TW201839968A - 具有發光二極體的光電裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種製造光電裝置(10)的方法，包含以下相繼步驟： a)提供至少部分由半導體材料製成並且具有第一及第二相對面的基板； b)在基板上形成發光二極體(16)，每個發光二極體包含由殼體覆蓋的半導體微米線或奈米線(46)； c)圍繞發光二極體形成封裝層(50)； d)在封裝層上、在封裝層與基板相對的側面上與發光二極體相接觸地形成導電墊(18)；以及 e)在基板中從第二面的側面形成穿過開口(26)，該等開口與該等發光二極體的至少部分相對並且界定基板中的壁(28)。

Description

具有發光二極體的光電裝置
本揭示係關於一種具有基於半導體材料的發光二極體的光電裝置，特定言之，一種顯示螢幕或一種影像投影裝置，以及其製造方法。
影像之像元對應於由光電裝置顯示的影像之單位元素。當光電裝置係彩色影像顯示光電裝置時，針對影像之每個像元之顯示一般包含至少三個組件，亦稱為顯示子像元，每個顯示子像元發射實質上呈單色的光輻射（例如，紅色、綠色、及藍色）。由三個顯示子像元發射的輻射之疊加向觀察者提供對應於所顯示影像之像元的彩色感覺。在此情形中，由用以顯示影像之像元的三個顯示子像元形成的總成被稱為光電裝置的顯示像元。
存在包含發光二極體的光電裝置，該發光二極體具有微米範圍或奈米範圍之半導體元件，特別地半導體微米線或奈米線，例如由至少一種第III族元素及一種第V族元素製成的發光二極體，後文稱為III-V化合物，特定言之氮化鎵(GaN)。
光電裝置可能包含在發光二極體上形成的光致發光材料的區塊。每個區塊適用於將由發光二極體發射的輻射轉換為期望輻射。區塊根據子像元排列位於發光二極體上。
在影像顯示裝置中，當由與一個子像元相關的發光二極體發射的光到達與另一子像元相關的光致發光區塊時發生串擾。為了減少在子像元之間的串擾並增加對比，已知在光致發光區塊之間提供不透明或反射壁。壁可由電鍍技術製成。然而，此等技術一般不允許形成具有適用於子像元及光致發光區塊的尺寸的縱橫比的壁，特定言之針對具有低於15 μm之橫向尺寸的子像元。期望具有高且薄的壁。標準技術允許具有高且厚的壁或薄但小的壁。特定言之，期望具有儘可能高的縱橫比，並且較佳地大於5。亦期望降低由壁佔據的空間。
存在一些光電裝置的製造方法，該方法包含在基板中形成溝槽以界定子像元。然而，具有高密度的溝槽以獲得精細間距係困難的，尤其對具有低於15 μm之橫向尺寸的子像元如此。
亦存在一些光電裝置的製造方法，該方法包含完全或部分收回其上形成發光二極體的基板。然而，可能存在在移除基板並形成壁期間形成裂痕的風險。
一實施例的目的意欲克服先前所描述的光電裝置的全部或部分缺點，該等光電裝置包含經排列以形成顯示子像元的具有微米範圍或奈米範圍半導體元件的發光二極體。
一實施例的另一目的係減少在相鄰子像元之間的串擾。
一實施例的另一目的係增加對比。
一實施例的另一目的係光電裝置包含具有低於15 μm之橫向尺寸的子像元。
因此，一實施例提供了一種製造光電裝置的方法，包含以下相繼步驟： a)提供至少部分由半導體材料製成並且具有第一及第二相對面的基板； b)在基板上形成發光二極體，每個發光二極體包含由殼體覆蓋的半導體微米線或奈米線； c)圍繞發光二極體形成封裝層； d)在封裝層上，在與基板相對的封裝層的側面上與發光二極體相接觸地形成導電墊；以及 e)在基板中從第二面的側面形成穿過開口，該等開口與發光二極體的至少部分相對並且界定基板中的壁。
根據一實施例，該方法進一步包含以下步驟： f)在至少一些開口中形成光致發光區塊。
根據一實施例，步驟b)包含與基板相接觸地形成晶種層，該晶種層由有助於生長半導體微米線或奈米線的材料製成，並且在晶種層上生長該等線。
根據一實施例，晶種層可能至少部分由氮化鋁、硼、氮化硼、鈦或氮化鈦、鉭、氮化鉭、鉿、氮化鉿、鈮、氮化鈮、鋯、硼酸鋯、氮化鋯、碳化矽、碳氮化鉭、呈Mgx Ny 形式的氮化鎂（其中x等於3至10%內並且y等於2至10%內）、氮化鎂鎵、鎢、氮化鎢、或其組合製成。
根據一實施例，在步驟e)之前，該方法進一步包含減薄基板的步驟。
根據一實施例，在步驟e)之前，該方法進一步包含將封裝層結合至電子電路或固持器的步驟。
根據一實施例，在步驟d)之前，該方法進一步包含在發光二極體之間的封裝層中蝕刻溝槽並且利用反射塗層覆蓋每個溝槽、利用填充材料至少部分填充每個溝槽及/或讓空氣或部分空隙進入每個溝槽中的步驟。
根據一實施例中，於步驟d)，導電墊與殼體相接觸地形成。
根據一實施例，在步驟d)之前，該方法進一步包含蝕刻殼體之部分以暴露半導體微米線或奈米線的末端的步驟，於步驟d)，導電墊與半導體微米線或奈米線相接觸並與殼體電氣絕緣地形成。
根據一實施例，每個半導體微米線或奈米線包含橫向面及與基板相對的頂面，並且針對每個發光二極體，殼體覆蓋微米線或奈米線的橫向面及頂面。
根據一實施例，每個半導體微米線或奈米線包含橫向面及與基板相對的頂面，並且針對每個發光二極體，殼體僅覆蓋微米線或奈米線的頂面。
另一實施例提供了一種光電裝置，包含： 發光二極體，每個發光二極體包含由殼體覆蓋的半導體微米線或奈米線，該等發光二極體由封裝層圍繞； 壁，至少部分由放置在封裝層上的半導體材料製成，該等壁界定開口，該等開口與發光二極體的至少部分相對；以及 導電墊，在封裝層與壁相對的側面上，與發光二極體相接觸。
根據一實施例，光電裝置在至少一些開口中進一步包含光致發光區塊。
根據一實施例，光電裝置在壁與封裝層之間進一步包含與壁相接觸的晶種層，該晶種層由有助於生長半導體微米線或奈米線的材料製成。
根據一實施例，晶種層可能至少部分由氮化鋁、硼、氮化硼、鈦或氮化鈦、鉭、氮化鉭、鉿、氮化鉿、鈮、氮化鈮、鋯、硼酸鋯、氮化鋯、碳化矽、碳氮化鉭、呈Mgx Ny 形式的氮化鎂（其中x等於3至10%內並且y等於2至10%內）、氮化鎂鎵、鎢、氮化鎢、或其組合製成。
