CN110689814B - 一种多色化微型led阵列及其制作方法 - Google Patents

一种多色化微型led阵列及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多色化微型LED阵列及其制作方法，包括目标基板和微型LED转移单元，其中：所述复数个的微型LED转移单元以固定的规则排列于所述目标基板上，所述微型LED转移单元由两种或两种以上不同发光波长的发光元件构成，通过多个发光元件的组合，实现多色发光的功能，所述发光元件包括外延层、导电电极层和焊接层，所述外延层之间通过焊接层相互连接。本发明的优点：通过外延片焊接的方式将多种波长的外延层整合在同一晶圆片上，后续经芯片制程可实现不同波长的发光LED在同一晶圆片上,并可将不同波长的发光LED整合成一个转移单元,后续微型LED芯片转移可一次转移一个转移单元，提高微型LED阵列转移效率。

Description

一种多色化微型LED阵列及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多色化微型LED阵列及其制作方法。
背景技术
发光二极管（LED）由于其具有高发光效率、高可靠性、尺寸可自由组装等各项优良特性，而在诸多照明显示领域得到了广泛的应用。特别是在户外大型广告牌、舞台背景墙、大型文字广播屏幕等大尺寸显示应用场景中占据了垄断地位。目前LED显示的下一个发展趋势是将LED芯粒微缩化至微米尺寸（即Micro-LED），以替代现有液晶显示屏和有机发光二极管显示屏所占据的室内电视、手机显示、可穿戴设备等中小尺寸显示应用场景。
Micro-LED阵列的其中一种实现方式是芯粒的巨量转移技术，通过此技术可将红光、绿光、蓝光等不同波长的芯粒分别批量转移至目标基板上。而对于微米尺寸的芯粒来说，巨量转移技术的工艺难度较高，转移精度、良率、成本和转移效率等都是限制其实现大规模量产的阻碍因素。
另一种Micro-LED阵列的实现方式是晶圆级焊接转移技术，即是将晶圆片上的芯粒与目标基板上的驱动电路在制作时作对应，以保证晶圆片上的芯粒间距与目标基板上的驱动电路间距相匹配，再将LED晶圆片通过晶圆级焊接方式转移至目标基板上并对位连接。
但是单一波长的晶圆级焊接转移无法实现全彩化的显示屏应用，若要实现全彩化须将多个不同波长的晶圆片分别进行晶圆级焊接转移，要分别经历多次芯片制程和多次转移配对过程，相应增加了成本。若是先转移单一波长的芯粒后再使用荧光粉进行波长转换，微米尺寸芯粒上的荧光粉精确对位控制和精确涂敷的工艺难度较高。
因此务须发展出同一晶圆片上的多色化解决方案，以实现多个发光波长芯粒的同时转移。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多色化微型LED阵列及其制作方法，解决了现有技术中Micro-LED阵列实现方式存在工艺难度较大，转移精度、良率、转移效率偏低的问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多色化微型LED阵列，包括目标基板和微型LED转移单元，其中：所述复数个的微型LED转移单元以固定的规则排列于所述目标基板上，所述微型LED转移单元由两种或两种以上不同发光波长的发光元件构成，通过多个发光元件的组合，实现多色发光的功能，所述发光元件包括外延层、导电电极层和焊接层，所述外延层之间通过焊接层相互连接，所述导电电极层为通过芯片制程制备的n型和p型导电电极，所述目标基板上制备有带n型和p型电极触点的驱动电路。
进一步地，所述外延层包括依次堆叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层。
进一步地，所述发光元件上的n型和p型导电电极与所述驱动电路上的n型和p型电极触点相互匹配，并经过对位点的位置校对后通过转移的方式相互配对连接，以实现驱动电路对发光元件的控制。
优选地，所述n型、p型导电电极和所述n型、p型电极触点可以是金、镍、钛、铝、铬的金属导体，或者是氧化锡类、氧化锌类的金属氧化物导电材料，以及石墨烯、导电聚合物的导电物质中的任意一种或任意多种的组合。
进一步地，所述发光元件上的导电电极与所述驱动电路上的电极触点的相互匹配，可以是且不仅限于相对位置、相对间距、电极高度、电极大小、电极形状等各项有利于配对连接的匹配。
优选地，所述焊接层可以是金、铟、锡、铜、镍等低熔点金属材料，或者是氧化铟锡、氧化镍等金属氧化物材料，或者是聚合物、光刻胶等高分子材料中的任意一种或任意多种的组合。
本发明同时提供一种多色化微型LED阵列的制作方法，包括如下步骤：
（1）提供若干个衬底；
（2）使用金属有机化合物气相外延沉积机台分别于所述衬底上沉积外延层，通过衬底、外延沉积机台及工艺的选择，从而可制备出不同发光波长的外延片；
（3）以其中第一外延片作为原始基板，在第一外延片的外延层上制备焊接层；
（4）将第二外延片的外延层与第一外延片的外延层通过焊接层相连接；
