CN114975699A - 一种全彩氮化物半导体Micro-LED阵列的单片集成制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全彩氮化物半导体Micro‑LED阵列的单片集成制备方法。本发明先制备复合型导电衬底，然后用绝缘模板覆盖在复合型导电衬底上制备模板衬底，将单晶石墨烯完全对齐覆盖在模板衬底上，得到包括石墨烯阵列基元的定制化模板石墨烯衬底，每个石墨烯阵列基元的蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元的表面性质不同，再进行一次原位外延生长垂直结构全氮化物，一次原位得到全彩Micro‑LED阵列外延片，最后进行封装和制备透明电极，得到垂直结构且顶面出光的全彩氮化物Micro‑LED阵列；本发明无需额外的微纳加工工艺，节能环保并适于批量生产，应用于增强/虚拟现实和8K超清显示等用显示芯片。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光器件的制备技术，具体涉及一种全彩氮化物半导体Micro-LED阵列的单片集成制备方法。
背景技术
微型发光二极管（Micro-LED）芯片尺寸小、集成度高和自发光，在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面同比液晶显示（LCD）、有机物发光二极管（OLED）具有更大的优势，在固态照明、智能显示、感知探测等领域具有重要应用。
现阶段，业界制备红绿蓝三色全彩显示Micro-LED主要基于巨量转移技术或量子点涂敷单片集成技术。两种技术路线都需要将LED芯片通过微纳加工的形式制备成Micro-LED元器件。区别在于巨量转移技术是指将氮化物蓝绿光Micro-LED、磷化物红光Micro-LED从外延基板转移至驱动电路板并按照一定规则排列，实现红绿蓝三色全彩显示；量子点涂敷单片集成技术是指在氮化物紫外Micro-LED阵列上按照一定规则涂敷具有颜色转换功能的量子点，通过驱动电路实现红绿蓝三色全彩显示。上述技术存在两方面的瓶颈：一方面，制备的Micro-LED元器件为水平结构，n型电极与p型电极位于同一侧，元器件尺寸必须大于10微米才能满足电极工艺的可靠性要求，电光转换效率低，不能满足虚拟现实/增强现实等应用场景对Micro-LED元器件的小尺寸、高光效要求；另一方面，制备全彩Micro-LED显示阵列时存在氮化物与磷化物、半导体和有机物量子点等材料体系不匹配的问题，工艺复杂、能效低、技术难度大且成品率低。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种全彩氮化物半导体Micro-LED阵列的单片集成制备方法。
本发明的全彩氮化物半导体Micro-LED阵列的单片集成制备方法，包括以下步骤：
1) 制备复合型导电衬底：
a) 提供透明绝缘衬底，透明绝缘衬底的材料的能带宽大于5.0 eV，对波长大于250nm的紫外光不吸收；
b) 提供n型导电单晶硅片，n型导电单晶硅片的电阻率小于0.01欧姆·厘米，n型导电单晶硅片的外边缘与透明绝缘衬底的外边缘的形状相同，对n型导电单晶硅片进行单面抛光形成抛光面，并对n型导电单晶硅片的非抛光面减薄，将n型导电单晶硅片抛光面朝上粘贴在透明绝缘衬底上，形成复合型导电衬底；
2) 提供绝缘模板：
绝缘模板为电绝缘材料的平板，绝缘模板的外边缘与复合型导电衬底的外边缘的形状相同，绝缘模板划分为多个二维紧密排列的通孔单元，每一个通孔单元的外边缘平面形状为正方形，内部包括四个深度与绝缘模板的厚度一致的圆形通孔分别为一个绿光区通孔、一个蓝光区通孔和两个红光区通孔，绿光区通孔和蓝光区通孔分别位于正方形的一对对角上，两个红光区通孔分别位于另外一对对角上；