根據一實施例，光電裝置進一步包含在封裝層中延伸的溝槽，每個溝槽至少利用反射塗層覆蓋。
根據一實施例，導電墊與殼體相接觸。
根據一實施例，導電墊與半導體微米線或奈米線相接觸並且與殼體電氣絕緣。
為了清晰起見，在諸圖中相同元件已經利用相同參考數字表示，並且進一步地，按照在電子電路圖中慣例，諸圖並非按比例繪製。進一步地，已經僅示出並將描述可用以理解本描述的彼等元件。特定言之，用於偏置光電裝置的發光二極體的構件係熟知的並且將不描述。
在以下描述中，除非另外指出，術語「實質上」、「近似」、以及「在…的量級上」意謂「至10%內」。此外，發光二極體的「有效區域」表示從此發射由發光二極體提供的大部分電磁輻射的發光二極體的區域。進一步地，當第一元件被稱為藉由磊晶關係連接至第二元件時，這意謂著第一元件由第一層製成並且第二元件由第二層製成，該第二層藉由在第一層上磊晶來生長或反之亦然。
進一步地，諸如在本揭示之上下文中所使用，術語「粒子」應以廣義理解並且不僅對應於或多或少具有球形的緻密粒子，亦對應於角形粒子、扁平粒子、薄片狀粒子、纖維狀粒子、或纖維粒子、等等。應理解在本揭示之上下文中粒子之「大小」意謂粒子之最小橫向尺寸。材料之粒子意謂已知材料可能以粒子簇形式出現時單獨考慮的粒子，亦即，材料之單位元素。粒子之片語「平均大小」根據本揭示意謂粒子大小之算術平均值，亦即，粒子大小除以粒子數量之總和。粒子之粒度分析可能藉由雷射粒度分析來量測，該雷射粒度分析藉由使用例如Malvern Mastersizer 2000。
本描述係關於包含發光二極體的光電裝置，該發光二極體包含具有微米範圍或奈米範圍之半導體元件、尤其半導體微米線或奈米線的半導體元件。
術語「微米線」或「奈米線」表示沿著較佳方向伸長之形狀的三維結構，該三維結構具有在從5 nm至2.5 μm、較佳地從50 nm至2.5 μm之範圍中的至少兩個尺寸（稱為次要尺寸），大於或等於最大次要尺寸的1倍、較佳地大於或等於最大次要尺寸的5倍、並且更佳地仍大於或等於最大次要尺寸的10倍的第三尺寸（稱為主尺寸）。在某些實施例中，次要尺寸可能小於或等於近似1 μm，較佳地在從100 nm至1 μm之範圍中，更佳地從100 nm至800 nm。在某些實施例中，每個微米線或奈米線之高度可能大於或等於500 nm，較佳地在從1 μm至50 μm之範圍中。
在以下描述中，術語「接線」用以意謂「微米線或奈米線」。較佳地，在與接線之較佳方向垂直的平面中，穿過橫截面之重力中心的接線之中線實質上係直線的並且後文被稱為接線之「軸」。接線之基底可能具有橫截面，根據接線之晶體結構，該橫截面具有六邊形、圓形或方形。
在以下描述中，實施例將在具有發光二極體的光電裝置之情形中描述，該發光二極體包含具有恆定橫截面之微米線或奈米線之形狀的半導體元件。然而，在全部此等實施例中，具有微米線或奈米線之形狀的元件可能利用具有變化之橫截面的微米線或奈米線（例如，具有錐體或截錐體之形狀的微米線或奈米線）之形狀的元件替代。
第1圖及第2圖圖示了光電裝置10的實施例，例如，對應於顯示螢幕或影像投影裝置。第3圖係第1圖之部分的更詳細視圖。
裝置10包含兩個積體電路12、14。第一積體電路12包含發光二極體16並且在以下描述中被稱為光電電路或光電晶片。第二積體電路14包含用以控制第一積體電路12之發光二極體16的未圖示的電子組件，特別地電晶體。第二積體電路14在以下描述中被稱為控制電路或控制晶片。光電電路12結合至控制電路14。根據結合類型，結合墊18可能在光電晶片12與控制晶片14之間存在。
在第1圖中，光電電路12從底部至頂部包含： 半導體基板20，包含下表面22及上表面24，至少於發光二極體16之位準，上表面24較佳地係平坦的； 開口26，在基板20中從下表面22延伸至上表面24，基板20在相鄰開口26之間的部分形成第一壁28； 反射或光吸收塗層或波導30，覆蓋每個開口26之橫向面； 導電層32，覆蓋塗層30、每個開口26之底部並且亦覆蓋至少在開口26之間的下表面22； 光致發光區塊34，位於至少一些開口26中，其他開口可能利用透明材料填充或利用空氣填充； 濾光片36，在下表面22上，覆蓋至少一些光致發光區塊34； 晶種層38，由有助於接線生長的材料製成並排列在壁28上之上表面24上，晶種層38包含用於每個光致發光區塊34的穿過開口40； 絕緣層42，覆蓋晶種層38及光致發光區塊34並且包含開口44； 接線46，每個接線46與穿過開口44之一的導電層32接觸； 針對每個接線，僅在第3圖中圖示的殼體48包含覆蓋接線46之半導體層之堆疊、藉由每個接線46及形成發光二極體16之相關殼體48形成的總成，殼體48特別地包含未圖示的有效區域，該有效區域係從其發射由發光二極體16供應之大部分電磁輻射的層； 電氣絕緣封裝層50，覆蓋絕緣層42，圍繞發光二極體16延伸並且界定上表面52； 第二反射壁54，穿過封裝層50圍繞每個發光二極體16延伸；以及 導電元件56，在以下描述中被稱為通孔，穿過封裝層50延伸並且與基板20在表面24之側面上相接觸。
在第1圖中，僅圖示了一個與每個開口26相關的接線46。在另一實施例中，兩個接線46或兩個以上的接線46可能與每個開口26相關，與相同開口26相關的每個接線46在該開口26之底部處與導電層32接觸。
如在第2圖中所圖示，在本實施例中，壁54形成柵格並且發光二極體16排列成行及列。舉例而言，在第2圖中圖示了九個子像元Pix。壁28可能與壁54對準並且亦形成柵格。在本實施例中，開口26可能具有方形形狀。然而，開口26之形狀可能係不同的。在另一實施例中，每個開口26可能具有六邊形形狀，例如在發光二極體16之中心處。
結合墊18位於表面52上並且與發光二極體16相接觸。根據一實施例，針對每個子像元Pix提供了一個結合墊18。結合墊58與導電通孔56相接觸地位於表面52上。
