TW202006968A - 單片式led陣列及其前驅物 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種單片式LED陣列前驅物，該單片式LED陣列前驅物包括：複數個LED結構，共用第一半導體層，其中該第一半導體層界定該LED陣列前驅物的平面，每個LED結構包括：(i)第二半導體層，位於該第一半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的上表面部分，該第二半導體層具有與該上表面部分正交的規則梯形橫截面，使得該第二半導體層具有傾斜的側邊；(ii)第三半導體層，位於該第二半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的上表面部分，該第三半導體層具有與該上表面部分正交的規則梯形橫截面，使得該第三半導體層具有與該第二半導體層的該等傾斜側邊平行的傾斜側邊；(iii)第四半導體層，位於該第三半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的上表面部分，該第四半導體層具有與該上表面部分正交的規則梯形橫截面，使得該第四半導體層具有與該第三半導體層的該等傾斜側邊平行的傾斜側邊；及(iv)主要電接點，位於該第四半導體層上，其中該接點僅位於該第四半導體層的該上表面部分上，該上表面部分與該LED陣列前驅物的該平面平行；其中該第三半導體層包括複數個量子井子層，該等量子井子層在與該LED陣列前驅物的該平面平行的一部分上具有較大的厚度且在不與該LED陣列前驅物的該平面平行的一部分上具有減少的厚度。

Description

單片式LED陣列及其前驅物
本揭示內容與單片式LED陣列、包括單片式LED陣列的LED設備、及其製造方法相關。詳細而言，本揭示內容提供了具有改善的發光的單片式LED陣列。
可以將微發光二極體（LED）陣列界定為具有100 × 100 μm2 或更小的尺寸的LED陣列。針對多種商業及軍事應用研發了微型LED陣列，例如自發射微顯示器及投影器，其可以合併到各種設備中，例如可穿載式顯示器、平視顯示器、攝錄影機、取景器、多位點激發源、及微微投影器。
III族氮化物基的微型LED是無機半導體LED，該等無機半導體LED在主動發光區域中含有GaN及其與InN及AlN的合金。III族氮化物基的微型LED是普遍的，因為與常規的大面積LED（特別是有機發光二極體（OLED），其中發光層是有機化合物）相比，它們可以用顯著較高的電流密度來驅動及發射較高的光學功率密度。其結果是，較高的光照度（亮度）（被界定為光源的每單位面積在給定方向上發射的光量，也用每平方米坎（candela）（cd/m2 ）為單位來測量，且常稱為尼特（Nit, nt））使得微型LED適用於需要或受益於高亮度的應用，例如高亮度環境或投影中的顯示器。
此外，III族氮化物微型LED中的高發光效力（用每瓦特流明（lm/W）為單位表示）與其他的光源相比允許較低的功率使用，且使得微型LED特別適用於可攜式設備。並且，由於III族氮化物的固有材料性質，可以在極端條件（例如高或低的溫度及濕度）下操作微型LED，藉此在可穿載式及戶外應用中提供了效能及可靠度的優勢。
現有用於生產無機微型LED陣列的兩種主要方法。在第一方法中，用與常規尺寸的LED的彼等技術類似的技術生產個別的微型LED設備，接著藉由拾取及安置技術將該等設備組裝為陣列到基板上，該基板可以是主動矩陣背板，該主動矩陣背板包括驅動電路系統以供對個別的微型LED定址。此種第一方法允許為了實現全彩顯示器的目的將已經製造在不同生長基板上的具有不同性質（例如不同的發射波長）的LED轉移到產品基板上。此外，這允許在有錯誤的設備變成陣列的一部分之前丟棄有錯誤的設備，從而潛在地改善陣列的最終產量。另一方面，在各種應用中所需的解析度（小間距）及陣列尺寸（大量的微型LED）就拾取及安置的準確度及傳輸時間的角度而言對此種方法提出了嚴峻的挑戰，從而分別影響過程的可靠度及過程的吞吐量。
第二方法使用單片式整合來在單個生長基板上製造微型LED陣列，因此允許較高的整合密度、較小的LED、及較小的間距（即較高的陣列解析度）。此種第二方法依賴著色技術來實現全彩顯示器。用於微型LED的著色技術取決於微型LED陣列的間距。
用於照明應用的常規磷光體材料目前僅適用於大間距及低解析度的陣列，且較高解析度的應用需要量子點基的波長轉換材料。無論所使用的方法如何，陣列內的個別微型LED的主動區域的周邊一般藉由蝕刻過程來形成，該蝕刻過程移除發光主動區域的一部分，藉此電隔離個別的微型LED，以允許每個微型LED中的獨立電源注射及調整陣列中的每個微型LED內的輻射重組量。
較不常採用的製造過程使用選擇性區域生長（SAG）來在不使用如US 7,087,932中所揭露的蝕刻步驟的情況下實現可以獨立注射電流的主動區域的電隔離部分。在選擇性區域生長技術中，是在緩衝層上圖案化掩模。掩模中的材料使得在生長條件下，額外的材料不直接生長在掩模上，而是僅生長在暴露下層緩衝層的表面的一部分的孔內部。
III族氮化物LED中的光照度隨著操作電流增加而增加，但發光效力取決於電流密度（A/cm2 ）（起初隨著電流密度增加而增加，達到最大值，然後由於稱為「效力下垂」的現象而減少）。許多因素造成LED設備的發光效力，包括在內部產生光子的能力（稱為內部量子效率（IQE））。外部量子效率（EQE）被界定為在主動區域中發射的光子數量除以所注射的電子數量。EQE是IQE以及LED設備的光抽取效率（LEE）的函數。在低電流密度下，由於缺陷或者電子及孔洞藉以在不產生光的情況下重組（稱為非輻射重組）的其他過程的強力效應，效率是低的。隨著彼等缺陷變得飽和，輻射重組佔主導地位且效率增加。「效率下垂」或效率的逐漸減少在注射-電流密度超越LED設備的特性值時開始。
