CN114497325A - 嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入量子点的全彩Micro‑LED显示芯片及其制备方法。本发明在n型半导体层制备特殊的纳米孔图形阵列，分别在红光Micro‑LED芯片和绿光Micro‑LED芯片的纳米孔图形阵列中注入红色和绿色量子点，提高量子点的色转换效率和芯片的光提取效率。本发明在Micro‑LED芯片表面制备了一种复合介质层。采用ALD技术沉积一层薄的第一介质层，采用PECVD技术沉积一层厚的第二介质层，并且第一介质层和第二介质层的折射率不同，在降低芯片制备成本的同时，有效降低了芯片的非辐射复合几率和漏电流，提高了芯片的光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管技术领域，具体涉及一种嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片及其制备方法。
背景技术
基于III族氮化物发光二极管(LED)已经广泛应用于固态照明，随着LED技术的创新与发展，Micro-LED受到了越来越多的关注。Micro-LED芯片的尺寸通常在50μm以下，利用Micro-LED芯片制备显示器件可以实现超高分辨显示，Micro-LED显示器件与现有的LCD和OLED显示器件相比，具有发光效率高、功耗低、工作寿命长、化学稳定性好、响应速度快等优点。
目前，单色Micro-LED显示器件的制备工艺较为成熟，制备全彩Micro-LED显示器件成为当前显示领域一个重要的研究方向。实现Micro-LED全彩显示的方法主要有两种：一种是通过键合工艺将AlGaInP基红光Micro-LED、InGaN基绿光Micro-LED和InGaN基蓝光Micro-LED芯片集成在驱动面板上形成RGB三基色Micro-LED芯片阵列，这种方法获得的Micro-LED显示器件具有高显色指数和高发光效率，但在巨量转移和芯片制备等方面存在较多难题；另一种是利用量子点色转换技术，在蓝光Micro-LED芯片上喷涂红色、绿色量子点，制备三基色Micro-LED芯片阵列。由于量子点在蓝光激发波段利用率较低，限制了显色指数和发光效率的提高。此外，由于Micro-LED芯片尺寸降低到微米级，表面缺陷和侧壁损伤导致的Shockley-Read-Hall非辐射复合中心显著增加。目前，采用原子层沉积(ALD)技术在Micro-LED芯片表面制备介质层可以降低表面非辐射复合几率和漏电流，并且防止量子点氧化，但这种方法存在成本高、效率低等问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提出一种嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片及其制备方法，有效地减少Micro-LED芯片表面非辐射复合中心和漏电流，提高芯片的发光效率和量子点的色转换效率，降低生产成本。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片，其特征在于：包括驱动面板、键合在驱动面板上且阵列排布的若干RGB像素单元；
所述每一RGB像素单元包括三个薄膜倒装Micro-LED芯片，分别发射红光、绿光、蓝光；
所述薄膜倒装Micro-LED芯片的n型半导体层表面制备有纳米孔图形阵列；在所述红光和绿光薄膜倒装Micro-LED芯片的纳米孔图形阵列中分别注入红色量子点和绿色量子点；
在所述薄膜倒装Micro-LED芯片表面制备有复合介质层；所述复合介质层包括第一介质层和第二介质层。
作为优选方案，所述第一介质层的制备采用ALD技术，其厚度为1-3nm；所述第二介质层的制备采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，其厚度为5-10nm。
进一步地，所述第一介质层和第二介质层的材料均为SiO2、Al2O3或AlON中的任一种。
更进一步地，所述纳米孔图形阵列的制备采用ICP刻蚀或纳米压印技术；所述纳米孔图形为圆柱形、圆锥形、圆台形或棱柱形中的任一种。
更进一步地，所述圆柱形纳米柱结构的直径为100-500nm，深度为2-3μm。
