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TWI803827B - 高分辨率單體式ｒｇｂ陣列 - Google Patents

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TWI803827B
TWI803827B TW110105543A TW110105543A TWI803827B TW I803827 B TWI803827 B TW I803827B TW 110105543 A TW110105543 A TW 110105543A TW 110105543 A TW110105543 A TW 110105543A TW I803827 B TWI803827 B TW I803827B
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余湘
賽門 艾許頓
強納生 席普
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英商普利希半導體有限公司
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Abstract

一種發光二極體結構，其包括p型區域和n型區域； 以及用於複合由所述p型區域和所述n型區域注入的載流子的發光區域，其中，所述n型區域和所述p型區域中的至少一者至少部分地形成在穿過所述發光區域的通孔中，其中，所述通孔限定了至少一個像素的發光表面的周界。

Description

高分辨率單體式RGB陣列
本發明涉及發光二極管結構和形成發光二極管結構的方法。特別但非排他地，本發明涉及發光二極管結構的高分辨率單片陣列。
常規發光像素的紅-綠-藍(RGB)微發光二極管(μLED)陣列通常是使用拾取和放置技術、或者通過使用沉積或集成到標準平面發光二極管(LED)結構中的顏色轉換材料等方式來實現。然而，當這樣的陣列中將像素間距被縮減到非常小的間距(例如，小於5μm)以便提供更高分辨率的陣列，許多困難隨之浮現。
例如，由於高成本、低通量、和轉移微發光二極管時位置精度的限制，使用取放技術可能是不切實際的。在顏色轉換的情況下，這種技術的使用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，大於高分辨率需要的非常小間距的陣列中的像素間距)。此外，由於與量子點(QD)相關的小吸收係數，顏色轉換技術可能會具有較差的可靠性和低效率。例如，需要超過10微米的顏色轉換QD材料的厚度來完全吸收激發它們的藍色發射輸出，因此使其不適用於非常小的像素間距陣列。
為了避免必須轉移LED，並且為了提供高質量的有效發射輸出，在同一基板上提供LED的本機陣列將是有益的。一種用於在同一基板上構建本徵LED陣列的方法是依賴奈米線(nanowire)的選擇性區域生長，其為單獨結構的陣列，以實質垂直於圖案化生長基板的形式而構成發光結構，其中發光表面由使用在外延n型和p型摻雜層之間生長的典型外延量子阱結構來繪製奈米線的橫截面積。然而，奈米線的生長通常難以控制、且可能會因為不良的光提取效率和雜質摻而受到諸如光效率與色域方面的嚴格限制。
為了減輕至少一些上述問題，本案提供了根據所附請求項的發光二極管結構。此外，根據所附請求項，提供了一種發光二極管結構的陣列以及形成一個或多個發光二極管結構的方法。
在一個示例中，提供了一種發光二極體結構，該發光二極體結構包括：p型區域、n型區域、以及用於複合重組(recombination)由p型區域和n型區域注入的載流子的發光區域，其中，n型區域和p型區域中的至少一者至少部分地形成在穿過所述發光區域的通孔中，其中，所述通孔限定了至少一個像素的發光表面的周界。有利地，用於將載流子注入發光區域的材料也用於界定至少一個像素的發光表面的周界，藉以隔離像素、同時仍提供能夠在像素的發光表面上有效地重組和發光的載流子源。
優選地，發光區域包括至少一個外延量子阱層。有利地，以高晶體質量生長外延量子阱層，從而導致有效的光產生。
優選地，通孔能夠在發光區域中注入橫向載流子。有利的是，向發光區域中的一個或多個量子阱中的橫向載流子注入實現了向發光區域中更有效的電洞注入。
優選地，n型區域和p型區域均至少部分地形成在穿過發光區域的通孔中。有利地，這樣的佈置使得能夠從n型區域和p型區域兩者側向注入載流子，從而導致有效的重組。有利地，用於橫向載流子注入的同樣區域也用於隔離像素。
優選地，發光二極體結構包括另一通孔，其中，所述通孔和所述另一通孔佈置成提供陽極和陰極。有利地，這樣的佈置使得能夠從n型區域和p型區域兩者側向注入載流子，從而導致有效的重組。有利地，用於橫向載流子注入的相同區域也用於隔離像素。另外，可以選擇性地給陽極和陰極通電，以控制從發光二極體結構發出的光。
優選地，發光二極體結構包括另一個發光區域。有利地，發光區域可以同時或單獨地被激發，並且可以被配置為具有相同或不同的主峰值波長。
優選地，發光區域和另一發光區域由未摻雜區域隔開，從而提供堆疊式的發光區域。有利地，通過形成到發光區域的通孔連接而無需傳統的LED結構中所見的層疊的n-GaN和p-GaN疊層來達到將載流子注入到不同的發光區域中。有利地，在不存在p型摻雜層的情況下，p型摻雜劑擴散沒有問題，並且發光區域的多量子阱(MQW)可以更靠近在一起，而不需要隧道結。此外，在該結構中不需要電子阻擋層。
優選地，通孔既穿過發光區域又穿過另一發光區域。有利地，為發光區域提供公共連接，從而使得初始外延結構的處理更簡單。
優選地，發光區域和另一發光區域被配置為發射不同波長的光。有利地，該結構可以發射不同的主峰值波長的光，並且該結構可以實施於多色陣列之內。
