CN112823421A - Led阵列 - Google Patents

Led阵列 Download PDF

Info

Publication number
CN112823421A
CN112823421A CN201980066550.4A CN201980066550A CN112823421A CN 112823421 A CN112823421 A CN 112823421A CN 201980066550 A CN201980066550 A CN 201980066550A CN 112823421 A CN112823421 A CN 112823421A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
led
array
semiconductor layer
holes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980066550.4A
Other languages
English (en)
Inventor
王涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Snap Inc
Original Assignee
University of Sheffield
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Sheffield filed Critical University of Sheffield
Publication of CN112823421A publication Critical patent/CN112823421A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/15—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission
    • H01L27/153—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars
    • H01L27/156—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars two-dimensional arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/08—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a plurality of light emitting regions, e.g. laterally discontinuous light emitting layer or photoluminescent region integrated within the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/38—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
    • H01L33/387—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape with a plurality of electrode regions in direct contact with the semiconductor body and being electrically interconnected by another electrode layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0008—Processes
    • H01L2933/0016—Processes relating to electrodes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

一种制造发光二极管(LED)阵列的方法包括以下步骤：由III族氮化物材料形成半导体层(100)；在半导体层上方形成电介质掩模层(104)，电介质掩模层具有穿过该电介质掩模层的孔洞的阵列，每个孔洞暴露出半导体层的一区域；并且使在每个孔洞中生长LED结构体(108)。

