发光二极管元件以及发光二极管电路的制作方法

1.本公开涉及一种发光二极管元件以及发光二极管电路，特别涉及一种包含多个p-n二极管结构的发光二极管元件以及发光二极管电路。


背景技术：

2.在市面上一般的主动矩阵式(active matrix)微发光二极管(micro light emitting diode，micro led)显示器中，通常以驱动电路或晶体管来驱动仅具有一个二极管结构的发光二极管元件，但如此驱动方式可能导致较高的功率消耗。此外，当发光二极管元件损坏而无法发光时，必须将整个元件替换，如此对显示器设计者及消费者造成额外的成本。


技术实现要素：

3.本公开的一实施例提供一种发光二极管元件，包含基体以及多个p-n二极管结构。p-n二极管结构彼此串联耦接并横向地相邻配置而整合在基体上。p-n二极管结构包含多个p型掺杂层以及多个n型掺杂层。p型掺杂层在基体上相对于n型掺杂层配置。p-n二极管结构中第一p-n二极管结构的p型掺杂层电性耦接p-n二极管结构中相邻第一p-n二极管结构的第二p-n二极管结构的n型掺杂层。
4.本公开的另一实施例提供一种显示装置中的发光二极管电路，包含多个晶体管以及发光二极管元件。晶体管的第一端彼此电性耦接且用以接收第一参考电压。发光二极管元件电性耦接于晶体管与第二参考电压之间，发光二极管元件包含多个p-n二极管，p-n二极管彼此串联耦接且整合于单一的芯片上。晶体管用以驱动发光二极管元件进行发光，晶体管中每一者的第二端电性耦接p-n二极管中对应一者的阳极。
附图说明
5.图1为根据本公开一些实施例的显示装置中的发光二极管电路的示意图。
6.图2为根据本公开一些实施例的发光二极管元件的结构示意图。
7.图3a为根据本公开一些实施例的发光二极管元件的示意图。
8.图3b为根据本公开一些实施例的图3a中发光二极管元件的截面图。
9.图4a为根据本公开一些实施例的发光二极管元件的示意图。
10.图4b为根据本公开一些实施例的图4a中发光二极管元件的截面图。
11.图5为根据本公开一些实施例的显示装置中的发光二极管电路的示意图。
12.图6为根据本公开一些实施例的图5中发光二极管电路的局部示意图。
13.图7a为根据本公开一些实施例的图5发光二极管电路操作于发光期间的示意图。
14.图7b为根据本公开一些实施例的图5发光二极管电路操作于发光期间的示意图。
15.附图标记说明：
16.vdd：参考电压
17.t1：晶体管
18.120：发光二极管元件
19.i1：电流
20.d1：p-n二极管结构
21.d2：p-n二极管结构
22.vss：参考电压
23.220：发光二极管元件
24.320：发光二极管元件
25.d1～dn：p-n二极管结构
26.p1～pn：电极垫
27.n1～nn：电极垫
28.dis：距离
29.322：基体
30.324：p型掺杂层
31.326：主动层
32.328：n型掺杂层
33.420：发光二极管元件
34.422：基体
35.424：n型掺杂层
36.426：主动层
37.428：p型掺杂层
38.500：发光二极管电路
39.520：发光二极管元件
40.t1～tn：晶体管
41.620：发光二极管元件
42.con：互连结构
43.i1：电流
44.i2：电流
具体实施方式
45.下列是举实施例配合所附图示做详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本公开所涵盖的范围，而结构运行的描述非用以限制其执行顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等技术效果的装置，皆为本公开所涵盖的范围。另外，图示仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件或相似元件将以相同的符号标示来说明。
46.于本文中，除非内文对于冠词有特别限定，否则『一』与『该』可泛指单一个或多个。此外，本文使用的『包含』、『包括』、『具有』、以及相似词汇，是用以指明所记载的特征、区域、整数、步骤、操作、元件及/或组件。
47.于本文中，当一元件被描述为是『连接』、『耦接』或『电性连接』至另一元件时，该元
