除去基片的led显示组件和其制作方法

专利名称：除去基片的led显示组件和其制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管阵列，更具体地涉及新颖组件和将发光二极管阵列与驱动电子线路装配在一起的方法。
发光二极管(LED)在各种显示中非常有用，尤其是在利用LED的二维阵列作为图象源的新的小型虚像显示中。通常，二维阵列包括大量的发光二极管器件，从5000至80,000或更多。一个具体的例子是图象源由一个LED的高象素点的二维阵列构成，例如240列×144行，总共34,560个象素。这样大小的具体实例的阵列需要总共384个外部互连以便在其上进行正确地扫描、驱动、以及产生图象。使用LED阵列形成完整的包含图形和/或字母数字字符的图象。然后，将完整图象放大以产生至少一张标准纸张大小的出现在操作员面前的虚像。
这种阵列面临的主要问题是要为给该阵列提供信息所需要的大量连接或结合区付出代价。最主要的缺点是连接区、将连接区与行和列相连所需的互连输出端要求增加半导体芯片的面积。其上构成阵列的半导体芯片的所用费用的大部分都花在原材料上，对于线连接外部互连部分为240×144实例的方案，发射区域(发光二极管阵列)占总芯片面积的不到20％，剩下的80％为连接区和互连输出端所需要。由于现有技术带来的较大连接区尺寸和互连输出端间距，常规的直接芯片相连结合法仅仅稍微地改善此比率。
由于必须在随同的包含驱动电路的半导器芯片上重复形成相同的连接区和互连输出端图案，所以也需要大的连接基片区域。进一步地，驱动芯片本身也必须大到足以提供大量的连接区(在此例中384)。最终结果是，一个大整体模块，对重视小物理空间的便携式电子器件没有吸引力。
减轻LED显示器组装中组件尺寸问题的一个方法是，通过将LED显示器直接与驱动器板集成在一起来使组件和装配简单，从而减小了LED器件和驱动器需要的尺寸。通常，提供固定在一个基片上的多个驱动器和控制电路，或者，在可供选择的方案中，多个驱动器和控制电路固定在光透明的基片上，所述驱动器和控制电路具有数据输入端和进一步地具有与发光器件的引线相连接的控制信号输出端，用于根据加到数据输入端上的数据信号驱动发光器件产生图象。
在无机的LED结构中，一般将半导体基片或集成电路装在印刷电路板或类似物上，并且使基片与外部电路连接的可接收的方法是使用标准的线连接技术。然而，当要连接其上形成有大量电子元件和器件的阵列的半导体基片时，标准的线连接技术变得非常困难。例如，如果在一个基片上以间距P(中心与中心分开)形成相当大的发光二极管阵列(例如，大于10,000或100×100)，那么在基片的周边上的连接区将有2P的间距。的确如此，因为每隔一行和每隔一列都要达到周边的相对边缘，尽可能多地增加了连接区之间的距离。
目前，具有4.8密耳间距的连接区的线连接互连是行得通的、最好的。因而，在上面提到的100×100发光二极管的阵列中，在半导体芯片的周边上的连接区具有最小间距4.8密耳，沿周边的每一边缘设置有50个连接区。当阵列中包括更多的器件时，需要更多的连接区并且适应这些增加的连接区的周边尺寸以更大的速率增加。也就是说，由于连接区的最小间距为4.8密耳，在不影响基片尺寸的情况下，则阵列中的器件的间距可能有2.4密耳那么大，或近似为61微米。所以，即使可将器件做成小于61微米，连接区的最小间距也将不允许基片的周边任意变小。很快就可看到，基片的尺寸严重地受线连接技术局限性的限制。
因而，需要互连和组装结构，以及需要能实际减少对半导体芯片和LED显示器件的尺寸的限制并能减小所需表面面积的技术。
因此，迫切希望提供能克服这些问题的制作LED阵列和互连部件组件的方法。
本发明的一个目的是提供一种制作LED阵列和互连部件组件的新的、改进的方法。
本发明的另一目的是提供一种新的、改进的LED阵列和用于驱动大的LED阵列的集成驱动器电路组件。
