TW486830B

TW486830B - High resolution and brightness full-color LED display manufactured using CMP technique

Info

Publication number: TW486830B
Application number: TW90102754A
Authority: TW
Inventors: Yuan-Tung Dai; Yuan-Ching Peng; Chien-Chih Chen
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-05-11

Description

486830 五、發明說明（1) 發明領域本發明係關於一種顯示裝置（d i s p丨a y d e v i c e)。特別疋關於一種關於具有局解析度（res〇luti〇n)和高亮度 (brightness)的發光二極體（light emitting diode， LED)顯示器（display)及其製造方法。發明背景、最近在電腦、個人通訊設備和各種資訊設備的發展已經^人類歷史帶來了新的工業革命。這些電子設備明顯地轉變了人類的生活。這些電子設備中幾乎都需要顯示器來顯示輸^和輸出的訊息。許多研究人員和製造商致力於研，二有南解析度、多彩化、廣視角（wide view angle)和冋冗度，以及擁有小體積和輕重量的新的顯示裝置。以往陰極射線管（cate ray tube，CRT)廣泛使用在電視或電腦的顯示設備中，並作為一種顯示裝置。雖然 CjT有斗多優點，但它的龐大的體積和笨拙的重量造成非系便，或甚至不可能成為精緻和可攜式的電子裝置中的衣近年來，平面液晶顯示（f lat 1 iquid crystal l sp )裝置已被廣泛使用在筆記型或個人的通訊設備，/、他的平面顯示裝置，如電漿顯示器（pi aSma uspiay)和磁場激發顯示器（fieu emissi⑽dispiay)，

第4頁 486830 五、發明說明（2) 也正在發展和尋找它們的市場地點。 LED代表著具有潛力的另一種型態的顯示裝置，此種顯示器被用為是一種輕重量和高品質的顯示裝置。然而，因為全彩的LED顯示技術仍有許多困難等待去克服，LED裝置一般僅被使用在照明用的交通號誌和車燈上。一些廣告 —或佈告攔（bul let in board)也使用LED作為顯示裝置來顯示簡單的訊息。在半導體的技術領域裡，LED裝置一般係夥同主動層 (active layer)製作在半導體基底（substrate)頂上之介於上下覆蓋層（claddding layer)之間。被選用在這些層裡的半導體材料成份決定了此Led裝置的色彩。對於不同色衫之不同材料的LED層僅能被長在或植入在適當的基底上，因為一個半導體基底基本上適合於形成兩種有較近光譜（cl〇ser spectra)的 LED 激發光（emitting Ught)，比如紅色和綠色的LED或是綠色和藍色的LED。為了要製造一個王彩的LED裝置，第二種LED必須形成在另一個不同的基底上。結果，儘管紅色和綠色的LED可以被製作在相同的基底上，但是要將藍色的LED製作在極相同的基底上一直是很困難，然而全彩的LED顯示器還是即將被研發。假如一-個全彩的LED顯示器能夠成功地被製作出來，它會有諸多

五、發明說明（3) =優點’例如廣視角、小體積和輕重量。所以亟需發展全彩化、高解析度和高亮度的LED顯示器。發明概要本發明符合全彩化、高解析度和高亮度的LED顯示器的需求。其主要目的是提供一種全彩化LE])裝置的新的結構。另一個目的是提供製作此全彩化LED裝置的方法。本發明的又一個目的是提供一種由多個全彩的15：])裝置組成的LED顯示器。一個全彩的led顯示器需要在半導體元件結構裡製造紅綠藍三色的LED元件（el ement)。本發明使用晶圓結合（wafer bonding)技術和化學機械研磨（chemical — mechanical p〇l i Shi ng，CMP)技術，以提供在多於一片的基板上’且在同一顯示器上形成紅綠藍三色的LED元件。根據本發明’首先備好一第一半導體基板，以製造一第一顏色的LED元件。第一顏色的LED元件是在一緩衝層 (buffer layer)上製造，此緩衝層覆蓋此第一半導體基板。一般而言，第二顏色的LED元件也能製造在同一基板上，且鄰接著（ad jacent to)第一顏色的LED元件。然後，一第一隔離層（passivation iayer)形成在此緩衝層和此兩個LED凡件上。一第二半導體基板結合在此第一隔離層 ’並以化學機械研磨技術拋光（po 1 i sh)成一層薄的基板。接著’在此第二基板上製造一第三顏色的LED元件。在此

