TWI814690B - 微型發光二極體結構及顯示面板裝置 - Google Patents

微型發光二極體結構及顯示面板裝置 Download PDF

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Abstract

本發明係一種微型發光二極體結構及顯示面板裝置，該微型發光二極體結構係主要包含相互疊合的一第一型半導體層、一發光層、一第二型半導體層以及一基底層。發光層的寬度大於第一型半導體層的寬度以及第二型半導體層的寬度，且基底層的寬度係至少大於第二型半導體層的寬度。本發明亦公開一種混合乾式蝕刻與濕式蝕刻的微型發光二極體結構製造方法，除了縮短半導體層在濕式蝕刻製程中接觸蝕刻液的時間，以提高蝕刻穩定度外，更可避免乾式蝕刻所造成的側壁之懸浮鍵(Dangling bond)效應，同時兼具二種蝕刻方式的優勢，進一步提高外部量子效率。

Description

微型發光二極體結構及顯示面板裝置
本發明係關於一種發光二極體結構，尤指一種混合乾式蝕刻與濕式蝕刻而形成的微型發光二極體結構。
現有微型發光元件的製程中，大多以乾式蝕刻或是濕式蝕刻來將磊晶晶圓切割成多個微型發光二極體結構，而其中乾式蝕刻係利用反應離子之電漿蝕刻該磊晶晶圓，為一種非等向性蝕刻；濕式蝕刻則是利用化學蝕刻液蝕刻該磊晶晶圓，為一種等向性蝕刻。
乾式蝕刻的優勢在於容易切割出接近預設尺寸的微型發光二極體結構；然而，乾式蝕刻會使微型發光二極體的分子結構受到破壞，位於側壁上的一部分原子因為失去鍵結對象而形成懸浮鍵。由於懸浮鍵具有極高的活性而易與空氣中的氧原子形成鍵結，導致當微型發光二極體結構被驅動時，這些懸浮鍵會造成發光層的電子電洞對的SRH非輻射複合(Schottky-Read-Hall non-radiative recombination)增加，使外部量子效率下降，降低發光效率。同時，其他膜層的側壁損傷也會影響微型發光二極體的電性表現，包括漏電或其引發的其他問題。
另一方面，濕式蝕刻雖可以避免上述非輻射複合問題，但製程穩定性較差；又基於濕式蝕刻為等向性，使得微型發光二極體結構的平面尺寸因為過度蝕刻而縮小，不易控制與預設的圖案化尺寸一致。
綜上所述，無論採取乾式或濕式蝕刻，均會引發微型發光二極體結構的各種問題，故有必要改良之。
有鑑於上述經乾式或濕式蝕刻切割而成的微型發光二極體結構均有外部量子效率降低的問題，本發明係提出一種改良的微型發光二極體結構及顯示面板裝置，以提升外部量子效率。
欲達上述目的，本發明所使用的主要技術手段係令上述微型發光二極體結構包含： 一第一型半導體層，在該微型發光二極體結構的橫截面上具有一第一寬度； 一第二型半導體層，係設置在該第一型半導體層的一側，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有一第二寬度； 一發光層，係設置在該第一型半導體層及該第二型半導體層之間，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有大於該第一寬度及該第二寬度的一第三寬度；以及 一基底層，係設置在該第二型半導體層遠離該第一型半導體層的一側，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有大於該第二寬度的一第四寬度。
本發明微型發光二極體結構的該基底層的該第四寬度係至少大於該第二型半導體層的該第二寬度，而如此結構關係主要先以乾式蝕刻切割出該基底層，再以濕式蝕刻依序蝕刻出該第二型半導體層、該發光層及該第一型半導體層而成。如此，由於該基底層係先經乾式蝕刻切割而成，可減少因為全段濕式蝕刻的時間較長而對各個膜層的不利影響。此外，又由於濕式蝕刻可提供側壁表面的分子結構發生反應而重新鍵結的條件，因此能夠減少乾式蝕刻留下的懸浮鍵，提升該微型發光二極體的外部量子效率。
欲達上述目的，本發明所使用的主要技術手段係令上述顯示面板裝置包含：一驅動基板及上述多數個微型發光二極體結構；其中該些微型發光二極體結構係分別電性接合該驅動基板而被該驅動基板驅動。
