CN110931520A - 一种Micro-LED制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Micro‑LED制备方法，首先在玻璃基板或者有机柔性衬底上，镶嵌由薄膜晶体管和存储电容构建的驱动电路板；然后将白光半导体芯片通过巨量转移到玻璃基板或者有机柔性衬底上，并使每个白光芯片连接到一个由薄膜晶体管和存储电容器组成的驱动电路单元。之后在每个白光半导体芯片上依次覆盖红、绿、蓝三基色滤光片，形成红、绿、蓝三基色发光，每三个覆盖红、绿、蓝三基色滤光片的白光半导体芯片构成一个发光像素单元；最后扣上透明的上基板，即完成Micro‑LED制备。本发明经过红、绿、蓝三基色滤光片滤光后形成的红、绿、蓝色具有高度的波长一致性，显示控制稳定性好，色彩丰富；本发明结构简单，易于加工，其制造成本远低。

Description

一种Micro-LED制备方法
技术领域
本发明属于半导体领域，涉及一种LED芯片，具体涉及一种Micro-LED制备方法。
背景技术
Micro-LED是继LCD和OLED之后最有潜力的下一代显示技术。在未来显示器中，由于Micro LED将发光二极管(LED)芯片的尺寸微缩至100μm以下，LED将从现在显示器中的背光逐渐转变成自发光，每一颗红、绿、蓝色LED构成一个像素点。相比于LCD和OLED，Micro-LED在分辨率、功耗、寿命、显色指数、亮度、对比度、响应时间、厚度、柔性、透明性和多功能扩展性等诸多性能指标方面占据明显优势，在平板显示、AR/VR、空间成像、医疗检测和国防军工等领域有着巨大的应用前景，市场规模预计可达3500亿元。
目前世界上各大厂商均采用红、绿、蓝三色LED构建基本像素单元，采用巨量转移技术制备Micro-LED。这就对外延材料的高度一致性(LED波长一致性，外延缺陷和particle的有效控制，μA级驱动电流下光电性能高度一致)、微米级芯片制作的精度控制和良率(亚微米级的工艺线宽控制，衬底剥离技术，侧面保护技术，高良率芯片制程，巨量芯片测试表征，分BIN)、巨量转移的高良率(巨量转移的方法：静电力、范德瓦尔斯力，物理转移，百万芯片一次转移的精度和良率，阵列键合技术的控制：粘附力，精度)、全彩化的有效实现(全彩化的实现：RGB，量子点荧光粉，光学透镜合成，取光与光形：像素间的色彩干扰)、控制线路，驱动和背板的设计(超高密度布线，色彩差异的驱动补偿，柔性面板的设计)、坏点的有效修复(坏点的定位混合修复技术，坏点的驱动补偿)等提出了很高的要求。其中高速高良率的巨量转移和全彩色化技术等无疑是瓶颈。
对于LED芯片厂而言，从LED外延片设计到芯片制程都需要投入新设备，比如均一性更高的MOCVD、分辨率更高的曝光机、激光剥离基板等设备，将会显著增加资本支出与折旧成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用半导体白光芯片和红、绿、蓝三色滤光片制备Micro-LED的方法。利用这种方法制备的Micro-LED，其结构简单，工艺过程简单，很容易实现同色发光波长的高度一致性，很容易实现彩色化，由于是同种芯片，也易于实现芯片的巨量转移。
实现本发明目的的技术方案是：
一种Micro-LED制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在玻璃基板或者有机柔性衬底上，镶嵌由薄膜晶体管和存储电容构建的驱动电路板；
步骤2、将白光半导体芯片通过巨量转移到玻璃基板或者有机柔性衬底上，并使每个白光芯片连接到一个由薄膜晶体管和存储电容器组成的驱动电路单元。
步骤3、在每个白光半导体芯片上依次覆盖红、绿、蓝三基色滤光片，形成红、绿、蓝三基色发光，每三个覆盖红、绿、蓝三基色滤光片的白光半导体芯片构成一个发光像素单元；
步骤4、扣上透明的上基板，即完成Micro-LED制备。
所述步骤2中，所述白光半导体芯片制备方法如下：
所述白光半导体芯片依次包括n电极、n型层、p型层和p电极，其特征在于：所述n型层和p型层之间设有对异质结能带进行调控的穿通阻挡层，各层采用材料如下：
(1)使用p型氮化镓材料作为半导体异质结芯片的p型层；
(2)使用氧化锆、氧化铪或氧化镓纳米结构作为器件的穿通阻挡层；
(3)使用n型氧化锌材料作为半导体异质结芯片的n型层。
本发明使用了n型ZnO作为n型层，p型GaN材料作为p型层，在两者之间选择了合适的材料(Ga2O3、HfO2、ZrO2)和结构作为穿通阻挡层对异质结能带进行调控，使异质结能够同时发出极强的黄、绿光和蓝光(同等强度量级)，同时通过调控n型ZnO材料中的对应带边发光的紫光、锌间隙到空位的蓝光以及锌氧间隙位的红光的强度，组合实现单一半导体异质结芯片直接发射白光(不需要荧光粉)，器件的显色指数高达91，色温5000-10000K连续可调。
