TWI745518B - 具有發光二極體的光電裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種包含發光二極體(LED)的光電裝置(5)，每個發光二極體包含對應於奈米線、微米線、及/或奈米或微米範圍之角錐結構的半導體元件(22)以及至少部分覆蓋該半導體元件並適用於發射輻射的殼體(24)，並且針對每個發光二極體，光致發光塗層(28R、28G、28B)包含單個量子井、多個量子井或異質結構，覆蓋殼體之至少部分並與殼體相接觸或與半導體元件相接觸並且適用於藉由光激升將由殼體發射之輻射轉換為另一輻射。

Description

具有發光二極體的光電裝置及其製造方法
本揭示係關於一種包含由三維元件(特定言之，半導體微米線或奈米線)形成之發光二極體的光電裝置，特定言之，一種顯示螢幕或一種影像投影裝置。
影像之像元對應於由光電裝置顯示的影像之單位元素。當光電裝置係彩色影像顯示光電裝置時，針對影像之每個像元之顯示一般包含至少三個組件，亦稱為顯示子像元，每個顯示子像元發射實質上呈單色的光輻射(例如，紅色、綠色、及藍色)。由三個顯示子像元發射的輻射之疊加向觀察者提供對應於所顯示影像之像元的彩色感覺。在此情形中，由用以顯示影像之像元的三個子顯示像元形成的總成被稱為光電裝置的顯示像元。
包含發光二極體的光電裝置係能夠將電信號轉換為電磁輻射的裝置，並且特定言之專用於發射電磁輻射(特定言之光)的裝置。能夠形成發光二極體的三維元件之實例係包含基於化合物之半導體材料的微米線或奈米線，該化合物主要包含至少一種第III族元素及一種第V族元素(例如，氮化鎵GaN)，後文稱為III-V化合物，或主要包含至少一種第II族元素及一種第VI族元素（例如，氧化鋅ZnO），後文稱為II-VI化合物。
然而，包含發射紅光之三維元件的已知發光二極體顯示不良的內部量子效率。
光電裝置可能包含層，該層包含面對至少一些發光二極體的光致發光材料的區塊。每個光致發光區塊適用於將由相關發光二極體發射的輻射轉換為期望輻射。已知光致發光區塊包含微米範圍之光致發光粒子或量子點。然而，用以形成微米範圍之光致發光粒子的已知材料顯示不良的內部量子效率。此外，量子點顯示壽命減少。
一實施例的目的意欲克服先前所描述的光電裝置的全部或部分缺點，該光電裝置包含發光二極體。
一實施例的另一目的係增加光致發光區塊之內部量子效率。
一實施例的另一目的係增加光致發光區塊的壽命。
一實施例的另一目的係發光二極體包含三維元件，特定言之半導體微米線或奈米線。
一實施例的另一目的係光電裝置的全部發光二極體顯示高內部量子效率。
一實施例的另一目的係光電裝置的光致發光區塊顯示高內部量子效率。
一實施例的另一目的係能夠以工業規模並且以低成本製造包含發光二極體的光電裝置。
因此，一實施例提供了一種光電裝置，包含： 發光二極體，每個發光二極體包含對應於奈米線、微米線、及/或奈米或微米範圍之角錐結構的半導體元件以及至少部分覆蓋半導體元件並適用於發射輻射的殼體；以及 針對每個發光二極體，光致發光塗層包含單個量子井、多個量子井或異質結構，覆蓋殼體之至少部分且與殼體相接觸或與半導體元件相接觸，並且適用於藉由光激升將由殼體發射之輻射轉換為另一輻射。
根據一實施例，發光二極體適用於發射於第一波長的第一輻射並且光致發光塗層包含適用於藉由光激升將第一輻射轉換為於第二波長的第二輻射的第一光致發光塗層、適用於藉由光激升將第一輻射轉換為於第三波長的第三輻射的第二光致發光塗層、以及適用於藉由光激升將第一輻射轉換為於第四波長的第四輻射的第三光致發光塗層。
根據一實施例，每個半導體元件包含橫向側面及頂面，並且光致發光塗層及殼體覆蓋半導體元件的橫向側面及頂面。
根據一實施例，每個半導體元件包含橫向側面及頂面，殼體覆蓋半導體元件的橫向側面且不覆蓋半導體元件的頂面，並且光致發光塗層覆蓋半導體元件的頂面且不覆蓋半導體元件的橫向側面。
根據一實施例，針對每個發光二極體，光電裝置進一步包含與殼體相接觸的導電層。
根據一實施例，針對每個發光二極體，導電層由反射層覆蓋。
根據一實施例，光電裝置進一步包含放置在基板上，至少部分由至少用於第二、第三及第四輻射之反射材料製成，並圍繞發光二極體的壁。
根據一實施例，光電裝置進一步包含覆蓋光致發光塗層並且適用於阻擋第一輻射並讓第二、第三及第四輻射通過的濾光片。
根據一實施例，第一波長係在從360 nm至430 nm之範圍中，第二波長係在從440 nm至490 nm之範圍中，第三波長係在從510 nm至570 nm之範圍中，並且第四波長係在從610 nm至720 nm之範圍中。
根據一實施例，光致發光塗層進一步包含適用於藉由光激升將第一輻射轉換為於第五波長的第五輻射的第四光致發光塗層。
根據一實施例，第五波長係在從570 nm至600 nm之範圍中。
另一實施例提供了一種製造先前所揭示的光電裝置的方法，包含以下相繼步驟： a)形成發光二極體；以及 b)形成光致發光塗層。
