JP7442671B2 - フルカラー発光ダイオード構造及びその製造方法 - Google Patents

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Description

＜関連出願の相互引用＞
本発明は、出願日が２０２０年５月５日であり、発明名称が「フルカラーマイクロＬＥＤマイクロディスプレイ（Ｆｕｌｌ ｃｏｌｏｒ ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤ ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｙ）」である米国仮特許出願第６３/０２０,０６１号の優先権の利益を主張すると同時に、出願日が２０２１年４月２９日であり、発明名称が「フルカラー発光ダイオード構造及びその製造方法（ＦＵＬＬ Ｃｏｌｏｒ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ）」である米国公式特許出願第１７/２４４，１４７号の優先権の利益を主張し、その開示内容を参照により全体として本明細書に組み込む。
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造及び当該発光ダイオード構造を製造する方法に関し、具体的には、フルカラー発光ダイオード構造及びその製造方法に関する。
近年、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、照明用途で普及している。光源として、ＬＥＤは、より高い光効率、より低いエネルギー消費、より長い使用寿命、より小さいサイズ、より速いスイッチング速度など、多くの利点がある。
マイクロサイズのＬＥＤを有するディスプレイはマイクロＬＥＤ（ｍｉｃｒｏ－ＬＥＤ）と呼ばれる。マイクロＬＥＤディスプレイは、単一のピクセル要素を形成するマイクロＬＥＤアレイを有する。ピクセルはディスプレイ上の小さな照明領域であってもよく、多くのこのような照明領域が１枚の画像を構成する。言い換えれば、ピクセルは、ディスプレイ上の画像を一緒に構成する小さな個別の要素である。ピクセルは一般に２次元（２Ｄ）マトリックスに配列され、ドット、正方形、長方形または他の形状で表される。ピクセルは、ディスプレイまたはデジタル画像の基本的な構成ブロックであり、幾何学的座標を持つことができる。
フルカラー画像を形成するとき、ピクセルは、異なる色の光を放出する複数のサブピクセルにより構成されることができ、各サブピクセルは、それぞれ異なる色の光を放出するように制御または駆動されることができる。色が異なるＬＥＤは製造プロセスまたは材料が異なるため、フルカラーＬＥＤディスプレイを製造するとき、異なる色の光を放出するサブピクセルは別々で製造される。次に、サブピクセルが統合されてフルカラーピクセルが形成される。しかしながら、製造プロセスにおいて複数のサブピクセルＬＥＤを統合することでフルカラーピクセルを形成することは困難であり、マイクロＬＥＤメサが小さくなるほど当該課題がさらに深刻になる。高解像度のマイクロディスプレイの場合、物質移動方法によって同じプラットフォームに複数のマイクロＬＥＤを集積することはほぼ不可能である。
本発明の実施例は、上述の問題を解決するためのフルカラー発光ダイオード構造及びその製造方法を提供し、それによって、物質移動の欠陥を避けて異なる色を発光する複数のサブピクセルを同じプラットフォーム上に集積することができる。
本明細書は、発光ダイオード構造及び発光ダイオード構造を製造する方法の実施例を開示する。
１つの例においては、発光ダイオード構造を開示する。当該発光ダイオード構造は、基板と、第１半導体層と、第２半導体層と、色変換層と、を含む。第１半導体層は、基板上に形成され、第１半導体層は、自身の内部に形成された第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットを含む。第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットは、第１色の光を放出する。第２半導体層は、第１半導体層の上方に形成され、第２半導体層は、自身の内部に形成された第３発光ダイオードユニットを含む。第３発光ダイオードユニットは、第２色の光を放出し、第２色は、第１色と異なる。色変換層は、第１発光ダイオードユニット上に形成されて、第１色の光を第３色の光に変換し、第３色は、第１色及び第２色のいずれとも異なる。
もう１つの例においては、発光ダイオード構造を開示する。当該発光ダイオード構造は、基板と、基板上に形成された複数の発光ダイオードユニットと、を含む。各発光ダイオードユニットは、第１ドープ半導体層と、第１ドープ半導体層上に形成された多重量子井戸（ＭＱＷ）層と、多重量子井戸層上に形成された第２ドープ半導体層と、を含む。複数の発光ダイオードユニットは、基板上に形成された、互いに水平に隣接する第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットを含む。第１発光ダイオードユニットの第２ドープ半導体層は、第１ドープ半導体層及び多重量子井戸層の上方に形成されたイオン注入材料によって、第２発光ダイオードユニットの第２ドープ半導体層と電気的に分離される。複数の発光ダイオードユニットは、イオン注入材料の上方に形成された第３発光ダイオードユニットをさらに含む。
もう１つの例においては、発光ダイオード構造を製造する方法を開示する。第１基板上に第１半導体層が形成される。第１半導体層は、第１ドープ半導体層と、第１ドープ半導体層上に位置する第１多重量子井戸（ＭＱＷ）層と、第１多重量子井戸層上に位置する第２ドープ半導体層とを含む。第１注入操作が実行されて、第２ドープ半導体層内に第１注入領域及び第１非注入領域が形成される。第１半導体層上に第２半導体層が形成される。第２半導体層は、第３ドープ半導体層と、第３ドープ半導体層上に位置する第２多重量子井戸層と、第２多重量子井戸層上に位置する第４ドープ半導体層とを含む。第２注入操作が実行されて、第４ドープ半導体層内に第２注入領域及び第２非注入領域が形成される。第１エッチング操作が実行されて、第２半導体層の一部が除去されて第２ドープ半導体層内の少なくとも第１非注入領域が露出する。第２エッチング操作が実行されて、第１基板内に形成された駆動回路の複数の接点が露出する。第２ドープ半導体層内の第１非注入領域及び第４ドープ半導体層内の第２非注入領域は、複数の接点と電気的に接続される。
本明細書に組み込まれて明細書の一部を構成する図面は、本発明の実施形態を示し、明細書と一緒に本発明をより詳しく解釈し、当業者が本発明を実現及び使用できるようにする。
本発明のいくつかの実施形態による例示的な発光ダイオード構造の上面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による例示的な発光ダイオード構造を示す断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるもう１つの例示的な発光ダイオード構造の上面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるもう１つの例示的な発光ダイオード構造の断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による発光ダイオード構造の製造プロセスの異なる段階における例示的な発光ダイオード構造の断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による発光ダイオード構造の製造プロセスの異なる段階における例示的な発光ダイオード構造の上面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による発光ダイオード構造を製造するための例示的な方法のフローチャートを示す。 本発明のいくつかの実施形態による例示的な発光ダイオード構造の上面図を示す。
以下、図面を参考して、本発明の実施形態を説明する。具体的な構成及び配置が記載されるが、ここでの記載は説明のためのものに過ぎないことを理解すべきである。したがって、本発明の範囲から逸脱しない前提で、他の構成及び配置が使用されることができる。さらに、本発明は、さまざまな他の用途にも適用されることができる。本発明に記載の機能的及び構造的な特徴は、図面に具体的に示されていない方式で互いに組み合わせ、調整、及び変更されることができ、このような組み合わせ、調整、及び変更も本発明の範囲に属するべきである。
一般に、用語は少なくとも部分的に文脈の用法に基づいて理解されることができる。例えば、本明細書で使用される「１つまたは複数」のような用語は、少なくとも部分的に、文脈に応じて、任意の部品、構造、または特徴を単数形で記述するか、または、部品、構造、または特徴の組み合わせを複数形で記述するために使用され得る。同様に、「１」、「１つ」、「当該」などの用語についても、単数として使用されるかまたは複数として使用されるかを少なくとも部分的に文脈に応じて理解することができる。また、「に基づいて」のような用語は、排他的な一連の要因を表すことを必ずしも意図しておらず、少なくとも部分的に、文脈に応じて、必ずしも明示的に記述する必要のない付加の要素を代替的に許す。
本発明における「…上に」、「…の上に」及び「…上面に」の意味は、最も広い意味で解釈される。「…上に」は、「直接」ある物の「上にある」を意味するのみでなく、両者の間にある中間部品や層の「上に」あることも意味することができる。また、「ある物の上にある」または「ある物の上面にある」が「ある物の上にある」または「ある物の上面にある」を意味するのみでなく、両者の間に存在する中間部品や層の「上にある」または「上面にある」（すなわち、直接ある物の上にある）も意味すべきであると、容易に理解すべきである。
さらに、説明を容易にするために、本明細書で、「…の下面に」、「…の下の」、「…の下部」、「…の上に」、「…の上部」などの空間的に相対的な用語を使用して、１つの要素または部品と、図面に示す他の要素または部品との関係を記載することがある。図面に記載される向きに加えて、空間的に相対的な用語は、装置の使用中または操作中の向きも含むことを意図している。デバイスは、他の方式で向きが決められてもよく（９０°回転されるか、または他の向きに決められてもよく）、本明細書で使用される空間的に相対的な用語も同様に、それに応じて解釈され得る。
