TW201839970A

TW201839970A - 微型發光二極體器件及其製作方法

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Publication number: TW201839970A
Application number: TW107105289A
Authority: TW
Inventors: 盛翠翠; 王篤祥; 鐘秉憲; 吳俊毅; 吳超瑜
Original assignee: 大陸商廈門三安光電有限公司
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2018-11-01
Also published as: WO2018192322A1; US11791446B2; US20200020840A1; CN107068665B; KR20190104561A; TWI645558B; KR102239715B1; CN107068665A

Abstract

一種微型發光二極體器件及其製作方法，該微型發光二極體器件包含一微器件單元陣列、一連接層，及一固定層。該微器件單元陣列包括數個微器件單元，相鄰的微器件單元之間具有間隙。該連接層位於所述微器件單元之間的間隙，並且與至少一個所述微器件單元連接。該固定層位於所述微器件單元陣列的下方，僅與所述連接層的下表面接觸，並在所述微器件單元的下方形成空腔。藉由該連接層與該固定層接觸，可大大增加黏接點的接觸面積，保證微器件單元在被拾取之前不會因外界因素的影響而導致良率損失。

Description

微型發光二極體器件及其製作方法

本發明是有關於一種二極體器件及其製作方法，特別是指一種微型發光二極體(Micro LED)器件及其製作方法。

微元件技術是指在襯底上以高密度集成的方式形成微小尺寸的元件陣列。微型器件的一些實例包括微機電系統(MEMS) 微動開關、發光二極體顯示系統和基於MEMS或者石英的振盪器。目前，微型發光二極體（Micro LED）技術逐漸成為研究熱門，工業界期待有高品質的微元件產品進入市場。高品質微型發光二極體產品會對市場上已有的諸如LCD/OLED的傳統顯示產品產生重大影響。

中國專利CN105359283公開了一種具有柱的微型發光二極體器件，其在微器件下方設置穩定柱作為微型發光二極體器件的支撐，但穩定柱與器件導電觸點間的黏附性並不是很好，造成晶片製作後到被拾取前，任意的機械運動或其他外界因素，都可能導致微型器件與穩定柱間黏附失效，使兩者相互脫離。

因此，本發明之目的，即在提供一種能克服先前技術的至少一個缺點的微型發光二極體器件及其製作方法。

於是，本發明微型發光二極體器件，包含一微器件單元陣列、一連接層，及一固定層。該微器件單元陣列包括數個微器件單元，相鄰的微器件單元之間具有間隙。該連接層位於所述微器件單元之間的間隙，並且與至少一個所述微器件單元連接。該固定層位於所述微器件單元陣列的下方，僅與所述連接層的下表面接觸，並在所述微器件單元的下方形成空腔。

本發明微型發光二極體器件的製作方法，包含（1）提供磊晶結構；（2）在所述磊晶結構的表面上定義一系列微器件單元區、切割道區和連接區，其中連接區對應地位于切割道區內，每一微器件單元區的位置後續會對應地形成一微器件單元；（3）在所述磊晶結構表面的微器件單元區對應形成一個具有數個犧牲層單元的犧牲層；（4）在所述犧牲層上形成一固定層，該固定層朝所述切割道區延伸並接觸；（5）去除所述切割道區的磊晶結構，從而在所述切割道區形成間隙，並在連接區保留一定厚度作為一連接層；（6）去除所述犧牲層，使各個所述微器件單元下方形成空腔，僅連接層與所述固定層接觸。

本發明之功效在於：針對小尺寸的半導體微器件單元，在其間的間隙形成該連接層，用於與該固定層接觸，可大大增加黏接點的接觸面積，保證微器件單元在被拾取之前不會因外界因素的影響而導致良率損失。

下面各個實施例公開了用於固定微型器件陣列，諸如承載基板上的微型發光二極體(Micro LED)器件，以使其待拾取和轉移到接收基板的結構。在一個實施例中，固定層由黏合性材料形成，可使微型器件陣列保持在承載基板上的適當位置，同時也提供易於從中拾取微型器件陣列的結構。所述黏合性材料包括熱固性材料，例如但不限於苯並環丁烯(BCB)或環氧樹脂。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。下面結合附圖對本發明的微型發光二極體器件與製作方法進行詳細的描述。本發明微型發光二極體器件的製作方法的一實施例包含以下步驟。

