CN111326632B - 具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列 - Google Patents

具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列 Download PDF

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Abstract

本发明为一种具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro‑LED阵列。该器件包括衬底、芯片单元电极,以及阵列排布的MicroLED器件和具有梯形侧壁场板的SBD;所述的具有梯形侧壁场板的SBD,本征GaN缓冲层具体分为两层,下层厚度为全部本征GaN缓冲层厚度的40~60%,而上层分为两部分,一部分为矩形,另外一部分从外侧边缘向内条状凸起,凸起的横截面为梯形;梯形凸起的本征GaN缓冲层的外侧的两个梯形斜面上生长侧壁绝缘层,梯形凸起的上表面上覆盖有肖特基接触电极;具有梯形侧壁场板的SBD的数量为四个,位于阵列的四角。本发明大大提高了芯片利用效率和可靠性,减少芯片制造成本。

Description

具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列
技术领域
本发明涉及半导体光电领域,具体地说是一种具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列。
背景技术
目前,对于智能手机,平板电脑,电视显示而言,液晶显示(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示是两个主流显示技术。这两种技术都有其优点和缺点。LCD的主要优点是使用寿命长,高亮度和低成本,而OLED的独特优势是容易实现超薄,从而实现灵活的显示。但是,LCD有两个要克服的缺点:对比度和灵活性有限。另一方面,OLED的主要挑战在于其使用的寿命以及高成本。而Mini-LED和Micro-LED用于显示逐渐吸引了广泛关注,Micro-LED作为新一代显示技术,比现有的OLED和LCD技术亮度更高、发光效率更好、功耗更低。2017年5月,苹果已经开始新一代显示技术的开发。2018年2月,三星在CES 2018上推出了Micro LED电视。
如今,III-氮化物半导体已被发现很好的应用在照明技术和电力电子领域。由于氮化物LED空前的高辐射效率,并结合其寿命长和可靠性,使它们成为许多住宅,商业以及工业室内和室外的照明系统的首选。同时,III族氮化物材料也广泛用于开发电力电子器件,例如高性能肖特基势垒二极管(SBD)和高电子迁移率晶体管(HEMT),由于其高击穿电场和高饱和速度。
传统的Micro-LED芯片都是通过直流(DC)实现,正常工作下外加偏压很低,一般在3至5V之间,交流(AC)Micro-LED可由市路电压直接供电(220V),AC Micro-LED设计相较于传统DC Micro-LED省去了外部LED驱动器(变压器和AC-DC转换器),这大大简化了LED灯内部结构,提高了发光效率和器件可靠性,并降低了Micro-LED芯片成本。当前对于AC Micro-LED芯片的研究仍然存在一系列问题,早期的AC Micro-LED芯片采用的反平行结构,在AC工作条件下,只能实现一半的LED灯亮,这大大降低了芯片利用效率。所以当前AC Micro-LED芯片主要采用的方式是通过添加一个惠斯通(Wheatstone)整流桥来实现AC工作,整流桥的四个分支中的每个分支均由级联的Micro-LED组成,每个分支需要承担220V/2=110V左右的反向偏压,这意味着每个分支大概需要6-9个Micro-LED,才能保证整流桥可以承担反向220V电压。而有报告提出采用SBD组成整流桥,由于III-氮化物SBD器件相比于普通的二极管具有较高的反向击穿电压,而III-氮化物SBD所能承受的反向击穿电压与它的尺寸以及器件的工艺有着很大关系,基于当前的工艺条件下,对于Micro-LED尺寸下的传统SBD所承受的反向击穿电压为60-80V,那么整流桥的每条支路上还是需要2-3个SBD器件才可以承担反向220V电压。而在这里,我们用具有梯形侧壁场板结构的SBD组成整流桥,由于梯形侧壁场板增加了SBD的反向击穿电压,因此其每个支路上仅需要一个SBD,从而增加了整个芯片的的有效利用面积,提高了芯片工作的可靠性,降低了芯片的成本。
发明内容
