CN115210801A - 具有高光提取效率的微型发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种具有高光提取效率的微型发光二极管(LED)，包括底部导电层、底部导电层上的发光层，和发光层上的顶部导电结构。微型LED还包括将发光层的侧壁与底部导电层电连接的导电侧臂，以及设置在发光层下方和底部导电层上方的反射底部介电层。在一些实施例中，微型LED还包括在顶部导电结构与发光层之间的具有小面积且透明的欧姆接触部，从而增加光出射面积并提高光提取效率。

Description

具有高光提取效率的微型发光二极管
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年1月25日提交的申请号为No.62/965,889，标题为“MicroLight Emitting Diode With High Light Extraction Efficiency(具有高光提取效率的微型发光二极管)”的美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开一般涉及显示装置，更具体地，涉及具有高光提取效率的微型发光二极管(LED)的系统和制造方法。
背景技术
显示技术在当今商业电子设备中变得越来越流行。这些显示面板被广泛用于诸如液晶显示电视(LCD TV)和有机发光二极管电视(OLED TV)之类的固定大屏幕中以及诸如个人笔记本电脑、智能电话、平板电脑和可穿戴电子设备之类的便携式电子设备。随着近年来迷你LED和微型LED技术的发展，增强现实(AR)、投影、平视显示器(HUD)、移动设备显示器、可穿戴设备显示器和车载显示器等消费者设备和应用都需要LED面板具有更高的效率和分辨率。例如，集成在护目镜内并定位靠近佩戴者眼睛的AR显示器可以具有如指甲大小的尺寸，同时仍要求HD(1280x720像素)或更高的分辨率。
发光二极管(LED)是一种结型发光器件，LED的主要结构是P-N结。在正向偏压下，P-N结发出可见光或红外光。LED的发光效率取决于外延材料、欧姆接触电极、芯片结构、几何形状等。
在目前的LED技术中，P型LED的形成提出了很大的挑战。例如，由于缺乏与P-GaN相匹配的高功函数金属，掺杂P-GaN LED存在困难。另外，控制退火温度、时间和气氛等要求低欧姆接触电阻。要求电极是透明的，以保证来自LED的光的透射率。通常，需要Au/Ni合金来形成良好的欧姆接触。Au对发射的波长不透明，这导致金属电极屏蔽了出射的光线。因此，电极不能太厚。但是，当电极太薄时，电极薄层会导致电流的不均匀扩散，进而导致局部区域过热，降低电极的透明度。
LED显示器的许多开发旨在提高LED的效率。例如，倒装芯片LED结构是通过将LED结构面朝下翻转并将翻转的LED结构与具有电极的基板键合来实现的。倒装芯片LED结构相比其他结构在效率和技术成熟度上更具优势，因为倒装芯片LED结构可以减少P型欧姆接触电极吸收的光子，并且可以避免电极对发射光的遮蔽。尽管倒装芯片LED已经被广泛研究，但尚未克服全反射效应的局限，这限制了光提取效率的提高。
虽然布拉格反射镜通常用于提高反射率，但布拉格反射镜仅对法向入射光具有高反射率。布拉格反射镜对倾斜入射光的反射率低。在那种情况下，无法实现全反射。
此外，当倒装芯片LED结构中增加背反射结构时，金属电极与半导体材料之间的接触面积减小，从而导致欧姆接触电阻急剧增加。在背反射结构中形成的背接触减小了背反射结构的反射面积，进而降低了反射结构的反射率和LED的光提取效率。
另外，在倒装芯片LED结构中，电极需要低功函数金属来实现N-GaN欧姆接触。由于刻蚀处理后留下的面积有限，因此制备N型欧姆接触非常困难。
发明内容
需要改进的显示设计，其改进并有助于解决常规的LED系统和结构的诸如上述的缺点。特别地，需要具有高效率的微型LED结构的显示面板，所述微型LED结构具有良好的欧姆接触、高提取面积、高反射率和高提取效率。
各种实施例包括一种显示面板，该显示面板包括电耦合到对应的像素驱动电路(例如，FET)的像素光源(例如，LED、OLED)阵列。
在一些实施例中，具有高光提取效率的微型发光二极管包括：底部导电层；位于底部导电层上的发光层；位于发光层上的顶部导电结构；位于底部导电层与发光层之间的底部介电层；以及连接发光层的底层的侧壁与底部导电层的导电侧臂。
在一些实施例中，微型发光二极管还包括：位于顶部导电结构与发光层之间的欧姆接触层。
在一些实施例中，欧姆接触层的横向宽度远小于发光层的横向宽度。
在一些实施例中，顶部导电结构直接覆盖欧姆接触层，并且发光层的大部分未被欧姆接触层遮蔽。
在一些实施例中，欧姆接触层为金属膜。
在一些实施例中，欧姆接触层的厚度小于20nm，欧姆接触层的横向宽度小于0.5μm。
在一些实施例中，欧姆接触层的材料包括选自由元素周期表中的I族、II族、III族、IV族、VI族和VIII族金属组成的组中的至少一种或多种。
在一些实施例中，顶部导电结构是透明的，欧姆接触层是透明的。
在一些实施例中，底部介电层为复合反射层。
在一些实施例中，复合反射层包括多层，所述多层至少包括绝缘反射介电层和复合金属反射层，复合金属反射层位于绝缘反射介电层的底部并接触底部导电层。
在一些实施例中，复合金属反射层具有多层。
在一些实施例中，绝缘反射介电层还包括顶部绝缘介电层和底部布拉格反射镜。
在一些实施例中，顶部绝缘介电层不少于三层。
在一些实施例中，顶部绝缘介电层的材料为金属氧化物。
在一些实施例中，底部导电层的横向宽度大于底部介电层的横向宽度，使得底部导电层具有延伸到底部介电层之外的突出顶部；导电侧臂的一端连接至发光层的底层，且导电侧臂的另一端的至少一部分连接至底部导电层的突出顶部并支撑在底部导电层的突出顶部上。
在一些实施例中，底部介电层的横向宽度不小于发光层的底部的宽度。
在一些实施例中，发光层自上而下依次还包括第一类型的半导体层、有源层和第二类型的半导体层。在一些实施例中，第二类型的半导体层具有延伸到有源层和第一类型的半导体层之外的突出顶部，导电侧臂的一端覆盖并接触第二类型的半导体层的突出顶部，导电侧臂的另一端接触底部导电层。
