CN111213243A - 超致密led投影仪 - Google Patents

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Abstract

公开了包括单个裸片的单片式显示器/投影仪，单个裸片具有机械隔离的LED柱阵列。每个柱的高度大于其宽度，并且柱之间的间距小于柱的高度。裸片包括键合到硅衬底寻址部分的LED显示器部分，其中每个像素具有一个金属接触部。当投影到人类视网膜上时，显示器的分辨率优选地与人类视网膜的分辨率大约相同，使得投影到视网膜上的图像可以与真实世界无法区分。显示器可以被封装到具有聚焦光学器件的接触透镜中，聚焦光学器件被嵌入到接触透镜中。为了电接触N型半导体层，柱被反射性阴极金属网格包围，使得阴极电流借助N型层的竖直侧耦合。金属网格将隔离的LED柱机械连接，并将每个LED柱光学隔离。有源层可以发射蓝光，并且波长转换层可以用于生成红光和绿光。

Description

超致密LED投影仪
技术领域
本公开涉及发光二极管(LED)显示器，并且具体地涉及诸如用于接触透镜的单片式超致密LED显示器。
背景技术
常规LED直接发射显示器使用发射红光、绿光和蓝光的分立LED，分立LED以复合像素的可寻址阵列布置。由于使用单独的LED裸片，这种显示器具有相当大的像素间隔。该类型的显示器通常具有高达每英寸500像素(复合白色像素/英寸)的分辨率，并且从一个彩色像素到相邻彩色像素的间距约为25um(微米)。
在另一方法中，发射红光、绿光和蓝光的LED被组合在单个裸片上。然而，通过常规单片式LED显示器技术可获得的实际最小像素间距为约5-10um，像素尺寸为几微米。由于每个像素的面积为几平方微米，所以这种LED显示器可以被称为微型显示器。很小的显示器可能需要1mm或更小的裸片尺寸。使用常规技术构造的这种LED显示器通常在分辨率或复合白色像素计数方面受到限制。
因此，需要更好的方法来形成超致密(并因此对应地具有更高分辨率的)LED显示器。
附图说明
本公开的实施例具有其他优点和特征，当结合附图中的示例时，根据以下详细描述和所附权利要求，这些优点和特征将变得更加显而易见，其中：
图1A示出了用于毫微微投影仪显示器的前板的俯视图，以及前板内的六边形LED阵列的放大图。
图1B示出了在毫微微投影仪显示器的背板上的某些电路的示意图。
图2是图1A的显示器部分中的三个像素的截面图。
图3是在蚀刻LED晶片以形成半导体柱/像素之前，LED晶片中的层的截面图。
图4图示了图3的在被蚀刻而形成围绕六边形柱的沟槽之后并且在表面之上形成电介质层之后的LED晶片一部分，其中每个柱充当可寻址像素。
图5图示了在进一步蚀刻穿过N型层的沟槽之后的图4的结构。
图6图示了P型层和有源层的侧壁涂覆有透明电介质材料来防止PN结的电短路，随后在沟槽内沉积反射性N-金属以电接触柱中的N型层的竖直侧壁。
图7A图示了在使用CMP进行平面化之后的LED晶片的顶表面，其中P型层之上的反射性金属和N型金属接触部均暴露且共面。
图7B是图7A的结构的俯视图。
图8图示了在阳极(P)接触部上方形成金属接触部凸块。
图9图示了LED裸片与背板衬底晶片的键合，其中在每个柱中的P型层上的阳极金属接触部与背板衬底晶片上的凸块之间进行电连接，以将阳极电压选择性地施加到各个LED像素，并且其中在N-金属接触部(所有柱共用的阴极)与背板衬底晶片上的凸块之间进行电连接，以将参考电压施加到各个LED像素。
图10再次图示了LED裸片与背板衬底晶片的键合，并提供了可能的尺寸以及背板衬底构造的更多细节。
图11A图示了在从LED裸片去除蓝宝石生长衬底之后以及在将LED裸片的暴露表面平坦化以暴露每个柱中的N型层之后的键合结构。
图11B图示了针对Cu-Cu键合的备选实施例，其中在铜电极之间形成玻璃(SiO2)，并且铜和SiO2的顶表面共面。
图12图示了形成分布式布拉格反射器(DBR)并且在蓝色泵浦LED之上沉积红色和绿色光子能量降频转换器材料，以形成宽度小于1um的红色、绿色和蓝色可寻址像素。
图13是在背板衬底的顶表面上的六边形金属焊盘的俯视图。焊盘可以用于与LED裸片的Cu-Cu键合，或者可以支撑用于键合到LED裸片上的对应金凸块的金凸块。
图14图示了显示器部分以及中央部分的像素分辨率如何高于外部部分的分辨率以基本上对应于人类视网膜的变化分辨率。
图15是另一类型的毫微微显示器的截面图，其中不使用降频转换材料，并且LED像素的所有峰值波长都相同。
图16是另一类型的毫微微显示器的截面图，其中所有LED均发射IR光，并且升频转换材料用于创建红色、绿色和蓝色发光像素。
图17A至图17N示出了用于制造图1A至图1B的毫微微显示器的过程。
图18示出了用于毫微微投影仪显示器的前板的相邻LED柱的截面图。
图19示出了在接触透镜中包含毫微微投影仪的眼睛安装式显示器的截面图。
具体实施方式
附图和以下描述仅通过图示的方式涉及优选实施例。应当注意，从下面的讨论中，本文公开的结构和方法的备选实施例将容易地被认为是在不背离所要求保护的原理的情况下，可以采用的可行备选方案。
“毫微微投影仪”是将图像从在接触透镜内部包含的显示器投影到用户的视网膜上的小型投影仪。显示器和相关联的光学系统足够小以与接触透镜的内部适配。为了在仍然达到合理分辨率的同时满足该尺寸要求，图像源中的像素尺寸通常比其他应用的图像源小得多。例如，常规LED直接发射显示器使用分辨率高达每英寸500像素(复合白色像素/英寸)并且从一个彩色像素到相邻彩色像素的间距约为25um(微米)的分立红色、绿色和蓝色发射LED。相反，用于毫微微投影仪的显示器优选地在发射区中具有小于1um2的像素尺寸，并且像素间距为2um或更小，使得当所显示的图像投影到视网膜上时，图像分辨率也可以与视网膜中光受体的密度相称。
公开了适用于单片式“毫微微LED显示器”(或毫微微投影仪)的超致密LED阵列，其分辨率优选与人类视网膜的分辨率基本上匹配或超过人类视网膜的分辨率。该设计优选地允许在像素间距小于2um的发射区中像素尺寸小于1um2，使得当所显示的图像投影到视网膜上时，视网膜图像具有与增强或替换的真实图像相似的分辨率。在一个实施例中，像素之间的间隔小于0.2um，并且优选的像素直径为约0.5um。如果每个像素均为正方形，则其面积约为250x10-15m2(或250平方毫微微米)。
在一个方法中，可以通过形成单个LED裸片并蚀刻裸片以形成可单独寻址的LED像素的致密阵列来创建更高密度的LED像素。这种LED像素段可以小到几微米或更小。如果LED裸片是基于GaN的并且LED发射蓝光，则可以通过在蓝色LED之上沉积光子能量降频转换磷光体来形成红色和绿色像素的段。备选地，如果LED裸片发射IR，则可以通过在IR LED之上沉积能量升频转换材料来创建红色、绿色和蓝色像素。
这种单片式超致密LED显示器的一个可能用途是将显示器嵌入接触透镜中，使得所显示的图像覆盖穿戴者对真实世界的视图。LED显示器的宽度可以小于1毫米，因此对观看穿戴者的对象不可见，大体上也不会阻挡从真实世界进入穿戴者的瞳孔的光。显示器直接投影到穿戴者的视网膜上。