據信，表面重組是微型LED中的非輻射重組的主要原因。微型LED主動區域的周邊處的缺陷及懸空鍵中斷原子晶格且在正常禁止的半導體帶隙內部引入電子能級。這可以藉由充當導電帶與價帶之間的電荷載體轉移的墊腳石來增強非輻射重組。
由於周邊與表面的比率大及常用於界定圍繞主動區域的周邊的乾蝕刻技術，表面重組在無機微型LED中是特別重要的。本領域中的技術人員知道各種技術，包括利用濕蝕刻劑的表面處理或高溫處理或利用合適「鈍化層」周邊覆蓋，如US 9,601,659中所揭露的，該等技術的目的在於在主動發光區域的周邊處減輕損傷及減少懸空鍵。
然而，仍然需要具有高整合密度、較小的LED、及較小的間距同時避免與非輻射重組（特別是表面重組）相關聯的問題的微型LED陣列及LED陣列前驅物、及生產該等微型LED陣列及LED陣列前驅物的方法。
本發明的一個目的是提供一種解決與先前技術的陣列相關聯的問題中的至少一者的改善的LED陣列前驅物，或者至少提供該改善的LED陣列前驅物的在商業上有用的替代方案。
依據本揭示內容的第一態樣提供了一種形成單片式LED陣列前驅物的方法，該方法包括以下步驟： (i)提供具有表面的基板； (ii)在該基板的該表面上形成連續的第一半導體層； (iii)藉由在該第一半導體層上沉積掩蔽層，選擇性地掩蔽該第一半導體層，該掩蔽層包括複數個孔； (iv)通過該掩蔽層的該等孔在該第一半導體層的未掩蔽部分上生長第二半導體層以形成複數個塔，每個塔具有與該基板正交的規則梯形橫截面、及實質平坦的上表面部分； (v)形成覆蓋該第二半導體層的第三半導體層，其中該第三半導體層包括一或更多個量子井子層且具有實質平坦的上表面部分； (vi)形成覆蓋該第三半導體層的第四半導體層，由此該第四半導體層具有實質平坦的上表面部分； (vii)在該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分上形成主要電接點；及 其中該第一半導體層到該第四半導體層包括III族氮化物。
現將進一步描述本發明。在以下段落中，更詳細界定了本發明的不同態樣。可以將如此界定的每個態樣與任何其他的態樣或多個態樣結合，除非明確地與此相反地指示。詳細而言，可以將被指示為是優選或有利的任何特徵與被指示為是優選或有利的任何其他特徵或多個特徵結合在一起。
本揭示內容提供了一種方法，該方法用於形成單片式LED陣列前驅物，使得可以生產顯示改善的發光性質及減少的非輻射重組的電隔離LED結構。發明人已經發現，藉由生長所揭露的特定結構及僅在LED結構的特定區域上提供電接點，可以形成提供具有改善的性質的LED設備的LED陣列前驅物。
本發明與一種形成單片式LED陣列前驅物的方法相關。LED在本領域中是眾所周知的且稱為發光二極體。
單片式陣列指的是提供形成為單件的多個LED結構。陣列意味著，有意地跨單片式結構將LED隔開，且該等LED一般形成規則的陣列，例如LED的六角形封閉包裝陣列或方形包裝陣列。
關於用語「前驅物」，注意，所描述的LED陣列對於每個LED而言不具有必要的相對電接點例如以允許發光，也不具有相關聯的電路系統。因此，所描述的陣列是單片式LED陣列的前驅物，該單片式LED陣列一旦進行必要的進一步步驟（例如包括相對電極及任何光抽取表面，例如可以藉由移除基板來實現）就會形成。
該方法涉及多個有編號的步驟。將理解到，儘可能可以同時或並行地執行這些步驟。
第一步驟涉及提供具有表面的基板。合適的基板包括藍寶石、SiC、及矽。其他合適的基板在本領域中是眾所周知的。
第二步驟涉及在該基板的該表面上形成連續的第一半導體層。該第一半導體層可以充當緩衝層。該第一半導體層及實質上另外的半導體層包括III族氮化物。優選地，III族氮化物包括AlInGaN、AlGaN、InGaN、及GaN中的一或更多者。
如本文中所使用的，藉由物種的組成成分的對於物種的任何指稱包括其所有可用的化學計量。因此，例如，AlGaN包括其所有合金，例如Alx Ga1-x N，其中x不等於1或0。優選的化學計量將取決於特定的層的功能而變化。
第三步驟涉及藉由在該第一半導體層上沉積掩蔽層，選擇性地掩蔽該第一半導體層，該掩蔽層包括複數個孔。優選地，該掩蔽層包括SiO2 及/或SiNx 。可以用標準的沉積技術（例如電漿增強化學氣相沉積）來異位沉積SiO2 及/或SiNx 掩蔽層。或者，可以在反應腔室中沉積原位SiNx 掩蔽層，合適的反應腔室（例如MOCVD反應器）在本領域中是眾所周知的。
可選地，複數個孔形成規則間隔的陣列。這可能類似圓形的封閉包裝（例如方形包裝或六角形包裝）的任何配置。
實現第三步驟的優選方式藉由以下步驟來進行： (a)沉積一連續的掩蔽層，及 (b)選擇性地移除該掩模層的複數個部分以提供複數個孔。
可選地選擇性地移除該掩蔽層的複數個部分的步驟包括以下步驟：選擇性地移除該第一半導體層的複數個對應部分。這意味著，接著將第二可選地不連續的層形成於第一半導體層的井內。
第四步驟涉及通過該掩蔽層的該等孔在該第一半導體層的未掩蔽部分上生長可選地不連續的第二半導體層以形成複數個塔，每個塔具有與該基板正交的規則梯形橫截面、及實質平坦的上表面部分。平坦的上部位在與上面形成有層的基板表面的平面平行的平面上。