根據一實施例，在步驟b)之前，該方法進一步包含形成覆蓋殼體的導電層，並且在步驟b)之前，於半導體元件的頂部收回導電層及殼體，以及於半導體元件的頂部形成光致發光塗層。
為了清晰起見，在諸圖中相同元件已經利用相同參考數字表示，並且進一步地，按在電子電路圖中的慣例，諸圖並非按比例繪製。進一步地，已經僅示出並將描述可用以理解本描述的彼等元件。特定言之，用於偏置光電裝置的發光二極體的構件係熟知的並且將不描述。
本描述係關於包含由三維元件（例如，微米線或奈米線）形成的發光二極體的光電裝置。在以下描述中，實施例針對由微米線或奈米線形成的發光二極體描述。然而，此等實施例可能針對不同於微米線或奈米線的三維元件（例如，角錐形狀的三維元件）實施。
在以下描述中，除非另外指出，術語「實質上」、「近似」、以及「在…的量級上」意謂「至10%內」。進一步地，「主要由材料製成的化合物」或「基於材料的化合物」意謂化合物包含大於或等於該材料之95%的比例，此比例較佳地大於99%。此外，發光二極體的「有效區域」表示從此發射由發光二極體提供的大部分電磁輻射的發光二極體的區域。進一步地，當第一元件被稱為藉由磊晶關係連接至第二元件時，這意謂著第一元件由第一層製成並且第二元件由第二層製成，該第二層藉由在第一層上磊晶來生長或反之亦然。
術語「微米線」或「奈米線」表示沿著較佳方向伸長之形狀的三維結構，該三維結構具有在從10 nm至10 μm、較佳地從100 nm至2 μm之範圍中的至少兩個尺寸（稱為次要尺寸），大於或等於最大次要尺寸的1倍、較佳地大於或等於最大次要尺寸的5倍、並且更佳地仍大於或等於最大次要尺寸的10倍的第三尺寸（稱為主尺寸）。在某些實施例中，次要尺寸可能小於或等於近似1 μm，較佳地在從100 nm至1 μm之範圍中，更佳地從100 nm至800 nm。在某些實施例中，每個微米線或奈米線之高度可能大於或等於500 nm，較佳地在從1 μm至50 μm之範圍中，最佳地在從1 μm至15 μm之範圍中。
在以下描述中，術語「接線」用以意謂「微米線或奈米線」。較佳地，在與接線之較佳方向垂直的平面中，穿過橫截面之重力中心的接線之中線實質上係直線的並且後文被稱為接線之「軸」。
接線之橫截面可能具有不同形狀，諸如，例如，橢圓形、圓形、或多邊形，特定言之三角形、矩形、方形、或六邊形。因此，應理解，關於接線的橫截面或在此接線上沉積之層的橫截面提及的術語「直徑」表示與在此橫截面中的目標結構的表面區域相關的數量，例如，對應於具有與接線橫截面相同之表面區域的碟的直徑。
每個接線的橫截面可能沿著接線軸實質上一致或可能沿著接線軸變化。在一實例中，接線可能具有圓錐或截頭圓錐形狀。
在以下描述中，術語角錐或截斷角錐表示三維結構，其部分具有角錐或伸長之圓錐形狀。角錐結構可能被截斷，亦即，錐體的尖端缺失並且由平坦區域替代。角錐之基底內接在具有從100 nm至10 μm、較佳地從1 μm至3 μm之側面尺寸的多邊形內。形成角錐之基底的多邊形可能係六邊形。在角錐之基底與頂點或頂部平臺之間的角錐高度從100 nm至20 μm、較佳地從1 μm至10 μm變化。
第1圖及第2圖圖示了包含發光二極體的光電裝置5的一實施例，例如，對應於顯示螢幕或影像投影裝置。
第1圖圖示了結構，從底部至頂部包含： 半導體基板10，包含下表面12及上表面14，上表面14較佳地至少於發光二極體之水平係平坦的； 晶種層16，由有助於接線生長的導電材料製成並在表面14上排列； 絕緣層18，覆蓋晶種層16並且包含暴露晶種層16之部分的開口20； 接線22（在第1圖上圖示的三個接線），每個接線22穿過開口20之一與晶種層16相接觸； 針對每個接線22，殼體24包含覆蓋接線22之半導體層的堆疊； 針對每個接線22，導電層26在殼體24之下部之橫向側面上延伸並在絕緣層18上延伸； 針對每個接線22，光致發光塗層28R、28G、28B包含覆蓋殼體24之上部的半導體層之堆疊； 封裝層30，覆蓋整個結構；以及 濾光片32，放置在封裝層30上。
光電裝置5包含與表面12或表面14上的基板10相接觸的未圖示的電極。
由每個接線22形成的總成與相關殼體24形成發光二極體LED。特定言之，每個殼體24包含有效層，該有效層係由發光二極體LED供應的大部分電磁輻射從其發射的層。總成可能包含從數個發光二極體LED至數千發光二極體。
在一實施例中，全部發光二極體LED發射於第一波長的電磁輻射。在一實施例中，光電裝置5包含至少三種類型的光致發光塗層28R、28G、28B。針對待顯示之影像的每個像元，光電裝置5包含具有三種類型之光致發光塗層28R、28G、28B的子像元。第一類型之光致發光塗層28B適用於藉由光激升將於第一波長的輻射轉換為於第二波長的輻射。第二類型之光致發光塗層28G適用於藉由光激升將於第一波長的輻射轉換為於第三波長的輻射。第三類型之光致發光塗層28R適用於藉由光激升將於第一波長的輻射轉換為於第四波長的輻射。在一實施例中，第一、第二、第三及第四波長係不同的。在一實施例中，第一波長對應於紫外輻射，並且係在從360 nm至430 nm之範圍中。在一實施例中，第二波長對應於藍光，並且係在從440 nm至490 nm之範圍中。在一實施例中，第三波長對應於綠光，並且係在從510 nm至570 nm之範圍中。在一實施例中，第四波長對應於紅光，並且係在從610 nm至720 nm之範圍中。