在一些实施例中，底部导电层的横向宽度大于第二类型的半导体层的横向宽度和底部介电层的横向宽度，使得底部导电层具有延伸到第二类型的半导体层和底部介电层之外的突出顶部。在一些实施例中，至少一部分导电侧臂支撑在底部导电层的突出顶部上。
在一些实施例中，底部导电层的横向宽度小于2μm。
在一些实施例中，底部导电层的突出顶部的宽度不大于第二类型的半导体层的突出顶部的宽度。
在一些实施例中，第二类型的半导体层还包括第二类型的顶部半导体层和第二类型的底部半导体层，第二类型的底部半导体层相对于第二类型的顶部半导体层向外延伸，从而形成突出顶部。
在一些实施例中，第二类型的顶部半导体层的材料与第二类型的底部半导体层的材料不同。
在一些实施例中，第二类型的顶部半导体层为AlGaInP，第二类型的底部半导体层为GaP；第一类型的半导体层是AlInP。
在一些实施例中，导电侧臂的端部：与第二类型的底部半导体层的突出顶部电接触，不与第二类型的顶部半导体层电接触，以及不与发光层和第一类型的半导体层电接触。
在一些实施例中，第一类型的半导体层的横向宽度等于或大于有源层的横向宽度。
在一些实施例中，第一类型的半导体层的横向宽度远小于有源层的横向宽度。
在一些实施例中，导电侧臂具有倒L形。
在一些实施例中，导电侧臂附着并连接到底部介电层的侧壁。
在一些实施例中，底部导电层的横向宽度大于底部介电层的横向宽度，底部导电层的侧壁突出并超出导电侧臂的侧壁。
在一些实施例中，微型发光二极管还包括：透明隔离层，透明隔离层至少覆盖第二类型的半导体层的突出顶部、导电侧臂的顶部和侧壁、发光层的侧壁以及第一类型的半导体层的侧壁，并且顶部导电结构位于透明隔离层的顶部。
在一些实施例中，导电侧臂的材料为导电金属。
在一些实施例中，第一类型的半导体层为N型半导体层，第二类型的半导体层为P型半导体层。
在一些实施例中，第一类型的半导体层为P型半导体层，第二类型的半导体层为N型半导体层。
在一些实施例中，底部导电层的材料包括一种或多种导电金属。
在一些实施例中，微型发光二极管还包括位于底部导电层的底部的电路基底，其中底部导电层用作与电路基底的表面键合的键合层。
在一些实施例中，电路基底至少包括控制发光层的发光的驱动电路。
在一些实施例中，微型发光二极管具有至少20％的光提取效率。
在一些实施例中，微型发光二极管具有至少40％的光提取效率。
在一些实施例中，微型发光二极管具有至少60％的光提取效率。
需要注意的是上面描述的各种实施例可与本文中所描述的任何其它实施例结合。说明书中所描述的特征和优点并非全部包括的，特别地，许多附加特征和优点将对本领域普通技术人员而言在附图、说明书和权利要求方面是显而易见的。此外，应该注意的是，在说明书中使用的语言的选择主要是出于可读性和指导的目的，并且不会被选择用来划定或限定发明主题。
附图说明
为使本公开可以被更详细地理解，可通过参照各种实施例的特征对本公开进行更具体的描述，所述特征中的一些特征在附图中示出。但是，这些附图仅示出了本公开内容的有关特征，因此不应被认为是限制性的，因为该描述可以允许有其他有效的特征。
图1是根据第一实施例的微型LED结构的截面图。
图2是根据第二实施例的微型LED结构的截面图。
图3是根据第三实施例的微型LED结构的截面图。
图4描绘了根据一些实施例的微型LED结构底部介电层结构的截面图。
图5描绘了根据一些实施例的微型LED结构底部介电层结构的截面图。
图6是根据第四实施例的微型LED结构的截面图。
图7是根据第五实施例的微型LED结构的截面图。
图8是根据第六实施例的微型LED结构的截面图。
图9是根据第七实施例的微型LED结构的截面图。
图10是根据第八实施例的微型LED结构的截面图。
图11是根据第九实施例的微型LED结构的截面图。
图12是根据一些实施例的微型LED显示面板1200的俯视图。
根据常见的做法，附图中所图示的各种特征可能并非按比例绘制。因此，为了清楚起见，各种特征的尺寸可以是任意扩展或减小的。另外，一些附图可能并未描绘给定系统、方法或设备的所有部件。最后，相同的附图标记可以用于表示整个说明书和附图中的类似特征。
具体实施方式
本文描述了许多细节，以便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到权利要求中专门详述的那些特征和方面的限制。此外，未详尽地描述众所周知的方法、部件和材料，以免不必要地模糊本文所述实施例的相关方面。现在将详细参考本优选实施例以提供对本发明的进一步理解。所讨论的具体实施例和附图仅用于说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明或所附权利要求的范围。
与本公开一致的实施例包括显示面板和制造该显示面板的方法，该显示面板包括具有像素驱动器电路阵列的基板、形成在基板上方的具有下述结构的LED阵列。该具有高光提取效率的显示面板能够克服传统显示系统的缺点。
图1是根据第一实施例的微型LED结构的截面图。图1所示的微型LED结构100具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，微型LED包括底部导电层102、在底部导电层102上的发光层106、以及在发光层106上的顶部导电结构108。在一些实施例中，微型LED还包括布置在底部导电层102与发光层106之间的底部介电层104。在一些实施例中，底部介电层104是发光层106的一部分。在一些实施例中，发光层106包括许多不同的层。在一些实施例中，导电侧臂110连接发光层106的底层或底部(图1中未单独示出)的侧壁与底部导电层102。在一些实施例中，导电侧臂110位于微型LED结构的两侧。在一些实施例中，顶部导电结构108形成顶部导电结构，其不受本实施例的范围限制。在一些实施例中，顶部导电结构的形状为线形、正方形、矩形或一些其他形状。
