Polychrome micro-LED pixel with non-coaxial stacking LED structure

Abstract

Described herein is a polychrome Micro-LED pixel, comprising: a first LED structure that emits a first color, wherein the first LED structure is formed on a substrate; a first metal pillar formed on the substrate; a second LED structure that emits a second color, wherein second LED structure is positioned on the first metal pillar; a conductive structure surrounding the first LED structure and the second LED structure; a first micro-lens above the first LED structure; and a second micro-lens above the second LED structure.

Description

POLYCHROME MICRO-LED PIXEL WITH NON-COAXIAL STACKING LED STRUCTURETECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates generally to light-emitting diode (LED) display devices, and more particularly, to polychrome Micro-LED pixel with non-coaxial stacking LED structure.BACKGROUND

[0002] Light emitting diodes (LEDs) are widely used in fields such as lighting, backlighting, and displays. The advantages of using LEDs as pixels include high brightness, low operating voltage, low power consumption, large size, long lifespan, shock resistance, and stable performance. With the development of Mini-LED and Micro-LED technology in recent years, consumer devices and applications such as augmented reality (AR) , Virtual Reality (VR) , projection, heads-up display (HUD) , mobile device displays, wearable device displays, and automotive displays, require LED panels with improved resolution and brightness. For example, an AR display integrated within a goggle and positioned close to a wearer's eyes can have a dimension of a fingernail while still demanding an HD definition (1280×720 pixels) or higher. Many electronic devices require certain pixel size, distance between adjacent pixels, brightness, and viewing angle for the LED panels. Often, when trying to achieve the maximum resolution and brightness on a small display, it is challenging to maintain both the resolution and brightness requirements. In contrast, in some cases, pixel size and brightness are difficult to balance at the same time as they can have an approximately opposite relationship. For example, getting a high brightness for each pixel could result in a low resolution. Likewise, obtaining a high resolution could bring the brightness down.

[0003] The light emitted by the LED dies is generated from spontaneous emission and is thus not directional, resulting in a large divergence angle. The large divergence angle can cause various problems in a Micro-LED display. On the one hand, due to the large divergence angle, only a small portion of the light emitted by the Micro-LEDs can be utilized. This may significantly reduce the efficiency and brightness of a Micro-LED display system. Moreover, due to the large divergence angle, the light emitted by one Micro-LED pixel may illuminate its adjacent pixels, resulting in light crosstalk between pixels, loss of sharpness, and loss of contrast. FIG. 1 shows a conventional solution for reducing the large divergence angle, in order to reduce light waste for reduced power consumption and light interference between pixels. As shown in FIG. 1, the optical isolation structures 110 are positioned around each Micro-LED pixel. However, these individual optical isolation structures occupy large chip area, increase process difficulty, and are disadvantageous for the miniaturization of Micro-LED pixel units.

[0004] Polychrome LED designs in prior art typically adopt a coaxial stacking structure, where LED chips of different colors are stacked. In such structure, the light emitted from the lower LED emitting area may pass through the upper LED emitting area and be emitted outward from the top, or propagate laterally and then be emitted outward from the top through a side reflective structure. In this coaxial stacking polychrome LED structure, the light emitted from the lower LED emitting area has a long propagation path, which increases the probability of reflection and absorption by the light isolation and electrical connection structure, resulting in higher light loss. This may significantly reduce the efficiency and brightness of a Micro-LED display system.

[0005] As such, it would be desirable to provide an LED structure for display panels that addresses the above-mentioned drawbacks, amongst others. BRIEF SUMMARY

[0006] There is a need for improved polychrome LED designs that improve upon, and help to address the shortcomings of conventional display systems. In particular, there is a need for an LED device structure that can improve the brightness and resolution at the same time while efficiently maintaining low power consumption.

[0007] The polychrome Micro-LED pixel described herein may include a high reflectivity structure to improve the internal reflectivity of emitted light while helping to achieve narrow beam width, thus improving brightness and resolution at the same time and are suitable for modern display panels, especially for, for example, high definition AR devices and virtual reality (VR) glasses.

[0008] Some exemplary embodiments provide a polychrome Micro-LED pixel, comprising: a first LED structure that emits a first color, wherein the first LED structure is formed on a substrate; a first metal pillar formed on the substrate; a second LED structure that emits a second color, wherein second LED structure is positioned on the first metal pillar; and a conductive structure surrounding the first LED structure and the second LED structure.

[0009] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a second metal pillar formed on the substrate; and a third LED structure that emits a third color, wherein the third LED structure is positioned on the second metal pillar, the conductive structure surrounding the third LED structure.

[0010] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure is bonded to the substrate through a first metal bonding layer; and / or the second LED structure is bonded to the first metal pillar on the substrate through a second metal bonding layer; and / or the third LED structure is bonded to the second metal pillar on the substrate through a third metal bonding layer.

[0011] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the first metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the first metal pillar is electrically connected with the second metal bonding layer, and not lower than the top of the first LED structure; and / or the lower end of the second metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the second metal pillar is electrically connected with the third metal bonding layer, and not lower than the top of the second LED structure.

[0012] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a red LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the second LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a green LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the third LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a blue LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; and the upper conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the conductive structure, and the lower conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the corresponding contact on the substrate respectively.

[0013] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are embedded within an insulation dielectric.

[0014] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the insulation dielectric is made of dielectric materials such as solid inorganic materials or plastic materials. The solid inorganic materials include SiO2, Al2O3, Si3N4, SiCN, HfO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, La2O3, MgO, Phosphosilicate glass (PSG) , Borophosphosilicate glass (BPSG) , or any combination thereof. The plastic materials include polymers such as SU-8, PermiNex, Benzocyclobutene (BCB) , or transparent plastic (resin) including spin-on glass (SOG) , or bonding adhesive Micro Resist BCL-1200, or any combination thereof.

[0015] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a micro-lens above the insulation dielectric; and / or a spacer formed on top of the light emitting out area at the bottom of the micro-lens.

[0016] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the conductive structure is positioned on the substrate, but not be electrically connected to the contact on the substrate; and the upper end of the conductive structure reaches to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; or, the upper end of the conductive structure reaches the top surface of the insulation dielectric or the bottom of the micro lens or directly reaches to the bottom of the top pad and be electrically connected to the top pad.

[0017] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, a first reflective layer is provided on the side wall of the conductive structure.

[0018] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a first bottom reflective layer formed between the first LED structure and the first bonding layer; and / or a second bottom reflective layer formed between the second LED structure and the second bonding layer; and / or a third bottom reflective layer formed between the third LED structure and the third bonding layer.

[0019] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first reflective layer and bottom reflective layer comprise one or more of metal layer, DBR layer, multi-layered Omni-Directional Reflector (ODR) .

[0020] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, DBR layer is conductive DBR or dielectric DBR.

[0021] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first reflective layer is one or more reflective coatings.

[0022] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, that the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure partially overlap with each other.

[0023] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, that shape of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure is rectangular or circular in horizontal-section.

[0024] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, each of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure comprises a first semiconductor epitaxial layer of the first conductivity type, a second semiconductor epitaxial layer of the second conductivity type, and a light emitting layer between them.

[0025] Some exemplary embodiments provide a polychrome Micro-LED pixel, comprising: a first LED structure that emits a first color, wherein the first LED structure is formed on a substrate; a first metal pillar formed on the substrate; a second LED structure that emits a second color, wherein second LED structure is positioned on the first metal pillar; a first air gap around the first LED structure; a second air gap around the second LED structure; and a conductive structure surrounding the first LED structure and the second LED structure.

[0026] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a second metal pillar formed on the substrate; a third LED structure that emits a third color, wherein the third LED structure is positioned on the second metal pillar, the conductive structure surrounding the third LED structure; a third air gap around the third LED structure; and a central electrode among the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure.

[0027] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure is bonded to the substrate through a first metal bonding layer; and / or the second LED structure is bonded to the first metal pillar on the substrate through a second metal bonding layer; and / or the third LED structure is bonded to the second metal pillar on the substrate through a third metal bonding layer.

[0028] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the first metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the first metal pillar is electrically connected with the second metal bonding layer, and not lower than the top of the first LED structure; and / or the lower end of the second metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the second metal pillar is electrically connected with the third metal bonding layer, and not lower than the top of the second LED structure.

[0029] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a red LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the second LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a green LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the third LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a blue LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; and the upper conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the central electrode, and the lower conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the corresponding contact on the substrate respectively.

[0030] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first to third air gaps have notches in a portion of the outer periphery of the corresponding LED structure adjacent to the central electrode, so that each upper conductive layer of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure can be electrically connected with the central electrode though the notches.

[0031] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are embedded within an insulation dielectric.

[0032] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the insulation dielectric is made of dielectric materials such as solid inorganic materials or plastic materials. The solid inorganic materials include SiO2, Al2O3, Si3N4, SiCN, HfO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, La2O3, MgO, Phosphosilicate glass (PSG) , Borophosphosilicate glass (BPSG) , or any combination thereof. The plastic materials include polymers such as SU-8, PermiNex, Benzocyclobutene (BCB) , or transparent plastic (resin) including spin-on glass (SOG) , or bonding adhesive Micro Resist BCL-1200, or any combination thereof.

