CN112331747A - 一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法和结构 - Google Patents
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Abstract
一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法和结构,包括:1)在衬底外延生长缓冲层、非故意掺杂层以及n型层;2)在n型层上沉积第一介质层,在第一介质层上制作第一组微米或纳米孔阵列,在制成的第一组微米或纳米孔阵列内外延生长第一发光单元;3)制作第二介质层,并在该第二介质层上制作第二组微米或纳米孔阵列,在制成的第二组微米或纳米孔阵列内外延生长第二发光单元;4)制作第三介质层,并在该第三介质层上制作第三组微米或纳米孔阵列,在制成的第三组微米或纳米孔阵列内外延生长第三发光单元;5)使用化学溶液,将介质层腐蚀清除,露出发光单元。本发明避免了巨量转移的难题,可直接外延生长全色Micro/Nano LED阵列,具有巨大应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域,具体为半导体光电子器件与超高分辨率显示屏,特别是指一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法和结构。
背景技术
随着电子产品的更新换代,以及AR、VR、车载显示等新型技术的兴起,人们对于显示器件的性能提出了越来越高的要求,显示技术也朝着小尺寸、超高分辨率、超高对比度、低功耗、长使用寿命等方向快速发展。作为最新一代的显示技术,Micro-LED将传统的LED结构进行微小化以及阵列化,其单颗LED芯片的尺寸小于100微米,甚至仅有几个微米,集合了超高分辨率、高亮度、高色彩饱和度、长寿命、低功耗、响应速度快、抗环境干扰能力强等众多优点,在高分辨率显示、头盔显示、AR/VR、可见光通信、可穿戴电子等领域具有重大的应用价值。由于各项突出的性能,Micro-LED被认为是有机会超越液晶显示(LCD)和有机发光二极管显示(OLED)的终极显示技术。
尽管优点十分突出,但Micro-LED显示技术也面临着巨量转移与全色显示等核心的技术瓶颈。如何将大量不同发光波长(如红绿蓝,RGB)的Micro-LED单颗元器件从施体基板转移至接受基板,并同时确保转移的效率和良品率,对涉及的工艺过程和精度都提出了极高的要求,并且巨量转移的工艺成本很高,限制了Micro-LED显示技术的进一步发展与商业化应用。因此,如何突破巨量转移与全色显示的瓶颈难题,成为了学术界和产业界的热门课题。
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、难度大,不利于大规模的商业化应用。
申请号为202010081740.8的中国专利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,该专利通过湿法腐蚀技术在n型GaN基板上形成包含极性面和半极性面的六边形微纳米孔结构,再经过二次外延同时形成红、绿、蓝三色的Micro/NanoLED阵列,该阵列的所有单个重复单元内包含三颗同轴嵌套的六边形结构的RGB三色LED。该方法制成的RGB三色LED为同轴嵌套,这可能导致后续n、p型电极制作、独立定址以及单颗驱动难度较大,技术较复杂。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷,提出一种全色Micro/NanoLED阵列直接外延方法和结构,无需巨量转移的全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法,可避免巨量转移的技术瓶颈,直接外延生长超高分辨率的全色Micro/Nano LED显示阵列。
本发明采用如下技术方案:
一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)在衬底上由下至上依次外延生长缓冲层、非故意掺杂层以及n型层;
2)在n型层上沉积第一介质层,并在该第一介质层上制作第一组微米或纳米孔阵列,在制成的第一组微米或纳米孔阵列内外延生长第一发光单元;
3)在第一介质层和第一发光单元阵列表面制作第二介质层,并在该第二介质层上制作贯通第一介质层的第二组微米或纳米孔阵列,在制成的第二组微米或纳米孔阵列内外延生长第二发光单元;
4)在第二介质层和第二发光单元阵列表面制作第三介质层,并在该第三介质层上制作贯通第二介质层和第一介质层的第三组微米或纳米孔阵列,在制成的第三组微米或纳米孔阵列内外延生长第三发光单元;
5)使用化学溶液,将第三介质层、第二介质层和第一介质层腐蚀清除,露出第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元。
优选的,所述第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元均包含n型层、多量子阱有源发光层和p型层。
