TWI621279B - 發光元件與顯示裝置 - Google Patents
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Abstract
一種發光元件，具有第一電極、第二電極與設置於第一電極與第二電極之間的磊晶結構。磊晶結構具有發光層、設置於發光層與第一電極間的第一型半導體層、設置於發光層與第二電極間的第二型半導體層。第二型半導體層的第一表面面向發光層，第二型半導體層的第二表面相對於第一表面，且第二表面具有至少一凹陷。至少部分的第二電極設置於至少一凹陷中。一種顯示裝置，具有基板、第一電極連接層、第二電極連接層與多個如前述的發光元件。
Description
本發明係關於一種發光元件與顯示裝置，特別關於一種垂直式半導體發光元件與顯示裝置。
發光二極體(light emitting diode,LED)或有機發光二極體(organic light emitting diode,OLED)作為高效率的發光元件，被廣泛的使用在各種領域。在發光二極體之中，有一種垂直式的發光二極體。垂直式的發光二極體的兩個電極分別在發光二極體的兩側，以提高電子/電洞的遷移率。然而，出光側電極的設置會降低出光側的開口率，從而降低了出光率。
鑒於上述問題，本發明旨在提供一種發光元件與應用此發光元件的顯示裝置。以減少出光側電極的設置造成開口率下降的問題。
依據本發明一實施例的發光元件，具有第一電極、第二電極與設置於第一電極與第二電極之間的磊晶結構。磊晶結構具有發光層，設置於發光層與第一電極間的第一型半導體層與設置於發光層與第二電極間的第二型半導體層。第二型半導體層的第一表面面向發光層，第二型半導體層的第二表面相對於第一表面，且第二表面具有至少一個凹陷。其中至少部分的第二電極設置於至少一個凹陷中。
依據本發明一實施例的顯示裝置，具有基板、第一電極連接層、第二電極連接層與多個發光元件。每個發光元件具有第一電極、第二電極與設置於第一電極與第二電極之間的磊晶結構。磊晶結構具有發光層、設置於發光層與第一電極間的第一型半導體層與設置於發光層與第二
電極間的第二型半導體層。第二型半導體層的第一表面面向發光層，第二型半導體層的第二表面相對於第一表面，且第二表面具有至少一個凹陷。至少部分的第二電極設置於至少一個凹陷中。
綜上所述，本發明揭露了一種發光元件與一種具有此發光元件的顯示裝置，發光元件的磊晶結構中，於其中一個半導體層中挖設凹陷，並於凹陷中填入電極，從而使電極與半導體層之間的接觸面積提升，從而提高電流分佈及/或發光效率。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根
據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1A與圖1B，其中圖1A係依據本發明一實施例的發光元件俯視圖，圖1B係依據本發明一實施例的發光元件剖面示意圖(AA’)。如圖所示，依據本發明一實施例的發光元件1000，具有第一電極1100、第二電極1200與磊晶結構1300。
磊晶結構1300設置於第一電極1100與第二電極1200之間。磊晶結構1300具有發光層1320、設置於發光層1320與第一電極1100間的第一型半導體層1310以及設置於發光層1320與第二電極1200間的第二型半導體層1330。第二型半導體層1330的第一表面1331面向發光層1320，第二型半導體層1330的第二表面1333相對於第一表面1331，且第二表面1333具有至少一個凹陷R，此處以一個凹陷R為例。凹陷R透過蝕刻形成於第二型半導體層1330中，且位於第二表面1333的中心區域。至少部分第二電極1200設置於凹陷R中。磊晶結構1300可包括II-VI族材料(例如：鋅化硒(ZnSe))或III-V氮族化物材料(例如：氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN))。
