CN108281456A - Micro-LED器件结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Micro‑LED器件结构及制作方法，其中器件结构包括：多个Micro‑LED芯片构成的显示阵列；Micro‑LED芯片上设置有多个刻蚀面，刻蚀面上衬底与生长在刻蚀面上的外延层晶格常数匹配，刻蚀面之外的衬底与生长在刻蚀面外的外延层晶格失配；刻蚀面构成一个或多个倒锥形的凹部；每个凹部中填充或不填充量子点，构成一个像素点；显示阵列上的每个像素点由驱动电路单独驱动。利用外延层生长的晶格匹配能自动形成Micro‑LED像素，节省传统像素形成方法利用多次光刻和刻蚀的过程，制作工艺简单，成本低。倒锥形像素结构在像素间距一定的情况下，不仅可以增加像素面积，还可以提高观看视角；同时利用倒锥形结构可以增加量子点色彩转换层的厚度，增加光的传输路径和光学转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及新型半导体显示领域，尤其是Micro-LED器件结构及制作方法。
背景技术
Micro-LED是将传统的LED结构进行微小化和矩阵化，并采用CMOS集成电路工艺制成驱动电路，来实现每一个像素点定址控制和单独驱动的显示技术。由于Micro-LED技术的亮度、寿命、对比度、反应时间、能耗、可视角度和分辨率等各种指标都强于LCD和OLED技术，加上其属于自发光、结构简单、体积小和节能的优点，已经被许多产家视为下一代显示技术而开始积极布局。由于Micro-LED元器件非常细小，其与驱动电路基板的键接和色彩化技术都是其产业化过程中需面临的核心技术难题。
目前，Micro-LED芯片一般通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在GaN衬底上进行外延生长，再通过芯片焊接、晶片焊接或薄膜转移等方式键接在驱动电路基板上形成显示像素。在色彩化技术方面，可以通过色彩转换法、RGB三色法、光学棱镜合成法以及通过控制Micro-LED结构和尺寸发射不同波长光等方法实现。
其中，利用量子点实现色彩转换被认为是Micro-LED色彩化最具潜力的方法之一。然而，利用量子点实现色彩转换的其中一个技术难题是所需量子点层的厚度一般需要5-10微米，才能将用于激发的蓝光完全吸收，该厚度将限制Micro-LED显示器件体积的进一步缩小。
发明内容
本发明的目的是为了改善和提高Micro-LED性能而设计一种新型Micro-LED器件结构及对应的制作方法，将现有的工艺流程大大简化、对显示性能提升效果显著，能有效提高Micro-LED分辨率、发光亮度、观看角度，并改进其色彩效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种Micro-LED器件结构，其特征在于，包括：多个Micro-LED芯片构成的显示阵列；所述Micro-LED芯片上设置有多个刻蚀面，所述刻蚀面上衬底与生长在刻蚀面上的外延层晶格常数匹配，所述刻蚀面之外的衬底与生长在刻蚀面外的外延层晶格失配；所述刻蚀面构成一个或多个倒锥形的凹部；所述每个凹部中填充或不填充量子点，构成一个像素点；所述显示阵列上的每个像素点由驱动电路单独驱动。
优选地，所述显示阵列上，多个凹部的大小、形状相同，且均匀排布；所述每个量子点的发光颜色为相同或不同。
优选地，所述Micro-LED芯片的外延层工作状态下发出的光为紫外光或蓝光；所述量子点的最大厚度大于凹部的高。
优选地，所述凹部的形状为倒圆锥或倒棱锥。
优选地，所述量子点的表面设置有分布式布拉格反射镜结构的光学薄膜或微纳米结构光学薄膜，构成水氧阻隔封装。
优选地，所述驱动电路包括CMOS或TFT驱动电路，设置在驱动电路基板上；所述每一个Micro-LED芯片与驱动电路基板构成键接。