（5）使用化学腐蚀或激光剥离技术去除第二外延片的衬底；
（6）依此类推，可选的将第三外延层乃至第四外延层等陆续通过焊接层连接至第一外延片上；
（7）在完成外延层焊接后，将此晶圆片经过涂胶、曝光、显影、刻蚀等步骤分别刻蚀出所需的多个n型区域和p型区域沟槽；
（8）在所述的n型区域和p型区域沟槽上经过涂胶、曝光、显影、沉积等步骤制备出所需的多个n型导电电极和p型导电电极，从而获得了在第一外延片衬底上规则排列有两种或两种以上波长的发光元件；
优选地，所述步骤（1）中的衬底可以是蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝、砷化镓、磷化镓。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种多色化微型LED阵列及其制作方法，具备以下有益效果：通过外延片焊接的方式将多种波长的外延层整合在同一晶圆片上，后续经芯片制程可实现不同波长的发光LED在同一晶圆片上,并可将不同波长的发光LED整合成一个转移单元,后续微型LED芯片转移可一次转移一个转移单元，提高微型LED阵列转移效率。此技术运用在微型LED显示屏时, 可将RGB三色的发光元件整合在一个转移单元上,如此一次可转移RGB三个发光元件, 此微型LED显示屏所需的转移数量只要原本三分之一即可。
附图说明
图1 为本发明实施例中步骤（1）的流程示意图。
图2 为本发明实施例中步骤（2）的流程示意图。
图3 为本发明实施例中步骤（3）的流程示意图。
图4 为本发明实施例中步骤（4）的流程示意图。
图5 为本发明实施例中步骤（5）-步骤（6）的流程示意图。
图6 为本发明实施例中步骤（7）的流程示意图。
图7 为本发明实施例中步骤（8）的流程示意图。
图8 为本发明实施例中步骤（9）-步骤（10）的流程示意图。
图9 为本发明多色化微型LED阵列的结构示意图。
附图标记：蓝宝石衬底1、砷化镓衬底2、n型氮化镓导电层3、氮化铟镓发光层4、p型氮化镓导电层5、n型砷化镓导电层6、磷砷化镓发光层7、p型砷化镓导电层8、焊接层9、导电电极10、目标基板11、微型LED转移单元12、第一发光元件13、第二发光元件14、薄膜晶体管15、蓝膜16。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1、请参阅图1-9，一种多色化微型LED阵列，包括目标基板11和微型LED转移单元12，其中：所述复数个的微型LED转移单元12以固定的规则排列于所述目标基板11上，所述微型LED转移单元12由两种不同发光波长的第一发光元件13、第二发光元件14构成，通过两种不同发光波长的发光元件的组合，实现多色发光的功能，所述第一发光元件13、第二发光元件14包括外延层、导电电极层和焊接层，所述外延层之间通过焊接层相互连接，所述导电电极层为通过芯片制程制备的n型和p型导电电极10，所述目标基板11上制备有带n型和p型电极触点的驱动电路。
其中：所述外延层包括依次堆叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层。
其中：所述第一发光元件13、第二发光元件14上的n型和p型导电电极10与所述驱动电路上的n型和p型电极触点相互匹配，并经过对位点的位置校对后通过转移的方式相互配对连接，以实现驱动电路对发光元件的控制。
其中：所述n型、p型导电电极10和所述n型、p型电极触点可以是金、镍、钛、铝、铬的金属导体，或者是氧化锡类、氧化锌类的金属氧化物导电材料，以及石墨烯、导电聚合物的导电物质中的任意一种或任意多种的组合。
其中：所述焊接层9可以是金、铟、锡、铜、镍等低熔点金属材料，或者是氧化铟锡、氧化镍等金属氧化物材料，或者是聚合物、光刻胶等高分子材料中的任意一种或任意多种的组合。
本实例中所述一种多色化微型LED阵列的制作方法，具体包括如下步骤：
（1）提供蓝宝石衬底1和砷化镓衬底2，蓝宝石衬底1和砷化镓衬底2的形状和大小完全相同，本实施例中，所述蓝宝石衬底1和砷化镓衬底2采用4英寸圆形衬底，请参阅图1；
（2）使用金属有机化合物气相外延沉积机台在所述蓝宝石衬底1上依次外延沉积第一外延片的n型氮化镓导电层3、氮化铟镓发光层4、p型氮化镓导电层5，以及在所述砷化镓衬底2上依次外延沉积第二外延片的n型砷化镓导电层6、磷砷化镓发光层7、p型砷化镓导电层8，请参阅图2；
（3）以第一外延片作为原始基板，在第一外延片的外延层上使用物理气相沉积制备氧化铟锡焊接层9，本实施例中，优选地，所述氧化铟锡焊接层9的厚度为0.5-5um，请参阅图3；
（4）将第二外延片的所述p型砷化镓导电层8与第一外延片的所述p型氮化镓导电层5通过氧化铟锡焊接层9相连接，在此连接过程中需保证第一外延片和第二外延片的完全重合，并置于600oC中保持4小时以完成焊接，在焊接时可以外加压力以促进焊接过程的完成，请参阅图4；
（5）使用化学腐蚀剥离技术去除第二外延片的砷化镓衬底2；
（6）依此类推，可选的将第三外延层乃至第四外延层等陆续通过所述氧化铟锡焊接层9连接至第一外延片上，请参阅图5；