Description

LED阵列
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)和制造LED阵列的方法。本发明在微米级的LED阵列中具有具体的应用。
背景技术
对于微米级III族氮化物发光二极管(LED)(也称为微小尺寸LED或微型LED(μLED))，开发需求显著增加。微型LED是新一代显示器和可见光通信(VLC)应用的关键部件。与有机发光二极管(OLED)和液晶显示器(LCD)相比，III族氮化物μLED针对显示应用呈现出许多独特的特征。与LCD不同的是，以μLED为主要部件的III族氮化物微型显示器是自发射的。使用μLED的单色显示器呈现出高分辨率、高效率，以及高对比度。OLED通常以比半导体LED低几个数量级的电流密度运行，以维持合理的使用寿命。因此，OLED的亮度相对较低，对于全彩色显示器而言通常为3000cd/m2，而III族氮化物μLED则显示出高于105cd/m2的高亮度。当然，与OLED相比，III族氮化物μLED本质上呈现出较长的操作使用寿命和化学鲁棒性(chemical robustness)。因此，预计在不久的将来，III族氮化物μLED将有可能取代LCD和OLED，在诸如智能电话的各种应用中用于高分辨率和高亮度显示。除了显示应用之外，与广域LED相比，μLED由于尺寸减小而呈现出显著减小的结电容，并且从而在VLC应用中可能导致GHz调制带宽的高速传输。
当前，借助于结合标准光刻技术和随后的干法蚀刻工艺，在标准的III族氮化物LED晶圆上专门制造III族氮化物μLED，这类似于通常的器件面积为300μm×300μm或甚至更大尺寸的常规广域LED的制造。(Z.Y.Fan、J.Y.Lin以及H.X.Jiang，J.Phys.D:Appl.Phys.41,094001(2008)；H.X.Jiang和J.Y.Lin，Optical Express 21,A476(2013))。广域LED和μLED之间的器件制造的唯一主要区别是器件尺寸。通常，μLED的直径范围从50μm到若干微米。
当前用于制造III族氮化物μLED的方法中存在许多基本问题。首先，在半导体行业中，诸如电感耦合等离子体(ICP)干法蚀刻技术的干法蚀刻工艺已被广泛用于限定大面积LED台面(mesa)和μLED台面。因此，由干法蚀刻工艺引起的表面和侧壁损坏会显著提高非辐射复合率(F.Olivier,A.Daami,C.Licitra和F.Templier,Appl.Phys.Lett.111,022104(2017)；S.S.Konoplev,K.A.Bulashevich以及S.Y.Karpov,Phys.Status Solidi A 215,1700508(2017)；W.Chen,G.Hu,J.Lin,J.Jiang,M.Liu,Y.Yang,G.Hu,Y.Lin,Z.Wu,Y.Liu以及B.Zhang,Appl.Phys.Express 8,032102(2015)；C.-M.Yang,D.-S.Kim,Y.S.Park,J.-H.Lee,Y.S.Lee以及J.-H.Lee,Opt.Photonics J.2,185(2012)；Y.Zhang,E.Guo,Z.Li,TWei,J.Li,X.Ye以及G.Wang,IEEE Photonics Technol.Lett.24,243(2012)；P.Zuo,B.Zhao,S.Yan,G.Yue,H.Yang,Y.Li,H.Wu,Y.Jiang,H.Jia,J.Zhou以及H.Chen,Opt.Quantum Electron.48,1(2016))。该问题在尺寸减小的LED中，特别是对于表面积与容体积比率较大的μLED而言，变得更加严重。到目前为止，所有的报告都表明，峰值外量子效率(EQE)随着μLED尺寸的减小而减小(D.Hwang,A.Mughal,C.D.Pynn,S.Nakamura以及S.P.DenBaars,Appl.Phys.Express 10,032101(2017)；P.Zuo,B.Zhao,S.Yan,G.Yue,H.Yang,Y.Li,H.Wu,Y.Jiang,H.Jia,J.Zhou以及H.Chen,Opt.Quantum Electron.48,1(2016)；F.Olivier,S.Tirano,L.Dupré,B.Aventurier,C.Largeron以及F.Templier,J.Lumin.191,112(2017)；P.Tian,J.J.D.McKendry,J.Herrnsdorf,S.Watson,R.Ferreira,I.M.Watson,E.Gu,A.E.Kelly以及M.D.Dawson,Appl.Phys.Lett.105,171107(2014))。
该减小的原因是由于干法蚀刻的表面复合以及台面侧壁损坏，从而造成了非辐射复合的侧壁缺陷。尽管使用电介质材料进行侧壁钝化可以在某种程度上降低LED中的等离子体损伤的影响，但是即使使用先进的原子层沉积(ALD)技术来代替标准的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术来进行表面钝化，这种改进也微不足道。
