TWI633684B - 微led結構及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提出了一種微LED結構,包含:一基板、一第一電極與一第二電極、一P型半導體層與一N型半導體層、一發光層以及複數個間隙。藉由微LED結構的複數個間隙,達到獨立控制發光的目的。又,指叉狀電極的設計,可使電流更均勻的擴散到各層,進而提升微LED結構的發光亮度與均勻度。
Description
一種微LED結構及其製作方法,尤指一種可獨立控制發光層的微LED結構及製作方法。
微發光二極體(Micro LED)顯示技術是一種繼有機發光二極體(OLED)之後新一代的顯示技術。其原理主要是藉由LED結構設計進行薄膜化、微小化及陣列化,先將LED尺寸縮小至100微米以下等級(約原本LED的百分之一),再利用物理方式完成各層堆疊,進行上基板封裝,完成各種尺寸且結構簡單的微發光二極體裝置。
整體模組縮小後,便提升了畫質及反應速度,因此微發光二極體具備高解析度、色彩飽和度、大視覺角度、反應速度快、超省電、壽命長及等多項優勢。
微發光二極體除可取代傳統的液晶顯示器(LCD)與有機發光二極體(OLED)作為面板顯示器外,加上擁有超省電之優勢,因此,亦適合應用於穿戴式裝置螢幕、電子看板、抬頭顯示器(HUD)、頭戴式顯示器(HMD)等裝置。
然而,現階段的微發光二極體尚未能獨立控制各元件的發光層,其電極的配置結構,也有電流擴散不均勻,造成發光亮度受到影響等
的問題。
因此,為解決先前技術的問題,本發明提出一種微LED結構及其製作方法,藉由指叉狀的電極結構,讓電流均勻擴散;亦透過雷射方式切割二極體,讓微LED的亮光能夠被獨立控制。
本發明之微LED結構,包含:一基板、一第一電極、一第二電極、一P型半導體層、一N型半導體層、一發光層以及複數個間隙。其中,該第一電極與該第二電極皆設置於該基板上,且兩電極相互平行。該P型半導體層設置於該第一電極上;該發光層設置於該P型半導體層上;該N型半導體層,設置於該第二電極與該發光層之上,且各個該複數個間隙連通該N型半導體層靠近該第一電極的側邊至該N型半導體層靠近該第二電極的側邊。
欲達上述微LED結構所使用的製作方法,包含以下步驟:
(A)設置一基板。
(B)以水平方式設置一第一電極與一第二電極於該基板上。
(C)設置一P型半導體層於該第一電極上。
(D)設置一發光層於該P型半導體層上。
(E)設置一N型半導體於該第二電極與該發光層之上。
(F)以雷射方式切割該微LED結構,形成複數個從該N型半導體層靠近該第一電極側邊連通至該N型半導體層靠近該第二電極側邊的間隙。
其中,該第一電極與該第二電極之結構為一指叉狀電極,該
指叉狀電極包含一主電極與複數個子電極,該複數個子電極平行排列於該主電極。
本發明之另一微LED結構,其發光層還可以添加螢光物質形成一變色轉換層,設置於該N型半導體層上。其中,不同的螢光物質可使該變色轉換層包含一紅光部、一綠光部以及一藍光部。
本發明可藉由該微LED結構上的複數個間隙,達到獨立控制發光的目的。變色轉換層可讓外部電路獨立控制亮光的顏色,形成RGB發光元件。又指叉狀電極的結構設計,可使電流更均勻的擴散到各層結構,提升微LED整體的發光亮度。
以上對本發明的簡述,目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述,因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件,也不是用來界定本發明的範圍,僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
10‧‧‧微LED結構
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一電極
12a‧‧‧第一主電極
12b‧‧‧第一子電極
13‧‧‧第二電極
13a‧‧‧第二主電極
13b‧‧‧第二子電極
14‧‧‧P型半導體層
15‧‧‧N型半導體層
16‧‧‧發光層
17‧‧‧間隙
18‧‧‧空隙
19‧‧‧變色轉換層
A~F‧‧‧步驟
圖1為本發明較佳實施例的結構圖
圖2為本發明較佳實施例的結構剖面圖
