CN105304768B - 在积层电路板上直接磊晶生长多色led的方法及应用 - Google Patents
在积层电路板上直接磊晶生长多色led的方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种在积层电路板上直接磊晶生长多色发光二极管LED的方法,其特征在于,所述积层电路板的上表面具有在积层电路板的金属焊盘电极上淀积的晶格适配层,所述方法包括:在所述积层电路板上表面的第一区域物理气相沉积无机绝缘层;在未被所述无机绝缘层覆盖的除第一区域外的第二区域上生长单色LED;刻蚀第一区域的无机绝缘层;在所述积层电路板上表面的第二区域物理气相沉积无机绝缘层;在未被所述无机绝缘层覆盖的除第二区域外的第一区域上生长单色LED;刻蚀第二区域的无机绝缘层;其中所述第一区域内包括一部分晶格适配层,所述第二区域内包括另一部分晶格适配层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域,尤其涉及一种在积层电路板上直接磊晶生长多色LED的方法及应用。
背景技术
半导体发光二极管(LED,Light Emitting Diode)的应用领域在今年来有着巨幅的扩展,其中,成长最快也最具潜力的市场是液晶显示屏(LCD)的背光应用。
在一般LED视频显示板制造过程中,由于受制于一般性电子加工的后工序,譬如需要对LED晶片先实施封装,然后再进行双列直插式(dual inline-pin package,DIP)封装或表面贴装技术(Surface Mount Technology,SMT)组装等等,限制了LED超小晶片的发展(LED超小晶片:是指尺寸在300μm~0.1μm的纳米级晶片)。而这正是LED在超高密度领域内发挥其超高亮、长寿命、性能稳定等优势以覆盖高分辨率的视频显示领域的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种在积层电路板上直接磊晶生长多色LED的方法及应用,能够在具有晶格适配层的LED积层电路板上直接进行多色LED磊晶生长,相比传统的积层电路板与LED分开制备再进行集成的工艺,简化了工艺步骤,同步生长的多个LED具有更好的性能单一性,并且尺寸间距控制更加精确。
第一方面,本发明实施例提供了一种在积层电路板上直接磊晶生长多色发光二极管LED的方法,所述积层电路板的上表面具有在积层电路板的金属焊盘电极上淀积的晶格适配层,所述方法包括:
在所述积层电路板上表面的第一区域物理气相沉积无机绝缘层;
在未被所述无机绝缘层覆盖的除第一区域外的第二区域上生长单色LED;
刻蚀第一区域的无机绝缘层;
在所述积层电路板上表面的第二区域物理气相沉积无机绝缘层;
在未被所述无机绝缘层覆盖的除第二区域外的第一区域上生长单色LED;
刻蚀第二区域的无机绝缘层;
其中所述第一区域内包括一部分晶格适配层,所述第二区域内包括另一部分晶格适配层;
其中,所述积层电路板为无机积层电路板。
优选的,所述生长单色LED的步骤包括:
对所述积层电路板的上表面进行研磨和清洗;
对所述积层电路板的上表面进行离子注入,以使所述晶格适配层具有导电性能;
对所述积层电路板的上表面进行研磨,用以去除离子注入造成的损伤层;
对所述积层电路板的上表面进行感应耦合等离子体ICP刻蚀,粗化所述积层电路板的上表面,用以形成凸起的球状岛,增加晶格生长的扣合力;
金属有机化学气相淀积MOCVD生长N型LED材料层并进行图形化刻蚀;所述图形化刻蚀后保留的N型LED材料层位于第一晶格适配层之上;
对所述积层电路板的上表面进行ICP,粗化所述积层电路板的上表面,用以形成凸起的球状岛,增加晶格生长的扣合力;
MOCVD生长P型LED材料层;
台面MESA光刻和刻蚀,在所述P型LED材料层上形成隔离槽,以使所述N型LED材料层和P型LED材料层构成多个独立PN结结构;其中,所述刻蚀后保留的P型LED材料层位于N型LED材料层和第二晶格适配层之上。
进一步优选的,所述LED材料层包括:AlGaAs、AlGaP、AlGaInP、GaAsP、GaP、GaN和InGaN中的任一种。
优选的,所述方法还包括:
图形化淀积无机绝缘层,用以填充所述隔离槽;
所述无机绝缘层包括SiO2。
进一步优选的,所述方法还包括:
对所述积层电路板的下表面进行研磨和清洗;
对所述积层电路板的下表面进行SiO2刻蚀,露出用于与外部芯片或电路进行电连接的接触电极。