优选地，所述Micro-LED芯片的衬底为Si衬底，所述多个刻蚀面通过各向异性刻蚀形成，所述刻蚀面与未刻蚀平面构成的夹角为54.75°。
优选地，所述生长在刻蚀面上的外延层包括从下往上依次生长的单晶n型GaN层、单晶多量子阱层和单晶p型GaN层；所述生长在刻蚀面外的外延层包括从下往上依次生长的非晶或多晶n型GaN层、非晶或多晶多量子阱层和非晶或多晶p型GaN层；所述单晶p型GaN层的上部设置有透明导电层。
以及，一种Micro-LED器件结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在Si衬底上设置掩膜，并通过光刻在掩膜上制作出像素点形状的图案；
步骤S2：利用KOH溶液对Si 衬底进行各向异性刻蚀，在像素点形状区域形成夹角为54.75°的多个刻蚀面，并构成倒锥形的凹部；所述KOH的浓度为10%~60%，温度为60°C ~120°C，溶剂为水或异丙醇；
步骤S3：在刻蚀面上依次生长单晶n型GaN层、单晶多量子阱层和单晶p型GaN层；
步骤S4：采用深度刻蚀方法贯穿Si衬底，形成每个像素点的阴极电极通道，并填充金属作为阴极电极；在单晶p型GaN层上部设置阳极透明导电层；
步骤S5：将多个通过步骤S1-步骤S4制作完成的芯片与驱动电路基板对齐键接；
步骤S6：采用喷墨打印技术在凹部填充量子点。
优选地，还包括：
步骤S7：在量子点表面设置分布式布拉格反射镜结构的光学薄膜或微纳米结构光学薄膜，构成水氧阻隔封装。
针对现有技术存在的不足，本发明的优选方案结合硅（Si）基微加工技术，利用各向异性刻蚀形成由能与GaN晶格常数匹配的刻蚀面构成的倒锥形结构，在刻蚀面外延生长GaN结构，并将量子点填充到倒锥形结构中，进行光致发光的色彩转化。将Micro-LED硅衬底进行减薄、抛光和刻蚀，形成电极通道与驱动电路基板进行键接，形成一种新型Micro-LED器件结构。
该Micro-LED器件结构与传统Micro-LED相比，倒锥形面发光面积大，发光亮度高，且发光角度比平面发光角度更大，可提高观看视角。倒锥形结构可以进一步增加所填充量子点的厚度，从而可以制作出尺寸更小，分辨率更高的Micro-LED显示器件。
从制作方法方面看，为了使刻蚀面上可以外延生长单晶GaN，而硅衬底上的其他面上无法外延生长单晶GaN，直接通过硅片的各向异性刻蚀直接形成Micro-LED的像素结构，节省传统像素形成方法利用多次光刻和刻蚀的过程，制作工艺简单，成本低。
与现有技术相比，本发明及优选方案具有以下优点：
1、刻蚀面上晶格常数与外延层匹配，可以外延生长单晶外延层层，而刻蚀面外的衬底面、掩膜或光刻胶等其他材料表面无法外延生长单晶外延层，可以在衬底图案化的同时完成像素的图案化，简化工艺流程。
2、倒锥形像素结构不仅可以在像素间距一定的情况下增加发光面积，提高亮度，倒锥形的各个面朝向不同，可以增加观看视角。
3、将用于色彩转换的量子点置于倒锥形像素结构，可以有效控制量子点层的厚度，甚至量子点层的厚度可以远大于倒锥形结构的深度，从而提高光传输路径，提高光致发光的转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例中器件结构的截面示意图；
图2为本发明实施例中采用的倒锥形凹部装载量子点像素结构的光路传输与采用平面像素结构的光路传输对比示意图；
图3为本发明实施例中Si刻蚀截面侧视示意图；
图4为本发明实施例中Si刻蚀截面立体示意图。
图中，11：CMOS驱动电路基板；12：CMOS驱动器件；13：绝缘层；14：CMOS器件电极；15：CMOS驱动器件电极重新分布层；16：CMOS器件的金属焊点；17：Micro-LED芯片的金属焊点；18：Si衬底；1901：单晶n型GaN层；1902：单晶InGaN/GaN多量子阱层；1903：单晶p型GaN层；1904：非晶n型GaN层；1905：非晶InGaN/GaN多量子阱层；1906：非晶p型GaN层；110：氧化硅层；111：透明导电层；112：量子点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例中，器件结构，包括：
