CN113299228B - 基于GaN的多功能集成半导体显示器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件，所述半导体显示器件包括从上至上依次设置的蓝宝石衬底、半导体缓冲层、第一半导体层和像素单元；所述半导体显示器件每个像素单元均包括LED发光结构、开关驱动元器件、多量子阱光电探测器件、光波导和信号感知传感器。本发明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
技术领域
本发明涉及半导体显示发光器件领域，具体涉及一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件及其制备方法。
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
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件及其制备方法，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，本发明采用如下技术方案：
一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件，所述半导体显示器件包括从上至上依次设置的蓝宝石衬底、半导体缓冲层、第一半导体层和像素单元；所述半导体显示器件每个像素单元均包括LED发光结构、开关驱动元器件、多量子阱光电探测器件、光波导和信号感知传感器。
进一步的，所述LED发光结构包括从下至上依次设置的第二半导体层、第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层和电极层。
进一步的，所述光波导为在第二半导体层的两面设置高反射薄膜材料，实现光信号从LED发光结构到多量子阱光电探测器件的传输。
进一步的，所述高反射薄膜材料包括金属薄膜、合金薄膜、由不同折射率介质薄膜组成的布拉格反射镜结构。
进一步的，所述多量子阱光电探测器件设置于第二半导体层上，包括从下至上依次设置的第第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层和电极层；所述多量子阱光电探测器件的第三半导体层、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光强探测。
进一步的，所述信号感知传感器T感知信号接到第三半导体层，并根据放大三极管的输入特性，接收传感器信号。
进一步的，所述LED发光结构、开关驱动元器件和信号感知传感器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。
进一步的，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。
进一步的，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和高电子迁移率晶体管。
进一步的，所述信号感知传感器包括电容传感器、电阻传感器和光学传感器。
一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件的制备方法，包括以下步骤；
S11：将蓝宝石衬底放置在MOCVD反应室中，通入三甲基铝、氨气，利用氢气为载体在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、第一半导体层层、第二半导体层层、第三半导体层层、多量子阱发光层和第四半导体层；
S12：采用ICP将上述层刻蚀至部分露出第三半导体层；
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；
S13：在器件表面生长介质层SiO2 08，并对部分区域进行刻蚀，以露出部分第二半导体层；
S14：在第二半导体层上继续刻蚀至部分露出第一半导体层；
S15：在露出的部分第一半导体层上生长SiO2 ，并在S14步骤中露出的第一半导体层区域生长金铜金属电极；
S16：在LED发光结构和多量子阱光电探测器件的中间区域生长高反射率薄膜，然后高反射率薄膜在上长第第二半导体层，最后再生长一层高反射率薄膜Ag ，形成夹层结构，即光波导模块。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
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、光电探测器和光通信器件的功能集成，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）、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。
附图说明
图1为本发明一实施例中的器件截面示意图；
图2-9为本发明一实施例中的基于波长下转换的三极发光管器件一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件的制备过程；
图10本发明一实施例中的显示器件在正向电压时的驱动方法示意图及三极管的输入特性曲线，其中（a）为驱动方法示意图，（b）为三极管的输入特性曲线；
图11本发明一实施例中的显示器件在反向偏置电压时的驱动等效电路及三极管的输出特性曲线，其中（a）为本发明一实施例中的显示器件在反向偏置电压时的驱动等效电路，（b）为三极管的输出特性曲线；
图中，01-蓝宝石衬底，02-缓冲层，03-第一半导体层，04-第二半导体层，05-第三半导体层，06-多量子阱层，07-第四半导体层，08-介质层，09-金属层，10-高反射薄膜材料。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，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（图上未标识）、多量子阱光电探测器件S、光波导G和信号感知传感器T；
在本实施例中，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；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；
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；光波导G为在第二半导体层04的两面设置高反射薄膜材料10，实现光信号从LED发光器件L到多量子阱光电探测器件S的传输；优选的，光波导的高反射薄膜材料包括金属薄膜、合金薄膜、由不同折射率介质薄膜组成的布拉格反射镜结构。
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；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。
在本实施例中，优选的，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。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。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光强探测。
优选的，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。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光强探测。
优选的，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；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。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，第二半导体层与与接触电极形成肖特基接触。
