TW201926670A - 光學裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種光學裝置，其包括一基板、複數個發光裝置、一光電偵測器及一電路層。該基板具有一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面。該基板包括一第一區及一第二區。該等發光裝置係安置於該基板之該第一區中的該第一表面上。該光電偵測器係安置於該基板之該第二區中。該光電偵測器包括自該基板之該第二表面曝露的一電接點。該電路層係安置於該基板之該第二表面上且電連接至該光電偵測器之該電接點。

Description

光學裝置及其製造方法
本發明係關於一種光學裝置及其製造方法。
一些顯示面板可分類成液晶顯示器(LCD)類型之顯示面板或有機發光二極體(OLED)類型之顯示面板。然而，LCD顯示面板及OLED顯示面板兩者皆不能實現全色光顯示。另外，為實現「全螢幕顯示」，可能需要將指紋識別模組整合至顯示器中。然而，歸因於發光裝置與包括於此等裝置中之光電偵測器之間的干擾或串擾，實現此整合係具有挑戰性的。
根據本發明之一態樣，一種光學裝置包括一基板、複數個發光裝置、一光電偵測器及一電路層。該基板具有一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面。該基板包括一第一區及一第二區。該等發光裝置係安置於該基板之該第一區中的該第一表面上。該光電偵測器係安置於該基板之該第二區中。該光電偵測器包括自該基板之該第二表面曝露的一電接點。該電路層係安置於該基板之該第二表面上且電連接至該光電偵測器之該電接點。 根據本發明之另一態樣，一種顯示裝置包括一基板、一像素、一光電二極體及一電路層。該基板包括一第一區及一第二區。該像素係安置於該基板之該第一區處。該像素包括複數個奈米線LED。該光電二極體係安置於該基板之該第二區處且鄰近於該像素。該電路層電連接至該等奈米線LED及該光電二極體。 根據本發明之另一態樣，一種製造一顯示裝置之方法包括：(a)在一基板之一頂表面上形成複數個奈米線LED；(b)在該基板內形成複數個光電二極體，其中該等光電二極體中之每一者的一厚度與該基板之一厚度大體上相同；及(c)形成電連接至該等奈米線LED及該等光電二極體之一電路層。
圖1A說明根據本發明之一些實施例的光學裝置1之一些實施例的橫截面圖。光學裝置1包括基板10、電路層11、保護層12、發光裝置13、光電偵測器14及準直器15。 在一些實施例中，基板10包括碳化矽(SiC)基板、藍寶石基板或矽基板。基板10亦包括形成於兩個不同半導體材料層(諸如，具有不同帶隙之材料層)之間的異質接面。舉例而言，半導體結構10包括非摻雜式窄帶隙通道層及寬帶隙n型供體供應層。基板10具有頂表面101 (亦被稱作「第一表面」)及與頂表面101相對之底表面102 (亦被稱作「第二表面」)。在一些實施例中，基板10可包括上面安置有發光裝置13之第一區及鄰近於第一區以用於容納光電偵測器14之第二區。 發光裝置13係安置於基板10之頂表面101上。在一些實施例中，發光裝置13係揭露於基板10之第一區的頂表面101上。發光裝置13可包括複數個發光晶粒或其他光學晶粒。舉例而言，發光裝置13可包括發光二極體(LED)、雷射二極體或可包括一或多個半導體層之其他裝置。半導體層可包括矽、碳化矽、氮化鎵或任何其他半導體材料。在一些實施例中，發光裝置13係紅光-綠光-藍光(RGB) LED，包括至少一個紅光LED 13a、至少一個綠光LED 13b及至少一個藍光LED 13c。在一些實施例中，如說明圖1A中所展示之發光裝置13之透視圖的圖1B中所展示，發光裝置13包括以陣列(例如，均勻陣列或非均勻陣列)配置之複數個紅光LED 13a、複數個綠光LED 13b及複數個藍光LED 13c。 