CN114793476A - 用于同轴多色led的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

微型多色LED器件包括用于发射一定范围颜色光的两个或更多个LED结构。两个或更多个LED结构垂直层叠将两个或更多个LED结构发射的光进行混合。在一些实施例中，每个LED结构连接至像素驱动器和共享的P电极。LED结构通过键合层键合在一起。在一些实施例中，在器件中施用反射层以提高LED发射效率。包括微型三色LED器件阵列的显示面板具有高分辨率和高照明亮度。

Description

用于同轴多色LED的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月19日提交的题为“Systems and Methods for CoaxialMulti-Color LED(用于同轴多色LED的系统和方法)”的美国临时专利申请No.62/863,559的优先权，该项申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及发光二极管(LED)显示器件，尤其涉及能够发出不同颜色高亮度和微米级像素大小的光的LED半导体器件的系统和制造方法。
背景技术
随着近年来迷你LED和微型LED技术的发展，消费者装置和应用——比如增强现实(AR)、投影、平视显示器(HUD)、移动装置显示器、可穿戴装置显示器和汽车显示器——需要具有改进的分辨率和亮度的LED面板。例如，集成在护目镜内并定位在靠近佩戴者眼睛的AR显示器可以只有手指甲的尺寸，同时仍然需要HD清晰度(1280×720像素)或更高。许多电子装置对LED面板要求特定的像素大小、相邻像素之间的距离、亮度、和视角。通常，当试图在小型显示器上实现最大分辨率和亮度时，同时维持分辨率要求和亮度要求是有挑战性的。相反，在一些情况下，像素大小和亮度难以同时平衡，因为两者具有近似相反的关系。例如，使每个像素获得高亮度会导致低分辨率。而获得高分辨率则会使亮度降低。
通常，至少红色、绿色和蓝色被叠加以生成各种各样的颜色。在一些情况下，为了在一个像素区域内包括至少红色、绿色和蓝色，会在该像素区域内的不同非重叠分区制造单独的单色LED。现有技术面临当相邻LED之间的距离确定时提高每个像素内有效照明面积的挑战。另一方面，当单个LED的照明面积已确定时，进一步提高LED面板的整体分辨率也是一项困难的任务，因为不同颜色的LED必须占据其在单个像素内的指定分区。
与薄膜晶体管(TFT)技术结合的有源矩阵液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示器在当今的商业电子装置中变得日益流行。这些显示器广泛用于笔记本电脑、智能电话和个人数字助理中。数百万的像素一起在显示器上产生图像。TFT用作开关以单独地接通和断开每个像素，从而使得像素变亮或变暗，这允许方便且有效地控制每个像素和整个显示器。
然而，传统的LCD显示器受光效率低所累，导致高功耗和有限的电池工作时间。虽然有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示面板通常比LCD面板消耗更低的功率，但是AMOLED显示面板仍然是电池供电设备中最主要的功率消耗部件。为了延长电池寿命，降低显示面板的功耗是合乎需求的手段。
传统的无机半导体发光二极管(LED)已经表现出优异的光效率，这使得有源矩阵LED显示器更适合于电池供电的电子设备。驱动电路和发光二极管(LED)的阵列用于控制数百万个像素，从而在显示器上呈现图像。单色显示面板和全彩色显示面板都可以根据各种制造方法来生产。
然而，将数千甚至数百万个微型LED与像素驱动电路阵列集成是相当具有挑战性的。各种不同的制造方法被提了出来。在一种方法中，控制电路被装配在一块基板上，而所有LED被装配在另一块基板上。将全部LED转移到一块中间基板，并移除原始基板。然后，中间基板上的LED以每次一个或几个的方式被拾取并放置到装配了控制电路的基板上。然而，这种制造工艺效率低、成本高且可靠性差。另外，目前还不存在现成用于大量转移微型LED的生产工具。因此必须开发新的工具。
在另一方法中，整个LED阵列及其原始基板与控制电路对齐，并利用金属键合将它们与控制电路键合。所有LED所在的基板将被保留在成品中，这可能引起光串扰。此外，两个不同基板之间的热失配会在键合界面处产生应力，这可能会导致可靠性差的问题。进一步的，与单色显示面板相比，多色显示面板通常需要更多的LED，且不同颜色的LED生长在不同的基板材料上，因此使得传统的生产工艺变得更加复杂和低效。
因此，提供一种能够解决上述弊端的用于显示面板的LED结构将是合乎需求的。
发明内容
有必要改进多色LED的设计，以改进并解决传统显示系统如上所述的缺点。特别地，需要一种LED器件结构，能够同时提高亮度和分辨率，且有效保持低功耗。本文所述的多色LED器件集成了至少三个微型LED结构，通过放置于器件结构的不同层将它们垂直层叠，并用同一个电极接收控制电流。通过如本文所公开的将至少三个LED结构延同一轴对齐放置，系统有效地增强了单个像素区域内的光照明效率，同时提高了LED面板的分辨率。
间距是指显示面板上相邻像素的中心之间的距离。在一些实施例中，间距的变化范围可以从约40微米、到约20微米、到约10微米和/或达到更理想的约5微米或更低。为减小间距已经付出了许多努力。一旦间距的规格被确定了，单个像素的面积就固定了。
本文所述的多色同轴LED系统使发射由单个像素区域发出的不同颜色混合而成的光、且无需额外的区域容置具有不同颜色的LED结构成为可能。因此，单个像素的占用面积显著减小，还能够提高微型LED面板的分辨率。同时来自一个微型LED器件边界的不同颜色的光的集中大大增强了单个像素区域内的亮度。
与依赖于低效的拾取和放置工艺或可靠性低的多基板方法的微型LED显示芯片传统制造工艺相比，本文公开的多色微型LED制造工艺有效提高了微型LED器件制造的效率及可靠性。例如，LED结构直接键合在带有像素驱动器的基板上，而无需引入中间基板。此外，在最终的多色器件中不保留微型LED结构的基板，从而减少串扰和失配。
本文所述的多色微型LED器件可以同时改进亮度和分辨率，适用于现代显示面板、尤其适用于高清晰度AR装置及虚拟现实(VR)眼镜。
在一个实施例中，一种用于显示面板的单像素多色微型发光二极管(LED)器件，包括：基板；两个或更多个LED结构层，包括：层叠在基板顶部的第一LED结构层；以及层叠在所述第一LED结构层顶部的第二LED结构层。在一些情况下，所述第一LED结构层，和所述第二LED结构层彼此基本上横向重叠，形成光路将所述第一LED结构层和所述第二LED结构层发射的光进行混合。
在一些实施例中，所述单像素多色微型LED器件中的两个或更多个所述LED结构层还包括：层叠在所述第二LED结构层顶部的第三LED结构层。在一些情况下，所述第三LED结构层与所述第一LED结构层，和所述第二LED结构层基本上横向重叠，形成光路再增加混合所述第三LED结构层发射的光。
在一些实施例中，所述单像素多色微型LED器件还包括：位于所述基板与所述第一LED结构层之间的第一键合层；位于所述第一LED结构层与所述第二LED结构层之间的第二键合层；以及位于所述第二LED结构层与所述第三LED结构层之间的第三键合层。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述第一键合层约为0.1微米至3微米，所述第二键合层约为0.1微米至5微米，以及第三键合层约为0.1微米至5微米。在一些实施例中，所述第二和所述第三键合层是透明的。
在一些实施例中，所述单像素多色微型LED器件的所述基板支撑像素驱动器，且所述第一、所述第二和所述第三LED结构层分别与所述像素驱动器电连接。
在一些实施例中，所述像素驱动器包括薄膜晶体管像素驱动器或硅CMOS像素驱动器。