本明細書で使用される「層」のような用語は、一定の厚さを有する領域の材料の部分を指す。層は、全体的な下層構造または上層構造において延在するか、または下層構造または上層構造よりも範囲が小さくてもよい。なお、層は、均一または不均一な連続構造の領域であってもよく、その厚さは連続構造の厚さよりも小さい。例えば、層は、連続構造の上面と底面との間、またはそれらの間の任意の１対の水平面の間に位置することができる。層は、水平、垂直、及び／またはテーパ面に沿って延在することができる。基板は１つまたは複数の層を含む層であってもよく、及び/または、その上、その上面、及び/またはその下には１つまたは複数の層が配置されてもよい。１つの層は複数の層を含み得る。例えば、半導体層は、１つまたは複数のドープまたは非ドープの半導体層を含んでもよく、同一または異なる材料からなってもよい。
本明細書で使用される「基板」のような用語は、その上に後続の材料層が追加される部材を指す。基板自体は、パターン化されることができる。基板の上部に追加された材料は、パターン化されていてもよく、パターン化されていないままであってもよい。なお、基板は、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウムなどの多種多様な半導体材料を含み得る。代替的に、基板は、ガラス、プラスチックまたはサファイアウェーハなどの非導電性材料で作成されてもよい。さらに、基板は、その中に形成された半導体装置または回路を有してもよい。
本明細書で使用される「マイクロ」ＬＥＤ、「マイクロ」ｐ－ｎダイオード、または「マイクロ」装置のような用語は、本発明の実施形態による特定の装置または構造の説明的なサイズを指す。本明細書で使用される「マイクロ」装置または構造のような用語は、０.１から１００μｍのスケールを指すことを意図している。しかしながら、本発明の実施形態は、かならずしもこれに限定されなく、実施形態の特定の態様は、より大きなサイズスケール及びより小さいサイズスケールに適用できることを理解すべきである。
本発明の実施形態は、フルカラー発光ダイオード構造またはフルカラーマイクロ発光ダイオード構造、及び、当該構造を製造するための方法を説明する。フルカラーマイクロＬＥＤディスプレイ装置を製造するために、異なる発光色（たとえば赤、緑、青）を有する複数のサブピクセルが一体に形成されて１つのフルカラーピクセルを構成する。サブピクセルマイクロＬＥＤは、１つのまたは複数の駆動回路によって個別に駆動されて、それぞれ対応するカラースケールで原色を放出する。肉眼は、複数のサブピクセルで構成されたフルカラーピクセルのフルカラー領域を見ることができる。
異なる色（たとえば３原色）を放出する複数のサブピクセルＬＥＤまたはマイクロＬＥＤを同じ基板上に一体に形成するために、発光ダイオードユニットの積層構造が開示される。当該発光ダイオードユニットは略平坦な上面を有して積層構造を実現することができる。発光ダイオードユニットの２つの層は、２つの異なる色を放出する。なお、色変換層は、１つ目の層における１つの発光ダイオードユニット上に堆積されて、発光ダイオードユニットの発光色を異なる第３色に変換する。
図１は、本発明のいくつかの実施形態による例示的な発光ダイオード構造１００の上面図を示す。図２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による発光ダイオード構造１００の線Ａ－Ａ’に沿った断面図を示し、図２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による発光ダイオード構造１００の線Ｂ－Ｂ’に沿った断面図を示す。本発明をより明確に説明するために、図１の発光ダイオード構造１００の上面図と、図２Ａないし図２Ｂの発光ダイオード構造１００の断面図とを一緒に説明する。
図１、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、発光ダイオード構造１００は、第１基板１０２と、第１基板１０２上に形成された第１半導体層１０４と、第１半導体層１０４上に形成された第２半導体層１０６と、を含む。第１半導体層１０４は、第１発光ダイオードユニット１０８と第２発光ダイオードユニット１１０とを含み、第２半導体層１０６は、第３発光ダイオードユニット１１２を含む。第１発光ダイオードユニット１０８と第２発光ダイオードユニット１１０とは、同じ水平高さにあり、互いに水平に隣接している。第３発光ダイオードユニット１１２は、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の上方に位置する第２半導体層１０６内に形成される。
第１基板１０２は、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、ゲルマニウム、ヒ化ガリウムまたはリン化インジウムなどの半導体材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１基板１０２は、ガラス、プラスチックまたはサファイアのウェーハなどの非導電性材料により形成されてもよい。いくつかの実施形態において、第１基板１０２は、自身の内部に形成された駆動回路を有してもよく、第１基板１０２は、ＣＭＯＳバックプレーンまたはＴＦＴガラス基板であってもよい。駆動回路は、輝度を制御するために、発光ダイオード構造１００に電子信号を提供する。いくつかの実施形態において、駆動回路は、１つのアクティブマトリックス駆動回路を含んでもよく、当該アクティブマトリックス駆動回路における各発光ダイオードユニットはそれぞれ、１つの独立したドライバに対応する。いくつかの実施形態において、駆動回路は、１つのパッシブマトリックス駆動回路を含んでもよく、当該アクティブマトリックス駆動回路における複数の発光ダイオードユニットは、アレイ状に配列されるとともに、駆動回路により駆動されるデータ線及びスキャン線に接続される。
第１半導体層１０４は、第１ドープ半導体層１１４と、第１ドープ半導体層１１４上に形成された第１多重量子井戸（ＭＱＷ）層１１６と、第１多重量子井戸層１１６上に形成された第２ドープ半導体層１１８と、を含む。いくつかの実施形態において、第１ドープ半導体層１１４及び第２ドープ半導体層１１８は、ＩＩ－ＶＩ族材料（ＺｎＳｅまたはＺｎＯなど）またはＩＩＩ－Ｖ族窒化物材料（ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、及びその合金など）から形成される１つのまたは複数の層を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１ドープ半導体層１１４は、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０に跨って延在して第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の共通アノードを形成するｐ型半導体層であってもよい。いくつかの実施形態において、第１ドープ半導体層１１４は、ｐ型ＧａＮを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１ドープ半導体層１１４は、ＧａＮにマグネシウム（Ｍｇ）をドープすることによって形成されることができる。いくつかの実施形態において、第１ドープ半導体層１１４は、ｐ型ＩｎＧａＮを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１ドープ半導体層１１４は、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰを含んでもよい。
複数の発光ダイオードユニット（たとえば、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０）に跨って連続している第１ドープ半導体層１１４の薄い層を備えることによって、第１基板１０２と複数の発光ダイオードユニットとの間の接合領域が拡大される。したがって、第１基板１０２と複数の発光ダイオードユニットとの間の接合強度が向上して、発光ダイオード構造１００が剥がれるリスクが低減できる。
いくつかの実施形態において、第２ドープ半導体層１１８は、ｎ型半導体層であってもよく、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０のカソードを形成することができる。いくつかの実施形態において、第２ドープ半導体層１１８は、ｎ型ＧａＮを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第２ドープ半導体層１１８は、ｎ型ＩｎＧａＮを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第２ドープ半導体層１１８は、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰを含んでもよい。異なる発光ダイオードユニット（たとえば、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０）の第２ドープ半導体層１１８は、電気的に分離され、したがって、各発光ダイオードユニットはいずれも、他のユニットとレベルが異なる可能性があるカソードを有する。第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０は、第１ドープ半導体層１１４と第２ドープ半導体層１１８の間に形成された第１多重量子井戸層１１６をさらに含む。第１多重量子井戸層１１６は、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０のアクティブ領域である。
