CN111293134A - 一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列及其制作方法，在n型GaN基底上通过图形化光刻、感应耦合等离子体刻蚀等技术，形成包含极性面和半极性面的六边形微纳米孔阵结构，再经二次外延同时形成发光波长分别为580～680nm、480～580nm及380～480nm的红绿蓝光多量子阱结构及p型层，利用光刻、刻蚀、镀膜等工艺制作出晶圆级的三色Micro/Nano LED阵列，该阵列的所有单个重复单元内包含三颗同轴嵌套六边形结构的RGB三色波长LED。本发明极大地简化了三色Micro/Nano LED的制备工艺，缩短了器件的制备周期，且可扩展至纳米量级，为降低单个显示像素的尺寸提供有力途径。这种无需巨量转移的方法可制成覆盖Micro至Nano尺寸级别的三色LED阵列和超高分辨率的Micro/Nano LED显示屏。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，涉及半导体光电子器件，特别是一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列及其制作方法。
背景技术
随着便携式移动电子产品的广泛应用，显示技术朝小尺寸、高分辨率、低功耗的方向发展。目前基于III族氮化物的传统LED显示屏的像素点距离在毫米量级，已不能满足人们对于高分辨率的需求，而Micro/Nano(微纳米)LED由于像素点距离减小至微米甚至纳米量级，集合了高分辨率、低功耗、高亮度、高色彩饱和度等优点，可视为超越液晶显示和有机发光二极管的最新一代显示技术。
Micro LED显示当前面临着巨量转移的核心技术难题，如何将大量不同发光波长(红绿蓝，RGB)的Micro LED单颗元器件从施体基板转移至接受基板并确保良品率，对涉及的工艺过程和精度都提出了极高的要求。尽管提出的静电力吸附、电磁力吸附、流体装配、范德华力转印等方法可用来实现巨量转移，但这些方法因制备周期长，导致器件的效率和可靠性降低，且制作工艺难以扩展至纳米量级，因此也无法进一步降低单个显示像素的尺寸并最终提高分辨率。
最近有研究组通过在同一衬底上外延纳米柱/线结构实现了Micro/Nano LED发光单元阵列，但纳米柱/线结构的外延生长难以控制，相应的器件制作工艺更为复杂。申请号为201710111713.9的中国专利公开了一种晶圆级的微米—纳米级半导体LED显示屏及其制备方法，通过蚀刻出3X组微米—纳米尺寸元件来控制三组表面夹角，从而调控三组有源层InGaN/GaN的发光波长在RGB波段，但该结构需要非常精准地晶面定位微切，制作工艺精度高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列及其制作方法，有效避免了巨量转移的工艺难度大和精度高的问题。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列，包括由下至上依次设置的衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p型层；所述n型GaN层的至少部分分隔成复数个阵列单元，各个阵列单元分别包括形成于所述n型GaN层的六边形微纳米孔，所述六边形微纳米孔的侧壁包括第一半极性面和第二半极性面，底面形成下极性面，所述InGaN/GaN多量子阱形成于所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面上，所述p型层覆盖所述InGaN/GaN多量子阱并对应所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面的交界处设有分隔孔。
优选的，所述形成于第一半极性面、第二半极性面和下极性面上的多量子阱的发光波长分别为380～480nm、480～580nm及580～680nm。
优选的，所述六边形微纳米孔的孔径为200nm～500μm，深度为50nm～5μm。
优选的，所述InGaN/GaN多量子阱的周期数为1～20个，每个周期厚度为5～50nm。
优选的，还包括第一p型电极、第二p型电极、第三p型电极和n型电极，所述第一p型电极、第二p型电极、第三p型电极分别设于对应所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面的p型层上；所述阵列单元的间隔形成n型GaN层台阶，所述n型电极设于所述n型GaN层台阶上。
优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓或者氧化镓衬底中的任意一种。
一种上述三色Micro/Nano LED阵列的制作方法包括以下步骤：
1)在衬底上外延生长GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层以及n型GaN层；
2)采用图形化技术于n型GaN层上形成微纳米孔阵列；
3)采用湿法腐蚀蚀刻所述微纳米孔阵列，于微纳米孔的侧壁形成第一半极性面和第二半极性面，底面为下极性面，形成六边形微纳米孔阵列；
4)于步骤3)形成的结构表面形成InGaN/GaN多量子阱的外延层；
5)于所述InGaN/GaN多量子阱的外延层上生长p型层；
6)采用图形化技术分隔形成阵列单元，并分隔对应所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面的p型层，阵列单元的间隔露出n型GaN台阶。
优选的，所述图形化技术为纳米压印、紫外光刻、X射线光刻、激光干涉或电子束直写。
优选的，步骤6之后，还包括于所述n型GaN台阶上形成n型电极，于所述p型层上对应所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面的区域分别形成第一p型电极、第二p型电极和第三p型电极的步骤。
优选的，步骤3)中，所述湿法腐蚀的腐蚀液为酸、碱或中性溶液，腐蚀时间为1～30min。
本发明的有益效果为：