可构成显示阵列的多个Micro-LED芯片（17-112），每个Micro-LED芯片上设置有多个刻蚀面，刻蚀面上衬底与生长在刻蚀面上的外延层晶格常数匹配，刻蚀面之外的衬底与生长在刻蚀面外的外延层晶格失配；若干刻蚀面构成一个倒锥形的凹部（如果刻蚀面在几何上构成圆锥体的侧面，则一个刻蚀面即可构成一个倒锥形的凹部），每个Micro-LED芯片上设置有多个凹部（对于尺寸足够小的芯片，其凹部也可以仅设置为一个，但对于组成显示阵列而言，只要芯片上只要存在有一个凹部，即可实现本发明目的），为实现多种颜色的发光效果，每个凹部中可填充或不填充量子点112，填充的量子点112的发光波长也可以为相同或不同，构成一个像素点，每个量子点112通过通孔连接Micro-LED芯片的金属焊点17，与驱动电路基板构成电连接，每个Micro-LED芯片与CMOS驱动电路基板对齐键接。其中，显示阵列中的每个像素点由驱动电路单独驱动，实现每个像素点定址控制和单独驱动的彩色Micro-LED显示。
如图4所示，在本实施例中，Micro-LED芯片的衬底为Si衬底18，多个刻蚀面通过各向异性刻蚀形成Si（111）面，刻蚀面Si（111）面与未刻蚀平面Si（100）面构成的夹角为54.75°。需要注意的是，该种刻蚀策略仅为本实施中选用硅衬底的情况下所采用的，但并不代表仅有此种衬底选用（包括外延层的选择）才能实现本发明目的。
生长在刻蚀面上的外延层包括从下往上依次生长的单晶n型GaN层1901、单晶InGaN/GaN多量子阱层1902和单晶p型GaN层1903；生长在刻蚀面外（在本实施例中，由于作为刻蚀掩膜的氧化硅层110未刻意去除，故该部分外延层直接生长在氧化硅层110上）的外延层包括从下往上依次生长的非晶n型GaN层1904、非晶InGaN/GaN多量子阱层1905和非晶p型GaN层1906（如该部分外延层直接生长在未刻蚀平面Si（100）面上，则可能构成多晶结构）；单晶p型GaN层1903的上部设置有透明导电层111，量子点112设置在透明导电层111上，量子点112的最大厚度可以小于、等于或大于凹部倒锥形结构的高度，以便于适配不同需求的光传输路径和转换效率，其中当量子点112的最大厚度大于凹部倒锥形结构的高度一般情况下为最优选的设置。
本实施例中，为了保证像素点的均匀性，在显示阵列中，多个凹部的大小、形状相同，且均匀排布，凹部的形状为倒圆锥或倒棱锥（其底面为圆形或多边形）。
在本实施例中，量子点112表面设置有分布式布拉格反射镜结构的光学薄膜或微纳米结构光学薄膜，用于进一步调控不同波长光的透过率，提高特定波长光的出光效率，实现更高的出光效率及实现色彩控制，该薄膜同时也作为水氧阻隔封装膜，采用一个结构同时实现两种重要的功能。
作为优选方案，本实施例中Micro-LED芯片的外延层通电后发出蓝光，当凹部不填充量子点112时，该像素点发出蓝光；当凹部填充绿光量子点112时，像素点由蓝光激发绿光量子点112发出绿光；当凹部填充红光量子点112时，由蓝光激发红光量子点112发出红光，从而形成红、绿、蓝三基色合成的彩色Micro-LED显示器件。当然，外延层通电后发出紫外光也可作为类似的可选方案，只要能够产生激发量子点的效果就不影响本发明目的的实现。
在本实施例中，显示阵列适配一承载驱动电路的CMOS驱动电路基板（11-16），该驱动电路基板包括CMOS驱动电路基板11，以及跟显示器件像素点一一匹配的CMOS驱动器件12，在CMOS驱动器件12上方的CMOS器件电极14（包括阴极和阳极），通过二氧化硅/氮化硅绝缘层13保护，CMOS器件电极14通过光刻和刻蚀方法与CMOS驱动器件电极重新分布层15（RDL）连接，其分别制作有CMOS器件的金属焊点16；作为优选方案，本实施例采用铟（In）金属作为金属焊点。在本实施例中仅以CMOS驱动电路为例，实际上，CMOS驱动电路也可以替换为TFT驱动电路，以类似的构造应用于本发明技术方案的实现。本实施提供的上述CMOS驱动电路基板的设计，以及与Micro-LED芯片键接的方案仅为本发明实施例提供的一种优选方案，任何能够实现“显示阵列中的每个像素点由驱动电路单独驱动，实现每个像素点定址控制和单独驱动的彩色Micro-LED显示”的驱动电路设计方案应当都可以作为实现本发明目的的备选方案。