单片式超致密LED显示器的另一可能用途是在眼睛护具(例如，眼镜或护目镜)中，创建沉浸式视觉体验或覆盖穿戴者真实世界视图的图像(例如，增强型、混合型或人造现实应用)。这种超致密显示器中的LED可以通过其高度(或厚度)与宽度的纵横比与常规LED区分开。常规LED是扁平的，纵横比(高度：宽度)从小于1：100到1：2。本文所公开的超致密LED比其宽度高，纵横比(高度：宽度)大于1∶1，并且优选大于5∶1。这些LED可以可视化为排列紧密的“汽水罐”形状的LED阵列，纵横比范围从类似于12盎司的汽水罐(2：1)到类似于彼此堆叠在顶部的5个汽水罐(10：1)。
在一个实施例中，LED像素的一个表面(与生长衬底相对)是P型层，并且去除生长衬底来暴露下面的N型层。每个像素形成半导体材料的细柱。柱的顶表面和底表面的小于1um2的面积以及相邻LED之间的小间隔(例如，小于0.5um)使得难以高效地电接触在P型层“下方”的N型层并传导电流。一个优选实施例在柱之间提供填充物。在一个实施例中，该填充物是竖直地围绕并填充LED柱之间的空间以沿其竖直侧壁电接触N-型层的反射性N-金属(例如，Al、Ag、Ni/Ag、Ti/Al)。因此，存在相对较大的阴极接触区来实现低电阻和良好的电流处理能力。该侧壁接触部还被用来为个体LED像素提供机械支撑并将其光学隔离。包围每个LED像素的反射性N金属以及覆盖N金属的任何反射性金属防止像素之间发生光学串扰并改进效率。反射性金属执行电传导电流、光学隔离像素、将背光反射到像素中以及机械支撑像素的组合功能。在备选实施例中，除了反射性N-金属之外，柱之间的填充物还可包括其他金属或材料。
在利用光子能量降频转换的实施例中，在一个方法中，对于红色和绿色像素，蓝色发射LED覆盖有波长转换材料(例如，磷或量子点)，以从蓝色转换为期望的像素颜色。
在需要光子能量升频转换的实施例中，在一个方法中，IR LED覆盖有光子能量升频转换材料，以从IR波长转换为红色、绿色或蓝色的适当像素颜色。
反射性铝可以围绕像素的颜色转换部分，其中铝与N-金属的顶表面接触。N-金属和铝在像素周围形成网格。像素之间的光学隔离对于保持高分辨率彩色图像很有用，而高铝反射率保持高效率。
优选地，为了用于直接在视网膜上成像(例如利用接触透镜显示器进行成像)，像素可以形成蜂窝图案(即，六边形阵列)。
可以在显示器之上形成分布式布拉格反射器(DBR)来增强方向性。
视网膜的分辨率基本上从中央凹的峰值到朝向周围的较低分辨率变化。对于基于接触透镜的视网膜投影显示器的期望，这带来了巨大的挑战，其中LED像素的分辨率和形状根据位置而变化。在本公开中描述的“汽水罐”LED阵列设计是良好的，因为显示器是单片式的，具有可以通过光刻限定的像素尺寸和形状来匹配人眼的可变分辨率。通过改变像素分辨率来匹配视网膜的变化分辨率，通过不提供比人眼可感知的分辨率更高的分辨率，可以最高效地使用裸片区。
为了对单片式LED显示器中的像素进行寻址，将LED显示器安装在包含寻址电路装置的背板衬底上。
在柱的P型表面上形成反射性P-金属接触部之后，以及在柱之间的空间填充有N金属来接触柱的N型层之后，LED晶片的顶表面诸如使用化学机械抛光(CMP)被平坦化，以形成平面金属阳极和阴极接触部。然后LED晶片被单体化(singulated)，并且裸片被键合到包含寻址电路装置的背板衬底晶片。LED裸片的阳极和阴极接触部在同一平面上，并且背板衬底晶片上的金属接触部阵列也是平面，以实现可靠的键合。LED裸片的直径可以小于1mm。铜铜键合优选用于将LED裸片键合到背板衬底晶片。
然后，将生长衬底从经键合的LED裸片去除，从而暴露像素的发光表面。
在一个实施例中，颜色转换层形成为单独的裸片层，并且单独地键合在LED裸片的发光表面之上。然后背板衬底被单体化。
波长转换层优选是薄的，但阻挡蓝色泵浦光，使得不牺牲从转换层发射的颜色的纯度。一个技术是形成确定性地布置量子点晶体的聚合物基质来实现良好的转换并减少经转换的光的吸收。对于颜色转换层的制造而言，同样重要的是利用反射性金属(例如，铝)来分离个体像素，使得在层中转换的光子从侧面反射回来，并且仅从顶部发射。因此，来自例如绿色像素的光子不会横向发射到红色像素区中。
单片式显示器可以嵌入接触透镜中或者作为将图像投影到穿戴者视网膜上的眼镜或护目镜的一部分。显示器还可以被添加到智能电话来提供投影仪功能。
在另一方面，氮化镓(GaN)是用于制造LED的常见材料系。在典型的制造过程中，GaN层沉积在诸如蓝宝石的衬底上。从衬底向上，GaN区域可以包括缓冲区域、n掺杂区域、有源区域(例如，InGaN量子阱)和p掺杂区域。因为与衬底直接相邻的前几微米的GaN通常质量较差，所以从衬底到有源区域(即，缓冲区域和n掺杂区域)的距离可能特别厚(例如，5um或更大)。有时将其称为缓冲区域。因此，GaN区域生长得更厚，使得距离衬底较远的材料具有期望的质量。如果像素的面积较小(例如在毫微微投影仪中)，则所得的LED结构可能又高又瘦(例如，5um高的柱具有1um宽的有源区)。这是不期望的，因为由有源区产生的光在离开LED柱之前从侧壁反射了许多次，从而导致更高的光学损失。高纵横比的结构也可能造成制造困难。对较深的狭窄沟槽进行蚀刻更加困难，并且利用金属和/或其他材料填充沟槽也更加困难。
结果，减小该GaN区域的厚度是有益的。在一个方法中，将在衬底上具有GaN区域的晶片键合到包含LED驱动器电路的背板晶片。衬底与GaN区域分离，暴露GaN的缓冲层，缓冲层首先通过化学机械抛光然后通过蚀刻变得更薄。减薄去除了缓冲层并减小了LED柱的高度，这进而减少了光损失。此外，如果沟槽被蚀刻而将GaN区域分离为个体LED柱，则使得GaN区域减薄会减小沟槽的纵横比，这将降低蚀刻过程的难度。
描述了其他实施例。
在许多实施例中，毫微微投影仪显示器包括前板和背板。图1A是包含LED阵列的前板的图。图1B是包含寻址和驱动电路装置的背板的示意图。
图1A示出了用于毫微微投影仪显示器的前板10的俯视图，以及前板内的六边形LED阵列的放大图。在一个应用中，使用该前板10的超致密LED显示器可用作接触透镜中的投影仪，以将图像直接投影到穿戴者的视网膜上。该前板10内的LED阵列被示出为具有六边形形状，但是其他形状也是可能的。包含前板的裸片可以具有矩形形状。以下描述中的尺寸也是示例。
前板10包括中央像素区12、死空间区14和n环形区16。区16是用于将阵列中所有LED的一个接触部电连接到背板上的公共电接触部的终端区。所示的前板组件的直径可以为大约0.7mm，并且像素区12的直径可以为大约0.5mm。每个像素的宽度小于2um，并且优选地约为0.6um。在一个实施例中，显示器包含超过400,000个像素，像素的可变尺寸从最小0.6um到最大2um。
图1A中还示出了像素区12的一部分的放大图，该部分示出了红色像素(R)18、绿色像素(G)20和蓝色像素(B)22。在一个实施例中，LED是基于GaN的LED，并且像素内LED的有源层输出蓝光。使用磷光体、量子点或其他颜色转换机制形成红色和绿色像素，以将蓝色泵浦光降频转换为更长的波长。像素之间的间隙24小于0.5μm，并且优选地为约0.2μm，以增加显示器的密度、填充因子和分辨率。像素之间的空间25填充有反射性金属(例如，铝)。
即使显示器部分10是六边形，裸片也可以是矩形的。裸片还可以包含用于处理图像信号、为设备供电、对像素寻址等的各种硅电路装置。
图1B示出了背板46上与图1A的毫微微投影仪前板10一起使用的某些电路的示意图。图1B示意性地图示了在背板46上用来通过向像素的相关联接触部施加电压来对特定像素寻址的一个可能寻址技术。裸片的宽度大约为0.5-1mm。
