CN107833878B - 一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种全色堆栈式外延的Micro‑LED倒装阵列制备方法,属于半导体技术领域。包括具有电极的基板、导电衬底、微隔离结构、堆栈式三色发光单元。微隔离结构为在导电衬底上制备SiO2或者SiNx栅格状微隔离结构,裸露出导电衬底,作为外延窗口。在同一外延衬底上外延红、绿、蓝光三种发光单元,再利用芯片ICP刻蚀技术形成微小二维矩阵,之后利用成熟的倒装焊接技术,将Micro‑LED阵列转移到具有p侧电极的基板上,达到较好的散热效果,提高Micro‑LED出光效率的同时实现每颗Micro‑LED的阳极单点可控。每个发光单元的尺寸尽可能缩小,解决目前单颗发光单元尺寸较大,导致的屏幕分辨率较低的难题。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域,具体涉及一种红、绿、蓝全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法。
背景技术
全彩色LED显示屏通常由RGB三基色(红、绿、蓝)发光单元按照一定排列方式装配而成,靠控制每组发光单元的亮灭来显示色彩丰富、饱和度高、显示频率高的动态图像。但全彩色的LED显示屏的制作过程很繁琐,通常需在显示面板上嵌入上万颗LED光源,对每颗LED的波长、寿命、效率的一致性要求很高,因而造成其生产成本高、生产效率低,导致最终LED显示屏的可靠性低大大降低。而且LED显示屏的最终尺寸又受到单颗LED发光单元大小尺寸的制约,在近距离观测时色差尤其明显,因此在实现高集成化和高分辨率上存在较大的难度。而如果采用MOCVD技术在衬底上分别外延红、蓝、绿三色LED,其工序也十分复杂,需要多次取出、清洗、再外延,对操作过程中的污染物控制要求十分严格,最终也导致成品率下降。
对于Micro-LED阵列封装而言,散热是否良好是决定该阵列能否正常工作的一个关键技术问题。加之现有Micro-LED阵列的封装结构多使用陶瓷基板或者硅基板进行批量转移处理,转移之后需要对每颗LED的p侧进行焊线操作,由于Micro-LED的尺寸较小,因此焊线过程中易出现虚焊或断线。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明目的在于提出一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法,采用MOCVD外延技术、刻蚀技术、倒装焊接相结合的方式,在同一外延衬底上外延红光发光单元(630nm)、绿光发光单元(520nm)、蓝光发光单元(450nm)三种发光单元,再利用芯片ICP刻蚀技术形成高集成度的微小二维矩阵,且每个发光单元的尺寸在保证器件性能的前提下尽可能缩小,从而有效解决目前LED显示屏中单颗发光单元尺寸较大,导致的屏幕分辨率较低的难题。再利用成熟的倒装焊接技术,将Micro-LED阵列转移到具有电极的镀Ag基板上,达到较好的散热效果,实现每颗Micro-LED的阳极可控,从而提高出光效率的,同时延长其使用寿命。
本发明为实现以上目的,采用的技术方案如下:
本发明公开了一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法,所述的全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列包括具有电极的基板、外延发光单元所需导电衬底、在所述导电衬底上制备的微隔离结构、在所述导电衬底上制备的堆栈式红、蓝、绿三色发光单元。所述的具有电极的基板,其上的p侧金属电极位置与所述堆栈式红、蓝、绿三色发光单元的位置一一对应。