TWI712180B - 微型發光二極體晶粒及微型發光二極體晶圓 - Google Patents

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Abstract

一種微型發光二極體晶粒，包括一發光層、一第一型半導體層以及一第二型半導體層。發光層包括一金屬元素以及多個非磊晶介質。非磊晶介質彼此分離以分散金屬元素。任兩相鄰的非磊晶介質之間的一水平距離小於100奈米。第一型半導體層配置於發光層的一側上。第二型半導體層配置於發光層的另一側上。

Description

微型發光二極體晶粒及微型發光二極體晶圓
本發明是有關於一種發光二極體結構，且特別是有關於一種微型發光二極體晶粒及微型發光二極體晶圓。
在習知技術中，發光層多半採用多重量子井之設計。發光層中的量子井層的材料通常為氮化銦鎵(InGaN)，而發光層中的阻障層的材料通常為氮化鎵(GaN)。當量子井層的銦摻雜濃度越高時，發光層所發出的光線的波長便越長。反之，當量子井層的銦摻雜濃度越低時，發光層所發出的光線的波長則越短。所以，在製作發光二極體時，可利用調控量子井層中的銦摻雜濃度，以使發光層能夠發出如藍光或綠光等光線。因此，如何調控量子井層中的銦摻雜濃度已成為目前所需研究的重要課題之一。
本發明提供一種微型發光二極體晶粒，其可透過非磊晶介質的配置來控制金屬元素的聚集程度。
本發明提供一種微型發光二極體晶圓，其同時具有不同色光的發光層，於切割後可具有較佳的產能。
本發明的微型發光二極體晶粒，包括一發光層、一第一型半導體層以及一第二型半導體層。發光層包括一金屬元素以及多個非磊晶介質。非磊晶介質彼此分離以分散金屬元素。任兩相鄰的非磊晶介質之間的一水平距離小於100奈米。第一型半導體層配置於發光層的一側上。第二型半導體層配置於發光層的另一側上。
在本發明的一實施例中，上述的非磊晶介質的材質包括二氧化矽、氮化矽或 金屬氧化物，且非磊晶介質為多個絕緣圖案。
在本發明的一實施例中，上述以剖面觀之，絕緣圖案的形狀包括矩形、半圓形、半橢圓形、梯形或上述形狀的組合。
在本發明的一實施例中，上述的非磊晶介質為空氣。
在本發明的一實施例中，上述的第一型半導體層為P型半導體層，第二型半導體層為N型半導體層。第二型半導體層具有多個凹槽，且凹槽分別對於非磊晶介質。
在本發明的一實施例中，上述的每一凹槽具有一粗糙表面。
在本發明的一實施例中，上述的金屬元素為銦。
在本發明的一實施例中，上述的發光層的化學式為In xGa 1-xN，且x介於0.23至0.31之間，或者是，x介於0.38至0.44之間。
本發明的微型發光二極體晶圓，包括一發光層、一第一型半導體層以及一第二型半導體層。發光層包括一金屬元素以及多個非磊晶介質。非磊晶介質彼此分離以分散金屬元素。相鄰的一第一單位面積與一第二單位面積中，於第一單位面積內的非磊晶介質呈等間距排列，且相鄰兩非磊晶介質於第一單位面積內具有一第一間距。於第二單位面積內的非磊晶介質呈等間距排列，且相鄰兩非磊晶介質於第二單位面積內具有一第二間距，且第二間距大於第一間距。任兩相鄰的非磊晶介質之間的一水平距離小於100奈米。第一型半導體層配置於發光層的一側上。第二型半導體層配置於發光層的另一側上。
在本發明的一實施例中，上述的發光層於第一單位面積內產生藍光，而發光層於第二單位面積內產生綠光。
在本發明的一實施例中，上述的非磊晶介質的材質包括二氧化矽、氮化矽或 金屬氧化物，且非磊晶介質為多個絕緣圖案。
在本發明的一實施例中，上述以剖面觀之，絕緣圖案的形狀包括矩形、半圓形、半橢圓形、梯形或上述形狀的組合。
在本發明的一實施例中，上述的非磊晶介質為空氣。
在本發明的一實施例中，上述的第一型半導體層為P型半導體層，第二型半導體層為N型半導體層。第二型半導體層具有多個凹槽，且凹槽分別對於非磊晶介質。
在本發明的一實施例中，上述的每一凹槽具有一粗糙表面。
在本發明的一實施例中，上述的金屬元素為銦。
在本發明的一實施例中，上述的發光層的化學式為In xGa 1-xN，且x介於0.23至0.31之間以及x介於0.38至0.44之間。