[0033] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a micro-lens above the insulation dielectric; and / or a spacer formed on top of the light emitting out area at the bottom of the micro-lens.

[0034] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the conductive structure is positioned on the substrate, but not be electrically connected to the contact on the substrate; and the upper end of the conductive structure reaches to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; or, the upper end of the conductive structure reaches the top surface of the insulation dielectric or the bottom of the micro lens or directly reaches to the bottom of the top pad and be electrically connected to the top pad.

[0035] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the central electrode is positioned on the substrate, but not be electrically connected to the contact on the substrate; and the upper end of the central electrode reaches to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; preferably, the upper end of the central electrode reaches the top surface of the insulation dielectric or the bottom of the micro lens or directly reaches to the bottom of the top pad and be electrically connected to the top pad.

[0036] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, a first reflective layer is provided on the side wall of the conductive structure.

[0037] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a first bottom reflective layer formed between the first LED structure and the first bonding layer; and / or a second bottom reflective layer formed between the second LED structure and the second bonding layer; and / or a third bottom reflective layer formed between the third LED structure and the third bonding layer.

[0038] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first reflective layer and bottom reflective layer comprise one or more of metal layer, DBR layer, multi-layered Omni-Directional Reflector (ODR) .

[0039] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, DBR layer is conductive DBR or dielectric DBR.

[0040] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first reflective layer is one or more reflective coatings.

[0041] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure partially overlap with each other.

[0042] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the shape of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure is rectangular or circular in horizontal-section.

[0043] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, each of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure comprises a first semiconductor epitaxial layer of the first conductivity type, a second semiconductor epitaxial layer of the second conductivity type, and a light emitting layer between them.

[0044] Some exemplary embodiments provide a polychrome Micro-LED pixel, comprising: a first LED structure that emits a first color, wherein the first LED structure is formed on a substrate; a first metal pillar formed on the substrate; a second LED structure that emits a second color, wherein second LED structure is positioned on the first metal pillar; a conductive structure surrounding the first LED structure and the second LED structure; a first micro-lens above the first LED structure; and a second micro-lens above the second LED structure.

[0045] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a second metal pillar formed on the substrate; a third LED structure that emits a third color, wherein the third LED structure is positioned on the second metal pillar, the conductive structure surrounding the third LED structure; and a third micro-lens above the third LED structure.

[0046] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure is bonded to the substrate through a first metal bonding layer; and / or the second LED structure is bonded to the first metal pillar on the substrate through a second metal bonding layer; and / or the third LED structure is bonded to the second metal pillar on the substrate through a third metal bonding layer.

[0047] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the first metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the first metal pillar is electrically connected with the second metal bonding layer, and not lower than the top of the first LED structure, and / or the lower end of the second metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the second metal pillar is electrically connected with the third metal bonding layer, and not lower than the top of the second LED structure.

[0048] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a red LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the second LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a green LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the third LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a blue LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; and the upper conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the conductive structure, and the lower conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the corresponding contact on the substrate respectively.

[0049] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are embedded within an insulation dielectric.

[0050] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the insulation dielectric is made of dielectric materials such as solid inorganic materials or plastic materials. The solid inorganic materials include SiO2, Al2O3, Si3N4, SiCN, HfO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, La2O3, MgO, Phosphosilicate glass (PSG) , Borophosphosilicate glass (BPSG) , or any combination thereof. The plastic materials include polymers such as SU-8, PermiNex, Benzocyclobutene (BCB) , or transparent plastic (resin) including spin-on glass (SOG) , or bonding adhesive Micro Resist BCL-1200, or any combination thereof.

[0051] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a micro-lens above the insulation dielectric; and / or a spacer formed on top of the light emitting out area at the bottom of the micro-lens.

[0052] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the conductive structure is positioned on the substrate, but not be electrically connected to the contact on the substrate; and the upper end of the conductive structure reaches to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; or, the upper end of the conductive structure reaches the top surface of the insulation dielectric or the bottom of the micro lens or directly reaches to the bottom of the top pad and be electrically connected to the top pad.

[0053] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, a first reflective layer is provided on the side wall of the conductive structure.

[0054] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a first bottom reflective layer formed between the first LED structure and the first bonding layer; and / or a second bottom reflective layer formed between the second LED structure and the second bonding layer; and / or a third bottom reflective layer formed between the third LED structure and the third bonding layer.

[0055] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first reflective layer and bottom reflective layer comprise one or more of metal layer, DBR layer, multi-layered Omni-Directional Reflector (ODR) .

[0056] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, DBR layer is conductive DBR or dielectric DBR.

[0057] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first reflective layer is one or more reflective coatings.

[0058] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure partially overlap with each other.

[0059] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the shape of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure is rectangular or circular in horizontal-section.

[0060] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, each of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure comprises a first semiconductor epitaxial layer of the first conductivity type, a second semiconductor epitaxial layer of the second conductivity type, and a light emitting layer between them.

[0061] Some embodiments provides a polychrome Micro-LED pixel, comprising: a first LED structure that emits a first color, wherein the first LED structure is formed on a substrate; a first metal pillar formed on the substrate; a second LED structure that emits a second color, wherein second LED structure is positioned on the first metal pillar; and a conductive structure surrounding the first LED structure and the second LED structure, wherein the cross-sectional shape of at least one of the first and second LED structure is inverted trapezoid.

[0062] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a second metal pillar formed on the substrate; and a third LED structure that emits a third color, wherein the third LED structure is positioned on the second metal pillar, the conductive structure surrounding the third LED structure, wherein the cross-sectional shape of at least one of the first, second, and third LED structure is inverted trapezoid.

[0063] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the cross-sectional shape of the first LED structure is inverted trapezoid, and a first reflective layer is provided on the bottom and side walls of the first LED structure; and / or the cross-sectional shape of the second LED structure is inverted trapezoid, and a second reflective layer is provided on the bottom and side walls of the second LED structure; and / or the cross-sectional shape of the third LED structure is inverted trapezoid, and a third reflective layer is provided on the bottom and side walls of the third LED structure.

[0064] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure is bonded to the substrate through a first metal bonding layer; and / or the second LED structure is bonded to the first metal pillar on the substrate through a second metal bonding layer; and / or the third LED structure is bonded to the second metal pillar on the substrate through a third metal bonding layer.

[0065] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the first metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the first metal pillar is electrically connected with the second metal bonding layer, and not lower than the top of the first LED structure; and / or the lower end of the second metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the second metal pillar is electrically connected with the third metal bonding layer, and not lower than the top of the second LED structure.

[0066] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a red LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the second LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a green LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the third LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a blue LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; and the upper conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the conductive structure, and the lower conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the corresponding contact on the substrate respectively.

[0067] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are embedded within an insulation dielectric.

[0068] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the insulation dielectric is made of dielectric materials such as solid inorganic materials or plastic materials. The solid inorganic materials include SiO2, Al2O3, Si3N4, SiCN, HfO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, La2O3, MgO, Phosphosilicate glass (PSG) , Borophosphosilicate glass (BPSG) , or any combination thereof. The plastic materials include polymers such as SU-8, PermiNex, Benzocyclobutene (BCB) , or transparent plastic (resin) including spin-on glass (SOG) , or bonding adhesive Micro Resist BCL-1200, or any combination thereof.

[0069] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a micro-lens above the insulation dielectric; and / or a spacer formed on top of the light emitting out area at the bottom of the micro-lens.

[0070] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the lower end of the conductive structure is positioned on the substrate, but not be electrically connected to the contact on the substrate; and the upper end of the conductive structure reaches to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; or the upper end of the conductive structure reaches the top surface of the insulation dielectric or the bottom of the micro lens or directly reaches to the bottom of the top pad and be electrically connected to the top pad.

[0071] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, a first reflective layer is provided on the side wall of the conductive structure.

[0072] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, it further comprises: a first bottom reflective layer formed between the first LED structure and the first bonding layer; and / or a second bottom reflective layer formed between the second LED structure and the second bonding layer; and / or a third bottom reflective layer formed between the third LED structure and the third bonding layer.

[0073] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first reflective layer and bottom reflective layer comprise one or more of metal layer, DBR layer, multi-layered Omni-Directional Reflector (ODR) .

[0074] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, DBR layer is conductive DBR or dielectric DBR.

[0075] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first reflective layer is one or more reflective coatings.

[0076] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure partially overlap with each other.

[0077] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, the shape of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure is rectangular or circular in horizontal-section.

[0078] In some exemplary embodiments or any combination of preceding exemplary embodiments of the polychrome Micro-LED pixel, each of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure comprises a first semiconductor epitaxial layer of the first conductivity type, a second semiconductor epitaxial layer of the second conductivity type, and a light emitting layer between them.

[0079] Other aspects include components, devices, systems, improvements, methods and processes including manufacturing methods, applications, and other technologies related to any of the above.