所述微隔离结构,利用沉积、掩膜、刻蚀技术在所述导电衬底上制备厚度为0.5um~1um的SiO2或者SiNx栅格状微隔离结构,栅格中裸露出所述导电衬底,作为发光单元的外延窗口;所述的堆栈式红、蓝、绿三色发光单元以三列为一周期;外延层自下而上沉积包括AlN缓冲层、GaN缓冲层、n型GaN包层、InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区、InGaN/GaN绿光多量子阱发光区、GaN保护层、GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、n型AlGaInP下限制层、红光AlGaInP/AlGaInP多量子阱发光区、p型AlGaInP上限制层、p型GaP电流扩展层,然后第二列利用掩膜和湿法刻蚀技术,自上而下刻蚀到InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区后再在InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区上生长p型AlGaN上限制层和p型GaN接触层,从而形成蓝光发光单元(450nm);第三列利用掩膜和湿法刻蚀技术,刻蚀到InGaN/GaN绿光多量子阱发光区后再在InGaN/GaN绿光多量子阱发光区上生长p型AlGaN上限制层和p型GaN接触层;再利用倒装焊接技术,将每颗发光单元p侧一一对应焊接在所述具有电极的基板上的金属电极上,从而实现每颗发光单元阳极单点可控。将所述导电衬底背面减薄、粗化后,利用掩膜和湿法刻蚀技术将第一列刻蚀到GaAs缓冲层,从而形成红光发光单元(630nm),而在第三列导电衬底背面制备蓝光光学屏蔽层,让绿光波段光谱通过,从而形成绿光发光单元(550nm)。
AlN缓冲层为高温AlN缓冲层,GaN缓冲层包括GaN高温缓冲层和GaN低温缓冲层;GaAs缓冲层包括GaAs低温缓冲层和GaAs高温缓冲层。
上述全彩色平面排列的Micro-LED倒装阵列外延制备方法由以下步骤实现:
(1)选取一种有电极的基板,所述金属电极位置与所述堆栈式红、蓝、绿三色发光单元的位置一一对应,且表面有镀Ag反射层;
(2)选取一种导电衬底,该衬底可以是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或者砷化镓(GaAs);
(3)在所述导电衬底上,采用PECVD方法沉积厚度为0.5um~1um的SiO2或者SiNx薄膜;
(4)利用掩膜和干法ICP刻蚀方法,按照设定的发光单元尺寸和隔离结构尺寸大小,将导电衬底表面沉积的SiO2或者SiNx薄膜刻蚀成栅格状,栅格中的SiO2或者SiNx完全刻蚀掉,露出生长发光单元所需的所有外延窗口;
(5)清洗衬底后,放入蓝绿光MOCVD机台中,在H2环境下高温处理衬底表面,去掉表面吸附的水、氧,之后开始连续生长蓝、绿光发光单元的外延结构,依次为AlN缓冲层、GaN缓冲层、n型GaN包层、InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区、InGaN/GaN绿光多量子阱发光区、GaN保护层;
(6)从蓝绿MOCVD机台取出外延片,放入红光MOCVD机台中,在H2环境下高温处理衬底表面,去掉表面吸附的水、氧,之后继续生长红光发光单元的外延结构,依次为GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、n型AlGaInP下限制层、红光AlGaInP/AlGaInP多量子阱发光区、p型AlGaInP上限制层、p型GaP电流扩展层;
(7)从红光MOCVD机台取出外延片,以三列为一个周期;在第一列和第三列外延结构表面沉积SiO2钝化层,以保护其外延结构,再利用掩膜和湿法刻蚀方法,将第二列堆栈式红、蓝、绿发光单元刻蚀到InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区;
(8)严格清洗衬底后,重新放入蓝绿光MOCVD机台中,在H2环境下高温处理衬底表面,去掉表面吸附的水、氧,之后开始继续生长p型AlGaN上限制层、p型GaN欧姆接触层,从而形成蓝光发光单元;
(9)从蓝绿MOCVD机台取出外延片,在第二列蓝光发光单元表面沉积SiO2钝化层,以保护其外延结构。再利用掩膜和湿法刻蚀方法,将第三列堆栈式红、蓝、绿发光单元刻蚀到绿光InGaN/GaN多量子阱发光区;