基於上述，在本發明的微型發光二極體晶粒的設計中，發光層包括金屬元素與非磊晶介質，其中非磊晶介質彼此分離以分散金屬元素，且任兩相鄰的非磊晶介質之間的水平距離小於100奈米。藉由非磊晶介質的設置來控制金屬元素的聚集程度，藉此調變發光層所發出的色光。此外，在本發明的微型發光二極體晶圓中，非磊晶介質在不同單面積內具有不同的間距，因此可使得發光層可同時具有不同色光。故，切割微型發光二極體晶圓後，即可同時得到不同色光的微型發光二極體晶粒，可具有較佳的產能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A是本發明的一實施例的一種微型發光二極體晶粒的局部俯視示意圖。圖1B是圖1A的微型發光二極體晶粒的剖面示意圖。請同時參考圖1A與圖1B，微型發光二極體晶粒100a包括一發光層110a、一第一型半導體層120以及一第二型半導體層130。第一型半導體層120配置於發光層110a的一側111上，而第二型半導體層130配置於發光層110a的另一側113上。意即，第一型半導體層120與第二型半導體層130分別配置於發光層110a的相對兩側上。此處，第一型半導體層120例如為P型半導體層，且第二型半導體層130例如為N型半導體層。
詳細來說，本實施例的發光層110a包括一量子井層112以及多個非磊晶介質114a，其中量子井層具有一金屬元素。非磊晶介質114a彼此分離以分散金屬元素並控制金屬元素的聚集程度。較佳地，任兩相鄰的非磊晶介質114a之間的一水平距離H小於100奈米。此處，發光層110a的化學式為In xGa 1-xN，其中x代表元素之莫耳分律，且x介於0.23至0.31之間，或者是，x介於0.38至0.44之間，而金屬元素為銦。當x介於0.23至0.31之間時，發光層110a可發出藍光；而當x介於0.38至0.44之間時，發光層110a可發出綠光。
特別是，本實施例的非磊晶介質114a的材質例如是二氧化矽、氮化矽或金屬氧化物，且非磊晶介質114a為多個絕緣圖案115a。如圖1A所示，以俯視觀之，絕緣圖案115a呈條狀且排列成格子狀，但不以此為限。另一方面，如圖1B所示，以剖面觀之，絕緣圖案115a呈等間距（即水平距離H）排列，且絕緣圖案115a的形狀例如是矩形。絕緣圖案115a設置的目的在於分散金屬元素，以控制金屬元素的聚集程度，而金屬元素聚集的程度會影響發光層110a所發出的光線波長。
舉例來說，當任兩相鄰的絕緣圖案115a彼此之間間距越大時，發光層110a中的金屬元素聚集越多（即所佔據的範圍大），而發光層110a可發出綠光。反言之，當任兩相鄰的絕緣圖案115a彼此之間間距越小時，發光層110a中的金屬元素聚集越少（即所佔據的範圍小），而發光層110a可發出藍光。也就是說，可藉由絕緣圖案115a設置來控制晶圓上的波長均勻度，甚至來調變發光層340中的金屬元素的聚集程度，藉此磊晶出至少一種色光的微型發光二極體晶粒100a。
詳細而言，在本實施例是先磊晶出第二型半導體層130後，於第二型半導體層130表現製作出絕緣圖案115a。接著，再進行發光層110a、第一型半導體層120的磊晶製程，並形成相對平坦的第一型半導體層120的表面。然後，再製作絕緣保護層（passivation layer）160、電極層(electrode)（即包括第一型電極140與第二型電極150）等等後續製程。
簡言之，在本實施例的微型發光二極體晶粒100a的設計中，發光層110a包括金屬元素與非磊晶介質114a，其中非磊晶介質114a彼此分離以分散金屬元素，且任兩相鄰的非磊晶介質114a之間的水平距離H小於100奈米。藉由非磊晶介質114a的設置來控制金屬元素的聚集程度，藉此調變發光層110a所發出的色光。
在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
圖2A是本發明的一實施例的一種微型發光二極體晶粒的剖面示意圖。請同時參考圖1B以及圖2A，本實施例的微型發光二極體晶粒100b與圖1B的微型發光二極體晶粒100a相似，兩者的差異在於：本實施例的發光層110b的非磊晶介質114b包括多個絕緣圖案115b，且以剖面觀之，絕緣圖案115b的形狀具體化為正梯形。
圖2B是本發明的另一實施例的一種微型發光二極體晶粒的剖面示意圖。請同時參考圖1B以及圖2B，本實施例的微型發光二極體晶粒100c與圖1B的微型發光二極體晶粒100a相似，兩者的差異在於：本實施例的發光層110c的非磊晶介質114c包括多個絕緣圖案115c，且以剖面觀之，絕緣圖案115c的形狀具體化為半橢圓形。
值得一提的是，於其他未繪示的實施例中，以剖面觀之，絕緣圖案的形狀亦可為半圓形，或者是，矩形、半圓形、半橢圓形或梯形中任兩種形狀的組合，此仍屬於本發明所欲保護的範圍。