简要说明，即上述嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片中包括驱动面板、键合在驱动面板上且阵列排布的RGB像素单元，所述每一RGB像素单元包括三个薄膜倒装Micro-LED芯片，分别发射红光、绿光、蓝光。在所述薄膜倒装Micro-LED芯片的n型半导体层表面制备特殊的纳米孔图形阵列，在所述红光和绿光薄膜倒装Micro-LED芯片的纳米孔图形阵列中分别注入红色量子点和绿色量子点，在所述薄膜倒装Micro-LED芯片表面制备复合介质层，所述复合介质层包括第一介质层和第二介质层。
第二方面，本发明提供一种制备如上任一所述嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：提供具有完整结构的蓝光Micro-LED外延片，所述蓝光Micro-LED外延片结构自下而上依次包括衬底、无掺杂半导体层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层；
S2：在所述外延片上刻蚀芯片隔离沟槽，采用ICP对所述外延片的多量子阱有源层、p型半导体层进行刻蚀，直至暴露出n型半导体层，形成直达n型半导体层的n型通孔；具体的，所述芯片隔离沟槽的刻蚀深度直至蓝宝石衬底，所述芯片的尺寸为30-50μm。
S3：在所述外延片上沉积金属反射层，并刻蚀去除n型通孔中的金属反射层；
S4：在所述外延片上沉积绝缘层，刻蚀去除n型通孔中的绝缘层，并刻蚀p型电极接触沟槽，直至暴露出金属反射层；
S5：采用电子束蒸发技术在所述n型半导体层和金属反射层上沉积p电极和n电极，氮气氛围退火，形成Micro-LED芯片晶圆片；
S6：提供驱动面板，将所述Micro-LED芯片晶圆片键合至驱动面板表面；
S7：采用激光辐照剥离所述Micro-LED芯片晶圆片的蓝宝石衬底；
S8：在所述n型半导体层刻蚀纳米孔图形阵列，在红光Micro-LED芯片和绿光Micro-LED芯片的纳米孔图形阵列中分别注入红色量子点和绿色量子点；
所述纳米孔图形阵列的制备采用ICP技术或纳米压印技术，所述纳米孔图形为圆柱形、圆锥形、圆台形或棱柱形中的一种。具体的，所述圆柱形纳米孔图形的直径为100-500nm，深度为2-3μm。
S9：在所述芯片上沉积第一介质层和第二介质层，在所述芯片隔离沟槽中填充吸光材料。
所述第一介质层的制备采用ALD技术，厚度为1-3nm，所述第二介质层的制备采用PECVD技术，厚度为5-10nm。具体的，所述第一介质层和所述第二介质层的材料均为SiO2、Al2O3或AlON中的一种。
作为优选方案，所述衬底为蓝宝石、硅或碳化硅中的任一种。
进一步地，所述半导体层为GaN。
本发明的优点及有益效果如下：
1、在n型半导体层制备特殊的纳米孔图形阵列，分别在红光Micro-LED芯片和绿光Micro-LED芯片的纳米孔图形阵列中注入红色和绿色量子点，提高量子点的色转换效率和芯片的光提取效率。
2、在Micro-LED芯片表面制备了一种复合介质层。采用ALD技术沉积一层薄的第一介质层，采用PECVD技术沉积一层厚的第二介质层，并且第一介质层和第二介质层的折射率不同，在降低芯片制备成本的同时，有效降低了芯片的非辐射复合几率和漏电流，提高了芯片的光提取效率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明实施例1提供的键合在驱动面板上的RGB像素单元结构示意图。
图3为本发明实施例1提供的蓝光Micro-LED外延片结构示意图。
图4为本发明实施例1提供的薄膜倒装Micro-LED芯片结构示意图。
图5为本发明实施例2提供的薄膜倒装Micro-LED芯片结构示意图。
图6为本发明实施例1提供的Lighttools软件仿真的红光薄膜倒装Micro-LED芯片在表面分别制备有复合介质层和单介质层的总出光分布图。
图7为本发明实施例1提供的Lighttools软件仿真的绿光薄膜倒装Micro-LED芯片在表面分别制备有复合介质层和单介质层的总出光分布图。
图8为本发明实施例1提供的Lighttools软件仿真的蓝光薄膜倒装Micro-LED芯片在表面分别制备有复合介质层和单介质层的总出光分布图。
图中：驱动面板201；红光薄膜倒装Micro-LED芯片202、绿光薄膜倒装Micro-LED芯片204、蓝光薄膜倒装Micro-LED芯片205；芯片隔离沟槽203；衬底301；无掺杂半导体层302；n型半导体层303；多量子阱有源层304；p型半导体层305；金属反射层306；绝缘层307；n电极308；p电极310；第二介质层311；第一介质层312；红色和绿色量子点313；纳米孔图形阵列314；圆柱形纳米孔314-1；圆锥形纳米孔314-2。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步地详细阐述。