本发明的目的是针对当前阵列中存在的不足,提出一种具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列。该阵列将当前主流的AC Micro-LED阵列中的整流桥的SBD器件替换成一种具有梯形侧壁场板SBD器件,然后通过Micro-LED器件和梯形侧壁场板SBD器件的新型阵列排布,减少了拐角处的电场,增强多维耗尽,削弱肖特基结界面电场,从而承担更高的反偏击穿电压。本发明大大提高了芯片利用效率,提高阵列可靠性,减少芯片成本。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:
一种具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列,该器件包括衬底、芯片单元电极,以及阵列排布的多个Micro-LED器件和多个具有梯形侧壁场板的SBD;
所述的Micro-LED器件,最底层为本征GaN缓冲层,本征GaN缓冲层上覆盖有n-GaN层;所述的n-GaN层分为两层,下层n-GaN层全部覆盖本征GaN缓冲层,上层n-GaN层的面积为下层的60~90%,下层其余的暴露部分是位于一角的矩形;上层n-GaN层的厚度为整体n-GaN层的20~80%;n-GaN层上层的上部,从下到上依次为InGaN/GaN多量子阱层、p型电子阻挡层、p-GaN层和电流扩展层,电流扩展层上表面的外侧覆盖有p-型欧姆电极,p-型欧姆电极的面积为电流扩展层面积的5~10%;n-GaN层下层的暴露部分的上表面设置有矩形的n-型欧姆电极,n-型欧姆电极的面积为n-GaN层下层面积的5~10%;
所述的具有梯形侧壁场板的SBD,最下面为本征GaN缓冲层,本征GaN缓冲层具体分为两层,下层厚度为全部本征GaN缓冲层厚度的40~60%,而上层分为两部分,一部分为矩形,另外一部分从外侧边缘向内条状凸起,凸起的横截面为梯形;矩形部分的本征GaN缓冲层的上方覆盖n-GaN层,n-GaN层上内侧设置有欧姆接触电极,欧姆接触电极的面积为n-GaN层面积的5~10%;梯形凸起的本征GaN缓冲层的外侧的两个梯形斜面上生长侧壁绝缘层,侧壁绝缘层层上,以及梯形凸起的上表面上覆盖有肖特基接触电极;
所述的芯片单元电极为两条,一条位于衬底表面的顶端,另一条位于衬底表面的底端,具有梯形侧壁场板的SBD的数量为四个,位于阵列的四角,其余均为Micro-LED器件;
所述的阵列中的器件的连接关系为:
从第一行的一个具有梯形侧壁场板的SBD开始,最后一行的一个具有梯形侧壁场板的SBD结束,进行:具有梯形侧壁场板的SBD器件-Micro-LED器件-...Micro-LED器件-Micro-LED器件-具有梯形侧壁场板的SBD的蛇形排列;蛇形排列中的两个具有梯形侧壁场板的SBD器件中,首部的具有梯形侧壁场板的SBD器件的欧姆接触电极与一个芯片电极相连,肖特基接触电极与相近的Micro-LED器件的n-型欧姆电极相连,尾部的具有梯形侧壁场板的SBD器件的肖特基接触电极与另一个芯片电极相连,欧姆接触电极与相邻Micro-LED器件的p-型欧姆电极相连;相邻的Micro-LED器件之间的电极连接为Micro-LED器件p-型欧姆电极与另一个Micro-LED器件的n-型欧姆电极;总计4个具有梯形侧壁场板的SBD器件中,蛇形排列中首、尾两个具有梯形侧壁场板的SBD之外的另外两个具有梯形侧壁场板的SBD器件不参与蛇形排列的连接,其中,和首部具有梯形侧壁场板的SBD同一行的具有梯形侧壁场板的SBD的肖特基接触电极与相近的芯片电极相连,欧姆接触电极与尾部的具有梯形侧壁场板的SBD的欧姆接触电极相连;和尾部具有梯形侧壁场板的SBD同一行的具有梯形侧壁场板的SBD的欧姆接触电极与相近的芯片电极相连,肖特基接触电极与首部具有梯形侧壁场板的SBD器件的肖特基接触电极相连;
所述的阵列排布中,器件数量为n*m,n=5~8,m=5~8;器件之间的间隔为40~80μm;
所述衬底为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃;衬底沿着外延生长方向的不同可以分成极性面[0001]衬底、半极性面[11-22]衬底或非极性面[1-100]衬底。
所述电流扩展层的材料可以是ITO、Ni/Au、氧化锌、石墨烯、铝或金属纳米线,厚度为10~100nm。
所述Micro-LED器件p-型欧姆电极的材质为Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ni/Al,n-型欧姆电极的材质为Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au。
所述梯形侧壁场板SBD器件的梯形台面两侧的绝缘层为SiO2、HfO2或Ta2O5,厚度为20~100nm。
