TWI729612B - 主動矩陣led陣列前驅物 - Google Patents

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Abstract

提供了形成微型LED陣列的前驅物的主動矩陣LED陣列前驅物。主動矩陣LED陣列前驅物包括共用的第一半導體層(其包括基本上未摻雜的III族氮化物)、複數個電晶體驅動的LED前驅物，及共用的源極接觸。每個電晶體驅動的LED前驅物包括單片發光二極體（LED）結構，該單片LED結構包括複數個III型氮化物半導體層、阻障半導體層和閘極接觸。每個單片LED結構形成在共用半導體層的一部分上。阻障半導體是一層，該層形成在環繞LED結構之共用半導體層的一部分上且被配置為在共用半導體層和阻障半導體層之間的界面處感應二維電子通道層。閘極接觸形成在二維電子通道層的一部分上，閘極接觸環繞LED結構。共用的源極接觸經配置為形成到二維電子通道層的每個部分的歐姆接觸，從而在共用的源極接觸和每個單片LED結構之間提供高電子遷移率電晶體，以驅動每個LED結構。

Description

主動矩陣LED陣列前驅物
本申請案係關於III族氮化物半導體。具體來說，本申請案係關於發光二極體（LED）和包括III族氮化物半導體的支撐驅動電子元件。
微型LED陣列通常定義為尺寸為100×100μm2 或更小的LED陣列。微型LED陣列是一種適用於各種裝置的自發光的微型顯示器/投影儀，該各種裝置如智慧型手錶、頭戴式顯示器、平視顯示器、攝影機、取景器、多站點激發源和微型投影儀。
微型LED陣列的一種已知形式包括由III族氮化物形成的複數個LED。III族氮化物LED是在主動發光區域中包含GaN及其與InN和AlN的合金的無機半導體LED。與習知的大面積LED（例如其中發光層是有機化合物的有機發光二極體（OLED））相比，可用顯著更高的電流密度驅動III族氮化物LED並發出更高的光功率密度。結果，較高的發光性（亮度）（該發光性（亮度）經定義為在給定方向上光源的每單位面積所發出的光量）使微型LED適用於需要或受益於高亮度的應用。例如，受益於高亮度的應用可包括高亮度環境中的顯示器或投影儀。另外，與其他習知的大面積LED相比，已知III族氮化物微型LED具有相對較高之以每瓦流明（lm/W）表示的發光效率。與其他光源相比，III族氮化物微型LED陣列的較高發光效率降低了功耗，並使微型LED特別適用於可攜式裝置。
此外，由於III族氮化物的固有材料特性，微型LED陣列可在極端條件(如高/低溫和高濕度)下運作，從而在可穿戴和戶外應用中提供了效能和可靠性優勢。當前存在兩種主要方法來生產無機微型LED陣列。在第一種方法中，採用類似於標準LED的技術生產單個微型LED裝置。接著，藉由拾取和放置技術將各個微型LED組裝成矩陣到基板上。基板通常包括主動矩陣底板，該主動矩陣底板包括用於各個微型LED定址的驅動電路系統。
第一種方法允許選擇具有不同特性的LED並將其放置在所需的基板上。例如，為了實現全彩色顯示，可將在不同生長基板上製造之具有不同發射波長的LED排列成陣列。另外，拾取和放置技術允許在有故障的裝置成為陣列的一部分之前將其丟棄，從而提高了陣列的最終產量。另一方面，在各種應用中所需的解析度（小間距）和陣列尺寸（大量的微型LED）在拾取和放置準確率及傳輸時間方面對此方法提出了嚴峻挑戰，從而分別地影響了製程的可靠性及其產量。
第二種方法使用單片整合以從同一生長基板製造形成陣列的微型LED，從而允許更高的整合密度、更小的LED和更小的間距（亦即，更高的陣列解析度）。此第二種方法依靠著色技術來實現全彩色顯示。用於微型LED的著色技術取決於微型LED陣列的間距，其中目前用於照明應用的現有熒光粉材料僅適用於大間距和低解析度的陣列。高解析度應用需要不同的波長轉換方法，如量子點。
較少採用的製造製程使用選擇性區域生長（SAG）來實現主動區域的電隔離部分，可使用電流單獨注入該電隔離部分，而無需使用如US-B-7,087,932中揭露的蝕刻步驟。在選擇性區域生長技術中，在緩衝層上圖案化遮罩。遮罩中的材料使得在生長條件下，沒有其他材料直接在遮罩上生長，而是僅在暴露出下方緩衝層的表面的一部分的內部孔中生長。沿[0001]方向生長的III型氮化物選擇性區域生長的另一個值得注意的特徵是，取決於生長參數（如生長溫度、壓力和V/III比例），相對於（0001）平面的傾斜小平面也是已知的(因在由圖案畫遮罩的開口區域所限定的c面半導體的生長部分的周邊周圍獲得c面)。傾斜小平面通常沿纖鋅礦晶體的{1-101}或{1-102}面取向，且與c面的表面（半極性的表面）相比偏振場減小。
除了用於生產要在陣列中使用的每個微型LED的技術之外，還必須提供用於驅動複數個微型LED的電子結構。典型地，每個微型LED經整合到主動矩陣結構中以驅動微型LED。一般高解析度類型的彩色顯示面板(如現代電腦顯示器、智慧型電話和電視)通常使用主動矩陣顯示面板結構以獲得更好的圖像品質，由此主動矩陣顯示面板中的每個像素由主動驅動電路系統驅動。
用於驅動LCD顯示器的主動矩陣陣列結構在本領域中是眾所周知的。此種已知的LCD系統通常包括共用的底板光源和在主動矩陣結構中連接在一起的液晶像素陣列。
圖1圖示了用於LCD顯示器的單個像素的主動矩陣陣列結構的一個實例。電路包括連接到一行中所有像素的資料線，而掃描線連接到一列中所有像素的資料線。主動矩陣顯示器經布置成向液晶提供可變電壓（在圖1中表示為電容器CLC ）。電壓會重置液晶的亞穩取向，接著使更多或更少的光從背板光源通過交叉的偏振器至觀察者。資料線沿每一行饋送像素，而掃描線沿每一列饋送像素。沿行的像素通過開關薄膜電晶體（Sw-TFT）而自資料線接收其亮度資訊，該開關薄膜電晶體的閘極由該像素列的掃描線定址。Sw-TFT在除了短暫脈衝外的大多數情況下都保持關閉狀態，在每個顯示更新週期期間一次將資料線電壓傳遞到像素以更新像素的亮度資訊。此應用中使用的Sw-TFT無需通過大電流；因此，在電晶體通道中經常使用遷移率相對較低的非晶矽（a-Si）。除Sw-TFT外，每個像素內通常還包含一個與液晶並聯的儲存電容器（CS ），以在整個更新週期內維持經寫入至液晶的電壓。如此一來，用於每個像素的主動矩陣的電路系統包括單個電晶體（Sw-TFT）和單個電容器（CS ）。此種結構稱為1T+1C電路。藉由依次定址掃描線同時更新資料線電壓，可在整個2D陣列上設置場景幀。
對於微型LED陣列，每個LED的亮度由流過每個LED的電流決定。為了控制流過微型LED陣列中每個LED的電流，每個LED均由其自己的特定驅動電晶體單獨驅動。
微型LED陣列的單個像素的主動矩陣陣列結構的實例如圖2所示。每個微型LED的激勵電流來自每個像素之共用電源和電源線(VDD)之間的連接。驅動電晶體(D-T)藉由施加到驅動電晶體閘極的電壓來控制通過微型LED的電流位準。驅動電晶體閘極的閘極電壓可由其他電晶體和電容器控制。每當定址相應的掃描線時，驅動電晶體的閘極電壓自資料線通過開關電晶體Sw-T(儲存電容器與D-T的閘極並聯，在整個更新週期內維持其電壓)。如此一來，每個像素的主動矩陣陣列結構包括兩個電晶體和一個電容器；亦即，2T+1C結構。
在2T+1C結構中，對Sw-T和D-T的半導體通道材料的要求是完全不同的。Sw-T通常處於關閉狀態；Sw-T僅在每個顯示更新週期被開啟一次微秒，且在其導通狀態下必須提供很少的電流。因此，通常以類似於液晶顯示器已知的1T+1C結構的方式將a-Si用於Sw-T的通道。對之，當像素需要明亮時，D-T必須提供高電流且可長時間調用它。考慮到TFT技術中常用材料的低遷移率，此構成了嚴峻的技術挑戰。
在US 2017/0179192中揭露了2T+1C LED結構的一個已知實例，其中LED的陣列與相應的TFT驅動器電路系統整合。在一個實施例中，用於每個LED的驅動電晶體被製造成直接在與LED相同的基板上的薄膜電晶體。非晶矽用於在LED陣列的基板上製造薄膜驅動電晶體。替代地，倒裝晶片鍵合被用於將包括開關電晶體和電容器的另一基板連接到LED，以提供2T+1C結構。
