CN108682725B - 一种垂直结构的led器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种垂直结构的LED器件，包括半导体发光层以及分别设置在发光层内侧和外侧的第一电极和第二电极，所述第一电极上设有由软磁性金属构成的软磁层。上述LED器件用于制造微LED显示器时，能够更快速、高效地巨量转移到驱动电路基层上而形成LED阵列装置。除此之外，本发明还提供了一种上述LED器件的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED器件，尤其是一种垂直结构的LED器件，本发明还涉及上述LED器件的制造方法。
背景技术
诸如micro-LED或mini-LED的微LED显示器一般为将巨量微小的LED(发光二极管)转移并键合到驱动电路基层上所构成的显示器。在现有技术中，将巨量微小的LED器件转移并键合到驱动电路基层上以构成作为微LED显示器主体的LED阵列装置，一般是采用转移头对逐个(或多批)LED器件进行转移的方法来实现的，其转移速度慢、效率低，很难实现微LED显示器的量产化。
由此，在微LED显示器的制造中，如何更高效地将巨量微小的LED器件转移并键合到驱动电路的基层上以形成LED阵列装置，是微LED显示器制造技术在目前所面临的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的为提供一种垂直结构的LED器件，其用于制造微LED显示器时，能够更快速、高效地巨量转移到驱动电路基层上而形成LED阵列装置，本发明还涉及一种上述LED器件的制造方法，所采用的技术方案如下：
一种垂直结构的LED器件，其特征为：包括半导体发光层以及分别设置在发光层内侧和外侧的第一电极和第二电极，所述第一电极上设有由软磁性金属构成的软磁层。
具体地，所述LED器件可以为GaP、GaAs、GaN等系列的各种发光波长的无机LED器件，其半导体发光层一般包括P型层、N型层以及夹合在P型层和N型层之间的量子阱层，所述LED器件为垂直结构的LED器件，即LED器件的P极和N极(即所述第一、二电极)分别处于发光层的两侧，所述第一电极可以为在LED器件一侧裸露的掺杂半导体层(如P型层)，也可以为在LED器件一侧覆盖在掺杂半导体层上的导体膜层(如覆盖在P型层上的Ni薄膜或Ti薄膜)；所述第二电极一般为在LED器件另一侧裸露的掺杂半导体层(如N型层)，也可以为在LED器件另一侧覆盖在掺杂半导体层上的透明导电膜层(如覆盖在N型层上的ITO薄膜)。
所述软磁层为软磁性金属的膜层，可以保证其具有导电性以便形成第一电极的连接，且其在一般状态下无磁场(软磁性金属即具有低矫顽力和高磁导率的金属，其一般处于退磁状态而无磁场)，保证各个LED器件相处时不会相互吸引而引起团聚。优选地，所述软磁层为由铁、镍、锰等磁性金属(如纯铁)及其合金(如硅钢)构成的软磁性金属层(相对磁导率>100)。
由此，对于所述LED器件，可采用一母板，在其上定义出构成阵列的多个键合位，键合位上设有由硬磁性材料构成的硬磁体(如钕磁铁)，并采用步骤(1)〜(5)，将所述LED器件快速、高效地巨量转移到驱动电路基层上以形成LED阵列装置：
(1)、在所述母板上设置无磁性绝缘的基础层；
(2)、在所述基础层上设置驱动电路层，所述驱动电路层包括多个焊盘以及连接到所述焊盘的驱动电路，所述焊盘处于母板的键合位之上；
(3)、将所述LED器件散布到驱动电路层上，其软磁层受到硬磁体在焊盘之上磁场的作用力而使LED器件定位地吸附到焊盘上且使器与所述焊盘贴紧；
(4)、使LED器件与焊盘发生键合(如采用熔焊或压焊的方式)，由此所述焊盘与LED器件的第一电极构成电连接；
(5)、使所述基础层与母板相互分离，得到LED阵列装置。
上述LED器件可采用以下的LED器件制造方法来实现，其包括：
步骤一、在外延基底上生长LED器件的半导体发光层，在半导体发光层的外侧形成第一电极；
步骤二、在第一电极上形成软磁层；
步骤三、将半导体发光层和软磁层从外延基底上剥离出来，得到垂直结构的LED器件。