3) 制备模板衬底：
a) 绝缘模板完全对齐覆盖在复合型导电衬底上；
b) 在绝缘模板上制备保护层，在n型导电单晶硅片上对应绝缘模板的圆形通孔的区域形成保护层，而对应绝缘模板的非圆形通孔的区域没有形成保护层；
c) 移除绝缘模板，对n型导电单晶硅片进行离子注入，没有被保护层覆盖到的n型导电单晶硅片的区域有离子注入，使得电阻率变大，变成电绝缘；
d) 对离子注入后的复合型导电衬底进行化学清洗，去除保护层，与绝缘模板的圆形通孔相对应的区域依旧导电，其余区域电绝缘，完成对n型导电单晶硅片的改性，从而得到模板衬底；
e) 模板衬底的n型导电单晶硅片上与绝缘模板相对应包括多个二维紧密排列的像素区域，每一个像素区域包括四个圆形的导电区域分别两个红光导电区、一个绿光导电区和一个蓝光导电区，其余部分为绝缘区域；
4) 制备定制化模板石墨烯衬底：
a) 提供单晶石墨烯，单晶石墨烯的外边缘与模板衬底的外边缘形状一致，厚度为3~6个原子层；
b) 将单晶石墨烯完全对齐覆盖在模板衬底上；
c) 将绝缘模板完全对齐覆盖在单晶石墨烯上，绝缘模板的每个通孔单元的一个绿光区通孔、一个蓝光区通孔和两个红光区通孔分别与n型导电单晶硅片的每个像素区域的一个绿光导电区、一个蓝光导电区和两个红光导电区严格对正；
d) 对蓝光区通孔和绿光区通孔对应区域的单晶石墨烯进行减薄处理，至厚度为一个原子层；
e) 对蓝光区通孔、绿光区通孔和红光区通孔对应区域的单晶石墨烯进行氮原子均匀掺杂，氮掺杂后单晶石墨烯对紫外的吸收限定在240~270nm之间；
f) 在蓝光区通孔对应区域的单晶石墨烯上沉积AlON层，使得在其上面生长的氮化物外延层为金属晶格极性；
g) 对单晶石墨烯上对应绝缘模板的蓝光区通孔、一个绿光区通孔和两个红光区通孔的边缘进行切割，只切割单晶石墨烯，蓝光区通孔、绿光区通孔和红光区通孔分别对应区域的单晶石墨烯上分别形成蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元，以及蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元之间形成绝缘区石墨烯阵列元，从而形成由蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元、红区石墨烯阵列元和绝缘区石墨烯阵列元构成的石墨烯阵列基元，移除绝缘模板，得到定制化模板石墨烯衬底，定制化模板石墨烯衬底的n型导电单晶硅片的每个石墨烯阵列基元的一个蓝区石墨烯阵列元、一个绿区石墨烯阵列元和两个红区石墨烯阵列元的表面性质不同；
5) 制备全彩Micro-LED阵列外延片：
将定制化模板石墨烯衬底置入金属有机物化学气相沉积系统中，在定制化模板石墨烯衬底上一次原位外延生长垂直结构全氮化物，垂直结构全氮化物的多量子阱包括多个周期的InGaN势阱和GaN势垒，由于定制化模板石墨烯衬底的蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元的表面性质不同，因此生长的垂直结构全氮化物的晶格极性和应力状态以及多量子阱中的In组分不同，导致中心发光波长不同，从而在蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元上分别生成垂直结构单晶金属极性蓝光氮化物、垂直结构单晶氮极性绿光氮化物和垂直结构应力弛豫单晶氮极性红光氮化物，分别形成蓝光Micro-LED、绿光Micro-LED和红光Micro-LED以及无Micro-LED区域，构成Micro-LED像素元，一次原位得到全彩Micro-LED阵列外延片，蓝光、绿光和红光Micro-LED分别为微米柱；
6) 封装：
采用原位钝化封装技术对全彩Micro-LED阵列外延片进行侧壁保护，并原位采用全反射金属封装技术填充全彩Micro-LED阵列的间隙，得到全彩Micro-LED阵列平片；
