TWI829038B - 電壓可控的單片原生ｒｇｂ陣列 - Google Patents

電壓可控的單片原生ｒｇｂ陣列 Download PDF

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Abstract

一種發光二極體裝置，包括：p型區域；n型區域；柵極接點；第一發光區域，使從p型區域以及n型區域注入的載流子複合；以及第二發光區域，使從p型區域以及n型區域注入的載流子複合，其中第一發光區域以及第二發光區域至少部分重疊以形成關聯於第一發光區域以及第二發光區域的發光表面；其中p型區域至少部分形成於通過第一發光區域以及第二發光區域的第一通道，並且n型區域至少部分形成於通過第一發光區域以及第二發光區域的第二通道，其中發光二極體裝置經配置以使發光表面所發出的光的波長可藉由改變由柵極接點施加於p型區域以及n型區域的其中之一的柵極電壓而控制，從而改變從p型區域以及n型區域注入第一發光區域以及第二發光區域的載流子。

Description

電壓可控的單片原生RGB陣列
本發明是有關於一種發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)裝置結構與形成發光二極體裝置結構的方法，且特別但不僅是有關於一種發光波長可由電壓控制的原生LED裝置。
傳統的紅綠藍(RGB)微型發光二極體(μLED)發光像素陣列通常使用取放技術或通過使用沉積或整合到標準平面LED結構中的顏色轉換材料來實現。然而，當此類陣列中的像素間距減小到非常小的間距(例如，小於5μm)以提供更高解析度的陣列時，會出現許多困難。
例如，由於轉移μLED時的高成本、低吞吐量和位置精度的限制，使用拾取和放置並不切實際。在使用顏色轉換的情況下，這種技術受到用於顏色轉換的螢光粉尺寸的限制，該尺寸通常大於10μm(即，大於用於高解析度的極小間距陣列中的像素間距)。 此外，由於與量子點(Quantum Dots，QDs)相關的小吸收係數，顏色轉換技術可能會受到較差的可靠性和低效率的影響。例如，超過10μm的顏色轉換QD材料的厚度被完全用於吸收激發它們的藍色射線，因此使其不適用於非常小像素間距的陣列。
為了避免必須轉移LED，並且為了提供高品質的高效發射，在同一基板上提供LED的原生陣列將是有益的。在同一基板上構建LED原生陣列的一種方法是依靠奈米線(nanowires)的選擇性區域生長，奈米線是實質上垂直於圖案化生長基板生長的獨立結構的陣列，以形成發光結構，其中發光表面由使用典型磊晶量子阱結構生長在磊晶n型和p型摻雜層之間的奈米線的橫截面積來定義。然而，這種奈米線的生長通常難以控制，並且例如可能因為光提取效率差和雜質摻入而嚴重限制可實現的光效率和色域。
為了減少至少部分的上述問題，本發明提出一種發光二極體裝置，包括：p型區域；n型區域；柵極接點；第一發光區域，使從p型區域以及n型區域注入的載流子複合；以及第二發光區域，使從p型區域以及n型區域注入的載流子複合，其中第一發光區域以及第二發光區域至少部分重疊以形成關聯於第一發光區域以及第二發光區域的發光表面；其中p型區域至少部分形成於通過第一發光區域以及第二發光區域的第一通道，並且n型區域至少部分形成於通過第一發光區域以及第二發光區域的第二通道， 其中發光二極體裝置經配置以使發光表面所發出的光的波長可藉由改變由柵極接點施加於p型區域以及n型區域的其中之一的柵極電壓而控制，從而改變從p型區域以及n型區域注入第一發光區域以及第二發光區域的載流子。
亦提供了一種形成發光二極體結構的方法，所述發光二極體結構包括：p型區域；n型區域；柵極接點；第一發光區域，使從p型區域以及n型區域注入的載流子複合；以及第二發光區域，使從p型區域以及n型區域注入的載流子複合，其中第一發光區域以及第二發光區域至少部分重疊以形成關聯於第一發光區域以及第二發光區域的發光表面，所述方法包括在通過第一發光區域以及第二發光區域的第一通道至少部分形成p型區域，以及在通過第一發光區域以及第二發光區域的第二通道至少部分形成n型區域，其中發光二極體裝置經配置以使發光表面所發出的光的波長可藉由改變由柵極接點施加於p型區域以及n型區域的至少其中之一的柵極電壓而控制，從而改變從p型區域以及n型區域注入第一發光區域以及第二發光區域的載流子。
有利地，單片生長原生氮化鎵(GaN)基發光結構的順序可以改良陣列中空間的使用，因為發光區域有效地堆疊而不是並排。有益地，與顏色轉換的像素相比，原生可以製成更小、更有效且更耐退化的像素。有益地，與取放組裝相比，這種結構通過在晶圓上形成陣列而非將數百萬像素轉移到基板上而形成具有更高產量的陣列。
較佳地，發光二極體裝置包括第三發光區域，至少部分與第一發光區域以及第二發光區域重疊以形成發光表面，其中p型區域至少部分形成於通過第三發光區域的第一通道，並且n型區域至少部分形成於通過第三發光區域的第二通道，其中發光二極體裝置經配置以使發光表面所發出的光的波長可藉由改變由柵極接點施加於p型區域以及n型區域的至少其中之一的柵極電壓而控制，從而改變從p型區域以及n型區域注入第一發光區域、第二發光區域以及第三發光區域的載流子。有利地，此結構可用於提供紅色、綠色和藍色的光發射，使得以這種方式形成的結構和陣列適用於諸如高解析度發光顯示器等的全彩顯示器。
較佳地，第一通道以及第二通道是至少部分定義發光表面的周邊的通孔。有利地，使用至少部分地定義周邊的通孔意味著像素之間不需要電性隔離的蝕刻。有益地，陰極網格圍繞每個像素，這些像素更較佳地通過諸如無摻雜GaN等無摻雜材料在頂部和底部隔離，從而允許更緊密的像素整合。
