CN115692576A - 全彩led微显示阵列结构、制备方法、全彩led微显示器 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体显示领域，具体提供一种全彩LED微显示阵列结构、制备方法以及全彩LED微显示器，包括垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED像元组成，每个像元包括自下而上依次设置的衬底、第一发光单元、第二发光单元、第三发光单元、设置在第三发光单元之上的金属反射层和第三电极、设置在金属反射层之上SiO₂绝缘层、设置于SiO₂绝缘层之上连接第一发光单元的第一电极、设置于SiO₂绝缘层之上连接第二发光单元的第二电极以及设置于SiO₂绝缘层之上连接第一发光单元、第二发光单元和第三发光单元的第四电极，红光、绿光、蓝光均从所述衬底一侧出射。不仅提高蓝光、绿光LED的出光效率的同时避免了光的下转换过程发生，从而提高垂直叠层LED的显色指数。

Description

全彩LED微显示阵列结构、制备方法、全彩LED微显示器

技术领域

本发明涉及半导体显示领域，特别涉及一种全彩LED微显示阵列结构、制备方法、全彩LED微显示器。

背景技术

高密度全彩LED微显示器是实现AR消费级应用的核心器件。而LED微显示器全彩化技术则是推动其实用化发展的核心关键技术。围绕LED微显示器全彩化实现方式，现有的广泛采用的全彩LED微显示器制备技术依赖于单色(蓝光或紫光)LED微阵列与荧光材料的色彩转换技术，这种技术优势在于容易实现高密度小尺寸全彩LED微显示阵列，最大的问题在于受制于色彩转换材料的转换效率，伴随着单色像元尺寸的不断缩小，转换效率问题尤为突出。虽然现有技术中基于红、绿、蓝三基色LED的巨量转移技术在大屏幕全彩LED显示器上得到了成熟发展和应用，主要通过将红、绿、蓝三基色LED阵列巨量转移成平面并排结构，独立控制每个像元的三基色实现全彩，其优势在于不需要依赖复杂的3D互联IC制程，并且成品率高，显示器的显色指数高，然而难于获得高密度小尺寸全彩LED微显示阵列。

目前，面向GaAs、GaN等半导体的各种微型LED转移和集成技术，已经开发出不同发光波长的微型薄膜式LED，并在生物传感等方面拓展了其应用。然而，基于III-V族半导体的微型LED显示技术在开发过程中，也面临很多挑战，其中包括：(1)随着器件尺寸的缩小，器件边缘缺陷导致的载流子复合也显著增加，导致微型LED发光性能随尺寸缩小而降低；(2)随着器件尺寸的缩小，器件的加工制造和转移集成过程对定位精度的要求也越来越高，直接导致工艺成本的增加；(3)由于红、绿、蓝三种发光波长的微型LED基于不同组分的III-V族半导体材料，无法同时生长，不同器件的尺寸也有明显差异，需要用批量转移的方式进行集成，集成工艺中的良率控制也难度较大，中国专利公开CN114824006A公开了一种微型LED阵列发光结构及其制备方法。其中，该微型LED阵列发光结构包括衬底和多个LED阵列单元，多个LED阵列单元沿衬底的设置表面分布排列，用于发光显示，其中，多个LED阵列单元中的每个LED阵列单元为叠层结构。

面对巨量转移键合技术和3D互联IC制程，制备过程中存在复杂的布线导致LED开口率低、转移键合效率低、成品率低，以及每个像素内三基色光的相互串扰引起显色指数低的问题。

发明内容

为了解决现有垂直叠层全彩LED微显示阵列制备过程中存在的复杂的布线导致LED开口率低、转移键合效率低、成品率低，以及像素内三基色光的相互串扰引起显色指数低的问题，本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构、制备方法、全彩LED微显示器。

