CN116111022A - 一种微发光二极管及其显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微发光二极管及其显示装置，具有半导体层序列，半导体层序列包括背侧和正侧，从正侧开始依次包括第一类型半导体层、第二类型半导体层，有源层位于两者之间，半导体层序列的背侧具有凹槽，凹槽贯穿第二类型半导体层、有源层，露出第一类型半导体层，半导体层序列的背侧包括有凹槽内的第一台面、第二类型半导体层上的第二台面和位于两者之间的凹槽侧壁，半导体层序列的背侧设置有与第一类型半导体层电连接的第一金属电极以及与第二类型半导体层电连接的第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极用于与外部电源键合，第一金属电极完全设置在凹槽内，避免第一金属电极跨接到第二台面上，导致第一金属电极与外部电源键合面积大幅下降。

Description

一种微发光二极管及其显示装置

技术领域

本发明属于半导体制造领域，具体涉及微发光二极管及显示装置。

背景技术

微型LED（mLED）是目前热门研究的下一代显示器光源。它具有低功耗、高亮度、超高分辨率与色彩饱和度、响应速度快、能耗低、寿命长灯优点。此外，它的功率消耗量约为LCD的10%，OLED的50%。而与同样是自发光的OLED相比较，亮度高了多倍，且分辨率可以达到高像素密度。mLED这些明显的优势，使得它有望取代现在的OLED和LCD，成为下一代显示器的光源。mLED目前还无法量产，是因为目前还有许多技术难题需要攻克，其中一个重要的技术难题就是如何提高微米级芯粒的制程良率。

发明内容

针对微发光二极管的制程良率，例如芯片良率或转移良率，本发明提出了一种微发光二极管，可有效提升微发光二极管的制程良率，一种微发光二极管，具有半导体层序列，半导体层序列包括背侧和正侧，从正侧开始依次包括第一类型半导体层、第二类型半导体层，有源层位于两者之间，半导体层序列的背侧具有凹槽，凹槽贯穿第二类型半导体层、有源层，露出第一类型半导体层，半导体层序列的背侧包括有凹槽内的第一台面、第二类型半导体层上的第二台面和位于两者之间的凹槽侧壁，半导体层序列的背侧设置有与第一类型半导体层电连接的第一金属电极以及与第二类型半导体层电连接的第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极用于与外部电源键合，第一金属电极完全设置在凹槽内，避免第一金属电极跨接到第二台面上。

根据本发明，优选的，微发光二极管为矩形，微发光二极管的短边长度不大于20μm，微发光二极管的长边长度不大于30μm，且第一台面的单边尺寸不大于20μm，芯片尺寸越小，对应的第一金属电极面积就越小，第一金属电极与第二金属电极等高的表面用作与外部电源键合，假设第一金属电极跨接到第二台面，将导致第一金属电极与第二金属电极等高的表面面积大幅下降，造成键合力的不足。

根据本发明，优选的，凹槽为非闭合台阶，凹槽的四个侧面中三面裸露，另外一侧面为凹槽侧壁，有利于减少工艺余量，提升有效发光区面积。

根据本发明，优选的，还包括第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层具有第一开口，第一开口设置在第一台面上，第一金属电极部分设置在第一台面上，第一金属电极从第一开口内的第一台面上延伸至第一绝缘层上，第二绝缘层设置在第二台面上，第二绝缘层具有第二开口，第二开口设置在第二台面上，第二金属电极部分设置在第二台面上，第二金属电极从第二开口内的第二台面上延伸至第二绝缘层上。

根据本发明，优选的，对应第一开口的第一金属电极背侧表面具有第一电极洞，对应第二开口的第二金属电极背侧表面具有第二电极洞，其中第一电极洞的开口面积小于第二电极洞的开口面积，第一电极洞面积下降，有助于减少第一台面面积，增大有效发光区面积。

根据本发明，优选的，由于芯粒尺寸变小，而受工艺限制，绝缘层开口面积存在工艺极小值，第一电极洞的开口面积占第一金属电极背侧表面面积的10%至90%，第二电极洞的开口面积占第二金属电极背侧表面面积的10%至90%。