磊晶結構1300的厚度T以不超過6微米為佳，且磊晶結構1300的厚度T通常大於1微米，太厚或太薄都將影響後續製程的良率。本實施例的第二型半導體層1330的厚度可大於第一型半導體層1310的厚度，其中第二型半導體層1330的厚度介於1微米至5微米之間，主動層1320的厚度介於0.1微米至1微米之間，而第一型半導體層1330的厚度介於0.1微米至0.5微米之間，但並不以為限。其中第一型半導體層1310與第二型半導體層1330的摻雜類型不同。舉例來說，第一型半導體層1310例如為P型摻雜的半導體層，而第二型半導體1330層例如為N型摻雜的半導體層。發光層1320例如為一多量子阱(multiple quantum well, MQW)結構，但並不以為限。而凹陷R的深度與第二型半導體層1330的厚度的比值大於0且小於等於0.4，大於0.4可能會使磊晶結構1300產生缺陷。
於一實施例中，如圖1B所示，第二電極1200全部都在凹陷R中。此處，第二電極1200填滿凹陷R。於此實施例中，第二電極1200是一個柱狀結構，且第二電極1200的一表面切齊凹陷R的開口，也就是切齊於第二表面1333，換句話說，第二電極1200的表面與第二表面1333共平面。於另一實施例，請參照圖1C，其係依據本發明另一實施例的發光元件剖面示意圖。如圖1C所示，第二電極1200超出凹陷R的開口，也就是第二表面1333與第二電極1200的表面不共平面。換句話說，部分的第二電極1200設置於凹陷中而部分的第二電極1200位於凹陷以外，可增加電極接觸面積。於再一實施例中，請參照圖1D，其係依據本發明再一實施例的發光元件剖面示意圖。如圖1D所示，第二電極1200都位於凹陷R內但並未填滿凹陷R，而僅是鋪設於凹陷R的底部與側壁。換句話說，於此實施例中的第二電極1200的形狀為馬蹄形(U-shape)。於又一實施例中，請參照圖1E，其係依據本發明又一實施例的發光元件剖面示意圖。如圖1E所示，第二電極1200都位於凹陷R內但並沒有鋪滿凹陷R的底部與側壁，而僅是鋪設於凹陷R的部分的側壁與底部。換句話說，且第二電極1200的一表面略低於凹陷R的開口。
請回到圖1A，以第二電極1200填滿凹陷R為例，凹陷R的開口面積與第二型半導體層1330的第二表面1333的一俯視面面積的比值介於0.01至0.5之間，大於0.5可能會造成遮光，小於0.01會使電流分布較不均勻，較佳是介於0.02至0.2之間，可兼具電流分布效率以及減少遮光。舉例來說，於第一個實施例中，第二型半導體層1330的俯視面為15微米長寬的正方形，而凹陷R的開口為直徑3微米的圓形，將可以有較佳的電流分布效率及出光率。雖然前述實施例以第二型半導體層1330的俯視面為正方形且凹陷R的開口為圓形為例，然而實際上本發明並不限定第二型半導體層1330的俯視面的形狀，也不限定凹陷R的開口形狀與剖面形狀。舉例來說，第二型半導體層1330的俯視面也可以是矩形、圓形或其他適當的形狀。而凹陷R的開口也可以是正方形、矩形、橢圓形或其他適當的形狀。而凹陷R的剖面也可以是正方形、矩形、橢圓形、柱狀或其他適當的形狀。
藉由如圖1B至圖1E的設置，雖然在前述第一個實施例中，從第二型半導體層1330的俯視面來看，第二電極1200的面積(也就是凹陷R的開口面積)僅為2.25π平方微米。然而，實際上第二電極1200與第二型半導體層1330接觸的面積，也就是底部與側壁的面積總合，遠大於凹陷R的開口面積，從而使第二電極1200與第二型半導體層1330之間的接觸面積提升，從而提高電流分佈及/或發光效率。特別說明的是，發光元件1000的最大寬度尺寸介於1到100微米之間，較佳是介於3到30微米之間，亦即本實施例中的發光元件1000為一微型發光元件(Micro LED)。由於微型發光元件的尺寸更為小，製作電極於上要達到不遮光且較佳的電流分布效率有一定難度。透過第二電極1200設置於凹陷R中，讓微型發光元件1000能兼具微小化並有效增加電流的分布效率。
