除去基片的led顯示組件和其製造方法
2023-10-23 02:39:57
專利名稱：除去基片的led顯示組件和其製造方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體陣列，更具體地涉及將發光二極體陣列與驅動電子線路裝配在一起的新穎組件和方法。
發光二極體(LED)在各種顯示中非常有用，尤其是在利用LED的二維陣列作為圖象源的新的小型虛像顯示中。通常，二維陣列包括大量的發光二極體器件，從5000至80,000或更多。一個具體的例子是圖象源由一個LED的高象素點的二維陣列構成，例如240列×144行，總共34,560個象素。這樣大小的具體實例的陣列需要總共384個外部相互連接的部分以便在其上進行正確地掃描、驅動、以及產生圖象。使用LED陣列形成完整的包含圖形和/或字母數字字符的圖象。然後，將完整圖象放大以產生至少一張標準紙張大小的出現在操作員面前的虛像。
這種陣列面臨的主要問題是要為給該陣列提供信息所需要的大量連接或結合區付出代價。最主要的缺點是連接區、將連接區與行和列相連所需的互連輸出端要求增加半導體晶片的面積。其上構成陣列的半導體晶片的所用費用的大部分都花在原材料上，對於線連接外部互連部分為240×144實例的方案，發射區域(發光二極體陣列)佔總晶片面積的不到20％，剩下的80％為連接區和互連輸出端所需要。由於現有技術帶來的較大連接區尺寸和互連輸出端間距，常規的直接晶片相連結合法僅僅稍微地改善此比率。
由於必須在隨同的包含驅動電路的半導器晶片上重複形成相同的連接區和互連輸出端圖案，所以也需要大的連接基片區域。進一步地，驅動晶片本身也必須大到足以提供大量的連接區(在此例中為384)。最終結果是，一個大整體模塊，對重視小物理空間的可攜式電子器件沒有吸引力。
減輕LED顯示器組裝中組件尺寸問題的一個方法是，通過將LED顯示器直接與驅動器板集成在一起來使組件和裝配簡單，從而減小了LED器件和驅動器需要的尺寸。通常，提供固定在一個基片上的多個驅動器和控制電路，或者在可供選擇的方案中，多個驅動器和控制電路固定在光透明的基片上，所述驅動器和控制電路具有數據輸入端和進一步地具有與發光器件的引線相連接的控制信號輸出端，用於根據加到數據輸入端上的數據信號驅動發光器件產生圖象。
在無機的LED結構中，一般將半導體基片或集成電路裝在印刷電路板或類似物上，並且使基片與外部電路連接的可接收的方法是使用標準的線連接技術。然而，當要連接其上形成有大量電子元件和器件的陣列的半導體基片時，標準的線連接技術變得非常困難。例如，如果在一個基片上以間距P(中心與中心分開)形成相當大的發光二極體陣列(例如，大於10,000或100×100)，那麼在基片的周邊上的連接區將有2P的間距。的確如此，因為每隔一行和每隔一列都要到達周邊的相對邊緣，儘可能多地增加了連接區之間的距離。
目前，具有4.8密耳間距的連接區的線連接互連是行得通的、最好的。因而，在上面提到的100×100發光二極體的陣列中，在半導體晶片的周邊上的連接區具有最小間距4.8密耳，沿周邊的每一邊緣設置有50個連接區。當陣列中包括更多的器件時，需要更多的連接區並且適應這些增加的連接區的周邊尺寸以更大的速率增加。也就是說，由於連接區的最小間距為4.8密耳，在不影響基片尺寸的情況下，則陣列中的器件的間距可能有2.4密耳那麼大，或近似為61微米。所以，即使可將器件做成小於61微米，連接區的最小間距也將不允許基片的周邊任意變小。很快就可看到，基片的尺寸嚴重地受線連接技術局限性的限制。
因而，需要互連和組裝結構，以及需要能實際減少對半導體晶片和LED顯示器件的尺寸的限制並能減小所需表面面積的技術。
因此，迫切希望提供能克服這些問題的製作LED陣列和互連部件組件的方法。
本發明的一個目的是提供一種製作LED陣列和互連部件組件的新的、改進的方法。