根据本发明，优选的，通过调整第一绝缘层和第二绝缘层的材料，进一步降低开口面积，第一电极洞的开口面积占第一金属电极背侧表面面积的10%至40%，第二电极洞的开口面积占第二金属电极背侧表面面积的10%至40%。

根据本发明，优选的，由于芯片尺寸缩小，第一金属电极和第二金属电极面积受限，第一金属电极和第二金属电极的背侧表面的投影面积不大于100μm²。

根据本发明，优选的，第一金属电极和第二金属电极的间距为4μm至10μm。

根据本发明，优选的，微发光二极管经过衬底剥离工艺和第一类型半导体层部分移除工艺，微发光二极管的第一类型半导体层至少部分被移除。

在本发明中，还提供了一种显示装置，具有电路板，包括上述任意一种所述的微发光二极管，微发光二极管与电路板通过键合层电连接。

本发明的有益效果包括：通过优化芯片结构和/或制程，改善微米级芯片的制作良率和工艺良率，降低生产成本，推动微米级芯片产业化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见的，下面描述中的部分附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1和图2分别为现有技术的俯视示意图和剖面示意图；

图3和图4分别为本发明实施例1的俯视示意图和剖面示意图；

图5和图6分别为本发明实施例2的俯视示意图和剖面示意图；

图7和图8分别为本发明实施例3的俯视示意图和剖面示意图；

图9和图10为本发明实施例3中做巨量转移的过程示意图；

图11为本发明实施例4的剖面示意图；

图12为本发明实施例5的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1和图2，作为对比例的，现有技术中，为了提升产品像素、降低产品成本，持续提出缩小芯片的需求，基于第一金属电极和第二金属电极等高设计及减少光罩道数的需求，对芯片的半导体层序列进行挖洞式设计。然而，由于第一金属电极跨接到第二台面上导致，第一金属电极与第二金属电极等高的面积受限，微发光二极管在于外部电路键合时，键合良率无法达到需求要求。

参看图3和图4，在本发明的第一个实施例中，提出一种微发光二极管，在本实施例中，微发光二极管为矩形，微发光二极管的短边长度为10μm至20μm，微发光二极管的长边长度为15μm至30μm，例如微发光二极管的尺寸为10μm*25μm，微发光二极管具有半导体层序列110，半导体层序列110包括背侧和正侧，从正侧开始依次包括第一类型半导体层111、第二类型半导体层112，有源层113位于两者之间，微发光二极管的第一类型半导体层111从正侧方向至少部分被移除，例如经过衬底剥离和外延减薄工艺。半导体层序列110的背侧具有第一凹槽G1，第一凹槽G1作为Mesa槽，第一凹槽G1贯穿第二类型半导体层112、有源层113，露出第一类型半导体层111，半导体层序列110的背侧包括有第一凹槽G1内的第一台面M1、第二类型半导体层112上的第二台面M2和位于两者之间的第一凹槽侧壁S1，半导体层序列1110的背侧设置有与第一类型半导体层111电连接的第一金属电极210以及与第二类型半导体层112电连接的第二金属电极220，第一金属电极210和第二金属电极220用于与外部电源键合，第一金属电极210完全设置在凹槽G1内。

在本实施例中，第一台面M1的单边尺寸不大于20μm，第一凹槽G1为非闭合台阶，第一凹槽G1的四个侧面中三面裸露，另外一侧面为第一凹槽侧壁S1，即第一台面M1为三面开放式设计。

在本实施例中，还包括第一绝缘层310和第二绝缘层320，第一绝缘层310具有第一开口K1，第一开口K1设置在第一台面M1上，第一金属电极210部分在第一开口K1中并设置在第一台面M1上，第一金属电极210从第一开口K1内的第一台面M1上延伸至第一绝缘层310上，第二绝缘层320设置在第二台面M2上，第二绝缘层320具有第二开口K2，第二开口K2设置在第二台面M2上，第二金属电极220部分设置在第二台面M2上，第二金属电极220从第二开口K2内的第二台面M2上延伸至第二绝缘层320上。