可以使用无线或其他方式将图像信号传输到背板46。在一个实施例中，射频信号(例如，大约13MHz)由天线接收并由接收器/处理器110处理。用于背板46的功率可以由天线经由谐振电感耦合接收并由功率转换器112转换为适当的电压和极性。功率信号和图像信号可以处于不同的频率，使得可以将信号分离。功率转换器112和接收器/数据处理器110可以被集成到背板芯片46中，或者可以被集成到单独的功率/数据芯片中，其中数据接收器/处理器110和功率转换器112通过导体电连接到显示器背板46。小尺寸允许将毫微微投影仪显示器封装在接触透镜中。图像信号可以包括由列解码器114和行解码器116解码的寻址信号。背板46的器件层中的迹线118形成像素位置的阵列。所选择的列线和行线上的控制电压使得晶体管导通，以将电流传导到选定像素。可以通过脉宽调制、通过幅度调制或通过其他方式来控制颜色亮度。低功率CMOS开关可用于对像素寻址。单个全彩色像素中红色、绿色和蓝色像素的相对亮度确定针对该复合像素的感知颜色。
在显示器被并入接触透镜中的示例中，功率转换器112和接收器/处理器110可以在单独的芯片中与背板46分离，并且两个芯片可以被单独地封装在接触透镜中。功率/数据芯片的位置远离瞳孔，以免妨碍视力。细电线将背板46上的金属焊盘连接到功率/数据芯片上的金属焊盘。细电线环形天线也连接到功率/数据芯片上的焊盘，并封装在接触透镜中。
图2是通过红色像素18、绿色像素20和蓝色像素22截取的图1A的截面。如图所示，像素比宽高得多。像素的半导体LED部分的高度可以是大约4um，而宽度可以是大约0.6um。波长转换材料的高度(即，厚度)可以小于2um。GaN半导体区域彼此光学隔离并且通过填充像素之间的空间的反射性金属N-接触部54彼此电连接。
红色像素18包括薄的P型层26、有源层28、相对较厚的N型层30、使蓝光穿过但反射红光的分布式布拉格反射器(DBR)32以及诸如磷光体或量子点的红色降频转换器34。覆盖红色降频转换器34的可以是反射蓝光但是使红光通过的反射性DBR 35。
除了DBR 36反射绿光，并且绿色降频转换器38覆盖蓝色泵浦LED之外，绿色像素20与红色像素18相同。覆盖绿色降频转换器38的可以是反射蓝光但是使绿光通过的反射性DBR 37。
除了不需要DBR或波长转换器之外，蓝色像素22与红色像素18相同。可以在蓝色泵浦LED之上形成透明的电介质材料40和保护层42，以保持与红色和绿色像素的平坦性。如果蓝色泵浦光不是期望的蓝色显示波长，例如在使用<430nm的深蓝光时，可以使用合适的DBR和降频转换器材料来生成期望的蓝色显示波长(优选在455nm至470nm的范围内)。
可以在显示器的顶部之上形成保护性透明氧化物层(未示出)。
反射性P-金属电极44(阳极电极)形成在P型层26上并与背板衬底46上的相关联金属焊盘电接触。它们还通过将光反射向期望的输出面来提高光学效率。衬底46可以包括硅并且包括寻址电路装置。
在形成LED半导体层之后，对其施加掩模并进行蚀刻(例如，通过RIE)而在每个像素区周围形成六边形沟槽。这些沟槽以蜂窝图案形成半导体层的柱。沟槽基本上是竖直的，但是由于RIE蚀刻特性而可能具有轻微的向内角度。
在每个LED侧壁的底部部分周围形成诸如氧化物或氮化物的透明电介质材料50，以将PN有源结区域中的P型层26和有源层28的侧面绝缘。这可以使用掩模和蚀刻步骤来完成。N型层30的侧壁被暴露。
反射性N-金属54(阴极电极)然后沉积在六边形像素之间的沟槽中，以电接触N型层30的较大竖直侧壁区。优选地，柱高度的80％以上与N-金属54电接触。N-金属54可包括镍、银、金、铝、钛、其合金或其他反射性金属来实现至少80％的反射，并且可包括多个金属层。反射性和低电阻的金属-半导体接触部对于直接接触的金属以及在N型层30的100nm范围内非常重要。远离N型层30的还有针对机械强度、导热性和导电性选择的其他一些金属层(例如，铜)。穿过电介质材料50的侧光也被N-金属54反射回去。因此，实际上，每个蓝色泵浦LED生成的所有光都将从顶表面发射(通过N型层30的顶部)并且像素之间几乎不存在串扰。N金属54还用于机械地支撑柱并散发热量。
蓝光然后穿过DBR 32/36，以被红色或绿色降频转换器材料34/38转换。DBR 32/36使蓝光通过，但反射回红光或绿光，因此效率很高。
铝25沉积在六边形像素之间的沟槽中的N-金属54之上，以围绕DBR 32/36、降频转换器材料34/38和透明电介质材料40。铝25提供高反射率来限制串扰。
N金属54延伸到图1A中围绕显示器10的N环形区16。N环形区16键合到背板衬底46上的阴极电极。在另一实施例中，铝25沿显示器10的周边终止于用于接触衬底46上的阴极的一个或多个电极中。
LED像素以及在像素之上的降频转换层中生成大量的热量。N金属54和铝25的组合提供了良好的导热体，以从像素阵列和降频转换阵列中的大面积LED中去除热量，并将热量散布在裸片的整个宽度上。
在优选设计中，个体RGB像素在光学上被完全隔离，而像素之间没有实质的光学路径，从而防止了显示器分辨率的降级并保持了较大的色域。器件优选地具有大于1000：1的相邻像素之间的光学隔离以及由蓝色、红色和绿色原色限定的色域(其中来自相邻像素的光排斥(exclusion of light)大于1000：1)。
图3-图12图示了一些示例制造技术。图3图示了形成泵浦LED的LED晶片中的各个层。在蓝宝石衬底58上外延生长这些层，随后在将LED裸片键合到硅背板衬底46之后将蓝宝石衬底58去除。
在蓝宝石衬底58之上生长AlGaN缓冲层60，然后生长未掺杂的GaN层62、N型层30、有源层28和P型层26。反射性金属(例如，Ni/Au/Al、ITO/Al、Ni/Ag、Ag)阳极接触部63形成在P型层26之上，以与P型层26电接触。
金属阳极接触部63沉积在平面外延晶片上并被退火来形成低电阻率的反射性阳极接触部。备选地，使用剥离技术以像素接触部的形式沉积金属阳极接触部63。
在图4中，对各种LED半导体层和金属阳极接触部63施加掩模并进行蚀刻，以在每个六边形柱周围形成沟槽。每个柱将是约0.5-1um宽的原色像素，像素之间的间隙约为0.6um或更小。蚀刻深度低于PN结。电介质材料50形成在金属阳极接触部63、P型层26之上，并且使得有源层28中的PN结绝缘。优选的透明电介质材料50是SiO2、SiN或Al2O3。选择这些材料是因为它们具有光学透明性、高电击穿电压和无针孔沉积技术的可用性。对于Al2O3，可以使用原子层沉积(ALD)形成薄铝层，然后对Al层进行湿法氧化。电介质侧壁厚度优选小于0.05μm。
在图5中，将像素之间的间隙蚀刻为延伸穿过经蚀刻的沟槽底部中的透明电介质材料50，向下延伸到N型层30之下，并可选地向下延伸到衬底58。暴露N型层30的侧面。每个柱的N型层30彼此隔离。不存在连接相邻柱的连续N型层。
如图6所示，合适的反射性N-金属54(例如，Al、Ti/Al)沉积在沟槽中和柱之上。N金属54电接触N型层30的侧面，但是通过电介质层50与阳极接触部63、P型层26和有源层28绝缘。由于N-金属54接触大面积，所以具有良好的电流分布、像素之间的恒定阴极电压和低接触部电阻。
如图7A所示，执行化学机械抛光(CMP)过程来将顶表面平坦化，并在同一平面上暴露阳极接触部63、阴极接触部54和电介质50。
