CN114843388A - Micro-LED芯片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种Micro‑LED芯片结构，包括：透光基板；外延结构，形成于透光基板上方，包括n型半导体层、发光层和p型半导体层；遮光层，其至少覆盖透光基板未被外延结构遮蔽的上表面，遮光层包括第一遮光层和第二遮光层，分别电性连接于n型半导体层和p型半导体层，遮光层的光反射率低于外延结构表面发光区域的光反射率。芯片结构中设置具有低反射率的遮光层，在Micro‑LED芯片不点亮的状态下呈现较黑的外观，对可见光波段的光吸收率高，大幅提升其对比度；遮光层又可作为金属电极分别与n型半导体层和p型半导体层电性连接，保护芯片的外延结构，降低芯片断线失效的发生，提高可靠度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光结构领域，尤其涉及一种Micro-LED芯片结构。
背景技术
随着技术的发展，Micro-LED（Micro Light Emitting Diode，微型发光二极管）显示已经广泛应用，其被广泛地应用到背光、VR屏幕、手机显示屏、小型显示屏等领域。特别是作为应用在AR和VR等微型显示上的Micro-LED芯片显示技术相比其他显示技术有着无可比拟的优势，例如高亮度和高像素密度超出了其他微型显示技术的理论极限。
随着像素间距越来越小，芯片数量剧增，小间距显示屏使用的RGB全彩LED芯片在显示模组面积占比较大，然而芯片制程中，为保证亮度，反射镜镀层占芯片面积大，且主要采用高反射率材料，对于进来的环境光高反射，在芯片不点亮状态，人眼对于芯片捕捉能力强，使Micro-LED显示屏最低亮度达不到理想值；同时Micro-LED芯片结构中焊点尺寸小，键合力弱，容易导致芯片失效的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Micro-LED芯片结构，实现高对比度LED显示屏的要求。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种Micro-LED芯片结构，所述芯片结构包括：
透光基板，具有上表面及与上表面相背的下表面；
外延结构，形成于所述透光基板上方，包括n型半导体层、发光层和p型半导体层，所述发光层形成于所述n型半导体层和p型半导体层之间；
遮光层，其至少覆盖所述透光基板未被外延结构遮蔽的上表面，所述遮光层包括第一遮光层和第二遮光层，所述第一遮光层和第二遮光层分别电性连接于所述n型半导体层和p型半导体层，所述遮光层的反射率低于所述外延结构表面发光区域的反射率。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述遮光层为金属层。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述金属层为Cr/Ti单层金属层或复合金属层。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述金属层为Al/Ni作为底层金属结构叠加导电金属结构。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一遮光层与所述第二遮光层设置有电极连接区，分别通过所述电极连接区与所述n型半导体层和p型半导体层电性连接，除所述电极连接区外，所述遮光层与外延结构之间设置有绝缘层。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述外延结构设置于所述透光基板的上表面，所述外延结构上表面部分区域向内凹陷形成第一凹槽，所述第一凹槽暴露出所述n型半导体层表面，所述第一遮光层包覆远离第一凹槽的外延结构一侧面并延伸至覆盖外延结构上表面部分区域，与p型半导体层电性连接，所述第二遮光层包覆靠近第一凹槽的外延结构一侧面，并延伸至第一凹槽内与n型半导体层电性连接。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述遮光层设置于所述外延结构与透光基板之间，所述外延结构下表面部分区域向内凹陷形成第二凹槽，所述第二凹槽暴露出所述p型半导体层表面，所述第一遮光层覆盖远离第二凹槽的透光基板上表面部分区域，与n型半导体层电性连接，所述第二遮光层覆盖靠近第二凹槽的透光基板上表面部分区域，并延伸至第二凹槽内与p型半导体层电性连接。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述外延结构还包括反射层，所述反射层设置于所述p型半导体层上表面或n型半导体层下表面。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述反射层设置于p型半导体层上表面，所述外延结构上表面远离第一凹槽部分区域处向内凹陷形成第三凹槽，所述第三凹槽暴露出p型半导体层表面，所述第一遮光层延伸至第三凹槽内与p型半导体层电性连接。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述反射层设置于所述n型半导体层下表面，所述外延结构下表面远离第二凹槽部分区域处向内凹陷形成第四凹槽，所述第四凹槽暴露出n型半导体层表面，所述第一遮光层延伸至第四凹槽内与n型半导体层电性连接。