图2是根据第二实施例的微型LED结构的截面图。图2所示的微型LED结构200具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，光提取效率为至少50％。在一些实施例中，图2中的微型LED结构200是基于图1中的微型LED结构100。类似于图1中的微型LED结构100，微型LED结构200包括底部导电层202、发光层206、底部介电层204、顶部导电结构208和导电侧臂210。另外，在一些实施例中，连接到导电侧臂210的底部导电层202具有突出底部202-1，使得导电侧臂210的底部至少部分地或替代性地完全地由底部导电层202的突出底部202-1支撑。例如，导电侧臂210的侧壁与底部导电层202的突出底部202-1的侧壁对齐，如图2所示。此外，在一些实施例中，在顶部导电结构208与发光层206之间置有欧姆接触层212。在一些实施例中，欧姆接触层212是金属膜。欧姆接触层212金属膜的成分至少选自元素周期表中的I族、II族、III族、IV族、VI族和VIII族中的一种或多种以及它们的组合，诸如Au、Cr、Be、Zn、Pt、Ti、Ge、Ni、In及其组合。在一些实施例中，当光从LED 200的顶部发出时，对发出光透明的顶部导电结构被用作顶部导电结构208，诸如氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜。在一些实施例中，欧姆接触层212对发出的光是透明的。优选地，当欧姆接触层212的厚度小于20nm时，欧姆接触层212可以对发出的光是透明的。
图3是根据第三实施例的微型LED结构的截面图。图3所示的微型LED结构300具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，光提取效率为至少50％。在一些实施例中，光提取效率为至少60％。在一些实施例中，图3中的微型LED结构300是基于图2中的微型LED结构200。类似于图2中的微型LED结构200，微型LED结构300包括底部导电层302、发光层306、底部介电层304、顶部导电结构308、导电侧臂310、位于导电侧臂310下面的底部导电层302的突出底部302-1，以及欧姆接触层312。在一些实施例中，欧姆接触层312的宽度比发光层306的宽度窄得多，以形成欧姆接触点。顶部导电结构308覆盖欧姆接触层312，发光层306未被欧姆接触层312完全遮蔽。在一些实施例中，为了提高光提取效率，欧姆接触层312的横向宽度小于1μm，优选地，小于0.5μm。在一些实施例中，为了提高欧姆接触层312的透光率，欧姆接触层312的厚度小于20nm。在一些实施例中，欧姆接触层312的材料取决于发光层306的类型和顶部导电结构308的材料。在一些实施例中，欧姆接触层312的材料是金属。在一些优选实施例中，欧姆接触层312具有由诸如图2中的欧姆接触层212所使用材料的复合金属材料形成的多层。
图4描绘了根据一些实施例的微型LED结构底部介电层结构的截面图。底部介电层404可用作图1至3中的底部介电层。底部介电层404具有反射性。在一些实施例中，底部介电层404具有大于50％的反射率。在一些实施例中，底部介电层404具有大于70％的反射率。在一些实施例中，底部介电层404具有大于90％的反射率。在一些优选实施例中，底部介电层404为复合反射层，增加了反射面积，提高了反射效率。如图4所示，复合反射层404具有多个层，至少包括绝缘反射介电层404-1和复合金属反射层404-2。在一些实施例中，复合金属反射层404-2设置在绝缘反射介电层404-1的底部。在一些实施例中，复合金属反射层404-2接触图1至3所示的底部导电层。在一些实施例中，复合金属反射层404-2的材料与底部导电层的材料相似或相同，例如Cr和/或Au等，其不仅用作反射层，还可以作为绝缘反射介电层404-1与底部导电层之间的缓冲层。复合金属反射层404-2进一步增加了绝缘反射介电层404-1与底部导电层之间的附着力，使绝缘反射介电层404-1与底部导电层牢固地键合在一起。
图5描绘了根据一些实施例的微型LED结构底部介电层结构的截面图。底部介电层504可用作图1至4中的底部介电层。在一些实施例中，底部介电层504包括绝缘反射介电层504-1和复合金属反射层504-2。在一些实施例中，也在图4中示出的绝缘反射介电层504-1包括顶部绝缘介电层504-11和底部分布式布拉格反射器(DBR)504-12。在一些实施例中，顶部绝缘介电层504-11的材料为金属氧化物，在某些情况下，顶部绝缘介电层504-11的材料还包括Si、In、或/和Sn等。在一些实施例中，使用多层布拉格反射镜(DBR)作为底部DBR504-12，这为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。在一些实施例中，顶部绝缘介电层504-11可以增加光线的透射率和折射率，使得光线有效地进入底部DBR 504-12。在一些实施例中，顶部绝缘介电层504-11包括多个层，诸如多于或等于三层。
图6是根据第四实施例的微型LED结构的截面图。图6所示的微型LED结构600具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，光提取效率为至少50％。在一些实施例中，光提取效率为至少60％。在一些实施例中，图6中的微型LED结构600是基于图3中的微型LED结构300。类似于图3中的微型LED结构300，微型LED结构600包括底部导电层602、发光层606、底部介电层604、顶部导电结构608、导电侧臂610和欧姆接触层612，该欧姆接触层612比发光层606窄得多，以形成欧姆接触点。在一些实施例中，如图6所示，底部导电层602的横向宽度大于复合反射层(底部介电层604)的横向宽度，使得底部导电层602具有向外突出的突出顶部602-2。在一些实施例中，导电侧臂610的一端连接至发光层606的底层或底部(图6中未单独示出)，并且导电侧臂610的另一端的至少一部分连接到底部导电层602的突出顶部602-2。如图6所示，导电侧臂610的底部的一部分支撑在底部导电层602的突出顶部602-2上。在一些实施例中，为确保微型LED结构600的高提取效率，底部导电层602的的横向宽度小于2μm，优选地，在0.3～2μm的范围内。
