CN106449661B - 一种GaN基LED与TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种TFT与GaN基LED异质单片集成的LED微显示像素单元结构，该结构由GaN基LED结构与TFT结构两部分组成：GaN基LED在蓝宝石衬底依次外延生长u‑GaN缓冲层、n‑GaN层、InGaN/GaN量子阱有源层、p‑GaN层、InGaN基接触层；TFT结构是在已经制作成LED芯片单元结构上面进行生长，依次生长绝缘层、TFT源极（也是LED的P电极）、TFT漏极、半导体层作为TFT有源层、栅极绝缘层、栅极。本发明实现了LED与TFT集成到同一衬底上，实现异质单片集成TFT直接调制LED灰度，提升LED微显示的电学稳定性和集成度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制作技术及显示领域，尤其涉及一种GaN基LED与TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构。
背景技术
LED工作耗电小，发光亮度高，对人体辐射小，寿命长，能够在极端环境下工作，属于节能环保型材料。根据红绿蓝三原色，可以将LED光源进行不同光色组合，实现图像显示。LED作为一种微型阵列器件，还具有响应时间短、调制带宽高等特点，在微显示以及通信领域都具有很广阔的应用前景。
LED显示分为无源寻址结构和有源寻址结构两大类，对于无源寻址比较适合小区域的显示，当显示区域增大使得驱动电压增大，同时增加像素点之间的串扰，降低显示质量。在有源寻址结构中，像素点的亮度和灰度由有源器件如场效应薄膜晶体管（TFT）控制，具有消除像素点之间的串扰，提高显示分辨率，使像素点亮度更加均匀，高阶的灰度提高显示质量等优点。
因此为了利用LED实现更好的显示功能以及提高集成度，目前已经存在的关于实现LED显示功能如利用倒装焊工艺实现LED微型阵列和CMOS集成电路的混合集成；以及将从蓝宝石衬底转移LED到硅衬底，实现集成电路与LED的集成，并运用到可穿戴电子设备显示中。
发明内容
为了更大提高LED显示的集成度，提高LED显示技术工艺的成品率，本发明提出一种GaN基LED与TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构，将LED和TFT生长在同一衬底上，实现LED和TFT的异质单片集成，以此来实现LED微显示，且提高LED微显示的稳定性和可靠性，提高有源寻址光电集成显示器件的性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种GaN基LED和TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构，该结构由GaN基LED结构和TFT结构两部分组成，其中TFT结构生长在GaN基LED结构表面上，其中TFT结构和GaN基LED结构之间生长有绝缘层作为两个结构的隔离层。本发明实现了LED与TFT集成到同一衬底上，实现异质单片集成TFT直接调制LED发光亮度，提升LED微显示的电学稳定性和集成度。
优选地，所述GaN基LED结构包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上依次外延生长u-GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱有源层、p-GaN层和InGaN接触层。
优选地，所述TFT结构是生长在GaN基LED结构的InGaN接触层表面，依次生长绝缘层、TFT源极、TFT漏极、TFT有源层、TFT栅极绝缘层和TFT栅极，其中TFT有源层作为导电沟道，采用半导体材料，TFT源极还作为LED的P电极（即TFT源极和LED的P电极共用电极）。其中的TFT栅极绝缘层还可以作为TFT漏极和LED的n电极的保护层。
优选地，所述TFT源极、TFT漏极通过绝缘层开孔沉积金属，其中沉积金属可为铝Al金属、钛Ti金属或铝钛混合金属，可根据实际情况对沉积金属层厚度及材料作出相应调整。另外，TFT栅极是通过沉积金属形成的，TFT栅极用于控制TFT的开关以及导通电阻，其中沉积金属可为铝Al金属、钛Ti金属或铝钛混合金属，也可根据实际情况对沉积金属层厚度及材料作出相应调整。