較佳地，改變柵極電壓會改變第一通道與第二通道中的耗盡深度。有利地，柵極電壓的控制使得能夠不同波長的光從此結構中發射出。這樣的顏色控制能夠提供多色顯示器。
較佳地，發光二極體裝置包括磊晶半導體結構，其中第一發光區域、第二發光區域以及第三發光區域的至少其中之一包括一或多個磊晶半導體層，較佳地，其中第一發光區域、第二發光區域以及第三發光區域的其中之一包括至少一個磊晶量子阱層。有 利地，與發光奈米線的形成相比，標準平面磊晶生長/沉積製程可用於形成提供更高內部量子效率(internal quantum efficiency，IQE)的多量子阱(multiple quantum well，MQW)。此裝置的平面特性也有助於使用標準表面圖案化技術而有更好的光提取。
較佳地，p型區域及/或n型區域包括平面層。有利地，同時使用平面層來提供後續生長的基礎以及例如用來作為共電極的共用電通路。
較佳地，柵極接點是對應於由發光表面定義的像素的環形接點，較佳地，其中環形接點形成多邊形或圓形接點的其中之一。有利地，環形接點實現了到發光二極體結構中的均勻地電性注入，因而實現來自所關聯像素的均勻光分佈。
較佳地，與第二發光區域所發出的光相比，第一發光區域所發出的光具有不同的主峰值波長。有利地，這提供了多色輸出。
較佳地，第一發光區域與第二發光區域由無摻雜區域所分隔開。有利地，無摻雜區域減少了結構中的載流子擴散。
亦提供了一種包括多個發光二極體裝置的發光二極體裝置的陣列。有利地，每一個發光二極體裝置都提供多種波長輸出的陣列意味著可提供高解析度、緊密整合的發光二極體顯示器。
較佳地，陣列包括多個像素，其中這些像素對應於發光二極體裝置的發光表面區。有利地，可以提供具有小、高密度像素的全色發射顯示，從而形成高解析度顯示器。
較佳地，多個發光二極體裝置中的至少兩個共用p型區 域或n型區域，以形成共電極。有利地，共電極是一個生長層，其構成了高品質整合生長的一部分，同時為結構的電性連接提供了更多的多功能性。
較佳地，共電極位於陣列上柵極接點的相反側。有利地，可實現更緊密的像素整合。
本發明的其他方面可見於實施方式與所附申請專利範圍。
100A、100B、100C、100D、100E、100F、600A:結構
102:基板
104、602:n型區域
106:無摻雜區域
108:第一阻擋區域
110:超晶格結構
112:第一發光區域
114:第二阻擋區域
116:第二發光區域
118:第三阻擋區域
120:第三發光區域
122:介電層
124、126:通道/通孔
128:n型越界生長
130:p型越界生長
132:介電區域
134、608:柵極接點
136:p型接點
138:發光表面
140:尺寸
142:金屬網格
200、500A、500C、600B:平面圖
202:發光像素
300、400:發光二極體裝置
302、304、402、404、610:箭頭
500、502A、502B、502C、502D、502E、502F、502G:平台
502:周邊
604:p型區域
606:陽極接點
612:區域
圖1A顯示磊晶結構的剖面圖。
圖1B顯示經進一步處理的圖1A的磊晶結構的剖面圖。
圖1C顯示經進一步處理的圖1B的磊晶結構的剖面圖。
圖1D顯示經進一步處理的圖1C的磊晶結構的剖面圖。
圖1E顯示經進一步處理的圖1D的磊晶結構的剖面圖。
圖1F顯示經進一步處理的圖1E的磊晶結構的剖面圖。
圖2顯示發光裝置陣列的平面圖。
圖3顯示載流子注入圖1E的磊晶結構的剖面圖。
圖4顯示載流子注入圖1E的磊晶結構的剖面圖。
圖5A顯示磊晶結構中形成的平台的剖面圖。
圖5B顯示圖5A的平台的平面圖。
圖5C顯示基於符號顯示的平面圖。
圖6A顯示經進一步處理的圖5A的平台的剖面圖。
圖6B顯示圖6A的經處理平台的平面圖。
發光二極體(LED)通常是通過加工發光結構形成的，這些發光結構是通過在反應器(例如，金屬有機化學氣相沉積(metalorganic chemical vapour deposition，MOCVD)反應器、分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)反應器或其他化學氣相沉積反應器)中相對較大的晶圓基板上形成磊晶晶體層而生長的。由於上述原因，用於製造發光裝置陣列(例如高解析度微型LED陣列)的已知方法，對在相對大的晶圓基板上長晶所產生的LED進行加工，以提供用於高解析度陣列的微型LED時會面臨到困難。使用奈米線LED陣列來克服這些加工上的問題會導致生長過程的控制困難，且通常會比傳統在較大的LED晶圓基板上的生長有較差的性能。
本揭露描述了形成為單片高解析度陣列的一部分的LED，有利地，其可通過處理能在較大晶圓基板上生長的發光結構來形成。有益地，與顏色轉換的像素相比，可以形成更小、更高效且更抗退化的原生顏色像素。與取放組裝相比，直接處理在晶圓上生長的磊晶結構意味著不需要轉移數百萬像素(也不需要發生轉移過程中的相關故障)，因此通過在晶圓上形成像素陣列可以提高產量。與奈米線相比，標準平面磊晶沉積層生長的處理意味著多量子阱(multiple quantum wells，MQWs)能以提供高品質生長而具有較 高內部量子效率(internal quantum efficiency，IQE)的方式形成。此外，磊晶結構的處理提供了更好地利用標準表面圖案化技術進行光提取的平面裝置。
