TW201907585A - 微ｌｅｄ結構及其製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出了一種微LED結構，包含：一基板、一第一電極與一第二電極、一P型半導體層與一N型半導體層、一發光層以及複數個間隙。藉由微LED結構的複數個間隙，達到獨立控制發光的目的。又，指叉狀電極的設計，可使電流更均勻的擴散到各層，進而提升微LED結構的發光亮度與均勻度。

Description

微LED結構及其製作方法

一種微LED結構及其製作方法，尤指一種可獨立控制發光層的微LED結構及製作方法。

微發光二極體(Micro LED)顯示技術是一種繼有機發光二極體(OLED)之後新一代的顯示技術。其原理主要是藉由LED結構設計進行薄膜化、微小化及陣列化，先將LED尺寸縮小至100微米以下等級(約原本LED的百分之一)，再利用物理方式完成各層堆疊，進行上基板封裝，完成各種尺寸且結構簡單的微發光二極體裝置。

整體模組縮小後，便提升了畫質及反應速度，因此微發光二極體具備高解析度、色彩飽和度、大視覺角度、反應速度快、超省電、壽命長及等多項優勢。

微發光二極體除可取代傳統的液晶顯示器(LCD)與有機發光二極體(OLED)作為面板顯示器外，加上擁有超省電之優勢，因此，亦適合應用於穿戴式裝置螢幕、電子看板、抬頭顯示器(HUD)、頭戴式顯示器(HMD)等裝置。

然而，現階段的微發光二極體尚未能獨立控制各元件的發光層，其電極的配置結構，也有電流擴散不均勻，造成發光亮度受到影響等 的問題。

因此，為解決先前技術的問題，本發明提出一種微LED結構及其製作方法，藉由指叉狀的電極結構，讓電流均勻擴散；亦透過雷射方式切割二極體，讓微LED的亮光能夠被獨立控制。

本發明之微LED結構，包含：一基板、一第一電極、一第二電極、一P型半導體層、一N型半導體層、一發光層以及複數個間隙。其中，該第一電極與該第二電極皆設置於該基板上，且兩電極相互平行。該P型半導體層設置於該第一電極上；該發光層設置於該P型半導體層上；該N型半導體層，設置於該第二電極與該發光層之上，且各個該複數個間隙連通該N型半導體層靠近該第一電極的側邊至該N型半導體層靠近該第二電極的側邊。

欲達上述微LED結構所使用的製作方法，包含以下步驟：

(A)設置一基板。

(B)以水平方式設置一第一電極與一第二電極於該基板上。

(C)設置一P型半導體層於該第一電極上。

(D)設置一發光層於該P型半導體層上。

(E)設置一N型半導體於該第二電極與該發光層之上。

(F)以雷射方式切割該微LED結構，形成複數個從該N型半導體層靠近該第一電極側邊連通至該N型半導體層靠近該第二電極側邊的間隙。

其中，該第一電極與該第二電極之結構為一指叉狀電極，該 指叉狀電極包含一主電極與複數個子電極，該複數個子電極平行排列於該主電極。

本發明之另一微LED結構，其發光層還可以添加螢光物質形成一變色轉換層，設置於該N型半導體層上。其中，不同的螢光物質可使該變色轉換層包含一紅光部、一綠光部以及一藍光部。

本發明可藉由該微LED結構上的複數個間隙，達到獨立控制發光的目的。變色轉換層可讓外部電路獨立控制亮光的顏色，形成RGB發光元件。又指叉狀電極的結構設計，可使電流更均勻的擴散到各層結構，提升微LED整體的發光亮度。

以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。

10‧‧‧微LED結構

11‧‧‧基板

12‧‧‧第一電極

12a‧‧‧第一主電極

12b‧‧‧第一子電極

13‧‧‧第二電極

13a‧‧‧第二主電極

13b‧‧‧第二子電極

14‧‧‧P型半導體層

15‧‧‧N型半導體層

16‧‧‧發光層

17‧‧‧間隙

18‧‧‧空隙

19‧‧‧變色轉換層

A~F‧‧‧步驟

圖1為本發明較佳實施例的結構圖

圖2為本發明較佳實施例的結構剖面圖

圖3為本發明較佳實施例的結構俯視圖

圖4為本發明較佳實施例的製作方法流程圖

圖5為本發明較佳實施例的另一結構圖

圖6為本發明較佳實施例的另一結構剖面圖

圖7為本發明較佳實施例的另一結構俯視圖

為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：本發明是一種以雷射方式切割二極體，使亮光能夠被獨立控制的微LED結構及其製作方法。請參考圖1所示，其為本發明較佳實施例的結構圖，包含一基板11、一第一電極12、一第二電極13、一P型半導體層14、一N型半導體層15、一發光層16以及複數個間隙17。

