CN110808315A - 一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增加GaN Micro‑LED颜色转换效率的方法，在P型GaN表面刻孔至有源区，使用Ag纳米颗粒和发光量子点进行填充；该方法是将P型台面压印出一个个圆形孔洞图形并将其刻蚀至有源区，在孔洞内填充发光量子点的同时填充金属Ag量子点，实现金属Ag量子点与有源区进行共振，从而实现增加颜色转换效率的功能。本发明减少了有源区的能量损耗，同时金属量子点跟有源区的近距离接触，使得两者之间共振增加，有利于增加有源区的能量提取效率。将两者充分结合，GaN Micro‑LED使得颜色转换效率大大增加。
Description
技术领域
本发明属于LED技术领域，具体涉及一种利用Ag纳米颗粒和发光量子点填充以增加GaN Micro-LED颜色转换效率的工艺制作方法。
背景技术
近几年来，随着照明显示技术的不断发展，对发光器件的发光性能、亮度以及功耗等方面都提出了更高更全面的要求。在如此大环境的背景下，Micro-LED应运而生。Micro-LED 作为新一代的显示技术，有自己独特的优势，由于器件尺寸很小(单个像素微米级)，其结构可以进行薄膜化、阵列化以及微型化。伴随着尺寸缩小，带来的是更高的亮度、解析度以及色彩饱和度。同时在发光效率上要相对于LCD基OLED更加高。
要将Micro-LED制作成背光显示单元并实现全彩色化主要通过两种途径：其一是将独立的三原色基片转移到同一个基底上实现发光，如遇Micro-LED尺寸微小，转移过程繁杂，需要用到巨量转移技术，可能造成成品率低等不良影响。其二是在单色发光基片上涂抹一层发光量子点(QDs)，通过单色光激发，产生不同的光色，已到达产生白光的目的，但是在这一过程中，由于量子点本身固有性质，会导致颜色转换效率低下等影响。经研究发现，在GaN 表面涂抹一层Ag纳米颗粒，会与有源区产生共振，从而可以增加颜色转化效率。
目前所做的研究大部分都以，表面散布金属量子点从而增加共振为主，有研究指出，金属量子点与有源区距离的远近影响共振的强弱，进而影响颜色转换的效率，金属量子点离有源区越近，共振越明显。本发明中，才用了挖孔至有源区填充量子点的方法，大大的缩减了金属量子点与有源区之间的距离，有效地增强了金属量子点与有源区之间的共振，能够使颜色转换效率大大提高。
发明内容
本发明目的在于提供了一种具有高颜色转化效率的Ags+QDs Micro-LED工艺制作方法，该方法是将P型台面压印出一个个圆形孔洞图形并将其刻蚀至有源区，在孔洞内填充发光量子点的同时填充金属Ag量子点，实现金属Ag量子点与有源区进行共振，从而实现增加颜色转换效率的功能。
本发明采用的技术方案为一种高颜色转换效率的Ags+QDs Micro-LED器件制作的方法包括：
步骤1：取外延结构，该外延结构1包括蓝宝石衬底、N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层；
步骤2：采用溅射方法在P型氮化镓表面制作一层氧化铟锡(ITO)透明导电层，其厚度为70nm；
步骤3：采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，在ITO透明导电层上生长一层二氧化硅作为硬掩膜，其厚度为300nm；
步骤4：采用纳米压印的方法，在二氧化硅表面压印出周期性排列小孔图案，小孔大小为直径1μm，图形间间隔为1μm；
步骤5：采用反应离子刻蚀(RIE)的方法将小孔刻蚀至透明导电层ITO表面；
步骤6：采用匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜的光刻方法，在纳米压印层表面制作光刻掩膜；运用离子耦合刻蚀(ICP)的方法将没有光刻胶掩膜的部分刻蚀至有源层。然后将光刻胶用丙酮清洗干净，并将二氧化硅硬掩膜层连同纳米压印图层一并腐蚀去除；
步骤7：采用匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜的光刻方法，在透明导电层上制作光刻胶掩膜；运用ICP的方法将没有光刻胶的部分刻蚀至N型氮化镓台面，将光刻胶清洗掉，形成 N型台阶；
步骤8：采用匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜的光刻方法，在整个外延片上制作光刻胶掩膜；使用原子层沉底(ALD)生长氧化铪作为绝缘层，厚度为15nm，采用lift-off工艺，将绝缘层位置以外的氧化铪剥离掉；
步骤9：采用匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜的光刻方法，在整个外延片上做光刻胶掩膜；采用蒸镀或溅射的方法制作金属P电极、N电极，金属层为Ti/Au，采用lift-off工艺将电极位置之外的金属剥离掉，形成金属P、N电极；
步骤10：采用匀胶的方法将发光量子点及Ag量子点填充到孔洞当中。