「規則的梯形橫截面」意味著，塔在頂部處是比底部窄的，且該等塔具有實質平坦的上及下平行表面，且具有傾斜的線性側邊。這可以造成截頭圓錐形狀，或更像是具有3或更多個側邊（一般是6個側邊）的截頭角錐形狀。「規則的梯形橫截面」的描述指的是第二半導體層的延伸於第一半導體層上方的部分。第二半導體層的最底部位於由第一半導體層所界定的孔內，因此底部將一般具有恆定的橫截面，而不是錐形的橫截面。塔的錐形側邊在本文中稱為側邊或刻面。若第二層是連續的，則梯形橫截面是第二半導體層的延伸於第二半導體層的連續平坦部分上方的不連續部分。
優選地，塔的側邊相對於與第一半導體層平行的平面具有實質一致的角度（α）。也就是說，塔的側邊與跟第一半導體平行的平面之間的角度並不顯著改變。優選地，角度α是在50°與70°之間，更優選地是在58°與64°之間，最優選地是約62°。
優選地，第二半導體層中的該複數個塔中的每一者是截頭六角形角錐。
第五步驟涉及形成覆蓋該可選地不連續的第二半導體層的可選地不連續的第三半導體層，其中該第三半導體層包括一或更多個量子井子層且具有實質平坦的上表面部分。
應將「實質平坦的上表面部分」瞭解為意味著，特定半導體層的上部與第一半導體層大致平行（即提供了與基板的平面平行的平面）。
發明人已經發現，將第三半導體層的材料沉積於第二半導體層上在以下情況下發生：最上表面是厚的，但刻面上沉積了顯著較薄的層。由於相對於晶體結構的各種方向上的生長速率，這是自動引起的。
與沉積於c平面定向的表面部分上的層相比，圍繞掩模孔沉積於傾斜平面上的層一般是較薄的。詳細而言，與沉積為與c平面定向的表面接觸的部分相比，沉積在LED內的p-n接面中的n型摻雜層與p型摻雜層之間的InGaN多重量子井（MQW）在沉積為與傾斜面接觸的部分中是較薄的。
本領域中的技術人員已經知道，來自傾斜的GaN平面的發射可以提供憑藉半極化平面中的減少的極化場來改善照明設備的效率的手段。此外，傾斜平面處的與平坦表面部分相比不同的MQW厚度的存在也可以實現為了色彩調整的目的的來自單個設備的無磷光體多波長發射。
與此相比，本發明的一個目的是將光產生約束於實質平坦的表面區域，從而防止載體注射及/或擴散到傾斜平面中，及防止主動區域的周邊處的潛在的非輻射重組，在該周邊處，晶體中的週期性原子佈置終止。頂部平坦區域中的載體約束要藉由以下步驟來實現：將電接點區域的形成限制於頂部平坦表面的遠離傾斜平面的一部分。
應將MQW的厚度瞭解為意味著量子井子層的上表面與下表面之間的平均最短距離。特定部分（例如c平面或傾斜刻面）中的量子井子層中的每一者的厚度優選地是實質相同的。MQW的厚度優選地跨上面沉積有該MQW的特定部分是實質恆定的，且因此上表面及下表面是實質平行的。
優選地，MQW的沿著c平面定向的部分的厚度大於1nm、大於1.5nm、大於2nm、大於2.5nm。優選地，MQW的沿著c平面定向的部分的厚度小於15nm、小於12nm、小於8nm、小於5nm。在一個優選的實施例中，MQW的沿著c平面定向的部分的厚度是在1nm與15nm之間，更優選地是在2nm與12nm之間，最優選地是在2.5nm與8nm之間。
優選地，MQW的位於傾斜刻面上的部分的厚度大於0.05nm、大於0.1nm、大於0.15nm、大於0.2nm。優選地，MQW的位於傾斜刻面上的部分的厚度小於5nm、小於2nm、小於1nm、小於0.8nm。在一個優選的實施例中，MQW的位於傾斜刻面上的部分的厚度是在0.1nm與1nm之間，更優選地是在0.15nm與0.6nm之間，最優選地是在0.2nm與0.5nm之間。
此外，MQW的沿著c平面定向的部分與MQW的位於傾斜刻面上的部分之間的MQW厚度的差異與兩個MQW部分之間的帶隙差對應，該帶隙差有效地防止來自平坦MQW部分的載體擴散到傾斜的MQW部分中。這是與圍繞III族氮化物LED的穿透錯位而發生的機制類似的機制，其中注射的載體被約束為遠離穿透錯位核心，從而防止非輻射重組的可能性。附帶地，沉積於刻面上的區域中的MQW組成也可以與厚的最上表面中的MQW的組成不同，使得厚的最上表面中的載體約束仍然發生。其結果是，可以預期均勻的且相對狹窄的波長發射。
發明人已經認識到，帶隙差何時有效地防止來自平坦的MQW部分的載體擴散到傾斜的MQW部分中。此類載體約束需要幾倍kT的勢壘（其中kT是波茲曼（Boltzmann）常數乘以溫度，其在298 K的室溫下等於約25.7 meV）。MQW的沿著c平面定向的部分與MQW的位於傾斜刻面上的部分之間的MQW厚度中為了實現kT的幾倍的勢壘所需的差異隨著MQW的組成而變化且可以輕易由技術人員計算。優選地，用來約束載體（其為電子及/或孔洞）的障壘大於2kT、大於3kT、大於4kT、及最優選地大於5kT。優選地，溫度是室溫（298 K）。
在一個優選的實施例中，MQW的沿著c平面定向的部分的厚度大於2nm，且MQW的位於傾斜刻面上的部分的厚度小於2nm。在一個更優選的實施例中，MQW的沿著c平面定向的部分的厚度大於2.5nm，且MQW的位於傾斜刻面上的部分的厚度小於1.5nm。
第六步驟涉及形成覆蓋該可選地不連續的第三半導體層的可選地不連續的第四半導體層，由此該第四半導體層具有實質平坦的上表面部分。再次地，將第四半導體層的材料沉積於第三半導體層上在以下情況下發生：最上表面是厚的，但刻面上沉積了薄得多的層。
優選地，第四半導體層摻有鎂。可選地，Mg摻雜密度在厚的最上表面中較高，但在沉積於刻面上的層中低得多，以便進一步協助將載體注射約束在第三半導體層的厚的最上表面。
優選地，第二半導體層、第三半導體層、及第四半導體層是不連續的。雖然優選地第一態樣的掩蔽方法產生不連續的層，但在具有特別緊密的間距的一些實施例中，第三半導體層、第四半導體層、及第五半導體層也可以融合。這形成了連續或部分連續的部分，其中這些層被多個LED結構共用。
第一半導體可以具有100nm與8um之間的厚度，且優選地是在3um與5um之間。
第二半導體層的塔可以具有500nm與4um之間的厚度，且優選地是在1um與2um之間。