所述梯形侧壁场板SBD器件的欧姆接触电极为Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au;肖特基接触金属电极的材料为Ni/Au,电极全覆盖梯形台面。
所述的具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列的制备方法,包括以下步骤:
第一步,首先在MOCVD反应炉中,将衬底在1250~1350℃下进行烘烤,将衬底表面的异物进行清除,然后分别生长本征GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型电子阻挡层、p-GaN层;
第二步,在第一步生长的基片上蒸镀电流扩展层,材料为ITO;
第三步,在第二步得到的基片上通过光刻和深刻蚀,按照器件的阵列分布,暴露至衬底,实现器件相互隔离;
第四步,在第三步得到的基片上通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶,将Micro-LED器件一侧曝露出n-GaN层;对于SBD器件使用相同的工艺将整个器件暴露至n-GaN层;
第五步,在第四步得到的SBD器件一侧通过光刻和干法刻蚀工艺,将SBD器件一侧暴露至本征缓冲层;并制作梯形台面;
第六步,在第五步制作的梯形台面的两侧,通过光刻和ALD生长工艺,生长一层绝缘层;
第七步,分别蒸镀并且光刻制作出Micro-LED器件的p-型欧姆电极和n-型欧姆电极,以及梯形侧壁场板SBD器件的欧姆接触电极和梯形肖特基接触电极;
第八步,通过光刻和ALD生长绝缘层,实现器件钝化隔离与相互绝缘;
第九步,在第九步的基片上通过光刻和蒸镀金属线实现各器件之间的线路连接,并最终与整个芯片单元电极相连。
由此制得本发明的具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列。
本发明的实质性特点为:
本发明的器件是将当前主流AC Micro-LED阵列中整流桥中的传统SBD器件换成一种具有梯形侧壁场板SBD器件,通过对普通的SBD器件一侧实现梯形台面侧壁场板结构,其中,肖特基接触一侧做成梯形台面,并在两侧添加场板结构,场板结构由一层绝缘体和金属电极组成,一方面减少肖特基接触一侧拐角处的电场,另一方面增强多维耗尽,削弱肖特基结界面电场,来增加器件所能承受的反向击穿电压,使得Micro尺寸下单一SBD器件的反向击穿电压达到120-140V,使得整流桥上每条支路上只需一个SBD就实现整个整流桥反偏工作下可以承受220V电压.
本发明的有益效果是:
(1)本发明中的具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,通过采用梯形侧壁场板的SBD器件,肖特基接触一侧采用梯形场板结构,一方面减少了拐角处的电场,另一方面增强多维耗尽,削弱肖特基结界面电场,来实现承担更高的反偏电压这一目的,若实现反偏下220V的AC工作,整个整流桥一共需要4个梯形侧壁场板SBD器件,相较于传统器件正常工作下,相同面积的芯片基板上可以多出8个Micro-LED发光,以6×7芯片阵列为例,芯片发光面积由71%增加至90%,整个芯片的输出功率提高26.6%。
(2)此外,采用普通SBD结构实现AC工作整流桥需要12个SBD器件(图11),而本发明的器件设计结构中整流桥中SBD器件个数为4个(图12),随着整流桥所需的器件数量大大减小,AC-DC的转化效率显著提高。
(3)本发明中具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,制作工艺简单,易于操作,可重复性强,生产成本低。
附图说明
下面结合附图对本发明作近一步的说明。
图1为本发明中初始的基片结构示意图。
图2为本发明中通过光刻和深刻蚀将单个器件隔离的示意图。
图3为本发明中通过光刻和刻蚀暴露n-GaN台面示意图。
图4为本发明中通过光刻和刻蚀暴露SBD一侧至本征GaN缓冲层。
图5为本发明中通过光刻和刻蚀暴露SBD本征GaN缓冲层一侧的梯形台面。
图6为本发明中梯形台面两侧通过光刻和ALD生长绝缘层。
图7为本发明中采用的Micro-LED器件结构以及设计的梯形侧壁场板SBD器件结构示意图。
图8为普通SBD设计方法中,AC工作下的电路图。
图9为本发明的方法中,AC工作下的电路图。
图10为本发明的方法中,通过工艺实现完整的Micro-LED器件和侧壁场板SBD器件结构图,以及各器件之间的绝缘隔离以及电极之间的金属布线,其中,图10(a)图为Micro-LED器件之间的电极连线,图10(b)图为Micro-LED器件和侧壁场板SBD器件之间的电极连线。
图11为普通SBD设计方法中AC Micro-LED阵列示意图