目前，大部分与量子点抑或是金属纳米点有关的工作，都是将其旋涂在LED的表面，利用其表面等离子体共振效应和辐射能量转移来增加能量提取和提高颜色转换效率，有研究指出，量子点与有源区距离越近，其能量提取效率越高，并且当发光量子点与有源区零距离接触时，能量转以变为以非辐射能量转移为主，能量损耗大大降低，提高了LED的颜色转换效率，在本方法中，我们还采用了Micro-LED，其尺寸更小，功耗更低，颜色转换效率提升更明显。在本发明中，我们先在P-GaN表面刻蚀出一系列的孔洞，使其深至有源区，并将发光量子点与Ag纳米量子点同时填充到孔洞中，使其与有源区近乎零距离接触，使得发光量子点与有源区产生非辐射能量转移效应，减少了有源区的能量损耗，同时金属量子点跟有源区的近距离接触，使得两者之间共振增加，有利于增加有源区的能量提取效率。将两者充分结合，GaN Micro-LED使得颜色转换效率大大增加。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明确，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的利用Ag纳米颗粒和CdSe发光量子点填充以增加GaN Micro-LED颜色转换效率的工艺制作方法流程图，通过此方法将纳米级的Ag金属颗粒与CdSe 发光量子点填充到在GaN表面挖出的孔洞中，使其与量子阱实现共振，以起到增加颜色转换效率的目的。
步骤1：准备GaN裸片——分别用丙酮和乙醇将GaN裸片进行煮沸，并用去离子水冲洗 30遍，使用氮气枪吹干，保证GaN表面没有其他污染物。以下每进行一步实验，重复上述清洗步骤，以保证实验片的清洁。
步骤2：使用溅射台生长ITO做透明导电层，其厚度为70nm。
步骤3：使用PECVD生长SiO2做硬掩膜层，其厚度为300nm。
步骤4：在SiO2表面制作纳米压印图案，图案为直径1μm的圆孔，孔间间隔1μm。
步骤5：使用RIE将硬掩膜SiO2图案化部分刻蚀至ITO表面。
步骤6：进行光刻，将需要生长电极的部分掩膜住，并将光刻显影暴露出来的区域进行刻蚀至量子阱区域，刻蚀深度约为1.12μm。
步骤7：分别使用丙酮以及BOE溶液去除光刻胶以及SiO2硬掩膜层。
步骤8：ALD生长HfO2使其覆盖在孔洞侧壁上，防止Ag纳米颗粒与量子阱区域接触发生漏电，HfO2厚度为10nm。
步骤9：进行套刻1，使用RIE将n电极部分刻蚀至N-GaN区。
步骤10：进行套刻2，使用金属溅射台生长n、p电极，并剥离退火，电极材料选择为Ti/Au，其厚度为15/200nm。
步骤11：将准备好的Ag纳米颗粒和CdSe光量子点填充到孔洞中。
以上所述，仅为本发明中的具体实施办法，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于：在P型GaN表面刻孔至有源区，使用Ag纳米颗粒和发光量子点进行填充；
该方法包括以下步骤：
(1)选取GaN外延裸片，其结构包括蓝宝石衬底、N型GaN层、有源层、P型GaN层；
(2)表面生长70nm氧化铟锡(ITO)做透明导电层；
(3)生长300nm氧化硅做为硬掩膜，在表层做纳米压印图案，图案为间距1μm的纳米小孔；
(4)利用离子耦合刻蚀(ICP)将小孔刻蚀至P型GaN表面；
(5)利用ICP将图案化小孔刻蚀至GaN有源区；放入BOE腐蚀液中去除氧化硅掩膜层以及纳米压印图层；
(6)光刻胶填充小孔区域，生长金属Ni作为硬掩膜掩膜住孔洞区域，其余部分刻蚀至N型GaN区域形成发光台面；
(7)去除光刻胶，生长氧化铪作为绝缘层，以方便将p电极引出；
(8)光刻出电极图形，完成溅射n、p钛/金电极，使用lift-off工艺得到剥离后电极。
2.根据权利要求1所述的一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于，还包括，采用匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜的光刻方法，在整个外延片上做光刻胶掩膜；采用蒸镀或溅射的方法制作金属P电极、N电极，金属层为Ti/Au，采用lift-off工艺将电极位置之外的金属剥离掉，形成金属P、N电极。
3.根据权利要求2所述的一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于，还包括，采用匀胶的方法将发光量子点及Ag量子点填充到孔洞当中。
4.根据权利要求1所述的一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于，步骤2中所述氧化铟锡透明导电层厚度为70nm。
5.根据权利要求1所述的一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于，步骤3中所述纳米孔间隔为1μm，纳米孔直径为1μm；氧化硅掩膜层厚度为300nm。
6.根据权利要求1所述的一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于，步骤4中所述刻蚀纳米孔的深度为1.15-1.25μm。
7.根据权利要求1所述的一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于，步骤6中所述Ni厚度为150nm，刻蚀台面高度为1.15-1.25μm。
8.根据权利要求1所述的一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于，步骤7中所述氧化铪绝缘层厚度为15nm。
9.根据权利要求1所述的一种增加GaN Micro-LED颜色转换效率的方法，其特征在于，步骤8中所述电极厚度为10/150nm。
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