第三半導體層的實質平坦的上表面部分可以具有30nm與150nm之間的厚度，且優選地是在40nm與60nm之間。
第四半導體層的實質平坦的上表面部分可以具有50nm與300nm之間的厚度，且優選地是在100nm與150nm之間。
半導體層的不與掩模中的孔對準的部分具有從0nm到上文所論述的相應層的最小值的厚度。雖然掩蔽的區域對於後續的半導體層的生長是較不有利的，但可能無法完全防止。
第七步驟涉及在該可選地不連續的第四半導體層的該實質平坦的上表面部分上形成主要電接點。可以使用任何常規的電極材料，且可以藉由常規的技術（例如熱蒸發或電子束蒸發）來施用該材料。
上述層中的每一者可以由一或更多個子層所形成。例如，第一半導體層可以由Alx Ga1-x N的組成漸變層所形成。
可選地，第一半導體層在第二半導體附近包括子層，該子層包括摻矽的GaN。優選地，除了摻矽子層以外，第一半導體層是實質未摻雜的。在一個實施例中，第一半導體層包括複數個未摻雜的(Al)GaN子層及一個摻矽子層。摻矽的Alx Ga1-x N子層可以具有100nm與1um之間的厚度，且優選地是在300nm與500nm之間。優選地，Al組成是在x=0與0.2之間，更優選地是在0.05與0.1之間。優選地，摻雜水平是在1x1018 at/cm3 與1x1021 at/cm3 之間，更優選地是在1x1020 at/cm3 與2x1020 at/cm3 之間。
優選地，若第一半導體層包括摻矽子層，則在形成該複數個孔時部分移除摻矽子層，使得第二半導體層直接形成在第一半導體層的未摻雜部分上。有利地，此種結構允許將高度摻矽的層用於有益的電流擴散而不會減少材料品質，因為在第二半導體生長之處移除了(Al)GaN:Si子層。
可以使用常規的半導體形成系統來執行所有上述的沉積步驟。用於LED生產的半導體層的形成在本領域中是眾所周知的，例如MOCVD。
如將理解的，第二半導體層塔中的每一者為由最終單片式LED陣列前驅物中相關聯的層所形成的個別LED結構提供了基部。
本發明的另外的態樣提供了一種類似的方法，但具有形成第二半導體層的替代方法。可以將上文所論述的第一態樣的所有態樣與此實施例自由組合。
在此另外的態樣中，將第一半導體層處理為提供非晶材料圖案，該非晶材料圖案較不利於後續的層生長。這意味著，第二半導體層優先形成在未處理結晶的區域上，從而造成了塔。取決於處理區域及未處理區域中所實現的相對生長，此層可以是連續或不連續的。梯形橫截面是第二半導體層的延伸於第二半導體層的連續平坦部分上方的不連續部分。
具體而言，此另外的態樣提供了一種形成單片式LED陣列前驅物的方法，該方法包括以下步驟： (i)提供具有表面的基板； (ii)在該基板的該表面上形成連續的第一半導體層； (iii)選擇性地處理該第一半導體層，以形成非晶表面區域，其中該非晶表面區域界定該第一半導體層的複數個未處理部分； (iv)在該第一半導體層的該等未處理部分上生長一第二半導體層以形成複數個塔，每個塔具有與該基板正交的一規則梯形橫截面、及一實質平坦的上表面部分； (v)形成覆蓋該第二半導體層的第三半導體層，其中該第三半導體層包括一或更多個量子井子層且具有實質平坦的上表面部分； (vi)形成覆蓋該第三半導體層的一第四半導體層，由此該第四半導體層具有一實質平坦的上表面部分；及 (vii)在該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分上形成主要電接點， 其中該第一半導體層到該第四半導體層包括III族氮化物。
可選地，第一半導體層在第二半導體附近包括子層，該子層包括摻矽的GaN。優選地，除了摻矽子層以外，第一半導體層是實質未摻雜的。也就是說，優選地，第一半導體層包括複數個未摻雜的(Al)GaN子層及一個摻矽子層。
優選地，選擇性地處理第一半導體層的步驟包括以下步驟：藉由離子植入來非晶化第一半導體層的表面部分。優選地，選擇性處理包括以下步驟：光刻圖案化及蝕刻，然後是離子植入。合適的植入離子可以選自N+ 、H+ 、及Ar+ 。有利地，光刻圖案化及蝕刻適當的掩蔽圖案防止對於第一半導體層的未蝕刻區域的離子損傷。
可選地，在第二態樣的方法中，步驟(iii)包括以下步驟： (a)在該連續的第一半導體層上沉積包括掩蔽層材料的連續掩蔽層； (b)選擇性地移除掩蔽層材料以提供該第一半導體層的複數個掩蔽區域； (c)除了該等掩蔽區域中以外，用離子植入處理該第一半導體層以在該層中形成非晶材料；及 (b)移除其餘的掩蔽層材料，且可選地，移除該第一半導體層的複數個對應部分，以提供該第一半導體層的該複數個未處理部分。
優選地，若第一半導體層包括摻矽子層，則在形成該複數個孔時部分移除摻矽子層，使得第二半導體層直接形成在第一半導體層的未摻雜部分上。有利地，此種結構允許將高度摻矽的層用於有益的電流擴散而不會減少材料品質，因為在第二半導體生長之處移除了AlGaN:Si子層。
優選地，在第二態樣的方法中，第二半導體層、第三半導體層、及第四半導體層是不連續的。
以下揭示內容與優選的特徵相關，該等優選特徵可以同等適用於上文所論述的態樣中的兩者。
優選地，第二半導體層是n型摻雜的。優選地，第二半導體層是n型摻矽或鍺的，優選地是n型摻矽的。
優選地，第三半導體層是未摻雜的。
優選地，第四半導體層是p型摻雜的，且優選地第四半導體層是摻鎂的。
有利地，上述的層組成提供了具有良好的光產生性質及發光性質的LED主動區域。
優選地，單片式LED前驅物的像素間距為10 nm或更小，甚至更優選地是8nm或更小。像素間距可以從1nm到10nm，更優選地是從4nm到8nm。