圖3為本發明較佳實施例的結構俯視圖
圖4為本發明較佳實施例的製作方法流程圖
圖5為本發明較佳實施例的另一結構圖
圖6為本發明較佳實施例的另一結構剖面圖
圖7為本發明較佳實施例的另一結構俯視圖
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效,並可依照說明書的內容來實施,茲進一步以如圖式所示的較佳實施例,詳細說明如後:本發明是一種以雷射方式切割二極體,使亮光能夠被獨立控制的微LED結構及其製作方法。請參考圖1所示,其為本發明較佳實施例的結構圖,包含一基板11、一第一電極12、一第二電極13、一P型半導體層14、一N型半導體層15、一發光層16以及複數個間隙17。
微LED結構10的第一電極12與第二電極13是以水平方式設置於基板11上。更精確來說,本實施例的第一電極12與第二電極13所稱的水平方式設置於基板11上係可以為導線架的形式,前述的導線架即第一電極12與第二電極13已經預先設計完成且平鋪於基板11之上,使得第一電極12與第二電極13水平且密合於基板11上,形成導線架。P型半導體層14設置於第一電極上12,發光層16設置於P型半導體層14上,N型半導體層15設置於第二電極13與發光層16之上,又,複數個間隙17連通N型半導體層15靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊。透過複數個間隙17的分隔,讓P型半導體層14、N型半導體層15以及發光層16形成多個獨立元件。
第一電極12與第二電極13之結構為指叉狀電極,該指叉狀電極分別包含第一主電極12a、複數個第一子電極12b以及第二主電極13a、複數個第二子電極13b。本實施例中,複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b是以平行且等間距方式依序排列於第一主電極12a或第二主電極
13a上。然,實際複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b的排列方式、角度及間隔可以依照使用者的需求任意變更,本發明不加以限制。
基板11的材質可以是矽(Si)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎵(GaO)、藍寶石(sapphire)以及可撓式塑膠材料與複合層材料等。其中,可撓式塑膠材料與複合層材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醯亞胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、環狀烯烴共聚物(COC)、聚酰胺(PA)或以這些材料為基底的混和複合材料等。
基板11更包含至少一導線(圖未示)。在可能的實施樣態中,所述至少一導線是架設於基板11上甚至連接到基板11外的外部電路,而至少一導線可分別和第一電極12與第二電極13作電性連接,使得外部電路得以獨立控制第一電極12與第二電極13上每個獨立元件的發光運作。而在可能的實施樣態中,前述至少一導線的材質可以是銅線、鋁線、鋁合金線、鋁包鋼線、銅包鋼線和鋼線等。
本實施例中,所述微LED結構10的電流值操作範圍可以為0.01毫安培(mA)~10安培(A)。又,本實施例中採用的P型半導體層14材質可以是氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵系或氮基半導體等。N型半導體層15的材質可以是氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵系或氮基半導體等。發光層16的材質可以是矽氧樹脂(Silicone)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、磷化鎵(GaP)、磷化鎵鋁銦(AlGaInP)、磷砷化鎵(GaAsP)、氮化銦鎵(GaInN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、砷化鋁鎵(AlGaAs)或砷化鎵(GaAs)之多層量子井等。
