TW202203449A - 用於微型顯示應用的間隙子的微型發光二極體結構 - Google Patents

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Abstract

一種形成光學裝置的方法，所述方法包括以下步驟：在犧牲平台的實質上垂直的側壁上形成間隙子，所述間隙子由第一電氣絕緣光學透明材料形成並且具有接觸間隙子的內表面以及相對的第二外表面；沈積反光導電材料以在間隙子的外表面形成鏡層；移除犧牲平台以在間隙子的內表面之間形成袋狀空間；安裝具有實質上垂直側壁的晶粒至間隙子的內表面之間的袋狀空間。

Description

用於微型顯示應用的間隙子的微型發光二極體結構
本發明是有關於一種形成發光裝置的方法，且特別但不僅是有關於一種優化了光萃取的發光裝置。
眾所周知，發光二極體（light emitting diode，LED）裝置可為多種應用提供高效的光源。增加發光二極體的光產生效率和光萃取，以及生產更小的發光二極體（具有更小的發光表面積）還有集成不同波長的發光二極體發射器到陣列中，可提供具有多種應用的高品質彩色陣列，特別是在顯示技術方面。
在各種應用中，有幾種顯示技術正列入考量並被使用於微型發光二極體（Micro LED）顯示器，其包括擴增實境、混合實境、虛擬實境和直接視野顯示，例如智慧型手錶和行動裝置。數位微鏡（Digital Micro Mirrors，DMD）和液晶覆矽（Liquid Crystal on Silicon，LCoS）等技術是基於反射技術，其中外部光源是用於以時間順序模式產生紅色、綠色和藍色光子，以及像素會將光從光學元（DMD）轉移開，或吸收光（LCoS）來調整像素的亮度以形成圖像。液晶顯示器（Liquid Crystal Displays，LCD）通常使用背光、可定址背板上的液晶顯示面板和濾色器來產生圖像。每幀視訊需要一個背板來開啟和關閉各自像素並調整各自像素的亮度。發光顯示技術越來越多，如有機發光二極體（Organic Light Emitting Diode，OLED）或主動矩陣有機發光二極體（Active Matrix OLED，AMOLED），以及近期的微型發光二極體，因為它們為微型顯示應用提供更低的功耗和更高的圖像對比度。尤其是微型發光二極體，其比微型有機發光二極體和主動矩陣有機發光二極體具有更高的效率和更好的可靠性。
本發明涉及一種製造高效微型發光二極體陣列的方法，結合技術以提高內部量子效率（Internal Quantum Efficiency，IQE）和光萃取效率（Light Extraction Efficiency，LEE），從而提高效率和亮度效率指數。
目的是以提高光萃取效率的結構在發光二極體產業中是眾所周知的，其包括使用偽拋物線形台面，以將多重量子井（multiple quantum well，MQW）中產生的光子引導到發射表面。
用於製造具有這種形狀的台面的技術涉及例如反應離子蝕刻（Reactive Ion Etch，RIE）或感應耦合蝕刻（Inductively Coupled Etch，ICP)等技術。在這樣的蝕刻技術中，是用高能電漿來選擇性蝕刻半導體材料，該高能電漿包括RF、高壓（直流偏壓）和反應氣體，其通常包括自由基。使用光敏感材料的光刻製程來界定特徵，以界定將會受蝕刻製程的區域和將保持未蝕刻的區域。台面的精確形狀可以通過用於界定圖案的光敏感材料的輪廓以及蝕刻壓力、功率、氣流和氣體種類來控制。
這不僅使製造過程複雜化，而且由於這種蝕刻製程，台面的邊緣會被損壞，從而影響Micro LED的IQE。