图7B是图7A的结构的俯视图，并且示出了CMP之后的像素区，其中包含阳极接触部63、N-金属(阴极)54和电介质材料50的顶表面是平面的。
在图8中，金属凸块66形成在阳极接触部63之上，并且同时，金属凸块67形成在电连接至N-金属54的N环形区16中。注意，N环形区16下方的LED柱通过金属凸块67而短路，并且在设计上不发射光。阳极接触部63和金属凸块66的组合形成图2中的P-金属电极44。
优选的凸块材料包括铟、锡、AuSn、金和铜。CMP之后“汽水罐”LED器件的平面度和显示器的小面积使得汽水罐LED兼容使用Cu-Cu键合到硅CMOS背板晶片上的Cu焊盘。Cu-Cu键合要求跨阵列的平面度小于几纳米，这由汽水罐LED器件设计来实现。
然后LED晶片被单体化，并且如下所述LED裸片被键合到硅背板晶片。
在图9中，也如图2所示，LED裸片上的金属凸块66和67键合到硅背板衬底46上对应的金属凸块68和69。可以使用超声键合(通常使用金凸块)或热压In-In键合或Cu-Cu键合。
配合的(mating)凸块金属可以包括Au-Au、AuSn-Au、In-In、Sn-Sn，并且最优选地为Cu-Cu。由于在背板和器件侧均要求极高的平坦度(通常在整个阵列的Cu-Cu接触部面积上<2nm的RMS平坦度)，因此在常规LED阵列制造中不使用Cu-Cu。汽水罐LED器件的结构设计满足Cu-Cu键合的要求，使得表面阳极和阴极接触部通过CMP共平面(优选在2nm以内)。阴极接触部示出在图9的左侧，并且是图1A中所示N环形区16的优选设计，沿裸片的边缘形成在与阳极接触部相同的表面上，并电连接到N-金属54。可以在金属化步骤之后执行CMP，以将阳极和阴极凸块(例如，Cu)平坦化。每个LED阳极和阴极凸块之间的距离小于几微米(例如，小于一微米)，使得可以将CMP期间的Cu凹陷最小化为在整个阵列之上小于几纳米(可以小于1毫米)。
衬底46包括具有绝缘氧化物层72的硅70。MOSFET驱动器、寻址电路装置和各种导体位于器件层74中。可以使用其他类型的衬底。例如，可以删除氧化物层72。金凸块66和68可以沉积在六边形金属焊盘上以匹配柱的形状。如前所述，也可以使用Cu-Cu键合。
其余附图不在N环形区16的视场范围内。
图10是LED裸片76的简化视图，示出了蓝宝石衬底58、半导体层78和金凸块66。所示出的背板衬底46没有氧化物层。导电迹线由Cu金属层80表示。铜接触部82电接触导体，并且氧化物层84位于铜接触部82之间。金凸块68形成在铜接触部82之上。在一些实施例中，氧化物层可以延伸到金凸块68的顶表面。
为了激励像素，经由图1A的N环形区16(与柱的所有N型层30电接触)，在衬底46上与柱中一个的P型层电接触的金凸块68和衬底46上与N金属54(图2)电接触的另一金凸块之间施加电压。例如使用行线和列线，N-金属54可以连接到接地并且金凸块68连接到寻址电路装置，其中列线和行线的激励相交点照亮该位置处的像素。晶体管可以在器件层74中的每个像素位置处，以向对应的金凸块68施加电压/电流。这被称为有源矩阵。在一个实施例中，CMOS电路装置用于对像素寻址，并且数字可控电流源向该像素施加可变电流以控制其亮度。可以使用常规的寻址技术。
图11A图示了在通过激光剥离去除蓝宝石衬底58(图9)之后的键合结构。在一个实施例中，在去除蓝宝石衬底58之后，将沟槽向下蚀刻至衬底，从而在LED柱之间不留下半导体连接。在另一实施例中，在去除衬底58以隔离个体LED柱之后，通过蚀刻去除了AlGaN缓冲层60(图3)和未掺杂的GaN层62。在所有情况下，先前连接到蓝宝石衬底58的LED的侧面是平面的。背板衬底46提供机械支撑。
图11B图示了图11A的实施例的变型，其中键合是Cu-Cu键合。诸如通过沉积和向下CMP以暴露铜阳极接触部63和阴极接触部，在每个LED像素周围形成玻璃85(SiO2)。玻璃85未形成在反射性阳极接触部63之上。类似的玻璃86层形成在衬底46之上。如果要使用镀覆，则在玻璃85和86的开口中形成铜籽晶层。然后，将铜87和88镀覆或以其他方式沉积来填充玻璃85和86的开口区。然后使用CMP将LED晶片表面和衬底46表面抛光，使得两个表面均是平面的(2nm以内的平面度)。铜87/88形成用于衬底46和LED像素的电极。如果在CMP平面化期间铜的凹陷不足，则使用铜87/88的短时间湿法蚀刻使铜87/88稍微凹陷。
然后将LED晶片切割，然后如下所述将裸片键合到衬底46晶片。LED裸片与衬底46晶片对准，并且在加热(例如，200℃)下将结构压制在一起(例如，在100psi下)，使得玻璃85/86表面键合。随着热量升高(例如，达到300℃)，铜87/88的厚度膨胀得比玻璃85/86的厚度大，并且相对的铜电极彼此接触而形成低电阻率的接触部。铜原子扩散以创建良好的机械键合。铜的温度膨胀系数约为16ppm/C，而玻璃的温度膨胀系数约为0.6ppm/C。键合过程可能需要30分钟。
在该配置中，在约200℃的低温下，在热压缩下，首先在硅背板侧的SiO2与LED侧的SiO2之间发生键合。随后，将经键合的晶片加热到200℃以上，使得硅背板和LED器件侧上的铜都充分膨胀以相互接触并进行热压键合。在这种情况下，压缩仅是由于SiO2和铜之间的热膨胀系数不同。
其余附图假定使用了图5A的键合技术，但是可以使用任何一种键合方法。
在图12中，在针对红色像素90的蓝色泵浦LED柱之上形成了DBR89。DBR89包括许多层，这些层共同将蓝光通过但反射红光。这样，LED不吸收红光。红色降频转换器材料92覆盖DBR89。降频转换器材料可以是磷光体或量子点。
类似地，在针对绿色像素98的蓝色泵浦LED柱之上形成DBR96。DBR96使蓝光通过但反射绿光。绿色降频转换器材料100覆盖DBR96。降频转换器材料可以是磷光体或量子点。
在蓝色像素102之上是透明电介质104，因此顶表面是平面的。
在相邻柱的降频转换器材料之间的六边形间隙中沉积铝25。围绕柱的铝25形成经转换的光的反射性壳体(containment)，以防止颜色转换层内不同颜色像素之间的光学串扰。铝25还帮助机械支撑降频转换器材料并确定其形状。图12的俯视图类似于图1A中的放大部分。
降频转换材料的厚度应当薄，以将效率最大化并将整个器件的高度最小化。对于量子点，该厚度应在1.5um的数量级。最新的颜色转换层厚度为10-50um，因此必须采取特殊的设计考虑，以将大于99％的泵浦蓝光转换为期望的颜色。期望将大于99％的泵浦蓝光转换为期望的颜色，以保持经转换的彩色像素的颜色纯度，从而保持整个RGB显示器的良好色域。一个技术是形成确定性地布置量子点晶体的聚合物基质，以实现最佳转化和最大固体密度。对于直径为6nm的量子点，优选量子点密度>1021/cm3，以在1.5um的厚度内实现超过99％的转换。
DBR 106可以沉积在显示器的顶部之上，以反射入射的泵浦蓝光来减少泵浦光通过经颜色转换的像素的泄漏。DBR 106还可被设计为将像素发射部分准直。在图12所示的情况下，将直接来自LED的蓝光用于蓝色像素，从蓝色像素之上的区去除反射性DBR 106。在一个实施例中，蓝色像素之上的区被透明电介质109代替，透明电介质109可以例如通过CMP被平面化。
N型层30之上的波长转换层可以形成为单独的晶片或裸片，然后键合到LED裸片或LED晶片的顶部。