在Chao Liu等人發表於2015年之應用物理學快報(Applied Physics Letters；106，181110； doi：10.1063/1.4921049)之「InGaN/GaN發光二極體與AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體的無金屬互連整合(Metal-interconnection-free integration of InGaN/GaN light emitting diodes with AlGaN/GaN high electron mobility transistors)」中揭露了一種用於整合III族氮化物LED和驅動電晶體的替代結構。藉由結合選擇性外延去除和選擇性外延生長技術，提供了用於InGaN/GaN發光二極體（LED）和AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體（HEMT）的無金屬互連整合方案。首先，進行HEMT外延層的選擇性外延去除以暴露被無意摻雜GaN緩衝的底部和側壁GaN通道。在選擇性外延去除區域中的LED結構與經橫向連接到HEMT的底部n型GaN層（LED的n電極）一起重新生長，從而實現了HEMT和LED的單片整合（HEMT-LED）而無需金屬互連。
然而，仍需要改善微型LED和用於驅動陣列中的微型LED的主動矩陣電子電路系統的整合。
本發明的目的是提供一種改進的LED陣列前驅物，其解決了與現有技術陣列相關的至少一個問題，或至少為其提供了商業上有用的替代方案。
本發明人已認識到期望增加主動矩陣電路系統與在其上形成LED陣列之基板的整合。
根據本申請案的第一態樣，提供了一種主動矩陣LED陣列前驅物。主動矩陣LED陣列前驅物包括共用的第一半導體層(其包括基本上未摻雜的III族氮化物)、複數個電晶體驅動的LED前驅物，及共用的源極接觸。每個電晶體驅動的LED前驅物包括單片發光二極體（LED）結構，該單片LED結構包括複數個III型氮化物半導體層、阻障半導體層，及閘極接觸。每個單片LED結構形成在共用半導體層的一部分上。阻障半導體層形成在共用半導體層之環繞單片LED結構的一部分上，及經配置為在共用半導體層與阻障半導體層之間的界面處感應二維電子通道層。閘極接觸形成在二維電子通道的一部分上，其中閘極接觸環繞LED結構。共用的源極接觸經配置為形成到每個二維電子通道的歐姆接觸，從而在共用的源極接觸和每個單片LED結構之間提供高電子遷移率電晶體，以驅動每個LED結構。
應當理解，本申請案的第一態樣涉及主動矩陣LED陣列的前驅物。關於主動矩陣LED陣列前驅物中的術語「前驅物」，應注意，所描述的主動矩陣LED陣列前驅物不一定包括每個LED的電接觸（如允許發光），也不必包括相關電路系統。當然，第一態樣的主動矩陣LED陣列前驅物不排除另外的電接觸和相關電路系統的添加。因此，在本申請案中術語「前驅物」的使用意欲包括最終產品（亦即，主動矩陣LED陣列）。
關於本申請案的主動矩陣LED陣列前驅物中的術語LED陣列，意欲指代在結構上有意地間隔開的複數個LED。通常，該LED形成規則的陣列，如六邊形的緊密堆積的陣列或正方形堆積的LED陣列。
因此，根據第一態樣的主動矩陣LED陣列前驅物提供了經布置成陣列的複數個電晶體驅動的LED前驅物。複數個電晶體驅動的LED前驅物各自包括整合的高電子遷移率電晶體（HEMT），其被配置成為每個單片LED結構提供驅動電流。環繞每個單片LED結構的阻障層經配置為在第一半導體層中感應二維電子通道層，使得在共用的源極接觸和單片LED結構之間提供HEMT的通道。可藉由施加到閘極接觸的電場來調變該二維電子通道層，以增強或耗盡通道。如此一來，可理解，HEMT可為常開式HEMT或常關式HEMT。
有利地，與a-Si TFT相比，HEMT具有相對較高的通道遷移率。因此，可改善用於主動矩陣LED陣列的驅動電路系統的效能。此外，HEMT結構被整合到在其上設置有單片LED結構的主動矩陣LED陣列前驅物的共用第一半導體層中。如此一來，可更有效地製造用於驅動LED陣列的主動矩陣2T+1C電子電路系統的至少一部分。
根據第一態樣，第一半導體層及實際上其他半導體層包括III族氮化物。較佳地，III族氮化物包括AlInGaN、AlGaN、InGaN和GaN中的一種或多種。根據第一態樣，共用的第一半導體層是基本上未摻雜的III族氮化物。關於基本上未摻雜，可理解的是，III族氮化物不包括任何大量的摻雜元素，同時理解到由於製造過程故III族氮化物可能存在一些雜質。因此，基本上未摻雜的III族氮化物可能不是故意摻雜的（亦即，非故意摻雜的III族氮化物）。
如本文所使用地，藉由物種的組成成分對物種的任何提及均包括其所有可用的化學計量。因此，例如，AlGaN包括其所有合金，如Alx Ga1-x N，其中x不等於1或0。較佳的化學計量將根據特定層的功能而變化。
根據第一態樣，用於每個電晶體驅動的LED前驅物的閘極接觸環繞每個單片LED結構，使得可獨立於陣列中的其他單片LED結構來調變到每個單片LED結構的電流。在一個較佳的實施例中，閘極接觸實際上是環繞LED結構的環形閘極接觸。
第一態樣的共用源極接觸為每個電晶體驅動的LED前驅物提供了用於驅動電流的電子源。可藉由各種不同的方式來提供共用源極接觸。
例如，共用的源極接觸可包括複數個源極通孔，每個源極通孔經配置成延伸穿過阻障半導體層到達共用的第一半導體層。
較佳地，提供根據本申請案的單片LED結構以形成微LED陣列的至少一部分。如此一來，在本申請案的一些實施例中，主動矩陣LED陣列前驅物可以是主動矩陣微型LED陣列前驅物。因此，本申請案的第一態樣可提供主動矩陣微型LED陣列的前驅物。
在一些實施例中，每個源極通孔可包括金屬源極接觸，每個金屬源極接觸經配置為與每個電晶體驅動的LED前驅物的二維電子通道層進行歐姆接觸。例如，每個金屬源極接觸可由金屬層的堆疊形成。較佳地，金屬層的堆疊包括Ti、Al、Ni及/或Au。
在一些實施例中，每個源極通孔可由與單片LED前驅物相似的III族氮化物半導體形成。例如，單片LED結構可包括從第一半導體層成行延伸的第二半導體層。每個源極通孔亦可為單片結構（亦即，單片源結構），該單片結構包括從行中的第一半導體層延伸的第二半導體層。因此，可藉由與用於形成單片LED結構的第二半導體層的過程類似的過程來形成單片源極通孔。因此，可減少用於製造複數個電晶體驅動的LED前驅物的不同製造處理的數量。此外，藉由由III族氮化物半導體形成源極接觸，可改善與也是III族氮化物之第一共用半導體層的二維電子通道層的電接觸。
在一些實施例中，共用的源極接觸環繞每個單片LED結構和閘極接觸。如此一來，共用的源極接觸可在阻障層上延伸，使得其環繞每個單片LED結構和閘極接觸。因此，每個電晶體驅動的LED前驅物的源極電流可分佈在主動矩陣LED陣列上。
較佳地，每個電晶體驅動的LED前驅物進一步包括電容器，該電容器形成在共用的源極接觸的一部分與每個閘極接觸的一部分之間。如此一來，每個電晶體驅動的LED前驅物包括電容器，該電容器連接在HEMT的閘極和源極接觸之間以驅動LED。因此，2T+1C主動矩陣電路系統的驅動電晶體和電容器可與LED陣列整合。主動矩陣電路系統和LED陣列所增加的整合可提供與降低處理複雜性、空間效率和電效能相關的優勢。
較佳地，閘極接觸層和共用的源極接觸層的部分形成每個電容器重疊並被介電層隔開。如此一來，用於每個電晶體驅動的LED前驅物的電容器可被製造成薄膜電容器。
較佳地，每個電晶體驅動的LED前驅物進一步包括設置在每個閘極接觸和阻障半導體層之間的絕緣遮罩層。絕緣遮罩層可用於限定用於形成單片LED結構的區域。
此外，絕緣遮罩層可提供用於形成另外的電子電路系統的合適的層。例如，絕緣遮罩層可提供可在其上形成閘極接觸、共用的源極接觸及/或閘極-源極電容器的表面。
較佳地，將每個電晶體驅動的LED前驅物的阻障層設置為共用阻障層。如此一來，可理解，可將共用阻障層作為基本上連續的層設置在第一半導體層上。因此，二維電子通道層可基本上跨過主動矩陣LED前驅物延伸，以互連每個電晶體驅動的LED前驅物的源極。在一些實施例中，將認識到，用於每個電晶體驅動的LED前驅物的阻障層可與其他電晶體驅動的LED前驅物的至少一些其他阻障層不連續。例如，選擇性去除共用阻障層的部分可導致用於至少一個電晶體驅動的LED前驅物的阻障層與主動矩陣LED陣列前驅物中的其他電晶體驅動的LED前驅物不連續。