第二方面,本发明实施例提供了一种应用上述第一方面所述的在积层电路板上直接磊晶生长多色发光二极管LED的方法制备的多色LED磊晶电路板。
第三方面,本发明实施例提供了一种包括上述第二方面所述的多色LED磊晶电路板的LED显示模组。
优选的,所述多色LED显示模组还包括:晶片支架、接口装置、专用集成电路芯片、散热层和散热盖板;
所述多色LED磊晶电路板顶部为出光面,顶部向上设置于所述晶片支架内,所述专用集成电路芯片倒装设置于所述封装基板的底面,通过所述散热层和所述散热盖板固定于所述晶片支架内;所述接口装置设置于所述封装基板的底面与所述散热盖板之间的晶片支架内,并通过所述散热盖板上具有的开口向外露出;
所述多色LED磊晶电路板与所述专用集成电路芯片电连接;所述封装基板通过所述接口装置与外部电路进行电连接。
本发明实施例提供的在积层电路板上直接磊晶生长多色LED的方法及应用,通过采用MOCVD的方法在具有晶格适配层的LED积层电路板上直接进行多色LED磊晶生长,相比传统的积层电路板与LED分开制备再进行集成的工艺,简化了工艺步骤,同步生长的多个LED具有更好的单一性,并且尺寸间距控制更加精确。
附图说明
图1为本发明实施例提供的在积层电路板上直接磊晶生长多色LED的方法;
图2为本发明实施例提供的RGB三色LED生长过程示意图之一;
图3为本发明实施例提供的RGB三色LED生长过程示意图之二;
图4为本发明实施例提供的RGB三色LED生长过程示意图之三;
图5为本发明实施例提供的RGB三色LED生长过程示意图之四;
图6为本发明实施例提供的生长方法中单色LED的生长方法步骤图;
图7为本发明实施例提供的单色LED生长的步骤示意图之一;
图8为本发明实施例提供的单色LED生长的步骤示意图之二;
图9为本发明实施例提供的单色LED生长的步骤示意图之三;
图10为本发明实施例提供的单色LED生长的步骤示意图之四;
图11为本发明实施例提供的单色LED生长的步骤示意图之五;
图12为本发明实施例提供的单色LED生长的步骤示意图之六;
图13为本发明实施例提供的单色LED生长的步骤示意图之七;
图14为本发明实施例提供的单色LED生长的步骤示意图之八;
图15为本发明实施例提供的多色LED磊晶电路板的LED的特性变化曲线图;
图16为本发明实施例提供的多色LED磊晶电路板的LED的光强和发光角度的示意图;
图17为本发明实施例提供的多色LED显示模组。
具体实施方式
本发明提供的在LED积层电路板上生长多色LED的方法,主要用于LED显示屏,超小间距LED显示屏,超高密度LED显示屏,LED正发光电视,LED正发光监视器,LED视频墙,LED指示,LED特殊照明等领域的显示面板制造。
为了更好的理解本发明,下面首先对本发明磊晶生长LED所用的积层电路板进行简单介绍。
本发明磊晶生长LED所用的积层电路板为采用发明专利:申请号201410217344.8所提供的制备方法制备得到的无机积层电路板。采用无机物SiC作为基板,在基板上制备导电层和绝缘层,并在最外导电层上制备晶格适配层,为后续直接在LED积层电路板上生长LED晶片提供了可能。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的在积层电路板上直接磊晶生长发光二极管LED的方法流程图。
步骤110,在所述积层电路板上表面的第一区域物理气相沉积无机绝缘层;
步骤120,在未被所述无机绝缘层覆盖的除第一区域外的第二区域上生长单色LED;
其中,单色LED生长的步骤在后续会有详细说明。
步骤130,刻蚀第一区域的无机绝缘层;
步骤140,在所述积层电路板上表面的第二区域物理气相沉积无机绝缘层;
步骤150,在未被所述无机绝缘层覆盖的除第二区域外的第一区域上生长单色LED;
步骤160,刻蚀第二区域的无机绝缘层;其中所述第一区域内包括一部分晶格适配层,所述第二区域内包括另一部分晶格适配层。
步骤170,对所述积层电路板的下表面进行研磨和清洗;
具体的,在执行所述步骤170之前,还需要在积层电路板的上表面制作保护层,防止在对下表面进行研磨时,对上表面造成物理损伤。
步骤180,对所述积层电路板的下表面进行SiO2刻蚀,露出用于与外部芯片或电路进行电连接的接触电极。
在步骤180之后,还需要对步骤170之前所制作的积层电路板上表面的保护层进行去除,以便后续对制备完成的生长有多色LED的LED磊晶电路板进行性能检测。
