CN1378291A - 具有光学隔离结构的发光二极管阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种具有光学隔离结构发光二极管阵列及其制作方法。此具有光学隔离结构发光二极管阵列,包含一基板及配置于此基板上多个发光二极单元与多个深沟。此具有光学隔离结构发光二极阵列基板是为一能隙较低半导体材料,而其多个发光二极单元由另一能隙较高之半导体材料构成。此多个深沟分布于两两相邻发光二极单元之间,且至少包含一反光性金属层。藉由此多个深沟及底部能隙较低基板,可以避免发光二极阵列串讯现象(cross talk),提高影像分辨率。

Description

具有光学隔离结构的发光二级管阵列及其制作方法

本发明是有关于一种使用于发光二极管仪表板(LED Display)，或发光二极管打印机(LED Printer)等设备的发光二极管阵列及其制作方法。特别是，本发明是有关于一种具有光学隔离结构发光二极管阵列，以及一种可以节省此一发光二极管阵列制作成本的制作方法。

近年来，由于发光二极管(Light-Emitting diode，LED)蓝光技术的发展及亮度的提高，以及其低耗电及冷发光优点，以往只作为指示用途发光二极管，例如电源『ON/OFF』显示灯，现已开始普遍使用于照明及全彩显示幕等异于传统用途。

由多个独立发光二极管单元整齐排列而成发光二极管阵列，可以作为大型显示幕或面板，请参见美国专利案号4,628,422及4,851,824。一般此类发光二极管理阵列尚可以较简易封装技术组装而成。然而，当设备尺寸缩小，如一小型发光二极管仪表板或显示器所使用发光二极管阵列，其内部发光二极管单元体积相当微小，因而使其组装技术困难度提高，这点可参见美国专利案号5,014,074。此种利用2D发光二极管阵列以显示影像显示器，举例来说，可能需要数万颗发光二极管单元，始能构成一影像显示器。因此，如何将多数个独立发光二极管单元，精确地组装成一整齐阵列，以及各个发光二极管单元电路配置等问题，将会使此一封装过程所耗费时间及金钱，远超过发光二极管单元本身制作成本。

另外，在以发光二极管阵列作为光源设备中，例如，以单排发光二极管阵列做光扫描功能发光二极管打印表机(LED Printer)，由于不需要高速旋转多角面镜之故，使其具有较激光打印表机尺寸更小，以及组装工作大为简化优点。然而，此类发光二极管打印机技术瓶颈之一乃在作为光源发光二极管阵列(LED array)时，会由于相邻发光二极管单元间串讯(cross-talk)干扰，而使其影像分辨率变差。相同之情形，亦可见于由发光二极管阵列所构成发光二极管显示器。

综合以上所述，如何以较简单的工艺制作一发光二极管阵列，同时避免发光二极管间串讯发生，实为一迫切的问题。

本发明的目的在于提供一种具有光学隔离结构发光二极管阵列，使每一发光二极管单元所放射出光线，不会扩散至相邻发光二极管单元，使其影像分辨率提高。

本发明另一目的是提供一种具有光学隔离结构发光二极管阵列制作方法，将构成此发光二极管阵列多个发光二极管单元，以一半导体工艺制作于同一基板上，以节省此一发光二极管阵列的制作成本。

根据本发明，此一具有光学隔离结构发光二极管阵列，包含一由低能隙半导体芯片所构成基板，及位于此基板上多个发光二极管单元与网状型分布多个深沟。其中，每一发光二极管单元是由能隙高于此基板半导体材料构成；而每一深沟皆是介于每两两相邻发光二极管单元之间，其深度是大于每一发光二极管单元高度，且每一深沟内皆包含一反光性金属层。同时，此基板底部具有一层底部金属层。

利用深沟内反光性金属层，当发光二极管单元发出光线向横向扩散时，此一横向放射光线会被此一反光性金属层反射；另一方面，由于此基板能隙低于此多个发光二极管单元，因此当发光二极管所发出光线向下扩散时，此一向下放射光线会被底部基板吸收。所以，本发明发光二极管阵列将可避免相邻发光二极管间串讯的干扰，进而提高其影像分辨率。

根据本发明，此一具有光学隔离结构发光二极管阵列是利用一半导体工艺，将构成此一发光二极管阵列的多个发光二极管单元制作于同一基板上，因此，将可省去其繁复的组装工艺。又，此一发光二极管阵列所包含结构皆可以一半导体工艺完成。所以，根据本发明制作方法，将可减少此一发光二极管阵列制作成本。