在本实施例中，第一开口K1对应的第一金属电极210背侧表面具有第一电极洞K11，第二开口K2对应的第二金属电极220背侧表面具有第二电极洞K21，由于第一金属电极210完全设置在第一台面M1和第一绝缘层310上，第二金属电极220完全设置在第二台面M2和第二绝缘层320上，因此除了第一电极洞K11和第二电极洞K21之外，第一金属电极210背侧表面和第二金属电极220背侧表面等高。在一些实施方式中，第二金属电极210和第二类型半导体112之间可以设置有透明电流扩展层。

在本实施例中，第二台面M2为矩形，第二台面M2的单边尺寸为5μm至20μm，通过实验在小尺寸下矩形有助于提升产品电流密度，从而提升产品亮度。

在本实施例中，第一电极洞K11的开口面积占第一金属电极210背侧表面面积的10%至90%，第二电极洞K12的开口面积占第二金属电极220背侧表面面积的10%至90%。

参看图5和图6，在本发明的第二个实施例中，考虑到第一电极洞K11和第二电极洞K21会造成第一金属电极210和第二金属电极220背侧表面等高面积分布连续度不佳，为了进一步优化金属电极和外部电路的键合良率，本实施例对第一电极洞K11和第二电极洞K21做偏心设计。

第一电极洞K11为圆孔，直径为2μm至4μm，孔中心设置未设置在第一金属电极210背侧表面的中心位置，从投影来看，第一金属电极210的背侧表面为矩形，依次相接设置有第一边L11、第二边L12、第三边L13和第四边L14。

在一些实施方式中，第一金属电极210、第二金属电极220的边长尺寸为3μm至8μm，从投影来看，第一金属电极210、第二金属电极220为矩形。

第二电极洞K12为圆孔，直径为2μm至4μm，孔中心设置未设置在第二金属电极220背侧表面的中心位置，从投影来看，第二金属电极220的背侧表面为矩形，依次相接设置有第一边L21、第二边L22、第三边L23和第四边L24。

在一些实施方式中，第二电极洞K21设置在第二金属电极220的角落附近，即第二电极洞K21距离第二金属电极中心位置为1.5μm至3μm。第二电极洞K21至第一边L21的距离为第二电极洞K21至第三边L23距离的1/2以下，且第二电极洞K21至第二边L22的距离为第二电极洞K21至第四边L24距离的1/2以下。

在本实施例中，第一电极洞K11的开口面积占第一金属电极210背侧表面面积的10%至40%，和/或第二电极洞K12的开口面积占第二金属电极220背侧表面面积的10%至40%。第一金属电极210和第二金属电极220的背侧表面的投影面积不大于100μm²。

参看图7和图8，在本发明的第三个实施例中，在前两个实施例的基础上，对第一金属电极210和第二金属电极220的间距为4μm至10μm的微发光二极管进行改进，这里电极之间的间距指的是两者的最小距离。由于第一金属电极210和第二金属电极220受限于芯片尺寸，而当间距过小时，第一金属电极210和第二金属电极220的等高面靠得太近导致难以形成有效支撑。

第一电极洞K11为圆孔，直径为2μm至4μm，孔中心设置未设置在第一金属电极210背侧表面的中心位置，从投影来看，第一金属电极210的背侧表面为矩形，依次相接设置有第一边L11、第二边L12、第三边L13和第四边L14，其中第一边L11靠近微发光二极管的短边，且与短边平行，第二边L12和第四边L14与长边平行。

