CN102544283B - 发光二极管阵列芯片结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管阵列芯片结构，包括衬底，其特征在于：在衬底上设有缓冲层，在缓冲层的顶面设有n型层，在缓冲层与n型层之间设有线状平行排列的n型层引线；在n型层的顶面设有RGB发光层，在RGB发光层、n型层及缓冲层之间设有与n型层引线对应的隔离层Ⅰ；在RGB发光层的顶面上设有p型层，在p型层的顶面上设有透明电机层，在透明电机层的顶面上设有p型层引线，在p型层与透明电机层之间设有与p型层引线位置对应的隔离层Ⅱ，在隔离层Ⅱ的顶面设有覆盖了透明电极层，但是露出了p型层引线的钝化保护层。本发明所制作得到的产品在整体可实现真彩发光、一定发光区域组合方式下实现白光或单色光发射。

Description

发光二极管阵列芯片结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电子元件及其制备方法，尤其是一种发光二极管阵列芯片结构及其制备方法。

背景技术

目前，LED发光技术作为一种全固态的主动发光方法，具有发光效率高、响应速度快、寿命长、工作电压低、环保等优点，广泛应用于照明、显示等领域。

由于LED的发光特点，决定了LED阵列芯片实现困难。目前公开的专利和论文都集中在利用一块衬底上制作多个LED发光单元，通过外围驱动电路实现发光，即通过驱动电路实现阵列显示系统。这类方法的缺点是不能实现真彩发光，即只能实现不同区域发白光或者单色光。由于每个LED发光单元可能具有不同电学性能和光学性能，因此发光的协调性、一致性较差，工艺复杂。现有专利和文献对LED阵列芯片制作工艺的报道很少。

如果通过荧光粉方式实现白光或单色光，最大问题只能发白光或某种单色光，且存在发光效率不高，显色指数低，色温较高，衰减特性不好等问题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种发光二极管阵列芯片结构及其制备方法，它性能稳定、体积小、散热效果良好，能实现整体真彩显示，不同矩阵区域组合实现发白光或某种单色光，以克服现有技术的不足。

本发明是这样实现的：发光二极管阵列芯片结构，包括衬底，在衬底上设有缓冲层，在缓冲层的顶面设有n型层，在缓冲层与n型层之间设有线状平行排列的n型层引线，在n型层上设有与n型层引线位置对应的凸起，该凸起向两侧延伸；在n型层的顶面设有RGB发光层，在RGB发光层、n型层及缓冲层之间设有与n型层引线对应的隔离层Ⅰ，每个隔离层Ⅰ均与对应的n型层引线接触；在RGB发光层的顶面上设有p型层，在p型层的顶面上设有透明电机层，在透明电机层的顶面上设有p型层引线，在p型层与透明电机层之间设有与p型层引线位置对应的隔离层Ⅱ，隔离层Ⅱ与p型层引线接触，在隔离层Ⅱ的顶面设有覆盖了透明电极层，但是露出了p型层引线的钝化保护层。

衬底的材料为蓝宝石单晶衬底或SiC单晶。

所述的n型层中掺入Si，p型层中掺入Mg或Zn。

所述的n型层引线和p型层引线的材料为Mo、Au、Cu、Ag、Ni或Al中的一种或几种的搭配与组合，或者它们的合金，或者金属与合金的搭配与组合。

隔离层、和钝化层采用SiOx、SiNx或SiOxNy绝缘材料制作；透明电极层为原位生长的ITO或IZO。

RGB发光层包括红光区、绿光区及蓝光区，红光区、绿光区及蓝光区呈列条状交替分布，且每一条发光区都对应的向下覆盖一条n型层引线。

发光二极管阵列芯片的制造方法，

步骤一，在衬底的顶面采用MOCVD法沉积缓冲层，并在缓冲层的顶面采用磁控溅射法沉积n型层引线层；

步骤二、在步骤一的基础上对n型层引线层进行光刻和刻蚀，刻蚀深度至缓冲层表面，形成列条状平行排列的n型层引线；

步骤三、在步骤二的基础在缓冲层的顶面采用MOCVD法沉积n型层；

步骤四、在步骤三的基础上在n型层的顶面采用MOCVD法沉积出RGB发光层；

步骤五、在步骤四的基础上从顶部进行光刻和刻蚀，刻蚀深度超过n型层，但不得刻穿缓冲层，形成行条状的n型层和RGB发光层的隔离层沟道，再采用PECVD法沉积绝缘材料，使该隔离层沟道内形成行条状的n型层和RGB发光层的隔离层Ⅰ；

