CN106935151A - 晶圆级的微米‑纳米级半导体led显示屏及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
晶圆级的微米‑纳米级半导体LED显示屏及其制备方法，涉及半导体光电器件，在第一导电型的第一半导体层蚀刻出3x组微米‑纳米尺寸的元件，该元件的表面分别与c面、r面和m面存在夹角，控制该三组表面夹角可调控三组有源层InxGa1‑xN/GaN多量子阱的发光波长为红绿蓝RGB波段的任意波长，可在同一晶圆上制作的RGB任意排列组合及任意波段组合的红绿蓝RGB模块，通过第一半导体制作接触电极并与集成电路控制板连接，可独立控制RGB元件的开关和功率，制作成晶圆级的微米‑纳米象素分辨率的高清、高画质的半导体LED显示屏。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件，尤其是涉及一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏及其制备方法。
背景技术
现今，发光二极管(LED)，特别是氮化物发光二极管因其较高的发光效率，在普通照明领域已取得广泛的应用。LED室内外显示屏技术目前在舞台、广告、体育设施等方面已获得广泛的应用。目前LED的封装尺寸在毫米级别，象素尺寸较大导致分辨率和画质较差。未来的LED显示技术的发展的方向为实现超小尺寸的LED，以获得更小的发光象素尺寸，从而获得更高的分辨率和画质。基于氮化物和砷化物半导体发光二极管的微型发光二极体显示(Micro-LED)或纳米级发光二极管显示(Nano-LED)具有高亮度、低功耗、超高分辨率、色彩饱和度高、老化性能优越、外延晶圆技术成熟等优点，可直接利用目前的成熟量产化的外延磊晶的晶圆技术，具有与OLED、QLED等下一代半导体显示器技术抗衡的优势。
传统的微型LED(Micro-LED)的制作需要将微元件从施体基板上转移到接收基板上，工艺较为复杂繁琐，且良品率低。传统微型LED一般采用先制作成一颗颗的微型芯片或元件后，再转移并集成至电路板上从而制作成LED显示屏。传统Micro-LED因转移和封装的尺寸和精度问题，制作工艺难以延伸至纳米级别的Nano-LED，导致芯片象素尺寸难以进一步缩小。
中国专利CN105870346A公开一种LED显示屏的制造方法，包括在基板上形成第一电极；在所述第一电极上形成一功能层；通过纳米压印法在所述功能层的远离所述第一电极的表面上形成凹槽；在所述凹槽中填充发光溶液形成有机发光层；和在所述有机发光层上形成第二电极。根据该发明的LED显示屏的制造方法，能够简化制作工艺，降低生产成本，并且有效提升产品良率。该发明还提供一种LED显示屏。
发明内容
本发明的目的是提供晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏及其制备方法。
所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏包括第一衬底、第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、透明隔离层和透明导电层，所述第二半导体层分别制作3x组不同表面，所述3x组不同表面分别为与c面夹角为α的第一组表面、与r面夹角为β的第二组表面和与m面夹角为γ的第三组表面，所述c面夹角α、r面夹角β和m面夹角γ为：0°<α，β，γ<45°；在第一组表面、第二组表面和第三组表面上分别生长第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层，所述多量子阱为InxGa1-xN/GaN材料；所述第一多量子阱有源层可通过控制晶面角度α获得波长为580～680nm的红光R波段，第二多量子阱有源层可通过控制晶面角度β获得波长为480～580nm的绿光G波段，第三多量子阱有源层可通过控制晶面角度γ获得波长为380～480nm的蓝光B波段，所述第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层通过一次外延生长同时获得三组不同RGB波段的元件；所述透明隔离层设于第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层的侧壁；
在剥离第一衬底后的第一半导体层上制作3x组接触层与控制集成电路板连接，所述集成电路板可独立控制RGB三组半导体的开关、功率和电流电压大小，在剥离第二衬底后的第三半导体层通过透明导电层与电极连接。
所述第一半导体层为第一导电型的第一半导体层。
所述第二半导体层为微米-纳米级的第一导电型的第二半导体层。
所述第三半导体层为第二导电型的第三半导体层。