件可为直接连接、直接耦接或直接电性连接至该另一元件，亦可为该二元件之间有一额外元件存在，而该元件间接连接、间接耦接或间接电性连接至该另一元件。此外，虽然本文中使用『第一』、『第二』、
…
等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。
48.在市面上一般的主动矩阵式(active matrix)微发光二极管(micro light emitting diode，micro led)显示器中，通常以驱动电路或晶体管来驱动仅具有一个二极管结构的发光二极管元件，但如此驱动方式可能导致较高的功率消耗。本公开的一实施例提出一种发光二极管元件整合多个p-n二极管结构。请参照图1。图1为根据本公开一些实施例的显示装置中的发光二极管电路的示意图。图1所示的发光二极管电路使用晶体管t1来驱动发光二极管元件120，晶体管t1接收参考电压vdd且电性耦接发光二极管元件120，发光二极管元件120电性耦接参考电压vss。发光二极管元件120包含两个p-n二极管结构d1、d2，两个p-n二极管结构d1、d2彼此串联耦接，且p-n二极管结构d1、d2整合为同一个发光二极管元件120。
49.在操作上，晶体管t1的第一端接收参考电压vdd，而当晶体管t1的栅极端接收栅极驱动信号而被导通时，晶体管t1传送参考电压vdd至发光二极管元件120。当发光二极管元件120两端的电压差大于p-n二极管结构d1、d2两者所需的顺向偏压时，p-n二极管结构d1、d2被导通且电流i1流经p-n二极管结构d1、d2。
50.在一些实施例中，p-n二极管结构d1、d2具有相同的结构、物理性质及/或顺向偏压。在其他实施例中，p-n二极管结构d1、d2具有不同的结构、物理性质及/或顺向偏压。
51.与先前所述使用晶体管来驱动仅具有一个二极管结构的发光二极管元件相比，由于图1实施例中的发光二极管元件120包含两个p-n二极管结构d1、d2，图1的发光二极管电路可以使用较小的电流而仍能达到相同的亮度。由于电流i1较小，图1所示的发光二极管电路将具有较小的功率消耗。
52.请参照图2。图2为根据本公开一些实施例的发光二极管元件220的结构示意图。在一些实施例中，图1中的发光二极管元件120可具有与图2的发光二极管元件220类似的结构。发光二极管元件220中包含p-n二极管结构d1、d2，对应图1中的p-n二极管结构d1、d2。
53.图2实施例中p-n二极管结构d1、d2的每一者为典型p-n二极管的结构，举例来说，p-n二极管结构d1包含基体221、具有p型掺杂物的p型掺杂层222、具有多重量子井(multiple quantum well，mqw)结构的主动层、具有n型掺杂物的n型掺杂层223以及电极p；类似地，p-n二极管结构d2包含基体221、p型掺杂层224、主动层、n型掺杂层225以及电极n。p-n二极管结构d1、d2共同整合在基体221上。在一些实施例中，p-n二极管结构d1与p-n二极管结构d2之间通过具有导电性质的互连结构226电性耦接，例如如图2所示p-n二极管结构d1的n型掺杂层223通过互连结构226电性耦接至p-n二极管结构d2的p型掺杂层224，使得p-n二极管结构d1、d2串联耦接，而可用于如图1所示的发光二极管电路中。
54.在图1的发光二极管元件120及图2的发光二极管元件220中，仅有两个p-n二极管结构d1、d2串联耦接，本公开的一实施例另提出一种包含更多个串联耦接的p-n二极管结构的发光二极管元件。请参照图3a。图3a为根据本公开一些实施例的发光二极管元件320的示意图。发光二极管元件320包含p-n二极管结构d1～dn，p-n二极管结构d1～dn彼此串联耦接并横向地相邻配置而整合为同一个结构。举例来说，如图3a所示，p-n二极管结构d1～dn中
的每一者在水平方向(如：x方向)上延伸，p-n二极管结构d1～dn在与水平方向相切的另一方向(如：y方向)上横向地按序配置。