（一）提供磊晶結構100

參閱圖1，提供一磊晶結構100，其一般可包括一生長襯底101，以及其上的數層磊晶疊層，所述磊晶疊層包括一N型半導體層111、一發光層112、一P型半導體層113，以及一窗口層114。在以下描述所示和所述的具體實施例參考了紅光發射LED器件的形成，但以下描述也適用於其他LED器件，諸如綠光(例如495nm-570nm波長) LED器件或藍光(例如450nm-495nm波長) LED器件的形成，所述綠光LED器件由材料諸如氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)和磷化鋁鎵(AlGaP)形成，所述藍光LED器件由材料諸如氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)和硒化鋅(ZnSe)形成。由於在該生長襯底101上形成所述磊晶層疊後，後續該生長襯底101會被移除，因此可選地，一蝕刻停止層(圖未示)可形成於生長襯底101與N型半導體層111之間，有助於生長襯底101的後續移除。

在一個較佳實施例中，生長襯底101可由GaAs形成，蝕刻停止層可由InGaP形成，N型半導體層111的材料可為砷化鋁鎵Al_x Ga_1-x As，1≥x＞0.4或磷化鋁鎵銦 (Al_x Ga_1-x )_y In_1-y P，1≥x＞0.4；發光層112 的材料可為磷化鋁鎵銦(Al_x Ga_1-x )_y In_1-y P，0≤x＜0.5；P型半導體層113 的材料可為砷化鋁鎵Al_x Ga_1-x As，1≥x＞0.4 或磷化鋁鎵銦 (Al_x Ga_1-x )_y In_1-y P，1≥x＞0.4。窗口層114的材料例如可為磷化鎵、磷化鎵砷、砷化鋁鎵或磷化鋁鎵銦，其厚度為1~10微米。

（二）定義微器件單元

參閱圖1、2，在該磊晶結構100的一個表面100a上定義數個微器件單元區A和一切割道區B，藉由該切割道區B將磊晶結構100劃分為一系列所述的微器件單元區A，每一微器件單元區A的位置後續會對應地形成一微器件單元。

參閱圖2、3，在一個較佳實施例中，可在磊晶結構100之表面100a的微器件單元區A上形成一個第一電極陣列115。該第一電極陣列115包括數個第一電極，其材料可以例如Au/AuZn/Au。在本步驟中，可對第一電極陣列115進行熔合，使其與磊晶結構100形成歐姆接觸。

（三）製作犧牲層

如圖4所示，在窗口層114與第一電極陣列115表面上形成一犧牲層120，該犧牲層120的厚度為0.1~5微米之間，材料可為氧化物、氮化物，或者為可選擇性地相對於其他層被移除的其他材料，例如可選用厚度為2~4微米的Ti層作為該犧牲層120。如圖5所示，在一些實施例中，該犧牲層120包括數個呈條狀分佈的犧牲層單元122，每個條狀犧牲層單元122覆蓋同一列的微器件單元區A（例如第A_i 列、第 A_i+1 列、第 A_i+2 列，或第 A_i+3 列），在相鄰的兩列微器件單元區A的中間保留有一預留空間121，用於後續填充黏合性材料作為一固定層。較佳地，每個條狀犧牲層單元122完全覆蓋對應的微器件單元區A並向切割道區B延伸一定距離，使得該預留空間121的面積小於對應的切割道區B的面積，因此，犧牲層單元122部分覆蓋所述切割道區B。所述犧牲層單元122的面積大於所述微器件單元區A的面積。