有益地，參照圖1至圖6，圖中提供了磊晶層結構，其中發藍色、綠色和紅色光的MQWs依序堆疊而不使用任何p型包覆。在一個例子中，與MQW區域相交且定義像素周邊的n型GaN網格通孔通過蝕刻和選擇性區域生長步驟順序提供。P-GaN通孔也由類似的步驟順序提供。電子和電洞注入是通過橫向直接注入量子阱(quantum wells，QWs)來完成的。在一個例子中，介電絕緣層被沉積在n型GaN網格通孔上以使n型GaN網格與沈積在網格上的環形柵極電性絕緣。以環形金屬柵極、電介質和n型GaN通孔的順序形成環形金屬-絕緣體-半導體場效應電晶體(metal-insulator-semiconductor field-effect transistor，MIS-FET)。網格通孔中的n型摻雜以及MIS-FET中絕緣體的厚度使得負電壓施加在環形柵極接點和與n型GaN歐姆接觸的陰極接點之間，逐漸耗盡n型網格通孔的自由電子。通過控制柵極電壓，可以將電流引導到結構中的不同深度，從而在結構中的不同深度為MQW提供能量。因此，施加到每個環形柵極的電壓可用於獨立地調整來自每個像素的射線顏色。
有利地，具有關聯於不同發光波長的多個重疊發光區域的堆疊結構允許像素更緊密的整合，因為相同像素可以發射三種顏色，而不是使發射紅色、綠色或藍色光的獨立像素並行排列。
由所描述的方法和結構產生的其他優點將可見於以下描述中。以下參考各種處理步驟描述提供微型LED陣列的方法(處理步驟可以包括使用其他處理和/或生長設備在生長反應器內和生長反應器外部執行的步驟)。所述方法和結構是參考III-V族半導體材料進行描述。特別是，所述方法和結構的描述是參考氮化物結構，包括氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)基的發光結構，其是習知相對高效率的發光結構。然而，在其他例子中，這些方法和結構適用於基於其他材料的發光結構，特別是基於其他化合物半導體材料的發光結構，例如其他III-V族化合物半導體材料和II-VI族化合物半導體材料。
在以下附圖中，使用相同的附圖標記來說明關聯於相同或等效特徵的結構部分，其可由相同或類似過程來提供。
圖1A顯示了結構100A，其是可以形成LED像素陣列的基礎的磊晶結構100A。這樣的LED像素陣列可具有多個單獨的像素，其中像素可以以此LED像素陣列連接到電源的方式來單獨尋址(例如，取決於背板相對於LED像素陣列的佈置)。由定義區域的多個層形成的磊晶生長結構100A包括用於發射具有不同波長的光的原生發光區域的有效疊層。適當處理磊晶生長結構100A能夠生產適用於顯示器的像素，其中像素具有發光表面，此發光表面發出的光的波長取決於經處理的發光結構的適當電壓控制。
結構100A是氮化鎵(GaN)基的磊晶結構，其包括由金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長的多個量子阱(MQWs)，其 實際上是原生LED結構。有益地，可以使用已知技術提供可加工以提供LED陣列的高品質材料。
在圖1A中顯示了n型摻雜(n-GaN)的n型區域104，並且無摻雜區域106(無蓄意摻雜的GaN)生長在n型區域104上。n型區域104形成在基板102上並且大約500奈米厚，摻雜濃度為8×1018at/cm3。在其他例子中，n型區域104具有不同的厚度和/或摻雜濃度。基板102由藍寶石形成。在其他例子中，替代和/或額外基板(例如矽或原生GaN基板)被用來提供結構100A的磊晶生長的基礎。
在無摻雜區域106上生長有無摻雜氮化鋁鎵(aluminium gallium nitride，AlGaN)區域。該層是AlGaN阻擋區域108。基於GaN的超晶格結構110生長在這個第一阻擋區域108上。考慮到隨後生長的層的組成，以及取決於隨後生長的層的厚度和組成而引入的應變，形成了超晶格結構以保持隨後生長的層的結晶品質。在一個例子中，超晶格結構110具有1.5奈米的InGaN(5%銦成分)和2.7奈米的GaN層的二十次重複結構。在其他例子中，使用替代結構和/或不包括超晶格結構，或包括具有不同組成和/或厚度的不同的層。
在超晶格結構110的頂部存在具有多個量子阱(MQWs)的發光區域112。在發光區域112的頂部有另一個阻擋層，其是第二阻擋區域114。在第二阻擋區域114的頂部有第二發光區域116。在第二發光區域116的頂部有提供第三阻擋區域118的層。在第 三阻擋區域的頂部有第三發光區域120，在第三發光區域120的頂部上有無摻雜層，例如無摻雜的GaN。結構100A終止於由介電層122提供的絕緣區。介電層122是厚度約為10奈米的Al2O3層。在其他例子中，介電層122以不同的厚度和/或材料形成，同時提供所需的絕緣特性。在其他例子中，可在磊晶結構100A中使用額外的和/或替代的層和/或材料。
在圖中以橫截面顯示了作為生長於基板上的多個磊晶層的n型區域104、無摻雜區域106、第一阻擋區域108、超晶格110、發光區域112、第二阻擋區域114、第二發光區域116、第三阻擋區域118、第三發光區域120和介電層122。在其他例子中，替代和/或額外的方法被使用來形成結構100A，例如，在其他例子中，介電層122沉積在其他的磊晶生長的化合物晶體結構上。
發光區域112、116、120根據發光裝置的最終方向及其關聯的發光表面以適當的順序生長。在通過圖1A描述的結構的n型區域104提取光的情況下(如圖1F所示)，第一發光區域112用以發射具有對應於藍光的主峰值波長的光，第二發光區域116用以發射對應於綠光的主峰值波長的光，第三發光區域120用以發射對應於紅光的主峰值波長的光。這意味著當結構反轉時，較長波長的光將穿過該結構，而不會被後續發光區域吸收(例如，否則藍光將在發射綠光和紅光的量子阱中被吸收，而綠光將在發紅光的量子阱中被吸收)。
