TW202030880A

TW202030880A - 無需巨量轉移之微發光二極體顯示器的形成方法

Info

Publication number: TW202030880A
Application number: TW108130725A
Authority: TW
Inventors: 唐開平
Original assignee: 唐開平
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2020-08-16

Abstract

本發明提供一種半導體微發光元件的形成方法，包含：首先提供一基板，該基底上定義眾多子畫素區，每一子畫素區內有一第一區域以及一第二區域，然後在該基板的該第一區域內，以物理氣相沉積(PVD)的方式形成一電晶體元件，以及在該基板的該第二區域內，以物理氣相沉積(PVD)的方式形成一發光元件。

Description

無需巨量轉移之微發光二極體顯示器的形成方法

本發明係有關於半導體製程領域，尤其是一種利用物理氣相沉積來製造微發光二極體顯示面板及其元件的製造方法。

主動式發光元件主要包含有發光二極體（light emitting diode, LED）以及其驅動元件(例如薄膜電晶體)。其中發光二極體的結構包含有例如n型氮化鎵(GaN)層、量子井層以及p型氮化鎵層等各層材料，為了提高發光二極體的發光亮度，現今的技術中通常以有機化學氣相沉積(MOCVD)的方式在藍寶石基板上來沉積上述材料層，使得材料層的晶格更接近單晶態，進而提高發光二極體的發光亮度。

然而，有機化學氣相沉積(MOCVD)的製程溫度至少高於攝氏800度，而若要使用一般價格較為便宜、且可大面積化的玻璃基板，將無法承受如此高溫。因此，在目前主動式微發光二極體的主流技術中，通常是在玻璃基板上形成電晶體等驅動電路元件，然後另外在藍寶石(sapphire)基板上沉積發光二極體，接下來再透過轉移技術將微發光二極體元件，從藍寶石基板上移出，再與包含有驅動電路的玻璃基板結合，以形成發光電子元件或顯示面板。然而上述製程有一些缺點，例如製程時間被拉長(因為需要分別在不同基底上形成元件及轉移時間)、良率不易控制而使製程的費用較高、藍寶石基板尺寸受限(≦6吋)而影響製造成本，以及製程中使用了高溫的化學氣相沉積則是相對耗能，並伴隨著製程所需的成分化學氣體及其生成物，因此發光元件亦相對較容易被雜質汙染而影響發光效率。且在如此高溫的MOCVD製程當中，亦會使非晶矽、低溫多晶矽或氧化金屬之薄膜電晶體元件失效，綜合上述各個缺點，都是本領域的技術中能夠提供明顯改善的重點及優勢。

本發明提供一種微發光二極體顯示器的形成方法，包含：首先提供一基板，該基板由諸多顯示畫素所組成，每一畫素由R、G、B三種子畫素所組成。每一個子畫素內定義有一第一區域以及一第二區域，然後在該基板的該第一區域內，以物理氣相沉積(PVD)的方式形成一電晶體元件，以及在該基板的該第二區域內，以物理氣相沉積(PVD)的方式形成一發光元件。

在本發明的微發光二極體顯示器製程中，以低溫物理氣相沉積(PVD)的方式直接形成電晶體與發光二極體於基板(材質例如為玻璃)上，由於物理氣相沉積的製程溫度較低，大約低於攝氏400度，此溫度低於玻璃基板及多數型態之薄膜電晶體(TFT)主動驅動元件的最高承受溫度(一般玻璃約可承受攝氏500度至600度)，因此可以將發光二極體與電晶體都直接形成於玻璃基板上，而不需要先將發光二極體先形成於藍寶石基底上，之後再另外轉移至玻璃基板上。如此一來可以達到簡化製程、降低成本、提高品質、減少污染、增加產能及提高元件之可靠度等優點。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