開示された実施形態の結果として、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０は、それらの第１ドープ半導体層１１４が隣接する発光ダイオードユニットに跨って水平に延在するように形成され、それらの第２ドープ半導体層１１８が隣接する発光ダイオードユニットから電気的に分離されるように形成される。第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の第２ドープ半導体層１１８は、第１イオン注入材料１２０における注入領域により分離される。また、第１イオン注入材料１２０における非注入領域は、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の発光領域を画定することができる。いくつかの実施形態においては、第２ドープ半導体層１１８内にイオン材料を注入することによって第１イオン注入材料１２０を形成することができる。いくつかの実施形態においては、第２ドープ半導体層１１８内にＨ＋、Ｈｅ＋、Ｎ＋、Ｏ＋、Ｆ＋、Ｍｇ＋、Ｓｉ＋またはＡｒ＋のイオンを注入して第１イオン注入材料１２０を形成することができる。いくつかの実施形態においては、第２ドープ半導体層１１８に１つまたは複数のイオン材料を注入して第１イオン注入材料１２０を形成することができる。第１注入材料１２０は、電気絶縁性の物理的特性を有する。第２ドープ半導体層１１８の所定の領域内にイオン材料を注入することにより、所定の領域内の第２ドープ半導体層１１８の材料を第１イオン注入材料１２０に変換することができ、第１イオン注入材料１２０によって、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の第２ドープ半導体層１１８は互いに電気的に分離される。
いくつかの実施形態において、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１イオン注入材料１２０の注入深さは、第１多重量子井戸層１１６の上方で停止するように制御されることができる。いくつかの実施形態において、第１イオン注入材料１２０の注入深さは、第１多重量子井戸層１１６を貫通せず、第１イオン注入材料１２０が第１ドープ半導体層１１４に接触しないように制御されることができる。図２Ａ及び図２Ｂに示す第１イオン注入材料１２０の位置、形状及び深さは例示的なものに過ぎず、限定的なものではないため、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更もすべて本発明の範囲に属するべきである。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１半導体層１０４は、第１接合層１２２を介して第１基板１０２に接合されることができる。第１接合層１２２は、第１基板１０２上に形成されて第１基板１０２と第１半導体層１０４とを接合するための接着材料からなる層である。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、金属または金属合金などの導電性材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、ＣｕまたはＴｉを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、ポリイミド（ＰＩ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの非導電性材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、ＳＵ－８フォトレジストなどのフォトレジストを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）またはジビニルシロキサン－ビス－ベンゾシクロブテン（ＤＶＳ－ＢＣＢ）であってもよい。第１接合層１２２の材料に対する記載は、例示的なものに過ぎず、限定的なものではないため、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更もすべて本発明の範囲に属するべきである。
発光ダイオード構造１００は、第１半導体層１０４と第１接合層１２２との間に形成された第１反射層１２４をさらに含んでもよい。第１反射層１２４は、第１接合層１２２上に形成される。いくつかの実施形態において、第１反射層１２４は、反射性を有するｐ型オーム接触層を含んでもよい。第１反射層１２４は、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０から第１接合層１２２への電流伝導を提供することができる。第１反射層１２４は、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０により放出される光を反射する金属ミラーとしても機能することができる。いくつかの実施形態において、第１反射層１２４は、銀、アルミニウム、金及びそれらの合金などの、反射率の高い金属または金属合金層であってもよい。なお、第１反射層１２４の材料に対する記載は、例示的なものに過ぎず、限定的なものではなく、他の材料も考えられてもよく、これらはすべて本発明の範囲に属するべきである。
第２半導体層１０６は、第１半導体層１０４の上方に形成される。第２半導体層１０６は、第３ドープ半導体層１２６と、第３ドープ半導体層１２６上に形成された第２多重量子井戸層１２８と、第２多重量子井戸層１２８上に形成された第４ドープ半導体層１３０と、を含む。
いくつかの実施形態において、第３ドープ半導体層１２６及び第４ドープ半導体層１３０は、ＩＩ－ＶＩ族の材料（ＺｎＳｅまたはＺｎＯなど）またはＩＩＩ－Ｖ族の窒化物材料（ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ及びそれらの合金など）から形成される１つまたは複数の層を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第３ドープ半導体層１２６は、ｐ型半導体層であってもよい。いくつかの実施形態において、第３ドープ半導体層１２６は、ｐ型ＧａＮを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第３ドープ半導体層１２６は、ＧａＮにマグネシウム（Ｍｇ）をドープすることによって形成されることができる。いくつかの実施形態において、第３ドープ半導体層１２６は、ｐ型ＩｎＧａＮを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第３ドープ半導体層１２６は、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰを含んでもよい。
いくつかの実施形態において、第４ドープ半導体層１３０は、ｎ型半導体層であってもよく、第３発光ダイオードユニット１１２のカソードを形成する。いくつかの実施形態において、第４ドープ半導体層１３０は、ｎ型ＧａＮを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第４ドープ半導体層１３０は、ｎ型ＩｎＧａＮを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第４ドープ半導体層１３０は、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰを含んでもよい。第３発光ダイオードユニット１１２は、第３ドープ半導体層１２６と第４ドープ半導体層１３０との間に形成された第２多重量子井戸層１２８をさらに含む。第２多重量子井戸層１２８は、第３発光ダイオードユニット１１２のアクティブ領域である。
第２イオン注入材料１３２は、第３発光ダイオードユニット１１２の第４ドープ半導体層１３０内に形成されて、第３発光ダイオードユニット１１２の発光領域を画定することができる。いくつかの実施形態においては、第４ドープ半導体層１３０内にイオン材料を注入することによって第２イオン注入材料１３２を形成することができる。いくつかの実施形態においては、第４ドープ半導体層１３０内に、Ｈ＋、Ｈｅ＋、Ｎ＋、Ｏ＋、Ｆ＋、Ｍｇ＋、Ｓｉ＋またはＡｒ＋のイオンを注入して第２イオン注入材料１３２を形成することができる。いくつかの実施形態においては、第４ドープ半導体層１３０に１つまたは複数のイオン材料を注入して第２イオン注入材料１３２を形成することができる。第２イオン注入材料１３２は、電気絶縁性の物理的特性を有する。第４ドープ半導体層１３０の所定の領域内にイオン材料を注入することによって、所定の領域内の第４ドープ半導体層１３０の材料を第２イオン注入材料１３２に変換することができる。
いくつかの実施形態において、第２イオン注入材料１３２の注入深さは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第２多重量子井戸層１２８の上方にあるように制御されることができる。いくつかの実施形態において、第２イオン注入材料１３２の注入深さは、第２多重量子井戸層１２８を貫通せず、第２イオン注入材料１３２が第３ドープ半導体層１２６に接触しないように制御されることができる。図２Ａ及び図２Ｂに示す第２イオン注入材料１３２の位置、形状及び深さは例示的なものに過ぎず、限定的なものではなく、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更もすべて本発明の範囲に属するべきである。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第２半導体層１０６は、第２接合層１３４を介して第１半導体層１０４上に接合されることができる。第２接合層１３４は、第１半導体層１０４上に形成されて第２半導体層１０６と第１半導体層１０４とを接合するための接着材料からなる層である。いくつかの実施形態において、第２接合層１３４は、金属または金属合金などの導電性材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第２接合層１３４は、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、ＣｕまたはＴｉを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第２接合層１３４は、ポリイミド（ＰＩ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの非導電性材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第２接合層１３４は、ＳＵ－８フォトレジストなどのフォトレジストを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第２接合層１３４は、水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）またはジビニルシロキサン－ビス－ベンゾシクロブテン（ＤＶＳ－ＢＣＢ）であってもよい。第１接合層１２２の材料に対する記載は、例示的なものに過ぎず、限定的なものではなく、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更もすべて本発明の範囲に属するべきである。