參閱圖6、7，在一些實施例中，該犧牲層120的單一犧牲層單元122可同時覆蓋相鄰的兩列微器件單元區A（例如第A_i+1 列和第A_i+2 列），並向兩側的切割道區B延伸一定距離，在相鄰的兩列微器件單元區A的中間保留有一預留空間121，用於後續填充黏合性材料作為固定層。參閱圖8、9，在一些實施例中，該犧牲層120也可連成一片，僅在相鄰的兩個或四個微器件單元區A的中間形成預留空間121，用於後續填充固定層。

（四）製作固定層

如圖10和圖11所示，在犧牲層120的表面上形成一固定層130，其填充了預留空間121並形成數個伸入所述預留空間121的支撐部131，由此可知，該固定層130朝所述切割道區B延伸並接觸。該固定層130覆蓋犧牲層120的上表面，用於將磊晶結構100鍵合到一承載襯底140上，該承載襯底140例如玻璃基板、藍寶石或其他具有平面的基板。固定層130的材料可為熱固型黏合性材料，例如但不限於苯並環丁烯(BCB)或環氧樹脂，通過加熱固化，從而在預留空間121形成所述支撐部131。根據所選擇的具體材料，固定層130可被熱固化或者利用施加紫外光(UV)能量來固化。

繼續參閱圖10、11，在圖10所示的實施例中，固定層130形成於磊晶結構100的表面上。作為另一種實施例，固定層130也可先形成在承載襯底140的表面上。作為再一種實施例，可同時在磊晶結構100的表面上和承載襯底140的表面上塗布BCB作為固定層130，進行軟烤、硬烤，然後鍵合。作為再另一種實施例，可先於磊晶結構100的表面上和/或承載襯底140的表面上形成AP3000作為黏合增進劑，再塗布BCB。

（五）去除生長襯底101

參閱圖11、12，去除生長襯底101，露出磊晶結構100的N型半導體層111表面。本發明可通過多種方法來完成該生長襯底101的移除，包括雷射剝離(Laser Lift Off, 簡稱 LLO)、磨削或者蝕刻，具體取決於生長襯底101的材料選擇，在所示的具體實施例中，在生長襯底101由GaAs形成的情況下，可通過蝕刻或磨削及選擇性蝕刻的組合連同蝕刻停止層(圖未示)上的選擇性蝕刻停止來實現移除。

較佳地，如圖13所示，在移除步驟後，在該N型半導體111的表面上製作一第二電極陣列150，其與第一電極陣列115對應，並具有數個第二電極。

（六）台面蝕刻

參閱圖2、13、14、15，本步驟是去除所述切割道區B的磊晶結構100，從而在所述切割道區B形成間隙，並在一連接區D保留一定厚度作為一連接層，該連接區D是指用於連接相鄰微器件單元的區塊。本步驟中形成兩個台面，均位於圖2所示的切割道區B內，其中第一台面作為微器件單元之間的走道區C；第二台面作為微器件單元之間的連接區D，連接區D對應地位于切割道區B內，對應於支撐部131(圖13)的位置，可參考圖7-9所示的預留空間121的圖案進行設置，但連接區D面積大於預留空間121的面積，即大於支撐部131(圖13)的面積。

蝕刻第一台面，如圖14、15所示，進行第一次台面蝕刻，蝕刻至犧牲層120，並裸露出犧牲層120的一表面120a而形成一切割道200。其中圖14為蝕刻完第一個台面後的俯視圖，其對應於圖5所示的圖案，圖15為沿圖14中的線C-C剖開的截面圖。參閱圖16~18，為蝕刻該犧牲層120的其他變化態樣，圖16對應於圖7所示的圖案，圖17對應於圖8所示的圖，圖18對應於圖9所示的圖案。

蝕刻第二台面，如圖19和20所示，進行第二次台面蝕刻，蝕刻至磊晶結構100的底層，並保持一定的厚度作為連接層114a。其中圖19為蝕刻完第二個台面後的俯視圖，其對應於圖5所示的圖案，圖20為沿圖19中的線d-d剖開的截面圖。在一個較佳實施例中，第二台面蝕刻至窗口層114，並保留該窗口層114的厚度50~500nm作為該連接層114a。