(10)清洗衬底后,重新放入蓝绿光MOCVD机台中,在H2环境下高温处理衬底表面,去掉表面吸附的水、氧,之后开始继续生长p型AlGaN上限制层、p型GaN欧姆接触层;
(11)从蓝绿MOCVD机台取出外延片,利用掩膜和干法ICP刻蚀,去除外延片表面其他区域沉积的SiO2钝化层之后,采用倒装焊接技术,将发光单元的p侧与具有电极的基板表面的金属电极一一对应相连;
(12)将上述步骤(11)倒装焊接好的Micro-LED阵列,首先通过机械研磨方式,将导电衬底背面减薄,再利用腐蚀液去除每颗发光单元所对应的导电衬底背面,从而露出AlN高温缓冲层;随后利用掩膜和干法ICP刻蚀,将第一列堆栈式红、蓝、绿发光单元外延结构刻蚀至GaAs低温缓冲层,从而只剩下红光发光单元外延结构;
(13)在导电衬底背面利用电子束蒸镀技术制备ITO透明电极,再利用掩膜和湿法刻蚀去导电衬底背面其他区域的ITO透明电极,使得每颗发光单元背面具有ITO透明电极;
(14)将步骤(13)倒装焊接好的Micro-LED倒装阵列的在第三列堆栈式红、蓝、绿发光单元所对应的导电衬底在第三列堆栈式红、蓝、绿发光单元表面制备蓝光光学屏蔽层,只让绿光波段光谱通过,从而形成绿光发光单元。
蓝、绿光多量子阱发光区在步骤(4)中,绿光发光单元的InGaN量子阱中的In含量高于蓝光发光单元InGaN量子阱中的In含量。
本发明的有益效果是:
本发明提供的制备方法中,采用MOCVD外延技术、刻蚀技术、倒装焊接相结合的方式,在同一外延衬底上外延红光发光单元(630nm)、绿光发光单元(520nm)、蓝光发光单元(450nm)三种发光单元,再利用芯片ICP刻蚀技术形成高集成度的微小二维矩阵,且每个发光单元的尺寸可能在保证器件性能的前提下尽可能缩小,从而有效解决目前LED显示屏中单颗发光单元尺寸较大,导致的屏幕分辨率较低的难题。之后利用成熟的倒装焊接技术,将Micro-LED阵列转移到具有p侧电极的镀Ag基板上,达到较好的散热效果,提高Micro-LED出光效率的同时实现每颗Micro-LED的阳极单点可控。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法的流程图。
图2为实施例在所述导电衬底上利用PECVD技术沉积一层SiO2或者SiNx薄膜的结构示意图,并利用掩膜和干法ICP刻蚀技术刻蚀出堆栈式红、蓝、绿发光单元外延窗口的结构示意图。
图3为实施例中制备的以三列堆栈式红、蓝、绿发光单元外延层为一个周期的Micro-LED阵列的结构示意图。
图4为实施例中利用沉积、刻蚀和MOCVD外延技术,在堆栈式红、蓝、绿发光单元外延层的基础之上分别制备红、蓝、绿发光单元外延结构,并在发光单元表面利用掩膜和电子束蒸镀技术在发光单元表面制备ITO透明电极的结构示意图。
图5为实施例中导电衬底背面减薄、粗化后,利用倒装焊接技术将发光单元p侧焊接在具有电极的基板上的示意图。
图6为实施例中在第三列所对应的导电衬底背面制备蓝光光学屏蔽层,形成绿光发光单元的结构示意图。
其中,附图标记为:
1:电极的基板
2:导电衬底
3:微隔离结构
4:堆栈式红光Micro-LED发光单元
5:蓝光Micro-LED发光单元
6:绿光Micro-LED发光单元
7:ITO透明电极
8:蓝光光学屏蔽层
9:AlN高温缓冲层
10:GaN低温缓冲层
11:GaN高温缓冲层
12:n型GaN包层
13:蓝光Inx1Ga1-x1N/GaN量子阱发光区
14:绿光Inx2Ga1-x2N/GaN量子阱发光区
15:GaN保护层
16:GaAs低温缓冲层
17:GaAs高温缓冲层
18:n型Al0.6Ga0.4As/AlAs的DBR结构
19:n型(Alx3Ga1-x3)y3In1-y3P下限制层
20:红光(Alx4Ga1-x4)y4In1-y4P/(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P多量子阱发光区
21:p型(Alx6Ga1-x6)y6In1-y6P上限制层
22:p型GaP电流扩展层
23:p型Alx7Ga1-x7N上限制层
24:p型GaN欧姆接触层
25:金属电极