所述半导体发光层一般包括P型层、量子阱层、N型层等多个半导体膜层(如GaN及其掺杂、混杂物的薄膜)，在步骤一中，一般采用MOCVD等方法在外延基底(如蓝宝石)上依次外延生长各半导体层而得到所述半导体发光层。第一电极可以为半导体发光层最表面的一个半导体层或是另外设置的导电膜层。当第一电极为另外设置的导电膜层，如覆盖在P型层上的Ni、Ti金属薄膜时，其可以采用磁控溅射等较适合金属镀膜的方法来实现。
所述软磁层可以采用蒸镀、磁控溅射、喷镀等方法进行制作。优选地，所述软磁层采用电镀的方法来实现，具体地，可以将上述外延片浸泡在软磁层的电镀液，如铁、镍、锰等磁性金属的电镀液中，并将第一电极作为阴极，在其上生长出所述软磁层，采用电镀的方法生长软磁层，其生长速度快，容易达到1〜200μm级别的厚度，使得所述LED器件更为容易受到硬磁体的吸引而组装为LED阵列装置，且在上述LED器件制造方法的步骤三中，软磁层还可用于支撑半导体发光层以避免其在剥离过程中的破碎。
在LED器件的制造步骤三中，半导体发光层和软磁层可采用激光剥离的方法从外延基底上剥离出来，激光剥离一般使激光穿透外延基底照射到半导体发光层的底部而使其底部发生分解，减少了半导体发光层在外延基底上的粘力，从而使得半导体发光层和软磁层从外延基底上脱离出来。在剥离的过程中，可以借助紫外降粘胶纸，将其贴附在软磁层的外侧，以在剥离过程中对LED器件进行保护。
为了得到多个尺寸一致的独立LED器件，所述软磁层可采用图形化的方法形成，所述LED器件的制造方法优选为：
在所述步骤二中，先在第一电极上涂布光敏树脂并将其图形化为多个裸露出第一电极的块状孔，通过在第一电极上通电电镀使软磁性金属的电镀膜层生长在光敏树脂的块状孔中；
在所述步骤三中，先剥离掉光敏树脂而留下块状的软磁层，再将半导体发光层和软磁层从外延基底上剥离出来，在剥离过程中，软磁层所覆盖的半导体发光层可以保持完整，而无软磁层覆盖的半导体发光层发生破碎(或在后续过程中破碎)，由此形成多个尺寸轮廓由软磁层覆盖区域所定义的LED器件。
其中，所述光敏树脂的图形化一般采用黄光方法(包括膜层预固化、掩膜曝光、显影、坚膜等加工步骤)实现，光敏树脂的厚度一般被设置为厚于所述软磁层，以形成较平整的软磁层形状，或是比软磁层稍薄，以形成蘑菇头的软磁层形状。光敏树脂在剥离时，按照一般光敏树脂(光刻胶)材料，可通过碱液的浸泡、冲洗来实现。
为了便于在上述LED阵列装置制造方法的步骤(4)中使LED器件与焊盘发生键合，在本发明的一优选方案中，所述LED器件还包括键合层，所述键合层设置在软磁层表面，其为低熔点或软质的金属层。当所述键合层为低熔点金属层时，优选其为铟、锡的金属层或以铟或锡为主要成分的合金层。当所述键合层为软质金属层时，优选其为金、银等易于压焊的软质金属层。为了不减弱在上述LED阵列装置制造方法的步骤(3)中软磁层受到的磁吸力，优选所述键合层的厚度不超过软磁层的1/2。在上述LED器件制造方法的步骤二中，所述键合层可在软磁层制作完成之后，通过蒸镀、磁控溅射、电镀、喷镀等方法设置到软磁层之上。且当所述软磁层采用图形化的方法形成时，优选所述键合层也在所述块状孔中电镀形成，具体地，可以在制作完软磁层之后，将外延片浸泡在键合层的电镀液(如铟、锡的电镀液)中，在第一电极上通电电镀使键合层的电镀膜层生长在光敏树脂的块状孔中。
为了保证在LED阵列装置制造方法的步骤(3)中，LED器件能够翻转或保持为键合层朝向焊盘的正确姿态，在所述LED器件中，优选软磁层处于LED器件偏内侧的位置，由此，如果LED器件以相反的姿态吸附，软磁层与LED阵列装置制造方法中的硬磁体的距离较远，其吸附力较弱，容易设计一定的清除机制(如用水冲洗)对其进行清除，只留下姿态正确的LED器件。具体地，优选软磁层设置在LED器件偏内侧的位置且厚度不超过LED器件整体厚度的1/2。
