CN108133910B - Led制造方法及led、显示屏和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种LED制造方法及LED、显示屏和电子设备,其中,LED制造方法包括:在350~500度下生长GaN层,气压五到七百mBar,V/III为两千到五千,生长速率为3~15nm/分,在450~500度下生长N型GaN层,气压两百到四百mBar,V/III为六千到一万,生长速率0.5~8um/h;在四百到五百度下生长多量子阱层,气压200~400mBar,V/III为一万二到三万,生长速率0.5~3um/h;在四百到五百度条件下生长AlGaN层,气压为50~300mBar,V/III为两千到五千,生长速率0.5~2um/h;在四百到五百度下生长P型GaN层,气压两百到四百mBar,V/III为六千到一万,生长速率为0.5~8um/h。
Description
本申请要求2017年6月30日提交中国专利局、申请号为201710527677.4、发明名称为“LED制造方法及LED”的中国专利申请的优先权,其全部内容通过引用结合在本申请文件中。仅仅是为了简洁表述,其全部内容不在本申请文件中再原文重复一遍。
技术领域
本发明涉及显示屏领域,尤其涉及LED制造方法及LED、显示屏和电子设备。
背景技术
Micro LED(Micro Light Emitting Diode,微发光二极管)技术是最近刚出现的一种显示屏技术。Micro LED是一种微小化的LED,其尺寸在100um以下甚至更小。与当前使用广泛的TFT LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,薄膜晶体管液晶显示屏)以及AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode,主动矩阵有机发光二极体)相比,Micro LED在光学效率、亮度、最大解析度、响应速度、寿命等方面都有自己的优势。
目前业界生产Micro LED的方案主要包括以下几个步骤:
1)为采用常规LED技术生产外延片;
2)之后使用高精度光刻技术和小切割道切割技术制备小尺寸的LED芯片(通常会比产品用的尺寸小);
3)之后通过批量转移(比如印刷或者贴装)的方式将多个Micro LED制备的小尺寸的 LED芯片,批量转移组合成阵列,形成大尺寸的显示屏幕。
现有技术面临的一个重大的问题就是批量转移的良率,以分辨率为1080P的手机屏为例,需要RGB(红绿蓝)像素点共计约630万颗,即需要转移的小尺寸的LED芯片达到千级别以上,即便芯片转移良率在99.99%以上,依然会因为部分故障缺陷的小尺寸的LED芯片导致整个屏幕出现坏点缺陷(比如亮点或者黑点),无法满足批量生产和使用的要求。
发明内容
为解决现有技术中存在着的批量生长困难、难以满足批量生产使用的要求的问题,第一方面,本发明实施例提供了一种用于制造氮化镓基二极管(LED)显示屏的方法,该氮化镓基二极管LED显示屏包括多种颜色的LED,每种颜色的LED从下到上包括:氮化镓(GaN) 层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、AlGaN层以及P型掺杂GaN层,其中,制造LED显示屏的方法包括:
在异质介质上制造缓冲层,其中,异质介绍是指材料跟LED材料不一致的介质;
在缓冲层上依次生长多种颜色的LED,其中,生长每种颜色的LED包括:
在350~500摄氏度温度条件下生长GaN层,其中,生长过程中的气压为500~700mBar, V/III为2000~5000,生长速率为3~15nm/min(纳米/分钟),其中,V/III是指5族元素N 与3族元素Ga的摩尔比,生长速率是指一定时间内生成物质的厚度的增加量;
在450~500摄氏度温度条件下在GaN层上生长N型掺杂GaN层,其中,生长过程中的气压在200~400mBar,V/III在6000~10000,生长速率在0.5~8um/h(微米/小时);
在400~500摄氏度温度条件下在N型掺杂GaN层上生长多量子阱层,其中,生长过程中的气压为200~400mBar,V/III为12000~30000,生长速率为0.5~3um/h;
在400~500度条件下在多量子阱层上生长AlGaN层,其中,生长过程中的气压为50~300mBar,V/III为2000~5000,生长速率为0.5~2um/h;
在400~500度条件下在AlGaN层上生长P型掺杂GaN层,其中,生长过程中的气压为200~400mBar,V/III为6000~10000,生长速率为0.5~8um/h。
其中,氮化镓基LED是指含有CaN基的各种化学物质,例如,GaN、AlGaN、P/N掺杂GaN等都含有CaN基。
本实施例提供的方法通过一些条件来让LED在特定温度下生长,这样,可以在更多的一些异质介质(如PI等柔性介质)中生长,进而可以更加方便地进行LED转移(如把PI及以上所有东西整体转移),不需要像现有技术一样进行切割、组装等,从而可以满足批量生产和使用的要求。
基于第一方面,在第一方面第一种可能的实现方式中,在生长各层时,待生长LED的区域与不需要生长LED的区域通过一个带有多个洞的隔离板隔离,其中,带洞掩膜层中的多个洞的布局与需要生长的LED的布局相同,多个洞用于让生长各层所需的化学物质通过,从而形成LED的各层。
通过隔离板进行隔离,能够不需要使用传统的掩膜方案,减少工序,提升效率。
基于第一方面第一种可能实现方式,在第一方面第二种可能的实现方式中,每一个颜色的LED生长都在与之对应的一个生长设备中进行,每个生产设备中均包括一个隔离板。隔离板起的作用类似于掩膜,本申请中也将其称为“掩膜板”。
每个生长设备均包括一个隔离板的方案实现简单,制造方便。