26:SiO2钝化层
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,其尺寸大小并不代表本发明实际尺寸大小,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
参考图6所示,为本发明一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的实施例的横截面结构示意图。其包括:具有电极的基板1、外延发光单元所需导电衬底2、在所述导电衬底2上制备的SiO2或者SiNx微隔离结构3、在所述导电衬底上2制备的按照三列为一个周期、交叉排布的堆栈式红光Micro-LED发光单元4、蓝光Micro-LED发光单元5、绿光Micro-LED发光单元6以及在所述绿光Micro-LED发光单元6背面制备的蓝光光学屏蔽层8。
其中,所述具有电极的基板1,表面制备有金属电极25,其数量和位置与分别与堆栈式红光Micro-LED发光单元4、蓝光Micro-LED发光单元5、绿光Micro-LED发光单元6的p侧电极一一对应,且表面覆盖镀Ag反射层,提高出光效率。
所述导电衬底2的材料可为硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或者砷化镓(GaAs)。
SiO2或者SiNx微隔离结构3采用PECVD技术直接沉积在所述导电衬底2上,其制备材料为绝缘材料,且易于沉积和剥离,可以为SiO2或者SiNx薄膜。
堆栈式红光Micro-LED发光单元4、蓝光Micro-LED发光单元5、绿光Micro-LED发光单元6在所述微隔离结构3之间的栅格内通过PECVD沉积、ICP刻蚀和MOCVD外延技术制备。
本发明还提供一种制作上述全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的方法,请参阅图1,包括以下步骤:
步骤1:提供一导电衬底2,该衬底的材料可为硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或者砷化镓(GaAs),用去离子水反复冲洗10次之后,放置于盐酸、双氧水的混合溶液中(HCl:H2O2:H2O=7:1:1),加热至80℃,并维持5分钟。取出所述导电衬底,用去离子水反复冲洗10次,放置于硫酸、双氧水的混合溶液中(H2SO4:H2O2:H2O=4:1:1)加热至80℃,并维持5分钟。取出所述导电衬底,用去离子水反复冲洗10次。再利用兆声清洗技术,清洗所述导电衬底10分钟后,最后取出衬底,并甩干。
步骤2:如图2所示,将所述导电衬底2按照步骤1清洗之后,放入PECVD设备的反应腔室,沉积SiO2或者SiNx薄膜,厚度为0.5um~1um。其中沉积SiO2薄膜的反应温度设置为300℃,反应气源为N20,流量为1000~1500sccm;沉积SiNx薄膜的反应温度设置为250℃,反应气源为NH3,流量为10~50sccm。
步骤3:将步骤2所述的在所述导电衬底2表面沉积的SiO2或者SiNx薄膜,采用掩膜进行干法ICP刻蚀,露出堆栈式红、蓝、绿发光单元的外延窗口,保留其他区域的SiO2或者SiNx薄膜,形成微隔离结构3(如图2~图6所示)。所述堆栈式红、蓝、绿发光单元外延窗口宽度L1可以在保证发光单元性能的前提下,尽可能缩小。所述堆栈式红、蓝、绿发光单元之间的宽度L2=10um~100um。
步骤4-1:如图3所示,将步骤1中的导电衬底2清洗完毕之后,放置于蓝绿光MOCVD机台中,逐层生长堆栈式红、蓝、绿发光单元结构。首先在1000℃~1200℃的H2气氛里高温清洁上述外延片表面20min~40min,并通入NH3,去除表面水、氧杂质;保持该反应温度,生长厚度为100nm~200nm的AlN高温缓冲层9;将反应温度降低至500℃~600℃,在AlN高温缓冲层9上继续生长厚度为10nm~30nm的GaN低温缓冲层10,再将温度升至1000℃~1200℃,生长1000nm~2000nm的GaN高温缓冲层11,不掺杂;在所述GaN高温缓冲层11上继续生长厚度为1000nm~2000nm的n型GaN包层12,其n型掺杂源为SiH4,掺杂浓度为(1~2)E18个原子/cm3;在所述n型GaN包层12上继续生长5~20对蓝光Inx1Ga1-x1N/GaN量子阱发光区13,其中Inx1Ga1-x1N量子阱层厚度2nm~6nm,反应温度降低至700℃~800℃,且x1=0.15~0.20,不掺杂。