如圖1所示，隨著直流偏壓和電漿密度的增加，會對邊緣特徵造成更多的損壞，導致由晶體損壞、氮空位和懸鍵形成的表面滲漏路徑。乾式蝕刻會因為在表面的高能離子撞擊而產生許多晶體缺陷。懸鍵很容易被氧化，並且晶體損壞會在作為表面的載體複合中心的能帶中產生許多缺陷，進而導致非輻射復合。
表面復合速度（非輻射復合速度）比大塊多重量子井中的輻射復合速度快，因此小的Micro LED容易受到表面復合和伴隨著的IQE降低的影響。
有眾多報導指出台面蝕刻過程中造成損壞的結果是隨著Micro LED尺寸變小而導致效率降低，如圖2所示。外部量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）是IQE（產生的光子數與電子數量之比）與LEE（從p-n接面將光萃取至周圍的能力）的乘積。驅動這一趨勢的機制是Micro LED的周長與面積的比率。隨著Micro LED尺寸的減小，側壁的面積相對於MQW的面積會增加，因此在Micro LED邊緣的表面滲漏路徑會導致增加非輻射復合。
如圖3所示，通過修復由台面蝕刻造成的損壞，Micro LED的效率可以顯著提高。藉由執行優化的修復損壞機制，通常可以將EQE提高10倍。修復損壞後峰值EQE增加，並且峰值EQE出現在較低的電流密度下，因此在典型的工作條件下，可以增加10倍的效率。然而，如圖4所示，由於修復過程中去除了被台面蝕刻損壞的半導體材料，因此這樣的方法與保留台面形狀以針對高LEE優化並不相容。
為了減少至少部分的上述問題，根據隨附的申請專利範圍提出了一種形成一或多個光學裝置的方法。此外，根據隨附的申請專利範圍提出了一種光學裝置。
在本發明的第一方面提出了一種製造光學裝置的方法，所述方法包括步驟(a) 在犧牲平台的實質上垂直的側壁上形成間隙子（spacer），所述間隙子由第一電氣絕緣光學透明材料形成並且具有接觸平台的內表面以及相對的第二外表面；(b) 沈積反光金屬層以在間隙子的外表面形成鏡層；(c) 移除犧牲平台以在間隙子的內表面之間形成袋狀空間；以及(d) 安裝具有實質上垂直側壁的晶粒至間隙子的內表面之間的袋狀空間。
有利地，間隙子材料作為光學構件以增強從晶粒萃取的光，而金屬材料在間隙子的側面作為鏡層，進一步增強了光萃取。
較佳地，間隙子的外表面相對於內表面成角度。
較佳地，間隙子的外表面具有偽拋物線輪廓。拋物線形狀用於將發射的光子導向裝置的光發射表面，以使光子以小於臨界角的一入射角射向所述表面，從而使光子在高頻下被萃取至空中。
較佳地，間隙子的外表面的輪廓近似於具有兩個貝茲係數為0.5的控制點的貝茲曲線。已知這提供了最高的光萃取。
較佳地，間隙子由氮化矽、氧化矽或氧化錫所形成。
較佳地，所述方法更包括在晶粒以及間隙子上沉積透明導電氧化物的步驟，其形成電氣接點於底層晶粒並提供保護。
較佳地，透明導電氧化物是氧化銦錫。
較佳地，透明導電氧化物形成電氣接點至晶粒，並且第二電氣接點形成於晶粒的相對表面上。
較佳地，所述方法更包括在底層的晶粒上的透明導電氧化物上形成光萃取特徵的步驟。光萃取特徵強化了裝置的光學性質。
較佳地，光萃取特徵是凹透鏡形式。
較佳地，所述方法更包括在各間隙子的外表面上沈積第二電氣絕緣光學透明材料的步驟，第二電氣絕緣光學透明材料與第一電氣絕緣光學透明材料具有不同的折射率。這允許了使用具有漸變折射率的材料，使得所發出的光子能夠更佳地被導向光發射表面。
較佳地，第一材料的折射率大於第二材料的折射率，使得光更多地被反射回來，朝向光學裝置的光發射表面。