[0080] It should be noted that the various embodiments described above can be combined with any other embodiments described herein. The features and advantages described in the specification are not all inclusive and, in particular, many additional features and advantages will be apparent to one of ordinary skill in the art in light of the drawings, specification, and claims. Moreover, it should be noted that the language used in the specification has been principally selected for readability and instructional purposes, and may not have been selected to delineate or circumscribe the inventive subject matter.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0081] So that the present disclosure can be understood in greater detail, a more particular description may be made by reference to the features of various embodiments, some of which are illustrated in the appended drawings. The appended drawings, however, merely illustrate pertinent features of the present disclosure and are therefore not to be considered limiting, for the description may admit to other effective features.

[0082] FIG. 1 shows a conventional solution for reducing the large divergence angle.

[0083] FIG. 2 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention.

[0084] FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 2 along AA line according to an embodiment of the present invention.

[0085] FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 2 along BB line according to an embodiment of the present invention.

[0086] FIG. 5 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention.

[0087] FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 5 along AA line according to an embodiment of the present invention.

[0088] FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 5 along BB line according to an embodiment of the present invention.

[0089] FIG. 8A shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention.

[0090] FIG. 8B shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to another embodiment of the present invention.

[0091] FIG. 9 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to still another embodiment of the present invention.

[0092] FIG. 10 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to further another embodiment of the present invention.

[0093] FIG. 11 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel with narrow beam width according to an embodiment of the present invention.

[0094] FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 11 along AA line according to an embodiment of the present invention.

[0095] FIG. 13 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 11 along BB line according to an embodiment of the present invention.

[0096] FIGs. 14 shows a schematic cross-sectional view of the manufacturing process of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention.

[0097] FIG. 15 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention.

[0098] FIG. 16 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 15 along AA line according to an embodiment of the present invention.

[0099] FIG. 17 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 15 along BB line according to an embodiment of the present invention.

[0100] FIG. 18 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 15 along CC line according to an embodiment of the present invention.

[0101] FIG. 19 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention.

[0102] FIG. 20 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 19 along AA line according to an embodiment of the present invention.

[0103] FIG. 21 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 19 along BB line according to an embodiment of the present invention.

[0104] FIG. 22 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention.

[0105] FIG. 23 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 22 along AA line according to an embodiment of the present invention.

[0106] FIG. 24 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 22 along BB line according to an embodiment of the present invention.

[0107] FIGs. 25-27 show the influence of distance between emitter and lens on divergence angle of LED.

[0108] FIGs. 28-34 show a schematic cross-sectional view of a polychrome Micro-LED pixel with at least one inverted trapezoidal LED structure according to an embodiment of the present invention.

[0109] FIG. 35 shows a schematic cross-sectional view of the manufacturing process of micro-lenses with different heights according to an embodiment of the present invention.

[0110] In accordance with common practice, the various features illustrated in the drawings may not be drawn to scale. Accordingly, the dimensions of the various features may be arbitrarily expanded or reduced for clarity. In addition, some of the drawings may not depict all of the components of a given system, method or device. Finally, like reference numerals may be used to denote like features throughout the specification and figures.DETAILED DESCRIPTION

[0111] Numerous details are described herein in order to provide a thorough understanding of the example embodiments illustrated in the accompanying drawings. However, some embodiments may be practiced without many of the specific details, and the scope of the claims is only limited by those features and aspects specifically recited in the claims. Furthermore, well-known processes, components, and materials have not been described in exhaustive detail so as not to unnecessarily obscure pertinent aspects of the embodiments described herein.

[0112] In some embodiments, a single polychrome LED pixel includes two or more LED structures. In some embodiments, each of the LED structures includes at least a LED light emitting layer that emits a distinct color. When two LED structures are within a single polychrome LED pixel, two colors and the combinations of the two colors can be emitted from the single polychrome LED pixel. When three LED structures are within a single polychrome LED pixel, three colors and the combinations of the three colors can be emitted from the single polychrome LED pixel.

[0113] FIG. 2 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 2 along AA line according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 2 along BB line according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGs. 2-4, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 210, a first LED structure 220, a second LED structure 230, a third LED structure 240, a conductive structure 250, a micro-lens 260. The first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240 are not coaxially stacked. Instead, the first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240 are offset from each other from top.

[0114] For convenience, “up” is used to mean away from the substrate 210, “down” means toward the substrate 210, and other directional terms such as top, bottom, above, below, under, beneath, etc. are interpreted accordingly. The supporting substrate 210 is the substrate on which the array of individual driver circuits is fabricated. In some embodiments, the driver circuits could also be located in one of the layers above the substrate 210. Each driver circuit is a pixel driver. In some instances, the driver circuits are thin-film transistor pixel drivers or silicon CMOS pixel drivers. In one embodiment, the substrate 210 is a Si substrate. In another embodiment, the supporting substrate 210 is a transparent substrate, for example, a glass substrate. Other exemplary substrates include GaAs, GaP, InP, SiC, ZnO, and sapphire substrates. The driver circuits form individual pixel drivers to control the operation of the individual polychrome Micro-LED pixel. The circuitry on substrate 210 includes contacts 211 to each individual driver circuit and also a ground contact.

[0115] In some embodiments, the first LED structure 220 may comprise a lower conductive layer 221, an upper conductive layer 222, and a red LED light emitting layer 223 between the lower conductive layer 221 and the upper conductive layer 222; the second LED structure 230 may comprise a lower conductive layer 231, an upper conductive layer 232, and a green LED light emitting layer 233 between the lower conductive layer 231 and the upper conductive layer 232; the third LED structure 240 may comprise a lower conductive layer 241, an upper conductive layer 242, and a blue LED light emitting layer 243 between the lower conductive layer 241 and the upper conductive layer 242. The person skilled in the art should understand that the LED light emitting layer 223 in the first LED structure 220 is not limited to red light emitting layer, the LED light emitting layer 233 in the second LED structure 230 is not limited to green light emitting layer, and the LED light emitting layer 243 in the third LED structure 240 is not limited to blue light emitting layer. That is, the LED light emitting layer 223, the LED light emitting layer 233, and the LED light emitting layer 243 may be any color light emitting layer as desired. The description of the red, green, and blue light-emitting layers or LED structures herein is only illustrative and not restrictive.

[0116] In some embodiments, the LED light emitting layer 223, 233, and 243 may comprise a first semiconductor epitaxial layer of the first conductivity type, a second semiconductor epitaxial layer of the second conductivity type, and a light emitting layer between them. The light emitting layer may be, but is not limited to, a multi quantum well layer. The first conductivity type may be N-type, and the second conductivity type may be P-type; or the first conductivity type may be P-type, and the second conductivity type may be N-type. The N-type semiconductor epitaxial layer in each of the three color light emitting layers includes but not limited to N-type Si doped GaN, Si doped AlGaN, Si doped AlGaInP, Si doped GaAs, or Si doped AlInP; the P-type semiconductor epitaxial layer includes but not limited to Mg doped GaN, Mg doped AlGaN, Mg doped InGaN, Mg doped InAlGaN, Mg doped AlInP, Mg doped AlGaInP, Mg doped GaP, or C doped GaP. The quantum well layer includes but not limited to InGaN / GaN loops, InGaP / AlGaInP loops.

[0117] In some embodiments, the first LED structure 220 may further comprise an upper connection portion 224 between the upper conductive layer 222 and the LED light emitting layer 223 and electrically connected to the upper conductive layer 222 and the LED light emitting layer 223. The material of upper connection portion 224 is metal, including one or more of Al, Au, Rh, Ag, Cr, Ti, Pt, Sn, Cu, AuSn, TiW, etc.

[0118] In some embodiments, the upper conductive layer and the lower conductive layer can be a metal layer or a conductive transparent layer, such as an ITO, FTO, copper layer, that is formed to improve conductivity and transparency. In another embodiment, the lower conductive layer 221 can be a metal layer to form one part of the metal bonding layer 270.

[0119] Although some features are described herein with the term “layer” , it should be understood that such features are not limited to a single layer but may include a plurality of sublayers. In some instance, a “structure” can take the form of a “layer” .

[0120] In some embodiments, as shown in FIG. 2, the first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240 are close, but do not overlap with each other.

[0121] In some embodiments, the first LED structure 220 is bonded to the substrate 210 through a metal bonding layer 271. The metal bonding layer 271 may be disposed on the substrate 210. In one approach, a metal bonding layer 271 is grown on the substrate 210. In some embodiments, the metal bonding layer 271 is electrically connected between the contact 211 on the substrate 210 and the first LED structure 220 above the metal bonding layer 271, acting like a P-electrode. In some embodiments, the thickness of the metal bonding layer 271 is about 0.1 micron to about 3 microns. In a preferred embodiment, the thickness of a metal bonding layer 271 is about 0.3 μm. The metal bonding layer 271 may include ohmic contact layers, and metal bonding layers. In some instances, two metal layers are included in the metal bonding layer 271. One of the metal layers is deposited on the bottom of the first LED structure 220. A counterpart bonding metal layer is deposited on the substrate 210. In some embodiments, compositions for the metal bonding layer 271 include Au-Au bonding, Au-Sn bonding, Au-In bonding, Ti-Ti bonding, Cu-Cu bonding, or a mixture thereof. For example, if Au-Au bonding is selected, the two layers of Au respectively need a Cr coating as an adhesive layer, and Pt coating as an anti-diffusion layer. And the Pt coating is between the Au layer and the Cr layer. The Cr and Pt layers are positioned on the top and bottom of the two bonded Au layers. In some embodiments, when the thicknesses of the two Au layers are about the same, under a high pressure and a high temperature, the mutual diffusion of Au on both layers bonds the two layers together. Eutectic bonding, thermal compression bonding, and transient liquid phase (TLP) bonding are example techniques that may be used.