55.在一些实施例中，p-n二极管结构d1～dn各自电性耦接对应的电极垫。详细来说，p-n二极管结构d1电性耦接电极垫p1、n1，电极垫n1配置于p-n二极管结构d1底部相对右侧的位置，电极垫p1配置于p-n二极管结构d1底部相对左侧的位置(为求附图简洁，电极垫p1未示出于图中)。类似地，p-n二极管结构d2～dn电性耦接对应的电极垫p2～pn以及电极垫n2～nn。
56.在一些实施例中，电极垫p1～pn是作为p-n二极管结构d1～dn的阳极，电极垫n1～nn是作为p-n二极管结构d1～dn的阴极，阳极用以接收相对高的电压，阴极用以接收相对低的电压。
57.在一些实施例中，p-n二极管结构d1的电极垫n1通过互连结构电性耦接p-n二极管结构d2的电极垫p2(为求附图简洁而未示出于图中)，p-n二极管结构d2的电极垫n2通过互连结构电性耦接p-n二极管结构d3的电极垫p3(为求附图简洁而未示出于图中)，p-n二极管结构d3的电极垫n3通过互连结构电性耦接p-n二极管结构d4的电极垫p4(为求附图简洁而未示出于图中)，依此类推，直至p-n二极管结构d(n-1)的电极垫n(-1)通过互连结构电性耦接p-n二极管结构dn的电极垫pn。基于以上连接关系，p-n二极管结构d1～dn彼此串联耦接，如此的串连耦接关系可参考图6及以下的相关说明。
58.在一些实施例中，电极垫之间的距离约为3～300微米。例如，在图3a中p-n二极管结构d(n-1)的电极垫n(n-1)与p-n二极管结构dn的电极垫nn之间的距离dis约为3～300微米。
59.在一些实施例中，p-n二极管结构d1～dn是整合在同一个基体上。请参照图3b。图3b为根据本公开一些实施例的图3a中发光二极管元件320的截面图。如图3b所示，图3a中的p-n二极管结构d1～dn包含p型掺杂层324、主动层326以及n型掺杂层328，此三者彼此相对配置而作为一个p-n二极管结构。换言之，p-n二极管结构d1～dn中的每一者皆包含p型掺杂层324、主动层326以及n型掺杂层328，且p-n二极管结构d1～dn的p型掺杂层324、主动层326以及n型掺杂层328共同整合在基体322上。
60.在图3b的实施例中，p型掺杂层324配置于n型掺杂层328与基体322之间。在一些实施例中，p-n二极管结构d1～dn中任两相邻p-n二极管结构的其中一者的p型掺杂层通过互连结构(如图6中的互连结构con，将于以下段落中说明)电性耦接另一者的n型掺杂层。
61.在一些实施例中，图3a中的电极垫p1～pn以及电极垫n1～nn是以图3b中的结构电性耦接p-n二极管结构d1～dn。详细来说，如图3b所示，电极垫pn电性耦接p-n二极管结构dn的p型掺杂层324，电极垫nn电性耦接p-n二极管结构dn的n型掺杂层328。在一些实施例中，电极垫p1～p(n-1)以类似的方式电性耦接至对应的p-n二极管结构d1～d(n-1)的p型掺杂层324，电极垫n1～n(n-1)以类似的方式电性耦接至对应的p-n二极管结构d1～d(n-1)的n型掺杂层328。
62.在一些实施例中，在操作上，当电极垫pn接收相对高的电压而电极垫nn接收相对低的电压时，将形成电流从电极垫pn传送至p型掺杂层324，再从p型掺杂层324流经主动层326再流向n型掺杂层328，最后传送至电极垫nn。当电流流经主动层326时，p-n二极管结构dn即会发光。
63.在一些实施例中，电极垫p1～pn以及电极垫n1～nn皆外露而作为独立的电极。因此，当发光二极管元件320使用于一电路中时，电极垫p1～pn以及电极垫n1～nn可以作为独立的电极而用以电性耦接至不同的引脚或电路或电子元件，或用以接收不同的信号。
64.应注意的是，图3a及图3b所提出的实施例仅为例示性质，在一些实施例中，包含多个串联耦接p-n二极管结构的发光二极管元件可以具有如图4a及图4b所示的结构。请参照图4a及图4b。图4a为根据本公开一些实施例的发光二极管元件420的示意图。图4b为根据本公开一些实施例的图4a中发光二极管元件420的截面图。在图4a中，发光二极管元件420同样包含串联耦接的p-n二极管结构d1～dn，但与图3a实施例不同的是，电极垫n1～nn配置于p-n二极管结构d1～dn底部的相对左侧，电极垫p1～pn配置于p-n二极管结构d1～dn底部的相对右侧。