486830 五、發明説明（4) 半導體裝置結構上植入一第二隔離層，以形成第三顏色 LED元件士此來，就製成了一個全彩化的LED裝置。在本發明裡，形成紅綠藍三色的LED元件的順序並不是重要關鍵。視所選用的半導體基板而定，第二顏、/ LED元件可以形成在第一或是第二基板上。通常，勺二色的LED元件可以形成在同一基板上，* LED元件也可以开？ #太円 ^ L t 皿巴的 T Fr. _ .. θ ν成在同一基板上。然而，紅色和藍色的 LED το件不易形成在同一基板上。的 :數個全彩化LED裝置排列成行列以適當的金屬線和電極層（electr〇de i ===息亚 ⑽Ult)，來定址和控件，即可作成一全彩化的LED顯示器。 UD兀圍配合下列圖式、實施例之詳細說明及專利申於f :上述及本發明之其他目的與優點詳述於后。月& 圖式之簡要說明形成一紅色的LED元件 ΐ1，為基根板據上本Λ明之一個半„導體基板的—剖面結構示意構示意圖2為根據本發明《一料導體基板的一剖面钟 ^6830

五、發明說明（5) 圖’基板的上方形成一緩衝層，其上形成紅色和綠色LED 元件’再覆蓋一隔離層。圖3為根據本發明之一個新的基板，結合在一隔離層的上方。 -圖4說明圖3所示之新的基板，被以化學機械研磨技術拋光而成一薄的基板層。圖5說明形成一藍色LED元件於圖3所示之新的基板的上方’在紅色和綠色的LED元件上方的新的基板層被移除。圖6為根據本發明之一個隔離層，以覆蓋整個半導體結構’包括紅色、綠色和藍色的LED元件。 ΰ：7 i兒明一個全彩化LED顯示器的簡要上視圖，此全彩化的 /顯示器，將數個全彩化LED裝置排列成行列式的矩陣形 °兄明本發明之另一實施例，先於第一基板上形成藍色 ,,兀件，再結合一個新的基板以形成紅色和綠色LED元圖號說明

486830 五、發明說明（6) 101 半導體基板 102 缓衝層 103 P型覆蓋層 104 主動層 105 N型覆蓋層 201 綠色LED元件 202 第一隔 301 弟二半導體基板層 401 薄的基板層 501 藍色LED元件 601 第二隔離層發明之詳細說明本發明克服在同一基板上形成不同顏色L E D的困難，以一新的基板覆蓋在一種顏色的L E D元件上，以形成不同顏色的LED元件。參考圖1，係一個形成在第一基板上的紅色的L E D元件的一剖面結構示意.圖。圖1之例說羽一個紅色的LED元件形成在一半導體基板 101，如砷化鎵（GaAs)、磷化鎵（GaP)或磷化銦（inp)，之上。首先，在第一基板的上方形成一緩衝層ί 0 2。然後，在此缓衝層上製造一LED結構。此LED結構可以一個雙相異結構（heterostructure)為基礎’此雙相異結構具有一主

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五、發明說明（7) 動層104，介於一P型覆蓋層和一N型覆蓋層1〇5之間，如圖1所示。對於LED元件的形成，可以使用磷化銦作為緩衝層的材料。在本範例裡，因為這第一半導體基板也可以用來製造綠色的LED元件，圖2說明在製造完成紅色LED元件後，接 —著在此紅色LED元件的旁邊製造綠色LED元件201。之後，在位於第一基板上方的兩個LED元件的上方，覆蓋一第一隔離層2 0 2，此第一隔離層使用的材料如氮化矽（s i N)。如本發明背景中所述，藍色LED元件無法被製^在含有砷化鎵、ί粦化鎵或是填化銦的同一基板上。藍色L £ d元件需要在一個不同的半導體基板長晶。參考圖3，在第一隔離層上結合一第二半導體基板層301。結合此第二半導肢基板的較佳技術是晶圓結合技術。第二基板可以包含適合產生藍色LED元件的藍寶石（sapphire)或碳化矽（Sic)。如圖4所不’苐二基板以化學機械研磨技術被抛光而成一薄的基板層4 0 1。此薄基板層較佳的厚度小於1 a m。然後，於此新的基板上方植入薄膜層（f i lm layer)，以形成一藍色LED元件50 1，如圖5所示。值得注意的是，在紅色和綠色的L E D元件上方的弟一基板層被移除。僅留下在第二基板層上方的藍色LED結構。最後，使用一第二隔離曰6 01來覆蓋整個半導體結構’包括第一基板層、緩衝層