本发明的又一目的是提供新的、改进的集成电路，对于较大的阵列器件只需要较少的半导体芯片面积。
本发明的另一目的是提供一种新的、改进的基本改善填充因数的LED阵列和驱动器组件。
本发明的更进一步的目的是提供一种制作LED阵列和驱动器组件的新的、改进的方法，该方法比已有技术的方法简单并更有效、而且易适应于高生产水平。
用一种制作除去基片的发光二极管阵列和驱动器组件的方法基本上解决了上述问题和其它问题，并实现了上述目的和其它目的。在本发明中公开了一种LED显示器组件，它由包括在基片上形成的可寻址的LED器件阵列的集成电路构成，所有的LED器件都以行和列的方式相连接。包括本发明显示芯片的LED阵列进一步地具有连接区，围绕显示芯片中规定的显示区域的周边形成连接区。还以分开的元件形成提供一个硅(Si)驱动器晶片，使已知的好显示芯片与硅驱动器晶片对准并直接与已知的好驱动器芯片侧相连。
将本发明的各显示芯片设计成具有多个连接区或结合区，多个连接区通向围绕显示芯片的显示区域周边的区域。将硅(Si)驱动器芯片设计成具有形成在上主表面中的连接区或结合区以便协同地与以后露出的显示芯片的连接区配对，并且紧接着完全对齐显示芯片。通过晶片平面金属化实现连接区的内部电路片的连接。此外，提供通向硅驱动器芯片的周边的多个结合区，用作为分开的外部数据输入端。
在形成本发明的器件中，通过仅将已知的好显示芯片与已知的好驱动器芯片侧相连接来实现使生产量最大的目的。为了实现这一目的，在制造过程期间，用晶片检测器检测LED筛出任何坏阵列。此外，在硅晶片上制作阵列驱动电路，并检测筛出任何坏芯片。在完成检测之后，将显示芯片用倒装晶片法连接到整个硅晶片上包含的已知是好的驱动器芯片位置。在显示芯片和驱动器芯片之间设置一层结合电介质粘合剂的内部芯片。
然后，通过蚀刻整个组件或有选择地蚀刻在LED结构中形成的一个分离层来有选择地除去最初在其上形成显示芯片的砷化镓(GaAs)基片，让显示芯片的连接区和InGaAlP(indium-gallium-aluminum-phosphide)外延层露出。显示芯片在对着硅驱动器芯片装配的方向上发射光。在没有典型的金属线互连干扰的情况下出现在此方向发出的光，从而通过允许较高亮度和较大象素填充因数而改善了显示性能。此外，通过除去目前公知已有技术需要的标准线结合互连部分和面积有形成较高产量、较低成本组件的潜力。
作为制作本发明LED阵列和驱动器组件的最后一个步骤，使用晶片级制作工艺，蚀刻成为结合电介质层的通路(vias)并且在显示芯片的连接区和驱动器芯片的连接区之间形成构图金属互连线。
正如在本发明中所公开的，通过将阵列上的所需要的大量连接区与同样数量的相对应于电子电路的连接区对接而使阵列与其驱动电路组装在一起形成了一种制作方法，该方法可靠并且可重复，同时具有小的显示和驱动器芯片、总体小型的组件尺寸、以及性能价格比。
在权利要求书中陈述了认为是本发明特性的新颖特征。但通过下面结合附图的详细描述将更好地理解发明本身以及其它特征和优点，其中

图1是一个简化的横截面图，描述按照本发明的发光二极管显示芯片和驱动器芯片；图2是本发明的整个硅晶片的简化、放大顶视图，具有连接到驱动器芯片位置的LED显示芯片；图3是一个简化的横截面图，描述本发明发光二极管芯片的一个多层的实施例；图4是一个简化的横截面图，描述本发明发光二极管显示芯片以倒装晶片的方式连接到硅驱动器芯片上；图5是一个简化的横截面图，描述发光二极管显示芯片以倒装晶片方式连接到硅驱动器芯片上，其中已根据本发明除去了发光二极管显示芯片的GaAs基片；以及图6是描述发光显示组件的最后组装的简化横截面图，其中，驱动器芯片的连接区已经被露出，在显示芯片和驱动器芯片的连接区之间形成了金属的内部芯片互连部分。
在下面的描述中，对于描述本发明的不同附图，用相同的标号表示在制作LED阵列和驱动器基片组件中相同的元件和步骤。