[0122] In some embodiments, the metal bonding layer 271 may also be used as a reflector to reflect light emitted from the LED structures above. In some embodiments, the metal bonding layer 271 may comprise a reflective layer. Furthermore, the reflective layer may comprise stacked reflective sub-layers.

[0123] In some embodiments, as shown in FIG. 4, the second LED structure 230 is bonded to a metal pillar 273 on the substrate 210 through a metal bonding layer 272. The third LED structure 240 is bonded to a metal pillar 275 on the substrate 210 through a metal bonding layer 274. In some embodiments, the lower end of the metal pillar 273 is electrically connected with the contact 211 on the substrate 210, and the upper end is electrically connected with the metal bonding layer 272, acting like a P-electrode. In one approach, the metal pillar 273 is grown on the substrate 210. In some embodiments, the upper end of the metal pillar 273 is not lower than the top of the first LED structure 220, so that the second LED structure 230 can be bonded to the metal pillar 273. In some embodiments, the lower end of the metal pillar 275 is electrically connected with the contact 211 on the substrate 210, and the upper end is electrically connected with the metal bonding layer 274, acting like a P-electrode. In one approach, the metal pillar 275 is grown on the substrate 210. In some embodiments, the upper end of the metal pillar 275 is not lower than the top of the second LED structure 230, so that the third LED structure 240 can be bonded to the metal pillar 275.

[0124] In some embodiments, the first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240 are directly bonded through the metal bonding layer, and the metal bonding has lower requirement of surface flatness. Therefore, the polychrome Micro-LED pixel according to the present invention may combine the benefits of metal bonding and direct bonding.

[0125] In some embodiments, the first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240 are embedded within the insulation dielectric 280. The insulation dielectric 280 is transparent to the light emitted from the first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240. In some embodiments, the insulation dielectric 280 is made of dielectric materials such as solid inorganic materials or plastic materials. In some embodiments, the solid inorganic materials include SiO2, Al2O3, Si3N4, SiCN, HfO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, La2O3, MgO, Phosphosilicate glass (PSG) , Borophosphosilicate glass (BPSG) , or any combination thereof. In some embodiments, the plastic materials include polymers such as SU-8, PermiNex, Benzocyclobutene (BCB) , or transparent plastic (resin) including spin-on glass (SOG) , or bonding adhesive Micro Resist BCL-1200, or any combination thereof. In some embodiments, the insulation dielectric 280 can facilitate the light emitted from the LED structure to pass through.

[0126] As shown in FIG. 2, the conductive structure 250 surrounds the perimeter of the first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240. In some embodiments, the conductive structure 250 may be used as common electrode to connect with the upper conductive layers of each LED structure, acting like a N-electrode. That is, the conductive structure 250 may electrically connect the corresponding upper conductive layer 242, 232, 222 of the LED structure to the negative electrode of an external power source.

[0127] However, technicians in this field should be aware that the N and P electrodes of LED structures are interchangeable. For example, the conductive structure 250 may be used as a common P electrode to connect with the P-type epitaxial layer of each LED structure, and the corresponding N-type epitaxial layer of the LED structure is electrically connected with the metal bonding layer.

[0128] The upper conductive layers 242, 232, 222 may be flat or have upward or downward slopes due to the height difference between the conductive structure and the LED light emitting layer. For example, when forming the upper conductive layers 242, 232, 222, if the height of the conductive structure is the same as that of the LED light emitting layer, the upper conductive layers 242, 232, 222 are basically flat; if the height of the conductive structure is higher than that of the LED light emitting layer, the upper conductive layers 242, 232, 222 include slopes that rise from the edge of the LED light emitting layer towards the conductive structure; if the height of the conductive structures is lower than that of the LED light emitting layer, the upper conductive layers 242, 232, 222 include slopes that fall from the edge of the LED light emitting layer towards the conductive structure. The person skilled in the art should understand that any shape of the upper conductive layers may be designed according to the specific requirements of Micro-LED pixels, which are fallen within the protection scope of the present invention.

[0129] In some embodiments, the lower end of the conductive structure 250 may be positioned on the substrate 210, but not be electrically connected to the contact on the substrate 210; and the upper end of the conductive structure 250 may reach to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; preferably, the upper end of the conductive structure 250 may reach the top surface of the insulation dielectric 280 or the bottom of the micro lens or directly reach to the bottom of the top pad and be electrically connected to the top pad. In some embodiments, the conductive structure 250 can be used as optical isolation structure, so no cross-talk exists.

[0130] In some embodiments, the micro-lens 260 is formed on the top surface of the insulation dielectric 280.

[0131] In some embodiments, the micro-lens 260 changes the light path emitted from the single Micro-LED pixel by making the light emitted from the LED device more focused or more divergent according to the design needs.

[0132] In some embodiments, the micro-lens 260 can be made from a variety of materials that are transparent at the wavelengths emitted from the single Micro-LED pixel. Example transparent materials for the micro-lens 260 include polymers, dielectrics and semiconductors. In some embodiments, the dielectric materials include one or more materials, such as silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, titanium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, etc. In some embodiments, the micro-lens 260 is made of photoresist.

[0133] In some embodiments, the shape of the micro-lens 260 is generally hemisphere.

[0134] It should be understood that a full display panel includes an array of many individual pixels and many micro-lenses. In addition, it may not have to be a one-to-one correspondence between micro-lenses and pixel light sources, nor a one-to-one correspondence between the pixel driver circuits (not shown) and the pixel light sources. Pixel light sources could also be made of multiple individual light elements, for example, single pixel LEDs connected in parallel. In some embodiments, one micro-lens 260 can cover several lens-less single LED pixel.

[0135] The individual micro-lens 260 has a positive optical power and is positioned to reduce the divergence or viewing angle for light that is emitted from the corresponding pixel light source. In one example, the light beam emitted from the pixel light source has an original divergence angle that is fairly wide. In one embodiment, the original angle for the edge light ray of the light beam relative to a vertical axis orthogonal to the substrate 210 is greater than 60 degrees. The light is bent by the micro-lens 260, so that the new edge light ray now has a reduced divergence angle. In one embodiment, the reduced angle is less than 30 degrees. The micro-lenses in the micro-lens array are typically the same. Examples of micro-lenses include spherical micro-lenses, aspherical micro-lenses, Fresnel micro-lenses and cylindrical micro-lenses.

[0136] The micro-lens 260 typically has a flat side and a curved side. In FIGs. 3 and 4, the bottom of the micro-lens 260 is the flat side, and the top of the micro-lens 260 is the curved side. Typical shapes of the base of each micro-lens 260 include circle, square, rectangle, and hexagon. The individual micro-lenses in a micro-lens array of a display panel may be the same or different: in shape, curvature, optical power, size, base, spacing, etc. In some embodiments, the micro-lens 260 conforms to the shape of the single LED pixel. In one example, the shape of the base of the micro-lens 260 is the same as that of the single LED pixel. In another example, the shape of the base of the micro-lens 260 is not the same as that of the single LED pixel, for instance, the circular base of micro-lens has a same width as the single LED pixel, but a smaller area since the micro-lens base is a circle and the base of the single LED pixel is a square. In some embodiments, the micro-lens base area is the smaller than the area of the pixel light source. In some embodiments, the micro-lens base area is the same or larger than the area of the pixel light source.

[0137] In some embodiments, a brightness enhancement effect is achieved via integrating a micro-lens array onto the display panel. In some examples, the brightness with the micro-lens array is 4 times the brightness without the micro-lens array in the direction perpendicular to the display surface, due to light concentrating effect of micro-lenses. In alternative embodiments, the brightness enhancement factor can vary according to different designs of the micro-lens array and the optical spacer. For example, a factor greater than 8 can be achieved.

[0138] The micro-lens can be fabricated by various fabrication methods, including steps of depositing, patterning, etching, and so on.

[0139] FIG. 5 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 5 along AA line according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 5 along BB line according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGs. 5-7, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 210, a first LED structure 220, a second LED structure 230, a third LED structure 240, a conductive structure 250, a micro-lens 260. The difference between the polychrome Micro-LED pixel shown in FIGs. 5-7 and the polychrome Micro-LED pixel shown in FIGs. 2-4 is in that the polychrome Micro-LED pixel shown in FIGs. 5-7 may further comprise one or more of a reflective layer 251, a bottom reflective layer 501, a bottom reflective layer 502, and a bottom reflective layer 503.

[0140] In some embodiments, as shown in FIGs. 6 and 7, the reflective layer 251 is provided on the side wall of the conductive structure 250. In some embodiments, the conductive structure 250 essentially surround the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure, so that light emitted from the LED structure towards the conductive structure 250 is reflected by the reflective layer 251 and emitted out at the top surface of the single LED pixel.