本发明的有益效果在于：在Micro-LED芯片结构中设置一具有低反射率的遮光层，在Micro-LED芯片不点亮的状态下呈现较黑的外观，对可见光波段的光吸收率高，大幅提升对比度；遮光层又可作为金属电极分别与n型半导体层和p型半导体层电性连接，保护芯片的外延结构，降低Micro-LED芯片断线失效的发生，提高可靠度。
附图说明
图1为本发明实施例1中的Micro-LED芯片结构示意图。
图2为本发明实施例2中的Micro-LED芯片结构示意图。
图3为本发明实施例3中的Micro-LED芯片结构示意图。
图4为本发明实施例4中的Micro-LED芯片结构示意图。
图5为本发明实施例5中的Micro-LED芯片结构示意图。
图6为本发明实施例6中的Micro-LED芯片结构示意图。
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，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为方便说明，本文使用表示空间相对位置的术语来进行描述，例如“上”、“下”、“后”、“前”等，用来描述附图中所示的一个单元或者特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的装置翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“上方”的单元将位于其他单元或特征“下方”或“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括下方和上方这两种空间方位。
如图1~6所示，本发明提供一种Micro-LED芯片结构，包括透光基板1、外延结构2和遮光层3。
透光基板1具有上表面及与上表面相背的下表面，其可为具有高透光率的蓝宝石基板、玻璃基板或采用其他具有高透光率材料制成的基板。
外延结构2形成于透光基板1上方，包括n型半导体层21、发光层22和p型半导体层23，具体的，发光层22形成于n型半导体层21和p型半导体层23之间。
在本发明的一些实施方式中，n型半导体层21靠近透光基板1设置，p型半导体层23远离透光基板1设置。但是在其他一些实施方式中，也可以是n型半导体层21远离透光基板1设置，p型半导体层23靠近透光基板1设置，本发明在此不作限定。
遮光层3至少包覆透光基板1未被外延结构2遮蔽的上表面，包括第一遮光层31和第二遮光层32，第一遮光层31和第二遮光层32分别电性连接于n型半导体层21和p型半导体层23，遮光层3的光反射率低于外延结构2表面发光区域的光反射率。
具体的，遮光层3为具有低反射率、低电阻率的金属层，其达到一定厚度就可以使外观呈现黑色状态，对各个波段环境光吸收率高，可以是Cr/Ti金属材料组成的单层金属层或者两者组成的复合金属层，或是Cr和Ti的合金结构组成的金属层。
当然，在本发明的其他实施方式中，遮光层3也可选用其他低反射率、低电阻率的金属材料，或者遮光层3也可以是包括表面球化的Al/Ni底层金属层和形成于其上的导电金属层，具体的，可选用Al/Ni作为底层金属材料，利用快速热退化工艺使其底部形成球聚反应，表面粗糙化，降低其反射率，然后再在Al/Ni底层金属上继续设置其他导电金属层形成金属电极分别与n型半导体层21和p型半导体层23电性连接即可。
本发明提供以下六种实施例对本发明一些实施方式中的Micro-LED芯片结构进行具体说明。
实施例1
如图1所示，为本发明实施例1所提出的Micro-LED芯片结构，包括透光基板1、外延结构2和遮光层3，外延结构2形成于透光基板1上方，包括n型半导体层21、发光层22和p型半导体层23，具体的，发光层22形成于n型半导体层21和p型半导体层23之间。
在本实施例中，外延结构2形成于透光基板1上表面，具体的，n型半导体层21形成于透光基板1的上表面，其上方依次形成发光层22和p型半导体层23。
在外延结构2上表面部分区域向内凹陷形成第一凹槽41，具体的，为在p型半导体层23的上表面处部分区域向内凹陷形成第一凹槽41，第一凹槽41暴露出n型半导体层21的表面。