優選地，每個LED結構（像素）的寬度小於10nm。在像素具有截頭六角形角錐形狀時，每個像素的寬度是跨六角形角錐的基部的最大長度。那是從一個角到相反的角的跨六角形角錐的基部的距離。若層是連續的，則六角形基部是最頂部半導體層的延伸於第二半導體層的連續平坦部分上方的不連續部分的基部。優選地，寬度小於9nm、小於8nm、小於7nm、小於6nm、小於5nm。優選地，每個LED結構的寬度是在2nm與8nm之間，甚至更優選地是在3nm與6nm之間。
優選地，該第一半導體層具有纖鋅礦晶體結構，該纖鋅礦晶體結構具有(0001)平面，且該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分與該第一半導體層的該(0001)平面平行。同等地，第二半導體層及第三半導體層的平坦上表面中的每一者應與第一半導體層的(0001)平面平行。
優選地，該方法更包括以下步驟：移除基板以促進來自所製造的設備（其在使用時是翻轉的）的底部的光抽取。或者，移除基板的與上述個別LED結構中的每一者對應的至少一部分，以暴露第一半導體層的一部分以供從陣列前驅物進行光抽取。優選地，完全移除基板，且可選地將糙化的表面層黏著到受暴的第一半導體層。基板（也稱為生長基板）提供了上面生長有LED陣列的表面，但一般不形成最終設備的一部分。優選地，實質上完全移除基板，以在非透明基板（例如Si）的情況下最小化吸收，及在透明基板（例如SiC或藍寶石）的情況下最小化陣列中的LED結構之間的串擾。
可選地，選擇性地移除該基板以形成複數個準直通道，該等準直通道中的每一者與形成於該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分上的主要接點對準。
可選地，該方法更包括提供以下步驟：至少部分地移除該基板，及至少部分地移除該第一半導體層，以形成複數個圓頂或透鏡結構，該複數個圓頂或透鏡結構與該第二半導體層的該複數個塔中的每一者對應及對準。優選地，該方法包括以下步驟：完全移除該基板及部分移除該第一半導體層，以在該第二半導體層的遠端提供複數個凸面圓頂。圓頂中的每一者與陣列的該複數個LED結構中的一者對準。
有利地，圓頂結構改善了LED結構的光抽取及準直而不需要添加另外的材料。優選地，該複數個圓頂結構可以塗有介電塗層或透明環氧樹脂層，以最小化圓頂的表面處的反射。
優選地，該方法可以更包括以下步驟：至少在該第四半導體層的在該第三半導體層遠端且未提供有該等主要電接點的部分上提供一或更多個透明絕緣層然後提供反射層。優選地，絕緣層包括SiO2 及/或SiNx 。有利地，此類塗層可以藉由減少陣列內的光損耗改善來自LED結構的光抽取，且可以改善抽取的光的準直。
可選地，該方法更包括以下步驟：形成跨該等量子井子層與該等主要電接點電連通的一或更多個輔助電接點以形成單片式LED陣列。藉由提供輔助電接點，提供了使LED陣列起作用的所有必要特徵。也就是說，跨主要接點及輔助接點施加電勢差將使得LED結構產生光。
優選地，該一或更多個輔助電接點形成於第一半導體層上。
所形成的單片式LED陣列前驅物優選地包括至少四個LED結構，每個LED結構與相異的第二半導體層部分對應，相應的第三半導體層部分形成在該第二半導體層部分上，相應的第四半導體層部分形成在該相應的第三半導體層部分上，且相應的主要電接點形成在該相應的第四半導體層部分上。LED陣列前驅物優選地是微型LED陣列。
優選地，該單片式LED陣列前驅物包括至少第一LED結構子陣列及第二LED結構子陣列，每個子陣列能夠用不同的主波長發射光。
在一個另外的態樣中，本揭示內容提供了一種單片式LED陣列前驅物。優選地，這可藉由上述態樣中所描述的方法中的一者來獲得。因此，關於在上述方法中所形成的結構所描述的所有態樣同等適用於本文中所述的前驅物。
在一個另外的態樣中，本揭示內容提供了一種單片式LED陣列前驅物，該單片式LED陣列前驅物包括： 複數個LED結構，共用一第一半導體層，其中該第一半導體層界定該LED陣列前驅物的一平面，每個LED結構包括： (i)第二半導體層，位於該第一半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的一上表面部分，該第二半導體層具有與該上表面部分正交的一規則梯形橫截面，使得該第二半導體層具有傾斜的側邊； (ii)第三半導體層，位於該第二半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的上表面部分，該第三半導體層具有與該上表面部分正交的規則梯形橫截面，使得該第三半導體層具有與該第二半導體層的該等傾斜側邊平行的傾斜側邊； (iii)第四半導體層，位於該第三半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的上表面部分，該第四半導體層具有與該上表面部分正交的規則梯形橫截面，使得該第四半導體層具有與該第三半導體層的該等傾斜側邊平行的傾斜側邊；及 (iv)主要電接點，位於該第四半導體層上，其中該接點僅位於該第四半導體層的該上表面部分上，該上表面部分與該LED陣列前驅物的該平面平行； 其中該第三半導體層包括複數個量子井子層，該等量子井子層在與該LED陣列前驅物的該平面平行的一部分上具有較大的厚度且在不與該LED陣列前驅物的該平面平行的一部分上具有減少的厚度。
優選地，LED陣列前驅物在第一半導體層與第二半導體層之間的介面處包括掩模部分。LED前驅物的掩模部分可以與針對上述第一態樣所論述的彼等掩模部分相同。或者，LED陣列前驅物可以具有第一半導體層的藉由離子植入來產生的非晶化部分。