基于第一方面第一种可能实现方式,第一方面第三种可能的实现方式中,所有颜色的LED 生长都在一个生长设备中进行,生长设备可以通过插拔对应于不同颜色LED的隔离板来依次完成不同颜色的LED的生长。
将多个隔离板在一个设备中集成度高,可以节省空间。
基于第一方面第一到第三种任意一种实现方式,在第一方面第四种可能的实现方式中,所述隔离板材料为不锈钢。此外,也可以是例如铝等金属。这些材料能够起到隔离的作用而不会影响生长制造。
基于第一方面,在第一方面第五种可能的实现方式中,在生长各层时,待生长LED的区域与不需要生长LED的区域通过暴露有多个洞的带洞掩膜层隔离,其中,带洞掩膜层中的多个洞的布局与需要生长的LED的布局相同,多个洞用于让生长各层所需的化学物质通过,从而形成LED的各层。
基于第一方面第六种可能的实现方式,在第一方面第六种可能的实现方式中,在生长 GaN层之前,在缓冲层上制造一层没有洞的无洞掩膜层,再通过光刻法暴露出多个洞后形成带洞掩膜层。
以上第五、六种可能的实现方式使用掩膜法来分离需要制造LED的区域及不需要制造 LED的区域,工艺成熟简单。
无洞掩膜层采用采用等离子增强化学气相淀积(plasma-enhanced chemicalvapor deposition,PECVD)方法来制造。
本申请中,异质介质为包括柔性介质层,柔性介质层的材料为聚酰亚胺(PI),或者聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA),或者聚碳酸脂(PC)。
LED在柔性介质层上生长(LED可以直接在柔性介质层上生长,或者在柔性介质层上生长的一层其他的东西,如驱动管,上生长)后,后续可以将柔性介质层及以上的所有东西整体转移到一个新的基板,这样,无需像现有技术一样切割成多个小的部分然后再拼接成目标尺寸的LED,从而提升了转移良率,更加适用于批量生长。
本申请中,缓冲层的材料为钛(Ti)或者,为石墨稀,或者碳纳米管。
第二方面,本申请还包括一种由第一方面及第一方面各种实现方式生产的LED(发光二极管)。
第三方面,本申请还公开了一种显示屏,包括驱动电路,多个如第二方面公开的发光二极管,驱动电路用于驱动多个发光二极管发光。
第四方面,本申请还公开了一种电子设备,,包括处理器、存储器以及如第三方面公开的显示屏,存储器用于存储处理器运行时所需的指令,处理器用于读取并执行存储器存储的指令,并通过驱动电路来让显示屏显示。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一提供的一种LED显示屏中各个像素及子像素布局示意图;
图2为实施例一提供的另一种LED显示屏中各个像素及子像素布局示意图;
图3为实施例一提供的一种包括Micro LED的显示屏截面示意图;
图4为实施例一提供的一种Micro LED的截面示意图;
图5为实施例二提供的一种包括Micro LED的显示屏截面示意图;
图6为实施例三提供的一种包括Micro LED的显示屏截面示意图;
图7为实施例四提供的一种制造LED显示屏的方法流程图;
图8为实施例四提供的一种生长LED的方法流程图;
图9为实施例四提供的一种掩膜形状示意图;
图10为实施例五提供的一种掩膜设备结构示意图;
图11为实施例六提供的一种生长设备示意图;
图12为实施例六提供的一种生长设备中掩膜布局示意图;
图13为实施例六提供的利用生长设备进行生长的流程图;
图14为实施例九提供的一种显示屏结构示意图;
图15为实施例十提供的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合各附图,对本发明的各个实施例进行描述。
实施例一
参见图1及图2,为本实施例一种LED显示屏俯视图,与现有技术的显示屏类似,从整体上看,LED显示屏也是一块平整的面板或者是一块边缘弯曲的曲面屏面板。该显示屏包括多个像素10,每个像素包括多个子像素(图中用标号11、12、13表示),子像素包括用于发光的LED,通常包括红(图中用R表示)、绿(图中用G表示)、蓝(图中有B表示)三种颜色,各个子像素配合着发光能够产生更多种颜色。
需要说明的是,上述实施例中的LED结构示意图适用于普通LED以及Micro LED的结构示意图,以下实施例提供的图形以Micro LED为例进行介绍,对于普通LED,其表现在尺寸要大一些,其他结构与Micro LED类似,因此,本申请不再对普通LED结构进行详细描述。
参见图1、图2,显示屏中的各个子像素形状、大小、相互之间的排列顺序、间距等具体设置方法并不限定。例如,在图1中,各个子像素的形状是矩形,各个子像素按R、G、B 顺序并排地排在一起;而在图2中,各个子像素的形状是圆形,相互之间以三角形的形式排列在一起。以上只是几个示例,在其他实施例中,子像素的形状也可以是椭圆形,或者其他各种形状。两个像素之间的间隔也不限定,例如,可以与子像素之间的间隔一样,或者也可以是子像素大小(如圆形时的直径、矩形时的一条边的长度)的几倍到几十倍的距离。
需要说明的是,虽然各个子像素形状、大小、相互之间的间距并不限定,但也并不意味着可以是任意设置,本领域技术人员可以理解,无论是形状,还是大小、间距或者其他参数,都是在能够达到产品显示所需的指标下,可以选择的一些参数,这些参数的具体实现为现有技术(例如,可以通过仿真、经验值、测试等手段得到),这里并不赘述。同时,图1及图2中的各个像素或者子像素的形状、大小、间隔的设置等也仅仅是作为示例,并不代表实际产品中也是如此设置。
Micro LED显示屏中的各个子像素的具体实现结构可以有多种,下面分别通过几个实施例对其中几种结构进行介绍。
参见图3,为第一种包含了Micro LED的显示屏中的一个子像素的截面图,自上而上按出光方向包括:基板、柔性介质层、驱动管、缓冲层、Micro LED、透明电极、粘接层以及盖板,其中:
基板用于起到基本的支撑的作用,例如,用于支撑住柔性介质层,使PI柔性介质中在显示屏制作过程中不产生形变。基板材料并不限定,只要硬件能够满足产品生长即可,例如,可以选用玻璃作为基板材料,厚度可以在1mm左右。