在一些實施例中，阻障層可包括由III族氮化物形成的複數個子層。在一個較佳的實施方式中，阻障層包括第一子層和第二子層。第二子層可設置在第一子層和第一共用半導體層之間。如此一來，第二子層可以是間隔層。第一子層和第二子層可由III族氮化物形成。第一子層和第二子層的組成可被配置為最佳化HEMT的二維電子通道層的電阻率。例如，在一個實施例中，第一子層可由n摻雜的Alx Ga1-x N或更較佳地由基本上不摻雜的Alx Ga1-x N形成，及第二子層可由基本上不摻雜的Alx Ga1-x N或更較佳地由基本上不摻雜的AlN形成。
在一些實施例中，電晶體驅動的LED前驅物可經配置成常開式電晶體驅動的LED前驅物。如此一來，將理解，電晶體驅動的LED前驅物的HEMT是常開式HEMT。可配置常開式HEMT，使得在沒有施加偏壓的情況下，二維電子通道層中靠近每個閘極接觸的區域具有增加的移動電荷電荷載體密度。
在一些實施例中，電晶體驅動的LED前驅物可被配置為常關式電晶體驅動的LED前驅物。如此一來，將理解的是，電晶體驅動的LED前驅物的HEMT是常關式HEMT。可配置常關式HEMT，使得在沒有施加偏壓的情況下，二維電子通道層中靠近每個閘極接觸的區域具有減小的移動電荷電荷載體密度。
根據第一態樣，每個電晶體驅動的LED前驅物包括單片LED結構。關於單片LED結構，設想每個LED結構單片地形成在第一半導體層上。每個單片LED結構可以是完整、運作的LED的前驅物，或可包括足以回應於電流而發光的所有電接觸。較佳地，每個單片LED結構包括在共用的第一半導體層上的至少第二半導體層，至少第二半導體層具有與LED陣列前驅物的平面平行的上表面部分，至少第二半導體層具有垂直於上表面部分的規則梯形橫截面，使得至少第二半導體層具有傾斜側面。第二半導體層可包括III族氮化物。
較佳地，每個單片LED結構亦可包括在第二半導體層上的第三半導體層，第三半導體層具有與LED陣列前驅物的平面平行的上表面部分，第三半導體層形成在第二半導體層上，使得第二半導體層和第三半導體層具有垂直於上表面部分的規則梯形橫截面，使得第三半導體層具有與第二半導體層的傾斜側面平行的傾斜側面。
較佳地，每個單片LED結構亦可包括在第三半導體層上的第四半導體層，第四半導體層具有平行於LED陣列前驅物的平面的上表面部分，第四半導體層形成在第三半導體層上，使得第二半導體層、第三半導體層及第四半導體層具有垂直於上表面部分的規則梯形截面，使得第四半導體層具有與第三半導體層的傾斜側面平行的傾斜側面。
較佳地，每個單片LED結構亦可包括在第四半導體層上的主電接觸，其中該接觸僅在第四半導體層之與LED陣列前驅物的平面平行的上表面部分上。
較佳地，第一半導體層至第四半導體層包括III族氮化物，及第三半導體層包括複數個量子阱子層，量子阱子層在平行於LED陣列前驅物的平面的部分上具有更大的厚度，在不平行於LED陣列前驅物平面的部分上具有減小的厚度。
根據本申請案的第二態樣，提供了一種平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物。平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物包括根據本申請案的第一態樣之主動矩陣LED陣列前驅物和設置在共用半導體層的表面上的間隙填充絕緣體層，在該共用半導體層的表面上設置有複數個電晶體驅動的LED前驅物。間隙填充絕緣體經配置為限定用於在其上製造電子裝置的基本上平坦的表面。
平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物的平坦化表面提供了可在其上製造其他電子裝置的表面。例如，可在平坦化的表面上形成2T+1C主動矩陣電路系統的部分的薄膜電子裝置（如薄膜電晶體及/或薄膜電容器）。因此，可藉由薄膜製造技術在與LED陣列相同的基板上形成2T+1C電路系統，從而提高主動矩陣電路系統與LED陣列的整合。
較佳地，在間隙填充絕緣體的基本上平坦的表面上形成複數個薄膜電晶體，每個薄膜電晶體與電晶體驅動的LED前驅物的閘極接觸電接觸，複數個薄膜電晶體形成主動矩陣電路的部分。主動矩陣LED陣列前驅物的平坦化表面被配置為使得薄膜電晶體可由如a-Si及/或無機金屬氧化物合金（InGaZnO、AlZnO、GaZnO等）的習知薄膜材料形成。
根據本申請案的第三態樣，提供了一種形成主動矩陣LED陣列前驅物的方法。方法包括以下步驟： （i）提供具有表面的基板； （ii）在基板的表面上形成連續的第一半導體層，第一半導體層包括基本上未摻雜的III族氮化物， （iii）在第一半導體層上形成阻障層，阻障層經配置為在第一半導體層和阻障層之間的界面處感應二維電子通道層； （iv）藉由沉積包括複數個LED限定孔的遮罩層來選擇性地遮罩阻障層； （v）選擇性地去除阻障層和第一半導體層的未遮罩部分，以通過每個LED限定孔暴露第一半導體層的一部分； （vi）通過LED限定孔在第一半導體層的未遮罩部分上形成包括複數個III族氮化物半導體層的單片LED結構，使得每個單片LED結構被二維電子通道層環繞， （vii）形成複數個閘極接觸，閘極接觸形成在二維電子通道層的部分上，每個閘極接觸環繞單片LED結構；及 （viii）形成共用的源極接觸，共用的源極接觸被配置為向二維電子通道層的每個部分提供歐姆接觸，從而形成複數個電晶體驅動的LED前驅物，其包括在共用的源極接觸和每個單片LED結構之間的高電子遷移率電晶體。
如此一來，根據本申請案的第三態樣的方法可提供根據本申請案的第一態樣的主動矩陣LED前驅物。因此，第一態樣的較佳特徵和任何相關的優勢等同地適用於第三態樣的相應方法特徵。方法涉及許多編號的步驟。將理解，在可能的情況下，可同時(simultaneously or concurrently)執行此些步驟。
較佳地，方法進一步包括形成複數個電容器，每個電容器形成在共用的源極接觸的一部分和每個閘極接觸的一部分之間。
較佳地，形成每個電容器的閘極接觸的部分和共用源極接觸的部分經形成為使得該等部分重疊。如此一來，形成每個電容器的閘極接觸和共用源極接觸的部分相對於其上形成有閘極接觸和共用源極接觸的第一半導體層重疊。在替代實施例中，形成每個電容器的閘極接觸和共用源極接觸的部分可並排配置。
較佳地，形成複數個電容器的步驟進一步包括以下步驟：形成介電層，該介電層將共用的源極接觸的部分和每個閘極接觸的部分分開。
較佳地，形成共用的源極接觸的步驟進一步包括以下步驟：形成共用的源極接觸，使得共用的源極接觸環繞單片LED結構和閘極接觸中的每一者。
較佳地，阻障層包括由III族氮化物形成的複數個子層。在一個較佳的實施例中，阻障層包括第一子層和第二子層。第二子層可設置在第一子層和第一共用半導體層之間。如此一來，第二子層可以是間隔層。第一子層和第二子層可由III族氮化物形成。第一子層和第二子層的組成可被配置為最佳化HEMT的二維電子通道層的電阻率。例如，在一個實施例中，第一子層可由基本上未摻雜的Alx Ga1-x N形成，及第二子層由基本上不摻雜的Alx Ga1-x N或更較佳地由基本上不摻雜的AlN形成。
較佳地，通過LED限定孔在第一半導體層的未遮罩部分上形成包括複數個III族氮化物半導體層的單片LED結構之步驟進一步包括以下步驟：通過LED限定孔在第一半導體層的未遮罩部分上生長包括III族氮化物的第二半導體層，以形成用於由二維電子通道層環繞的單片LED結構之複數個行。
較佳地，形成共用的源極接觸之步驟包括以下步驟：形成複數個源極通孔，每個源極通孔經配置為延伸穿過阻障半導體層到達共用的第一半導體層。
較佳地，形成複數個源極通孔之步驟包括以下步驟：藉由沉積進一步包括複數個源極限定孔的遮罩層來選擇性地遮罩阻障層、選擇性地去除阻障層和第一半導體層的未遮罩部分以通過每個源極限定孔暴露第一半導體的一部分，及通過遮罩層的源極限定孔在第一半導體層的未遮罩部分上生長第二半導體層，以形成延伸穿過遮罩層的複數個行，其經配置為提供到二維電子通道層的每個部分的源極接觸。
較佳地，單片LED結構包括在共用的第一半導體層上的第二半導體層，第二半導體層具有平行於LED陣列前驅物的平面的上表面部分，第二半導體層具有垂直於上表面部分的規則梯形截面，使得第二半導體層具有傾斜側面。