优选的,所述第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元的尺寸均为100nm~500μm。
优选的,所述第一发光单元阵列、第二发光单元和第三发光单元的发光波长分别为380~480nm、480~580nm及580~680nm。
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。
步骤1)至步骤4)中的外延生长包括有金属有机物气相外延、分子书外延、化学气相沉积或氢化物气相外延。
采用图形化技术,包括纳米压印、光学光刻、X射线光刻、激光干涉或电子束直写制作所述第一组微米或纳米孔阵列、所述第二组微米或纳米孔阵列和所述第三组微米或纳米孔阵列。
优选的,还包括有步骤6)制作n型电极阵列和p型电极阵列,并使n型电极阵列与n型层电性连接,p型电极阵列与发光单元的p型层电性连接从而实现独立定址和驱动。
一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延结构,其特征在于:包括由下至上的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层以及LED发光单元阵列,该LED发光单元阵列为采用上述的全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法制作任意种颜色的发光单元;还包括n型电极阵列和p型电极阵列,该n型电极阵列与n型层电性连接,该p型电极阵列与发光单元的p型层电性连接从而实现独立定址和驱动。
由上述对本发明的描述可知,与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明的方法和结构,克服了传统的Micro-LED巨量转移的工艺瓶颈,通过在同一个衬底之上分步选区外延形成RGB三色或多色Micro/Nano LED发光单元阵列结构,可制作成晶圆级的全色Micro/Nano LED发光阵列,具有超高的LED密度、超高的分辨率,且LED芯片尺寸可扩展至纳米量级。通过进一步制作n、p型电极阵列,可做到每个LED的独立定址和驱动,并制作成超高分辨率的Micro/Nano LED新型显示屏。
本发明的方法和结构,具有完全不同的思路与技术路线,采用多次分步选区外延,且制成的RGB三色LED单元独立分布,方便于n、p型电极制作、独立定址以及单颗驱动,将极大地减小后续显示屏的制作难度与制作成本。
附图说明
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
图1为本发明实施例的从衬底外延至n型GaN层的结构示意图;
图2为本发明实施例的在所述n型GaN层上沉积第一介质层的结构示意图;
图3为本发明实施例的在第一介质层制作第一组微米或纳米孔阵列的侧视图;
图4为图3的俯视图;
图5为本发明实施例的制作第一发光单元的侧视图;
图6为图5的俯视图;
图7为本发明实施例的沉积第二介质层示意图;
图8为本发明实施例的在第二介质层上制作第二组微米或纳米孔阵列的侧视图;
图9为图8的俯视图;
图10为本发明实施例的制作第二发光单元的侧视图;
图11为图10的俯视图;
图12为本发明实施例的沉积第三介质层的结构示意图;
图13为本发明实施例在第三介质层制作第三组微米或纳米孔阵列的侧视图;
图14为图13的俯视图;
图15为本发明实施例的制作第三发光单元的侧视图;
图16为图15的俯视图;
图17为本发明实施例的使用化学溶液(如HF酸)将介质层腐蚀清除,露出发光单元阵列结构的侧视图;
图18为图17的俯视图;
图19为制作n型电极阵列和p型电极阵列的侧视图。
在图1~18中,各标记分别为:101,衬底;102,缓冲层;103,非故意掺杂层;104,n型层;105,第一介质层;106,第一组微米或纳米孔阵列;107,第一n型层;108,第一多量子阱有源层;109,第一p型层;110,第二介质层;111,第二组微米或纳米孔阵列;112,第二n型层;113,第二多量子阱有源层;114,第二p型层;115,第三介质层;116,第三组微米或纳米孔阵列;117,第三n型层;118,第三多量子阱有源层;119,第三p型层,120、第一n型电极,121、第一p型电极,122、第二n型电极,123、第二p型电极,124、第三n型电极,125、第三p型电极。
为方便起见,侧视图只显示两个重复单元,俯视图只显示四个重复单元,且只画出单个重复单元内的标记。本发明所述方法可制成晶圆级别的Micro/Nano LED阵列。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明提出一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延结构,包括由下至上的衬底101、缓冲层102、非故意掺杂层103、n型层104以及LED发光单元阵列,该LED发光单元阵列为采用分步选区外延方法制作任意种颜色的发光单元;还包括n型电极阵列和p型电极阵列,该n型电极阵列与n型层104电性连接,该p型电极阵列与发光单元的p型层电性连接从而实现独立定址和驱动。本发明的结构可实现每个LED的独立定址和驱动.