[0141] In some embodiments, the conductive structure with the reflective layer 251 may be fabricated by a combination of deposition, photo-lithography and etching processes. In some embodiments, the conductive structure with the reflective layer 251 may be fabricated by other suitable methods.

[0142] In some embodiments, the reflective layer 251 may be a metal layer with a high reflectivity that includes one or more metals such as Pt, Rh, Al, Au, and Ag, a stacked DBR layer including TiO2 / SiO2 layers, or any other layer with a total reflection property including a multi-layered Omni-Directional Reflector (ODR) , or a combination thereof.

[0143] In some embodiments, the reflective layer 251 may be one or more reflective coatings. The one or more reflective coatings may be disposed on the sidewalls of the conductive structure 250. A bottom of each of the one or more reflective coatings does not contact respective LED structure. The one or more reflective coatings can reflect light emitted from the light emitting region and therefore enhance the brightness and luminous efficacy of Micro-LED panels or displays. For example, the light emitted from the light emitting region may arrive at the one or more reflective coatings and may be reflected upward by the one or more reflective coatings.

[0144] Materials of the one or more reflective coatings may be highly reflective with a reflectivity greater than 60%, 70%or 80%, and therefore most of the light emitted from the light emitting region can be reflected. In some embodiments, the one or more reflective coatings may comprise one or more metallic conductive materials with high reflectivity. In these embodiments, the one or more metallic conductive materials may comprise one or more of aluminum, gold or silver. In other some embodiments, the one or more reflective coatings can be multi-layered. To be more specific, the one or more reflective coatings may comprise a stack of one or more reflective material layers and one or more dielectric material layers. For example, the one or more reflective coatings may comprise one reflective material layer and one dielectric material layer. In other embodiments, the one or more reflective coatings may comprise two reflective material layers and one dielectric material layer positioned between the two reflective material layers. Yet in some other embodiments, the one or more reflective coatings may comprise two dielectric material layers and one reflective material layer positioned between the two dielectric material layers. In some embodiments, the multi-layered structure may comprise two or more metal layers, which may comprise one or more of TiAu, CrAl or TiWAg.

[0145] In some embodiments, the one or more reflective coatings may be multi-layered Omni-Directional Reflector (ODR) , which comprises a metal layer and a Transparent and Conductive Oxides (TCO) layer. For example, the multilayered structure may comprise a dielectric material layer, a metal layer and a TCO layer. In some embodiments, the one or more reflective coatings may comprise two or more dielectric material layers, which are disposed alternately to form a Distributed Bragg Reflector (DBR) . For example, the one or more reflective coatings may comprise a dielectric material layer, a metal layer and a transparent dielectric layer. The transparent dielectric layer may comprise one or more of SiO2, Si3N4, Al2O3, or TiO2. The one or more reflective coatings may further comprise a dielectric material layer, a TCO and a DBR. In other embodiments, the one or more reflective coatings may comprise one or more metallic conductive materials with high reflection. In these embodiments, the one or more metallic conductive materials may comprise one or more of aluminum, gold or silver.

[0146] In some embodiments, the reflective layer 251 may be conductive reflective layer or dielectric reflective layer.

[0147] In some embodiments, as shown in FIGs. 6 and 7, the bottom reflective layer 501, the bottom reflective layer 502, and the bottom reflective layer 503 are provided between the metal bonding layer and the LED structure. The material and manufacturing process of the bottom reflective layer is similar that of the reflective layer 251 and will not be described in detail for sake of simplification. When the bottom reflective layer is conductive reflective layer, the bottom reflective layer may be a continuous layer or a discontinuous layer with one or more gaps. When the bottom reflective layer is dielectric reflective layer, the bottom reflective layer may be a discontinuous layer with one or more gaps where the conductive material is formed to ensure that the LED structure and the substrate can be electrically connected.

[0148] FIG. 8A shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8A, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 210, a first LED structure 220, a second LED structure 230, a third LED structure 240, a conductive structure 250, a micro-lens 260. The difference between the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 8 and the polychrome Micro-LED pixel shown in FIGs. 2-4 is in that the first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240 partially overlap with each other. The advantage of this structure is that the three LED structures are arranged more tightly, which is beneficial for reducing the size of a single polychrome Micro-LED pixel.

[0149] FIG. 8B shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8B, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 210, a first LED structure 220, a second LED structure 230, a third LED structure 240, a conductive structure 250, a micro-lens 260. Compared with the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 8A, the overlapping area among the first LED structure 220, the second LED structure 230, and the third LED structure 240 increases, which is beneficial for further reducing the size of a single polychrome Micro-LED pixel.

[0150] FIG. 9 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to still another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 210, a first LED structure 220, a second LED structure 230, a conductive structure 250, a micro-lens 260. Compared with the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 8A, only two LED structures are included in the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 9. In some embodiments, the first LED structure 220 and the second LED structure 230 may be the combination of red-green bi-color, red-blue bi-color, green-blue bi-color, or other bi-color.

[0151] FIG. 10 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to further another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 210, a first LED structure 220, a second LED structure 230, a third LED structure 240, a conductive structure 250, a micro-lens 260. The LED structure is circular in horizontal-section.

[0152] However, the person skilled in the art should understand that the LED structure may be any shape in horizontal-section.

[0153] FIG. 11 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel with narrow beam width according to an embodiment of the present invention. FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 11 along AA line according to an embodiment of the present invention. FIG. 13 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 11 along BB line according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGs. 11-13, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 1110, a first LED structure 1120, a second LED structure 1130, a third LED structure 1140, a conductive structure 1150, a micro-lens 1160, and a spacer 1170. The difference between the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 11 and the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 2 is in the spacer 1170.

[0154] In some embodiments, the spacer 1170 is formed on top of the light emitting out area at the bottom of the micro-lens 1160.

[0155] The spacer 1170 is an optically transparent layer that is formed to maintain the position of the micro-lens 1160 relative to the pixel light source. The spacer 1170 can be made from a variety of materials that are transparent at the wavelengths emitted from the pixel light source. Example transparent materials for the spacer 1170 include polymers, dielectrics and semiconductors. In some embodiments, the dielectric materials include one or more materials, such as silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, titanium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, etc. In some embodiments, the spacer 1170 is made of photoresist. In some embodiments, the spacer 1170 and the micro-lens 1160 have the same material. In some embodiments, the spacer 1170 and the micro-lens 1160 have different materials.

[0156] In some embodiments, when the micro-lens 1160 is formed, the spacer layer 1170 can be formed with the micro-lens 1160 in the same process with the same material.

[0157] In some embodiments, the reflective layer 1171 is provided on the side wall of the spacer 1170. The structure, material, and manufacturing method of the reflective layer 1171 are similar to those of the reflective layer 251, and will not be described in detail for the sake of simplicity.

[0158] In some embodiments, the thickness of the spacer 1170 measured from the top surface of the pixel light source is about 2μm to 10μm which helps achieve narrow beam width.

[0159] In the above and other embodiments of the present invention, the LED structures are embedded within the insulation dielectric. For conventional SiO2 / SiN insulation dielectric, H2 from SiH4 gas precursor can passivate pGaN, resulting in high Vf. Therefore, avoiding SiH4-based precursors can be beneficial. In some embodiments, the insulation dielectric may be made of dielectric materials such as solid inorganic materials. In some embodiments, the solid inorganic materials include Al2O3, HfO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, La2O3, MgO, and the like.

[0160] FIGs. 14 shows a schematic cross-sectional view of the manufacturing process of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention.

[0161] As shown in FIG. 14, at step S1, a first LED structure 1420 is formed on a substrate 1410. In particular, the step S1 may comprise: forming a first lower conductive layer 1421 on a first LED light emitting layer 1423, bonding the first LED light emitting layer 1423 on the substrate 1410, forming a first mesa by etching the first LED light emitting layer 1423, forming an isolation layer 1424 around the first mesa, and forming a first upper conductive layer 1422 on the first LED light emitting layer 1423.

[0162] At step S2, an insulation dielectric 1480 is filled around the first LED structure 1420 and covers the top surface of the first LED structure 1420, and a conductive structure 1450, a first metal pillar 1473, and a second metal pillar 1475 are formed on the substrate 1410 to be flush with the top surface of the insulation dielectric 1480.

[0163] At step S3, a second lower conductive layer 1431 is formed on a second LED light emitting layer 1433, the second LED light emitting layer 1433 is bonded on the first metal pillar 1473.

[0164] At step S4, a second mesa is formed by etching the second LED light emitting layer 1433, an isolation layer 1434 is formed around the second mesa, and a second upper conductive layer 1432 is formed on the second LED light emitting layer 1423.

[0165] At step S5, the insulation dielectric 1480 is filled around the second LED structure 1430 and covers the top surface of the second LED structure 1430, and the conductive structure 1450 and a second metal pillar 1475 are formed on the substrate 1410 to be flush with the top surface of the insulation dielectric 1480, a third lower conductive layer 1441 is formed on a third LED light emitting layer 1443, the third LED light emitting layer 1443 is bonded on the second metal pillar 1475.