子像元Pix由一個發光二極體LED及相關光致發光塗層28R、28G、28B形成。針對待顯示之影像的每個像元，光電裝置5包含具有三種類型之光致發光塗層的子像元。在一實例中，在第2圖中圖示了如同拜耳濾光片馬賽克排列的九個子像元Pix。
在一實施例中，光電裝置5包含未圖示的第四類型之光致發光塗層。第四類型之光致發光塗層適用於藉由光激升將於第一波長的輻射轉換為於第五波長的輻射。在一實施例中，第五波長對應於黃光，並且係在從570 nm至600 nm之範圍中。在一實施例中，第一、第二、第三、第四及第五波長係不同的。針對待顯示之影像的每個像元，光電裝置5包含具有四種類型之光致發光塗層的子像元。
基板10可能對應於單塊結構或對應於覆蓋由另一材料製成的支撐件的其上生長接線的層。基板10較佳地係半導體基板，例如，由矽、鍺、碳化矽、藍寶石、III-V化合物（諸如GaN或GaAs）製成的基板，或ZnO基板。較佳地，基板10係單晶矽基板。較佳地，其係與在微電子元件中實施的製造方法相容的半導體基板。基板10可能對應於絕緣體上矽類型的多層結構，亦稱為SOI。當基板10包含覆蓋由另一材料製成之支撐件的層時，該層可能由III-V化合物（例如，III-N化合物）製成。第III族元素之實例包含鎵(Ga)、銦(In)、或鋁(Al)。III-N化合物之實例係GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、或AlInGaN。亦可能使用其他第V族元素，例如，磷或砷。由該層覆蓋的支撐件可能由矽、鍺、碳化矽、藍寶石、III-V化合物（諸如GaN或GaAs）製成，或ZnO基板。
基板10可能經重摻雜、輕摻雜或不摻雜。在基板經重摻雜的情形中，半導體基板10可經摻雜以將電阻率降低至接近金屬電阻率之電阻率，較佳地小於幾個mohm.cm。基板10係例如具有在從5*1016 原子/立方公分至2*1020 原子/立方公分之範圍中的摻雜劑濃度的重摻雜之基板10。在基板經輕摻雜（例如，具有小於或等於5*1016 原子/立方公分，較佳地實質上等於1015 原子/立方公分之摻雜劑濃度）的情形中，可能提供與基板相比更重摻雜的第一導電類型或與第一導電類型相反之第二導電類型的摻雜區域，該摻雜區域在基板10中從晶種層16下方之表面12延伸。在矽基板10的情形中，P型摻雜劑之實例係硼(B)或銦(In)並且N型摻雜劑之實例係磷(P)、砷(As)、或銻(Sb)。矽基板10之表面14可能係(100)表面或(111)表面。
晶種層16由有助於生長接線22之材料製成。舉例而言，形成晶種層16之材料可能係來自元素週期表的第IV、V、或VI列的過渡金屬之氮化物、碳化物、或硼化物，或此等化合物之組合。舉例而言，晶種層16可能由氮化鋁(AlN)、硼(B)、氮化硼(BN)、鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鉿(Hf)、氮化鉿(HfN)、鈮(Nb)、氮化鈮(NbN)、鋯(Zr)、硼酸鋯(ZrB2 )、氮化鋯(ZrN)、碳化矽(SiC)、鉭氮化物及碳化物(TaCN)、呈Mgx Ny 形式之氮化鎂（其中x近似等於3並且y近似等於2，例如，對應於形式Mg3 N2 的氮化鎂）或氮化鎂鎵(MgGaN)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、或其組合製成。晶種層16可能由與基板10相同之導電類型摻雜。晶種層16可能具有單層結構或可能對應於兩層或兩個以上層的堆疊。晶種層16可能由晶種墊（亦稱為晶種島）替代，每個接線22放置在晶種墊之一上。
絕緣層18可能由介電材料製成，例如，由氧化矽(SiO2 )、氮化矽（Six Ny ，其中x近似等於3並且y近似等於4，例如，Si3 N4 ）、氮氧化矽（特定言之通式SiOx Ny ，例如，Si2 ON2 ）、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鉿(HfO2 )、或金剛石製成。
接線22至少部分由至少一種半導體材料製成。半導體材料可能係矽、鍺、碳化矽、III-V化合物、II-VI化合物、或此等化合物的至少兩種的組合。