本發明的另一目的是提供一種新的、改進的LED陣列和用於驅動大的LED陣列的集成驅動器電路組件。
本發明的又一目的是提供新的、改進的集成電路，它對於較大的陣列器件只需要較少的半導體晶片面積。
本發明的另一目的是提供一種新的、改進的基本改善填充因數的LED陣列和驅動組件。
本發明的更進一步的目的是提供一種製作LED陣列和驅動器組件的新的、改進的方法，該方法比已有技術的方法簡單並更有效、而且易適應於高生產水平。
用一種製作除去基片的發光二極體陣列和驅動器組件的方法基本上解決了上述問題和其它問題，並實現了上述目的和其它目的。在本發明中公開了一種LED顯示器組件，它由包括在基片上形成的可尋址的LED器件陣列的集成電路構成，所有的LED器件都以行和列的方式相連接。本發明的LED器件進一步地具有直接在LED顯示區域的上面形成的連接區，從而將連接區和線連接互連部分所需的額外面積減為最小。還以分開的元件形式提供了一個在其主表面上形成有連接區的矽(Si)驅動器。
將LED器件設計成具有多個與位於LED器件的顯示區域上的多個顯示連接或結合區相連的多個行與列的連接區。設有一個矽(Si)驅動器晶片，將該矽(Si)驅動器晶片設計成具有通向一個上主表面的連接區或接合區，以便協同地與以後安裝在其上的LED器件的連接區配對。此外，設有多個通向矽驅動器晶片的周邊的連接或結合區，用於外部連接。利用眾所周知的常規焊料塊晶片直接焊接(DCA)結合法，將一形成的LED器件以倒裝晶片的方式連接到矽驅動器晶片上。接著使LED器件未充滿(underfilled)以增加整個組件的結構完整性。
接著，通過蝕刻整個組件或有選擇地蝕刻一個分離層來有選擇地除去最初在其上形成有LED的基片，僅讓indium-gallium-aluminum-phosphide(InGaAlP)外延層露出。在對著安裝矽驅動器晶片的方向上從LED中發出光。在此方向發出的光出現在沒有典型的金屬線互連的幹擾的情況下，因而通過允許較高亮度和較大填充因數改善了顯示性能。此外，通過除去目前公知已有技術需要的標準線結合互連部分和面積有形成較高產量、較低成本組件的潛力。
正如在本發明所公開的，通過將陣列上的所需要的大量連接區與同樣數量的與電子電路相應的連接區對接而使陣列與其驅動電路組裝在一起形成了一種製作方法，該方法在保持顯示和驅動器晶片、總體小型的組件尺寸，以及性能價格比的同時可靠並且可重複。
在權利要求書中陳述了認為是本發明特性的新穎特徵。然而，通過下面結合附圖的詳細描述，將更好地理解發明本身以及其它特徵和優點，其中
圖1是一個簡化的橫截面圖，描述按照本發明的發光二極體器件和驅動器；圖2是一個簡化的橫截面圖，描述本發明的發光二極體器件的一個多層的實施例；圖3是一個簡化的橫截面圖，描述倒裝法固定到矽驅動器上的本發明的發光二極體；圖4是一個放大的、簡化的、局部橫截面圖，描述本發明的塊連接到Si驅動器上的發光二極體；圖5是一個放大的、簡化的、局部橫截面圖，描述本發明的發光二極體顯示組件的最後的封裝，其中已經除去了發光二極體器件的GaAs基片；以及圖6是按照本發明的發光二極體顯示組件的部件分解立體圖。
在下面的描述中，對於描述本發明的不同的附圖，用相同的標號表示在製作LED陣列和驅動器基片組件中相同的元件和步驟。
參見圖1，用簡化的截面圖描述了在製作一個發光二極體顯示組件的過程中的第一結構，所述的發光二極體顯示組件包括一個由發光二極體陣列構成的發光二極體器件和一個共同操作的驅動器。在圖1中將塊連接之前的發光二極體器件和驅動器以分開的元件示出。圖中所示的LED陣列器件10在結構上包括一個基片12，用目前已知的形成InGaAlPLED顯示陣列的任何方法在基片12上形成一個LED顯示陣列14。