GaN量子垒层厚度为10nm~20nm,反应温度800℃~900℃,其n型掺杂源为SiH4,掺杂浓度为(1~2)E18个原子/cm3;在所述蓝光Inx1Ga1-x1N/GaN量子阱发光区13之上继续生长5~20对绿光Inx2Ga1-x2N/GaN量子阱发光区14,其中Inx2Ga1-x2N量子阱层厚度2nm~6nm,反应温度降低至600℃~700℃,且x2=0.20~0.40,不掺杂。GaN量子垒层厚度为10nm~20nm,反应温度800℃~900℃,n型掺杂源为SiH4,掺杂浓度为(1~2)E18个原子/cm3;保持该温度,在绿光Inx2Ga1-x2N/GaN量子阱发光区14上继续生长500nm~1000nm的GaN保护层15;随后,将反应温度逐渐降至室温,取出外延片。
步骤4-2:将步骤4-1中的得到蓝光Inx1Ga1-x1N/GaN量子阱发光区13和绿光Inx2Ga1-x2N/GaN量子阱发光区14的外延片放入红光MOCVD机台中,继续生长红光发光单元的外延结构。首先在1000℃~1200℃的H2气氛里高温清洁所述导电衬底3表面20min~40min,并通入AsH3,去除表面水、氧杂质;将反应温度降低至520℃~580℃,在所述GaN保护层15表面生长厚度为100nm~150nm的GaAs低温缓冲层16;将反应温度升至720℃~780℃,在所述GaAs低温缓冲层16上继续在生长厚度为100nm~150nm的GaAs高温缓冲层17。其中,GaAs缓冲层(包括低温缓冲层16和高温缓冲层17)的n型掺杂源是SiH4,掺杂浓度为(1~5)E18个原子/cm3;在所述高温GaAs缓冲层17上继续生长n型Al0.6Ga0.4As/AlAs的DBR结构18,以提高红光出光效率;在所述n型Al0.6Ga0.4As/AlAs的DBR结构18基础之上继续生长500nm~1000nm的n型(Alx3Ga1-x3)y3In1-y3P下限制层19,其n型掺杂源是SiH4,掺杂浓度为(5~8)E17个原子/cm3,且x3=0.7,y3=0.5;在所述n型(Alx3Ga1-x3)y3In1-y3P下限制层19上继续生长红光(Alx4Ga1-x4)y4In1-y4P/(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P多量子阱发光区20,多量子阱的周期数为5~20对,其中,阱层(Alx4Ga1-x4)y4In1-y4P的x4=0.1,y4=0.9,不掺杂,垒层(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P的x5=0.5,y5=0.5,不掺杂;在所述(Alx4Ga1-x4)y4In1-y4P/(Alx5Ga1-x5)y5In1-y5P多量子阱发光区20上继续生长厚度为500nm~1000nm的p型(Alx6Ga1-x6)y6In1-y6P上限制层21,其p型掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为(5~8)E18个原子/cm3,且x6=0.7,y6=0.5;将反应温度升至750℃~820℃,在所述p型(Alx6Ga1-x6)y6In1-y6P上限制层21上继续生长厚度为3umm~10um的p型GaP电流扩展层22,其p型掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为(1~2)E19个原子/cm3。随后,将反应温度降至500℃~700℃退火10min~30min后,再降至室温,从红光MOCVD机台取出。