較佳地，所述方法更包括在晶粒與間隙子的內表面之間施用折射率匹配材料填料的步驟。
較佳地，首先在犧牲材料的一層中的指定區域的兩側形成兩個溝槽以建立犧牲平台。
較佳地，反光導電材料更沿著各溝槽的暴露的底部沈積，以作為透明導電氧化物的電流擴散層。
較佳地，所述方法更包括用絕緣材料填充所述溝槽的步驟。
較佳地，晶粒包括n型摻雜層、p型摻雜層，以及用以在電流施加於晶粒時發光的主動區。
較佳地，晶粒的側壁塗有光學透明電氣絕緣材料。
在本發明的第二方面提出了根據步驟(a)至步驟(c)，以及上述更多步驟的任一所製造的光學裝置。
圖5(a)繪示出製造過程的先前階段，其中準備CMOS晶圓100，其具有由交替的金屬110以及氧化物120的多個區域所組成的頂層。此結構是由已知手段形成。
在圖5(b)所顯示的階段中，準備一個單獨的載體晶圓200，其具有由犧牲材料210所形成的固定間隔的平台。在一實施例中，犧牲材料是金屬。在另一實施例中，犧牲材料是光阻。在又一實施例中，犧牲材料是發光二極體（light-emitting diode，LED）晶片。具備通常知識者當理解為了達到目的，任何適合（即，易於圖案化、易於定位且易於移除的）的材料皆能使用。
在圖5(c)所顯示的階段中，光學透明電氣絕緣間隙子（spacer）220形成於各個犧牲平台210的側壁上，間隙子材料具有折射率n1 。雖然間隙子220是繪示為具有斜坡輪廓，其也可以是拋物線。在一實施例中，間隙子是藉由透過已知程序來沈積二氧化矽的保形（conformal）塗層來形成，並且使用反應離子蝕刻（Reactive Ion Etch，RIE）來反向蝕刻所生成的薄膜以形成一致的間隙子220。在另一實施例中，間隙子是透過不同的已知乾式蝕刻程序，或透過奈米壓印（nanoimprint lithography）或壓紋（embossing）程序來形成。在又一實施例中，間隙子是由氮化矽或氧化鈦所形成。
在圖6(a)所顯示的階段中，反光導電材料230共形地沈積於載體晶圓200、間隙層220以及犧牲平台210的上表面。在一實施例中，反光導電材料230由鋁所形成並且具有Ra = 50nm的表面粗糙度。在一較佳實施例中，反光導電材料230具有Ra ＜ 10nm的表面粗糙度。在一實施例中，反光導電材料230是由濺鍍（sputtering）程序來沈積，而具備通常知識者當知任何適合的材料及/或沈積程序都能夠使用。
在圖6(b)所顯示的階段中，二氧化矽層240經沈積以及化學機械研磨，以使其填滿連續犧牲平台210之間的空隙。具備通常知識者可知任何適合的絕緣材料都可使用。
在圖7所顯示的階段中，載體晶圓200反轉後接合至圖5的CMOS晶圓100，以使CMOS晶圓100的表面上的金屬區域110與載體晶圓200的犧牲平台210對齊。藉由通常知識者所知的手段，使用二氧化矽層240來達成接合。
在圖8(a)與8(b)所顯示的階段中，使用已知的手段（例如濕式或乾式蝕刻）來移除載體晶圓200、底層的犧牲平台210以及反光導電材料230的對應部分，從而建立袋狀空間以接受諸如晶粒300的光發射結構。
在圖9(a)所顯示的階段中，個別LED晶粒301、302與303的形式的光發射結構被安裝於袋狀空間，以使晶粒的垂直側壁適配於移除犧牲平台210所留下的間隙子220之間，並且晶粒的垂直側壁平行於所述間隙子220。每個晶粒的底面與CMOS晶圓的對應金屬區域110相接觸，因此在各晶粒間形成一個可尋址的電氣接點。在一實施例中，晶粒側壁的垂直可以透過濕式化學蝕刻來達成，而具備通常知識者當知其他方法也能夠被使用。在圖示的實施例中，晶粒被定位以使其從紅色301、到綠色302再到藍色303的交錯，具備通常知識者應理解根據最終的應用可以使用任意規律排列的晶粒。進一步的例子於圖12提供。
