本发明涉及需要由化合物半导体制成的器件的应用。优选地，这些器件与cmos逻辑紧密地共集成，从而在单个cmos逻辑上提供多个不同颜色的发射像素阵列。本技术还涉及在cmos逻辑晶片上进行多个不同颜色的发射像素阵列的晶片到晶片制造的方法。晶片到晶片制造涉及保持具有不同颜色的发射像素阵列的化合物半导体管芯的硅led晶片以及涉及cmos逻辑晶片。
背景技术：
1、微型led(微型发光二极管)显示器是应用于增强现实、虚拟现实和混合现实设备的近眼微型led显示器的使能技术之一，这些设备需要小屏幕尺寸的高亮度和高分辨率。许多便携式设备，如智能手机、显示高分辨率图像的便携式多媒体播放器，也使用微型led显示器。对于这样的应用，微型led显示器需要大于1000像素/英寸的分辨率和小于10微米的像素尺寸。
2、us2016/0133803 a1公开了一种波长转换的发光器件。一种将多个发光器件附接到衬底的方法，波长转换材料保形地涂覆每个发光器件。这种方法的缺点是涂层依赖性和未转换的光通过完全或部分缺乏涂层的任何部分泄漏，从而影响光的最终光谱。
技术实现思路
1、申请人于2020年12月15日提交的早期未预先公开的申请ep 20 214 042.2和于2021年12月14日提交的申请us17/550,508公开了一种产生用于晶片重构的管芯的方法，这些申请被并入本文以供参考。该方法通过检查外延晶片来识别外延晶片中的缺陷，并使用优化的切割布局图应用外延晶片的优化切割，并仅选择好的管芯来转移到led晶片，从而提高了晶片产率。本发明中的外延晶片是指通过外延生长制成的包括外延层/膜的半导体材料的晶片。外延晶片的衬底可以是硅、锗、蓝宝石、砷化镓(gaa)或工业中使用的任何衬底类型。该方法公开了将每个好的外延管芯转移到专用目标晶片并随后转移到专用驱动cmos管芯的管芯到晶片的转移。本公开内容尤其被并入作为切割布局图的公开内容的参考。
2、因此，本发明的目的是提供一种多色晶片结构、使用该多色晶片结构的多色光学显示设备、以及用于产生多色光学显示设备的方法，以解决上述限制。
3、该目的通过针对多色晶片结构的第一独立权利要求的特征、针对多色显示设备的第二独立权利要求的特征、以及针对方法的第三独立权利要求的特征来解决。从属权利要求包含进一步的改进。
4、根据本发明的第一方面，提供了一种多色晶片结构。多色光学设备包括：多个结构化的第一外延管芯，所述第一外延管芯具有被构造成发射第一颜色的光的第一发光器件；以及至少多个结构化的第二外延管芯，所述第二外延管芯具有被构造成发射第二颜色的光的第二发光器件。所述多个结构化的第一外延管芯和所述多个结构化的第二外延管芯结合在具有多个公共单片集成电路的目标晶片上，使得至少一个第一管芯和至少一个第二管芯连接到一个公共单片集成电路，以通过相应的一个公共单片集成电路同时驱动具有发光器件的至少一个第一外延管芯和具有发光器件的至少一个第二外延管芯。目标晶片可以是包括多个asic(专用集成电路)的cmos晶片。术语结构化的外延管芯是指在其上具有台面结构的外延管芯。
5、因此，所提出的解决方案提供了一种晶片结构，该晶片结构包括至少两个共集成的外延管芯，每个外延管芯都被构造成发射不同的波长或颜色。换句话说，单个aisc将同时驱动两个或更多个发光器件。因此，所提出的晶片结构最小化了电驱动系统，降低了功耗，同时提供了优化的形状因子，甚至降低的形状因子。形状因子通常与硬件或硬件组件的尺寸、形状和物理规格有关。
6、优选地，所述晶片结构包括颜色转换器部件，用于将由任一第一发光器件和/或任一第二发光器件发射的光转换成期望的颜色。所述晶片结构包括颜色转换器部件，所述颜色转换器部件优选为滤光片、磷材料、或包括量子点的材料。因此，使用本发明的晶片结构可以实现任何期望的颜色。例如，从第一管芯发射的蓝光可以被转换成红色、绿色中的任一种或任何其他期望的颜色。
7、优选地，所述晶片结构还包括至少一个第三外延管芯，所述第三外延管芯具有也结合在所述目标晶片的每个公共单片集成电路上的第三发光器件，所述第三发光器件中的一者被构造成发射第三颜色的光。有利地，除了第一管芯和第二管芯之外，在同一公共asic上，还集成了被构造成发射第三颜色的第三管芯。例如，第一管芯可以具有被构造成发射红色的第一发光器件，第二管芯可以具有被构造成发射蓝色的第二发光器件，并且第三管芯可以具有被构造成发射绿色的第三发光器件。所有这些管芯都结合到同一asic上。