其次，当前的方法通常会导致浪费大面积的外延晶圆(epiwafer)，该方法包括利用标准光刻技术和随后的干法蚀刻工艺的结合。例如，为了制造直径为12μm，间距为15μm的μLED阵列(利用当前的光刻技术进一步减小间距是非常具有挑战性的)，需要蚀刻掉50％的外延晶圆材料，这意味着浪费掉50％的外延晶圆。
再次，包括微型显示器和VLC的未来的智能显示器需要以超高的响应速度运行。因此，对于LED驱动晶体管与各个LED部件之间的互连，需要具有超快速度的电通道。
当前的μLED阵列通过III族氮化物LED晶圆的n-GaN电连接，其中，μLED阵列的通常制造流程是使用干法蚀刻工艺将LED晶圆向下蚀刻至n-GaN，该n-GaN是唯一的连接所有μLED的电通道。
因此，为了解决这些问题，期望开发出不同的方法来使μLED阵列生长，并且然后进行制造。为了满足行业需求，任何新方法都必须建立在可扩展的基础上。
发明内容
本发明提供了一种制造发光二极管(LED)阵列的方法，该方法包括以下步骤：由III族氮化物材料形成半导体层；在半导体层上方形成电介质掩模层，电介质掩模层具有从该电介质掩模层中穿过的孔洞的阵列，每个孔洞暴露出半导体层的一区域；并且使LED结构体生长在孔洞中的每个中。
LED结构体可以生长在半导体层的暴露区域上。生长通常在向上的方向上，因为，从孔洞的电介质侧壁生长的情况不会发生。因此，LED结构体在孔洞内的向上生长会导致层状LED结构体，并且层中的每个通常是平坦的或平面的，并且厚度基本恒定。
半导体层例如可以在III族氮化物(诸如，GaN)、或者蓝宝石、硅(Si)、碳化硅(SiC)或玻璃基板)上形成。
使LED结构体生长在孔洞中的每个中的步骤可以包括：使n型层、至少一个有源层、以及p型层生长在孔洞中的每个中。至少一个有源层可以位于n型层与p型层之间。至少一个有源层可以包括至少一个量子阱层，并且可以包括多个量子阱层。这些例如可以由InGaN或另一种合适的III族氮化物材料形成。n型层和p型层也可以由III族氮化物材料(诸如，GaN、InGaN或AlGaN)形成。
至少一个有源层的上表面可以在电介质层的顶部下方。在只有一个量子阱层的情况下，该上表面是量子阱层的上表面。在有多个量子阱层的情况下，该上表面是最上面的量子阱层的上表面。向上的方向可以被定义为半导体层和/或LED结构体的生长方向。
形成电介质掩模层的步骤可以包括以下步骤：使电介质材料层生长；例如，使用光刻法在电介质掩模层上方形成掩模；并且使用掩模将孔洞的阵列蚀刻到电介质材料层中。可替代地，可以使电介质层在形成孔洞的区域周围生长，在电介质层的生长期间中，例如，使用光刻法形成的掩模来形成孔洞，随后进行生长和/或蚀刻。
方法还可以包括在使LED结构体生长在孔洞中的每个中之前，对半导体层的暴露区域中的每个进行蚀刻。
半导体层可以提供与所有LED结构体的共同接触。
半导体层可以是掺杂的。例如，半导体层可以包括n型或p型III族氮化物材料的单层。可替代地，半导体层可以包括第一子层和第二子层，它们之间具有异质界面，异质界面被布置以在该异质界面处形成二维电荷载气。子层可以形成缓冲层和势垒层。二维电荷载气例如可以是二维电子气(2DEG)。也可以使用二维空穴气(2DHG)，但通常这些空穴气的电荷载流子密度和/或迁移率较低。众所周知，包括例如GaN层和AlGaN层或InGaN层、或者更普遍的Al含量不同的两个AlGaN层或In含量不同的两个InGaN层的异质结构的两层之间的界面处可以形成2DEG，并且2DEG中的电子密度随包括AlGaN层中的Al含量或InGaN层中的In含量在内的许多因素而改变。可以使用具有相同效果的其他III族氮化物异质界面。
方法还可以包括在LED结构体上方形成一个或多个接触层区域。接触层区域或每个接触层区域可以在LED结构体中的至少一个上方延伸，以便与LED结构体中的至少一个电接触。接触层区域可以彼此电隔离。
孔洞以及LED结构体可以以规则的阵列布置。阵列可以是正方形阵列，或者可以是矩形阵列或六边形阵列。阵列的间距(即，每对最接近的孔洞或LED的中心之间的距离)可以为4μm至500μm。孔洞以及LED结构体的最大直径可以为1μm至500μm、或5μm至500μm。
本发明还提供了制造包括根据本发明的LED阵列的LED显示器。
本发明还提供了一种LED阵列，该LED阵列包括半导体层、在半导体层上方延伸并且具有穿过其的孔洞的阵列的电介质层、以及在孔洞中的每个中形成的LED器件。
本发明还提供了一种包括根据本发明的LED阵列的LED显示器。
附图说明
图1a示出在根据本发明的第一实施例的处理中形成的生长的(as-grown)模板；
图1b示出图1a的模板，在该模板的掩模层中形成掩模图案；
图1c示出图1a的模板，该模板具有在掩模层的孔洞中生长的微型LED；
图1d示出图1c的模板，在该模板上形成电触点；
图2a示出在根据本发明的第二实施例的处理中形成的生长的模板；
图2b示出图2a的模板，在该模板的掩模层中形成掩模图案；
图2c示出图2a的模板，该模板具有在掩模层的孔洞中生长的微型LED；
图2d示出图2c的模板，在该模板上形成电触点；
图3是图2d的模板的LED结构体的截面图；
图4是根据本发明的实施例的LED阵列的扫描电子显微镜图像；
图5示出根据本发明的实施例的LED阵列的电致发光光谱；以及
图6示出本发明的实施例的内部量子效率随LED直径的函数的变化。