第一方面，本发明提供一种全彩LED微显示阵列结构，包括垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED像元组成，每个像元包括自下而上依次设置的衬底、产生蓝光的第一发光单元、产生绿光的第二发光单元、产生红光的第三发光单元、设置在所述第三发光单元之上的金属反射层和第三电极、设置在所述金属反射层之上SiO₂绝缘层、设置于所述SiO₂绝缘层之上连接所述第一发光单元的第一电极、设置于所述SiO₂绝缘层之上连接所述第二发光单元的第二电极以及设置于SiO₂绝缘层之上连接所述第一发光单元、所述第二发光单元和所述第三发光单元的第四电极，所述红光、所述绿光、所述蓝光均从所述衬底一侧出射；

所述第一发光单元包括自下而上依次设置的第一非故意掺杂GaN层、第一Si掺杂n-GaN层、蓝光多量子阱有源层、第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、第一Mg掺杂p-GaN层、设置于所述第一Mg掺杂p-GaN层上的第一分布布拉格反射镜层，所述第一非故意掺杂GaN层与所述衬底连接；

所述第二发光单元包括自下而上依次设置的第二非故意掺杂GaN层、第二Si掺杂n-GaN层、绿光多量子阱有源层、第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、第二Mg掺杂p-GaN层、设置于所述第二Mg掺杂p-GaN层上的第二分布布拉格反射镜层，还包括设置于SiO₂绝缘层之上连接第二发光单元的第二电极和第四电极，所述第二非故意掺杂GaN层与所述第一分布布拉格反射镜层连接；

所述第三发光单元包括自下而上依次设置的第三非故意掺杂GaN层、第三Si掺杂n-GaN层、红光多量子阱有源层、第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、第三Mg掺杂p-GaN层，所述金属反射层与所述第三Mg掺杂p-GaN层连接。

作为一种可选的方案，所述衬底为蓝宝石衬底或硅衬底，当所述衬底为蓝宝石时，去除衬底或减薄衬底，当所述衬底为硅衬底时，去除衬底。

作为一种可选的方案，所述蓝光多量子阱有源层为In_xGa_1-xN/GaN多量子阱或In_xGa_1-xN/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分x范围为：0.15＜x＜0.2，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_xGa_1-xN的厚度为1～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为1～5；

所述绿光多量子阱有源层为In_yGa_1-yN/GaN多量子阱或In_yGa_1-yN/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分y范围为：0.26＜y＜0.32，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_yGa_1-yN的厚度为3～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为1～5；

所述红光多量子阱有源层为In_zGa_1-zN/GaN多量子阱或In_zGa_1-zN/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分z范围为：0.44＜z＜0.51，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_zGa_1-zN的厚度为3～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为3～8。

作为一种可选的方案，所述第一非故意掺杂GaN层、所述第二非故意掺杂GaN层、所述第三非故意掺杂GaN层的厚度均为500～2000nm；

所述第一Si掺杂n-GaN层、所述第二Si掺杂n-GaN层、所述第三Si掺杂n-GaN层的掺杂浓度均≥5×10¹⁸/cm³，厚度均为300～1000nm；

所述第一Mg掺杂p-GaN层、所述第二Mg掺杂p-GaN层、所述第三Mg掺杂p-GaN层的掺杂浓度均≥1×10¹⁸/cm³，厚度均为100～300nm。

所述第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、所述第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、所述第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层的掺杂浓度均介于1×10¹⁷/cm³和1×10¹⁸/cm³之间，组分a范围由h渐变到0，厚度为10～20nm。

作为一种可选的方案，所述第一分布布拉格反射镜层为AlN和GaN交替生长的超晶格，每个周期中AlN的厚度优选为50nm，GaN的厚度为46nm，生长周期数≥22.5，反射率大于90％的波长范围介于430nm和460nm之间；

所述第二分布布拉格反射镜层为AlN和GaN交替生长的超晶格，每个周期中AlN的厚度为58nm，GaN的厚度优选为55nm，生长周期数≥17.5，反射率大于90％的波长范围介于490nm和530nm之间。