图13是背板衬底46上的六边形金属焊盘107的俯视图，六边形金属焊盘107支撑金凸块68(图11)，金凸块68对应于LED裸片上的金凸块66。金属焊盘107可以替代地是用于Cu-Cu键合到LED裸片的铜。
图14图示了如何从显示器10的中央部分108减小像素密度(分辨率)。显示器10将其图像直接投影到视网膜上。视网膜具有中央凹，中央凹包含最致密的视锥。在中央凹的外侧，视锥的密度较低。因此，显示器10不需要在其中央区108之外具有高分辨率。因为分辨率不高于中央凹区域之外的分辨率，所以这改进了显示器10的效率。显示器10在中央区108中的分辨率应与中央凹所感知到的对真实世界的分辨率没有区别。显示器在中央区域之外的分辨率可以平滑地降低，与视网膜远离中央凹的分辨率的降低一致。因此，在整个显示图像上(包括高分辨率中央凹中的图像的一部分以及随着分辨率下降而远离中央凹区)，所显示的图像可以与现实无法区分。
在中央凹区中，视网膜上的20/20分辨率需要视网膜上约6um的白色(RGB复合)像素之间的间距。如果显示器封装在接触透镜中，则显示器距离视网膜约25mm。如果显示器前面的光学器件具有约3X的倍率，并且白色复合像素由RGGB像素组成，则显示器上白色像素之间的间距必须小于2um(6um/3)，并且个体颜色像素之间的间距必须进一步缩小2倍，因此必须小于1um。期望将显示器的尺寸保持小于1mm，以基本上不阻挡真实世界的光进入瞳孔。最小瞳孔直径通常为2mm，这意味着对于直径为2mm的最小瞳孔尺寸，直径为1mm的圆形障碍物将阻挡约25％的真实世界的光。为了在视网膜上将相当大的视场(FOV)成像，LED显示器中的中央凹像素间隔应小于1um，以在视网膜上显示与现实无法区分的图像。间距因此小于每个像素(柱)的高度。
LED像素的尺寸可以跨显示器变化，以实现与视网膜的分辨率匹配的投影图像，其中最高的分辨率在中央凹的中心处。
图15示意性地图示了在背板衬底46中使用以通过向该像素的相关联金凸块68(图12)施加电压来对像素寻址的一个可能的寻址技术。裸片的宽度可以为0.5-1mm。可以使用RF或其他方式将图像信号传输到背板衬底46。在一个实施例中，射频信号(例如，大约13MHz)被天线接收并由接收器/处理器110处理。功率转换器112和接收器/数据处理器110可以被集成到显示器背板中或被集成到具有通过电线电连接到显示器背板的数据接收器/处理器110和功率转换器112的单独的功率/数据芯片中。天线可以经由谐振电感耦合来接收功率，并且可以通过功率转换器112将功率转换为适当的电压和极性。功率信号和图像信号将处于不同的频率，使得信号可以使用衬底46上的适当耦合电路而在衬底46上分离。这允许将单片式显示器裸片封装在接触透镜或眼镜透镜中。图像信号包括由列解码器114和行解码器116解码的寻址信号。衬底46的器件层中的迹线118在每个像素位置处“相交”。选定的列线和行线上的控制电压使晶体管导通，以将电流传导到选定的像素。可以通过PWM或电流的幅度来控制颜色亮度。低功率CMOS开关可用于对像素寻址。单个全彩色像素中红色、绿色和蓝色像素的相对亮度确定针对该复合像素感知的颜色。
在显示器被并入接触透镜或眼镜透镜中的示例中，功率转换器112和接收器/处理器110在单独的芯片中与背板衬底46分离，并且两个芯片被单独封装在接触透镜或眼镜透镜中。功率/数据芯片的位置远离瞳孔，以免妨碍视力。细电线将背板衬底46上的金属焊盘连接到透镜中嵌入的功率/数据芯片上的金属焊盘。细电线环形天线也连接到功率/数据芯片上的焊盘，并封装在透镜中。
所有制造处理优选地在晶片规模上执行。如上所述，将LED晶片切割，并且将个体的或成组的LED裸片附接到背板衬底46晶片。如果颜色转换层被形成为单独的裸片，则颜色转换裸片被附接到背板衬底46晶片上方的LED裸片，然后其被单体化以形成边缘小于1mm的单独的显示器裸片(即，键合到LED像素裸片的衬底裸片)。
在以上公开的实施例中，所有的LED发射蓝光，并且使用降频转换器材料来创建红光和绿光。图15图示了制造单色显示器的技术。因此，不需要波长转换材料。所有LED基于GaN来生成单个颜色(例如，蓝色或绿色)，或者LED基于AlInGaP来生成单个颜色(例如，红色或琥珀色)。示意性地图示了四个绿色LED 120。电接触N型层并围绕六边形柱的反射性N-金属54可以与先前描述的相同。接触P型层的金凸块68可以与先前描述的相同。DBR层128可以提供准直。透明氧化物层130保护器件。
图16图示了另一类型的LED像素，其中所有LED 134发射红外泵浦光(例如，975nm波长)并且使用红色升频转换器材料136、绿色升频转换器材料138和蓝色升频转换器材料140将光转换为红色、绿色或蓝色。第一DBR层142使IR泵浦光通过并反射可见波长的光。第二DBR层144使可见光通过并且将IR光反射回以提高效率。生长衬底是GaAs。
个体柱还可以是谐振腔LED或竖直腔表面发射激光器。
尽管本文描述的器件是使用LED像素柱的全色显示器，但是可以使用类似的技术来形成竖直晶体管的阵列、光电检测器和其他半导体器件。
优选地，以晶片规模执行制造处理。图17A至图17N示出了使用图1A至图1B的前板和背板来制造毫微微投影仪显示器的另一过程。图17A是示出了在该系列图中使用的交叉阴影线图案的图例。金属和其他导电材料以斜剖面线图案表示。TCO是透明的导电氧化物(例如，铟锡氧化物、铝锌氧化物、铟锌氧化物、铟镉氧化物和碳纳米管层)。GaN是适用于制造LED的有源区域的氮化镓区域。GaN是非常适合于制造LED的直接带隙III-V半导体材料。在图17A中，电介质和二氧化硅(SiO2)是可以提供电隔离的材料，并且电介质堆叠用于提供波长选择性。
图17B示出了前板晶片300和分离的背板晶片350。前板晶片300包含在衬底302上外延生长的GaN区域310，衬底302将被称为前板衬底。从衬底开始，GaN区域310包括缓冲区域(未标记)、n掺杂区域312、有源区域314(由虚线表示)和p掺杂区域316。通常，GaN区域310可以具有大约4-6um的总厚度。如果使用InGaN多量子阱结构，则有源区域314通常非常薄(例如，0.1um或更小)。p掺杂区域316也很薄(可能为0.2um、通常小于0.5um)。其余的是n掺杂区域312和相对较厚的缓冲区域。这是因为需要一定的厚度来允许GaN生长达到足够的质量。与衬底302直接相邻的GaN是质量差的缓冲区域。
P接触部金属320提供与P掺杂区域316的电接触。在一些设计中，P接触部金属320还用作由有源区域314生成的光的反射器。衬底302的示例包括蓝宝石。其他示例包括硅和碳化硅。图17B中的前板晶片300未被图案化。即，GaN区域310尚未被图案化为个体LED。这显著降低了将前板晶片300附接到背板晶片350时的对准要求。
背板晶片350在衬底352上包含LED驱动器电路。图17B未示出实际的LED驱动器电路，而是示出了用于在驱动器电路和LED接触部之间进行电接触的铜焊盘362、366。铜焊盘366提供从所有LED的n接触部到背板上的公共阴极的电连接。铜焊盘362提供从每个LED的p接触部金属320到该LED的可寻址驱动器电路装置的连接。铜焊盘362、366之间的填充物368可以是在随后的处理步骤中用作蚀刻停止件的SiO2或SiNx。通常，背板晶片350是硅晶片上经处理的CMOS。图17B还示出了一些对准标记390。