較佳地，單片LED結構包括在第二半導體層上的第三半導體層，第三半導體層具有平行於LED陣列前驅物的平面的上表面部分，第三半導體層形成在第二半導體層上，使得第二半導體層和第三半導體層具有垂直於上表面部分的規則梯形橫截面，使得第三半導體層具有與第二半導體層的傾斜側面平行的傾斜側面。
較佳地，單片LED結構包括在第三半導體層上的第四半導體層，第四半導體層具有平行於LED陣列前驅物的平面的上表面部分，第四半導體層形成在第三半導體層上，使得第二半導體層、第三半導體層和第四半導體層具有垂直於上表面部分的規則梯形橫截面，使得第四半導體層具有與第三半導體層的傾斜側面平行的傾斜側面。
較佳地，單片LED結構包括在第四半導體層上的主電接觸，其中接觸僅在第四半導體層之與LED陣列前驅物的平面平行的上表面部分上。
第一半導體層至第四半導體層包括III族氮化物。第三半導體層可包括複數個量子阱子層，量子阱子層在與LED陣列前驅物的平面平行的部分上具有更大的厚度，且在與LED陣列前驅物的平面不平行的部分上具有減小的厚度。
根據本申請案的第四態樣，提供了一種形成平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物的方法。方法包括以下步驟：形成根據本申請案的第三態樣的主動矩陣LED陣列前驅物；及在其上設置有複數個電晶體驅動的LED前驅物的第一半導體層的表面上形成間隙填充絕緣體層。間隙填充絕緣體被配置為限定用於在其上製造電子裝置的基本上平坦的表面。
如此一來，根據本發明的第四態樣的方法可提供根據本發明的第二態樣的平坦化的主動矩陣LED前驅物。因此，第二態樣的較佳特徵和任何相關的優勢同樣適用於第四態樣的相應方法特徵。
較佳地，方法進一步包括以下步驟：在間隙填充絕緣體的基本上平坦的表面上形成複數個薄膜電晶體。每個薄膜電晶體可與電晶體驅動的LED前驅物的閘極接觸電接觸，複數個薄膜電晶體形成主動矩陣電路的一部分。
現在將進一步描述本發明。在以下段落中，更詳細地定義了本發明的不同態樣。如此定義的每個態樣可與任何一個或複數個其他態樣組合(除非明確地指示不可組合)。具體來說，經指示為較佳或有利的任何特徵可與經指示為較佳或有利的任何其他一或複數個特徵組合。
如本文所使用，藉由物種的組成成分對物種的任何提及均包括其所有可用的化學計量。因此，例如，AlGaN包括其所有合金，如Alx Ga1-x N，其中x不等於1或0。較佳的化學計量將根據特定層的功能而變化。
本申請案的實施例描述了電晶體驅動的LED及形成具有各種結構配置以整合驅動電晶體陣列和微型LED陣列的電晶體驅動的LED的方法，以簡化和減少微型LED顯示器中的主動矩陣背板的成本。如此一來，本申請案的實施例較佳地涉及主動矩陣微型LED陣列及/或主動矩陣微型LED陣列前驅物。微型LED陣列通常被定義為尺寸為100×100μm2 或更小的LED陣列。實施例可進一步包括到薄膜開關電晶體和電容器的矩陣的連接，以便獲得運作的2T+1C主動矩陣顯示器。
根據本申請案的實施例，提供了主動矩陣LED陣列前驅物10。圖3圖示了主動矩陣LED陣列前驅物10的一部分的橫截面側視圖，而圖4提供了主動矩陣LED陣列前驅物10的一部分的平面圖。圖3的橫截面由圖4中的線S1指示。主動矩陣LED陣列前驅物10包括複數個電晶體驅動的LED前驅物12，複數個電晶體驅動的LED前驅物12適於實現圖5所示的2T+1C主動矩陣電路的驅動電晶體和LED。
圖3所示的主動矩陣LED陣列前驅物10包括生長基板100。生長基板100可以是矽、藍寶石或SiC晶片，或用於製造薄膜電子元件的任何其他合適的基板。
第一半導體層110形成在生長基板100上。跨越生長基板的大部分形成第一半導體層110，使得第一半導體層110對於每個電晶體驅動的LED前驅物12來說是共用的。第一半導體層110為基本上未摻雜的III族氮化物半導體。較佳地，第一半導體層110是基本上未摻雜的GaN。在特別較佳的實施例中，第一半導體層110是具有c面取向的基本上未摻雜的GaN。較佳地，第一半導體層具有至少100nm的厚度。較佳地，第一半導體的厚度不大於5000nm，或更較佳地不大於2500nm。
在第一半導體層110上提供阻障半導體層111。阻障半導體層可以由帶隙比第一半導體層110更寬的III族氮化物半導體形成。在圖3的實施例中，阻障層111在第一半導體層110上形成為連續層。如此一來，用於每個電晶體驅動的LED前驅物12的阻障層111可以是共用阻障層。如圖3所示，阻障層111可形成為在每個電晶體驅動的LED前驅物12之間的連續層。在一些實施例中，阻障層可以是Alx Iny Ga1-x-y N，其中0＜x≤1並且0≤y>1。在一個實施例中，阻障層可以是基本上不摻雜的Alx Ga1-x N，其中0.15≤x≤1（亦即，y＝0）。阻障層可具有至少5nm的厚度。阻障層可具有不大於40nm的厚度。例如，阻障層可以是基本上未摻雜的Alx Ga1-x N，其中x＝0.25，且阻障層具有20nm的厚度。
選擇具有電子結構的阻障層，使得在第一半導體層110和阻障層111之間的界面處形成二維電子通道層112（電子通道層112）。關於二維電子通道層，所屬技術領域中具有通常知識者將理解的是，在第一半導體層110中形成有效的電子氣，該電子氣被限制在第一半導體層和阻障層111之間的異質結界面處的相對薄的層（亦即，小於5nm的厚度）中。
阻障半導體層可由具有比第一半導體層110更寬的電子帶隙的III族氮化物形成。阻障層111也可被摻雜以便調節二維電子通道112的電子特性。III族氮化物異質結在本領域中是眾所周知的，因此技術人員知道阻障層111的設計；阻障層111包括經配置為在第一半導體層110中感應二維電子通道的III族氮化物半導體。
如圖3所示，在阻障層111上方設置遮罩層120。在圖3的實施例中，遮罩層120與阻障層111接觸。當然，在其他實施例中，可存在其他層在遮罩層120與阻障層111之間。選擇性地去除阻障半導體層111和遮罩層120的部分，使得可通過穿過阻障層111和遮罩層120形成的開口121、122進入第一半導體層110的部分。遮罩層120可包括沉積阻障層111之後之在反應腔室中非原位或原位沉積的SiO2 層或SiNx 層。
在本發明的較佳實施例中，可在半導體層110和阻障層111上原位沉積SiNx 遮罩層120，其厚度在1nm至100nm之間(較佳地，在1nm至10nm之間)，以獲得薄的共形層(避免了再生時在LED主動區中氧氣污染的可能性)及在阻障層111上提供了鈍化層。穿過遮罩層120的開口121、122可以是圓形或其他形狀，且可重複規則地以六邊形格子或其他方式排列，或可不規則地以不同的形狀和大小排列。可藉由在微影圖案化步驟之後以適當的化學方法對遮罩層120進行乾法蝕刻來產生開口121、122。
第二半導體層130可選擇性地沉積在與第一半導體層110接觸的遮罩層120的開口121、122上。如圖3所示，第二半導體層130可包括不連續的複數個結構。第二半導體層130由III族氮化物(例如，GaN)形成。較佳地，第二半導體層130是n型摻雜的，例如摻雜有Si或Ge雜質或任何其他合適的電子施體。第二半導體層130形成在第一半導體層110上，使得其與電子通道112電接觸。因此，可在第一半導體層110上形成複數個單片LED結構。單片LED結構可以是由III族氮化物形成的LED的前驅物，該等前驅物中之每者與用於驅動LED的HEMT單片整合。
如圖3的實施例中所示，每個單片LED結構可包括複數個層。如此一來，每個單片LED結構可包括選擇性地沉積在第二半導體層130上的第三半導體層140。第三半導體層140可以包括一個或多個量子阱層（未圖示）。第三半導體層140內的量子阱層可包括III族氮化物半導體，較佳地包括In的III族氮化物合金。第四半導體層150也可選擇性地層疊在第三半導體層140上。第四半導體層150可為p型摻雜的III族氮化物，例如，Mg摻雜的GaN。接觸層160也可選擇性地沉積在與第四半導體層150的頂表面的至少一部分電接觸的第四半導體層150上。如此一來，形成的每個LED結構可以是形成微型LED陣列的部分的微型LED的前驅物。在GB 1811109.6中更詳細地論述了具有規則梯形橫截面的每個LED結構的形成。