关于本发明的目的、特性及优点，在参考下列内容及附图说明后，将可更清楚明了。

图1显示在一常用发光二极管阵列中，串讯(cross talk)发生途径示意图。当常用发光二极管阵列中一发光二极管单元发射出光时，如图所示，其串讯发生的途径有二：一是侧向发射的T类光线透过边界后，于相邻发光二极管单元表面放射；另一是向下发射之B类光线经由底部金属层反射后，或中途被吸收后再经由底部金属层反射，于相邻或更远发光二极管单元表面放射。因此，此一发光二极管阵列中其它发光二极管单元就会受到T类光线及B类光线所形成的串讯干扰，影响其正常发光效果，因而导致整体发光二极管阵列影像分辨率降低。

所以，本发明最主要的目的即是以一半导体工艺的深沟技术(Trench Technology)，于两两相邻发光二极管单元间制作一光学隔离结构，以解决其彼此间串讯现象。以下，将就本发明较佳实施例发光二极管阵列及其制作方法，做一详细说明。

请参见图2及图3，图2所示为本发明较佳实施例之2×N型发光二极管阵列平面图，而图3则为本发明较佳实施例之另一N×N矩阵型发光二极管阵列平面图。

参见图4，图中所示为本发明较佳实施例2×N型发光二极管阵列，以图2中箭头A方向所绘制横剖面图。同时，请参见图5A至5C，图中所示为本发明较佳实施例发光二极管阵列的制作流程图。以下将以图4及图5A至5C说明本发明较佳实施例发光二极管阵列的结构及其制作方法。在本发明说明内容中，若附图标示数字相同，即表示其为相同部分。

根据本实施例，此一发光二极管阵列是以砷化镓(GaAs)芯片作为一基板201，接着，以磊晶技术于此基板201上成长一层砷化铝镓(AlGaAs)磊晶层(步骤1)。之后，于此砷化铝镓磊晶层上进行PN接口工艺，使此砷化铝镓磊晶层成为一PN接口层202(参见图5A，步骤1)。此一PN接口层202为构成本实施例发光二极管阵列每一发光二极管单元主要结构。

接下来，根据本实施例，将以熟知半导体工艺深沟技术，使此芯片上PN接口层202成为2×N型或N×N矩阵型分布多个发光二极管单元，以构成一发光二极管阵列。同时，利用熟知半导体工艺，于相邻发光二极管单元间制作一光学隔离结构。

首先，以熟知蚀刻平板印刷技术，于此PN接口层202表面上涂布一层正光阻，接着以第一道光罩定义出多个发光二极管单元面积，接着经过曝光、显影，使欲蚀刻的区域曝露出来。之后，以熟知的蚀刻技术对曝露面积进行非等向性蚀刻，制作出深度约数微米之沟槽，以构成网状型分布的深沟203(参见图5A，步骤2)。最后，将芯片上光阻去除，并进行清洗。依此方式，便可将2×N型或N×N矩阵型分布的多个发光二极管单元，同时制作于一芯片上，省去发光二极管单元间繁复组装过程。同时，制作此多个网状型分布深沟203的另一目的，是为了用以分隔此多个发光二极管单元，并于其间制作一光学隔离结构。是故，此网状分布型深沟深度需大于此PN接口层202厚度。经过此一步骤，即可于此芯片上制作出多个矩阵型分布发光二极管单元，以及分布在两两相邻发光二极管单元之间，网状型分布多个深沟203。

如上所述，根据本实施例发光二极管阵列，其网状分布型多个源沟内，是具有可以阻绝光线的光学隔离结构。此一光学隔离结构可用以反射每一发光二极管单元的T类光线，使其无法透射到相邻发光二极管单元内，以避免产生串讯现象。此一光学隔离结构制作方法，请参考图5A步骤3至图5B步骤7，以下将就其内容详细说明如下。

首先，以化学气相沉积技术于此芯片表面上，沉积一层二氧化硅或氮化硅类材料，以作为第一绝缘层204(参见图5A，步骤3)。制作此第一绝缘层目的是为了杜绝各个发光二极管单元本身PN接口层两端，或发光二极管单元间发生短路问题。

接着，再于此第一绝缘层204表面上沉积一层金或铝类的金属膜，以作为第一反光性金属层205(参见图5A，步骤4)。

之后，以平坦化工艺于此芯片整体表面上，旋涂一层玻璃液(SOG，Spin On Glass)，以填满多个网状型分布深沟203，并构成第二绝缘层206(参见图5A，步骤5)。经过烘烤后，以熟知蚀刻技术对此芯片进行全面性回蚀，直到多个发光二极管单元表面第一反光性金属层205露出为止，使此芯片的表面具有一平坦化之结构(参见图5B，步骤6)。其中，上述的旋涂玻璃液(SOG)亦可以聚醯亚胺(Polyimide)材料取代，并达同样平坦化及绝缘功能。

