CN113410363A - Micro LED芯片结构及其制备方法、显示装置 - Google Patents
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Abstract
一种Micro LED芯片结构及其制备方法、显示装置，该芯片结构包括：第一衬底；反射镜，设置在第一衬底上；外延结构，设置在反射镜的表面上，包括位于外延结构顶部的n‑GaN层，用于发出光信号；钝化层，覆盖外延结构侧壁，并覆盖反射镜表面剩余部分；钝化层与n‑GaN层形成平面，剩余部分为反射镜表面未被外延覆盖的部分；介质层，设置在钝化层与n‑GaN层形成的平面上，用于当外部电压高于阈值电压时，为Micro LED芯片结构提供电注入通道；透明电极层，设置在介质层上，用于多个Micro LED芯片结构之间形成电连接，并用于透过外延结构发出的光信号。本发明采用非接触式的电注入结构，采用透明电极层作为光传输通道和芯片结构的电极，避免因单独制备互联电路而引起的光的吸收损耗。
Description
技术领域
本申请涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种Micro LED芯片结构及其制备方法、显示装置。
背景技术
继液晶显示后，显示领域的新一代迭代技术的竞争在Micro LED(微尺寸发光二极管)、OLED(有机发光二极管)，量子点+液晶、激光显示等新型显示技术之间迅速展开。MicroLED显示技术在微型体积、低耗电、高色彩饱和度、反应速度等方面具有优势。同时，MicroLED的技术将LED的像素(Pixel)从毫米级降到微米级，芯片尺寸只有主流LED芯片尺寸的百分之一，因此Micro LED可以在面板上实现微小尺寸的芯片阵列，从而产生的细腻画面显示，使用户的观影体验更好。但是，Micro LED在其制备过程中，尤其是在集成阶段遇到了因为“巨量”(即芯片数量多)而导致制备效率低，成品良率低的问题。现有技术中，制备MicroLED显示屏需要先将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化，Micro LED芯片尺寸仅在1～10μm左右；然后将Micro LED芯片阵列批量转移至电路基板上。此外，现有技术中的MicroLED芯片阵列中，Micro LED芯片之间需要打线，即制作Micro LED芯片之间的互联电路，而互联电路将对发出的光产生吸收损耗。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种Micro LED芯片结构及其制备方法、显示装置，以期至少部分地解决上述技术问题。。
作为本发明的一个方面，本发明提供了一种Micro LED芯片结构，包括：
第一衬底；
反射镜，设置在所述第一衬底上；
外延结构，设置在所述反射镜的表面上，适用于发出光信号；所述外延结构包括位于所述外延结构顶部的n-GaN层；
钝化层，覆盖所述外延结构的侧壁，并覆盖所述反射镜表面的剩余部分；其中，所述钝化层与所述n-GaN层形成平面，所述剩余部分为所述反射镜表面未被所述外延覆盖的部分；
介质层，设置在所述钝化层与所述n-GaN层形成的平面上，适用于当外部电压高于阈值电压时，为所述Micro LED芯片结构提供电注入通道；
透明电极层，设置在所述介质层上，适用于多个所述Micro LED芯片结构之间形成电连接，并适用于透过所述外延结构发出的光信号。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种Micro LED芯片结构的制备方法，包括：
步骤S1：在第二衬底上制备外延结构；其中，所述外延结构为设置在所述第二衬底上的凸台，所述外延结构包括n-GaN层；
步骤S2：在所述第二衬底上以及所述外延结构的侧壁上制备钝化层；其中，所述钝化层与所述n-GaN层形成平面；
步骤S3：在所述外延结构以及所述钝化层形成的平面上制备反射镜；
步骤S4：将步骤S3中得到的结构倒装在第一衬底上，并将所述反射镜与所述第一衬底连接；