每個HEMT的閘極接觸170被沉積在阻障層上。在圖3的實施例中，用於每個HEMT的閘極接觸170被沉積在與第一半導體層110相對的一側上的阻障層的表面上。每個閘極接觸170可被沉積在阻障層111的一部分上，但不必與阻障層111的該部分接觸，以環繞每個單片LED結構。如此一來，在圖3的實施例中，閘極接觸170環繞由第二半導體層130、第三半導體層140和第四半導體層150形成的半導體層堆疊，以提供用於在第一半導體層110和阻障層111之間的界面處的電子通道112的閘極接觸。可理解的是，陣列中的每個閘極接觸170與其他閘極接觸170分離（亦即，不是由連續層形成），使得可獨立地控制每個閘極接觸170。較佳地，複數個（不相交的）閘極接觸170跨越主動矩陣LED陣列前驅物沉積在單層中。
在本發明的較佳實施例中，為了製造微型LED結構而設置LED限定開口121。除了LED限定開口121之外，亦可設置較小的源極接觸限定開口122。源極接觸限定開口允許形成與第一半導體層110的電子通道112的電接觸。在較佳實施例中，複數個源極接觸130b可通過源極接觸限定開口122選擇性地沉積在第一半導體層110上。如此一來，源極接觸130b是經配置為延伸穿過阻障半導體層111到達第一半導體層110的源極通孔。
如圖3所示，源極接觸130b也可由與用於為單片LED結構提供第二半導體層130a的第二半導體相同的材料形成。如此一來，每個HEMT的電子通道112的源極接觸可以與第一半導體層110單片形成。在一些實施例中，源極接觸130b可形成為與用於單片LED結構20之第二半導體層130a相同的選擇性製造步驟的部分。在其他實施例中，可在不同的步驟中形成開口121、122和第二半導體層130a、130b。將要理解的是，源極限定開口122的相對較小的尺寸導致形成用於源極限定接觸130b的不同形狀的柱狀結構。
源極互連層180可在源極接觸130b和任何外部電路系統之間提供進一步的互連。源極互連層180可經設置成沉積在源極限定接觸130b和遮罩層120上方的電接觸層。如圖3所示，源極接觸130b可通過遮罩層120的表面上方的源極接觸限定開口122延伸，從而在遮罩層120的表面與電子通道112之間提供電連接。接著可將源極互連層180沉積在源極接觸130b上。源極互連層180可由任何合適的金屬互連材料形成，例如Cu、Al或Ti和Al的層狀堆疊。
在替代實施例中，可藉由金屬接觸形成與每個電子通道112的源極接觸。如此一來，金屬接觸可沉積在阻障層111/遮罩層120上，且可為Ti/Al/Ni/Au的堆疊，該堆疊在高溫下退火，以在第一半導體層110和阻障層111之間的界面處通過阻障層111形成與電子通道層112的電接觸。
用於每個電晶體驅動的LED前驅物12的閘極接觸170可設置在遮罩層120上。較佳地，每個閘極接觸170由一或多個金屬層形成。例如，閘極接觸可以是Ni/Au堆疊、Ti/Au或Mo/Ti/Au堆疊，或實際上是適合於提供閘極接觸以控制電子通道層112中的電荷載體密度的材料的任何組合。HEMT的設計和適當材料的選擇是所屬技術領域中具有通常知識者眾所周知的，因此在此不再贅述。如圖3所示，可將閘極接觸170直接沉積成與遮罩層120接觸。替代地，可將閘極接觸層170層壓在穿過遮罩層120突出的凹部上；或替代地，可將閘極接觸層170層壓在部分或完全地穿過半導體阻障層111突出的的凹部上，如圖6所示。
如本領域中已知的，阻障層的設計和閘極接觸設計可經調適成設置常開式或常關式的HEMT。亦即，對於常關式的HEMT，應當理解，在沒有施加偏壓的情況下，靠近閘極的電子通道層112可能基本上耗盡了移動電荷載體（亦即，降低了移動電荷載體的密度）。如此一來，對於常關式的HEMT（增強模式），閘極的設計可「淬火」形成在第一半導體層110和阻障層111之間的電子通道層112。
對於常開式HEMT，可理解的是，在沒有施加偏壓的情況下，電子通道層112在源極接觸130b和汲極（單片LED結構）之間延伸。在施加到閘極接觸的偏壓下，靠近閘極接觸130的電子通道112可耗盡移動電荷載體。
在圖6所示的常關式HEMT的實施例中，可在閘極接觸層170和第一半導體層110之間存在另外的薄的絕緣層113，以使閘極接觸與電子通道層112絕緣及減少MIS-HEMT配置中的閘極洩漏。
在常關式HEMT的替代實施方式中，可在閘極接觸層170和半導體阻障層111之間選擇性地在閘極接觸170下方層壓p型半導體層，從而可使靠近閘極的電子通道層112基本上耗盡了移動電荷載體。在常關式HEMT的又一替代實現中，可在阻障層111上的閘極接觸層170下方局部地執行含氟電漿處理，以向阻障層111中摻雜帶負電荷的F離子，及在處理區域中局部關閉電子通道112。提供常開式或常關式HEMT的上述技術在本領域中是眾所周知的，因此在此不再贅述。
在一些實施例中，阻障層111包括由III族氮化物形成的複數個子層。在一個較佳的實施例中，阻障層包括第一子層和第二子層。第二子層可設置在第一子層和第一共用半導體層之間。如此一來，第二子層可以是間隔層。第一子層和第二子層可由III族氮化物形成。第一子層和第二子層的組成可經配置成最佳化HEMT的電子通道層的電阻率。例如，在一個實施例中，第一子層可由基本上如上所述的基本上Alx Ga1-x N形成，而第二子層可由未摻雜的AlN形成。第二子層可比第一子層相對更薄，例如第二子層可至少為0.5nm厚或不大於5nm厚；較佳地為約1nm厚。
圖4圖示了在遮罩層120上的閘極接觸170的一種可能的佈局。在圖4所示的實施例中，將單片LED結構生長成大致六邊形的柱狀結構。如圖4所示，每個閘極接觸170環繞單片LED結構。環繞單片LED結構的每個閘極接觸170與其他閘極接觸170分離，從而可獨立地控制每個閘極。複數個源極接觸130b分佈在單片LED結構的陣列之間的空間中。如此一來，每個源極接觸130b可經由HEMT的電子通道層112將電子供應到複數個單片LED結構。源極接觸130b自身也遠離閘極接觸藉由電子通道層112彼此電互連。因此，可理解的是，一或多個源極接觸130b向複數個電晶體驅動的LED前驅物12提供共用的源極接觸。
因此，將理解的是，除了閘極接觸層170和源極互連層180之外，第一半導體層110和半導體阻障層111的組合還構成高電子遷移率電晶體（HEMT）結構的一部分，以將驅動電晶體矩陣與微型LED矩陣整合。
HEMT結構使得施加在閘極接觸層170和源極互連層180之間的電壓調變通過電子通道層112和第二半導體層130連接源極互連層180/源極接觸130b的電路徑的電阻。取決於HEMT結構的具體實施方式，在閘極接觸層170和源極接觸130b之間施加的負電壓可對應於閘極接觸層170耗盡電子通道層112，從而在所屬技術領域具有通常知識者中被稱為耗盡模式或常開式HEMT的裝置配置中，將第二半導體的分離部分與源極互連層180/源極接觸130b電隔離開來。替代地，施加在閘極接觸層170和源極接觸130b之間的正電壓可增加與閘極接觸層170相對應的電子通道層112中的電子濃度，從而在所屬技術領域具有通常知識者中被稱為增強模式或常關式HEMT的裝置配置中，將第二半導體層130a的通常電隔離的分離部分電連接至源極接觸130b。
上述實施例可提供用於主動矩陣微型LED陣列中的複數個電晶體驅動的LED前驅物。圖5是圖示根據本申請案的實施例的主動矩陣微型LED陣列的單個像素的電路圖。圖5圖示了根據本申請案之用於主動矩陣顯示器的單個像素的電晶體驅動的微型LED 14與開關電晶體（Sw-T）和電容器（C）之間的電連接。圖5的電晶體驅動的微型LED結構14包括微型LED和HEMT，該微型LED和該HEMT被單片整合在相同的III族氮化物磊晶堆疊內。可將其他連接添加到上述結構中，以提供朝著磊晶堆疊外部的組件和端子的連接，具體來說是微型LED陽極與電源（VDD ）之間的連接、驅動電晶體（DT）源和接地之間的連接、驅動電晶體閘極（G）和開關電晶體（Sw-T）源之間的連接及驅動電晶體（DT）閘極（G）處的電容器（C）和接地（S）之間的連接。圖5亦圖示了開關電晶體（Sw-T）的閘極連接到用於陣列之列中所有像素的共用選擇線。開關電晶體（Sw-T）的汲極連接到用於陣列之行中所有像素的共用資料線。