在第一特例中，進一步地如圖2所示，形成本發明的InGaAlPLED結構的這樣一種方法包括在基片12的上表面上按如下順序設置一個蝕刻阻擋層15、一個導電層16、一個第一載流子限制層17、一個有源層18、一個第二載流子限制層19和一個導電的罩層20。不用說，蝕刻阻擋層15、導電層16和第一載流子限制層17必須基本上是透明的，便於一旦有選擇地除去基片12時從有源層18發出的光反向通過這些層。在這一具體製作LED顯示陣列14的過程中，基片12由沒有摻雜的砷化鎵(GaAs)形成，以便基片12是一個半導體。在基片12的表面上形成的蝕刻阻擋層15是一個非半導體材料構成的透明層，例如AlGaInP。蝕刻阻擋層15通常由與基片12不同的材料構成，其主要目的是便於除去基片12。在可替換的方案中，蝕刻阻擋層15可以是一個分離層(沒有示出)，由例如砷化鋁(AlAs)的材料構成，使分離層有選擇地蝕刻掉，從而將基片12與剩下的LED外延層結構分開。導電層16是在蝕刻阻擋層15的表面上外延生長的GaAs或GaAlP透明層並且為重摻雜(1018或更多)的，例如有摻雜劑硒、矽、等，從而導電層16是一個相當好的N+-型導體。在製作LED顯示陣列14的這一具體方法中，生長的導電層16的厚度小於500埃，從而能保持基本上透明。第一載流子限制層17是在導電層16的表面上外延生長的InGaAlP層並摻有N型半導電性的矽(1017-1018)。生長的載流子限制層17的厚度在大約1000-8000埃的範圍內。有源層18是在載流子限制層17的表面上外延生長的沒有摻雜的InGaAlP層，厚度在大約100-1000埃的範圍內。第二載流子限制層19是在有源層18的表面上外延生長的InGaAlP層並摻有P型半導電性的鋅(1016-1018)。在這一具體的實施例中，生長的載流子限制層19的厚度在大約1000-8000埃的範圍內。在載流子限制層19的表面上外延生長厚度在大約200-1000埃的範圍內的導電罩層20並且重摻雜鋅(1019)以使導電罩層20為一個良好的P+-型導體。在載流子限制層17和19的(AlxGa1-x)0.5In0.5P中，鋁的克分子份數x在大約0.7-1.0的範圍內，而在有源層18中鋁分子份數x在大約0.0-0.5的範圍內。為了簡便所公開的具體例子的製作，在整個基片12上以敷層外延生長上述各層，然而，不用說，也能利用其它方法(包括掩蔽法和選擇生長或選擇蝕刻)提供形成和限制各個象素所需要的多個區。
當然，也可以用許多其他的形式提供各個層，公開了InGaAlPLED的結構的本實施例是因為其製作簡單。在某些實施例中還可以為各種特定的應用提供附加層，並且理所當然地認為，所公開的結構僅作為LED顯示陣列14的基本結構的一個例子而公開，並不是作為對其的限定。
在製作LED顯示陣列14的該特定方法中，公開了LED陣列器件10的第一結構，其中用幾種公知方法的任一種在載流子限制層19上有選擇地形成罩層20。例如，外延生長的罩層20作為敷層。並用常規的方法除去多個區域，如對載流子層19的表面曝光的蝕刻法。為了將罩層20的剩餘部分分成發光二極體的矩陣，載流子限制層19曝光區域限定了曝光行區域和曝光列區域。
當然，可以認為，也可以通過屏蔽載流子限制層19的表面來有選擇地生長或沉澱罩層20。在兩種方法中的任何一種方法中，罩層20並沒有使處理的平面產生大的變化，因為罩層20的厚度只為500埃數量級。關於這一類型的發光二極體和製造方法的更多的信息和進一步地公開、以及所公開的可替換的實施例參見在此作為參考引入的賦予同一受讓人的如上文件美國專利US5453386，題為「製造注入LED的方法」，1995年9月26日批准；美國專利US5453386的分案申請，目前待審查的申請，序號為08/513,259，題目為「注入的LED陣列和製作方法」，申請日是1995年8月10日。
