TW202205660A - 用於高效微型發光二極體顯示器的發光二極體間隔物架構 - Google Patents
用於高效微型發光二極體顯示器的發光二極體間隔物架構 Download PDFInfo
- Publication number
- TW202205660A TW202205660A TW110120088A TW110120088A TW202205660A TW 202205660 A TW202205660 A TW 202205660A TW 110120088 A TW110120088 A TW 110120088A TW 110120088 A TW110120088 A TW 110120088A TW 202205660 A TW202205660 A TW 202205660A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- mesa
- transparent conductive
- spacer
- conductive material
- layer
- Prior art date
Links
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 title claims abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 43
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 42
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 20
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical group [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 10
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 6
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 5
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 5
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 229920001621 AMOLED Polymers 0.000 description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 3
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 3
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 description 1
- 238000013041 optical simulation Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/44—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
- H01L33/40—Materials therefor
- H01L33/42—Transparent materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
- H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
- H01L33/38—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
- H01L33/40—Materials therefor
- H01L33/405—Reflective materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/58—Optical field-shaping elements
- H01L33/60—Reflective elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/15—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission
- H01L27/153—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars
- H01L27/156—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars two-dimensional arrays
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
- H01L2933/0008—Processes
- H01L2933/0016—Processes relating to electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