圖7是根據本申請案的另一實施例的平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物的橫截面側視圖。在此實施例中，電晶體驅動的LED前驅物12的陣列已塗覆有間隙填充絕緣體124；間隙填充絕緣體124隨後被平坦化。平坦化的間隙填充絕緣體124提供適合於沉積另外的薄膜電子電路系統的平坦（平坦化）表面。例如，經沉積在平坦化的表面上的另外的薄膜電路系統可包括複數個薄膜電晶體（TFT）。可將TFT排列成矩陣，以提供圖5所示的2T+1C結構的其他電路系統。薄膜電路系統在圖7中示意性地表示為層207。
如圖5示意性所示，TFT矩陣包括開關電晶體和與陣列中的每個電晶體驅動的LED前驅物12相對應的電容器。因此，薄膜電路系統層207可包括用於陣列中每個像素的薄膜開關電晶體和電容器。可提供通孔接觸171、181以將每個電晶體驅動的LED前驅物12電連接到平坦化的間隙填充絕緣體的表面。如此一來，可在薄膜電路系統層207中的每個閘極接觸170和TFT的源極接觸之間提供第一通孔接觸171。可在每個源極接觸130b及/或源極互連層180、平面化的間隙填充絕緣子的表面之間提供第二通孔接觸181。薄膜電容器可設置在與第一通孔接觸171和第二通孔接觸181電連接的平坦化表面之間。薄膜電路系統層207進一步可包括用於獨立地對像素定址的資料線和控制線（未圖示），如圖5針對單個像素單元示意性地圖示地。如此一來，平面化的LED陣列前驅物可提供合適的基板，可在該合適的基板上使用薄膜電子裝置來製造1T+1C主動矩陣結構。因此，可在單個基板上製造2T+1C結構，從而減少對機械連接的依賴以提供主動矩陣陣列。
可使用化學機械平坦化（CMP）處理來平坦化間隙填充絕緣體124。在當前揭示的特定實施方式中，取決於通孔的高度和縱橫比，可藉由金屬剝離、金屬蝕刻或Cu電鍍來獲得第一通孔接觸171和第二通孔接觸181。此些處理在本領域中是眾所周知的，因此在此不再進一步描述。
圖7中的實施例亦包括絕緣層208，絕緣層208經沉積在薄膜電路系統層207上以使薄膜電路系統層電絕緣。陣列亦已通過共用的陽極接觸層209接合到操作晶圓210上。已提供了穿過薄膜電路系統層207的第三通孔接觸161，以將微型LED陣列的陽極接觸160電連接到接觸晶圓上的共用的陽極接觸209上。陽極通孔接觸161藉由絕緣層162與TFT層207電絕緣。
此外，在圖7的實施例中，已去除了生長基板，且已提供了已與微型LED陽極接觸160對準的光提取特徵109。注意，薄膜電路系統層207的位置遠離光的路徑，該光係由微型LED陣列所發出且通過光提取特徵109提取。因此，可在根據此裝置架構中的薄膜電路系統層207中採用任何TFT技術(包括如a-Si和多晶矽等非透明TFT的任何TFT技術)。還應注意，源極接觸130b的所有分離部分可與完全包含在絕緣間隙填充層121內且圍繞微型LED像素延伸的另外的金屬連接（例如，未圖示的源極互連層180）進行電連接。源極接觸130b之間的此些附加連接有助於電流在大像素陣列內擴散，且可遠離微型LED陣列中所產生的光的路徑定位，從而不影響陣列的光提取效率。
圖8是根據本申請案的又一實施例的主動矩陣微型LED陣列的橫截面側視圖。在此實施例中，微型LED和驅動電晶體陣列已塗覆有間隙填充絕緣體124且被平坦化以利於經由共用的陽極接觸層209接合到操作晶圓210。此外，已去除生長基板且已設置了與微型LED陽極接觸160對準的光提取特徵109。如此一來，光提取特徵109經設置在第一半導體層110之與第一半導體層之其上設置有阻障層111的表面相對的表面上。
在此實施例中，也已用第二間隙填充透明絕緣層125平坦化光提取特徵。因此，設置了用於沉積薄膜電子層207的平坦化表面（在圖8中示意性地表示）。因此，與圖7的實施例相比，薄膜電子元件層207經設置在第一半導體層110的相對側上。如此一來，將理解的是，可將薄膜電子元件層207設置在多個相對於第一半導體層110之不同位置中。
如圖5示意性所示，薄膜電子元件層207可包括類似於圖7的實施例的開關電晶體和電容器。第一通孔接觸171和第二通孔接觸181分別在薄膜電子元件層207和驅動電晶體的閘極170、源極接觸130b之間延伸。為了避免閘極洩漏，閘極通孔接觸171藉由絕緣層172與電子通道層112電絕緣。薄膜電子元件層207進一步包含用於獨立像素定址的資料線和控制線（未圖示），如圖5中針對單個像素單元示意性圖示地。
在此實施例中，薄膜電子元件層207位於在微型LED陣列中所發射並通過光提取特徵109提取的光的路徑中。因此，用於此裝置架構的任何薄膜電晶體技術較佳地儘可能採用透明的通道材料（如ZnO或In-Ga-Zn-O（IGZO）或Al-Sn-Zn-O（ATZO））和透明接觸（如ITO）。亦值得注意的是，源極接觸130b的所有分離部分可與完全包含在絕緣間隙填充層121中且圍繞微型LED像素（亦即，源極互連層180）延伸的附加金屬連接（未圖示）電連接。源極接觸130b之間的此些附加連接有助於電流在大像素陣列內擴散，且此些附加連接位於遠離微型LED陣列中所產生的光的路徑的位置，從而不影響陣列的光提取效率。
圖9是根據本申請案的另一實施例的主動矩陣微型LED陣列的橫截面側視圖。
在圖9的實施例中，每個電晶體驅動的LED前驅物閘極接觸和源極接觸經配置為在HEMT的閘極和HEMT的源極之間提供電容器。如圖9所示，閘極接觸172的第一部分和源極接觸181的第二部分重疊以形成電容器。在圖9所示的實施例中，第一部分172和第二部分181經設置成由介電層213隔開之重疊的層。如此一來，第一部分172和第二部分181形成薄膜電容器。也可使用所屬技術領域中具有通常知識者已知的薄膜電容器的其他佈置。有利地，藉由在遮罩層120上提供薄膜電容器，可將主動矩陣電路系統的整合與LED陣列更緊密地整合。
圖10圖示了用於圖9的實施例的閘極接觸和源極接觸的佈局的平面圖。如圖10所示，每個閘極接觸170環繞單片LED結構150。如此一來，每個閘極接觸以與圖4的佈局相似的方式環繞單片LED。在圖10的實施例中，藉由複數個源極接觸130b和源極互連層180來設置共用的源極接觸。如圖10所示，源極互連層180環繞每個單片LED結構150。源極互連層180也環繞每個閘極接觸170。如此一來，共用的源極接觸環繞每個單片LED結構150和每個閘極接觸170。因此，共用的源極接觸170可包括經沉積在遮罩層上方的單個連續層。藉由向每個LED提供單個共用的源極接觸，可改善散佈到每個LED的電流。
如圖10所示，源極互連層180和每個閘極接觸170可在區域300中重疊，以便限定2T+1C主動矩陣電路的閘極-源極電容器。
在圖10的實施例中，每個閘極接觸進一步包括第一部分172。第一部分172覆蓋有薄的共形介電質213。例如，薄的共形介電質可以是較佳地藉由原子層沉積法沉積的SiO2 、SiNx 、HfO2 或Al2 O3 。較佳地，薄的共形介電質可由具有相對高的介電常數（高κ介電質）的材料形成，以便減小電容器的尺寸。例如，薄的共形介電質可以是HfO2 或Al2 O3 。接著，可將源極互連層180沉積為與第二半導體層之形成源極接觸130b的一部分接觸。源極互連層180包括直接在共形介電質213序列上方延伸的第二部分181和每個閘極接觸的第一部分172，以形成連接到HEMT源極和HEMT閘極170的電容器（該電容器在圖中以300突出顯示）。
如圖10及圖4所示，每個閘極接觸170及/或源極互連層180以多邊形的形狀環繞每個單片LED結構20。在圖10的實施例中，每個閘極接觸170和源極互連層180藉由形成六邊形形狀環繞單片LED源極結構20。因此，可用六邊形密排的陣列設置微型LED的陣列。當然，在其他實施例中，將意識到，可為每個閘極接觸170及/或源極互連層180設置其他形狀。例如，可用正方形或矩形的形狀設置接觸。在一些實施例中，可用圖案設置不同多邊形形狀的組合以便形成陣列。
如圖9進一步所示，除了閘極-源極電容器300之外，還可將薄膜電晶體（TFT）301整合到主動矩陣LED陣列前驅物結構的每個像素中。TFT 301可連接到HEMT的閘極接觸170，以充當用於像素的開關電晶體（如圖5所示）。