步骤S5：将所述第二衬底从所述外延结构上剥离；
步骤S6：刻蚀所述外延结构与所述反射镜相对的一侧，暴露出所述n-GaN层，并刻蚀所述钝化层，所述n-GaN层与所述钝化层形成平面；
步骤S7：在所述n-GaN层与所述钝化层形成的平面上制备介质层；
步骤S8：在所述介质层上制备透明电极层。
作为本发明的又一个方面，本发明还提供了一种Micro LED显示装置，包括如上所述的Micro LED芯片结构，或者包括由如上所述的制备方法制成的Micro LED芯片结构。
基于以上技术方案，本发明的Micro LED芯片结构及其制备方法、显示装置相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
1、本发明的Micro LED芯片结构在透明电极层与用于发光的外延结构间采用介质层作为N电极的注入通道，即在芯片结构中采用非接触式的电注入结构，采用反射镜增强发光强度，并采用透明电极层作为光信号的传输通道和Micro LED芯片结构的电极，避免了因需要额外制备互联电路或金属电极而引起的光的吸收损耗。
2、本发明的Micro LED芯片结构及其制备方法由于减少了蒸镀金属的次数，且无需光刻金属N电极，因此该方法工艺流程简单，且降低了制备成本，提高了生产效率。
3、本发明的Micro LED芯片结构由于采用了透明电极层，并采用了金属材料制备第一衬底，因此提供了一种无需打线的封装模式和应用模式，即采用该Micro LED芯片组成的显示装置在封装过程中无需单独制备互联电路或单独制备电极，有效降低了Micro LED芯片的集成难度，简化了生产工艺流程，降低了生产成本，提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明实施例中Micro LED芯片结构的示意图；
图2是本发明实施例中Micro LED芯片结构制备过程中的结构示意图；
图3是本发明实施例中Micro LED芯片结构的制备方法的流程示意图。
附图标记说明：
10-第一衬底；
20-钝化层；
30-外延结构；
31-p-GaN层；
32-电子阻挡层；
33-多量子阱有源层；
34-n-GaN层；
35-u-GaN层；
36-缓冲层；
40-反射镜；
50-第二衬底；
60-介质层；
70-透明电极层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种新型的平面显示用Micro LED结构，该新型Micro LED结构与传统的LED结构相比，工艺简单，良率高，有效降低多Micro LED的集成难度。
图1是本发明实施例中Micro LED芯片结构的示意图。
本发明提供了Micro LED芯片结构，如图1所示，包括：
第一衬底10；
反射镜40，设置在所述第一衬底10上；
外延结构30，设置在所述反射镜40的表面上，适用于发出光信号；所述外延结构30包括位于所述外延结构30顶部的n-GaN层34；
钝化层20，覆盖所述外延结构30的侧壁，并覆盖所述反射镜40表面的剩余部分；其中，所述钝化层20与所述n-GaN层34形成平面，所述剩余部分为所述反射镜40表面未被所述外延结构30覆盖的部分；
介质层60，设置在所述钝化层20与所述n-GaN层34形成的平面上，适用于当外部电压高于阈值电压时，为所述Micro LED芯片结构提供电注入通道；
透明电极层70，设置在所述介质层60上，适用于多个所述Micro LED芯片结构之间形成电连接，并适用于透过所述外延结构30发出的光信号。
根据本发明的实施例，所述外延结构30还包括：
p-GaN层31，设置在所述反射镜40上；
电子阻挡层32，设置在所述p-GaN层31上；
多量子阱有源层33，设置在所述电子阻挡层32上；所述n-GaN层34设置在所述多量子阱有源层33上。
根据本发明的实施例，所述多量子阱有源层33包括AlXGa1-XN/GaN量子阱发光层或InYGa1-YN/GaN量子阱发光层；其中0＜X＜1，0＜Y＜1。
根据本发明的实施例，所述第一衬底10由包括金属的材料制成。