图7是根据第五实施例的微型LED结构的截面图。图7所示的微型LED结构700具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，光提取效率为至少50％。在一些实施例中，光提取效率为至少60％。在一些实施例中，图7中的微型LED结构700是基于图6中的微型LED结构600。类似于图6中的微型LED结构600，微型LED结构700包括底部导电层702、发光层706、底部介电层704、顶部导电结构708、导电侧臂710和欧姆接触层712，该欧姆接触层712比发光层706窄得多，以形成欧姆接触点。底部导电层702的横向宽度大于复合反射层(底部介电层704)的横向宽度，使得底部导电层702具有向外突出的突出顶部702-2。在一些实施例中，底部导电层702具有相对于底部介电层704向外突出的突出顶部702-2，使得导电侧臂710的底部至少部分地或替代地性完全支撑在底部导电层702的突出顶部702-2上。在一个示例中，导电侧臂710的侧壁与底部导电层702的侧壁对齐，如图7所示。
对于图6和图7所示的实施例，在一些示例中，底部介电层704的横向宽度不小于发光层706底部的宽度，并且发光层706的侧壁是竖直的或倾斜的。在另一示例中，底部介电层704的横向宽度可以小于发光层706底部的宽度，而导电侧臂710的形状为L形。
图8是根据第六实施例的微型LED结构的截面图。图8所示的微型LED结构800具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，光提取效率为至少50％。在一些实施例中，光提取效率为至少60％。在一些实施例中，图8中的微型LED结构800是基于图7中的微型LED结构700。类似于图7中的微型LED结构700，微型LED结构800包括底部导电层802、发光层806、底部介电层804、顶部导电结构808、导电侧臂810和欧姆接触层812，该欧姆接触层812比发光层806窄得多，以形成欧姆接触点。底部导电层802的横向宽度大于复合反射层(底部介电层804)的横向宽度，使得底部导电层802具有向外突出的突出顶部802-2，导电侧臂810的底部至少部分地或替代性地完全支撑在底部导电层802的突出顶部802-2上。在一个示例中，导电侧臂810的侧壁与底部导电层802的侧壁对齐，如图8所示。在一些实施例中，发光层806的底部横向宽度小于底部介电层804的横向宽度。在一些实施例中，导电侧臂810具有倒L形。导电侧臂810包括水平部分810-1和竖向部分810-2。水平部分810-1的端部延伸至并接触发光层806的底层或底部(图8中未单独示出)，而竖向部分810-2的端部延伸至并接触底部导电层802。
图9是根据第七实施例的微型LED结构的截面图。图9所示的微型LED结构900具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，光提取效率为至少50％。在一些实施例中，光提取效率为至少60％。在一些实施例中，光提取效率为至少70％。在一些实施例中，图9中的微型LED结构900是基于图8中的微型LED结构800。类似于图8中的微型LED结构800，微型LED结构900包括底部导电层902、发光层906、底部介电层904、顶部导电结构908、导电侧臂910和欧姆接触层912，该欧姆接触层912比发光层906窄得多，以形成欧姆接触点。此外，底部导电层902的横向宽度大于复合反射层(底部介电层904)的横向宽度，使得底部导电层902具有向外突出的突出顶部902-2，且导电侧臂910的底部至少部分地或替代性地完全支撑在底部导电层902的突出顶部902-2上。在一个示例中，导电侧臂910的侧壁与底部导电层902的侧壁对齐，如图9所示。在一些实施例中，导电侧臂910具有倒L形。导电侧臂910包括水平部分910-1和竖向部分910-2。
如图9所示，在一些实施例中，发光层906自上而下依次包括第一类型的半导体层906-1、有源层906-2和第二类型的半导体层906-3。在一些实施例中，第二类型的半导体层906-3的横向宽度大于第一类型的半导体层906-1的横向宽度和有源层906-2的横向宽度，因此在第二类型的半导体层906-3的边缘处形成突出顶部906-3-3。在一些实施例中，第一类型的半导体层906-1的横向宽度与有源层906-2的横向宽度相同。在一些实施例中，第一类型的半导体层906-1的横向宽度与顶部导电结构908的横向宽度相同。
在一些实施例中，导电侧臂910的水平部分910-1的端部覆盖并接触第二类型的半导体层906-3的突出顶部906-3-3，导电侧臂910的竖向部分910-2的另一端部接触底部导电层902。
在一些实施例中，第一类型的半导体层906-1是N型半导体层并且第二类型的半导体层906-3是P型半导体层。或者，在一些实施例中，第一类型的半导体层906-1是P型半导体层并且第二类型的半导体层906-3是N型半导体层。在一些实施例中，N型半导体的材料为N型AlInP或N型GaAs，或各种N型半导体层的复合材料。在一些实施例中，P型半导体层的材料为P型GaP或P型AlGaInP。
在一些实施例中，底部导电层902的横向宽度大于第二类型的半导体层906-3的横向宽度。在一些实施例中，第二类型的半导体层906-3的横向宽度等于底部介电层904的横向宽度。底部导电层902具有相对于第二类型的半导体层906-3和底部介电层904向外延伸的突出顶部902-2。在一些实施例中，导电侧臂910的至少一部分至少部分地或替代性地完全支撑在底部导电层902的突出顶部902-2上。在一些实施例中，如图9所示，导电侧臂910的整个底部支撑在底部导电层902的突出顶部902-2上。