本發明顯示面板裝置係將上述多數個微型發光二極體結構電性接合該驅動基板；由於微型發光二極體結構兼具二種蝕刻方式的優勢，經驅動基板驅動後，可提高外部量子效率，以提升顯示面板裝置的整體發光效率。
本發明係一種改良的微型發光二極體結構及顯示面板裝置，以下謹以多個實施例詳加說明本發明的技術內容。
首先，請參閱圖1，係為本發明之微型發光二極體結構10，於圖式中微型發光二極體結構10設置於一基板30上，且由上至下主要包含有一基底層14、一第二型半導體層12、一發光層13以及第一型半導體層11；於本實施例，微型發光二極體結構10可進一步在第一型半導體層11遠離第二型半導體層12的一側再向下疊合一窗層15，且第一型半導體層11與窗層15間可能因磊晶製程中而衍生出一間隔層SL(spacer layer)。
以下進一步說明上述微型發光二極體結構10係由下述之步驟(a)至(h)切割一磊晶晶圓而成。
於步驟(a)中，如圖2A所示，一磊晶完成的磊晶晶圓100係由下至上包含有一基底層140、一第二型半導體層120、一發光層130、一第一型半導體層110、一間隔層SL’以及一窗層150。於步驟(a)中，將磊晶晶圓100自一第一基板200上分離。此處，第一基板200通常指磊晶晶圓100的磊晶生長基板，並可藉由例如雷射汽化一部分的基底層140來實現上述分離。於本實施例，磊晶晶圓100係以紅光發光二極體磊晶製程進行磊晶，為一磷化鋁銦材料的多元化合物，其中基底層140可具體包含更多材料，例如但不限於磷化鋁銦鎵(AlGaInP)；為使基底層14可導電，基底層14可以包含N型摻雜之磷化鋁銦鎵(N-AlGaInP)。第二型半導體層120可包含磷化鋁銦(AlInP)材料，具體可包含N型摻雜之磷化鋁銦(N-AlInP)，以作為一N型披覆層(N-type cladding layer)，但不以此為限。發光層13及基底層14可以為相同材料，而發光層13可為一多重量子阱層(Multi-quantum well)。第一型半導體層110可包含磷化鋁銦(AlInP)材料，具體可包含P型摻雜之磷化鋁銦(P-AlInP)，以作為一P型披覆層(P-type cladding layer)，但不以此為限。第一及第二型半導體層110、120各自包含的鎵元素的含量遠低於發光層13或基底層14中之鎵元素的含量，或是完全不含有鎵元素。在此所述鎵元素的含量係為鎵元素的濃度，即單位體積內的鎵原子數。窗層150可以包含磷化鎵(GaP)材料。間隔層SL’可以為P型摻雜之磷化鋁銦鎵(P-AlGaInP)，並作為磊晶晶圓100生長時的晶格常數過渡層。然而應理解的是，磊晶晶圓100所選用的材料可以是各式各樣的，並且這些材料的變化並不影響本發明的實現。
於步驟(b)中，如圖2B所示，將步驟(a)的磊晶晶圓100予以上、下翻轉後設置在一第二基板300上；於一實施例，第二基板300可為一不具電路的一暫時性基板(temporary carrier)，故第二基板300可先塗佈一接著層310後，再供倒置後的磊晶晶圓100朝下的窗層150黏著於第二基板300上，如圖2C所示。當然，根據實際情況不同，此處的步驟(b)並不是必要的。例如在其他的實施例中，磊晶晶圓100也可以不經過翻轉、且在未與第一基板200分離的狀態下直接執行以下的步驟。或者，基於製程的其他需求，步驟(b)可能被執行二次以上，此時第二基板300有可能出現在磊晶晶圓100的不同側。
於步驟(c)中，如圖2C所示，係塗佈一第一光阻層40於磊晶晶圓100最上層的基底層140上，再曝光及顯影第一光阻層40，以形成一第一遮罩圖案41於基底層140上。
於步驟(d)中，如圖2D所示，係以第一遮罩圖案41為遮罩，向下乾式蝕刻磊晶晶圓100未被遮罩的部分，即可向下乾式蝕刻磊晶晶圓100的基底層140及第二型半導體層120，再配合圖2E所示，直到發光層130之頂面為止，形成蝕刻區域101，以切割出多個相互分離的基底層14以及第二型半導體層12。此處，磊晶晶圓100的乾式蝕刻深度也可未達到暴露出發光層130的程度；例如圖3A所示，乾式蝕刻可以僅達到基底層140的部分厚度為止，或可如圖3B所示，繼續向下蝕刻直到第二型半導體層120之頂面露出為止，又或可如圖3C所示，進一步向下蝕刻部分的第二型半導體層120。
