CN114141916A - 纳米尺寸led芯片阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种纳米尺寸LED芯片阵列及其制备方法，在衬底上依次外延生长N型氮化镓层、量子阱有源层以及P型氮化镓层；在P型氮化镓层上图案化制作金属对该区域P型氮化镓中的掺杂物与氢形成的络合物起一定的作用，使氢从中解吸，以激活该区域；利用离子注入在除金属激活区域以外的区域形成高阻值区域；在高阻值区域上覆盖二氧化硅；分别在金属激活的P型氮化镓区域和N型氮化镓形成P型电极和N型电极。本发明技术方案采用离子注入形成电气隔离可以有效避免传统ICP刻蚀中的侧壁损伤问题和后续金属爬坡易断裂问题，并利用金属激活进一步提高激活区域的光电性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种纳米尺寸LED芯片阵列及其制备方法。
背景技术
在高速信息化的时代，大量信息的可视化变为更为重要，从液晶屏幕到OLED屏幕，再到mini LED屏幕，人们在追求观感更好功耗更低的显示技术。其中传统的发光二极管具有高亮度低功耗等诸多优点被视为未来最重要最有潜力的显示方向，LED仅需传统发光器件的10%能耗即可提供相同的光能，并且持续发光寿命可达100000小时，即十一年，也就意味着只要LED产品通过出厂测试即可长时间使用，其高效率的能量转换也更有益于环境保护，并且LED的使用环境也更为广泛。
LED近些年来为了得到更好的观看效果，LED开始走向微型化，而传统微型LED芯片制备方法存在一定的缺陷，其在制作过程中需要通过刻蚀掉P型氮化镓层与量子阱以破坏正常半导体结构达到各个发光点隔离的目的，但在刻蚀过程中常常因为工艺的限制而伴有侧壁损伤问题，侧壁损伤本身会导致正常的LED中出现非辐射复合，不是我们所需要的能发光的辐射复合。而且侧壁损伤又会导致后续的制作金属电极时爬坡易断裂的问题，并且侧壁损伤形成的结构会导致制备出的成品存在漏电流，使得成品光电性能不好，最终成品出光效率降低，功耗增加等一系列负面影响，刻蚀虽然可以达到电气隔离的作用，但刻蚀破坏半导体结构形成电气隔离的同时也使得刻蚀的部分暴露在空气中，空气中的水汽和氧气更容易进入，水汽的存在将导致LED产品的寿命和性能的下降。随着LED器件尺寸的微缩化，上述问题也将更加严重。例如5um*5um的发光区域在用离子刻蚀后可能变为3um*3um的发光区域，2 μｍ*2 μｍ的区域由于刻蚀的技术缺点而变为斜坡而失去发光作用，发光区域就减少了16%。对于刻蚀制备出的微型LED阵列来说，在外力撞击、自然跌落、日常磕碰等情况下有可能因为刻蚀导致的结构进一步碎裂为大的裂痕，导致LED产品的直接损坏。上述缺点也将随着尺寸的微缩化而更加严重，所以对于更小尺寸的LED制备需要一种更为合适的结构及其对应的制备方案。
发明内容
有鉴于此，为了填补现有技术的空白，本发明的目的在于提供一种纳米尺寸LED芯片阵列及其制备方法，其利用离子注入在非激活区域形成高阻值区域的方法可避免大幅破坏正常半导体结构，也就避免了刻蚀带来的一系列问题，而离子注入形成的高阻值区域由于其高阻值的特点可以达到电气隔离的作用，同时再利用在P型氮化镓层上图案化制作金属对P型氮化镓中非离子注入区域的掺杂物与氢形成的络合物起一定作用，使氢从中解吸，以激活非离子注入区域，使得该区域中的“空穴”数量提升，从而达到激活该区域的目的。这样一来，在非激活区域形成电气隔离，在发光区域利用金属激活提高发光区域的光电性能，从而形成纳米尺寸LED。这样制作出来的纳米尺寸LED产品不仅可以避免刻蚀带来的发光区域损失、功耗增加、漏电流、水汽侵入问题而且可以避免刻蚀所导致的性能损失还可以利用金属激活进一步提高其性能。
而对于利用破坏性小得多的离子注入与金属激活相结合制备的纳米尺寸LED阵列产品则较为无需担心这种情况的发生。对于产品的运输，日常使用都是十分有好处的。
制备出的纳米尺寸LED产品在多种显示应用场景皆可使用，例如大幅提高投影机的分辨率、超清视频墙、超大影院显示墙等。由于其小尺寸，也可应用于多种柔性显示场景，如车载显示、可穿戴设备、智能手表等。对于新兴的技术领域也是十分有利的，例如提高AR/VR设备的分辨率以显示更加真实更高分辨率的场景。
其方案主要包括：在衬底上依次外延生长N型氮化镓层、量子阱有源层以及P型氮化镓层；在P型氮化镓层上图案化制作金属对该区域P型氮化镓中的掺杂物与氢形成的络合物起一定的作用，使氢从中解吸，以激活该区域；利用离子注入在除金属激活区域以外的区域形成高阻值区域；在高阻值区域上覆盖二氧化硅；分别在金属激活的P型氮化镓区域和N型氮化镓形成P型电极和N型电极。本发明技术方案采用离子注入形成电气隔离可以有效避免传统ICP刻蚀中的侧壁损伤问题和后续金属爬坡易断裂问题，并利用金属激活进一步提高激活区域的光电性能并在非激活区域形成可靠的电气隔离。