作为优选，所述p型层的材料采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、氢化物气相外延和原子层沉积中任意一种方法制备。
作为优选，所述p型层的p型氮化镓材料的载流子浓度在1×1016～5×1018cm-3之间。
作为优选，所述穿通阻挡层采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种方法制备。
作为优选，所述穿通阻挡层厚度为0.5～60nm。
作为优选，所述n型层的n型氮化镓材料的载流子浓度在1×1016～5×1020cm-3之间。
作为优选，所述n电极和p电极均采用ITO、AZO、Cr/Au、Ni/Au、Al和Ag中任意一种或者几种制成，厚度不限。
作为优选，所述n电极和p电极制备在半导体异质结发光芯片的同一侧或者两侧对称方向(垂直结构)。
作为优选，所述n电极和p电极均可采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种或者几种方法制备。
可以将器件刻蚀(湿法和干法均可)成水平结构，将两种电极(p型和n型电极)制备在器件的同一方向上。也可以不刻蚀器件，用激光剥离p型GaN的蓝宝石衬底，直接在器件的上下表面上分别制备上p型和n型电极，电极可以利用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发(EBE)、溶胶-凝胶法(sol-gel)和原子层沉积(ALD)等等方法制备。
作为优选，n型氧化锌(ZnO)材料可以使用分子束外延(MBE)、金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发(EBE)和原子层沉积(ALD)等方法制备，厚度不限。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
(1)所有的白光芯片具有同样的厚度和μA级驱动电流下光电性能高度一致。
(2)经过红、绿、蓝三基色滤光片滤光后形成的红、绿、蓝色具有高度的波长一致性。
(3)即使白光芯片发光出现衰减，也能保证只是强度上的衰减，而没有发光颜色的变化。
(4)本发明提供的Micro-LED器件结构简单，易于加工，其制造成本远低于目前工业上流行的由三基色微米级LED巨量转移构成的低良率Micro-LED。
(5)本发明白光芯片制备过程中提供的插入合适的穿通阻挡层的方法显著地提高了器件中氧化锌和氮化镓材料在黄绿光波段的发光强度，巧妙地与器件中氮化镓材料发出的蓝靛色光混合，同时通过调控n型ZnO材料中的对应带边发光的紫光、锌间隙到空位的蓝光以及锌氧间隙位的红光的强度，形成了宽光谱、高亮度的白光，其CIE坐标为可涵盖白光中心(0.33，0.33)的区域，器件的显色指数高达91，色温5000-10000K连续可调。
(6)本发明白光芯片制备过程中巧妙地利用了能带工程，在载流子复合中引入了新的能级复合，并非缺陷能级的复合，效率更高。
(7)本发明白光芯片制备过程中提供的穿通阻挡层，其厚度可以由0.5～60nm连续变化，同时此穿通阻挡层可以是一种材料，也可以是两种或多种不同材料的组合。
(8)本发明白光芯片结构简单，易于加工，其制造成本远低于工业上的多量子阱结构器件。
本发明使用p型氮化镓作为半导体异质结的p型材料，n型ZnO作为n型层，在p和n型半导体之间插入纳米结构的宽禁带材料(Ga2O3、ZrO2、HfO2)作为穿通阻挡层，形成新的载流子通道和能级，辐射蓝、绿、黄光，同时通过调控n型ZnO材料中对应的带边跃迁的紫光、锌间隙到空位的蓝光以及锌氧间隙位的红光的强度，使异质结器件能直接发射出宽光谱、高亮度的白光，器件的显色指数高达91，色温5000-10000K连续可调。
附图说明
图1是本发明白光芯片制备过程中实施例1、5中半导体异质结发光芯片器件结构简化图；
图2是本发明白光芯片制备过程中实施例2中半导体异质结发光芯片器件结构简化图；
图3是本发明白光芯片制备过程中实施例3中半导体异质结发光芯片器件结构简化图；
图4是本发明白光芯片制备过程中实施例4中半导体异质结发光芯片器件结构简化图；
图5是本发明白光芯片制备过程中实施例1的白光CIE坐标图。
图6是本发明制备的Micro-LED结构示意图。
图7是本发明实施例中，电压驱动发光芯片的驱动电路示意图。
图8是本发明实施例中，电流驱动发光芯片的驱动电路示意图。
图7和图8中，TFT表示薄膜晶体管，C表示存储电容器，
附图标记：1-白光半导体芯片，2-驱动电路，3-玻璃基板，4-红色滤光片，5-绿色滤光片，6-蓝色滤光片，7-上基板，8-隔光板。
具体实施方式