根据本发明的实施例，所述介质层60由包括TiO2、Ti3O5或ZrO2中的任一种材料制成。
根据本发明的实施例，所述透明电极层70由包括氧化铟锡的材料制成。
根据本发明的实施例，所述反射镜40由包括金、银、铜、铂、铬、镍、铝或钛中的任一种或多种的组合制成。
图2是本发明实施例中Micro LED芯片结构的制备方法的流程示意图。
图3是本发明实施例中Micro LED芯片结构制备过程中的结构示意图。
本发明还提供了Micro LED芯片结构的制备方法，如图2所示，包括：
步骤S1：在第二衬底50上制备外延结构30；其中，所述外延结构30为设置在所述第二衬底50上的凸台，所述外延结构30包括n-GaN层34；
步骤S2：在所述第二衬底50上以及所述外延结构30的侧壁上制备钝化层20；其中，所述钝化层20与所述n-GaN层34形成平面；
步骤S3：在所述外延结构30以及所述钝化层20形成的平面上制备反射镜40，形成如图3所示的结构；
步骤S4：将步骤S3中得到的结构倒装在第一衬底10上，并将所述反射镜40与所述第一衬底10连接；
步骤S5：将所述第二衬底50从所述外延结构30上剥离；
步骤S6：刻蚀所述外延结构30与所述反射镜40相对的一侧，暴露出所述n-GaN层34，并刻蚀所述钝化层20，所述n-GaN层34与所述钝化层20形成平面；
步骤S7：在所述n-GaN层34与所述钝化层20形成的平面上制备介质层60；
步骤S8：在所述介质层60上制备透明电极层70。
根据本发明的实施例，所述步骤S1包括：
在所述第二衬底50上依次制备缓冲层36、u-GaN层35、所述n-GaN层34、多量子阱有源层33、电子阻挡层32以及p-GaN层31，形成外延层；
刻蚀所述外延层，刻蚀深度到达所述第二衬底50，形成所述外延结构30。
根据本发明的实施例，所述步骤S6包括：
刻蚀并去除所述缓冲层36、所述u-GaN层35以及覆盖在所述缓冲层36、所述u-GaN层35侧壁上的所述钝化层20。
根据本发明的实施例，将所述反射镜40与所述第一衬底10连接的方法包括：电镀法或晶圆键合法；
根据本发明的实施例，将所述第二衬底50从所述外延结构30上剥离的方法包括：激光剥离法或机械剥离法。
本发明还提供了Micro LED显示装置，包括如上所述的Micro LED芯片结构，或者包括由如上所述的制备方法制成的Micro LED芯片结构。
该Micro LED芯片采用介质层缺陷辅助载流子输运，芯片尺寸可以任意设计，工艺简单，良率高，发光均匀性好，适合用于平面显示，有效降低多种Micro LED的集成难度。
不同于现有技术中的Micro LED芯片通过上下金属经过欧姆接触而实现电注入，由于在透明电极层70和用于发光的外延结构30之间隔着一层绝缘层(即介质层60)，因此该Micro LED芯片结构属于非接触式的电注入结构。当电压高于介质层60的击穿电压值时，介质层60将被击穿，此时利用介质层60的缺陷辅助隧穿机制形成导电通道从而实现非接触式的电注入，使Micro LED芯片实现发光。这种击穿为可恢复性击穿，当电压降低至介质层60的击穿电压值以下时，由于介质层60纵向电阻较大，透明电极层70与外延结构30处于断路状态，Micro LED芯片无法发光。
本发明的一个实施例中提供了一种Micro LED芯片结构，如图1所示，包括：第一衬底10、反射镜40、钝化层20、外延结构30、介质层60和透明电极层70。
在本实施例中，第一衬底10由铜制成，反射镜40采用的材料包括Ni/Ag/Pt/Au。外延结构30设置在所述反射镜40的表面上；所述外延结构30由下至上依次包括：p-GaN层31、电子阻挡层32、多量子阱有源层33与n-GaN层34。
在本实施例中，p-GaN层31为0.08μm p-GaN，其Mg掺杂浓度约为3.6×1019cm-3，电子阻挡层32为0.02μm的p-Al0.1Ga0.9N；多量子阱有源层33为9对In0.17Ga0.83N/GaN(3.5nm/10nm)；n-GaN层34中Si掺杂浓度约为2×1019cm-3。