第一發光區域112具有MQWs。額外地或替代地，發光 區域112可以具有單量子阱(single quantum well，SQW)。額外地或替代地，發光區域112可以包括一個或多個量子點或其他結構以實現載流子複合並發光。量子阱和量子點限制載流子，在使用時，基於載流子注入後在量子結構中的複合發射來提供光源，例如藉由分別將n型和p型區域連接到陰極和陽極。發光區域112用以發射具有對應於藍光(大約450奈米)的主峰值波長的光。在一個例子中，第一發光區域112由一個或多個厚度為3奈米的量子阱和具有20%銦成分的InGaN形成。在其他例子中，可使用不同數量、厚度和組成的量子阱。
第二發光區域116具有MQWs。額外地或替代地，第二發光區域116可以具有單量子阱(SQW)。額外或替代地，第二發光區域116可以包括一個或多個量子點或其他結構以實現載流子複合並發光。量子阱和量子點限制載流子，在使用時，基於載流子注入後在量子結構中的複合發射來提供光源，例如藉由分別將n型和p型區域連接到陰極和陽極。第二發光區域116用以發射具有對應於綠光(大約520奈米)的主峰值波長的光。在一個例子中，第二發光區域116由一個或多個厚度為3奈米的量子阱和具有30%銦成分的InGaN形成。在其他例子中，可使用不同數量、厚度和組成的量子阱。
第三發光區域120具有MQWs。額外地或替代地，第三發光區域120可以具有單量子阱(SQW)。額外或替代地，第三發光區域120可以包括一個或多個量子點或其他結構以實現載流子 複合並發光。量子阱和量子點限制載流子，在使用時，基於載流子注入後在量子結構中的複合發射來提供光源，例如藉由分別將n型和p型區域連接到陰極和陽極。第三發光區域120用以發射具有對應於紅光(大約620奈米)的主峰值波長的光。在一個例子中，第三發光區域120由一個或多個厚度為3奈米的量子阱和具有40%銦成分的InGaN形成。在其他例子中，可使用不同數量、厚度和組成的量子阱。
在結構100A中，量子阱被3奈米的無摻雜GaN隔開。量子阱和阻擋層由3奈米的無摻雜GaN隔開。在其他例子中，在結構100A中使用了不同的厚度和材料，同時保留了本文所述的至少部分功能。
第一阻擋區域108是無摻雜的AlGaN阻擋區域108，防止載流子擴散離開第一發光區域112。第一阻擋區域108具有20奈米的厚度並由具有20%鋁的AlGaN所組成。在其他例子中，第一阻擋區域108具有不同的厚度和/或組成和/或由不同的材料形成，同時提供合適的電子阻擋特性並實現高品質的晶體生長。雖然第一阻擋區域108是顯示為AlGaN阻擋區域108，但額外地或替代地，阻擋區域108可由不同的材料形成。
第二阻擋區域114是無摻雜的AlGaN阻擋區域114，防止載流子擴散離開第一發光區域112以及第二發光區域116。第二阻擋區域114具有20奈米的厚度並由具有20%鋁的AlGaN所組成。在其他例子中，第二阻擋區域114具有不同的厚度和/或組成 和/或由不同的材料形成，同時提供合適的電子阻擋特性並實現高品質的晶體生長。雖然第二阻擋區域114是顯示為AlGaN阻擋區域114，但額外地或替代地，阻擋區域114可由不同的材料形成。
第三阻擋區域118是無摻雜的AlGaN阻擋區域118，防止載流子擴散離開第二發光區域116以及第三發光區域120。第三阻擋區域118具有20奈米的厚度並由具有20%鋁的AlGaN所組成。在其他例子中，第三阻擋區域118具有不同的厚度和/或組成和/或由不同的材料形成，同時提供合適的電子阻擋特性並實現高品質的晶體生長。雖然第三阻擋區域118是顯示為AlGaN阻擋區域118，但額外地或替代地，阻擋區域118可由不同的材料形成。
儘管發光區域112、116、120包括MQWs，但在其他的例子中，發光區域112、116、120可以具有單量子阱(SQW)。發光區域112、116、120包括多層材料以形成主動區域。例如，發光區域112、116、120包括諸如短週期超晶格和/或無摻雜恢復層等層，從而提供高品質的晶體材料和來自發光區域112、116、120的發光。額外地或替代地，發光區域112、116、120可以包括一個或多個量子點。量子阱和量子點限制載流子，在使用時，載流子在n型和p型區域分別連接到陰極和陽極時注入，並且在量子結構中複合以提供光源。
雖然n型區域104通常是形成在基底102上，但替代地，n型區域104本身可以是適合於後續結晶層生長的自支撐(free-standing)基板。在一個例子中，基板102是藍寶石基板。在其他 例子中，可使用諸如矽基板或GaN基板等替代基板。
磊晶結構100A是使用MOCVD反應器來生長。有利地，MOCVD生長可使此結構100A最佳化，並提供高品質的生長以有效率地產生光。額外地或替代地，可以使用其他沉積和/或生長方法來提供磊晶結構100A，例如分子束磊晶(MBE)。
n型區域104由n型氮化鎵形成。然而，在其他例子中，n型區域104可以由和/或基於諸如其他半導體材料等其他材料形成，例如其他III-V族化合物半導體材料、II-VI族化合物半導體材料或其他合適的材料。
阻擋區域108、114、118由氮化鋁鎵形成，例如20%鋁的AlGaN。然而，在其他例子中，額外地或替代地，阻擋區域108、114、118可以由諸如其他半導體材料等不同的材料形成，例如其他III-V族化合物半導體材料、II-VI族化合物半導體材料或其他合適的材料。超晶格110由氮化鎵基材料形成。額外地或替代地，超晶格110由諸如其他半導體材料等其他材料形成，例如其他III-V族化合物半導體材料、II-VI族化合物半導體材料或其他合適的材料。