下面结合实施例子及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种Micro-LED制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在玻璃基板或者有机柔性衬底上，镶嵌由薄膜晶体管和存储电容构建的驱动电路板；
步骤2、将白光半导体芯片通过巨量转移到玻璃基板或者有机柔性衬底上，并使每个白光芯片连接到一个由薄膜晶体管和存储电容器组成的驱动电路单元。
步骤3、在每个白光半导体芯片上依次覆盖红、绿、蓝三基色滤光片，形成红、绿、蓝三基色发光，每三个覆盖红、绿、蓝三基色滤光片的白光半导体芯片构成一个发光像素单元；
步骤4、扣上透明的上基板，即完成Micro-LED制备，其结构如图6所示。更优的，在步骤3中，覆盖滤光片之前，先在相邻白光半导体芯片之间插入隔光板8，以提高每个像素单元发光的独立性，减少相互干扰。
本发明上述采用的白光半导体芯片制备方法如下：
实施例1
如图1所示，从下至上，在150℃下，使用原子层沉积方法在干净的p型GaN材料上生长一层穿通阻挡层薄膜(Ga2O3)，厚度为3nm。然后继续生长n型ZnO材料，厚度为300nm。之后再继续生长AZO材料(铝掺杂的氧化锌(ZnO)透明导电玻璃)作为n型电极，厚度为60nm。然后先光刻然后用10％体积分数的稀磷酸湿法刻蚀至下方穿通阻挡层为止。再用Ar离子反应离子束刻蚀穿通阻挡层，其刻蚀功率为100w，气体流量200sccm。再分别在n区和p区光刻，刻出电极形状，使电极大小为5μm×5μm。再p区蒸镀Cr/Au电极作为p型电极，Cr的厚度为5nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为95nm(降低电极电阻)。此时器件(即能直接发白光的白光半导体芯片)的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例2
如图2所示，从下至上，在300℃下，在干净的p型GaN材料上生长一层穿通阻挡层薄膜(ZrO2)，厚度为10nm。然后在穿通阻挡层薄膜上生长n型ZnO材料，厚度为600nm。之后再继续生长ITO材料作为n型电极层，厚度为400nm。将ZnO一侧键合在涂敷有Ag薄层的Al基板上，用激光扫描剥离另一侧p-型GaN的蓝宝石衬底或者硅衬底，再分别在n区和p区光刻，使电极大小为5μm×5μm，n区和p区分别处在器件两面上(正面和反面各一个)，再在p区蒸镀Cr/Au电极作为p型电极，Cr的厚度为2nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为50nm(降低电极电阻)。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例3
如图3所示，从上至下，在400℃下，是用分子束外延方法在干净的p型GaN材料上生长两层穿通阻挡层薄膜(Ga2O3/HfO2)，厚度依次为5nm/10nm。然后继续生长n型ZnO材料，厚度为400nm。然后先光刻，再用反应离子束刻蚀p-GaN和穿通阻挡层在n型ZnO材料上形成n区，其刻蚀功率为300w，气体流量200sccm。之后在n区的n型ZnO材料上生长AZO材料作为n电极，厚度为100nm。再分别在n区和p区光刻，使电极大小为5μm×5μm。再p区蒸镀Cr/Au电极，Cr的厚度为10nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为50nm(降低电极电阻)。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例4
如图4所示，从上至下，先将p-GaN转移到铝基板上，然后使用激光扫描将p-GaN的蓝宝石衬底剥离。在400℃下，使用热蒸发方法在干净的p型GaN材料上生长两层穿通阻挡层薄膜(ZrO2/HfO2)，厚度依次为5nm/5nm。之后使用MOCVD继续生长n型ZnO材料，厚度为300nm。再继续生长AZO材料作为n电极层，厚度为50nm。此时铝基板直接作为作为p型电极，AZO直接作为作为n型电极。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
实施例5
如图1所示，从下至上，在400℃下，使用原子层沉积方法在清洗干净的p型GaN材料上生长两层插入层薄膜(Ga2O3/ZrO2)，厚度依次为0.5nm/1nm。然后继续生长n型ZnO材料，厚度为300nm。之后再继续生长AZO材料作为n电极层，厚度为60nm。然后先光刻然后用10％体积分数的稀磷酸湿法刻蚀至下方穿通阻挡层为止。再用Ar离子反应离子束刻蚀穿通阻挡层在p型GaN材料上形成p区，其刻蚀功率为200w，气体流量200sccm。再分别在n区和p区光刻，使电极大小为5μm×5μm。再在p区蒸镀Cr/Au电极，Cr的厚度为5nm(形成欧姆接触)，Au的厚度为65nm(降低电极电阻)。此时器件的基本结构完成，再加载相应的电压电流就可以发出白光。
