CN115458658A - 微型发光二极管元件结构 - Google Patents
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Abstract
一种微型发光二极管元件结构，包括基板、微型发光二极管、隔离层以及上电极。微型发光二极管和隔离层的凹面之间的接触周缘的高度大于隔离层平坦表面的高度且小于微型发光二极管的高度。隔离层的高度沿远离微型发光二极管的方向自接触周缘的高度减小至平坦表面的高度。在截面中，平坦表面和连接接触周缘和转折周缘的虚拟直线之间的夹角大于120度。转折周缘为凹面与平坦表面之间的边界。本发明中靠近微型发光二极管侧面的隔离层结构特征防止了覆盖微型发光二极管顶表面的上电极产生龟裂。
Description
技术领域
本发明是关于单像素影像时域聚焦多光子激发显微镜系统。
背景技术
此处的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。
作为发光源，发光二极管(light-emitting diode，LED)具有许多优点，包括低能耗、长寿命、小尺寸和快速开关。因此，传统的照明如白炽灯，逐渐由LED灯所取代。LED的特性也适合应用于显示器上。近年来，使用微型发光元件或明确地说，微型发光二极管(μ-LED)的显示器的研究已逐渐流行。由μ-LED制成的商业照明应用已快触手可及。
随着μ-LED显示器的像素尺寸缩小，有必要回顾检视制造过程的许多细节。在此当中，如何在制造紧密结构的过程中防止电极龟裂，以及防止μ-LED的p型半导体层与n型半导体层之间产生短路皆是重要的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的一些实施例揭露一种微型发光二极管元件结构。微型发光二极管元件结构包括基板、位于基板上的微型发光二极管、隔离层以及上电极。微型发光二极管包括第一型半导体层、第二型半导体层以及主动层。第二型半导体层位于第一型半导体层上。主动层位于第一型半导体层和第二型半导体层之间。第二型半导体层的顶表面具有相对于基板的前表面的第一高度。微型发光二极管的侧向长度与第一高度的比值小于20，且侧向长度小于50微米。
隔离层位于基板上并围绕微型发光二极管。隔离层具有平坦部分以及位于平坦部分和微型发光二极管之间的凹部。平坦部分具有背对基板的平坦表面。凹部具有背对基板的凹表面。凹部与微型发光二极管的侧表面接触。第二型半导体层自隔离层露出。上电极覆盖并接触第二型半导体层和隔离层。
微型发光二极管与凹面之间的接触周缘相对于前表面具有第二高度。平坦表面相对于前表面具有第三高度。第二高度大于第三高度且小于第一高度。隔离层相对于前表面的高度自第二高度沿远离侧表面的方向减小至第三高度。
在微型发光二极管元件结构垂直于前表面的截面中，平坦表面与连接接触周缘和转折周缘的虚拟直线之间的夹角大于120度。转折周缘为凹面与平坦表面之间的边界。
在本发明的一个或多个实施方式中，第一高度与第二高度的差距大于0微米且小于3.5微米。
在本发明的一个或多个实施方式中，第一型半导体层为p型半导体层，第二型半导体层为n型半导体层。
在本发明的一个或多个实施方式中，第二型半导体层的厚度大于第一型半导体层的厚度。
在本发明的一个或多个实施方式中，基板包括导电层于其上。微型发光二极管更包括位于第一型半导体层上的粘合电极。导电层与粘合电极接触。
在本发明的一个或多个实施方式中，在截面中，凹面位于平坦表面的延伸与虚拟直线之间。
在本发明的一个或多个实施方式中，在截面中，虚拟直线、侧表面和平坦表面的延伸形成三角形区域。隔离层在三角形区域内的面积相对于三角形区域的填充率大于30％。
在本发明的一个或多个实施方式中，隔离层的折射系数小于上电极的折射系数。
在本发明的一个或多个实施方式中，上电极的折射系数小于第一型半导体层和第二型半导体层的折射系数。
在本发明的一个或多个实施方式中，上电极包括金属纳米线。
在本发明的一个或多个实施方式中，上电极的透光率大于60％。
在本发明的一个或多个实施方式中，隔离层相对于侧表面的宽度大于1微米。
在本发明的一个或多个实施方式中，隔离层完全覆盖且接触第一型半导体层和主动层的侧表面。
在本发明的一个或多个实施方式中，第一型半导体层和第二型半导体层皆与隔离层接触。
在本发明的一个或多个实施方式中，微型发光二极管更包括介电侧壁。介电侧壁围绕并接触第一型半导体层和第二型半导体层。
在本发明的一个或多个实施方式中，介电侧壁接触隔离层。
在本发明的一个或多个实施方式中，接触周缘在前表面上的垂直投影的形状为圆形。
在本发明的一个或多个实施方式中，接触周缘在前表面上的垂直投影的形状为多边形。多边形的每一个内角皆大于90度。
本发明的一些实施例揭露一种微型发光二极管元件结构。微型发光二极管元件结构包括基板、位于基板上的微型发光二极管、隔离层以及上电极。微型发光二极管包括第一型半导体层、第二型半导体层以及主动层。第二型半导体层位于第一型半导体层上。主动层位于第一型半导体层和第二型半导体层之间。第二型半导体层的顶表面具有相对于基板的前表面的第一高度。微型发光二极管的侧向长度与第一高度的比值小于20，且侧向长度小于50微米。