- H01L2933/0008—Processes
- H01L2933/0025—Processes relating to coatings
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/44—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
- H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
一種形成光學裝置的方法，該方法包括形成台面的步驟，該台面包括主動層，該主動層被配置為當受到一電流時，發射從該台面的一第一發光表面的光，該台面還包括與該發光表面相對的一第二表面和基本上垂直的側壁，形成間隔物於該台面側壁上，該間隔物由一第一電絕緣光學透明材料形成，並具有面向該台面側壁的內面以及一相對的外面，沉積一第一層透明導電材料於該台面的該發光表面上，該透明導電氧化物具有面向該台面的該第二表面的一內面和相對的一外面，以及沉積一層反射導電材料在該透明導電氧化物和該間隔物的外面上。
Description
本發明涉及發光裝置陣列和形成發光裝置陣列的方法。特別地，但不排除地，本發明涉及具有優化的光萃取的發光裝置。
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，從而影響微型發光二極體的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，進而導致非輻射重合。
表面複合速度(非輻射複合速度)比大塊MQW中的輻射複合速度快，因此小的微型發光二極體容易受到表面複合和伴隨著的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微型發光二極體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)的乘積。驅動這一趨勢的機制是微型發光二極體的周長與面積的比率。隨著微型發光二極體尺寸的減小，側壁的面積相對於MQW的面積會增加，因此在微型發光二極體邊緣的表面滲漏路徑會導致增加非輻射複合。
用於擴增實境和頭戴式顯示器的微型發光二極體顯示器將在1A/cm2
至10A/cm2
的電流密度下運行。這意味著與大型發光二極體相比，小型發光二極體的效率降低了20倍。
如圖3所示，通過修復由台面蝕刻造成的損壞，微型發光二極體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。
為了減少至少一些上述問題，根據附加的申請專利範圍提供了一種形成一或多個光學裝置的方法，以及一種光學裝置。
在本發明的第一方面，提供了一種形成光學裝置的方法，該方法包括形成台面的步驟，該台面包括主動層，該主動層被配置為當受到一電流時，發射從該台面的一第一發光表面的光，該台面還包括與該發光表面相對的一第二表面和基本上垂直的側壁，形成間隔物於該台面側壁上，該間隔物由一第一電絕緣光學透明材料形成，並具有面向該台面側壁的內面以及一相對的外面，沉積一第一層透明導電材料於該台面的該發光表面上，該透明導電氧化物具有面向該台面的該第二表面的一內面和相對的一外面，以及沉積一層反射導電材料在該透明導電氧化物和該間隔物的外面上。
有利地，間隔物和透明導電材料作為光學組件以增強來自台面的主動層的光萃取，而反射性導電材料作為最外鏡層以進一步增強光萃取。
較佳地，該第一層該透明導電材料的該外面基本上為凸面。
較佳地，形成一第二層透明導電材料於該台面的該發光表面上。
較佳地，該透明導電材料是透明導電氧化物。更較佳地，該透明導電材料是氧化銦錫。
較佳地，該間隔物的該外面相對於該內面成角度。
較佳地，該間隔物的該外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發光表面，使得它們以低於臨界角的入射角入射在該表面上，從而讓光子以高效率萃取到空氣中。
較佳地，該間隔物的該外面具有近似貝茲曲線的輪廓，該曲線具有兩個貝茲係數為0.5的控制點。 這被發現提供了最大的光萃取。
較佳地，該間隔物由氮化矽、氧化矽或氧化錫形成。
較佳地，該發光結構具有粗糙的側壁，其可改善亮度均勻性並進一步增強光萃取。
較佳地，該方法更包含沉積一第二電絕緣光學透明材料於每個該間隔物的該外面上，該第二電絕緣光學透明材料具有不同與該第一電絕緣光學透明材料不同的折射率。這允許使用具有漸變折射率的材料，使得發射的光子可以更好地朝向發光表面。
較佳地，該第一材料的折射率大於該第二材料的折射率。
較佳地，該台面的該主動層位於n摻雜的n包覆層和p摻雜的p包覆層之間。
較佳地，通過該第一層透明導電氧化物和反射性導電材料，該p包覆層形成一第一電接觸，並且通過該第二層透明導電氧化物，該n包覆層形一第二電接觸。
在本發明的第二方面，提供了一種根據以上的方法步驟製造的光學裝置。
本發明的其他方面將可從說明書和申請專利範圍理解。
圖5(a)顯示出了製造過程中的預備階段，其中製備了具有基板100、n包覆層110、主動層120和p包覆層130的磊晶矽晶圓。在一實施例中，主動層包含一個或多個量子井，該量子井係當在主動層120上施加電流時發光。在一個實施例中，n包覆層110和p包覆層130分別由n摻雜和p摻雜形成氮化鎵。在特定實施例中，電子阻擋層位於p包覆層130和主動層120之間。在另一實施例中，包括一個或多個緩衝層。