第一遮光层31覆盖远离第一凹槽41的透光基板1一端的上表面、以及包覆远离第一凹槽41的外延结构2一侧面并延伸至覆盖外延结构2上表面部分区域，作为芯片结构的第一金属电极与p型半导体层23电性连接。第一遮光层31上设置有电极连接区，其通过电极连接区与p型半导体层23实现电性连接，具体的，在此实施方式中，第一遮光层31的电极连接区为与p型半导体层23部分上表面接触的第一遮光层31区域。
第二遮光层32覆盖靠近第一凹槽41的透光基板1一端的上表面、以及包覆靠近第一凹槽41的外延结构2一侧面，并延伸至第一凹槽41内，作为芯片结构的第二金属电极与n型半导体层21电性连接。同样的，第二遮光层32上也设置有电极连接区，其通过电极连接区与n型半导体层21实现电性连接，具体的，在此实施方式中，第二遮光层32的电极连接区为与第一凹槽41内暴露的n型半导体层21表面接触的第二遮光层32区域。
进一步的，除电极连接区外，在遮光层3与外延结构2之间还设置有绝缘层5。具体的，在第一遮光层31和远离第一凹槽41的外延结构2侧表面之间设置有绝缘层5，以及在第二遮光层32和靠近第一凹槽41的外延结构2侧表面之间、第二遮光层32与p型半导体层23上表面之间和第一凹槽41内侧面均设置有绝缘层5。
在此实施例中，外延结构2内发出的光可通过外延结构上表面向上发出，也可通过透光基板1朝下发出，在芯片结构的非发光区设置有具有低反射率的遮光层3，可实现具有高对比度Micro-LED显示屏的要求，并且，第一遮光层31和第二遮光层32可作为第一金属电极和第二金属电极分别将n型半导体层21和p型半导体层23与外部电源电性连接，取代原有芯片结构中的焊点设计，起到保护芯片外延结构2的效果，避免芯片结构中断线失效的发生，提升结构可靠度。
实施例2
如图2所示，为本发明实施例2所提出的Micro-LED芯片结构，同样的，包括透光基板1、外延结构2和遮光层3，外延结构2形成于透光基板1上方，包括n型半导体层21、发光层22和p型半导体层23，具体的，发光层22形成于n型半导体层21和p型半导体层23之间。
在本实施例中，遮光层3设置于外延结构2与透光基板1之间，具体的，n型半导体层21靠近遮光层3设置，在n型半导体层21上表面依次设置发光层22和p型半导体层23。
在外延结构2下表面部分区域向内凹陷形成第二凹槽42，具体的，在n型半导体层21的下表面部分区域处向内凹陷形成第二凹槽42，第二凹槽42暴露出p型半导体层23表面。
第一遮光层31覆盖远离第二凹槽42的透光基板1上表面部分区域，作为芯片结构的第一金属电极与n型半导体层21电性连接。第一遮光层31上设置有电极连接区，其通过电极连接区与n型半导体层21实现电性连接，具体的，在此实施方式中，第一遮光层31的电极连接区为与n型半导体层21部分下表面接触的第一遮光层31区域。
第二遮光层32覆盖靠近第二凹槽42的透光基板1上表面部分区域，并延伸至第二凹槽42内，作为芯片结构的第二金属电极与p型半导体层23电性连接。同样的，第二遮光层32上也设置有电极连接区，其通过电极连接区与p型半导体层23实现电性连接，具体的，在此实施方式中，第二遮光层32的电极连接区为与第二凹槽42内暴露的p型半导体层23表面接触的第二遮光层32区域。
进一步的，除电极连接区外，在遮光层3与外延结构2接触面上还设置有绝缘层5。具体的，在第二遮光层32与n型半导体层21的下表面之间、以及第二凹槽42内侧面均设置有绝缘层5。
当然，在此实施例中结构基础上，若透光基板1上表面两端的遮光层3厚度增加至包覆外延结构2部分侧面区域，只需在第一遮光层31与外延结构2侧表面之间、以及第二遮光层32与外延结构2侧表面均设置一层绝缘层即可。
实施例3
如图3所示，为本发明实施例3所提出的Micro-LED芯片结构，与实施例1不同的是，在本实施例中，外延结构2还包括一反射层24，以提高Micro-LED芯片的发光亮度。
具体的，反射层24设置于p型半导体层23上表面，减少芯片结构从外延结构2上表面出光。
这里，反射层24具体为具有高反射率的DBR反射层，当然，在本发明的其他一些实施方式中，反射层24也可选用其他一些具有高反射率的单层材料或是复合材料。
在外延结构2上表面部分区域向内凹陷形成第一凹槽41，具体的，为在反射层24的上表面处部分区域向内凹陷形成第一凹槽41，第一凹槽41暴露出n型半导体层21的表面。
进一步的，在外延结构2上表面远离第一凹槽41的部分区域处向内凹陷形成有第三凹槽43，具体的，为在反射层24上表面远离第一凹槽41的部分区域处向内凹陷形成第三凹槽43，第三凹槽43暴露出p型半导体层23表面。