所述晶圆级的微米-纳米级的半导体尺寸可为10nm～500μm，可根据分辨率需要选择晶圆级LED显示屏的元件尺寸，可涵盖Micro-LED和Nano-LED的尺寸范围，所述RGB三组半导体在晶圆的排列及分布可通过控制第一、二、三组的表面及角度进行任意排列和组合。
所述第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层的材料可为III-V族或II-VI族化合物半导体材料。
所述多量子阱InxGa1-xN的材料组分可为0.1<x<0.8，多量子阱由阱层和垒层组成。
所述3x组不同表面的第二半导体层的组数x>1，根据尺寸和需要，组数无上限值。
所述透明隔离层的材料可为SiO2、SiNx等透明绝缘氧化物或氮化物。
所述透明导电层的材料可为TCO或ITO材料。
所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法包括以下步骤：
1)在第一衬底上外延生长第一导电型的第一半导体层；
2)在第一导电型的第一半导体层蚀刻出微米-纳米尺寸的第一导电型的第二半导体层；
在步骤2)中，所述在第一导电型的第一半导体层蚀刻出微米-纳米尺寸的第一导电型的第二半导体层可按需求蚀刻成3的倍数的组数，即3x组。
3)在3x组微米或纳米尺寸的第二半导体层上，通过晶面定位微切面技术，分别蚀刻出与c面的晶面夹角为α的第一组表面，与r面的晶面夹角为β的第二组表面，与m面晶面夹角为γ的第三组表面，制作成第一晶圆模板，其中0°<α，β，γ<45°；
4)在第一晶圆模板的3x组第二半导体层的间隙蒸镀透明隔离层，然后，将第一晶圆模板传进反应室，在三组表面上一次外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层，第一组表面生长第一多量子阱有源层(控制晶面角度α获得的外延波长为580～680nm，红光R波段)，第二组表面生长第二多量子阱有源层(控制晶面角度β获得的外延波长为480～580nm，绿光G波段)，在第三组表面生长第三多量子阱有源层(控制晶面角度γ获得的外延波长为380～480nm，蓝光B波段)，所述三组多量子阱有源层通过一次外延生长同时获得三组不同RGB波段的元件，通过控制三组的晶面夹角的任意分配(0°<α，β，γ<45°)，可以在同一晶圆片上直接外延红绿蓝RGB任意排列组合及任意波段组合的微米或纳米级的半导体元件；
5)在第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层的侧壁蒸镀透明隔离层，然后，分别在第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层的表面外延生长第二导电型的第三半导体层；
6)在第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层的上方蒸镀透明导电层；
7)在透明导电层上键合第二衬底，然后，去除第一衬底，在第一半导体层蚀刻出第一导电型的接触层，并对接触层表面进行离子注入，形成高掺杂的接触层；
8)第一导电型的电极接触层的间隙填充透明隔离层；
9)第一导电型的接触层通过3x组电极与集成电路控制板连接，第一、二、三组RGB元件可通过集成电路控制板独立控制开关、功率和电压电压大小，然后，去除第二衬底，第二半导体层通过透明导电层与第4电极连接，从而制作晶圆级的任意RGB排列及任意RGB波长组合的晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏。
所述晶面定位微切面技术为通过结合XRD和FIB聚焦离子束刻蚀结合技术，通过XRD进行晶面及晶相定位，然后，通过FIB进行微加工切出需要的晶面。
所述高掺杂的接触层在离子注入后的掺杂浓度为1E20～1E23cm-3。
本发明可直接外延制作不同发光波长的RGB芯粒在同一晶圆片上，不需要预先制作成微型芯片后再转移至接收基板，制作工艺流程方便，且可在晶圆级别控制RGB的任意排列和任意RGB波长组合，具有宽广的波长和RGB组合调控性能，因晶面定位微切制作成晶面模板后直接在MOCVD外延生长控制波长，该晶圆级的LED显示屏可根据需要覆盖微米级至纳米级的的象素尺寸，可涵盖Micro-LED和Nano-LED的尺寸范围，制作成高分辨率、高画质的LED晶圆级显示屏。
传统的微型LED(Micro-LED)的制作需要将微元件从施体基板上转移到接收基板上，工艺较为复杂繁琐，且良品率低。传统微型LED一般采用先制作成一颗颗的微型芯片或元件后，再转移并集成至电路板上从而制作成LED显示屏。本发明提供的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的及其制作方法，可直接外延制作不同发光波长的RGB芯粒在同一晶圆片上，且可控制RGB的排列组合和任意波段组合，该晶圆级的LED显示屏可根据需要覆盖微米级至纳米级的的象素尺寸，可涵盖Micro-LED和Nano-LED的尺寸范围，从而制作晶圆级的微米-纳米级象素分辨率的高清、高画质半导体LED显示屏。