於步驟(e)中，如圖2F與圖2G所示，係同樣以該第一遮罩圖案41為遮罩，改以濕式蝕刻繼續向下蝕刻，即蝕刻液會沿著蝕刻區域101向下蝕刻發光層130、第一型半導體層110及間隔層SL’，直到窗層150之頂面為止，以切割出多個相互分離的發光層13、第一型半導體層11及間隔層SL。此外，本實施例所選用的蝕刻液具有如後特徵：對圖2A所示之第一型半導體層110及第二型半導體層120之材料具有高選擇性，對發光層130、基底層140、間隔層SL’及窗層150之材料具有低選擇性。因此，從圖2D執行濕式蝕刻直至完畢後，結果如圖2G所示，各第二型半導體層12之第二寬度W2及各第一型半導體層11之第一寬度W1係小於其對應發光層13之第三寬度W3、基底層14之第四寬度W4及間隔層SL之寬度，而窗層150為蝕刻終點，故不會被濕式蝕刻蝕穿。第一型半導體層11的第一寬度W1及第二型半導體層12的第二寬度W2皆可大於或等於發光層13的第三寬度W3的70%，且較佳在第三寬度W3的80%以上。再者，由圖2G中各層的位置可知，由於第二型半導體層120係較第一型半導體層110先接觸蝕刻液，故各第二型半導體層12的第二寬度W2係小於對應第一型半導體層11的第一寬度W1；同理，各基底層14係先後經乾式、濕式蝕刻，故各基底層14的第四寬度W4係小於對應發光層13的第三寬度W3；換言之，基底層14的第四寬度W4是介於第一型半導體層11的第一寬度W1及發光層13的第三寬度W3之間。另配合圖1所示，發光層13的周側均可相對第一及第二型半導體層11、12側向突出而具有外延部分131，且外延部分131暴露出發光層13的上側表面的一部分及其下側表面的一部分。側向突出的外延部分131所發出之光不會被第一及第二型半導體層11、12吸收，可有效提高發光層的光取出率，進一步提升微型發光二極體結構的發光效率。
另外，由於第二型半導體層12較第一型半導體層11與發光層13更早接觸蝕刻液，為了避免第二型半導體層12的第二寬度W2因為蝕刻時間過長而過度縮小，第一型半導體層11的第一厚度T1與發光層13的第三厚度T3可具有較薄的厚度。例如，第一厚度T1與第三厚度T3的總和可較佳地小於基底層14的第二厚度T2。並且，上述厚度總和也可小於第二型半導體層12的厚度。亦即，在磊晶製程階段，第一型半導體層11可以相較於第二型半導體層12遠離磊晶生長基板，且具有比第二型半導體層12更薄的厚度，藉以縮短第一型半導體層11所需的濕式蝕刻製程的時間。另請再留意：基於製程中選擇如圖3A或圖3C的不同乾式蝕刻深度，在這些狀態下開始濕式蝕刻的最終第四寬度W4及第二寬度W2會具有變化。也就是說，乾式蝕刻的深度會直接影響各個膜層在後續濕式蝕刻作用下的暴露時間，而由於濕式蝕刻的等向蝕刻特性，這些膜層的寬度也會因為反應時間的不同而改變。再以經紅光發光二極體磊晶製程的磊晶晶圓100為例，上述蝕刻液可選用鹽酸及磷酸之混合溶液，其會與鋁元素(Al)及銦元素(In)反應，而不會與鎵元素(Ga)反應，故蝕刻液係對第一型半導體層110及第二型半導體層120之材料(磷化鋁銦，AlInP)具有高選擇性，對發光層130、基底層140及間隔層SL’之材料(磷化鋁鎵銦，AlGaInP)具有低選擇性，對窗層150之材料(磷化鎵，GaP)則幾乎不具選擇性。
於步驟(f)中，如圖2F及圖2G所示，係移除第一光阻層40。
於步驟(g)中，如圖2H所示，係先塗佈一第二光阻層50於磊晶晶圓100上，再曝光及顯影第二光阻層50，以形成一對應圖2G所示之蝕刻空間102的第二遮罩圖案51，故於窗層150上形成蝕刻區域52。
於步驟(h)中，如圖2H與圖2I所示，係以第二遮罩圖案51為遮罩，沿蝕刻區域52向下乾式蝕刻窗層150未被遮罩的部分，切割出多個相互分離的窗層15。其中，由於第二遮罩圖案51完全覆蓋至發光層13之側壁邊緣以外的區域，且乾式蝕刻為非等向性蝕刻，故被乾式蝕刻所切割出的各窗層15的第五寬度W5係大於基底層14的第四寬度W4、第二型半導體層12的第二寬度W2、發光層13的第三寬度W3及第一型半導體層11的第一寬度W1。
請繼續參閱圖2H及圖2I，於步驟(g)中，係移除第二光阻層50，以形成多個微型發光二極體結構10。