本发明具体采用以下技术方案：
一种纳米尺寸LED芯片阵列，其特征在于，包括：衬底，在所述衬底上依次外延生长的N型氮化镓层、缓冲层、量子阱有源层以及P型氮化镓层；
所述P型氮化镓层上设置有图案化金属区域，并在P型氮化镓层中形成利用金属激活的区域；所述利用金属激活的区域利用金属对掺杂物与氢形成的络合物进行作用，使氢从中解吸，以激活该区域；
利用离子注入围绕金属激活区域形成高阻值区域；
在高阻值区域上覆盖有二氧化硅层；
在所述图案化金属区域上形成有P型电极，在刻蚀暴露的N型氮化镓层上形成有N型电极。
进一步地，所述图案化金属区域采用的金属为钽、钼、银、铂、镍、钯、金中的一种或多种。
进一步地，所述高阻值区域注入的离子为硼离子，氟离子，氢离子，氦离子中的一种或多种。
进一步地，所述高阻值区域的注入深度为：注入至P型氮化镓层与量子阱有源层交界处或注入至量子阱有源层与N型氮化镓层交界处或注入至P型氮化镓层或注入至量子阱有源层或注入至N型氮化镓层。
进一步地，利用离子注入形成高阻值区域的离子注入能量范围为30 keV到150keV。
进一步地，离子注入的次数为一次到三次。
进一步地，所述P型电极和N型电极的电极材料为钽、钼、银、铂、镍、钯、金、铝中的一种或多种。
以及，一种纳米尺寸LED芯片阵列的制备方法，其特征在于：在P型氮化镓层上设置有图案化金属区域，以利用金属对掺杂物与氢形成的络合物进行作用，使氢从中解吸，使得该区域的P型氮化镓层被激活，形成利用金属激活的区域；
并利用离子注入，围绕金属激活区域形成高阻值区域；
所述高阻值区域用于形成电气隔离。
进一步地，在衬底上依次外延生长有N型氮化镓层、缓冲层、量子阱有源层以及P型氮化镓层；
在高阻值区域上覆盖二氧化硅层；
在所述图案化金属区域上形成P型电极；在远离发光区域的区域进行刻蚀；在暴露的N型氮化镓层上形成N型电极。
进一步地，所述高阻值区域的注入深度为：注入至P型氮化镓层与量子阱有源层交界处或注入至量子阱有源层与N型氮化镓层交界处或注入至P型氮化镓层或注入至量子阱有源层或注入至N型氮化镓层；
离子注入的次数为一次到三次；
在所述图案化金属区域上形成P型电极具体为：直接用图案化的金属作为金属电极或导电材料制作于图案化金属区域上层作为引出电极或在阵列中逐个引出P型电极。
与现有技术相比，本发明及其优选方案通过在所需发光区域的P型氮化镓层图案化金属对该区域P型氮化镓中的掺杂物与氢形成的络合物起一定的作用，使氢从中解吸，以激活该区域，再利用离子注入在非激活区形成高阻值区域达到电气隔离作用，避免了传统工艺带来的侧壁损伤，有利于减少LED器件的漏电流，提高发光性能，并且避免了在LED发光区域周围形成台阶结构，有利于器件的微型化和减少对发光区域的破坏。利用金属激活发光区域和离子注入形成高阻值区域相结合，有效提高了发光区域的“空穴”数量并实现破坏性小得多的电气隔离，有利于进一步提高LED器件的光电性能，大大减少漏电流和刻蚀带来的种种不利影响。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例提供的一种纳米尺寸LED器件的剖面结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种纳米尺寸LED阵列的顶面示意图。
图中：100-衬底；101-N型氮化镓层；102-量子阱有源层；103-N型电极；105-P型氮化镓中有离子注入的区域；106-P型氮化镓中利用金属激活的区域；107-图案化金属；108-二氧化硅层；109-P型电极。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处的附图中的描述和示出的组件可以以不同配置来组合设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的选定实施例的详细描述并非为了限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
本实施例提供的带有发光阵列的纳米尺寸LED器件如图1所示，包括衬底100；N型氮化镓层101及缓冲层；量子阱有源层102；N型电极103；P型氮化镓层；P型氮化镓中有离子注入的区域105；P型氮化镓中利用金属激活的区域106；图案化金属107；二氧化硅层108；P型电极109。
其中P型氮化镓层由所有离子注入区域105与金属激活区域106组成，量子阱有源层102由离子注入区域与非离子注入区域组成，未予一一标出。图2中仅标出俯视情况下可见部分。图中同一区域为避免繁杂，仅标出一个以作示意。
具体地，本申请实施例中的衬底100可以选用蓝宝石衬底，硅衬底或其他材质的衬底。本实施例并不限制衬底100的具体材质。其中N型氮化镓层101还应带有缓冲层，在图中为尽量简洁说明而未画出，但不应视其为无。