接線22可能至少部分由主要包含III-V化合物（例如，III-N化合物）的半導體材料製成。第III族元素之實例包含鎵(Ga)、銦(In)、或鋁(Al)。III-N化合物之實例係GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、或AlInGaN。亦可能使用其他第V族元素，例如，磷或砷。一般而言，在III-V化合物中之元素可能以不同莫耳分數結合。
接線22可能至少部分由主要包含II-VI化合物的半導體材料製成。第II族元素之實例包含第IIA族元素，特定言之鈹(Be)及鎂(Mg)，以及第IIB族元素，特定言之鋅(Zn)、鎘(Cd)、及汞(Hg)。第VI族元素之實例包含第VIA族元素，特定言之氧(O)及碲(Te)。II-VI化合物之實例係ZnO、ZnMgO、CdZnO、CdZnMgO、CdHgTe、CdTe、或HgTe。一般而言，在II-VI化合物中之元素可能以不同莫耳分數結合。
接線22可能包含摻雜劑。舉例而言，針對III-V化合物，摻雜劑可能選自包含P型第II族摻雜劑（例如，鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、或汞(Hg)）、P型第IV族摻雜劑（例如，碳(C)）、或N型第IV族摻雜劑（例如，矽(Si)、鍺(Ge)、硒(Se)、硫(S)、鋱(Tb)、或錫(Sn)）的群組。在接線22中摻雜劑之濃度可能不均勻。在一實例中，與接線22之上部相比，每個接線22之下部可能經更重摻雜。
兩個相鄰接線22之軸可能相距從0.5 μm至10 μm並且較佳地從1.5 μm至4 μm。
導電層26由導電材料（例如，金屬諸如鋁、銀、銅、或鋅）製成。導電層26可能由於第一、第二、第三、第四及可能第五波長透明的導電材料（諸如石墨烯）或透明導電氧化物(transparent conductive oxide; TCO)（例如，氧化銦錫(indium tin oxide; ITO)、氧化鋁鋅(aluminum zinc oxide; AZO)或氧化鎵鋅(Gallium Zinc oxide; GZO)）製成。舉例而言，導電層26具有在從5 nm至5 μm、較佳地從500 nm至5 μm之範圍中的厚度。
封裝層30由對於第一、第二、第三、第四及第五波長之輻射至少部分透明的絕緣材料（例如，聚矽氧或氧化物）製成。封裝層30之最大厚度係在從250 nm至50 μm之範圍中，使得封裝層30完全覆蓋發光二極體LED之頂部。
濾光片32適用於阻擋由發光二極體LED發射並且尚未由光致發光塗層28R、28G、28B轉換的輻射。濾光片32適用於讓由光致發光塗層28R、28G、28B發射之輻射通過。濾光片32可能具有多層結構。在一實施例中，針對發射於從360 nm至430 nm之範圍中之第一波長的輻射的發光二極體LED，濾光片32可能由帶通濾光片特性製成，因此僅允許波長440 nm至720 nm之輻射穿過。
作為一變化，可能提供在接線22之間但不在接線22上延伸的覆蓋導電層26及絕緣層18的未圖示的鏡面導電層。鏡面導電層可能對應於金屬層，例如，由鋁、銀、銅、或鋅製成的金屬層。
在操作中，在導電層26與基板10之間施加電壓，使得針對每個子像元Pix，發光二極體LED之有效區域發射具有一強度之光，該強度取決於在與子像元Pix相關的導電層26與基板18之間施加的電壓。光致發光塗層28R、28G、28B藉由光激升將由相關發光二極體LED發射之輻射之至少部分轉換為期望輻射。在一實施例中，全部發光二極體LED於相同的第一波長發射。適用於阻擋尚未由光致發光塗層28R、28G、28B轉換的由發光二極體LED發射之輻射的濾光片32有利地覆蓋全部光電裝置5。
在第1圖及第2圖所示之實施例中，基板10實質上處於相同電勢並且可能將不同電勢施加至導電層26。或者，導電層26彼此連接並且在基板10中提供電氣絕緣溝槽以界定基板10之多個部分，基板10之每個部分電氣連接至至少一個接線22，較佳地僅一個接線22。在導電層26彼此連接並且形成基板10之絕緣部分的情形中，所連接的導電層26可能處於相同電勢並且可能將不同電勢施加至基板10之多個部分。
第3圖係殼體24及光致發光塗層28R、28G、或28B之一實施例之第1圖的詳細視圖。
殼體24可能包含複數個層之堆疊，特別地包含： -有效層34，覆蓋接線22之上部； -中間層36，具有與覆蓋有效層34之接線22相反的導電類型；以及 -結合層38，覆蓋中間層36，結合層38之下部由導電層26覆蓋並且結合層38之上部由光致發光塗層28R、28G、或28B覆蓋。
有效層34係具有由從其發射之發光二極體LED供應的大部分輻射的層。根據一實例，有效層34可能包含限制構件。有效區域34可能包含單個量子井。其可能隨後包含與形成接線22及中間層36之半導體材料不同並且具有小於中間層36之能帶間隙的能帶間隙的半導體材料。有效區域34可能包含多個量子井。其隨後包含形成量子井40之交替以及障壁層42之交替的半導體層的堆疊。較佳地，有效區域34之多層藉由磊晶關係連接至接線22。