在賦予同一受讓人的並在此作為參考引入的另一待審查的序號為08/239,626、題目為「光電集成電路和製造方法」、申請日是1994年5月9日的申請和其分案申請(目前待審查的申請，序號為08/513、655，題目為「光電集成電路和製造方法」，申請日是1995年8月10日)中，公開了一種利用臺面蝕刻處理工藝製作InGaAlPLED陣列結構的方法，如圖2所示。尤其是，公開了這樣一種結構其中的罩層20、第一載流子限制層17、有源層18和第二載流子層19部分已被蝕刻形成或分開成行和列的兩維陣列或矩陣的臺面電晶體。陣列中的蝕刻檯面上的上表面限定發光二極體的發光區。
正如所述的，可以利用目前公知的製造InGaAlP LED陣列結構中的LED陣列的其它方法以及前面所述的方法製造本發明的LED陣列器件10。為了簡便，在整個說明書中參考行和列加以描述，然而，不用說，對本領域的技術人員而言，這些術語完全可以相互改變，因為一個矩或陣列的行和列一般取決於物理坐標。
更詳細地參考圖1，示出了按照任一形成公知的LED陣列的常規的方法，以及前面公開的方法形成的LED陣列器件10，LED陣列器件10具有多個行和列的相交區(沒有示出)，所述的行和列的相交區利用一層噴鍍金屬的線路33通向直接位於顯示區24上的多個顯示相交區22。以行和列的形式在LED陣列的顯示區24上形成相交區22。在InGaAlP LED結構中形成多個LED接點噴鍍金屬35。
正如所描述的，提供一個矽(Si)驅動器25，它可包括所有需要的陣列驅動器、當將矽晶片切成小片時形成全功能顯示模塊所需要的控制電子線路和存儲器，所述的控制電子線路在本說明書中稱之為驅動器電子線路27。驅動器25具有在最上表面26上形成的多個與LED陣列器件10的相交區22共同操作的相交區28。通過分別直接在顯示區域24和驅動器25的最上表面26上以基本上平面協同形式上設置相交區22和28，減少了常規引線的輸出端數所需要的空間並在這種情況下減少了實際的相交部分，從而使這種器件的製作更經濟。此外，能由反射金屬形成LED接點噴鍍35的接點金屬，使用所述的接點金屬將發出的光反射到觀察方向。由於光反射，這樣使用反射金屬將有助於減少側向電流分布並且使LED陣列器件10提供大約兩倍的輸出功率。除了驅動器25的相交區28以外，可有多個外部相互相交區(沒有示出)。
在該具體實例中，顯示陣列14有240×144象素分辯力的顯示。因而，實際顯示區的大小大約為4.8mm×2.88mm。顯示陣列14所需要的相交區的數量是384(240+144＝384)。按照本發明，以一個24×16的區矩陣形成相交區22。而且以一個24×16的區矩陣類似地形成相交區28。相交區22的矩陣和相交區28的矩陣各自都形成間距為200μm(8密耳)的24列和間距為220μm(8密耳)的16行。從而，形成LED陣列器件10和矽驅動器25之間的連接體需要的實際面積大約為4.8mm×3.2mm，此面積比實際顯示陣列14的面積僅有少量增加。
在形成本發明的LED顯示和驅動器組件的第一步期間，可能發生保證組件效率的附加步驟。具體地，公開了使用篩出壞陣列的晶片檢測技術在顯示晶片上製作多個LED陣列14的方法。另外，在LED陣列器件10與矽驅動器25倒裝晶片安裝之前，在矽晶片上能製件陣列驅動器電路27並檢測篩出任何壞晶片。
參考圖3，示出了製作本發明LED陣列和驅動器組件的第二步。具體地，使用公知的常規焊料塊晶片直接焊接(DCA)將LED陣列器件10倒裝晶片固定到矽驅動器25上，從而形成所描述的LED顯示和驅動器組件30。此外，公開的另一個可供選擇的方法是使用晶片級處理工藝將顯示晶片10和驅動器晶片25相連接。關於這一類型的發光二極體和製造方法的更多的信息和進一步地公開，以及所公開的可替換的實施例參見在此作為參考引入的賦予同一受讓人的如下文件 目前待審查的美國專利申請，序號為08/588,470，題目為「除去基片的LED顯示組件和其製造方法」，申請日是1996年1月18日。