請參閱圖2I與圖4，係為本發明另一實施方式的顯示面板裝置60的示意圖。在完成圖2I所示的圖案化蝕刻製程並得到多個微型發光二極體結構10後，可進一步在這些微型發光二極體結構10的表面上沉積電極103以及絕緣層104。此處，窗層15和基底層14可分別為具摻雜而可導電的半導體層，而二個電極103設置在基底層14的一側，並且分別連接窗層15和基底層14，藉以完成第一型半導體層11和第二型半導體層12的歐姆接觸。窗層15的連接可以藉由圖4中的導電通孔105來實現。然而，第一型半導體層11和第二型半導體層12的歐姆接觸形式並不限於此處所舉例。
如前述說明，圖2I所示的第二基板300可為一不具電路的一暫時性基板。在圖4中，本實施方式為進一步將這些微型發光二極體結構10轉移至一驅動基板70上。驅動基板70的各個接合位置具有接墊71，用以電性接合各個微型發光二極體結構10並對其驅動、控制。在圖4中，微型發光二極體結構10的方位與圖2I為上下倒置，且圖2I中的第二基板300在轉移完成後被移除（例如汽化接著層310）。另外，各個微型發光二極體結構10係以基底層14遠離第二型半導體層12的一側朝向驅動基板70。需要說明的是，基於製程選擇的不同，二個電極103的位置可能並不總是位於基底層14的一側，故此處的方位關係亦不構成對本實施方式的限制。
由上述說明可知，本發明微型發光二極體結構是先以乾式蝕刻切割出基底層，再以濕式蝕刻依序蝕刻基底層及切割出第二型半導體層、發光層及第一型半導體層，故基底層的第四寬度係至少大於第二型半導體層的第二寬度。由於基底層係先經乾式蝕刻切割而成，故於後續濕式蝕刻中，基底層、第二型半導體層及發光層接觸蝕刻液的時間短，使得設置於基底層之下的第二型半導體層、發光層以及第一型半導體層不因蝕刻時間過長而導致微型發光二極體結構的尺寸縮小過多，且微型發光二極體結構的尺寸也易於控制與預設尺寸一致。此外，由於磊晶晶圓在乾式蝕刻後仍以濕式蝕刻完成圖形定義，所以各個微型發光二極體結構的側壁係經過濕式蝕刻反應，可減少各個膜層之側壁的懸浮鍵，也可再提升微型發光二極體的外部量子效率。因此，本發明藉由在圖案化製程中混合乾式蝕刻與濕式蝕刻，可兼具乾式蝕刻的穩定性優勢以及濕式蝕刻消除懸浮鍵的效果，並且同時避免這兩種蝕刻方式的缺點。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而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，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
10:微型發光二極體結構 100:磊晶晶圓 101:蝕刻區域 102:蝕刻空間 103:電極 104:絕緣層 105:導電通孔 11、110:第一型半導體層 12、120:第二型半導體層 13、130:發光層 131:外延部分 14、140:基底層 15、150:窗層 200:第一基板 30:基板 300:第二基板 31、310:接著層 40:第一光阻層 41:第一遮罩圖案 50:第二光阻層 51:第二遮罩圖案 52:蝕刻區域 60:顯示面板裝置 70:驅動基板 71:接墊 SL、SL’:間隔層 T1:第一厚度 T2:第二厚度 T3:第三厚度 W1:第一寬度 W2:第二寬度 W3:第三寬度 W4:第四寬度 W5:第五寬度
圖1：本發明微型發光二極體結構於橫截面的剖面圖。 圖2A至圖2I：本發明微型發光二極體結構之不同製程步驟的剖面圖。 圖3A至圖3C：於圖2C之乾式蝕刻步驟後之不同蝕刻深度的剖面圖。 圖4：本發明另一實施方式的顯示面板結構的示意圖。
10:微型發光二極體結構
11:第一型半導體層
12:第二型半導體層
13:發光層
131:外延部分
14:基底層
15:窗層
30:基板
31:接著層
SL:間隔層
T1:第一厚度
T2:第二厚度
T3:第三厚度
W1:第一寬度
W2:第二寬度
W3:第三寬度
W4:第四寬度
W5:第五寬度

Claims (15)

