使所述芯片第二表面呈部分悬空，处于待拾取状态。
优选地，在第一电极设置导电支撑柱子以电极中心由内到外划分为第一区域、第二区域，第一区域为金属连接层，采用金属材料，第二区域为绝缘保护层，采用绝缘材料。
优选地，支撑柱的绝缘保护层包住导电柱的侧壁。
优先地，导电通孔的图形为多边形或者圆形或者半圆形。
优选地，所述第二连接区的面积占所在电极的总面积的5%以下。
本发明还提供微型发光二极管阵列，其包括：前述任意一种微型发光二极管芯片。
前述任意一种微型发光二极管芯片可应用于显示装置。
本发明的第三个技术方案为：微型发光元件的制作方法，包括步骤：
（1）提供一生长衬底，在其上形成发光外延叠层；
（2）单元化所述发光外延叠层形成一系列微发光单元，在每个微发光单元的同侧形成第一电极和第二电极；
（3）在所述微发光单元的表面上形成上绝缘材料层，露出第一电极、第二电极；
（4）在所述绝缘材料上形成金属牺牲层，裸露出第一电极的表面， 所述牺牲层与所述第二电极接触；
（5）在所述牺牲层上形成绝缘保护层，裸露出第一电极的部分表面，在所述第一电极上形成一导电通孔；
（6）在所述绝缘保护层上形成导电层，其填充所述导电通孔，形成导电柱，与所述第一电极接触；
（7）将所述导电层通过导电粘接层与一导电基板粘结；
（8）去除生长衬底；
（9）蚀刻部分外延层和绝缘材料层，露出金属牺牲层；
（10）通入测试电流，其中测试电源的一端与所述金属牺牲层接触，另一端与所述导电支撑基板接触，进行模块化测试；
（11）去除牺牲层，形成带有针孔电极的支撑结构，使所述微发光单元处于待拾取状态。
优选地，所述步骤（3）中形成的第一连接区用于制作连接金属，以将第一电极和第二电极引至芯片以外区域形成测试电极。
优选地，所述步骤（4）中形成的金属牺牲层与所述第二电极相连。其特征在于：所述牺牲层的材料相同，选择TiW、Al、Cu、Ni和Ti一种或者其任意组合。
在一些实施例中，完在（4）步骤后，进行下面步骤：设计单次需要测试的微发光二极管模块，去除中间隔离位置的金属牺牲层。去除方式保护湿法或者干法的方式。
优选地，所述步骤（5）中形成绝缘保护层，裸露出第一电极的部分表面，在所述第一电极上形成一导电通孔；其特征在于导电通孔的图形为多边形、圆形或者半圆形。
优选地，所述步骤（6）在所述绝缘保护层上形成导电层，其填充所述导电通孔，形成导电柱，与所述第一电极接触。
优选地，所述步骤（7）将所述导电层通过导电粘接层与一导电基板粘结；导电基板包括Si基板，或者带有垂直金属连线的基板。
优选地，所述步骤（8）去除生长衬底，可通过多种方法来实现移除，包括激光剥离(LLO)、磨削或者蚀刻，具体取决于生长衬底111的材料选择。
优选地，所述步骤（9）蚀刻部分外延层和绝缘材料层，露出金属牺牲层。
在一些实施例中，所述步骤（4），设计单次需要测试的微发光二极管模块，去除中间隔离位置的金属牺牲层。不仅仅限制在步骤（4），也可以在步骤（9）之后实施。
优选地，所述步骤（10）通入测试电流，其中测试电源的一端与所述金属牺牲层接触，另一端与所述导电支撑基板接触，进行模块化测试。
优选地，所述步骤（11）的支撑结构包括针孔电极和针孔电极外的绝缘材料。
优选地，所述微型发光二极管的制作方法还包括步骤（11）：去除牺牲层，通过导电支撑柱与所述外延叠层的第一电极连接，使得所述微型发光二极管处于待拾取状态。
本发明所述微型发光二极管器件藉由芯片设计可针对微型LED(Micro LED)进行全测，同时不影响后续巨量转移工艺。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是目前常规的微型发光二极管的结构示意图。
图2是已有常规的微型发光二极管采用的搭金属桥结构图。
图3是根据本发明实施的一种微型发光二极管的结构示意图，其中（a）为微型发光二极管芯片的下表面图案，（b）为待拾取微型发光二极管芯片的侧面剖视图。
图4~图14为根据本发明实施的制作微型发光二极管器件的过程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施例
