CN113299227B - 一种带触控和调试功能的发光四极管 - Google Patents

一种带触控和调试功能的发光四极管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带触控和调试功能的发光四极管。所述发光四极管从下到上依次包括蓝宝石衬底、半导体缓冲层、第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层；所述发光四极管均在蓝宝石衬底上进行单片多功能集成，无需精准对位和键合复杂工艺流程，可以减少或消除由于焊接键合产生的寄生电容和电阻，可以起到对输入信号的功率放大作用，实现用小功率输入信号驱动半导体发光，可以有效降低基于半导体发光显示装置的驱动电路设计复杂度，提高显示装置和功能的集成度。

Description

一种带触控和调试功能的发光四极管
技术领域
本发明涉及半导体显示发光器件领域，特别是一种带触控和调试功能的发光四极管。
背景技术
GaN基LED由于在材料、器件、工艺和应用场景方面具有高效率、高亮度、低功耗、长寿命、高响应速度、容易微型化和集成化等诸多独特优势，有望实现集开关、驱动、发光、感知、探测、信号传输等多功能为一体的高度集成半导体器件，引领未来智能显示、智能照明和光通讯等技术的发展方向。传统LED发光器件需要复杂功率放大电路对驱动芯片的小信号功率进行放大，以及与Si基COMS和薄膜晶体管（TFT）等混合集成工艺影响器件性能是该研究领域亟需解决的关键科学和技术难题。
基于GaN的开关控制电路，有望在相同材料体系和工艺制程下实现与LED发光器件的单片集成，构建可以在低电压、小功率信号下实现开关、控制和驱动的新型发光多极管，可以通过IC芯片的小功率输出信号直接驱动，大大降低μLED智能显示和照明驱动电路的复杂性。而且，发光多极管与GaN基晶体管、光电探测器和光通信器件的功能集成，具有（1）可以直接在蓝宝石衬底上，实现有源矩阵驱动显示阵列，归避传统μLED与CMOS或TFT的精准对位和键合等复杂工艺流程；（2）减少或消除由于焊接键合产生的寄生电容和电阻；（3）采用相同GaN材料和工艺体系，实现发光、开关、控制、感知（如触控）、传感（如光电探测）、光通信等功能高度集成的半导体器件等诸多优点，在高集成度μLED智能显示、智能照明和μLED动态区域调光等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带触控和调试功能的发光四极管，实现用小功率输入信号驱动半导体发光，可以有效降低基于半导体发光显示装置的驱动电路设计复杂度，提高显示装置和功能的集成度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种带触控和调试功能的发光四极管，从下到上依次包括蓝宝石衬底、半导体缓冲层、第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层；所述第一半导体层作为发射极、第二半导体层作为基极、第三半导体层作为集电极构成npn或pnp放大三极管，具有像素开关和驱动功能；所述第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层在正向偏置电压下作为发光二极管；所述第三半导体层设置有触控传感器，触控传感器感应的触控信号根据放大三极管的输入特性反馈到放大三极管和发光二极管；所述发光四极管在蓝宝石衬底上进行单片多功能集成，无需精准对位和键合复杂工艺流程，可以减少或消除由于焊接键合产生的寄生电容和电阻。
在本发明一实施例中，所述放大三极管的基极输入小信号，可以控制集电极的大信号，用于发光二极管点亮和亮度控制，对发光四极管进行开关和驱动。
在本发明一实施例中，所述触控传感器包括电容触控传感器、电阻触控传感器和光学触控传感器。
在本发明一实施例中，所述光学触控传感器包括红外传感器和非接触式光学传感器，所述非接触式光学传感器为由第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层组成的多量子阱探测器在反向偏置电压下，通过探测多量子阱接收光线引起的漏电流变化进行信号反馈，此时所述发光四极管变为发光五极管。
在本发明一实施例中，所述第一半导体层掺杂浓度比第二半导体层和第三半导体体层的掺杂浓度高1至5个数量级，为1016cm-3~1023 cm-3；所述第二半导体层的厚度范围为10nm~1000 nm，其厚度由放大三极管所需放大系数决定。
在本发明一实施例中，所述第一半导体层、第三半导体层、第四半导体层与对应的接触电极形成欧姆接触，所述第二半导体层与对应的接触电极形成肖特基接触。
在本发明一实施例中，所述放大三极管可由基于GaN的金属有机场效应晶体管和高电子迁移率晶体管替代。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明构建了可以在低电压、小功率信号下实现开关、控制和驱动的新型发光多极管，可以通过IC芯片的小功率输出信号直接驱动，大大降低μLED智能显示和照明驱动电路的复杂性；
2、本发明中发光多极管与GaN基晶体管和光电探测器等功能集成，可以直接在蓝宝石衬底上，实现有源矩阵驱动显示阵列，归避传统μLED与CMOS或TFT的精准对位和键合等复杂工艺流程，可以减少或消除由于焊接键合产生的寄生电容和电阻；