具体实施方式
参照图1a，在本发明的第一实施例中，首先使半导体层(例如，标准n型GaN(n-GaN)层100)在基板102上生长。基板102可以是GaN基板、或者可以是任何异质基板(诸如，蓝宝石、硅(Si)、碳化硅(SiC)、或者甚至玻璃)。可以借助于使用金属有机气相外延(MOVPE)或分子束外延(MBE)的任何标准GaN生长方法、或者任何其他合适的生长技术来使GaN层100生长。产生的“生长的n-GaN模板”的厚度可以大于10μm，但是通常地，厚度在500nm至10μm的范围中。随后，通过使用PECVD或任何其他合适的沉积技术，在n-GaN层100上沉积诸如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)的电介质层104或任何其他合适的电介质材料。电介质层的厚度可以在20nm至500μm的范围内。
参照图1b，然后在电介质层104中形成孔洞106的阵列。孔洞106通常为微米级，因此，该空洞被称为微型孔洞。这可以借助于光刻技术以及然后的蚀刻工艺(可以是干法蚀刻或湿法蚀刻)来完成。光刻的使用是有利的，因为它允许以期望的位置、形状和尺寸准确地形成孔洞，且因此在孔洞中形成LED。在形成微型孔洞106时，穿过电介质层104的整个厚度向下蚀刻至n-GaN层100的上表面。微型孔洞的直径可以为1μm至500μm、或3μm至500μm，并且间距距离(即最接近的相邻微型孔洞的中心之间的距离)例如可以是4μm至500μm。可以使用剩余的电介质层104作为掩模来仅对微型孔洞区域内的n-GaN层100执行进一步的蚀刻。根据n-GaN层的厚度，n-GaN的蚀刻深度可以从零(意味着没有GaN蚀刻)到10μm。通常，n-GaN层的最佳蚀刻方法或条件与电介质层的最佳蚀刻方法或条件有所不同。例如，SF6蚀刻可用于蚀刻电介质层104，但不会对n-GaN层100进行蚀刻。因此，一路蚀刻穿过电介质层104并停止在半导体层100的顶面很容易实现。这对于在孔洞106中生长的LED结构体的质量也有利。
在所示的实施例中，孔洞106具有圆的(round)(具体地，圆形的(circular))截面，但是也可以使用其他的截面(例如，椭圆形或正方形)。
接下来，参照图1c，使标准III族氮化物LED结构体生长在GaN层100的暴露区域上。然而，因为仅GaN层100的离散区域被电介质层或掩模中的微型孔洞106暴露，所以LED结构体形成为离散LED 108的阵列，该LED 108由微型孔洞106之间的电介质层104的其余部分隔开。LED结构体108通过MOVPE或MBE技术或任何其他合适的生长技术来生长。生长从GaN(或其他半导体)层的暴露区域向上发生，而非从孔洞106的侧壁向上发生。因此，可以在孔洞106中的每个的内部建立层状LED结构体，并且层体中的每个基本上是平坦或平面的。LED结构体可以包括n-GaN层110、有源区112，以及最终的p掺杂的GaN层114。有源区112可以包括InGaN预层(prelayer)、基于InGaN的多量子阱(MQW)、以及轻薄p型AlGaN层作为势垒层(未示出)。下面参照图3更详细地描述LED结构体的示例。如前所述，由于电介质掩模104，LED结构体仅可以在微型孔洞106内生长，从而如图1c所示，形成μLED阵列。
重要的是，InGaN MQW 112的最上层不应在电介质层104的上表面上方延伸，这可能会在模板被制成最终的μLED阵列之后导致短路效应。同样重要的是，在微型孔洞区域中的每个内过度生长的n-GaN 110与在电介质掩模104的下方的模板的未蚀刻部分内的n-GaN层100直接接触，使得所有单个μLED通过电介质掩模104的下方的未蚀刻部分的n-GaN层100彼此电连接。
参照图1d，一旦LED阵列结构完成，就执行进一步的器件制造，该制造包括形成阵列的电触点。例如，上接触层116可以在电介质掩模层104上方和单独的微型LED器件108的上p-GaN层上方形成。因此，上接触层116为所有LED器件108形成共同的p接触。上接触层116可以由ITO或Ni/Au合金形成。然后，可以在p接触层116上形成阳极118。例如，可以蚀刻掉电介质层104的一部分，并且然后，还可以将蚀刻后的电介质层部分上的LED结构体的一部分向下蚀刻到n-GaN，使n-GaN 100的区域120暴露，并且在n-GaN的暴露区域120上形成阴极122。
如果LED阵列将用于显示器，则连续接触层116可以被多个单独的接触层区域取代，该每个单独的接触层区域覆盖相应的一组LED结构体108。每组可以仅包括一个LED结构体108，或者每组可以包括多个LED结构体(例如，两个或三个或四个LED结构体)。接触层区域例如因彼此间隔开而彼此电隔离。这允许LED结构体中的每组是可寻址的(即，独立于其他组而接通和关断)。具体地，接触层区域中的每个可以连接到相应的开关器件，以便形成显示器，在该显示器中，LED中的每个或LED组中的每个形成像素。由光刻提供的对LED结构体的位置、大小以及形状的准确控制对于确保接触层区域可以与LED结构体正确对齐以使它们能够被单独寻址很重要。
已经发现，由于LED结构体的过度生长仅在微型孔洞区域106内发生，因此，与在相同条件下在没有任何图案化特征的平面模板上生长的那些相比，LED器件形成期间的生长速率显著增加，在某些情况下大约快四倍。