正如前面所述，將LED陣列器件10設計成具有多個行和列的相交區，所述的行和列的相交區通向位於LED顯示器件10的最上表面23上的多個相交區22，從而直接位於LED顯示陣列10的顯示區域上。將矽驅動器25設計成具有與矽驅動器25的最上表面26相連接的協同相交區28，以便與LED陣列器件10的相交區電連接。
使用常規焊料塊晶片直接焊接(DCA)接合法(眾所周知的已有技術)將LED器件10與矽驅動器25塊連接。在裝配過程中，將LED顯示器件10倒置以使得LED陣列器件10的最上表面23(在其上形成有相交區22)以朝下的位置放置，並且，當LED顯示器件10和矽驅動器25嚴格地對齊時，使相交區22安置成各自接觸一個在矽驅動器25上形成的相交區28。
矽驅動器25具有多個由沉澱在相交區28上的連接材料構成的塊32(參見圖4-5)，用於將LED陣列器件10與矽驅動器25電連接和機械連接。塊32由相對良好的電導體材料形成，並且至少可部分熔化和重新調整以形成良好的機械連接。可用於此目的材料有金、銅、焊料(尤其是高溫焊料)、導電的環氧樹脂等。在本發明的LED顯示和驅動器組件的塊連接中利用連接標準的C5 DCA。某些可共存的金屬可以改善組裝工藝過程，例如在矽驅動器25的裝配區28上的金噴鍍金屬或金鍍層。
參見圖4，它是一個放大的、簡化的、局部橫截面圖，進一步描述本發明的LED陣列器件10倒裝片裝配到Si驅動器上。在LED陣列器件10與矽驅動器25塊焊接連接之後，在由LED顯示和驅動器組件30和32形成的區域內，設置和沉澱的包括環氧樹脂或聚合物材料的一層未充滿層34。這樣設置或沉澱的未充滿層34製成了更堅固的組件結構，在一旦移去基片12後未充滿層34增加LED陣列器件10的剩下的LED薄膜的機械強度(目前所討論的)。
參見圖5，它是一個放大的、簡化的、局部橫截面圖，描述本發明的一個成套的發光二極體顯示和驅動器組件40。正如所描述的，在形成本發明的LED顯示和驅動器組件40的最後一步，使用常規的蝕刻技術，有選擇地除去陣列器件10的基片12。使用溼蝕刻技術或利用已有技術中任何可替換的蝕刻技術蝕刻由未摻雜的GaAs形成的基片12。在可供選擇的方案中，正如前面所描述的，可利用其中形成有分離層的LED結構，有選擇地將分離層蝕刻掉，從而將基片12與剩下的LED外延層結構分開。在除去GaAs基片以後，仍然保留InGaAlP外延層。由發光陣列器件10發出的光目前從LED陣列器件10的後表面發出，所述的後表面目前為LED顯示和驅動器組件40的前表面。
這樣除去基片12便於從初始LED器件的後表面發射光，因而使顯示區域24的最上表面23用作連接或接合區域。正如前面所述，由於這樣形成的組件沒有阻擋光的金屬線相交部分而有較高的亮度和大象素佔空因數，因而改善了顯示性能。
參見圖6，示出了按照本發明的發光二極體顯示和驅動器組件40的部件分解立體圖。更具體地，描述了以行和列的矩陣方式設置的LED器件的接合區，以及以配對的行和列矩陣方式設置的驅動器25的接合區28。
因而，公開了一種能克服許多普遍問題的新LED陣列器件和驅動器組件以及將LED陣列與其驅動電子線路製作在一起的方法。新改進的製作LED陣列和驅動電子線路組件的方法比其它方法簡單和更有效，並且易適用於高生產水平。進一步地，新改進的製作該組件的方法保證使用焊料塊晶片直接焊接(DCA)結合技術將LED陣列器件10與矽驅動器25組裝。
為了便於解釋，已按特定的順序執行所公開的方法的各個步驟，然而，不用說，在具體的應用中所公開的方法的各個步驟是可以相變化的和/或與其它方法相結合，並且至少企圖使所公開的方法中的所有這些變化都落在權利要求的範圍內。
儘管我們已經說明和描述了本發明的具體實施例，但是本領域的普通技術人員會做出進一步的修改和改進。因此，我們期望本發明不局限於所說明的特定形式而是想使所附的權利要求包含不脫離本發明的精神和範圍的所有修改。