第一遮光层31覆盖靠近第三凹槽43的透光基板1一端的上表面、以及包覆靠近第三凹槽43的外延结构2一侧面并延伸至第三凹槽43内，作为芯片结构的第一金属电极与p型半导体层23电性连接。第一遮光层31上设置有电极连接区，其通过电极连接区与p型半导体层23实现电性连接，具体的，在此实施方式中，第一遮光层31的电极连接区为与第三凹槽43内暴露的p型半导体层23表面接触的第一遮光层31区域。
第二遮光层32覆盖靠近第一凹槽41的透光基板1一端的上表面、以及包覆靠近第一凹槽41的外延结构2一侧面，并延伸至第一凹槽41内，作为芯片结构的第二金属电极与n型半导体层21电性连接。同样的，第二遮光层32上也设置有电极连接区，其通过电极连接区与n型半导体层21实现电性连接，具体的，在此实施方式中，第二遮光层32的电极连接区为与第一凹槽41内暴露的n型半导体层21表面接触的第二遮光层32区域。
进一步的，除电极连接区外，在遮光层3与外延结构2接触面上还设置有绝缘层5。具体的，在第一遮光层31和靠近第三凹槽43的外延结构2侧表面之间设置有绝缘层5，以及在第二遮光层32和靠近第一凹槽41的外延结构2侧表面之间和第一凹槽41内侧面均设置有绝缘层5。
在此实施例中，由于p型半导体层23上表面设置具有高反射率的反射层24，外延结构2内发出的光通过反射层24在外延结构2内发生反射，减少外延结构上表面漏光，大部分光垂直于芯片结构朝透光基板1方向发出，提高芯片结构对比度的同时，提升芯片发光亮度。
实施例4
如图4所示，为本发明实施例4所提出的Micro-LED芯片结构，与实施例1不同的是，在本实施例中，外延结构2还包括一反射层24，具体的，反射层24设置于n型半导体层21下表面。
在本实施例中，外延结构2设置于透光基板1上表面，具体的，为反射层24设置于透光基板1上表面，其上方依次设置n型半导体层21、发光层22和p型半导体层23，其他结构与实施例1中芯片结构相同，在此不再展开作具体说明。
同样的，反射层24具体为具有高反射率的DBR反射层，当然，在本发明的其他一些实施方式中，反射层24也可选用其他一些具有高反射率的单层材料或是复合材料。
在此实施例中，由于n型半导体层21下表面设置具有高反射率的反射层24，外延结构2内发出的光通过反射层24在外延结构2内发生反射，减少透光基板1下表面方向漏光，大部分光垂直于芯片结构朝外延结构2上表面方向发出，提高芯片结构对比度的同时，提升芯片发光亮度。
实施例5
如图5所示，为本发明实施例5所提出的Micro-LED芯片结构，与实施例2不同的是，在本实施例中，外延结构2还包括一反射层24，反射层24设置于n型半导体层21的下表面。
在外延结构2下表面部分区域向内凹陷形成第二凹槽42，具体的，在反射层24的下表面部分区域处向内凹陷形成第二凹槽42，第二凹槽42暴露出p型半导体层23表面。
进一步的，在外延结构2下表面远离第二凹槽42的部分区域处向内凹陷形成有第四凹槽44，具体的，在反射层24下表面远离第二凹槽42的部分区域处向内凹陷形成第四凹槽44，第四凹槽44暴露出n型半导体层21表面。
第一遮光层31覆盖靠近第四凹槽44的透光基板1上表面区域，并延伸至第四凹槽44内，作为芯片结构的第一金属电极与n型半导体层21电性连接。第一遮光层31上设置有电极连接区，其通过电极连接区与n型半导体层21实现电性连接，具体的，在此实施方式中，第一遮光层31的电极连接区为与第四凹槽44内暴露的n型半导体层21表面接触的第一遮光层31区域。
第二遮光层32覆盖靠近第二凹槽42的透光基板1上表面部分区域，并延伸至第二凹槽42内，作为芯片结构的第二金属电极与p型半导体层23电性连接。同样的，第二遮光层32上也设置有电极连接区，其通过电极连接区与p型半导体层23实现电性连接，具体的，在此实施方式中，第二遮光层32的电极连接区为与第二凹槽42内暴露的p型半导体层23表面接触的第二遮光层32区域。
进一步的，除电极连接区外，在遮光层3与外延结构2接触面上还设置有绝缘层5。具体的，在此实施例中，第二凹槽42内侧面设置有绝缘层5。
当然，在此实施例中结构基础上，若透光基板1上表面两端的遮光层3厚度增加至包覆外延结构2部分侧面区域，只需在第一遮光层31与外延结构2侧表面之间、以及第二遮光层32与外延结构2侧表面之间均设置一层绝缘层即可。
同样的，反射层24具体为具有高反射率的DBR反射层，当然，在本发明的其他一些实施方式中，反射层24也可选用其他一些具有高反射率的单层材料或是复合材料。
在此实施例中，由于n型半导体层21下表面设置具有高反射率的反射层24，外延结构2内发出的光通过反射层24在外延结构2内发生反射，减少透光基板1下表面方向漏光，大部分光垂直于芯片结构朝外延结构2上表面方向发出，提高芯片结构对比度的同时，提升芯片发光亮度。
实施例6
如图6所示，为本发明实施例6所提出的Micro-LED芯片结构，与实施例2不同的是，在本实施例中，外延结构2还包括一反射层24，具体的，反射层24设置于p型半导体层23的上表面，其他结构与实施例2中芯片结构相同，在此不再展开作具体说明。