圖2C是本發明的又一實施例的一種微型發光二極體晶粒的剖面示意圖。請同時參考圖1B以及圖2C，本實施例的微型發光二極體晶粒100d與圖1B的微型發光二極體晶粒100a相似，兩者的差異在於：本實施例的發光層110d的非磊晶介質114d具體化為空氣。詳細來說，本實施例的第二型半導體層130d具有多個凹槽132，且凹槽132分別對於非磊晶介質114d。此處，每一凹槽132具有一粗糙表面133，而凹槽132例如是透過雷射燒蝕所形成，使得磊晶層表面造成晶格的破壞導致後續發光層在此處無法順利成膜，但不以此為限。
由於本實施例的第二型導體層130d具有凹槽132的設計，因此在磊晶的過程中，發光層110d不易在凹槽132處磊晶成膜，而使得發光層110d對應凹槽處形成空氣間隙（即非磊晶介質114d）。換言之，透過凹槽132的設置，亦可控制金屬元素的聚集程度，藉此調變發光層110d所發出的色光。
圖3A是本發明的一實施例的一種微型發光二極體晶圓的俯視示意圖。圖3B是圖3A的微型發光二極體晶圓的剖面示意圖。請同時參考圖3A以及圖3B，本實施例的微型發光二極體晶圓10的發光層110e的非磊晶介質114e包括多個不等間距的絕緣圖案115e，且以剖面觀之，絕緣圖案115e的形狀具體化為矩形。進一步來說，於相鄰的一第一單位面積A1與一第二單位面積A2中，於第一單位面積A1內的非磊晶介質114e呈等間距排列，且相鄰兩非磊晶介質114e於第一單位面積A1內具有一第一間距P1。於第二單位面積A2內的非磊晶介質114e呈等間距排列，且相鄰兩非磊晶介質114e於第二單位面積A2內具有一第二間距P2。特別是，第二間距P2大於第一間距P1。
此處，發光層110e的化學式為In xGa 1-xN，其中x代表元素之莫耳分律，且x介於0.23至0.31之間以及x介於0.38至0.44之間，而金屬元素為銦。在第一單位面積A1內，x介於0.23至0.31之間，因此發光層110e於第一單位面積A1內可產生藍光。在第二單位面積A2內，x介於0.38至0.44之間，因此發光層110e於第二單位面積A2內可產生綠光。當然，於其他未繪示的實施例中，發光層的化學式為In xGa 1-xN，其中x代表元素之莫耳分律，且x可介於0.23至0.31之間，或者是，x可介於0.38至0.44之間，此仍屬於本發明所欲保護的範圍。
在本實施例中，是先製作整層發光層110e。接著，再利用圖案化定義出不同間距的量子井層112。僅接著，利用退火製程使得銦元素在第一單位面積A1與第二單位面積A2中具有不同的濃度與聚集程度，而形成不同發光波長的發光層110e。
簡言之，本實例的微型發光二極體晶圓10可同時磊晶出藍光與綠光的發光層110e，因此於後續切割程序後，可切割出藍光發光二極體晶粒100e1與綠光發光二極體晶粒100e2，具有較佳的產能。
綜上所述，在本發明的微型發光二極體晶粒的設計中，發光層包括金屬元素與非磊晶介質，其中非磊晶介質彼此分離以分散金屬元素，且任兩相鄰的非磊晶介質之間的水平距離小於100奈米。藉由非磊晶介質（如二氧化矽的絕緣塊或空氣）的設置來控制金屬元素的聚集程度，藉此調變發光層所發出的色光。此外，在本發明的微型發光二極體晶圓中，非磊晶介質在不同單面積內具有不同的間距，因此可使得發光層可同時具有不同色光。故，切割微型發光二極體晶圓後，即可同時得到不同色光的微型發光二極體晶粒，可具有較佳的產能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10:晶圓 100a、100b、100c、100d、100e1、100e2:微型發光二極體晶粒 110a、110b、110c、110d、110e:發光層 111:一側 112:量子井層 113:另一側 114a、114b、114c、114d、114e:非磊晶介質 115a、115b、115c、115e:絕緣圖案 120:第一型半導體層 130、130d:第二型半導體層 132:凹槽 133:粗糙表面 140:第一型電極 150:第二型電極 160:絕緣保護層 A1:第一單位面積 A2:第二單位面積 H:水平距離 P1:第一間距 P2:第二間距
圖1A是本發明的一實施例的一種微型發光二極體晶粒的局部俯視示意圖。 圖1B是圖1A的微型發光二極體晶粒的剖面示意圖。 圖2A是本發明的一實施例的一種微型發光二極體晶粒的剖面示意圖。 圖2B是本發明的另一實施例的一種微型發光二極體晶粒的剖面示意圖。 圖2C是本發明的又一實施例的一種微型發光二極體晶粒的剖面示意圖。 圖3A是本發明的一實施例的一種微型發光二極體晶圓的俯視示意圖。 圖3B是圖3A的微型發光二極體晶圓的剖面示意圖。
100a:微型發光二極體晶粒
110a:發光層