如圖9的實施例中所示，除了閘極-源極電容器300之外，可將閘極接觸通孔171和陽極161通孔延伸到平坦化的表面。如此一來，可在其上製成類似於圖7和圖8的實施例的平坦化表面以形成TFT 301。
資料線221可最初沉積在平坦化的表面上。資料線可由如銅或鋁的金屬形成。隨後，可沉積通道層211與資料線電接觸。通道層可由已知用於TFT的任何合適的半導體形成，該任何合適的半導體如摻雜有銦及/或Ga的a-Si或ZnO，較佳地為兩者。基於IGZO的TFT在本領域中是眾所周知的，在此不再進一步論述。通道層與資料線221（作為Sw-TFT的汲極）和HEMT閘極接觸171（作為Sw-TFT的源極）接觸。薄的共形介電質212沉積在通道層上，接著沉積在與控制線222連接的TFT閘極接觸231上。
因此，圖9的實施例提供了開關TFT 301和與微型LED+HEMT整合為微型LED陣列的一部分的電容器300。如此一來，將2T+1C主動矩陣電路系統整合到與LED陣列和驅動電晶體相同的單片基板中。此外，藉由將開關TFT 301和電容器300整合在不同的平面上（亦即，三維整合），可進一步提高主動矩陣電路系統和微型LED陣列的緊湊性。
儘管已在本文中詳細描述了本發明的較佳實施例，但所屬技術領域中具有通常知識者將理解，在不脫離本發明或所附申請專利範圍的範疇的情況下，可對本發明做出變化。
10:主動矩陣LED陣列前驅物 12:電晶體驅動的LED前驅物 20:單片LED結構 100:生長基板 109:光提取特徵 110:第一半導體層 111:阻障半導體層 112:二維電子通道層 113:絕緣層 120:遮罩層 121:開口 122:開口 124:間隙填充絕緣體 125:第二間隙填充透明絕緣層 130:第二半導體層 130a:第二半導體層 130b:第二半導體層 140:第三半導體層 150:第四半導體層 160:接觸層 161:第三通孔接觸 162:絕緣層 170:閘極接觸 171:第一通孔接觸 172:絕緣層 180:源極互連層 181:第二通孔接觸 207:薄膜電路系統層 208:絕緣層 209:陽極接觸層 210:操作晶圓 211:通道層 212:共形介電質 221:資料線 222:控制線 231:TFT閘極接觸 300:區域 301:薄膜電晶體（TFT）
現在將結合以下非限制性附圖來描述本發明。當結合附圖考慮時，藉由參考[實施方式]，本申請案的進一步優勢是顯而易見的；該等附圖未按比例繪製以便更清楚地圖示細節，其中整體圖式中相同的元件符號係表示相同的元件，及其中：
圖1圖示了用於液晶顯示像素的1T+1C主動矩陣電路的電路圖；
圖2圖示了用於微型LED的2T+1C主動矩陣電路的電路圖；
圖3圖示了根據本申請案的實施例的主動矩陣LED陣列前驅物的橫截面；
圖4圖示了根據本申請案的實施例的主動矩陣LED陣列前驅物的一部分的平面圖；
圖5圖示了根據本申請案的實施例的用於主動矩陣LED陣列前驅物的2T+1C主動矩陣電路的電路圖；
圖6圖示了根據本申請案的另一實施例的主動矩陣LED陣列前驅物的橫截面；
圖7圖示了根據本申請案的另一實施例的平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物的橫截面側視圖；
圖8是根據本申請案的又一個實施例的主動矩陣微型LED陣列的橫截面側視圖；
圖9是根據本申請案的另一實施例的主動矩陣微型LED陣列的橫截面側視圖；及
圖10圖示了圖9的實施例的閘極和源極接觸的佈局的平面圖。
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10:主動矩陣LED陣列前驅物
12:電晶體驅動的LED前驅物
20:單片LED結構
100:生長基板
110:第一半導體層
111:阻障半導體層
112:二維電子通道層
120:遮罩層
121:開口
122:開口
130:第二半導體層
130a:第二半導體層
130b:第二半導體層
140:第三半導體層
150:第四半導體層
160:接觸層
170:閘極接觸

Claims (25)

  1. 一種主動矩陣LED陣列前驅物，包括：一共用的第一半導體層，其包括一基本上未摻雜的III族氮化物；複數個電晶體驅動的LED前驅物，每個電晶體驅動的LED前驅物包括：一單片發光二極體(LED)結構，其包括複數個III族氮化物半導體層，每個單片LED結構形成在該共用的第一半導體層的一部分上；一阻障半導體層，其形成在環繞該LED結構的該共用的第一半導體層的一部分上，經配置為在該共用的第一半導體層與該阻障半導體層之間的界面處感應一二維電子通道層；及一閘極接觸，其形成在該二維電子通道層的一部分上，該閘極接觸環繞該LED結構；及一共用的源極接觸，其經配置為形成到每個二維電子通道層的一歐姆接觸，從而在該共用的源極接觸和每個單片LED結構之間提供一高電子遷移率電晶體，以驅動每個LED結構。
  2. 如請求項1所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中每個電晶體驅動的LED前驅物進一步包括一電容器，該電容器形成在該共用的源極接觸的一部分與每個閘極接觸的一部分之間。
  3. 如請求項2所述的主動矩陣LED陣列前驅 物，其中形成每個電容器的該閘極接觸層和該共用的源極接觸層的部分重疊且由一介電層隔開。
  4. 如前述請求項中任一項所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中每個電晶體驅動的LED前驅物進一步包括一絕緣遮罩層，其設置在每個閘極接觸與該阻障半導體層之間。
  5. 如請求項1所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中該共用的源極接觸環繞該等單片LED結構中的每一個單片LED結構和該閘極接觸。
  6. 如請求項1所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中該阻障層包括由III族氮化物形成的複數個子層。
  7. 如請求項1、2、3、5及6中的任一項所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中該共用的源極接觸包括複數個源極通孔，每個源極通孔經配置成延伸穿過該阻障半導體層到達該共用的第一半導體層。
  8. 如請求項4所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中該共用的源極接觸包括複數個源極通孔，每個源極通孔經配置成延伸穿過該阻障半導體層到達該共用的第一半導體層。
  9. 如請求項7所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中該單片LED結構包括一第二半導體層，該第二半導體層從在一行中的該共用的第一半導體層延伸；及 其中，每個源極通孔是一單片源極結構，該單片源極結構包括從在該行中的該第一半導體層延伸的該第二半導體層。
  10. 如請求項1所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中該單片LED結構包括：(i)一第二半導體層，該第二半導體層在該共用的第一半導體層上，該第二半導體層具有一上表面部分，該上表面部分平行於該LED陣列前驅物的平面，該第二半導體層具有垂直於該上表面部分的一規則梯形橫截面，使得該第二半導體層具有傾斜側；(ii)一第三半導體層，該第三半導體層在該第二半導體層上，該第三半導體層具有一上表面部分，該上表面部分平行於該LED陣列前驅物的該平面，該第三半導體層形成在該第二半導體層上，使得該第二半導體層和第三半導體層具有垂直於該上表面部分的一規則梯形橫截面，使得該第三半導體層具有與該第二半導體層的該等傾斜側面平行的傾斜側；(iii)一第四半導體層，該第四半導體層在該第三半導體層上，該第四半導體層具有一上表面部分，該上表面部分平行於與該LED陣列前驅物的該平面，該第四半導體層形成在該第三半導體層上，使得該第二半導體層、該第三半導體層和該第四半導體層具有垂直於該上表面部分的一規則梯形截面，使得該第四半導體層具有與該第三半導體層的該等傾斜側面平行的傾斜側；及 (iv)一主要電接觸，該主要電接觸在該第四半導體層上，其中該接觸僅在該第四半導體層之與該LED陣列前驅物的該平面平行的該上表面部分上；其中該共用的第一半導體層及該第二至該第四半導體層包括III族氮化物，及該第三半導體層包括複數個量子阱子層，該等量子阱子層在與該LED陣列前驅物的該平面平行的一部分上具有一更大的厚度，及在與該LED陣列前驅物的該平面不平行的一部分上具有一減小的厚度。