在衬底100上正常依次生长N型氮化镓101、量子阱有源层102、P型氮化镓后，利用合适的掩模图案化制备金属于发光区域，用以使该区域中的氢从掺杂物质与氢形成的络合物中解吸，使得该区域的“空穴”数量提升，激活该区域，提高该区域的发光性能。详细的，金属种类可以是钽、钼、银、铂、镍、钯、金或任一组合。
在图案化制备金属激活发光区域后利用离子注入在非激活区域进行离子注入。详细的，注入深度可以达P型氮化镓层或P型氮化镓层与量子阱有源层102交界处或量子阱有源层102或量子阱有源层与N型氮化镓层101交界处或N型氮化镓101，能量也可从30 kev至150 kev，次数也可为一次到三次，在离子注入处会形成高阻值区域，以此达到电气隔离作用。离子种类也可以是硼离子，氟离子、氢离子、氦离子或任一组合。
在形成电气隔离的区域上覆盖一层二氧化硅，即108，从而起到隔绝水汽氧气的作用。
在图案化金属107引出P型半导体电极109。详细的，也可以直接用图案化的金属作为金属电极，也可以再用其他材料制作于图案化金属107上层作为引出电极。也可以在阵列中逐个引出P型电极，如图2所示。
在远离发光区域的区域进行刻蚀，深度至裸露出N型半导体，再在其上制作电极作为N型电极103。具体地，也可以在分开各个发光区域后再进行N型电极的制作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用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。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的纳米尺寸LED芯片阵列及其制备方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种纳米尺寸LED芯片阵列，其特征在于，包括：衬底，在所述衬底上依次外延生长的N型氮化镓层、缓冲层、量子阱有源层以及P型氮化镓层；
所述P型氮化镓层上设置有图案化金属区域，并在P型氮化镓层中形成利用金属激活的区域；所述利用金属激活的区域利用金属对掺杂物与氢形成的络合物进行作用，使氢从中解吸，以激活该区域；
利用离子注入围绕金属激活区域形成高阻值区域；
在高阻值区域上覆盖有二氧化硅层；
在所述图案化金属区域上形成有P型电极，在刻蚀暴露的N型氮化镓层上形成有N型电极。
2.根据权利要求1所述的纳米尺寸LED芯片阵列，其特征在于：所述图案化金属区域采用的金属为钽、钼、银、铂、镍、钯、金中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的纳米尺寸LED芯片阵列，其特征在于：所述高阻值区域注入的离子为硼离子，氟离子，氢离子，氦离子中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的纳米尺寸LED芯片阵列，其特征在于：所述高阻值区域的注入深度为：注入至P型氮化镓层与量子阱有源层交界处或注入至量子阱有源层与N型氮化镓层交界处或注入至P型氮化镓层或注入至量子阱有源层或注入至N型氮化镓层。
5.根据权利要求1所述的纳米尺寸LED芯片阵列，其特征在于：利用离子注入形成高阻值区域的离子注入能量范围为30 keV到150 keV。
6.根据权利要求1所述的纳米尺寸LED芯片阵列，其特征在于：离子注入的次数为一次到三次。
7.根据权利要求1所述的纳米尺寸LED芯片阵列，其特征在于：所述P型电极和N型电极的电极材料为钽、钼、银、铂、镍、钯、金、铝中的一种或多种。
8.一种纳米尺寸LED芯片阵列的制备方法，其特征在于：在P型氮化镓层上设置有图案化金属区域，以利用金属对掺杂物与氢形成的络合物进行作用，使氢从中解吸，使得该区域的P型氮化镓层被激活，形成利用金属激活的区域；
并利用离子注入，围绕金属激活区域形成高阻值区域；
所述高阻值区域用于形成电气隔离。
9.根据权利要求8所述的纳米尺寸LED芯片阵列的制备方法，其特征在于：在衬底上依次外延生长有N型氮化镓层、缓冲层、量子阱有源层以及P型氮化镓层；
在高阻值区域上覆盖二氧化硅层；
在所述图案化金属区域上形成P型电极；在远离发光区域的区域进行刻蚀；在暴露的N型氮化镓层上形成N型电极。
10.根据权利要求9所述的纳米尺寸LED芯片阵列的制备方法，其特征在于：所述高阻值区域的注入深度为：注入至P型氮化镓层与量子阱有源层交界处或注入至量子阱有源层与N型氮化镓层交界处或注入至P型氮化镓层或注入至量子阱有源层或注入至N型氮化镓层；
离子注入的次数为一次到三次；
在所述图案化金属区域上形成P型电极具体为：直接用图案化的金属作为金属电极或导电材料制作于图案化金属区域上层作为引出电极或在阵列中逐个引出P型电极。
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