在一實施例中，發射於從360 nm至430 nm之範圍中的第一紫外波長之輻射的發光二極體LED可能由具有從3 nm至20 nm（例如，6 nm）及從1 nm至30 nm（例如，2.5 nm）之相應厚度的GaN及InGaN層之交替形成，InGaN層具有0%至15%之In之比例。
例如，P型摻雜的中間層36可能對應於半導體層或對應於半導體層之堆疊並且能夠形成P-N或P-I-N接面，有效層34在中間P型層36與P-N或P-I-N接面之N型接線22之間。
結合層38可能對應於半導體層或對應於半導體層之堆疊並且能夠在中間層36與導電層26之間形成歐姆接觸。舉例而言，結合層38可能由與接線22之下部相反的類型非常重地摻雜以退化半導體層，例如，以大於或等於1019 原子/立方公分的濃度P型摻雜。
形成殼體24的半導體層之堆疊可能包含與有效層34及中間層36相接觸地由三元合金（例如，氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)或氮化鋁銦(AlInN)）形成的電子障壁層以確保電載流子在有效層34中的良好分佈。
光致發光塗層28R、28G及28B由半導體層之堆疊形成。光致發光塗層28R、28G及28B可能包含限制構件。光致發光塗層28R、28G及28B可能包含單個量子井、多個量子井或雙異質結構。其可能隨後包含夾在第一與第二半導體層之間的有效半導體層。有效半導體層由與形成第一及第二層之半導體材料不同並且具有小於第一及第二層之能帶間隙的能帶間隙的半導體材料製成。如在第3圖中圖示，光致發光塗層28R、28G及28B可能包含多個量子井。其隨後包含形成量子井44之交替以及障壁層46之交替的半導體層的堆疊。光致發光塗層28R、28G及28B之層的材料取決於由光致發光塗層28R、28G及28B發射的輻射之期望波長以及由光致發光塗層28R、28G及28B接收的輻射之波長。可能獲得具有高於50%之內部量子效率的光致發光塗層。此外，可能獲得具有長壽命的光致發光塗層28R、28G及28B。
可能在殼體24與光致發光塗層28R、28G及28B之間提供未圖示的中間層，例如在不具有摻雜劑的情況下由與接線22相同之材料製成並且具有在從1 nm至5 μm之範圍中的厚度以防止電流洩漏的中間層。
在一實施例中，針對發射於360 nm至430 nm之第一波長的輻射的發光二極體LED，發射於450 nm之第二波長的輻射的光致發光塗層28B可能由具有從3 nm至20 nm（例如，6 nm）及從1 nm至30 nm（例如，2.5 nm）之相應厚度的GaN及InGaN層之交替形成，InGaN層具有17%±5%之In之比例。
在一實施例中，針對發射於360 nm至430 nm之第一波長的輻射的發光二極體LED，發射於530 nm之第三波長的輻射的光致發光塗層28G可能由具有從3 nm至20 nm（例如，6 nm）及從1 nm至30 nm（例如，2.5 nm）之相應厚度的GaN及InGaN層之交替形成，InGaN層具有28%±5%之In之比例。
在一實施例中，針對發射於360 nm至430 nm之第一波長的輻射的發光二極體LED，發射於630 nm之第三波長的輻射的光致發光結構28R可能由具有從3 nm至20 nm（例如，6 nm）及從1 nm至30 nm（例如，2.5 nm）之相應厚度的GaN及InGaN層之交替形成，InGaN層具有45%±10%之In之比例。
在一實施例中，針對發射於360 nm至430 nm之第一波長的輻射的發光二極體LED，發射於580 nm之第四波長的輻射的光致發光塗層可能由具有從3 nm至20 nm（例如，6 nm）及從1 nm至30 nm（例如，2.5 nm）之相應厚度的GaN及InGaN層之交替而形成，InGaN層具有35%±5%之In之比例。
在第1圖及第2圖所揭示之實施例中，針對每個發光二極體LED，導電層26覆蓋殼體24之下部並且光致發光塗層28R、28G、28B覆蓋殼體24之上部。由此，導電層26可能阻擋由發光二極體LED發射之輻射。或者，導電層26可能具有網眼狀圖案並且在整個殼體24上方延伸，光致發光塗層28R、28G、28B在導電層26之孔中的殼體24上方延伸並且在導電層26上方延伸。這可經由自組裝之遮罩技術形成，諸如退火薄的Ni層以形成自組裝之遮罩或使用TiO2 或SiO2 奈米球體。在另一實施例中，導電層26由對由發光二極體LED發射之輻射透明的材料製成並且導電層26覆蓋整個殼體24，光致發光塗層28R、28G、28B覆蓋導電層26。
第4圖及第5圖係包含發光二極體之光電裝置50之另一實施例的在正交平面中的部分簡化橫截面圖。光電裝置50包含與第1圖所示之光電裝置5相同的元件，並且進一步包含在封裝層30中從絕緣層18延伸的壁52。壁52界定封裝層30中的部分54。在一實施例中，每個部分54含有至少一個發光二極體LED，較佳地僅一個發光二極體LED。根據一實施例，壁52形成柵格並且多個部分54排列成行及列。在第5圖中，多個部分54具有方形形狀。然而，多個部分54之形狀可能係不同的。