7) 制备透明电极：
采用掩膜沉积法在全彩Micro-LED阵列平片的表面制备透明电极，采用底面电极键合技术键合全彩Micro-LED阵列平片与驱动电路板，实现垂直结构且顶面出光的全彩氮化物Micro-LED阵列。
其中，在步骤1）的a）中，透明绝缘衬底采用蓝宝石基板、金刚石或氧化镓基板中的一种；厚度为300~1500μm。
在步骤1）的b）中，n型导电单晶硅片的厚度为300~1500 μm，直径为50~300 mm；n型导电单晶硅片单面抛光后的表面粗糙度小于0.5 nm；对n型导电单晶硅片的背面减薄至5~100 μm；n型导电单晶硅片通过热氧化的方式粘贴在透明绝缘衬底上。
在步骤2）中，绝缘模板的厚度为300~1500μm，采用透明蓝宝石模板、金刚石或氧化镓基板；绝缘模板的通孔单元的正方形的边长a≤10μm；圆形通孔的直径为0.05a~0.4a。
在步骤3）的b）中，旋涂光刻胶或镀一层金属在n型导电单晶硅片上形成保护层。
在步骤3）的c）中，通过离子注入提高n型导电单晶硅的电阻率至大于1×106欧姆·厘米。
在步骤4）的d）中，对红光区通孔对应区域的单晶石墨烯行减薄处理厚度至3~5个原子层。
在步骤5）中，垂直结构全氮化物包括：n型GaN、多量子阱和p型GaN，其中，n型GaN的厚度为100 nm~2000 nm，电子浓度大于1×1019 cm-3；多量子阱的周期数大于3，每个周期包括GaN势垒和InGaN势阱，非掺杂GaN势垒的厚度大于10 nm，非掺杂InGaN势阱的厚度为1.5nm~3.5 nm；p型GaN的厚度为100 nm~2000 nm，空穴浓度大于3×1018 cm-3。在蓝区石墨烯阵列元上得到中心发光波长在450~480 nm的蓝光Micro-LED；在绿区石墨烯阵列元上得到中心发光波长在530~560 nm的绿光Micro-LED；在红区石墨烯阵列元上得到中心发光波长在610~640 nm的红光Micro-LED；绝缘区石墨烯阵列元不沉积垂直结构全氮化物形成无micro-LED区域。其中垂直结构红/绿/蓝光Micro-LED为具有相同晶体取向性的六棱柱结构，平面为边长为a/2的六角形，高度为500~2000 nm，自下而上包含n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱结构和p型GaN层三层结构。
在步骤6）中，采用原位钝化封装技术包括：采用掩膜和物理气相沉积，对全彩Micro-LED阵列中的每一个微米柱的侧壁和绝缘区石墨烯阵列元的上表面沉积20~50 nm厚的多晶绝缘氮化物薄膜，多晶绝缘氮化物薄膜的禁带宽度大于5.0 eV，电阻率大于1×106欧姆·厘米。全反射金属封装技术填充Micro-LED阵列的间隙为利用无机物填充蓝光、绿光和红光Micro-LED的微米柱之间的间隙，填充高度等于蓝光、绿光和红光Micro-LED的高度且无高度起伏，并且露出蓝光、绿光和红光Micro-LED顶面，阻止蓝光、绿光和红光Micro-LED的侧壁出光并允许顶面出光。
在步骤7）中，制备透明电极包括以下步骤：
a) 通过酸刻蚀全彩Micro-LED阵列平片，使得n型导电单晶硅片的下表面与透明绝缘衬底分离，n型导电单晶硅片的下表面进行平整处理；
b) 在全彩Micro-LED阵列平片的上表面旋涂透明电极；
c) 将绝缘模板覆盖在透明电极的表面，绝缘模板的圆形通孔对齐每个蓝光、绿光和红光Micro-LED；
d) 在绝缘模板上制备保护层，在透明电极上对应绝缘模板的圆形通孔的区域形成保护层，而对应非圆形通孔的区域没有形成保护层；
e) 移除绝缘模板，对透明电极进行离子注入，没有被保护层覆盖到的透明电极的区域有离子注入，使得透明电极上不与蓝光、绿光和红光Micro-LED相对应区域的电阻率变大，变成电绝缘；