柔性介质层位于基板上方,一方面用于在里面实现一些电路(即将用于实现电路的材料,如铜箔,做到柔性介质层当中),例如,用于提供连接电源(图中未示出)与驱动管的电路。另一方面,柔性介质层也用于承载在其之上的其他层,在生产制造过程中,有时候需要将柔性介质层以及柔性介质层以上的部分整体转移到另一个介质(例如,另一块玻璃基板),此时,柔性介质层就起到了承载的作用。柔性介质层厚度可以在100mm左右,并且,由于是柔性介质,因此,还可以弯曲以用来制造曲面屏。柔性介质具体材料并不限定,通常可以使用 PI(Polyimide,聚酰亚胺)或者聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚碳酸脂(PC)等材料。
需要说明的是,柔性介质层是一个可选的层,如果不需要制造曲面屏,或者不需要转移柔性介质层及以上各层东西,那么也可以不设置柔性介质层。此时,柔性介质层中的电路也可以做到基板上(例如,基板是玻璃时,可以在玻璃中实现柔性介质层中的电路),具体实现为现有技术,这里并不赘述。
驱动管位于在柔性介质层的上方,用于对每颗Micro LED进行驱动,驱动管在制造完成后,在整体上也是一个薄板状的“层”(即上下面都是平面)。驱动管类型可以是TFT(Thin Film Transistor,薄膜晶体管)驱动管或者CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互补式金属氧化物半导体)驱动管,厚度可以是几十微米,例如,20-30mm。驱动管与透明电极配合给Micro LED供电,即驱动管与透明电极通过接电源两端来给MicroLED供电。驱动管材料可以是多晶硅。
缓冲层材料位于驱动管上,如果每种材料的晶格常数有差异则会存在晶格失配的问题,从而在材料之间产生大量的晶格缺陷(晶格lattice defect),导致Micro LED质量不稳定。为了生长更高质量的Micro LED,可以在TFT驱动管与Micro LED之间加入缓冲层,起到缓解材料之间晶格失配的作用。同时,缓冲层也起到导电的作用(即让驱动管与MicroLED 之间电导通)。缓冲层的材料通常采用Ti(钛),或者也可以采用石墨稀材料、碳纳米管等材料,厚度可以比较薄,例如,0.5mm。
Micro LED,用于发光,例如,通常用于发出红、绿、蓝中的其中一种。Micro LED的厚度一般在几微米,例如,可以是5mm。
参见图4,为一种Micro LED结构截面示意图,呈现“层”级的结构,从上到下依次包括P型掺杂GaN(氮化镓)层、AlGaN(铝镓氮)层、多量子阱层、N型掺杂(或者也称“N 掺杂”,或者“N型”)GaN层以及GaN buffer(氮化镓缓冲)层,每一层均由“层”名字前面化学物质构成,例如,P型掺杂GaN层由P型掺杂GaN构成,多量子阱层由多个量子化阱构成。
其中,GaN buffer的材料就是GaN,用于缓解晶格适配,让Micro LED的缺陷密度(如位错dislocation密度更低),达到更好的质量。GaN buffer的厚度例如可以为15nm。
P型掺杂GaN以及N型掺杂GaN用于形成PN结,N型掺杂GaN的厚度例如可以为2um, P型掺杂GaN的厚度例如可以为100nm,P/N型掺杂GaN两端分别连接电源正负极,具体连接时,P型掺杂GaN可以通过透明电极来与正极相连,N型掺杂GaN可以通过驱动管以及柔性介质层里的电路与负极相连。
多量子阱用于实现发光,如图4所示,多量子阱由GaN以及InGaN依次叠加后形成(最上端以及最下端都是GaN),其中,每个量子阱包括上下两个GaN以及位于两个GaN中间的InGaN(氮化铟镓),且相邻的量子阱可以复用一个GaN,例如,图4中的量子阱1以及量子阱2复用了一个GaN。InGaN厚度例如可以为3nm,GaN厚度例如可以为7nm。
AlGaN层为电子阻挡层,由AlGaN构成,用于避免电子过流,提高发光效率。AlGaN层的厚度例如可以为80nm。
Micro LED上方为透明电极,厚度如1微米,用于与驱动管配合来给Micro LED供电。由于透明电极在出光方向,为了让光透过,需要使用透明的材料,例如可以使用ITO(氧化铟锡)或者ZnO(氧化锌)等材料。
透明电极上方是粘接层,用于粘接最上方的盖板以及透明电极,由于粘接层也是在出光方向,因此,也需要使用透明材料。通常粘接层可使用透明高分子材料,例如硅胶,厚度在几微米左右,例如,可以设置为5mm左右。
盖板位于最上层,起到保护以及透光的作用,通常使用玻璃,厚度约几百微米,例如, 500微米。
此外,由于Micro LED朝上以及朝下都会发光,为了让光线更加汇聚,可以在与出光方向相反的位置设置反光镜,从而让光线反射到出光方向。在本实施例中,出光方向朝上,因此,可以在柔性介质层或者基板下面设置反光镜(反光面朝上),让光线往出光方向反射。
本实施例结构都在垂直方向实现,实现比较简单,并且由于不需要水平方向(侧边)放置部件,可以充分利用水平方向的空间(如放置传感器等器件),空间利用率、集成度高。并且,每个子像素点也能做得比较小(不需要侧边的空间),从而在同样的大小的空间内能放置更多的像素,可以做到更大的分辨率。此外,Micro LED在出光方向上经过的材料都是透明的材料,透光率高,显示效率更好。
实施例二
基于实施例,本实施例提供了另一种包含了Micro LED的显示屏截面结构。参见图5,为第二种Micro LED的截面图,出光方向为向下。本实施例各层的构成与第一种方案大致相同,各层的具体实现都可以基于第一种方案进行设计,这里不再赘述。
下面重点对与第一种方案不同的地方进行详细说明,具体包括:
1)驱动管的位置
本实施例中,驱动管的位于Micro LED以及粘接层之间,而不是像第一种方案一样位于缓冲层以及柔性介质层之间。
2)去除掉了透明电极