壁52減少在相鄰子像元Pix之間的串擾。根據一實施例，壁52可能由反射材料製成或由反射塗層覆蓋以用於由光致發光塗層28R、28G、28B發射的輻射之波長。壁52可能由導電材料（例如，金屬諸如鋁、銀、矽、或鋅）製成。在與表面14正交之方向中量測的壁52之高度係在從1 μm至200 μm、較佳地從5 μm至30 μm之範圍中。在與表面14平行之方向中量測的壁52之厚度係在從100 nm至50 μm、較佳地從1 μm至10 μm之範圍中。在第5圖之視圖中，每個部分54之區域對應於具有從1 μm至100 μm、較佳地從3 μm至15 μm變化的側面之方形的區域。
第6圖係包含發光二極體的光電裝置55之另一實施例的部分簡化橫截面圖。光電裝置55包含與第1圖所示之光電裝置5相同的元件，差異之處在於針對每個發光二極體LED，在接線22之頂面上不存在殼體24，光致發光塗層28R、28G、28B僅覆蓋接線22之上面並且導電層26從殼體24之底部至頂部完全覆蓋殼體24之橫向側面。光致發光塗層28R、28G、28B可能對應於半導體層之堆疊，堆疊之組成係例如與先前特定言之在第3圖中所揭示者相同，差異之處在於光致發光塗層28R、28G、28B之層實質上與接線22之軸正交地僅在接線22之上面上方延伸，堆疊方向係沿著接線22之軸。
可能在殼體24與光致發光塗層28R、28G、28B之間提供未圖示的中間層，例如，在不具有有意摻雜劑的情況下由與接線22相同之材料製成並且具有在從1 nm至5 μm之範圍中的厚度以防止電流洩漏的中間層。導電層26之厚度有利地在從500 nm至5 μm之範圍中以用作相對於由發光二極體LED發射的輻射的波導。
第7圖係包含發光二極體的光電裝置60之另一實施例的部分簡化橫截面圖。光電裝置60包含與第6所示之光電裝置55相同的元件，並且針對每個發光二極體LED，進一步包含覆蓋導電層26的塗層62，該塗層反射由光致發光塗層28R、28G、28B發射的輻射之波長。塗層62可能由導電材料（例如，金屬諸如鋁、銀、銅、或鋅）製成。塗層62之厚度係在從100 nm至50 μm、較佳地1 μm至10 μm之範圍中。塗層62減少在相鄰子像元Pix之間的串擾。塗層62之存在允許減少在相鄰接線22之間的距離。
在一實施例中，針對每個發光二極體LED，未圖示的介電層（例如，氧化矽層）可能在導電層26與塗層62之間提供。中間介電層增強由光致發光塗層28R、28G、28B發射的輻射之反射並減少損失。
將關於第8A圖至第8E圖描述製造第1圖所示之光電裝置5的方法的一實施例。
第8A圖示出了在實施以下步驟之後獲得的結構： (1)在基板10之表面14上形成晶種層16；
晶種層16可能藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition; CVD)或亦稱為金屬有機氣相磊晶(metal-organic vapor phase epitaxy; MOVPE)的金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD)的方法來沉積。然而，可能使用方法諸如分子束磊晶(molecular-beam epitaxy; MBE)、氣源MBE(gas-source MBE; GSMBE)、金屬有機MBE(metal-organic MBE; MOMBE)、電漿輔助MBE(plasma-assisted MBE; PAMBE)、原子層磊晶(atomic layer epitaxy; ALE)、氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy; HVPE)、或原子層沉積(atomic layer deposition; ALD)。進一步地，可能使用方法諸如蒸發或反應性陰極濺射。
當晶種層16由氮化鋁製成時，其可能實質上經紋理化並具有較佳極性。層16之紋理化可能藉由在沉積晶種層之後進行的額外處理獲得。其例如係在氨流(NH3 )下退火。 (2)例如，藉由保形沉積（特定言之藉由CVD）沉積絕緣層18。 (3)在絕緣層18中形成開口20。其可能係各向異性之蝕刻，例如，反應性離子蝕刻或RIE或感應耦合電漿或ICP蝕刻。
第8B圖示出了在以下步驟之後獲得的結構： (4)在每個開口20中生長接線22。
生長接線22之方法可能係CVD、MOCVD、MBE、GSMBE、PAMBE、ALE、HVPE、ALD類型之方法。進一步地，可能使用電化學方法，例如，化學浴沉積(chemical bath deposition; CBD)、水熱法、液體給料火焰噴塗高溫分解、或電沉積。
舉例而言，生長接線22之方法可能包含將第III族元素之前驅物及第V族元素之前驅物注入反應器。