發光區域112、116、120各自包括至少一個量子阱。額外地或替代地，發光區域112、116、120各自包括更多的量子阱。額外地或替代地，發光區域112、116、120包括量子點或其他量子結構。發光區域112、116、120是氮化鎵基的區域，其中每個發光區域112、116、120中的至少一個量子阱由諸如氮化銦鎵(indium gallium nitride，InGaN)或氮化鋁銦鎵(aluminium indium gallium nitride，AlINGaN)等氮化鎵基的材料形成。額外地或替代地，根據待生長的結構可使用諸如其他半導體材料等不同的材料，例如其他III-V族化合物半導體材料、II-VI族化合物半導體材料或其他合適的材料。發光區域112、116、120中的量子阱的組成是基於所選擇的從發光區域112、116、120發射的主峰值波長來確定的。雖然三個發光區域112、116、120是如圖所示，在其他例子中，可實作不同數量的發光區域。例如，可以有兩個發光區域並且相應地調整結構100A。
發光區域112、116、120不包含任何摻雜，例如，它們不包含結構100A的生長期間中蓄意摻雜在發光區域112、116、120中的矽或鎂。在其他例子中，在不影響載流子注入程度下在發光區域112、116、120中使用摻雜，以如本文所述，由穿過發光區域112、116、120的通孔定義的像素的發光表面發光。在其他例子中，通過生長或其他方式形成不同的半導體層，以便提供用於處理微型LED的單片陣列的基礎結構。
儘管在圖1A中顯示特定的磊晶結構100A，但所屬領域具備通常知識者應理解，根據具體實作時的特定需求，可以使用附加、排除和替代層以實作本文描述的概念。對在其他層之上形成層的描述係指關於層生長順序的位置關係，並非一定排除在第一層和被描述為在其上的第二層之間存在其他的層。
一旦提供了磊晶結構100A，就可以對其進行處理以提供 導電區域，通過該導電區域可以將載流子注入到最終結構中。
因此，圖1B顯示了經處理的磊晶結構100B，其顯示具有通過磊晶結構形成使能接觸n型區域104的通道124的圖1A的磊晶結構100A。通道124使用光罩層形成。使用包括光刻技術在內的已知技術形成和處理光罩層(未顯示)，以選擇性地產生孔並暴露下方磊晶結構100A的部分，例如介電層122。一旦光罩層的部分被選擇性地去除，則執行下方磊晶結構100A的選擇性蝕刻。這種選擇性蝕刻在磊晶結構100A中提供通道124。通道124，也稱為通孔124，是通過把材料去除以留下穿過剩餘材料的通路而形成。根據光罩層中暴露區域的形狀和蝕刻的深度，所形成的通道/通孔會具有對應的形式，例如，溝槽通孔或柱形通孔的形式。雖然通道/通孔124是通過蝕刻材料以留下溝槽、孔或其他通路來產生的，但在其他例子中，通道124/通孔124額外地或替代地，與去除材料相反，通過形成材料來使得材料缺失以建立其他結構中的通孔結構。
在一個例子中，光罩層是氮化矽。額外地或替代地，可使用諸如二氧化矽等不同的材料。有利地，氮化矽對於後續處理步驟來說是有效率且可控的光罩層。
圖中顯示通道/通孔124已經通過磊晶結構100A蝕刻到n型區域104。有利地，這意味著隨後在通道/通孔124中沉積的n型材料可以與裝置一側的n型區域104接觸，以及與在通道/通孔124中形成的n型區域接觸。如本文所述，這能夠提供柵極接點和 陰極接點。
為了蝕刻通道/通孔124，使用光刻技術來圖案化光罩層並在光罩層中開孔以使得能夠蝕刻光罩中的孔所暴露的材料。圖中通道/通孔124是以橫截面來顯示。從平面視角上，通道/通孔124是形成為網格結構以定義像素，其中通道/通孔124通過穿過發光區域112、116、120來定義每個單獨像素的發光表面的周邊，以形成隔離每個單獨像素的溝槽通道/通孔124。在一個例子中，通道/通孔124是使用乾法蝕刻技術形成的，例如基於電漿的技術。較佳地，可使用濕法蝕刻處理以恢復由蝕刻通道/通孔124造成的任何損壞。額外地或替代地，可使用任何合適的蝕刻技術來形成通道/通孔124。
圖1C顯示經進一步處理的磊晶結構100C，其中通道124已經被蝕刻通過了磊晶結構100A並且隨後越界生長(overgrown)以形成穿過發光區域112、116、120的n型區域。
一旦在磊晶結構100A中形成通道/通孔124，則形成選擇性越界生長的n型材料。在通道/通孔124中材料的越界生長或沉積例如可以利用用於蝕刻通道/通孔124的保持在原位的光罩層來進行，使得在介電層122上不發生生長。圖1C顯示了與圖1A和1B的磊晶結構100A、100B相同的基本結構100C，然而，圖1C的結構100C是顯示為已被進一步地處理。圖1C的經處理的磊晶結構100C顯示了如圖1A和1B所示的已經被蝕刻以提供通道/通孔124的結構。通道/通孔124已經通過磊晶結構100A垂直蝕刻 到摻雜的n型區域104。隨後，n型摻雜GaN(n-GaN)的n型越界生長128已經在通道/通孔124中形成以提供穿過發光區域112、116、120的導電區域。
雖然圖1C的通道/通孔124(以及相應的n型越界生長128)之間的橫向距離與單個像素橫截面有關，但應理解的是，磊晶結構100A的選擇性蝕刻和由選擇性蝕刻提供的通孔溝槽中的n型材料的越界生長會產生n型網格，其對於穿過磊晶結構100C的發光區域112、116、120的n型越界生長128所定義的所有像素來說是有效共電極(在這種情況下為陰極)。有利地，由使用相對高溫的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)反應器來執行n型材料的選擇性區域生長，這種相對較高的溫度使缺陷退火並鈍化了任何開放的MQW表面。MQW在處理後不會在周邊留下懸鍵(dangling bond)，因此不需要再鈍化。因此，有益地，在發光區域112、116、120中實現了大幅減少的非輻射複合。在其他例子中，可使用諸如MBE等不同的技術來完成n型越界生長。