在圖9(b)所顯示的階段中，折射率匹配材料305（即，與間隙子220的折射率相匹配的材料）被用來填充晶粒300與其兩側的間隙子220之間的任何缺口。具備通常知識者當知折射率匹配材料的多種選擇，而特定材料的選擇會自然地與用來形成間隙子220的材料相關。
在圖10(a)所顯示的階段中，透過已知程序來將覆蓋透明導電氧化層400加於最上方表面，以遮蓋晶粒300以及間隙子220。在一實施例中，透明導電氧化物由氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）所形成，具備通常知識者應理解任何適合的透明導電材料都能被使用。應用透明導電氧化層400可為各個底層的晶粒提供共電極，在連續的間隙子220之間所施加的反光導電材料230用作跨透明導電氧化層400的電流擴散層。
為了進一步增加光萃取效率，透明導電氧化物400的折射率可以隨透明導電氧化物的孔隙率變化而改變。一個已知用於改變諸如ITO的透明導電氧化物的孔隙率的方法是使用電子束蒸發的斜角沈積。藉由改變沈積表面相對於氣相沈積氣流的角度，可以控制由沈積材料造成的陰影量，從而控制形成的層的孔隙率。ITO的斜角沈積的進一步解釋至少可在“Light-Extraction Enhancement of GaInN Light Emitting Diodes by Graded-Refractive-Index Indium Tin Oxide Anti-Reflection Contact” , Jong Kyu Kim et. al., Advanced Materials, 0000, 00, 1-5中找到。
如圖10(b)所示，如果已安裝晶粒的其中之一360被識別為不合標準或是無功能，則特定槽位被特意地留作空槽位370，以在後續階段中適配所需要的顏色/規格的晶粒。因此，次等性能的晶粒可被個別替換或是被故意損壞/停用，並且將相對應晶粒放置於空槽位370中。
圖11顯示LED晶粒300的晶片結構的例子。如圖所示，晶粒是由多層結構來形成，多層結構具有在暴露於電流時用來發光的主動層310。主動層310被夾在諸如n型摻雜氮化鎵的n型披覆層320以及諸如p型摻雜氮化鎵的p型披覆層330之間。在一實施例中，主動層310包括多個量子井。在又一實施例中，使用具有替代及/或額外的層的替代晶粒結構。具備通常知識者當知，只要以下述方式操作，則可以使用任何數量的晶粒。在一特定實施例中，晶粒300包括電子阻擋層，位於p型披覆層330與主動層310之間。在又一實施例中，晶粒300包括一或多個緩衝層。晶粒結構具有頂部的光發射表面321。如圖所示，p型接觸層340設置為與p型披覆層320接觸。在一實施例中，p型接觸層340是由反光材料所形成。至少從圖9中可以看出，p型接觸層340與CMOS晶圓的金屬區域110形成了第一電氣接點，並且通過透明導電氧化層400與n型接觸層形成第二電氣接點。晶粒的側壁皆塗有透明電氣絕緣層350。在一實施例中，透明電氣絕緣層是由二氧化矽所形成。
圖12顯示一種可能的二維晶粒設置的俯視圖，其具有備用的空槽位320。
上述程序產生了光學裝置500的陣列，每個光學裝置500由晶粒300以及緊鄰的間隙子220所組成。單一個光學裝置500獨立顯示於圖13中。為了簡潔起見，只有顯示出晶粒300的主動層310、n型披覆層320以及p型披覆層330。每一欄的折射率匹配材料305設置在晶粒300與間隙子220的內表面之間，反光導電材料230設置在間隙子220的外表面。