图12为本发明方法实现的AC Micro-LED阵列示意图。
图13为普通SBD(左)和本发明中具有梯形侧壁场板结构的SBD(右)的三维结构示意图。
图14为6×7阵列本发明方法和传统方法的性能对比图,包括发光面积(芯片利用效率)对比,以及芯片发光效率对比。
其中,1-衬底;2-本征GaN缓冲层;3-n-GaN层;4-InGaN/GaN多量子阱层;5-P型电子阻挡层;6-p-GaN层;7-电流扩展层;8-Micro-LED p型欧姆电极;9-Micro-LED n型欧姆电极;10-梯形台面侧壁绝缘层;11-SBD欧姆接触电极;12-SBD肖特基接触电极;13-绝缘隔离层;14-金属布线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明,但不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
图7为该阵列中Micro-LED器件和侧壁场板SBD器件结构示意图,Micro-LED器件沿着外延生长方向依次包括:衬底1、本征GaN缓冲层2、n-GaN层3、InGaN/GaN多量子阱层4、P型电子阻挡层5、p-GaN层6、电流扩展层7、P-型欧姆电极8和N-型欧姆电极9;侧壁场板SBD器件沿着外延方向依次为衬底1、本征GaN缓冲层2、n-GaN层3、梯形台面侧壁绝缘层10、欧姆接触电极11、肖特基接触电极12。
图2所示表明,在图1的初始基片上通过光刻和深刻蚀工艺,刻蚀至衬底1位置,将单个器件隔离。
图3所示表明,在图2的器件隔离之后通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶,将Micro-LED器件一角曝露出n-GaN层3,对于SBD器件使用相同的工艺将整个器件暴露至n-GaN层3。
图4所示表明,在图3实现的SBD器件一侧,通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶并暴露至本征GaN缓冲层2。
图5所示表明,在图4中的SBD器件一侧通过光刻和干法刻蚀工艺先暴露至本征GaN层再制作梯形台面。
图6所示表明,在图5中的SBD器件一侧的梯形台面的两侧通过光刻和ALD生长绝缘层10。
在图6制作完成的基片上通过电子束蒸镀Micro-LED器件的电极8,9和侧壁场板SBD器件的电极11,12,单个器件均制作完成,如图7所示。
图10所示表明,在单个器件之间通过光刻和ALD生长绝缘隔离层13,实现器件钝化隔离与相互绝缘,在通过光刻和电子束蒸镀金属线14实现各器件之间的线路连接。
各器件之间连线以及排布图如图10,12所示。
本发明的实现基于Micro-LED阵列的基本设计思路,再结合AC电路设计方法,以及通过添加梯形侧壁场板实现SBD结构优化,提高了器件发光效率以及芯片利用效率。
其理论机理为:提出一种梯形侧壁场板的SBD器件,肖特基接触一侧采用梯形场板结构,一方面减少拐角处的电场,另一方面,增强多维耗尽,进而提高器件更高的的反偏击穿电压,在此基础上减少了用于实现AC工作下整流桥所需的器件数量,进一步提高了芯片的利用效率。
若采用传统的阵列,整流桥中各支路采用传统的Micro-LED而不是采用SBD,每个Micro-LED承受的最大反偏电压大概为20V左右,想实现反偏下220V的工作,每条支路需要6个Micro-LED,整个整流桥一共需要24个Micro-LED。AC工作下,任何时候整流桥中都会有两条支路处于反偏状态,即12个Micro-LED灯是保持暗的。而采用普通GaN基SBD器件设计整流桥如图11所示,SBD相较于传统的Micro-LED可以承担更高的击穿电压,单个器件可以承担的电压为60V左右,想实现反偏下220V的工作,每条支路需要3个GaN基SBD器件,整个整流桥一共需要12个GaN基SBD器件。而采用梯形侧壁场板SBD器件设计整流桥如图12所示,本设计通过添加梯形侧壁场板结构,每个SBD器件所能承担的反偏电压可以提高至130V左右,如果实现反偏下220V的工作,每条支路只需1个梯形侧壁场板SBD器件,整个整流桥一共需要4个梯形侧壁场板SBD器件,这大大节省了芯片空间,相同面积的芯片基板上,通过采用梯形侧壁场板SBD实现整流桥,可以腾出更多的空间安置Micro-LED灯。
所述的具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,如图12所示,包括衬底1、芯片单元电极,以及阵列的多个Micro-LED器件和多个具有梯形侧壁场板的SBD;