优选的，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）。
优选的，信号感知传感器包括电容传感器、电阻传感器和光学传感器。
优选的，在LED发光单元的第四半导体层表面设置双电极，形成横向电场，控制载流子注入和复合，提高像素发光效率。
实施例1：
本实施例中衬底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，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，高反射材料10采用的是Ag。
优选的，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。
优选的，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。
如图2-9所示，本实施例还提供一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件的制备方法
S1：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；
S2：采用ICP将上述层刻蚀至部分露出第三半导体层05；
S3：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；
S4：在器件表面生长介质层SiO2 08，并对部分区域进行刻蚀，以露出部分第二半导体层04；
S5：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；
S6：在露出的部分第一半导体层03上生长SiO2 08，并在S14步骤中露出的第一半导体层03区域生长金铜金属电极09；
S7：在S和L模块的中间区域生长高反射率薄膜Ag 10，然后在Ag上长第第二半导体层04，最后再生长一层高反射率薄膜Ag 10，形成夹层结构，即光波导模块G。
参考图10和图11，在本实施例中，采用正向电压时的驱动基于GaN的多功能集成半导体显示器件，具体为:
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；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10中（b）和图11中（b）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。
参考图10和图11，在本实施例中，采用反向电压时的驱动基于GaN的多功能集成半导体显示器件，具体为:
第三半导体层（n-GaN2）05、介质层08、金属层094构成电容，作为信号感知传感器；第二半导体层（p-GaN1）04及其上下两层Ag膜作为光波导，用来传递LED发光单元产生的光信号；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095构成多量子阱光电探测器件，探测光波导模块G传递的光信号并将其转换为电信号。参考图11，在LED发光单元上施加一个-2.5v的反向偏置电压V1，Ib=0，由图10中（b）和图11中（b）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，此时在信号感知传感器上给一点信号，如手指按压触控，则放大三极管的基极和发射极之间的电压电流改变，从而引起LED灯的亮度或强度变化，这时光通过光波导G传递到多量子阱光电探测器件模块S，通过探测多量子阱接收光线引起的漏电流变化进行光强探测，实现了发光、开关、控制、感知（如触控）、传感（如光电探测）、光通信等多功能高度集成的半导体器件的制备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，所述半导体显示器件包括从上至上依次设置的蓝宝石衬底、半导体缓冲层、第一半导体层和像素单元；所述半导体显示器件每个像素单元均包括LED发光结构、开关驱动元器件、多量子阱光电探测器件、光波导和信号感知传感器。
2.根据权利要求1所述的基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，所述LED发光结构包括从下至上依次设置的第二半导体层、第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层和电极层。
3.根据权利要求2所述的基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，所述光波导为在第二半导体层的两面设置高反射薄膜材料，实现光信号从LED发光结构到多量子阱光电探测器件的传输。
4.根据权利要求3所述的基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，所述高反射薄膜材料包括金属薄膜、合金薄膜、由不同折射率介质薄膜组成的布拉格反射镜结构。
5.根据权利要求2所述的基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，所述多量子阱光电探测器件设置于第二半导体层上，包括从下至上依次设置的第三半导体层、多量子阱层、第四半导体层和电极层；所述多量子阱光电探测器件的第三半导体层、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光强探测。
6.根据权利要求2所述的基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，所述信号感知传感器T感知信号接到第三半导体层，并根据放大三极管的输入特性，接收传感器信号。
7.根据权利要求2所述的基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，所述LED发光结构、开关驱动元器件和信号感知传感器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。
8.根据权利要求2所述的基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，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。
9.根据权利要求1所述的一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件，其特征在于，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和高电子迁移率晶体管；所述信号感知传感器包括电容传感器、电阻传感器和光学传感器。
10.一种基于GaN的多功能集成半导体显示器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
S11：将蓝宝石衬底放置在MOCVD反应室中，通入三甲基铝、氨气，利用氢气为载体在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、第一半导体层层、第二半导体层层、第三半导体层层、多量子阱发光层和第四半导体层；
S12：采用ICP将上述层刻蚀至部分露出第三半导体层；
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；
S13：在器件表面生长介质层SiO2 08，并对部分区域进行刻蚀，以露出部分第二半导体层；
S14：在第二半导体层上继续刻蚀至部分露出第一半导体层；
S15：在露出的部分第一半导体层上生长SiO2 ，并在S14步骤中露出的第一半导体层区域生长金铜金属电极；
S16：在LED发光结构和多量子阱光电探测器件的中间区域生长高反射率薄膜，然后高反射率薄膜在上长第二半导体层，最后再生长一层高反射率薄膜Ag ，形成夹层结构，即光波导模块。
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