優選地，發光區域和另外的發光區域被佈置為使得發光區域和另外的發光區域的表面區域部分地重疊。有利地，在平面圖中，不同區域被佈置以基於不同發光區域來提供發光表面(並且因此可以被配置為提供不同的發光，例如不同的強度、時間、或顏色等)。
優選地，發光二極體結構包括至少三個發光區域，其中，發光區域之一發射藍光，其中一個發光區域發射綠光，並且其中一個發光區域發射紅光。有利地，三個發光區域的使用提供更多的靈活性，包括以高分辨率為彩色顯示器提供紅綠藍(RGB)光的能力。
優選地，通孔是界定了包括多個像素的陣列的柵格通孔，優選地，其中柵格被佈置為提供公共電極。有利地，連接可以在一個處理步驟中達成。此外，通過使用柵格通孔定義像素意味著不需要像素之間的電隔離蝕刻，從而允許更緊密的像素集成。
優選地，至少兩個像素被配置為發射不同波長的光。有利地，可以從單片陣列提供多個顏色輸出。
優選地，另一通孔包括柱狀通孔，並且在另一通孔中形成n型或p型區域。有利地，柱狀通孔提供了一種有效的方式來提供載流子注入。
優選地，柱狀通孔被佈置為提供電極，從而使得能夠控制由通孔限定的像素中的發射。有利地，電極可以用於選擇性地控制來自高分辨率像素陣列中的單個像素的發射。
優選地，發光區域和/或另外的發光區域形成在未摻雜的外延層上。有利地，未摻雜的外延層允許像素的電隔離。
優選地，發光區域和/或另外的發光區域形成在未摻雜的外延層之間。有利地，未摻雜的外延層允許像素的電隔離，並且能夠通過蝕刻穿過在未摻雜的外延層之間形成的發光區域和/或另外的發光區域來進行用於單個像素連接的外延結構的處理。
優選地，未摻雜的外延層形成在配置為阻擋垂直載流子擴散的阻擋層上。有利地，可以在能夠形成基板的一部分和/或優選的生長技術的摻雜材料上形成發光結構，同時使得能夠隔離發光區域，從而形成n型和p型區域中的一者以穿過發光區域。
優選地，發光二極體結構是氮化鎵基結構。氮化鎵以其提供具有一系列主峰值波長的有效發光二極體器件的性能而聞名。氮化鎵結構的生長已經很好地發展，並且這種材料的生長和加工是可控的，以提供高質量的器件。因此，優選地，未摻雜的外延層是氮化鎵。
優選地，阻擋層是AlGaN。有利地，阻擋層為隨後的處理步驟提供穩定的表面。
優選地，n型區域和p型區域中的至少一個形成在分別連接至平面的n型區域或平面的p型區域的通孔中。有利地，由於載流子擴散，使用平面區域提供了發光，且可能有利於減少蝕刻損壞和有源區域的損失，否則中央通孔蝕刻將被用於將載流子橫向注入到發光區域中。
優選地，通過選擇的區域生長方式將n型材料於通孔中形成n型區域。有利地，所選區域的生長至少部分地治癒了蝕刻損傷。此外，鈍化是不必要的，因為沒有剩餘的開口表面切穿多個量子阱。
優選地，通過選擇的區域生長方式將p型材料於通孔中形成p型區域。有利地，所選區域的生長至少部分地治癒了蝕刻損傷。此外，鈍化是不必要的，因為沒有剩餘的開口表面切穿多個量子阱。
優選地，通孔是蝕刻通孔。各向異性蝕刻的技術是已知的，並且使得能夠生長並隨後處理較大規模的外延結構，以便提供具有由蝕刻的通孔限定的像素周界的發光二極體結構。這意味著與諸如圖案化的奈米線生長的較小規模的技術相反，可以使用用於生長高質量和有效的外延結構的已知技術。
優選地，發光表面具有基於載流子在發光區域內的擴散長度的面積。有利地，發光表面的形狀和/或尺寸基於擴散載子的長度是可優化的，這對於在微型LED中提供均勻的發光是有用的。
優選地，發光表面積小於或等於100μm^2，並且優選地小於或等於16μm^2。有利地，使用包括n型或p型材料的通孔來定義像素使得能夠形成具有發光表面的微型LED，所述發光表面為像素提供高分辨率。
有利地，使用包括n型或p型材料的通孔來定義像素使得能夠形成具有發光表面的微型LED，所述發光表面為像素提供高分辨率並且可以形成陣列。這樣的陣列適合於連接到底板，並因此集成到高分辨率顯示器或可以是單色陣列或多色的其他高分辨率陣列中。
優選地，通過在基板上形成多個外延層來提供發光二極體結構和/或微型LED陣列。有利地，在基板上形成多個外延層意味著可以連續生長提供高質量的結構，從而減少生長時間和生長中的雜質。
優選地，多個外延層包括n型區域和發光區域。有利地，這樣的多個外延層包括常規LED結構的層。有利地，常規的LED結構(可以在p-覆層之前終止)可以用作單體微型LED陣列的後續處理的基礎。
優選地，蝕刻多個外延層，使得蝕刻穿過發光區域以提供限定像素周界的通孔。各向異性蝕刻的技術是已知的，並且使得能夠生長並隨後處理較大規模的外延結構，以便提供具有由蝕刻的通孔限定的像素周長的發光二極體結構。這意味著與諸如圖案化的奈米線生長的較小規模的技術相反，可以使用用於生長高質量和有效的外延結構的已知技術。
優選地，在蝕刻過的通孔中生長p型區域或n型區域。
優選地，蝕刻用於p型區域或n型區域的另一通孔。
優選地，另一通孔穿過被配置為提供特定波長的發光區域。
優選地，蝕刻用於p型區域或n型區域的再一通孔，其中，所述另一通孔和再一通孔佈置成允許載流子注入到不同的發光區域中，從而提供不同波長的光。
優選地，蝕刻p型區域或n型區域的再一通孔包括至少部分地蝕刻穿過至少一個發光區域，以便局部地去除不想要的最長波長。
根據說明書和所附申請專利範圍，本發明的其他方面將變得顯而易見。
100:外延結構
102:n型區域
104:阻擋層
106:未摻雜區域
108:超晶格
110:發光區域
112:阻擋層
114:掩模層
115:通孔
118:p型區域
120:掩模層
200:外延結構
202:厚度
204:高度
206:寬度
208:像素
210:寬度
400:發光結構
500:發光結構
600:發光結構
700:外延結構
702:未摻雜區域
704:未摻雜區域
706:超晶格
707:第一發光區域
708:第二超晶格
709:第二發光區域
710:第三超晶格
711:第三發光區域