在一些實施例中，紅光LED 13a、綠光LED 13b及藍光LED 13c對應於或界定鄰近於光電偵測器14之像素。舉例而言，光學裝置1之每一像素包括RGB LED。在一些實施例中，紅光LED 13a、綠光LED 13b及藍光LED 13c係奈米線LED。藉由奈米線LED發射之光的波長根據奈米線LED之寬度而發生變化。因此，紅光LED 13a、綠光LED 13b及藍光LED 13c之各別寬度彼此不同。奈米線LED可包括任何半導體材料，且用於奈米線LED之合適材料包含但不限於：GaAs (例如，p型GaAs)、InAs、Ge、ZnO、InN、GaInN、GaN、AlGaInN、BN、InP、InAsP、GaInP、InGaP:Si、InGaP:Zn、GaInAs、AlInP、GaAIInP、GaAlInAsP、GaInSb、InSb及Si。用於例如GaP之可能供體摻雜物包括Si、Sn、Te、Se、S或其他供體摻雜物，且用於GaP之受體摻雜物包括Zn、Fe、Mg、Be、Cd或其他受體摻雜物。奈米線LED提供對諸如GaN、InN及AlN之氮化物的使用，其可促進製造發射在藉由一些比較技術不易於接取之波長區中之光的LED。在一些實施例中，奈米線LED之縱橫比(對應於其長度對其寬度之比率)為約3或大於3、約4或大於4、約5或大於5或約10或大於10。 光電偵測器14係安置於基板10內。在一些實施例中，光電偵測器14係安置於基板10之第二區內。在一些實施例中，光電偵測器14係例如PIN二極體、光電二極體或光電電晶體。在一些實施例中，光電偵測器14包括自基板10之底表面102曝露或突出的電接點14c2。在一些實施例中，光電偵測器14包括光電二極體。 圖1C說明根據本發明之一些實施例的圖1A中所展示之光電偵測器14的放大視圖。如圖1C中所展示，光電偵測器14為PIN二極體，其包括P型半導體區14p、本質半導體區14i (或作用區)及n型半導體區14n。在一些實施例中，n型半導體區14n鄰近於基板10之頂表面101，P型半導體區14p鄰近於基板10之底表面102，且本質半導體區14i包夾於n型半導體區14n與P型半導體區14p之間。替代地，取決於設計規格，n型半導體區14n鄰近於基板10之底表面102，且P型半導體區14p鄰近於基板10之頂表面101。在一些實施例中，光電偵測器14之厚度與基板10之厚度大體上相同。在一些實施例中，基板10之厚度為約3微米(µm)。 在一些實施例中，基板10及n型半導體區14n包括相同摻雜類型。替代地，基板10及P型半導體區14p包括相同摻雜類型。在一些實施例中，n型半導體區14n之厚度小於P型半導體區14p或本質半導體區14i之厚度(例如，n型半導體區14n之厚度小於或等於P型半導體區14p或本質半導體區14i之厚度的約0.95倍，小於或等於P型半導體區14p或本質半導體區14i之厚度的約0.90倍，或小於或等於P型半導體區14p或本質半導體區14i之厚度的約0.85倍)。在一些實施例中，P型半導體區14p之寬度大體上等於或小於n型半導體區14n之寬度(例如，P型半導體區之寬度小於或等於n型半導體區14n或本質半導體區14i之寬度的約0.95倍，小於或等於n型半導體區14n或本質半導體區14i之寬度的約0.90倍，或小於或等於n型半導體區14n或本質半導體區14i之寬度的約0.85倍)。在一些實施例中，光電偵測器14可包括鄰近於n型半導體區14n之電接點14c1及鄰近於P型半導體區14p之電接點14c2以提供電連接。在一些實施例中，光電偵測器14可包括n型半導體區14n上之防反射(AR)塗層14a以有助於防止朝向光電偵測器14發射(例如，由光電偵測器14接收及傳輸)之光的至少一些反射。 