  11. 如請求項1所述的主動矩陣LED陣列前驅物，其中每個電晶體驅動的LED前驅物的該阻障半導體層經設置為一共用的阻障半導體層。
  12. 一種平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物，包括：如請求項1至11中之任一項所述的一主動矩陣LED陣列前驅物；及一間隙填充絕緣體層，在設置有該複數個電晶體驅動的LED前驅物的該共用的第一半導體層的一表面上設置該間隙填充絕緣體層，該間隙填充絕緣體經配置成限定用於在其上製造電子裝置之一基本上平坦的表面。
  13. 如請求項12所述的平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物，進一步包括：複數個薄膜電晶體，該複數個薄膜電晶體在該間隙填充絕緣體之該基本上平坦的表面上形成，每個薄膜電晶 體與一電晶體驅動的LED前驅物的一閘極接觸電接觸，該複數個薄膜電晶體形成一主動矩陣電路的部分。
  14. 一種形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，包括以下步驟：(i)提供具有一表面的一基板；(ii)在該基板的該表面上形成一連續的第一半導體層，該第一半導體層包括一基本上未摻雜的III族氮化物，(iii)在該第一半導體層上形成一阻障層，該阻障層經配置為在該第一半導體層和該阻障層之間的界面處感應一二維電子通道層；(iv)藉由沉積包括複數個LED限定孔的一遮罩層來選擇性地遮罩該阻障層；(v)選擇性地去除該阻障層和該第一半導體層的未遮罩部分，以通過該等LED限定孔中的每一個LED限定孔暴露該第一半導體層的一部分；(vi)通過該等LED限定孔在該第一半導體層的未遮罩部分上形成包括複數個III族氮化物半導體層的一單片LED結構，使得每個單片LED結構被該二維電子通道層環繞，(vii)形成複數個閘極接觸，該等閘極接觸形成在該二維電子通道層的部分上，每個閘極接觸環繞一單片LED結構；及(viii)形成一共用的源極接觸，該共用的源極接觸 經配置為向該二維電子通道層的每個部分提供一歐姆接觸，從而形成複數個電晶體驅動的LED前驅物，其包括在該共用的源極接觸端與每個單片LED結構之間的高電子遷移率電晶體。
  15. 如請求項14所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，進一步包括以下步驟：形成複數個電容器，每個電容器形成在該共用的源極接觸的一部分與每個閘極接觸的一部分之間。
  16. 如請求項15所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，其中形成該每個電容器的該等閘極接觸的部分和該等共用的源極接觸的部分經形成為使得該等閘極接觸的部分和該等共用的源極接觸的部分重疊。
  17. 如請求項15或16所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，其中該形成複數個電容器的步驟進一步包括以下步驟：形成一介電層，該介電層將該等共用的源極接觸的部分與該等每個閘極接觸的部分分開。
  18. 如請求項14所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，其中形成該共用的源極接觸之步驟包括以下步驟：形成該共用的源極接觸，使得其環繞該等單片LED結構中的每一者和該等閘極接觸。
  19. 如請求項14所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，其中該阻障層包括由III族氮化物形成的複數個子層。
  20. 如請求項14所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，其中通過該等LED限定孔在該第一半導體層的未遮罩部分上形成包括複數個III族氮化物半導體層的一單片LED結構之步驟進一步包括以下步驟：通過該等LED限定孔在該第一半導體層的未遮罩部分上生長包括III族氮化物的第二半導體層，以形成用於由二維電子通道層環繞的單片LED結構的複數個行。
  21. 如請求項14所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，其中形成該共用的源極接觸之步驟包括以下步驟：形成複數個源極通孔，每個源極通孔經配置成延伸穿過該阻障半導體層到達該共用的第一半導體層。
  22. 如請求項21所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，其中形成該複數個源極通孔之步驟包括以下步驟：藉由沉積進一步包括複數個源極限定孔的遮罩層來選擇性地遮罩該阻障層；選擇性地去除該阻障層和該第一半導體層的未遮罩部分，以通過該等源極限定孔中的每一者暴露該第一半導體層的一部分；通過該遮罩層的該等源極限定孔在該第一半導體層的未遮罩部分上生長一第二半導體層，以形成穿過該遮罩 層延伸的複數個行，該複數個行經配置為向該二維電子通道的每個部分提供一源極接觸層。
  23. 如請求項14所述的形成一主動矩陣LED陣列前驅物的方法，其中該單片LED結構包括：(i)一第二半導體層，該第二半導體層在該共用的第一半導體層上，該第二半導體層具有一上表面部分，該上表面部分平行於該LED陣列前驅物的平面，該第二半導體層具有垂直於該上表面部分的一規則梯形橫截面，使得該第二半導體層具有傾斜側面；(ii)一第三半導體層，該第三半導體層在該第二半導體層上，該第三半導體層具有一上表面部分，該上表面部分平行於該LED陣列前驅物的該平面，第三半導體層形成在該第二半導體層上，使得該第二半導體層和該第三半導體層具有垂直於該上表面部分的一規則梯形橫截面，使得該第三半導體層具有與該第二半導體層的該等傾斜側面平行的傾斜側面；(iii)一第四半導體層，該第四半導體層在該第三半導體層上，該第四半導體層具有一上表面部分，該上表面部分平行於該LED陣列前驅物的該平面，該第四半導體層形成在該第三半導體層上，使得該第二半導體層、該第三半導體層和該第四半導體層具有垂直於該上表面部分的一規則梯形截面，使得該第四半導體層具有與該第三半導體層的該等傾斜側面平行的傾斜側面；及(iv)一主要電接觸，該主要電接觸在該第四半導體 層上，其中該接觸僅在該第四半導體層之與該LED陣列前驅物的該平面平行的該上表面部分上；其中該第一半導體層至該第四半導體層包括III族氮化物，及該第三半導體層包括複數個量子阱子層，該等量子阱子層在與該LED陣列前驅物的該平面平行的一部分上具有一更大的厚度，及在與該LED陣列前驅物的該平面不平行的一部分上具有一減小的厚度。
  24. 一種形成一平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物的方法，包括以下步驟：形成如請求項14至23中任一項所述的一主動矩陣LED陣列前驅物；及在設置有該複數個電晶體驅動的LED前驅物的該第一半導體層的一表面上形成一間隙填充絕緣體層，該間隙填充絕緣體經配置成限定用於在其上製造電子裝置之一基本上平坦的表面。
  25. 如請求項24所述的形成一平坦化的主動矩陣LED陣列前驅物的方法，進一步包括以下步驟：在該間隙填充絕緣體之該基本上平坦的表面上形成該複數個薄膜電晶體，每個薄膜電晶體與一電晶體驅動的LED前驅物的一閘極接觸電接觸，該複數個薄膜電晶體形成一主動矩陣電路的部分。
TW108144885A 2018-12-14 2019-12-09 主動矩陣led陣列前驅物 TWI729612B (zh)

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