TW201826516A - 微型發光二極體晶片 - Google Patents
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Abstract
一種微型發光二極體晶片，包括磊晶結構、第一電極以及第二電極。磊晶結構具有第一型摻雜半導體層、發光層及第二型摻雜半導體層，且磊晶結構更具有上表面以及連接上表面的側表面。第一電極設置於上表面且與第一型摻雜半導體層電性連接以提供第一型載子由上表面的至少一部分進入磊晶結構。第二電極位於側表面且與第二型摻雜半導體層電性連接以提供第二型載子由側表面的至少一部分進入磊晶結構。微型發光二極體晶片的對角線長度大於0且小於等於140微米。
Description
本發明是有關於一種發光二極體晶片，且特別是有關於一種微型發光二極體晶片。
隨著光電科技的進步，許多光電元件的體積逐漸往小型化發展。近幾年來由於發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）製作尺寸上的突破，目前將發光二極體以陣列排列製作的微型發光二極體（micro-LED）顯示器在市場上逐漸受到重視。微型發光二極體顯示器屬於主動式發光元件顯示器，其除了相較於有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode, OLED）顯示器而言更為省電以外，也具備更佳優異的對比度表現，而可以在陽光下具有可視性。此外，由於微型發光二極體顯示器採用無機材料，因此其相較於有機發光二極體顯示器而言具備更佳優良的可靠性以及更長的使用壽命。
在一般水平式發光二極體晶片的結構中，連接N型摻雜半導體層與N型電極的方式通常是製作貫穿P型摻雜半導體層與發光層的多個孔洞，並且將N型電極透過這些孔洞與N型摻雜半導體層進行連接。然而，上述多個孔洞的製作方式通常適用於較大尺寸的發光二極體晶片，而不適合小尺寸的微型發光二極體晶片。原因在於小尺寸的微型發光二極體晶片其所對應的孔洞較小，因此需要十分精密的對位以及挖孔的相關製作工序，使得微型發光二極體晶片有其製程上的限制，而不易於製作。
本發明提供一種微型發光二極體晶片，其較易於製作且具有較大的發光面積比。
本發明的微型發光二極體晶片包括磊晶結構、第一電極以及第二電極。磊晶結構具有第一型摻雜半導體層、發光層及第二型摻雜半導體層，且發光層位於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間。磊晶結構具有上表面以及連接上表面的側表面。第一電極設置於上表面且與第一型摻雜半導體層電性連接以提供第一型載子由上表面的至少一部分進入磊晶結構。第二電極位於側表面且與第二型摻雜半導體層電性連接以提供第二型載子由側表面的至少一部分進入磊晶結構。微型發光二極體晶片的對角線長度大於0且小於等於140微米。
在本發明的一實施例中，上述的第二電極的一部分位於該上表面。
在本發明的一實施例中，上述的微型發光二極體晶片更包括絕緣層，配置於第一型摻雜半導體層與第二電極之間以及發光層與第二電極之間。絕緣層用以電性隔絕第一型摻雜半導體層與第二電極以及電性隔絕發光層與第二電極。
在本發明的一實施例中，上述的側表面具有第一部分以及連接側表面的第一部分的第二部分。側表面的第一部分與上表面連接並與上表面夾設一角度。側表面的第二部分與上表面分別位於側表面的第一部分的兩側且側表面的第二部分由側表面的第一部分延伸凸出，第二電極與側表面的第二部分電性連接。
在本發明的一實施例中，上述的磊晶結構包括底面。發光層於底面的投影寬度與底面的寬度比大於0.9且小於等於1。
在本發明的一實施例中，上述的磊晶結構更包括底面。第一型摻雜半導體層於底面的投影面積與底面的面積的比值大於等於0.8且小於等於1。
在本發明的一實施例中，上述的磊晶結構更包括底面，且第一電極於底面的投影面積大於第二電極於底面的投影面積。
在本發明的一實施例中，上述的第一電極於底面的投影面積與第二電極於底面的投影面積的比值大於1.5。
在本發明的一實施例中，上述的第一電極於底面的投影面積與第二電極於底面的投影面積的比值落在2至6的範圍內。