雖然間隙子220在圖13中顯示為具有相對於晶粒300的側壁以及內表面向外傾斜的直的外表面，圖14繪示了替代實施例，其中間隙子220的外表面具有偽拋物線輪廓。外表面可以有任何適合的輪廓，此輪廓由具有兩個控制點與係數B的一些貝茲曲線來描述，其中B為0.1、0.5、0.2以及0.05中的任一。在一較佳實施例中，貝茲係數為0.5，其結果是如圖13所顯示的接近直的、向外傾斜的輪廓。
圖15繪示了又一實施例，其中光萃取特徵410形成於晶粒300的光發射表面之上。雖然光萃取特徵410繪示為凸透鏡的形式，具備通常知識者當知依據不同的應用其可以是任何適合的形式。在一較佳實施例中，光萃取特徵410為具有曲率半徑為3 µm的透鏡的形式，在一實施例中，光萃取特徵410被圖案化在透明導電氧化層400中。在一替代實施例中，其是由諸如樹脂等適合的透明材料所形成的單獨層來提供。
圖16繪示一實施例，其中各個間隙子220由分別具有折射率n1 以及n2 的內部220a以及外部220b所形成。在一較佳實施例中，n1 ＞ n2 可由使用氮化矽作為間隙子內部材料以及使用氧化鋁作為間隙子外部材料來實現。在又一實施例中，間隙子的其他層可以使用朝光發射表面200的側壁外遞減的折射率（即，n1 ＞n2 ＞nN ）。雖然圖16概要地繪示兩個分開的間隙子，實際上間隙子可以形成為連續的層，如圖17所繪示的截面圖，只要在間隙子220中建立了對應空隙來放置晶粒300，晶粒300可以具有任選的截面形狀。
具備通常知識者應可理解圖14的偽拋物線的間隙子220、圖14的光萃取特徵410以及圖16的複合的間隙子材料並不互斥，其能夠結合成具有一或多個、或所有的這些特徵的進一步的實施例。
在使用時，在由透明導電氧化物400（與晶粒300的n型披覆層320接觸）和晶粒300的底表面上的p型接觸層340所形成的電極之間施加電流，其中導電材料230進一步用作電流擴散層。主動層310發出的光，直接、i) 經由間隙層220的外表面上的導電材料230反射、ii) 經由間隙子220的反射或折射、iii) 經由p型接觸層340反射或iv) 經由包括上述組合的結構中的多次反射，被導向頂部的光發射表面321。因此，導電材料230、間隙子220以及反光的p型接觸層340經排列以在臨界角範圍內增加入射光發射表面的光的比例，以使光穿透。
本發明提供藉由製造方法來提升光準直的光學裝置500，其中傾斜輪廓的間隙子220在基板上預先形成，以接受晶粒300，從而可以取代或停用有缺陷的晶粒，並讓位給預先備用的晶粒。
100:晶圓 110:金屬 120:氧化物 200:載體晶圓 210:犧牲平台 220:間隙子 220a:間隙子的內部 220b:間隙子的外部 230:反光導電材料 240:二氧化矽層 300、301、302、303:晶粒 305:折射率匹配材料 310:主動層 320:n型披覆層 321:頂部的光發射表面 330:p型披覆層 340:p型接觸層 350:透明電氣絕緣層 360:已安裝晶粒 370:空槽位 400:透明導電氧化層 410:光萃取特徵 500:光學裝置