下面以图2至图5所示的RGB三色LED生长过程为具体实例对本发明上述方法进行详细说明。
首先如图2所示,在积层电路板上表面除绿色LED生长区域(图中B所示,后续简称B区)外的红色LED生长区域(图中R所示,后续简称R区)和绿色LED生长区域(图中G所示,后续简称G区)物理气相沉积无机绝缘层,无机绝缘层的材料可以是SiO2。在未被无机绝缘层覆盖的B区上生长蓝色LED。生长过程具体在后续会进行详细说明。用光刻胶做出Mesa图形,预留出LED之间的绝缘隔离位。刻蚀R区、G区的无机绝缘层。
其次如图3所示,在积层电路板上表面除G区外的R区和B区物理气相沉积无机绝缘层,无机绝缘层的材料可以是SiO2。在未被无机绝缘层覆盖的G区上生长绿色LED。生长过程具体在后续会进行详细说明。用光刻胶做出Mesa图形,预留出LED之间的绝缘隔离位。刻蚀R区和B区的无机绝缘层。
最后如图4所示,在积层电路板上表面除R区外的G区和B区物理气相沉积无机绝缘层,无机绝缘层的材料可以是SiO2。在未被无机绝缘层覆盖的R区上生长红色LED。生长过程具体在后续会进行详细说明。用光刻胶做出Mesa图形,预留出LED之间(R区与另一LED单元的B区之间)的绝缘隔离位(图中未示出)。刻蚀G区和B区的无机绝缘层后的示意图如图5所示。
上述的单色LED的生长步骤如图6所示。图6为本发明实施例提供的生长方法中单色LED的生长方法步骤图。
图7至图14为在积层电路板上直接磊晶生长LED的步骤示意图,如图6所示,并结合图7至图14,所述方法包括如下步骤:
步骤601,对所述积层电路板的上表面进行研磨和清洗;
具体的,积层电路板的结构如图7所示,研磨可以采用半导体制程的常规研磨工艺,例如化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP),对积层电路板上表面的SiO2保护层进行平整化,并在研磨后进行表面清洗。
步骤602,对所述积层电路板的上表面进行离子注入,以使所述晶格适配层具有导电性能;
具体的,通过离子注入的方式,对积层电路板上表面的晶格适配层进行掺杂,掺杂后的晶格适配层具有导电性能,如图8所示。在一个具体的例子中,晶格适配层为SiC,可以是掺杂的或者不掺杂的,使之具有良好的导电性能。注入后的掺杂离子浓度和掺杂杂质分布根据实际需求而定。积层电路板上表面的SiO2保护层在离子注入中起到阻挡层的作用。因此,离子注入是仅针对晶格适配层的。
步骤603,对所述积层电路板的上表面进行研磨,用以去除离子注入造成的损伤层;
具体的,离子注入会造成晶格适配层表面的晶格结构损伤,因此,在注入之后需要对积层电路板的上表面进行研磨,以去除表面的损伤层。
步骤604,对所述积层电路板的上表面进行感应耦合等离子体ICP刻蚀,粗化所述积层电路板的上表面,用以形成凸起的球状岛,增加晶格生长的扣合力;
具体的,如图9所示,利用ICP刻蚀粗化积层电路板的上表面,在晶格适配层上形成凸起的小冠球状岛,目的是为了增加长晶扣合力,为后续的磊晶做准备。
步骤605,金属有机化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)生长N型LED材料层并进行图形化刻蚀;所述图形化刻蚀后保留的N型LED材料层位于第一晶格适配层之上;
具体的,MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术,是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
本发明中,如图10所示,采用MOCVD工艺,在积层电路板上表面的晶格适配层上生长N型LED材料层,生长出的N型LED材料层的晶格结构与作为其磊晶衬底的SiC的晶格结构完全适配。并且,生长完成后,对N型LED材料层进行图形化刻蚀,以形成LED的N型区域。
N型LED材料层可以为AlGaAs、AlGaP、AlGaInP、GaAsP、GaP、GaN和InGaN中的任一种。也可以是其他的LED材料制备常用的无机化合物。不同的材料决定了LED的发光颜色,可以根据实际需要而选取所需要的材料进行生长。
步骤606,对所述积层电路板的上表面进行ICP刻蚀,粗化所述积层电路板的上表面,用以形成凸起的球状岛,增加晶格生长的扣合力;
具体的,对积层电路板上表面再进行ICP刻蚀,粗化积层电路板的上表面,在其上表面形成凸起的小冠球状岛,目的是为了增加长晶扣合力,为后续的磊晶做准备。