在本發明的一實施例中，上述的側表面與上表面夾設一角度。
在本發明的一實施例中，上述的第一型摻雜半導體層為P型摻雜半導體層，且第二型摻雜半導體層為N型摻雜半導體層。
在本發明的一實施例中，上述的微型發光二極體晶片為共振腔微型發光二極體晶片。
在本發明的一實施例中，上述的發光層更包括多重量子井結構。
基於上述，本發明實施例的微型發光二極體晶片的對角線長度大於0且小於等於140微米。微型發光二極體晶片的第二電極是由磊晶結構的側表面來與第二型摻雜半導體層連接，而不必透過製作貫穿第一型摻雜半導體層以及發光層的微米級尺寸的孔洞來與第二型摻雜半導體層由磊晶結構的上表面連接接觸。也就是說，在微型發光二極體晶片的製作過程中，精密的對位以及挖孔的相關製作工序得以減少，而使得微型發光二極體晶片較易於製作並具有較大的發光面積。另外，由於不需要在同一表面上設置第一電極以及第二電極的接觸位置來分別提供第一型摻雜半導體層以及第二型摻雜半導體層的電流載子，而是由磊晶結構的上表面以及側表面分別配置第一電極第二電極，因此可製作出接合面積較大第一電極以及第二電極以利後續製程良率的提升。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A繪示本發明一實施例的微型發光二極體晶片的剖面示意圖，請參考圖1A。在本實施例中，微型發光二極體（Micro Light-Emitting Diode, µLED）晶片100包括磊晶結構SEP、絕緣層160、第一電極140以及第二電極150。具體而言，磊晶結構SEP具有第一型摻雜半導體層110、第二型摻雜半導體層120以及發光層130，且發光層130位於第一型摻雜半導體層110與第二型摻雜半導體層120之間。半導體磊晶結構SEP的材料可以例如是氮化鎵（GaN）、銦氮化鎵（InGaN）或者是其他適於電致發光的半導體材料，本發明亦不對半導體磊晶結構SEP的材料加以限制。在本實施例中，第一電極140與第一型摻雜半導體層110電性連接，且第二電極150與第二型摻雜半導體層120電性連接。具體而言，第一電極140以及第二電極150用以使半導體磊晶結構SEP與外部電路連接。舉例而言，微型發光二極體晶片100可以透過第一電極140以及第二電極150而與外部背板上的電路結構電性連接。外部背板上的電路結構可以透過第一電極140以及第二電極150提供電流載子至半導體磊晶結構SEP，進而令微型發光二極體晶片100的發光層130發光。在本實施例中，發光層130所發出的光例如是通過第二型摻雜半導體層120後由第二型摻雜半導體層120遠離發光層130的一側出光。
在本實施例中，磊晶結構SEP還包括上表面S1、連接上表面S1的側表面S2以及底面S3，且側表面S2的兩相對側分別連接上表面S1與底面S3。具體而言，磊晶結構SEP的膜層是依序層疊的構造的，因此，在本實施例中，上表面S1即為第一型摻雜半導體層110的一表面，底面S3即為第二型摻雜半導體層的一表面，而側表面S2則是由該些膜層的側面共同組成。更詳細地說，側表面S2包括第一部分S21、第二部分S22以及第三部分S23。側表面S2的第二部分S22與上表面S1分別位於側表面S2的第一部分S21的兩側，且側表面S2的第二部分S22由側表面S2的第一部分S21延伸凸出。側表面S2的第一部分S21與上表面S1連接並夾設一角度。在本實施例中，此角度實質上等於90度。另外，側表面S2的第二部分S22由側表面S2的第一部分S21延伸凸出且與側表面S2的第一部分S21具有一夾角，在本實施例中，此夾角實質上等於90度。除此之外，側表面S2的第三部分S23再由側表面S2的第二部分S22延伸並與側表面S2的第二部分S22實質夾設90度夾角，且側表面S2的第三部分S23連接於底面S3。也就是說，側表面S2的第二部分S22實質與上表面S1是彼此平行的平面，而側表面S2的第一部分S21以及側表面S2的第三部分S23則與上表面S1為彼此垂直的平面。在本實施例中，側表面S2的第一部分S21包含了第一型摻雜半導體層110、發光層120以及第二型摻雜半導體層120的部分表面，而側表面S2的第二部分S22、側表面S2第三部分S23則是第二型摻雜半導體層120的部分表面。