根據圖1A中所展示之一或多個實施例，藉由使用磊晶技術在矽基板10上生長奈米線LED以提供三維(3D)量子限制，可實現全色光顯示。另外，由於光電偵測器14內置或嵌入於上面生長有奈米線LED之相對較薄基板10 (例如，厚度為約3 µm之基板)內，因此不必要另外藉由取放技術將光電偵測器置放於基板10上，且實施內置或嵌入式光電偵測器14可有助於減小光學裝置1之製造成本及總大小。此外，為實現「全螢幕顯示」，可能需要將指紋識別模組整合至顯示器中。如圖1A中所展示，藉由將奈米線LED 13及光電偵測器14兩者整合至光學裝置1之單一像素中，光學裝置1可實現指紋識別及全色光顯示兩者(例如，同時)。 返回參看圖1A，準直器15係安置於基板10之頂表面101上及光電偵測器14上方。在一些實施例中，如圖1B中所展示，準直器15包括透光元件15a及安置於透光元件15a之側壁上的光吸收層15b。在一些實施例中，透光元件15a包括透明樹脂層。在一些實施例中，光吸收層15b可包括墨水、光阻或其兩者或大於兩者之組合。在準直器15中，到達側壁透光元件15a之光由光吸收層15b吸收，使得串擾或雜訊減少，且大體上在準直器15之延伸方向上傳播的光被選擇性地允許通過準直器15。此配置改良光電偵測器14之光學效能(例如，對於影像辨識)。 保護層12係安置於基板10之頂表面101上以覆蓋發光裝置13、準直器15以及光電偵測器14之一部分。在一些實施例中，保護層12係或可包括透明模製化合物。 電路層11係安置於基板10之底表面102上。電路層11可包括互連層(例如，重佈層(RDL))及介電層，且互連層之第一部分由介電層覆蓋或囊封，而互連層之第二部分自介電層曝露以提供光電偵測器14及發光裝置13之電連接。舉例而言，光電偵測器14的自基板10之底表面102曝露的電接點14c2電連接至電路層11。舉例而言，發光裝置13經由基板10內之矽穿孔(TSV)電連接至電路層11。在一些實施例中，電路層11可包括嵌入於其中之複數個電晶體11t，其各自電連接至發光裝置13中之各別對應者。 圖2說明根據本發明之一些實施例的光學系統2之橫截面圖。光學系統2包括圖1A中所展示之光學裝置1及防護玻璃罩20 (或其他透明蓋罩)。在一些實施例中，光學系統2包括複數個光學裝置1。在一些實施例中，光學系統2可為以下各者之至少一部分：顯示裝置、蜂巢式電話、平板電腦、筆記型電腦、顯示器或裝備有螢幕及指紋辨識模組之任何其他合適的電子組件。如上文所提及，光學裝置1之奈米線LED可實現全色光顯示。由光學裝置1之奈米線LED發射的光藉由物件(例如，使用者之手指)反射，且接著反射光藉由光學裝置1之光電偵測器接收或偵測以實現指紋辨識之功能。因此，裝備有光學系統2之電子組件可實現指紋識別及全色光顯示兩者(例如，同時)。 圖3說明根據本發明之一些實施例的光學裝置3之橫截面圖。光學裝置3類似於圖1A中所展示之光學裝置1，除了以下情況以外：在圖1A中，光電偵測器14嵌入或內置於基板10內，而在圖3中，光電偵測器34係安置於基板10之頂表面101上。 圖4A、圖4B、圖4C、圖4D、圖4E、圖4F及圖4G說明根據本發明之一些實施例的用於製造如圖1A中所展示之光學裝置1的方法之各個階段。儘管在下文中關於複數個組件中之每一者描述一些製程、操作或階段，但可關於該複數個組件中之一者或關於介於一個與完全複數個之間的某數目個組件而選擇性地執行彼等製程、操作或階段中之任一者。 參看圖4A，提供基板10'。基板10'包括SiC基板、藍寶石基板或矽基板。複數個發光裝置13形成於基板10'之頂表面101上。在一些實施例中，發光裝置13藉由磊晶技術(例如，磊晶生長)生長於基板10'之頂表面101上。 參看圖4B，準直器15係安置於基板10'之頂表面101上。準直器15係鄰近於發光裝置13而安置。