图3之（a）为第一个较佳实施例的微型发光二极管芯片的下表面图案，微型发光二极管包括：外延叠层，依次包含第一类型半导体层、有源层、第二类型半导体层，其具有相对的第一表面和第二表面；第一电极，形成于所述外延叠层的第二表面之上，与所述第一类型半导体层连接；第二电极，形成于所述外延叠层的第二表面之上，与所述第二类型半导体层连接；所述第一电极以电极中心由内到外划分为第一区域121a、第二区域131a和第三区域141a，所述三个区域可以从表面形貌或外观颜色上进行区分。LED芯片110为薄膜微型结构，其较佳尺寸为100μm×100μm以内，例如为100μm×100μm，或者为100μm×50μm，在一些应用中甚至可以为50μm×50μm以内，例如可以是为50μm×50μm，或者20μm×10μm，或者10μm×10μm。进一步地，LED芯片100去除了生长衬底，因此可以使得芯片的厚度d基本上保持在20μm以内，例如15μm或者10μm等。
所述第一电极和第二电极用于制作金属连线，以形成测试电极。施以电流通过半导体外延叠层时，激发有源层发光出光线。当有源层以氮化物为基础的材料时，会发出蓝、绿或紫外光；当以磷化铝铟镓为基础的材料时，会发出红、橙、黄光的琥珀色系的光。
图3之（b）为第一个较佳实施例的待拾取微型发光二极管芯片的侧面剖视图，其包括LED芯片100及支撑结构，该LED芯片100包括外延叠层110及位于外延叠层110下表面第一电极121和第二电极122，且LED芯片100下表面的部分区域131a与141a形成支撑柱接触从而保持在承载基板140上的适当位置，使得器件处于待拾取状态。
图4~图14显示了根据本发明实施的制作微型发光二极管器件的过程示意图，下面结合示意图对本发明的微型发光二极管器件的制作方法进行详细的描述。
（一）提供LED外延结构，制作单体微发光二极管
如图4所示，提供外延结构110，其一般可包括生长衬底111和其上外延叠层。其中生长衬底110的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅、砷化镓，其表面结构可为平面结构或图案化图结构，外延叠层从上到下一般至少包括缓冲层211、第一类型半导体层212、有源层213、第二类型半导体层214，关于外延叠层的具体材料及结构层可根据实际需要，选择现有常规结构即可。在外延叠层110的表面上定义蚀刻区215，未蚀刻区域形成第一电极区216。蚀刻区包括第二电极区217和切割道区218，其中切割道区218将整个发光外延叠层110划分为一系列微发光单元LED。继续蚀刻切割道区218的第一类型半导体层212形成走道150，从而将在整个发光外延结构分为一系列微型LED芯片阵列。
制作第一电极216和第二电极217。具体包括：在露出的第一类型半导体层212表面的第一电极区制作第二电极216；分别在各个单体微发光二极管的第二型半导体层214表面上制作第一电极217。
（二）绝缘隔离单体电极，制作微发光二极芯片模组，连接第二测试电极
如图5所示，在各个微型LED芯片的表面上覆盖绝缘材料层160，仅露出第一电极216和第二电极的217的部分表面。优选的，绝缘材料层160采用SiNx或者SiO2。较佳的，还可以分别将在第一电极121和第二电极122上制作延伸电极，其延伸至绝缘保护层160的部分表面上。其中第一电极的延伸电极可以延伸至第二类型半导体层上方的绝缘保护层上，与第二电极122的延伸电极保持基本齐平，以便于封装。
如图6所示，在微型LED芯片阵列上制作金属牺牲层190（TiW或者Al等），使用牺牲层接触到第二电极；在第一电极位置，去除第一电极所接触金属牺牲层，露出部分第一电极；去除的金属牺牲层面积大于或者等于绝缘材料层开孔的面积。较佳的，牺牲层190的厚度为0.1~5μm之间，材料可为氧化物、氮化物或者可选择性地相对于其他层被移除的其他材料。可以进一步根据测试模块，在阵列需要测试的区域外围走道位置的金属牺牲层也打掉；形成区域化的金属牺牲层； 整个模块化的金属牺牲层并联在第二电极上，作为第二测试的第二电极。
（三）制作导电支撑柱，连接第一测试电极
如图7所示，在微型LED芯片阵列上制作绝缘保护层131，绝缘层材料可以是SiN、SiO2或者BCB等，覆盖住整面的金属牺牲层，并填充第一电极开孔位置。
如图8所示，利用干蚀刻的方式，在第一电极开孔进一步挖孔，露出第一电极，孔洞的侧壁利用绝缘保护层131隔离金属牺牲层190；进一步可以根据第一电极的形状可以挖成圆孔或方形孔的针孔；每个针孔可以用金属并联第一电极。
如图9所示，整面填充金属连接层141，整个金属连接层可以并联到微发光二极管的第一电极；进一步的在第一电极上与绝缘保护层组成支撑柱子，柱子的外围是绝缘保护层，柱子的中心是金属连接层。
如图10所示，利用金属键合层142，整面键合到Si衬底或者金属衬底上140；金属键合层142，包括Al、Sn、Au、Cu、Ni和Ti一种或者其任意组合。
（四）巨量测试