本发明克服了传统的将外延晶圆制成单颗LED后再进行巨量转移的工艺限制，通过同时在包含极性面和半极性面的微纳米孔阵上二次外延形成RGB三色波长的LED结构，可制成晶圆级的Micro/Nano LED阵列，该阵列的所有单个重复单元内包含三颗同轴嵌套六边形结构的RGB三色波长LED。本发明极大地简化了三色Micro/Nano LED的制备工艺，缩短了器件的制备周期，且可扩展至纳米量级，为降低单个显示像素的尺寸提供有力途径。这种无需巨量转移的方法可制成覆盖Micro至Nano尺寸级别的三色LED阵列和超高分辨率的Micro/Nano LED显示屏。
附图说明
图1为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤一，从衬底外延至n型GaN层的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤二，在n型GaN层制备微纳米孔阵列结构的侧面示意图；
图3为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤二，在n型GaN层制备微纳米孔阵列结构的俯视示意图；
图4为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤三，经过湿法腐蚀后形成的包含极性面和半极性面的六边形微纳米孔阵列结构的侧面示意图；
图5为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤三，经过湿法腐蚀后形成的包含极性面和半极性面的六边形微纳米孔阵列结构的俯视示意图；
图6为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤四，在包含极性面和半极性面的n型GaN层上生长多量子阱的外延层的结构示意图；
图7为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤五，在多量子阱的外延层上再外延生长p型层的结构示意图；
图8为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤六，露出n型GaN台阶，分隔开不同极性面多量子阱上p型层的示意图；
图9为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤七，制作n型电极和不同极性面多量子阱对应的p型电极的示意图，其中虚线箭头表示电流方向；
图10为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法步骤七，制作n型电极和不同极性面多量子阱对应的p型电极的单个重复单元的俯视图；
图11为本发明实施例的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法，最终制成的Micro/Nano LED阵列局部示意图。
在图1～11中，各标记分别为：101，衬底；102，GaN缓冲层；103，非故意掺杂GaN层；104，n型GaN层；105，微纳米孔结构；106，上极性面；107，第一半极性面；108，第二半极性面；109，下极性面；11，多量子阱；110，上极性面多量子阱；111，第一半极性面多量子阱；112，第二半极性面多量子阱；113，下极性面多量子阱；114，p型层；115，n型电极；116，第一p型电极；117，第二p型电极；118，第三p型电极；119，n型GaN台阶；120，分隔孔；1，阵列单元。为方便起见，只画出单个重复单元内的标记。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
以下给出本发明所述的一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法的具体步骤，参见图1～11：
步骤一：本实施例利用MOVPE技术外延生长LED结构。如图1所示，首先在蓝宝石衬底101上生长低温GaN缓冲层102，然后生长非故意掺杂GaN层103，再生长Si掺杂的n型GaN层104；
步骤二：在n型GaN层104上旋涂压印胶，并用纳米压印技术在压印胶上制作六角晶格结构的圆形纳米孔阵列，经过O2等离子体去残胶后，以压印胶作为掩膜，再采用感应耦合等离子体蚀刻技术，通过Cl2/BCl3气体刻蚀n型GaN，将纳米孔阵图形转移至n型GaN层，形成微纳米孔105阵列，如图2和图3所示；
步骤三：配制浓度为3mol/L的KOH碱溶液并水浴加热，保持其温度为80℃，将上述晶片浸入所配置溶液中，湿法腐蚀处理10分钟后取出；由于氮化物材料存在晶体各向异性，不同晶面腐蚀速率不同，控制湿法腐蚀参数，可在微纳米孔105的侧壁上腐蚀出具有特定夹角的第一半极性面107和第二半极性面108，微纳米孔105的底部形成下极性面109，相邻微纳米孔的表面形成上极性面106，形成共包含有两组极性面和两组半极性面的六边形纳米结构阵列，如图4和图5所示；
步骤四：将制备好的n型GaN基底传入MOVPE反应室，在形成的六边形纳米孔结构上二次外延，继续生长5个周期的InGaN/GaN多量子阱11，利用不同极性面上量子阱(第一半极性面多量子阱111、第二半极性面多量子阱112；下极性面多量子阱113)发光波长不同的特点，控制外延参数，同时获得三组波长分别为580～680nm、480～580nm及380～480nm的红绿蓝光多量子阱结构，如图6所示；
步骤五：在多量子阱11上外延生长p型层114，包括厚度分别为10nm的p型AlGaN电子阻挡层和200nm的p型GaN层，以构成完整的LED结构，如图7所示；
步骤六：运用紫外光刻技术和感应耦合等离子体刻蚀技术，刻蚀掉上极性面106处的p型层、多量子阱层以及部分n型GaN层，直到露出n型GaN台阶119，并再次使用上述技术刻蚀掉不同极性面多量子阱交界处的p型GaN层形成分隔孔120，分隔开不同极性面多量子阱上的p型层，以限制电流的流动方向，防止电流扩展至两个或三个量子阱内，保证三色LED可以独立的控制，互不干扰，如图8所示；
步骤七：运用光刻技术露出部分n型GaN层，然后通过电子束蒸发方法在n型GaN台阶119上蒸镀n型电极115，经退火形成电极与n型GaN的欧姆接触；继续使用光刻技术，露出三组不同极性面多量子阱对应的部分p型层114，通过电子束蒸发在p型层114上蒸镀第一p型电极116、第二p型电极117和第三p型电极118，经退火形成电极与p型GaN的欧姆接触。