步骤607,MOCVD生长P型LED材料层;
具体的,如图11所示,采用MOCVD工艺,在积层电路板上表面的晶格适配层上,以及前步生长的N型LED材料层的上表面之上生长P型LED材料层。生长出的P型LED材料层的晶格结构与作为其磊晶衬底的SiC的晶格结构以及N型LED材料层的晶格结构完全适配。
P型LED材料层可以为AlGaAs、AlGaP、AlGaInP、GaAsP、GaP、GaN和InGaN中的任一种。也可以是其他的LED材料制备常用的无机化合物。不同的材料决定了LED的发光颜色,可以根据实际需要而选取所需要的材料进行生长。
步骤608,台面(MESA)光刻和刻蚀,在所述P型LED材料层上形成隔离槽,以使所述N型LED材料层和P型LED材料层构成多个独立PN结结构;其中,所述刻蚀后保留的P型LED材料层位于N型LED材料层和第二晶格适配层之上。
具体的,如图12所示,采用MESA光刻和刻蚀,在P型LED材料层上形成隔离槽;隔离槽用于隔开多个N型LED材料层、P型LED材料层重复结构,使每个N型LED材料层和P型LED材料层的区域形成一个独立的PN结结构。其中,第一晶格适配层和第二晶格适配层为相邻的两个晶格适配层,他们分别与N型LED材料层和P型LED材料层相接构成LED的N型区域和P型区域。
步骤609,图形化淀积SiO2,用以填充所述隔离槽。
具体的,如图13所示,在前步刻蚀出的隔离槽中,填充SiO2,用以形成多个LED之间的隔离结构。
上述步骤实现了在积层电路板上表面的晶格适配层上直接通过MOCVD的方法制备LED,为了使积层电路板具有与外部芯片或者电路进行电连接的功能,还需要执行下述步骤,用以在积层电路板的下表面露出与外部芯片或电路进行电连接的接触电极。
具体的,如图14所示,积层电路板下表面的SiO2层内具有在积层电路板制备过程中就预先制备好的接触电极,只需将SiO2层刻蚀掉即可露出接触电极。刻蚀可以采用等离子刻蚀或反应离子刻蚀的方法进行。
本发明实施例提供的在积层电路板上直接磊晶生长多色LED的方法,通过采用MOCVD的方法在具有晶格适配层的LED积层电路板上直接进行多色LED磊晶生长,相比传统的积层电路板与LED分开制备再进行集成的工艺,简化了工艺步骤,同步生长的多个LED具有更好的单一性,并且尺寸间距控制更加精确。
本发明实施例应用上述方法进行磊晶制备的多色LED磊晶电路板,其电气性能满足一般LED的伏安特性,光电特性等要求。
主要参数如下表所示:
表1
亮度级别(MCD)
J | K | M | N | P | Q |
-∠0.1 | ∠0.1-0.16 | 0.16-0.24 | 0.24-0.3 | 0.3-0.5 | 0.5-0.7 |
R | S | T | U | V | W |
0.7-1.0 | 1.0-1.5 | 1.5-2.1 | 2.1-3.1 | 3.1-4.4 | 4.4-6.3 |
表2
其LED的特性变化曲线具体可如图15所示,光强和发光角度的示意图如图16所示。
相应的,利用本发明实施例1提供的方法制备的多色LED磊晶电路板可以应用于多色LED显示模组中。图17为本发明实施例提供的多色LED显示模组的剖面图。如图17所示,多色LED显示模组包括:LED磊晶电路板4、晶片支架3、接口装置6、专用集成电路芯片9、散热层8和散热盖板10;
需要说明的是,在图17中LED材料层仅以GaN为例示出,在实际应用中,可以根据对LED色彩的需要而选择多种材料的LED材料层。
LED磊晶电路板4设置于晶片支架3之上,其上表面的P-GaN之上覆盖有陶瓷釉层2,用于加强LED磊晶电路板的散热性能;专用集成电路芯片9倒装设置于封装基板4的底面,通过BGA工艺或利用粘合层工艺与LED磊晶电路板4的接触电极41相连接,并通过散热层8和散热盖板10协助专用集成电路芯片9散热;接口装置6设置于封装基板4的底面与散热盖板10之间的晶片支架3内,并通过散热盖板10上具有的开口101向外露出。
LED磊晶电路板4通过接口装置6与外部电路进行电连接。接口装置6可以是标准USB接口或者兼容电源和数据通信的USB接口。接口装置6通过胶结与LED磊晶电路板4连接。接口装置6内具有连接外部电路的电连接线(图中未示出),例如电线、插针或其他形式的用于电连接的电连接线。LED磊晶电路板4和专用集成电路芯片9与接口装置6中的电连接线相连接,从而实现与外部电路的电连接。