（7）在完成外延层焊接后，将此晶圆片经过涂胶、曝光、显影、刻蚀等步骤分别刻蚀出所需的多个n型区域和p型区域沟槽，请参阅图6；
（8）在所述的n型区域和p型区域沟槽上经过涂胶、曝光、显影、沉积等步骤制备出所需的多个导电电极10，从而获得了在第一外延片衬底上规则排列有两种波长的第一发光元件13、第二发光元件14，请参阅图7；
（9）对所述晶圆片的蓝宝石衬底1进行减薄后，再进行后续上蓝膜、切割和劈裂等芯片后段制程，且在切割和劈裂时将不同波长的第一发光元件13、第二发光元件14置于同一个微型LED转移单元12 ,可在蓝膜16上得到一个个转移单元12；
（10）在目标基板11上经过沉积、涂胶、曝光、显影、刻蚀等步骤制备出带有电极触点的薄膜晶体管15，请参阅图8；
（11）将蓝膜16上的转移单元14向目标基板11上的薄膜晶体管15进行转移，将两种波长的第一发光元件13、第二发光元件14上的导电电极10与薄膜晶体管15上的电极触点对位连接，请参阅图9。
本实施例中，为避免第一发光元件13上的磷砷化镓发光层7发出的光子光致激发氮化铟镓发光层4，导致所述氮化铟镓发光层4颜色改变，需要保证所述磷砷化镓发光层7的发光波长大于所述氮化铟镓发光层4的发光波长。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种多色化微型LED阵列，包括目标基板和微型LED转移单元，其特征在于：复数个的微型LED转移单元以固定的规则排列于所述目标基板上，所述微型LED转移单元由两种或两种以上不同发光波长的发光元件构成，通过多个发光元件的组合，实现多色发光的功能，所述发光元件包括外延层、导电电极层和焊接层，所述外延层之间通过焊接层相互连接，通过外延片焊接的方式将多种波长的外延层整合在同一晶圆片上，可实现不同波长的发光LED在同一晶圆片上,并可将不同波长的发光LED整合成一个转移单元,所述导电电极层为通过芯片制程制备的n型和p型导电电极，所述目标基板上制备有带n型和p型电极触点的驱动电路，所述外延层包括依次堆叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层。
2.根据权利要求1所述的一种多色化微型LED阵列，其特征在于：所述发光元件上的n型和p型导电电极与所述驱动电路上的n型和p型电极触点相互匹配，并经过对位点的位置校对后通过转移的方式相互配对连接，以实现驱动电路对发光元件的控制。
3.根据权利要求1所述的一种多色化微型LED阵列，其特征在于：n型、p型导电电极和n型、p型电极触点可以是金、镍、钛、铝、铬的金属导体，或者是氧化锡类、氧化锌类的金属氧化物导电材料，以及石墨烯、导电聚合物的导电物质中的任意一种或任意多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种多色化微型LED阵列，其特征在于：所述焊接层可以是金、铟、锡、铜、镍等低熔点金属材料，或者是氧化铟锡、氧化镍等金属氧化物材料，或者是聚合物、光刻胶等高分子材料中的任意一种或任意多种的组合。
5.一种多色化微型LED阵列的制作方法，其特征是包括如下步骤：
(1)提供若干个衬底；
(2)使用金属有机化合物气相外延沉积机台分别于所述衬底上沉积外延层，通过衬底、外延沉积机台及工艺的选择，从而可制备出不同发光波长的外延片；
(3)以其中第一外延片作为原始基板，在第一外延片的外延层上制备焊接层；
(4)将第二外延片的外延层与第一外延片的外延层通过焊接层相连接；
(5)使用化学腐蚀或激光剥离技术去除第二外延片的衬底；
(6)依此类推，可选的将第三外延层乃至第四外延层等陆续通过焊接层连接至第一外延片上；
(7)在完成外延层焊接后，将此晶圆片经过涂胶、曝光、显影、刻蚀等步骤分别刻蚀出所需的多个n型区域和p型区域沟槽；
(8)在所述的n型区域和p型区域沟槽上经过涂胶、曝光、显影、沉积等步骤制备出所需的多个n型导电电极和p型导电电极，从而获得了在第一外延片衬底上规则排列有两种或两种以上波长的发光元件；
(9)对所述晶圆片的蓝宝石衬底进行减薄后，再进行后续上蓝膜、切割和劈裂等芯片后段制程，且在切割和劈裂时将不同波长的第一发光元件、第二发光元件置于同一个微型LED转移单元,可在蓝膜上得到一个个转移单元；
(10)在目标基板上经过沉积、涂胶、曝光、显影、刻蚀等步骤制备出带有电极触点的薄膜晶体管；
(11)将蓝膜上的转移单元向目标基板上的薄膜晶体管进行转移，将两种波长的第一发光元件、第二发光元件上的导电电极与薄膜晶体管上的电极触点对位连接。
6.根据权利要求5所述的一种多色化微型LED阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中的衬底可以是蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝、砷化镓、磷化镓。
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