f) 将与绝缘模板为互补图形的铝阵列，即铝阵列为柱状阵列，覆盖在驱动电路板上，加热500~600℃并维持3~5分钟，从而铝阵列将粘贴驱动电路板的上表面；
g) 将驱动电路板具有铝阵列的上表面，粘贴在n型导电单晶硅片的下表面，铝阵列既导电又反光，使得所有的光全部从顶面出射。
本发明的优点：
本发明在定制化模板石墨烯衬底上一次同时外延制备蓝、绿和红三色的具有设定形状和排列规则的小尺寸垂直结构氮化物Micro-LED阵列，无需额外的从LED平片到Micro-LED元器件微纳加工工艺，节能环保、适于批量生产，顶面出光表现为高取向性。
附图说明
图1为根据本发明的全彩氮化物半导体Micro-LED阵列单片集成制备方法的一个实施例得到的模板衬底的示意图；
图2为根据本发明的全彩氮化物半导体Micro-LED阵列单片集成制备方法的一个实施例得到的定制化模板石墨烯衬底的示意图；
图3为根据本发明的全彩氮化物半导体Micro-LED阵列单片集成制备方法的一个实施例得到的全彩Micro-LED阵列外延片的示意图；
图4为根据本发明的全彩氮化物半导体Micro-LED阵列单片集成制备方法的一个实施例得到的全彩Micro-LED阵列平片的示意图；
图5为根据本发明的全彩氮化物半导体Micro-LED阵列单片集成制备方法的一个实施例得到的垂直结构且顶面出光的全彩氮化物Micro-LED阵列的示意图；
图6为本发明的全彩氮化物半导体Micro-LED阵列单片集成制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
本实施例的本发明的全彩氮化物半导体Micro-LED阵列的单片集成制备方法，如图6所示，包括以下步骤：
1) 制备复合型导电衬底：
a) 提供蓝宝石基底作为透明绝缘衬底3，蓝宝石基底的能带宽大于5.0 eV，对波长大于250nm的紫外光不吸收；
b) 提供厚度为430微米、尺寸为4英寸、电阻率为0.001欧姆·厘米的n型导电单晶硅片2，n型导电单晶硅片的外边缘与透明绝缘衬底的外边缘的形状相同，对n型导电单晶硅片单面抛光至上表面表面粗糙度为0.2纳米，并对n型导电单晶硅片的背面减薄至5μm，抛光面朝上将n型导电单晶硅片粘贴在透明绝缘衬底上，形成复合型导电衬底1；
2) 提供绝缘模板：
绝缘模板为电绝缘材料的平板，绝缘模板的外边缘与复合型导电衬底的外边缘的形状相同，绝缘模板划分为多个二维紧密排列的通孔单元，每一个通孔单元的外边缘平面形状为边长a为5μm的正方形，内部包括四个深度与绝缘模板的厚度一致且直径为0.2a的圆形通孔分别为一个绿光区通孔、一个蓝光区通孔和两个红光区通孔，绿光区通孔和蓝光区通孔分别位于正方形的一对对角上，两个红光区通孔分别位于另外一对对角上；
3) 制备模板衬底：
a) 绝缘模板完全对齐覆盖在复合型导电衬底上；
b) 在绝缘模板上旋涂光刻胶制备保护层，在n型导电单晶硅片上对应绝缘模板的圆形通孔内形成保护层，而非圆形通孔的区域没有形成保护层；
c) 移除绝缘模板，对n型导电单晶硅片进行离子注入，没有保护层覆盖到的n型导电单晶硅片的区域有离子注入，使得电阻率变大，变成电绝缘，移除绝缘模板；
d) 对离子注入后的复合型导电衬底进行化学清洗，去除保护层，与绝缘模板的圆形通孔相对应的区域依旧导电，其余区域电绝缘，完成对n型导电单晶硅片的改性，从而得到模板衬底；
e) 模板衬底的n型导电单晶硅片上与绝缘模板相对应包括多个二维紧密排列的像素区域4，每一个像素区域4包括四个圆形的导电区域分别两个红光导电区7、一个绿光导电区6和一个蓝光导电区5，其余部分为绝缘区域8，如图1所示；
4) 制备定制化模板石墨烯衬底：
a) 提供6个原子层厚的4英寸单晶石墨烯，单晶石墨烯的外边缘与模板衬底的外边缘形状一致；
b) 将单晶石墨烯完全对齐覆盖在模板衬底上；