将前板晶片300附接到背板晶片350，得到图17C的结构。在所示的示例中，通过p接触部金属320和铜焊盘362、366之间的非焊接表面键合(例如，通过表面扩散)来执行附接。导电键合剂330沉积在前板晶片的p接触部金属320上。键合剂的示例包括铝、氧化铟锡、掺杂铝的氧化锌以及具有硅、锗或钛的表面涂层以防止铝氧化的铝。键合剂330键合到铜焊盘362、366。这将两个晶片机械地彼此附接。它还在p接触部金属320和铜焊盘362、366之间提供电连接。该键合步骤仅需要粗略的对准，因为尚未将GaN区域310图案化为个体像素。可以选择键合剂330以与进一步的硅晶片处理兼容，并且键合过程本身在不影响背板上已被处理的CMOS结构的温度和压力下发生。
在一个备选方法中，两个金属层均可以涂覆有键合剂。在该示例中，p接触部金属320和铜焊盘362、366均可以涂覆有键合剂，然后键合在一起。
在一个备选方法中，前板晶片300涂覆有诸如Sn或In的焊料，并使用焊料键合附接到背板晶片350。在该方法中，铜焊盘362、366也可以涂覆有焊料。
在将两个晶片300、350键合在一起之后，去除前板衬底302。可以使用激光剥离来去除蓝宝石衬底302。也可以使用化学方法来去除蓝宝石衬底302。这暴露了GaN 310的缓冲区域。去除蓝宝石衬底302可能产生很大的震动，因此从机械稳定性的角度来看，在将GaN区域310图案化之前执行该步骤是有帮助的。
如图17D所示，沉积诸如二氧化硅的电介质填充物335来将表面平面化。其他材料的示例包括SiN、苯并环丁烯(BCB)和旋涂玻璃。
将GaN区域310减薄，从而得到图17E的结构。可以使用化学机械抛光和/或毯式干法蚀刻来减小GaN区域310的厚度。减薄去除了大部分或全部的GaN缓冲区域。
如图17F所示，将GaN区域图案化为个体LED柱342R、G、B，LED柱342R、G、B形成针对显示器的红色、绿色和蓝色像素的LED。在一个方法中，借助GaN区域310和导电键合层330来执行深度蚀刻。蚀刻在SiNx/SiO2区域368的表面处停止。这也暴露了用于公共阴极的焊盘366。
通过蚀刻柱之间的沟槽，将图17E的GaN区域310图案化为图17F的个体LED柱342。这些沟槽的宽度可以为0.2-0.3um。如果GaN不减薄，则柱之间的间隙将为6um高、0.2-0.3um宽，高宽比在20-30的范围内。以这样高的纵横比很难蚀刻狭窄的沟槽。还难以进一步处理狭窄的沟槽(例如，对其进行涂覆或填充)。将GaN区域减薄减小了沟槽的纵横比，这使得蚀刻和其他过程更容易。
将GaN区域减薄还减小了LED柱342的纵横比，从而改进了它们的光学性能。图17未按比例绘制。相反，绘制附图以图示过程步骤的顺序以及各种材料层之间的空间关系。对于在4-12的范围内的高宽纵横比，未减薄的LED柱342可以是4-6um高和0.5-1um宽。将GaN区域减薄可以去除2-4um的材料，将LED柱减小到不超过2um的高度，并将纵横比减小2倍至3倍。
注意，当将GaN像素图案化时，键合剂330的某些区被蚀刻掉。导电键合剂330被选择为使得其不涂覆(例如，作为蚀刻副产物溅射)GaN LED柱342的侧壁，以防止LED短路。
在图17G中，LED柱342的侧壁被钝化。在一个方法中，原子层沉积用于在整个结构之上(包括在LED柱342的顶部和侧壁上)沉积钝化材料344。示例钝化材料包括Al2O3、TiO2、SiO2、SiNX、HfOX和NbOX。使用定向蚀刻来对钝化材料344进行蚀刻。这从包括个体LED柱的顶部的水平面去除了钝化材料，但是将钝化材料留在了LED柱的侧壁上。该方法不需要任何光刻或精细对准。钝化材料344使得LED柱342的侧面电绝缘来防止LED短路。
在图3H-图3I中形成了LED柱342与公共阴极366之间的电连接。在图17H中，沉积诸如铝或钌的薄的反射性金属衬垫346，随后沉积诸如铜、铝或金的填充金属347。经由化学机械抛光将其平面化，以暴露GaN表面。在图17I中，沉积透明导电氧化物348(例如，ITO)的薄层作为电流扩散层，电流扩散层提供与每个像素的电连接。
这完成了毫微微投影仪中的LED结构。参考图17I，每个LED的个体p接触部从p接触部金属320通过导电键合剂330到达铜焊盘362再到达可寻址驱动器电路。所有LED的n接触部都通过透明导电氧化物348到达金属346/347，到达铜焊盘366再到达公共阴极。
注意，该过程仅使用一个光刻步骤。在图17F中，使用高分辨率光刻将LED柱342与其对应的驱动器焊盘362对准。然而，将柱的侧壁(图17G)绝缘并形成到个体LED柱的顶部接触部的电网络(图17H-图17I)在无需任何光刻步骤的情况下完成。
图18示出了两个相邻的LED柱342的截面图。为了图示，使用特定尺寸按比例绘制了图18，但是可以使用其他尺寸来构造LED显示器。在该示例中，LED柱342包括2.75um的n掺杂GaN 312、0.05um的InGaN多量子阱作用区域314以及0.2um的p掺杂GaN316。在有源区域314处生成光，因此从有源区域到n掺杂区域312远端处的LED出口的光学路径为2.75um长。如果LED柱的宽度为1um，则该光学路径的高宽纵横比为2.75：1。在到达出口之前，光可能从侧壁反射多次。每次反射都会引入一些光损失。
如上所述，LED柱342的侧面涂覆有电介质344(0.02um)、用作底部反射器的金属层346(0.05um)以及提供结构支撑并且还可以提供与公共阴极焊盘的电连接的金属填充物347(0.16um)。为了制造这些结构，使用3um高的LED柱，首先在LED柱之间蚀刻3um高和0.3um宽的沟槽。这是一个高宽纵横比为10：1的沟槽。因为沟槽使p掺杂的GaN 316与相邻像素电隔离，所以沟槽的深度为3um。沟槽还延伸穿过底部金属320和键合剂330，因此总沟槽深度可以大于3um。然后利用电介质344和反射器346共形地涂覆侧壁。当利用金属347填充沟槽时，这使得沟槽变窄到0.16um(但仍是3um高)。
如果未使得GaN区域减薄，则LED柱342将更高(例如为6um)。在该高度处，从有源区域314到出口的光学路径的纵横比为5.75：1，比在离开LED之前反射的数量多一倍。附加地，待蚀刻的沟槽将具有20：1的纵横比，并且金属填充物347将占据具有几乎40：1的纵横比的空间。
上面给出的尺寸仅是示例。典型范围如下。对于柱之间的间隙：整个间隙宽度为0.2-1um，电介质344为0.01-0.05um，反射器346为0.03-0.10um。对于LED柱：n-GaN 312为1-5um，MQW 314为0.05±0.025um，p-GaN 316为0.2±0.1um。在GaN(图18中未示出)以下：对于p接触部金属320(ITO、Ag或NiAu)为<50nm且对于键合剂330为<1um。
返回图17，图17A至图17I中的步骤在将LED前板晶片300附接到硅CMOS背板晶片350的上下文中进行了描述。这也可以在裸片级完成。例如，可以将LED前板晶片切割，并且将个体的或成组的LED前板裸片300附接到对应的背板裸片350。背板裸片也可以是晶片形式或已切割成个体的或成组的裸片。