应当理解，可以对上述实施例进行各种修改。例如，在一个变型中，结构倒置，p-GaN层在基板上生长并且被电介质层覆盖，然后，首先形成LED器件108的p-GaN层，接着形成多量子阱层，并且然后形成n-GaN层。然后，在电介质层的顶部上方形成n接触层来代替p接触层，并且阳极和阴极的位置颠倒。
在图1a至图1d的配置中，在微型孔洞106内的过度生长的n-GaN 110必须与电介质掩模104的下方的n-GaN层100的未蚀刻部分的n-GaN匹配，使得所有单独的μLED 108通过n-GaN层100彼此电连接。取代电介质掩模104的下方的未蚀刻的n-GaN部分的n-GaN 100用作电连接通道，在另一实施例中，将在异质结处具有二维电子气(2DEG)的III族氮化物异质结构用作半导体层而取代n-GaN层。在该实施例中，使用标准AlGaN/GaN HEMT结构。在HEMT结构的AlGaN势垒与GaN缓冲层之间的界面处形成的具有较高的板材载流子密度和较高的电子迁移率的电子气(2DEG)用作电连接通道。
参考图2a至图2d，为了制造这种器件，首先借助于使用MOVPE或MBE技术或者任何其他外延技术的任何标准GaN生长方法，标准AlGaN/GaN HEMT结构生长在GaN基板或者诸如蓝宝石、Si、SiC甚至玻璃的任何异质基板上。具体地，在该实施例中，形成缓冲层的GaN层200生长在基板202上，并且然后形成势垒层的AlGaN层201生长在GaN层200上。该结构在本文中被称为“生长的HEMT模板”。随后，通过使用PECVD或任何其他合适的沉积技术，诸如SiO2或SiN的电介质层204或者例如在厚度为2nm至500μm范围内的任何其他电介质材料沉积在生长的HEMT模板上。之后，借助于光刻技术，并且然后进行蚀刻工艺(可以是干法蚀刻或湿法蚀刻)，将电介质层204向下蚀刻至HEMT结构的表面，以在电介质层204中形成微型孔洞阵列206，其中，微型孔洞直径可以是若干μm至500μm，并且相邻孔洞中心之间的间距距离可以在10μm至500μm的范围内。可以使用电介质层204的剩余区域作为掩模来在微型孔洞区域内对生长的HEMT执行进一步的蚀刻。生长的HEMT蚀刻深度可以从零(意味着没有任何蚀刻)到10μm，具体取决于生长的HEMT模板的AlGaN势垒位置。然而，一般而言，蚀刻将至少向下延伸至生长的HEMT结构的两个层体200、201之间的异质界面，以便在LED结构体中的每个与2DEG之间提供良好的电接触。
接下来，通过MOVPE或MBE技术或任何其他外延技术，标准III族氮化物LED结构体生长在具有微型孔洞特征的电介质掩模图案化的HEMT模板上。这可以例如包括使n-GaN层、InGaN预层、基于InGaN的MQW作为有源区生长，并且然后使轻薄的p型AlGaN作为势垒层生长，然后最终使p掺杂GaN生长。由于电介质掩模，LED结构体仅在微型孔洞206内生长，如图2c所示，从而在微型孔洞内形成离散的微型LED器件208。
与图1a至图1d的实施例一样，重要的一点是InGaN MQW 212的上表面应位于电介质层204的上表面的下方，以避免在制成最终的μLED阵列之后产生短路效应。
参照图3，图1a至图1d和图2a至图2d的LED阵列中的LED结构体可以具有任何合适的结构，但是在一个示例中，该LED结构体可以包括n-GaN层310、在n-GaN层310上方形成的InGaN预层316、在预层316上方形成的多个InGaN量子阱层312、例如p-AlGaN的p掺杂的势垒层318、以及然后的p-GaN层314。将理解的是，该结构可以以多种方式变化。如上所述，优选的是，量子阱层312中的最上面的一层的顶部在电介质层的顶部的下方。还优选的是，势垒层318的顶部也在电介质层的顶部的下方。
还有一点也是重要的，在微型孔洞区域内过度生长的n-GaN直接接触AlGaN势垒与电介质掩模204的下方的未蚀刻部分的最初生长的HEMT结构的GaN缓冲层之间的界面，使得所有单独的μLED通过形成在AlGaN势垒与电介质掩模的下方的HEMT结构(即未蚀刻的部分)的GaN缓冲层之间的界面处的2DEG电连接。一旦LED结构体完成，就可以执行任何合适的标准器件制造，如图1a至图1d的实施例所示，并且每个器件都将包括如图2d所示的多个单独的μLED部件，其中，为了消除每个器件中的短路而被剩余的电介质掩模204分隔开的所有单独的μLED 208共享共同的p接触层216。
应当注意，在图2a至图2d的实施例中，在任何标准LED制造步骤之前，可能需要对电介质掩模204进行选择性蚀刻，以使HEMT结构的表面的一部分暴露，其中，如图2d所示，将在暴露的HEMT的表面上制造阴极触点222。选择性蚀刻可以是干法蚀刻或湿法蚀刻。
作为示例，图4示出如上所述制造的μLED阵列外延晶圆的通常的扫描显微镜图像，其中，每个μLED的直径为40μm。
作为示例，图5示出直径为40μm的μLED的电致发光光谱，随注入电流发生变化。
图6示出如上所述形成的μLED的内部量子效率(IQE)，该内部量子效率作为μLED直径的函数进行测量。这显示出LED的IQE随着μLED直径的减小而增加。结果与使用传统方法制造的所有先前的μLED的结果不同。这表明上述方法避免了通常在常规制造工艺期间产生的干法蚀刻引起的侧壁损伤。