在一些实施方式中，第一金属电极210、第二金属电极220的边长尺寸为3μm至8μm，从投影来看，第一金属电极210、第二金属电极220为矩形。

第二电极洞K21为圆孔，直径为2μm至4μm，孔中心设置未设置在第二金属电极220背侧表面的中心位置，从投影来看，第二金属电极220的背侧表面为矩形，依次相接设置有第一边L21、第二边L22、第三边L23和第四边L24，其中第一边L21靠近微发光二极管的短边，且与短边平行，第二边L22和第四边L24与长边平行。第二电极洞K21距离第三边L23的距离小于第二电极洞K21距离第一边L21的距离，在本实施例中，第二电极洞K21距离第三边L23的距离为第二电极洞K21距离第一边L21的距离的1/2以下，这里的距离指的是从第二电极洞K21边缘至第一边L21或者第三边L23的最近距离。

在一些实施例中，第二电极洞K21设置在第二金属电极220靠近第一金属电极210一侧，从而实现第二金属电极220的键合面大体设置在远离第一金属电极210的一侧，在本实施例中，第二电极洞K21设置在第二金属电极220靠近第一金属电极210一侧的任意一个角落，作为匹配设置的第一电极洞K11可以设置在第一金属电极210靠近第二金属电极220一侧，第一电极洞K11与第二电极洞K12相对于微发光二极管中心对角设置，第二电极洞K21距离第二金属电极220中心位置为1.5μm至3μm。第二电极洞K21至第三边L23的距离为第二电极洞K21至第一边L21距离的1/2以下，且第一电极洞K11至第三边L13的距离为第一电极洞K11至第一边L11距离的1/2以下，第二电极洞K21至第一金属电极210的距离不小于5微米，在本实施例的一些实施方式中，第二电极洞K21至第一金属电极210的距离为5微米至10微米。

在本实施例中，第一电极洞K11的开口面积占第一金属电极210背侧表面面积的10%至40%，和/或第二电极洞K12的开口面积占第二金属电极220背侧表面面积的10%至40%。第一金属电极210和第二金属电极220的背侧表面的投影面积不大于100μm²。

参看图9和图10，由于微发光二极管在一些实施方式中，需要经过压膜压印转移，例如高像素的显示芯片制程中，微发光二极管100的尺寸为100μm×150μm以内，且微发光二极管的第一类型半导体层的正侧至少部分被移除或减薄，原生衬底被剥离。需经过压膜压印的，拾取和放置超薄和/或小型装置。本实施例的设计，使得微转贴印刷允许这些超薄、易碎及/或小型装置的选择及应用而不会导致芯粒旋转。由于第一金属电极、第二金属电极和半导体层序列关于长边轴向对称设计，不会在巨量转移过程中旋转偏移。这里电极洞的不对称可以忽略不计。

微转贴印刷的巨量转移方式允许将微尺度、高性能装置阵列决定性地组装及集成于非原生衬底上。在其最简单实施例中，微转贴印刷类似于使用橡胶压印器以将基于流体的墨水从印台转贴到纸上。然而，在微转贴印刷中，“墨水”是由高性能固态半导体装置组成且“纸”可为包含电路板、胶膜、塑料或者其它半导体的衬底。微转贴印刷工艺利用与高精度控制动作印刷头耦合的经设计弹性体压印400以选择性地将大阵列的微尺度装置拾取且印刷于非原生目的地衬底上。

参看图11，在本发明的第四个实施例中，提供了一种微发光二极管，半导体层序列110的背侧包括有第一凹槽G1内的第一台面M1、第二类型半导体层112上的第二台面M2和位于两者之间的第一凹槽侧壁S1。在一些微发光二极管制程中，第一类型半导体层111的正侧表面用于与压印400配合进行巨量转移。

半导体层序列110的背侧设置有与第一类型半导体层111电连接的第一金属电极210以及与第二类型半导体层112电连接的第二金属电极220，在本实施例中，第一金属电极210设置与第一类型半导体层111连接，第二金属电极220与第二类型半导体层112连接，作为一种实施方式，第二金属电极220与第二类型半导体层112之间还可以设置有电流扩展层，例如之间设置有透明导电层。