在一些实施例中，导电侧臂910连接到第二类型的半导体层906-3的突出顶部906-3-3的端部不直接连接到有源层906-2。如图9所示，导电侧臂910的水平部分910-1的竖向侧壁与有源层906-2之间存在间隙。在一些优选实施例中，底部导电层902的突出顶部902-2的横向宽度(仅延伸到底部介电层904之外的部分的宽度)等于或小于第二类型的半导体层906-3的突出顶部906-3-3的横向宽度(仅延伸到有源层906-2之外的部分的宽度)。这样的宽度布置保证了导电侧臂910的底端位于底部导电层902上，避免了导电侧臂910的上端接触有源层906-2，从而形成稳定可靠的电接触结构。
图10是根据第八实施例的微型LED结构的截面图。图10所示的微型LED结构1000具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，光提取效率为至少50％。在一些实施例中，光提取效率为至少60％。在一些实施例中，光提取效率为至少70％。在一些实施例中，光提取效率为至少80％。在一些实施例中，图10中的微型LED结构1000是基于图9中的微型LED结构900。类似于图9中的微型LED结构900，微型LED结构1000包括底部导电层1002、发光层1006、底部介电层1004、顶部导电结构1008、具有倒L形状的导电侧臂1010和欧姆接触层1012，该欧姆接触层1012比发光层1006窄得多，以形成欧姆接触点。在一些实施例中，发光层1006自上而下包括第一类型的半导体层1006-1、有源层1006-2和第二类型的半导体层1006-3。
如图10所示，在一些实施例中，第二类型的半导体层1006-3包括第二类型的顶部半导体层1006-31和第二类型的底部半导体层1006-32。第二类型的底部半导体层1006-32相对于第二类型的顶部半导体层1006-31向外延伸，使得第二类型的底部半导体层1006-32的延伸部分用作突出顶部1006-32-1。在一些实施例中，第二类型的顶部半导体层1006-31的材料和第二类型的底部半导体层1006-32的材料可以相同或不同。在一些实施例中，第二类型的顶部半导体层1006-31是AlGaInP，第二类型的底部半导体层1006-32是GaP。另外，在一些实施例中，第一类型的半导体层1006-1具有一层或多层。例如，第一类型的半导体层1006-1自上而下包括N型AlInP和N型GaAs。在另一示例中，第一类型的半导体层1006-1仅具有N型AlInP。在一些实施例中，N型AlInP直接位于欧姆接触层1012和顶部导电结构1008的下方并与它们接触。在一个优选实施例中，发光层1006包括从上往下依次排列的N型AlInP、量子有源层、P型AlGaInP和P型GaP。
如图10所示，在一些实施例中，导电侧臂1010的水平部分1010-1覆盖并直接接触第二类型的底部半导体层1006-32，水平部分1010-1的端部不直接连接第二类型的顶部半导体层1006-31、有源层1006-2和/或第一类型的半导体层1006-1。在一些实施例中，底部导电层1002的横向宽度大于底部介电层1004的横向宽度。在一些实施例中，底部导电层1002的侧壁突出于导电侧臂1010的侧壁(在图10中未示出)之外。在一些实施例中，导电侧臂1010的材料为导电金属或其他导电材料。
类似于图1至9，在一些实施例中，在图10中的微型LED结构1000的每一侧均有一个导电侧臂1010。此外，类似于图1至9，在一些实施例中，导电侧臂1010可附着并接触图10中的底部介电层1004的侧壁。在替代性实施例中，可以将导电侧臂1010的形状改变为不接触底部介电层1004侧壁的另一种形状(图10中未示出)，并且可以由本领域技术人员实施等效的实施例或变体。
图11是根据第九实施例的微型LED结构的截面图。图11所示的微型LED结构1100具有高的光提取效率。在一些实施例中，光提取效率为至少20％。在一些实施例中，光提取效率为至少30％。在一些实施例中，光提取效率为至少40％。在一些实施例中，光提取效率为至少50％。在一些实施例中，光提取效率为至少60％。在一些实施例中，光提取效率为至少70％。在一些实施例中，光提取效率为至少80％。在一些实施例中，光提取效率为至少90％。在一些实施例中，图11中的微型LED结构1100是基于图10中的微型LED结构1000。类似于图10中的微型LED结构1000，微型LED结构1100包括底部导电层1102、发光层1106、底部介电层1104、顶部导电结构1108、具有倒L形状的导电侧臂1110和欧姆接触层1112，该欧姆接触层1112比发光层1106窄得多，以形成欧姆接触点。在一些实施例中，发光层1106自上而下包括第一类型的半导体层1106-1、有源层1106-2和第二类型的半导体层1106-3。在一些实施例中，第二类型的半导体层1106-3包括第二类型的顶部半导体层1106-31和第二类型的底部半导体层1106-32。
根据图11，具有高光提取效率的微型LED结构1100还包括透明隔离层1114。在一些实施例中，微型LED结构1100的每一侧均具有一个透明隔离层1114。在一些实施例中，透明隔离层1114至少直接覆盖导电侧臂1110与发光层1106的侧壁之间，位于第二类型的底部半导体层1106-32的突出顶部1106-32-1间隙内的一部分，或者替代性地，覆盖全部间隙。透明隔离层1114还直接覆盖第二类型的顶部半导体层1106-31暴露的侧壁、导电侧臂1110的顶部和朝向微型LED结构1100的侧壁、有源层1106-2的侧壁，以及第一类型的半导体层1106-1自下而上的至少大部分侧壁。在一些实施例中，第一类型的半导体层1106-1自下而上的大部分侧壁至少是侧壁的50％。在一些实施例中，第一类型的半导体层1106-1自下而上的大部分侧壁至少是侧壁的70％。在一些实施例中，第一类型的半导体层1106-1自下而上的大部分侧壁至少是侧壁的90％。