圖1顯示隨著電漿功率和直流偏壓的增加所造成的氮化銦鎵材料的晶體損壞。 圖2顯示微型發光二極體（Micro LED）尺寸從A1（256 µm）縮小至A9（1 µm）時外部量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）與電流密度的關係。 圖3顯示帶有和不帶有平台損傷減少與修復的Micro LED的EQE。 圖4顯示損傷修復過程前後的蝕刻平台的截面。 圖5至圖10顯示光學裝置的單片製造過程的多個階段。 圖11顯示根據本發明的一方面的光學裝置。 圖12顯示根據本發明的一方面的像素配置。 圖13至圖16顯示了根據本發明的多個方面的光學裝置的多個實施例。 圖17顯示了光學裝置具有方形(a)、圓形(b)、三角形(c)以及菱形(d)截面的多個實施例。
220a:間隙子的內部
220b:間隙子的外部
305:折射率匹配材料
310:主動層
320:n型披覆層
330:p型披覆層
500:光學裝置

Claims (20)

  1. 一種形成光學裝置的方法，所述方法包括以下步驟： (a) 在一犧牲平台上形成間隙子，該平台具有實質上垂直的側壁，該間隙子由一第一電氣絕緣光學透明材料形成並且具有面向該平台側壁的一內表面以及相對的一外表面； (b) 沈積一反光導電材料以在該間隙子的該外表面形成一鏡層； (c) 移除該犧牲平台以在該間隙子的該內表面之間形成一袋狀空間；以及 (d) 安裝具有實質上垂直側壁的一晶粒至該間隙子的該內表面之間的該袋狀空間。
  2. 如前述請求項中任一項所述的方法，其中該間隙子的該外表面相對於該內表面成角度。
  3. 如請求項2所述的方法，其中該間隙子的該外表面具有偽拋物線輪廓。
  4. 如請求項2所述的方法，其中該間隙子的該外表面具有近似貝茲曲線的輪廓，該貝茲曲線具有兩個貝茲係數為0.5的控制點。
  5. 如前述請求項中任一項所述的方法，其中該間隙子由氮化矽、氧化矽或氧化錫所形成。
  6. 如前述請求項中任一項所述的方法，更包括在該晶粒以及該間隙子上沉積一透明導電氧化物。
  7. 如請求項6所述的方法，其中該透明導電氧化物是氧化銦錫。
  8. 如請求項6或請求項7所述的方法，其中該透明導電氧化物形成一電氣接點至該晶粒，並且一第二電氣接點形成於該晶粒的一相對表面上。
  9. 如前述請求項中任一項所述的方法，更包括在底層的該晶粒上的該透明導電氧化物形成一光萃取特徵的步驟。
  10. 如請求項9所述的方法，其中該光萃取特徵是凹透鏡形式。
  11. 如前述請求項中任一項所述的方法，更包括在各該間隙子的該外表面上沈積一第二電氣絕緣光學透明材料的步驟，該第二電氣絕緣光學透明材料與該第一電氣絕緣光學透明材料具有不同的折射率。
  12. 如請求項11所述的方法，其中該第一材料的該折射率大於該第二材料的該折射率。
  13. 如前述請求項中任一項所述的方法，更包括在該晶粒與該間隙子的該內表面之間施用折射率匹配材料填料的步驟。
  14. 如前述請求項中任一項所述的方法，其中首先在犧牲材料的一層中的一指定區域的兩側形成兩個溝槽以建立該犧牲平台。
  15. 如請求項14所述的方法，其中該反光導電材料更沿著各該些溝槽的暴露的一底部沈積。
  16. 如請求項15所述的方法，更包括用絕緣材料填充該些溝槽的步驟。
  17. 如前述請求項中任一項所述的方法，其中該晶粒包括一n型摻雜層、一p型摻雜層，以及用以在電流施加於該晶粒時發光的一主動區。
  18. 如前述請求項中任一項所述的方法，其中該晶粒的該側壁塗有一光學透明電氣絕緣材料。
  19. 一種根據請求項1的步驟(a)至步驟(c)來製造的光學裝置。
  20. 如請求項19的光學裝置，該光學裝置是根據請求項2至請求項18中任一項所述的方法來製造。
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