優選地，該第三半導體層的該等傾斜側邊與該第二半導體層的該等傾斜側邊的間隔小於該第三半導體層的該上表面部分與該第二半導體層的該上表面部分的間隔。
優選地，該第四半導體層的該等傾斜側邊與該第三半導體層的該等傾斜側邊的間隔小於該第四半導體層的該上表面部分與該第三半導體層的該上表面部分的間隔。
可選地，第二半導體層、第三半導體層、及第四半導體層在陣列中的LED結構之間是共用的。這可能發生在使用上述的第二態樣來製造前驅物時，該第二態樣具有阻礙後續的上覆生長的非晶基部圖案。
優選地，該複數個LED結構形成規則間隔的陣列。優選地，LED結構的第二到第四層是截頭六角形角錐。
有利地，上述的層組成提供了具有良好的光產生性質及光抽取性質的LED主動區域。
優選地，該第一半導體層具有纖鋅礦晶體結構，該纖鋅礦晶體結構具有(0001)平面，且該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分與該第一半導體層的該(0001)平面平行。
優選地，LED陣列前驅物的LED結構在相對於第二半導體層在遠端的表面上的第一半導體層上包括共用的光抽取層。在一個實施例中，共用的光抽取層包括複數個準直通道，準直通道中的每一者與主要接點對準。或者，第一半導體層在相對於第二半導體層在遠端的該表面上形成複數個圓頂或透鏡結構，該複數個圓頂或透鏡結構與該複數個LED結構對應及對準。
在一個另外的態樣中，本揭示內容提供了一種單片式LED陣列，該單片式LED陣列包括本文中所述的單片式LED陣列前驅物，且更包括跨該等量子井子層與該等主要電接點電連通的一或更多個輔助電接點。此陣列基於上述的前驅物，且優選地是如由本文中所述的方法所獲得的。因此，彼等態樣中所描述的所有特徵同等適用於此另外的態樣。
優選地，單片式LED陣列包括至少四個LED結構。LED陣列優選地是微型LED陣列。優選地，該單片式LED陣列包括至少第一LED結構子陣列及第二LED結構子陣列，每個子陣列能夠用不同的主波長發射光。優選地，每個子陣列中的光產生層用窄的波長頻寬（優選地是在370nm與680nm之間的範圍中，更優選地是在420nm與520nm之間）發光。
在一個另外的態樣中，本揭示內容提供了一種顯示設備，該顯示設備包括本文中所揭露的單片式LED陣列。優選地，本揭示內容的方法適用於生產本文中所揭露的LED陣列前驅物及LED陣列。
圖1a示出依據本揭示內容的第一態樣的LED陣列前驅物的一部分的平面圖。圖1b示出沿著線S1的垂直橫截面。
圖1的LED陣列前驅物1包括：生長基板（100）；第一半導體層（110）；掩蔽層（120）；不連續的第二半導體層（130），包括複數個塔；不連續的第三半導體層（140），包括複數個量子井子層（141）；不連續的第四半導體層（150）；及主要電接點（160），位於不連續的第四半導體層（150）的實質平坦的上表面部分上。
可以在橫截面中看見第二半導體層（130）的規則梯形橫截面。在所示的實施例中，第三半導體層（140）及第四半導體層（150）的傾斜部分比與實質平坦的上表面部分平行的部分薄。類似地，量子井子層（141）的傾斜部分比與第二半導體層（130）的實質平坦的上表面部分平行的部分薄。
在圖1b的平面圖中，可以將塔的六角形形狀看作第四半導體層（150）的上表面，其中主要電接點（160）被隔離在每個塔的中間。塔之間的區域是掩模層（120）的上表面。
圖2的LED陣列前驅物包括：生長基板（100）；第一半導體層（110）；該第一半導體層（121）的非晶表面區域；第二半導體層（130），包括複數個塔；第三半導體層（140），包括複數個量子井子層（未示出）；第四半導體層（150）；及主要電接點（160），位於不連續的第四半導體層（150）的實質平坦的上表面部分上。
在圖2的實施例中，第二半導體層（130）、第三半導體層（140）、及第四半導體層（150）是連續的。
圖3示出本發明的LED陣列前驅物的單個LED結構的橫截面，其中第一半導體層（110）在第二半導體層（130）附近的表面處包括摻矽子層（190）。此外，在形成掩模層（120）時，已經部分移除掩模層中的孔下方的第一半導體層，使得第二半導體層（130）通過摻矽子層（190）穿透到第一半導體層（110）中。
圖4a示出第一態樣的LED陣列前驅物的單個LED結構，其中已經完全移除生長基板，且已經將第一半導體層（110）塑形成與LED結構對準的圓頂的形式。在圖4b的LED結構中，已經將圓頂表面塗有介電塗層或透明的環氧樹脂層（115），以最小化凸面圓頂的表面處的反射。在圖4c中，已經如圖4b中地塗覆圓頂，且已經將塔的表面塗有SiO2 及/或SiNx 的透明層、及反射層（170）。具體而言，已經塗覆第四半導體層（150）的傾斜部分的受暴面。有利地，這些特徵（圓頂、圓頂塗層、及塔的側邊的塗層）改善了光抽取及準直。
發明人已經發現，添加與角錐基部對準的圓頂形區域增強了抽取出角錐的光抽取，如圖4a-4c中所示。有利地，這補充了如藉由角錐側壁處的全內反射來獲得的準直效應。優選地，圓頂形區域具有匹配角錐的基部的尺寸的曲率半徑。也就是說，圓頂形區域的基部及角錐的基部優選地是大約相同的尺寸。
圖4d及4e示出依據本發明的微型LED內的說明性光路。將圖4d與圖4e進行比較，明顯地，添加與角錐基部對準的凸面圓頂減少了在光抽取表面（光從以逸出LED的表面）處在微型LED內部回向反射的光量，藉此進一步改善了光抽取效率。
圖5a-5c針對本揭示內容的三模型LED示出模擬的光抽取效率值及用角度為單位的半最大射束角度處全寬度。具體而言，圖5a與未塗覆塔的側邊的LED對應，而在圖5b中，側邊塗有SiO2 ，且在圖5c中，側邊已經塗有Ag/Si3 N4 。