本发明还提出一种Micro/Nano全色LED阵列直接外延方法,用于制作本发明全色Micro/Nano LED阵列直接外延结构,其包括如下步骤:
1)在衬底101上由下至上依次外延生长缓冲层102、非故意掺杂层103以及n型层104。具体的,可使用MOVPE技术外延生长LED结构。如图1所示,首先在衬底101上生长低温的缓冲层102,然后生长非故意掺杂层103,再生长n型层104。其中,衬底101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,缓冲层102可以是GaN缓冲层,非故意掺杂层103为非故意掺杂GaN层,n型层104为Si掺杂的n型GaN层。
2)在n型层104上沉积第一介质层105,并在该第一介质层105上制作第一组微米或纳米孔阵列106,在制成的第一组微米或纳米孔阵列106内外延生长第一发光单元。
具体的,如图2所示,使用PECVD技术在n型层104上沉积第一介质层105,其为厚SiO2介质层。在第一介质层105上旋涂光刻胶,使用紫外光刻图形化技术,经过曝光与显影,在光刻胶上制作微米或纳米孔阵列结构,然后再以图形化的光刻胶为掩模,采用感应耦合等离子体刻蚀技术,使用CHF3气体刻蚀第一介质层105,将微米或纳米孔阵列图形转移至第一介质层105,形成第一组微米或纳米孔阵列106,如图3和图4所示。
而后,将制备好的具有第一组微米或纳米孔阵列106的基板传入MOVPE反应室内,控制生长参数和条件,在第一组微米或纳米孔阵列106内二次外延生长第一发光单元,构成第一发光单元阵列,其可以是蓝光Micro/Nano LED发光单元(B)阵列,其中单个第一发光单元包含第一n型层107,第一多量子阱有源层108,第一p型层109,其发光波长在蓝光波段380~480nm,如图5和图6所示。该第一n型层107可为n型GaN层,第一多量子阱有源层108为InGaN/InGaN蓝光多量子阱有源层,第一p型层109为p型GaN层。
3)在第一介质层105和第一发光单元阵列表面制作第二介质层110,并在该第二介质层110上制作贯通第一介质层105的第二组微米或纳米孔阵列111,在制成的第二组微米或纳米孔阵列111内外延生长第二发光单元。
其中,使用PECVD技术进一步在生长好的晶圆表面(第一介质层105和第一发光单元阵列表面)沉积第二介质层110,该第二介质层110覆盖蓝光Micro/Nano LED发光单元(B)阵列,以防止后续工艺对LED单元的影响,以及后续外延在蓝光LED的表面上成核生长,如图7所示。
之后,在第二介质层110上旋涂光刻胶,使用紫外光刻图形化技术,经过曝光与显影,在光刻胶上制作微米或纳米孔阵列结构,然后再以图形化的光刻胶为掩模,采用感应耦合等离子体刻蚀技术,使用CHF3气体刻蚀第二介质层110和第一介质层105,将微米或纳米孔阵列图形转移至第二介质层110和第一介质105,形成第二组微米或纳米孔阵列111,如图8和图9所示。
将制备好基板再次传入MOVPE反应室内,控制生长参数和条件,在第二组微米或纳米孔阵列111内再次外延生长第二发光单元,构成第二发光单元阵列,其可以是绿光Micro/Nano LED发光单元(G)阵列,其中单个第二发光单元包含第二n型层112,第二多量子阱有源层113,第二p型层114,其发光波长在绿光波段480~580nm。其中,第二n型层112为n型GaN层,第二多量子阱有源层113为InGaN/InGaN绿光多量子阱有源层,第二p型层114为p型GaN层。
4)在第二介质层110和第二发光单元阵列表面制作第三介质层115,并在该第三介质层115上制作贯通第二介质层110和第三介质层115的第二组微米或纳米孔阵列111,在制成的第二组微米或纳米孔阵列111内外延生长第三发光单元。
使用PECVD技术进一步在生长好的晶圆表面沉积第三介质层115,该介质层覆盖蓝、绿光Micro/Nano LED发光单元阵列,防止后续工艺对LED单元的影响,以及后续外延在蓝、绿光LED的表面上成核生长,如图12所示。
在第三介质层115上旋涂光刻胶,使用紫外光刻图形化技术,经过曝光与显影,在光刻胶上制作微米或纳米孔阵列结构,然后再以图形化的光刻胶为掩模,采用感应耦合等离子体刻蚀技术,使用CHF3气体刻蚀第三介质层115,第二介质层110和第一介质层105,将微米或纳米孔阵列图形转移至第三介质层115,第二介质层110和第一介质层105,形成第三组微米或纳米孔阵列116,如图13和图14所示。
将制备好基板再次传入MOVPE反应室内,控制生长参数和条件,在第三组微米或纳米孔阵列116内再次外延生长第三发光单元,构成第三组发光单元阵列,其可为红光Micro/Nano LED发光单元(R)阵列,其中单个第三发光单元包含第三n型层117,第三多量子阱有源层118,第三p型层119,该第三n型层117可以是n型GaN层,第三多量子阱有源层118可以是InGaN/InGaN红光多量子阱有源层,第三p型层119可以是p型GaN层,如图15和图16所示,该第三发光单元的发光波长在红光波段580~680nm。
5)使用化学溶液,将第三介质层115、第二介质层110和第一介质层105腐蚀清除,露出第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元。
6)制作n型电极阵列和p型电极阵列,该n型电极阵列与n型层电性连接,该p型电极阵列与发光单元的p型层电性连接从而实现独立定址和驱动。其中n型电极阵列位于n型层104表面,其包括第一n型电极122、第二n型电极和第三n型电极。p型电极阵列包括第一p型电极121,第二p型电极123和第三p型电极125,分别位于第一p型层109、第二p型层114和第三p型层119上,参见图19。