712:厚度
800':平面圖
800:結構
801:導電材料
802:通孔
804:掩模層
806:像素
900:外延結構
902:未摻雜區域
904:未摻雜區域
906:超晶格
907:發光區域
1000':平面圖
1000:發光結構
1001:通孔
1002:n型區域
1100:外延結構
100A:外延結構
參照附圖，僅以舉例的方式描述了本發明的實施方式的詳細描述，其中：圖1A示出了外延結構的橫截面圖。
圖1B示出了經加工的外延結構的橫截面圖；圖1C示出了經處理的外延結構的橫截面圖；圖2A示出了加工的外延結構的橫截面圖。
圖2B示出了包括圖2A的已加工外延結構的平面圖。
圖3A示出了發光結構的橫截面圖。
圖3B示出了包括圖3A的發光結構的平面圖。
圖4示出了經過處理的發光結構的截面圖。
圖5示出了發光結構的截面圖。
圖6示出了經過加工的發光結構的橫截面圖。
圖7示出了發光結構的截面圖。
圖8示出了發光結構的截面圖。
圖9示出了具有三個不同的發光區域的外延結構的截面圖。
圖10A示出包括圖9的已加工外延結構的橫截面圖。
圖10B示出了圖10A的加工後的外延結構的平面圖。
圖11A示出了圖10A的進一步加工的外延結構的橫截面圖。
圖11B示出了包括圖11A的進一步加工的外延結構的平面圖。
圖12A示出了具有三個不同的發光區域的發光結構。
圖12B示出了圖12A的發光結構的平面圖；圖13A示出了圖12A的經處理的發光結構；圖13B示出了圖13A的結構中的橫向載流子注入；和圖14示出了一種像素的實現方式，該像素在像素內具有三個不同的發光區域，該像素由通過穿過發光區域的通孔形成的周界限定。
發光二極管(LED)通常通過處理發光結構形成，該發光結構通過在反應器(例如MOCVD(金屬有機化學氣相沉積)反應器，MBE(分子束) 例如，外延)反應器或其他化學氣相沉積反應器。由於上述原因，用於創建高分辨率微型LED的陣列的已知方法在處理由相對大的晶片襯底上的晶體生長產生的LED以提供用於高分辨率陣列的微型LED時面臨困難。納米線LED陣列用於克服這些處理問題導致與傳統的相對較大的晶片襯底LED生長相比，在生長過程的控制上存在困難，並且一般性能較差。
本公開描述了微型LED，其通過有利地處理可以在相對較大的晶片襯底上生長的發光結構而形成為單體式高分辨率陣列的一部分。有利地，與經顏色轉換的像素相比，可以形成更小、更有效並且更耐降解的原色像素。與貼裝組裝相比，直接在晶圓上生長的外延結構的處理意味著不需要轉移數百萬個像素(以及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生產量。與奈米線相比，標準平面外延沉積層生長的處理意味著以提供高質量生長並因此具有較高內部量子效率(IQE)的方式形成多個量子阱(MQW)。此外，外延結構的處理提供了使用標準表面圖案化技術更好地適合於光提取的平面器件。
在下面的描述中，由所描述的方法和結構產生的其他優點將是顯而易見的。下面參考各種處理步驟來描述提供微型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中和在生長反應器外部執行的步驟)。參照III-V族半導體材料描述了方法和結構。具體地，參考包括基於氮化鎵(GaN)的發光結構的氮化物結構來描述方法和結構，眾所周知，氮化物結構提供了相對高效率的發光結構。然而，在另外的示例中，該方法和結構適用於基於其他材料，特別是基於其他半導體材料的發光結構。
在以下附圖中，使用相似的附圖標記來說明與相同特徵或由相同或相似過程提供的等同特徵有關的結構的各方面。
圖1A示出了結構100，該結構100A是形成單色微型LED像素陣列的基礎的外延結構100A。這樣的單色微型LED像素陣列具有多個單獨的像素，其中，基於這樣的單色微型LED像素陣列連接到電源的方式，每個像素可以是可單獨尋址的(例如，取決於背板相對於微型LED像素陣列的佈置)。
結構100是通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長的基於GaN的外延多量子阱(MQW)結構，該結構實際上是在p覆層之前生長並終止的LED結構，否則該p覆層會提供常規的pn結將發光區域夾在中間，該發光區域形成為包括至少一個或多個量子阱。有利地，可以使用已知技術來提供可以被處理的高質量材料，以提供單體高分辨率微型LED陣列。
在圖1A中，示出了n摻雜的(n-GaN)n型區域102，在其上生長具有10%的鋁的AlGaN阻擋層(barrier layer)104。通常在基板(未示出)上形成n型區域102。AlGaN阻擋層104防止垂直載流子從n型區域102擴散。
在阻擋層104上生長未摻雜區106(非故意摻雜的GaN)，在未摻雜區106上生長GaN基超晶格結構108。在超晶格結構108的頂部上有具有多個量子阱(MQW)的發光區110。n型區域102，阻擋層104，未摻雜區域106，超晶格108和發光區域110的橫截面顯示為在基板上生長的多個外延層(在基板不是n型區域102本身的程度上未示出基板)。
GaN的超晶格結構108。在超晶格結構108的頂部上，具有發光區域110，其具有多個量子阱(MQW)。n型區域102、阻擋層104、未摻雜區域106、超晶格108、和發光區域110的橫截面被示為在基板(未示出)上生長的外延層。
發光區域110具有MQW。附加地或替代地，發光區域110可以具有單量子阱(SQW)。附加地或替代地，發光區域110可以包括一個或多個量子點或其他結構以實現載流子組合和發光。量子阱和量子點限制了載流子，並 在使用中基於載流子注入後量子結構中的發射載流子復合提供了光源，例如當分別連接到陰極和陽極時通過n型和p型區域。
在發光區域110的頂部上示出了另一阻擋層112，其是AlGaN阻擋層112。阻擋層112為隨後的處理步驟提供了穩定的表面。