在操作中，在墊18與墊58之間施加電壓，使得針對每個子像元Pix，子像元Pix之發光二極體16發射具有一強度之光，該強度取決於與子像元Pix相關的在墊58與結合墊18之間施加的電壓。壁28及54減少在相鄰子像元Pix之間的串擾。串擾包括可見光（諸如來自發光二極體之藍光）及不可見光（諸如來自發光二極體之紫外線）的波長，以及光強度（亮度）。在第1圖中，圖示了僅一個墊58及僅一個通孔56。在另一實施例中，可能提供若干墊58及若干通孔56。
接線46至少部分由至少一種半導體材料製成。半導體材料可能係矽、鍺、碳化矽、III-V化合物、II-VI化合物、或此等化合物的至少兩種的組合。
接線46可能至少部分由主要包含III-V化合物（例如，III-N化合物）的半導體材料製成。第III族元素之實例包含鎵(Ga)、銦(In)、或鋁(Al)。III-N化合物之實例係GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、或AlInGaN。亦可能使用其他第V族元素，例如，磷或砷。一般而言，在III-V化合物中之元素可能以不同莫耳分數結合。
接線46可能至少部分由主要包含II-VI化合物的半導體材料製成。第II族元素之實例包含第IIA族元素，特定言之鈹(Be)及鎂(Mg)，以及第IIB族元素，特定言之鋅(Zn)、鎘(Cd)、及汞(Hg)。第VI族元素之實例包含第VIA族元素，特定言之氧(O)及碲(Te)。II-VI化合物之實例係ZnO、ZnMgO、CdZnO、CdZnMgO、CdHgTe、CdTe、或HgTe。一般而言，在II-VI化合物中之元素可能以不同莫耳分數結合。
接線46可能包含摻雜劑。舉例而言，針對III-V化合物，摻雜劑可能選自包含P型第II族摻雜劑（例如，鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、或汞(Hg)）、P型第IV族摻雜劑（例如，碳(C)）、或N型第IV族摻雜劑（例如，矽(Si)、鍺(Ge)、硒(Se)、硫(S)、鋱(Tb)、或錫(Sn)）的群組。
每個接線46之高度可能在從250 nm至50 μm之範圍中。每個接線46可能具有沿著實質上與表面24垂直之軸伸長的半導體結構。每個接線46可能具有六邊形橫截面。兩個相鄰接線46之軸可能相距從0.3 μm至10 μm並且較佳地從1 μm至5 μm。舉例而言，接線46可能規則地分佈，特定言之在六邊形網路中。
在第3圖中，殼體48覆蓋接線46之橫向面以及頂面。在另一實施例中，殼體48可能僅在與基板20相對的接線46之頂面上存在。
殼體48可能包含複數個層之堆疊，特別地包含： 有效區域，覆蓋接線46之至少部分； 中間層，具有與接線46相反的導電類型並且覆蓋有效層；以及 結合層，覆蓋中間層並與墊18相接觸。
有效區域係具有由從其發射之發光二極體LED供應的大部分輻射的層。根據一實例，有效區域可能包含限制構件。有效區域可能包含單個量子井。其可能隨後包含與形成接線46及中間層之半導體材料不同的半導體材料，並且具有小於接線46之能帶間隙的能帶間隙。有效區域可能包含多個量子井。其隨後包含形成量子井之交替以及障壁層之交替的半導體層的堆疊。其例如由GaN及InGaN層之交替形成，此堆疊一般被稱為異質結構。GaN及InGaN層可能具有從3 nm至20 nm（例如，6 nm）及從1 nm至10 nm（例如，2.5 nm）的相應厚度。GaN層可能例如由N型或P型摻雜。根據另一實例，有效層可能包含單個InGaN層，例如，具有大於10 nm之厚度。較佳地，有效區域之層藉由磊晶關係連接至接線46。
例如，P型摻雜的中間層可能對應於半導體層或對應於半導體層之堆疊並且能夠形成P-N或P-I-N接面，有效層在中間P型層與P-N或P-I-N接面之接線46之間。
結合層可能對應於半導體層或對應於半導體層之堆疊並且能夠在中間層與墊18之間形成歐姆接觸。舉例而言，結合層可能由與接線46之下部相反的類型非常重地摻雜以退化半導體層，例如，以大於或等於1020 原子/立方公分的濃度P型摻雜。
半導體層之堆疊可能包含與有效層及中間層相接觸地由三元合金（例如，氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦(AlInN)）形成的電子障壁層以確保電載流子在有效層中的良好分佈。
基板20至少部分由至少一種半導體材料製成。半導體材料可能係矽、鍺、碳化矽、III-V化合物、II-VI化合物、或此等化合物的至少兩種的組合。較佳地，基板20由與在微電子元件中實施的製造方法相容的半導體材料製成。基板20可能經重摻雜、輕摻雜或不摻雜。較佳地，基板20由單晶矽製成。
在與表面24正交之方向中量測的壁28之高度係在從1 μm至200 μm、較佳地從5 μm至30 μm之範圍中。在與表面24平行之方向中量測的壁28之厚度係在從100 nm至50 μm、較佳地從1 μm至10 μm之範圍中。在第2圖之視圖中，由壁54界定的子像元Pix之區域對應於具有從0.1 μm至100 μm、較佳地從1 μm至30 μm變化的側面之方形的區域。
晶種層38由有助於生長接線46之材料製成。晶種層38可能對應於多層結構。舉例而言，形成晶種層38之材料可能係來自元素週期表的第IV、V、或VI列的過渡金屬之氮化物、碳化物、或硼化物，或此等化合物之組合。舉例而言，晶種層38可能由氮化鋁(AlN)、硼(B)、氮化硼(BN)、鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鉿(Hf)、氮化鉿(HfN)、鈮(Nb)、氮化鈮(NbN)、鋯(Zr)、硼酸鋯(ZrB2 )、氮化鋯(ZrN)、碳化矽(SiC)、碳氮化鉭(TaCN)、呈Mgx Ny 形式之氮化鎂（其中x近似等於3並且y近似等於2，例如，對應於形式Mg3 N2 的氮化鎂）或氮化鎂鎵(MgGaN)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、或其組合製成。晶種層38可能由與基板20相同之導電類型摻雜。在與表面24正交之方向中量測的晶種層38之厚度係在從10 nm至10 μm、較佳地在20 nm與100 nm之間之範圍中。較佳地，晶種層38藉由磊晶關係連接至基板20。較佳地，接線46藉由磊晶關係連接至晶種層38。在一實施例中，可能不存在晶種層38。