n型越界生長128顯示為突出於介電層122的表面。有利地，這使得摻雜的越界生長能夠通過結構100C的一側接觸，結構100C的另一側則在基板102被去除後也能夠接觸。結構100C並未按比例顯示。然而，在一個例子中，通道/通孔124的寬度為500奈米。在其他例子中，例如，結構的大小由所使用的技術和期望的結構來確定。例如，所用材料的晶體習性可以決定任何光罩層的材料突出表面的生長形狀。通過蝕刻光罩層中暴露的孔，可以在通道 /通孔124中生長n型材料來形成網格。由n型越界生長128形成的n型區域的摻雜濃度低於形成磊晶結構100A的一部分的平面n型區域104的摻雜濃度。有利地，如本文所述，較低的摻雜濃度有助於n型越界生長128中的空間電荷區隨著柵極電壓以更快的速率變化。在其他例子中，可藉由選擇n型越界生長128中的摻雜濃度來以預定速率控制發光。
一旦形成了由通道/通孔124中的n型越界生長128提供的有效陰極，則基於在另一通孔126中形成的p型越界生長提供陽極，如圖1D和圖1E所示。
圖1D顯示磊晶結構100D的剖面圖，磊晶結構100D是經進一步處理的圖1C的結構100C。另一通道/通孔126是在由具有n型越界生長128的通道/通孔124定義的像素周邊的中心形成的柱狀通道/通孔126，其中有n型越界生長128的通道/通孔124是穿過發光區域112、116、120形成的。額外地或替代地，另一個通道/通孔126位於任何合適的位置以提供光發射。當在平面視角中，另一個通道/通孔126的橫截面形狀由用以提供另一個通道/通孔126的圖案化和蝕刻步驟確定。通道/通孔126具有大約500奈米的寬度。在其他例子中，通道/通孔126的寬度是符合考量到載流子注入和像素排列的較佳實施方式的尺寸。另一通道/通孔126是通過沉積另外的光罩層並選擇性地圖案化所述另外的光罩層以產生暴露下方結構的孔，並且使用已知的光刻和蝕刻技術來向下蝕刻光罩層到由發光區域112、116、120提供的主動區域來實現。
接著，進一步處理圖1D的結構100D以提供圖1E的結構100E，在另一通道/通孔126中形成p型越界生長130。p型越界生長130由p型摻雜GaN形成，其摻雜濃度為3x1018at/cm3。在其他例子中，可使用不同的材料和/或不同的摻雜濃度來提供p型區域。p型越界生長材料的選擇性區域生長是由使用相對高溫的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)反應器進行的。這種相對較高的溫度使缺陷退火並鈍化任何開放的MQW表面。處理後不會在MQW周邊留下懸鍵，因此不需要再鈍化。因此，有利地，在發光區域112、116、120中實現了大幅減少的非輻射複合。在其他例子中，可使用諸如MBE等不同的技術來執行p型越界生長。
如本文所述，提供n型區域的n型越界生長128和提供p型區域的p型越界生長130能夠將載流子注入到發光區域112、116、120中。n型越界生長128提供有效的陰極而p型越界生長130提供有效的陽極，從而在合適的電源被使用時，讓載流子橫向注入到發光區域112、116、120中。發光區域112、116、120中這樣的橫向載流子注入提供了更有效的載流子注入，包括更有效的電洞注入，並因此提供了更有效的光發射。注入發光區域112、116、120的載流子是基於注入發光區域112、116、120的多量子阱結構的載流子的載流子擴散長度，以提供可通過發光表面發射的光，所述發光表面是由蝕刻通過發光區域112、116、120的通道/通孔124中的n型越界生長128所形成的像素周邊來定義。
有利地，相較於已知的選擇性區域生長技術，只有n型 和p型區域可以越界生長。這消除了在圖案化表面上生長AlGaN和InGaN合金時通常會遇到的與均勻性差和成分拉動(composition pulling)相關的問題。
雖然藉由穿過磊晶結構的發光區域112、116、120形成溝槽的通道/通孔124來定義的像素的發光表面是基於磊晶結構的蝕刻來顯示，但在其他例子中，可使用其他技術來形成具有穿過磊晶結構的通道/通孔的發光區域，以定義像素陣列中像素的發光表面的周邊。
圖1F顯示如參照圖1A至1E描述的經處理的發光結構100F的剖面圖。通過翻轉圖1E的發光結構來提供經處理的發光結構100F，以通過n型區域104(基板102已被去除)來提取光，因而可避免由形成在另一通道/通孔126的p型越界生長130上的p型接點136所引起的吸收。
關聯於n型越界生長128的柵極接點134被顯示出來。柵極接點134包括在柵極接點134的導電部分和穿過發光區域112、116、120形成的通道/通孔124中的n型越界生長128之間的介電區域132。柵極接點134形成金屬-絕緣體-半導體接點作為有效金屬-絕緣體-半導體場效晶體體(MIS-FET)的一部分。
柵極接點134形成為圍繞關聯於p型越界生長130的像素周邊的形狀的環形接點，其中環形接點是沿著由用於n型越界生長以提供n型區域的通道/通孔124來定義的網格，如圖2所示。圖2顯示金屬-絕緣體-半導體柵極接點134和歐姆陽極p型接點 136的平面圖200。陣列中有重複的圖案。在圖2的例子中顯示了九個發光像素202，然而，該陣列可以由任意數量的發光像素202形成。發光像素202是顯示為具有寬度尺寸140，寬度尺寸140與通道/通孔124與其所圍繞的中央的另一個通道/通孔126之間的距離相關聯(因此平面圖200實際上是發光像素202的下側，相對於圖1F所描述的發光表面138)。雖然環形柵極接點134是關聯於方形發光像素並顯示為方形，在其他例子中，柵極接點134可採用與它們相關聯的發光像素的任何合適的形狀。