在一些实施例中，所述单像素多色微型LED器件还包括：位于所述基板与所述第一LED结构层之间的第一反射层；位于所述第一LED结构层与所述第二LED结构层之间的第二反射层；以及位于所述第二LED结构层与所述第三LED结构层之间的第三反射层。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述第一、所述第二和所述第三反射层中的至少一层包括分布式布拉格反射器(DBR)结构；以及所述第一、所述第二和第三反射层中的每一层均约为0.1微米至5微米。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述第一LED结构层发射的第一光传播通过所述第二LED结构层和所述第三LED结构层，以及所述第二LED结构层发射的第二光传播通过所述第三LED结构层。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中的每一层均包括：在相应的所述LED结构层内形成LED的外延结构；与所述LED底部电连接的下导电层；以及与所述LED顶部电连接的上导电层。在一些情况下，所述下导电层还与所述像素驱动器电连接，且所述上导电层还与公共电极电连接。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述外延结构选自下列结构中的一种或多种：III-V族氮化物外延结构、III-V族砷化物外延结构、III-V族磷化物外延结构和III-V族锑化物外延结构。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述下导电层和所述上导电层均包括氧化铟锡(ITO)层，且每个所述ITO层均约为0.01微米至1微米。
在一些实施例中，所述单像素多色微型LED器件还包括：与所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述下导电层电连接的阳极金属触点焊垫；与所述第一LED结构层的所述上导电层电连接的第一阴极金属触点焊垫；与所述第二LED结构层的所述上导电层电连接的第二阴极金属触点衬垫；以及与所述第三LED结构层的所述上导电层电连接的第三阴极金属触点焊垫。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述阳极金属触点焊垫和所述阴极金属触点焊垫由下述各金属中的一种或多种构成：铝、银、铑、锌、金、锗、镍、铬、铂、锡、铜、钨、氧化铟锡、钯、铟、和钛。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述外延结构约为0.3微米至5微米。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述不同LED结构层中的所述LED产生不同波长的光。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述不同LED结构层中的所述LED产生不同波长的可见光。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述不同LED结构层中的所述LED是紫外、蓝色、绿色、橙色、红色或红外微型LED。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述第一LED结构层形成红光LED；所述第二LED结构层形成绿光LED；以及所述第三LED结构层形成蓝光LED。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述单像素多色微型LED器件的最长尺寸约为1微米至500微米。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述单像素多色微型LED器件具有金字塔形的横截面形状，其底层具有最长横向尺寸，且顶层具有最短横向尺寸。
在所述单像素多色微型LED器件的一些实施例中，所述单像素多色微型LED器件具有不小于20％的外部量子效率。
在另一实施例中，一种微型LED显示芯片包括：支撑像素驱动器阵列的基板；以及单像素多色微型发光二极管(LED)器件阵列，每个所述单像素多色LED器件包括：层叠在所述基板和所述像素驱动器顶部的两个或更多LED结构层，其中相邻的所述LED结构层之间有键合层，每个所述LED结构层还包括用于形成微型LED的外延结构，所述微型LED配置为产生单色光。在某些情况下，所述单像素多色LED阵列电连接至所述像素驱动器阵列和公共电极，两个或更多所述LED结构层彼此横向重叠，形成通过直接层叠在一起的所述微型LED的光传播路径，以及所述不同LED结构层中的所述微型LED产生不同波长的光。
在所述微型LED显示芯片的一些实施例中，所述公共电极包括分别用于每个所述LED结构层中产生同颜色光的所述微型LED的单独公共电极结构。
在又一实施例中，一种用于显示面板的单像素三色微型发光二极管(LED)器件的制造方法包括：提供基板；制造层叠在所述基板顶部的第一LED结构层；制造层叠在所述第一LED结构层顶部的第二LED结构层；以及制造层叠在所述第二LED结构层顶部的第三LED结构层。在一些情况下，所述第一LED结构层、所述第二LED结构层和所述第三LED结构层基本上彼此横向重叠，形成光路将所述第一LED结构层、所述第二LED结构层和所述第三LED结构层发射的光进行混合。
在一些实施例中，所述单像素三色微型LED器件的制造方法还包括：通过第一键合层将所述基板和所述第一LED结构层键合在一起；通过第二键合层将所述第一LED结构层和所述第二LED结构层键合在一起；以及通过第三键合层将所述第二LED结构层和所述第三LED结构层键合在一起。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，所述第一键合层包括选自下列键合结构的一种或多种：Au-Au键合、Au-Sn键合、Au-In键合、Ti-Ti键合和Cu-Cu键合。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，所述第二键合层和所述第三键合层中均包括选自下列的一种或多种键合材料：透明塑料(树脂)、SiO2、旋涂玻璃(SOG)以及Micro Resist公司的键合粘合剂BCL-1200。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，所述第一键合层约为0.1微米至3微米，所述第二键合层约为0.1微米至5微米，以及第三键合层约为0.1微米至5微米。在一些情况下，所述第二键合层和所述第三键合层是透明的。
在一些实施例中，所述单像素三色微型LED器件的制造方法还包括：在所述基板与所述第一LED结构层键合之前，在所述第一LED结构层上涂覆第一反射层；在所述第一LED结构层与所述第二LED结构层键合之前，在所述第一LED结构层上涂覆第二反射层；以及在所述第二LED结构层与所述第三LED结构层键合之前，在所述第二LED结构层上涂覆第三反射层。
在一些实施例中，所述单像素三色微型LED器件的制造方法还包括：为所述第一、所述第二和所述第三反射层中的每一层形成分布式布拉格反射器(DBR)结构。在一些实施例中，所述第一、所述第二和所述第三反射层均约为0.1微米至5微米。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，所述基板支撑所述像素驱动器，且所述第一、所述第二和所述第三LED结构层的每一层均电连接至所述像素驱动器。
在一些实施例中，所述单像素三色微型LED器件的制造方法还包括：对包括外延结构的所述第一、所述第二和所述第三LED结构层的每一层执行以下各项：将所述外延结构成像以在相应的所述LED结构层内形成LED；涂覆下导电层，并电连接至所述LED的底部；以及涂覆上导电层，并电连接至所述LED的顶部。在一些情况下，所述下导电层还与所述像素驱动器电连接，且所述上导电层还与公共电极电连接。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述外延结构均选自下列结构中的一种或多种：III-V族氮化物外延结构、III-V族砷化物外延结构、III-V族磷化物外延结构和III-V族锑化物外延结构。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中：所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述下导电层和所述上导电层均包括氧化铟锡(ITO)层，且所述每个ITO层均约为0.01微米至1微米。