雖然在此描述為在矽晶圓上生長，但該發明所屬技術領域人員會理解，其可以使用任何合適的基板。 在一個實施例中，採用藍寶石基板。 在另一實施例中，使用附加的或替代的中介層以解決基板和隨後生長的層(例如氮化鋁緩衝層)之間的晶格不匹配。同樣地，只要能產生所述的台面陣列，其可以使用替代的或附加的蝕刻技術。
在圖5(b)所示的階段，通過光刻，然後是反應離子蝕刻(reactive ion etch, RIE)或感應耦合電漿(inductively coupled plasma, ICP)蝕刻製程，在p包覆層130、n包覆層110和主動層120中製作每個子像素的複數個開口。這產生具有大致上傾斜側壁的台面陣列，每個台面代表單獨的發光結構150。在一實施例中，調整蝕刻以提供偽拋物線形側壁。
由於蝕刻製程，台面側壁包含損壞的晶體結構，造成表面滲漏路徑。為了修復損壞的晶體結構，使用修復製程以去除損壞的材料，以露出具有減少的懸鍵和氮空位的優質晶體結構。在一實施例中，這是通過氫氧化鉀濕蝕刻來實現。在一替代實施例中，修復製程包括使用四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide)的濕蝕刻。如圖4所示，開口側壁輪廓因此從傾斜或形變成為垂直。
可選擇地，側壁的表面粗糙度可以通過進一步執行乾蝕刻或者通過使用具有合適抗蝕劑輪廓的光刻抗蝕劑來調整。有利地，已發現基本上垂直但粗糙的側壁可改善亮度均勻性並增強來自光學裝置的光萃取。
在圖6(a)所示的階段，沉積二氧化矽的保形塗層，並使用 RIE蝕刻對所得的膜進行回蝕，以形成均勻的偽拋物線間隔物200。在替代實施例中，氮化矽、氧化鈦中的一種或任何其他介電材料可用作間隔材料。本發明所屬領域技術人員可以理解，可使用任何合適的高折射率、非導電材料。間隔物的目的是作為光學元件以增強來自主動層120的光萃取。如圖6(a)中可見，通過蝕刻暴露的n包覆層110的部分也塗佈有間隔材料。
在圖6(b)所示的階段，通過已知製程將第一透明導電材料250沉積在每個台面暴露的p包覆層上，從而為每個發光結構150形成單獨的p接觸。在一個實施例中，第一透明導電材料是透明導電氧化物250，例如氧化銦錫(indium tin oxide, ITO)，然而本發明所屬領域技術人員理解可使用任何合適的透明導電材料。
在圖7(a)所示的階段，第一透明導電氧化物250成形以在每個發光結構150上產生凸透鏡。在一實施例中，這是通過在第一透明導電氧化物250表面上圖案化光阻劑材料來實現，用熱或合適的溶劑回流光阻劑，以將光阻劑形成半球形液滴，並施加蝕刻(例如反應離子蝕刻)，從而由於氧化物250和光阻劑的蝕刻選擇性(即蝕刻速率)的差異，而為透明導電氧化物250提供凸面輪廓。
在圖7(b)所示的階段，反射導電材料300沉積在整個結構上，並使用化學機械拋光製程以確保最外表面平坦。在一實施例中，反射導電材料300是鋁，但本發明所屬領域技術人員可以理解，可使用任何合適的材料。在一實施例中，間隔物200和反射導電材料300之間的介面具有Ra＜50nm的表面粗糙度，較佳地粗糙度為Ra＜10nm，以防止光擴散，否則會降低光萃取效率。
在圖8(a)所示的階段，為了將每個發光結構150與其相鄰結構電機絕緣，通過已知方式在每個台面之間的反射導電材料300中蝕刻一系列通道。將二氧化矽層350施加在反射導電材料300的表面上，並填充通道。雖然使用二氧化矽為較佳的實施例，但本發明所屬領域技術人員知道可以使用任何電絕緣材料。
在圖8(b)所示的階段，窗口是穿過二氧化矽層350直到下面的反射導電材料300製成的。隨後窗口被接合金屬360所填充，並允許通過反射性導電材料300與第一透明導電氧化物250的p接觸點進行電連接。
在圖9(a)所示的階段，製備互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)背板晶圓400，其具有由交替金屬(alternating metal)410和氧化物420區域構成的頂層。該結構是通過已知方式形成。金屬區域410與接合金屬360的部分對準，並且晶圓是通過本發明所屬領域技術人員已知的製程固定在一起。然後如圖9(b)所示，通過已知的方式(例如濕蝕刻或乾蝕刻)去除上面的基板100。
根據圖10所示，將第二層透明導電氧化物500施加到新暴露的n包覆層110。在一實施例中，係使用氧化銦錫作為透明導電氧化物。
為了進一步提高光萃取效率，可以通過改變透明導電氧化物的孔隙率來改變透明導電氧化物500的折射率。一種已知的改變透明導電氧化物(例如ITO)的孔隙率的方法是斜角沉積(oblique-angle deposition)，其使用電子束蒸發(electron-beam evaporation)。通過改變沉積表面相對於氣相流體沉積的角度，可以控制沉積材料投射的陰影量，從而控制形成層的孔隙率。對ITO斜角沉積的進一步解釋至少可以在以下中找到：“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
。