為了方便說明，本發明之各圖式僅為示意以更容易了解本發明，其詳細的比例可依照設計的需求進行調整。在文中所描述對於圖形中相對元件之上下關係，在本領域之人皆應能理解其係指物件之相對位置而言，因此皆可以翻轉而呈現相同之構件，此皆應同屬本說明書所揭露之範圍，在此容先敘明。

請參考第1圖與第2圖，其中第1圖繪示本發明的微發光二極體顯示器之剖面結構圖，第2圖則繪示本發明的微發光二極體顯示器組成一畫素(pixel)之上視圖。首先，如第1圖所示，一微發光二極體顯示器100，包含有一基板10，此處的基板10可以包含玻璃、陶瓷、微晶、水晶及藍寶石基板等材質。但本實施例中基板10的材質，其較佳的選擇為玻璃，因為具有便宜、可大面積化等優點。基板10上定義有一第一區域R1以及一第二區域R2，接下來，分別以物理氣相沉積(Physical vapor deposition，PVD)的方式，分別在第一區域R1內形成一電晶體元件101，以及在第二區域R2內形成一發光元件102。此處的電晶體元件101例如為一薄膜電晶體(TFT)，可當作電子元件的驅動電路使用，其中電晶體元件又可能包含非晶矽電晶體、多晶矽電晶體、或氧化物電晶體；而發光元件102例如為發光二極體(LED)，其中發光二極體又可能包含無機發光二極體元件（normal LED）、毫米型無機發光二極體元件（mini LED）、微米型無機發光二極體元件（micro LED）、或其他類似LED疊構之光學組合元件。在本實施例中是以微米型無機發光二極體元件為例，但不限於此。值得注意的是，上述的電晶體元件101以及發光元件102都是藉由物理氣相沉積的方式直接形成於基板10上，意即電晶體元件101以及發光元件102都各自包含有多層材料層。其中在本發明中，每一層材料層都是藉由物理氣相沉積的方式形成在基板10上。其中，本發明的各材料層不需要使用化學氣相沉積(CVD)，包含各種化學氣相沉積，例如電漿增強化學氣相沉積(PECVD)、低壓化學氣相沉積（LPCVD）、高密度電漿化學氣相沉積(HDP-CVD)、快速熱化學氣相沉積（RTCVD）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等。

另一點值得注意的是，習知技術中，為了讓發光元件中的材料層(例如氮化鎵層或主動層)的晶格排列更整齊而接近單晶態，常以高溫的MOCVD製程來沉積各材料層，使得該些材料層呈現單晶排列，進而增強發光元件的發光亮度。然而，雖然上述發光元件的發光亮度較高(大約10,000~20,000 nits)，但是因為多數的發光元件應用，是以LCD面板所需要的背光光源為主，但受限於LCD面板本身的穿透率過低(大約4%~5%)所致，因此才需要高結晶度的發光元件來得到相關應用所需的亮度。然而，目前多數電子產品中，所需要(為使用者所接受)的亮度顯示規格，並不需要如此高的亮度，舉例來說，一般顯示器所包含的發光元件僅需要大約500~1,000 nits，即可達到一般顯示器的使用需求。因此，若要滿足實際的產品應用及使用自發光元件來做為顯示器的話，並不一定要用高溫製程(例如MOCVD)來形成單晶排列的發光材料層，而使用低溫PVD製程以形成近似單晶的結構，則可能成為一合適的量產製程技術。

此外，以化學氣相沉積的方式來形成發光元件也同時具有一些缺點，特別是有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)的環境溫度(約攝氏800度至900度)高於玻璃可承受的溫度(玻璃大約可承受最高攝氏600度左右的溫度)，因此需要使用另一個可耐高溫的藍寶石基板來承載發光元件，等發光元件在藍寶石基板上製作完成後，再將發光元件轉移到帶有主動或被動驅動電路的玻璃基板或載板上，以製作成一發光顯示器或背光單元。但是如此一來，則需要被迫使用藍寶石基板，而增加製作成本。另外，在上述步驟中可能會交替使用化學氣相沉積與物理氣相沉積，也造成製程步驟較複雜、製作成本也會提高、且製程的整合度也偏低。另一方面，在化學氣相沉積的過程中，常通入具毒性的反應氣體，例如三甲基鎵（Trimethylgallium），如此也較容易造成環境或元件的汙染，而混雜在元件中，導致發光效率或可靠度的降低。