之后，再将此芯片进行全面性金属蚀刻，将多个发光二极管单元表面第一反光性金属层去除，使其PN接口层202表面曝露出来(参见图5B，步骤7)。留于多个网状型分布深沟203内的第一反光性金属层205，将可反射来自相邻的发光二极管单元T类光线，使其不会透射到另一发光二极管单元区域内。

依上述方式制作第一绝缘层204、第一反光性金属层205以及第二绝缘层206，将可于两两相邻发光二极管单元间深沟内，构成一光学隔离结构。此一光学隔离结构的深度将会大于每一发光二极管单元PN接口层202高度，且其中包含一反光性金属层。因此，当每一发光二极管单元发射光线，以侧向方式行进时，会依序透过其相邻第一绝缘层，照射到第一反光性金属层205之上，之后，再经由第一反光性金属层205反射回原发光区域内。此外，此发光二极管阵列基板材料，是为能隙低于多个发光二极管单元PN接口层202(注：此PN接口层202是由砷化铝镓构成，GaAlAs)砷化镓(GaAs)材料，因此，每一发光二极管单元向下放射B类光线，会被底部能隙较低砷化镓基板吸收而衰减。是故，本发明发光二极管阵列结构，将可有效地避免一般习用发光二极管阵列常见串讯问题。

接着，在制作每一发光二极管单元金属连线前，先于此芯片整体表面上沉积一层垫层207，使其覆盖于多个发光二极管单元及多个深沟203之上(参见图5B，步骤8)。

然后再以熟知蚀刻平板印刷技术，于多个发光二极管表面垫层上，以第二道光罩定义出多个接触窗208面积，经过曝光、显影后，再以熟知蚀刻技术，将曝露出垫层表面及第一绝缘层表面进行蚀刻，使该接触窗208部分PN接口层表面曝露出来(参见图5C，步骤9)。

将芯片表面光阻去除，并进行湿式清洗。

于芯片整体表面上，沉积一层铝金属层，并以熟知蚀刻平板印刷技术，以第三道光罩定义出多个金属连线209之面积。经过曝光、显影后，再以熟知蚀刻技术，将曝露出铝金属层去除，以制作出多个金属连线209(参见图5C，步骤10)。

将芯片表面的光阻去除，并进行湿式清洗。

于此芯片背面，沉积一层铝金属层，以作为底部金属层210(参见图5C，步骤11)。

最后所形成发光二极管阵列结构，如图6所示。为了方便说明，图中仅绘制数个发光二极管单元。如图所示，可见单一发光二极管单元周围，被网状型分布深沟203所围绕，且此一发光二极管单元下方，为一能隙较低基板201，及底部金属层210。此一发光二极管表面的铝金属连线209，将可导入一电流，使构成此一发光二极管单元PN接口层202，放射出一光源。由此发光二极管所放射出之光，将以放射状方式向外传送。如图1所示，在常用发光二极管阵列中，向两侧放射T类光线及向下放射之B类光线将造成串讯(cross talk)现象的发生。然而在本发明发光二极管阵列中，如图4所示，一发光二极管单元T类光线，在其到达此发光二极管单元的周围壁面时，将会被周围深沟203内的第一反光性金属层反射。而向下放射B类光线，将会被底部较低能隙基板所吸收而衰减。

所以，根据本发明方法所制作发光二极管阵列，将可避免常用的发光二极管阵列中，所常见串讯问题。同时，不同于常用工艺，以封装技术将多个独立发光二极管单元组装在一起方式，本发明以半导体工艺，将此发光二极管阵列制作于同一芯片上。依此方式，将可简化此发光二极管阵列工艺，进而节省此发光二极管阵列制作成本。

虽然本发明的较佳实施例已说明如前，然而在不背离本发明精神与范围内，其仍可作多样之修改与变化。

图示的简单说明：

图1为常用发光二极管阵列，串讯发生途径示意图；

图2为本发明较佳实施例2×N型发光二极管阵列平面图；

图3为本发明较佳实施例N×N矩阵型发光二极管阵列平面图；

图4为本发明较佳实施例2×N型发光二极管阵列横剖面图；

图5A至5C为本发明较佳实施例发光二极管阵列制作流程图；

图6为本发明较佳实施例2×N型发光二极管阵列立体剖面图。

图中符号说明：

201基板

202PN接口层

203深沟

204第一绝缘层

205第一反光性金属层

206第二绝缘层

207垫层

208接触窗

209金属连线

210底部金属层

Claims (12)