在本實施例中，第二電極150的一部分位於上表面S1。圖案化的絕緣層160配置磊晶結構SPE上，且位於第一型摻雜半導體層110與第二電極150之間，以及發光層130與第二電極150之間。絕緣層160用以電性隔絕第一型摻雜半導體層110與第二電極150以及電性隔絕發光層130與第二電極150。具體而言，絕緣層160由磊晶結構SEP的上表面S1延伸覆蓋至側表面S2，但保留部分的上表面S1、部分的側表面S2露出已令後續形成的第一電極140以及第二電極150可分別與第一型摻雜半導體層110以及第二型摻雜半導體層120接觸且電性連接。詳細地說，在本實施例中，絕緣層160由上表面S1延伸覆蓋至側表面S2的第一部分S21，而第二電極150再形成於絕緣層160上並在無絕緣層160覆蓋的側表面S2的第二部分S22、側表面S2的第三部分S23與第二型摻雜半導體層120接觸。也就是說，本實施例的第一電極140與第一型摻雜半導體層110接觸且電性連接的位置在磊晶結構SEP的上表面S1，且第一電極140提供第一型載子由上表面S1的至少一部分進入磊晶結構SEP。第二電極150與第二型摻雜半導體層120接觸且電性連接的位置在磊晶結構SEP的側表面S2，且第二電極150提供第二型載子由側表面S2的至少一部分進入磊晶結構SEP。
在本實施例中，第一型摻雜半導體層110與第二型摻雜半導體層120的其中一者為P型摻雜半導體層，且第一型摻雜半導體層110與第二型摻雜半導體層120的其中另一者為N型摻雜半導體層。也就是說，第一型摻雜半導體層110與第二型摻雜半導體層120為具有不同摻雜型態的兩個半導體層。舉例而言，第一型摻雜半導體層110例如是P型摻雜半導體層，而第二型摻雜半導體層120例如是N型摻雜半導體層。另外，對應於半導體層的摻雜型態，本實施例與第一型摻雜半導體層110電性連接的第一電極140例如是為P型電極，而與第二型摻雜半導體層120電性連接的第二電極150例如是為N型電極。除此之外，在本實施例中，發光層130例如包括多重量子井（multiple quantum well, MQW）結構或是量子井（quantum well, QW）結構，本發明並不以此為限。另外，在本實施例中，半導體磊晶結構SEP（第一型摻雜半導體層110、第二型摻雜半導體層120以及發光層130）例如是先形成於生長基板上。接著，當完成微型發光二極體晶片100的製作之後，透過雷射剝離（laser ablation）或其他物理、化學方法將生長基板自半導體磊晶結構SEP移除。然而在一些實施例中，亦可以不移除生長基板，本發明並不以此為限。
除此之外，在一些實施例中，微型發光二極體晶片100可以例如是共振腔微型發光二極體（Resonant-Cavity Light-Emitting Diode, RCLED）晶片。在這些實施例中，微型發光二極體晶片100更包括二組布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflector, DBR）結構，分別配置於磊晶結構SEP的二側。透過這些布拉格反射鏡結構的折射率設計，當微型發光二極體晶片100的出光在這些布拉格反射鏡結構上發生反射並出射於微型發光二極體晶片100之後，其光譜的半高寬會得以縮減。因此，在這些實施例中，微型發光二極體晶片100可以發出色純度較高的光線。具體而言，在其他實施例中，亦可以透過其他適當的結構設計而調整微型發光二極體晶片100的出光表現，本發明並不以此為限。