65.在图4a的实施例中，p-n二极管结构d1的电极垫n1(为求附图简洁而未示出于图中)通过互连结构电性耦接p-n二极管结构d2的电极垫p2，p-n二极管结构d2的电极垫n2(为求附图简洁而未示出于图中)通过互连结构电性耦接p-n二极管结构d3的电极垫p3，p-n二极管结构d3的电极垫n3(为求附图简洁而未示出于图中)通过互连结构电性耦接p-n二极管结构d4的电极垫p4，依此类推，直至p-n二极管结构d(n-1)的电极垫n(-1)(为求附图简洁而未示出于图中)通过互连结构电性耦接p-n二极管结构dn的电极垫pn。基于以上连接关系，p-n二极管结构d1～dn彼此串联耦接。
66.在一实施例中，图4a的发光二极管元件420具有如图4b所示的结构。p-n二极管结构d1～dn皆具有n型掺杂层424、主动层426以及p型掺杂层428，且p-n二极管结构d1～dn共同整合于同一基体422上。如图4b所示，p-n二极管结构dn的电极垫pn电性耦接p型掺杂层428，p-n二极管结构dn的电极垫nn电性耦接n型掺杂层424，其他p-n二极管结构d1～d(n-1)的电极垫p1～p(n-1)以及电极垫n1～n(n-1)亦以类似的连接关系电性耦接至p型掺杂层428及n型掺杂层424。在操作上，当电极垫p1～pn接收相对高的电压而电极垫n1～nn接收相对低的电压时，电流将自电极垫p1～pn按序流经p型掺杂层428、主动层426以及n型掺杂层424，最后传送至电极垫n1～nn。
67.如前所述，图3a至图4b实施例的发光二极管元件皆包含彼此串联耦接的多个p-n二极管结构。本公开另公开一种显示装置中的发光二极管电路包含如此的发光二极管元件。请参照图5。图5为根据本公开一些实施例的显示装置中的发光二极管电路500的示意图。发光二极管电路500包含晶体管t1～tn以及发光二极管元件520。晶体管t1～tn的第一端彼此电性耦接且用以接收参考电压vdd，晶体管t1～tn的第二端用以驱动发光二极管元件520以进行发光。发光二极管元件520电性耦接于晶体管t1～tn与参考电压vss之间。
68.发光二极管元件520包含多个p-n二极管d1～dn，p-n二极管d1～dn彼此串联耦接且整合于单一的芯片上。换言之，在发光二极管电路500中，发光二极管元件520是单一个芯片，且发光二极管电路500通过晶体管t1～tn来驱动此芯片进行发光。
69.在一些实施例中，如图5所示，发光二极管元件520包含电极垫p1～pn以及电极垫n1～nn，电极垫p1～pn以及电极垫n1～nn中的每一者电性耦接于对应的p-n二极管d1～dn与晶体管t1～tn之间。详细来说，电极垫p1电性耦接于p-n二极管d1的阳极与晶体管t1之间，电极垫n1电性耦接于p-n二极管d1的阴极与晶体管t2之间，电极垫p2电性耦接于p-n二极管d2的阳极与晶体管t2之间，电极垫n2电性耦接于p-n二极管d2的阴极与晶体管t3之间，
依此类推，最后电极垫pn电性耦接于p-n二极管dn的阳极与晶体管tn之间，电极垫nn电性耦接于p-n二极管dn的阴极与参考电压vss之间。
70.在一些实施例中，发光二极管元件520的电极垫p1～pn以及电极垫n1～nn外露而作为独立的电极，因此晶体管t1～tn可通过走线电性耦接至电极垫p1～pn以及电极垫n1～nn。
71.在一些实施例中，发光二极管元件520具有如图3a实施例的结构，发光二极管电路500可使用晶体管t1～tn来驱动如图3a所示的发光二极管元件320。请参照图6。图6为根据本公开一些实施例的图5中发光二极管电路500的局部示意图。图6的发光二极管元件620对应图5的发光二极管元件520，且其具有与图3a发光二极管元件320相似的结构。在图6中，p-n二极管结构d1～dn整合为发光二极管元件620，且p-n二极管结构d1～dn中的每一者电性耦接对应的电极垫，例如p-n二极管结构d1电性耦接电极垫p1及n1。
72.在一些实施例中，p-n二极管结构d1的电极垫n1通过互连结构con电性耦接p-n二极管结构d2的电极垫p2，使得p-n二极管结构d1、d2串连耦接。类似地，p-n二极管结构d2～dn的电极垫通过互连结构con电性耦接，使得p-n二极管结构d2～dn亦串连耦接。