散热盖板10与专用集成电路芯片9之间还具有散热层8,优选的,散热层8为硅散热胶制成;散热盖板10为铝质盖板。
本实施例的LED显示模组还包括固定件7,该固定件7可以是磁性安装嵌件,当然也可以采用其他方式的安装嵌件作为固定件7。散热盖板10通过固定件7紧固于晶片支架3上。
本实施例多色LED显示模组还包括保护膜1,覆盖于陶瓷釉层2之上。保护模1优选为兼有光学栅格功能的保护膜。
本发明实施例的多色LED显示模组,具有更好的性能单一性,并且LED的尺寸间距控制更加精确,增强了人眼观看的舒适度。
以上所述的具体实施方式,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方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,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 (7)
1.一种在积层电路板上直接磊晶生长多色发光二极管LED的方法,其特征在于,所述积层电路板的上表面具有在积层电路板的金属焊盘电极上沉积的晶格适配层,所述方法包括:
在所述积层电路板上表面的第一区域物理气相沉积无机绝缘层;
在未被所述无机绝缘层覆盖的除第一区域外的第二区域上生长单色LED;
刻蚀第一区域的无机绝缘层;
在所述积层电路板上表面的第二区域物理气相沉积无机绝缘层;
在未被所述无机绝缘层覆盖的除第二区域外的第一区域上生长单色LED;
刻蚀第二区域的无机绝缘层;
其中所述第一区域内包括一部分晶格适配层,所述第二区域内包括另一部分晶格适配层;
其中,所述积层电路板为无机积层电路板;
其中,所述生长单色LED的步骤包括:
对所述积层电路板的上表面进行研磨和清洗;
对所述积层电路板的上表面进行离子注入,以使所述晶格适配层具有导电性能;
对所述积层电路板的上表面进行研磨,用以去除离子注入造成的损伤层;
对所述积层电路板的上表面进行感应耦合等离子体ICP刻蚀,粗化所述积层电路板的上表面,用以形成凸起的球状岛,增加晶格生长的扣合力;
金属有机化学气相淀积MOCVD生长N型LED材料层并进行图形化刻蚀;所述图形化刻蚀后保留的N型LED材料层位于第一晶格适配层之上;
对所述积层电路板的上表面进行ICP刻蚀,粗化所述积层电路板的上表面,用以形成凸起的球状岛,增加晶格生长的扣合力;
MOCVD生长P型LED材料层;
台面MESA光刻和刻蚀,在所述P型LED材料层上形成隔离槽,以使所述N型LED材料层和P型LED材料层构成多个独立PN结结构;其中,所述刻蚀后保留的P型LED材料层位于N型LED材料层和第二晶格适配层之上。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述LED材料层包括:AlGaAs、AlGaP、AlGaInP、GaAsP、GaP、GaN和InGaN中的任一种。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
图形化淀积无机绝缘层,用以填充所述隔离槽;
所述无机绝缘层包括SiO2。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
对所述积层电路板的下表面进行研磨和清洗;
对所述积层电路板的下表面进行SiO2刻蚀,露出用于与外部芯片或电路进行电连接的接触电极。
5.一种应用上述权利要求1所述的在积层电路板上直接磊晶生长多色发光二极管LED的方法制备的多色LED磊晶电路板。
6.一种包括上述权利要求5所述的多色LED磊晶电路板的多色LED显示模组。
7.根据权利要求6所述的多色LED显示模组,其特征在于,所述多色LED显示模组还包括:晶片支架、接口装置、专用集成电路芯片、散热层和散热盖板;
所述多色LED磊晶电路板顶部为出光面,顶部向上设置于所述晶片支架内,所述专用集成电路芯片倒装设置于封装基板的底面,通过所述散热层和所述散热盖板固定于所述晶片支架内;所述接口装置设置于所述封装基板的底面与所述散热盖板之间的晶片支架内,并通过所述散热盖板上具有的开口向外露出;
所述多色LED磊晶电路板与所述专用集成电路芯片电连接;所述封装基板通过所述接口装置与外部电路进行电连接。
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