Claims (20)

1.一种制造发光二极管(LED)阵列的方法，所述方法包括：由III族氮化物材料形成半导体层；在所述半导体层的上方形成电介质掩模层，所述电介质掩模层具有穿过所述电介质掩模层的孔洞的阵列，每个孔洞暴露出所述半导体层的一区域；并且使在每个所述孔洞中生长LED结构体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使在每个所述孔洞中生长所述LED结构体包括：使在每个所述孔洞中生长n型层、至少一个有源层、以及p型层。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，至少一个有源层的上表面在电介质层的顶部的下方。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，形成所述电介质掩模层的步骤包括：使一层电介质材料生长，并且将所述孔洞的所述阵列蚀刻到该层电介质材料中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：在每个所述孔洞中生长所述LED结构体之前，蚀刻所述半导体层的暴露区域中的每个区域。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述半导体层提供至所有所述LED结构体的共同接触。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述半导体层是掺杂的。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述半导体层包括第一子层和第二子层，所述第一子层与所述第二子层之间具有异质界面，所述异质界面被布置以形成二维电荷载气。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述LED结构体是微型LED结构体，并且所述阵列是间距为4μm至500μm的规则阵列。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：在所述LED结构体的上方形成多个接触层区域，其中，所述接触层区域中的每个与相应的一组所述LED结构体电接触。
11.一种制造LED显示器的方法，所述方法包括根据前述权利要求中任一项所述的方法来制造包括掩模层和LED结构体的LED阵列，并且制造包括所述LED阵列的LED显示器。
12.一种LED阵列，包括：半导体层；电介质层，在所述半导体层的上方延伸并且具有穿过所述电介质层的孔洞的阵列；以及LED器件，形成在每个所述孔洞中。
13.根据权利要求12所述的LED阵列，其中，所述LED器件中的每个包括n型层、至少一个有源层、以及p型层。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的LED阵列，其中，至少一个有源层的上表面在所述电介质层的顶部的下方。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的LED阵列，其中，所述半导体层提供至所有LED结构体的共同接触。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的LED阵列，其中，所述半导体层是掺杂的。
17.根据权利要求12至15中任一项所述的LED阵列，其中，所述半导体层包括第一子层和第二子层，所述第一子层与所述第二子层之间具有异质界面，所述异质界面被布置以形成二维电荷载气。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的LED阵列，其中，LED结构体是微型LED结构体，并且所述阵列是间距为4μm至500μm的规则阵列。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的LED阵列，还包括在LED结构体的上方延伸的多个接触层区域，其中，所述接触层区域中的每个与相应的一组所述LED结构体电接触。
20.一种LED显示器，包括根据权利要求12至19中任一项所述的LED阵列。
CN201980066550.4A 2018-10-09 2019-10-08 Led阵列 Pending CN112823421A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1816455.8 2018-10-09
GBGB1816455.8A GB201816455D0 (en) 2018-10-09 2018-10-09 LED Arrays
PCT/GB2019/052843 WO2020074875A1 (en) 2018-10-09 2019-10-08 LED Arrays