参见图1，用简化的横截面图描述了在制作一个发光二极管显示组件的过程中的第一结构，所述的发光二极管显示组件包括一个由发光二极管阵列构成的发光二极管阵列显示芯片10和一个共同操作的驱动器芯片20。在图1中，将倒装晶片连接之前的发光二极管(LED)阵列显示芯片10和驱动器芯片20以分开的元件示出。图中所示的LED阵列显示芯片10的结构上包括一个基片12，用目前公知的形成InGaAlPLED显示阵列的任一方法在基片12上形成一个LED显示阵列14。
更具体地参见图1，其示出了按照任一形成公知的InGaAlP LED阵列的常规方法、以及前面公开的方法形成的阵列显示芯片10，它具有围绕LED阵列显示芯片10的显示区域18的周边形成和确定路线的显示连接区16。围绕以行、列形式设置的LED显示阵列14的显示区域18的周边形成显示连接区16。
在此具体实例中，显示阵列14有140×144象素分辨力的显示。因而，实际显示区域18的大小大约为4.8mm×2.88mm。显示阵列14所需要的连接区16的数量是384(240+144＝384)。按照本发明，围绕显示芯片10的周边形成连接区16，正如前面所述。
正如所描述的，一开始在一整块硅驱动器晶片上形成的硅(Si)驱动器芯片20包括所有需要的阵列驱动器、当将硅晶片切成小片时形成全功能显示模块所需的控制电路和存储器，所述控制电路和存储器在本说明书中示意地称之为驱动电路22。在一个基片24上制作驱动器芯片20，并在芯片20的最上表面26上形成多个与LED阵列器件10的连接区16协同的驱动器连接区28。通过分别直接靠近并围绕显示区域18的周边和在驱动器芯片20的最上表面26上以基本上平面协同形式配置连接区16和28，减少了常规引线的输出端所需要的空间并在此情况下减少了实际的连接部分，从而使这种器件的制作更经济。除驱动器芯片20的连接区28外，还可设有多个外部互连区(没有示出)用作数据输入端。
在形成本发明LED显示和驱动器组件的起始步骤期间，可采用附加的步骤来保证最终组件的效率。参见图2，以顶视图示出了本发明的一整块硅晶片30。公开了使用筛出坏阵列的晶片检测技术在显示晶片制作多个LED阵列14。另外，在LED阵列显示芯片10与硅驱动器芯片20倒装晶片安装之前，在硅晶片30上制作阵列驱动器电路并检测筛出任何坏芯片。在图2中描述了整块硅晶片30的顶视图，在整块硅晶片30上形成多个硅驱动器芯片或驱动器部位，用有作用的驱动器芯片32和无作用的驱动器芯片34来表示。在制作在此公开的LED显示和驱动器组件的过程中，将预先筛选的LED阵列14与全部有作用的驱动器芯片32相连接。LED阵列14不与无作用的驱动器芯片34相连接。图中示出了最终的硅晶片30。这一预筛选的方法，通过在制作程序的初始阶段废弃无作用的LED阵列14和无作用的驱动器芯片34，能使生产产量达到最大。一旦完成了互连的金属化图案形成并且除去了基片12之后，就能将硅晶片30切成显示模块，产生多个各自单独的用于虚成象的芯片显示器。
在一个第一具体实例中，如图3所示，公开了一种形成本发明的InGaAlP LED结构的一种方法，本发明的InGaAlP LED结构包括一个基片12，在基片12的上表面上按如下顺序设有一个蚀刻阻挡层41、一个导电层42、一个第一载流子限制层44、一个有效层46、一个第二载流子限制层48和一个导电的罩层50。不用说，蚀刻阻挡层41、导电层42和第一载流子限制层44必须基本上是透明的，便于一旦有选择地除去基片12时从有效层46发出的光反向经过这些层通过。在这一具体制作LED显示阵列14的过程中，基片12由砷化镓(GaAs)形成，从而基片12是一个半导体。蚀刻阻挡层41由透明的不导电层形成，便于除去基片12。在可供选择的方案中，蚀刻阻挡层41可以是一个由例如砷化铝(AlAs)的材料构成的分离层(没有示出)，使分离层有选择地蚀刻掉，从而将基片12与剩下的LED外延层结构分开。导电层42是在蚀刻阻挡层42的表面上外延生长的GaAs或GaAlP透明层并且是重掺杂(1018或更多)的，掺杂剂例如为硒、硅等，从而导电层42是一个相当好N+-型半导体。