儘管阻擋層112被示出為AlGaN阻擋層112，但是另外地或替代地，阻擋層112由不同的材料形成，或者可以被排除。
雖然發光區域110包括MQWs，但是在進一步的示例中，發光區域110可以具有單量子阱(SQW)。發光區域110包括多層材料以形成有源/主動區域。例如，發光區域110包括諸如短週期超晶格和/或未摻雜的恢復層的層，從而提供高質量的晶體材料和來自發光區域110的發射。另外或替代地，發光區域110可以包括一個或多個量子點。量子阱和量子點限制了載流子，並且在使用中，當分別通過連接到陰極和陽極的n型和p型區域注入載流子後，基於量子結構中的載流子復合提供了光源。
儘管典型地在基板上形成n型區域，但是可替代地，n型區域本身可以是適合於隨後的晶體層的生長的獨立式基板。在一個示例中，基板是藍寶石基板。在其他示例中，基板是矽基板或GaN基板。
外延結構100可使用MOCVD反應器生長。有利地，這種結構100可以被優化用於MOCVD生長並且提供高質量的生長以有效地產生光。另外地或替代地，可以使用其他沉積和/或生長方法來提供外延結構100，例如MBE。
n型區域102由n型氮化鎵形成。然而，在另外的示例中，n型區域102可以由和/或基於其他材料形成。阻擋層104由氮化鋁鎵，例如10%鋁AlGaN形成。然而，在另外的示例中，附加地或替代地，可不使用阻擋層104，或者可以由不同的材料形成阻擋層104。超晶格108由氮化鎵基材料形成。附加地或替 代地，超晶格108由其他材料形成。發光區110包括至少一個量子阱。附加地或替代地，發光區域110包括另外的量子阱。附加地或替代地，發光區域110包括量子點或其他量子結構。發光區域110是基於氮化鎵的區域，其中至少量子阱由諸如氮化銦鎵(InGaN)或氮化鋁銦鎵(AlINGaN)的基於氮化鎵的材料形成。另外地或可替代地，取決於要生長的結構，使用不同的材料。基於被選擇用於從發光區域110發射的主峰值波長來確定發光區域110中的量子阱的組成。阻擋層112由氮化鋁鎵形成。附加地或替代地，可以使用不同的材料來形成阻擋層112。發光區域110不包含任何摻雜，例如，其不包含矽摻雜或鎂摻雜，在生長期間通過故意摻雜發光區域110在進一步的示例中，在發光區域110中使用摻雜，其摻雜程度不影響載流子注入，以便經由由穿過發光區域110的通孔所定義的像素的發光表面發光。在另外的示例中，通過生長或以其他方式形成不同的半導體層，以提供用於處理微型LED的單片陣列的必要基礎結構。
儘管在圖1A中示出了特定的外延結構100，但是本領域技術人員將理解，取決於特定實施方式的特定需要，可以使用附加的層、層的排除、和替代層以實施本文所述的概念。在其他層的頂部上形成的層的描述指示關於層的生長順序的位置關係，並且不一定排除在被描述為在所述第一層的頂部的第一層和第二層之間存在其他層。
一旦提供了外延結構100，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最終的結構中。
因此，圖1B示出了已加工的外延結構100’。圖1A示出了外延結構100，其具有附加的掩模層114。掩模層114使用包括光刻技術在內的已知技術來形成和加工，以便選擇性地形成孔並露出下面的外延結構100的部分，例如， 阻擋層112。一旦掩模層114的部分被選擇性地去除，就對下面的外延結構100進行選擇性蝕刻。這種選擇性蝕刻在外延結構100中提供了通孔。通孔是通過去除材料而形成的，以便留下通過剩餘材料的路徑。取決於在掩模層114中暴露的區域的形狀和蝕刻的深度，形成的通孔將具有對應的形式，在示例中，其是溝槽通孔或柱狀通孔的形式。儘管通過蝕刻材料以留下溝槽、孔、或其他路徑來形成通孔，但是在其他示例中，通孔是通過形成材料來額外地或替代地形成的，使得與材料的去除相反，不存在材料而在其他結構內部形成通孔結構。
在示例中，掩模層114是氮化矽。另外地或替代地，可使用不同的材料，例如二氧化矽。有利地，氮化矽是用於後續處理步驟的有效且可控的掩模層114。
圖1C示出了進一步處理的外延結構100”，其具有已經蝕刻穿過外延結構100的通孔115。示出的通孔115已經被蝕刻穿過外延結構100到達n型區域102。為了能蝕刻通孔115，使用光刻技術以便對掩模層進行構圖並在掩模層中打開孔，以使得能夠蝕刻由在掩模中形成的孔所暴露的材料。通孔115以橫截面示出。在平面圖中，通孔115以柵格結構(例如，參見圖2B的柵格)形成，以便限定像素，其中通孔通過穿過發光區域110來限定每個單獨像素208的發光表面的周邊。為了形成溝槽通孔115，隔離每個單獨的像素，該發光區域110形成有溝槽。像素208的寬度210是圖1C所示的通孔115之間的距離。
一旦在外延結構100中形成通孔115，就形成了n型材料的選擇性過度生長。可以在掩模層114保持在原位的情況下在通孔115中進行這種材料的過度生長或沉積，從而在阻擋層112上不發生生長，舉例言之。因此，圖2A示出了圖1中提供的已加工外延結構的截面圖。
在一示例中，使用諸如基於等離子體的技術的乾法蝕刻技術來形成通孔115。優選地，使用濕法蝕刻處理以便恢復由通孔115的蝕刻引起的任何損壞。另外或替代地，使用任何合適的蝕刻技術以形成通孔115。
圖2A示出了與圖1A，1B和1C所示相同的基本結構100、100'，100”，然而，圖2A的結構200被示出為已被進一步處理。圖2A的經處理的外延結構200示出了沉積掩模層114，該沉積掩模層114在一個示例中是氮化矽層，該氮化矽層已經被蝕刻以提供通孔115，如圖1A至1C所示。通孔115通過外延結構100被垂直地蝕刻到摻雜的n型區域102。隨後，在通孔115中形成了n型摻雜的GaN(n-GaN)的n型過生長116，以提供穿過發光區域110的導電區域。