保護層12'接著形成於基板10'之頂表面101上以覆蓋發光裝置13及準直器15。在一些實施例中，保護層12'藉由諸如轉移模製或壓縮模製之模製技術形成。 參看圖4C，載體49係安置於保護層12'上以在後續製程中提供支撐。 參看圖4D，基板10'之一部分藉由例如研磨技術自基板10'之底表面102移除以形成較薄基板10。舉例而言，基板10'之厚度大於約100 μm (例如，在約200 μm至約300 μm之範圍內)，而基板10之厚度小於約5 μm (例如，約3 μm或小於3 μm)。基板10'之薄化操作可有助於避免在後續製程中形成之TSV的大縱橫比。另外，較薄基板10可促進在後續製程中在基板10內形成光電偵測器。 參看圖4E，光電偵測器14形成於基板10內及準直器15下方。在一些實施例中，光電偵測器14係藉由摻雜製程形成。舉例而言，光電偵測器可藉由將摻雜物雜質(例如，n型雜質或P型雜質)植入至基板10之底表面102中以形成n型區及P型區而形成。摻雜可經由離子植入製程進行。當結合光微影製程時，可藉由在遮蔽其他區域時將原子植入至曝露區中而在選定區域中執行摻雜。又，熱驅動或退火循環可用以驅動熱擴散以使先前摻雜區擴展或延伸。作為替代例，半導體材料之一些磊晶沈積允許磊晶沈積期間之就地摻雜。植入可經由諸如薄氧化層之某些材料進行。可根據設計規格而控制或選擇摻雜濃度及摻雜深度。 參看圖4F，電路層11形成於基板10之底表面102上且電連接至光電偵測器14及基板10內之電連接件(例如，一或多個TSV)。在一些實施例中，電路層11可藉由微影技術形成。在一些實施例中，電路層11包括由鈍化層或介電層覆蓋或囊封之導電線及/或電晶體。導電線或電晶體之一部分自鈍化層或介電層曝露以提供至導電線或電晶體之電連接。 參看圖4G，自保護層12'移除載體49。接著移除保護層12'之一部分以曝露準直器15之一部分，從而形成如圖1A中所展示之光學裝置1。 除非上下文另外清楚地規定，否則如本文所用，單數術語「一(a/an)」及「該」可包括複數個指示物。 如本文所使用，術語「導電(conductive)」、「導電性(electrically conductive)」及「電導率」指輸送電流之能力。導電性材料通常指示展現對於電流流動之極小或零阻力之彼等材料。電導率之一個量度為西門子/公尺(S/m)。通常，導電性材料為具有大於約104 S/m (諸如，至少105 S/m或至少106 S/m)之電導率的一種材料。材料之電導率有時可隨溫度變化。除非另外指定，否則材料之電導率係在室溫下量測。 如本文中所使用，術語「大約」、「大體上」、「大體」及「約」用以描述及考慮小的變化。當與事件或情形結合使用時，術語可指事件或情形精確發生之情況以及事件或情形極近似於發生之情況。舉例而言，當結合數值使用時，術語可指小於或等於彼數值之±10%的變化範圍，諸如小於或等於±5%、小於或等於±4%、小於或等於±3%、小於或等於±2%、小於或等於±1%、小於或等於±0.5%、小於或等於±0.1%或小於或等於±0.05%。舉例而言，若兩個數值之間的差小於或等於該等值之平均值的±10%，諸如小於或等於±5%、小於或等於±4%、小於或等於±3%、小於或等於±2%、小於或等於±1%、小於或等於±0.5%、小於或等於±0.1%、或小於或等於±0.05%，則可認為該兩個數值「大體上」相同。舉例而言，「大體上」平行可指相對於0°而言小於或等於±10°之角度變化範圍，諸如小於或等於±5°、小於或等於±4°、小於或等於±3°、小於或等於±2°、小於或等於±1°、小於或等於±0.5°、小於或等於±0.1°，或小於或等於±0.05°。舉例而言，「大體上」垂直可指相對於90°而言小於或等於±10°之角度變化範圍，諸如小於或等於±5°、小於或等於±4°、小於或等於±3°、小於或等於±2°、小於或等於±1°、小於或等於±0.5°、小於或等於±0.1°或小於或等於±0.05°。