隔离层位于基板上并围绕微型发光二极管。隔离层具有背对基板的凹部。隔离层与微型发光二极管的侧表面接触。第二型半导体层自隔离层露出。上电极覆盖并接触第二型半导体层和隔离层。
微型发光二极管与凹面之间的接触周缘相对于前表面具有第二高度。第二高度小于第一高度。隔离层相对于该前表面的高度自第二高度沿远离侧表面的方向减小至零。在微型发光二极管元件结构垂直于前表面的截面中，前表面与连接接触周缘和转折周缘的虚拟直线之间的夹角大于120度。转折周缘为凹面与前表面之间的边界。
本发明的实施例中靠近微型发光二极管侧面的隔离层结构特征防止了覆盖微型发光二极管顶表面的上电极产生龟裂。此外，隔离层的结构特征防止了微型发光二极管的p型半导体层和n型半导体层之间短路。
为了让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1绘示本发明一些实施例中微型发光二极管结构的截面示意图。
图2绘示本发明一些实施例中邻近微型发光二极管的侧表面并与隔离层接触之处的截面示意图。
图3A绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构的俯视示意图。
图3B绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构的俯视示意图。
图4A绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构的截面示意图。
图4B绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构的截面示意图。
图5A绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构的截面示意图。
图5B绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构的截面示意图。
【主要元件符号说明】
1000,1000-1,1000-2,1000-3,1000-4,1000-5,1000’：微型发光二极管元件结构
1002：前表面
100：基板
102：导电层
110,110-1,110-2,110’,110”：微型发光二极管
1102,1102-1,1102-2,1102-3：侧表面
112：第一型半导体层 114：第二型半导体层
1142,1142’,1142”：顶表面 116：主动层
118：粘合电极 119’,119”：介电侧壁
120,120’：隔离层 122：平坦部分
1222：平坦表面 124：凹部
1242,1242’：凹面 130：上电极
A：面积 A-A’,B-B’：线
CP：接触周缘 ET：延伸
G：间距 HA,HB：高度
H1：第一高度 H2：第二高度
H3：第三高度 IR：内角
R,R’：夹角 T1,T2：厚度
TA：三角形区域 TP,TP’：转折周缘
VL,VL’：虚拟直线 W1,W2：宽度
具体实施方式
为使本发明的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。以下所揭露的各实施例可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其他的实施例，而无须进一步的记载或说明。
在以下的描述中，将详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无此等特定细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，为简化附图，熟知的结构与装置仅示意性地绘示于图中。
请参考图1和图2。图1绘示本发明一些实施例中微型发光二极管结构1000的截面示意图。图2绘示本发明一些实施例中邻近微型发光二极管110的侧表面1102并与隔离层120接触之处的截面示意图。在一些实施例中，微型发光二极管元件结构1000包括基板100、基板100上的微型发光二极管110、隔离层120以及上电极130。微型发光二极管110包括第一型半导体层112、位于第一型半导体层112上的第二型半导体层114以及位于第一型半导体层112和第二型半导体层114之间的主动层116。在一些实施例中，基板100包括位于其上的导电层102。微型发光二极管110更包括粘合电极118，位于第一型半导体层112上。导电层102与粘合电极118接触。
在一些实施例中，第一型半导体层112为p型半导体层，第二型半导体层114为n型半导体层。在一些实施例中，第二型半导体层114的厚度T2大于第一型半导体层112的厚度T1，使得工艺中隔离层120的高度HA误差容忍度较佳，且微型发光二极管110中电流可分布较均匀。前述电流的均匀性是来自于n型半导体的导电度较p型半导体为佳。