参考图9-11，本发明的一种三色Micro/Nano LED阵列，该阵列的阵列单元1(即所有单个重复单元)内包含三颗同轴嵌套六边形结构的RGB三色波长LED。具体，所述三色Micro/Nano LED阵列包括由下至上依次设置的衬底101、GaN缓冲层102、非故意掺杂GaN层103、n型GaN层104、InGaN/GaN多量子阱11及p型层114。所述n型GaN层104的部分分隔成复数个阵列单元1，各个阵列单元1分别包括形成于所述n型GaN层104的六边形微纳米孔105，所述六边形微纳米孔105的侧壁包括第一半极性面107和第二半极性面108，底面形成下极性面109。所述InGaN/GaN多量子阱11形成于所述六边形微纳米孔105上，包括第一半极性面多量子阱111、第二半极性面多量子阱112和下极性面多量子阱113。所述p型层114覆盖所述InGaN/GaN多量子阱11并对应所述第一半极性面107、第二半极性面108和下极性面109的交界处设有分隔孔120。
所述第一半极性面107、第二半极性面108形成特定夹角，具体，其夹角范围为90～180度。所述第二半极性面108和下极性面109的夹角范围为90～180度。从而利用不同极性面上量子阱发光波长不同的特点，使分别形成于上述面上的第一半极性面多量子阱111、第二半极性面多量子阱112和下极性面多量子阱113的发光波长分别为380～480nm、480～580nm及580～680nm。
进一步，还包括第一p型电极116、第二p型电极117、第三p型电极118和n型电极115，所述第一p型电极116、第二p型电极117、第三p型电极118分别设于对应所述第一半极性面107、第二半极性面108和下极性面109的p型层上；所述阵列单元1的间隔形成n型GaN层台阶119，所述n型电极115设于所述n型GaN层台阶119上。
所述InGaN/GaN多量子阱的周期数为1～20个，厚度为5～50nm，其阱层In组分调控范围为0％～100％。
所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓或者氧化镓衬底中的任意一种。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种无需巨量转移的三色Micro/NanoLED阵列及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种无需巨量转移的三色Micro/Nano LED阵列，其特征在于：包括由下至上依次设置的衬底、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p型层；所述n型GaN层的至少部分分隔成复数个阵列单元，各个阵列单元分别包括形成于所述n型GaN层的六边形微纳米孔，所述六边形微纳米孔的侧壁包括第一半极性面和第二半极性面，底面形成下极性面，所述InGaN/GaN多量子阱形成于所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面上，所述p型层覆盖所述InGaN/GaN多量子阱并对应所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面的交界处设有分隔孔。
2.根据权利要求1所述的三色Micro/Nano LED阵列，其特征在于：所述形成于第一半极性面、第二半极性面和下极性面上的多量子阱的发光波长分别为380～480nm、480～580nm及580～680nm。
3.根据权利要求1所述的三色Micro/Nano LED阵列，其特征在于：所述六边形微纳米孔的孔径为200nm～500μm，深度为50nm～5μm。
4.根据权利要求1所述的三色Micro/Nano LED阵列，其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱的周期数为1～20个，每个周期厚度为5～50nm。
5.根据权利要求1所述的三色Micro/Nano LED阵列，其特征在于：还包括第一p型电极、第二p型电极、第三p型电极和n型电极，所述第一p型电极、第二p型电极、第三p型电极分别设于对应所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面的p型层上；所述阵列单元的间隔形成n型GaN层台阶，所述n型电极设于所述n型GaN层台阶上。
6.根据权利要求1所述的三色Micro/Nano LED阵列，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓或者氧化镓衬底中的任意一种。
7.一种权利要求1～6任一项所述的三色Micro/Nano LED阵列的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在衬底上外延生长GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层以及n型GaN层；
2)采用图形化技术于n型GaN层上形成微纳米孔阵列；
3)采用湿法腐蚀蚀刻所述微纳米孔阵列，于微纳米孔的侧壁形成第一半极性面和第二半极性面，底面为下极性面，形成六边形微纳米孔阵列；
4)于步骤3)形成的结构表面形成InGaN/GaN多量子阱的外延层；
5)于所述InGaN/GaN多量子阱的外延层上生长p型层；
6)采用图形化技术分隔形成阵列单元，并分隔对应所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面的p型层，阵列单元的间隔露出n型GaN台阶。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：所述图形化技术为纳米压印、紫外光刻、X射线光刻、激光干涉或电子束直写。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：步骤6)之后，还包括于所述n型GaN台阶上形成n型电极，于所述p型层上对应所述第一半极性面、第二半极性面和下极性面的区域分别形成第一p型电极、第二p型电极和第三p型电极的步骤。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：步骤3)中，所述湿法腐蚀的腐蚀液为酸、碱或中性溶液，腐蚀时间为1～30min。
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