具体的,可使用缓释的HF酸溶液浸泡晶圆5min,将SiO2介质层即第三介质层115、第二介质层110和第一介质层105腐蚀清除,露出第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元,也即RGB三色Micro/Nano LED发光单元阵列结构,该阵列的所有重复单元内包含RGB三颗Micro/Nano LED发光单元,通过进一步制作n、p型电极阵列,可做到每个LED的独立定址和驱动,如图17和18所示。
本发明中,第一介质层105、第二介质层110和第三介质层115可采用SiO2或SiNx层。第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元的构成的单颗LED芯片尺寸为100nm~500μm。
本发明方法中,外延生长技术除了金属有机物气相外延,还可采用分子书外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、氢化物气相外延(HVPE)等。图形化技术还可采用纳米压印、光学光刻、X射线光刻、激光干涉或电子束直写制作第一组微米或纳米孔阵列106、第二组微米或纳米孔阵列111和第三组微米或纳米孔阵列116。
本发明方法制作的结构,可做到每个LED的独立定址和驱动。此方法避免了巨量转移的难题,可直接外延生长全色Micro/Nano LED阵列,在超高密度、超高分辨率的Micro/Nano LED新型显示中具有巨大应用潜力。
上述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的设计构思并不局限于此,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)在衬底上由下至上依次外延生长缓冲层、非故意掺杂层以及n型层;
2)在n型层上沉积第一介质层,并在该第一介质层上制作第一组微米或纳米孔阵列,在制成的第一组微米或纳米孔阵列内外延生长第一发光单元;
3)在第一介质层和第一发光单元阵列表面制作第二介质层,并在该第二介质层上制作贯通第一介质层的第二组微米或纳米孔阵列,在制成的第二组微米或纳米孔阵列内外延生长第二发光单元;
4)在第二介质层和第二发光单元阵列表面制作第三介质层,并在该第三介质层上制作贯通第二介质层和第一介质层的第三组微米或纳米孔阵列,在制成的第三组微米或纳米孔阵列内外延生长第三发光单元;
5)使用化学溶液,将第三介质层、第二介质层和第一介质层腐蚀清除,露出第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元。
2.如权利要求1所述的一种全色LED阵列直接外延方法,其特征在于,所述第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元均包含n型层、多量子阱有源发光层和p型层。
3.如权利要求1所述的一种全色LED阵列直接外延方法,其特征在于,所述第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元的尺寸均为100nm~500μm。
4.如权利要求1所述的一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法,其特征在于,所述第一发光单元阵列、第二发光单元和第三发光单元的发光波长分别为380~480nm、480~580nm及580~680nm。
5.如权利要求1所述的一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法,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。
6.如权利要求1所述的一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法,其特征在于,步骤1)至步骤4)中的外延生长包括有金属有机物气相外延、分子书外延、化学气相沉积或氢化物气相外延。
7.如权利要求1所述的一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法,其特征在于,采用图形化技术,包括纳米压印、光学光刻、X射线光刻、激光干涉或电子束直写制作所述第一组微米或纳米孔阵列、所述第二组微米或纳米孔阵列和所述第三组微米或纳米孔阵列。
8.如权利要求1所述的一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法,其特征在于,还包括有步骤6)制作n型电极阵列和p型电极阵列,并使n型电极阵列与n型层电性连接,p型电极阵列与发光单元的p型层电性连接从而实现独立定址和驱动。
9.一种全色Micro/Nano LED阵列直接外延结构,其特征在于:包括由下至上的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层以及LED发光单元阵列,该LED发光单元阵列为采用权利要求1至8中任一项所述的全色Micro/Nano LED阵列直接外延方法制作任意种颜色的发光单元;还包括n型电极阵列和p型电极阵列,该n型电极阵列与n型层电性连接,该p型电极阵列与发光单元的p型层电性连接从而实现独立定址和驱动。
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