c) 将绝缘模板完全对齐覆盖在单晶石墨烯上，绝缘模板的每个通孔单元的一个绿光区通孔、一个蓝光区通孔和两个红光区通孔分别与n型导电单晶硅片的每个像素区域的一个绿光导电区、一个蓝光导电区和两个红光导电区严格对正；
d) 对蓝光区通孔和绿光区通孔对应区域的单晶石墨烯进行减薄处理，至厚度为一个原子层，并对红光区通孔对应区域的单晶石墨烯行减薄处理厚度至4个原子层；
e) 对蓝光区通孔、绿光区通孔和红光区通孔对应区域的单晶石墨烯进行氮原子均匀掺杂，氮掺杂后石墨烯对紫外的吸收限定在240~270nm之间；
f) 在蓝光区通孔对应区域的单晶石墨烯上沉积5纳米厚准单晶AlON层，使得在其上面生长的氮化物外延层为金属晶格极性；
g) 采用255nm紫外激光对单晶石墨烯上对应绿光区通孔、蓝光区通孔和红光区通孔的边缘进行切割，只切割单晶石墨烯，蓝光区通孔、绿光区通孔和红光区通孔分别对应区域的单晶石墨烯上分别形成蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元，以及蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元之间的绝缘区石墨烯阵列元，从而形成蓝区石墨烯阵列元9、绿区石墨烯阵列元10、红区石墨烯阵列元11和绝缘区石墨烯阵列元12构成的石墨烯阵列基元13，移除绝缘模板，得到定制化模板石墨烯衬底14，定制化模板石墨烯衬底的n型导电单晶硅片的每个石墨烯阵列基元13的蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元的表面性质不同，如图2所示；
5) 制备全彩Micro-LED阵列外延片：
将定制化模板石墨烯衬底置入金属有机物化学气相沉积系统中，沉积如下垂直结构全氮化物Micro-LED：300 nm厚硅掺杂n型GaN（电子浓度为3×1019 cm-3）、沉积5个周期的InGaN/GaN多量子阱结构（每个结构中势垒为15 nm厚不掺杂GaN，势阱为2.5 nm厚不掺杂InGaN，总厚度为102.5 nm）、沉积300 nm厚镁掺杂p型GaN（空穴浓度为3×1019 cm-3）；由于定制化模板石墨烯衬底的n型导电单晶硅片的每个石墨烯阵列基元的蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元的表面性质不同，因此生长的垂直结构全氮化物的晶格极性和应力状态以及多量子阱势阱中的In组分不同，导致中心发光波长不同，从而在蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元上分别生成垂直结构单晶金属极性蓝光氮化物、垂直结构单晶氮极性绿光氮化物和垂直结构应力弛豫单晶氮极性红光氮化物，分别形成蓝光Micro-LED15、绿光Micro-LED16和红光Micro-LED17以及无Micro-LED区域构成多方向出光的Micro-LED像素元18，一次原位得到全彩Micro-LED阵列外延片19，蓝光、绿光和红光Micro-LED分别为微米柱；其中，位于蓝区石墨烯阵列元上方的垂直结构单晶金属极性蓝光氮化物中多量子阱的In组分为16%，蓝光Micro-LED 15的中心发光波长为459纳米附近；位于绿区石墨烯阵列元上方的垂直结构单晶氮极性绿光氮化物中多量子阱的In组分为26%，绿光Micro-LED 16的中心发光波长为536 纳米附近；位于中红区石墨烯阵列元上方的垂直结构应力弛豫单晶氮极性红光氮化物中多量子阱的In组分为35%，红光Micro-LED 17的中心发光波长为620纳米附近，如图3所示；
6) 封装：