舉例而言，「大體上」共面可指沿著同一平面處於50 μm內(諸如，沿著同一平面處於40 μm內、30 μm內、20 μm內、10 μm內或1 μm內)之兩個表面。舉例而言，「大體上」對準可指重疊或處於重疊之200 μm內、150 μm內、100 μm內、50 μm內、40 μm內、30 μm內、20 μm內、10 μm內或1 μm內的兩個組件。 在一些實施例之描述中，提供「在」另一組件「上」或「上方」之組件可涵蓋前一組件直接在後一組件上(例如，與後一組件實體接觸)的狀況以及一或多個介入組件位於前一組件與後一組件之間的狀況。 在一些實施例之描述中，特性化為「導光」、「透光」或「透明」之組件可將此組件稱為在相關波長或相關波長範圍上具有至少80% (諸如，至少85%或至少90%)之透光率。在一些實施例之描述中，特性化為「遮光」、「擋光」或「不透明」之組件可將此組件稱為在相關波長或相關波長範圍上具有不大於20% (諸如，不大於15%或不大於10%)之透光率。 另外，有時在本文中以範圍格式呈現量、比率及其他數值。可理解，此類範圍格式用於便利及簡潔起見，且應靈活地理解為不僅包括明確地指定為範圍限制之數值，而且包括涵蓋於彼範圍內之所有個別數值或子範圍，如同明確地指定每一數值及子範圍一般。 雖然已參考本發明之特定實施例描述並說明本發明，但此等描述及說明並不限制本發明。熟習此項技術者可清楚地理解，可進行各種改變，且可在實施例內替代等效元件而不會脫離如由所附申請專利範圍所界定之本發明之真實精神及範疇。說明可不必按比例繪製。歸因於製造製程之類中的變數，本發明中之藝術再現與實際設備之間可存在區別。可存在並未特定說明的本發明之其他實施例。應將本說明書及圖式視為說明性而非限制性的。可作出修改，以使特定情形、材料、物質組成、方法或製程適應於本發明之目標、精神及範疇。所有此類修改均意欲處於此處所附之申請專利範圍的範疇內。雖然已參考以特定次序執行之特定操作描述本文中所揭示的方法，但可理解，在不脫離本發明之教示的情況下，可組合、再分或重新定序此等操作以形成等效方法。因此，除非在本文中特定指示，否則操作之次序及分組並非本發明之限制。
1‧‧‧光學裝置
2‧‧‧光學系統
3‧‧‧光學裝置
10‧‧‧基板/半導體結構
10'‧‧‧基板
11‧‧‧電路層
11t‧‧‧電晶體
12‧‧‧保護層
12'‧‧‧保護層
13‧‧‧發光裝置
13a‧‧‧紅光LED
13b‧‧‧綠光LED
13c‧‧‧藍光LED
14‧‧‧光電偵測器
14a‧‧‧防反射(AR)塗層
14p‧‧‧P型半導體區
14i‧‧‧本質半導體區
14n‧‧‧n型半導體區
14c1‧‧‧電接點
14c2‧‧‧電接點
15‧‧‧準直器
15a‧‧‧透光元件
15b‧‧‧光吸收層
20‧‧‧防護玻璃罩
34‧‧‧光電偵測器
49‧‧‧載體
101‧‧‧頂表面
102‧‧‧底表面
圖1A說明根據本發明之一些實施例的光學裝置之橫截面圖。 圖1B說明根據本發明之一些實施例的光學裝置之透視圖。 圖1C說明根據本發明之一些實施例的光電偵測器之橫截面圖。 圖2說明根據本發明之一些實施例的光學系統之橫截面圖。 圖3說明根據本發明之一些實施例的光學裝置之橫截面圖。 圖4A、圖4B、圖4C、圖4D、圖4E、圖4F及圖4G說明根據本發明之一些實施例的製造光學裝置之方法的一或多個階段。 貫穿圖式及實施方式使用共同參考編號來指示相同或類似組件。自結合隨附圖式進行之以下實施方式，可最好地理解本發明。

Claims (25)