如图2所示，本实施例采用倒锥形凹部来装载量子点112，在总厚度不变的情况下，相对于平面结构，可装载的量子点112的厚度大大增加，从而可以增加蓝光（或紫外光）传输路径，可以完全吸收掉像素点内外延层发出的，用于激发绿光和红光量子点112的蓝光（或紫外光），并转化为绿光或红光，达到更好的色彩控制。
本实施例所述的Micro-LED器件结构的制作方法包括以下具体步骤：
（1）Micro-LED芯片制作
1.1 取一沿Si（100）面抛光的Si衬底18，在表面通过热氧化的方式形成一层200 nm厚的热氧化硅层110（SiO2）作为Si表面刻蚀流程的掩膜。
1.2 利用光刻刻蚀方法，形成需要的像素点形状的图案。
1.3 以光刻胶为掩膜，采用HF刻蚀热氧化硅，在像素位置露出衬底的硅平面Si(100)，并采用丙酮出去光刻胶。
1.4 将Si衬底18放入加热的KOH溶液，本实施例中，KOH的浓度为20%，溶剂为异丙醇，刻蚀液温度为80°C，将Si衬底18放入刻蚀液中以热氧化硅层110为掩膜进行各向异性湿法刻蚀刻蚀，由于所配KOH溶液对有无掩膜区域的刻蚀速率比大于1:400，因此刻蚀后形成如图3和图4所示的倒锥形结构，其中Si （111）面为刻蚀面，作为优选方案，本实施例中，倒锥形由4个刻蚀面构成，底面为正方形。
1.5 采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，在洁净Si衬底的刻蚀面Si （111）面上分别沉积单晶n型GaN层1901、单晶多量子阱层和单晶p型GaN层1903，作为优选方案，本实施例中多量子阱层为5个周期的InGaN/GaN结构，构成单晶InGaN/GaN多量子阱层1902；在本实施例中，由于热氧化硅层110为非晶结构，无法在热氧化硅层110表面生长单晶GaN（生长为非晶n型GaN层1904、非晶InGaN/GaN多量子阱层1905和非晶p型GaN层1906），只能在晶格与GaN比较匹配的倒锥形Si （111）面生长单晶GaN，因此发光点像素自动形成，无需另外的光刻和刻蚀过程。需要注意的是，即便在Si（100）面上，单晶GaN实际上也是无法形成的，故无论热氧化硅层110存在与否，通过上述方法均能够实现本发明目的。
1.6 采用磁控溅射方法在p型GaN层生长一层ITO透明导电层111作为阳极。
1.7 采用ICP-RIE的深度刻蚀方式，在Si衬底18上形成电极通孔，并填充金属铟作为阴极。
（2）CMOS驱动电路基板制作
在本实施例中，驱动电路基板根据所需显示器件像素结构设计之后即可通过现有的半导体技术制作完成。该驱动电路基板包括CMOS驱动电路基板11，以及跟显示器件像素点一一匹配的CMOS驱动器件12，在CMOS驱动器件12上方的CMOS器件电极14（包括阴极和阳极），通过二氧化硅/氮化硅绝缘层13保护，CMOS器件电极14通过光刻和刻蚀方法与CMOS驱动器件电极重新分布层15（RDL）连接，其分别制作有CMOS器件的金属焊点16；作为优选方案，本实施例采用铟（In）金属作为金属焊点。
（3）Micro-LED芯片与CMOS驱动电路基板的对齐键接
本实施例中采用FineTech贴片设备将每一个Micro-LED芯片与CMOS驱动电路基板进行对齐键接，之后构成显示阵列。
（4）量子点色彩转化层制备