如图11所示，分离蓝宝石衬底；可通过多种方法来实现移除，包括激光剥离(LLO)、磨削或者蚀刻工艺等，具体取决于生长衬底201的材料选择。并在芯片的走道上干蚀刻掉多余的外延层和SiN等绝缘层，露出TiW牺牲层。
如图12所示，模块化全测微型LED(Micro LED))元件；进一步地，并不是每个微型发光二极管器件都要设计测试电极，如果整个LED外延片的光电特性均匀性较好，则可以选取模块化设计成金属牺牲层的单元，如图13所示，进一步蚀刻掉部分走道的金属牺牲层，通过测试这些个别区域的光电特性，了解整个LED外延片的光电特性。
（五）形成支撑结构
如图14所示，去除牺牲层190，使得微型LED芯片的第二表面(下表面)部分悬空，形成通过导电支撑柱131固定的微型发光二极管器件，使所述芯片第二表面呈部分悬空，处于待拾取状态。
本发明所述微型发光二极管器件藉由芯片设计可针对微型LED(Micro LED)进行全测，同时不影响后续巨量转移工艺。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (14)

1.微型发光元件，包括：微型发光二极管芯片、支撑结构和导电支撑基板，所述微型发光二极管芯片包括：发光外延叠层及位于同侧的第一电极和第二电极，所述支撑结构同时连接所述第一电极的下表面和支撑基板的上表面，使得所述芯片处于待拾取状态，其特征在于：所述支撑结构从下至上包含：粘接层、导电层和绝缘层，其中所述导电层之靠近芯片的一端具有柱状结构，与所述第一电极接触。
2.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于：所述柱状结构包括：针孔电极和针孔电极外的绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于：所述微型发光二极管芯片的厚度为20μm以内。
4.根据权利要求1所述的微型发光元件，其特征在于：所述微型发光二极管芯片的尺寸为100μm×100μm以内。
5.微型发光二极管芯片，包括：发光外延叠层及位于同侧的第一电极和第二电极，其中所述第一电极以电极中心由内到外划分为第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、第二区域和第三区域从表面形貌或外观颜色上进行区分。
6.根据权利要求5所述的微型发光二极管芯片，其特征在于：所述第一区域为测试区，用于连接测试电极。
7.根据权利要求5所述的微型发光二极管芯片，其特征在于：所述第一区域和第二区域为支撑区，其中第一区域用于连接测试电极。
8.根据权利要求5所述的微型发光二极管芯片，其特征在于：所述第一电极与第二电极的总面积不小于所述芯片面积的40%。
9.根据权利要求5所述的微型发光二极管芯片，其特征在于：所述第一区域的形状为多边形或者圆形或者半圆形。
10.根据权利要求5所述的微型发光二极管芯片，其特征在于：所述第二区域的形状与第一区域的图形具有同心对应关系。
11.微型发光元件的制作方法，包括步骤：
（1）提供一生长衬底，在其上形成发光外延叠层；
（2）单元化所述发光外延叠层形成一系列微发光单元，在每个微发光单元的同侧形成第一电极和第二电极；
（3）在所述微发光单元的表面上形成上绝缘材料层，露出第一电极、第二电极；
（4）在所述绝缘材料上形成金属牺牲层，裸露出第一电极的表面， 所述牺牲层与所述第二电极接触；
（5）在所述牺牲层上形成绝缘保护层，裸露出第一电极的部分表面，在所述第一电极上形成一导电通孔；
（6）在所述绝缘保护层上形成导电层，其填充所述导电通孔，形成导电柱，与所述第一电极接触；
（7）将所述导电层通过导电粘接层与一导电基板粘结；
（8）去除生长衬底；
（9）蚀刻部分外延层和绝缘材料层，露出金属牺牲层；
（10）通入测试电流，其中测试电源的一端与所述金属牺牲层接触，另一端与所述导电基板接触，进行模块化测试；
（11）去除牺牲层，形成带有针孔电极的支撑结构，使所述微发光单元处于待拾取状态。
12.根据权利要求11所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述绝缘保护层包住导电柱的侧壁。
13.根据权利要求11所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述导电通孔的图形为多边形、圆形或者半圆形。
14.根据权利要求11所述的微型发光元件的制作方法，其特征在于：所述支撑结构包括：针孔电极和针孔电极外的绝缘材料。
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