CN103579461A - 制备晶圆级全彩led显示阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法。该方法包括：步骤A，在衬底上生长GaN材料，制备GaN外延片；步骤B，通过深刻蚀工艺在所述GaN外延片上形成多个独立的LED结构；以及步骤F，对准不同列的LED结构，在蓝宝石衬底背面涂敷不同荧光粉，以形成红、绿、蓝LED芯片，从而形成晶圆级全彩LED显示阵列。本发明制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法由逐列涂覆的荧光粉直接在LED蓝宝石wafer上实现全彩显示，从而实现了晶圆级LED显示阵列的像素尺寸小于500um。

Description

制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法
技术领域
本发明涉及光电器件技术领域，尤其涉及一种制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法。
背景技术
LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用LED发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成大面积显示屏幕，除了具有显著的节能效果外，还具有可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低以及大面积显示等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示领域的主流产品，在信息显示领域得到了广泛应用。
LED以往一般用于室内外超大屏幕显示，目前在体育设施、宣传广告、舞台舞美、会议场所等方面都有较多的应用。未来LED显示技术可能会应用于对画质要求较高的专业领域，随着成本的下降逐渐进入普通家用市场。未来主要的发展趋势包括两个方向：更高画质和高清(更大的像素数量和更小的像素尺寸)、更低成本和更优效率。
实现高清显示的关键技术是实现超小发光像素，需要更小尺寸的LEDRGB全彩发光单元。图1是现有技术全彩LED显示阵列示意图。图2是现有技术全彩LED显示阵列中的全彩LED封装单元结构图。请参照图1和图2，目前RGB全彩封装单元的尺寸为1mm*1mm，采用的是红、绿、蓝三颗正装LED芯片通过固晶和打线工艺封装到PCB版上，PCB板再通过导电通孔工艺将三种芯片的电极从背面引出，形成一个全彩LED封装单元。此全彩LED封装单元再通过COB(chip on board)封装工艺压焊到COB平板上，通过COB平板上的行列布线形成点阵LED显示屏。
在实现本发明的过程中，申请人发现：由于焊料工艺、固晶机对位精度以及导电通孔孔径的限制，使得LED RGB全彩封装单元尺寸小型化受到限制。直接影响到最终LED屏像素分辨率，从而全彩LED屏的像素尺寸无法减小，最小尺寸只能为1mm左右。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法，以减小全彩LED屏的尺寸。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法。该方法包括：步骤A，在衬底上生长GaN材料，制备GaN外延片；步骤B，通过深刻蚀工艺在GaN外延片上形成多个独立的LED结构；以及步骤F，对准不同列的LED结构，在蓝宝石衬底背面涂敷不同荧光粉，以形成红、绿、蓝LED芯片，从而形成晶圆级全彩LED显示阵列。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法具有以下有益效果：
(1)由逐列涂覆的荧光粉直接在LED蓝宝石wafer上实现全彩显示，从而实现了晶圆级LED显示阵列的像素尺寸小于500um；
(2)无需通过COB工艺将一个个封装好的全彩RGB封装单元集成组成阵列，只需涂覆荧光粉即可，大大简化了晶圆级全彩LED显示阵列的制备工艺；
(3)红、绿、蓝三种芯片的正负电极引线分别对应显示屏的数据线和控制线，可以通过LED芯片制备工艺过程中的金属化和钝化工艺实现，进一步简化了制备工艺。
附图说明
图1是现有技术全彩LED显示阵列示意图；
图2是现有技术全彩LED显示阵列中的全彩LED封装单元结构图；
图3是根据本发明实施例制备晶圆级全彩LED显示阵列方法的流程图；
图4是依照图3所示方法制备的晶圆级全彩LED显示阵列的示意图；
图5-1是图4所示晶圆级全彩LED显示阵列沿AA′截面的剖视图；
图5-2是图4所示晶圆级全彩LED显示阵列沿BB′截面的剖视图。
[主要元件]：
1-蓝宝石衬底；    2-GaN缓冲层；    3-不掺杂GaN层；
4-N-GaN；         5-多量子井层；   6-P-GaN；
7-第一层SiO2；    8-P电极；        9-N电极；
10-第二层SiO2；   11-数据线电极；  12-红色荧光粉；