第二型半导体层114的顶表面1142具有相对于基板100前表面1002的第一高度H1。微型发光二极管110的侧向长度L小于50微米。微型发光二极管110的侧向长度L与第一高度H1的比值小于20。详细而言，当前述比值变大时，更多的光在微型发光二极管110的顶表面1142处全反射，降低了光萃取效率。通过前述比值的限制，可显著降低自主动层116发出的光的全反射。
隔离层120在基板上100且环绕微型发光二极管110。隔离层120可由正光阻、负光阻或树脂所组成。在一些实施例中，隔离层120具有平坦部分122和凹部124。凹部124位于平坦部分122和微型发光二极管110之间。平坦部分122具有背对基板100的平坦表面1222。凹部124具有背对基板100的凹表面1242。凹部124与微型发光二极管110的侧表面1102接触。第二型半导体层114自隔离层120露出。上电极130覆盖并接触第二型半导体层114和隔离层120。在一些实施例中，第一型半导体层112和第二型半导体层114与隔离层120接触。在一些实施例中，隔离层120完全覆盖且接触第一型半导体层112的侧表面1102-1和主动层116的侧表面1102-2，从而防止第一型半导体层112与第二型半导体层114短路。隔离层120覆盖且接触部分第二型半导体层114的侧表面1102-3。
微型发光二极管110与凹面1242之间的接触周缘CP相对于前表面1002具有第二高度H2。如图2所示，在微型发光二极管元件结构1000垂直于前表面1002的一截面中，接触周缘CP为隔离层120的最高点。平坦表面1222相对于前表面1002具有第三高度H3。第二高度H2大于第三高度H3且小于第一高度H1。在一些实施例中，第一高度H1与第二高度H2的差距大于0微米且小于3.5微米。若差距太大，则顶表面1142与隔离层120(接触周缘CP处)之间的间距G过大，会导致覆盖顶表面1142和隔离层120的上电极130龟裂。此外，若差距大于3.5微米，则接触周缘CP将过于靠近主动层116，第一型半导体层112与第二型半导体层114间短路的机率会显著增加。隔离层120相对于前表面1002的高度HA自第二高度H2沿远离侧表面1102的方向减小至第三高度H3。在图2中，前述方向为X方向。
在图2所绘示的截面图中，平坦表面1222与连接接触周缘CP和转折周缘TP的虚拟直线VL之间的夹角R大于120度且小于180度。转折周缘TP为凹面1242与平坦表面1222之间的边界。换言之，在X方向(指向远离侧表面1102的方向)经过转折周缘TP后，隔离层120的高度HA变成一常数。若夹角R太小，则自上表面1142至平坦表面1222的高度变化过大，上电极130的品质会明显下降。在本发明的实施例中，上述特征可通过无遮罩方式形成，例如在微型发光二极管110周围旋涂(spin-coating)隔离层120并预先调整隔离层120的粘滞系数。
在一些实施例中，凹面1242位于平坦表面1222的延伸ET与虚拟直线VL之间，如图2的截面所示。此延伸ET朝侧表面1102的方向(如图2所示的负X方向)延伸。亦即，隔离层120相对于前表面1002的高度HA总是小于虚拟直线VL相对于前表面1002的高度HB。如图2中的示意性描绘，高度HA和高度HB之间的比较是在相对于侧表面1102的距离相同的前提下进行。在上述夹角R与凹面1242相关的条件下，微型发光二极管元件结构1000可防止粒子或离子在各类工艺中穿透隔离层120而到达主动层116或第一型半导体层112。同时，上电极130的品质得以维持。
在一些实施例中，虚拟直线VL、侧表面1102和平坦表面1222的延伸ET在图2的截面上形成三角形区域TA。为进一步提升前段所说明的功效，隔离层120在前述截面的三角形区域TA内的面积A相对于三角形区域TA的填充率被制作为大于30％且小于100％。填充率的限制确保同时满足凹面1242的凹面特征和隔离层120高度HA的平滑变化。
在一些实施例中，隔离层120的折射系数小于上电极130的折射系数。在一些实施例中，上电极130的折射系数小于第一型半导体层112和第二型半导体层114的折射系数。在一些实施例中，上电极130的透射率大于60％。在上述条件下，主动层116发出的光更容易向上(即朝Z方向)传播离开微型发光二极管元件结构1000。
在一些实施例中，上电极130包括金属纳米线，如银纳米线。由于导电纳米线的柔韧性，当上电极130包括金属纳米线时，可以防止龟裂。此外，与诸如氧化铟锡(indium tinoxide，ITO)等透明材料相比，金属纳米线具有低电阻率。因此，可制造具有导电纳米线的上电极130以形成薄导电膜以增加透明度。同时，电阻率与较厚的无导电纳米线的电极相比仍维持相同。