附图说明
图1为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法的步骤1示意图。
图2为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法的步骤2示意图。
图3为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法的步骤3示意图。
图4为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法的步骤4示意图。
图5为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法的步骤5示意图。
图6为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法的步骤6示意图。
图7为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法的步骤7示意图。
图8为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法的步骤8示意图。
图9为本发明实施例的一种晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏及其制备方法的步骤9示意图。
在图1～9中，各标记为：101：第一衬底，102：第一导电型的第一半导体层，103：第一导电型的第二半导体，104：与c面的夹角为α的第一组表面，105：与r面的夹角为β的第二组表面，106：与m面夹角为γ的第三组表面，107/118/119：第一、二、三组表面上外延的第一、二、三多量子阱有源层，110：透明隔离层，111：有源层侧壁的透明隔离层，112/113/114：第一、二、三有源层邻接的第二导电型的第三半导体层，115：透明导电层，116：第二衬底，117：第一导电型的接触层，118：透明隔离层，119：电极层，120：集成电路控制板，1：电极，2：电极，3：电极，4：电极。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏实施例包括第一衬底、第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、透明隔离层和透明导电层，所述第二半导体层分别制作3x组不同表面，所述3x组不同表面分别为与c面夹角为α的第一组表面、与r面夹角为β的第二组表面和与m面夹角为γ的第三组表面，所述c面夹角α、r面夹角β和m面夹角γ为：0°<α，β，γ<45°；在第一组表面、第二组表面和第三组表面上分别生长第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层，所述多量子阱为InxGa1-xN/GaN材料；所述第一多量子阱有源层可通过控制晶面角度α获得波长为580～680nm的红光R波段，第二多量子阱有源层可通过控制晶面角度β获得波长为480～580nm的绿光G波段，第三多量子阱有源层可通过控制晶面角度γ获得波长为380～480nm的蓝光B波段，所述第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层通过一次外延生长同时获得三组不同RGB波段的元件；所述透明隔离层设于第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层的侧壁；
在剥离第一衬底后的第一半导体层上制作3x组接触层与控制集成电路板连接，所述集成电路板可独立控制RGB三组半导体的开关、功率和电流电压大小，在剥离第二衬底后的第三半导体层通过透明导电层与电极连接。
所述第一半导体层为第一导电型的第一半导体层。
所述第二半导体层为微米-纳米级的第一导电型的第二半导体层。
所述第三半导体层为第二导电型的第三半导体层。
所述晶圆级的微米-纳米级的半导体尺寸可为10nm～500μm，可根据分辨率需要选择晶圆级LED显示屏的元件尺寸，可涵盖Micro-LED和Nano-LED的尺寸范围，所述RGB三组半导体在晶圆的排列及分布可通过控制第一、二、三组的表面及角度进行任意排列和组合。
所述第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层的材料可为III-V族或II-VI族化合物半导体材料。
所述多量子阱InxGa1-xN的材料组分可为0.1<x<0.8，多量子阱由阱层和垒层组成。