3、本发明采用相同GaN材料和工艺体系，实现发光、开关、控制、感知（如触控）、传感（如光电探测）等功能高度集成的半导体器件等诸多优点，在高集成度μLED智能显示、智能照明和μLED动态区域调光等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明一实施例中的一种带触控和调试功能的发光四极管的截面示意图。
图2为本发明一实施例中的一种带触控和调试功能的发光四极管的制备过程。
图3（a）为本发明一实施例中的一种带触控和调试功能的发光四极管的驱动方法示意图，图3（b）为三极管的输入特性曲线，图3（c）为三极管的输出特性曲线。
图中，01是蓝宝石衬底，02是缓冲层，03是第一半导体层，04是第二半导体层，05是第三半导体层，06是多量子阱层，07是第四半导体层，08是介质层，09是金属层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种带触控和调试功能的发光四极管，从下到上依次包括蓝宝石衬底、半导体缓冲层、第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层；所述第一半导体层作为发射极、第二半导体层作为基极、第三半导体层作为集电极构成npn或pnp放大三极管，具有像素开关和驱动功能；所述第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层在正向偏置电压下作为发光二极管；所述第三半导体层设置有触控传感器，触控传感器感应的触控信号根据放大三极管的输入特性反馈到放大三极管和发光二极管；所述发光四极管在蓝宝石衬底上进行单片多功能集成，无需精准对位和键合复杂工艺流程，可以减少或消除由于焊接键合产生的寄生电容和电阻。
以下为本发明的具体实现过程。
请参照图1-3，一种带触控和调试功能的发光四极管，所述半导体显示器件每个像素单元均包括基于相同GaN材料和加工工艺体系的LED发光结构L、开关驱动元器件（A）、多量子阱光电探测器件S、和信号感知传感器T；所述半导体显示器件依次包括蓝宝石衬底01、半导体缓冲层02、第一半导体层03、第二半导体层04、第三半导体层05、多量子阱层06、第四半导体层07；所述第一半导体层（发射极091）03、第二半导体层（基极092）04、第三半导体层（集电极093）05可以构成npn或pnp放大三极管，作为像素开关和驱动元件A；所述第三半导体层05、多量子阱层06、第四半导体层07在正向偏置电压下做为LED发光单元L，在反向偏置电压下作为光电探测器件S；所述信号感知传感器T的感知信号接到第三半导体层05，根据放大三极管的输入特性，接收传感器信号；所述多功能集成半导体显示器件均在蓝宝石衬底01上进行单片多功能集成，无需精准对位和键合复杂工艺流程，可以减少或消除由于焊接键合产生的寄生电容和电阻。
所述LED发光结构、开关驱动元器件和信号感知传感器可形成一个独立工作的发光四极管，其中第三半导体层同时作为放大三极管的集电极、LED发光单元的其中一个电极以及信号感知传感器的其中一个电极。所述放大三极管的基极有小信号输入时，可以控制集电极的大信号，用于LED点亮和亮度控制，对多功能集成半导体显示器件进行开关和驱动。所述多量子阱光电探测器件为第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层在反向偏置电压下，通过探测多量子阱接收光线引起的漏电流变化进行信号反馈。所述第一半导体层掺杂浓度比所述第二半导体层和第三半导体体层的掺杂浓度高1至5个数量级，为1016cm-3~1023 cm-3；所述第二半导体层的厚度范围为10 nm~1000 nm，其厚度由放大三极管所需放大系数决定。所述第一半导体层、第三半导体层、第四半导体层与接触电极形成欧姆接触，所述第二半导体层与接触电极形成肖特基接触。所述开关驱动元器件还包括基于GaN的金属有机场效应晶体管（MOSFET）和高电子迁移率晶体管（HEMT）。所述光学触控传感器包括红外传感器和非接触式光学传感器。
在图中，为了表示清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状（比如制造引起的偏差）。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
为了让一般技术人员更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例详细说明一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件。优选的，本发明实施例中衬底01为蓝宝石衬底，且为a面，缓冲层02采用的材料为AlN，第一半导体层03为N-GaN1层, 第二半导体层04为P-GaN1层，第三半导体层05为N-GaN2层，所述多量子阱层06为3个周期的InaGa1-aN量子阱有源层和AlbGa1-bN组成的空穴阻挡层或者电子阻挡层构成，第四半导体层07为P-GaN2层，介质层08采用的是SiO2，金属层09采用的是金铜电极。
具体的，在本实施例中，第一半导体层，第三半导体层为Mg掺杂N-GaN，第二，第四半导体层为Si掺杂P-GaN。
进一步的，在本实施例中，第一半导体层Mg掺杂浓度为1×1021cm-3，第二半导体层Si掺杂浓度为5×1018cm-3，第三半导体层Mg掺杂浓度为1×1019cm-3，第四半导体层Si掺杂浓度为5×1018cm-3。
本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。
在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