步骤六、在步骤五的基础上采用MOCVD法在RGB发光层的顶面沉积出p型层；然后采用磁控溅射法在p型层的顶面沉积出透明电极层；

步骤七、在步骤六的基础上采用磁控溅射法在透明电极层的顶面沉积出p型层引线层，并对p型层引线层进行光刻和刻蚀，使其形成条状平行排列的p型层引线；

步骤八、在步骤七的基础上从顶部进行光刻和刻蚀，刻蚀深度至蓝光区表面，形成行条状的p型层的隔离层沟道，再采用PECVD法沉积绝缘材料，使p型层的隔离层沟道内形成行条状的隔离层Ⅱ，隔离层Ⅱ与p型层引线接触；

步骤九、在步骤八的基础上采用PECVD法在透明电极层的顶面沉积钝化保护层；

步骤十、在步骤九的基础上对钝化保护层进行光刻和刻蚀，露出n型层引线和p型层引线。

RGB发光层的制作是，采用MOCVD法在n型层的顶面沉积出红光层，并对红光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的红光区；采用MOCVD法在n型层的顶面沉积出绿光层，并对绿光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的绿光区；采用MOCVD法在n型层的顶面沉积蓝光层，并对蓝光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的蓝光区；最终形成红光、绿光、蓝光发光区横向交替分布的RGB发光层。

缓冲层、n型层、RGB发光层及p型层采用MOCVD法沉积，或者采用MBE工艺进行生长；n型层引线、p型层引线及透明电极层采用磁控溅射法或者PECVD法进行沉积；隔离层Ⅰ、隔离层Ⅱ及钝化保护层采用PECVD法进行沉积。

刻蚀的方法采用湿法刻蚀或法刻蚀、以及湿法刻蚀和法刻蚀相结合的方法。

   由于采用了上述的技术方案，与现有技术相比，本发明所制作得到的产品在整体可实现真彩发光、一定发光区域组合方式下实现白光或单色光发射。另外，利用本发明的制备方法可进行产业化生产，具有重要的现实意义。本发明的方法简单，容易实现产业化生产，制作的成本较为低廉，而且所得到的产品具有较好的物理性能及化学稳定性，使用寿命长，制作成本较低，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为在n型层上沉积n型层引线的平面图；

图2为图1中对应A-A剖视图；

图3为生长n型层和RGB发光层的剖视图；

图4为刻蚀n型层和RGB发光层的隔离层Ⅰ的剖视图；

图5为生长p型层和透明电极层的剖视图；

图6为生长p型层引线的平面图；

图7为在图6基础上刻蚀P型层和透明电极层，生长p型层的隔离层和钝化保护层后的剖视图；

图8为刻蚀露出n型层引线（上侧）和p型层引线（右侧）的平面图；

附图标记：

1-衬底、2-缓冲层、3-n型层引线、4-n型层、5-RGB发光层的红光区、6-RGB发光层的绿光区、7-RGB发光层的蓝光区、8-隔离层Ⅰ、9-p型层、10-透明电极层、11-p型层引线、12-隔离层Ⅱ、13-钝化保护层。

具体实施方式

本发明的实施例1：发光二极管阵列芯片结构如图7所示，包括衬底1，在衬底1上设有缓冲层2，在缓冲层2的顶面设有n型层4，在缓冲层2与n型层4之间设有线状平行排列的n型层引线3，在n型层4上设有与n型层引线3位置对应的凸起，该凸起向两侧延伸；在n型层4的顶面设有RGB发光层，RGB发光层包括红光区5、绿光区6及蓝光区7，红光区5、绿光区6及蓝光区7呈列条状交替分布，且每一条发光区都对应的向下覆盖一条n型层引线3；在RGB发光层、n型层4及缓冲层2之间设有与n型层引线3对应的隔离层Ⅰ8，每个隔离层Ⅰ8均与对应的n型层引线3接触；在RGB发光层的顶面上设有p型层9，在p型层9的顶面上设有透明电机层10，在透明电机层10的顶面上设有p型层引线11，在p型层9与透明电机层10之间设有与p型层引线11位置对应的隔离层Ⅱ12，隔离层Ⅱ12与p型层引线11接触，在隔离层Ⅱ12的顶面设有覆盖了透明电极层10，但是露出了p型层引线11的钝化保护层13。