所述3x组不同表面的第二半导体层的组数x>1，根据尺寸和需要，组数无上限值。
所述透明隔离层的材料可为SiO2、SiNx等透明绝缘氧化物或氮化物。
所述透明导电层的材料可为TCO或ITO材料。
以下给出所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法，参见图1～9：
步骤1：在第一衬底101上外延生长第一导电型的第一半导体层102；
步骤2：在第一导电型的第一半导体层102蚀刻出微米或纳米尺寸的第一导电型的第二半导体103，按需求可蚀刻成3的倍数的组数，即3x组(以下以3组微米或纳米尺寸元件为例)；
步骤3：在3组微米或纳米尺寸的第二半导体103，通过晶面定位微切面技术，分别蚀刻出与c面的晶面夹角为α的第一组表面104，与r面的晶面夹角为β的第二组表面105，与m面的晶面夹角为γ的第三组表面，制作成第一晶圆模板(其中晶面夹角：0<α，β，γ<45度)；
步骤4：在第一晶圆模板的3组第二半导体103的间隙蒸镀透明隔离层110，然后，将第一晶圆模板传进反应室，在三组表面上外延生长InxGa1-xN多量子阱有源层，第一组表面生长第一多量子阱有源层107(控制晶面角度α获得的外延波长为580-680nm，红光R波段)，第二组表面生长第二多量子阱有源层108(控制晶面角度β获得的外延波长为480-580nm，绿光G波段)，在第三组表面生长第三多量子阱有源层109(控制晶面角度γ获得的外延波长为380-480nm，蓝光B波段)，所述的三组多量子阱有源层通过一次外延生长同时获得三组不同RGB波段的元件，通过控制三组的晶面夹角的任意分配，可以在同一晶圆片上直接外延任意RGB排列及任意RGB波长组合的微米或纳米级的半导体元件；
步骤5：在第一、二、三组多量子阱有源层的侧壁蒸镀透明隔离层111，然后，分别在第一、二、三组多量子阱有源层107、108、109的表面外延生长第二导电型的第三半导体层112、113、114；
步骤6：在第一、二、三组多量子阱有源层107、108、109表面上的第二导电型的半导体层112、113、114的上方蒸镀透明导电层ITO 115；
步骤7：透明导电层ITO 115上面键合第二衬底116，然后，去除第一衬底101，在第一导电型的第一半导体102蚀刻出第一导电型的接触层117，并对接触层表面进行离子注入，形成高掺杂的接触层，掺杂浓度为1E20～1E23cm-3；
步骤8：第一导电型的接触层117的间隙填充透明隔离层118；
步骤9：第二导电型半导体112、113、114通过透明导电层115与电极4连接，第一导电型的接触层117通过3x组电极(电极1、电极2、电极3)119与控制集成电路控制板120连接，第一、二、三组RGB元件可通过控制集成电路控制板120独立控制开关、功率及电流电压大小，去除第二衬底106，从而制作晶圆级的任意RGB排列及任意RGB波长组合的微米-纳米级象素分辨率的晶圆级的高清、高画质半导体LED显示屏，直接在晶圆级别进行RGB的排列与设计，避免制作芯片后进行转移、集成的问题，通过晶面定位微切面技术精确定位多量子阱的波长类型，通过MOCVD进行精确控制RGB的波长组合，可以获得较高的芯片良率及精简芯片工艺流程，并可从微米延伸至纳米级的象素分辨率控制，拥有较高的发展潜力和画质，是Micro-LED和Nano-LED未来的潜力技术趋势。
Claims (10)
1.晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏，其特征在于包括第一衬底、第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、透明隔离层和透明导电层，所述第二半导体层分别制作3x组不同表面，所述3x组不同表面分别为与c面夹角为α的第一组表面、与r面夹角为β的第二组表面和与m面夹角为γ的第三组表面，所述c面夹角α、r面夹角β和m面夹角γ为：0°<α，β，γ<45°；在第一组表面、第二组表面和第三组表面上分别生长第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层，所述多量子阱为InxGa1-xN/GaN材料；所述第一多量子阱有源层通过控制晶面角度α获得波长为580～680nm的红光R波段，第二多量子阱有源层通过控制晶面角度β获得波长为480～580nm的绿光G波段，第三多量子阱有源层通过控制晶面角度γ获得波长为380～480nm的蓝光B波段，所述第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层通过一次外延生长同时获得三组不同RGB波段的元件；所述透明隔离层设于第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层的侧壁；