微LED結構10的第一電極12與第二電極13是以水平方式設置於基板11上。更精確來說，本實施例的第一電極12與第二電極13所稱的水平方式設置於基板11上係可以為導線架的形式，前述的導線架即第一電極12與第二電極13已經預先設計完成且平鋪於基板11之上，使得第一電極12與第二電極13水平且密合於基板11上，形成導線架。P型半導體層14設置於第一電極上12，發光層16設置於P型半導體層14上，N型半導體層15設置於第二電極13與發光層16之上，又，複數個間隙17連通N型半導體層15靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊。透過複數個間隙17的分隔，讓P型半導體層14、N型半導體層15以及發光層16形成多個獨立元件。

第一電極12與第二電極13之結構為指叉狀電極，該指叉狀電極分別包含第一主電極12a、複數個第一子電極12b以及第二主電極13a、複數個第二子電極13b。本實施例中，複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b是以平行且等間距方式依序排列於第一主電極12a或第二主電極 13a上。然，實際複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b的排列方式、角度及間隔可以依照使用者的需求任意變更，本發明不加以限制。

基板11的材質可以是矽(Si)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎵(GaO)、藍寶石(sapphire)以及可撓式塑膠材料與複合層材料等。其中，可撓式塑膠材料與複合層材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醯亞胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、環狀烯烴共聚物(COC)、聚酰胺(PA)或以這些材料為基底的混和複合材料等。

基板11更包含至少一導線(圖未示)。在可能的實施樣態中，所述至少一導線是架設於基板11上甚至連接到基板11外的外部電路，而至少一導線可分別和第一電極12與第二電極13作電性連接，使得外部電路得以獨立控制第一電極12與第二電極13上每個獨立元件的發光運作。而在可能的實施樣態中，前述至少一導線的材質可以是銅線、鋁線、鋁合金線、鋁包鋼線、銅包鋼線和鋼線等。

本實施例中，所述微LED結構10的電流值操作範圍可以為0.01毫安培(mA)~10安培(A)。又，本實施例中採用的P型半導體層14材質可以是氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵系或氮基半導體等。N型半導體層15的材質可以是氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵系或氮基半導體等。發光層16的材質可以是矽氧樹脂(Silicone)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、磷化鎵(GaP)、磷化鎵鋁銦(AlGaInP)、磷砷化鎵(GaAsP)、氮化銦鎵(GaInN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、砷化鋁鎵(AlGaAs)或砷化鎵(GaAs)之多層量子井等。

針對本實施例所述之發光層16，請參考表1所示，表1可看出不同的發光層16材質可發出不同波長的亮光(包含可見光與不可見光)，其應用領域也有所不同。

在本實施例中，複數個間隙17是以雷射方式從N型半導體層15靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊切割而形成。請同時參考圖1~3，其中，如圖2所示，其為本發明較佳實施例的結構剖面圖，微LED結構10是以基板11、第一電極12與第二電極13、P型半導體層14、發光層16以及N型半導體層15依序堆疊所製成。而圖3為本發明較佳實施例的結構俯視圖，P型半導體層14是以覆蓋第一子電極12b的中點堆疊於第一電極12之上；N型半導體層15是以覆蓋第二子電極13b的中點堆疊於第二電極13之上。

更精確來說，本實施例複數個間隙17產生的方式主要是因P型半導體層14與N型半導體層15僅覆蓋於前述複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b的中點，致使P型半導體層14與N型半導體層15和第一主電極12a與第二主電極13a之間留有空隙18(可詳參圖3)。因此，當欲以雷射切割出複數個間隙17時，本實施例是透過前述的空隙18做為切割起始點與終點(如圖3中所示之虛線)，使每個被切割為獨立元件的P型半導體層14、發光層16與N型半導體層15，得以被複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b獨立控制亮光的開關。

關於前述圖1~3的微LED結構10的製作方法，請參考圖4所示，其為本發明較佳實施例的製作方法流程圖，方法步驟包含：

(A)設置基板11。

(B)水平設置第一電極12與第二電極13於基板11上。

(C)設置P型半導體層14於第一電極12上。

(D)設置發光層16於P型半導體層14上。

(E)設置N型半導體層15於第二電極13與發光層16之上。

(F)以雷射切割微LED結構10，形成複數個間隙17。

詳細而言，步驟(B)中，第一電極12與第二電極13之結構為指叉狀電極。指叉狀電極包含第一主電極12a與複數個第一子電極12b以及第二主電極13a與複數個第二子電極13b，其中，複數個子電極是以平行方式排列於主電極。又，複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b的水平設置方式可以是相互對稱或交錯。