在一些实施例中，所述单像素三色微型LED器件的制造方法还包括：涂覆阳极金属触点焊垫，与所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述下导电层电连接；涂覆第一阴极金属触点焊垫，电连接至所述第一LED结构层的所述上导电层；涂覆第二阴极金属触点焊垫，电连接至所述第二LED结构层的所述上导电层；以及涂覆第三阴极金属触点焊垫，电连接至所述第三LED结构层的所述上导电层。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述外延结构均约为0.3微米至5微米。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，不同所述LED结构层中的所述LED产生不同波长的光。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，不同所述LED结构层中的所述LED产生不同波长的可见光。
在所述单像素三色微型LED器件的制造方法的一些实施例中，不同所述LED结构层中的所述LED是紫外、蓝色、绿色、橙色、红色或红外微型LED。
在一些实施例中，所述单像素三色微型LED器件的制造方法还包括：将所述第一LED结构层成像以形成红光LED；将所述第二LED结构层成像以形成绿光LED；以及将所述第三LED结构层成像以形成蓝光LED。
本文所公开的多色LED器件和系统的紧凑设计利用发光LED结构的横向重叠，从而改善LED显示系统的发光效率、分辨率和整体性能。此外，多色LED显示系统的制造可以可靠且有效地图案化LED结构，而不使用或保留额外的基板。因此，与使用传统LED相比，多色LED显示系统的实现可以满足AR和VR、平视显示器(HUD)、移动装置显示器、可穿戴装置显示器、高清晰度小型投影仪和汽车显示器的严格显示要求。
应当指出的是，上述各种实施例可以与本文所描述的任何其他实施例组合。说明书中描述的特征和优点并非全部包括在内，并且特别地，鉴于附图、说明书和权利要求，许多附加特征和优点对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外，应当指出的是，说明书中使用的语言主要是为了可读性和指导目的而选择的，并且可能没有被选择来描绘或限制本发明的主题。
附图说明
为了能够更详细地理解本公开，可以参照各种实施例的特征进行更具体的描述，所述各种实施例中的一些实施例在附图中示出。然而，附图仅示出了本公开的相关特征，因此不被认为是限制性的，因为该描述可以承认其他有效特征。
图1是根据一些实施例的单像素三色同轴LED器件100的截面图。
图2A是根据一些实施例的用于形成三色同轴LED器件的多层结构200的截面图。
图2B是根据一些实施例的制造工艺完成后的三色同轴LED器件250的截面图。
图3是根据一些实施例的三色LED器件300矩阵的电路图。
图4是根据一些实施例的制造三色同轴LED器件的方法400的流程图。
图5是根据一些实施例的微型LED显示面板500的俯视图。
根据一般实践，附图中所示的各种特征可能未按比例绘制。因此，为了清楚起见，各种特征的尺寸可以任意地扩大或缩小。另外，一些附图可能没有描述给定系统、方法或装置的所有部件。最后，在整个说明书和附图中，相同的附图标记可以用于表示相同的特征。
具体实施方式
本文描述了许多细节，以提供对附图中所示的示例实施例的透彻理解。然而，可以在没有许多具体细节的情况下实践一些实施例，并且权利要求的范围仅受权利要求中具体记载的那些特征和方面的限制。此外，没有详尽地描述公知的过程、部件和材料，以免不必要地模糊本文所描述的实施例的相关方面。
图1是根据一些实施例的单像素三色同轴LED器件100的截面图。在一些实施例中，三色同轴LED器件包括基板102。为方便起见，“向上”用于表示远离基板102的方向，“向下”用于表示朝向基板102的方向，并且相应地解释其他方向词汇比如顶部、底部、上方、下方、下、下面等。支撑基板102是其上装配了由单个驱动电路104所组成阵列的基板。在一些实施例中，驱动电路也可以位于基板102上方各层中的其中一层，或者位于微型三色LED结构100上方。每个驱动电路均是一个像素驱动器104。在某些情况下，像素驱动器为薄膜晶体管像素驱动器或硅CMOS像素驱动器。在一个实施例中，基板102是一块硅基板。在另一实施例中，支撑基板102是一块透明基板，例如一块玻璃基板。其他基板的示例包括GaAs基板、GaP基板、InP基板、SiC基板、ZnO基板和蓝宝石基板。驱动电路104形成单个像素驱动器以控制单个单像素三色同轴LED器件100的工作。基板102上的电路包括连接每个单独像素驱动104的触点以及接地触点。每个微型三色LED结构100还具有两种类型的触点：连接至像素驱动器的P电极或阳极，比如120；以及连接到地(例如，公共电极)的N电极或阴极，比如122、124和126。
尽管本文用术语“层”描述了一些特征，但是应当理解的是，这些特征不限于单个层，而是可以包括多个子层。在一些情况下，“结构”可以采用“层”的形式。
在一些实施例中，包括三个外延层108、112和116的三个LED结构形成一种层叠结构，例如，绿色LED外延层112直接位于红色LED外延层108的顶部，蓝色LED外延层112直接位于绿色外延层112的顶部。在一些实施例中，红色外延层108发射的光能够传播通过绿色外延层112，然后通过蓝色外延层116，并从三色LED器件100射出。在一些实施例中，绿色外延层112发射的光能够传播通过蓝色外延层116，并从三色LED器件100射出。在一些实施例中，一个LED结构包括具有不同成分的许多外延子层。LED外延结构的示例包括III-V族氮化物外延结构、III-V族砷化物外延结构、III-V族磷化物外延结构和III-V族锑化物外延结构。微型LED的示例包括GaN基UV/蓝色/绿色微型LED、AlInGaP基红色/橙色微型LED、以及GaAs或InP基红外(IR)微型LED。
在一些实施例中，可以单独控制层叠LED结构中的每层LED结构以生成其单独的光。在一些实施例中，由于三色同轴LED器件100中的所有LED外延层同时工作，而从顶部LED外延层射出的混合光可以在小覆盖面积内改变显示面板上单个像素的颜色。
在一些实施例中，根据同轴LED器件100的设计，同一器件中LED结构所发射光的颜色不限于红色、绿色和蓝色。例如，可以从波长在380纳米至700纳米之间的可见光中选择合适的颜色。在一些实施例中，LED结构可以实现发射属于不可见光范围的其他光，比如紫外光和红外光。例如，从底部到顶部的三色可以是红色、绿色和蓝色。在另一实施例中，从底部到顶部的三色选择可以是紫外、橙色和红外。在一些实施例中，器件100某一个层上LED结构所发射光的波长必须长于位于该层顶部的层上LED结构所发射光的波长。例如，底部外延层108所发射光的波长长于中间外延层112所发射光的波长，而中间外延层112所发射光的波长又长于顶部外延层116所发射光的波长。在一些实施例中，器件100某一层上LED结构所发射光的波长必须短于位于该层顶部的层上LED结构所发射光的波长。例如，底部外延层108所发射光的波长短于中间外延层112所发射光的波长，而来自中间外延层112所发射光的波长又短于顶部外延层116所发射光的波长。
在一些实施例中，绝缘层128覆盖三色LED结构的顶面和边缘侧壁。在一些实施例中，三色LED器件100的一侧放置一个P电极120连接红色LED结构、绿色LED结构和蓝色LED结构。在一些实施例中，放置单独的N电极各自分别与红色LED结构、绿色LED结构和蓝色LED结构连接。例如，N电极126连接至包括LED外延层108的红色LED结构。N电极124连接至包括LED外延层112的绿色LED结构。N电极122连接至包括LED外延层116的蓝色LED结构。
在一些实施例中，底部外延层108通过金属键合层106与基板键合。在一些实施例中，金属键合层106还可以用作反射器，反射从上方LED结构发射的光。在一些实施例中，中间外延层112通过第一透明键合层110与底部外延层108键合。在一些实施例中，顶部外延层116通过第二透明键合层114与中间外延层112键合。在一些实施例中，透明键合层可以促进键合层下方的层所发射的光得以穿过。
在一些实施例中，在LED外延层之间形成反射层以提高光发射效率，将在后文进一步描述。在一些实施例中，在LED外延层之间形成导电透明层以改善导电性和透过率。
图2A是根据一些实施例的用于形成三色同轴LED器件的多层结构200的截面图。更具体地，图2A示出了在基板上制出的三色同轴LED器件的多个层。