实施例1
本实施例提供一种嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片及其制备方法，如图2所示，包括驱动面板201、键合在驱动面板上且阵列排布的RGB像素单元，每一RGB像素单元包括三个薄膜倒装Micro-LED芯片分别发射红光、绿光、蓝光(202、204、205)。如图4所示，薄膜倒装Micro-LED芯片的n型半导体层303表面制备纳米孔图形阵列314，在红光和绿光薄膜倒装Micro-LED芯片的纳米孔中分别注入红色和绿色量子点313，在薄膜倒装Micro-LED芯片表面制备第一介质层312和第二介质层311。
如图1所示，上述发光二极管芯片的制备方法如下
S1：提供具有完整结构的蓝光Micro-LED外延片，如图3所示，蓝光Micro-LED外延片结构自下而上依次包括衬底301、无掺杂半导体层302、n型半导体层303、多量子阱有源层304、p型半导体层305。
进一步的，衬底301为蓝宝石衬底，半导体层为GaN，n型半导体层303的厚度为4μm，多量子阱有源层304为InGaN/GaN多量子阱有源层。
S2：在外延片上刻蚀芯片隔离沟槽203，采用ICP技术对外延片的多量子阱有源层304、p型半导体层305进行刻蚀，直至暴露出n型半导体层303形成直达n型半导体层303的n型通孔。
具体的，隔离沟槽宽度为0.5μm，深度为5μm，芯片的尺寸为30μm×30μm。
S3：在外延片上沉积金属反射层306，并刻蚀去除n型通孔中的金属反射层306。
具体的，金属反射层306的厚度为100nm。
S4：在外延片上沉积绝缘层307，刻蚀去除n型通孔中的绝缘层307，并刻蚀p型电极接触沟槽，直至暴露出金属反射层306。
具体的，绝缘层的厚度200nm。
S5：采用电子束蒸发技术在n型半导体层和金属反射层上沉积p电极310和n电极308；在N2氛围下进行退火，形成Micro-LED芯片晶圆片。
S6：提供驱动面板201，将Micro-LED芯片晶圆片键合至驱动面板201表面。
S7：采用激光辐照剥离Micro-LED芯片晶圆片的蓝宝石衬底301。
S8：在n型半导体层303刻蚀纳米孔图形阵列314，在红光薄膜倒装Micro-LED芯片和绿光薄膜倒装Micro-LED芯片的纳米孔结构中分别注入红色和绿色量子点313。
具体的，红色和绿色量子点313的材料均为II-VI族核壳结构CdSe/ZnS量子点。
进一步的，纳米孔图形阵列314的制备采用ICP技术或纳米压印技术，纳米孔图形为圆柱形314-1。
具体的，圆柱形纳米孔314-1结构的直径为150nm，深度为2μm，周期为200nm。
S9：在芯片隔离沟槽203中填充吸光材料，在芯片上沉积第一介质层312和第二介质层311。
进一步的，第一介质层312的制备采用ALD技术，厚度为2nm，第二介质层311的制备采用PECVD技术，厚度为7nm。
具体的，吸光材料为Vantablack或银，第一介质层312的材料为Al2O3，第二介质层311的材料为SiO2。
图6为实施例1的Lighttools软件仿真的红光薄膜倒装Micro-LED芯片在表面分别制备有复合介质层和单介质层的总出光分布图。仿真结果表明，具有复合介质层的红光薄膜倒装Micro-LED芯片光提取效率相比具有单介质层的红光薄膜倒装Micro-LED芯片光提取效率提高了25.0％；图7为实施例1的Lighttools软件仿真的绿光薄膜倒装Micro-LED芯片在表面分别制备有复合介质层和单介质层的总出光分布图。仿真结果表明，具有复合介质层的绿光薄膜倒装Micro-LED芯片光提取效率相比具有单介质层的绿光薄膜倒装Micro-LED芯片光提取效率提高了24.1％；图8为实施例1的Lighttools软件仿真的蓝光薄膜倒装Micro-LED芯片在表面分别制备有复合介质层和单介质层的总出光分布图。仿真结果表明，具有复合介质层的蓝光薄膜倒装Micro-LED芯片光提取效率相比具有单介质层的蓝光薄膜倒装Micro-LED芯片光提取效率提高了24.2％。在红光、绿光和蓝光薄膜倒装Micro-LED芯片表面制备复合介质层均可以显著提高芯片的光提取效率。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是：
S8：在n型半导体层303刻蚀纳米孔图形阵列314，如图5所示，在红光薄膜倒装Micro-LED芯片和绿光薄膜倒装Micro-LED芯片的纳米孔结构中分别注入红色和绿色量子点313。