步骤4-3:如图4所示,将步骤4-2中得到堆栈式红、蓝、绿发光单元外延结构的外延片,以三列为一个周期,在第一列和第三列发光单元表面利用PECVD技术沉积一层SiO2钝化层26,并采用掩膜和湿法刻蚀技术将第二列的堆栈式红、蓝、绿发光单元外延结构刻蚀到蓝光Inx1Ga1-x1N/GaN量子阱发光区13。严格清洗所述刻蚀到蓝光Inx1Ga1-x1N/GaN量子阱发光区13的外延片之后,重新放入蓝绿光MOCVD机台中,首先在1000℃~1200℃的H2气氛里进行高温清洁上述外延片表面20min~40min,并通入NH3,去除表面水、氧杂质;在所述蓝光Inx1Ga1-x1N/GaN量子阱发光区13上继续生长厚度为50nm~150nm的p型Alx7Ga1-x7N上限制层23,反应温度升至900℃~1050℃,p型掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为(1~2)E18个原子/cm3,x7=0.2~0.4;在所述p型Alx7Ga1-x7N上限制层23上继续生长厚度为50nm~100nm的p型GaN欧姆接触层24,p型掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为(1~2)E19个原子/cm3;随后,将反应温度降低至700℃~850℃退火15min~30min后,再降至室温,从蓝绿MOCVD机台中取出,完成蓝光Micro-LED发光单元5外延结构的生长。
步骤4-4:将步骤4-3中生长完成蓝光Micro-LED发光单元5外延结构的外延片,在其表面利用PECVD技术沉积一层SiO2钝化层26,并采用掩膜和湿法刻蚀技术将第三列堆栈式红、蓝、绿发光单元外延结构刻蚀到绿光Inx2Ga1-x2N/GaN量子阱发光区14。清洗所述外延片之后,重新放入蓝绿光MOCVD机台中,首先在1000℃~1200℃的H2气氛里进行高温清洁外延片表面20min~40min,并通入NH3,去除表面水、氧杂质;在所述绿光Inx1Ga1-x1N/GaN量子阱发光区420上继续生长厚度为50nm~150nm的p型Alx7Ga1-x7N上限制层23,反应温度升至900℃~1050℃,p型掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为(1~2)E18个原子/cm3,x8=0.2~0.4;在所述p型Alx7Ga1-x7N上限制层23上继续生长厚度为50nm~100nm的p型GaN欧姆接触层24,p型掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为(1~2)E19个原子/cm3;随后,将反应温度降低至700℃~850℃退火15min~30min后,再降至室温,从蓝绿光MOCVD机台取出,完成绿光Micro-LED发光单元6外延结构的生长。
步骤5-1:如图5所示,将上述制备好发所有光单元外延结构的Micro-LED阵列,首先利用掩膜和干法ICP刻蚀,去除掉发光单元外延结构表面的SiO2钝化层26,再利用倒装焊接技术,与所述提供的具有电极的基板1表面的金属电极25一一对应相连,所述具有电极的基板1内部设置有电路,从而实现每颗发光单元阳极单点可控。
步骤5-2:将步骤5-1中倒装焊接好的Micro-LED阵列,首先通过机械研磨方式,利用直径为10um~20um的磨料颗粒导电衬底2背面进行粗磨,研磨速率控制在50~100um/h,直到导电衬底2剩余厚度达到50um~100um,再利用腐蚀液去除每颗发光单元所对应的导电衬底背面,从而露出AlN高温缓冲层9。本实施例中以硅衬底(Si)为例,采用的硅腐蚀液为HF+HNO3+CH3COOH。
步骤5-3:将步骤5-2中露出AlN高温缓冲层9的导电衬底背面,利用掩膜和干法ICP刻蚀技术,将所述第一列堆栈式红、蓝、绿外延结构刻蚀至GaAs低温缓冲层16,只剩下红光Micro-LED发光单元4外延结构。
步骤5-4:将步骤5-3中处理好的导电衬底背面,采用电子束蒸镀技术在其上制备厚度为100nm~300nm的ITO透明电极,从而分别形成堆栈式红光Micro-LED发光单元4、蓝光Micro-LED发光单元5、绿光Micro-LED发光单元6表面的ITO透明电极7。随后,利用掩膜和湿法刻蚀技术去除微隔离结构3表面的多余的ITO透明电极。