透明电极的原有的电路功能可以在柔性介质层中实现。即在本结构中,可以通过驱动管与柔性介质层中的电路来接电源的两极为Micro LED供电。
3)柔性介质层材料
由于柔性介质层位于出光方向,为了尽量不阻挡光线,柔性介质层可以选用透光性好的材料,例如,石墨烯。
4)基板
由于基板也在出光方向上,基板的材料也要选择透光性好的材料,例如,玻璃。同时,为了跟下面提到的另一基板进行区分,在图中用“第一基板”表示。
5)盖板
本结构中,由于出光方向是向下,也就是说实际产品中,对于用户看到的一块显示屏,基板是位于最上方的(出光方向朝向用户),盖板是位于最下方的。此时,盖板主要起到的作用是支撑作用,与基板的作用类似,因此,在此实施例中,也可以将其也认为是“基板”(如图中所示第二基板),材料与结构一中的类似,仍然可以选择硬度合适材料,如玻璃。
此外,本实施例,也可以设置反光镜,具体的,可以在驱动管与Micro LED之间设置反光镜(反光面朝下),来将光线往出光方向反射。同时,由于驱动管与Micro LED需要导电,因此,反光镜的材料可以使用金属等能够导电的材料。
本实施例中,跟第一方案一样,也是在垂直方向实现,实现比较简单,具有空间利用率、集成度高,能做到更大分辨率的优点。同时,在制造时,通过柔性介质层(如PI材料)上设置一个缓冲层,并在缓冲层上生长Micro LED会更容易实现。
实施例三
基于以上各实施例,参见图6,本实施例提供了另一种包含Micro LED的显示屏的截面结构。本实施中的出光方向与第一种Micro LED相同,为向上方向。各个器件也可以参见前面两种实现方式,这里不再赘述。
下面重点对与第一种方案不同的地方进行详细说明,具体包括:
1)驱动管的位置
本实施例中,驱动管的位于柔性介质层以及透明电极之间,而不是像第一种方案一样位于缓冲层以及柔性介质层之间。同时,驱动管的位置在Micro LED以及缓冲层的侧边。
2)加入保护层以及高度补偿层
其中,保护层的作用在于防止驱动管与Micro LED之间出现不必要的电导通,以形成例如短路等问题,因此,需要用绝缘材料作为保护层的材料(例如,硅胶、二氧化硅)来将驱动管与Micro LED分开,
此外,由于驱动管制备后高度通常没有缓冲层加上Micro LED层高,为了让驱动管的高度与Micro LED高度一致以使整个结构更加稳定,还可以在驱动管与透明电极之间加入高度补偿层。同时,由于驱动管的电路与透明电极的电路连接需要连通,因此,需要使用导电材料,例如,使用金、铝。
本实施例,也可以设置反光镜,具体的,也可以在柔性介质层或者基板下面设置反光镜 (反光面朝上),让光线往出光方向反射。
实施例四
基于上述各实施例,参见图7本实施例提供了一种LED制造方法,需要说明的是,本实施例及以下各实施例的中LED制造方法都适用于包括GaN基的普通LED以及Micro LED。本实施例提供的方法包括:
S31、在异质介质上制造缓冲层。
本实施例中的“异质介质”是指跟LED材料不一致的介质,LED的材料通常都是GaN基材料,因此,“异质介质”是指不同于GaN的介质。以基于前述几种LED结构中,异质介质可以是指基板(如玻璃),或者指柔性介质层(如PI)。
缓冲层的作用是能更好地生长LED,具体原理以及缓冲层材料的选择已在前述实施例中进行过描述,这里不再赘述。
缓冲层的制造可以基于现有的工艺进行,例如,可以将一个玻璃基板放入到一个溅射台,通过溅射(英文为sputtering,即从溅射台顶部喷射缓冲层材料到基板上)的方法实现在基板上制造出缓冲层。此外,根据需要喷射的缓冲层材料的不同,针对一些金属材料还可以采用退火(annealing)等工艺技术来完成缓冲层的制造。
在一个示例中,缓冲层的厚度可以是200nm。
S32、在缓冲层上制造掩膜;
掩膜的材料可以是SiO2(二氧化硅),厚度可以是500nm。具体的,可以采用PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition,等离子增强化学气相淀积)方法来制造,即可以将制造有缓冲层的基板从溅射台拿出来后放到专用的PECVD设备来完成掩膜的制造,其具体实现为现有技术,这里并不赘述。
掩膜的作用是防止不需要生长LED的区域不生长LED,即在步骤S322中暴露出来的区域才生长LED,被掩膜覆盖的区域并不会生长LED,当然,在LED生长过程中也会在掩膜上形成一些物质,这些物质可以通过例如S328腐蚀步骤来进行去除。
S33、在掩膜上暴露出需要制造蓝色LED的区域。
本步骤中,可以使用光刻的方法来暴露出一种颜色(如蓝色)的LED的区域,光刻方法的具体实现为现有技术。需要说明的是,本实施例中,首先对蓝色LED进行制造,在其他实施例中,也可以先制造红色或者绿色LED,本申请并不限定。
参见图9,在一个示例中,选择矩形作为暴露区域的形状,同时,总共暴露出210万个区域,每个区域大小为12*28um(微米),以阵列的形式整齐排列,阵列中行间距以及列间距都设置为15um。
在光刻完成后,即可在暴露出的区域生长LED,其中,这里的“生长”(grow)是LED制造领域的一个专用术语,其含义为在暴露区域通过一层层依次叠加的方式形成如图4所示的LED不同层的过程,例如,先形成GaN buffer,再形成N型掺杂GaN,依次类推,最后形成P型掺杂GaN。
下面的对LED的生长过程进行具体介绍,LED的生长过程可以在一个MOCVD(metalorganic chemical vapour deposition,有机金属化学气相沉积)设备中进行,该设备可以控制一些气体(或者汽化的液体)通入到设备当中进行化学反应,从而生长出LED。生长过程中,可以通过控制通入的化学物质的量以及通过检测已经生长的LED各层的厚度来决定何时停止或者继续生长,具体控制及检测方法为现有技术,这里并不赘述。下面将这个生长过程进行具体介绍。
S34、在掩膜上暴露出来的区域生长LED。
具体的,参见图8,可包括如下步骤:
S341、在350~500度条件下生长GaN buffer(氮化镓缓冲)。
GaN buffer即一层GaN,来作为缓冲层使用。具体的,可以将光刻后的带有缓冲层以及掩膜的基板放入到MOCVD设备中,并将温度控制在350~500度,然后通入TMGa(三甲基镓) 以及NH3(氨气)来形成GaN buffer。需要说明的是,本申请中,如无特殊说明,本实施例及其他实施例中,“度”特指摄氏度。
为了能够更好地在350~500度生长GaN buffer,可以将生长压力控制在500~700mBar,将V/III控制在2000~5000,将生长速率控制在3~15nm/min(纳米/分钟),其中,生长压力是指气压;V/III是指5族元素(N)与3族元素(Ga)的摩尔比;生长速率是指一定时间内生成的物质的厚度的增加量。
S342、在450~500度条件下生长N型掺杂GaN层。
本步骤中,通过通入TMGa、NH3以及SiH4(硅烷)来生成N型掺杂GaN,其中,硅烷是用于形成N型GaN的掺杂物质,掺杂浓度可以为1E19/cm3。
为了能够更好地在450~500度条件下生长GaN buffer,可以将生长压力控制在200~400mBar,将V/III控制在6000~10000,将生长速率控制在0.5~8um/h(微米/小时)。
S343、在400~500度条件下生长蓝色LED的多量子阱层。
本步骤中,通过通入TMGa,TMIn(三甲基铟)和NH3来生成多量子阱层。为了实现蓝色的光,需要控制TMIn流量来将In组分(content,即In和Ga的摩尔比)控制为10%~20%,在这种组分条件下,能够发出蓝色的光。
为了能够更好地在400~500度条件下生长多量子阱层,可以将生长压力控制在200~400mBar,将V/III控制在12000~30000,将生长速率控制在0.5~3um/h。
S344、在400~500度条件下生长AlGaN电子阻挡层。
本步骤中,通过通入TMGa,TMAl(三甲基铝)和NH3。来生成AlGaN电子阻挡层。
为了能够更好地在400~500度条件下生长AlGaN,可以将生长压力控制在50~300mBar,将V/III控制在2000~5000,将生长速率控制在0.5~2um/h(微米/小时)
S345、在400~500度条件下生长P掺杂(或者也称“P型掺杂”)GaN。
本步骤中,通过通入通TMGa,NH3,Cp2M的方式来实现P型掺杂,掺杂浓度1E20/cm3。
为了能够更好地在400~500度条件下生长P掺杂GaN,可以将生长压力控制在 200~400mBar,将V/III控制在6000~10000,将生长速率控制在0.5~8um/h(微米/小时)
通过以上S341-S345步骤,即可完成Micro蓝色LED的生长。
S35、腐蚀掉掩膜及杂质。
将生长了LED的基板从MOCVD设备中取出,使用HF(氢氟酸)来将掩膜以及在生长LED 过程中在掩膜上生成的一些杂质(非晶的沉积)腐蚀掉,而生长出来的LED由于可以耐HF 腐蚀,所以并不会被腐蚀掉,从而可以完成对蓝色LED的制造。
接下来可以重复上述相关的步骤来完成绿色以及红色LED的制造,具体可以通过执行下述方法来实现。
S36、重复S32-S35中的步骤来制造绿色LED,区别在于S33中需要暴露出制造绿色LED 的区域,同时,在S343中改变In组分为中等浓度(20%~30%)。
具体的,S322步骤在制造绿色LED时调整为:在掩膜上暴露出需要制造绿色LED的区域,绿色LED的区域的位置可根据事先确定的布局进行设置,例如,参见图9,在图9所示的视图角度下,可位于蓝色LED的右方,间距设置为20um。同时,S325步骤中,将In组分改成中等浓度(20%~30%),从而可以显示绿色。
此外,需要说明的是,在执行S33制造掩膜的步骤时,可以将掩膜覆盖全部表面,包括已经生长的蓝色LED。
S37、重复S32-S35中的步骤来制造红色LED,区别在于S33中需要暴露出制造红色LED 的区域,同时,在S343中改变In组分为高等浓度(30~40%)。
具体的,S322步骤在制造绿色LED时调整为:在掩膜上暴露出需要制造红色LED的区域,红色LED的区域的位置可根据事先确定的进行设置,例如,参见图9,以图9所示的视图角度下,可位于绿色LED的右方,间距设置为20um。同时,S343步骤中,将In组分改成高浓度(30%~40%),从而可以显示红色。
此外,需要说明的是,在执行S33制造掩膜的步骤时,可以将掩膜覆盖全部表面,包括已经生长的蓝色以及绿色LED。
实施例五
基于上述各实施例,本实施例提供了另一种制造方法。在实施例四中,每次生长LED 前,都需要制造一次掩膜,这些工序都需要人的参与,因此,自动化程度较低,不利于快速批量地进行生产。为了解决这个问题,本方法提供了一种通过设备绑定的掩膜板来实现掩膜的方法,从而更加快速地完成LED的生长。
本实施例中,不需要执行S321制造掩膜的步骤以及S322通过光刻暴露出LED区域的步骤。相应的,可以通过在缓冲层上设置一个掩膜板,通过掩膜板来快速完成S321以及S322 步骤。
顾名思议,掩膜板是起到“掩膜作用的板”,由上述方法一可知,掩膜的作用是保护不需要生长LED的区域,即不让这些区域生长LED,因此,掩膜板的作用也是如此。
具体的,掩膜板可以使用一块薄的金属片,例如,使用不锈钢、铝,厚度可以20um。同时,掩膜板上布置大量的洞,这些洞的布局与方法一中暴露出的需要制造LED的区域的布局一致,即这些洞的布局就是要生长的LED的布局,后续在生长LED时,这些洞可以让化学物质进入,从而完成LED的生长。
掩膜板的大小需要大于等于最终要制造的LED显示屏的大小例如,大于等于5.5寸或者 5.2寸等。实际使过程中,可以让掩膜板的大小大于要制造的LED显示屏的大小,多余的部分可以用来进行固定或者起到更多的保护作用。掩膜板的形状并不限定,只要能够在大小上满足上述条件即可。