请参考图3A和图3B。图3A绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构1000-1的俯视示意图。图3B绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构1000-2的俯视示意图。图3A和图3B绘示图1和图2所示的微型发光二极管元件结构1000的两种型态。在一些实施例中，如图3A所示，接触周缘CP在前表面1002上的垂直投影的形状为圆形。在一些实施例中，如图3B所示，接触周缘CP在前表面1002上的垂直投影的形状为多边形，且多边形的每一内角IR大于90度。大于90度的条件确保在俯视图中从主动层116发出的光在接触外围CP(亦即，在微型发光二极管元件结构1000-2的边缘)上的全反射机率较低。在此提及，接触外缘CP的圆形形状可具有最低机率的前述全反射。需说明的是，图2的截面视角可取自图3A的线A-A’或图3B的线B-B’，且不以此为限。在一些实施例中，线A-A’和线B-B’的延伸在俯视图上分别通过微型发光二极管110-1(即圆形)和微型发光二极管110-2(即六边形)的几何中心。
参考图4A和图4B。图4A绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构1000-3的截面示意图。图4B绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构1000’的截面示意图。在一些实施例中，隔离层120相对于侧表面1102的宽度W1(见图4A)和宽度W2(见图4B)大于1微米。作为说明，本发明的实施例中的隔离层120和隔离层120’可由无遮罩方式制作，如旋涂。若宽度W1和宽度W2小于1微米，则只能通过光罩方能完成，意味着在整个工艺中至少还需要一个步骤。易言之，宽度W1和宽度W2的限制意味着更简单和有效的制作过程是可能的。在图4A和图4B中，宽度W1和宽度W2是从侧表面1102沿着X方向测量直到无隔离层120和隔离层120'存在时的位置。
以下指出图4B所示的实施例与图2和图4A所描述的实施例之间的差异。在图4B中，隔离层120’相对于前表面1002的高度HA自第二高度H2沿远离侧表面1002的方向减小至零。在图4B所示微型发光二极管元件结构1000’垂直于前表面1002的截面中，前表面1002与连接接触周缘CP和转折周缘TP’的虚拟直线VL’之间的夹角R’大于120度。转折周缘TP’为凹面1242’与前表面1002之间的边界。
参考图5A和图5B。图5A绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构1000-4的截面示意图。图5B绘示本发明一些实施例中微型发光二极管元件结构1000-5的截面示意图。在一些实施例中，微型发光二极管110’或微型发光二极管110”更包括介电侧壁119’和介电侧壁119”，围绕并接触第一型半导体层112和第二型半导体层114。在一些实施例中，介电侧壁119’和介电侧壁119”接触隔离层120。与无遮罩方法可制造的隔离层120和隔离层120'不同，介电侧壁119'和介电侧壁119”比隔离层120和隔离层120'薄得多(例如，X方向上的宽度小于1微米)。介电侧壁119'和介电侧壁119”主要由沉积方法(例如，原子沉积或热蒸镀)所形成。介电侧壁119'和介电侧壁119”可进一步保护微型发光二极管110’和微型发光二极管110”，以及防止微型发光二极管110’和微型发光二极管110”内部短路。图5A的微型发光二极管110'与图5B的微型发光二极管110”的区别在于：介电侧壁119’覆盖并接触微型发光二极管110’的顶表面1142’的一部分，而微型发光二极管110”的顶表面1142”完全自介电侧壁119”露出。
综上所述，本发明提供了一种微型发光二极管元件结构，其靠近微型发光二极管侧面的隔离层结构特征防止了覆盖微型发光二极管顶表面的上电极产生龟裂。此外，隔离层的结构特征防止了微型发光二极管的p型半导体层和n型半导体层之间短路。这些好处(功效)主要是通过以下特性的协同作用实现：(1)微型发光二极管的侧向长度小于50微米；(2)微型发光二极管的侧向长度与高度的比值小于20；以及(3)在微型发光二极管元件的截面中，上述实施例所示的夹角大于120度。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (19)
1.一种微型发光二极管元件结构，其特征在于，包括：
基板；
微型发光二极管，位于所述基板上，包括：
第一型半导体层；
第二型半导体层，位于所述第一型半导体层上；以及
主动层，位于所述第一型半导体层和所述第二型半导体层之间，其中所述第二型半导体层的顶表面具有相对于所述基板的前表面的第一高度，所述微型发光二极管的侧向长度与所述第一高度的比值小于20，所述侧向长度小于50微米；
隔离层，位于所述基板上并围绕所述微型发光二极管，所述隔离层具有平坦部分以及位于所述平坦部分和所述微型发光二极管之间的凹部，所述平坦部分具有背对所述基板的平坦表面，所述凹部具有背对所述基板的凹表面，所述凹部与所述微型发光二极管的侧表面接触，所述第二型半导体层自所述隔离层露出；以及
上电极，覆盖并接触所述第二型半导体层和所述隔离层，
其中所述微型发光二极管与所述凹面之间的接触周缘相对于所述前表面具有第二高度，所述平坦表面相对于所述前表面具有第三高度，所述第二高度大于所述第三高度且小于所述第一高度，其中，所述隔离层相对于所述前表面的高度自所述第二高度沿远离所述侧表面的方向减小至所述第三高度；以及