发光二极管阵列芯片的制造方法，

步骤一，采用大面积的整块蓝宝石单晶作为衬底1，将衬底1放入MOCVD设备中，先通入H₂气氛下加热至1100℃烘烤20min；然后在800℃下通入氮气对衬底进行100s的氮化处理，然后通入TMGa（三甲基镓）和氨气在600℃下生长厚度为200nm的缓冲层2，并在缓冲层2的顶面采用磁控溅射法沉积以Cu/Au合金为材料的n型层引线层，沉积金属的厚度为120nm；

步骤二、在步骤一的基础上对n型层引线层进行光刻和刻蚀，刻蚀深度至缓冲层2表面，形成列条状平行排列的n型层引线3，如图1所示；

步骤三、在步骤二的基础上，在600℃的条件下通入TMGa（三甲基镓）、NH₃（氨）和硅源SiH₄（硅烷）下，在缓冲层2的顶面选用GaN为材料，用MOCVD法沉积厚度为2um的n型层4；

步骤四、在步骤三的基础上在n型层4的顶面采用MOCVD法沉积出红光层，在红光层上涂光刻胶，然后对红光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的红光区5；采用MOCVD法在n型层4的顶面沉积出绿光层，在绿光层上涂光刻胶，然后对绿光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的绿光区6；采用MOCVD法在n型层4的顶面沉积蓝光层，在蓝光层上涂光刻胶，然后对蓝光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的蓝光区7；最终形成红光、绿光、蓝光发光区横向交替分布的RGB发光层，如图3所示；（三种发光区域的空间分布按照显示技术上对象素颜色分布的规律和要求排列，并保证三种发光层的厚度基本一致。另外，所述三种发光层的生长顺序是可以调整的）

步骤五、在步骤四的基础上从顶部进行光刻和刻蚀，刻蚀深度超过n型层4，但不得刻穿缓冲层2，形成行条状的n型层和RGB发光层的隔离层沟道，再采用PECVD法沉积绝缘材料，使该隔离层沟道内形成行条状的n型层4和RGB发光层的隔离层Ⅰ8，如图4所示；

步骤六、在步骤五的基础上通入TMGa（三甲基镓）、NH₃（氨）和Cp₂Mg（二茂镁），采用MOCVD法在RGB发光层的顶面沉积出厚度为100nm的p型层9；然后采用磁控溅射法在p型层9的顶面沉积出厚度为200nm的透明电极层10，如图5所示；

步骤七、在步骤六的基础上采用磁控溅射法在透明电极层10的顶面采用Ag作为材料沉积出厚度为120nm 的p型层引线层，并对p型层引线层进行光刻和刻蚀，使其形成条状平行排列的p型层引线11，如图6所示；

步骤八、在步骤七的基础上从顶部进行光刻和刻蚀，刻蚀深度至蓝光区7表面，形成行条状的p型层的隔离层沟道，再采用PECVD法沉积绝缘材料，使p型层的隔离层沟道内形成行条状的隔离层Ⅱ12，隔离层Ⅱ12与p型层引线11接触；

步骤九、在步骤八的基础上采用PECVD法以SiO₂为材料在透明电极层10的顶面沉积钝化保护层13，如图7所示；

步骤十、在步骤九的基础上对钝化保护层13进行光刻和刻蚀，露出n型层引线3和p型层引线11，以供外电路连接，如图8所示。

在上述制作工艺中，刻蚀的方法采用湿法刻蚀或法刻蚀（如增强等离子刻蚀、反应离子刻蚀等）、以及湿法刻蚀和法刻蚀相结合的方法。n型层4中掺入Si，p型层9中掺入Mg；透明电极层10的材料选用原位生长的ITO。