本实施例中采用MicroFab喷墨打印机将绿光量子点和红光量子点分别打印在相应像素点位置，量子点层的最大厚度大于倒锥形凹部的高度，保证所填充量子点能完全吸收Micro-LED芯片发出的蓝光或紫外光。由于量子点厚度必须在5微米到10微米之间，才能全部吸收用于激发的蓝光或紫外光，因此在平面像素结构中，像素不能做到很小；本发明中，采用倒锥形像素结构，在像素间距一定的情况下，大大提高量子点层的厚度，因此利用倒锥形像素结构可以在保证蓝光完全吸收的条件下，缩小像素间距，提高Micro-LED显示器件的分辨率。
在本发明提供的附图中，为了表示清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状（比如制造引起的偏差）。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种Micro-LED器件结构，其特征在于，包括：多个Micro-LED芯片构成的显示阵列；所述Micro-LED芯片上设置有多个刻蚀面，所述刻蚀面上衬底与生长在刻蚀面上的外延层晶格常数匹配，所述刻蚀面之外的衬底与生长在刻蚀面外的外延层晶格失配；所述刻蚀面构成一个或多个倒锥形的凹部；所述每个凹部中填充或不填充量子点，构成一个像素点；所述显示阵列上的每个像素点由驱动电路单独驱动。
2.根据权利要求1所述的Micro-LED器件结构，其特征在于：所述显示阵列上，多个凹部的大小、形状相同，且均匀排布；所述每个量子点的发光颜色为相同或不同。
3.根据权利要求1所述的Micro-LED器件结构，其特征在于：所述Micro-LED芯片的外延层工作状态下发出的光为紫外光或蓝光；所述量子点的最大厚度大于凹部的高。
4.根据权利要求2所述的Micro-LED器件结构，其特征在于：所述凹部的形状为倒圆锥或倒棱锥。
5.根据权利要求1所述的Micro-LED器件结构，其特征在于：所述量子点的表面设置有分布式布拉格反射镜结构的光学薄膜或微纳米结构光学薄膜，构成水氧阻隔封装。
6.根据权利要求1所述的Micro-LED器件结构，其特征在于：所述驱动电路包括CMOS或TFT驱动电路，设置在驱动电路基板上；所述每一个Micro-LED芯片与驱动电路基板构成键接。
7.根据权利要求1所述的Micro-LED器件结构，其特征在于：所述Micro-LED芯片的衬底为Si衬底，所述多个刻蚀面通过各向异性刻蚀形成，所述刻蚀面与未刻蚀平面构成的夹角为54.75°。
8.根据权利要求7所述的Micro-LED器件结构，其特征在于：所述生长在刻蚀面上的外延层包括从下往上依次生长的单晶n型GaN层、单晶多量子阱层和单晶p型GaN层；所述生长在刻蚀面外的外延层包括从下往上依次生长的非晶或多晶n型GaN层、非晶或多晶多量子阱层和非晶或多晶p型GaN层；所述单晶p型GaN层的上部设置有透明导电层。
9.一种Micro-LED器件结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在Si衬底上设置掩膜，并通过光刻在掩膜上制作出像素点形状的图案；
步骤S2：利用KOH溶液对Si 衬底进行各向异性刻蚀，在像素点形状区域形成夹角为54.75°的多个刻蚀面，并构成倒锥形的凹部；所述KOH的浓度为10%~60%，温度为60°C ~120°C，溶剂为水或异丙醇；
步骤S3：在刻蚀面上依次生长单晶n型GaN层、单晶多量子阱层和单晶p型GaN层；
步骤S4：采用深度刻蚀方法贯穿Si衬底，形成每个像素点的阴极电极通道，并填充金属作为阴极电极；在单晶p型GaN层上部设置阳极透明导电层；
步骤S5：将多个通过步骤S1-步骤S4制作完成的芯片与驱动电路基板对齐键接；
步骤S6：采用喷墨打印技术在凹部填充量子点。
10.根据权利要求9所述Micro-LED器件结构的制作方法，其特征在于，还包括：
步骤S7：在量子点表面设置分布式布拉格反射镜结构的光学薄膜或微纳米结构光学薄膜，构成水氧阻隔封装。
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