微型發光二極體器件及其製作方法與流程

2024-01-31 00:05:15

本發明涉及一種微型發光二極體器件及其製作方法。

背景技術：

微元件技術是指在襯底上以高密度集成的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或者石英的振蕩器。目前，微間距發光二極體（microled）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。高品質微間距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深刻影響。

中國專利文獻cn105359283公開了一種具有柱的微型發光二極體器件，其以在微器件的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的粘附性並不是很好，晶片製作後到被拾取前，任意的機械運動或其他外界因素或可能導致在微型器件失去對穩定柱的粘附。

技術實現要素：

本發明公開了一種形成準備好進行拾取的微型器件陣列的結和方法。

本發明的技術方案為：微型發光二極體器件，包括：微器件單元陣列，相鄰的微器件單元之間具有間隙；連接層，位於所述微器件單元之間的間隙，至少與一個微器件單元連接；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。

優選地，所述連接層與至少一個微器件單元的下表面連接，並向間隙延伸形成連接區，所述固定層僅與連接區接觸。

優選地，所述連接層由構成所述微器件單元的材料層向所述間隙延伸而成，並在間隙內形成連接區，所述固定層僅與所述連接區接觸。

優選地，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。

優選地，所述連接層為一系列系列離散的圖案構成，每個圖案呈條狀或塊狀。

優選地，所述連接層至少同時連接兩個微器件單元。

優選地，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。

優選地，所述微器件單元為algainp系發光二極體，其包括窗口層，所述連接層為窗口層向間隙延伸並減薄至一定厚度而成。

優選地，所述連接層的厚度為10~500nm。

優選地，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。

優選地，所述微器件單元下方的空腔尺寸大於該微器件的尺寸。

優選地，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。

在一些實施例中，該器件在由外延片製成晶片的過程中，部分臺面區域保留一定厚度的外延層與固定層部分接觸，支撐微型器件處於待拾取狀態。較佳的，保留的外延層的臺面區域面積較下方與固定層的接觸面積大。保留的外延層可為諸如gap層或gan層之類，其與固定層的接觸粘附性較好。

在一些實施例中，該器件的微器件單元的底面上形成一連接層，該連接層向微器件單元之間的間隙延伸，形成連接區，並在連接區與固定層接觸。

前述微型發光二極體器件陣列可通過下面方法製備獲得，包括步驟：（1）提供半導體外延結構，具有相對的上表面和下表面；（2）在所述半導體外延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，其中連接區位於切割道區內；（3）在所述外延結構下表面的微器件單元區對應形成一系列犧牲層單元；（4）在所述犧牲層上形成固定層，並向切割道區延伸，與所述半導體外延結構下表面的切割道區接觸；（5）去除所述切割道區的外延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連接層；（6）去除所述犧牲層，此時外延結構在各個微器件單元區的下方形成空腔，僅連接層與所述固定層接觸。

優選地，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。

優選地，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。

優選地，所述步驟（5）中進行兩次臺面蝕刻，第一次臺面蝕刻至犧牲層並裸露出犧牲層的表面形成切割道，第二次臺面蝕刻至外延結構的底層，並保持一定的厚度作為連接層。

本發明針對小尺寸的微半導體單元，在其間的間隙形成連接層，用於與固定層接觸，可大大增加粘接點的接觸面積，保證微型器件在拾取之前不會因外界因素的影響導致良率損失。

本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。此外，附圖數據是描述概要，不是按比例繪製。

圖1~20為根據本發明實施的製作微型發光二極體器件的過程示意圖。

圖21為根據本發明實施的一種微型發光二極體的剖面示意圖。

圖22為圖21所示微型發光二極體的頂面圖示。

圖23為根據本發明實施的另一種微型發光二極體的剖面示意圖。

圖24~26為圖23所示微型發光二極體的幾種頂面圖示。

圖27為根據本發明實施的再一種微型發光二極體的剖面示意圖。

具體實施方式

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(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，固定層由粘合性材料形成，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。所述粘合性材料包括熱固性材料，諸如但不限於苯並環丁烯(bcb)或環氧樹脂。

下面結合製作方法和示意圖對本發明的微型發光二極體器件進行詳細的描述。

（一）提供外延結構100如圖1所示，提供外延結構100，其一般可包括生長襯底101和其上外延疊層，包括n型半導體層111、發光層112、p型半導體層113和窗口層114。在下面描述中所示和所述的具體實施例參考了紅光發射led器件的形成，但以下序列和描述也適用於其他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。可選的，蝕刻停止層可形成於生長襯底與n型半導體層111之間以有助於生長襯底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alxga1-xas，x>0.4或磷化鋁鎵銦(alxga1-x)yin1-yp，x>0.4；發光層112的材料例可為磷化鋁鎵銦（(alxga1-x)yin1-yp，x0.4)或磷化鋁鎵銦(alxga1-x)yin1-yp，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