発光ダイオード構造１００は、第２半導体層１０６と第２接合層１３４との間に形成された第２反射層１３６をさらに含んでもよい。第２反射層１３６は、第２接合層１３４上に形成される。いくつかの実施形態において、第２反射層１３６は、反射性を有するｐ型オーム接触層を含んでもよい。第２反射層１３６は、第３発光ダイオードユニット１１２から第２接合層１３４への電流伝導を提供することができる。第２反射層１３６は、第３発光ダイオードユニット１１２により放出される光を反射する金属ミラーとしても機能することができる。いくつかの実施形態において、第２反射層１３６は、銀、アルミニウム、金、及びそれらの合金などの、反射率の高い金属または金属合金層であってもよい。第２反射層１３６の材料に対する記載は、説明のためのものに過ぎず、限定的なものではなく、他の材料も考えられることができ、これらもすべて本発明の範囲に属するべきである。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第２半導体層１０６の一部が除去されて、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の発光領域（第２ドープ半導体層１１８）が露出する。さらに、第１半導体層１０４及び第２半導体層１０６の他の一部が除去されて、駆動回路の接点１３８が露出する。第１半導体層１０４及び第２半導体層１０６を覆うとともに第２ドープ半導体層１１８、第４ドープ半導体層１３０及び接点１３８を露出させるパッシベーション層１４０が形成される。いくつかの実施形態において、パッシベーション層１４０は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮまたは他の適切な材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、パッシベーション層１４０は、ポリイミド、ＳＵ－８フォトレジスト、または、フォトリソグラフィによりパターニング可能な他のポリマーを含んでもよい。第２ドープ半導体層１１８と接点１３８とを電気的に接続するとともに第４ドープ半導体層１３０と接点１３８とを電気的に接続するように、電極層が形成される。いくつかの実施形態において、電極層１４２は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、ＧｅまたはＮｉなどの導電性材料であってもよい。
第１イオン注入材料１２０を使用して第１発光ダイオードユニット１０８と第２発光ダイオードユニット１１０とを分離させるとともに第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の発光領域を画定することによって、発光領域（第２ドープ半導体層１１８）及び非発光領域（第１イオン注入材料１２０）の上面は面一になることができ、且つ、第１半導体層１０４の上面は略平面を維持可能である。それによって、第１半導体層１０４上に第２半導体層１０６を形成または接合することができる。
第１半導体層１０４と第２半導体層１０６とは異なる材料によって形成されるため、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０は、第１色の光を放出するように製造されることができ、第３発光ダイオードユニット１１２は、第２色の光を放出するように製造されることができる。たとえば、第１半導体層１０４がＩｎＧａＮにより形成されるかまたはマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＧａＮにより形成される場合、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０は、青色の光を放出することができる。もう１つの例として、インジウムの組成がより高いＩｎＧａＮを使用して第２半導体層１０６を形成する場合、第３発光ダイオードユニット１１２は緑色の光を放出することができる。
本発明の実施形態は、第１半導体層１０４及び第２半導体層１０６により構成される積層構造を含む。第１半導体層１０４と第２半導体層１０６とは異なる材料により形成されることができ、それによって異なる色を放出する発光ダイオードユニットが製造される。したがって、発光ダイオード構造１００は、複数の発光ダイオードユニットによって異なる色の発光を実現すると同時に、物質移動の欠陥を回避することができる。
図３は、本発明のいくつかの実施形態によるもう１つの例示的な発光ダイオード構造２００の上面図を示す。図４Ａは、本発明のいくつかの実施形態による発光ダイオード構造２００の線Ａ－Ａ’に沿った断面図を示し、図４Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による発光ダイオード構造２００の線Ｂ－Ｂ’に沿った断面図を示す。本発明をより明確に解釈するために、図３の発光ダイオード構造２００の上面図と、図４Ａ及び図４Ｂの発光ダイオード構造２００の断面図とを一緒に説明する。
発光ダイオード構造２００は、発光ダイオード構造１００に類似しており、第１基板１０２と、第１基板１０２上に形成される第１半導体層１０４と、第１半導体層１０４上に形成される第２半導体層１０６と、を含む。第１半導体層１０４は、第１発光ダイオードユニット１０８と第２発光ダイオードユニット１１０とを含み、第２半導体層１０６は、第３発光ダイオードユニット１１２を含む。第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０は、互いに水平に隣接する。第３発光ダイオードユニット１１２は、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の上方の第２半導体層１０６内に形成される。
上述したように、第１半導体層１０４の上面は略平面であり得、第２半導体層１０６は、第１半導体層１０４上に形成または接合されることができる。さらに、第１半導体層１０４と第２半導体層１０６が異なる材料で形成される場合、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０は第１色の光を放出することができ、第３発光ダイオードユニット１１２は第２色の光を放出することができる。図３及び図４Ａないし図４Ｂに示すように、色変換層１４４は、第１発光ダイオードユニット１０８上に形成される。色変換層１４４は、第１色の光を第３色に変換することができる。いくつかの実施形態において、色変換層１４４は蛍光体を含んでもよい。たとえば、色変換層１４４は、セリウム（ＩＩＩ）がドープされたＹＡＧ（ＹＡＧ：Ｃｅ３＋、またはＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋）を含んで、青色の光を吸收して赤色の光を放出することができる。いくつかの実施形態において、色変換層１４４は量子ドットを含んでもよい。たとえば、第１発光ダイオードユニット１０８上に形成された量子ドットは、青色の光を赤色の光に変換することができる。いくつかの実施形態において、異なる色の量子ドットを使用することによって、第１発光ダイオードユニット１０８の光を他の色に変換することができる。
いくつかの実施形態においては、印刷プロセスによって第１発光ダイオードユニット１０８上に色変換層１４４を形成することができる。いくつかの実施形態においては、フォトリソグラフィプロセスによって第１発光ダイオードユニット１０８上に色変換層１４４を形成することができる。色変換層１４４の材料及び製造方法の記載は、例示的なものに過ぎず、限定的なものではなく、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更もすべて本発明の範囲に属するべきである。
第１発光ダイオードユニット１０８上に色変換層１４４を形成して第１発光ダイオードユニット１０８により放出される第１色を第３色に変換することによって、発光ダイオード構造２００は少なくとも３つの異なる色を放出することができる。第１発光ダイオードユニット１０８、第２発光ダイオードユニット１１０及び第３発光ダイオードユニット１１２（すなわち３つのサブピクセル）に対してそれぞれ異なるバイアス電圧を印加すると、３原色（たとえば赤、緑及び青）により共同で形成されるフルカラーピクセルが得られる。
図５～図１５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による製造プロセスの異なる段階における例示的な発光ダイオード構造３００の断面図を示す。図１６～図２１は、本発明のいくつかの実施形態による製造プロセスの異なる段階における例示的な発光ダイオード構造３００の上面図を示す。図２２は、本発明のいくつかの実施形態による発光ダイオード構造３００を製造するための例示的な方法４００のフローチャートを示す。本発明をより明確に説明するために、図５～図１５Ｂの発光ダイオード構造３００の断面図、図１６～図２１の発光ダイオード構造３００の上面図、及び、図２２の方法４００のフローチャートを一緒に説明する。