实施例一：
参考图1，并结合图2和图3，对本发明第一实施例提供的一种带触控和调试功能的发光四极管进行详细说明，具体按照以下步骤实现：
S11：提供一蓝宝石衬底01，将蓝宝石衬底01放置在MOCVD反应室中，温度设定为800℃~1200℃，通入三甲基铝、氨气，利用氢气为载体在蓝宝石衬底1上生长缓冲层02、第一半导体层N-GaN1层03、第二半导体层P-GaN1层04、第三半导体层N-GaN2层05、多量子阱发光层06和第四半导体层P-GaN2层07，它们的厚度分别为1000nm、2μm、0.5μm、3μm、200nm和1μm；
S12：采用ICP将上述层刻蚀至部分露出第三半导体层05；
S13：在第三半导体层05上继续刻蚀至部分露出第二半导体层04；
S14：在第二半导体层04上继续刻蚀至部分露出第一半导体层03；
S15：在器件表面生长介质层SiO2 08，并对部分区域进行刻蚀，即开孔；
S16：在开孔露出的区域上生长金铜金属电极09，完成整个器件的制备。
图3（a）为一种带触控和调试功能的发光四极管的驱动方法示意图。在正向电压时，触控部分不工作，所述第一半导体层03上的金属接触电极（发射极091）、第二半导体层04上的金属接触电极（基极092）、第三半导体层05上的金属接触电极（集电极093）构成npn放大三极管，作为像素开关和驱动元件A；所述第三半导体层05、多量子阱层06、第四半导体层07做为LED发光单元L。在所述LED发光单元上施加一个2.5v的正向偏置电压V1，同时在基极092和发射极091之间施加一个小电压信号V2（0.5v-0.8v），由图3（b）和（c）中三极管的输入输出特性曲线可知，三极管被开启，工作在放大区，此时通过调节放大三极管的基极小信号输入，可以控制集电极093的大信号，用于LED点亮和亮度控制，对多功能集成半导体显示器件进行开关和驱动。在反向偏置电压时，LED不亮，Ib=0，由图3（b）和（c）中三极管的输入输出特性曲线可知，三极管处于截止状态，失去放大功能，但存在穿透漏电流；所述第三半导体层（n-GaN2）05、介质层08、金属层093构成电容，作为触控信号感知传感器；所述第三半导体层05、多量子阱层06、第四半导体层（p-GaN2）07、金属电极092和金属电极094构成多量子阱光电探测器件。在所述LED发光单元上施加一个-2.5v的反向偏置电压V1，同时在信号感知传感器上给一点触控信号，如手指按压触控，则电容或电阻发生变化，从而引起放大三极管的基极和发射极之间的电压电流改变，通过探测多量子阱的漏电流变化进行信号反馈，实现了发光、开关、控制、感知（如触控）、传感（如光电探测）等多功能高度集成的半导体器件的制备。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，应当指出，对于本技术领域的普通人员，在不改变其本质原理的情况下，可对上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是简单改进和润饰、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种带触控和调试功能的发光四极管，其特征在于，从下到上依次包括蓝宝石衬底、半导体缓冲层、第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层；所述第一半导体层作为发射极、第二半导体层作为基极、第三半导体层作为集电极构成npn或pnp放大三极管，具有像素开关和驱动功能；所述第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层在正向偏置电压下作为发光二极管；所述第三半导体层设置有触控传感器，触控传感器感应的触控信号根据放大三极管的输入特性反馈到放大三极管和发光二极管；所述发光四极管在蓝宝石衬底上进行单片多功能集成。
2.根据权利要求1所述的一种带触控和调试功能的发光四极管，其特征在于，所述放大三极管的基极输入小信号，可以控制集电极的大信号，用于发光二极管点亮和亮度控制，对发光四极管进行开关和驱动。
3.根据权利要求1所述的一种带触控和调试功能的发光四极管，其特征在于，所述触控传感器包括电容触控传感器、电阻触控传感器和光学触控传感器。
4.根据权利要求3所述的一种带触控和调试功能的发光四极管，其特征在于，所述光学触控传感器包括红外传感器和非接触式光学传感器，所述非接触式光学传感器为由第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层组成的多量子阱探测器在反向偏置电压下，通过探测多量子阱接收光线引起的漏电流变化进行信号反馈，此时所述发光四极管变为发光五极管。
5.根据权利要求1所述的一种带触控和调试功能的发光四极管，其特征在于，所述第一半导体层掺杂浓度比第二半导体层和第三半导体体层的掺杂浓度高1至5个数量级，为1016cm-3~1023 cm-3；所述第二半导体层的厚度范围为10 nm~1000 nm，其厚度由放大三极管所需放大系数决定。
6.根据权利要求1所述的一种带触控和调试功能的发光四极管，其特征在于，所述第一半导体层、第三半导体层、第四半导体层与对应的接触电极形成欧姆接触，所述第二半导体层与对应的接触电极形成肖特基接触。
7.根据权利要求1所述的一种带触控和调试功能的发光四极管，其特征在于，所述放大三极管可由基于GaN的金属有机场效应晶体管和高电子迁移率晶体管替代。
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