儘管在圖2A中示出了單個像素橫截面(具有寬度210)，但是應當理解，通過選擇性蝕刻提供的外延結構100的選擇性蝕刻以及通孔溝槽中n型材料的過度生長將產生實為n型的柵格(在這種情況下為陰極)，其為通過外延結構100的發光區域110的n型過生長116定義的所有的像素的公共電極。有利地，選擇性區域的n型材料生長是使用了相對較高溫度的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)反應器進行。這種相對較高溫度的退火會造成任何開放性MQW表面的鈍化與瑕疵。加工後在MQW周邊沒有懸空的鍵，因此不再需要鈍化。因此，有利地，在發光區域110中實現了大大減少的非輻射性複合。
示出的n型過度生長116從掩膜層114的表面凸出。有利地，這使得摻雜的過度生長能夠接觸。結構200未按比例示出，但是，在示例中，形成在n型區域102上的結構的厚度202可以為大約300nm，其中n型過度生長116在高度204上相較於外延結構200的厚度202更進一步延伸700nm。在一個示例中，通孔115的寬度206可以為大約800nm。在另外的示例中，結構的尺寸由例如所使用的技術和所需的結構而確定。例如，所使用的材料的晶體習性可以確定凸出任 何掩模層表面的材料的生長形狀。通過蝕刻已經在掩模層114中暴露的孔，可以通過在通孔115中生長n型材料來形成柵格，如圖2B所示。
圖2B示出了圖2A所示的相應結構200的平面圖200’。平面圖200’顯示的像素208比圖2A所示的像素數目更多。本領域技術人員理解，通過本文描述的方法可形成的像素208的數量不限於圖2B所示的像素208的數量，並且圖2B示出了通過外延蝕刻的通孔115的平面圖200'的示例性部分。在通孔115中具有n型過生長116的結構。柵格結構用於通過n型過生長116形成公共電極，例如公共陰極。柵格可用於定義像素208(僅一個像素208被標記，但是很明顯，由溝槽過孔115形成的具有n型區域過度生長的矩陣用於定義多個像素208)，其中每個像素208的發光表面在正方形像素208的平面圖200'中顯示為由選擇性蝕刻的過孔115定義的區域，該過孔115形成在柵格矩陣中，且在過孔115中具有n型過生長116。儘管通過蝕刻材料以留下溝槽，孔或其他路徑來形成通孔，但是在其他示例中，通孔是通過形成材料來額外地或替代地形成的，使得與材料的去除相反，不存在材料而在其他結構內部形成通孔結構。
在示例中，像素208的寬度210約為3μm。優選地，基於載流子擴散長度來選擇像素208的寬度210，該載流子擴散長度用於使得能夠從像素208的發光表面高效地發射光。有利地，由於由n型過生長物116形成的電極繞著每個像素208的周邊延伸，並穿過發光區域110，因此不需要像素208的進一步電隔離。在其他示例中，每個像素208的發光表面小於100微米見方。在另外的示例中，每個像素208的發光表面小於16微米見方。儘管示出像素208具有相同的尺寸和成形的發光表面，但是在進一步的示例中，陣列設置有具有不同形狀和/或尺寸的不同像素。
一旦提供了由通孔115中的n型過度生長116提供的有效陰極，便基於在另一個通孔117中形成的p型過度生長118提供陽極。
圖3A示出了已經被進一步處理以便提供發光結構300的圖2A的結構200。在穿過發光區域110到達n型區域102的通孔115中示出了n型過生長116。圖式還示出了穿過發光區域110的通孔117，由此在另一通孔117中形成p型過生長118。這是通過在圖2A的掩模層114上沉積另一個掩模層(顯示為n型生長層116上的掩模層120並添加到掩模層114)，選擇性地構圖另一個掩模層120和掩模層114來實現的，為了產生開口以暴露出下面的結構並使用已知的光刻和蝕刻技術向下蝕刻穿過掩模層114、120直到由發光區域110提供的有源區域。如關於用於n型過生長116的通孔115的製程所描述的，用於p型過生長118的通孔117是使用乾蝕刻技術形成的。在一個示例中，在必要時使用濕蝕刻處理以恢復由乾蝕刻引起的損壞。
另一通孔117是在通過發光區域110形成的通孔115所限定的像素周界內中央形成的柱狀通孔。另外或可替代地，另一通孔117位於任何合適的位置以便提供發光。當在平面圖中看時，另一通孔117的橫截面形狀由用於提供另一通孔117的構圖和蝕刻步驟確定。通孔117具有大約800nm的寬度。在其他示例中，通孔117的寬度尺寸設置成滿足關於載流子注入和像素佈置的優選實施方式。
如箭頭所示，在圖3A中，從n型過度生長116和p型過度生長118到發光區域110，n型過度生長116提供有效的陰極，而p型過度生長118提供有效陽極，從而在使用合適的電源時允許載流子橫向注入發光區110。發光區域110中的這種橫向載流子注入提供了更有效的載流子注入，包括更有效的空穴注入，因此提供了更有效的發光。注入到發光區域110中的載流子可以基於注入到 發光區域110的多量子阱結構中的載流子的載流子擴散長度，以提供可以經由蝕刻穿過發光區域110、位於通孔115內的n型過生長116所形成的像素周邊定義的發光表面發射的光。發光結構300的平面圖300’在圖3B中示出。
圖3B示出如關於圖1A所描述的在通過結構100蝕刻的柵極通孔115中形成的n型過生長116。此外，其示出了在由n型過生長116提供的公共電極的通孔115中的n型過生長116所限定的像素208的中央通孔117中形成的p型過生長118。在一示例中，在每個要尋址的像素208中形成中央通孔117。在每個像素208中位於中心的通孔117中示出了p型過生長118。可以使用可形成共用陰極電極的公共n型區域和可形成可獨立尋址的陽極電極的單個柱狀p型過度生長區域的這種佈置方式，以便激發單色高分辨率微型LED陣列中的單個像素208。