13-绿色荧光粉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法中，组成LED显示阵列的全彩LED封装单元不是由红、绿和蓝三颗独立芯片组成，而是通过蓝光芯片上分别涂敷红色和绿色荧光粉形成红光芯片和绿光芯片，它们与蓝光芯片共同组成一个全彩RGB封装单元，从而可以减小全彩LED屏的像素尺寸，简化制备工艺。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法。图3是根据本发明实施例制备晶圆级全彩LED显示阵列方法的流程图。图4是依照图3所示方法制备的晶圆级全彩LED显示阵列的示意图。图5-1是图4所示晶圆级全彩LED显示阵列沿AA′截面的剖视图。图5-2是图4所示晶圆级全彩LED显示阵列沿BB′截面的剖视图。请参阅图3、图4、图5-1、图5-2所示，本实施例包括如下步骤：
步骤A：在衬底1上生长GaN材料，制备GaN外延片；
本实施例中，衬底1为蓝宝石衬底，但本发明并不以此为限，该衬底还可以为SiC、Si、GaN等。
生长GaN材料采用现有技术方法，典型的方法为：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法，在衬底1上依次生长1μm的低温GaN缓冲层2、1μm的不掺杂GaN层3、3μm的N-GaN层4、150nm的多量子阱发光层5和300nm的P-GaN层6，形成GaN外延片，其中所述衬底1为蓝宝石。
步骤B，对GaN外延片进行ICP深刻蚀工艺，在GaN外延片上形成多个独立的LED结构；
该步骤B又包括：
子步骤B1，在GaN外延片上采用PECVD(等离子增强型化学气相淀积法)淀积SiO2薄膜，作为ICP深刻蚀的掩膜；
本子步骤中，PECVD的各项参数为：温度为300℃，功率40～70W，压力500～700mtorr，N2O800～1000sccm，SiH4400～600sccm，N2400～600sccm，薄膜厚度
Figure BDA0000410969690000041
时间13～26min；
子步骤B2，在SiO2薄膜上涂敷光刻胶，光刻腐蚀SiO2，露出ICP深刻蚀的跑道位置，跑道将GaN外延片分割成多个独立的LED结构；
经由ICP深刻蚀形成的多个独立的LED结构为正方形或长方形，它们在整个基片上按行列整齐排布；
子步骤B3，对GaN外延片进行ICP深刻蚀，刻蚀掉跑道中的GaN材料，露出蓝宝石衬底。
本子步骤中，ICP深刻蚀的各项参数为：刻蚀气体为Cl2、BCl3、Ar2，其中Cl2流量为30-100sccm，BCl3流量为10-20sccm，Ar2流量为15-25sccm；刻蚀功率为400-700W；射频功率为100-200W；刻蚀时间为20～40min；刻蚀深度7um。
步骤C，对多个独立的LED结构进行ICP台面刻蚀，形成多个独立的正装LED芯片(未制备PN电极、未切割)；
该步骤C又包括：
子步骤C1，继续以SiO2为掩膜对多个独立的LED结构进行台面刻蚀，采用ICP刻蚀每个独立的LED结构的一侧位置，刻蚀掉一侧的P-GaN和量子阱，形成台面41，后续在台面上制备N电极；
该台面41的刻蚀深度1200nm～1600nm，刻蚀时间为10-15min，去除SiO2掩膜(采用氢氟酸腐蚀)；
子步骤C2，刻蚀了台面和跑道的GaN外延片上，继续采用PECVD淀积一层SiO2薄膜作为第一绝缘层7，薄膜厚度
Figure BDA0000410969690000051
涂敷光刻胶，光刻腐蚀SiO2，在每个独立的正装LED芯片的内部侧壁和外部侧壁都覆盖SiO2作为绝缘保护。
步骤D，制作正装LED芯片的P电极和晶圆级全彩LED显示阵列的控制线电极；
将每行正装LED芯片的P电极相连从基片两侧引出形成晶圆级全彩LED显示阵列的控制线电极。本发明中正装LED芯片的P电极和晶圆级全彩LED显示阵列的控制线电极采用光刻和蒸镀工艺可以同步制备出来。选用负型光刻胶L-300光刻出P电极8(未经台面刻蚀的那部分材料结构)和每行P电极相连的部分，采用电子束蒸发法蒸镀金属NiAgPtAu(
Figure BDA0000410969690000052
)，剥离光刻胶后形成每个正装LED器件的P电极8和晶圆级全彩LED显示阵列的控制线电极。
步骤E，制作正装LED芯片的N电极和晶圆级全彩LED显示阵列的数据线电极；
该步骤E又包括：
子步骤E1，选用负型光刻胶L-300在台面41位置光刻N电极9；
采用电子束蒸发法蒸镀金属Cr/Pt/Au(
Figure BDA0000410969690000053
)，剥离后形成N电极9；
子步骤E2，在已制备好正装LED芯片PN电极的基片上继续采用PECVD淀积一层SiO2薄膜作为第二绝缘层10，薄膜厚度
Figure BDA0000410969690000054
涂敷光刻胶，光刻腐蚀SiO2，露出N电极，以便下步每列N电极之间串连形成数据线电极；
第二层绝缘层10的作用是保护LED阵列中的P电极和每行的控制线电极，防止与后续制备的列数据线电极短路。
子步骤E3：选用负型光刻胶L-300光刻晶圆级全彩LED显示阵列的数据线电极11，在跑道中光刻出晶圆级全彩LED显示阵列中的列线，并与每列上管芯中的N电极相连。采用电子束蒸发法蒸镀金属Cr/Pt/Au(
Figure BDA0000410969690000061
)，剥离后形成LED阵列的数据线11。
步骤F，对准不同列的正装LED芯片，在蓝宝石衬底背面涂敷不同荧光粉，形成红、绿、蓝LED芯片，从而形成晶圆级全彩LED显示阵列。