圖11顯示出了由單個發光結構150和周圍材料形成的光學裝置。如圖所示，發光結構150具有主動層120，其被配置為在暴露於電流時發光。主動層120夾在n包覆層110(例如n摻雜氮化鎵)和p包覆層130(例如p摻雜氮化鎵)之間。在一實施例中，主動層120包含複數個量子井。在其他的實施例中，使用具有替代和/或附加層的替代層結構。本發明所屬領域技術人員將理解，只要按其所述操作，可以使用任何數量的潛在發光結構。在特定實施例中，發光結構包括位於p包覆層130和主動層120之間的電子阻擋層。在另一實施例中，發光結構150包括一個或多個緩衝層。發光結構150具有頂部發光表面155以及基本上垂直的側壁。圖13顯示出了具有粗糙側壁的實施例，特別是當間隔材料的折射率與發光結構150的材料的折射率存在顯著差異時，該實施例改進了亮度均勻性並增強了光萃取。如圖所示，p接觸是以p包覆層130呈第一透明導電氧化物250形式，並呈凸透鏡形式的接觸的形式提供。第一透明導電氧化物250因此形成到發光結構150的第一電接觸，經由第二透明導電氧化物層500形成到每個發光結構150的n接觸層的第二共同電接觸。
與發光結構的側壁接觸的是由二氧化矽形成並且具有折射率為n1
的相應偽拋物線間隔物200。在替代實施例中，間隔物係由氮化矽或氧化鈦形成。雖然在所示實施例中，間隔物具有偽拋物線輪廓，但其側面可以具有由具有兩個控制點和係數B的一系列貝茲曲線所描述的任何合適的輪廓—其中B是0.1、0.5、0.2和0.05之一。在較佳的實施例中，貝茲係數為0.5，導致大致直邊的間隔物從台面側壁向外傾斜。
圖12描繪了間隔物200由分別具有折射率為n1
和n2
的內部部分200a和外部部分200b形成的實施例。在一較佳實施例中，n1
＞n2
可以通過使用氮化矽作為內部間隔材料和氧化鋁作為第二間隔材料來實現。 在其他的實施例中，可以使用隨著遠離發光結構150的側壁而遞減折射率(即n1
＞n2
＞nN
)的附加間隔層。雖然在示意圖12中被描繪為兩個獨立的間隔物，但實際上這些間隔物可以形成為連續層，如圖16中描繪的剖面圖所示，取決於其應用，發光結構150具有任何較佳的截面。
雖然未於圖中示出，但反射性導電材料300覆蓋間隔物200的外表面和透明導電氧化物250，從而形成與n包覆層110的電接觸。
同樣地，雖然未於圖中示出，發光結構150的發光表面155被第二層透明導電氧化物500覆蓋。在一實施例中，在每個下面的發光結構150上方以凸透鏡的形式提供光萃取的特徵。在特定實施例中，光萃取的特徵在透明導電氧化物中被圖案化。在替代實施例中，它由合適的透明材料(例如樹脂)所形成的分離層提供。
在使用中，電流經由由第二透明導電氧化物500形成的共同電極和由第一透明導電氧化物250提供的p接觸被施加到發光結構，反射導電材料300進一步用作電流擴展層。主動層120發射的光直接或i)通過在間隔物200處的反射和/或折射，ii) 通過在覆蓋間隔物200和第一透明導電氧化物250(其本身充當凸透鏡)的反射導電材料300的介面處的反射，或iv)經由包括上述組合的結構內的多次反射。因此，間隔物200、第一透明導電氧化物250和反射導電材料300被佈置成在臨界角範圍內增加入射到發光表面155上的光的比例以允許光透射。
基於作為由第一透明導電氧化物250提供的凸透鏡的曲率半徑和台面的深度的函數的光萃取和耦合效率的光學模擬來進行研究。
光萃取效率與第一透明導電氧化物250提供的凸透鏡的曲率半徑和台面的深度的關係如圖14所示，假設發光結構150使用3微米間距的發光二極體，並使用氮化矽間隔物和氧化銦錫作為第一透明導電材料 250。特別使用氮化矽，是因為其具有高折射率(在波長為450nm下為2.05)及其在半導體工業中的通用性。
如圖14所示，當台面深度在1微米至1.3微米之間，且第一透明導電氧化物250所提供的凸透鏡的曲率半徑大於1.5微米時，達到最佳光萃取。
因此，本發明的微型發光二極體陣列裝置特別適用於虛擬和擴增實境系統，其中它與投影透鏡系統耦合以形成眼睛感知的虛擬圖像。 通常，投影具有介於1.5和4之間的F-數。在本發明中，採用了F-數 2 (F/2)的投影透鏡，並進行了射線追蹤模擬。F/2投影透鏡具有大約+/-14度的接受角，因此在此角度範圍之外發射的光不會耦合到成像光路徑，因此會成為系統內不要的雜散光。
圖15顯示了這種系統的耦合效率(F/2)，其中對於約1.2微米的台面深度和由第一透明導電氧化物250提供的凸透鏡的曲率半徑為1.1微米1.1， LED間距(即相鄰發光結構150之間的間距) 為3微米，可實現最大耦合效率。
100:基板
110:n包覆層
120:主動層
130:p包覆層
150:發光結構
155:發光表面
200、200a、200b:間隔物
250:第一透明導電氧化物
300:反射導電材料
350:二氧化矽層
360:接合金屬
400:CMOS背板晶圓
410:金屬區域
420:氧化物
500:第二透明導電氧化物
本發明的實施方式的詳細描述僅以實施例參照圖式進行描述。
圖1顯示隨著電漿功率和直流偏壓的增加，對InGaN材料的晶體損傷；
圖2顯示微型發光二極體尺寸從A1(256 µm) 減小到 A9 (1 µm)的外部量子效率(EQE)與電流密度的關係。
圖3顯示有無台面損傷減少和修復的微型發光二極體的EQE。
圖4顯示蝕刻台面的損傷修復前(a)和後(b)過程的剖面圖。
圖5-10顯示光學裝置的單塊製造過程的各階段。
圖11-13顯示根據本發明的一個方面的光學裝置。
圖12顯示使用兩種不同間隔材料的實施例。
圖13顯示具有粗糙化台面側壁的實施例。
圖14顯示光萃取效率(light extraction efficiency, LEE)隨曲率半徑R和貝茲係數(Bézier coefficient) B的變化。
圖15顯示為F/2投影透鏡耦合效率隨曲率半徑R和貝茲係數B的變化。