另一點就是目前藍寶石基板的尺寸受限於長晶方式而有限制，大多數僅為6吋大小，無法像玻璃一樣具有大面積的尺寸，而必須逐片透過拼接的方式，以符合TV或其他中大尺吋產品的應用，此將嚴重限制顯示器的應用面，也不利於顯示器產業的未來發展與推廣，而本專利所倡導之PVD鍍膜成型之微米發光顯示器製程，可善用既有大世代LCD生產線中之PVD設備於玻璃基板上之鍍膜工藝，輔以調整靶材、濺鍍設備及其相關濺鍍參數，則可避免此一限制。

因此，有別於習知技術交替使用物理氣相沉積與化學氣相沉積來形成電晶體元件及全製程使用MOCVD來形成發光元件，在本發明提供的方法中，電晶體元件101或是發光元件102所包含的各材料層，都是由物理氣相沉積的方式來形成於基板10上，而不需要提供或浪費另一個原先承載發光元件的藍寶石基板。如此一來，可以有效解決上述問題，達到簡化製程、降低成本、提高品質、減少污染、增加產能等優點。

更進一步而言，請見第1圖，電晶體元件101包含有閘極12；絕緣層14位於閘極12上，部分閘極上的絕緣層14及保護層26將被蝕刻去除，以形成接觸孔81；半導體層16、蝕刻停止層24位於絕緣層14上；源極20、汲極22位於蝕刻停止層24上；以及保護層26覆蓋上述源極20、汲極22與蝕刻停止層24，部分汲極上的保護層26將被蝕刻去除，以形成接觸孔83。在本實施例中，閘極12的厚度約為3500埃(Angstroms)；絕緣層14可能包含有氧化矽、氮化矽、氧化矽/氮化矽複合層或其他金屬氧/氮化物之高介電絕緣層，例如為厚度3000~3500埃左右的氮化矽與厚度為1000~1500埃左右的氧化矽相疊；半導體層16例如為氧化銦鎵鋅(IGZO)層，其場效載子移動率>30cm² /V․s，厚度約為500~1000埃；蝕刻停止層24例如為低介電絕緣材質，可能包含有氧化矽或氮化矽之單層，厚度約為1000~1500埃；源極20與汲極22包含導體材質，各自厚度例如為3000~3500埃；以及保護層26，例如可為氮化矽之低介電絕緣材質，厚度例如為2000~2500埃。上述的材料層厚度僅為本發明的一示例，本發明並不以此厚度為限制。值得注意的是，上述各材料層皆由物理氣相沉積(PVD)的方式所形成。更進一步說明，在習知技術中，電晶體元件中的絕緣層、蝕刻停止層與保護層這三層結構常以化學氣相沉積的方式形成，而其他材料層(包含閘極、半導體層、源極、汲極等)以物理氣相沉積的方式形成，因此在整體製作電晶體元件的步驟流程中，物理氣相沉積與化學氣相沉積通常被交替地使用。而本發明單以物理氣相沉積的方式形成電晶體元件中的所有材料層，可以達到例如降低成本(因為不需要在不同的製程切換)、任意調控產品解析度或尺寸而不受發光元件轉移的限制(電晶體元件可以依照需求直接形成在玻璃基板上)、降低汙染來源(物理氣相沉積所使用的氣體多數為中性氣體而不含毒性)及簡化製程等諸多優點。在本實施例中，物理氣相沉積主要以反應式或非反應式磁控濺鍍(sputtering)技術為主，僅需要使用相關膜層之金屬或氧化金屬靶材，即可在所需要的區域上形成相應的材料層(例如氧化矽或氮化鎵層)，但本發明不限於此，在本發明的其他實施例中，可以使用其他種類的物理氣相沉積，例如蒸鍍、直流(Direct Current, DC)濺鍍、射頻(Radio Frequency, RF)濺鍍、中頻(Middle Frequency, MF)濺鍍及高功率脈衝磁控濺鍍(High Power Magnetron Sputtering, HiPMS)等，使用上述其他種類的物理氣相沉積來形成各材料層，也屬於本發明的涵蓋範圍內。