图17J-图17N示出了添加颜色转换材料的附加步骤，颜色转换材料在该示例中是量子点材料。在图17J中，多层电介质堆叠373沉积在顶表面上。电介质堆叠373提供波长选择性。例如，如果LED产生蓝光，则电介质堆叠373可以被设计为透射蓝光并且反射红光和绿光。诸如厚氧化物(例如，SiO2或SiNX)的牺牲层374沉积在电介质堆叠373上。在图17K中，电介质堆叠373和厚氧化物374被图案化为与LED柱342R、G、B对准的柱372R、G、B。在图17L中，诸如铝或钌的薄的反射性金属衬垫375被沉积，然后沉积诸如铜或铝的填充金属376。在图17M中，经由化学机械抛光将其平面化来暴露氧化物374。在图17N中，例如使用湿法或干法化学蚀刻来去除牺牲层374。这留下了空间377，颜色转换材料可以沉积到空间377中。空间377的典型高度在1-3um的范围内。可以将不同的材料(例如，用于从蓝色到红色的颜色转换的量子点材料377R、用于从蓝色到绿色的颜色转换的量子点材料377G以及用于蓝色像素的材料377B)沉积到不同的空间377中。另一备选方法是针对蓝色像素的光散射粒子(例如，TiO2)。
备选地，颜色转换层可以形成为单独的裸片，然后在背板上方附接到LED裸片。然后其被单体化形成宽度通常小于1mm的单独的毫微微投影仪显示器。
这种单片式超致密LED显示器的一种可能用途是将显示器嵌入接触透镜中，使得所显示的图像覆盖(或替换)穿戴者对真实世界的视图。图19示出了在接触透镜550中包含毫微微投影仪500的眼睛安装式显示器的截面图。
图19示出了使用优选的巩膜接触透镜的实施例，因为巩膜透镜被设计为在角膜上不移动，所以巩膜接触透镜是优选的，但是接触透镜不必是巩膜的。眼球的水位于眼睛的角膜574和晶状体576之间。玻璃体填充眼球的大部分(包括晶状体576和视网膜578之间的体积)。虹膜584限制眼睛的光圈。
接触透镜550优选地具有小于2mm的厚度，并且毫微微投影仪500优选地以2mm乘2mm乘2mm或更小的体积装配。接触透镜550佩戴舒适，并且通过允许氧气到达角膜574而保持眼睛健康。毫微微投影仪500包括图像源512/514和光学系统530。图像源包括背板512和前板514，其示例已在上面进行了描述。在该示例中，背板512是CMOS专用集成电路(ASIC)并且前板514包括GaN LED阵列。背板电子器件512从眼睛安装的显示器外部的源接收数据分组。背板ASIC 512将数据分组转换为驱动电流，以驱动前板GaN LED阵列514，前板GaN LED阵列514产生的光由光学系统530投影到用户的视网膜578。
发光器阵列514可以具有不均匀的分辨率。例如，阵列的中心区可以被成像到中央凹上，并且因此与阵列周边上的像素相比，中央像素具有更高的分辨率(即，像素之间的间距较小)。前板512和背板514的间距可以匹配，在这种情况下，与周边相比，在背板的中心中每个像素驱动器的面积较小。备选地，背板514可以具有均匀的间距，其中前板512仍然具有可变的间距。在一个方法中，布线层在均匀间距背板514和可变间距前板512之间桥接。通过使用不同的布线层，相同的背板可以与不同的前板一起使用。
眼睛安装的毫微微投影仪显示器可以使用200x200的彩色像素阵列。显示器可以是单色的或彩色的。具有每个颜色像素三个LED的三色显示器可以总共具有至少120,000个LED。
单片式超密LED显示器的另一可能用途是在眼镜护具(例如，眼镜或护目镜)中，创建沉浸式视觉体验或覆盖穿戴者对真实世界的视图的图像(例如，在增强型、混合型或人造现实应用中)。
尽管详细描述包含许多细节，但是这些细节不应被解释为限制本发明的范围，而仅是用于图示不同的示例。应当理解，本公开的范围包括上面未详细讨论的其他实施例。在不脱离所附权利要求书所限定的精神和范围的情况下，可以对本文公开的方法和设备的布置、操作和细节进行对本领域技术人员而言显而易见的各种其他修改、改变和变化。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其合法等同物确定。

Claims (52)

1.一种单片式器件，包括：
发光二极管(LED)阵列，包括：
半导体层的柱的阵列；所述半导体层包括N型层、有源层和P型层；所述柱的高度大于所述柱的宽度；
在所述柱之间的填充物，所述填充物包括反射性金属；所述反射性金属为所述柱提供机械支撑、在所述柱之间提供光学隔离、并且沿所述N型层的侧壁电接触每个柱的所述N型层；以及
电介质材料，所述电介质材料将所述P型层和所述有源层的侧壁与所述反射性金属绝缘。
2.根据权利要求1所述的器件，还包括：
具有寻址电路装置的衬底裸片，所述衬底裸片包括：
接触部的阵列，所述接触部电接触所述柱的所述P型层，以用于当电压被施加在所述接触部中的一个接触部和与所述N型层接触的所述反射性金属之间时，选择性地激励所述柱中的每个柱。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述柱被配置为使得光从每个柱的所述N型层的顶表面、在与所述衬底裸片相对的方向上被发射，并且所述反射性金属将从所述柱的侧壁发射的光反射回到所述柱中。
4.根据权利要求2所述的器件，进一步包括降频转换材料，所述降频转换材料覆盖所述柱中的某些柱的所述N型层，以用于将由所述有源层发射的光降频转换为用于显示器的原色。
5.根据权利要求4所述的器件，进一步包括：围绕所述降频转换材料的第二反射性金属。
6.根据权利要求4所述的器件，其中所述降频转换材料的厚度小于5um。
7.根据权利要求4所述的器件，进一步包括：在所述N型层与所述降频转换材料之间的分布式布拉格反射器层，所述分布式布拉格反射器层使得由所述有源层发射的光通过、并反射经降频转换的所述光。
8.根据权利要求4所述的器件，进一步包括：覆盖所述降频转换材料的分布式布拉格反射器层，所述分布式布拉格反射器层将由所述有源层发射的光反射回到所述降频转换材料中、并且使得经降频转换的所述光通过。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述半导体层在生长衬底上外延生长，并且沟槽被蚀刻穿过所述半导体层以形成半导体柱的所述阵列。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述柱的高度与宽度之比为至少5∶1。
11.根据权利要求1所述的器件，其中所述柱中的每个柱具有六边形的横截面形状。
12.根据权利要求1所述的器件，其中所述柱的所述侧壁是竖直侧壁。
13.根据权利要求1所述的器件，其中所述柱形成宽度小于1um的像素。
14.根据权利要求1所述的器件，其中所述柱形成宽度小于3um的像素。
15.根据权利要求1所述的器件，其中所述柱中的所述有源层包括不同量的铟来控制所述柱的峰值波长，使得所述柱中的一些柱生成红光、所述柱中的一些柱生成绿光、并且所述柱中的一些柱生成蓝光。
16.根据权利要求1所述的器件，其中柱之间的间距小于所述柱的高度。
17.根据权利要求1所述的器件，其中所述LED是IR LED。
18.根据权利要求1所述的器件，进一步包括升频转换材料，所述升频转换材料覆盖所述柱中的某些柱的所述N型层，以用于将由所述有源层发射的光升频转换为用于显示器的原色。
19.根据权利要求18所述的器件，进一步包括：在所述N型层与所述升频转换材料之间的分布式布拉格反射器，所述分布式布拉格反射器层使得由所述有源层发射的光通过、并反射经升频转换的所述光。