此外，圖1F顯示絕緣介電層122。絕緣介電層122使n型越界生長128與用於接觸p型越界生長130的任何連接絕緣。較佳地，絕緣層122是二氧化矽。圖中顯示了歐姆p型接點136，各個具有橫截面尺寸140的待尋址像素的陽極是連接到歐姆p型接點136。在其他例子中，可包括額外的和/或替代的層。在一個例子中，提供了鏡層/阻擋層，用以將從發光區域112、116、120發射的光反射出由通道/通孔124中的n型越界生長128定義的發光表面138，該通道/通孔124定義了像素的周邊。有利地，歐姆p型接點136可以連接到背板，以使陣列中每個像素的p型接點136被接觸並且可獨立尋址。
圖中顯示了經設計為向發光陣列的共陰極n型網格提供歐姆接觸的金屬網格142。這樣的金屬網格142與通道/通孔124中的n型越界生長128對齊以最大化光提取，因此在平面視角中觀察時，其形式與蝕刻穿過磊晶結構100A的發光區域112、116、 120的通道/通孔124所提供的網格實質上相同。有利地，歐姆陰極接點位於結構100F中與柵極接點134和歐姆陽極p型接點136相對的一側，從而有助於對載流子注入發光區域112、116、120的電壓控制，同時有效地使用與像素關聯的有限空間來增加光輸出。
形成為具有與提供n型區域的n型越界生長128相關聯的周邊的像素具有尺寸140，其可以是像素的寬度並顯示於圖1F中。像素的發光表面138(在n型區域104上)被選擇性地圖案化。在圖1F的例子中，發光表面138是彎曲的。在其他例子中，發光表面是平坦的或以任何合適的方式圖案化，並且提供表面使來自發光區域112、116、120的光通過以離開結構100F。
圖中顯示的金屬網格142的陰極接點提供與n型區域104的電性連接。陰極接點是歐姆金屬接點，其顯示為以類似於柵極接點134的方式沿著其相關聯的發光像素的周邊。然而在其他例子中，陰極接點可採用任何合適的形式並且由任何合適的材料形成。例如，n型區域104提供共電極並以適當的方式電性連接。在其他例子中，諸如氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)等透明導電材料用於提供共電極。
儘管參考MOCVD的生長描述了上述LED結構，但是在一些例子中不同和/或附加技術的生長是有益的。例如，MBE生長可以實現更冷和/或更慢的生長速率，對上述生長和製程步驟有好處。儘管以任何順序描述了上述製程步驟，但所屬領域具備通常知識者應理解在其他的例子中，製程步驟能以可獲得目標結構的任 何合適順序執行。
為了提供參照圖1至圖2描述的發光結構所發射的光的波長控制，藉由在柵極接點134處施加電壓，來改變分別由p型越界生長130和n型區域104、由陽極和陰極接點136、142注入發光區域112、116、120的載流子，如圖3和圖4所示。
圖3顯示載流子注入其中一個發光區域120的發光二極體裝置300的第一例子。箭頭302顯示通過p型越界生長130將載流子橫向注入發光區域120，並且其他箭頭304顯示通過n型區域將載流子橫向注入發光區域120。在改變柵極接點134處的電壓時，注入發光區域112、116、120的載流子被改變，如圖4的發光二極體裝置400的第二例子所示。圖4中顯示箭頭402，其繪示通過p型越界生長130將載流子橫向注入到發光區域116中以及顯示箭頭404，其繪示通過n型區域將載流子橫向注入到發光區116中。載流子注入的變化是通過柵極接點134上負電壓的施加來提供的，由此這個負電壓低於陰極金屬網格142的電壓。柵極電壓耗盡n型越界生長128形成的陰極柱的電子，從而將空間電荷區推得更深。增加負電壓進一步導致空間電荷區被推得更深，最終導致載流子注入第一發光區域112而非第二發光區域116。因此，控制柵極電壓可以控制發射區域112、116、120所發出的光的比例。因此，在n型越界生長128圍繞發光二極體裝置的主動區域的發光區域112、116、120的情況下，柵極電壓可以控制圍繞主動區域的通孔的耗盡深度。
有利地，具有發光表面138的像素隨著柵極接點134處的負柵極電壓變得更高並且電子流逐漸被更深地推入結構中而依序發射紅、綠、藍光。
雖然關於圖1至4描述的結構具有對應於周邊的n型區域和對應中心的p型區域，還有與n型區域關聯的柵極接點和陰極以及與p型區域關聯的陽極，在其他的例子中，p型區域形成像素的周邊並且具有與其相關聯的陽極和柵極接點，並且n型區域提供中央的陰極接點。在這樣的互補版本中，柵極電壓的控制也能改變橫向的載流子注入和由發光區域發射的光的波長。
參照圖1至圖4所描述的結構可實作為提供多色光輸出的單片生長的原生LED的陣列，每個像素能夠以電壓可控的不同的波長來發射光。有利地，這樣的結構提供了用於高解析度發光顯示器的微型LED結構。
雖然穿過多個不同波長的發光區域的n型和p型材料是用來提供由n型和p型區域其中之一定義的發光表面的像素，從而電性隔離像素，在其他例子中，可以使用不同佈置的穿過多個不同波長的發光區域的n型區域和p型區域，如圖5和圖6所繪示的不同實施方式的例子。
圖5顯示包括參照圖1A的磊晶結構100A描述的多個層的磊晶結構，使圖1A的磊晶結構被圖案化和蝕刻以提供具有周邊502的平台500。平台500具有如圖5B的平面圖500A所示的橫截面形狀。圖1A的磊晶結構100A可被蝕刻以提供多個平台，如 圖5C所示，圖中由平台502A至502G提供了顯示。在平台中提供通道/通孔以及隨後的p型材料和n型材料的越界生長使得發光結構能夠形成，此結構可用來以類似於圖1至4描述的方式控制單片原生多色LED層的磊晶堆疊中的電壓。