通過台面蝕刻，磊晶結構100形成了側向分開的所述數個微器件單元，並透過該連接層114a在連接區D保持連接。

（七）去除犧牲層120

參閱圖20、21，在形成側向分開的所述微器件單元之後，移除犧牲層120，從而在微器件單元的下方形成空腔170。圖21~26顯示，根據本發明的實施例在蝕刻移除犧牲層120(圖20)之後，形成藉由走道間（即為相鄰微器件單元之間的間隙）的連接層114a與下方的固定層130部分區域所支撐的微器件單元陣列。圖21~26顯示連接層114a與固定層130間的連接方式有多種態樣。

在圖21所示的具體實施例中，微器件單元通過部分台面區域殘留的磊晶材料所形成的連接層114a（例如磷化鎵、氮化鎵等）與固定層130（例如苯並環丁烯）部分接觸，支撐微器件單元處於待拾取狀態。

在一些實施例中，該器件在由磊晶片製成晶片的過程中，部分台面區域保留一定厚度的磊晶層與固定層部分接觸，支撐微器件單元處於待拾取狀態。較佳地，微器件單元的面積W1小於其下方的空腔170的面積W2，所述面積是指在水平面上的投影面積。進一步地，殘留的磊晶材料層之連接層114a的台面區域面積W3大於與其直接接觸的支撐部131的面積W4。通過上述尺寸關係，後續製成晶粒時較容易加工，由於當W3越大時越容易移除該犧牲層120(圖20)，反之若W4大於W3時，缺點為支撐部131會有接觸到第一電極陣列115的風險，而且要移除該犧牲層120(圖20)也較為困難。保留的磊晶材料連接層114a可為諸如GaP層或GaN層之類，其與固定層的接觸黏附性較好。

參閱圖21，總結來說，本發明的微型發光二極體器件包含微器件單元陣列、連接層114a，以及固定層130。該微器件單元陣列包括數個所述微器件單元，相鄰的微器件單元之間具有間隙。該連接層114a位於所述微器件單元之間的間隙，並且與至少一個所述微器件單元連接。該固定層130位於所述微器件單元陣列的下方，僅與所述連接層114a的下表面接觸，並在所述微器件單元的下方形成空腔170。

較佳地，所述連接層114a與至少一個微器件單元的下表面連接，該連接層114a向微器件單元之間的所述間隙延伸，並形成一連接區，所述固定層130與該磊晶結構100間，僅與所述連接區接觸，具體而言該固定層130透過支撐部131接觸連接層114a的所述連接區。

較佳地，所述連接層114a是由形成所述微器件單元的材料層(也就是磊晶結構100的磊晶材料層)向所述間隙延伸而成，並在間隙內形成一連接區，所述固定層130與該磊晶結構100間，僅與所述連接區接觸。

較佳地，所述連接層114a向所述間隙延伸的長度為相鄰的微器件單元之間距離的1/2以上。

較佳地，所述連接層114a為一系列離散的圖案構成，每個圖案呈條狀或塊狀。

較佳地，所述連接層114a至少同時連接兩個所述微器件單元。

較佳地，所述微器件單元為發光二極體單元，所述連接層114a為AlGaInP系材料層或GaN基材料層。

較佳地，所述微器件單元為AlGaInP系發光二極體，其包括該窗口層114，所述連接層114a為該窗口層114向所述間隙延伸並減薄至一定厚度而成。

較佳地，所述連接層114a的厚度為10~500nm。

較佳地，所述固定層130與所述連接層114a的接觸面積小於所述連接層114a位於所述間隙內的投影面積，即W4＜W3。

較佳地，所述微器件單元下方的空腔170尺寸大於該微器件單元的尺寸。所述尺寸是指在水平面上的投影面積，即W2＞W1。

較佳地，所述微器件單元正對其下方的空腔170，且尺寸大於所述空腔170的尺寸。所述尺寸是指在水平面上的投影面積，即W1可設計成大於W2。

在上述各圖示所示的實施例中，微型發光二極體器件均為垂直型，其在磊晶結構的上、下表面形成電極結構，但本發明並不局限於此結構。在一些實施例，本發明也可應用于水平結構的微型半導體器件（即p、n電極位於同側），如圖27所示，第一電極陣列115與第二電極陣列150位於同側(都位於窗口層114之上)。