図５に示すように、第１基板１０２内に駆動回路が形成され、当該駆動回路は複数の接点１３８を含む。たとえば、駆動回路は、シリコンウェーハ上に製造されたＣＭＯＳデバイスを含むことができ、いくつかのウェーハレベルのパッケージング層またはファンアウト構造がＣＭＯＳデバイス上に積層されて接点１３８を形成する。また、たとえば、駆動回路は、ガラス基板上に製造されたＴＦＴを含むことができ、いくつかのウェーハレベルのパッケージング層またはファンアウト構造がＴＦＴ上に積層されて接点１３８を形成する。第２基板１５０上に第１半導体層１０４が形成され、第１半導体層１０４は、第１ドープ半導体層１１４と第２ドープ半導体層１１８と第１多重量子井戸層１１６とを含む。
いくつかの実施形態において、第１基板１０２または第２基板１５０は、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウムなどの半導体材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１基板１０２または第２基板１５０は、ガラス、プラスチック、またはサファイアのウェーハなどの非導電性材料から作製されてもよい。いくつかの実施形態において、第１基板１０２は、自身の内部に形成される駆動回路を有することができ、第１基板１０２は、ＣＭＯＳバックプレーンまたはＴＦＴガラス基板を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１ドープ半導体層１１４及び第２ドープ半導体層１１８は、ＩＩ－ＶＩ族の材料（ＺｎＳｅまたはＺｎＯなど）またはＩＩＩ－Ｖ族の窒化物材料（ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ及びその合金など）に基づいた１つまたは複数の層を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１ドープ半導体層１１４はｐ型半導体層を含んでもよく、第２ドープ半導体層１１８はｎ型半導体層を含んでもよい。
図６に示すように、選択的に、第１半導体層１０４上に第１反射層１２４が形成される。いくつかの実施形態において、第１反射層１２４は、反射性を有するｐ型オーム接触層を含んでもよい。第１反射層１２４は、発光ダイオードユニットにより放出される光を反射する金属ミラーとして機能することができる。いくつかの実施形態において、第１反射層１２４は、銀、アルミニウム、金及びそれらの合金などの、反射率の高い金属または金属合金からなる層であってもよい。
そして、図２２の操作４０２においては、図７に示すように、第２基板１５０、第１反射層１２４、及び、第１ドープ半導体層１１４と第２ドープ半導体層１１８と第１多重量子井戸層１１６とを含む第１半導体層１０４を反転し、第１接合層１２２を介して第１基板１０２上に接合する。そして、第１半導体層１０４から第２基板１５０を除去する。
いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、金属または金属合金などの導電性材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、ＣｕまたはＴｉを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、ポリイミド（ＰＩ）またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの非導電性材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、フォトレジスト、たとえばＳＵ－８フォトレジストなどを含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）またはジビニルシロキサン－ビス－ベンゾシクロブテン（ＤＶＳ－ＢＣＢ）を含んでもよい。図７には第１接合層１２２の単層構造が示されるが、いくつかの実施形態において、第１接合層１２２は、第１基板１０２と第１反射層１２４とを接合するための１層または複数層を含んでもよい。たとえば、第１接合層１２２は、単層の導電性層または非導電性層を含んでもよい。もう１つの例として、第１接合層１２２は、接着層と、導電性層または非導電性層とを含んでもよい。第１接合層１２２の材料に対する記載は、例示的なものに過ぎず、限定的なものではなく、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更もすべて本発明の範囲に属するべきである。
図２２の操作４０４において、第１注入操作を実行して、第２ドープ半導体層１１８において第１注入領域１６０及び第１非注入領域１６２を形成する。図１６は、第１注入操作が実行された後の発光ダイオード構造３００の上面図を示す。図８Ａは、図１６の発光ダイオード構造３００の線Ａ－Ａ’に沿った断面図を示し、図８Ｂは、図１６の発光ダイオード構造３００の線Ｂ－Ｂ'に沿った断面図を示す。
選択的に、第１注入操作を行う前に、第２ドープ半導体層１１８が所定の厚さになるように、第２ドープ半導体層１１８に対して薄化操作を行って第２ドープ半導体層１１８の一部を除去することができる。いくつかの実施形態において、薄化操作は、ドライエッチング操作またはウェットエッチング操作を含んでもよい。いくつかの実施形態において、薄化操作は、化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、ＣＭＰと略称する）操作を含んでもよい。
第１注入操作の後に、第２ドープ半導体層１１８において第１注入領域１６０及び第１非注入領域１６２が画定される。第１非注入領域１６２の材料は、第２ドープ半導体層１１８の材料と同一であってもよい。第１注入領域１６０の材料は、第２ドープ半導体層１１８の材料から、第１注入操作によって第１イオン注入材料１２０に変換され得る。第１注入領域１６０（第１イオン注入材料１２０）は、後の工程で第１半導体層１０４において形成される発光ダイオードユニット１０８及び１１０を分離することができ、第１非注入領域１６２（第２ドープ半導体層１１８）は、後の工程で第１半導体層１０４において形成される発光ダイオードユニット１０８及び１１０の発光領域を画定することができる。
いくつかの実施形態において、第２ドープ半導体層１１８内にＨ＋、Ｈｅ＋、Ｎ＋、Ｏ＋、Ｆ＋、Ｍｇ＋、Ｓｉ＋またはＡｒ＋のイオンを注入することによって第１イオン注入材料１２０を形成することができる。いくつかの実施形態においては、第２ドープ半導体層１１８に１つまたは複数のイオン材料を注入して第１イオン注入材料１２０を形成することができる。第１イオン注入材料１２０は、電気絶縁性の物理的特性を有する。第２ドープ半導体層１１８の所定の領域内にイオン材料が注入されることによって、所定の領域内の第２ドープ半導体層１１８の材料は第１イオン注入材料１２０に変換され、第１発光ダイオードユニット１０８のＬＥＤメサと第２発光ダイオードユニット１１０のＬＥＤメサとを電気的に分離させる。
いくつかの実施形態において、第１イオン注入材料１２０は、第１多重量子井戸層１１６を貫通できない深さで第２ドープ半導体層１１８内に形成される。いくつかの実施形態において、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第１イオン注入材料１２０の注入深さを制御することによって、第１イオン注入材料１２０が第１多重量子井戸層１１６に接触しないようにする。各ＬＥＤメサの下方の第１多重量子井戸層１１６、第１ドープ半導体層１１４、第１反射層１２４及び接合層１２２は、隣接するＬＥＤメサの下方の第１多重量子井戸層１１６、第１ドープ半導体層１１４、第１反射層１２４及び接合層１２２まで水平に延在することができる。
第１イオン注入材料１２０を使用して第１発光ダイオードユニット１０８と第２発光ダイオードユニット１１０とを分離するとともに第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の発光領域を画定することによって、発光領域（第２ドープ半導体層１１８）の上面と非発光領域（第１イオン注入材料１２０）の上面とは面一になることができ、第１半導体層１０４の上面も略平面を維持可能である。それによって、後の工程で第１半導体層１０４上に他の半導体層（第２半導体層１０６）を形成または接合することができる。
図２２の操作４０６において、図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、第１半導体層１０４上に第２半導体層１０６を形成する。第２半導体層１０６は、第３ドープ半導体層１２６と、第３ドープ半導体層１２６上の第２多重量子井戸層１２８と、第２多重量子井戸層１２８上の第４ドープ半導体層１３０と、を含む。第１半導体層１０４の製造プロセスと類似するように、第２半導体層１０６はまず第３基板（図示せず）上に形成されることができ、第２反射層１３６は選択的に第２半導体層１０６上に形成されてもよい。そして、第３基板、第２半導体層１０６及び第２反射層１３６を反転して第２接合層１３４を介して第１半導体層１０４に接合する。その後、第２半導体層１０６から第３基板を除去する。
図２２の操作４０８を参照すると、第２注入操作を実行して、第４ドープ半導体層１３０において第２注入領域１６４及び第２非注入領域１６６を形成する。図１７は、第２注入操作が実行された後の発光ダイオード構造３００の上面図を示す。図１０Ａは、図１７の発光ダイオード構造３００の線Ａ－Ａ'に沿った断面図を示し、図１０Ｂは、図１７の発光ダイオード構造３００の線Ｂ－Ｂ'に沿った断面図を示す。
選択的に、第２次注入操作を行う前に、第４ドープ半導体層１３０が所定の厚さになるように、第４ドープ半導体層１３０に対して薄化操作を実行して第４ドープ半導体層１３０の一部を除去することができる。いくつかの実施形態において、薄化操作は、ドライエッチングまたはウェットエッチング操作を含んでもよい。いくつかの実施形態において、薄化操作は、化学機械研磨（ＣＭＰ）操作を含んでもよい。