在電晶體元件101完成後，接著在基板10上另外形成發光元件102，其中在本實施例中，發光元件102例如為微型無機發光二極體元件為例，但不限於此。發光元件102可包含有緩衝層40、n型摻雜質氮化鎵層(n-type impurity-doped GaN layer) 42、主動層44以及p型摻雜質氮化鎵層(p-type impurity-doped GaN layer)46由下而上依序堆疊。除此之外，還包含有n型電極50以及p型電極52，其中n型電極50電性連接上述n型摻雜質氮化鎵層42與電晶體元件101中的閘極12，p型電極52則電性連接上述p型摻雜質氮化鎵層46與電晶體元件101中的汲極22。

在本實施例中，緩衝層40的厚度約為0.5~1.0微米(可視基板種類及亮度規格而定)；n型摻雜質氮化鎵層42的厚度約為1~1.5微米；主動層44的厚度約為0.6~0.8微米；p型摻雜質氮化鎵層46的厚度約0.6~0.8微米，但本發明並不限於此。另外，n型電極50的材料可包含銦(In)或是透明導電材料如氧化銦錫(ITO)，而p型電極52的材質例如為鈀(Pd)或金(Au)，但不限於此。

另外，本實施例中，主動層44可具有多層量子井(multi-quantum wells，MQWs)結構，其中一或多個井層44b及一或多個障壁層44a交替堆疊於彼此之頂部上。此處，井層44b具有比障壁層44a窄之帶隙能量。井層44b及障壁層44a可由InGaN基化合物半導體所組成。舉例而言，井層44b可為摻雜質或未摻雜的氮化銦鎵(InGaN)，且障壁層44a可為摻雜質或未摻雜的氮化鎵(GaN)。

另外，本實施例中，若使用藍寶石基板時，可在藍寶石基板10上，當TFT元件完成後，形成有複數個圖案化藍寶石基底(PSS，patterned sapphire substrate) 60於子畫素發光顯示區。形成圖案化藍寶石基底60的目的，主要在提供氮化鎵層於藍寶石材質(Al₂ O₃ )上進行磊晶，以獲得更佳之發光效率。也就是說，相較於基板10，氮化鎵層更容易以接近單晶的形式及有效的折射形貌形成於圖案化藍寶石基底60上，而提升元件發光效率。

除此之外，由於藍寶石材質與氮化鎵磊晶層之間的晶格常數仍有將近16%差異，因此需要靠緩衝層(或成核層)40來彌補。在本實施例中，緩衝層40包含多層結構，由下而上依序包含有緩衝層40a、緩衝層40b以及緩衝層40c，其中藉由三層緩衝層40a、40b與40c，讓藍寶石材質的晶格常數逐漸靠近氮化鎵的晶格常數，以降低膜層間的製程應力而提高鍍膜品質。換句話說，緩衝層40a的晶格常數介於藍寶石材質的晶格常數與緩衝層40b的晶格常數之間；緩衝層40b的晶格常數介於緩衝層40a的晶格常數與緩衝層40c的晶格常數之間；緩衝層40c的晶格常數介於緩衝層40b的晶格常數與氮化鎵的晶格常數之間。在本實施例中，緩衝層40a材質例如為氮化鋁(AlN)；緩衝層40b材質例如為氧化鎂(MgO)；而緩衝層40c的材質例如為鋯（zirconium）或鉿(Hf)，但本發明不限於此。緩衝層的材質仍可依照實際物理濺鍍需求而調整。另外，本發明的緩衝層較佳為多層結構，但也不限定於共有三層緩衝層，可能包含有更多(例如四層以上)或更少(例如兩層)緩衝層，也屬於本發明的涵蓋範圍內。