采用掩膜和物理气相沉积，对全彩Micro-LED阵列中的每一个微米柱的侧壁和绝缘区域的上表面沉积20~50 nm厚的AlN膜形成多晶绝缘氮化物薄膜20，多晶绝缘氮化物薄膜的禁带宽度大于5.0eV，电阻率大于1×106欧姆·厘米；全反射金属封装技术沉积30 nm厚的多晶Al膜，采用聚甲基丙烯酸甲酯21填充蓝光、绿光和红光Micro-LED的微米柱之间的间隙，填充高度等于蓝光、绿光和红光Micro-LED的高度且无高度起伏，并且露出蓝光、绿光和红光Micro-LED顶面，阻止蓝光、绿光和红光Micro-LED的侧壁出光，且仅允许顶面的垂直方向出光，将多方向出光的Micro-LED像素元18转变为仅垂直方向出光的Micro-LED像素元22，得到全彩Micro-LED阵列平片23，如图4所示；
7) 制备透明电极：
a) 通过酸刻蚀Micro-LED阵列平片，使得n型导电单晶硅片的下表面与透明绝缘衬底3分离，n型导电单晶硅片的下表面进行平整处理；
b) 在Micro-LED阵列平片的上表面旋涂50~500 nm厚氧化铟锡形成透明电极；
c) 将绝缘模板覆盖在透明电极的表面，绝缘模板的圆形通孔对齐每个蓝光、绿光和红光Micro-LED；
d) 在绝缘模板上旋涂光刻胶制备保护层，绝缘模板的圆形通孔内形成保护层，而非圆形通孔的区域没有形成保护层；
e) 移除绝缘模板，对透明电极进行离子注入，没有保护层覆盖到的透明电极的区域有离子注入，使得透明电极的不与蓝光、绿光和红光Micro-LED相对应区域的电阻率变大，变成电绝缘，实现蓝光、绿光和红光Micro-LED顶面上的透明电极阵列，单个具有透明电极的垂直方向出光Micro-LED像素元28包含蓝光Micro-LED上方的导电蓝区24、绿光Micro-LED上方的导电绿区25、红光Micro-LED上方的导电红区26以及导电蓝区、导电绿区与导电红区之间的不导电绝缘区27；
f) 将与绝缘模板为互补图形的铝阵列，即铝阵列为柱状阵列，覆盖在驱动电路板30上，铝阵列的圆柱的直径为5μm，厚度20 nm，铝阵列与驱动电路板的电极阵列位置相对应，驱动电路板的电极阵列的直径也为5μm，通过磁控溅射等技术蒸镀，加热500~600℃并维持3~5分钟，从而铝阵列将粘贴驱动电路板的表面；
g) 将驱动电路板具有铝阵列的上表面，粘贴在n型导电单晶硅片的下表面，铝阵列既导电又反光，实现底面电极键合的同时禁止底面出光，使得所有的光全部从顶面出射，得到垂直结构且顶面出光的全彩氮化物Micro-LED阵列29，如图5所示。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种全彩氮化物半导体Micro-LED阵列的单片集成制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1) 制备复合型导电衬底：
a) 提供透明绝缘衬底，透明绝缘衬底的材料的能带宽大于5.0 eV，对波长大于250nm的紫外光不吸收；
b) 提供n型导电单晶硅片，n型导电单晶硅片的电阻率小于0.01欧姆·厘米，n型导电单晶硅片的外边缘与透明绝缘衬底的外边缘的形状相同，对n型导电单晶硅片进行单面抛光形成抛光面，并对n型导电单晶硅片的非抛光面减薄，将n型导电单晶硅片抛光面朝上粘贴在透明绝缘衬底上，形成复合型导电衬底；
2) 提供绝缘模板：
绝缘模板为电绝缘材料的平板，绝缘模板的外边缘与复合型导电衬底的外边缘的形状相同，绝缘模板划分为多个二维紧密排列的通孔单元，每一个通孔单元的外边缘平面形状为正方形，内部包括四个深度与绝缘模板的厚度一致的圆形通孔分别为一个绿光区通孔、一个蓝光区通孔和两个红光区通孔，绿光区通孔和蓝光区通孔分别位于正方形的一对对角上，两个红光区通孔分别位于另外一对对角上；
3) 制备模板衬底：
a) 绝缘模板完全对齐覆盖在复合型导电衬底上；
b) 在绝缘模板上制备保护层，在n型导电单晶硅片上对应绝缘模板的圆形通孔的区域形成保护层，而对应绝缘模板的非圆形通孔的区域没有形成保护层；