與旨在改善出於常規LED的光抽取的習知結構（其中將角錐蝕刻在原本平坦且未黏合的光產生區域遠端的表面上）進行比較，所揭露發明中的光產生區域完全被容納在角錐形的結構內，藉此實質防止了光的側向傳播（與LED層平行）。
與又另一類已知的類似結構（其中光產生區域完全被容納在藉由乾蝕刻來獲得的傾斜表面內以改善光抽取）（參照例如US7518149）相比，考慮到光抽取，如用選擇性區域生長過程所獲得的傾斜刻面是優越的，因為它們與藉由乾蝕刻來獲得的表面相比是較平滑的，藉此促進了傾斜側壁處的全內反射且朝向光抽取表面使較高百分比的所產生的光準直，該光用接近正交的角度相遇。
圖6a示出SEM影像，且圖6b示出依據本揭示內容的微型LED的AFM測量結果。圖6c是圖6b中的AFM測量結果的橫截面，更詳細地示出與側壁對應的微型LED的地形。影像展示，本發明中所揭露的方法產生平滑的微型LED側壁。
與各向異性的乾蝕刻相比，可更一致重現的側壁傾斜（一般在角錐的基部處具有接近62°的角度（圖4a中的α））藉由不同的結晶平面上的差分生長速率來獲得。這藉由圖6c的AFM橫截面來示出。
本領域中的技術人員瞭解，雖然如藉由環繞光產生區域的傾斜側壁的存在來獲得的光抽取的改善歸因於全內反射效應，但藉由添加圓頂形區域來獲得的光抽取增強卻由光抽取表面處的全內反射的減少引起，因為較大部分的光已經藉由傾斜刻面而部分準直且因此用接近正交的角度與內部圓頂表面相遇。因此，考慮到來自圓頂形表面的光抽取不依賴全內反射的事實，藉由乾蝕刻來獲得圓頂並不對以此揭露的工作原理構成損害。
圖7示出通過本揭示內容的LED陣列的橫截面。圖7的LED陣列包括圖1的LED陣列前驅物。陣列前驅物已經翻轉且黏合到背板，該背板包括背板基板（200）及背板接觸墊（202）。LED陣列前驅物的生長基板已被移除，且糙化層（112）已被層合到第一半導體層（110）的受暴面上。此外，輔助電接點（180）已被施用於第一半導體層。主要及輔助電接點經由LED結構彼此電接觸。
技術人員將理解到，可以將上文所論述的各種實施例結合在單個LED背光中。例如，可以將如圖4中所示的圓頂、圓頂塗層115、及塔的覆塗側（170）與圖3的摻矽子層（190）結合。
雖然本文中已經詳細描述了本發明的優選實施例，但本領域中的技術人員也將瞭解到，可以在不脫離本發明的範圍或隨附請求項的範圍的情況下對該等實施例作出變化。
100‧‧‧生長基板 110‧‧‧第一半導體層 112‧‧‧糙化層 115‧‧‧環氧樹脂層 120‧‧‧掩蔽層 121‧‧‧第一半導體層 130‧‧‧第二半導體層 140‧‧‧第三半導體層 141‧‧‧量子井子層 150‧‧‧第四半導體層 160‧‧‧主要電接點 170‧‧‧反射層 180‧‧‧輔助電接點 190‧‧‧摻矽子層 200‧‧‧背板基板 202‧‧‧背板接觸墊 α‧‧‧角度
現將關於以下非限制性圖式來描述本發明。在與圖式結合考慮時藉由參照詳細說明可以理解本揭示內容的另外的優點，該等圖式是不按照比例的，以便更明確地示出細節，其中類似的參考標號在整個的幾個視圖內指示類似的構件，且其中： 圖1示出依據第一態樣的LED陣列前驅物，其中： 圖1a示出LED陣列前驅物的平面圖。 圖1b示出LED陣列前驅物的橫截面。 圖2示出依據第二態樣的LED陣列前驅物的一部分的橫截面。 圖3示出通過LED陣列前驅物的實施例的橫截面，其中第一半導體層包括摻矽表面層。 圖4a-4e示出依據第一態樣的LED陣列前驅物的LED結構的進一步細節。 圖5a-5c針對本揭示內容的LED示出模擬的光抽取效率值及用角度為單位的半最大射束角度處全寬度。 圖6a-6c針對本揭示內容的微型LED示出掃描式電子顯微鏡（SEM）影像及原子力顯微鏡（AFM）測量結果。在圖6d及6e中，繪示了具有及不具有凸面圓頂的依據本發明的微型LED內的光路。 圖7示出本揭示內容的LED陣列。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100‧‧‧生長基板
110‧‧‧第一半導體層
120‧‧‧掩蔽層
130‧‧‧第二半導體層
140‧‧‧第三半導體層
141‧‧‧量子井子層
150‧‧‧第四半導體層
160‧‧‧主要電接點

Claims (20)

  1. 一種單片式LED陣列前驅物，包括： 複數個LED結構，共用一第一半導體層，其中該第一半導體層界定該LED陣列前驅物的一平面，每個LED結構包括： (i)一第二半導體層，位於該第一半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的一上表面部分，該第二半導體層具有與該上表面部分正交的一規則梯形橫截面，使得該第二半導體層具有傾斜的側邊； (ii)一第三半導體層，位於該第二半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的一上表面部分，該第三半導體層具有與該上表面部分正交的一規則梯形橫截面，使得該第三半導體層具有與該第二半導體層的該等傾斜側邊平行的傾斜側邊； (iii)一第四半導體層，位於該第三半導體層上且具有與該LED陣列前驅物的該平面平行的一上表面部分，該第四半導體層具有與該上表面部分正交的一規則梯形橫截面，使得該第四半導體層具有與該第三半導體層的該等傾斜側邊平行的傾斜側邊；及 (iv)一主要電接點，位於該第四半導體層上，其中該接點僅位於該第四半導體層的該上表面部分上，該上表面部分與該LED陣列前驅物的該平面平行； 其中該第三半導體層包括複數個量子井子層，該等量子井子層在與該LED陣列前驅物的該平面平行的一部分上具有較大的一厚度且在不與該LED陣列前驅物的該平面平行的一部分上具有減少的一厚度。