8、优选地，所述晶片结构还包括具有相同或几乎相同或者不同的外延层厚度的具有所述第一发光器件的所述第一外延管芯、具有所述第二发光器件的所述第二外延管芯、和具有所述第三发光器件的所述第三外延管芯。有利地，每个外延管芯可以具有相同的外延层厚度，从而允许同时执行制造步骤。这可以减少所涉及的步骤数量和成本。替选地或附加地，这些外延管芯可以具有不同的外延层厚度。因此，可以使用具有不同材料和层组成的外延晶片来制造本发明的晶片结构。有利地，这允许自由选择外延晶片。
9、优选地，所述晶片结构还包括并排布置以形成至少一列和/或一行的具有所述第一发光器件的所述第一外延管芯、具有所述第二发光器件的所述第二外延管芯、和具有所述第三发光器件的所述第三外延管芯。因此，具有对应于不同波长的发光器件的外延管芯以二维矩阵阵列布置在每个管芯上。每个管芯上的像素的具体布置取决于外延管芯的布置。有利地，可以制造高密度像素和/或紧密的像素间距。
10、优选地，这些外延管芯具有相同或不同的取向。不同的像素构造可以通过外延管芯的不同和/或相同取向来实现。有利地，这改善了重构图像的颜色渲染、颜色边缘伪影和分辨率。
11、优选地，所述晶片结构还包括多个阵列，每个阵列包括具有所述第一发光器件的多个第一外延管芯、具有所述第二发光器件的多个第二外延管芯、和具有所述第三发光器件的多个第三外延管芯中的任一者，并且一个或多个阵列结合在每个公共单片集成电路上。有利地，这使得能够在大区域上实现颜色均匀性和/或发光效率。
12、优选地，所述第一发光器件、所述第二发光器件和所述第三发光器件中的任一者的颜色分别选自红色、蓝色或绿色。可以为发光器件选择任何另外的颜色，特别是波长(优选地，在380nm和700nm之间)对人眼可见的颜色。
13、根据本发明的第二方面，一种多色显示设备具有至少一个公共单片集成电路，该至少一个公共单片集成电路具有各自从本发明第一方面的晶片结构的目标晶片切出的至少一个结构化的第一外延管芯和至少一个结构化的第二外延管芯。
14、本发明的第一方面的所有优点都是本发明的第二方面所固有的。特别地，本发明的显示设备可以比传统的微型led显示设备更小。
15、根据本发明的第三方面，提供了一种用于产生多色光学设备的方法。该方法具有以下步骤：a)选择被构造成发射第一颜色的光的第一外延晶片，b)从所述第一外延晶片产生第一管芯，c)至少在第二外延晶片上重复步骤a)和b)以产生被构造成发射第二颜色的光的第二管芯，d)将多个第一管芯和多个第二管芯转移到转移晶片上，e)结构化所述多个第一管芯和所述多个第二管芯以分别形成第一发光器件和第二发光器件，以及f)将具有结构化的管芯的所述转移晶片结合到具有多个公共单片集成电路的目标晶片，使得每个发光器件接触所述公共单片集成电路，从而以至少一个第一管芯和至少一个第二管芯连接到所述目标晶片的一个公共单片集成电路的方式形成所述多色光学设备。在本发明中，转移晶片是指出于将外延管芯转移到目标晶片的目的而使用的空白半导体晶片。目标晶片是具有多个诸如asic的集成电路的半导体晶片。
16、所提出的方法能够实现本发明第一方面的晶片结构和第二方面的设备。有利地，该方法提供了将至少两种颜色的微型led转移到单个公共单片集成电路上的技术。所提出的方法特别降低了产生多色晶片结构的成本和复杂性，并能够制造像素低于10μm的微型led结构。
17、优选地，该方法还包括以下步骤：至少在具有外延层的第三外延晶片上重复步骤a)至b)以产生被构造成发射第三颜色的光的第三管芯，在同一转移晶片上转移多个第三管芯，对所述多个第三管芯执行步骤e)，以及对所述多个第三管芯重复步骤f)。例如，在转移晶片上提供具有用于每种颜色(rgb)的发光器件的外延管芯。转移晶片结合到公共单片集成电路，使得对应于三种不同颜色的发光器件连接到目标晶片的一个公共单片集成电路。因此，单个驱动电路芯片可以驱动三种不同颜色的所有发光器件。
18、优选地，该方法还包括以下步骤：通过光刻技术，优选地通过光刻步进器或扫描仪，相对于在转移晶片和/或目标晶片上提供的对准标记对准、放置和结构化第一管芯、第二管芯和第三管芯。有利地，该方法提供了非常高的对准精度。因此，管芯的相对位置总是相同的。
19、优选地，该方法还包括以下步骤：在步骤e)中通过诸如光刻、等离子体蚀刻、湿法蚀刻和清洁、化学机械平坦化、各种沉积技术(pvd、cvd、ald、电镀)、研磨的半导体处理技术来结构化多个管芯。例如，通过干法蚀刻外延管芯的外延层来形成台面。制造中涉及的处理步骤可以在不同颜色的管芯上同时执行。有利地，这减少了制造的时间和成本。替选地，可以按顺序执行这些方法中的任何方法。
20、优选地，该方法还包括以下步骤：在结合步骤f)之后去除转移晶片的衬底和/或外延管芯的衬底，优选地通过研磨、蚀刻和/或平坦化来进行去除。蚀刻转移晶片以同时或按顺序暴露不同颜色的发光器件。有利地，减少了制造的时间和成本。