作为一种可选的方案，所述金属反射层为Al薄膜或Au薄膜，厚度为50～100nm；

作为一种可选的方案，所述金属反射层与所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极之间通过所述SiO₂绝缘层分隔开，所述SiO₂绝缘层的厚度为500～1000nm；

所述金属反射层和所述第三电极均与所述第三发光单元上表面直接接触，且所述金属反射层与所述第三电极不连接。

第二方面，本发明提供一种全彩LED微显示器，具有如上述的全彩LED微显示阵列结构。

第三方面，本发明提供一种全彩LED微显示阵列结构的制备方法，包括：

S1、在衬底上外延生长第一非故意掺杂GaN层；

S2、在所述第一非故意掺杂GaN层上外延生长第一Si掺杂n-GaN层；

S3、在所述第一Si掺杂n-GaN层上外延生长蓝光多量子阱有源层；

S4、在所述蓝光多量子阱有源层上外延生长第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S5、在所述第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第一Mg掺杂p-GaN层；

S6、在所述第一Mg掺杂p-GaN层上外延生长第一分布布拉格反射镜层；

S7、在所述第一分布布拉格反射镜层上外延生长第二非故意掺杂GaN层；

S8、在所述第二非故意掺杂GaN层上外延生长第二Si掺杂n-GaN层；

S9、在所述第二Si掺杂n-GaN层上外延生长绿光多量子阱有源层；

S10、在所述绿光多量子阱有源层上外延生长第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S11、在所述第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第二Mg掺杂p-GaN层；

S12、在所述第二Mg掺杂p-GaN层上外延生长第二分布布拉格反射镜层；

S13、在所述第二分布布拉格反射镜层上外延生长第三非故意掺杂GaN层；

S14、在所述第三非故意掺杂GaN层上外延生长第三Si掺杂n-GaN层；

S15、在所述第三Si掺杂n-GaN层上外延生长红光多量子阱有源层；

S16、在所述红光多量子阱有源层上外延生长第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S17、在所述第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第三Mg掺杂p-GaN层；

S18、在第三Mg掺杂p-GaN层上采用光刻和镀膜工艺制备金属反射层；

S19、通过三次光刻刻蚀制作从所述第三Mg掺杂p-GaN层到所述第一Si掺杂n-GaN层的三级台阶过孔，其中第一次光刻刻蚀从所述第三Mg掺杂p-GaN层刻蚀到所述第三Si掺杂n-GaN层，第二次光刻刻蚀从所述第三Si掺杂n-GaN层向下刻蚀到所述第二Si掺杂n-GaN层，第三次光刻刻蚀从所述第二Si掺杂n-GaN层向下刻蚀到所述第一Si掺杂n-GaN层，三次光刻刻蚀逐次缩小刻蚀面积；

S20、通过一次光刻刻蚀制备从所述第三Mg掺杂p-GaN层到所述第二Mg掺杂p-GaN层的单级过孔；

S21、通过一次光刻刻蚀制备从所述第三Mg掺杂p-GaN层到所述第一Mg掺杂p-GaN层的单级过孔；

S22、采用等离子体增强化学气相沉积工艺对S21步骤获得的样品表面沉积SiO₂绝缘层；

S23、通过光刻刻蚀和镀膜工艺制备第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，其中，所述第一电极从所述SiO₂绝缘层表面向下连接到所述第一Mg掺杂p-GaN层，所述第二电极从所述SiO₂绝缘层表面向下连接到所述第二Mg掺杂p-GaN层，所述第三电极直接连接所述第三Mg掺杂p-GaN层，所述第四电极从所述SiO₂绝缘层表面向下依次连接第一Si掺杂n-GaN层、第二Si掺杂n-GaN层、第三Si掺杂n-GaN层；