[0166] At step S6, a third mesa is formed by etching the third LED light emitting layer 1443, an isolation layer 1444 is formed around the third mesa, and a third upper conductive layer 1442 is formed on the third LED light emitting layer 1443.

[0167] The person skilled in the art should understand that the above method steps are only exemplary, and in other embodiments of the present invention, different steps and processes can be adopted.

[0168] FIG. 15 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention. FIG. 16 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 15 along AA line according to an embodiment of the present invention. FIG. 17 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 15 along BB line according to an embodiment of the present invention. FIG. 18 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 15 along CC line according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGs. 15-18, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 1510, a first LED structure 1520, a second LED structure 1530, a third LED structure 1540, a conductive structure 1550, and a micro-lens 1560. The first LED structure 1520, the second LED structure 1530, and the third LED structure 1540 are not coaxially stacked. Instead, the first LED structure 1520, the second LED structure 1530, and the third LED structure 1540 are offset from each other from top.

[0169] As shown in FIGs. 15-18, the polychrome Micro-LED pixel further comprises a first air gap 1525 around the first LED structure 1520, a second air gap 1535 around the second LED structure 1530, a third air gap 1545 around the third LED structure 1540, and a central electrode 1590 among the first LED structure 1520, the second LED structure 1530, and the third LED structure 1540. When light enters air with low refractive index (n～1) from the high refractive index material (such as SiN, n=1.9) , total reflection occurs at the interface of the air gap and the high refractive index material, therefore the air gaps have the effects of optical isolation and increased light extraction.

[0170] In some embodiments, the lower end of the air gaps 1525, 1535, and 1545 may reach the substrate 1510, and the upper end may reach to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; preferably, the upper end of the air gaps may reach the top surface of the insulation dielectric or the bottom of the micro lens or directly reach to the bottom of the top pad. The shape of air gaps 1525, 1535, and 1545 is similar to that of the first to third LED structures in horizontal-section. That is, the air gaps 1525, 1535, and 1545 may be circular in horizontal-section if the LED structure is circular, or, the air gaps 1525, 1535, and 1545 may be rectangle in horizontal-section if the LED structure is rectangle. The air gap is not formed in portion of the outer periphery of the LED structure adjacent to the central electrode 1590. That is, each air gap 1525, 1535, and 1545 may have notches in portion of the outer periphery of the LED structure adjacent to the central electrode 1590, so that each upper conductive layer of the first LED structure 1520, the second LED structure 1530, and the third LED structure 1540 can be electrically connected with the central electrode 1590 though the notch.

[0171] In some embodiments, the lower end of the central electrode 1590 may be positioned on the substrate 1510, but not be electrically connected to the contact on the substrate 1510; and the upper end of the central electrode 1590 may reach to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; preferably, the upper end of the central electrode 1590 may reach the top surface of the insulation dielectric or the bottom of the micro lens or directly reach to the bottom of the top pad and be electrically connected to the top pad.

[0172] FIG. 19 shows a schematic top view of a polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention. FIG. 20 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 19 along AA line according to an embodiment of the present invention. FIG. 21 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 19 along BB line according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGs. 19-21, the polychrome Micro-LED pixel comprises a substrate 1910, a first LED structure 1920, a second LED structure 1930, a third LED structure 1940, a conductive structure 1950, a first micro-lens 1961 above the first LED structure 1920, a second micro-lens 1962 above the second LED structure 1930, a third micro-lens 1963 above the third LED structure 1940. The first LED structure 1920, the second LED structure 1930, and the third LED structure 1940 are not coaxially stacked. Instead, the first LED structure 1920, the second LED structure 1930, and the third LED structure 1940 are offset from each other from top.

[0173] The polychrome Micro-LED pixel shown in FIGs. 19-21 is similar to the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 2, and the difference is that each LED structure has a separate micro-lens.

[0174] As shown in FIGs. 19-21, the shape of the first LED structure 1920, the second LED structure 1930, and the third LED structure 1940 may be rectangle in horizontal-section. However, the person skilled in the art should understand that the LED structure may be any shape in horizontal-section. For example, the shape of the first LED structure 2220, the second LED structure 2230, and the third LED structure 2240 may be circular in horizontal-section, as shown in FIGs. 22-24.

[0175] In embodiments shown in FIGs. 19-24, each LED structure has a separate micro-lens, and each micro-lens may have different height. So, it is equivalent to each LED structure being located at the top, thereby reducing the chance of the light from the lower LED being reflected and absorbed by the light isolation and electrical connection structure, and improving LEE (Light Extraction Efficiency) . This structure allows each LED to be designed with appropriate lens size and spacer height to achieve optimal light convergence.

[0176] FIGs. 25-27 show the influence of distance between emitter and lens on divergence angle of LED. As shown in FIG. 25, the emitter is at focus, and the majority of the light that can enter the lens exits the lens at an angle roughly parallel to the central axis of the lens. As shown in FIG. 26, the emitter is within the focus, and the proportion of light that can enter the lens increases, but most of the light emitted from the lens exits at an angle away from the central axis of the lens. As shown in FIG. 27, the emitter is outside the focus, and the proportion of light that can enter the lens decreases, but most of the light emitted from the lens exits at an angle towards the central axis of the lens.

[0177] In the above embodiments, the cross-sectional shape of each LED structure is trapezoid, meaning that the top area of the LED structure is smaller than the bottom area. However, in other embodiments of the present invention, as shown in FIGs. 28-33, the cross-sectional shape of certain LED structure may be inverted trapezoid, meaning that the top area of the LED structure is larger than the bottom area. The LED structure with inverted trapezoid has higher LEE (Light Extraction Efficiency) . Moreover, reflective layers can be provided on the bottom and side walls of the LED structure, which will also improve the LEE.

[0178] As shown in Figure 28, only the cross-sectional shape of the second LED structure 2820 is inverted trapezoid, while the cross-sectional shapes of the first LED structure 2810 and third LED structure 2830 are trapezoid. A reflective layer 2821 is provided on the bottom and side walls of the second LED structure 2820.

[0179] As shown in Figure 29, the cross-sectional shapes of the second and third LED structures 2920, 2930 are inverted trapezoid, while the cross-sectional shape of the first LED structure 2910 is trapezoid. Two reflective layers 2921, 2931 are provided on the bottom and side walls of the second and third LED structures 2920, 2930.

[0180] As shown in Figure 30, only the cross-sectional shape of the third LED structure 3030 is inverted trapezoid, while the cross-sectional shapes of the first and second LED structures 3010, 3020 are trapezoid. A reflective layer 3031 is provided on the bottom and side walls of the third LED structure 3030.

[0181] As shown in Figure 31, only the cross-sectional shape of the first LED structure 3110 is inverted trapezoid, while the cross-sectional shapes of the second LED structure 3120 and third LED structure 3130 are trapezoid. A reflective layer 3111 is provided on the bottom and side walls of the first LED structure 3110.

[0182] As shown in Figure 32, the cross-sectional shapes of the first and second LED structures 3210, 3220 are inverted trapezoid, while the cross-sectional shape of the third LED structure 3230 is trapezoid. Two reflective layers 3211, 3221 are provided on the bottom and side walls of the first and second LED structures 3210, 3220.

[0183] As shown in Figure 33, the cross-sectional shapes of the first to third LED structures 3310, 3320, 3330 are inverted trapezoid. Three reflective layers 3311, 3321, 3331 are provided on the bottom and side walls of the first to third LED structures 3310, 3320, 3330.

[0184] As shown in Figure 34, the cross-sectional shapes of the first and third LED structures 3410, 3430 are inverted trapezoid, while the cross-sectional shape of the second LED structure 3420 is trapezoid. Two reflective layers 3411, 3431 are provided on the bottom and side walls of the first and third LED structures 3410, 3430.

[0185] FIG. 35 shows a schematic cross-sectional view of the manufacturing process of micro-lenses with different heights according to an embodiment of the present invention.

[0186] At step S1, a dielectric layer 3510 is formed on the substrate on which the LED structure and the associated conductive structure have been fabricated, and a plurality of hemisphere-like photoresist bumps 3521, 3522, 3523 are formed on the dielectric layer directly above the first, the second and third LED structures. In some embodiments of the present invention, the photoresist bumps 3521, 3522, 3523 with a predetermined size and curvature can be formed by photolithography, reflow, or imprinting process.

[0187] At step S2, an etching process is performed to form a plurality of hemisphere-like bump structures 3511, 3512, 3513 on the dielectric layer 3510. During the etching process, the etching rates of the dielectric layer 3510 and the photoresist are basically the same, so after the etching is completed, the shape of the photoresist is replicated onto the dielectric layer 3510.

[0188] At step S3, a certain thickness of photoresist layer is formed on the hemisphere-like bump structure 3511 on the dielectric layer 3510. The hemisphere-like bump structures 3512, 3513 are not covered by the photoresist layer. In some embodiments of the present invention, the photoresist layer may have any shape. In the embodiments of the present invention, a certain thickness of photoresist may be formed on the entire surface of the dielectric layer 3510 through processes such as spin coating and imprinting, and then the photoresist above hemisphere-like bump structures 3512, 3513 may be removed while retaining the photoresist above the hemisphere-like bump structure 3511. An etching process is performed, so that the height of the hemisphere-like bump structures 3512 and 3513 is reduced by a predetermined distance, and then, the remaining photoresist on the hemisphere-like bump structure 3511 is removed.