墊18、58係由導電材料製成，該導電材料例如，金屬諸如鋁(Al)、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、錫(Sn)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、鋅(Zn)或此等金屬之兩種及三種之任一者的合金，諸如金錫(AuSn)、銀錫(AgSn)、銅銀(CuAg)、鎳鈀(NiPd)。
開口26可能藉由光致發光區塊34填充。在一實施例中，全部開口26由光致發光區塊34填充。在另一實施例中，一些開口26由光致發光區域34填充並且一些開口26不由光致發光區塊34填充。在另一實施例中，全部開口26不由光致發光區塊34填充。每個光致發光區塊34包含磷光體，當由子像元Pix之發光二極體16發射的光激發時，該等磷光體能夠於一波長發射光，該波長與由發光二極體16發射的光之波長不同。
每個光致發光區塊34包含至少一種光致發光材料之粒子。光致發光材料之實例係由三價鈰離子激活的釔鋁石榴石(YAG)，亦稱為YAG:Ce或YAG:Ce3+ 。習知光致發光材料之粒子的平均大小一般大於5 μm。
在一實施例中，每個光致發光區塊34包含具有其中分散的半導體材料之奈米範圍之單晶粒子的基質，後文亦稱為半導體奈米晶體或奈米磷光體粒子。光致發光材料之內部量子效率QYint 等於發射之光子數量與由光致發光物質吸收之光子數量的比率。半導體奈米晶體之內部量子效率QYint 大於5%，較佳地大於10%，更佳地大於20%。
根據一實施例，奈米晶體之平均大小係在從0.5 nm至1,000 nm、較佳地從0.5 nm至500 nm、更佳地從1 nm至100 nm、特定言之從2 nm至30 nm之範圍中。針對小於50 nm之尺寸，半導體奈米晶體之光轉換性質基本上取決於量子侷限現象。半導體奈米晶體隨後對應於量子盒或量子點。
根據一實施例，半導體晶體之半導體材料選自包含硒化鎘(CdSe)、磷化銦(InP)、硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、碲化鎘(CdTe)、碲化鋅(ZnTe)、氧化鎘(CdO)、氧化鋅鎘(ZnCdO)、硫化鎘鋅(CdZnS)、硒化鎘鋅(CdZnSe)、硫化銀銦(AgInS2 )、及此等化合物之至少兩種之混合物的群組。根據一實施例，半導體奈米晶體之半導體材料選自在Le Blevenec等人的出版物Physica Status Solidi (RRL)中-Rapid Research Letters，第8卷，第4號，第349-352頁，2014年4月中提及之材料。
根據一實施例，半導體奈米晶體之尺寸根據由半導體奈米晶體發射之輻射的期望波長來選擇。舉例而言，具有3.6 nm量級之平均大小的CdSe奈米晶體能夠將藍光轉換為紅光並且具有1.3 nm量級之平均大小的CdSe奈米晶體能夠將藍光轉換為綠光。根據另一實施例，半導體奈米晶體之組成根據由半導體奈米晶體發射之輻射的期望波長來選擇。
基質由至少部分透明之材料製成。基質例如由氧化矽製成。基質例如由任何至少部分透明之聚合物（特定言之聚矽氧、環氧樹脂）製成或由聚乙酸(PLA)製成。基質可能由與三維列印機一起使用的至少部分透明之聚合物（諸如PLA）製成。根據一實施例，基質含有以奈米晶體之質量計從2%至90%，較佳地從10%至60%，例如，以奈米晶體之質量計近似20%。
光致發光區塊34之厚度取決於奈米晶體濃度及所使用之奈米晶體之類型。光致發光區塊34之高度較佳地低於壁28及晶種層38之高度的總和。
絕緣層42可能由介電材料製成，例如，由氧化矽(SiO2 )、氮化矽（Six Ny ，其中x近似等於3並且y近似等於4，例如，Si3 N4 ）、氮氧化矽（特定言之一般式SiOx Ny ，例如，Si2 ON2 ）、氧化鉿(HfO2 )、或金剛石製成。在與表面24正交之方向中量測的絕緣層42之厚度係在從0.01 μm至5 μm、較佳地0.05 μm至0.5 μm之範圍中。絕緣層42可能對應於先前列表之不同介電材料的單層結構或多層結構。
導電層32能夠偏置每個接線46並且能夠讓由發光二極體LED發射之電磁輻射通過。導電層32可能由透明且導電材料（諸如石墨烯）或透明導電氧化物(transparent conductive oxide; TCO)（例如，氧化銦錫(indium tin oxide; ITO)或氧化鋁鋅(aluminum zinc oxide; AZO)或氧化鎵鋅(Gallium Zinc oxide; GZO)）製成。舉例而言，導電層32具有在從5 nm至1000 nm、較佳地從20 nm至100 nm之範圍中的厚度。
塗層30可能對應於例如由金屬（諸如鋁、銀、銅、釕或鋅）製成的反射塗層。塗層30亦可能對應於例如由一種或多種介電材料（等）製成的波導。塗層30可能對應於光吸收塗層（例如，包含深色表面）以確保當關閉子像元時與相鄰子像元相比的良好對比度。每個塗層30可能對應於反射塗層與波導或光吸收塗層與波導的組合。