值得注意的是，本發明中，上述發光元件102每一層材料層也都是由物理氣相沉積的方式形成在基板10上，例如藉由濺鍍的方式形成於基板10上。並非如同習知技術中，先以金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)等方式先形成在一藍寶石基板上，然後再將完成的發光二極體轉移至玻璃基板上。藉由本發明所提供的方法，所形成的發光二極體的各材料層的晶格排列雖然因晶格常數之差異而無法達到單晶，但是其多晶或近似單晶結構所產生之發光亮度或已可達到多數電子產品(例如顯示面板)的需求(>300 ~500nits)。且本發明可以達到諸如簡化製程、降低成本、提高品質、減少污染、增加產能等優點。

上述發光元件102的製作方法與習知技術不同(全部材料層都以物理氣相沉積的方式形成)，但是關於各材料層的特性則與習知的氮化鎵發光二極體大致相同。因為有關於發光元件的特性屬於本領域的已知技術，因此在此不多加贅述。

第2圖繪示本發明的電子元件的上視圖，可以從第2圖中得知電晶體元件101與發光元件102的相對位置。可以得知每一個第1圖所示的微發光二極體顯示器100代表一個子畫素(sub-pixel)，第2圖中畫出共三個子畫素並組成一個由R、G、B三色構成的畫素。在微發光二極體顯示器100旁有一掃描線(閘極)72以及資料線(源極)70，其中發光元件102中的n型電極50將藉由一連接線80穿過接觸孔81與一掃描線(閘極)72電性連接；而p型電極52則藉由一連接線82穿過接觸孔83與電晶體元件101中的汲極22電性連接。另外值得注意的是，在本發明所述的微發光二極體顯示器100完成後，由於發光元件的主要材料為GaN/InGaN之量子井層，因此發光元件為藍色發光二極體，為了要形成其他顏色(以組合成白光)的發光二極體，如紅色LED或綠色LED，可以再調整In_x Ga_1-x N內成分金屬銦(In)與鎵(Ga)之間的比例，或是塗佈量子點材料(quantum dots，QDs，圖未示)覆蓋於各子畫素之發光元件上，藉以改變發光元件的發光顏色，達成彩色顯示效果。其中量子點材料可以藉由噴墨印刷或是曝光顯影等方式形成，而其周邊需輔以擋牆將其包圍。量子點材料可能包含有硒化鎘(CdSe)、磷化銦(InP)或是鈣鈦礦(Perovskite)等，但不限於此。由於量子點材料的相關技術屬於本領域的已知技術，在此不多加贅述。

綜上所述，在本發明的半導體製程中，以物理氣相沉積(PVD)的方式直接形成電晶體與發光二極體於基板(材質例如為玻璃)上，由於物理氣相沉積的製程溫度較低，經過靶材、製程參數及加溫退火設備(用於物理濺鍍成膜後之結晶度再提升)最佳化之後，大約可低於攝氏400度，此溫度低於玻璃基板的最高承受溫度(一般玻璃約可承受攝氏500度至600度)，因此可以將發光二極體與薄膜電晶體二者以一般半導體製程直接形成於玻璃基板上，而不需要先將發光二極體先形成於藍寶石基底上，之後再另外轉移(一次或多次)至玻璃基板上。如此一來可以達到簡化製程、降低成本、提高品質及可靠度、減少污染、增加產能等優點，亦可提高本土顯示器產業之創新與技術突破。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:基板 12:閘極 14:絕緣層 16:半導體層 20:源極 22:汲極 24:蝕刻停止層 26:保護層 40:緩衝層 40a:緩衝層 40b:緩衝層 40c:緩衝層 42:n型摻雜質氮化鎵層 44:主動層 44a:障壁層 44b:井層 46:p型摻雜質氮化鎵層 50:n型電極 52:p型電極 60:圖案化藍寶石基底 70:資料線(源極) 72:掃描線(閘極) 80:連接線(負極或正極) 81:接觸孔 82:連接線(正極或負極) 83:接觸孔 100:微發光二極體顯示器 101:電晶體元件 102:發光元件 R1:第一區域 R2:第二區域