圖1B繪示圖1A實施例的微型發光二極體晶片的上視示意圖，請同時參考圖1A以及圖1B。在本實施例中，微型發光二極體晶片100的尺寸小於一般的發光二極體晶片。具體而言，微型發光二極體晶片100的對角線長度L大於0且小於等於140微米。在本實施例中，微型發光二極體晶片100的對角線是以磊晶結構SEP的底面S3範圍為基準，且底面S3為矩形。然而在其他實施態樣中，若磊晶結構的底面為非矩形，則以最大寬度小於140微米為限制。另外，在本實施例中，第一型摻雜半導體層110及發光層130位於第二型摻雜半導體層120上且內縮露出部分的第二型摻雜半導體層120，即側表面S22，而第一型摻雜半導體層110於底面S3的投影面積與底面S3的面積的比值大於等於0.8且小於等於1。另外，發光層130的面積與第一型摻雜半導體層110的面積實質上相等，也就是說，發光層130於底面S3的投影面積與底面S3的面積的比值大於等於0.8且小於等於1，藉此設計，本實施例的微型發光二極體晶片100可維持大面積比例的發光面積。
除此之外，第一電極140於底面S3具有投影面積PA1，第二電極150於底面S3具有投影面積PA2（如圖1B所示），且投影面積PA1大於投影面積PA2。較佳地，在本實施例中，第一電極140的投影面積PA1與第二電極150的投影面積PA2的比值大於1.5。更佳地，第一電極140的投影面積PA1與第二電極150的投影面積PA2的比值落在2至6的範圍內。一般而言，當第一電極140面積愈大時，在後續接合製程可具有較大的製程操作空間，且對準誤差可以降低，進而提高接合良率。在本實施例中，雖然在底面S3的第二電極150的投影面積PA2遠小於第一電極140的投影面積PA1，然而，第二電極150延伸至磊晶結構SEP的側表面S2，且第二電極150與側表面S2具有足夠的接觸面積，因此，第二電極150可以提供足夠的電流載子至第二型摻雜半導體層120。同時，第二電極150也具有較大的面積用以後續接合製程時對準接合。較佳地，第一電極140和第一型摻雜半導體層110的接觸面積與第二電極150和第二型摻雜半導體層120的接觸面積比例如是落在0.5至2的範圍內。在本實施例中，發光層130於底面S3的投影的寬度W1與底面S3的寬度比例如是大於0.9且小於等於1。
在本實施例中，由於微型發光二極體晶片100的第二電極150連接第二型摻雜半導體層120的側表面S2，使得第二電極150可以直接由側表面S2來與第二型摻雜半導體層120電性連接。因此，在本實施例小尺寸的微型發光二極體晶片100的製作過程中，不必在磊晶結構SEP的同一表面（例如上表面S1）上同時設置第一電極140、第二電極150分別與第一型摻雜半導體層110、第二型摻雜半導體層120接觸的電極位置，更不用為了製作貫穿第一型摻雜半導體層110以及發光層130的微米級尺寸的孔洞來提供第二電極150與第二型摻雜半導體層120電性連接的通道而犧牲發光層130的面積。也就是說，本實施例於製作上所需的精密的對位以及挖孔的相關製作工序的公差（tolerance）得以減少，進而使得微型發光二極體晶片100較易於製作。除此之外，在本實施例中，由於未有孔洞佔據發光層130的面積，因此微型發光二極體晶片100可以具有較大的發光面積比。
圖2繪示以導電膠修復圖1A實施例的微型發光二極體晶片與背板之接合的一實施態樣，請參考圖2。在本實施例中，微型發光二極體晶片100可例如是接合於背板210上，且微型發光二極體晶片100可與背板210上的電路結構電性連接。詳細而言，微型發光二極體晶片100的第一電極140以及第二電極150可例如是分別透過第一電性接墊B1以及第二電性接墊B2來與背板210上的電路結構電性連接。第一電性接墊B1例如是對應於第一電極140的P型接墊，且第二電性接墊B2例如是對應於第二電極150的N型接墊。背板210可以例如是半導體（Semiconductor）基板、次黏著基台（Submount）、互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）電路基板、矽基液晶（Liquid Crystal on Silicon, LCOS）基板、薄膜電晶體（Thin Film Transistor, TFT）基板或者是其他類型的基板，本發明並不以此為限。具體而言，本實施例的背板210例如是薄膜電晶體基板。