第２注入操作の後に、第４ドープ半導体層１３０において第２注入領域１６４及び第２非注入領域１６６を画定する。第２非注入領域１６６内の材料は、第４ドープ半導体層１３０の材料と同一であってもよい。第２注入領域１６４の材料は第４ドープ半導体層１３０から、第２注入操作によって、第２イオン注入材料１３２に変換され得る。第２注入領域１６４（第２イオン注入材料１３２）は、後の工程で第２半導体層１０６内に形成される第３発光ダイオードユニット１１２と他の発光ダイオードユニットとを分離させることができ、第２非注入領域１６６（第４ドープ半導体層１３０）は、後の工程で第２半導体層１０６内に形成される第３発光ダイオードユニット１１２の発光領域を画定することができる。
いくつかの実施形態において、第４ドープ半導体層１３０内にＨ＋、Ｈｅ＋、Ｎ＋、Ｏ＋、Ｆ＋、Ｍｇ＋、Ｓｉ＋またはＡｒ＋のイオンを注入することによって第２イオン注入材料１３２を形成することができる。いくつかの実施形態においては、第４ドープ半導体層１３０に１つまたは複数のイオン材料を注入して第２イオン注入材料１３２を形成することができる。第２イオン注入材料１３２は、電気絶縁性の物理的特性を有する。第４ドープ半導体層１３０の所定の領域内にイオン材料を注入することによって、所定の領域内の第４ドープ半導体層１３０の材料を第２イオン注入材料１３２に変換するとともに、第３発光ダイオードユニット１１２のＬＥＤメサと他の発光ダイオードユニットのＬＥＤメサとを電気的に分離させることができる。
いくつかの実施形態において、第２イオン注入材料１３２は、その深さが第２多重量子井戸層１２８を貫通できないように、第４ドープ半導体層１３０内に形成されることができる。いくつかの実施形態において、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、第２イオン注入材料１３２の注入深さを制御することによって、第２イオン注入材料１３２が第２多重量子井戸層１２８に接触しないようにすることができる。
図２２の操作４１０において、第１エッチング操作を行うことによって、第２半導体層１０６の一部、第２反射層１３６の一部及び第２接合層の一部を除去して第２ドープ半導体層１１８の少なくとも第１非注入領域１６２を露出させる。図１８は、第１エッチング操作が実行された後の発光ダイオード構造３００の上面図を示す。図１１Ａは、図１８の発光ダイオード構造３００の線Ａ－Ａ'に沿った断面図を示す。図１１Ｂは、図１８の発光ダイオード構造３００の線Ｂ－Ｂ'に沿った断面図を示す。いくつかの実施形態において、第１エッチング操作は、ドライエッチング、ウェットエッチング、または他の適切なプロセスであってもよい。
図１８に示すように、第２半導体層１０６から２つの矩形領域が除去され、この２つの矩形領域は第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の領域であってもよい。露出される領域は、第２ドープ半導体層１１８と、第１イオン注入材料１２０の一部とを含む。第１エッチング操作を行うことによって、第１半導体層１０４の発光領域の上方に位置する第２半導体層１０６の一部を除去して、後の操作で露出される複数の接点１３８の上方に位置する第１半導体層１０４の一部を露出させる。図１８、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す露出された第２ドープ半導体層１１８及び第１イオン注入材料１２０の位置及び形状は、例示的なものに過ぎず、限定的なものではなく、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更もすべて本発明の範囲に属するべきである。
図２２の操作４１２において、第２エッチング操作を行うことによって、第１基板１０２内に形成された駆動回路の複数の接点１３８を露出させる。図１９は、第２エッチング操作が実行された後の発光ダイオード構造３００の上面図を示す。図１２Ａは、図１９の発光ダイオード構造３００の線Ａ－Ａ’に沿った断面図を示し、図１２Ｂは、図１９の発光ダイオード構造３００の線Ｂ－Ｂ’に沿った断面図を示す。そして、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、第１半導体層１０４及び第２半導体層１０６の上方にパッシベーション層１４０が形成され、第２ドープ半導体層１１８内の第１非注入領域１６２、第４ドープ半導体層１３０内の第２非注入領域１６６、及び複数の接点１３８が露出される。いくつかの実施形態において、パッシベーション層１４０は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、または、分離及び保護するための他の適切な材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、パッシベーション層１４０は、ポリイミド、ＳＵ－８フォトレジスト、または他のフォトリソグラフィによりパターニング可能なポリマーを含んでもよい。
図２２の操作４１４において、第２ドープ半導体層１１８内の第１非注入領域１６２は電極層１４２を介して接点１３８に電気的に接続され、第４ドープ半導体層１３０内の第２非注入領域１６６も電極層１４２を介して接点１３８に電気的に接続される。図２０は、電極層１４２が形成された後の発光ダイオード構造３００の上面図を示す。図１４Ａは、図２０の発光ダイオード構造３００の線Ａ－Ａ’に沿った断面図を示し、図１４Ｂは、図２０の発光ダイオード構造３００の線Ｂ－Ｂ’に沿った断面図を示す。電極層１４２は、第２ドープ半導体層１１８または第４ドープ半導体層１３０を接点１３８に電気的に接続させ、電気経路を形成して発光ダイオードユニットと第１基板１０２内の駆動回路とを接続する。駆動回路は、接点１３８及び電極層１４２を介して第１発光ダイオードユニット１０８、第２発光ダイオードユニット１１０及び第３発光ダイオードユニット１１２の電圧と電流レベルを制御することができる。いくつかの実施形態において、電極層１４２は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、ＧｅまたはＮｉなどの導電性材料を含んでもよい。
そして、図２１、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、色変換層１４４は、第１発光ダイオードユニット１０８上に形成され得る。図２１は、色変換層１４４が形成された後の発光ダイオード構造３００の上面図を示す。図１５Ａは、図２１の発光ダイオード構造３００の線Ａ－Ａ’に沿った断面図を示し、図１５Ｂは、図２１の発光ダイオード構造３００の線Ｂ－Ｂ’に沿った断面図を示す。色変換層１４４は、第１色の光を第３色の光に変換することができる。いくつかの実施形態において、色変換層１４４は、蛍光体を含んでもよい。いくつかの実施形態において、色変換層１４４は、量子ドットを含んでもよい。いくつかの実施形態において、色変換層１４４は、印刷技術によって第１発光ダイオードユニット１０８上に形成されてもよい。いくつかの実施形態において、フォトリソグラフィプロセスによって第１発光ダイオードユニット１０８上に色変換層１４４を形成することができる。色変換層１４４の材料及び製造方法に対する記載は、例示的なものに過ぎず、限定的なものではなく、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更も本発明の範囲に属するべきである。
色変換層１４４が第１発光ダイオードユニット１０８上に形成されて、第１発光ダイオードユニット１０８により放出される第１色が第３色に変換されることによって、発光ダイオード構造２００は少なくとも３つの異なる色を放出することができる。第１発光ダイオードユニット１０８、第２発光ダイオードユニット１１０及び第３発光ダイオードユニット１１２（すなわち３つのサブピクセル）に対してそれぞれ異なるバイアス電圧を印加すると、３原色（たとえば赤、緑及び青）により共同で形成されるフルカラーピクセルが得られる。
図２３は、本発明のいくつかの実施形態による例示的な発光ダイオード構造５００の上面図を示す。図２３に示す実施形態において、フルカラーピクセルは、３つよりも多いサブピクセルを含んでもよい。たとえば、図２３に示すように、発光ダイオード構造５００は、ディスプレイでフルカラーピクセルを形成し、発光ダイオード構造５００は、４つのサブピクセルである発光ダイオードユニット５０２ないし５０８を含む。たとえば、発光ダイオードユニット５０２、５０４及び５０６は、第１半導体層内に形成されてもよく、発光ダイオードユニット５０８は、第２半導体層内に形成されてもよい。発光ダイオードユニット５０２、５０４及び５０６は、青色の光を放出することができ、発光ダイオードユニット５０８は、緑色の光を放出することができる。そして、発光ダイオードユニット５０６上に色変換層を形成することによって発光ダイオードユニット５０６の色を青色の光から赤色の光に変換することができる。したがって、発光ダイオード構造５００によって形成されるフルカラーピクセルは、１つの緑色のサブピクセル、１つの赤色のサブピクセル及び２つの青色のサブピクセルを含む。
図２４は、本発明のいくつかの実施形態による例示的なの発光ダイオード構造６００、発光ダイオード構造７００及び発光ダイオード構造８００の上面図を示す。発光ダイオード構造６００、発光ダイオード構造７００及び発光ダイオード構造８００はそれぞれ、異なるパターンに配列されて対応する発光ダイオード構造において様々なピクセルを形成するように構成されるサブピクセルを有する。図２４に示すように、フルカラーピクセル内のサブピクセルの配列は、様々であり得る。たとえば、発光ダイオード構造６００は複数のピクセルを含み、各ピクセルは３つのサブピクセルを含む。当該サブピクセルの配列は、発光ダイオード構造６００の各ピクセルで繰り返す。また、たとえば、発光ダイオード構造７００も複数のピクセルを含み、各ピクセルも３つのサブピクセルを含む。ただし、各ピクセル内のサブピクセルは千鳥状に配列される。より具体的に言うと、発光ダイオード構造７００において隣接するピクセル同士は、サブピクセルの配列が１８０度回転される。別の１つの例を挙げると、発光ダイオード構造８００も複数のピクセルを含み、各ピクセルも３つのサブピクセルを含む。ただし、発光ダイオード構造８００において隣接するピクセル同士は、サブピクセルの配列が９０度回転される。なお、フルカラーピクセルにおけるサブピクセルの配列方式と数またはディスプレイにおける複数のフルカラーピクセルの配列方式は、限定的なものではなく、当業者であれば必要に応じて変更することができ、このような変更もすべて本発明の範囲に属するべきである。