有利地，與已知的選擇性區域生長技術相比，僅n型和p型區域可以過度生長。這樣就消除了在圖案化表面上生長AlGaN和InGaN合金時通常會遇到的均勻性差和成分拉伸差的問題。
雖然基於外延結構的蝕刻示出了通過穿過外延結構的發光區域110而形成限定像素208的發光表面的溝槽的通孔115，但是在進一步的示例中，可使用其他技術來形成具有穿過其的通孔的發光區域。它們是為了定義像素陣列中像素的發光表面的周界。
圖4示出了參照圖1至圖3描述的經處理的發光結構的橫截面圖。通過翻轉圖3A的發光結構來提供經處理的發光結構400，以便通過n型區域102提取光，從而避免由於p型接觸404而引起的吸收。(圖4中的箭頭顯示了來自像素208的發光表面的光的方向，該方向由穿過發光區域110的通孔115定義)。
此外，圖4示出了絕緣層402。絕緣層402使n型過生長物116與用於接觸p型過生長物的任何連接絕緣。優選地，絕緣層是二氧化矽。要尋址的每 個像素208的陽極連接到圖式所示出的觸點404。另外，示出了鏡/阻擋層405，該鏡/阻擋層405被配置為將從發光區域110發射的光反射出在限定像素208的周邊的通孔115中的由n型過度生長116所限定的發光表面。有利地，觸點404可以連接到底板，使得陣列中每個像素的觸點404被接觸並且可獨立尋址。
圖式示出了設計成與發光陣列的公共陰極n型柵格接觸的金屬柵格408。這樣的金屬408柵格相對於通孔115中的n型過度生長116對準，以便最大化光提取，因此，當在平面圖中觀察時，可以採取與蝕刻通過外延結構100的發光區域110的通孔115所提供的柵格基本相同的形式。
圖式還示出了透明導電層406，其優選地可以是在導電金屬柵格408周圍和/或之間形成的氧化銦錫(ITO)，以便提供從微型LED的發光陣列的像素208的導電和有效的光提取。
儘管在圖1至圖4中示出了各個像素的截面圖，但是本領域技術人員理解每個像素僅形成像素陣列的一部分。儘管該陣列被示為具有正方形像素的網格(例如，在圖2B和3B中)，但是在進一步的示例中，例如可以通過經由圖1所示的外延結構蝕刻不同的圖案來提供不同形狀的像素。
儘管示出了提供通過發光區域並使用n-GaN n型區域102定義像素的模板的概念，該n-GaN n型區域102具有由p-GaN提供的具有p型過生長118的中心蝕刻過的通孔117，在另外的示例中，該概念的不同實現是可能的，其中一些相對於以下附圖進行了描述。
例如，可以使用使用橫向載流子注入或載流子擴散到量子結構中的不同結構來提供具有定義像素的通孔的單片高分辨率微型LED陣列。
圖5示出了根據上述概念的發光結構500的截面圖(其中定義了像素陣列的一個像素並且使用了相同的命名法以類比例如圖2B之中具有像素寬度 210的像素208)。圖式示出了關於圖1描述的相同的外延結構100。然而，代替刻蝕穿過掩模層114以形成與n型區域102連接的通孔115，圖式示出了刻蝕穿過發光區域110的通孔115，該通孔115終止於未摻雜區域106，為了提供用於p型過生長的溝槽118。這些溝槽通孔115中的P型過度生長118用於提供穿過定義像素208的發光區域110的公共陽極柵格。在關於圖1至圖4描述的方法的補充方法中，可以通過蝕刻穿過中央通孔117並且在通孔117中沉積/生長n型過生長116材料來在每個像素208中提供陰極。圖形化和蝕刻步驟取決於要生產的特定結構來實施，並且可以使用已知技術。
圖6示出了基於相對於圖5描述的發光結構500的經處理的發光結構600。經處理的發光結構600是相對於圖5的結構的倒置結構，其中光旨在通過光路5被提取。發光表面由p型通孔網格定義，但穿過n型區域102(箭頭表示光從結構中出來的方向，在三個維度上可以理解為以這樣的方式照亮像素208：像素208的發光表面的周邊由穿過發光區域110的通孔115而界定)。公共陽極柵格602被提供來與在穿過發光區域110蝕刻的通孔115中的p型過度生長118接觸。接點604被形成以使得能夠將載流子注入到陰極的n型過度生長116中對於每個要尋址的發光像素。接點604可以是反射性的，以便增強從發光結構600的光提取。可以對該結構進行平坦化，使得平坦化的絕緣體層402提供背板可以連接到其上的表面，以與其他像素208中的接點604和其他接點604連接，使得每個像素208可以被單獨尋址。
圖7和圖8示出了如參照圖1至圖4描述的發光結構，但是沒有另外的通孔117穿過發光區域110。圖式示出了未摻雜區域702，其將發光區域110與圖案化和摻雜的區域的中央過度生長116、118分開。圖7示出了發光結構700，其在限定像素208的通孔115中具有p型過度生長118，並且具有中心n型過度生長116。圖8示出了在限定像素208的通孔115中具有n型過度生長116的發光結構 800。對於圖7和圖8的結構，適當選擇尺寸會導致載流子擴散到發光區域110中。例如，如果從中心摻雜區到發光區110的垂直距離704的量級為幾十奈米的量級，則n型過度生長116和p型過度生長118之間的橫向距離706為在大約100奈米的數量級中，發光區域110的量子結構中的重組複合則是可行的。
儘管上面已經描述了單色高分辨率微型LED陣列，但是如這裡所描述的，可以基於通過多個發光區域的蝕刻來提供多色高分辨率微型LED陣列。