[0189] At step S4, a certain thickness of photoresist layer is formed on the hemisphere-like bump structures 3511 and 3512 on the dielectric layer 3510. The hemisphere-like bump structure 3513 is not covered by the photoresist layer. An etching process is performed, so that the height of the hemisphere-like bump structure 3513 is reduced by a predetermined distance, and then, the remaining photoresist on the hemisphere-like bump structures 3511 and 3512 is removed.

[0190] In some embodiments, a plurality of polychrome Micro-LED pixels may share one conductive structure. For example, FIG. 36 shows a schematic top view of four polychrome Micro-LED pixels sharing one conductive structure according to an embodiment of the present invention.

[0191] As shown in FIG. 36, the conductive structure 3650 is a square ring and surrounds four polychrome Micro-LED pixels 3610, 3620, 3630, 3640. Each polychrome Micro-LED pixel is similar to the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 2, and the difference is that four polychrome Micro-LED pixels 3610, 3620, 3630, 3640 share one common conductive structure 3650. The LED structure in each pixel is circular in horizontal-section.

[0192] In some embodiments, the conductive structure 3650 may be used as common electrode to connect with the upper conductive layers of the LED structure in each Micro-LED pixel to the negative electrode of an external power source. In some embodiments, the conductive structure 3650 may also be referred to as the top electrode or N-electrode.

[0193] In some embodiments, the number polychrome Micro-LED pixels that share one conductive structure may be 1x2, 2x2, 2x3, 3x3..., in order to obtain a larger RGB pixel space. In other words, the polychrome Micro-LED pixels that share one conductive structure may be arranged in a NxM pixel array, N is a positive integer greater than or equal to 1, and M is a positive integer greater than or equal to 2.

[0194] FIG. 37 shows a schematic top view of 2x2 polychrome Micro-LED pixels sharing one conductive structure according to another embodiment of the present invention. The structure shown in FIG. 37 is similar to that shown in FIG. 36, and only the differences will be described to simplify the explanation. As shown in FIG. 37, the LED structure in each pixel is rectangular in horizontal-section, and one micro-lens 3760 covers 2x2 polychrome Micro-LED pixels.

[0195] A person skilled in the art should understand that the micro-lens may have various arrangements, such as one micro-lens covering one pixel, as shown in FIG. 36; one micro-lens covering multiple pixels, as shown in FIG. 37; or one micro-lens covering an LED structure, etc.

[0196] In some embodiments, each polychrome Micro-LED pixel may comprise multiple LED structures, and the adjacent polychrome Micro-LED pixels may share one or more LED structures. The LED structure shared by two or more polychrome Micro-LED pixels is electrically connected with multiple contacts on the IC substrate for driving the corresponding LED structure in two or more polychrome Micro-LED pixels. The LED structure shared by two or more polychrome Micro-LED pixels may be any color.

[0197] FIG. 38 shows a schematic top view of two polychrome Micro-LED pixels sharing one LED structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 39 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 38 along AA line according to an embodiment of the present invention. FIG. 40 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 38 along BB line according to an embodiment of the present invention. FIG. 41 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 38 along CC line according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGs. 38-41, a first pixel 3810 and a second pixel 3820 may share a third LED structure 3803. The first pixel 3810 may also comprise a first LED structure 3811 and a second LED structure 3812 that are not shared by other pixels. The second pixel 3820 may also comprise a first LED structure 3821 and a second LED structure 3822 that are not shared by other pixels. The small circles at the center of each LED structures represent contacts on the IC substrate below the LED structures, and are drawn in the top view is just for illustrative purposes only. The third LED structure 3803 shared by the first pixel 3810 and the second pixel 3820 is electrically connected with a contact 3813 for driving the third LED structure of the first pixel 3810 and a contact 3823 for driving the third LED structure of the second pixel 3820. The third LED structure 3803 is bonded to two metal pillars 3814 and 3824 on the substrate through a metal bonding layer. The lower end of the metal pillar 3814 is electrically connected with the contact 3813 on the substrate, and the upper end is electrically connected with the metal bonding layer, acting like a P-electrode of the third LED structure in the first pixel 3810. The lower end of the metal pillar 3824 is electrically connected with the contact 3823 on the substrate, and the upper end is electrically connected with the metal bonding layer, acting like a P-electrode of the third LED structure in the second pixel 3820.

[0198] FIG. 42 shows a schematic top view of two polychrome Micro-LED pixels sharing one LED structure according to another embodiment of the present invention. The structure shown in FIG. 42 is similar to that shown in FIG. 38, and only the difference is that the LED structure in each pixel is rectangular in horizontal-section.

[0199] FIG. 43 shows a schematic top view of two polychrome Micro-LED pixels sharing two LED structures according to an embodiment of the present invention. FIG. 44 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 43 along AA line according to an embodiment of the present invention. FIG. 45 shows a schematic cross-sectional view of the polychrome Micro-LED pixel shown in FIG. 43 along BB line according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGs. 43-45, a third LED structure 4303 is shared by a first pixel 4310 and a second pixel 4320, a second LED structure 4302 is shared by the second pixel 4320 and a third pixel 4330. Each pixel may also comprise a first LED structure that is not shared by other pixels. That is to say, each pixel may comprise three LED structure, one LED structure is shared by the adjacent pixel on the left, one LED structure is shared by the adjacent pixel on the right, and one LED structure is not shared by other pixels. The small circles at the center of each LED structures represent contacts on the IC substrate below the LED structures, and are drawn in the top view is just for illustrative purposes only.

[0200] The third LED structure 4303 shared by the first pixel 4310 and the second pixel 4320 is electrically connected with a contact 4313 for driving the third LED structure of the first pixel 4310 and a contact 4323 for driving the third LED structure of the second pixel 4320. The third LED structure 4303 is bonded to two metal pillars 4314 and 4324 on the substrate through a metal bonding layer. The lower end of the metal pillar 4314 is electrically connected with the contact 4313 on the substrate, and the upper end is electrically connected with the metal bonding layer, acting like a P-electrode of the third LED structure in the first pixel 4310. The lower end of the metal pillar 4324 is electrically connected with the contact 4323 on the substrate, and the upper end is electrically connected with the metal bonding layer, acting like a P-electrode of the third LED structure in the second pixel 4320.

[0201] The second LED structure 4302 shared by the second pixel 4320 and the third pixel 4320 is electrically connected with a contact 4322 for driving the second LED structure of the second pixel 4320 and a contact 4332 for driving the second LED structure of the third pixel 4330. The second LED structure 4302 is bonded to two metal pillars 4325 and 4335 on the substrate through a metal bonding layer. The lower end of the metal pillar 4325 is electrically connected with the contact 4322 on the substrate, and the upper end is electrically connected with the metal bonding layer, acting like a P-electrode of the second LED structure in the second pixel 4320. The lower end of the metal pillar 4335 is electrically connected with the contact 4332 on the substrate, and the upper end is electrically connected with the metal bonding layer, acting like a P-electrode of the second LED structure in the third pixel 4330.

[0202] In some embodiments, in order to achieve better light isolation effect, in the polychrome Micro-LED pixel array, for each row of pixels, the conductive structure 4350 may comprise a first horizontal portion 4351 and a second horizontal portion 4352 on both sides of the pixel along the direction of the pixel row, multiple first vertical portions 4353 arranged between adjacent first LED structures, and multiple second vertical portions 4354 arranged between adjacent second and third LED structures. One end of the first vertical portion 4353 is connected to the first horizontal portion 4351, and the other end faces towards the second LED structure or the third LED structure but is not in contact with the second LED structure or the third LED structure. One end of the second vertical portion 4354 is connected to the second horizontal portion 4352, and the other end faces towards the first LED structure but is not in contact with it.

[0203] The person skilled in the art should understand that the polychrome Micro-LED pixel according to an embodiment of the present invention may comprise any number of LED structures with the same or different color. For example, the polychrome Micro-LED pixel may comprise four, five or six LED structures.

[0204] Each dimension of the Micro-LED chip is not more than 1 centimeter (cm) , preferably, not more than 20 micrometers (μm) . The Micro-LED structures are formed in the Micro-LED chip in an array, with a resolution such as 720*480, 640*480, 1920*1080, 1280*720, 2k, or 4k. The diameter of the Micro-LED structure is at a nanometer level, e.g., 20 nm to 100 nm.

[0205] The Micro-LED chip includes an integrated circuit (IC) backplane and a Micro-LED array. The Micro-LED array includes multiple Micro-LEDs. Each Micro-LED may form at least a portion of a pixel element on the Micro-LED chip.

[0206] In some embodiments, the IC backplane may be electrically connected to each Micro-LED of the Micro-LED array through separate metal interconnects. In some embodiments, each Micro-LED may be separately, electrically controlled by the IC backplane. In some embodiments, the IC backplane may be electrically connected to an electrode of the Micro-LED chip through a metal interconnect. In some embodiments, a dielectric layer may be formed in the gap between the Micro-LEDs. In some embodiments, the dielectric layer may also be formed in the gap between interconnects.