所述的Micro-LED器件如图7左侧部分,最底层为本征GaN缓冲层2,本征GaN缓冲层2上覆盖有n-GaN层3;所述的n-GaN层3分为两层,下层n-GaN层3全部覆盖本征GaN缓冲层2,上层n-GaN层3的面积为下层的60~90%,下层其余的暴露部分是位于一角的矩形;上层n-GaN层3的厚度为整体n-GaN层3的30~60%;n-GaN层3上层的上部,从下到上依次为InGaN/GaN多量子阱层4、p型电子阻挡层5、p-GaN层6和电流扩展层7,电流扩展层7上表面的外侧覆盖有p-型欧姆电极8,p-型欧姆电极8的面积为电流扩展层7面积的5~10%;n-GaN层3下层的暴露部分的上表面设置有矩形的n-型欧姆电极9,n-型欧姆电极9的面积为n-GaN层3下层面积的5~10%;(电极分布的俯视图见图12右侧最下部的Micro-LED图)
所述的具有梯形侧壁场板的SBD如图7右侧部分,最下面为本征GaN缓冲层2,本征GaN缓冲层2具体分为两层,下层厚度为全部本征GaN缓冲层2厚度的40~60%,而上层分为两部分,一部分(左侧)为矩形,另外一部分(右侧)从外侧边缘向内条状凸起,凸起的横截面为梯形;矩形部分的本征GaN缓冲层的上方覆盖n-GaN层3,n-GaN层3上内侧设置有欧姆接触电极11,欧姆接触电极11的面积为n-GaN层3面积的5~10%;梯形凸起的本征GaN缓冲层2的外侧的两个梯形斜面上生长侧壁绝缘层10,侧壁绝缘层层10上,以及梯形凸起的上表面上覆盖有肖特基接触电极12;(电极分布的俯视图见图12右侧中部的新型SBD图)
所述的芯片单元电极为两条,一条位于衬底1表面的上端,另一条位于衬底1表面的下端,中间均匀排布有以及呈阵列均匀排布的多个Micro-LED器件和多个具有梯形侧壁场板的SBD;其中,具有梯形侧壁场板的SBD的数量为四个,位于阵列的四角,其余均为Micro-LED器件;
阵列中的器件连接关系如图12,具体为:
从第一行的一个具有梯形侧壁场板SBD开始,最后一行的一个具有梯形侧壁场板的SBD结束,进行:具有梯形侧壁场板的SBD器件-Micro-LED器件-...-Micro-LED器件-Micro-LED器件-具有梯形侧壁场板的SBD的蛇形排列;蛇形排列中的两个具有梯形侧壁场板的SBD器件中,首部的具有梯形侧壁场板的SBD器件的欧姆接触电极11与一个芯片电极相连,肖特基接触电极12与相近的Micro-LED器件的n-型欧姆电极9相连,尾部的具有梯形侧壁场板的SBD器件的肖特基接触电极12与另一个芯片电极相连,欧姆接触电极11与相邻Micro-LED器件的p-型欧姆电极8相连;相邻的Micro-LED器件之间的电极连接为Micro-LED器件p-型欧姆电极8与另一个Micro-LED器件的n-型欧姆电极9;总计4个具有梯形侧壁场板的SBD器件中,蛇形排列中首、尾两个具有梯形侧壁场板的SBD之外的另外两个具有梯形侧壁场板的SBD器件不参与蛇形排列的连接,其中,和首部具有梯形侧壁场板的SBD同一行的具有梯形侧壁场板的SBD的肖特基接触电极12与相近的芯片电极相连,欧姆接触电极11与尾部的具有梯形侧壁场板的SBD的欧姆接触电极11相连;和尾部具有梯形侧壁场板的SBD同一行的具有梯形侧壁场板的SBD的欧姆接触电极11与相近的芯片电极相连,肖特基接触电极12与首部具有梯形侧壁场板的SBD器件的肖特基接触电极12相连;
所述的阵列排布中,器件数量为n*m,n=5~8,m=5~8;器件之间的间隔为40~80μm;
所述的Micro-LED器件的本征GaN缓冲层2厚度与具有梯形侧壁场板的SBD的本征GaN缓冲层2的厚度相等;
所述的Micro-LED器件的n-GaN层3下层台面部分的厚度与具有梯形侧壁场板的SBD的n-GaN层3的厚度相等;
所述衬底1为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃。衬底沿着外延生长方向的不同可以分成极性面[0001]衬底、半极性面[11-22]衬底或非极性面[1-100]衬底。
所述的p型电子阻挡层5的材质为AlGaN;
所述电流扩展层7的材料可以是ITO、Ni/Au、氧化锌、石墨烯、铝或金属纳米线,厚度为10~100nm。
所述Micro-LED器件p-型欧姆电极8的材质为Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ni/Al,n电极的材质为Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au。
所述梯形侧壁场板SBD器件的梯形台面两侧的绝缘层10为SiO2、HfO2或Ta2O5,厚度为20~100nm。
所述的具有梯形侧壁场板SBD器件的欧姆接触电极11为Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au,其投影面积为暴露的n-GaN面积的5%~100%,肖特基接触金属电极12的材料为Ni/Au,电极全覆盖梯形台面。