  1. 一種微型發光二極體結構，包含： 一第一型半導體層，在該微型發光二極體結構的橫截面上具有一第一寬度； 一第二型半導體層，係設置在該第一型半導體層的一側，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有一第二寬度； 一發光層，係設置在該第一型半導體層及該第二型半導體層之間，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有大於該第一寬度及該第二寬度的一第三寬度；以及 一基底層，係設置在該第二型半導體層遠離該第一型半導體層的一側，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有大於該第二寬度的一第四寬度。
  2. 如請求項1所述之微型發光二極體結構，其中該第一型半導體層遠離該基底層的一側係設置在一基板上，且該第二寬度小於該第一寬度。
  3. 如請求項1所述之微型發光二極體結構，其中該第一型半導體層係為一P型披覆層，該第二型半導體層係為一N型披覆層，且該第一寬度係小於該第四寬度。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之微型發光二極體結構，其中在該微型發光二極體結構之橫截面中，該第二型半導體層的該第二寬度或該基底層的該第四寬度具有變化。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之微型發光二極體結構，係包含磷化鋁銦鎵材料，且該發光層所發出之光的顏色為紅色。
  6. 如請求項5所述之微型發光二極體結構，其中該發光層中之鎵元素的含量係高於該第一型半導體層以及該第二型半導體層中之鎵元素的含量。
  7. 如請求項3所述之微型發光二極體結構，其中該基底層中之鎵元素的含量係高於該第二型半導體層中之鎵元素的含量，且該第四寬度係介於該第一寬度及該第三寬度之間。
  8. 如請求項7所述之微型發光二極體結構，其中該發光層及該基底層係以相同材料所製。
  9. 如請求項1所述之微型發光二極體結構，係進一步包含一窗層，其係設置在該第一型半導體層遠離該基底層的一側，且在該微型發光二極體結構的橫截面上，該窗層的一第五寬度係大於該第一寬度、該第二寬度、該第三寬度及該第四寬度。
  10. 如請求項1至3中任一項所述之微型發光二極體結構，其中在該微型發光二極體結構的橫截面中，該發光層之至少二側係相對該第一型半導體層及該第二型半導體層側向地突出而具有一外延部分，各該外延部分係暴露出該發光層的上側表面的一部分及其下側表面的一部分。
  11. 如請求項1至3中任一項所述之微型發光二極體結構，其中該第一寬度及該第二寬度皆大於或等於該第三寬度的70%。
  12. 如請求項1至3中任一項所述之微型發光二極體結構，其中在該微型發光二極體結構的橫截面中，該第一型半導體層具有一第一厚度，該基底層具有一第二厚度，且該發光層具有一第三厚度；其中該第一厚度與該第三厚度的總和係小於該第二厚度。
  13. 如請求項2所述之微型發光二極體結構，其中該基板係為一不具電路的暫時性基板，該基板係進一步包含一接著層，且該微型發光二極體結構係經由該接著層設置在該基板。
  14. 一種顯示面板裝置，包含： 一驅動基板；以及 多數個微型發光二極體結構，係分別電性接合該驅動基板而被該驅動基板驅動，各該微型發光二極體結構包含： 一第一型半導體層，在該微型發光二極體結構的橫截面上具有一第一寬度； 一第二型半導體層，係設置在該第一型半導體層的一側，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有一第二寬度； 一發光層，係設置在該第一型半導體層及該第二型半導體層之間，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有大於該第一寬度及該第二寬度的一第三寬度；以及 一基底層，係設置在該第二型半導體層遠離該第一型半導體層的一側，且在該微型發光二極體結構的橫截面上具有大於該第二寬度的一第四寬度。
  15. 如請求項14所述之顯示面板裝置，其中該基底層為一半導體層，且該基底層遠離該第二型半導體層的一側係朝向該驅動基板。
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