如图2A所示，基板202支撑像素驱动器204。在一些实施例中，基板202由硅构成且厚度约为700微米。在一种方法中，在基板202上生长金属(键合)层206。金属(键合)层206可以包括欧姆接触层和金属键合层。在一些实施例中，金属(键合)层206的厚度约为0.1微米至3微米。在一些情况下，金属(键合)层206包括两个金属层。其中一个金属层沉积在外延层210上或反射层208上，该外延层210或反射层208直接位于金属(键合)层206上方。对应的金属键合层也沉积在具有像素驱动器204的基板202上。在一些实施例中，用于金属(键合)层206的成分包括Au-Au键合、Au-Sn键合、Au-In键合、Ti-Ti键合、Cu-Cu键合或它们的混合。例如，如果选择Au-Au键合，则两个Au层各自需要一个Cr涂层作为粘合层以及Pt涂层作为反扩散层。Pt涂层位于Au层与Cr层之间。Cr层和Pt层定位在两个键合在一起的Au层的顶部和底部。在一些实施例中，当两个Au层的厚度大致相同时，在高压和高温下，两层上的Au相互扩散将两层键合在一起。共晶键合、热压键合和瞬间液相(TLP)键合是可以使用的示例技术。
在一些实施例中，外延层210通过金属(键合)层206键合在带有像素驱动器204的基板202的现有结构的顶部。在一种方法中，外延层210生长在另一块单独的基板(称为外延基板)上。外延基板在键合之后被移除，例如通过激光剥离工艺或湿法化学蚀刻来移除外延基板，从而剩下图2A中所示的结构。
在一些实施例中，反射层208在键合之前涂覆在外延层210上。键合之后，反射层208位于金属(键合)层206与外延层210之间。在一些情况下，反射层208的厚度约为0.1微米至5微米。在一些实施例中，反射层208包括分布式布拉格反射器(DBR)结构。例如，反射层208由具有不同折射率的材料交替形成的多个层、或具有不同折射率的不同材料的多个层形成。在一些情况下，DBR结构每一层的边界会引起光波的部分反射。反射层208可以用于反射一些选定波长的光，例如红光。在一些实施例中，反射层208由SiO2和Ti3O5的多个层制成。通过改变SiO2和Ti3O5层各自的厚度和数量，可以形成对不同波长的光的选择性反射或透射。在一些实施例中，用于红光LED的反射层208包括Au或/和氧化铟锡(ITO)的多个层。
在一些实施例中，用于红光LED结构的反射层208对三色LED器件的不同层产生的光的吸光率低(例如，等于或小于5％)。在一些实施例中，用于红光LED结构的反射层208对该反射层上方产生的光，例如红光、绿光和蓝光，的反射率高(例如，等于或大于95％)。
在一些实施例中，外延层210用于形成红色微型LED。红色LED外延结构的示例包括III-V族氮化物外延结构、III-V族砷化物外延结构、III-V族磷化物外延结构和III-V族锑化物外延结构。在一些情况下，红色LED外延层210内的膜可以包括P型GaP/P型AlGaInP发光层/AlGaInP/N型AlGaInP/N型GaAs的层。在一些实施例中，P型通常是Mg掺杂的，而N型通常是Si掺杂的。在一些示例中，外延层210的厚度约为0.3微米至5微米。
在一些实施例中，外延层210上方设有氧化铟锡(ITO)层212和透明导电氧化物。在一些实施例中，ITO层212的厚度约为0.01微米至1微米。在一些情况下，在与下一外延层进行任何键合工艺之前，将ITO层212沉积在外延层210上，一般是通过气相沉积，例如电子束蒸发或溅射沉积。在一些示例中，ITO层用于维持电极连接的良好导电性，同时在一些情况下，改善LED器件的光学性质例如反射率或透过率。
在一些实施例中，在进行与下一外延层的结合工艺之前，将第二反射层214涂覆在ITO层212上。在一些情况下，反射层214的厚度约为0.1微米至5微米。在一些实施例中，反射层214包括DBR结构。例如，反射层214由具有不同折射率的材料交替形成的多个层、或具有不同折射率的不同材料的多个层形成。在一些情况下，DBR结构每一层的边界会引起光波的部分反射。反射层214可以用于反射一些选定波长的光，例如绿光。在一些实施例中，反射层214由SiO2和Ti3O5的多个层制成。通过改变SiO2和Ti3O5层各自的厚度和数量，可以形成对不同波长的光的选择性反射或透射。
在一个示例中，表1中所示的下列DBR结构用于反射绿光LED发射的绿光：
表1：绿光LED反射层的DBR层结构。
Figure BDA0003418053880000151
Figure BDA0003418053880000161
在一些实施例中，用于绿光LED结构的反射层214对三色LED器件的不同层产生的光的吸光率低(例如，等于或小于5％)。在一些实施例中，用于绿光LED结构的反射层214对该反射层上方产生的光，例如绿光和蓝光，的反射率高(例如，等于或大于95％)。
在一些实施例中，第二外延层220通过透明键合层216键合在第一外延层210的顶部。在一种方法中，第二外延层220生长在另一块单独的基板(称为外延基板)上。外延基板在键合之后被移除，例如通过激光剥离工艺或湿法化学蚀刻来移除外延基板，从而剩下图2A中所示的结构。
在一些实施例中，透明键合层216由透明塑料(树脂)或SiO2制成，例如旋涂玻璃(SOG)、Micro Resist公司的键合粘合剂BCL-1200等。透明键合层216的厚度约为0.1微米至5微米。
在一些实施例中，第二外延层220用于形成绿色微型LED。绿色LED外延结构的示例包括III-V族氮化物外延结构、III-V族砷化物外延结构、III-V族磷化物外延结构和III-V族锑化物外延结构。在一些情况下，绿色LED外延层220内的膜可以包括P型GaN/InGaN发光层/N型GaN的层。在一些实施例中，P型通常是Mg掺杂的，而N型通常是Si掺杂的。在一些示例中，第二外延层220的厚度约为0.3微米至5微米。
在一些实施例中，将ITO层218在键合之前沉积在第二外延层220上。键合之后，ITO层218位于透明键合层216与第二外延层220之间。在一些实施例中，ITO层218的厚度约为0.01微米至1微米。
在一些实施例中，在与下一外延层的进行结合工艺之前，将另一个ITO层222沉积在第二外延层220的顶部。在一些实施例中，ITO层218的厚度约为0.01微米至1微米。
在一些实施例中，在与下一外延层的进行键合工艺之前，将第三反射层224涂覆在ITO层222上。在一些情况下，反射层224的厚度约为0.1微米至5微米。在一些实施例中，反射层224包括DBR结构。例如，反射层224由具有不同折射率的材料交替形成的多个层、或具有不同折射率的不同材料的多个层形成。在一些情况下，DBR结构的每一层边界会引起光波的部分反射。反射层224可以用于反射一些选定波长的光，例如蓝光。在一些实施例中，反射层224由SiO2和Ti3O5的多个层制成。通过改变SiO2和Ti3O5层各自的厚度和数量，可以形成对不同波长的光的选择性反射或透射。
在一个示例中，表2中所示的下列DBR结构用于反射蓝光LED发射的蓝光：
表2：蓝光LED反射层的DBR层结构。
Figure BDA0003418053880000171
在一些实施例中，用于蓝光LED结构的反射层224对三色LED器件的不同层产生的光的吸光率低(例如，等于或小于5％)。在一些实施例中，用于蓝光LED结构的反射层224对该反射层上方产生的光，例如蓝光，的反射率高(例如，等于或大于95％)。
在一些实施例中，第三外延层230通过透明键合层226键合在第二外延层220的顶部。在一种方法中，第三外延层230生长在另一块单独的基板(称为外延基板)上。外延基板在键合之后被移除，例如通过激光剥离工艺或湿法化学蚀刻来移除外延基板，从而剩下图2A中所示的结构。
在一些实施例中，透明键合层226由透明塑料(树脂)或SiO2制成，例如旋涂玻璃(SOG)、Micro Resist公司的键合粘合剂BCL-1200等。透明键合层226的厚度约为0.1微米至5微米。
在一些实施例中，第三外延层230用于形成蓝色微型LED。蓝色LED外延结构的示例包括III-V族氮化物外延结构、III-V族砷化物外延结构、III-V族磷化物外延结构和III-V族锑化物外延结构。在一些情况下，蓝色LED外延层230内的膜可以包括P型GaN/InGaN发光层/N型GaN的层。在一些实施例中，P型通常是Mg掺杂的，而N型通常是Si掺杂的。在一些示例中，第三外延层230的厚度约为0.3微米至5微米。