在制作LED显示阵列14的这一具体方法中，生长的导电层42的厚度小于500埃，从而导电层42能保持基本上是透明的。第一载流子限制层44是在导电层42的表面上外延生长的InGaAlP(indium-gallium-aluminum-phosphide)层并掺有N型半导电性的硅(1017-1018)。将载流子限制层44生长成厚度在大约1000-8000埃的范围内，载流子限制层44仍然保持使有效层46的发射的光通过的透明状态。有效层46是在载流子限制层44的表面上外延生长的没有掺杂的InGaAlP层，其厚度在大约100-1000埃的范围内。第二载流子限制层48是在有效层46的表面上外延生长的一层InGaAlP层并掺有P型半导电性的锌(1016-1018)。在这一具体的实施例中，使载流子限制层48生长成厚度在大约1000-8000埃的范围内。在载流子限制层48的表面上外延生长厚度在大约200-1000埃的范围内的导电罩层50，并且用锌重掺杂(1019)以便使导电罩层50为一个良好的P+-型导体。在载流子限制层44、48的(AlXGa1-X)0.5ln0.5P中，铝的克分子份数X在大约0.7-1.0的范围内，而在有效层46中铝克分子份数X在大约0.0-0.24的范围内。在有效层46和导电层42中铝(Al)的组成确定其中发射的光和光波长，因而，层42的Al组分必须比层46的大。为了简化所公开的具体例子的制作，在整个基片12上以敷层外延生长上述各层，然而，不用说，也能利用其它方法(包括掩蔽法和选择生长法或选择蚀刻法)提供形成和限制各个象素所需要的多个区。
当然，也可以用许多其他的形式提供各个层，公开InGaAlP LED的结构的本实施例是因为其制作简单。在某些实施例中还可以为各种特定的应用提供附加层，并且理所当然地认为，所公开的结构仅作为LED显示阵列14的基本结构的一个例子而公开并不是作为对其的限定。
在制作LED显示阵列14的该方法中，公开了LED阵列显示芯片10的第一结构(没有示出)，其中用几种公知方法的任一种在载流子限制层48上有选择地形成罩层50。例如，外延生长罩层50作为掩蔽层并用某些常规的方法除去多个区域，例如对载流子限制层48的表面曝光的蚀刻法。
当然，可以认为，也可以通过屏蔽载流子限制层48的表面来有选择地生长或沉淀罩层50。在两种方法中的任何一种方法中，罩层50并没有使处理的平面产生大的变化，因为罩层50的厚度只为500埃数量级。关于这一类型的发光二极管和制造方法的更多的信息和进一步地公开，以及所公开的可替换的实施例参见在此作为参考引入的赋予同一受让人的如下文件美国专利US 5453386，题为“制作注入LED的方法”，1995年9月26日出版；美国专利US 5453386的分案申请，目前待审查的申请，序号为08/513，259，题目为“注入的LED阵列和制作方法”，申请日是1995年8月10日。
在赋予同一受让人的并在此作为参考引入的另一待审查的序号为08/239，626、题目为“光电集成电路和制造方法”、申请日是1994年5月9日的申请和其分案申请(目前待审查的申请，序号为08/513，655，题目为“光电集成电路和其制造方法”，申请日是1995年8月10日)中，公开了一种利用台面蚀刻处理工艺制作InGaAlP LED阵列结构的方法，如图3所示。尤其是，公开了这样一种结构其中的罩层50、第一载流子限制层44、有效层46和第二载流子层48部分已被蚀刻形成或分开成行和列的两维阵列或矩阵的台面晶体管。阵列中的蚀刻台面的上表面限定发光二极管的发光区。
正如所述的，可以利用目前公知的制造InGaAlP LED阵列结构中的LED阵列的其它方法以及前面所述的方法制造本发明的LED阵列显示芯片10。为了简便，在整个说明书中参考行和列加以描述，然而，不用说，对本领域的技术人员而言，这些术语完全可以相互改变，因为一个矩阵或阵列的行和列一般取决于物理坐标。