圖9示出了外延結構900。外延結構900是以與參照圖1描述的外延結構100類似的方式提供。然而，結構900具有三個發光區，而不是具有被佈置為發射具有峰值主波長的光的一個發光區110。示出了在其上設置有發光區域907的超晶格906。在發光區域907上，提供了未摻雜區域902，其後是第二超晶格908和第二發光區域909。在第二發光區域909上，提供了另外的未摻雜區域904和第三超晶格910，之後是第三發光區域911。未摻雜區域902、904被理解為提供恢復層，由此在相應的超晶格層906、908、910的水平處產生的V凹坑被填充並且獲得光滑的表面。第一發光區域907被配置為發射與第二發光區域909被配置為發射的主峰值波長不同的主峰值波長，該主峰值波長又與第三發光區域911配置發射的主峰值波長不同。第一發光區域907被配置為發射藍光，第二發光區域909被配置為發射綠光，並且第三發光區域911被配置為發射紅光。此結構900，其厚度912通常在600nm和800nm之間，為形成用於提供單片高分辨率RGB micro LED陣列的加工基礎(可以包括其他生長步驟)的外延結構900。儘管示出了外延結構900包括超晶格層908、910和恢復層902、904，但在其他示例中，可替代地，可通過省略超晶格層908、910中的一個或多個、以及一個或多個恢復層902、904而使其更薄。有利地，在這種情況下，藍色，綠色和紅色發射層 被5nm至20nm量級的較薄的量子勢壘隔開，並且整個結構900的厚度可以僅為100nm至200nm。
有利地，結構900在一個生長過程中形成。有利地，結構900被形成為使得發光區域907、909、911在垂直方向上相對緊密地間隔開(如厚度912所示，厚度912包括發光區域907、909、911，以及超晶格結構和未摻雜的恢復層)，並且因此，隨後的淺蝕刻可以被用來蝕刻穿過發光區域907、909、911，並去除一些被認為是多餘的發光區域907、909、911。在以下用於提供微型LED的高分辨率單片彩色陣列的過程中，這被證明特別有益。儘管發光區域907、909、911各自包括MQW，但是在進一步的示例中，發光區域在每個發光區域中附加地或替代地包括單量子阱。在進一步的示例中，發光區域另外地或可替代地包括在每個發光區域的單個量子阱之間的量子阻擋層。有利地，具有小間隔的薄層的使用有利於結構900的不同區域的淺蝕刻，例如使用諸如原子層蝕刻的適當技術，以提供用於發射不同波長的光的不同發光表面。有利的是，淺蝕刻會減小像素之間的高度差，並形成較柔和的拓撲結構，從而有助於結構的進一步處理。
如圖9所示的外延結構900是以類似於圖1的外延結構100的方式處理，以提供圖10A的處理後的結構1000。圖10A示出了掩模層1004，該掩模層1004沉積在外延結構900上並且使用光刻技術進行圖案化，以便暴露出下面的外延結構900，以使得能夠選擇性地蝕刻通過外延結構900，特別是通過三個發光區域907、909、911。通過外延結構900的選擇性蝕刻(通常使用乾法蝕刻技術)提供了通孔1001，可以通過在通孔1001中形成n型過生長1002區域來填充通孔1001。通孔1001和通孔1001中的n型過度生長1002穿過發光區域907、909、911以定義各個像素的周界。在圖10B的平面圖1000’中展示了這樣的結構，該圖示出了像素1006(僅一個被標記)被形成在溝槽通孔1001中的n型過生長1002包 圍，並且有效地為像素1006提供了公共電極。如圖10A和10B所示，由穿過發光區域907、909、911的溝槽過孔1001定義的像素每個都有三個不同的發光區域907、909、911。因此，為了提供RGB陣列，選擇性地蝕刻像素，以便去除特定像素中不期望的波長。參考圖11A和11B對此進行了說明。
圖11A示出了如何局部地去除不想要的最長波長，以便留下每個像素所需的發光區域。在圖11A的經處理的外延結構1100中，示出了形成穿過所有發光區域907、909、911的公共柵極的n型過生長1002。在第一像素1102中，綠色的第二發光區域909和紅色的第三發光區域911已經被蝕刻掉，以便留下藍色的第一發光區域907。在第二像素1104中，紅色的第三發光區域909已經被蝕刻掉了以便留下藍色的第一發光區域907、以及第二綠色發光區域909。在第三像素1106中，沒有任何發光區域907、909、911被去除，因此全部被保留。像素1102、1104、1106中的每一個由通過蝕刻外延結構900、特別是通過蝕刻發光區域907、909、911所生的通孔1001而定義。
圖11B示出了對發光區域907、909、911的選擇性蝕刻如何導致專用於發射不同波長的像素。例如，第一像素1102可以被接觸以便發射藍光。可以接觸第二像素1104以便發射綠光。可以接觸第三像素1106以便發射紅光。可以通過選擇性地將像素專用於特定的主峰值波長發射來形成高分辨率的單片紅綠藍光發光微型LED陣列。如上所述，儘管發光區域907、909、911各自包括MQW，但是在進一步的示例中，發光區域在每個發光區域中附加地或替代地包括單量子阱。在另外的示例中，發光區域另外地或可替代地包括在每個發光區域中的單個量子阱之間的量子阻擋層。有利地，具有小間隔的薄層的使用有利於結構900的不同區域的淺蝕刻，以提供用於不同波長的光的發射的不同的發光 表面。有利地，淺蝕刻導致像素1102、1104、1106之間的高度差減小以及較柔和的拓撲結構，從而有助於對結構的進一步處理，如至少關於圖12A和12B所述。
圖12A顯示了薄而保形的掩模層1204，該掩模層被圖案化並打開以暴露每個像素1102、1104、1106中的中心孔。一旦中心孔已經暴露(使用光刻技術)在每個像素1102、1104、與1106中，可以選擇性地蝕刻外延結構900以提供其中形成有p型過生長1202的通孔1201。由於已經去除了局部最長波長的發光區域，因此選擇性蝕刻得以進入每個像素所需波長的發光區域。有利地，結構的安排創建和處理是以減少製程最終結構的處理步驟的數量為訴求。這在圖12B中得到了展示，圖12B示出了具有在每個像素1102、1104、1106中形成中心過孔的p型過生長1202的陣列的平面圖1200'。
透過和以上關於單色單體式高分辨率微型LED陣列所描述的方式相似的方式，可以翻轉並進一步處理經處理的發光結構1200，以便與用於控制各個像素的底板連接。圖13A示出了具有三個不同顏色像素的發光陣列1300的截面圖。圖式示出了被配置為發射具有藍色的主峰值波長的光的第一像素1102、被配置為發射具有綠色的主峰值波長的光的第二像素1104、以及被配置用於發射主峰波長為紅色光的第三像素1106。