一种具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,相邻器件中间暴露至衬底,间隔宽度为40~80μm。
一种具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,各器件中间通过绝缘体钝化并相互隔开,绝缘体材料为SiO2、Ta2O5或HfO2,厚度为100nm~200nm。
一种具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,相关电极连接时,通过金属布线相连,金属布线材质为Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ti/Au。
一种具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,阵列中Micro-LED器件之间的布线连接为,前一个器件的n型欧姆接触电极与后一个器件的p型欧姆接触电极相连如图10(a)所示。Micro-LED器件和SBD器件之间的连接方式有两种,可以是Micro-LED器件的n型欧姆接触电极与SBD器件的肖特基接触电极相连,也可以是Micro-LED器件的p型欧姆电极与SBD器件的欧姆接触电极,具体如图10(b)所示。
本发明的侧壁绝缘层与电极以及本征GaN层组成了一个一种结构:场板结构。这种场板结构的作用:一方面减少肖特基接触一侧拐角处的电场,另一方面增强多维耗尽,削弱肖特基结界面电场,来增加器件所能承受的反向击穿电压,使得Micro尺寸下单一SBD器件的反向击穿电压达到120-140V,使得整流桥上每条支路上只需一个SBD就实现整个整流桥反偏工作下可以承受220V电压。通过加拿大Crosslight公司的Apsys软件建模计算验证,实际测试后结果相同。
图9为该结构的电路图:由AC电源和四个SBD器件组成的整流桥,以及串联的Micro-LED灯组成,整流桥的四个端口其中两个与AC电源连接,另外两个与串联的Micro-LED灯列两端相连。
实施例1
具有侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,该阵列分为两部分如图7所示,一部分为Micro-LED器件,另一部分为具有梯形侧壁场板的SBD。各器件按照图12设计的电路图相连,按照6*7的阵列均匀排布,最终与整个芯片单元电极相连,实现完整阵列。
Micro-LED器件沿着外延生长方向依次包括:衬底1、本征GaN缓冲层2,厚度为1.5μm;n-GaN层3,其中n-GaN层3分为两部分,下层厚度为2μm;上层的投影面积为下层面积的80%,厚度为0.5μm;InGaN/GaN多量子阱层4,厚度为50nm;p型电子阻挡层5,厚度为20nm;p-GaN层6,厚度为500nm;电流扩展层7,厚度为20nm;p-型欧姆电极8和n-型欧姆电极,其中p-型欧姆电极8位于电流扩展层110的外侧,宽度为0.5μm,厚度为200nm;正方形的n-型欧姆电极9位于n-GaN下层暴露部分的外侧,投影面积占n-GaN层3下层面积的百分比为5%,边长为0.5μm,厚度为200nm。
侧壁场板SBD器件沿着外延方向依次为衬底1、本征GaN缓冲层2(总厚度1.5μm,其中下层厚度为1μm,宽度为20μm)、其中暴露出的本征GaN缓冲层2一侧为梯形台面(梯台底边长度8μm,上边长度5μm);n-GaN层3(宽度10μm,厚度为2μm)、梯形台面两侧薄SiO2层10,厚度为20nm;欧姆接触电极11,宽度为0.5μm,厚度为200nm;肖特基接触电极12全覆盖暴露出的本征GaN缓冲层2一侧的梯形台面,厚度为200nm。不同器件之间有100nmSiO2层13绝缘隔离,再通过金属布线14(材料为Ti/Au)相互连接。
所述的上述具有侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列,其制备方法如下:
第一步,在MOCVD反应炉中,将衬底101在1300℃高温环境下进行烘烤,将衬底1表面的异物进行清除,然后分别生长本征GaN缓冲层2;n-GaN层3;5对In0.07Ga0.93N/GaN多量子阱层4;P-型Al0.09Ga0.91N电子阻挡层5;p-GaN层6;
第二步,在第一步得到的p-GaN层6上,通蒸镀电流扩展层7,其材料是ITO,厚度为20nm。
第三步,在第二步得到的基片上通过光刻和深刻蚀工艺,按照阵列分布,以及器件之间的间距(间距是40~80μm),选择性刻蚀至衬底1位置,将单个器件隔离;