壁54及通孔56係例如由金屬（諸如鋁、銀、銅、或鋅）製成。壁54可能包含由反射層覆蓋的核心，該反射層例如由金屬（諸如鋁、銀、銅、或鋅）製成。核心可能由介電材料製成。在一實施例中，壁54之核心對應於空腔，該空腔可利用空氣或部分真空填充。壁54之高度較佳地與接線46之高度大致相同。在與表面24平行之方向中量測的壁54之厚度係在從100 nm至50 μm、較佳地從500 nm至10 μm之範圍中。在壁54與殼體48之間的最小距離係在從1 μm至50 μm、較佳地從3 μm至10 μm之範圍。
封裝層50由一種或多種介電材料（等）（例如，如針對絕緣層42所揭示之材料）製成。在一實施例中，封裝層50包含圍繞每個發光二極體16的多層結構。在一實例中，針對每個發光二極體16，封裝層50包含圍繞發光二極體16的第一層以及圍繞第一層的第二層。第一及第二層可能由介電材料（例如，如針對絕緣層42所揭示之材料）製成。
第4圖及第5圖係分別與包含發光二極體之光電裝置60之另一實施例之第1圖及第3圖類似的部分簡化橫截面圖。光電裝置60包含與第1圖至第3圖所示之光電裝置10相同的元件，差異之處在於不存在導電層32、該元件包含覆蓋每個殼體48之部分且與壁54及通孔56相接觸的導電層62、以及墊18與接線46電氣接觸並藉由電氣絕緣層64與殼體48絕緣。
導電層62可能具有與層32相同的材料。導電層62之厚度係在從5 nm至1000 nm、較佳地20至200 nm之範圍中。
絕緣層64可能具有與絕緣層50相同之材料。絕緣層64之厚度係在從10 nm至1000 nm、較佳地50 nm至300 nm之範圍中。
第6A圖至第6F圖係於製造第1圖至第3圖所示之光電裝置10的方法的一實施例的相繼步驟獲得的結構之部分簡化橫截面圖。
第6A圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構： 提供了具有兩個相對面72、74之一片基板70； 在基板70之面74上形成晶種層38； 在晶種層38上形成絕緣層42； 在絕緣層42中形成開口44；以及 在晶種層38上形成發光二極體16，亦即在晶種層38上形成接線46並且在接線46上形成未在第6A圖中圖示的殼體48。
基板70由與基板20相同之材料製成。晶種層38可能藉由方法諸如化學氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD)或亦稱為金屬有機氣相磊晶(metal-organic vapor phase epitaxy; MOVPE)的金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD)來獲得。然而，可能使用方法諸如分子束磊晶(molecular-beam epitaxy; MBE)、氣源MBE(gas-source MBE; GSMBE)、金屬有機MBE(metal-organic MBE; MOMBE)、電漿輔助MBE(plasma-assisted MBE; PAMBE)、原子層磊晶(atomic layer epitaxy; ALE)、氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy; HVPE)，以及原子層沉積(atomic layer deposition; ALD)。進一步地，可能使用方法諸如蒸發或反應性陰極濺射。
接線46及殼體48可能由CVD、MOCVD、MBE、GSMBE、PAMBE、ALE、HVPE、ALD類型之製程生長。用於製造接線46及殼體之方法之實例在專利申請案US2015/0280053中揭示。針對每個發光二極體16，殼體48可能覆蓋接線46之橫向面及頂面。在另一實施例中，殼體48可能僅在與基板70相對的接線46之頂面上存在。
第6B圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構： 至少在將形成通孔56的位置處蝕刻絕緣層42及晶種層38； 在絕緣層42及接線16上形成封裝層78，封裝層78之高度高於發光二極體16之高度；以及 在將形成壁54及通孔56的位置處穿過封裝層50形成開口或溝槽80。開口80之尺寸對應於壁54及通孔56之期望尺寸。蝕刻在絕緣層42或晶種層38上終止以用於針對壁54所製成之開口80。蝕刻在基板70上終止以用於針對通孔56所製成之開口80。特定言之當壁54需要垂直傾斜時，所實施之蝕刻可能係乾式蝕刻，例如，經由基於氯化物或氟化物之電漿或反應性離子蝕刻(reactive ion etching; RIE)。
第6C圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構： 在封裝層50上形成導電層，導電層填充開口80； 蝕刻導電層及封裝層78直至發光二極體16之殼體48之頂部，導致形成封裝層50、壁54及通孔56。
第6D圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構： 在封裝層50上並與發光二極體16之殼體48相接觸地形成墊18、58，墊18與發光二極體16之殼體48相接觸並且墊58與通孔56相接觸； 藉由使用結合材料85將支撐件84（亦稱為固持器）結合至封裝層50；以及 從與支撐件84相對之側面減薄基板70以形成基板20。
墊18及58可能較佳地藉由在封裝層50上電化學沉積電氣導電層來形成，導電層由接觸墊18及58之材料製成，並且藉由蝕刻導電層以界定接觸墊18及58。所實施的蝕刻可能係乾式蝕刻（例如，經由基於氯化物或氟化物之電漿）、反應性離子蝕刻(RIE)、或濕式蝕刻（例如利用氫氟酸，HF）。
第6E圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構： 在基板20中並在晶種層38中蝕刻開口26直至絕緣層42以暴露每個接線46之基底； 在每個開口26之橫向面上形成反射塗層30；以及 形成導電層32。