綜上所述，在上述實施例，一方面利用微器件單元之間的間隙形成連接區，連接區與固定層130的支撐部131接觸，對於微型發光二極體器件能夠達到大面積固定層130與連接層114a接觸，可增加附著性，避免良率損失。另一方面，利用固定層130（例如苯並環丁烯）與磊晶材料層（例如GaP層、GaN層）形成的連接層114a的區域性接觸黏附性較好的優點，保證微器件單元在拾取之前不會因外界因素的影響導致良率損失，可大大提升微型發光二極體晶片良率。

補充說明的是，參閱圖14~18，在本發明中，其中走道區C用於裸露犧牲層120，其面積越大，越容易移除犧牲層120，連接區D用於與固定晶粒，連接區D面積越大晶粒越穩定，因此走道區C和連接區D的佈置並不限於圖14~18所示的態樣，在其他實施例中，走道區C和連接區D的佈置也可作對調設置，或者其他設計。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧磊晶結構

100a‧‧‧表面

101‧‧‧生長襯底

111‧‧‧N型半導體層

112‧‧‧發光層

113‧‧‧P型半導體層

114‧‧‧窗口層

114a‧‧‧連接層

115‧‧‧第一電極陣列

120‧‧‧犧牲層

120a‧‧‧表面

121‧‧‧預留空間

122‧‧‧犧牲層單元

130‧‧‧固定層

131‧‧‧支撐部

140‧‧‧承載襯底

150‧‧‧第二電極陣列

170‧‧‧空腔

200‧‧‧切割道

A‧‧‧微器件單元區

B‧‧‧切割道區

C‧‧‧走道區

D‧‧‧連接區

W1~W4‧‧‧面積

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明微型發光二極體器件的製作方法的一實施例進行時，所使用到的一磊晶結構；圖2是圖1的磊晶結構的俯視示意圖，並於其上定義數個微器件單元區和一切割道區；圖3是一示意圖，說明在該磊晶結構上形成一第一電極陣列；圖4是一示意圖，說明在該磊晶結構的一窗口層與該第一電極陣列上形成一犧牲層；圖5是圖4的俯視示意圖；圖6是一類似圖4的示意圖，說明另一種形態的犧牲層；圖7是圖6的俯視示意圖；圖8是一類似圖7的俯視示意圖，說明再另一種形態的犧牲層；圖9是一類似圖7的俯視示意圖，說明又另一種形態的犧牲層；圖10是一類似圖4的示意圖，說明在圖4形態的犧牲層上形成一固定層；圖11是一類似圖10的示意圖，說明在該固定層上鍵合一承載襯底；圖12是一類似圖11的示意圖，並且為上下反置，說明將圖11的該磊晶結構的一生長襯底移除；圖13是一類似圖12的示意圖，說明在該磊晶結構的一N型半導體層上形成一第二電極陣列；圖14是一俯視示意圖，說明進行完第一次台面蝕刻，去除該磊晶結構之局部而露出一犧牲層的一表面，圖14對應圖5所示的圖案；圖15是沿圖14中的線C-C剖開的截面示意圖；圖16是一類似於圖14的俯視圖，說明去除該磊晶結構之局部而露出該犧牲層的表面的另一種態樣，圖16對應圖7所示的圖案；圖17是一類似於圖16的俯視圖，說明再另一種態樣，圖17對應圖8所示的圖案；圖18是一類似於圖17的俯視圖，說明又另一種態樣，圖18對應圖9所示的圖案；圖19是一類似圖14的俯視圖，說明進行完第二次台面蝕刻；圖20是沿圖19中的線d-d剖開的截面示意圖，說明第二次台面蝕刻至該磊晶結構的底層，並保持該窗口層一定的厚度作為一連接層；圖21是一類似圖20的示意圖，說明將圖20的一犧牲層移除，而在微器件單元的下方形成空腔；圖22是一類似圖19的俯視示意圖，說明移除該犧牲層後的狀態，且沿圖22中的線d-d剖開的截面示意圖即為圖21；圖23是一類似圖21的示意圖，說明將該犧牲層移除後的另一種態樣；圖24是一類似圖22的俯視示意圖，說明移除該犧牲層後的另一種態樣，且沿圖24中的線e-e剖開的截面示意圖即為圖23；圖25是一類似圖24的俯視示意圖，說明移除該犧牲層後的再另一種態樣；圖26是一類似圖25的俯視示意圖，說明移除該犧牲層後的又另一種態樣；及圖27是一截面示意圖，說明本發明微型發光二極體器件的另一種變化態樣，該第一電極陣列與該第二電極陣列位於同一側。