优选地，所述绝缘层为SiO2，但不仅限于此，可根据实际情况对厚度和所用绝缘层材料作出相应调整；半导体材料为多晶硅或IGZO，但不仅限于这两种，根据具体情况可作出相应调整，TFT栅极绝缘层还能作为漏极和LED的n电极的保护层，其材料采用Al2O3，但不仅限于此，可根据实际情况作出相应调整。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：1）本LED微显示像素单元结构是将LED和TFT生长在同一衬底上，实现LED和TFT的异质单片集成，以此来实现LED微显示，提高了LED微显示的稳定性和可靠性，提高有源寻址光电集成显示器件的性能。2）本LED微显示像素单元结构是用TFT和LED实现单片集成，通过外延生长层面实现TFT驱动电路和LED的单片集成，不需要倒装焊或者LED转移，极大的降低LED显示的制作成本以及提高系统的可靠性。3）本LED微显示像素单元结构中的TFT对像素点的功率驱动大小可根据像素点的大小对TFT栅宽尺寸、有源区沟道长度作出对应调整，以满足对LED显示的要求。
附图说明
图1是常规GaN基LED结构示意图；
图2是常规TFT结构示意图；
图3是在实例一中LED外延结构下采用掩膜对表面进行mesa图案化后结构示意；
图4是在本实例一中形成金属引线孔的结构示意图；
图5是在本实例一中形成源漏电极以及LED负电极和正电极的结构示意图；
图6是在本实例一中形成TFT有源区的结构示意图；
图7是在本实例一中形成栅极绝缘层示意图；
图8是在本实例一中形成栅极结构图。
图9a是形成LED微显示的一个2T1C电路结构图；
图9b在本实例二中形成T1源漏电极结构示意图；
图10是在本实例二中形成T1有源区结构图；
图11是在本实例二中形成T1栅极绝缘层结构图；
图12是在本实例二中形成T1栅极结构图；
图13是在实例二中形成LED微显示的一个2T1C电路驱动像素点，基于该像素点形成LED微显示的一个发光像素结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
附图标记说明：
图1中，101-蓝宝石衬底、102- u-GaN缓冲层、103- n-GaN层、104- InGaN/GaN量子阱有源层、105- p-GaN层、106- InGaN基接触层、107- n电极、108- p电极。
图2中，201-基板、202-栅极、203-栅极绝缘层、204- TFT有源层、205- TFT源极、2016- TFT漏极。
图3-图12中，301-蓝宝石衬底、302- u-GaN缓冲层、303- n-GaN层、304- InGaN/GaN量子阱有源层、305- p-GaN层、306- InGaN基接触层、401-线孔图形层、501- LED的p电极和T2的TFT的源极、502-T2的 TFT漏极、503- LED的n电极、601- T2的TFT有源层、701-T2的TFT栅极绝缘层、801- T2的TFT栅极、901-T1的TFT源极、902- T1的TFT漏极、1001-T1的TFT有源层、1101- T1的TFT栅极绝缘层、1201-T1的TFT栅极。
本发明提供的一种GaN基LED与TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构，是在常规LED工艺结构上面进一步生长TFT结构，实现TFT和LED的异质单片集成，在常规LED结构上进行相关的工艺，依次生长绝缘层、TFT源极（也是LED的P电极）、TFT漏极、半导体层作为TFT有源层、栅极绝缘层、栅极。实现LED和TFT的异质单片集成，实现TFT对LED发光像素单元灰度的调控。
如图1，图1是常规LED结构图，该结构是在蓝宝石衬底依次外延生长u-GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱有源层、p-GaN层，n电极和p电极构成。
如图2，图2是常规TFT结构图，其结构是在基板上形成的栅极、栅极绝缘层、沉积半导体层作为有源层、源极/漏极接触区。
本实施部分首先提供的一种TFT和LED异质单片集成的制作方法，包括以下所述步骤：
步骤101，如图3所示，在LED外延结构下采用掩膜对表面进行mesa图案化，通过感应耦合等离子体干法刻蚀，刻到n-GaN作为LED微显示发光像素阵列的共N电极。
步骤102，如图4所示，在已经刻蚀台阶的结构上沉积绝缘层，并采用掩膜刻蚀工艺，在p-GaN和n-GaN层上形成线孔图形。本步骤在上述图3的基础上形成的线孔图形层。生长的绝缘层为SiO2，但不仅限于此，可根据实际情况对厚度和所用绝缘层材料作出相应调整。
步骤103，如图5所示，已经形成线孔图层的图4的基础上形成金属引线层的结构示意图。通过真空镀膜物理气相沉积(PVD)的方法蒸镀金属，形成p-GaN金属接触层（T2的TFT源极）、T2的TFT漏极、LED的n电极。沉积金属可为铝（Al）钛（Ti）等混合层金属，可根据实际情况对沉积金属层厚度及材料作出相应调整。
步骤104，如图6所示，在图形5的基础上生长半导体层，进行涂胶光刻对半导体层进行选择性刻蚀，形成T2的TFT的有源层。
需要说明的是半导体层可以为多晶硅、IGZO，但不仅限于这两种，根据具体情况可作出相应调整。