在剥离第一衬底后的第一半导体层上制作3x组接触层与控制集成电路板连接，在剥离第二衬底后的第三半导体层通过透明导电层与电极连接。
2.如权利要求1所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏，其特征在于所述第一半导体层为第一导电型的第一半导体层；所述第二半导体层为微米-纳米级的第一导电型的第二半导体层；所述第三半导体层为第二导电型的第三半导体层。
3.如权利要求1所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏，其特征在于所述晶圆级的微米-纳米级的半导体尺寸为10nm～500μm。
4.如权利要求1所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏，其特征在于所述第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层的材料为III-V族或II-VI族化合物半导体材料。
5.如权利要求1所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏，其特征在于所述多量子阱InxGa1-xN的材料组分为0.1<x<0.8，多量子阱由阱层和垒层组成。
6.如权利要求1所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏，其特征在于所述3x组不同表面的第二半导体层的组数x>1。
7.如权利要求1所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏，其特征在于所述透明隔离层的材料为SiO2、SiNx透明绝缘氧化物或氮化物；所述透明导电层的材料可为TCO或ITO材料。
8.如权利要求1所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在第一衬底上外延生长第一导电型的第一半导体层；
2)在第一导电型的第一半导体层蚀刻出微米-纳米尺寸的第一导电型的第二半导体层；
3)在3x组微米或纳米尺寸的第二半导体层上，通过晶面定位微切面技术，分别蚀刻出与c面的晶面夹角为α的第一组表面，与r面的晶面夹角为β的第二组表面，与m面晶面夹角为γ的第三组表面，制作成第一晶圆模板，其中0°<α，β，γ<45°；
4)在第一晶圆模板的3x组第二半导体层的间隙蒸镀透明隔离层，然后，将第一晶圆模板传进反应室，在三组表面上一次外延生长InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层，第一组表面生长第一多量子阱有源层，控制晶面角度α获得的外延波长为580～680nm，红光R波段，第二组表面生长第二多量子阱有源层，控制晶面角度β获得的外延波长为480～580nm，绿光G波段，在第三组表面生长第三多量子阱有源层，控制晶面角度γ获得的外延波长为380～480nm，蓝光B波段，所述三组多量子阱有源层通过一次外延生长同时获得三组不同RGB波段的元件，通过控制三组的晶面夹角的任意分配，0°<α，β，γ<45°；
5)在第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层的侧壁蒸镀透明隔离层，然后，分别在第一多量子阱有源层、第二多量子阱有源层和第三多量子阱有源层的表面外延生长第二导电型的第三半导体层；
6)在第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层的上方蒸镀透明导电层；
7)在透明导电层上键合第二衬底，然后，去除第一衬底，在第一半导体层蚀刻出第一导电型的接触层，并对接触层表面进行离子注入，形成高掺杂的接触层；
8)第一导电型的电极接触层的间隙填充透明隔离层；
9)第一导电型的接触层通过3x组电极与集成电路控制板连接，然后，去除第二衬底，第二半导体层通过透明导电层与第4电极连接，从而制作晶圆级的任意RGB排列及任意RGB波长组合的晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏。
9.如权利要求8所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述在第一导电型的第一半导体层蚀刻出微米-纳米尺寸的第一导电型的第二半导体层按需求蚀刻成3的倍数的组数，即3x组，x>1。
10.如权利要求8所述晶圆级的微米-纳米级半导体LED显示屏的制备方法，其特征在于在步骤7)中，所述高掺杂的接触层在离子注入后的掺杂浓度为1E20～1E23cm-3。
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