第8C圖示出了在實施以下步驟之後獲得的結構： (5)針對每個接線22，藉由磊晶形成層，該層形成殼體24。沉積形成殼體24之層僅在開口20外部及絕緣層18外部的接線22之部分上發生。
用於製造包含由殼體覆蓋之接線的發光二極體LED之方法的實例在專利申請案US2015/0280053中揭示。
第8D圖示出了在實施以下步驟之後獲得的結構： (6)在殼體24之上部上形成光致發光塗層28R、28G、28B。
生長光致發光塗層28R、28G、28B之方法可能係CVD、MOCVD、MBE、GSMBE、PAMBE、ALE、HVPE、ALD類型之方法。進一步地，可能使用電化學方法，例如，化學浴沉積(chemical bath deposition; CBD)、水熱法、液體給料火焰噴塗高溫分解、或電沉積。
在一實施例中，形成光致發光塗層28R、28G、28B可能包含在整個結構上沉積遮罩層、蝕刻遮罩層以暴露殼體24之上部、在層的暴露之部分上形成光致發光塗層28R、28G、28B以及收回遮罩層。
第8E圖示出了在實施以下步驟之後獲得的結構： (7)針對每個發光二極體LED形成導電層26，例如，藉由保形沉積並蝕刻覆蓋光致發光塗層28R、28G、28B的導電層之部分。注意到第8E圖與第8D圖之步驟可互換。由此，亦可首先形成導電層，並接著形成光致發光塗層。
在另一實施例中，方法(7)可能在步驟(6)之前進行。
製造光電裝置5之方法之後續步驟係如下： (8)形成封裝層30。當封裝層30由聚矽氧製成時，封裝層30可能藉由旋塗、噴墨印刷、或絲網印刷方法沉積。當封裝層30係氧化物時，其可能藉由CVD沉積。 (9)形成濾光片32。
將關於第9A圖至第9D圖描述一種製造第6圖所示之光電裝置55之方法之一實施例。
第9A圖示出了在實施先前描述的步驟(1)、(2)、(3)、(4)及(5)之後獲得的結構。
第9B圖示出了在實施以下步驟之後獲得的結構： (6’)針對每個發光二極體LED，在整個殼體24上並在圍繞殼體24之絕緣層18上形成導電層26，例如，藉由保形沉積。
第9C圖示出了在實施以下步驟之後獲得的結構： (7’)針對每個發光二極體LED，收回接線22之頂部上的導電層26及殼體24以暴露接線22之上表面。此舉可能藉由ICP蝕刻或藉由化學機械平坦化(chemical-mechanical planarization; CMP)進行。
第9D圖示出了在實施以下步驟之後獲得的結構： (8’)在接線22之頂部上形成光致發光塗層28R、28G、28B，由此堆疊方向係沿著接線22之軸。
生長接線塗層28R、28G、28B之方法可能係CVD、MOCVD、MBE、GSMBE、PAMBE、ALE、HVPE、ALD類型之方法。進一步地，可能使用電化學方法，例如，化學浴沉積(chemical bath deposition; CBD)、水熱法、液體給料火焰噴塗高溫分解、或電沉積。
製造光電裝置55之方法之後續步驟包含先前描述的步驟(8)及(9)。
第10圖係與發光二極體的導電層26之另一實施例的第3圖相似的視圖，其中導電層26包含隧道接面結構，該結構包含至少由第一導電類型（例如P型）非常重地摻雜的半導體層64以及由與第一類型相反之第二導電類型（例如N型）非常重地摻雜的半導體層66的堆疊。層64與殼體24相接觸並且具有與殼體24之外層相同類型的摻雜劑。層64之摻雜劑濃度可能大於1019 原子/立方公分，較佳地大於1020 原子/立方公分。層64之厚度可能在從10 nm至100 nm之範圍中。層66之摻雜劑濃度可能大於1019 原子/立方公分，較佳地大於1020 原子/立方公分。層66之厚度可能大於10 nm，例如，在從10 nm至100 nm之範圍中。因此在層64與66之間獲得隧道接面。電荷可藉由隧道效應在層64與殼體24之間流動。根據一個實施例，當殼體24之外層對應於先前描述之層38時，可能合併層38及64。
已經描述了特定實施例。熟習該項技術者將想到各種變化及修改。特定言之，儘管在先前所描述的實施例中，壁52具有實質上與表面14正交的橫向面，可能例如相對於表面14傾斜而成型壁52之橫向面。
此外，已經描述了具有各種變化的若干實施例。可以結合此等實施例及變化之一些元件。舉例而言，先前關於第6圖描述之光電裝置55可能包含先前關於第4圖描述之壁52。
5‧‧‧光電裝置10‧‧‧半導體基板14‧‧‧上表面16‧‧‧晶種層18‧‧‧絕緣層20‧‧‧開口22‧‧‧接線24‧‧‧殼體26‧‧‧導電層28B‧‧‧光致發光塗層28G‧‧‧光致發光塗層28R‧‧‧光致發光塗層30‧‧‧封裝層32‧‧‧濾光片34‧‧‧有效層38‧‧‧結合層40‧‧‧量子井42‧‧‧障壁層52‧‧‧壁54‧‧‧部分60‧‧‧光電裝置62‧‧‧塗層64‧‧‧半導體層66‧‧‧半導體層
以上及其他特徵及優點將與附圖結合地在下文對特定實施例的不作限制的描述中詳細論述，其中：