第四步,在第三步得到的基片上通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶,将Micro-LED器件一侧曝露出n-GaN层3,对于SBD器件使用相同的工艺将整个器件暴露至n-GaN层3;
第五步,在第四步得到的SBD器件一侧通过光刻和干法刻蚀工艺,将SBD器件一侧暴露至本征GaN层2;
第六步,在第五步得到的SBD器件暴露至本征GaN层一侧,通过光刻和刻蚀工艺,制作梯形台面;
第七步,在第六步得到的SBD器件的梯形台面通过光刻和ALD生长SiO2绝缘层10。
第八步,在第七步得到的基片上蒸镀Micro-LED器件和侧壁场板SBD器件的电极。
第九步,在第八步的基片上通过光刻和ALD生长绝缘层SiO213,实现器件钝化隔离与相互绝缘。
第十步,在第九步的基片上通过光刻和蒸镀金属线14实现各器件之间的线路连接,并最终与整个芯片单元电极相连。
由此制得本发明的具有侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列。
整流桥的AC-DC的转化效率可以通过公式计算:
Figure BDA0002403601010000091
由公式可得转化效率跟整流桥中的器件数量成反比即整流桥中的器件数量越少,转化效率越高,本发明中流桥中的器件数量为四个,常规Micro-LED阵列整流桥中中器件数量为12个。
结合图11,图12当前技术和本发明中的器件部分,我们可以很容易的发现,本发明不必像图11中当前技术中需要的2行SBD器件,而只是需要四角的4个梯形侧壁场板的SBD,节省出的空间就可以用来设置LED灯了,6×7芯片阵列为例,可以多设置8个LED灯,芯片发光面积由71%增加至90%,整个芯片的输出功率提高26.8%。在芯片电极两端加AC电流,整个阵列点亮,经过测试,结果如图14所示,发光面积和输出功率测试结果与此相符。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干侧壁场板和等同替换,这些对本发明权利要求进行侧壁场板和等同替换后的技术方案后的技术方案,均落于本发明的保护范围。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (6)

1.一种具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列,其特征为该阵列包括衬底、芯片单元电极,以及阵列排布的多个Micro-LED器件和多个具有梯形侧壁场板的SBD;
所述的Micro-LED器件,最底层为本征GaN缓冲层,本征GaN缓冲层上覆盖有n-GaN层;所述的n-GaN层分为两层,下层n-GaN层全部覆盖本征GaN缓冲层,下层n-GaN层其余的暴露部分是位于一角的矩形;上层n-GaN层的上部,从下到上依次为InGaN/GaN多量子阱层、p型电子阻挡层、p-GaN层和电流扩展层,电流扩展层上表面的外侧覆盖有p-型欧姆电极;下层n-GaN层的暴露部分的上表面设置有矩形的n-型欧姆电极;
所述的具有梯形侧壁场板的SBD,最下面为本征GaN缓冲层,本征GaN缓冲层具体分为两层,而上层本征GaN缓冲层分为两部分,一部分为矩形,另外一部分从外侧边缘向内条状凸起,凸起的横截面为梯形;矩形部分的本征GaN缓冲层的上方覆盖n-GaN层,n-GaN层上内侧设置有欧姆接触电极;梯形凸起的本征GaN缓冲层的外侧的两个梯形斜面上生长侧壁绝缘层,侧壁绝缘层上,以及梯形凸起的上表面上覆盖有肖特基接触电极;
所述的芯片单元电极为两条,一条位于衬底表面的顶端,另一条位于衬底表面的底端,具有梯形侧壁场板的SBD的数量为四个,位于阵列的四角,其余均为Micro-LED器件;
所述的阵列中的器件的连接关系为:
从第一行的一个具有梯形侧壁场板的SBD开始,最后一行的一个具有梯形侧壁场板的SBD结束,进行:具有梯形侧壁场板的SBD器件-Micro-LED器件-...Micro-LED器件-Micro-LED器件-具有梯形侧壁场板的SBD的蛇形排列;蛇形排列中的两个具有梯形侧壁场板的SBD器件中,首部的具有梯形侧壁场板的SBD器件的欧姆接触电极与一个芯片电极相连,肖特基接触电极与相近的Micro-LED器件的n-型欧姆电极相连,尾部的具有梯形侧壁场板的SBD器件的肖特基接触电极与另一个芯片电极相连,欧姆接触电极与相邻Micro-LED器件的p-型欧姆电极相连;相邻的Micro-LED器件之间的电极连接为Micro-LED器件p-型欧姆电极与另一个Micro-LED器件的n-型欧姆电极;总计4个具有梯形侧壁场板的SBD器件中,蛇形排列中首、尾两个具有梯形侧壁场板的SBD之外的另外两个具有梯形侧壁场板的SBD器件不参与蛇形排列的连接,其中,和首部具有梯形侧壁场板的SBD同一行的具有梯形侧壁场板的SBD的肖特基接触电极与相近的芯片电极相连,欧姆接触电极与尾部的具有梯形侧壁场板的SBD的欧姆接触电极相连;和尾部具有梯形侧壁场板的SBD同一行的具有梯形侧壁场板的SBD的欧姆接触电极与相近的芯片电极相连,肖特基接触电极与首部具有梯形侧壁场板的SBD器件的肖特基接触电极相连。