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112823421A true CN112823421A (zh) 2021-05-18

Family

ID=64394978

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980066550.4A Pending CN112823421A (zh) 2018-10-09 2019-10-08 Led阵列

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20210335884A1 (zh)
EP (1) EP3864699A1 (zh)
JP (2) JP7407181B2 (zh)
KR (1) KR20210069101A (zh)
CN (1) CN112823421A (zh)
GB (1) GB201816455D0 (zh)
WO (1) WO2020074875A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021102034A1 (en) * 2019-11-18 2021-05-27 Avicenatech Corp. High speed and multi-contact leds for data communication
CN111864024A (zh) * 2020-07-24 2020-10-30 武汉大学 一种选区外延生长Micro-LED芯片及其制备方法
DE102021134107A1 (de) 2021-12-21 2023-06-22 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum herstellen von mikro-halbleiter-leuchtdioden-strukturen und halbleiter-leuchtdiode

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002026387A (ja) * 2000-07-03 2002-01-25 Nobuhiko Sawaki 半導体素子およびその製造方法
US20030087462A1 (en) * 2001-11-02 2003-05-08 Norikatsu Koide Semiconductor light emitting device and method for producing the same
US20060244002A1 (en) * 2005-04-28 2006-11-02 Hooper Stewart E A semiconductor light-emitting device, and a method of manufacture of a semiconductor device
JP2009071220A (ja) * 2007-09-18 2009-04-02 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子
US20100140629A1 (en) * 2008-12-04 2010-06-10 Lee Chi-Shen Light-emitting diode and method for fabricating the same
JP2010135859A (ja) * 2010-03-17 2010-06-17 Panasonic Electric Works Co Ltd 半導体発光素子の製造方法
JP2011258631A (ja) * 2010-06-07 2011-12-22 Panasonic Corp 発光ダイオード素子およびその製造方法
CN102709410A (zh) * 2012-06-04 2012-10-03 中国科学院半导体研究所 纳米柱发光二极管的制作方法
US20140166974A1 (en) * 2012-12-14 2014-06-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Nano-structured light-emitting devices
US20140246647A1 (en) * 2013-01-29 2014-09-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Nanostructure light emitting device and method of manufacturing the same
WO2016049507A1 (en) * 2014-09-26 2016-03-31 Glo Ab Monolithic image chip for near-to-eye display
CN107833878A (zh) * 2017-11-29 2018-03-23 北京工业大学 一种全色堆栈式外延的Micro‑LED倒装阵列制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3702700B2 (ja) * 1999-03-31 2005-10-05 豊田合成株式会社 Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子及びその製造方法
US20150137072A1 (en) * 2013-11-19 2015-05-21 Gwangju Institute Of Science And Technology Mask for forming semiconductor layer, semiconductor device, and method of fabricating the same
KR20160027610A (ko) 2014-09-01 2016-03-10 삼성전자주식회사 나노구조 반도체 발광소자
FR3080487B1 (fr) * 2018-04-20 2020-06-12 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede de fabrication d’un dispositif optoelectronique a matrice de diodes
CN111864024A (zh) 2020-07-24 2020-10-30 武汉大学 一种选区外延生长Micro-LED芯片及其制备方法