步骤6:如图6所示,将步骤5-4中制备好ITO透明电极7的倒装Micro-LED阵列,以三列一个周期,在第三列绿光Micro-LED发光单元6的ITO透明电极7表面利用磁控溅射镀膜技术,在其表面镀上TiO2/SiO2复合膜系,形成蓝光光学屏蔽层8,有效屏蔽蓝光波段光谱,只让绿光波段光谱通过。最终得到全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列。
根据本发明实施例的一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列,采用MOCVD外延技术与芯片沉积、刻蚀技术相结合的方式,实现在同一导电衬底上堆栈式外延红、绿、蓝三种发光单元作为发光单元,之后再利用掩膜和湿法刻蚀技术制成红、蓝、绿三种发光单元,能有效减小取出、刻蚀、清洗、再外延的次数,大大降低受污染的概率,增加器件成品率,之后利用芯片刻蚀技术形成高集成度的微小二维矩阵,且每个发光单元的尺寸可以在保证器件性能的前提下尽可能缩小,同时缩小每个发光单元之间的间距,从而能最大程度提高Micro-LED倒装阵列显示屏的分辨率。再通过导电衬底背面研磨工艺,利用成熟的倒装焊接技术,将Micro-LED阵列转移到具有p侧电极的镀Ag基板上,达到较好的散热效果,提高Micro-LED出光效率的同时实现每颗Micro-LED的阳极单点可控。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法,其特征在于,所述的全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列包括具有电极的基板、外延发光单元所需导电衬底、在所述导电衬底上制备的微隔离结构、在所述导电衬底上制备的堆栈式红、蓝、绿三色发光单元;所述的具有电极的基板,其上的p侧金属电极位置与所述堆栈式红、蓝、绿三色发光单元的位置一一对应;所述微隔离结构,利用沉积、掩膜、刻蚀技术在所述导电衬底上制备SiO2或者SiNx栅格状微隔离结构,栅格中裸露出所述导电衬底,作为发光单元的外延窗口;所述的堆栈式红、蓝、绿三色发光单元以三列为一周期;其外延结构自下而上沉积包括AlN缓冲层、GaN缓冲层、n型GaN包层、InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区、InGaN/GaN绿光多量子阱发光区、GaN保护层、GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、n型AlGaInP下限制层、红光AlGaInP/AlGaInP多量子阱发光区、p型AlGaInP上限制层、p型GaP电流扩展层,然后第二列利用掩膜和湿法刻蚀技术,自上而下刻蚀到InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区后再在InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区上生长p型AlGaN上限制层和p型GaN接触层,从而形成蓝光发光单元;第三列利用掩膜和湿法刻蚀技术,刻蚀到InGaN/GaN绿光多量子阱发光区后再在InGaN/GaN绿光多量子阱发光区上生长p型AlGaN上限制层和p型GaN接触层;再利用倒装焊接技术,将每颗发光单元p侧一一对应焊接在所述具有电极的基板上的金属电极上,从而实现每颗发光单元阳极单点可控, 将所述导电衬底背面减薄、粗化后,利用掩膜和湿法刻蚀技术将第一列刻蚀到GaAs缓冲层,从而形成红光发光单元,而在第三列导电衬底背面制备蓝光光学屏蔽层,让绿光波段光谱通过,从而形成绿光发光单元。
2.按照权利要求1所述的一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法,其特征在于,SiO2或者SiNx栅格状微隔离结构的厚度为0.5um~1um。