在一些实施例中，将ITO层228在键合之前沉积在第三外延层230上。键合之后，ITO层228位于透明键合层226与第三外延层230之间。在一些实施例中，ITO层228的厚度约为0.01微米至1微米。
在一些实施例中，将另一个ITO层232沉积在第三外延层230的顶部。在一些实施例中，ITO层232的厚度约为0.01微米至1微米。
图2B是根据一些实施例的制造工艺完成后的三色同轴LED器件250的截面图。更具体地，图2B还示出了在一些附加制造工艺、特别是多层结构200的图案化工艺完成后的三色同轴LED器件250。
在一些实施例中，通过干法蚀刻和湿法蚀刻，形成三色LED结构，且不同颜色LED结构的轴彼此垂直对准。在一些实施例中，不同颜色的LED结构共享同一个轴。在一些实施例中，不同颜色的LED结构形成金字塔形状或梯形横截面的形状，其中，底部LED结构的横向尺寸最长，顶部LED结构的横向尺寸最短。每一层与其下面一层相比，宽度更窄或面积更小。在这种情况下，宽度或面积通过与基板202表面平行的平面的尺寸来测量。在一些实施例中，底部的层，比如金属(键合)层206，具有约1微米至500微米的横向尺寸。金字塔形状将改善各个LED结构与电极之间的电连接，并简化制造工艺。例如，每层中电极连接点均不被遮挡，连接方便。
在一些实施例中，当某一层的横向尺寸变化时，三色LED器件的该层横截面的长宽比保持基本相同。例如，当图案化的外延层横向尺寸为5微米时，图案化的外延层厚度小于1微米。在另一示例中，当某一图案化的外延层横向尺寸增加时，该图案化的外延层厚度也相应地增加以保持长宽比不变。在一些实施例中，外延层和其他层的横截面的长宽比为厚度/宽度小于1/5。
LED器件的形状不受限制，并且在一些其他实施例中，三色同轴LED器件的横截面形状可以采取其他形状，例如倒梯形、半椭圆形、矩形、平行四边形、三角形或六边形等。
在一些实施例中，当图1A所示各层形成之后，利用光刻和蚀刻图案化位于第三外延层230上方的顶部ITO层232。在一些情况下，用于图案化的蚀刻方法是干法蚀刻，例如电感耦合等离子体(ICP)蚀刻，或者是使用ITO蚀刻溶液的湿法蚀刻。在一些实施例中，相同的图案化方法可以应用于其他所有ITO层，包括结构200内的ITO层212、218、222、228。
在一些实施例中，利用光刻和蚀刻图案化蓝色LED外延层230和绿色LED外延层220。在一些情况下，用于图案化的蚀刻方法是干法蚀刻，例如使用Cl2和BCl3蚀刻气体的电感耦合等离子体(ICP)蚀刻。
在一些实施例中，利用光刻和蚀刻图案化包括216和226在内的透明键合层。在一些情况下，用于图案化的蚀刻方法是干法蚀刻，例如使用CF4和O2蚀刻气体的电感耦合等离子体(ICP)蚀刻。
在一些实施例中，利用光刻和蚀刻图案化包括208、214和224在内的反射层。在一些情况下，用于图案化反射层、特别是DBR层的蚀刻方法是干法蚀刻，例如使用CF4和O2蚀刻气体的电感耦合等离子体(ICP)蚀刻，或者使用Ar气体的离子束蚀刻(IBE)。
在一些实施例中，利用光刻和蚀刻图案化红色LED外延层210。在一些情况下，用于图案化的蚀刻方法是干法蚀刻，例如使用Cl2和HBr蚀刻气体的电感耦合等离子体(ICP)蚀刻。
在一些实施例中，利用光刻和蚀刻图案化金属(键合)层206。在一些情况下，用于图案化的蚀刻方法是干法蚀刻，例如使用Cl2/BCl3/Ar蚀刻气体的电感耦合等离子体(ICP)蚀刻，或者使用Ar气体的离子束蚀刻(IBE)。
在一些实施例中，当图案化LED器件结构之后，将绝缘层252沉积在图案化的LED器件结构的表面上，包括所有图案化的层、侧壁和未被遮挡的基板。在一些实施例中，绝缘层252由SiO2和/或Si3N4制成。在一些实施例中，绝缘层252由TiO2制成。在一些实施例中，在高温下固化例如SOG层之后，绝缘层252由类似于SiO2的成分形成。在一些实施例中，绝缘层252由具有与其下方的层相似的热系数的材料制成。
在一些实施例中，利用光刻和蚀刻图案化绝缘层252以使电极触点区域暴露出来。在一些情况下，用于图案化的蚀刻方法是干法蚀刻，例如使用CF4和O2的电感耦合等离子体(ICP)蚀刻。
在一些实施例中，将阳极金属焊垫254气相沉积图案化的LED结构的合适位置上，例如在一侧，以覆盖红色LED结构、绿色LED结构和蓝色LED结构。在一些实施例中，要将阳极金属焊垫254连接至红色LED外延层210底部的金属(键合)层206、绿色LED外延层220底部的导电ITO层218和蓝色LED外延层230底部的导电ITO层228。阳极金属焊垫254还通过金属(键合)层206电连接至包括位于基板202上的像素驱动器204的集成电路。
在一些实施例中，放置单独的阴极金属焊垫，各自分别连接至红色LED外延层、绿色LED外延层和蓝色LED外延层。例如，将阴极金属焊垫256气相沉积在图案化的LED结构上的一侧，并使其通过红色LED外延层210顶部的导电ITO层212连接至红色LED外延层210。在一些实施例中，将阴极金属焊垫258气相沉积在图案化的LED结构上的一侧，并使其通过绿色LED外延层220顶部的导电ITO层222连接至绿色LED外延层220。在一些实施例中，将阴极金属焊垫260气相沉积在图案化的LED结构上的一侧，并使其通过蓝色LED外延层230顶部的导电ITO层232连接至蓝色LED外延层230。
在一些实施例中，三色LED器件内红色LED结构的外部量子效率约为0.5％-5％。在一些实施例中，三色LED器件内绿色LED结构的外部量子效率约为2％-10％。在一些实施例中，三色LED器件内蓝色LED结构的外部量子效率约为5％-15％。在一些实施例中，计算每种颜色LED结构的外部量子效率时，LED结构之外的所有相关层，例如反射层、键合层、ITO层和绝缘层的效应都应计算在内。
在一些实施例中，三色LED器件250的外部量子效率约为20％或更高。在一些实施例中，计算多色LED器件的外部量子效率时，LED结构层之外的所有层，例如反射层、键合层、ITO层和绝缘层的效应都应计算在内。
为了获得所需的LED特性，三色同轴LED系统250的多方面设计因素需要选定(例如优化利用成本或性能函数)，例如：层的尺寸(如每一层的宽度、长度、高度和横截面积)；电极的尺寸；两个或更多个LED结构层、键合层、反射层和导电层的大小、形状、间隔和排列；以及集成电路、像素驱动器和电连接之间的配置。随上述设计因素而变化的LED特性包括，例如：大小、材料、成本、制造效率、光发射效率、功耗、方向性、光强度、光通量、颜色、光谱和空间辐射图。
图3是根据一些实施例的三色LED器件300矩阵的电路图。图3所示电路包括三个像素驱动器302、304和306以及三个三色同轴LED器件308、310和312。
在一些实施例中，一块显示面板包括多个像素，例如数百万个像素，且每个像素包括一个三色LED器件结构。在一些实施例中，LED器件结构可以是微型LED。微型LED通常具有50微米(μm)或更小的横向尺寸，而且可以具有小于10μm甚至仅几μm的横向尺寸。
在一些实施例中，像素驱动器，例如像素驱动器302，包括多个晶体管和电容(图3中未示出)。晶体管包括一个连接至电压源的驱动晶体管，以及一个控制晶体管，配置为其栅极连接至扫描信号总线。电容包括一个存储电容，该存储电容用于当扫描信号设置其他像素期间维持驱动晶体管的栅极电压。
在本示例中，每个三色LED器件，例如三色LED器件308，具有其自己的集成电路(IC)像素驱动器302。用于单个像素的三色LED器件308可以被视为三个独立的并联连接的不同颜色的LED。例如，同一三色LED器件308内的红色LED318、绿色LED316和蓝色LED314经由共享的P电极焊垫或阳极，例如图2B所示金属焊垫254，连接至同一IC像素驱动器302。
在一些实施例中，同一三色LED器件308内的红色LED、绿色LED和蓝色LED各自连接至单独的N电极焊垫或阴极。例如，红色LED连接至N电极336，如图2B所示的金属焊垫256。绿色LED连接至N电极334，如图2B所示的金属焊垫258。蓝色LED连接至N电极332，如图2B所示的金属焊垫260。
在一些实施例中，不同三色LED器件中的所有红色LED，例如318、324和330，连接至同一公共N电极336。不同三色LED器件中的所有绿色LED，例如316、322和328，连接至同一公共N电极334。不同三色LED器件中的所有蓝色LED，例如314、320和326，连接至同一公共N电极332。使用公共电极简化了制造工艺，并减小了LED器件的面积、特别是电极的占用面积。