於另一實施例，請參照圖2與圖3，其中圖2係依據本發明另一實施例的發光元件俯視圖，而圖3係對應於圖2的發光元件剖面示意圖。如圖2與圖3所示，發光元件1000的磊晶結構1300的第二型半導體層1330的第二表面1333不只有一個凹陷，更具有多個凹陷R，且每個凹陷R中設置有第二電極1200。且多個凹陷R(也就是第二電極1200)有間隔地分布於第二型半導體層1330的第二表面1333。於此實施例中，第二型半導體層1330的第二表面1333的俯視面是一個15微米長寬的正方形，每個凹陷R的開口是一個直徑3微米的圓形，而一共有9個凹陷R分布於第二型半導體層1330的第二表面1333。換句話說，一共有9個第二電極1200分散地設置於第二型半導體層1330的第二表面1333，使電流分布更為均勻。此處，多個凹陷R等間隔地設置於第二表面1333，但於未繪示的實施例中，多個凹陷R亦可不等間隔地設置於第二表面1333，例如是分散地設置於第二表面1333的兩側，可減少正向的遮光。特別說明的是，圖2凹陷開口的總面積與第二表面1333的俯視面面積的比值在0.01至0.5之間，大於0.5可能會造成遮光，小於0.01會使電流分布較不均勻，較佳是介於0.01至0.2之間，可兼具電流分布效率以及減少遮光。
第一電極1100與第二電極1200分別接觸且電性連接第一型半導體層1310與第二型半導體層1330。此處，第一電極1100例如為一P型電極且第二電極1200例如為一N型電極。於一實施例中，第一電極1100、第二電極1200由係由高功函數金屬（例如：鉑、鎳、鈦、金、鉻、上述之合金及上述材料之組合）、金屬氧化物（如氧化銦錫及氧化鋅）或是導電的非金屬材料如導電高分子、石墨、石墨烯及黑磷形成。以金屬材料為例，所謂的高功函數金屬例如為功函數不小於4.5電子伏特的金屬材料。
於一實施例中，請參照圖4，其係依據本發明一實施例的發光元件剖面示意圖。如圖4所示，發光元件1000’的磊晶結構1300’並非如圖1B的發光元件1000的磊晶結構。具體來說，於圖4的磊晶結構1300’，其第一型半導體層1310的長寬大於第二型半導體層1330的長寬。也就是說，磊晶結構1300’為一個梯型結構(由側面看去)。此處，第一型半導體層1310與第二型半導體層1330的最大寬度差值介於0微米至5微米之間，能彈性的應用於後續的設計中。
於另一實施例中，請參照圖5，其係依據本發明另一實施例的發光元件剖面示意圖。如圖5所示，發光元件1000”的磊晶結構1300”並非如圖1B的發光元件1000的磊晶結構或是圖4的發光元件1000’的磊晶結構1300’。具體來說，於圖5的磊晶結構1300”，其第一型半導體層1310的長寬小於第二型半導體層1330的長寬。也就是說，磊晶結構1300’為一個倒梯型結構(由側面看去)。此處，第一型半導體層1310與第二型半導體層1330的最大寬度差值介於0微米至5微米之間，能彈性的應用於後續的設計中。
本發明另一實施例揭示了一種顯示裝置，請參照圖6與圖7，其中圖6係依據本發明一實施例的顯示裝置的俯視示意圖，圖7係圖6中的畫素結構PX部分的剖面示意圖。如圖6與圖7所示，顯示裝置2000具有基板2100、一設置於基板2100上的第一電極連接層2200、多個發光元件 (此處示意以三個發光元件3000、4000與5000代表)與第二電極連接層2300。基板2100例如是互補式金屬氧化物半導體 (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS) 基板、矽基液晶 (Liquid Crystal on Silicon, LCOS) 基板、薄膜電晶體 (Thin Film Transistor, TFT) 基板或是其他具有工作電路的基板。此處，基板2100係為一薄膜電晶體基板。