1.一种具有光学隔离结构的发光二极管阵列，包含：

一基板，此基板为一低能隙半导体芯片；

多个发光二极管单元，位于该基板之上，其中，每一发光二极管单元是包含一PN接口层，且由一能隙高于该基板能隙半导体材料构成；

多个深沟，位于该基板之上，且每一深沟皆是介于每两两相邻该发光二极管单元之间，用以分隔该多个发光二极管单元，其中，每一深沟深度大于该发光二极管单元高度；

一第一绝缘层，覆盖于该多个发光二极管单元及该多个深沟内表面上；

一第一反光性金属层，覆盖于该多个深沟内该第一绝缘层表面上；

一第二绝缘层，配置于该多个深沟内该第一反光性金属层表面上，用以填满该多个深沟；

一垫层，覆盖于该多个发光二极管单元第一绝缘层，及该多个深沟第二绝缘层之表面上；

多个接触窗，位于该多个发光二极管单元之上，用以穿透该垫层及该第一绝缘层，使该多个发光二极管单元部分表面曝露出来；

多个金属配线，是连接至曝露于该多个接触窗内该多个发光二极管表面；以及

一底部金属层，系位于该基板底部。

2.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，其中，构成该基板材料为III-V族化合物半导体。

3.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，其中，构成该多个发光二极管单元PN接口层材料为能隙高于该基板材料III-V族化合物半导体。

4.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，其中，该第一绝缘层材料是为氮化硅或二氧化硅。

5.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，其中，该第二绝缘层材料为聚醯亚胺或玻璃液。

6.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，此发光二极管阵列用于打印机头发光组件。

7.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，此发光二极管阵列用于抬头显示器所使用红、蓝与绿色发光组件。

8.一种具有光学隔离结构发光二极管阵列制造方法，此制造方法包含以下步骤：

以一较低能隙半导体芯片作为一基板；

于该基板上以磊晶技术成长一层较高能隙磊晶层；

于该磊晶层上进行PN接口制作，使其成为一PN接口层；

依设计准则，以蚀刻平板印刷技术于该PN接口层表面上定义出多个发光二极管单元面积；

以蚀刻技术对未覆盖光阻该PN接口层及该基板进行蚀刻，以制作出该多个发光二极管单元及多个深沟；

于该多个发光二极管单元及该多个深沟整体表面上，以等离子体辅助化学气相沉积技术(PECVD)沉积一层绝缘层，以构成第一绝缘层；

于该多个发光二极管单元及该深沟整体表面上该第一绝缘层表面上，沉积一层金属层，以构成第一反光性金属层；

于该多个发光二极管单元及该深沟整体表面上该第一反光性金属层表面上，再旋涂一层绝缘层，以填满该多个深沟，构成第二绝缘层；

以蚀刻技术进行全面性回蚀，以去除该多个深沟内部以外该第二绝缘层，使此基板上部表面平坦化；

以蚀刻技术对曝露于基板表面第一反光性金属层，进行全面性蚀刻；

于该多个发光二极管单元及该多个深沟整体表面上，沉积一层垫层；

依设计准则，以蚀刻平板印刷技术于该多个发光二极管单元该垫层表面上，定义出多个接触窗面积；

以蚀刻技术去除部分该多个发光二极管单元表面该第一绝缘层及该垫层，以制作出该多个接触窗；

于该多个发光二极管单元及该多个深沟整体表面上，沉积一金属层；

依设计准则，以蚀刻平板印刷技术于该多个发光二极管单元及该多个深沟表面该金属层上，定义出多个金属连线面积；

以蚀刻技术去除部分该发光二极管单元及该多个深沟表面上该金属层，以制作出多个该金属连线；以及

于该基板底部表面上，再沉积一金属层以构成底部金属层。

9.根据权利要求8所述的发光二极管阵列制造方法，其中，构成该基板材料为III-V族化合物半导体。

10.根据权利要求8所述的发光二极管阵列制造方法，其中，构成该多个发光二极管单元PN接口层材料为能隙高于该基板材料III-V族化合物半导体。

11.根据权利要求8所述的发光二极管阵列的制造，其中，该第一绝缘层材料是为氮化硅或二氧化硅。

12.根据权利要求8所述的发光二极管阵列制造方法，其中，该第二绝缘层材料为聚醯亚胺或玻璃液。

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