一般而言，由於微型發光二極體晶片尺寸小，當微型發光二極體晶片接合於背板時其電極不易對位於背板上的接墊。相對而言，在本實施例中，當微型發光二極體晶片100接合於背板210上而第二電極150對位於第二電性接墊B2有所偏移時，可以藉由例如是點膠的方式提供導電膠220至第二電極150與第二電性接墊B2之間，以使第二電極150與第二電性接墊B2電性連接，藉以修復微型發光二極體晶片100與背板210之接合。具體而言，導電膠220可以例如是銀膠（Silver epoxy），本發明並不以此為限。
圖3繪示本發明另一實施例的微型發光二極體晶片100’的上視示意圖。微型發光二極體晶片100’沿a-a’剖面線的剖面與圖1B的微型發光二極體晶片100相似。微型發光二極體晶片100’與微型發光二極體晶片100類似的構件可以參考圖1A以及圖1B的相關敘述，在此不再贅述。圖3實施例的微型發光二極體晶片100’與圖1B實施例的微型發光二極體晶片100的差異在於，微型發光二極體晶片100’的磊晶結構的側表面S2’的第一部分S21’由圖3的上視圖觀看呈L形。第一電極140’配置於微型發光二極體晶片100’的磊晶結構的上表面。絕緣層160’也呈L形，且絕緣層160’覆蓋部分的磊晶結構的上表面與側表面S2’的第一部分S21’，而第二電極150’也相對應地設置於絕緣層160’上方。在本實施例中，微型發光二極體晶片100’的發光面積可以進一步地擴增，並同樣藉由側表面S2’的第二部分S22’、側表面S2’的第三部分S23’來維持第二電極150’與第二型摻雜半導體層的接觸面積。
圖4繪示本發明又一實施例的微型發光二極體晶片的剖面示意圖。本實施例的微型發光二極體晶片400類似於圖1A至圖1B實施例的微型發光二極體晶片100。微型發光二極體晶片400的構件以及相關敘述可以參考圖1A至圖1B實施例的微型發光二極體晶片100的構件以及相關敘述，在此不再贅述。微型發光二極體晶片400與微型發光二極體晶片100的差異如下所述。微型發光二極體晶片400的第一型摻雜半導體層110、第二型摻雜半導體層120以及發光層130具有實質上相同的面積，而不需另外進行圖案化製程將側表面S2’’的部分內縮。絕緣層160由上表面S1延伸於側表面S2’’並配置於第一型摻雜半導體層110與第二電極450之間，以及配置於發光層130與第二電極450之間。絕緣層160用以電性隔絕第一型摻雜半導體層110與第二電極450，以及電性隔絕發光層130與第二電極450。在本實施例中，絕緣層160未完全覆蓋磊晶結構SEP的側表面S2’’，而露出部分的第二型摻雜半導體層120的表面，以利第二電極450電性連接第二型摻雜半導體層120。
在本實施例中，由於微型發光二極體晶片400的第二電極450與第二型摻雜半導體層120接觸並電性連接的位置在磊晶結構SEP的側表面S2’’，因此微型發光二極體晶片400可以在最大化發光面積的前提下維持第一電極140以及第二電極450的表面積，以提高後續接合製程的良率並降低生產成本。
綜上所述，本發明實施例的微型發光二極體晶片的對角線長度大於0且小於等於140微米。微型發光二極體晶片的第二電極是由磊晶結構的側表面來與第二型摻雜半導體層連接，而不必透過製作貫穿第一型摻雜半導體層以及發光層的微米級尺寸的孔洞來與第二型摻雜半導體層由磊晶結構的上表面連接接觸。也就是說，在微型發光二極體晶片的製作過程中，精密的對位以及挖孔的相關製作工序得以減少，而使得微型發光二極體晶片較易於製作並具有較大的發光面積。另外，由於不需要在同一表面上設置第一電極以及第二電極的接觸位置來分別提供第一型摻雜半導體層以及第二型摻雜半導體層的電流載子，而是由磊晶結構的上表面以及側表面分別配置第一電極第二電極，因此可製作出接合面積較大第一電極以及第二電極以利後續製程良率的提升。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、100’、400‧‧‧微型發光二極體晶片
110‧‧‧第一型摻雜半導體層
120‧‧‧第二型摻雜半導體層
130‧‧‧發光層
140、140’‧‧‧第一電極
150、150’、450‧‧‧第二電極
160、160’‧‧‧絕緣層
210‧‧‧背板
220‧‧‧導電膠
a-a’‧‧‧剖面線
B1‧‧‧第一電性接墊
B2‧‧‧第二電性接墊