第1圖繪示本發明的微發光二極體顯示器之剖面結構圖。第2圖繪示本發明的微發光二極體顯示器組成一畫素(pixel)之上視圖。

10:基板

12:閘極

14:絕緣層

16:半導體層

20:源極

22:汲極

24:蝕刻停止層

26:保護層

40:緩衝層

40a:緩衝層

40b:緩衝層

40c:緩衝層

42:n型摻雜氮化鎵層

44:主動層

44a:障壁層

44b:井層

46:p型摻雜氮化鎵層

50:n型電極

52:p型電極

60:圖案化藍寶石基底

100:微發光二極體顯示器

101:電晶體元件

102:發光元件

R1:第一區域

R2:第二區域

Claims

一種微發光二極體顯示器的形成方法，包含：提供一基板，該基板由諸多顯示畫素所組成，每一畫素由紅(R)、綠(G)、藍(B)三種子畫素所組成，每一個子畫素內定義有一第一區域以及一第二區域；在該基板的該第一區域內，以物理氣相沉積(PVD)的方式形成一電晶體元件；以及在該基板的該第二區域內，以物理氣相沉積(PVD)的方式形成一發光元件。
如申請專利範圍第1項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中形成該電晶體元件或形成該發光元件的過程中，所使用的該物理氣相沉積的溫度低於攝氏400度。
如申請專利範圍第1項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中形成該電晶體元件或形成該發光元件的過程中，不包含使用化學氣相沉積(CVD)或金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)。
如申請專利範圍第1項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中該發光元件由下而上依序包含有至少一緩衝層、一n型摻雜質氮化鎵層、一主動層以及一p型摻雜質氮化鎵層，其中上述各材料層皆由物理氣相沉積(PVD)的方式依序形成於該基板上。
如申請專利範圍第4項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中更包含有一n型電極以及一p型電極，其中該n型電極電性連接該n型摻雜質氮化鎵層，該p型電極電性連接該p型摻雜質氮化鎵層。
如申請專利範圍第4項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中該緩衝層為多層材質，由下而上依序包含有一第一緩衝層以及一第二緩衝層。
如申請專利範圍第6項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中該第一緩衝層包含有一三氧化二鋁(Al₂ O₃ )及氮化鋁(AlN)層，而該第二緩衝層的晶格常數介於氮化鋁以及氮化鎵之間。
如申請專利範圍第7項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中該第二緩衝層包含一氧化鎂(MgO)層或其他氧化金屬層。
如申請專利範圍第6項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中更包含有一第三緩衝層位於該第二緩衝層上，其中該第三緩衝層包含一鋯（zirconium）或鉿(Hafnium, Hf)之純金屬或其氮化金屬層。
如申請專利範圍第1項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中更包含形成複數個圖案化藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrate ，PSS)於該基板上，且該些圖案化藍寶石基板位於該發光元件以及該基板之間。
如申請專利範圍第1項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中該電晶體元件由下而上至少包含有一閘極、一絕緣層、一或多氧化銦鎵鋅(IGZO)層、一源極、一汲極以及一保護層，其中該各層材料皆由物理氣相沉積(PVD)的方式所形成。
如申請專利範圍第1項所述的微發光二極體顯示器的形成方法，其中該物理氣相沉積的步驟包含濺鍍(sputtering)。