針對本實施例所述之發光層16,請參考表1所示,表1可看出不同的發光層16材質可發出不同波長的亮光(包含可見光與不可見光),其應用領域也有所不同。
在本實施例中,複數個間隙17是以雷射方式從N型半導體層15靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊切割而形成。請同時參考圖1~3,其中,如圖2所示,其為本發明較佳實施例的結構剖面圖,微LED結構10是以基板11、第一電極12與第二電極13、P型半導體層14、發光層16以及N型半導體層15依序堆疊所製成。而圖3為本發明較佳實施例的結構俯視圖,P型半導體層14是以覆蓋第一子電極12b的中點堆疊於第一電極12之上;N型半導體層15是以覆蓋第二子電極13b的中點堆疊於第二電極13之上。
更精確來說,本實施例複數個間隙17產生的方式主要是因P型半導體層14與N型半導體層15僅覆蓋於前述複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b的中點,致使P型半導體層14與N型半導體層15和第一主電極12a與第二主電極13a之間留有空隙18(可詳參圖3)。因此,當欲以雷射切割出複數個間隙17時,本實施例是透過前述的空隙18做為切割起始點與終點(如圖3中所示之虛線),使每個被切割為獨立元件的P型半導體層14、發光層16與N型半導體層15,得以被複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b獨立控制亮光的開關。
關於前述圖1~3的微LED結構10的製作方法,請參考圖4所示,其為本發明較佳實施例的製作方法流程圖,方法步驟包含:
(A)設置基板11。
(B)水平設置第一電極12與第二電極13於基板11上。
(C)設置P型半導體層14於第一電極12上。
(D)設置發光層16於P型半導體層14上。
(E)設置N型半導體層15於第二電極13與發光層16之上。
(F)以雷射切割微LED結構10,形成複數個間隙17。
詳細而言,步驟(B)中,第一電極12與第二電極13之結構為指叉狀電極。指叉狀電極包含第一主電極12a與複數個第一子電極12b以及第二主電極13a與複數個第二子電極13b,其中,複數個子電極是以平行方式排列於主電極。又,複數個第一子電極12b與複數個第二子電極13b的水平設置方式可以是相互對稱或交錯。
步驟(B)所述的第一電極12與第二電極13是透過塗佈、列印
或是雷射的方式水平堆疊於基板11上。其中,雷射的方式可以透過雷射列印,是以雷射燒結的方式將奈米金屬粉塗在基板11形成所需電路;也可以是透過雷射蝕刻,對已經鍍金屬的基板11進行雷射光能量氣化而形成導線;或是透過雷射積層,是在基板11上塗上一層液化奈米金屬混合物,再以雷射光能進行所需電路的能量吸收而固化。
步驟(C)中,P型半導體層14是以覆蓋第一子電極12b中點的方式堆疊於第一電極12之上。其中,P型半導體層14的堆疊方式可以是透過有機化學氣相沉積法(MOCVD)、塗佈或列印。
步驟(D)中,發光層16可以是透過有機化學氣相沉積法(MOCVD)、液相磊晶成長法(LPE)、氣相磊晶成長法(VPE)、噴墨像素印刷(Ink jet pixel)、塗佈或列印的方式堆疊於P型半導體層14上,並藉由P型與N型半導體之間電荷的流動將電能轉換成光能。其中,發光層16所發出來的亮光會因為發光材質的不同有所改變。
步驟(E)中,N型半導體層15是以覆蓋第二子電極13b中點的方式堆疊於第二電極13與發光層16之上。其中,N型半導體層15的堆疊方式可以是透過有機化學氣相沉積法(MOCVD)、塗佈或列印。
詳細而言,步驟(C)與步驟(E)所述的堆疊方式,目的是為了避免雷射沿著N型半導體層15靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊切割微LED結構10時,意外切割到P型半導體層14與N型半導體層15兩側的指叉狀電極(第一電極12與第二電極13)而預留空隙18。
步驟(C~E)中所述之液相磊晶成長法(LPE)是以熔融態的液體材料直接和下層結構接觸而沉積晶膜;氣相磊晶成長法(VPE)是以氣體或
電漿材料傳輸至下層結構,促使晶格表面粒子凝結或解離;有機化學氣相沉積法(MOCVD)則是將有機金屬以氣體形式擴散至下層結構,促使晶格表面粒子凝結。