3.按照权利要求1所述的一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法,其特征在于,AlN缓冲层为高温AlN缓冲层,GaN缓冲层包括GaN高温缓冲层和GaN低温缓冲层;GaAs缓冲层包括GaAs低温缓冲层和GaAs高温缓冲层。
4.按照权利要求1所述的一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法,其特征在于,衬底选自硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或者砷化镓(GaAs)。
5.按照权利要求1所述的一种全色堆栈式外延的Micro-LED倒装阵列的制备方法,其特征在于,进一步包括以下步骤:
(1)选取一种有电极的基板,所述金属电极位置与所述堆栈式红、蓝、绿三色发光单元的位置一一对应,且表面有镀Ag反射层;
(2)选取一种导电衬底;
(3)在所述导电衬底上,采用PECVD方法沉积SiO2或者SiNx薄膜;
(4)利用掩膜和干法ICP刻蚀方法,按照设定的发光单元尺寸和隔离结构尺寸大小,将导电衬底表面沉积的SiO2或者SiNx薄膜刻蚀成栅格状,栅格中的SiO2或者SiNx完全刻蚀掉,露出生长发光单元所需的所有外延窗口;
(5)清洗衬底后,放入蓝绿光MOCVD机台中,在H2环境下高温处理衬底表面,去掉表面吸附的水、氧,之后开始连续生长蓝、绿光发光单元的外延结构,依次为AlN缓冲层、GaN缓冲层、n型GaN包层、InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区、InGaN/GaN绿光多量子阱发光区、GaN保护层;
(6)从蓝绿MOCVD机台取出外延片,放入红光MOCVD机台中,在H2环境下高温处理衬底表面,去掉表面吸附的水、氧,之后继续生长红光发光单元的外延结构,依次为GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、n型AlGaInP下限制层、红光AlGaInP/AlGaInP多量子阱发光区、p型AlGaInP上限制层、p型GaP电流扩展层;
(7)从红光MOCVD机台取出外延片,以三列为一个周期;在第一列和第三列外延结构表面沉积SiO2钝化层,以保护其外延结构,再利用掩膜和湿法刻蚀方法,将第二列堆栈式红、蓝、绿发光单元刻蚀到InGaN/GaN蓝光多量子阱发光区;
(8)严格清洗衬底后,重新放入蓝绿光MOCVD机台中,在H2环境下高温处理衬底表面,去掉表面吸附的水、氧,之后开始继续生长p型AlGaN上限制层、p型GaN欧姆接触层,从而形成蓝光发光单元;
(9)从蓝绿MOCVD机台取出外延片,在第二列蓝光发光单元表面沉积SiO2钝化层,以保护其外延结构;再利用掩膜和湿法刻蚀方法,将第三列堆栈式红、蓝、绿发光单元刻蚀到绿光InGaN/GaN多量子阱发光区;
(10)清洗衬底后,重新放入蓝绿光MOCVD机台中,在H2环境下高温处理衬底表面,去掉表面吸附的水、氧,之后开始继续生长p型AlGaN上限制层、p型GaN欧姆接触层;
(11)从蓝绿MOCVD机台取出外延片,利用掩膜和干法ICP刻蚀,去除外延片表面沉积的SiO2钝化层之后,采用倒装焊接技术,将发光单元的p侧与具有电极的基板表面的金属电极一一对应相连;
(12)将上述步骤(11)倒装焊接好的Micro-LED阵列,首先通过机械研磨方式,将导电衬底背面减薄,再利用腐蚀液去除每颗发光单元所对应的导电衬底背面,从而露出AlN高温缓冲层;随后利用掩膜和干法ICP刻蚀,将第一列堆栈式红、蓝、绿发光单元外延结构刻蚀至GaAs低温缓冲层,从而只剩下红光发光单元外延结构;
(13)在导电衬底背面利用电子束蒸镀技术制备ITO透明电极,再利用掩膜和湿法刻蚀去除导电衬底背面其他区域的ITO透明电极,使得每颗发光单元背面具有ITO透明电极;
(14)将步骤(13)倒装焊接好的Micro-LED倒装阵列的导电沉底在第三列堆栈式红、蓝、绿发光单元表面制备蓝光光学屏蔽层,只让绿光波段光谱通过,从而形成绿光发光单元。
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