本发明实施例的步骤1中，驱动电路板的制备方法可以参考发明人申请的专利CN107768255A一种低温薄膜晶体管的制备方法结合专利CN109545553A公开的一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法进行制备，上述步骤2中，白光半导体芯片的巨量转移技术参考专利CN108461439A中公开的一种Micro_LED芯片的制备及转移方法制备。上述详细展开说明的技术均采用现有成熟技术，本发明实施中，驱动电路可按需求采用电压驱动和电流驱动两种形式，如图7和图8所示。
本发明利用白光芯片配一个滤光片来产生单色光，利用三个白光芯片配三个滤光片来产生R、G、B三种颜色的光，来组成一个像素点，来替代现有技术中显示器采用的单色发光芯片，因为单色光芯片，每种芯片发光材料不一样，在同样驱动下性能也不一样，光不均一，光衰也不相同，难以控制，而本发明每个发光芯片完全一样，通过红绿蓝三种滤光片产生单色光，发光均一，可控性好，制备的显示器显示性能好。

Claims (10)

1.一种Micro-LED制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在玻璃基板或者有机柔性衬底上，镶嵌由薄膜晶体管和存储电容构建的驱动电路板；
步骤2、将白光半导体芯片通过巨量转移到玻璃基板或者有机柔性衬底上，并使每个白光芯片连接到一个由薄膜晶体管和存储电容器组成的驱动电路单元；
步骤3、在每个白光半导体芯片上依次覆盖红、绿、蓝三基色滤光片，形成红、绿、蓝三基色发光，每三个覆盖红、绿、蓝三基色滤光片的白光半导体芯片构成一个发光像素单元；
步骤4、扣上透明的上基板，即完成Micro-LED制备。
2.如权利要求1所述Micro-LED制备方法，其特征在于：所述步骤2中，所述白光半导体芯片制备方法如下：
所述白光半导体芯片依次包括n电极、n型层、p型层和p电极，其特征在于：所述n型层和p型层之间设有对异质结能带进行调控的穿通阻挡层，各层采用材料如下：
(1)使用p型氮化镓材料作为半导体异质结芯片的p型层；
(2)使用氧化锆、氧化铪或氧化镓的纳米结构作为器件的穿通阻挡层；
(3)使用n型氧化锌材料作为半导体异质结芯片的n型层。
3.如权利要求2所述Micro-LED制备方法，其特征在于：步骤2中，所述p型层的材料采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、氢化物气相外延和原子层沉积中任意一种方法制备。
4.如权利要求2所述Micro-LED制备方法，其特征在于：步骤2中，所述p型层的p型氮化镓材料的载流子浓度在1×1016～5×1018cm-3之间。
5.如权利要求2所述Micro-LED制备方法，其特征在于：步骤2中，所述穿通阻挡层采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种方法制备。
6.如权利要求2所述Micro-LED制备方法，其特征在于：步骤2中，所述穿通阻挡层的纳米结构厚度为0.5～60nm，所述n电极和p电极位于p型层的同一侧，在制备过程中无需剥离p型氮化镓材料的衬底，或者所述n电极和p电极对称的位于p型层和n型层两侧，即半导体异质结芯片为垂直结构。
7.如权利要求2所述Micro-LED制备方法，其特征在于：步骤2中，所述n电极和p电极均采用ITO、AZO、Cr/Au、Ni/Au、Al和Ag中任意一种或者几种制成。
8.如权利要求2所述Micro-LED制备方法，其特征在于：步骤2中，所述n电极和p电极均可采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种或者几种方法制备。
9.如权利要求2所述Micro-LED制备方法，其特征在于：步骤2中，n型氧化锌材料使用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积、磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发和原子层沉积法中任意一种方法制备。
10.如权利要求2所述Micro-LED制备方法，其特征在于：步骤2中，所述n型层的n型氮化镓材料的载流子浓度在1×1016～5×1020cm-3之间。
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