同样的，反射层24具体为具有高反射率的DBR反射层，当然，在本发明的其他一些实施方式中，反射层24也可选用其他一些具有高反射率的单层材料或是复合材料。
在此实施例中，由于p型半导体层23上表面设置具有高反射率的反射层24，外延结构2内发出的光通过反射层24在外延结构2内发生反射，减少外延结构2上表面方向漏光，大部分光垂直于芯片结构朝透光基板1下表面方向发出，提高芯片结构对比度的同时，提升芯片发光亮度。
综上所述，本发明通过在Micro-LED芯片结构中设置一具有低反射率的遮光层，在Micro-LED芯片不点亮的状态下呈现较黑的外观，对可见光波段的光吸收率高，大幅提升对比度；遮光层又可作为电极分别与n型半导体层和p型半导体层电性连接，保护芯片的外延结构，降低Micro-LED芯片断线失效的发生，提升可靠度；另外，在芯片外延结构中设置有反射层，减少芯片漏光，只从芯片结构的一面出光，在提高芯片结构对比度的同时，提升芯片发光亮度。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更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，所述芯片结构包括：
透光基板，具有上表面及与上表面相背的下表面；
外延结构，形成于所述透光基板上方，包括n型半导体层、发光层和p型半导体层，所述发光层形成于所述n型半导体层和p型半导体层之间；
遮光层，其至少覆盖所述透光基板未被外延结构遮蔽的上表面，所述遮光层包括第一遮光层和第二遮光层，所述第一遮光层和第二遮光层分别电性连接于所述n型半导体层和p型半导体层，所述遮光层的光反射率低于所述外延结构表面发光区域的光反射率。
2.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述遮光层为金属层。
3.根据权利要求2所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述金属层为Cr/Ti单层金属层或复合金属层。
4.根据权利要求2所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述金属层包括表面球化的Al/Ni底层金属层和形成于其上的导电金属层。
5.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述第一遮光层与所述第二遮光层设置有电极连接区，分别通过所述电极连接区与所述n型半导体层和p型半导体层电性连接，除所述电极连接区外，所述遮光层与外延结构之间设置有绝缘层。
6.根据权利要求5所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述外延结构设置于所述透光基板的上表面，所述外延结构上表面部分区域向内凹陷形成第一凹槽，所述第一凹槽暴露出所述n型半导体层表面，所述第一遮光层包覆远离第一凹槽的外延结构一侧面并延伸至覆盖外延结构上表面部分区域，与p型半导体层电性连接，所述第二遮光层包覆靠近第一凹槽的外延结构一侧面，并延伸至第一凹槽内与n型半导体层电性连接。
7.根据权利要求5所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述遮光层设置于所述外延结构与透光基板之间，所述外延结构下表面部分区域向内凹陷形成第二凹槽，所述第二凹槽暴露出所述p型半导体层表面，所述第一遮光层覆盖远离第二凹槽的透光基板上表面部分区域，与n型半导体层电性连接，所述第二遮光层覆盖靠近第二凹槽的透光基板上表面部分区域，并延伸至第二凹槽内与p型半导体层电性连接。
8.根据权利要求6或7所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述外延结构还包括反射层，所述反射层设置于所述p型半导体层上表面或n型半导体层下表面。
9.根据权利要求8所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述反射层设置于p型半导体层上表面，所述外延结构上表面远离第一凹槽部分区域处向内凹陷形成第三凹槽，所述第三凹槽暴露出p型半导体层表面，所述第一遮光层延伸至第三凹槽内与p型半导体层电性连接。
10.根据权利要求8所述的Micro-LED芯片结构，其特征在于，所述反射层设置于所述n型半导体层下表面，所述外延结构下表面远离第二凹槽部分区域处向内凹陷形成第四凹槽，所述第四凹槽暴露出n型半导体层表面，所述第一遮光层延伸至第四凹槽内与n型半导体层电性连接。
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