步驟(B)所述的第一電極12與第二電極13是透過塗佈、列印 或是雷射的方式水平堆疊於基板11上。其中，雷射的方式可以透過雷射列印，是以雷射燒結的方式將奈米金屬粉塗在基板11形成所需電路；也可以是透過雷射蝕刻，對已經鍍金屬的基板11進行雷射光能量氣化而形成導線；或是透過雷射積層，是在基板11上塗上一層液化奈米金屬混合物，再以雷射光能進行所需電路的能量吸收而固化。

步驟(C)中，P型半導體層14是以覆蓋第一子電極12b中點的方式堆疊於第一電極12之上。其中，P型半導體層14的堆疊方式可以是透過有機化學氣相沉積法(MOCVD)、塗佈或列印。

步驟(D)中，發光層16可以是透過有機化學氣相沉積法(MOCVD)、液相磊晶成長法(LPE)、氣相磊晶成長法(VPE)、噴墨像素印刷(Ink jet pixel)、塗佈或列印的方式堆疊於P型半導體層14上，並藉由P型與N型半導體之間電荷的流動將電能轉換成光能。其中，發光層16所發出來的亮光會因為發光材質的不同有所改變。

步驟(E)中，N型半導體層15是以覆蓋第二子電極13b中點的方式堆疊於第二電極13與發光層16之上。其中，N型半導體層15的堆疊方式可以是透過有機化學氣相沉積法(MOCVD)、塗佈或列印。

詳細而言，步驟(C)與步驟(E)所述的堆疊方式，目的是為了避免雷射沿著N型半導體層15靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊切割微LED結構10時，意外切割到P型半導體層14與N型半導體層15兩側的指叉狀電極(第一電極12與第二電極13)而預留空隙18。

步驟(C~E)中所述之液相磊晶成長法(LPE)是以熔融態的液體材料直接和下層結構接觸而沉積晶膜；氣相磊晶成長法(VPE)是以氣體或 電漿材料傳輸至下層結構，促使晶格表面粒子凝結或解離；有機化學氣相沉積法(MOCVD)則是將有機金屬以氣體形式擴散至下層結構，促使晶格表面粒子凝結。

步驟(D)所述的發光原理，是P型半導體層14含有帶正電的電洞比率較高，N型半導體層15含有帶負電的電子比率較高，當P型與N型半導體結合時，P型半導體層14的多數載子電洞會流向N型半導體層15側，而N型半導體層15的多數載子電子會流向P型半導體層14側。電子與電洞會在PN接面(發光層16)結合後互相消失，只剩下不可移動的施體離子及受體離子，而形成沒有可移動載子的區域，此區域稱為空乏區(depletion region)或空間電荷區(space-charge region)。當P型半導體層14與N型半導體層15外側的第一電極12與第二電極13被施加順向偏壓時，由於注入少數載子的關係，電子與電洞在發光層16產生復合，進而引起發光。

步驟(F)中，本實施例是在不切割到第一電極12與第二電極13的前提之下，重複以雷射方式平行且等間距沿著N型半導體層15靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊(如圖3中所示的虛線)切割P型半導體層14、N型半導體層15以及發光層16，形成複數個間隙17。然，實際上雷射的切割形式、角度以及間距可以依照使用者的需求任意變更，本發明並不加以限制。

當架設於基板11上的導線所連接的外部電路產生電流時，導線會將電流送至第一電極12與第二電極13，兩電極透過指叉狀的設計分別將電流均勻擴散至P型半導體層14與N型半導體層15，進而在發光層16引起亮光。又，透過雷射切割的複數個間隙17將P型半導體層14、N型半導體層 15與發光層16分割成複數個獨立元件，使外部電路得以獨立控制第一電極12與第二電極13上每個獨立元件的發光運作，達成本發明之目的。

請同時參考圖5~7，其為本發明較佳實施例的另一結構圖，包含一基板11、一第一電極12、一第二電極13、一P型半導體層14、一N型半導體層15、一變色轉換層19以及複數個間隙17。其中，本實施例微LED結構10的原發光層為變色轉換層19。

微LED結構10的第一電極12與第二電極13是以水平方式設置於基板11上，P型半導體層14設置於第一電極上12，N型半導體層15設置於第二電極13與P型半導體層14之上，變色轉換層19設置於N型半導體15上，又，複數個間隙17連通變色轉換層19靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊。透過複數個間隙17的分隔，讓P型半導體層14、N型半導體層15以及變色轉換層19形成多個獨立元件。

變色轉換層19可以是透過有機化學氣相沉積法(MOCVD)、液相磊晶成長法(LPE)、氣相磊晶成長法(VPE)、噴墨像素印刷(Ink jet pixel)、塗佈或列印的方式堆疊於N型半導體上15。其中，變色轉換層19的材質可以是矽氧樹脂(Silicone)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、磷化鎵(GaP)、磷化鎵鋁銦(AlGaInP)、磷砷化鎵(GaAsP)、氮化銦鎵(GaInN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、砷化鋁鎵(AlGaAs)或砷化鎵(GaAs)之多層量子井等。