在本步骤之后，至少还需要对上述形成的金属接触层进行退火处理，形成良好的欧姆接触。
步骤105，如图7所示，在图形6的基础上生长T2的TFT栅极绝缘层，需要说明的是，T2的TFT栅极绝缘层也充当其他区域的钝化层。T2的TFT栅极绝缘层可以为Al2O3，但不仅限于此，可根据实际情况作出相应调整。
步骤106，如图8所示，在图形7的基础上沉积金属作为T2的TFT栅极，沉积金属可为钛（Ti）铝（Al）等混合层金属，可根据实际情况对沉积金属层厚度及材料作出相应调整。完成TFT和LED异质单片集成的制作。
实施例二
在上述实施例一中实现单个TFT和LED的异质单片集成的制作，在上述实施例的基础上，本发明还提供一种GaN基LED与TFT单片异质单片集成的LED微显示像素单元结构。图9a是形成LED微显示的一个2T1C电路结构图，其中T2和LED已经通过实例一完成制作，本实例具体说明图9a中T1和Cs的制作过程。
本实例通过具体实例进行具体说明。具体步骤如下：
步骤301，如图9b所示，在图8的基础上沉积金属，进行涂胶光刻，形成T1的TFT源极和T1的TFT漏极结构。沉积金属可为铝（Al）钛（Ti）等混合层金属，可根据实际情况对沉积金属层厚度及材料作出相应调整。
需要说明的是根据前面所述形成T1的TFT源极与T2的TFT栅极接触实现互联。并且T1的TFT源极与T2的TFT漏极中间存在的T2的TFT栅极绝缘层构成一个电容Cs，具有2T1C电路中的电容作用。
步骤302，如图10所示，在图形9的基础上生长半导体层，进行涂胶光刻对半导体层进行选择性刻蚀，形成T1的TFT有源层。
需要说明的是半导体层可以为多晶硅、IGZO，但不仅限于这两种，根据具体情况可作出相应调整。
在本步骤之后，至少还需要对上述形成的金属接触层进行退火处理，形成良好的欧姆接触。
步骤303，如图11所示，在图形10的基础上生长T1的TFT栅极绝缘层，需要说明的是，T1的TFT栅极绝缘层也充当其他区域的钝化层。T1的TFT栅极绝缘层可以为Al2O3，但不仅限于此，可根据实际情况作出相应调整。
步骤304，如图12所示，在图形11的基础上进行掩膜沉积金属作为T1的TFT栅极，沉积金属可为钛（Ti）铝（Al）等混合层金属，可根据实际情况对沉积金属层厚度及材料作出相应调整。完成2T1C集成电路和LED异质单片集成的制作，实现异质单片集成TFT直接调制LED发光灰度。图13对应LED微显示的一个发光像素的俯视结构图。
本发明的一种GaN基LED与TFT异质单片集成的LED显示结构，考虑到TFT器件的常规制作方法和器件性能的要求，LED结构上制作TFT各层材料的厚度根据对应情况在做对应的厚度生长退火等参数条件的调整。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种GaN基LED和TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构，其特征在于，该结构由GaN基LED结构和TFT结构两部分组成，TFT结构是生长在GaN基LED结构的InGaN接触层表面，依次生长绝缘层、TFT源极、TFT漏极、TFT有源层、TFT栅极绝缘层和TFT栅极，其中TFT有源层采用半导体材料，TFT源极还作为LED的P电极。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED和TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构，其特征在于，所述GaN基LED结构包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上依次外延生长u-GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱有源层、p-GaN层和InGaN接触层。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED和TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构，其特征在于，所述TFT源极、TFT漏极通过绝缘层开孔沉积金属，其中沉积金属可为铝Al金属、钛Ti金属或铝钛混合金属。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED和TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构，其特征在于，所述绝缘层为SiO2，半导体材料为多晶硅或IGZO，TFT栅极绝缘层为Al2O3。
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