圖16顯示光學裝置具有正方形(a)、圓形(b)、三角形(c)和五邊形(d)的剖面圖的實施例。
150:發光結構
155:發光表面
120:主動層
200:間隔物
250:第一透明導電氧化物
300:反射導電材料
Claims (22)
- 一種形成一光學裝置的方法，該方法包括： 形成一台面，該台面包括一主動層，其被配置為當受到一電流時，發射來自該台面的一第一發光表面的光，該台面更包括與該第一發光表面相對的一第二表面以及基本上垂直的側壁； 形成間隔物於該台面側壁上，該間隔物由一第一電絕緣透明材料形成，並具有面向該台面側壁的內面以及一相對的外面； 沉積一第一層透明導電材料於該台面的該發光表面上，該透明導電材料具有面向該台面的該第二表面的一內面，和相對的一外面；以及 沉積一層反射導電材料在該透明導電材料和該間隔物的外面上。
- 如請求項1所述之方法，其中，該第一層透明導電材料的該外面基本上為凸面。
- 如請求項2所述之方法，其中，該第一層透明導電材料的該外面具有介於1和1.5 微米之間的曲率半徑。
- 如前述請求項中任一項所述之方法，其中，形成一第二層透明導電材料在該台面的該第一發光表面上。
- 如前述請求項中任一項所述之方法，其中，該透明導電材料係一透明導電氧化物。
- 如請求項5所述之方法，其中，該透明導電氧化物是氧化銦錫。
- 如前述請求項中任一項所述之方法，其中，該間隔物的該外面相對於該內面成角度。
- 如請求項7所述之方法，其中，該間隔物的該外面具有偽拋物線輪廓。
- 如請求項7所述之方法，其中，該間隔物的該外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0.5的控制點。
- 如前述請求項中任一項之方法，其中，該間隔物由氮化矽、氧化矽或氧化錫中的至少一種形成。
- 如前述請求項中任一項所述之方法，更包含沉積一第二電絕緣光學透明材料於每個該間隔物的該外面上，該電絕緣光學透明材料具有不同與該第一電絕緣光學透明材料不同的折射率。
- 如請求項11所述之方法，其中，該第一材料的折射率大於該第二材料的折射率。
- 如前述請求項中任一項所述之方法，其中，在形成該間隔物之前，粗糙化該台面的該側壁。
- 如前述請求項中任一項所述之方法，其中，該台面的該主動層位於n摻雜的n包覆層和p摻雜的p包覆層之間。
- 如附屬於請求項4的請求項14中任一項所述之方法， 其中，通過該第一層透明導電氧化物和反射性導電材料，該p包覆層形成一第一電接觸，並且通過該第二層透明導電氧化物，該n包覆層形一第二電接觸。
- 一種如請求項1至15中任一項之方法所製造的光學裝置陣列。
- 一光學裝置，其包括： 一發光結構，其具有一第一發光表面，一第二相對表面以及基本上垂直的側壁，該第一發光結構更包括一主動層，該主動層被配置為當向該裝置施加一電流時發光； 一電絕緣光學透明間隔物材料，其具有面對該發光結構的該側壁的一內面和一相對的外面； 一透明導電材料，其具有面對該發光結構的該第二表面的一內面和一相對的外面；以及 一反射導電材料，其配置於該間隔物層與該透明導電層的該外面上； 其中，該間隔物材料、透明導電材料和反射導電材料被配置為提升來自該主動層的光萃取。
- 如請求項17所述之光學裝置，其中，該透明導電材料的該外面為凸面。
- 如請求項17所述之光學裝置，其中，該透明導電材料的該外面具有介於1和1.5 微米之間的曲率半徑
- 如前述請求項中任一項所述之光學裝置，其中，該間隔物的該外面相對於該內面成角度。
- 如請求項20所述之光學裝置，其中，該間隔物的該外表面具有偽拋物線輪廓。
- 如請求項21所述之光學裝置，其中，該間隔物的該外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0.5的控制點。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB2008333.3 | 2020-06-03 | ||
| GB2008333.3A GB2595685A (en) | 2020-06-03 | 2020-06-03 | Spacer LED architecture for high efficiency micro LED displays |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202205660A true TW202205660A (zh) | 2022-02-01 |
Family
ID=71526349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW110120088A TW202205660A (zh) | 2020-06-03 | 2021-06-02 | 用於高效微型發光二極體顯示器的發光二極體間隔物架構 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230125929A1 (zh) |
| EP (1) | EP4162537A1 (zh) |
| JP (1) | JP2023528425A (zh) |
| KR (1) | KR20230019832A (zh) |
| CN (1) | CN115917768A (zh) |
| GB (1) | GB2595685A (zh) |
| TW (1) | TW202205660A (zh) |