  2. 如請求項1所述的單片式LED陣列前驅物，其中該第三半導體層的該等傾斜側邊與該第二半導體層的該等傾斜側邊的一間隔小於該第三半導體層的該上表面部分與該第二半導體層的該上表面部分的一間隔，及/或 其中該第四半導體層的該等傾斜側邊與該第三半導體層的該等傾斜側邊的一間隔小於該第四半導體層的該上表面部分與該第三半導體層的該上表面部分的一間隔。
  3. 如請求項1或請求項2所述的單片式LED陣列前驅物，其中每個層的該等傾斜面形成複數個平坦刻面。
  4. 如請求項1所述的單片式LED陣列前驅物，其中該第二半導體層、該第三半導體層、及該第四半導體層在LED結構之間是共用的。
  5. 如請求項1所述的單片式LED陣列前驅物，其中該第一半導體層具有一纖鋅礦晶體結構，該纖鋅礦晶體結構具有一(0001)平面，且該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分與該第一半導體層的該(0001)平面平行。
  6. 如請求項1所述的單片式LED陣列前驅物，其中該第一半導體層包括複數個透鏡結構，該複數個透鏡結構與該複數個LED結構對應及對準。
  7. 一種單片式LED陣列，包括如請求項1到6中的任一者所述的單片式LED陣列前驅物，且更包括跨該等量子井子層與該等主要電接點電連通的一或更多個輔助電接點。
  8. 如請求項7所述的單片式LED陣列，其中該單片式LED陣列包括至少第一LED結構子陣列及第二LED結構子陣列，每個子陣列能夠用不同的一主波長發射光。
  9. 一種顯示設備，包括如請求項7或8中的任一者所述的單片式LED陣列。
  10. 一種形成一單片式LED陣列前驅物的方法，該方法包括以下步驟： (i)提供具有一表面的一基板； (ii)在該基板的該表面上形成一連續的第一半導體層； (iii)藉由在該第一半導體層上沉積一掩蔽層，選擇性地掩蔽該第一半導體層，該掩蔽層包括複數個孔； (iv)通過該掩蔽層的該等孔在該第一半導體層的未掩蔽部分上生長一第二半導體層以形成複數個塔，每個塔具有與該基板正交的一規則梯形橫截面、及一實質平坦的上表面部分； (v)形成覆蓋該第二半導體層的一第三半導體層，其中該第三半導體層包括一或更多個量子井子層且具有一實質平坦的上表面部分； (vi)形成覆蓋該第三半導體層的一第四半導體層，由此該第四半導體層具有一實質平坦的上表面部分； (vii)在該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分上形成主要電接點；及 其中該第一半導體層到該第四半導體層包括III族氮化物。
  11. 如請求項10所述的方法，其中該第二半導體層、該第三半導體層、及該第四半導體層是不連續的。
  12. 如請求項10或請求項11所述的方法，其中步驟(iii)包括以下步驟： (a)沉積一連續的掩蔽層，及 (b)選擇性地移除該掩模層的複數個部分，以提供複數個孔，可選地其中選擇性地移除該掩蔽層的複數個部分的步驟包括以下步驟：選擇性地移除該第一半導體層的複數個對應部分。
  13. 一種形成一單片式LED陣列前驅物的方法，該方法包括以下步驟： (i)提供具有一表面的一基板； (ii)在該基板的該表面上形成一連續的第一半導體層； (iii)選擇性地處理該第一半導體層，以形成一非晶表面圖案，其中該非晶表面圖案界定該第一半導體層的複數個未處理部分； (iv)在該第一半導體層的該等未處理部分上生長一第二半導體層以形成複數個塔，每個塔具有與該基板正交的一規則梯形橫截面、及一實質平坦的上表面部分； (v)形成覆蓋該第二半導體層的一第三半導體層，其中該第三半導體層包括一或更多個量子井子層且具有一實質平坦的上表面部分； (vi)形成覆蓋該第三半導體層的一第四半導體層，由此該第四半導體層具有一實質平坦的上表面部分；及 (vii)在該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分上形成主要電接點， 其中該第一半導體層到該第四半導體層包括III族氮化物。
  14. 如請求項10或請求項13所述的方法，其中該複數個孔形成一規則間隔的陣列。
  15. 如請求項10或請求項13所述的方法，其中該第一半導體層具有一纖鋅礦晶體結構，該纖鋅礦晶體結構具有一(0001)平面，且該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分與該第一半導體層的該(0001)平面平行。
  16. 如請求項10或請求項13所述的方法，該方法更包括以下步驟：形成跨該等量子井子層與該等主要電接點電連通的一或更多個輔助電接點以形成一單片式LED陣列，優選地其中該一或更多個輔助電接點被形成於該第一半導體層上。
  17. 如請求項10或請求項13所述的方法，其中該單片式LED陣列前驅物包括至少第一LED結構子陣列及第二LED結構子陣列，每個子陣列能夠用不同的一主波長發射光。
  18. 如請求項10或請求項13所述的方法，更包括以下步驟：至少部分地移除該基板，及至少部分地移除該第一半導體層，以形成複數個圓頂或透鏡結構，該複數個圓頂或透鏡結構與該第二半導體層的該複數個塔中的每一者對應及對準。
  19. 如請求項10或請求項13所述的方法，其中選擇性地移除該基板以形成複數個準直通道，該等準直通道中的每一者與形成於該第四半導體層的該實質平坦的上表面部分上的一主要接點對準。
  20. 一種單片式LED陣列前驅物或LED陣列，可藉由如請求項10到19中的任一者所述的方法來獲得。
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