本発明は、第１イオン注入材料１２０を利用して、第１発光ダイオードユニット１０８と第２発光ダイオードユニット１１０とを分離し、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０の発光領域を画定する。したがって、第１半導体層１０４の上面は略平面を維持できるため、第２半導体層１０６は第１半導体層１０４上に形成または接合されることができる。なお、本発明は、異なる材料を利用して第１半導体層１０４と第２半導体層１０６を形成するため、第１発光ダイオードユニット１０８及び第２発光ダイオードユニット１１０は第１色の光を放出することができ、第３発光ダイオードユニット１１２は第２色の光を放出することができる。そして、第１発光ダイオードユニット１０８上に色変換層１４４を形成することによって、第１発光ダイオードユニット１０８により放出される第１色を第３色に変換することができる。第１発光ダイオードユニット１０８、第２発光ダイオードユニット１１０及び第３発光ダイオードユニット１１２（すなわち３つのサブピクセル）にバイアス電圧を印加すると、３原色（たとえば赤色、緑色及び青色）が共同で全色ピクセルを形成することができる。
本発明の実施形態は、複数の半導体層の積層構造を含むことによって、少なくとも２つの色の光を放出する発光ダイオードユニットを製造する。色変換層は、少なくとも２つの色の中の１つを第３色に変換する。したがって、本発明に係る発光ダイオード構造は、複数の発光ダイオードユニットによってフルカラー発光を実現すると同時に、発光ダイオードユニットの物質移動による欠陥を回避することができる。
本発明の１つの態様によると、発光ダイオード構造を開示する。発光ダイオード構造は、基板と、第１半導体層と、第２半導体層と、色変換層と、を含む。第１半導体層は、基板上に形成され、第１半導体層は、自身に形成された第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットを含む。第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットは、第１色の光を放出する。第２半導体層は、第１半導体層の上方に形成され、第２半導体層は、自身に形成された第３発光ダイオードユニットを含む。第３発光ダイオードユニットは第２色の光を放出し、第２色は第１色と異なる。色変換層は、第１発光ダイオードユニット上に形成されて第１色の光を第３色の光に変換し、第３色は第１色及び第２色のいずれとも異なる。
いくつかの実施形態において、第１半導体層は、第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットとの間に形成された分離材料を含む。いくつかの実施形態において、第３発光ダイオードユニットは、分離材料の上方に形成され、第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットから電気的に分離される。
いくつかの実施形態において、第１色の光は、青色の光であり、第２色の光は、緑色の光である。いくつかの実施形態において、第３色の光は、赤色の光である。
本発明のもう１つの態様によると、発光ダイオード構造を開示する。発光ダイオード構造は、基板と、基板上に形成される複数の発光ダイオードユニットと、を含む。各発光ダイオードユニットは、第１ドープ半導体層と、第１ドープ半導体層上に形成される多重量子井戸（ＭＱＷ）層と、多重量子井戸層上に形成される第２ドープ半導体層と、を含む。複数の発光ダイオードユニットは、基板上に形成される、互いに水平に隣接する第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットを含む。第１発光ダイオードユニットの第２ドープ半導体層は、第１ドープ半導体層及び多重量子井戸層の上方に形成されるイオン注入材料によって、第２発光ダイオードユニットの第２ドープ半導体層と電気的に分離される。複数の発光ダイオードユニットは、イオン注入材料の上方に形成された第３発光ダイオードユニットをさらに含む。
いくつかの実施形態において、各発光ダイオードユニットは、第２ドープ半導体層上に形成されるパッシベーション層と、パッシベーション層上に形成される電極層とをさらに含む。電極層は、パッシベーション層上の第１開口を介して第２ドープ半導体層の一部と接触し、第２開口を介して基板内に形成された駆動回路の接点と接触する。
いくつかの実施形態において、第３発光ダイオードユニットの第２開口は、第３発光ダイオードユニットの第１ドープ半導体層、第３発光ダイオードユニットの多重量子井戸層、第３発光ダイオードユニットの第２ドープ半導体層、及び、第１発光ダイオードユニットと第２発光ダイオードユニットの間の注入材料を、貫通するように形成される。いくつかの実施形態において、第１発光ダイオードユニットの第２ドープ半導体層、第２発光ダイオードユニットの第２ドープ半導体層、及び、イオン注入材料の上面は、略面一である。
いくつかの実施形態において、第１発光ダイオードユニットの多重量子井戸層及び第１ドープ半導体層は、第２発光ダイオードユニットの多重量子井戸層及び第１ドープ半導体層まで水平に延在する。いくつかの実施形態において、第１発光ダイオードユニット及び第２発光ダイオードユニットは、第１色の光を放出し、第３発光ダイオードユニットは、第２色の光を放出し、なお、第２色は第１色と異なる。
いくつかの実施形態において、色変換層は、第１発光ダイオードユニット上に形成されて、第１色の光を第３色の光に変換する。第３色は、第１色及び第２色のいずれとも異なる。いくつかの実施形態において、第１色の光は、青色の光であり、第２色の光は、緑色の光であり、第３色の光は、赤色の光である。いくつかの実施形態において、第１発光ダイオードユニット、第２発光ダイオードユニット及び第３発光ダイオードユニットは、電極層を介して駆動回路の異なる接点にそれぞれ接続される。
本発明の別の態様によると、発光ダイオード構造を製造するための方法を開示する。第１基板上に第１半導体層を形成する。第１半導体層は、第１ドープ半導体層と、第１ドープ半導体層上の第１多重量子井戸（ＭＱＷ）層と、第１多重量子井戸層上の第２ドープ半導体層と、を含む。第１注入操作を実行して、第２ドープ半導体層において第１注入領域及び第１非注入領域を形成する。第１半導体層上に、第２半導体層を形成する。第２半導体層は、第３ドープ半導体層と、第３ドープ半導体層上に位置する第２多重量子井戸層と、第２多重量子井戸層上に位置する第４ドープ半導体層と、を含む。第２注入操作を実行して、第４ドープ半導体層において第２注入領域及び第２非注入領域を形成する。第１エッチング操作を実行して、第２半導体層の一部を除去し、第２ドープ半導体層内の少なくとも第１非注入領域を露出させる。第２エッチング操作を実行して、第１基板内に形成された駆動回路の複数の接点を露出させる。第２ドープ半導体層内の第１非注入領域及び第４ドープ半導体層内の第２非注入領域は、複数の接点に電気的に接続される。
いくつかの実施形態において、第１基板内に駆動回路を形成し、第２基板上に第１半導体層を形成し、第１接合層を介して第１半導体層を第１基板上に接合し、第２基板を除去する。いくつかの実施形態において、第３基板上に第２半導体層を形成し、第２接合層を介して第２半導体層を第１半導体層上に接合し、第３基板を除去する。
いくつかの実施形態において、第２注入操作を行うことによって第１注入領域上に第２非注入領域を形成する。いくつかの実施形態において、第１エッチング操作を実行して第２半導体層の一部を除去することによって、第２ドープ半導体層内の第１非注入領域を露出させ、第２ドープ半導体層の第１注入領域の、複数の接点の上方にある一部を露出させる。
いくつかの実施形態において、第１半導体層及び第２半導体層の上方にパッシベーション層を形成し、パッシベーション層の一部を除去することによって、第２ドープ半導体層内の第１非注入領域、第４ドープ半導体層の第２非注入領域、及び、複数の接点を露出させる。パッシベーション層上に電極層を形成し、当該電極層は第２ドープ半導体層内の第１非注入領域及び第４ドープ半導体層内の第２非注入領域を、複数の接点に電気的に接続する。
具体的な実施形態に対する前述した説明は、容易に修正及び/または様々な用途に適合されることができる。したがって、このような適応及び修正は、本明細書で提示される教示及びガイダンスに基づいて、開示された実施形態の等価物の意味及び範囲に含まれるように意図される。
本発明の広さ及び範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物に従って定義されるべきである。

Claims (14)

  1. 基板と、前記基板上に形成される第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に形成される第２半導体層と、色変換層と、を備え、
    前記第１半導体層は、互いに水平に隣接する第１発光ダイオードユニットと第２発光ダイオードユニット、及び、前記第１発光ダイオードユニットと前記第２発光ダイオードユニットとの間に形成される分離材料を含み、前記第１発光ダイオードユニット及び前記第２発光ダイオードユニットは第１色の光を放出し、前記分離材料は電気絶縁特性を有し、前記第１発光ダイオードユニットは前記分離材料によって前記第２発光ダイオードユニットから電気的に分離され、
    前記第２半導体層は、前記分離材料の上方に位置する第３発光ダイオードユニットを含み、前記第３発光ダイオードユニットは第２色の光を放出し、前記第２色は前記第１色と異なり、前記第３発光ダイオードユニットは前記第１発光ダイオードユニット及び前記第２発光ダイオードユニットから電気的に分離され、
    前記色変換層は、前記第１発光ダイオードユニット上に形成されて前記第１色の光を第３色の光に変換し、前記第３色は前記第１色及び前記第２色のいずれとも異なり、