掩膜板在使用过程中,可以贴住缓冲层,或者也可以跟缓冲层之间留一些微小的间隙,间隙具体大小并不限定,只要最终能够生长出符合厂家自定义指标的LED显示屏即可。
掩膜板可以通过特定的设备采用机械自动化地方式将其放置在缓冲层上(贴住缓冲层,或者相互之间保留一些微小间距)。例如,可以用一些用于固定的机械结构(如夹子)来将固定住掩膜板(如用夹子夹住掩膜板的周围),从而将其固定在缓冲层的上方。
由于生长LED时,需要对三种颜色都进行生长,因此,掩膜的位置需要进行调整。
在一种实现方式中,如果三种LED的形状、大小都相同,则可以通过移动掩膜板的位置来生长新的LED,例如,可控制机械结构将掩膜板平移一定距离(注意有时候直接平移可能会把生长出来的LED给切掉了,此时,可以先上升一些距离),这样,又有新的缓冲层上的区域可以通过掩膜板上的洞暴露出来,从而可以通过往洞中通入实施例四中提到的各种化学物质来生长其他颜色的LED。
在另一种实现方式中,还可以提供三个掩膜板,三个掩膜板中洞的形状、大小都不限定,从而可以满足更多LED布局要求。三个掩膜板具体可以通过“插拔更换”的方式来进行选择更换,例如,先将第一块掩膜板插到设备中,完成一种颜色LED的生长,然后再将这块掩膜板拔出,更换另一块掩膜板来完成另一种颜色LED的生长,再将这个掩膜板拔出,更换最后一块掩膜板来完成最后一种颜色LED的生长。
在另一种实现方式或,还可以分别三个掩膜板可以设置在同一个设备上,通过一个用于切换的机械结构来切换选择其中一个掩膜板。例如,如图10所示,为一种采用类似多CD 换片的方式来选择其中一个掩膜板的装置的结构示意图,该示意图的角度是俯视基板17的俯视角度。该装置包括多个掩膜板(11、12、13),每个掩膜板上的洞(图中未示出)的布局与最终要形成的各种颜色的布局相匹配,每个掩膜板可以通过一些固定件(14)进行固定,其中一个或多个固定件可以通过连接件16与一个旋转装置15相连。在工作时,可以控制旋转装置转到一定的角度,然后让掩膜板11进行工作,当掩膜板11工作完后,可以通过控制掩膜板12旋转到先前掩膜板11所在的区域来暴露出新的洞来让生长另一颜色的LED,然后再通过控制掩膜板13旋转到先前掩膜板12的位置来生长另一颜色的LED。
以上仅仅是一些示例,本申请也不限定使用其他的方法及设备来固定及使用掩膜板。
实施例六
基于上述各实施例,本实施例提供了另一种生长LED的方法。参见图11,本实施例用于生长LED的设备60包括第一反应腔63,第二反应腔65以及第三反应腔67,这三个反应腔分别用于完成不同颜色的LED的生长,即可以完成实施例四当中S323-S327的步骤。同时,与实施例五类似,本实施例中也使用掩膜板来代替实施例四中的掩膜,掩膜板的设置可以参考实施例五中的描述,这里并不赘述。与实施例五不同的是,每个反应腔中放置一个掩膜板,用于生长一种颜色。
第一反应腔63与第二反应腔65之间包括第一传动室64,第二反应腔65与第三反应腔 67之间包括第二传动室66,传动室(64、66)用于将反应腔中已经生长了LED的部件整体移动到另一反应腔中,去实现另一种颜色的LED的生长。
设备60还可以包括第一加载互锁室(load-lock chamber)62、第二加载互锁室68、入口手套箱61以及出口手套箱69。其中,第一加载互锁室62用于存储待生长LED的原材料(例如实施例四中通过步骤S31处理后的带有缓冲层的基板),第二加载互锁室用于存储生长了三种颜色LED后的材料。第一加载互锁室中还可以有一些例如机械手之类的装置将原材料送到第一反应腔中。类似地,第二加载互锁室用于从第三反应腔中获取生长了LED的原材料并送至出口手套箱。
手套箱的作用是提高洁净度。手套箱是一个密封的箱子,用户通过箱子中设置的手套(通常使用橡胶手套)来摆放箱内的东西,例如,调整原材料的位置等。通过手套箱的设置以及操作都是现有技术,具体实现这里并不赘述。
此外,需要说明的是,手套箱是在大气压下工作,而反应腔通常是低压,因此,如果手套箱与反应腔之间直接连通的话,将导致手套箱中的橡胶手套爆炸。为了解决这个问题,加载互锁室需要隔断手套腔与反应腔,不能让手套箱与反应腔直接连通。具体的,以入口手套箱、第一加载互锁室以及第一反应腔为例,第一加载互锁室与入口手套箱以及第一反应腔之间分别设置有第一阀门611以及第二阀门612,可以防止气体流通。当需要使用手套箱时,先将第一加载互锁室的压力调到大气压,然后打开第一阀门611,这样,可以通过入口手套箱来进行各种操作。当操作完成后,关闭第一阀门611,同时调整第一加载互锁室里的压力为跟第一反应腔里压力相同的低压,然后打开第二阀门612,将原材料送到第一反应腔进行反应,然后再关闭第二阀门612。同理,第三反应腔、第二加载互锁室、出口手套箱的操作也类似,需要通过第三阀门613、第四阀门614来避免第三反应腔与出口手套箱之间直接连通。
类似地,各个反应腔与传动室之间也设置有阀门,例如,第一传动室与第一反应腔和第二反应腔之间分别设置有第五阀门615以及第六阀门616,第二传动室与第二反应腔以及第三反应腔之间分别设置有第七阀门617以及第八阀门618。跟加载互锁室的隔离作用类似,传动室也用于隔离不同反应腔(不同反应腔内压力也不同,也不能直接导通),当需要在两上反应腔之间传送东西时,也需要控制传动室内的气压以及控制阀门开关及闭合来避免两个反应腔之间直接连通,工作原理与前述加载互锁室工作原理类似,例如,将需要第一反应腔与第二反应腔之间传送东西时,先关闭第一传动室两侧的阀门(通常就是处于关闭状态来防止第一反应腔与第二反应腔连通),然后将第一传动室气压调整成跟第一反应腔内气压一样,然后打开第五阀门615,然后传送第一反应腔中的东西到第一传动室,然后关闭第五阀门 615,然后再调整第一传动室气压跟第二反应腔内气压一样,然后打开第六阀门616,然后传送第一传动室的东西到第二反应腔中,然后关闭第六阀门616。
结合上述设备60,参见图13,下面对基于该设备对LED的生长进行具体描述。