第1圖及第2圖係包含發光二極體之光電裝置之一實施例的在正交平面中的部分簡化橫截面圖；
第3圖係包含微米線或奈米線的發光二極體的一實施例之第1圖的詳細視圖；
第4圖及第5圖係包含發光二極體之光電裝置之另一實施例的在正交平面中的部分簡化橫截面圖；
第6圖及第7圖係包含發光二極體的光電裝置的其他實施例的部分簡化橫截面圖；
第8A圖至第8E圖係於製造第1圖所示之光電裝置的方法的一實施例的相繼步驟獲得的結構之部分簡化橫截面圖；
第9A圖至第9D圖係於製造第6圖所示之光電裝置的方法的一實施例的相繼步驟獲得的結構之部分簡化橫截面圖；以及
第10圖係與電致發光二極體電極層的另一實施例的第3圖相似的視圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
5‧‧‧光電裝置
10‧‧‧半導體基板
12‧‧‧下表面
14‧‧‧上表面
16‧‧‧晶種層
18‧‧‧絕緣層
20‧‧‧開口
22‧‧‧接線
24‧‧‧殼體
26‧‧‧導電層
28B‧‧‧光致發光塗層
28G‧‧‧光致發光塗層
28R‧‧‧光致發光塗層
30‧‧‧封裝層
32‧‧‧濾光片

Claims (14)

  1. 一種光電裝置(5；55；60)，包含：發光二極體(LED)，每個發光二極體包含對應於一奈米線、一微米線、及/或一奈米或微米範圍之角錐結構的一半導體元件(22)，並且一殼體(24)至少部分覆蓋該半導體元件並且適用於發射一輻射；以及針對每個發光二極體，一光致發光塗層(28R、28G、28B)包含一單個量子井、多個量子井(44)或一雙異質結構，覆蓋該殼體之至少部分並與該殼體相接觸或與該半導體元件相接觸，並且適用於藉由光激升將由該殼體發射之該輻射轉換為另一輻射。
  2. 如請求項1所述之光電裝置，其中該等發光二極體(LED)適用於發射於一第一波長之一第一輻射並且其中該等光致發光塗層(28R、28G、28B)包含適用於藉由光激升將該第一輻射轉換為於一第二波長的一第二輻射的第一光致發光塗層(28B)、適用於藉由光激升將該第一輻射轉換為於一第三波長的一第三輻射的第二光致發光塗層(28G)、以及適用於藉由光激升將該第一輻射轉換為於一第四波長的一第四輻射的第三光致發光塗層(28R)。
  3. 如請求項1或2所述之光電裝置，其中每個半導體元件(22)包含橫向側面及一頂面，並且其中該 等光致發光塗層(28R、28G、28B)及該等殼體(24)覆蓋該等半導體元件的該等橫向側面及頂面。
  4. 如請求項1或2所述之光電裝置，其中每個半導體元件(22)包含橫向側面及一頂面，其中該等殼體(24)覆蓋該等半導體元件之該等橫向側面且不覆蓋該等半導體元件之該等頂面，並且其中該等光致發光塗層(28R、28G、28B)覆蓋該等半導體元件之該等頂面且不覆蓋該等半導體元件之該等橫向側面。
  5. 如請求項1所述之光電裝置，針對每個發光二極體(LED)，包含與該殼體(24)相接觸的一導電層(26)。
  6. 如請求項5所述之光電裝置，針對每個發光二極體(LED)，其中該導電層(26)由一反射層(62)覆蓋。
  7. 如請求項5所述之光電裝置，其中該導電層(26)包含一隧道接面結構。
  8. 如請求項2所述之光電裝置，進一步包含放置在該基板(10)上，至少部分由至少用於該等第二、第三及第四輻射之一反射材料製成，並且圍繞該等發光二極體(LED)的壁(52)。
  9. 如請求項2所述之光電裝置，進一步包含覆蓋該等光致發光塗層(28R、28G、28B)並且適用 於阻擋該第一輻射並讓該等第二、第三及第四輻射通過的一濾光片(32)。
  10. 如請求項2所述之光電裝置，其中該第一波長係在從360nm至430nm之該範圍中，其中該第二波長係在從440nm至490nm之該範圍中，其中該第三波長係在從510nm至570nm之該範圍中，並且其中該第四波長係在從610nm至720nm之一範圍中。
  11. 如請求項2所述之光電裝置，其中該等光致發光塗層進一步包含適用於藉由光激升將該第一輻射轉換為於一第五波長的一第五輻射的第四光致發光塗層。
  12. 如請求項11所述之光電裝置，其中該第五波長係在從570nm至600nm之該範圍中。
  13. 一種製造如請求項1所述之一光電裝置(5；55；60)的方法，包含以下相繼步驟：a)形成該等發光二極體(LED)；以及b)形成該等光致發光塗層(28R、28G、28B)。
  14. 如請求項13所述之方法，包含以下步驟：在步驟b)之前，形成覆蓋該等殼體(24)之導電層(26)；在步驟b)之前，移除位於該等半導體元件(22)的頂部之該等導電層及該等殼體(24)；以及於該等半導體元 件之頂部形成該等光致發光塗層(28R、28G、28B)。
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