c) 移除绝缘模板，对n型导电单晶硅片进行离子注入，没有被保护层覆盖到的n型导电单晶硅片的区域有离子注入，使得电阻率变大，变成电绝缘；
d) 对离子注入后的复合型导电衬底进行化学清洗，去除保护层，与绝缘模板的圆形通孔相对应的区域依旧导电，其余区域电绝缘，完成对n型导电单晶硅片的改性，从而得到模板衬底；
e) 模板衬底的n型导电单晶硅片上与绝缘模板相对应包括多个二维紧密排列的像素区域，每一个像素区域包括四个圆形的导电区域分别两个红光导电区、一个绿光导电区和一个蓝光导电区，其余部分为绝缘区域；
4) 制备定制化模板石墨烯衬底：
a) 提供单晶石墨烯，单晶石墨烯的外边缘与模板衬底的外边缘形状一致，厚度为3~6个原子层；
b) 将单晶石墨烯完全对齐覆盖在模板衬底上；
c) 将绝缘模板完全对齐覆盖在单晶石墨烯上，绝缘模板的每个通孔单元的一个绿光区通孔、一个蓝光区通孔和两个红光区通孔分别与n型导电单晶硅片的每个像素区域的一个绿光导电区、一个蓝光导电区和两个红光导电区严格对正；
d) 对蓝光区通孔和绿光区通孔对应区域的单晶石墨烯进行减薄处理，至厚度为一个原子层；
e) 对蓝光区通孔、绿光区通孔和红光区通孔对应区域的单晶石墨烯进行氮原子均匀掺杂，氮掺杂后单晶石墨烯对紫外的吸收限定在240~270nm之间；
f) 在蓝光区通孔对应区域的单晶石墨烯上沉积AlON层，使得在其上面生长的氮化物外延层为金属晶格极性；
g) 对单晶石墨烯上对应绝缘模板的蓝光区通孔、一个绿光区通孔和两个红光区通孔的边缘进行切割，只切割单晶石墨烯，蓝光区通孔、绿光区通孔和红光区通孔分别对应区域的单晶石墨烯上分别形成蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元，以及蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元之间形成绝缘区石墨烯阵列元，从而形成由蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元、红区石墨烯阵列元和绝缘区石墨烯阵列元构成的石墨烯阵列基元，移除绝缘模板，得到定制化模板石墨烯衬底，定制化模板石墨烯衬底的n型导电单晶硅片的每个石墨烯阵列基元的一个蓝区石墨烯阵列元、一个绿区石墨烯阵列元和两个红区石墨烯阵列元的表面性质不同；
5) 制备全彩Micro-LED阵列外延片：
将定制化模板石墨烯衬底置入金属有机物化学气相沉积系统中，在定制化模板石墨烯衬底上一次原位外延生长垂直结构全氮化物，垂直结构全氮化物的多量子阱包括多个周期的InGaN势阱和GaN势垒，由于定制化模板石墨烯衬底的蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元的表面性质不同，因此生长的垂直结构全氮化物的晶格极性和应力状态以及多量子阱中的In组分不同，导致中心发光波长不同，从而在蓝区石墨烯阵列元、绿区石墨烯阵列元和红区石墨烯阵列元上分别生成垂直结构单晶金属极性蓝光氮化物、垂直结构单晶氮极性绿光氮化物和垂直结构应力弛豫单晶氮极性红光氮化物，分别形成蓝光Micro-LED、绿光Micro-LED和红光Micro-LED以及无Micro-LED区域，构成Micro-LED像素元，一次原位得到全彩Micro-LED阵列外延片，蓝光、绿光和红光Micro-LED分别为微米柱；
6) 封装：
采用原位钝化封装技术对全彩Micro-LED阵列外延片进行侧壁保护，并原位采用全反射金属封装技术填充全彩Micro-LED阵列的间隙，得到全彩Micro-LED阵列平片；
7) 制备透明电极：