具體來說，基板2100具有顯示區2110與非顯示區2120。多個畫素結構PX設置於基板2100的顯示區2110上，每個畫素結構PX由至少一個發光元件組成。此處是以每三個發光元件3000、4000、5000組成一個畫素結構PX為例，舉例來說，發光元件3000例如對應於藍色子畫素、發光元件4000例如對應於綠色子畫素及而發光元件5000例如對應於紅色子畫素。特別說明的是，這些畫素結構PX可組成40像素密度(Pixels Per Inch, PPI)至400像素密度，具有較佳解析度。基板2100的非顯示區2120中設置有資料驅動電路 2121，其分別電性連接至各發光元件3000、4000與5000以將資料信號傳輸到各發光元件3000、4000與5000，以及掃描驅動電路2122，其分別電性連接至各發光元件3000、4000與5000以將掃描信號傳輸到各發光元件3000。資料驅動電路 2121、掃描驅動電路2122、以及發光元件3000、4000與5000全部電性連接至一控制電路6000，例如一電路板，以驅動與控制發光元件3000、4000與5000的出光。
其中以發光元件3000為例，發光元件3000具有第一電極3100、第二電極3200與磊晶結構3300。磊晶結構3300設置於第一電極3100與第二電極3200之間。磊晶結構3300具有發光層3320、設置於發光層3320與第一電極3100間的第一型半導體層3310與設置於發光層3320與第二電極3200間的第二型半導體層3330。第二型半導體層3330的第二表面3333相對於第一表面3331，且第二表面3333具有至少一個凹陷R。至少部分第二電極3200設置於第二型半導體層3330的至少一個凹陷R中。磊晶結構3300可包括Ⅱ-Ⅵ族材料（例如：鋅化硒（ZnSe））或Ⅲ-Ⅴ氮族化物材料（例如：氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、氮化銦（InN）、氮化銦鎵（InGaN）、氮化鋁鎵（AlGaN）或氮化鋁銦鎵（AlInGaN））。其中在發光元件3000、4000與5000中間可填有絕緣層，以避免水氣及氧氣侵襲，提高發光元件的可靠度。或在發光元件3000、4000與5000中間填有反射層，可有效反射發光元件3000、4000與5000的側向出光以增加出光。
磊晶結構3300的厚度以不超過6微米為佳。特別說明的是發光元件3000、4000與5000的磊晶結構可具有不同厚度，例如發光元件3000例如對應於藍色子畫素可具有較厚的厚度，以增加發光元件個別的出光效率。應其中第一型半導體層3310與第二型半導體層3330的摻雜類型不同。舉例來說，第一型半導體層3310例如為P型摻雜的半導體層，而第二型半導體3330層例如為N型摻雜的半導體層。發光層3320例如為一多量子阱(multiple quantum well, MQW)結構。而凹陷R的深度與第二型半導體層3330的厚度的比值大於0且小於等於0.4，大於0.4可能會使磊晶結構3300產生缺陷。此處以第二電極3200填滿凹陷R為例，凹陷R的開口面積相對於第二型半導體層3330的第二表面3333的一俯視面面積的比值介於0.01至0.5之間，較佳是介於0.01至0.2之間，可兼具電流分布效率以及減少遮光。
於一實施例，各發光元件的磊晶結構可以完全相同，也可以彼此相異。舉例來說，各發光元件的磊晶結構可以如圖7所示的都是柱狀。類似地，各發光元件的磊晶結構可以都是梯形或者都是倒梯形。於另一實施例中，畫素結構PX中的發光元件的磊晶結構的形狀並非完全相同。舉例來說，發光元件3000與發光元件5000的磊晶結構為倒梯形，而發光元件4000的磊晶結構為梯形。