[0207] In some embodiments, each Micro-LED of the Micro-LED array may include a micro mesa structure. In some embodiments, the micro mesa structure may include a first type epitaxial layer, a light emitting layer, and a second type epitaxial layer, from bottom up. That is, among the three layers, the first type epitaxial layer is closest to the IC backplane; the light emitting layer is on top of the first type epitaxial layer and is further away from the IC backplane; the second type epitaxial layer is on top of the light emitting layer and is the furthest away from the IC backplane. In some embodiments, the light emitting layer is formed by several stacked quantum well layers, especially super crystal stacked quantum well layers. Preferably, the super crystal stacked quantum well layers comprise multiple pairs of quantum well layer stacked with quantum barrier layer. In some embodiments, the first type epitaxial layer is semiconductor material with a first conductive type and comprises several semiconductor layers. The main body material of the first type epitaxial layer can be but not limited to composed of Ga, N, As, P, In, or Al etc. based materials. Additionally, the first type epitaxial layer can from up to bottom comprise but not limited to a waveguide layer, a limitation layer, a transition layer and a window layer; furthermore, an ohmic contact layer can be formed under the window layer. In some embodiments, the second type epitaxial layer is semiconductor material with a second conductive type and comprises several semiconductor layers. The main body material of the second type epitaxial layer can be but not limited to composed of Ga, N, As, P, In, or Al etc. based materials. Additionally, the first type epitaxial layer can from up to bottom comprise but not limited to a limitation layer and a waveguide layer; furthermore, an ohmic contact layer can but not limited to be formed on the limitation layer in some embodiments.

[0208] In some embodiments, a top conductive layer may be formed on the top surface of the Micro-LED array. In some embodiments, the top conductive layer may be shared by all Micro-LEDs of the Micro-LED array. In some embodiments, the light emitting layer may include at least one layer of quantum well layer. In some embodiments, the Micro-LED array may include a single layer of Micro-LED structures. In some embodiments, the Micro-LED array may include multiple layers of Micro-LED structures vertically stacked.

[0209] In some embodiments, the Micro-LED array may include blue Micro-LEDs. In some embodiments, the pitch of the Micro-LED array, i.e., the minimum center-to-center distance between Micro-LEDs, may range from about 2 μm to about 50 μm. In some embodiments, the number of pixels in the Micro-LED chip may range from several thousands to over several millions.

[0210] Although the detailed description contains many specifics, these should not be construed as limiting the scope of the invention but merely as illustrating different examples and aspects of the invention. It should be appreciated that the scope of the invention includes other embodiments not discussed in detail above. For example, the approaches described above can be applied to the integration of functional devices other than LEDs and OLEDs with control circuitry other than pixel drivers. Examples of non-LED devices include vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) , photodetectors, micro-electro-mechanical system (MEMS) , silicon photonic devices, power electronic devices, and distributed feedback lasers (DFB) . Examples of other control circuitry include current drivers, voltage drivers, trans-impedance amplifiers, and logic circuits.

[0211] The preceding description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the embodiments described herein and variations thereof. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the spirit or scope of the subject matter disclosed herein. Thus, the present disclosure is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the following claims and the principles and novel features disclosed herein.

[0212] Features of the present invention can be implemented in, using, or with the assistance of a computer program product, such as a storage medium (media) or computer readable storage medium (media) having instructions stored thereon / in which can be used to program a processing system to perform any of the features presented herein. The storage medium can include, but is not limited to, high-speed random access memory, such as DRAM, SRAM, DDR RAM or other random access solid state memory devices, and may include non-volatile memory, such as one or more magnetic disk storage devices, optical disk storage devices, flash memory devices, or other non-volatile solid state storage devices. Memory optionally includes one or more storage devices remotely located from the CPU (s) . Memory or alternatively the non-volatile memory device (s) within the memory, comprises a non-transitory computer readable storage medium.

[0213] Stored on any machine readable medium (media) , features of the present invention can be incorporated in software and / or firmware for controlling the hardware of a processing system, and for enabling a processing system to interact with other mechanisms utilizing the results of the present invention. Such software or firmware may include, but is not limited to, application code, device drivers, operating systems, and execution environments / containers.

[0214] It will be understood that, although the terms “first” , “second, ” etc. may be used herein to describe various elements, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another.

[0215] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the claims. As used in the description of the embodiments and the appended claims, the singular forms “a, ” “an” and “the” are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. It will also be understood that the term “and / or” as used herein refers to and encompasses any and all possible combinations of one or more of the associated listed items. It will be further understood that the terms “comprises” and / or “comprising, ” when used in this specification, specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, and / or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof.

[0216] As used herein, the term “if” may be construed to mean “when” or “upon” or “in response to determining” or “in accordance with a determination” or “in response to detecting, ” that a stated condition precedent is true, depending on the context. Similarly, the phrase “if it is determined [that a stated condition precedent is true] ” or “if [astated condition precedent is true] ” or “when [astated condition precedent is true] ” may be construed to mean “upon determining” or “in response to determining” or “in accordance with a determination” or “upon detecting” or “in response to detecting” that the stated condition precedent is true, depending on the context.

[0217] The foregoing description, for purpose of explanation, has been described with reference to specific embodiments. However, the illustrative discussions above are not intended to be exhaustive or to limit the claims to the precise forms disclosed. Many modifications and variations are possible in view of the above teachings. The embodiments were chosen and described in order to best explain principles of operation and practical applications, to thereby enable others skilled in the art.

Claims

1.A polychrome Micro-LED pixel, comprising:a first LED structure that emits a first color, wherein the first LED structure is formed on a substrate;a first metal pillar formed on the substrate;a second LED structure that emits a second color, wherein second LED structure is positioned on the first metal pillar;a conductive structure surrounding the first LED structure and the second LED structure;a first micro-lens above the first LED structure; anda second micro-lens above the second LED structure.2.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 1, further comprising:a second metal pillar formed on the substrate;a third LED structure that emits a third color, wherein the third LED structure is positioned on the second metal pillar, the conductive structure surrounding the third LED structure; anda third micro-lens above the third LED structure.3.The polychrome Micro-LED pixel according to claims 1 or 2, wherein:the first LED structure is bonded to the substrate through a first metal bonding layer; and / orthe second LED structure is bonded to the first metal pillar on the substrate through a second metal bonding layer; and / orthe third LED structure is bonded to the second metal pillar on the substrate through a third metal bonding layer.4.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 3, wherein:the lower end of the first metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the first metal pillar is electrically connected with the second metal bonding layer, and not lower than the top of the first LED structure, and / orthe lower end of the second metal pillar is electrically connected with a contact on the substrate, and the upper end of the second metal pillar is electrically connected with the third metal bonding layer, and not lower than the top of the second LED structure.5.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 2, wherein:the first LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a red LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer;the second LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a green LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; the third LED structure comprises a lower conductive layer, an upper conductive layer, and a blue LED light emitting layer between the lower conductive layer and the upper conductive layer; andthe upper conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the conductive structure, and the lower conductive layers of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are electrically connected with the corresponding contact on the substrate respectively.6.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 2, wherein the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure are embedded within an insulation dielectric.7.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 6, wherein the material of the insulation dielectric is selected from a group including Al2O3, HfO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, La2O3, and MgO.8.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 6, further comprising:a spacer formed on top of the light emitting out area at the bottom of the micro-lens.9.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 8, wherein the lower end of the conductive structure is positioned on the substrate, but not be electrically connected to the contact on the substrate; and the upper end of the conductive structure reaches to a position not lower than the top surface of the second or third LED structure; or, the upper end of the conductive structure reaches the top surface of the insulation dielectric or the bottom of the micro lens or directly reaches to the bottom of the top pad and be electrically connected to the top pad.10.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 1, wherein a first reflective layer is provided on the side wall of the conductive structure.11.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 1, further comprising:a first bottom reflective layer formed between the first LED structure and the first bonding layer; and / ora second bottom reflective layer formed between the second LED structure and the second bonding layer; and / ora third bottom reflective layer formed between the third LED structure and the third bonding layer.12.The polychrome Micro-LED pixel according to claims 10 or 11, wherein the first reflective layer and bottom reflective layer comprise one or more of metal layer, DBR layer, multi-layered Omni-Directional Reflector (ODR) .13.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 12, wherein DBR layer is conductive DBR or dielectric DBR.14.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 10, wherein the first reflective layer is one or more reflective coatings.15.The polychrome Micro-LED pixel according to claims 1 or 2, wherein the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure partially overlap with each other.16.The polychrome Micro-LED pixel according to claims 1 or 2, wherein the shape of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure is rectangular or circular in horizontal-section.17.The polychrome Micro-LED pixel according to claims 1 or 2, wherein each of the first LED structure, the second LED structure, and the third LED structure comprises a first semiconductor epitaxial layer of the first conductivity type, a second semiconductor epitaxial layer of the second conductivity type, and a light emitting layer between them.18.The polychrome Micro-LED pixel according to claim 1 or 2, wherein the heights of the first micro-lens, the second micro-lens, and the third micro-lens are different, the same or partially the same.

Images