S24、对所述衬底进行处理，使满足光从衬底一侧出射。

作为一种可选的方案，所述对所述衬底进行处理，使满足光从衬底一侧出射，包括：

当所述衬底为蓝宝石衬底时，进行去除衬底或减薄衬底，使满足光从衬底一侧出射；

当所述衬底为硅衬底时，去除硅衬底，使满足光从衬底一侧出射。

本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构、制备方法以及全彩LED微显示器，通过材料外延生长获得三基色发光二极管材料，解决现有技术中依赖于多次键合和去衬底的复杂制程导致的转移键合效率低、成品率低的问题；通过引入原位生长的蓝光分布布拉格反射镜和绿光分布布拉格反射镜，解决每个像素内三基色光的相互串扰引起显色指数低的问题；通过过孔连接和绝缘隔离技术，解决现有技术中依赖于复杂的布线导致的LED开口率低的问题。所述的一种全彩LED微显示阵列及其制备方法，每个像元都是垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED，自下而上依次为蓝光LED发光单元、中心波长为蓝光的AlN/GaN分布布拉格反射镜、绿光LED发光单元、中心波长为绿光的AlN/GaN分布布拉格反射镜和红光LED单元。所述的垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED像元由各自的P型控制端和三个LED的n型公共端互连为一个端点组成四个连接端点，通过过孔连接和绝缘隔离技术实现端点同平面分布。红、绿、蓝光均从衬底一侧出射，不仅避免了复杂的布线工艺引起的LED低开口率，而且能够制备超高分辨率全彩LED微显示器；蓝、绿光分布布拉格反射镜的引入，能够有效抑制蓝光、绿光的反向出射，提高蓝光、绿光LED的出光效率的同时避免了光的下转换过程发生，从而提高垂直叠层LED的显色指数。

附图说明

图1为本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构中蓝光LED使用的AlN/GaN分布布拉格反射镜的反射率曲线的示意图；

图4为本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构中绿光LED使用的AlN/GaN分布布拉格反射镜的反射率曲线的示意图。

附图标记：1、衬底，2、第一非故意掺杂GaN层，3、第一Si掺杂n-GaN层，4、蓝光多量子阱有源层，5、第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层，6、第一Mg掺杂p-GaN层，7、第一分布布拉格反射镜层，8、第二非故意掺杂GaN层，9、第二Si掺杂n-GaN层，10、绿光多量子阱有源层，11、第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层，12、第二Mg掺杂p-GaN层，13、第二分布布拉格反射镜层，14、第三非故意掺杂GaN层，15、第三Si掺杂n-GaN层，16、红光多量子阱有源层，17、第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层，18、第三Mg掺杂p-GaN层，19、金属反射层，20、SiO₂绝缘层，21、第三电极，22、第二电极，23、第四电极，24、第一电极。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构，包括垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED像元组成，每个像元包括自下而上依次设置的衬底1、产生蓝光的第一发光单元、产生绿光的第二发光单元、产生红光的第三发光单元、设置在所述第三发光单元之上的金属反射层19和第三电极21、设置在所述金属反射层19之上SiO₂绝缘层20、设置于所述SiO₂绝缘层20之上连接所述第一发光单元的第一电极24、设置于所述SiO₂绝缘层20之上连接所述第二发光单元的第二电极22以及设置于SiO₂绝缘层20之上连接所述第一发光单元、所述第二发光单元和所述第三发光单元的第四电极23，所述红光、所述绿光、所述蓝光均从所述衬底1一侧出射。

第一发光单元包括自下而上依次设置的第一非故意掺杂GaN层2、第一Si掺杂n-GaN层3、蓝光多量子阱有源层4、第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层5、第一Mg掺杂p-GaN层6和设置于第一Mg掺杂p-GaN层6上的第一分布布拉格反射镜层7，还包括设置于SiO₂绝缘层20之上连接第一发光单元的第一电极24和第四电极23，所述第一非故意掺杂GaN层2与所述衬底1连接。