本實施例是在不切割到第一電極12與第二電極13的前提之下，重複以雷射方式平行且等間距沿著變色轉換層19靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊(如圖7中所示的虛線)切割P型 半導體層14、N型半導體層15以及變色轉換層19，形成複數個間隙17。然，實際上雷射的切割形式、角度以及間距可以依照使用者的需求任意變更，本發明並不加以限制。

當架設於基板11上的導線所連接的外部電路產生電流時，導線(圖未示)會將電流送至第一電極12與第二電極13，兩電極透過指叉狀的設計分別將電流均勻擴散至P型半導體層14與N型半導體層15，進而在變色轉換層19引起亮光。其中，變色轉換層19是添加入不同的螢光物質而有不同的發光的顏色。

透過雷射切割的複數個間隙17將P型半導體層14、N型半導體層15與發光層16分割成複數個獨立元件，使外部電路得以獨立控制第一電極12與第二電極13上每個獨立元件的發光運作；又，其中，不同的螢光物質可使該變色轉換層19包含一紅光部、一綠光部以及一藍光部，外部電路可以獨立控制不同顏色的亮光而形成RGB色轉換。

螢光物質的材料主要是由鈣(Ca)、鍶(Sr)或鋇(Ba)的二族金屬與鋅(Zn)、鎘(Cd)或汞(Hg)，搭配六族元素的硫(S)或硒(Se)組成的化合物，再添加錳(Mn)、銅(Cu)、銀(Ag)和鑭系元素銪(Eu)、釤(Sm)、鋱(Tb)等金屬製備而成。舉例來說，硫化鋅(ZnS)摻雜錳為黃橙色、硫化鋅摻雜錳加濾光片為黃綠色、硫化鋅摻雜氯化釤(SmCl₃)為紅色、硫化鋅摻雜鋱氟為綠色、硫化鋅摻雜銩氟為藍色。

更進一步，本實施例之微LED結構的第一電極12與第二電極13還可裝置一控制器與一外部驅動裝置(圖未示)連接，變色轉換層19上還可設有一面板(圖未示)。藉由外部驅動裝置獨立控制變色轉換層19之紅光 部、綠光部以及藍光部的開關與電流的強弱，且透過面板將不同的色光發散，而具有顯示器效能。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳圖式與實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，如該微LED各層結構之延展，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (13)

1. 一種微LED結構，包含：一基板；一第一電極，設置於該基板上；一第二電極，設置於該基板上，該第二電極與該第一電極平行設置；一P型半導體層，設置於該第一電極上；一發光層，設置於該P型半導體層上；一N型半導體層，設置於該第二電極與該發光層之上；以及複數個間隙，各個該複數個間隙由該N型半導體靠近該第一電極的側邊連通至該N型半導體靠近該第二電極的側邊。
2. 如請求項1所述之微LED結構，該第一電極與該第二電極之結構為一指叉狀電極。
3. 如請求項2所述之微LED結構，該指叉狀電極包含一主電極與複數個子電極，其中該複數個子電極平行排列於該主電極。
4. 如請求項1所述之微LED結構，該基板之材質矽(Si)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)或藍寶石(sapphire)。
5. 如請求項4所述之微LED結構，該基板更包含至少一導線，該至少一導線與該第一電極和該第二電極作電性連接。
6. 如請求項1所述之微LED結構，其中該P型半導體層層之材質為氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)或氮基半導體。
7. 如請求項1所述之微LED結構，其中該N型半導體層層之材質為氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)或氮基半導體。
8. 如請求項1所述之微LED結構，其中該發光層之材質為氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、砷化鋁鎵(AlGaA)或砷化鎵(GaAs)之量子井。
9. 如請求項1所述之微LED結構，該複數個間隙為雷射切割間隙。
10. 如請求項1所述之微LED結構，該發光層更包含一變色轉換層，其中該變色轉換層包含一紅光部、一綠光部以及一藍光部。
11. 一種微LED結構之製作方法，包含：A.設置一基板；B.水平設置一第一電極與一第二電極於一基板上；C.設置一P型半導體層於該第一電極上；D.設置一發光層於該P型半導體層上；E.設置一N型半導體於該第二電極與該發光層之上；以及F.以雷射切割該微LED結構，形成複數個間隙。
12. 如請求項11所述之微LED結構製作方法，該第二電極與該第一電極為一指叉狀電極，其中該指叉狀電極水平設置方式為相互對稱或交錯。
13. 如請求項12所述之微LED結構製作方法，各個該複數個間隙是由雷射沿著該N型半導體靠近該第一電極的側邊至該N型半導體靠近該第二電極的側邊切割，形成複數個間隙。