在一些实施例中，顶部导电结构1108布置在欧姆接触层1112的侧壁和顶部、第一类型的半导体层1106-1的突出顶部，和透明隔离层1114的顶部上。在一些实施例中，透明隔离层1114的顶部至少覆盖第一类型的半导体层1106-1顶部的一部分(图11中未示出)而不覆盖欧姆接触层1112的顶部。
在一些实施例中，底部导电层1102的材料包括一种或多种类型的导电金属，诸如Cr、Pt、Au、Sn等。用作底部导电层1102的多层复合导电层由这些金属制成。在一些实施例中，底部导电层1102还用作键合层，键合在电路基底1116(图11中未示出)的表面上，以将发光层1106与电路基底1116电连接。电路基底1116至少包括驱动电路，该驱动电路控制发光层1106的发光。
在一些实施例中，导电侧臂1110的底部向下延伸但不与电路基底1116接触。在一些实施例中，在导电侧臂1110的底部向下延伸以接触电路基底1116的情况下，电路基底1116中的接触电极连接到导电侧臂1110的底部，并且导电侧臂1110底部下方不与接触电极接触的其他区域是绝缘的。在一些实施例中，导电侧臂1110的底部也键合在电路基底1116的表面上。
如上文图1至11所述，在本文所公开的具有高光提取效率的LED结构中，发光层利用底部导电层来实现向下的电接触并且利用顶部导电结构来实现向上的电接触。此外，导电侧臂将发光层的侧壁与底部导电层的两侧电连接。当导电侧臂的底部向下延伸接触电路基底时，导电侧臂进一步将发光层与电路基底电连接，这增加了光出射面积，提高了光提取效率。
此外，通过利用导电侧臂电连接发光层的侧壁和底部导电层，扩大了复合反射层(底部介电层)的反射面积，进一步提高了LED的光提取效率。
此外，形成在顶部导电结构与发光层之间的欧姆接触层可以制作得非常小和薄，诸如透明金属膜。该结构保证了发光层与顶部导电结构之间良好的欧姆接触，增加了光出射面积，也提高了光提取效率。
尽管详细描述包含了许多细节，但是这些不应被解释为限制本发明的范围，而仅仅被解释为说明了本发明的不同的示例和方面。应当理解，本发明的范围包括在上文中未详细讨论的其它实施例。例如，也可以使用具有不同形状和厚度的微型LED结构和层，诸如正方形基部或其它多边形基部。可以对本文公开的本发明的方法和装置的布置、操作和细节方面进行对于本领域技术人员来说显而易见的各种其他修改、改变和变化，而不脱离如在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其法律等同物决定。
另外的实施例还包括有包括了图1至11中所示的上述实施例的在各种其他实施例中组合或以其他方式重新布置的各种子集。
图12是根据一些实施例的微型LED显示面板1200的俯视图。显示面板1200包括数据接口1210、控制模块1220和像素区域1250。数据接口1210接收定义要显示的图像的数据。此数据的源和格式将根据应用而变化。控制模块1220接收输入数据并将其转换为适合于驱动显示面板中的像素的形式。控制模块1220可以包括：数字逻辑和/或状态机以从所接收的格式转换为适合于像素区域1250的格式；移位寄存器或其他类型的缓冲器和存储器以存储和传输数据；数字-模拟转换器和电平转换器；以及包括时钟电路的扫描控制器。
像素区域1250包括像素阵列。像素包括诸如具有图1至11中描述的结构的集成有一些示例中的像素驱动器的微型LED1234的微型LED。在该示例中，显示面板1200是彩色RGB显示面板。它包括红色、绿色和蓝色像素。在每个像素内，LED1234由像素驱动器控制。根据一些实施例，该像素与电源电压(未示出)接触、通过接地垫1236与地接触、也与控制信号接触。尽管在图12中未示出，LED1234的P电极和驱动晶体管的输出端电连接。LED电流驱动信号连接(在LED的P电极与像素驱动器的输出端之间)、接地连接(在n电极与系统地之间)、电源电压Vdd连接(在像素驱动器的源与系统Vdd之间)以及至像素驱动器栅极的控制信号连接根据各种实施例进行。
图12仅是代表性的附图。其他设计将是明显的。例如，颜色不必是红色、绿色和蓝色。它们也不必排列成行或条。作为一个示例，除了图12中所示的像素的正方形矩阵的布置之外，像素的六边形矩阵的布置也可用于形成显示面板1200。
在一些应用中，完全可编程的矩形像素阵列不是必须的。还可以使用本文所述的器件结构形成具有多种形状的显示面板和显示器的其他设计。一类例子是特殊应用，包括标牌和汽车应用。例如，可以以星形或螺旋形状布置多个像素以形成显示面板，并且可以通过打开和关闭LED生成显示面板上的不同图案。另一个专业示例是汽车前灯和智能照明，其中某些像素被分组在一起以形成各种照明形状，并且每组LED像素可以通过各个像素驱动器打开或关闭或以其他方式调整。
不同类型的显示面板可以被制造出来。例如，显示面板的分辨率通常可以在8×8至3840x2160的范围内。常见的显示分辨率包括具有分辨率320x240且长宽比4:3的QVGA、分辨率1024x768且长宽比4:3的XGA、分辨率1280x720且长宽比16:9的D、分辨率1920×1080且长宽比16:9的FHD、分辨率3840x2160且长宽比16:9的UHD以及分辨率4096×2160的4K。还可以有各种各样的像素大小，范围从亚微米及以下到10mm及以上。整体显示区域的尺寸也可以广泛变化，范围从对角线小到几十微米或更小到数百英寸或更大。
示例应用包括显示屏，用于家庭/办公投影仪和便携式电子产品，诸如智能手机、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。功耗可在从用于视网膜投影仪的低至几毫瓦到用于大屏幕户外显示器、投影仪和智能汽车前灯的高达千瓦级的范围内变化。就帧速率而言，由于无机LED的快速响应(纳秒级)，帧速率可以高达KHz级别，或者对于小分辨率甚至是MHz级别。
另外的实施例还包括有包括了图1至12中所示的上述实施例的在各种其他实施例中组合或以其他方式重新布置的各种子集。