如圖2所示，在外延結構的表面100a上定義微器件單元區a和切割道區b，通過切割道區b將外延結構100劃分為一系列微單元陣列a。

在一個較佳實施例中，可在外延結構100表面的微器件單元區內上形成第一電極陣列115，如圖3所示。該第一電極陣列115的材料可以例如au/auzn/au。在本步驟中可對第一電極陣列進行熔合，使其與外延結構形成歐姆接觸。

（三）製作犧牲層120

如圖4所示，在第一電極陣列115的表面上形成犧牲層120，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層作為犧牲層120。在一些實施例中，該犧牲層120呈條狀分布，如圖5所示，每個條狀犧牲層單元覆蓋同一列的微器件單元區（例如第ai列），在相鄰的兩列微器件單元的中間預留一空間121，用於後續填充粘合性材料作為固定層。較佳的，每個條狀犧牲層單元完全覆蓋微器件單元區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b的面積。

在一些實施例中，該犧牲層120可同時覆蓋相鄰的兩列微器件單元（例如第ai+1列和第ai+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的中間預留一空間121，用於後續填充粘合性材料作為固定層，如圖6和7所示；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的中間預留空間121，用於後續填充固定層，如圖8和9所示。

（四）製作固定層130

如圖10和圖11所示，在犧牲層120的表面上形成固定層130，其填充了預留空間121形成支撐部131，並覆蓋犧牲層120的上表面，用於將外延結構100鍵合到承載襯底140上（例如玻璃基板、藍寶石或其他具有平面的基板）。固定層130的材料可為熱固型粘合性材料，例如但不限於苯並環丁烯(bcb)或環氧樹脂，通過加熱固化，從而在預留空間形成支撐部。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uv能量來固化。

在圖10所示的實施例中，固定層130形成於外延結構的表面上。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，可同時在外延結構的表面上和承載襯底140的表面上塗布bcb作為固定層，進行軟烤、硬烤，然後鍵合。作為再一種實施例，可先於外延結構的表面上和/或承載襯底140的表面上形成ap3000作為粘合增進劑，再塗布bcb。

（五）去除生長襯底101

如圖12所示，去除生長襯底101，露出外延結構的n型半導體層111表面。可通過多種方法來實現移除，包括雷射剝離(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上的選擇性蝕刻停止來實現移除。

較佳的，如圖13所示，在n型半導體111的表面上製作第二電極陣列150，其與第一電極陣列115對應。

（六）臺面蝕刻

本步驟中形成兩個臺面，均位於圖2所示的切割道b內，其中第一臺面作為微器件單元之間的走道區域c；第二臺面作為微器件單元之間的連接區d，對應於支撐部131對應的位置，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的面積。

蝕刻第一臺面，如圖14-18所示，蝕刻至犧牲層120，裸露出犧牲層的表面120a形成切割道200。其中圖14為蝕刻完第一個臺面後的俯視圖，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，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。

蝕刻第二臺面，如圖19和20所示，其蝕刻至外延結構100的底層，並保持一定的厚度作為連接層114a。其中圖19為蝕刻完第二個臺面後的俯視圖，其對應於圖5所示的圖案，圖15為沿圖19中的線d-d剖開的截面圖。在一個較佳實施例中，第二臺面蝕刻至窗口層114，保留窗口層114的厚度50~500nm作為連接層114a。

通過臺面蝕刻，外延結構100形成了側向分開的微器件單元，並在連接區d保持連接。

（六）去除犧牲層

在形成側向分開的微器件單元之後，移除犧牲層120從而在微器件單元的下方形成空腔170。圖21-圖25示出了根據本發明的實施例在移除犧牲層之後形成通過走道間（即為相鄰微器件單元之間的間隙）的連接層114a與下方的固定層部分區域支撐的微器件單元陣列，如圖21~26所示。

在圖21所示的具體實施例中，微器件單元通過部分臺面區域殘留的外延材料層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，支撐微型器件處於待拾取狀態。

較佳的，微器件單元的面積w1大於其下方的空腔的面積w2。進一步的，殘留的外延材料層114a的臺面區域面積w3大於與其直接接觸的支撐部131的面積w4。

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，其在外延結構的上、下表面形成電極結構，本發明並不局限於此結構。在一些實施例，本發明也可應用於水平結構的微半導體器件（即p、n電極位於同側），如圖27所示。

在上述實施例，一方面利用微器件之間的間隙形成連接區，在與連接區與固定層的支撐部接觸，對於微型發光二極體器件能夠達到大面積固定層與連接層接觸，可增加附著性，避免良率損失；另一方面利用固定層（例如苯並環丁烯）與外延材料層（例如gap層、gan）區域性接觸粘附性較好的優點，保證微型器件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microled晶片良率。

在本發明中，其中走道區域c用於裸露犧牲層，其面積越大，越容易移除犧牲層，連接區d用於與固定芯粒，連接區面積越大芯粒越穩定，因此走道區域c和連接區d的布置並不限於圖14~18所示的那些，在其他實施例中，走道區域c和連接區d的布置也可作對調設置，或者其他設計。