具体的，红色和绿色量子点313的材料均为II-VI族核壳结构CdSe/ZnS量子点。
进一步的，纳米孔图形阵列314的制备采用ICP技术或纳米压印技术，纳米孔图形为圆锥形314-2。
具体的，圆锥形纳米孔314-2结构的直径为150nm，深度为2μm，周期为200nm。
S9：在芯片隔离沟槽203中填充吸光材料，在芯片上沉积第一介质层312和第二介质层311。
进一步的，第一介质层312的制备采用ALD技术，厚度为2nm，第二介质层311的制备采用PECVD技术，厚度为7nm。
具体的，吸光材料为Vantablack或银，第一介质层312的材料为SiO2，第二介质层311的材料为Al2O3。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片，其特征在于：包括驱动面板、键合在驱动面板上且阵列排布的若干RGB像素单元；
所述每一RGB像素单元包括三个薄膜倒装Micro-LED芯片，分别发射红光、绿光、蓝光；
所述薄膜倒装Micro-LED芯片的n型半导体层表面制备有纳米孔图形阵列；在所述红光和绿光薄膜倒装Micro-LED芯片的纳米孔图形阵列中分别注入红色量子点和绿色量子点；
在所述薄膜倒装Micro-LED芯片表面制备有复合介质层；所述复合介质层包括第一介质层和第二介质层。
2.根据权利要求1所述的嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片，其特征在于：所述第一介质层的制备采用ALD技术，其厚度为1-3nm；所述第二介质层的制备采用PECVD技术，其厚度为5-10nm。
3.根据权利要求2所述的嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片，其特征在于：所述第一介质层和第二介质层的材料均为SiO2、Al2O3或AlON中的任一种。
4.根据权利要求3所述的嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片，其特征在于：所述纳米孔图形阵列的制备采用ICP刻蚀或纳米压印技术；所述纳米孔图形为圆柱形、圆锥形、圆台形或棱柱形中的任一种。
5.根据权利要求4所述的嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片，其特征在于：所述圆柱形纳米柱结构的直径为100-500nm，深度为2-3μm。
6.一种制备如权利要求1至5中任一所述嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：提供具有完整结构的蓝光Micro-LED外延片，所述蓝光Micro-LED外延片结构自下而上依次包括衬底、无掺杂半导体层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层；
S2：在所述外延片上刻蚀芯片隔离沟槽，采用ICP对所述外延片的多量子阱有源层、p型半导体层进行刻蚀，直至暴露出n型半导体层，形成直达n型半导体层的n型通孔；
S3：在所述外延片上沉积金属反射层，并刻蚀去除n型通孔中的金属反射层；
S4：在所述外延片上沉积绝缘层，刻蚀去除n型通孔中的绝缘层，并刻蚀p型电极接触沟槽，直至暴露出金属反射层；
S5：采用电子束蒸发技术在所述n型半导体层和金属反射层上沉积p电极和n电极，氮气氛围退火，形成Micro-LED芯片晶圆片；
S6：提供驱动面板，将所述Micro-LED芯片晶圆片键合至驱动面板表面；
S7：采用激光辐照剥离所述Micro-LED芯片晶圆片的蓝宝石衬底；
S8：在所述n型半导体层刻蚀纳米孔图形阵列，在红光Micro-LED芯片和绿光Micro-LED芯片的纳米孔图形阵列中分别注入红色量子点和绿色量子点；
S9：在所述芯片上沉积第一介质层和第二介质层，在所述芯片隔离沟槽中填充吸光材料。
7.根据权利要求6所述的嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片的制备方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、硅或碳化硅中的任一种。
8.根据权利要求6所述的嵌入量子点的全彩Micro-LED显示芯片的制备方法，其特征在于：所述半导体层为GaN。
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