尽管具体描述包含许多细节，但是这些不应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，本发明的范围包括上面未详细讨论的其他实施例。例如，上述方法可以应用于非LED和OLED的功能器件与非像素驱动器的控制电路的集成。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、电力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。
所公开的实施例的前述描述被提供以使能够作出或使用本文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来说是显而易见的，并且本文定义的通用原理可以应用于其他实施例而不脱离本文公开的主题的精神或范围。因此，本公开不旨在限于本文所示的实施例，而是将符合与以下权利要求和本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
本发明的特征可以通过使用计算机程序产品或在计算机程序产品的帮助下实现，所述计算机程序产品为诸如存储介质(多种介质)或计算机可读存储介质(多种介质)，其中或其上存储有指令，这些指令可被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，诸如DRAM、SRAM、DDRRAM或其他随机接入固态存储器设备，并且可以包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备。存储器可选地包括远离CPU定位的一个或多个存储设备。存储器或可选地存储器内的非易失性存储器设备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(多种介质)上的本发明的特征可以包含在软件和/或固件中，用于控制处理系统的硬件，以及使处理系统能够利用本发明的结果与其他机构交互。这种软件或固件可以包括但不限于应用程序代码、设备驱动程序、操作系统和执行环境/容器。
应当理解，尽管本文可以使用术语“首先”、“第二”等来描述各种要素或步骤，但这些要素或步骤不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个要素或步骤与另一个要素或步骤区分开来。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制权利要求。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”和“这个”旨在也包括多个形式，除非上下文另有清楚地表明。还应理解，如本文所用的术语“和/或”是指并且包括一个或多个相关的列出的项目的任何和所有可能的组合。还应理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定所说的特征、整数、步骤、操作、要素和/或部件的存在，但不妨碍存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或组。
已经参考特定实施例描述了用于说明的前述描述。然而，上述说明性讨论并非旨在穷举，或者将权利要求限制在所公开的精确形式。考虑到上述教导，可以进行许多改型和变化。选择和描述实施例，以便最佳地解释实际应用和操作的原理，从而使本领域的其他技术人员能够实现。

Claims (39)

1.一种具有高光提取效率的微型发光二极管，包括：
底部导电层；
发光层位于所述底部导电层上；
顶部导电结构位于所述发光层上；
底部介电层，位于所述底部导电层与所述发光层之间；以及
导电侧臂，连接所述发光层的底层的侧壁与所述底部导电层。
2.根据权利要求1所述的微型发光二极管，还包括位于所述顶部导电结构与所述发光层之间的欧姆接触层。
3.根据权利要求2所述的微型发光二极管，其中，所述欧姆接触层的横向宽度远小于所述发光层的横向宽度。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述顶部导电结构直接覆盖所述欧姆接触层，并且所述发光层的大部分未被所述欧姆接触层遮蔽。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述欧姆接触层为金属膜。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述欧姆接触层的厚度小于20nm，所述欧姆接触层的横向宽度小于0.5μm。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述欧姆接触层的材料包括选自由元素周期表中的I族、II族、III族、IV族、VI族和VIII族金属组成的组中的至少一种或多种。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述顶部导电结构是透明的，以及所述欧姆接触层是透明的。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述底部介电层为复合反射层。
10.根据权利要求9所述的微型发光二极管，其中，所述复合反射层包括多层，所述多层至少包括绝缘反射介电层和复合金属反射层，所述复合金属反射层位于所述绝缘反射介电层的底部并接触所述底部导电层。
11.根据权利要求10所述的微型发光二极管，其中，所述复合金属反射层具有多层。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述绝缘反射介电层还包括顶部绝缘介电层和底部布拉格反射镜。
13.根据权利要求12所述的微型发光二极管，其中，所述顶部绝缘介电层不少于三层。