此處，第一電極連接層2200為多個獨立的第一電極連接結構2210。發光元件3000、4000與5000分別透過第一電極3100、4100、5100設置且電性連接於對應的第一電極連接結構2210上。基板2100更包含多個工作電路Tr，第一電極連接結構2210設置且電性連接於對應的工作電路Tr上。工作電路Tr可包括例如開關電晶體、驅動電晶體、電容器及上述之組合。其中每一工作電路Tr各別電性至連接資料驅動電路 2121、掃描驅動電路2123以及發光元件3000、4000與5000。於一實施例中，第一電極連接層2200可為一具可反射可見光波長的材料組成，此處第二電極連接層2300例如為選自於金、銅、錫、銦、上述材料的合金及上述材料的組成，但並不以為限。
第二電極連接層2300設置於發光元件3000、4000與5000的第二電極3200、4200、5200上且透過第二電極3200、4200、5200電性連接發光元件3000、4000與5000，亦即第二電極連接層2300為多個發光元件3000、4000與5000的共電極。此處，第二電極連接層2300連接至基板2100的非顯示區2120的走線(未繪示)與外部接點(未繪示)以與控制電路6000電性連結。控制電路6000透過傳送訊號驅動及控制資料驅動電路 2121、掃描驅動電路2123及工作電路Tr，以各別定址驅動各發光元件3000、4000與5000的出光。於此實施例中，第二電極連接層2300的厚度介於2000埃(angstrom)與10000埃之間，小過2000埃會使共電極電流傳導不佳，超過10000埃會使影響出光。於一實施例中，第二電極連接層2300為一半透明或透明材料組成，此處第二電極連接層2300例如為氧化銦錫。可有較佳的出光率，但並不以為限。特別說明的是，於一未繪示的實施例中，第二電極3200未填滿凹陷R，而第二電極連接層2300進一步可設置於凹陷R，並連接第二電極3200。換句話說，第二電極連接層2300與第二電極3200的接觸面積增加，可有更好的電流分布效率。
綜上所述，本發明揭露了一種發光元件與一種具有此發光元件的顯示裝置，發光元件的磊晶結構中，於其中一個半導體層中挖設凹陷，並於凹陷中填入電極，從而使電極與半導體層之間的接觸面積提升，從而提高電流分佈及/或發光效率。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1000、1000’、1000”、3000、4000、5000‧‧‧發光元件
1100、3100、4100、5100‧‧‧第一電極
1200、3200、4200、5200‧‧‧第二電極
1300、1300’、1300”、3300‧‧‧磊晶結構
1310、3310‧‧‧第一型半導體層
1320、3320‧‧‧發光層
1330、3330‧‧‧第二型半導體層
1331、3331‧‧‧第一表面
1333、3333‧‧‧第二表面
2000‧‧‧顯示裝置
2100‧‧‧基板
2110‧‧‧顯示區
2120‧‧‧非顯示區
2121‧‧‧資料驅動電路
2122‧‧‧掃描驅動電路
2200‧‧‧第一電極連接層
2210‧‧‧第一電極連接結構
2300‧‧‧第二電極連接層
6000‧‧‧控制電路
AA’、BB’、CC’‧‧‧剖面線
PX‧‧‧畫素結構
R‧‧‧凹陷
T‧‧‧厚度
Tr‧‧‧工作電路
圖1A係依據本發明一實施例的發光元件俯視圖。
圖1B係依據本發明一實施例的發光元件剖面示意圖。
圖1C係依據本發明另一實施例的發光元件剖面示意圖。
圖1D係依據本發明再一實施例的發光元件剖面示意圖。
圖1E係依據本發明又一實施例的發光元件剖面示意圖。