Claims

一種微型發光二極體器件，包含：一微器件單元陣列，包括數個微器件單元，相鄰的微器件單元之間具有間隙；一連接層，位於所述微器件單元之間的間隙，並且與至少一個所述微器件單元連接；及一固定層，位於所述微器件單元陣列的下方，僅與所述連接層的下表面接觸，並在所述微器件單元的下方形成空腔。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述連接層與至少一個所述微器件單元的下表面連接，並向所述間隙延伸形成一連接區，所述固定層僅與連接區接觸。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述連接層是由形成所述微器件單元的材料層向所述間隙延伸而成，並在間隙內形成一連接區，所述固定層僅與所述連接區接觸。
如請求項3所述的微型發光二極體器件，其中，所述連接層向所述間隙延伸的長度為相鄰的微器件單元之間距離的1/2以上。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述連接層為一系列離散的圖案構成，每個圖案呈條狀或塊狀。
如請求項5所述的微型發光二極體器件，其中，所述連接層至少同時連接兩個所述微器件單元。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述微器件單元為發光二極體單元，所述連接層為AlGaInP系材料層或GaN基材料層。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述微器件單元為AlGaInP系發光二極體，其包括一窗口層，所述連接層為該窗口層向所述間隙延伸並減薄至一定厚度而成。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述連接層的厚度為10~500nm。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述固定層與所述連接層的接觸面積小於所述連接層位於所述間隙內的投影面積。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述微器件單元下方的空腔尺寸大於該微器件單元的尺寸。
如請求項1所述的微型發光二極體器件，其中，所述微器件單元正對其下方的空腔，且尺寸大於所述空腔的尺寸。
一種微型發光二極體器件的製作方法，包含：（1）提供磊晶結構；（2）在所述磊晶結構的表面上定義一系列微器件單元區、切割道區和連接區，其中連接區對應地位于切割道區內，每一微器件單元區的位置後續會對應地形成一微器件單元；（3）在所述磊晶結構表面的微器件單元區對應形成一個具有數個犧牲層單元的犧牲層；（4）在所述犧牲層上形成一固定層，該固定層朝所述切割道區延伸並接觸；（5）去除所述切割道區的磊晶結構，從而在所述切割道區形成間隙，並在連接區保留一定厚度作為一連接層；及（6）去除所述犧牲層，使各個所述微器件單元下方形成空腔，僅連接層與所述固定層接觸。
如請求項13所述的微型發光二極體器件的製作方法，其中，所述步驟（3）中，所述犧牲層單元的面積大於所述微器件單元區的面積。
如請求項13所述的微型發光二極體器件的製作方法，其中，所述步驟（3）中，所述犧牲層單元完全覆蓋所述微器件單元區，並部分覆蓋所述切割道區。
如請求項13所述的微型發光二極體器件的製作方法，其中，所述步驟（5）中進行兩次台面蝕刻，第一次台面蝕刻至犧牲層並裸露出犧牲層的表面而形成一切割道，第二次台面蝕刻至所述磊晶結構的底層，並保持一定的厚度作為該連接層。
如請求項16所述的微型發光二極體器件的製作方法，其中，通過台面蝕刻，磊晶結構形成了側向分開的所述微器件單元，並在該連接區保持連接。