2.如权利要求1所述的具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列,其特征为所述的Micro-LED器件中,上层n-GaN层的面积为下层n-GaN层的60~90%;上层n-GaN层的厚度为整体n-GaN层的20~80%;p-型欧姆电极的面积为电流扩展层面积的5~10%;n-型欧姆电极的面积为n-GaN层下层面积的5~10%。
3.如权利要求1所述的具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列,其特征为所述的具有梯形侧壁场板的SBD,最下面为本征GaN缓冲层,下层厚度为全部本征GaN缓冲层厚度的40~60%,欧姆接触电极的面积为n-GaN层面积的5~10%。
4.如权利要求1所述的具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列,其特征为所述的阵列排布中,器件数量为n*m,n=5~8,m=5~8;器件之间的间隔为40~80μm。
5.如权利要求1所述的具有梯形侧壁场板肖特基二极管的AC Micro-LED阵列,其特征为所述衬底为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃;衬底沿着外延生长方向的不同分成极性面[0001]衬底、半极性面[11-22]衬底或非极性面[1-100]衬底;
所述电流扩展层的材料是ITO、Ni/Au、氧化锌、石墨烯、铝或金属纳米线,厚度为10~100nm;
所述Micro-LED器件p-型欧姆电极的材质为Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ni/Al,n-型欧姆电极的材质为Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au;
所述梯形侧壁场板SBD器件的梯形台面两侧的侧壁绝缘层为SiO2、HfO2或Ta2O5,厚度为20~100nm;
所述梯形侧壁场板SBD器件的欧姆接触电极为Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au;肖特基接触电极的材料为Ni/Au。
6.如权利要求1所述的具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列的制备方法,其特征为包括以下步骤:
第一步,首先在MOCVD反应炉中,将衬底在1250~1350℃下进行烘烤,将衬底表面的异物进行清除,然后分别生长本征GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型电子阻挡层、p-GaN层;
第二步,在第一步生长的基片上蒸镀电流扩展层,材料为ITO;
第三步,在第二步得到的基片上通过光刻和深刻蚀,按照器件的阵列分布,暴露至衬底,实现器件相互隔离;
第四步,在第三步得到的基片上通过光刻和干法刻蚀工艺制作台阶,将Micro-LED器件一侧曝露出n-GaN层;对于SBD器件,使用相同的工艺将整个器件暴露至n-GaN层;
第五步,在第四步得到的SBD器件一侧通过光刻和干法刻蚀工艺,将SBD器件一侧暴露至本征缓冲层;并制作梯形台面;
第六步,在第五步制作的梯形台面的两侧,通过光刻和ALD生长工艺,生长一层侧壁绝缘层;
第七步,分别蒸镀并且光刻制作出Micro-LED器件的p-型欧姆电极和n-型欧姆电极,以及梯形侧壁场板SBD器件的欧姆接触电极和肖特基接触电极;
第八步,通过光刻和ALD生长绝缘隔离层,实现器件钝化隔离与相互绝缘;
第九步,在第九步的基片上通过光刻和蒸镀金属线实现各器件之间的线路连接,并最终与整个芯片单元电极相连;
由此制得具有梯形侧壁场板SBD的AC Micro-LED阵列。
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Denomination of invention: AC Micro LED array with trapezoidal sidewall field plate Schottky diodes

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