20.根据权利要求18所述的器件，进一步包括：覆盖所述升频转换层的分布式布拉格反射器层，所述分布式布拉格反射器层将由所述有源层发射的光反射回到所述升频转换材料中、并且使得经升频转换的所述光通过。
21.一种器件，包括：
发光二极管(LED)阵列，包括：
半导体层的柱的阵列；所述半导体层包括N型层、有源层和P型层；所述柱的高度大于所述柱的宽度；
在所述柱之间的填充物，所述填充物包括第一反射性金属；所述第一反射性金属为所述柱提供机械支撑、在所述柱之间提供光学隔离、并且沿所述N型层的侧壁电接触每个柱的所述N型层；以及
电介质材料，所述电介质材料将所述P型层和所述有源层的侧壁与所述第一反射性金属绝缘；
第二反射性金属，所述第二反射性金属与每个柱的所述P型层电接触；以及
具有寻址电路装置的衬底裸片，所述衬底裸片包括：
接触部的阵列，所述接触部电接触所述第二反射性金属，以用于当电压被施加在所述接触部中的一个接触部和与所述N型层接触的所述第一反射性金属之间时，选择性地激励所述柱中的每个柱。
22.根据权利要求21所述的器件，其中与每个柱的所述P型层接触的所述第二反射性金属被键合至所述衬底裸片上的键合焊盘，并且所述键合焊盘被电耦合至所述衬底裸片上的所述寻址电路装置。
23.根据权利要求21所述的器件，还包括：
光学器件，所述光学器件被配置为将由所述半导体层的柱的阵列产生的图像投影到人的视网膜上。
24.根据权利要求23所述的器件，还包括：
接触透镜，所述接触透镜包含所述光学器件、所述LED阵列和所述衬底裸片。
25.根据权利要求23所述的器件，其中所述光学器件是可穿戴眼镜或护目镜的一部分。
26.根据权利要求21所述的器件，其中包含所述LED阵列的裸片的第一表面包含阳极接触部和阴极接触部两者，所述第一表面被平面化以用于键合到所述衬底裸片。
27.根据权利要求26所述的器件，其中所述阳极接触部和所述阴极接触部包括铜键合焊盘，所述铜键合焊盘彼此共面、并且与在所述键合焊盘之间的SiO2隔离层共面。
28.根据权利要求21所述的器件，其中所述衬底裸片包括接收器电路装置，所述接收器电路装置用于无线地接收功率和图像信号。
29.根据权利要求21所述的器件，其中所述衬底裸片上的所述接触部的阵列通过铜-铜键合连接而电耦合到所述第二反射性金属，其中所述铜键合表面的平面度小于5nm。
30.根据权利要求21所述的器件，进一步包括天线，所述天线被耦合到所述衬底裸片以用于接收功率和图像信号。
31.根据权利要求21所述的器件，其中所述第一反射性金属被耦合到参考电压。
32.根据权利要求21所述的器件，其中所述LED阵列的分辨率在所述LED阵列的中心区处比在所述LED阵列的周边区处高。
33.一种用于制造毫微微投影仪显示器的方法，所述方法包括：
将前板裸片附接到背板裸片，所述背板裸片包括在背板衬底上的LED驱动器电路的阵列，并且所述前板裸片包括在前板衬底上生长的氮化镓区域；
去除所述前板衬底；
将所述氮化镓区域减薄；以及
将所述氮化镓区域图案化为个体LED柱，所述个体LED柱具有宽度不大于2um的有源区域，其中将所述氮化镓区域减薄使得从所述有源区域到所述氮化镓区域的顶部所测量的所述个体LED柱的高度减小到小于3um。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述氮化镓区域在所述前板衬底上的生长导致在所述氮化镓区域中的与所述前板衬底相邻的缓冲区域，并且将所述氮化镓区域减薄去除所述缓冲区域。
35.根据权利要求33所述的方法，其中将所述氮化镓区域减薄将所述高度与所述宽度之比减小到小于5:1。
36.根据权利要求33所述的方法，其中将所述氮化镓区域减薄使得所述氮化镓区域的厚度减小至少3um。
37.根据权利要求33所述的方法，其中将所述前板裸片附接到所述背板裸片包括：将所述前板裸片上的金属层键合到所述背板裸片上的金属层。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述键合使用选自以下项的键合剂：铝；氧化铟锡；铝掺杂的氧化锌；具有硅、锗或钛的表面涂层的铝；Sn焊料和In焊料。
39.根据权利要求37所述的方法，其中所述背板衬底是硅衬底，所述LED驱动器电路是CMOS电路，并且所述背板衬底上的所述金属层是铜层。
40.根据权利要求33所述的方法，其中去除所述前板衬底包括：使用剥离工艺去除所述前板衬底。
41.根据权利要求33所述的方法，其中将所述氮化镓区域图案化为个体LED柱包括：将沟槽干法蚀刻到所述氮化镓区域中，以将所述个体LED柱图案化。
42.根据权利要求41所述的方法，其中将相邻的个体LED柱分离的所述沟槽的宽度不大于0.5um。
43.根据权利要求41所述的方法，其中将相邻的个体LED柱分离的所述沟槽具有至少4:1的高宽纵横比。
44.根据权利要求33所述的方法，还包括：
在去除所述前板衬底之后，在减薄所述氮化镓区域之前，将所述前板裸片平面化。
45.根据权利要求33所述的方法，其中将所述氮化镓区域图案化为个体LED柱包括：
光刻掩蔽所述氮化镓区域的区，以限定所述个体LED柱；以及
将沟槽蚀刻到所述氮化镓区域的未被掩蔽的区中；
其中所述方法还包括：在没有任何光刻步骤的情况下，
将所述个体LED柱的侧壁钝化；以及
形成到所述个体LED柱的顶部接触部的电接触。
46.根据权利要求45所述的方法，其中将所述个体LED柱的侧壁钝化包括：
使用原子层沉积，在所述个体LED柱的所述侧壁和顶部上沉积钝化材料；以及
在不使用光刻的情况下，蚀刻经沉积的所述钝化材料，以从所述个体LED柱的所述顶部去除所述钝化材料，但是将钝化材料保留在所述个体LED柱的所述侧壁上。
47.根据权利要求45所述的方法，还包括：
在所述个体LED柱的顶表面上沉积多层电介质堆叠，所述多层电介质堆叠提供波长选择性。
48.根据权利要求47所述的方法，还包括：
在所述多层电介质堆叠上沉积牺牲层；
将所述多层电介质堆叠和所述牺牲层图案化为与所述个体LED柱对准的个体柱；
在所述牺牲层的所述个体柱之间的空间中沉积填充材料；
去除所述牺牲层，以创建由所述填充材料限定的空隙；以及
使用波长转换材料填充所述空隙中的至少一些空隙，所述波长转换材料将由所述个体LED柱产生的光转换为不同的波长，其中所述多层电介质堆叠使得来自所述个体LED柱的光通过、并反射经转换为不同波长的光。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述波长转换材料包括量子点。
50.一种毫微微投影仪显示器设备，包括：
背板裸片，包括在背板衬底上的LED驱动器电路的阵列；以及
前板结构，所述前板结构被附接到所述背板裸片，所述前板结构包括经减薄的氮化镓区域，所述经减薄的氮化镓区域被图案化为个体LED柱，所述个体LED柱具有宽度不大于2um的有源区域，其中所述氮化镓区域被减薄，以将从所述有源区域到所述氮化镓区域的顶部所测量的所述个体LED柱的高度减小到小于3um。
51.根据权利要求50所述的毫微微投影仪显示器设备，其中所述个体LED柱形成至少200×200的阵列。
52.根据权利要求50所述的毫微微投影仪显示器设备，其中所述毫微微投影仪显示器设备足够小以装配到接触透镜中。
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