開口26之尺寸對應於光致發光區塊34之期望尺寸。此蝕刻在絕緣層42上終止。所實施的蝕刻可能係乾式蝕刻（例如，經由基於氯化物或氟化物之電漿）、反應性離子蝕刻(RIE)或濕式蝕刻（較佳地各向異性之濕式蝕刻，諸如用於矽＜100＞及＜111＞的氫氧化鉀(KOH)）。
第6F圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構： 在開口26內部形成光致發光區塊34； 蝕刻光致發光區塊34在開口26外部之部分；以及 形成濾光片36。
光致發光區塊34可能藉由利用結合基質中的半導體奈米晶體之膠體分散液填充某些開口26（可能藉由利用樹脂阻塞某些開口26）而形成，例如，藉由所謂之增材製程。所謂之增材製程可能包含於期望位置直接印刷膠體分散液，例如，藉由噴墨印刷、氣溶膠印刷、微壓印、凹版印刷、絲網印刷、彈性印刷、噴塗、或液滴流延。
藉由收回固持器84及結合材料85，獲得第1圖所示的光電晶片12。
在本實施例中，將控制晶片14結合至光電晶片12可能使用嵌入物（諸如連接微結合墊、微凸塊或微珠粒18）進行。或者，將控制晶片14結合至光電晶片12可能在不使用嵌入物的情況下藉由直接結合進行。直接結合可能包含光電晶片12之金屬區域與控制晶片14之金屬區域的直接金屬至金屬結合、以及在光電晶片12之表面處之介電區域與在控制晶片14之表面處之介電區域的介電至介電結合。將控制晶片14結合至光電晶片12可能在施加壓力及熱的情況下藉由熱壓方法進行，其中光電晶片12抵靠控制晶片14放置。
第7A圖至第7F圖係於製造第4圖所示之光電裝置60的方法的一實施例的相繼步驟獲得的結構之部分簡化橫截面圖。
第7A圖圖示了在先前關於第6A圖所揭示之步驟之後並在形成覆蓋絕緣層42並覆蓋發光二極體16之殼體48（除了殼體48之頂部）的導電層62之步驟之後獲得的結構。在另一實施例中，於此步驟，導電層62完全覆蓋殼體48。
第7B圖圖示了在先前關於第6B圖及第6C圖所揭示之步驟之後獲得的結構，差異之處在於在導電層62上形成封裝層50並且不於通孔56之位置處蝕刻導電層62。封裝層50在接線46及/或壁54與通孔56之間填充。
第7C圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構： 蝕刻殼體48之頂部以暴露接線46之末端； 形成覆蓋封裝層50之電氣絕緣層64；以及 在絕緣層64中蝕刻開口86以暴露接線46之末端並暴露通孔56。
開口86之橫向尺寸低於接線46之橫向尺寸。在一實例中，當接線46之橫向尺寸係約0.5 μm時，開口86之橫向尺寸可能係約0.3 μm。
第7D圖圖示了在先前關於第6D圖所揭示之步驟之後獲得的結構，其中墊18與接線46之末端接觸。
第7E圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構： 在基板20、晶種層38及絕緣層42中蝕刻開口26以暴露導電層62及接線46以及殼體48。
第7F圖圖示了在以下步驟之後獲得的結構：在每個開口26之橫向面上形成反射塗層30；以及 先前關於第6F圖揭示的步驟。
在收回固持器84之後，獲得第4圖所示的光電晶片12。
第8圖至第12圖圖示了第4圖所示的光電裝置60的各種變化。在此等圖中，未圖示控制晶片14。
第8圖係與包含發光二極體之光電裝置90之另一實施例之第4圖類似的部分簡化橫截面圖。光電裝置90包含與第4圖所示之光電裝置60相同的元件，並且亦包含第1圖所示之導電層32，導電層32與導電層62相接觸。然而，圍繞每個發光二極體16蝕刻導電層32以防止導電層32與接線46接觸。獲得了增加的導電性及導熱性。
第9圖係與包含發光二極體之光電裝置95之另一實施例之第8圖類似的部分簡化橫截面圖。光電裝置95包含與第8圖所示之光電裝置90相同的元件，差異之處在於壁54不與導電層62接觸。由於在其中蝕刻開口80的第7B圖所示之步驟，不需要選擇蝕刻方法以在導電層62上終止，製造光電裝置95之方法與製造光電裝置90之方法相比可能較為簡單。
第10圖係與包含發光二極體之光電裝置100之另一實施例之第8圖類似的部分簡化橫截面圖。光電裝置100包含與第8圖所示之光電裝置90相同的元件，差異之處在於相同墊18連接在一起。較佳地，連接在一起的墊18與發射相同顏色的相鄰子像元相關。由此，針對與連接之墊18相關的兩個發光二極體或接線16，若發光二極體之一不工作，則仍可能藉由另一發光二極體發射光，這避免了獲得完全暗的子像元。此外，針對與連接之墊18相關的兩個發光二極體或接線16，若墊18之一不適當地連接至控制電路14，則仍存在在控制電路14與光電電路12之間經由另一墊18的連接。
第11圖係與包含發光二極體之光電裝置105之另一實施例之第8圖類似的部分簡化橫截面圖。光電裝置105包含與第8圖所示之光電裝置90相同的元件，差異之處在於在開口26中不蝕刻晶種層38。由於不蝕刻晶種層38，製造光電裝置105之方法與製造光電裝置90之方法相比可能較為簡單。
第12圖係與包含發光二極體之光電裝置110之另一實施例之第8圖類似的部分簡化橫截面圖。光電裝置110包含與第8圖所示之光電裝置90相同的元件，差異之處在於不存在反射塗層30。製造光電裝置110之方法與製造光電裝置90之方法相比可能較為簡單。
第13圖係與包含發光二極體之光電裝置120之另一實施例之第1圖類似的部分簡化橫截面圖。光電裝置120包含與第1圖所示之光電裝置10相同的元件，差異之處在於不存在半導體基板20並且壁28由放置在表面24上的壁122替代，每個壁122包含利用電氣絕緣層126覆蓋的填充材料之核心124。作為一變化，對每個壁122，可能不存在絕緣層126。在第13圖中，塗層30覆蓋壁122之橫向面及末端。導電層32覆蓋壁122、每個開口26之底部及表面24之剩餘部分。特定言之，導電層32與通孔56機械接觸。此外，晶種層38可能僅在壁122與絕緣層42之間存在。