S61、将一份或多份原材料放入入口手套箱。
其中,一份原材料是指经过实施例四中步骤S31处理后的带有缓冲层的一个基板。
S62、第一加载互锁室加载该一份或多份原材料。
可通过内置的机械手将原材料加载到第一加载互锁室,并且,可以在第一加载互锁室存储一份或者多份原材料。
S63、第一加载互锁室将原材料送到第一反应腔。
例如,可以通过控制机械手将原材料送入第一反应腔。
S64、第一反应腔使用掩膜板来生长蓝色LED。
第一反应腔中的掩膜板711中洞的布局跟要生长的蓝色LED布局一致,例如,参见图 12中的(a)图,为掩膜板711上的多个洞731在原材料721上的垂直投影,通过掩膜板上的洞能够在原材料721上投影的区域生长出蓝色的LED(图中用B表示)。生长方法可参考实施例四中的S323-S327步骤。
S65、通过第一传动室将生长了蓝色LED的原材料送至第二反应腔来生长绿色LED。
第二反应腔中的掩膜板712中洞的布局跟要生长的绿色LED布局一致,例如,参见图 12中的(b)图,为掩膜板712上的多个洞732在生长了蓝色LED的原材料722上的垂直投影,通过掩膜板上的洞能够在原材料722上投影的区域生长出绿色的LED(图中用G表示)。生长方法可参考实施例四中的S323-S327步骤。
S66、通过第二传动室将生长了蓝色、绿色LED的原材料送至第三反应腔来生长绿色LED。
第三反应腔中的掩膜板713中洞的布局跟要生长的红色LED布局一致,例如,参见图 12中的(c)图,为掩膜板713上的多个洞733在生长了蓝色、绿色LED的原材料723上的垂直投影,通过掩膜板上的洞能够在原材料723上投影的区域生长出红色的LED(图中用R表示)。生长方法同样可参考实施例四中的S323-S327步骤。
S67、第二加载互锁室从第三反应腔中取出生长了三色LED的原材料。
例如,第二加载互锁室通过内置的机械手从第三反应腔中取出生长了三色LED的原材料。
S68、第二加载互锁式把生长了三色LED的原材料送至出口手套箱。
例如,通过机械手将原材料送到出口手套箱。
S69、通过出口手套箱获取出生长了三色LED的原材料。
实施例七
基于上述各实施例,本实施例提供了一种制造LED显示屏的方法,本实施例提供的方案用于在通过上述各实施例提供的生长LED的方法基础上来完成最终LED屏的制造。具体的,可以有多种方法来完成整个LED的制造,包括:
方法一
先在一个制造用的基板(如玻璃)上制造异构介质,例如,可以在基板上制造一层柔性介质层(如图5)来作为生长LED的异构介质,或者也可以在基板上制造柔性介质层以及驱动管(如图3),将驱动管作为异构介质层来生长LED。在基板上制造柔性介质层,或者在基板上制造柔性介质层以及驱动管都为现有技术。
然后通过上述实施例提供的方法制造出缓冲层并且生长完LED后,再继续制造其他的层,制造其他层的方法为现有技术,可以使用现有各种方法来制造其他的层。
接着,可以先制造到透明电极这一层,然后切割成真正产品所需的形状(例如5.5寸矩形的显示屏),然后再将从柔性介质层及以上所有部件从制造用的基板上转移到一个用于产品的基板(也可以是玻璃),并继续制造剩余的部件(如粘接层以及盖板),从而完成整个产品的生长。或者,也可以先完成剩余部件的制造,然后再切割成目标形状,再将切割后的从柔性介质层以上所有部件从制造用的基板上转移到一个用于产品的基板。
方法二
先在制造阶段进行切割,即在制造用的基板上生长完异质介质后,将异质介质切割与目标形状,然后制造缓冲层并生长LED。
接着,再生长完其他部件,然后将柔性介质层以上所有部件从制造用的基板上转移到一个用于产品的基板。或者,这一步也可以在生长完LED后,就转移到新的产品用的基板,然后再制造其他剩余的部件。
方法三
首先仍然是在基板上制造异构介质,异构介质包括柔性介质层。
接着,将柔性介质层及以上所有部件都转移到产品用的基板。
然后再依次制造剩余的部件(即LED以上的各层),直到做完透明电极,然后再切割成目标形状,然后再制造剩余的部分。或者,这一步中,也可以把所有剩余的部分都做完,然后再切割成目标形状。
需要说明的是,以上都是针对有柔性介质层的情况,如果没有柔性介质层要求(例如,直接在基板上完成生长),此时,可以不需要转换,只要再制造完其他部件并切割即可。或者,也可以事先切割好,然后制造完所有部件后即完成产品的制造。
方法四
对于本申请实施例三提供的Micro LED显示屏的制造方法,可以先生长完MicroLED,然后制造保护层,然后再制造驱动管以及高度补偿层。
或者,也可以制造驱动管以及高度补偿层,然后再制造保护层,然后再生长MicroLED。
其他各层的顺序、转移的时机、切割的时机可参考上述几种方法,这里不再赘述。
实施例八
基于上述各实施例,本实施例公开了一种LED(发光二极管),该LED由上述各种实施例提供的方案制造。
实施例九
参见图14,基于上述各实施例,本实施例公开了一种显示屏14,图14为该显示屏的俯视图。该显示屏包括了由上述各种实施例提供的方案制造的多个LED(141,142,…14n),此外,显示屏还包括驱动电路142,用于驱动各个LED。需要说明的是,图中的虚线框仅用于对驱动电路进行示意,并不表示实际驱动电路的形状以及大小。实际驱动电路的设计为本领域技术人员所公知的技术,这里并不赘述。
该显示屏可以作为各种电子设备的显示屏,例如,作为手机、平板电脑等电子设备的显示屏。驱动电路142与各个LED的连接及控制方式为现有技术,本实施例并不赘述。
实施例十
参见图15,基于上述各实施例,本实施例公开了一种电子设备(例如,可以是智能手机、智能穿戴式设备、平板电脑等),该电子设备包括显示屏151、处理器152、存储器153。显示屏采用实施例九中的显示屏,可包括驱动电路1512以及多个LED(1511,……151n),处理器152与显示屏151的驱动电路1512耦合。存储器153用于存储处理器运行时所需的指令,处理器152用于读取并执行存储器153存储的指令,通过驱动电路来让显示屏151进行显示。