本发明的实施例2：发光二极管阵列芯片的制造方法，

步骤一，在衬底1的顶面采用MBE工艺生长缓冲层2，并在缓冲层2的顶面采用磁控溅射法法沉积n型层引线层；

步骤二、在步骤一的基础上对n型层引线层进行光刻和刻蚀，刻蚀深度至缓冲层2表面，形成列条状平行排列的n型层引线3；

步骤三、在步骤二的基础在缓冲层2的顶面采用MBE工艺进行生长n型层4；

步骤四、在步骤三的基础上在n型层4的顶面采用MBE工艺生长红光层，并对红光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的红光区5；采用MBE工艺在n型层4的顶面生长绿光层，并对绿光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的绿光区6；采用MBE工艺在n型层4的顶面生长蓝光层，并对蓝光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的蓝光区7；最终形成红光、绿光、蓝光发光区横向交替分布的RGB发光层；

步骤五、在步骤四的基础上从顶部进行光刻和刻蚀，刻蚀深度超过n型层4，但不得刻穿缓冲层2，形成行条状的n型层和RGB发光层的隔离层沟道，再采用PECVD法沉积绝缘材料，使该隔离层沟道内形成行条状的n型层4和RGB发光层的隔离层Ⅰ8；

步骤六、在步骤五的基础上采用MBE工艺在RGB发光层的顶面生长p型层9；然后采用磁控溅射法法在p型层9的顶面沉积出透明电极层10；

步骤七、在步骤六的基础上采用磁控溅射法法在透明电极层10的顶面沉积出p型层引线层，并对p型层引线层进行光刻和刻蚀，使其形成条状平行排列的p型层引线11；

步骤八、在步骤七的基础上从顶部进行光刻和刻蚀，刻蚀深度至蓝光区7表面，形成行条状的p型层的隔离层沟道，再采用PECVD法沉积绝缘材料，使p型层的隔离层沟道内形成行条状的隔离层Ⅱ12，隔离层Ⅱ12与p型层引线11接触；

步骤九、在步骤八的基础上采用PECVD法在透明电极层10的顶面沉积钝化保护层13；

步骤十、在步骤九的基础上对钝化保护层13进行光刻和刻蚀，露出n型层引线3和p型层引线11。

在实施例2的制作工艺中，刻蚀的方法采用湿法刻蚀或法刻蚀（如增强等离子刻蚀、反应离子刻蚀等）、以及湿法刻蚀和法刻蚀相结合的方法。衬底1的材料选用SiC单晶；n型层4的材料选用GaN，其中掺入Si，p型层9的材料选用GaN，其中掺入Zn；n型层引线3材料选用Cu，p型层引线11的材料选用Al；隔离层8、12和钝化层的材料选用SiNx或SiOxNy；透明电极层10的材料选用原位生长的IZO。生产工艺的温度、厚度等工艺均按常规进行选择及适当调整。

Claims (10)

1.一种发光二极管阵列芯片结构，包括衬底（1），其特征在于：在衬底（1）上设有缓冲层（2），在缓冲层（2）的顶面设有n型层（4），在缓冲层（2）与n型层（4）之间设有线状平行排列的n型层引线（3），n型层引线（3）形成为列条状，在n型层（4）上设有与n型层引线（3）位置对应的凸起，该凸起向两侧延伸；在n型层（4）的顶面设有RGB发光层，并设有垂直穿过RGB发光层、n型层（4）及缓冲层（2）的隔离层沟道，但隔离层沟道不刻穿缓冲层（2），且在该隔离层沟道设有隔离层Ⅰ（8），每个隔离层Ⅰ（8）均与对应的n型层引线（3）接触；在RGB发光层的顶面上设有p型层（9），在p型层（9）的顶面上设有透明电极层（10），在透明电极层（10）的顶面上设有p型层引线（11），p型层引线形成为条状平行排列，且为行条状，并设有垂直穿过p型层（9）与透明电极层（10）的隔离层沟道，且在该隔离层沟道设有隔离层Ⅱ（12），隔离层Ⅱ（12）与P型层引线（11）的位置对应，隔离层Ⅱ（12）与p型层引线（11）接触，在隔离层Ⅱ（12）的顶面设有覆盖了透明电极层（10），但是露出了p型层引线（11）的钝化保护层（13）。