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五、發明說明、第一隔離層、第二基板和藍色LED元件。此全彩化led筆 "' 置的剖面圖示於圖6。紅、綠和藍色LED結構彼此兩兩並^ * 重疊。在實際應用上，在紅色和綠色的LED元件上方的第二基板層可以移除或不移除。為了要形成一個全彩化的LED顯示器，將數個全彩化 LED裝置排列成行列式的矩陣形式，並且以適當的金屬線 - 和電極層以及週邊電路，來定址和控制每一個L e d元件。製造本發明的週邊電路可使用類似製造主動或被動的有 LED顯示器的技術。由於每一全彩化LED裝置有它自己的紅錢、綠和藍色LED元件，而每一LED元件的亮度都能被栌、、工且全彩化顯示器的每一晝素（pixel)係由全彩化LED裝所組成，因此’全彩化顯示器能夠顯示全彩的影像。明此全彩化LED顯示器的一個簡要的上視圖。 ° 件，如圖2所示。麸後社入鉍沾不琢巴杜 …傻、、Ό合一新的基板以製造藍色LED - 如誌寶石和ΐ1: 以形成在同-基板

色和監色的L E D元件，铁德蛀人 ,m 土 y Ά ; …、便結合一個新的砷扑於i k、成紅色LED元件。甲化銥基板Μ 以元件的順序是可 -基板上形成藍

般而言，紅色、綠色和藍色的LED 芰更的。例如，如圖8所示，可先於第第11頁 486830 五、發明說明（9) 色LED元件，再結合一個新的基板以形成紅色和件。或者，可先於第一基板上形成紅色LED元件，士人70 一個新的基板以形成綠色和藍色LED元件。在實際、、Ό合，紅色和綠色LED元件可被形成在同一基板上。^，亡色LED元件也可被形成在同一基板上。然而，红色的LE=不易形成在同一基板上。基於以上所 -LED兀件也可以分別被形成在三個結合一起的基板了2 而此法將增加更多的製 :、、' y 7衣％步驟，亚且失去其經濟價值。 XT L以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，者不旎以此限定本發明每4 ^ ^ ° 备利範圍所作之均f ^ ，即大凡依本發明申請專之範圍内。 4、交化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋

486830 圖式簡單說明第13頁

Claims

1 · 一種全彩化發光二極體裝置，包含有· 一第一半導體基板；一覆蓋該第一半導體基板的緩衝層. 形成在該緩衝層第色料發光二極體一第一隔離層，該第一隔離層覆蓋該第一和第二色彩的發光二極體元件和該緩衝層；二第=半導體基板，形成在該第一隔離層之上；

:第三色彩的發光二極體元件，形成在該第二半導體基板之上；以及了第,隔離層，覆蓋在該第一半導體基板、該緩衝層該第一隔離層、該第二半導體基板和該第三色彩的發光一極體元件之上。 2 ·如申睛專利範圍第1項所述之全彩化發光二極體裝置，其中’該第一半導體基板與該第一和第二發光二極體元件不重疊。 3.如申請專利範圍第1項所述之全彩化發光二極體裝置，其中’該第二半導體基板的厚度小於lem。 4’如申睛專利範圍第1項所述之全彩化發光二極體裝置，t 其中’該第一半導體基板包含珅化鎵、碟化鎵或磷化鋼’且該第一和第二色彩的發光二極體元件是紅色和

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綠色發光二極體元件。 5. 如申凊專利範圍第1項所述之全彩化發光二極體裝置其中’該第一半導體基板包含藍寶石或碳化矽，且該第和第二色彩的發光二極體元件是藍色和綠色發光二極體元件。赏尤 6· 種全彩化發光二極體顯示器，其特徵在於包含複數個如申印專利範圍第1項所述之全彩化發光二極體裝置，該複數個全彩化發光二極體裝置係以行列式的矩陣方式排列。一種全彩化發光二極體裝置，包含有：一第一半導體基板；一覆蓋該第一半導體基板的緩衝層；一第一色彩發光二極體元件，形成在該緩衝層之上；一第一隔離層，覆蓋該第一色彩的發光二極體元件和該緩衝層；一第二半導體基板，形成在該第一隔離層之上；形成在該第二半導體基板之上的第二和第三色彩的發光二極體元件；以及一第二隔離層，覆蓋在該第一半導體基板、該緩衝層、該第一隔離層、該第二半導體基板和該第二和第三色彩的發光二極體元件之上。