上举较佳实施例,对本申请的目的、技术方案和优点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一些实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种用于制造氮化镓基二极管LED显示屏的方法,其特征在于,所述氮化镓基二极管LED显示屏包括多种颜色的LED,每种颜色的LED从下到上包括:氮化镓GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、AlGaN层以及P型掺杂GaN层,其中,所述制造所述LED显示屏的方法包括:
在异质介质上制造缓冲层,其中,所述异质介质是指材料跟所述LED材料不一致的介质;
在所述缓冲层上依次生长所述多种颜色的LED;
在所述缓冲层上依次生长的所述多种颜色的LED中的每种颜色的LED均按照以下方式进行处理,直到按照以下方式生长完所述多种颜色的LED为止:在所述缓冲层上制造掩膜,在所述掩膜上暴露出需要制造被选中颜色的LED的区域,在所述掩膜上暴露出来的区域生长所述被选中颜色的LED,腐蚀掉所述掩膜及杂质;
其中,在所述掩膜上暴露出来的区域生长所述被选中颜色的LED,包括:
在350~500摄氏度温度条件下生长所述GaN层,其中,生长过程中的气压为500~700mBar,V/III为2000~5000,生长速率为3~15nm/min(纳米/分钟),其中,所述V/III是指5族元素N与3族元素Ga的摩尔比,所述生长速率是指一定时间内生成物质的厚度的增加量;
在450~500摄氏度温度条件下在所述GaN层上生长所述N型掺杂GaN层,其中,生长过程中的气压在200~400mBar,V/III在6000~10000,生长速率在0.5~8um/h(微米/小时);
在400~500摄氏度温度条件下在所述N型掺杂GaN层上生长所述多量子阱层,其中,生长过程中的气压为200~400mBar,V/III为12000~30000,生长速率为0.5~3um/h;
在400~500度条件下在所述多量子阱层上生长所述AlGaN层,其中,生长过程中的气压为50~300mBar,V/III为2000~5000,生长速率为0.5~2um/h;
在400~500度条件下在所述AlGaN层上生长所述P型掺杂GaN层,其中,生长过程中的气压为200~400mBar,V/III为6000~10000,生长速率为0.5~8um/h。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述掩膜为一个带有多个洞的隔离板;
在生长各层时,待生长LED的区域与不需要生长LED的区域通过所述隔离板隔离,其中,所述隔离板中的多个洞的布局与需要生长的LED的布局相同,所述多个洞用于让生长各层所需的化学物质通过,从而形成所述LED的各层。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,每一个颜色的LED生长都在与之对应的一个生长设备中进行,每个生产设备中均包括一个所述隔离板。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所有颜色的LED生长都在一个生长设备中进行,所述生长设备通过插拔对应于不同颜色LED的所述隔离板来依次完成不同颜色的LED的生长。
5.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述隔离板材料为不锈钢。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述掩膜为暴露有多个洞的带洞掩膜层;
在生长各层时,待生长LED的区域与不需要生长LED的区域通过所述带洞掩膜层隔离,其中,所述带洞掩膜层中的多个洞的布局与需要生长的LED的布局相同,所述多个洞用于让生长各层所需的化学物质通过,从而形成所述LED的各层。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,在生长所述GaN层之前,在所述缓冲层上制造一层没有洞的无洞掩膜层,再通过光刻法暴露出所述多个洞后形成所述带洞掩膜层。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述无洞掩膜层采用采用等离子增强化学气相淀积(plasma-enhanced chemicalvapor deposition,PECVD)方法来制造。
9.如权利要求1-8任一所述的方法,其特征在于,所述异质介质为包括柔性介质层,所述柔性介质层的材料为聚酰亚胺(PI),或者聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA),或者聚碳酸脂(PC)。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
将所述柔性介质层及以上的所有部件转移到用于产品的基板。
11.如权利要求1-8任一所述的方法,其特征在于,所述缓冲层的材料为钛(Ti)。
12.如权利要求1-8任一所述的方法,其特征在于,所述缓冲层的材料为石墨稀,或者碳纳米管。
13.一种发光二极管,其特征在于,包括:所述发光二极管由权利要求1-12任一方法制造。
14.一种显示屏,其特征在于,包括驱动电路,多个如权利要求13所述的发光二极管,所述驱动电路用于驱动多个所述发光二极管发光。
15.一种电子设备,其特征在于,包括处理器、存储器以及如权利要求14所述的显示屏,所述存储器用于存储所述处理器运行时所需的指令,所述处理器用于读取并执行所述存储器存储的指令,并通过所述驱动电路来让所述显示屏显示。
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