步驟(D)所述的發光原理,是P型半導體層14含有帶正電的電洞比率較高,N型半導體層15含有帶負電的電子比率較高,當P型與N型半導體結合時,P型半導體層14的多數載子電洞會流向N型半導體層15側,而N型半導體層15的多數載子電子會流向P型半導體層14側。電子與電洞會在PN接面(發光層16)結合後互相消失,只剩下不可移動的施體離子及受體離子,而形成沒有可移動載子的區域,此區域稱為空乏區(depletion region)或空間電荷區(space-charge region)。當P型半導體層14與N型半導體層15外側的第一電極12與第二電極13被施加順向偏壓時,由於注入少數載子的關係,電子與電洞在發光層16產生復合,進而引起發光。
步驟(F)中,本實施例是在不切割到第一電極12與第二電極13的前提之下,重複以雷射方式平行且等間距沿著N型半導體層15靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊(如圖3中所示的虛線)切割P型半導體層14、N型半導體層15以及發光層16,形成複數個間隙17。然,實際上雷射的切割形式、角度以及間距可以依照使用者的需求任意變更,本發明並不加以限制。
當架設於基板11上的導線所連接的外部電路產生電流時,導線會將電流送至第一電極12與第二電極13,兩電極透過指叉狀的設計分別將電流均勻擴散至P型半導體層14與N型半導體層15,進而在發光層16引起亮光。又,透過雷射切割的複數個間隙17將P型半導體層14、N型半導體層
15與發光層16分割成複數個獨立元件,使外部電路得以獨立控制第一電極12與第二電極13上每個獨立元件的發光運作,達成本發明之目的。
請同時參考圖5~7,其為本發明較佳實施例的另一結構圖,包含一基板11、一第一電極12、一第二電極13、一P型半導體層14、一N型半導體層15、一變色轉換層19以及複數個間隙17。其中,本實施例微LED結構10的原發光層為變色轉換層19。
微LED結構10的第一電極12與第二電極13是以水平方式設置於基板11上,P型半導體層14設置於第一電極上12,N型半導體層15設置於第二電極13與P型半導體層14之上,變色轉換層19設置於N型半導體15上,又,複數個間隙17連通變色轉換層19靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊。透過複數個間隙17的分隔,讓P型半導體層14、N型半導體層15以及變色轉換層19形成多個獨立元件。
變色轉換層19可以是透過有機化學氣相沉積法(MOCVD)、液相磊晶成長法(LPE)、氣相磊晶成長法(VPE)、噴墨像素印刷(Ink jet pixel)、塗佈或列印的方式堆疊於N型半導體上15。其中,變色轉換層19的材質可以是矽氧樹脂(Silicone)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、磷化鎵(GaP)、磷化鎵鋁銦(AlGaInP)、磷砷化鎵(GaAsP)、氮化銦鎵(GaInN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、砷化鋁鎵(AlGaAs)或砷化鎵(GaAs)之多層量子井等。
本實施例是在不切割到第一電極12與第二電極13的前提之下,重複以雷射方式平行且等間距沿著變色轉換層19靠近第一電極12的側邊至N型半導體層15靠近第二電極13的側邊(如圖7中所示的虛線)切割P型
半導體層14、N型半導體層15以及變色轉換層19,形成複數個間隙17。然,實際上雷射的切割形式、角度以及間距可以依照使用者的需求任意變更,本發明並不加以限制。
當架設於基板11上的導線所連接的外部電路產生電流時,導線(圖未示)會將電流送至第一電極12與第二電極13,兩電極透過指叉狀的設計分別將電流均勻擴散至P型半導體層14與N型半導體層15,進而在變色轉換層19引起亮光。其中,變色轉換層19是添加入不同的螢光物質而有不同的發光的顏色。