第15頁、申請專利範圍 •如申請專利範圍第7項所述之全彩化發光二極體裝置，其中’該第一半導體基板與該第一和第二發光二極體元件不重疊。 9·如申請專利範圍第7項所述之全彩化發光二極體裝置，其中’該第二半導體基板的厚度小於lem。 10·如申請專利範圍第7項所述之全彩化發光二極體裝 ^ 其中’該第一半導體基板包含神化鎵乂填化鎵或鱗化姻’且該第一色彩的發光二極體元件是紅色發光二極體元件。 11 ·如申請專利範圍第7項所述之全彩化發光二極體裝置/其中’該第一半導體基板包含藍寶石或碳化矽，且該第一色彩的發光二極體元件是藍色發光二極體元件。種王彩化發光二極體顯示器，其特徵在於包含複數 =如申明專利範圍第7項所述之全彩化發光二極體裝，該複數個全彩化發光二極體裝置係以陣方式排列。、幻矩 13· —種製造全彩化發光二極體裝置的方法，包含下列步

第16頁六、申請專利範圍驟：準備一第一半導體基板；形成一緩衝層，覆蓋在該第一半導體基板之上；製造一第一色彩的發光二極體元件在該緩衝層之上；製造一第二色彩的發光二極體元件在該緩衝層之上；开>成一第一隔離層，以覆蓋該第一和第二色彩的發光二極體元件和該緩衝層；結合一第二半導體基板至該第一隔離層之上；抛光該第二半導體基板成/薄的第二基板層；

製造一第三色彩的發光二極體元件在該薄的第二基板層的上方；以及 · 以一第二隔離層覆蓋在該第一半導體基板、該緩衝層、該第一隔離層、該薄的第二基板層和該第三色彩的發光二極體元件之上。 14·如申請專利範圍第13項所述之製造全彩化發光二極體裝置的方法，其中，該第/半導體基板與該第一和第二發光二極體元件不重疊。 15.如申請專利範圍第13項所述之製造全彩化發光二極體裝置的方法，其中，該第；基板層的厚度小於lem。 16·如申請專利範圍第13項所述之製造王彩化發光一極體

486830 六、申請專利範圍磷化鎵或磷化銦，且該第一和第二色彩的發光二極體元件是紅色和綠色發光二極體元件。 17·如申請專利範圍第13項所述之製造全彩化發光二極體裝置的方法，其中，第一半導體基板包含藍寶石或碳化矽，且該第一和第二色彩的發光二極體元件是藍色和綠色發光二極體元件。 18· 一種製造全彩化發光二極體裝置的方法，包含下列步驟：準備一形成一製造一形成一第一半導體基板；半導體基板之上；元件在該緩衝層之上；第一色彩的發光二極體一隔離層之上；的第二基板層；元件在該薄的第二基板元件在該薄的第二基板半導體基板、該緩衝層基板層和該第二和第三緩衝層，覆蓋在該第一第一色彩的發光二極體第一隔離層，以覆蓋該元件和該緩衝層；結合一拋光該製造一第二半導體基板至該第第二半導體基板成一薄第二色彩的發光二極體層之上；製造一第三色彩的發光二極體層的上方；以及以一第二隔離層覆蓋在該第一、該第一隔離層、該薄的第二色彩的發光二極體元件之上。

第18頁 486830 六、申請專利範圍 19·如申請專利範圍第18項戶斤述之製此王彩化發光二極體裝置的方法，其中，該第，半導體基板與該第一和第二發光二極體元件不重疊。 20·如申請專利範圍第is項戶斤述之製造王彩化發光二極體裝置的方法，其中，該第二基板層的厚度小於1/zm。 21·如申請專利範圍第項戶斤述之製造王彩化發光二極體裝置的方法，其中，該第一半導體基板包含砷化鎵、磷化鎵或磷化銦，且該第一色彩的發光二極體元件是紅色發光二極體元件。 22·如申請專利範圍第18項所述之製造全彩化發光二極體裝置的方法，其中，第一半導體基板包含藍寶石或碳化矽，且該第一色彩的發光二極體元件是藍色發光二極體元件。

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