由于所述半导体发光层的厚度很难随意调节，优选所述软磁层与第一电极之间还垫设有无磁金属层，通过无磁金属层的厚度调节，容易使得软磁层的厚度不超过LED器件整体厚度的1/2，所述无磁金属层可以为金、银、铜、铝等无磁性(在本说明书中，相对磁导率<10的材料均认为是无磁性材料)的金属或合金所构成膜层。在上述LED器件制造方法的步骤二中，所述无磁金属层可先于软磁层通过蒸镀、磁控溅射、电镀、喷镀等方法设置到第一电极之上。且当所述软磁层采用图形化的方法形成时，优选所述无磁金属层也在所述块状孔中电镀形成。具体地，在步骤二中，先在第一电极上涂布光敏树脂并将其图形化为多个裸露出第一电极的块状孔，然后将外延片浸泡在无磁金属层的电镀液(如金、银、铜、铝的电镀液)中，在第一电极上通电电镀形成所述无磁金属层，然后才在无磁金属层上继续电镀所述软磁层。
本发明的有益效果在于：
提供了一种带有软磁层的垂直结构LED器件，其第一电极上所设置的由软磁性金属构成的软磁层允许LED器件受到磁场的吸引，由此，在形成LED阵列的巨量转移过程中，可通过磁场来控制LED器件的移动和吸附，便于LED器件的巨量转移——例如，在本发明所提供的上述LED阵列装置制作方法中，所采用的上述LED器件能够快速、高效地巨量转移到驱动电路基层上，可解决目前微LED显示器制造行业所面临的LED器件巨量转移的重要问题。除此之外，本发明的所提供的LED器件，其采用软磁层不仅可以保持第一电极上的导电，还可避免LED器件之间由于磁吸力导致的团聚。另外，本发明还提供一种LED器件的制造方法，其能够有效地用于制作上述带有软磁层的垂直结构LED器件。
以下通过附图与实施例来对本发明的制造方法做进一步详细的说明。
附图说明
图1为实施例一所采用LED的外形及膜层示意图；
图2为实施例一所采用LED的制造步骤(1)；
图3为实施例一所采用LED的制造步骤(2)；
图4为实施例一所采用LED的制造步骤(3)；
图5为实施例一所采用LED的制造步骤(4)；
图6为实施例一所采用LED的制造步骤(5)；
图7为实施例一所采用LED的制造步骤(6)。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，LED器件10为GaN系蓝光的垂直结构圆形LED器件，其规格直径为0.3mm(0.03〜0.8mm均可)，其膜层由内到外依次为键合层11、软磁层12、无磁金属层13、第一电极14和半导体发光层15。其中，键合层11为5μm厚的锡金属层(锡合金层、铟金属或合金层也可)，软磁层12为40μm厚的铁镍合金层，无磁金属层13为40μm厚的铜金属层(金、银、铝金属层或合金层也可)、第一电极14为100nm厚的镍薄膜；半导体发光层15的总厚度4μm，其包括N型层(n-GaN)151、多量子阱(MQWs)152和作为LED器件第二电极的P型层(p-GaN)153。
LED器件10的制造方法如下：
(1)、如图2所示，采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积法)在蓝宝石基底16上依次外延生长N型层151、多量子阱层152和P型层153，形成半导体发光层15，采用磁控溅射在P型层上沉积镍薄膜，形成第一电极14；
(2)、如图3所示，采用狭缝涂布法在第一电极14上涂布100μm厚的光敏树脂涂层17，并采用黄光方法(包括预固化、掩膜曝光、显影、坚膜等工艺步骤)进行图形化，形成系列直径0.3mm的圆孔171，其中，第一电极14在圆孔171的底部裸露，圆孔171的间距为40μm；
(3)、如图4所示，以第一电极14作为阴极，在圆孔171中电镀铜金属层13，控制电镀电流和时间使得铜金属层13的厚度为40μm；继续以第一电极14作为阴极，在圆孔中进一步电镀铁镍合金层12，控制电镀电流和时间使得铁镍合金层12的厚度为40μm；继续以第一电极14作为阴极，在圆孔中进一步电镀锡金属层11，控制电镀电流和时间使得锡金属层11的厚度为5μm；
(4)、如图5所示，采用褪膜液浸泡并冲洗掉光敏树脂涂层17，留下由铜金属层13、铁镍合金层12和锡金属层11叠合而成的系列凸台111(高度约为85μ)；