参见图4，示出了制作本发明LED阵列和驱动器组件的第二步。具体地，示出了将LED阵列显示芯片10以倒装法固定到硅驱动器芯片20上。在显示芯片10和驱动器芯片20之间设置一层内部芯片结合电介质粘合剂52。此外，公开的另一个可供选择的方法是使用众所公知的常规焊料块芯片直接焊接(DCA)接合法将显示芯片和驱动器芯片25相连接。关于这一类型的发光二极管阵列和其制造方法的更多的信息和进一步地公开，以及所公开的可替换的实施例参见在此作为参考引入的赋予同一受让人的如下文件目前待审查的美国专利申请，题目为“除去基片的LED显示组件和其制作方法”，申请日与本申请相同。
在组装过程中，将LED显示芯片10倒置以使得将LED阵列显示芯片10的最上表面向下放置，显示芯片10具有围绕显示区域18形成的连接区16，并且，在互连之前，将连接区16设置在适当位置，在LED显示芯片10和硅驱动器芯片20严格对齐时使各个连接区16大致与分开的连接区28对准，连接区28是在硅驱动器芯片20上形成的。正如前面所述的，在LED阵列显示芯片10和硅驱动器芯片20之前沉淀一层内部芯片结合电介质52。内部芯片结合电介质52用于使显示芯片10和硅驱动器芯片20电绝缘但机械连接并且用作蚀刻保护层。内部芯片结合电介质粘合剂52可以是环氧树脂、聚合物，或其它有机或无机电介质粘合材料。
参见图5，它是一个简化的局部横截面图，进一步地描述本发明的LED阵列显示芯片以倒装法连接到驱动器芯片20上。在LED阵列显示芯片10和硅驱动器芯片20倒装连接之后，用常规蚀刻技术有选择地除去LED阵列显示芯片10的基片12(未示出)。例如，使用温蚀刻技术或利用已有技术中任何可替换的蚀刻技术，蚀刻由未掺杂的GaAs形成的基片12。在可供选择的方案中，正如前面所描述的，可利用其中形成有分离层的LED结构，有选择地将分离层蚀刻掉，从而将基片12与剩下的LED外延层结构分开。在除去GaAs基片以后，仍然保留InGaAlP外延层54，包括新露出的蚀刻阻挡层41，以及露出的围绕显示区域18的周边设置的连接区16。由LED阵列显示芯片10发射的光现在从LED阵列显示芯片10的后表面发出，所述的后表面目前为LED显示和驱动器组件40的前表面。进一步地，在形成LED阵列14的过程中，形成多个由反射金属构成的LED接点金属56，将发出的光反射到观察方向。这样使用反射金属有助于减少侧向电流分布并且因光的反射使显示芯片10提供大约两倍的功率输出。
除去基片12便于从初始LED器件的后表面发射光。正如前面所述，由于这样形成的组件没有阻挡光的金属线相交部分而有较高的亮度和大象素占空因数，因而改善了显示性能。
参见图6，示出了本发明的一个完成的发光二极管显示和驱动器芯片组件60的简化、局部横截面图。描述形成本发明LED显示和驱动器芯片组件60的最后步骤。具体地说，将多个通路62蚀刻成结合电介质层，使驱动器芯片连接区28露出。在显示芯片10的连接区16和驱动器芯片20之间形成多个图案金属互连线64。这种类型的晶片级工艺使一整块显示组件的光图案形成大量互连用两个光学步骤来实现，并且通过使用光刻法在显示芯片和驱动器芯片上形成小连接区。
因而，公开了一种能克服许多普遍问题的新LED阵列器件和驱动器组件以及将LED阵列与其驱动电子线路制作在一起的方法。新改进的制作LED阵列和驱动电子线路组件的方法比其它方法简单和更有效，并且易适用于高生产水平。进一步地，新改进的制作该组件的方法保证使用晶片级处理工艺技术将LED阵列显示芯片10与硅驱动器芯片20组装。
为了便于解释，已按特定的顺序执行所公开的方法的各个步骤，然而，不用说，在具体的应用中所公开的方法的各个步骤是可以变化的和/或与其它方法相结合，并且至少企图使所公开的方法中的所有这些变化都落在权利要求的范围内。