73.在一些实施例中，p-n二极管结构d1～dn中任两相邻p-n二极管结构的其中一者的n型掺杂层通过互连结构con电性耦接另一者的p型掺杂层。举例来说，p-n二极管结构d1的n型掺杂层通过互连结构con电性耦接p-n二极管结构d2的p型掺杂层。
74.请参照图7a。图7a为根据本公开一些实施例的图5发光二极管电路500操作于发光期间的示意图。在图7a的实施例中，晶体管t1的栅极端接收一栅极驱动信号，晶体管t1因而导通，晶体管t1将参考电压vdd传送至p-n二极管结构d1。由于p-n二极管结构d1～dn彼此串连耦接，电流i1将按序流经晶体管t1、p-n二极管结构d1、p-n二极管结构d2
…
最后流经p-n二极管结构dn，所有的p-n二极管结构d1～dn因此将发光。换言之，在图7a的实施例中，仅需导通晶体管t1，即可让发光二极管元件520中的所有p-n二极管结构d1～dn进行发光。
75.在一些实施例中，晶体管t1栅极端接收的栅极驱动信号是由一栅极驱动电路所提供。在一些实施例中，发光二极管电路500进一步包含一栅极驱动电路电性耦接晶体管t1～tn的栅极端，且栅极驱动电路用以对晶体管t1～tn的栅极端提供栅极驱动信号，以开启晶体管t1～tn中的一或多者。
76.另一方面，假如图5实施例中发光二极管元件520中的p-n二极管结构d1～dn其中一者损坏时，发光二极管电路500可以选择开启特定的晶体管来导通未损坏的p-n二极管结构，如此一来即不须替换整个发光二极管元件520。请参照图7b。图7b为根据本公开一些实施例的图5发光二极管电路500操作于发光期间的示意图。假设在图7b的实施例中p-n二极管结构d1损坏，则改为对晶体管t2的栅极端提供栅极驱动信号，此时晶体管t2将参考电压vdd传送至p-n二极管结构d2，且基于p-n二极管结构d2至p-n二极管结构dn间的串连耦接，p-n二极管结构d2～dn将发光。换言之，当p-n二极管中的p-n二极管结构dm(即第m个p-n二极管结构，m为大于等于1的整数)损坏时，对晶体管t(m+1)的栅极端提供栅极驱动信号，晶体管t(m+1)传送参考电压vdd至p-n二极管结构d(m+1)，即可使p-n二极管结构d(m+1)至p-n二极管结构dn发光。再换言之，发光二极管电路500可以避开损坏的p-n二极管结构，而驱动未损坏的p-n二极管结构进行发光。
77.在一些实施例中，发光二极管电路500进一步包含一检测电路，用以检测是否有电
流流经发光二极管元件520而使发光二极管元件520发光。通过如此的检测电路将可确认发光二极管元件520中特定的p-n二极管结构是否有损坏。举例来说，当晶体管t1的栅极端接收栅极驱动信号，但检测电路未检测到有电路流经发光二极管元件520时，代表晶体管t1所电性耦接的p-n二极管结构d1有损坏。
78.在一些实施例中，按序导通发光二极管电路500中的晶体管t1～t，直到p-n二极管结构d1～dn中的至少一者发光。在此实施例中，晶体管t1～tn的栅极端按序接收栅极驱动信号，晶体管t1～tn按序导通，以驱动发光二极管元件520进行发光。
79.在一些实施例中，发光二极管电路500可以根据参考电压vdd的大小或发光二极管电路500的设计规格或功耗需求，来决定导通晶体管t1～tn中的哪一者。举例来说，若发光二极管电路500的设计者希望可以尽可能减少功率消耗而达到高亮度，可对晶体管t1的栅极端提供栅极驱动信号，此时可通过较小的电流来使n个p-n二极管结构d1～dn发光，有助于降低发光二极管电路500的功率消耗。
80.综上所述，本公开的各实施例将串连耦接的多个p-n二极管结构整合为单一发光二极管元件，而可用于发光二极管电路中进行发光并节省功率消耗。此外，若将多个晶体管电性耦接至如此发光二极管元件的每个p-n二极管结构的电极，即可选择欲导通的一或多个p-n二极管结构，因此若有一个p-n二极管结构损坏时，仅需选择导通未损坏的p-n二极管结构，便不须将整个发光二极管元件替换，而仍够进行发光。
81.虽然本公开内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明。任何熟习此技艺的人，在不脱离本公开内容的构思及范围内，当可作各种变动及润饰。本公开内容的保护范围当视权利要求所界定者为准。