111:一側
112:量子井層
113:另一側
114a:非磊晶介質
115a:絕緣圖案
120:第一型半導體層
130:第二型半導體層
140:第一型電極
150:第二型電極
160:絕緣保護層
H:水平距離

Claims (16)

  1. 一種微型發光二極體晶粒，包括：一發光層，包括一金屬元素以及多個非磊晶介質，其中該些非磊晶介質彼此分離以分散該金屬元素，且任兩相鄰的該些非磊晶介質之間的一水平距離小於100奈米，該發光層的化學式為InxGa1-xN，且x介於0.23至0.31之間，或者是，x介於0.38至0.44之間；一第一型半導體層，配置於該發光層的一側上；以及一第二型半導體層，配置於該發光層的另一側上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶粒，其中該些非磊晶介質的材質包括二氧化矽、氮化矽或金屬氧化物，且該些非磊晶介質為多個絕緣圖案。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的微型發光二極體晶粒，其中以剖面觀之，該些絕緣圖案的形狀包括矩形、半圓形、半橢圓形、梯形或上述形狀的組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶粒，其中該些非磊晶介質為空氣。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的微型發光二極體晶粒，其中該第一型半導體層為P型半導體層，該第二型半導體層為N型半導體層，而該第二型半導體層具有多個凹槽，且該些凹槽分別對於該些非磊晶介質。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的微型發光二極體晶粒，其中各該凹槽具有一粗糙表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的微型發光二極體晶粒，其中該金屬元素為銦。
  8. 一種微型發光二極體晶圓，包括：一發光層，包括一金屬元素以及多個非磊晶介質，其中該些非磊晶介質彼此分離以分散該金屬元素，其中於相鄰的一第一單位面積與一第二單位面積中，於該第一單位面積內的該些非磊晶介質呈等間距排列，且相鄰兩該些非磊晶介質於該第一單位面積內具有一第一間距，於該第二單位面積內的該些非磊晶介質呈等間距排列，且相鄰兩該些非磊晶介質於該第二單位面積內具有一第二間距，而該第二間距大於該第一間距，且任兩相鄰的該些非磊晶介質之間的一水平距離小於100奈米；一第一型半導體層，配置於該發光層的一側上；以及一第二型半導體層，配置於該發光層的另一側上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的微型發光二極體晶圓，其中該發光層於該第一單位面積內產生藍光，而該發光層於該第二單位面積內產生綠光。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的微型發光二極體晶圓，其中該些非磊晶介質的材質包括二氧化矽、氮化矽或金屬氧化物，且該些非磊晶介質為多個絕緣圖案。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的微型發光二極體晶圓，其中以剖面觀之，該些絕緣圖案的形狀包括矩形、半圓形、半橢圓形、梯形或上述形狀的組合。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的微型發光二極體晶圓，其中該些非磊晶介質為空氣。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的微型發光二極體晶圓，其中該第一型半導體層為P型半導體層，該第二型半導體層為N型半導體層，而該第二型半導體層具有多個凹槽，且該些凹槽分別對於該些非磊晶介質。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的微型發光二極體晶圓，其中各該凹槽具有一粗糙表面。
  15. 如申請專利範圍第8項所述的微型發光二極體晶圓，其中該金屬元素為銦。
  16. 如申請專利範圍第8項所述的微型發光二極體晶圓，其中該發光層的化學式為InxGa1-xN，且x介於0.23至0.31之間以及x介於0.38至0.44之間。
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