14.根据权利要求12-13中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述顶部绝缘介电层的材料为金属氧化物。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述底部导电层的横向宽度大于所述底部介电层的横向宽度，使得所述底部导电层具有延伸到所述底部介电层之外的突出顶部；所述导电侧臂的一端连接至所述发光层的底层，且所述导电侧臂的另一端的至少一部分连接至所述底部导电层的所述突出顶部并支撑在所述底部导电层的所述突出顶部上。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述底部介电层的横向宽度不小于所述发光层的底部的宽度。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的微型发光二极管，其中：
所述发光层自上而下依次还包括第一类型的半导体层、有源层和第二类型的半导体层，
所述第二类型的半导体层具有延伸到所述有源层和所述第一类型的半导体层之外的突出顶部，以及
所述导电侧臂的一端覆盖并接触所述第二类型的半导体层的所述突出顶部，所述导电侧臂的另一端接触所述底部导电层。
18.根据权利要求17所述的微型发光二极管，其中：
所述底部导电层的横向宽度大于所述第二类型的半导体层的横向宽度和所述底部介电层的横向宽度，使得所述底部导电层具有延伸到所述第二类型的半导体层和所述底部介电层之外的突出顶部，以及
所述导电侧臂的至少部分支撑在所述底部导电层的所述突出顶部上。
19.根据权利要求18所述的微型发光二极管，其中，所述底部导电层的横向宽度小于2μm。
20.根据权利要求18-19中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述底部导电层的所述突出顶部的宽度不大于所述第二类型的半导体层的所述突出顶部的宽度。
21.根据权利要求17-20中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述第二类型的半导体层还包括第二类型的顶部半导体层和第二类型的底部半导体层，所述第二类型的底部半导体层相对于所述第二类型的顶部半导体层向外延伸，从而形成突出顶部。
22.根据权利要求21所述的微型发光二极管，其中，所述第二类型的顶部半导体层的材料与所述第二类型的底部半导体层的材料不同。
23.根据权利要求21-22中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述第二类型的顶部半导体层为AlGaInP，所述第二类型的底部半导体层为GaP；所述第一类型的半导体层是AlInP。
24.根据权利要求21-23中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述导电侧臂的端部：
与所述第二类型的底部半导体层的所述突出顶部电接触，
不与所述第二类型的顶部半导体层电接触，以及
不与所述发光层和所述第一类型的半导体层电接触。
25.根据权利要求17-24中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述第一类型的半导体层的横向宽度等于或大于所述有源层的横向宽度。
26.根据权利要求17-24中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述第一类型的半导体层的横向宽度远小于所述有源层的横向宽度。
27.根据权利要求1-26中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述导电侧臂具有倒L形。
28.根据权利要求1-27中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述导电侧臂附着并连接到所述底部介电层的侧壁。
29.根据权利要求1-28中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述底部导电层的横向宽度大于所述底部介电层的横向宽度，所述底部导电层的侧壁突出并超出所述导电侧臂的侧壁。
30.根据权利要求17-29中任一项所述的微型发光二极管，还包括：
透明隔离层，至少覆盖所述第二类型的半导体层的所述突出顶部、所述导电侧臂的顶部和侧壁、所述发光层的侧壁以及所述第一类型的半导体层的侧壁，以及
所述顶部导电结构位于所述透明隔离层的顶部。
31.根据权利要求1-30中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述导电侧臂的材料为导电金属。
32.根据权利要求17-31中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述第一类型的半导体层为N型半导体层，所述第二类型的半导体层为P型半导体层。
33.根据权利要求17-31中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述第一类型的半导体层为P型半导体层，所述第二类型的半导体层为N型半导体层。
34.根据权利要求1-33中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述底部导电层的材料包括一种或多种导电金属。
35.根据权利要求1-34中任一项所述的微型发光二极管，还包括位于所述底部导电层的底部的电路基底，其中所述底部导电层用作与所述电路基底的表面键合的键合层。
36.根据权利要求35所述的微型发光二极管，其中，所述电路基底至少包括控制所述发光层的发光的驱动电路。
37.根据权利要求1-36中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述微型发光二极管具有至少20％的光提取效率。
38.根据权利要求1-36中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述微型发光二极管具有至少40％的光提取效率。
39.根据权利要求1-36中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述微型发光二极管具有至少60％的光提取效率。
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