圖2係依據本發明另一實施例的發光元件俯視圖。
圖3係對應於圖2的發光元件剖面示意圖。
圖4係依據本發明一實施例的發光元件剖面示意圖。
圖5係依據本發明另一實施例的發光元件剖面示意圖。
圖6係依據本發明一實施例的顯示裝置俯視圖。
圖7係圖6中的畫素結構PX部分的剖面示意圖。
Claims (20)
- 一種發光元件，包含：一第一電極；一第二電極；以及一磊晶結構，設置於該第一電極與該第二電極之間，該磊晶結構包含：一發光層；一第一型半導體層，設置於該發光層與該第一電極間；以及一第二型半導體層，設置於該發光層與該第二電極間，且該第二型半導體層具有一第一表面與一相對於該第一表面的第二表面，該第一表面面向該發光層，該第二表面具有至少一凹陷；其中至少部分的該第二電極設置於該至少一凹陷中，並且該至少一凹陷的開口面積與該第二表面的一俯視面面積的比值大於等於0.01且小於等於0.5。
- 如請求項1的發光元件，其中該至少一凹陷的深度與該第二型半導體層的厚度的比值大於0且小於等於0.4。
- 如請求項1的發光元件，其中該至少一凹陷的深度小於該第二電極的厚度。
- 如請求項1的發光元件，其中該至少一凹陷為多個凹陷，且該些凹陷有間隔地設置於該第二表面。
- 如請求項1的發光元件，其中該第二電極全部設置於該至少一凹陷中。
- 如請求項5的發光元件，其中該第二電極的一表面切齊於該至少一凹陷的開口。
- 如請求項5的發光元件，其中該第二電極的一表面低於該至少一凹陷的開口。
- 如請求項1的發光元件，其中該磊晶結構的厚度不大於6微米。
- 如請求項1的發光元件，其中該發光元件的最大寬度尺寸介於1到100微米之間。
- 一種顯示裝置，包含：一基板；一第一電極連接層，設置於該基板上，且電性連接該基板；多個發光元件，設置於該第一電極連接層上，每一該發光元件包含：一第一電極，設置於該第一電極連接層上；一第二電極；以及一磊晶結構，設置於該第一電極與該第二電極之間，該磊晶結構包含：一發光層；一第一型半導體層，設置於該發光層與該第一電極間；以及一第二型半導體層，設置於該發光層與該第二電極間，且該第二型半導體層具有一第一表面與一相對於該第一表面的第二表面，該第一表面面向該發光層，該第二表面具有至少一凹陷； 其中至少部分的該第二電極設置於該至少一凹陷中，並且每一該發光元件中的該至少一凹陷的開口面積與該第二表面的一俯視面面積的比值大於等於0.01且小於等於0.5；以及一第二電極連接層，設置於每一該發光元件的該第二電極上。
- 如請求項10的顯示裝置，其中每一該發光元件中的該至少一凹陷的深度與該第二型半導體層的厚度的比值大於0且小於等於0.4。
- 如請求項10的顯示裝置，其中每一該發光元件中的該至少一凹陷的深度小於該第二電極的厚度。
- 如請求項10的顯示裝置，其中每一該發光元件中的該第二表面的該至少一凹陷為多個凹陷，且該些凹陷有間隔地設置於該第二表面。
- 如請求項10的顯示裝置，其中每一該發光元件中的該第二電極全部設置於該至少一凹陷中。
- 如請求項14的顯示裝置，其中該第二電極的一表面切齊於該至少一凹陷的開口。
- 如請求項14的顯示裝置，其中該第二電極的一表面低於該至少一凹陷的開口。
- 如請求項10的顯示裝置，其中每一該發光元件中的該磊晶結構的厚度不大於6微米。
- 如請求項10的顯示裝置，其中每一該發光元件的最大寬度尺寸介於1到100微米之間。
- 如請求項10的顯示裝置，其中該第二電極連接層更設置於每一該發光元件的該第二型半導體層的該凹陷中，並連接每一該發光元件的該第二電極。
- 如請求項10的顯示裝置，其中該些發光元件組成多個畫素結構，每一該畫素結構包含至少一該發光元件，且該些畫素結構組成40像素密度至400像素密度。
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