该步骤F又包括：
子步骤F1，对蓝宝石衬底背面进行减薄抛光；
子步骤F2，在减薄抛光后的蓝宝石衬底背面，对准正面的每列管芯，分别涂覆红色荧光粉、绿色荧光粉和不涂荧光粉。红色荧光粉激发蓝光LED发出红光，绿色荧光粉激发蓝光LED发出绿光光，于是形成按列依次排布的红、绿、蓝LED管芯。
具体做法是：在蓝宝石衬底背面放置mask模版，模版上有一列列镂空列线条，模版与蓝宝石衬底正面的每列管芯对准，每隔两列管芯的距离有一条镂空列线。先在镂空列线中喷涂红色荧光粉12，200度固化后再将mask模板平移到相邻的一列管芯对准，再对镂空列线中喷涂绿色荧光粉13，200度固化绿色荧光粉。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)各色荧光粉固化的温度可以根据需要进行设定；
(2)制备P电极，N电极的材料和方法可以根据需要进行设定。
综上所述，通过本发明方法制备的晶圆级全彩LED显示阵列，不仅像素尺寸小于500um，而且没有芯片的固晶、打线工艺以及COB封装工艺，大大降低了成本，提高了可靠性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备晶圆级全彩LED显示阵列的方法，其特征在于，包括：
步骤A，在衬底上生长GaN材料，制备GaN外延片；
步骤B，通过深刻蚀工艺在所述GaN外延片上形成多个独立的LED结构；以及
步骤F，对准不同列的LED结构，在蓝宝石衬底背面涂敷不同荧光粉，以形成红、绿、蓝LED芯片，从而形成晶圆级全彩LED显示阵列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤F包括：
子步骤F1，对所述衬底的背面进行减薄抛光；
子步骤F2，在减薄抛光后的衬底背面，对准正面的每列管芯，依次分别涂覆红色荧光粉、涂覆绿色荧光粉和不涂荧光粉，从而形成按列依次排布的所述红、绿、蓝LED管芯。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子步骤F2具体包括：
在所述衬底背面放置模版，该模版上有一列列镂空列线条，模版与每列管芯对准，每隔两列管芯的距离有一条镂空列线；
在镂空列线中喷涂红色荧光粉，并通过加热固化所述红色荧光粉；
将所述模板平移到相邻的一列管芯对准，再对镂空列线中喷涂绿色荧光粉，并通过加热固化所述绿色荧光粉。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤F之前还包括：
步骤C，对多个独立的LED结构进行ICP台面刻蚀，形成多个独立的正装LED芯片；
步骤D，制作所述正装LED芯片的P电极和所述晶圆级全彩LED显示阵列的控制线电极；
步骤E，制作所述正装LED芯片的N电极和所述晶圆级全彩LED显示阵列的数据线电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括：
子步骤C1，对多个独立的LED结构进行台面刻蚀，在每个独立的LED结构的一侧位置，形成台面；
子步骤C2，在刻蚀了台面和跑道的GaN外延片上，淀积一层SiO2薄膜作为第一绝缘层，涂敷光刻胶，光刻腐蚀SiO2，在每个独立的正装LED芯片的内部侧壁和外部侧壁都覆盖SiO2作为绝缘保护。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤D包括：选用光刻胶光刻出P电极和每行P电极相连的部分，沉积金属电极材料，剥离光刻胶后形成每个正装LED器件的P电极和晶圆级全彩LED显示阵列的控制线电极。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤E包括：
子步骤E1，选用光刻胶在台面位置光刻N电极；
子步骤E2，淀积一层SiO2薄膜作为第二绝缘层，涂敷光刻胶，光刻腐蚀SiO2，露出N电极；
子步骤E3：选用光刻胶光刻晶圆级全彩LED显示阵列的数据线电极，在跑道中光刻出LED阵列中的列线，并与每列上正装LED芯片中的N电极相连，沉积金属电极材料，剥离光刻胶后形成晶圆级全彩LED显示阵列的数据线。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：在衬底上依次生长低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、N-GaN层、多量子阱发光层和P-GaN层，形成GaN外延片。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括：
子步骤B1，在GaN外延片上淀积SiO2薄膜，作为ICP深刻蚀的掩膜；
子步骤B2，在SiO2薄膜上涂敷光刻胶，光刻腐蚀SiO2，露出ICP深刻蚀的跑道位置，跑道将GaN外延片分割成多个独立的LED结构；
子步骤B3，对GaN外延片进行ICP深刻蚀，刻蚀掉跑道中的GaN材料，露出蓝宝石衬底。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底选自于以下衬底中的一种：蓝宝石、SiC、Si、GaN。
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