透過雷射切割的複數個間隙17將P型半導體層14、N型半導體層15與發光層16分割成複數個獨立元件,使外部電路得以獨立控制第一電極12與第二電極13上每個獨立元件的發光運作;又,其中,不同的螢光物質可使該變色轉換層19包含一紅光部、一綠光部以及一藍光部,外部電路可以獨立控制不同顏色的亮光而形成RGB色轉換。
螢光物質的材料主要是由鈣(Ca)、鍶(Sr)或鋇(Ba)的二族金屬與鋅(Zn)、鎘(Cd)或汞(Hg),搭配六族元素的硫(S)或硒(Se)組成的化合物,再添加錳(Mn)、銅(Cu)、銀(Ag)和鑭系元素銪(Eu)、釤(Sm)、鋱(Tb)等金屬製備而成。舉例來說,硫化鋅(ZnS)摻雜錳為黃橙色、硫化鋅摻雜錳加濾光片為黃綠色、硫化鋅摻雜氯化釤(SmCl3)為紅色、硫化鋅摻雜鋱氟為綠色、硫化鋅摻雜銩氟為藍色。
更進一步,本實施例之微LED結構的第一電極12與第二電極13還可裝置一控制器與一外部驅動裝置(圖未示)連接,變色轉換層19上還可設有一面板(圖未示)。藉由外部驅動裝置獨立控制變色轉換層19之紅光
部、綠光部以及藍光部的開關與電流的強弱,且透過面板將不同的色光發散,而具有顯示器效能。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳圖式與實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,如該微LED各層結構之延展,皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
Claims (13)
- 一種微LED結構,包含:一基板;一第一電極,設置於該基板上;一第二電極,設置於該基板上,該第二電極與該第一電極平行設置;一P型半導體層,設置於該第一電極上;一發光層,設置於該P型半導體層上;一N型半導體層,設置於該第二電極與該發光層之上;以及複數個間隙,各個該間隙由該N型半導體層靠近該第一電極的側邊連通至該N型半導體靠近該第二電極的側邊;其中該第一電極與該第二電極分別包含一主電極與複數個子電極;各個該間隙介於相鄰之該複數個子電極之間。
- 如請求項1所述之微LED結構,該第一電極與該第二電極之結構為一指叉狀電極。
- 如請求項1所述之微LED結構,該複數個子電極平行排列於該主電極。
- 如請求項1所述之微LED結構,該基板之材質矽(Si)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)或藍寶石(sapphire)。
- 如請求項4所述之微LED結構,該基板更包含至少一導線,該至少一導線與該第一電極和該第二電極作電性連接。
- 如請求項1所述之微LED結構,其中該P型半導體層之材質為氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)或氮基半導體。
- 如請求項1所述之微LED結構,其中該N型半導體層之材質為氮化鎵 (GaN)、氮化銦鎵(InGaN)或氮基半導體。
- 如請求項1所述之微LED結構,其中該發光層之材質為氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、碳化矽(SiC)、砷化鋁鎵(AlGaAs)或砷化鎵(GaAs)之量子井。
- 如請求項1所述之微LED結構,該複數個間隙為雷射切割間隙。
- 如請求項1所述之微LED結構,該發光層更包含一變色轉換層,其中該變色轉換層包含一紅光部、一綠光部以及一藍光部。
- 一種微LED結構之製作方法,包含:A.設置一基板;B.水平設置一第一電極與一第二電極於一基板上,該第一電極與該第二電極分別包含一主電極與複數個子電極;C.設置一P型半導體層於該第一電極上;D.設置一發光層於該P型半導體層上;E.設置一N型半導體層於該第二電極與該發光層之上;以及F.以雷射切割該微LED結構,形成複數個間隙,各個該間隙介於相鄰之該複數個子電極之間。
- 如請求項11所述之微LED結構製作方法,該第二電極與該第一電極為一指叉狀電極,其中該指叉狀電極水平設置方式為相互對稱或交錯。
- 如請求項12所述之微LED結構製作方法,各個該複數個間隙是由雷射沿著該N型半導體靠近該第一電極的側邊至該N型半導體靠近該第二電極的側邊切割。
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