  1. 一種光學裝置，其包含： 一基板，其具有一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面，該基板包括一第一區及一第二區， 複數個發光裝置，其安置於該基板之該第一區中的該第一表面上； 一光電偵測器，其安置於該基板之該第二區中，該光電偵測器包含自該基板之該第二表面曝露的一電接點；及 一電路層，其安置於該基板之該第二表面上且電連接至該光電偵測器之該電接點。
  2. 如請求項1之光學裝置，其中該光電偵測器係一PIN二極體。
  3. 如請求項2之光學裝置，其中該PIN二極體包括鄰近於該基板之該第一表面的一n型區及鄰近於該基板之該第二表面的一P型區。
  4. 如請求項1之光學裝置，其進一步包含安置於該基板之該第二區中的該第一表面上及該光電偵測器上方的一準直器。
  5. 如請求項4之光學裝置，其中該準直器包含一透光元件及安置於該透光元件之一側壁上的一光吸收層。
  6. 如請求項5之光學裝置，其中該透光元件包括一透明樹脂層。
  7. 如請求項1之光學裝置，其進一步包含安置於該基板之該第一表面上且覆蓋該等發光裝置的一保護層。
  8. 如請求項1之光學裝置，其中該基板進一步包含一矽穿孔(TSV)以將該等發光裝置電連接至該電路層。
  9. 如請求項1之光學裝置，其中該電路層包含複數個電晶體。
  10. 如請求項1之光學裝置，其中該等發光裝置包括一第一發光二極體(LED)、一第二LED及一第三LED，且該第一LED、該第二LED及該第三LED之各別寬度彼此不同。
  11. 如請求項10之光學裝置，其中該第一LED、該第二LED及該第三LED包含鄰近於該光電偵測器之一像素。
  12. 如請求項1之光學裝置，其中該等發光裝置包括複數個奈米線LED。
  13. 一種顯示裝置，其包含： 一基板，其包含一第一區及一第二區； 一像素，其安置於該基板之該第一區處，該像素包含複數個奈米線LED； 一光電二極體，其安置於該基板之該第二區處且鄰近於該像素；及 一電路層，其電連接至該等奈米線LED及該光電二極體。
  14. 如請求項13之顯示裝置，其進一步包含： 複數個像素，其安置於該基板之該第一區處，包括安置於該基板之該第一區處的該像素，每一像素包含複數個奈米線LED；及 複數個光電二極體，其安置於該基板之該第二區處，包括安置於該基板之該第二區處的該光電二極體，其中每一光電二極體鄰近於該等像素中之一對應者而安置。
  15. 如請求項13之顯示裝置，其中該光電二極體係安置於該基板內。
  16. 如請求項13之顯示裝置，其進一步包含安置於該光電二極體上方之一準直器。
  17. 如請求項16之顯示裝置，其中該準直器包含一透光元件及包圍該透光元件之一光吸收層。
  18. 如請求項13之顯示裝置，其中該基板為一矽基板，且該基板之一厚度與該光電二極體之一厚度大體上相同。
  19. 一種製造一顯示裝置之方法，其包含： (a) 在一基板之一頂表面上形成複數個奈米線LED； (b) 在該基板內形成複數個光電二極體，其中該等光電二極體中之每一者的一厚度與該基板之一厚度大體上相同；及 (c) 形成電連接至該等奈米線LED及該等光電二極體之一電路層。
  20. 如請求項19之方法，其中該等光電二極體係藉由摻雜形成。
  21. 如請求項20之方法，其中該基板係具有一n型摻雜物之一矽基板，且該等光電二極體係藉由在該基板之一底表面處植入一P型摻雜物而形成。
  22. 如請求項19之方法，其進一步包含在該等光電二極體中之每一者上方形成各別準直器。
  23. 如請求項19之方法，其進一步包含形成一保護層以覆蓋該等奈米線LED。
  24. 如請求項23之方法，其進一步包含在該保護層上提供一臨時載體。
  25. 如請求項19之方法，其進一步包含在操作(b)之前移除該基板之一部分以減小該基板之該厚度。
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