    前記第１半導体層は第１ドープ半導体層と、前記第１ドープ半導体層上に形成される第１多重量子井戸層と、前記第１多重量子井戸層上に形成される第２ドープ半導体層と、を含み、前記第１ドープ半導体層、前記第１多重量子井戸層及び前記第２ドープ半導体層は前記した互いに水平に隣接する第１発光ダイオードユニットと第２発光ダイオードユニットを構成し、前記第２ドープ半導体層の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する領域と前記第２発光ダイオードユニットに対応する領域との間の領域はイオン注入されて前記分離材料を形成し、
    前記第２半導体層は第３ドープ半導体層と、前記第３ドープ半導体層上に形成される第２多重量子井戸層と、前記第２多重量子井戸層上に形成される第４ドープ半導体層と、を含み、前記第３ドープ半導体層、前記第２多重量子井戸層及び前記第４ドープ半導体層は前記第３発光ダイオードユニットを構成し、前記第４ドープ半導体層の、前記第３発光ダイオードユニットに対応する領域は前記分離材料の上方に位置し、それによって、前記前記第４ドープ半導体層の、前記第３発光ダイオードユニットに対応する領域、前記第２ドープ半導体層の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する領域及び前記第２ドープ半導体層の、前記第２発光ダイオードユニットに対応する領域は、前記基板における正投影が互いに重ならない
    ことを特徴とする発光ダイオード構造。
  2. 前記第１色の光は青色の光であり、前記第２色の光は緑色の光である
    ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード構造。
  3. 前記第３色の光は赤色の光である
    ことを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード構造。
  4. 前記第２ドープ半導体層上に形成される第１パッシベーション層と、前記第１パッシベーション層上に形成される第１電極層と、をさらに含み、
    前記第１電極層は、前記第１パッシベーション層を貫通する第１開口を介して前記第２ドープ半導体層の一部と接触し、且つ、前記第１電極層は、前記第１パッシベーション層及び前記第１半導体層を貫通する第２開口を介して、前記基板内に形成された駆動回路の接点と接触する
    ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード構造。
  5. 前記第４ドープ半導体層上に形成される第２パッシベーション層と、前記第２パッシベーション層上に形成される第２電極層と、をさらに含み、
    前記第２電極層は、前記第２パッシベーション層を貫通する第３開口を介して前記第４ドープ半導体層の一部と接触し、且つ、前記第２電極層は、第４開口を介して、前記基板内に形成された駆動回路の接点と接触し、
    前記第４開口は、前記第３発光ダイオードユニットの前記第３ドープ半導体層、前記第２多重量子井戸層及び前記第４ドープ半導体層と、前記分離材料とを貫通する
    ことを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード構造。
  6. 前記第２ドープ半導体層の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する部分、前記第２ドープ半導体層の、前記第２発光ダイオードユニットに対応する部分、及び、前記分離材料は、上面が略面一である
    ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード構造。
  7. 前記第１多重量子井戸層及び前記第１ドープ半導体層の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する部分は、前記第１多重量子井戸層及び前記第１ドープ半導体層の、前記第２発光ダイオードユニットに対応する部分まで水平に延在する
    ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード構造。
  8. 前記第１電極層の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する部分、前記第１電極層の、前記第２発光ダイオードユニットに対応する部分、及び、前記第２電極層の、前記第３発光ダイオードユニットに対応する部分は、前記駆動回路の異なる接点にそれぞれ接続される
    ことを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード構造。
  9. 発光ダイオード構造の製造方法であって、
    第１基板上に第１半導体層を形成することであって、前記第１半導体層は第１ドープ半導体層、前記第１ドープ半導体層上の第１多重量子井戸層、及び、前記第１多重量子井戸層上の第２ドープ半導体層を含むことと、
    前記第２ドープ半導体層の所定領域にイオン材料を注入して電気絶縁特性を有する第１分離材料を形成することであって、前記第２ドープ半導体層の他の領域は第１非注入領域であり、前記第１非注入領域の、第１発光ダイオードユニットに対応する部分は、前記第１分離材料によって、前記第１非注入領域の、第２発光ダイオードユニットに対応する部分から電気的に分離されることと、
    前記第１半導体層上に第２半導体層を形成することであって、前記第２半導体層は第３ドープ半導体層、前記第３ドープ半導体層上の第２多重量子井戸層、及び、前記第２多重量子井戸層上の第４ドープ半導体層を含むことと、
    前記第４ドープ半導体層の所定領域にイオン材料を注入して電気絶縁特性を有する第２分離材料を形成することであって、前記第４ドープ半導体層の他の領域は第３発光ダイオードユニットに対応する第２非注入領域であり、前記第２非注入領域の、前記第１基板における正投影は前記第１分離材料の、前記第１基板における正投影の内部に位置し、それによって前記第２非注入領域と、前記第１非注入領域の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する部分と、前記第１非注入領域の、前記第２発光ダイオードユニットに対応する部分とは、前記第１基板における正投影が互いに重ならないことと、
    エッチング操作を実行して前記第２半導体層の一部を除去することによって、少なくとも前記第２ドープ半導体層の前記第１非注入領域を露出させることと、
    前記第１非注入領域の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する部分の上方において色変換層を形成することと、を含む
    ことを特徴とする発光ダイオード構造の製造方法。
  10. 前記第１基板上に第１半導体層を形成することは、
    前記第１基板内に駆動回路を形成することと、
    第２基板上に前記第１半導体層を形成することと、
    第１接合層を介して前記第１半導体層を前記第１基板上に接合することと、
    前記第２基板を除去することと、を含む
    ことを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード構造の製造方法。
  11. 前記第１半導体層上に第２半導体層を形成することは、
    第３基板上に前記第２半導体層を形成することと、
    第２接合層を介して前記第２半導体層を前記第１半導体層上に接合することと、
    前記第３基板を除去することと、を含む
    ことを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード構造の製造方法。
  12. 前記第１基板上には前記駆動回路の複数の接点が設けられており、
    エッチング操作を実行して前記第２半導体層の一部を除去することによって、少なくとも前記第２ドープ半導体層の前記第１非注入領域を露出させることは、
    エッチング操作を実行して前記第２半導体層の一部を除去することによって、前記第２ドープ半導体層における前記第１非注入領域と、前記第１分離材料の、前記複数の接点の上方にある部分とを露出させることを含む
    ことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード構造の製造方法。
  13. 前記第１非注入領域の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する部分の上方において色変換層を形成することの前に、
    エッチング操作を実行して前記複数の接点を露出させることと、
    前記第１非注入領域の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する部分と、前記第１非注入領域の、前記第２発光ダイオードユニットに対応する部分と、前記第２非注入領域とを、前記複数の接点のうちの異なる接点にそれぞれ電気的に接続することと、をさらに含む
    ことを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード構造の製造方法。
  14. 前記第１非注入領域の、前記第１発光ダイオードユニットに対応する部分と、前記第１非注入領域の、前記第２発光ダイオードユニットに対応する部分と、前記第２非注入領域とを、前記複数の接点のうちの異なる接点にそれぞれ電気的に接続することは、
    前記第１半導体層及び前記第２半導体層の上方にパッシベーション層を形成することと、
    前記パッシベーション層の一部を除去して、前記第２ドープ半導体層における前記第１非注入領域、前記第４ドープ半導体層における前記第２非注入領域、及び、前記複数の接点を露出させることと、
    前記パッシベーション層上に電極層を形成することと、を含み、
    前記電極層は、前記第２ドープ半導体層における前記第１非注入領域、前記第４ドープ半導体層における前記第２非注入領域、及び、前記複数の接点に電気的に接続する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード構造の製造方法。
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