还包括第一绝缘层310和第二绝缘层320，第一绝缘层310包括氧化硅和/或氮化硅，第二绝缘层320包括氧化硅、氮化硅和氧化钛，第一绝缘层310的材料种类少于第二绝缘层320，且第二绝缘层320包括第一绝缘层310的材料，第一绝缘层310具有第一开口K1，第一开口K1设置在第一台面M1上，第一开口K1的侧壁和第一台面M1的夹角为θ1，第一金属电极210至少部分设置在第一台面M1上，第一金属电极210从第一开口K1内的第一台面M1上延伸至第一绝缘层310上，第二绝缘层320设置在第二台面M2上，图中虚线仅作为示意第二绝缘层320的设置，第二绝缘层320包含部分第一绝缘层310，第一绝缘层310从第一台面M1延第一凹槽侧壁S1延伸至第二台面M2，第二绝缘层320具有第二开口K2，第二开口K2设置在第二台面M2上，第二金属电极220至少部分设置在第二台面M2上，第二金属电极220从第二开口K2内的第二台面M2上延伸至第二绝缘层320上，第二开口K2的孔径为1微米至5微米，可通过适当放大第二开口K2的孔径，从而改善蚀刻条件，减小第二开口K2侧壁与水平面的夹角。对应第一开口K1的第一金属电极210背侧表面具有第一电极洞K11，对应第二开口K2的第二金属电极220背侧表面具有第二电极洞K21，其中第一电极洞K11的开口面积小于第二电极洞K21的开口面积。

这里的孔径在本实施例中，第二绝缘层320厚度大于第一绝缘层310，第一绝缘层310的厚度为第二绝缘层320厚度的1/4至2/3。在本实施例中，第一绝缘层310的厚度为0.5至2微米，第二绝缘层320的厚度为1至3微米。减薄第一绝缘层310厚度，有利于提升第一金属电极210的制作良率，避免金属在第一开口K1周围破裂。

在第二开口K2的孔径为1至5微米时，可通过适当放大第二开口K2的孔径，从而改善蚀刻条件，减小第二开口K2侧壁与水平面的夹角θ2。

在本实施例中，微发光二极管为矩形，微发光二极管的短边长度不大于15微米，且第一台面M1的单边尺寸不大于15微米。微米级发光二极管受限于应用对尺寸的要求，无法提供像常规发光二极管的第一台面面积。第一台面M1的面积小于第二台面M2的面积，第一台面M1的面积为第二台面M2面积的1/2至4/5，第二台面M2为主要发光区域，本实施例缩小第一台面M1，进一步增大发光区域的面积。

由于第一开口K1设置在第一台面M1上，第一台面M1面积越来小，发光面积越大，器件效率越高，因此第一开口M1面积小于第二开口M2面积，第一开口K1的孔径为1微米至3微米，第二开口K2的孔径为1微米至5微米，这里孔径指的是俯视看开口的最大距离。第二开口K2设置在第二台面M2上，第二开口K2的孔径大于或者等于第一开口K1的孔径，进一步降低第二开口K2的工艺难度。第一开口K1与水平面的夹角为θ1，第二开口K2与水平面的夹角为θ2，其中θ1不大于θ2，第一开口K1与水平面的夹角θ1为20°至45°，第二开口K2与水平面的夹角θ2为20°至60°。本实施例通过控制绝缘层介质材料的种类、厚度，在干法蚀刻工艺中，降低第一开口K1与水平面的夹角，特别是降低角度控制的难度。同时降低了第一电极洞K11的面积，增大了第一金属电极210的有效键合面积，从而提升键合良率。

在本实施例的一些实施方式中，第一绝缘层310的介质材料为一种，且第二绝缘层320的介质材料为两种以上。第一绝缘层310的介质材料不同于第二绝缘层320的介质材料。

在本实施例的中，第二绝缘层320位于第二台面M2上，第二绝缘层320包括绝缘反射层321，绝缘反射层321的材料为DBR，例如由二氧化硅和二氧化钛的周期性介质叠层组成，周期数大于3，第一绝缘层310从第一台面M1从第一凹槽侧壁S1延伸至第二台面M2，并覆盖在绝缘反射层321上构成第二绝缘层320的一部分，本实施例通过减少第一金属电极210下方的介质层厚度和/或材料种类，扩大移除工艺窗口，移除例如采用湿法蚀刻或干法蚀刻，为了进一步降低第一开口K1的工艺难度，提升第一开口K1角度的可控性，作为示例的本发明采用干法蚀刻。