在本实施例中，钝化层20覆盖外延结构30侧壁，且覆盖反射镜40上表面未被外延结构30覆盖的部分。钝化层20采用的材料包括但不限于氧化硅或者氮化硅等绝缘材料，用于形成对外延结构30的隔离。
在本实施例中，介质层60由Ta2O5制成，但不限于此，介质层60还可以采用包括TiO2、Ti3O5、ZrO2等材料制成。
在本实施例中，透明电极层70由氧化铟锡制成。
在本实施例中，介质层60厚度为20nm，当电压范围为8.5V至12V时介质层60将被击穿，从而实现Micro LED芯片发光；当电压小于8V时，透明电极层70与外延结构30处于断路状态，Micro LED芯片无法发光。
本发明的一个实施例中还提供了一种Micro LED芯片的制备方法，包括：
S1：在蓝宝石平面衬底即第二衬底50上依次生长缓冲层36、u-GaN层35、n-GaN层34、多量子阱有源层33、电子阻挡层32以及p-GaN层31，形成外延层。
其中，缓冲层36为2μm的AlN，u-GaN层35的厚度为3.5μm，n-GaN层34的厚度为1.5μm，多量子阱有源层33为9对In0.17Ga0.83N/GaN3.5nm/10nm、电子阻挡层32为0.02μm的p-Al0.1Ga0.9N，p-GaN层31为0.08μm n-GaN，p-GaN层31中Mg掺杂浓度大约为3.6×1019cm-3。
S2：采用ICP法即电感耦合等离子刻蚀法刻蚀外延层，刻蚀深度直到第二衬底50，形成一个设置在第二衬底50上的凸台，该凸台为外延结构30。
S3：采用PEVCD技术即等离子体增强化学的气相沉积法在外延结构30的侧壁，以及第二衬底50上表面未被外延结构30覆盖的部分蒸镀氧化硅或者氮化硅等绝缘材料，形成钝化层20。该钝化层20用于对外延结构30的侧壁进行钝化保护。
在本实施例中，刻蚀深度到达第二衬底50，暴露出，并形成包含有n-GaN层23、多量子阱有源层24、电子阻挡层25和p-GaN层26的凸台。
根据本发明的实施例，所述凸台的形状与结构不做限定，可根据实际需要进行设计。
根据本发明的实施例，例如先用光刻胶定义出发光区域，利用光刻胶作为掩膜，然后进行ICP刻蚀，直至刻蚀到第二衬底50为止。
S4：在外延结构30与钝化层20形成的表面上，采用电子束蒸发法蒸镀Ni/Ag/Pt/Au，形成反射镜40，并得到如图3所示的结构。
S5：将步骤S4中得到的设置有反射镜40的结构倒装，此时第二衬底50在上，反射镜40在下。将该结构转移至导热导电性良好的第一衬底10，即将反射镜40设置在第一衬底10上。
根据本发明的实施例，转移的方法可以采用现有技术中的电镀工艺，例如可以采用电镀铜的方法等，也可以通过晶圆键合方法完成转移，例如可以为金铟键合、金锡键合和金金键合等。
S6：采用激光剥离方法去掉步骤S5中结构的第二衬底50。
S7：采用ICP技术刻蚀外延结构30与钝化层20，去除缓冲层36、u-GaN层35，并去除覆盖在缓冲层36与u-GaN层35侧壁的钝化层20，在n-GaN层34形成平整的表面。
S8：在n-GaN层34表面上，采用PECVD技术蒸镀一层厚度为20nm的Ta2O5，形成介质层60。
根据本发明的实施例，还可以采用其他材料制备介质层60，例如可以为TiO2、Ti3O5、ZrO2等，只要介质层60能同时满足不吸收外延结构30发出的光，且具有电绝缘特性即可。
S9：在介质层60上蒸镀一层厚度为100nm的氧化铟锡，形成透明电极层70，并形成如图1所示的结构。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种Micro LED芯片结构，其特征在于，包括：
第一衬底(10)；
反射镜(40)，设置在所述第一衬底(10)上；
外延结构(30)，设置在所述反射镜(40)的表面上，适用于发出光信号；所述外延结构(30)包括位于所述外延结构(30)顶部的n-GaN层(34)；
钝化层(20)，覆盖所述外延结构(30)的侧壁，并覆盖所述反射镜(40)表面的剩余部分；其中，所述钝化层(20)与所述n-GaN层(34)形成平面，所述剩余部分为所述反射镜(40)表面未被所述外延结构(30)覆盖的部分；