其中，在所述微型发光二极管元件结构垂直于所述前表面的截面中，所述平坦表面与连接所述接触周缘和转折周缘的虚拟直线之间的夹角大于120度，所述转折周缘为所述凹面与所述平坦表面之间的边界。
2.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述第一高度与所述第二高度的差距大于0微米且小于3.5微米。
3.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述第一型半导体层为p型半导体层，所述第二型半导体层为n型半导体层。
4.根据权利要求3所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述第二型半导体层的厚度大于所述第一型半导体层的厚度。
5.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述基板包括导电层于其上，所述微型发光二极管更包括位于所述第一型半导体层上的粘合电极，所述导电层与所述粘合电极接触。
6.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，在所述截面中，所述凹面位于所述平坦表面的延伸与所述虚拟直线之间。
7.根据权利要求6所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，在所述截面中，所述虚拟直线、所述侧表面和所述平坦表面的所述延伸形成三角形区域，所述隔离层在所述三角形区域内的面积相对于所述三角形区域的填充率大于30％。
8.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述隔离层的折射系数小于所述上电极的折射系数。
9.根据权利要求8所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述上电极的折射系数小于所述第一型半导体层和所述第二型半导体层的折射系数。
10.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述上电极包括金属纳米线。
11.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述上电极的透光率大于60％。
12.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述隔离层相对于该侧表面的宽度大于1微米。
13.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述隔离层完全覆盖且接触所述第一型半导体层和所述主动层的侧表面。
14.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述第一型半导体层和所述第二型半导体层皆与所述隔离层接触。
15.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述微型发光二极管更包括介电侧壁，所述介电侧壁围绕并接触所述第一型半导体层和所述第二型半导体层。
16.根据权利要求15所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述介电侧壁接触所述隔离层。
17.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述接触周缘在所述前表面上的垂直投影的形状为圆形。
18.根据权利要求1所述的微型发光二极管元件结构，其特征在于，所述接触周缘在该前表面上的垂直投影的形状为多边形，所述多边形的每一个内角皆大于90度。
19.一种微型发光二极管元件结构，其特征在于，包括：
基板；
微型发光二极管，位于所述基板上，包括：
第一型半导体层；
第二型半导体层，位于所述第一型半导体层上；以及
主动层，位于所述第一型半导体层和所述第二型半导体层之间，其中所述第二型半导体层的顶表面具有相对于所述基板的前表面的第一高度，所述微型发光二极管的侧向长度与所述第一高度的比值小于20，所述侧向长度小于50微米；
隔离层，位于所述基板上并围绕所述微型发光二极管，所述隔离层具有背对所述基板的凹部，所述隔离层与所述微型发光二极管的侧表面接触，所述第二型半导体层自所述隔离层露出；以及
上电极，覆盖并接触所述第二型半导体层和所述隔离层，
其中所述微型发光二极管与所述凹面之间的接触周缘相对于所述前表面具有第二高度，所述第二高度小于所述第一高度，其中，所述隔离层相对于所述前表面的高度自所述第二高度沿远离所述侧表面的方向减小至零；以及
其中，在所述微型发光二极管元件结构垂直于所述前表面的截面中，所述前表面与连接所述接触周缘和转折周缘的虚拟直线之间的夹角大于120度，所述转折周缘为所述凹面与所述前表面之间的边界。
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