如圖13B所示，向每個像素1102、1104、1106的載流子注入橫向發生。儘管參照具有在定義像素周界的通孔中形成的n型過生長和在用於背板連接的每個單獨像素中形成中心通孔的p型過生長形成的共型陰極描述了高分辨率RGB micro LED陣列，但是本領域技術人員將理解替代實施方式，例如參照高分辨率單色微LED陣列描述的替代實施方式，可以應用於高分辨率RGB微LED陣列。此外，本領域技術人員理解，儘管相對於圖9至圖13所示的示例示出了通過穿過發光區域907、909、911，限定了像素周界的通孔1001的形成，其中通孔 1001中具有n型過生長1002，以及每個像素中的中央通孔1201，並在通孔1201中形成p型過生長1202，在其他示例中，可使用不同的實現方式(例如，在通孔1001中使用p型生長1202來定義像素的發光表面，而在中心通孔1201中使用n型生長1002，或者使用關於圖1至圖8描述的任何實現方式)。
儘管上面描述了具有定義像素的發光表面的像素，其中像素周界由穿過一個或多個發光區域的通孔定義，以使像素配置為發出具有主峰值波長的光，在一個示例中，對於多色結構，通過多個發光區域形成公共通孔，並且如上所述，使用過生長來選擇性地蝕刻由形成周界的通孔所限定的發光表面的一部分，以形成接觸，例如像素可能會發出多個不同的主峰值波長。如在圖14中所展示，其展示了由在通孔中形成的過度生長1002限定的微型LED的三元組的平面圖1400，如以上參考圖9至圖13所描述的。所示出的結構的橫截面圖1400'平面圖1400中的對角線是根據對角線虛線示出的。根據水平虛線示出了平面圖1400中所示的結構的橫截面圖1400’。平面圖1400中所示的特徵以及橫截面圖1400’，1400’中的特徵說明瞭如何實現這種結構。有利地，這樣的結構使得能夠更緊密地集成微型LED。
有利地，通過使用上述結構和方法，可提供了高分辨率微型LED的單片陣列。這樣的陣列可以包括單色或彩色陣列，因此可應用於需要高分辨率發光結構的多種應用。有利地，這種整體式高分辨率微型LED陣列的像素間距小於10微米。在一些示例中，這種整體式高分辨率微型LED陣列的像素間距小於4微米。在其他示例中，這種單片高分辨率微型LED陣列的像素間距小於3微米。儘管關於網格形式的正方形像素描述了陣列，但是在進一步的示例中實現了陣列中像素的其他形式和圖案。
之所以能形成高質量的發射陣列，至少部分是因為使用平面外延結構，該平面外延結構是以最小的過度生長進行形成(生長或提供)及處理，進而隔離緊密集成的陣列中的像素。有利地，穿過外延結構的發光區域的通孔提供了用於改善陣列中所有像素的電接觸的裝置，其中可以獨立地驅動像素。有利地，提供發光區域的堆疊意味著可以識別期望的發光區域並且暴露其表面以進行有效的處理和接觸，以提供改進的發光二極體結構和單體式高分辨率微型LED陣列。
儘管各示例展示了通過MOCVD的生長來描述上述LED結構，但是在一些示例中，通過不同和/或補充技術的生長是有益的。例如，通過MBE的生長可以實現較涼和/或較慢的生長速率，這對於上述生長和加工步驟可能具有益處。儘管以任何順序描述了以上處理步驟，但是本領域技術人員理解，在進一步的示例中，以適合於獲得目標結構的任何順序來執行處理步驟。
100”:外延結構
102:n型區域
104:阻擋層
106:未摻雜區域
108:超晶格結構
110:發光區域
112:阻擋層
114:掩模層
115:通孔
210:寬度

Claims (12)

  1. 一種發光二極體結構，包括：p型區域；n型區域；和用於複合可被所述p型區域和所述n型區域注入的載流子的發光區域，其中，所述n型區域和所述p型區域中的至少一者至少部分地形成在穿過所述光發射區的通孔中，其中，所述通孔定義了至少一個像素的發光表面的周界。
  2. 根據請求項1所述的發光二極體結構，其中，所述發光區域包括至少一個外延量子阱層，和/或其中，所述通孔使得能夠使側向載流子注入至所述發光區域中。
  3. 根據請求項1所述的發光二極體結構，其中，所述n型區域和所述p型區域均至少部分地形成在穿過所述發光區域的通孔中，和/或其中，所述發光二極體結構還包括另一通孔，其中所述通孔與所述另一通孔分別被設置來以提供陽極和陰極。
  4. 根據請求項1所述的發光二極體結構，包括另一發光區域。
  5. 根據請求項1所述的發光二極體結構，其中，所述通孔是定義了包括多個像素的陣列的柵格通孔。
  6. 根據請求項1所述的發光二極體結構，其中，所述發光表面具有基於所述發光區域內的載流子的擴散長度的面積。
  7. 根據請求項1所述的發光二極體結構，其中，所述至少一個像素完全由單個電極外圍地定義。
  8. 一種高解析度微型LED陣列，其包括根據請求項1所述的發光二極體結構。
  9. 根據請求項8所述的高解析度微型LED陣列，其中，所述陣列是多色陣列和/或其中，所述陣列的像素間距小於10微米。
  10. 一種形成發光二極體結構的方法，包括：形成一p型區域；形成一n型區域；和形成一發光區域，所述發光區域用於複合可被所述p型區域和所述n型區域注入的載流子，其中，所述n型區域和所述p型區域中的至少一者至少部分地形成在穿過所述光發射區的通孔中，其中，所述通孔定義了至少一個像素的發光表面的周界。
  11. 根據請求項10所述的方法，其中，所述發光區域包括至少一個外延量子阱層，和/或其中，所述通孔得以始側向載流子注入到所述發光區域中。
  12. 一種形成高分辨率LED陣列的方法，其包括請求項10所述的方法。
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