参看图12，在本发明的第五个实施例中，提供了一种显示装置，具有电路板，包括任意一种实施例的微发光二极管，微发光二极管与电路板500通过键合层510电连接。通过上述微发光二极管的金属电极、电极洞以及第一凹槽的匹配设计，改善产品良率，特别是在高压低温的键合工艺中，提升键合良率，例如键合层510为异方性导电胶，连续均匀的键合面相比现有技术更适合与高压低温键合工艺。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种微发光二极管，具有半导体层序列，半导体层序列包括背侧和正侧，从正侧开始依次包括第一类型半导体层、第二类型半导体层，有源层位于两者之间，半导体层序列的背侧具有凹槽，凹槽贯穿第二类型半导体层、有源层，露出第一类型半导体层，半导体层序列的背侧包括有凹槽内的第一台面、第二类型半导体层上的第二台面和位于两者之间的凹槽侧壁，半导体层序列的背侧设置有与第一类型半导体层电连接的第一金属电极以及与第二类型半导体层电连接的第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极用于与外部电源键合，其特征在于：第一金属电极完全设置在凹槽内。

2.根据权利要求1所述的一种微发光二极管，其特征在于：微发光二极管为矩形，微发光二极管的短边长度不大于20μm，微发光二极管的长边长度不大于30μm，且第一台面的单边尺寸不大于20μm。

3.根据权利要求1所述的一种微发光二极管，其特征在于：凹槽为非闭合台阶，凹槽的四个侧面中三面裸露，另外一侧面为凹槽侧壁。

4.根据权利要求1所述的一种微发光二极管，其特征在于：还包括第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层具有第一开口，第一开口设置在第一台面上，第一金属电极部分设置在第一台面上，第一金属电极从第一开口内的第一台面上延伸至第一绝缘层上，第二绝缘层设置在第二台面上，第二绝缘层具有第二开口，第二开口设置在第二台面上，第二金属电极部分设置在第二台面上，第二金属电极从第二开口内的第二台面上延伸至第二绝缘层上。

5.根据权利要求4所述的一种微发光二极管，其特征在于：第一绝缘层的材料与第二绝缘层的材料不完全相同，第一绝缘层包括二氧化硅，第二绝缘层包括二氧化钛。

6.根据权利要求4所述的一种微发光二极管，其特征在于：对应第一开口的第一金属电极背侧表面具有第一电极洞，对应第二开口的第二金属电极背侧表面具有第二电极洞，其中第一电极洞的开口面积小于第二电极洞的开口面积。

7.根据权利要求5所述的一种微发光二极管，其特征在于：第一电极洞的开口面积占第一金属电极背侧表面面积的10%至90%，第二电极洞的开口面积占第二金属电极背侧表面面积的10%至90%。

8.根据权利要求5所述的一种微发光二极管，其特征在于：第一电极洞的开口面积占第一金属电极背侧表面面积的10%至40%，第二电极洞的开口面积占第二金属电极背侧表面面积的10%至40%。

9.根据权利要求5所述的一种微发光二极管，其特征在于：第一金属电极和第二金属电极的背侧表面的投影面积不大于100μm²。

10.根据权利要求1所述的一种微发光二极管，其特征在于：第一金属电极和第二金属电极的间距为4μm至10μm。

11.根据权利要求1所述的一种微发光二极管，其特征在于：微发光二极管的第一类型半导体层的正侧方向至少部分被移除。

12.一种显示装置，具有电路板，包括权利要求1至权利要求11中任意一项所述的一种微发光二极管，微发光二极管与电路板通过键合层电连接。

13.根据权利要求12所述的一种显示装置，其特征在于：键合层的材料为异方性导电胶。

Images