2.根据权利要求1所述的发光二极管阵列芯片结构，其特征在于：衬底（1）的材料为蓝宝石单晶衬底或SiC单晶。

3.根据权利要求1所述的发光二极管阵列芯片结构，其特征在于：所述的n型层（4）中掺入Si，p型层（9）中掺入Mg或Zn。

4.根据权利要求1所述的发光二极管阵列芯片结构，其特征在于：所述的n型层引线（3）和p型层引线（11）的材料为Mo、Au、Cu、Ag、Ni或Al中的一种或几种的搭配与组合，或者它们的合金，或者金属与合金的搭配与组合。

5.根据权利要求1所述的发光二极管阵列芯片结构，其特征在于：隔离层Ⅰ（8）、隔离层Ⅱ（12）和钝化层（13）采用SiOx、SiNx或SiOxNy绝缘材料制作；透明电极层（10）为原位生长的ITO或IZO。

6.根据权利要求1所述的发光二极管阵列芯片结构，其特征在于：RGB发光层包括红光区（5）、绿光区（6）及蓝光区（7），红光区（5）、绿光区（6）及蓝光区（7）呈列条状交替分布，且每一条发光区都对应的向下覆盖一条n型层引线（3）。

7.一种发光二极管阵列芯片的制造方法，其特征在于：

步骤一，在衬底（1）的顶面采用MOCVD法沉积缓冲层（2），并在缓冲层（2）的顶面采用磁控溅射法沉积n型层引线层；

步骤二、在步骤一的基础上对n型层引线层进行光刻和刻蚀，刻蚀深度至缓冲层（2）表面，形成列条状平行排列的n型层引线（3）；

步骤三、在步骤二的基础在缓冲层（2）的顶面采用MOCVD法沉积n型层（4）；

步骤四、在步骤三的基础上在n型层（4）的顶面采用MOCVD法沉积出RGB发光层；

步骤五、在步骤四的基础上从顶部进行光刻和刻蚀，刻蚀深度超过n型层（4），但不得刻穿缓冲层（2），形成n型层和RGB发光层的隔离层沟道，该隔离层沟道为列条状，再采用PECVD法沉积绝缘材料，使该隔离层沟道内形成列条状的n型层（4）和RGB发光层的隔离层Ⅰ（8）；

步骤六、在步骤五的基础上采用MOCVD法在RGB发光层的顶面沉积出p型层（9）；然后采用磁控溅射法在p型层（9）的顶面沉积出透明电极层（10）；

步骤七、在步骤六的基础上采用磁控溅射法在透明电极层（10）的顶面沉积出p型层引线层，并对p型层引线层进行光刻和刻蚀，使其形成行条状平行排列的p型层引线（11）；

步骤八、在步骤七的基础上从顶部进行光刻和刻蚀，刻蚀深度至RGB发光层表面，形成行条状的p型层的隔离层沟道，再采用PECVD法沉积绝缘材料，使p型层的隔离层沟道内形成行条状的隔离层Ⅱ（12），隔离层Ⅱ（12）与p型层引线（11）接触；

步骤九、在步骤八的基础上采用PECVD法在透明电极层（10）的顶面沉积钝化保护层（13）；

步骤十、在步骤九的基础上对钝化保护层（13）进行光刻和刻蚀，露出n型层引线（3）和p型层引线（11）。

8.根据权利要求7所述的发光二极管阵列芯片的制造方法，其特征在于：RGB发光层的制作是，采用MOCVD法在n型层（4）的顶面沉积出红光层，并对红光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的红光区（5）；采用MOCVD法在n型层（4）的顶面沉积出绿光层，并对绿光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的绿光区（6）；采用MOCVD法在n型层（4）的顶面沉积蓝光层，并对蓝光层进行光刻和刻蚀，形成列条状的蓝光区（7）；最终形成红光、绿光、蓝光发光区横向交替分布的RGB发光层。

9.根据权利要求7所述的发光二极管阵列芯片的制造方法，其特征在于：缓冲层（2）、n型层（4）、RGB发光层及p型层（9）采用MOCVD法沉积，或者采用MBE工艺进行生长；n型层引线（3）、p型层引线（11）及透明电极层（10）采用磁控溅射法或者PECVD法进行沉积；隔离层Ⅰ（8）、隔离层Ⅱ（12）及钝化保护层（13）采用PECVD法进行沉积。

10.根据权利要求7所述的发光二极管阵列芯片的制造方法，其特征在于：刻蚀的方法采用湿法刻蚀或干法刻蚀、以及湿法刻蚀和干法刻蚀相结合的方法。