采用掩膜沉积法在全彩Micro-LED阵列平片的表面制备透明电极，采用底面电极键合技术键合全彩Micro-LED阵列平片与驱动电路板，实现垂直结构且顶面出光的全彩氮化物Micro-LED阵列。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1）的a）中，透明绝缘衬底采用蓝宝石基板、金刚石或氧化镓基板中的一种；厚度为300~1500μm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1）的b）中，n型导电单晶硅片的厚度为300~1500 μm，直径为50~300 mm；n型导电单晶硅片单面抛光后的表面粗糙度小于0.5nm；对n型导电单晶硅片的背面减薄至5~100 μm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2）中，绝缘模板的厚度为300~1500μm，采用透明蓝宝石模板、金刚石或氧化镓基板；绝缘模板的通孔单元的正方形的边长a≤10μm；圆形通孔的直径为0.05a~0.4a。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3）的b）中，旋涂光刻胶或镀一层金属在n型导电单晶硅片上形成保护层。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3）的c）中，通过离子注入提高n型导电单晶硅的电阻率至大于1×106欧姆·厘米。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤4）的d）中，对红光区通孔对应区域的单晶石墨烯行减薄处理厚度至3~5个原子层。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤5）中，在蓝区石墨烯阵列元上得到中心发光波长在450~480 nm的蓝光Micro-LED；在绿区石墨烯阵列元上得到中心发光波长在530~560 nm的绿光Micro-LED；在红区石墨烯阵列元上得到中心发光波长在610~640nm的红光Micro-LED。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6）中，全反射金属封装技术填充Micro-LED阵列的间隙为利用无机物填充蓝光、绿光和红光Micro-LED的微米柱之间的间隙，填充高度等于蓝光、绿光和红光Micro-LED的高度且无高度起伏，并且露出蓝光、绿光和红光Micro-LED顶面，阻止蓝光、绿光和红光Micro-LED的侧壁出光并允许顶面出光。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤7）中，制备透明电极包括以下步骤：
a) 通过酸刻蚀全彩Micro-LED阵列平片，使得n型导电单晶硅片的下表面与透明绝缘衬底分离，n型导电单晶硅片的下表面进行平整处理；
b) 在全彩Micro-LED阵列平片的上表面旋涂透明电极；
c) 将绝缘模板覆盖在透明电极的表面，绝缘模板的圆形通孔对齐每个蓝光、绿光和红光Micro-LED；
d) 在绝缘模板上制备保护层，在透明电极上对应绝缘模板的圆形通孔的区域形成保护层，而对应非圆形通孔的区域没有形成保护层；
e) 移除绝缘模板，对透明电极进行离子注入，没有被保护层覆盖到的透明电极的区域有离子注入，使得透明电极上不与蓝光、绿光和红光Micro-LED相对应区域的电阻率变大，变成电绝缘；
f) 将与绝缘模板为互补图形的铝阵列，即铝阵列为柱状阵列，覆盖在驱动电路板上，加热500~600℃并维持3~5分钟，从而铝阵列将粘贴驱动电路板的上表面；
g) 将驱动电路板具有铝阵列的上表面，粘贴在n型导电单晶硅片的下表面，铝阵列既导电又反光，使得所有的光全部从顶面出射。
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