L‧‧‧對角線長度
PA1、PA2‧‧‧投影面積
S1‧‧‧上表面
S2、S2’、S2’’‧‧‧側表面
S21、S21’‧‧‧第一部分
S22、S22’‧‧‧第二部分
S23、S23’‧‧‧第三部分
S3‧‧‧底面
SEP‧‧‧半導體磊晶層
W1、W2‧‧‧寬度
圖1A繪示本發明一實施例的微型發光二極體晶片的剖面示意圖。 圖1B繪示圖1A實施例的微型發光二極體晶片的上視示意圖。 圖2繪示以導電膠修復圖1A實施例的微型發光二極體晶片與背板之接合的一實施態樣。 圖3繪示本發明另一實施例的微型發光二極體晶片的上視示意圖。 圖4繪示本發明又一實施例的微型發光二極體晶片的剖面示意圖。
Claims (13)
- 一種微型發光二極體晶片，包括： 一磊晶結構，具有一第一型摻雜半導體層、一發光層及一第二型摻雜半導體層，該發光層位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間，其中該磊晶結構更具有一上表面以及連接該上表面的一側表面； 一第一電極，設置於該上表面且與該第一型摻雜半導體層電性連接以提供第一型載子由該上表面的至少一部分進入該磊晶結構；以及 一第二電極，位於該側表面且與該第二型摻雜半導體層電性連接以提供第二型載子由該側表面的至少一部分進入該磊晶結構，其中該微型發光二極體晶片的對角線長度大於0且小於等於140微米。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶片，其中該第二電極的一部分位於該上表面。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶片，更包括一絕緣層，配置於該第一型摻雜半導體層與該第二電極之間以及該發光層與該第二電極之間，該絕緣層用以電性隔絕該第一型摻雜半導體層與該第二電極以及電性隔絕該發光層與該第二電極。
- 如申請專利範圍第3項所述的微型發光二極體晶片，其中該側表面具有一第一部分以及連接該側表面的該第一部分的一第二部分，該側表面的該第一部分與該上表面連接並與該上表面夾設一角度，該側表面的該第二部分與該上表面分別位於該側表面的該第一部分的兩側且該側表面的該第二部分由該側表面的該第一部分延伸凸出，該第二電極與該側表面的該第二部分電性連接。
- 如申請專利範圍第4項所述的微型發光二極體晶片，其中該磊晶結構包括一底面，該發光層於該底面的投影寬度與該底面的寬度比大於0.9且小於等於1。
- 如申請專利範圍第4項所述的微型發光二極體晶片，其中該磊晶結構更包括一底面，該第一型摻雜半導體層於該底面的投影面積與該底面的面積的比值大於等於0.8且小於等於1。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶片，其中該磊晶結構更包括一底面，且該第一電極於該底面的投影面積大於該第二電極於該底面的投影面積。
- 如申請專利範圍第7項所述的微型發光二極體晶片，其中該第一電極於該底面的投影面積與該第二電極於該底面的投影面積的比值大於1.5。
- 如申請專利範圍第8項所述的微型發光二極體晶片，其中該第一電極於該底面的投影面積與該第二電極於該底面的投影面積的比值落在2至6的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶片，其中該側表面與該上表面夾設一角度。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶片，其中該第一型摻雜半導體層為P型摻雜半導體層，且該第二型摻雜半導體層為N型摻雜半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶片，其中該微型發光二極體晶片為一共振腔微型發光二極體晶片。
- 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶片，其中該發光層更包括一多重量子井結構。
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