圖6A顯示結構600A的剖面圖，結構600A是經處理的圖5A的平台500結構，平台500結構經處理以在穿過發光區域112、116、120的通道中提供n型區域602以及在穿過發光區域112、116、120的通道中提供p型區域604。在圖6A的例子中，取決於目標光發射，穿過發光區域112、116、120的n型區域602和p型區域604在平台中的適當位置形成。然而，在其他例子中，p型區域604和n型區域602可以任何適當的形狀、尺寸和位置形成以提供目標光發射。例如，p型區域604和n型區域602的其中之一形成平台結構的周邊。當形成了合適的陽極、陰極和柵極接點時，可以類似於關於圖1至4描述的方式，通過改變施加到柵極接點的電壓來控制發光。
圖6B顯示與p型區域604關聯的陽極接點606和包括與n型區域602關聯的介電區域的柵極接點608的平面圖600B。陰極接點視情況而形成在結構的頂部或底部上。如箭頭610所示，在p型區域604和n型區域602之間的區域612的發光可透過發光區域112、116、120中的橫向載流子注入和發射複合來控制。
在其他例子中，可在不形成平台500下，使用穿過諸如圖1A的磊晶生長結構的發光區域112、116、120的n型區域602 和p型區域以及適當的陽極、陰極和柵極接點，以提供與電壓可控波長相依的光發射。在這樣的例子中，使用穿過發光區域的成對的n型和p型區域，並使每對具有足夠的距離來在控制下提供局部光發射。
104:n型區域
106:無摻雜區域
108:第一阻擋區域
110:超晶格結構
112:第一發光區域
114:第二阻擋區域
116:第二發光區域
118:第三阻擋區域
120:第三發光區域
122:介電層
128:n型越界生長
130:p型越界生長
132:介電區域
134:柵極接點
136:p型接點
138:發光表面
140:尺寸
142:金屬網格
400:結構
402、404:箭頭

Claims (9)

  1. 一種發光二極體裝置，包括：p型區域；n型區域；柵極接點；第一發光區域，使從該p型區域以及該n型區域注入的載流子複合；以及第二發光區域，使從該p型區域以及該n型區域注入的載流子複合，其中該第一發光區域以及該第二發光區域至少部分重疊以形成關聯於該第一發光區域以及該第二發光區域的發光表面，其中該p型區域至少部分形成於通過該第一發光區域以及該第二發光區域的第一通道，並且該n型區域至少部分形成於通過該第一發光區域以及該第二發光區域的第二通道，其中該發光二極體裝置經配置以使該發光表面所發出的光的波長可藉由改變由該柵極接點施加於該p型區域以及該n型區域的其中之一的柵極電壓而控制，從而改變從該p型區域以及該n型區域注入該第一發光區域以及該第二發光區域的載流子。
  2. 如請求項1所述的發光二極體裝置，包括第三發光區域，至少部分與該第一發光區域以及該第二發光區域重疊以形成該發光表面，其中該p型區域至少部分形成於通過該第三發光區域的該第一通道，並且該n型區域至少部分形成於通過該第三發光區域的該第二通道，其中該發光二極體裝置經配置以使該發光表面所發 出的光的波長可藉由改變由該柵極接點施加於該p型區域以及該n型區域的至少其中之一的柵極電壓而控制，從而改變從該p型區域以及該n型區域注入該第一發光區域、該第二發光區域以及該第三發光區域的載流子。
  3. 如請求項1所述的發光二極體裝置，其中該第一通道以及該第二通道是至少部分定義該發光表面的周邊的通孔。
  4. 如請求項1所述的發光二極體裝置，其中該發光二極體裝置經配置以使改變柵極電壓改變該第一通道與該第二通道中的耗盡深度。
  5. 一種發光二極體裝置陣列，包括如請求項1所述的發光二極體裝置。
  6. 一種形成發光二極體裝置的方法，所述發光二極體裝置包括：p型區域；n型區域；柵極接點；第一發光區域，使從該p型區域以及該n型區域注入的載流子複合；以及第二發光區域，使從該p型區域以及該n型區域注入的載流子複合，其中該第一發光區域以及該第二發光區域至少部分重疊以形成關聯於該第一發光區域以及該第二發光區域的發光表面，所述方法包括在通過該第一發光區域以及該第二發光區域的 第一通道至少部分形成該p型區域，以及在通過該第一發光區域以及該第二發光區域的第二通道至少部分形成該n型區域，其中該發光二極體裝置經配置以使該發光表面所發出的光的波長可藉由改變由該柵極接點施加於該p型區域以及該n型區域的至少其中之一的柵極電壓而控制，從而改變從該p型區域以及該n型區域注入該第一發光區域以及該第二發光區域的載流子。
  7. 如請求項6所述的方法，包括形成第三發光區域，至少部分與第一發光區域以及第二至少部分與該第一發光區域以及該第二發光區域重疊以形成該發光表面，包括在通過該第三發光區域的該第一通道至少部分形成該p型區域，以及在通過該第三發光區域的該第二通道至少部分形成該n型區域，其中該發光二極體裝置經配置以使該發光表面所發出的光的波長可藉由改變由該柵極接點施加於該p型區域以及該n型區域的其中之一的柵極電壓而控制，從而改變從該p型區域以及該n型區域注入該第一發光區域、該第二發光區域以及該第三發光區域的載流子。
  8. 如請求項6所述的方法，包括將該第一通道或該第二通道形成為至少部分定義該發光表面的周邊的通孔。
  9. 如請求項6所述的方法，包括將該p型區域或該n型區域形成為共電極的至少一部分。
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