權利要求
1.一種製作發光二極體顯示組件的方法，其特徵在於包括如下步驟提供一個具有主平面的基片；在所述的基片的主平面上形成發光二極體的陣列，從而形成具有規定顯示區域的發光二極體器件；以及有選擇地從發光二極體器件中除去基片。
2.一種如權利要求1所述的製作發光二極體顯示組件的方法，其特徵在於進一步地包括如下步驟形成多個與發光二極體陣列電連接的焊接區，提供在矽基片上形成的驅動器，所述的驅動器包括在其內形成的多個驅動元件，形成多個與驅動元件電連接的焊接區，協同地確定所述多個與驅動元件電連接的焊接區的位置以便與發光二極體陣列的焊接區相連接，並且將與發光二極體陣列電連接的多個焊接區和驅動器的驅動元件電連接的多個焊接區對接，從而將發光二極體器件與驅動器電連接。
3.一種如權利要求2所述的製作發光二極體顯示組件的方法，其進一步的特徵在於，將與發光二極體陣列電連接的多個焊接區和與驅動器的驅動元件電連接的多個焊接區對接包括焊接區的倒裝晶片焊料塊接合法。
4.一種如權利要求3所述的製作發光二極體顯示組件的方法，其進一步的特徵在於包括如下步驟用一種非導電的聚合物或環氧樹脂不充滿在發光二極體器件和驅動器之間形成的區域。
5.一種如權利要求1所述的製作發光二極體顯示組件的方法，其進一步的特徵在於從發光二極體器件中除去基片的步驟包括有選擇地將基片蝕刻掉，從而使發光二極體器件的InGaAlP外延層露出。
6.一種如權利要求1所述的製作發光二極體顯示組件的方法，其進一步的特徵在於從發光二極體器件中除去基片的步驟包括一個分離層，由此有選擇地將分離層蝕刻掉，使發光二極體晶片的InGaAlP外延層露出。
7.一種發光二極體組件，其特徵在於包括一個發光二極體陣列，具有將被有選擇地除去的一開始存在的基片，形成一個具有規定顯示區域的發光二極體器件；多個與發光二極體陣列電連接形成的焊接區；一個在矽基片上形成的並具有在其中形成的多個驅動元件的驅動器；多個與驅動器電連接形成的焊接區；以及一個裝置，它位於發光二極體器件的顯示區域的最上表面，用於將與發光二極體陣列的電連接的焊接區與驅動器電連接形成的焊接區電連接並且通向驅動器的最上表面。
8.一種如權利要求7所述的發光二極體組件，進一步的特徵在於，在一開始存在的基片的主表面上形成發光二極體陣列，在將發光二極體器件與驅動器電連接之後有選擇地除去基片。
9.一種如權利要求7所述的發光二極體組件，進一步的特徵在於，發光二極體器件包括在基片上形成的多個材料層，至少有一個支撐在基片的主平面上的材料的蝕刻阻擋層、一個在蝕刻阻擋層上的導電層、一個在導電層上的第一載流子限制層、一個在第一載流子限制層上的一個有源層、以及一個在有源層上的第二載流子限制層。
10.一種如權利要求9所述的發光二極體組件，進一步的特徵在於，在多個材料層中存在著雜質以使多個材料層分成多個以行和列的矩陣方式設置的隔離的發光二極體，並且至少通過多個材料層的某些層形成多個縱向的導體以給陣列中的每一二極體提供表面接觸。
全文摘要
發光二極體顯示組件和其製作方法包括:具有與設置在LED陣列器件的最上表面上的顯示連接區相連的行與列的連接區的發光二極體陣列;分開的具有與最上表面相連的連接區的矽驅動器件,協同確定矽驅動器件連接區的位置以與LED器件的連接區接觸,用標準的C5 DCA將LED器件晶片倒裝塊連接到驅動器件上;LED器件和驅動器件限定的空間之間的未充滿層。除去基片,將LED顯示和驅動器組裝。從LED顯示器件發出的光是通過剩下的LED器件的InGaAlP外延層發出的。
文檔編號H01L33/00GK1174405SQ9710995
公開日1998年2月25日 申請日期1997年1月20日 優先權日1996年1月18日
發明者單－龍·施, 星－春·李, 佩基·M·豪爾姆 申請人:摩託羅拉公司