21、优选地，该方法具有选自硅、锗、gaa或蓝宝石的第一外延晶片的衬底，和/或转移晶片是硅晶片或玻璃晶片。有利地，该方法允许针对红色、蓝色和绿色使用不同的晶片材料。
22、优选地，外延管芯是从外延晶片中切出的。第一外延晶片和第二外延晶片上的外延层可以由第一组iii-v族化合物，尤其是gan形成，而第三外延晶片上的外延层可以由第二组iii-v族化合物，尤其是alingap形成。发射波长取决于晶片上外延层的组成。该方法有利地在选择外延晶片时提供了高的灵活性。有利地，该方法允许外延晶片的广泛选择，而不受晶片尺寸、衬底材料、外延层厚度和可用性标准的限制。
23、优选地，产生第一管芯、第二管芯或第三管芯的方法包括：检查第一外延晶片以检测一个或多个缺陷，a)将切割布局图覆盖在具有检测到的缺陷的第一外延晶片上，b)识别第一外延晶片上的好的第一管芯，c)切割第一晶片并选择第一外延晶片上的好的第一管芯以产生第一管芯，d)选择第二外延晶片并重复步骤a)至d)以产生第二管芯，以及f)选择第三外延晶片并重复步骤a)至d)以产生第三管芯。有利地，该方法允许最大化晶片产率。该方法在晶片制造过程中检测好的管芯和坏的管芯，从而提高产率、生产能力和成本。
24、第一方面、第二方面和第三方面实现了相同的优点和效果。
1.一种多色晶片结构(1001)，包括：
2.根据权利要求1所述的晶片结构(1001)，
3.根据权利要求1或2所述的晶片结构(1001)，还包括：
4.根据权利要求3所述的晶片结构(1001)，其中，具有所述第一发光器件(107)的所述第一外延管芯(102)、具有所述第二发光器件(107’)的所述第二外延管芯(103)、和具有所述第三发光器件(107”)的所述第三外延管芯(104)具有相同或几乎相同或者不同的外延层厚度。
5.根据权利要求3或4所述的晶片结构(1001)，其中，具有所述第一发光器件(107)的所述第一外延管芯(102)、具有所述第二发光器件(107’)的所述第二外延管芯(103)、和具有所述第三发光器件(107”)的所述第三外延管芯(103)并排布置以形成列和/或行。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的晶片结构(1001)，其中，结合在每个公共单片集成电路(101)上的具有所述第一发光器件(107)的所述第一外延管芯(102)、具有所述第二发光器件(107’)的所述第二外延管芯(103)、和具有所述第三发光器件(107”)的所述第三外延管芯(104)中的每一者具有相同或不同的尺寸。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的晶片结构(1001)，其中，具有所述第一发光器件(107)的所述第一外延管芯(102)、具有所述第二发光器件(107’)的所述第二外延管芯(103)、和具有所述第三发光器件(107”)的所述第三外延管芯(104)具有相同或不同的取向。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的晶片结构(1001)，
9.根据权利要求3至8中任一项所述的晶片结构(1001)，其中，所述第一发光器件(107，207)、所述第二发光器件(107’，207’)和所述第三发光器件(107”，207”)中的任一者的颜色分别选自红色、蓝色或绿色。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的晶片结构(1001)，其中，特定数量的至少一个第一发光器件(107，207)、至少一个第二发光器件(107’，207’)和至少一个第三发光器件(107”，207”)形成显示设备的单个像素元件。
11.一种多色显示设备(300)，具有至少一个公共单片集成电路(101)，所述至少一个公共单片集成电路具有各自从权利要求1至10中任一项所述的多色晶片结构(1001)的所述目标晶片(507)切出的至少一个结构化的第一外延管芯和至少一个结构化的第二外延管芯。
12.一种用于产生多色光学设备的方法，包括：
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，还包括：
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，还包括：
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，
18.根据权利要求13或14所述的方法，
19.根据权利要求13、14至18中任一项所述的方法，产生所述第一管芯、或所述第二管芯、或所述第三管芯的步骤包括：