图4是根据一些实施例的制造三色同轴LED器件的方法400的流程图。
可以对应于上述图1、2A、2B和3中描述的实施例来执行方法400的操作(例如，步骤)。
方法400包括步骤402：提供基板。在一些实施例中，基板中形成有像素驱动器。
方法400还包括步骤404：制造层叠在基板顶部的第一LED结构层。在一些实施例中，第一LED结构层包括第一外延结构。在一些实施例中，第一LED结构层通过第一键合层键合到基板上。在一些实施例中，在基板与第一LED结构层键合之前，将第一反射层涂覆在第一LED结构层面向基板的一侧上。在一些情况下，键合之后，第一反射层位于第一键合层与第一外延结构之间。在一些实施例中，第一键合层是位于第一LED结构层底部的导电层，且第一键合层分别与像素驱动器和第一LED结构层底部电连接。在一些实施例中，将第一上导电层涂覆在第一LED结构层顶部，并分别与第一LED结构层顶部公共电极电连接。
方法400还包括步骤406：制造层叠在第一LED结构层顶部的第二LED结构层。在一些实施例中，第二LED结构层包括第二外延结构。在一些实施例中，第二LED结构通过第二键合层键合到第一LED结构上。在一些实施例中，在第一LED结构层与第二LED结构层键合之前，将第二反射层涂覆在第一LED结构层面向第二LED结构层的一侧上。在一些情况下，键合之后，第二反射层位于第一上导电层与第二键合层之间。在一些实施例中，将第二下导电层涂覆在第二LED结构层底部，并分别与像素驱动器和第二LED结构层底部电连接。在一些实施例中，将第二上导电层涂覆在第二LED结构层顶部，并分别与第二LED结构层顶部和公共电极电连接。
方法400还包括步骤408：制造层叠在第二LED结构层顶部的第三LED结构层。在一些实施例中，第三LED结构层包括第三外延结构。在一些实施例中，第三LED结构通过第三键合层键合到第二LED结构上。在一些实施例中，在第二LED结构层与第三LED结构层键合之前，将第三反射层涂覆在第二LED结构层面向第三LED结构层的一侧上。在一些情况下，键合之后，第三反射层位于第二上导电层与第三键合层之间。在一些实施例中，将第三下导电层涂覆在第三LED结构层底部，并分别与像素驱动器和第三LED结构层底部电连接。在一些实施例中，将第三上导电层涂覆在第三LED结构层顶部，并分别与第三LED结构层顶部和公共电极电连接。
在一些实施例中，第一LED结构层、第二LED结构层和第三LED结构层基本上彼此横向重叠，形成光路将第一LED结构层、第二LED结构层和第三LED结构层发射的光进行混合。
方法400还包括步骤410：通过光刻和蚀刻对上述步骤402-408形成的每个层进行图案化，形成直接层叠在一起的三个LED。
方法400还包括步骤412：将绝缘层沉积在上述步骤402-410形成的且未被遮挡的结构上方，并蚀刻该绝缘层以涂覆电极触点焊垫。
方法400还包括步骤414：将电极触点焊垫涂覆在上述步骤402-412形成的结构的表面上。在一些实施例中，涂覆一个阳极金属触点焊垫，用于与第一LED结构层、第二LED结构层和第三LED结构层中的下导电层和像素驱动器电连接。在一些实施例中，涂覆第一阴极金属触点焊垫，用于与第一LED结构层的上导电层电连接。在一些实施例中，涂覆第二阴极金属触点焊垫，用于与第二LED结构层的上导电层电连接。在一些实施例中，涂覆第三阴极金属触点焊垫，用于与第三LED结构层的上导电层电连接。
另外的实施例还包括上述实施例的各种子集，包括在各种实施例中组合或以其他方式重新布置的图1、2A、2B、3和4中的实施例。
图5是根据一些实施例的微型LED显示面板500的俯视图。显示面板500包括数据接口510、控制模块520和像素区域550。数据接口510接收对要显示的图像进行定义的数据。该数据的来源和格式根据应用将有所不同。控制模块520接收输入数据并将其转换为适合于驱动显示面板中像素的形式。控制模块520可以包括用于将接收到的格式转换为适用于像素区域550的格式的数字逻辑和/或状态机、用于存储和传输数据的移位寄存器或其他类型的缓存和存储器、数模转换器和电平移位器、以及包括时钟电路的扫描控制器。
像素区域550包括像素阵列。像素包括微型LED，例如三色同轴LED534，与像素驱动器集成，示例如前所述。在该示例中，显示面板500是彩色RGB显示面板。它包括红色像素、绿色像素和蓝色像素。在每个像素内，三色同轴LED 534由一个像素驱动器控制。根据先前示出的实施例，像素与电源电压(未示出)相连，经由接地焊垫536接地，还与控制信号相连。尽管图5中未示出，但三色同轴LED 534的p电极和驱动晶体管的输出端放置在LED 534内，且它们彼此通过键合金属层，例如图2A中所示金属层204，相互电连接。根据不同实施例，建立LED电流驱动信号连接(在LED的p电极与像素驱动器输出端之间)、接地(在n电极与系统地之间)、电源电压Vdd连接(在像素驱动器源极与系统Vdd之间)、以及通向像素驱动器栅极的控制信号连接。
图5仅是一幅有代表性的图。其他设计将是明显的。例如，颜色不必是红色、绿色和蓝色。也不必布置成列或带状。作为一个示例，除了图5所示的方形像素矩阵布局之外，六边形像素矩阵布局也可以用于形成显示面板500。
在一些应用中，完全可编程的矩形像素阵列不是必需的。具有不同形状和显示器的显示面板的其他设计也可以使用本文所述的器件结构来构成。一类示例是专业应用，包括标牌和汽车。例如，多个像素可以以星形或螺旋形布局构成显示面板，并通过打开和关闭LED来产生显示面板上的不同图案。另一专业示例是汽车前灯和智能照明，这类应用中某些像素被分组在一起用于形成不同的照明形状，并且每组LED像素由单独的像素驱动器打开或关闭或者调节。
甚至每个像素内的器件横向布局也可以不同。如图1、2A和2B所示，LED和像素驱动器是垂直排列的，即每个LED位于对应的像素驱动器电路的顶部。其他布局也是可能的。例如，像素驱动器也可以位于LED的“后面”、“前面”或“旁边”。
不同类型的显示面板都能够制造出来。例如，显示面板的分辨率通常可以在8×8至3840×2160的范围内。常见的显示分辨率包括分辨率320×240且长宽比4:3的QVGA、分辨率1024×768且长宽比4:3的XGA、分辨率1280×720且长宽比16:9的D、分辨率1920×1080且长宽比16:9的FHD、分辨率3840×2160且长宽比16:9的UHD、以及分辨率4096×2160的4K。还可以存在各种各样的像素大小，范围从亚微米及以下到10mm及以上。整个显示区域的尺寸也可以广泛地变化，范围从对角线小至数十微米或更小，到数百英寸或更大。
不同的应用对光学亮度的要求也不同。示例应用包括直视显示屏，用于家庭/办公室投影仪和便携式电子设备例如智能电话、笔记本电脑、可穿戴电子设备、AR和VR眼镜的光引擎，以及视网膜投影。功耗可以在从视网膜投影仪的低至几毫瓦到大屏幕室外显示器、投影仪和智能汽车前灯的高至千瓦级的范围内变化。在帧速率方面，由于无机LED的快速响应(纳秒级)，因此帧速率可以高达KHz级别，或者针对小分辨率甚至达到MHz级别。
另外的实施例还包括上述实施例的各种子集，包括在各种实施例中组合或以其他方式重新布置的图1、2A、2B、以及3至5中的实施例。
尽管详细描述包含许多细节，但是这些细节不应当被解释为限制本发明的范围，而仅仅是说明本发明的不同示例和方面。应当理解的是，本发明的范围包括上面未详细论述的其他实施例。例如，上述方法可以应用于除LED之外的功能器件与除像素驱动器之外的控制电路的集成。非LED器件的示例包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光电探测器、微机电系统(MEMS)、硅光子器件、功率电子器件和分布式反馈激光器(DFB)。其他控制电路的示例包括电流驱动器、电压驱动器、跨阻放大器和逻辑电路。
提供所公开的实施例的前述描述以使得本领域任何技术人员能够制作或使用本文所描述的实施例及其变型。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员将是明显的，并且在不脱离本文所公开的主题的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本公开并非旨在限于本文中所示的实施例，而是应符合与所附权利要求书及本文中所公开的原理及新颖特征相一致的最宽范围。