介质层(60)，设置在所述钝化层(20)与所述n-GaN层(34)形成的平面上，适用于当外部电压高于阈值电压时，为所述Micro LED芯片结构提供电注入通道；
透明电极层(70)，设置在所述介质层(60)上，适用于多个所述MicroLED芯片结构之间形成电连接，并适用于透过所述外延结构(30)发出的光信号。
2.根据权利要求1所述的Micro LED芯片结构，其特征在于，所述外延结构(30)还包括：
p-GaN层(31)，设置在所述反射镜(40)上；
电子阻挡层(32)，设置在所述p-GaN层(31)上；
多量子阱有源层(33)，设置在所述电子阻挡层(32)上；所述n-GaN层(34)设置在所述多量子阱有源层(33)上。
3.根据权利要求2所述的Micro LED芯片结构，其特征在于，
所述多量子阱有源层(33)包括AlXGa1-XN/GaN量子阱发光层或InYGa1-YN/GaN量子阱发光层；其中0＜X＜1，0＜Y＜1。
4.根据权利要求1所述的Micro LED芯片结构，其特征在于，
所述第一衬底(10)由包括金属的材料制成；
所述介质层(60)由包括TiO2、Ti3O5或ZrO2中的任一种材料制成。
5.根据权利要求1所述的Micro LED芯片结构，其特征在于，
所述透明电极层(70)由包括氧化铟锡的材料制成；
所述反射镜(40)由包括金、银、铜、铂、铬、镍、铝或钛中的任一种或多种的组合制成。
6.一种Micro LED芯片结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在第二衬底(50)上制备外延结构(30)；其中，所述外延结构(30)为设置在所述第二衬底(50)上的凸台，所述外延结构(30)包括n-GaN层(34)；
步骤S2：在所述第二衬底(50)上以及所述外延结构(30)的侧壁上制备钝化层(20)；其中，所述钝化层(20)与所述n-GaN层(34)形成平面；
步骤S3：在所述外延结构(30)以及所述钝化层(20)形成的平面上制备反射镜(40)；
步骤S4：将步骤S3中得到的结构倒装在第一衬底(10)上，并将所述反射镜(40)与所述第一衬底(10)连接；
步骤S5：将所述第二衬底(50)从所述外延结构(30)上剥离；
步骤S6：刻蚀所述外延结构(30)与所述反射镜(40)相对的一侧，暴露出所述n-GaN层(34)，并刻蚀所述钝化层(20)，所述n-GaN层(34)与所述钝化层(20)形成平面；
步骤S7：在所述n-GaN层(34)与所述钝化层(20)形成的平面上制备介质层(60)；
步骤S8：在所述介质层(60)上制备透明电极层(70)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
在所述第二衬底(50)上依次制备缓冲层(36)、u-GaN层(35)、所述n-GaN层(34)、多量子阱有源层(33)、电子阻挡层(32)以及p-GaN层(31)，形成外延层；
刻蚀所述外延层，刻蚀深度到达所述第二衬底(50)，形成所述外延结构(30)。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
刻蚀并去除所述缓冲层(36)、所述u-GaN层(35)以及覆盖在所述缓冲层(36)、所述u-GaN层(35)侧壁上的所述钝化层(20)。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
将所述反射镜(40)与所述第一衬底(10)连接的方法包括：电镀法或晶圆键合法；
将所述第二衬底(50)从所述外延结构(30)上剥离的方法包括：激光剥离法或机械剥离法。
10.一种Micro LED显示装置，包括如权利要求1至5中任一项所述的Micro LED芯片结构，或者包括由如权利要求6至9中任一项所述的制备方法制成的Micro LED芯片结构。
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