壁122之尺寸可能與壁28之尺寸相同。核心124可能由半導體材料（例如，矽，特定言之多晶矽）或電氣絕緣材料（例如，SiO2 ）製成。絕緣層126可能由介電材料製成，例如，由氧化矽(SiO2 )、氮化矽(Six Ny ，其中x近似等於3並且y近似等於4，例如，Si3 N4 ）、或氮氧化矽（特定言之一般式SiOx Ny ，例如Si2 ON2 ）、氧化鉿(HfO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )或氧化鈦(TiO2 )製成。絕緣層126係例如由熱氧化矽或由ALD沉積之氧化物製成。絕緣層126之厚度可能在從10 nm至1000 nm之範圍中。
第14A圖至第14H圖係於製造第13圖所示之光電裝置120的方法的一實施例的相繼步驟獲得的結構之部分簡化橫截面圖。
第14A圖圖示了於壁122之期望位置從面74在基板70中形成開口128之後獲得的結構。開口128可藉由蝕刻基板70（例如，藉由乾式蝕刻）獲得。
第14B圖圖示了在每個開口128中形成絕緣層126及絕緣核心124之後獲得的結構。根據一個實施例，構成絕緣層126之材料層可能在開口128中並在基板70之面74之剩餘部分上沉積，並且構成核心124之材料層可能在整個結構上沉積，尤其用以填充開口128。例如，藉由蝕刻移除在開口128外部的構成絕緣層126之材料層以及構成核心124之材料層。因此獲得壁122。優點係可以利用減小之寬度獲得具有高縱橫比（壁之高度與寬度的比率）的壁122。與基板70接觸的壁122之外層具有允許在製程之後面階段實施的相對於壁122實施基板70之選擇性蝕刻的材料。因此，當基板70由矽製成時，壁122之絕緣層126可能由SiO2 製成。當基板70由GaN或GaAlS製成時，可能不存在層126並且壁122可能完全由矽製成。
第14C圖圖示了在與先前關於第6A圖所描述的彼等相同之步驟之後獲得的結構。
第14D圖圖示了在與先前關於第6B圖及第6C圖所描述者相同之步驟之後獲得的結構。
第14E圖圖示了在與先前關於第6D圖所描述的彼等相同之步驟之後獲得的結構。
第14F圖圖示了在收回基板70以暴露壁122之後獲得的結構。收回基板70可能在至少兩個步驟中進行，例如，從面72例如藉由機械拋光減薄基板70的第一步驟，此步驟在到達絕緣層126之前終止，以及用以移除基板70之剩餘部分的第二蝕刻步驟，例如，化學蝕刻。優點係在蝕刻基板70期間絕緣層126可用作終止層。
第14G圖圖示了在收回晶種層38之後、在壁122上形成塗層30之後以及在壁122之側面上的整個結構上形成導電層32之後獲得的結構。塗層30可能藉由蒸發、濺射或ALD形成並且導電層32可能藉由保形沉積形成，例如藉由蒸發或濺射形成。
第14H圖圖示了在與先前關於第6F圖所描述之彼等相同的步驟之後獲得的結構。
已經描述了特定實施例。熟習該項技術者將想到各種變化及修改。特定言之，儘管在先前所描述的實施例中，光電晶片12直接結合至控制晶片14，光電晶片12及控制晶片14可能各結合至印刷電路。此外，儘管在先前所描述的實施例中，壁28及54具有實質上與表面24正交的橫向面，可能例如相對於表面24傾斜而成型壁28及54之橫向面。
此外，儘管在先前所描述的實施例中，基板70係一片基板，基板70可能對應於多層結構，例如包含覆蓋導電基底之絕緣層及覆蓋絕緣層之半導體層的SOI結構。於其中減薄基板70的先前關於第6D圖或第7D圖所描述之步驟，可能收回半導體基底及覆蓋半導體基底的絕緣層以餘留對應於基板20的半導體層。
此外，已經描述了具有各種變化的若干實施例。可以結合此等實施例及變化之一些元件。舉例而言，應用至光電裝置60並在第9圖至第12圖中圖示的變化可能應用至第1圖所示之光電裝置10。
10‧‧‧裝置
12‧‧‧積體電路
14‧‧‧積體電路
16‧‧‧發光二極體
18‧‧‧結合墊
20‧‧‧半導體基板
22‧‧‧下表面
24‧‧‧上表面
26‧‧‧開口
28‧‧‧第一壁
30‧‧‧塗層或波導
32‧‧‧導電層
34‧‧‧光致發光區塊
36‧‧‧濾光片
38‧‧‧晶種層
40‧‧‧通孔
42‧‧‧絕緣層
44‧‧‧開口
46‧‧‧接線
48‧‧‧殼體
50‧‧‧封裝層
52‧‧‧上表面
54‧‧‧第二反射壁
56‧‧‧導電通孔
58‧‧‧墊
60‧‧‧光電裝置
62‧‧‧導電層
64‧‧‧電氣絕緣層
70‧‧‧基板
72‧‧‧面
74‧‧‧面
78‧‧‧封裝層
80‧‧‧開口
84‧‧‧固持器
85‧‧‧結合材料
86‧‧‧開口
90‧‧‧光電裝置
95‧‧‧光電裝置
100‧‧‧光電裝置
105‧‧‧光電裝置
110‧‧‧光電裝置
122‧‧‧壁
124‧‧‧核心
126‧‧‧絕緣層
128‧‧‧開口
以上及其他特徵及優點將與附圖結合地在下文對特定實施例的不作限制的描述中詳細論述，其中：
第1圖及第2圖係光電裝置之一實施例的簡化橫截面圖；
第3圖係第1圖所示的光電裝置之發光二極體的更詳細之橫截面圖；
第4圖及第5圖係分別與光電裝置之另一實施例的第1圖及第3圖類似的視圖；
第6A圖至第6F圖係於製造第1圖及第2圖所示之光電裝置的方法的一實施例的相繼步驟獲得的結構之部分簡化橫截面圖；
第7A圖至第7F圖係於製造第4圖所示之光電裝置的方法的一實施例的相繼步驟獲得的結構之部分簡化橫截面圖；
第8圖至第12圖係光電裝置的其他實施例的部分簡化橫截面圖；
第13圖係光電裝置的一實施例的部分簡化橫截面圖；以及
第14A圖至第14H圖係於製造第13圖所示之光電裝置的方法的一實施例的相繼步驟獲得的結構之部分簡化橫截面圖。
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Claims (20)