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002026387A (ja) * 2000-07-03 2002-01-25 Nobuhiko Sawaki 半導体素子およびその製造方法
US20030087462A1 (en) * 2001-11-02 2003-05-08 Norikatsu Koide Semiconductor light emitting device and method for producing the same
CN1419301A (zh) * 2001-11-02 2003-05-21 夏普公司 半导体发光器件及其制造方法
US20060244002A1 (en) * 2005-04-28 2006-11-02 Hooper Stewart E A semiconductor light-emitting device, and a method of manufacture of a semiconductor device
JP2009071220A (ja) * 2007-09-18 2009-04-02 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子
US20100140629A1 (en) * 2008-12-04 2010-06-10 Lee Chi-Shen Light-emitting diode and method for fabricating the same
JP2010135859A (ja) * 2010-03-17 2010-06-17 Panasonic Electric Works Co Ltd 半導体発光素子の製造方法
JP2011258631A (ja) * 2010-06-07 2011-12-22 Panasonic Corp 発光ダイオード素子およびその製造方法
CN102709410A (zh) * 2012-06-04 2012-10-03 中国科学院半导体研究所 纳米柱发光二极管的制作方法
US20140166974A1 (en) * 2012-12-14 2014-06-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Nano-structured light-emitting devices
US20140246647A1 (en) * 2013-01-29 2014-09-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Nanostructure light emitting device and method of manufacturing the same
CN105009307A (zh) * 2013-01-29 2015-10-28 三星电子株式会社 制造纳米结构的半导体发光元件的方法
WO2016049507A1 (en) * 2014-09-26 2016-03-31 Glo Ab Monolithic image chip for near-to-eye display
US20180076363A1 (en) * 2014-09-26 2018-03-15 Glo Ab Monolithic image chip for near-to-eye display
CN107833878A (zh) * 2017-11-29 2018-03-23 北京工业大学 一种全色堆栈式外延的Micro‑LED倒装阵列制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20210335884A1 (en) 2021-10-28
EP3864699A1 (en) 2021-08-18
WO2020074875A1 (en) 2020-04-16
KR20210069101A (ko) 2021-06-10
GB201816455D0 (en) 2018-11-28
JP2022504524A (ja) 2022-01-13
JP2024026392A (ja) 2024-02-28
JP7407181B2 (ja) 2023-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8659033B2 (en) Light-emitting diode with textured substrate
CN111129026B (zh) 多色发光器件及制造这种器件的方法
US8217400B2 (en) Polychromatic light emitting diode device having wavelength conversion layer made of semiconductor and method for manufacturing the same
JP2024026392A (ja) Ｌｅｄアレイ
US20220278165A1 (en) Led arrays
US20230069410A1 (en) High resolution monolithic rgb arrays
US11362134B2 (en) Vertical stacks of light emitting diodes and control transistors and method of making thereof
CN113396480B (zh) 多色电致发光显示装置及其制造方法
KR20230060507A (ko) Led 디바이스 및 led 디바이스를 제조하는 방법
US20240006460A1 (en) Voltage-controllable monolithic native rgb arrays
US20220262848A1 (en) Led arrays
KR100701094B1 (ko) 발광 다이오드 및 그 제조 방법
US11264532B2 (en) Manufacturing method of semiconductor light emitting device
KR101319218B1 (ko) 기판의 분리 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20230412

Address after: California, USA

Applicant after: SNAP Inc.

Address before: Sheffield

Applicant before: THE University OF SHEFFIELD