尽管我们已经说明和描述了本发明的具体实施例，但是本领域的普通技术人员会做出进一步的修改和改进。因此，我们期望本发明不局限于所说明的特定形式而是想使所附的权利要求包含不脱离本发明的精神和范围的所有修改。
权利要求
1 一种制作发光二极管显示组件的方法，其特征在于包括如下步骤提供一个显示芯片，所述显示芯片包括一个具有主平面的基片；在所述基片的主平面上形成发光二极管阵列；提供在一个基片上形成的驱动器芯片；将显示芯片与驱动器芯片连接；有选择地从显示芯片上除去基片；以及将显示芯片与驱动器芯片电对接。
2 一种如权利要求1所述的制作发光二极管显示组件的方法，其中将显示芯片与驱动器芯片电对接的步骤的进一步特征在于形成多个与发光二极管阵列协合作的结合区，形成多个与驱动元件电协作的结合区，协同地确定所述多个与驱动元件电协作的结合区的位置以便与发光二极管阵列的结合区相连接。
3 一种如权利要求2所述的制作发光二极管显示组件的方法，其中形成多个与发光二极管阵列电协作的结合区的步骤的进一步特征在于围绕显示区域的周边确定结合区的位置，由显示芯片的发光二极管阵列规定显示区域；形成多个与驱动元件电协作的结合区的步骤包括将结合区通向驱动器芯片最上表面，协同地确定多个与驱动元件电协作的结合区的位置以便利用金属内部芯片互连部分与发光二极管阵列的结合区相连接。
4 一种发光二极管组件，其特征在于包括一个发光二极管阵列，具有将被有选择地除去的一开始存在的基片，形成一个具有规定显示区域的发光二极管器件；多个与发光二极管阵列电连接形成的结合区；一个在基片上形成的并具有在其中形成的多个驱动元件的驱动器；多个与驱动器电连接形成的结合区；以及一个装置，用于将与发光二极管阵列的电连接的结合区和与驱动器电连接形成的并且通向驱动器的最上表面的结合区电连接，围绕发光二极管器件的显示区域的周边设置所述与发光二极管阵列电连接的结合区。
5 一种如权利要求4所述的发光二极管组件，其中发光二极管器件进一步的特征在于在基片上形成的多个材料层包括至少有一个支撑在基片的主平面上的材料的蚀刻阻挡层、一个在蚀刻阻挡层上的导电层、一个在导电层上的第一载流子限制层、一个在第一载流子限制层上的有效层、以及一个在有效层上的第二载流子限制层。
6 一种如权利要求5所述的发光二极管组件，进一步的特征在于，在多个材料层中存在着杂质以使多个材料层分成多个以行和列的矩阵方式设置的隔离的发光二极管，并且至少通过多个材料层的某些层形成多个纵向的导体以给阵列中的每一二极管提供表面接触。
7 一种如权利要求4所述的发光二极管显示组件，进一步的特征在于， 围绕发光二极管器件显示区域的周边设置多个与发光二极管阵列电协作的结合区，并且多个与驱动器电协作的结合区通向驱动器的最上表面。
8 一种如权利要求4所述的发光二极管显示组件，其中将围绕发光二极管显示区域的围边设置的结合区与通向驱动器最上表面的结合区电连接的装置的进一步的特征在于，使用晶片级工艺互连将发光二极管器件与驱动器倒装片连接。
9 一种如权利要求8所述的发光二极管显示组件，其中所述的将所述结合区电连接的装置的进一步特征在于多个通路蚀刻成非导电材料，从而将与驱动元件电协作的结合区露出。
10 一种如权利要求4所述的发光二极管显示组件，进一步的特征在于，在发光二极管器件和驱动器之间限定的区域中设置一层非导电材料。
全文摘要
LED显示组件和其制作方法,包括LED阵列显示芯片和具有通向最上表面的连接区的驱动器芯片,确定连接区位置以便协同地连接LED芯片的结合区。LED芯片倒装固定到驱动器芯片上,并且在之间设置内部芯片结合电介质。除去基片,将LED和驱动器芯片组装,露出LED芯片的结合区和剩下的InGaAlP外延层。从LED芯片发射的光是通过LED芯片的InGaAlP外延层发出的。
文档编号H01L21/02GK1175793SQ9711005
公开日1998年3月11日 申请日期1997年1月18日 优先权日1996年1月18日
发明者佩基·M·豪尔姆, 单－龙·施, 库迪斯·D·莫耶 申请人:摩托罗拉公司