本发明的特征可以在计算机程序产品中、使用计算机程序产品或借助于计算机程序产品来实现，所述计算机程序产品比如为具有存储在其上/其中的指令的存储介质或计算机可读存储介质，所述指令可以用于对处理系统进行编程以执行本文所呈现的任何特征。存储介质可以包括但不限于高速随机存取存储器比如DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机存取固态存储器装置，并且可以包括非易失性存储器比如一个或更多个磁盘存储装置、光盘存储装置、闪存装置或其他非易失性固态存储装置。存储器可选地包括远离CPU定位的一个或更多个存储装置。存储器或替代性地存储器内的非易失性存储器装置包括非暂时性计算机可读存储介质。
存储在任何机器可读介质上的本发明的特征可以结合在软件和/或固件中，以用于控制处理系统的硬件，并且用于使处理系统能够利用本发明的结果与其他机制交互。这样的软件或固件可以包括但不限于应用代码、装置驱动器、操作系统和执行环境/容器。
应当理解的是，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应当受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。
本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制权利要求。如在实施例和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。还将理解的是，如本文所使用的术语“和/或”是指并且涵盖相关联的所列项目中的一个或更多个项目的任何和所有可能的组合。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”在本文中使用时指定所阐述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或增加。
如本文所使用的，术语“如果”可以被解释为意指“当…时”或“在…时”或“响应于确定出”或“根据…的确定”或“响应于检测到”所阐述的先决条件为真，这取决于上下文。类似地，短语“如果确定出[所阐述的先决条件为真]”或“如果[所阐述的先决条件为真]”或“当[所阐述的先决条件为真]时”可以被解释为意指“在确定所阐述的先决条件为真时”或“响应于确定出所阐述的先决条件为真”或“根据所阐述的先决条件为真的确定”或“在检测到所阐述的先决条件为真时”或“响应于检测到所阐述的先决条件为真”，这取决于上下文。
出于解释的目的，已经参照具体实施例对前述描述进行了描述。然而，上面的说明性论述并非旨在穷举或者将权利要求限于所公开的精确形式。鉴于以上教示，可以有许多修改和变形。选择和描述实施例是为了最好地解释操作原理和实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够实现。

Claims (41)

1.一种用于显示面板的单像素多色微型发光二极管(LED)器件，包括：
基板；
两个或更多个LED结构层，包括：
层叠在所述基板顶部的第一LED结构层；以及
层叠在所述第一结构层顶部的第二LED结构层；
其中，所述第一LED结构层和所述第二LED结构层彼此基本上横向重叠，形成光路将所述第一LED结构层和所述第二LED结构层发射的光进行混合。
2.根据权利要求1所述的单像素多色微型LED器件，其中所述两个或更多个LED结构层还包括：
层叠在所述第二LED结构层顶部的第三LED结构层，
其中，所述第三LED结构层与所述第一LED结构层和所述第二LED结构层基本上横向重叠，形成所述光路再增加混合所述第三LED结构层发射的光。
3.根据权利要求2所述的单像素多色微型LED器件，还包括：
位于所述基板和所述第一LED结构层之间的第一键合层；
位于所述第一LED结构层和所述第二LED结构层之间的第二键合层；以及
位于所述第二LED结构层和所述第三LED结构层之间的第三键合层。
4.根据权利要求3所述的单像素多色微型LED器件，其中：
所述第一键合层约为0.1微米至3微米，
所述第二键合层约为0.1微米至5微米，以及
所述第三键合层约为0.1微米至5微米，
其中，所述第二和所述第三键合层是透明的。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中：
所述基板支撑像素驱动器，且所述第一、所述第二和所述第三LED结构层分别与所述像素驱动器电连接。
6.根据权利要求5所述的单像素多色微型LED器件，其中所述像素驱动器包括薄膜晶体管像素驱动器或硅CMOS像素驱动器。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的单像素多色微型LED器件，还包括：
位于所述基板和所述第一LED结构层之间的第一反射层；
位于所述第一LED结构层和所述第二LED机构层之间的第二反射层；以及
位于所述第二LED结构层和所述第三LED结构层之间的第三反射层。
8.根据权利要求7所述的单像素多色微型LED器件，其中：
所述第一、所述第二和所述第三反射层中的至少一层包括分布式布拉格反射器(DBR)结构；以及
所述第一、所述第二和所述第三反射层中的每一层均约为0.1微米至5微米。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中：
所述第一LED结构层发射的第一光传播通过所述第二LED结构层和所述第三LED结构层，以及
所述第二LED结构层发射的第二光传播通过所述第三LED结构层。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中的每一结构层均包括：
在相应的所述LED结构层内形成LED的外延结构；
与所述LED底部电连接的下导电层；以及
与所述LED顶部电连接的上导电层；
其中，所述下导电层还与所述像素驱动器电连接，且所述上导电层还与公共电极电连接。
11.根据权利要求10所述的单像素多色微型LED器件，其中所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一结构层的所述外延结构选自下列结构中的一种或多种：III-V族氮化物外延结构、III-V族砷化物外延结构、III-V族磷化物外延结构和III-V族锑化物外延结构。
12.根据权利要求10及11中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中：
所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一结构层的所述下导电层和所述上导电层均包括氧化铟锡(ITO)层，且每个所述ITO层均约为0.01微米至1微米。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的单像素多色微型LED器件，还包括：
与所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一结构层的所述下导电层电连接的阳极金属触点焊垫；
与所述第一LED结构层中的所述上导电层电连接的第一阴极金属触点焊垫；
与所述第二LED结构层中的所述上导电层电连接的第二阴极金属触点焊垫；以及
与所述第三LED结构层中的所述上导电层电连接的第三阴极金属触点焊垫。
14.根据权利要求13所述的单像素多色微型LED器件，其中所述阳极和所述阴极金属触点焊垫包括下述组中的一种或多种金属：铝、银、铑、锌、金、锗、镍、铬、铂、锡、铜、钨、氧化铟锡、钯、铟、和钛。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一结构层的所述外延结构约为0.3微米至5微米。
16.根据权利要求10-15中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中所述不同LED结构层中的所述LED产生不同波长的光。
17.根据权利要求10-16中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中所述不同LED结构层中的所述LED产生不同波长的可见光。