  1. 一種製造一光電裝置（10；60；90；95；100；105；110）的方法，包含以下該等相繼步驟： a)提供至少部分由一半導體材料製成並具有第一及第二相對面（72、74）的一基板(70)；b)在該基板上形成發光二極體(16)，每個發光二極體包含由一殼體(48)覆蓋的一半導體微米線或奈米線(46)；c)圍繞該等發光二極體形成一封裝層(50)；d)在該封裝層上、在該封裝層與該基板相對的該側面上與該等發光二極體相接觸地形成導電墊(18)；以及e)在該基板中從該第二面(72)之該側面形成穿過開口(26)，該等開口與該等發光二極體的至少部分相對並界定該基板中的壁(28)。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟： f)在至少一些該等開口中形成光致發光區塊(34)。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中步驟b)包含以下步驟：與該基板(70)相接觸地形成一晶種層(38)，該晶種層由有助於該半導體微米線或奈米線(46)之該生長的一材料製成，並且在該晶種層上生長該等接線(46)。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該晶種層(38)可能至少部分由氮化鋁(AlN)、硼(B)、氮化硼(BN)、鈦(Ti)、或氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鉿(Hf)、氮化鉿(HfN)、鈮(Nb)、氮化鈮(NbN)、鋯(Zr)、硼酸鋯(ZrB2 )、氮化鋯(ZrN)、碳化矽(SiC)、鉭氮化物和碳化物(TaCN)、呈Mgx Ny 形式之氮化鎂（其中x等於3至10%內並且y等於2至10%內）、氮化鎂鎵(MgGaN)、鎢(W)、氮化物(WN)、或其組合製成。
  5. 如請求項1所述之方法，在步驟e)之前，進一步包含減薄該基板(70)之步驟。
  6. 如請求項1所述之方法，在步驟e)之前，進一步包含將該封裝層(50)結合至一電子電路(14)或一固持器(84)的步驟。
  7. 如請求項1所述之方法，在步驟d)之前，進一步包含在該等發光二極體(16)之間的該封裝層(5)中蝕刻溝槽(80)並且利用一反射塗層(54)覆蓋每個溝槽、利用一填充材料至少部分填充每個溝槽及/或讓空氣或一部分空隙進入每個溝槽中的步驟。
  8. 如請求項1所述之方法，其中，於步驟d)，該等導電墊(18)與該等殼體(48)相接觸地形成。
  9. 如請求項1所述之方法，在步驟d)之前，進一步包含蝕刻該等殼體(48)之部分的以暴露該等半導體微米線或奈米線(46)的該等末端的步驟，於步驟d)，該等導電墊(18)與該等半導體微米線或奈米線相接觸並與該等殼體電氣絕緣地形成。
  10. 如請求項1所述之方法，其中每個半導體微米線或奈米線(46)包含橫向面及與基板(7)相對之一頂面，並且其中針對每個發光二極體(16)，該殼體(48)覆蓋該微米線或奈米線之該等橫向面及該頂面。
  11. 如請求項1所述之方法，其中每個半導體微米線或奈米線(46)包含橫向面及與基板(70)相對之一頂面，並且其中針對每個發光二極體(16)，該殼體(48)僅覆蓋該微米線或奈米線之該頂面。
  12. 如請求項1所述之方法，在步驟b)之前，包含以下步驟：在該基板(70)中從該第一面(74)形成開口(128)並且在該等開口中形成該等壁(122)，該等壁至少部分由與該基板不同的一材料製成，在步驟e)中，該方法進一步包含以下步驟：移除該基板以暴露該等壁。
  13. 一種光電裝置（10；60；90；95；100；105；110），包含： 發光二極體(16)，每個發光二極體包含由一殼體(48)覆蓋的一半導體微米線或奈米線(46)，該等發光二極體由一封裝層(50)圍繞；壁(28)，至少部分由放置在該封裝層上的一半導體或電氣絕緣材料製成，該等壁界定開口(26)，該等開口與該等發光二極體之至少部分相對；以及導電墊(18)，在該封裝層與該等壁相對之該側面上，與該等發光二極體相接觸。
  14. 如請求項13所述之光電裝置，在該等開口(26)之至少一些中進一步包含光致發光區塊(34)。
  15. 如請求項13或14所述之光電裝置，在該等壁(28)與該封裝層(50)之間進一步包含與該等壁相接觸的一晶種層(38)，該晶種層由有助於該等半導體微米線或奈米線(46)之該生長的一材料製成。
  16. 如請求項15所述之光電裝置，其中該晶種層(38)可能至少部分由氮化鋁(AlN)、硼(B)、氮化硼(BN)、鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鉿(Hf)、氮化鉿(HfN)、鈮(Nb)、氮化鈮(NbN)、鋯(Zr)、硼酸鋯(ZrB2)、氮化鋯(ZrN)、碳化矽(SiC)、碳氮化鉭(TaCN)、呈Mgx Ny 形式的氮化鎂（其中x等於3至10%內並且y等於2至10%內）、氮化鎂鎵(MgGaN)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、或一其組合製成。
  17. 如請求項13所述之光電裝置，進一步包含在該封裝層(50)中延伸的溝槽(80)，每個溝槽至少由一反射塗層(54)覆蓋。
  18. 如請求項13所述之光電裝置，其中該等導電墊(18)與該等殼體(48)相接觸。
  19. 如請求項13所述之光電裝置，其中該等導電墊(18)與該半導體微米線或奈米線(46)相接觸並與該等殼體(48)電氣絕緣。
  20. 如請求項13所述之光電裝置，其中每個壁(122)包含由一電氣絕緣層(126)覆蓋的一半導體材料之一核心(124)。
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