| WO (1) | WO2021245387A1 (zh) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100973259B1 (ko) * | 2008-02-22 | 2010-08-02 | 한국산업기술대학교산학협력단 | 측부 반사판을 갖는 수직구조 질화갈륨계 ｌｅｄ 소자 및그 제조방법 |
| JPWO2010074288A1 (ja) * | 2008-12-28 | 2012-06-21 | 有限会社Ｍｔｅｃ | 高電圧駆動の発光ダイオードモジュール |
| GB201202222D0 (en) * | 2012-02-09 | 2012-03-28 | Mled Ltd | Enhanced light extraction |
| US10529696B2 (en) * | 2016-04-12 | 2020-01-07 | Cree, Inc. | High density pixelated LED and devices and methods thereof |
| US9680077B1 (en) * | 2016-07-20 | 2017-06-13 | Mikro Mesa Technology Co., Ltd. | Light-emitting diode lighting device |
| US11211525B2 (en) * | 2017-05-01 | 2021-12-28 | Ohio State Innovation Foundation | Tunnel junction ultraviolet light emitting diodes with enhanced light extraction efficiency |
-
2020
- 2020-06-03 GB GB2008333.3A patent/GB2595685A/en active Pending
-
2021
- 2021-05-26 US US17/921,021 patent/US20230125929A1/en active Pending
- 2021-05-28 CN CN202180037919.6A patent/CN115917768A/zh active Pending
- 2021-05-28 KR KR1020227041870A patent/KR20230019832A/ko active Search and Examination
- 2021-05-28 EP EP21734451.4A patent/EP4162537A1/en active Pending
- 2021-05-28 WO PCT/GB2021/051329 patent/WO2021245387A1/en unknown
- 2021-05-28 JP JP2022574274A patent/JP2023528425A/ja active Pending
- 2021-06-02 TW TW110120088A patent/TW202205660A/zh unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4162537A1 (en) | 2023-04-12 |
| CN115917768A (zh) | 2023-04-04 |
| JP2023528425A (ja) | 2023-07-04 |
| KR20230019832A (ko) | 2023-02-09 |
| US20230125929A1 (en) | 2023-04-27 |
| GB2595685A (en) | 2021-12-08 |
| GB202008333D0 (en) | 2020-07-15 |
| WO2021245387A1 (en) | 2021-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10862010B2 (en) | Integrated colour LED micro-display | |
| CN115483327B (zh) | Micro LED微显示芯片及其制造方法 | |
| US20230223421A1 (en) | Monolithic led array and a precursor thereto | |
| US20230207755A1 (en) | Spacer led architecture for high efficiency micro led displays | |
| JP7206628B2 (ja) | 発光装置およびプロジェクター | |
| US20230207753A1 (en) | Spacer micro-led architecture for microdisplay applications | |
| TW202205660A (zh) | 用於高效微型發光二極體顯示器的發光二極體間隔物架構 | |
| US20240021656A1 (en) | Micro led beam collimation | |
| TWI708104B (zh) | 顯示陣列 | |
| CN117096246A (zh) | 微发光二极管显示屏及制备方法 |