18.根据权利要求10-17中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中所述不同LED结构层中的所述LED是紫外、蓝色、绿色、橙色、红色或红外微型LED。
19.根据权利要求2-18中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中：
所述第一LED结构层形成红光LED；
所述第二LED结构层形成绿光LED；以及
所述第三LED结构层形成蓝光LED。
20.根据前述权利要求中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中所述单像素多色微型LED器件的最长尺寸约为1微米至500微米。
21.根据前述权利要求中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中所述单像素多色微型LED器件具有金字塔形的横截面形状，其底层具有最长横向尺寸，且顶层具有最短横向尺寸。
22.根据前述权利要求中任一项所述的单像素多色微型LED器件，其中所述单像素多色微型LED器件具有不小于20％的外部量子效率。
23.一种微型LED显示芯片，包括：
支撑像素驱动器阵列的基板；以及
单像素多色微型发光二极管(LED)器件阵列，每个所述单像素多色LED器件包括：
层叠在所述基板和所述像素驱动器顶部的两个或更多LED结构层，其中相邻的所述LED结构层之间有键合层，每个所述LED结构层还包括用于形成微型LED的外延结构，所述微型LED配置为产生单色光，
其中：
所述单像素多色LED阵列电连接至所述像素驱动器阵列和公共电极，
两个或更多所述LED结构层彼此横向重叠，形成通过直接层叠在一起的所述微型LED的光传播路径，以及
所述不同LED结构层中的所述微型LED产生不同波长的光。
24.根据权利要求23所述的微型LED显示芯片，其中所述公共电极包括用于同一所述LED结构层中所有产生同色光的所述微型LED的单独公共电极结构。
25.一种用于显示面板的单像素三色微型发光二极管(LED)器件的制造方法，包括：
提供基板，
制造层叠在所述基板顶部的第一LED结构层；
制造层叠在所述第一LED结构层顶部的第二LED结构层；以及
制造层叠在所述第二LED结构层顶部的第三LED结构层；
其中所述第一LED结构层、所述第二LED结构层和所述第三LED结构层基本上彼此横向重叠，形成光路将所述第一LED结构层、所述第二LED结构层和所述第三LED结构层发射的光进行混合。
26.根据权利要求25所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，还包括：
通过第一键合层将所述基板和所述第一LED结构层键合在一起；
通过第二键合层将所述第一LED结构层和所述第二LED结构层键合在一起；以及
通过第三键合层将所述第二LED结构层和所述第三LED结构层键合在一起。
27.根据权利要求26所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中：
所述第一键合层包括选自下列键合结构的一种或多种：Au-Au键合、Au-Sn键合、Au-In键合、Ti-Ti键合和Cu-Cu键合。
28.根据权利要求26及27中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中：
所述第二键合层和所述第三键合层中均包括选自下列的一种或多种键合材料：透明塑料(树脂)、SiO2、旋涂玻璃(SOG)、以及Micro Resist公司的键合粘合剂BCL-1200。
29.根据权利要求26-28中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中：
所述第一键合层约为0.1微米至3微米，
所述第二键合层约为0.1微米至5微米，以及
所述第三键合层约为0.1微米至5微米，
其中，所述第二和所述第三键合层是透明的。
30.根据权利要求26-29中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，还包括：
在所述基板与所述第一LED结构层键合之前，在所述第一LED结构层上涂覆第一反射层；
在所述第一LED结构层与所述第二LED结构层键合之前，在所述第一LED结构层上涂覆第二反射层；以及
在所述第二LED结构层与所述第三LED结构层键合之前，在所述第二LED结构层上涂覆第三反射层。
31.根据权利要求30所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，还包括：
为所述第一、所述第二和所述第三反射层中的每一层形成分布式布拉格反射器(DBR)结构，
其中所述第一、所述第二和所述第三反射层均约为0.1微米至5微米。
32.根据权利要求25-31中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中：
所述基板支撑像素驱动器，且所述第一、所述第二和所述第三LED结构层分别与所述像素驱动器电连接。
33.根据权利要求32所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，还包括：
对包括外延结构的所述第一、所述第二和所述第三LED结构层的每一层执行下述各项：
图案化所述外延结构以在相应的所述LED结构层内形成LED；
涂覆下导电层以电连接至所述LED的底部；以及
涂覆上导电层以电连接至所述LED的顶部；
其中，所述下导电层还与所述像素驱动器电连接，且所述上导电层还与公共电极电连接。
34.根据权利要求33所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述外延结构均选自下列结构中的一种或多种：III-V族氮化物外延结构、III-V族砷化物外延结构、III-V族磷化物外延结构和III-V族锑化物外延结构。
35.根据权利要求33及34中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中：
所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述下导电层和所述上导电层均包括氧化铟锡(ITO)层，且所述每个ITO层均约为0.01微米至1微米。
36.根据权利要求32-35中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，还包括：
涂覆阳极金属触点焊垫，与所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述下导电层电连接；
涂覆第一阴极金属触点焊垫，电连接至所述第一LED结构层的所述上导电层；
涂覆第二阴极金属触点焊垫，电连接至所述第二LED结构层的所述上导电层；以及
涂覆第三阴极金属触点焊垫，电连接至所述第三LED结构层的所述上导电层。
37.根据权利要求33-36中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中所述第一、所述第二和所述第三LED结构层中每一层的所述外延结构均约为0.3微米至5微米。
38.根据权利要求33-37中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中不同所述LED结构层中的所述LED产生不同波长的光。
39.根据权利要求33-38中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中不同所述LED结构层中的所述LED产生不同波长的可见光。
40.根据权利要求33-39中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，其中不同所述LED结构层中的所述LED是紫外、蓝色、绿色、橙色、红色或红外微型LED。
41.根据权利要求25-40中任一项所述的单像素三色微型LED器件的制造方法，还包括：
图案化所述第一LED结构层以形成红光LED；
图案化所述第二LED结构层以形成绿光LED；以及
图案化所述第三LED结构层以形成蓝光LED。
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