(5)、如图6所示，在凸台111所构成的面上粘贴剥离胶纸18，剥离胶纸18 包括PET塑料膜181和10μm厚降粘胶层182，降粘胶层182可照射紫外光降粘，由于凸台111的凸起，降粘胶层182只能粘结到凸台111的顶部；从蓝宝石基底16的底侧照射KrF准分子紫外激光161，其穿透蓝宝石基底16而被半导体发光层15的底部吸收，使得半导体发光层15底部发生热分解(反应式：2GaN=2Ga+N2)，由此使得半导体层15与蓝宝石基底16分离，在凸台111的支撑下，凸台111底部的半导体发光层15保持完整(没有凸台111支撑的半导体发光层15大部分破碎掉，少部分粘结在LED器件的边缘，在后续工序中也会破碎掉)，其与凸台111一起随剥离胶纸18从蓝宝石基底16上剥离下来形成LED器件10，采用稀盐酸清洗掉其半导体发光层15底部分解残留的Ga金属；
(6)、如图7所示，采用紫外光183(紫外高压水银灯)从背面照射剥离胶纸18而使降粘胶层182的粘力降低，用DI水19将LED器件10冲洗下来，形成LED器件10的DI水分散液191，由此得到LED器件10(保存在DI水中)。
在本实施例的其他方案中，软磁层12还可改为纯铁或硅钢的镀层，硬磁体26还可改为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、其他稀土永磁材料或者上述材料构成的复合硬磁性材料。在本实施例的其他方案中，LED器件10还可改为GaP、GaAs等其他发光颜色的LED器件(外延基底和半导体发光层的配比需做相应的改变，可参考发光半导体行业的现有技术)。
在本实施例的其他方案中，键合层11也可改为金的电镀层，在键合时，金的镀层具有较高的浸润性(假设键合过程为熔焊)而容易形成焊接。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种垂直结构的LED器件，用于转移到驱动电路基层上以形成LED阵列装置，其特征为：包括半导体发光层以及分别设置在发光层内侧和外侧的第一电极和第二电极，所述内侧为当所述LED器件转移到驱动电路基层上时，其靠近驱动电路基层的一侧，所述第一电极上设有由软磁性金属构成的软磁层，所述软磁层处于LED器件偏内侧的位置，其厚度不超过LED器件整体厚度的1/2。
2.如权利要求1所述的LED器件，其特征为：所述软磁层为由铁、镍或锰及上述金属的合金构成的软磁性金属层。
3.如权利要求1所述的LED器件，其特征为：所述LED器件还包括键合层，所述键合层设置在软磁层表面，其为低熔点或软质的金属层。
4.如权利要求3所述的LED器件，其特征为：所述键合层为铟、锡的金属层或以铟或锡为主要成分的合金层。
5.如权利要求3所述的LED器件，其特征为：所述键合层为金、银的软质金属层。
6.如权利要求3所述的LED器件，其特征为：所述键合层的厚度不超过软磁层的1/2。
7.如权利要求1所述的LED器件，其特征为：所述软磁层与第一电极之间还垫设有无磁金属层。
8.一种垂直结构的LED器件的制造方法，其特征为，包括：
步骤一、在外延基底上生长LED器件的半导体发光层，在半导体发光层的外侧形成第一电极；
步骤二、在第一电极上形成软磁层，所述软磁层处于LED器件偏内侧的位置，其厚度不超过LED器件整体厚度的1/2；
步骤三、将半导体发光层和软磁层从外延基底上剥离出来，得到垂直结构的LED器件。
9.如权利要求8所述的LED器件制造方法，其特征为：所述软磁层采用电镀的方法制作而成。
10.如权利要求8所述的LED器件制造方法，其特征为：
在所述步骤二中，先在第一电极上涂布光敏树脂并将其图形化为多个裸露出第一电极的块状孔，通过在第一电极上通电电镀使软磁性金属的电镀膜层生长在光敏树脂的块状孔中；
在所述步骤三中，先剥离掉光敏树脂而留下块状的软磁层，再将半导体发光层和软磁层从外延基底上剥离出来，在剥离过程中，软磁层所覆盖的半导体发光层保持完整，而无软磁层覆盖的半导体发光层发生破碎，由此形成多个尺寸轮廓由软磁层覆盖区域所定义的LED器件。
11.如权利要求10所述的LED器件制造方法，其特征为：所述LED器件还包括键合层，所述键合层设置在软磁层表面，所述键合层也在所述块状孔中电镀形成。
12.如权利要求10所述的LED器件制造方法，其特征为：所述软磁层与第一电极之间还垫设有无磁金属层，所述无磁金属层也在所述块状孔中电镀形成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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