第二发光单元包括自下而上依次设置的第二非故意掺杂GaN层8、第二Si掺杂n-GaN层9、绿光多量子阱有源层10、第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层11、第二Mg掺杂p-GaN层12和设置于第二Mg掺杂p-GaN层12上的第二分布布拉格反射镜层13，还包括设置于SiO₂绝缘层20之上连接第二发光单元的第二电极22和第四电极23，所述第二非故意掺杂GaN层8与所述第一分布布拉格反射镜层7连接。

第三发光单元包括自下而上依次设置的第三非故意掺杂GaN层14、第三Si掺杂n-GaN层15、红光多量子阱有源层16、第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层17、第三Mg掺杂p-GaN层18、设置于第三Mg掺杂p-GaN层18上的金属反射层19和第三电极21，还包括设置于SiO₂绝缘层20之上连接第三发光单元的第四电极23，所述金属反射层19与所述第三Mg掺杂p-GaN层19连接。

如图2所示，衬底1采用(001)面或(110)面蓝宝石衬底或(111)面硅衬底，第一非故意掺杂GaN层2、第二非故意掺杂GaN层8、第三非故意掺杂GaN层14厚度均为500～2000nm，优选的厚度为1000nm。

第一Si掺杂n-GaN层3、第二Si掺杂n-GaN层9、第三Si掺杂n-GaN层15的掺杂浓度≥5×10¹⁸/cm³，厚度为300～1000nm，优选的厚度为500nm。

第一发光单元的蓝光多量子阱有源层4，可以是In_xGa_1-xN/GaN多量子阱或In_xGa_{1- x}N/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分x范围为：0.15＜x＜0.2，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_xGa_1-xN的厚度为1～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为1～5。

第二发光单元的绿光多量子阱有源层10，可以是In_yGa_1-yN/GaN多量子阱或In_yGa_{1- y}N/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分y范围为：0.26＜y＜0.32，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_yGa_1-yN的厚度为3～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为1～5。

第三发光单元的红光多量子阱有源层16，可以是In_zGa_1-zN/GaN多量子阱或In_zGa_{1- z}N/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分z范围为：0.44＜z＜0.51，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_zGa_1-zN的厚度为3～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为3～8；第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层5、第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层11、第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层17的掺杂浓度介于1×10¹⁷/cm³和1×10¹⁸/cm³之间，组分a范围由h渐变到0，厚度为10～20nm；第一Mg掺杂p-GaN层6、第二Mg掺杂p-GaN层12、第三Mg掺杂p-GaN层18的掺杂浓度≥1×10¹⁸/cm³，厚度为100～300nm，优选的厚度为200nm。

第一分布布拉格反射镜层7和第二分布布拉格反射镜层13均为AlN和GaN交替生长的超晶格，根据反射镜中心波长的不同调节AlN/GaN周期数和每个周期中AlN和GaN的生长厚度。具体地，第一分布布拉格反射镜层7反射率大于90％的波长范围介于430nm和460nm之间，因此每个周期中AlN的厚度优选为50nm，GaN的厚度优选为46nm，生长周期数≥22.5，优选的为25.5；第二分布布拉格反射镜层13反射率大于90％的波长范围介于490nm和530nm之间，因此每个周期中AlN的厚度优选为58nm，GaN的厚度优选为55nm，生长周期数≥17.5，优选的为20.5。

本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构、制备方法以及全彩LED微显示器，通过材料外延生长获得三基色发光二极管材料，解决现有技术中依赖于多次键合和去衬底的复杂制程导致的转移键合效率低、成品率低的问题；通过引入原位生长的蓝光分布布拉格反射镜和绿光分布布拉格反射镜，解决每个像素内三基色光的相互串扰引起显色指数低的问题；通过过孔连接和绝缘隔离技术，解决现有技术中依赖于复杂的布线导致的LED开口率低的问题。所述的一种全彩LED微显示阵列及其制备方法，每个像元都是垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED，自下而上依次为蓝光LED发光单元、中心波长为蓝光的AlN/GaN分布布拉格反射镜、绿光LED发光单元、中心波长为绿光的AlN/GaN分布布拉格反射镜和红光LED单元。所述的垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED像元由各自的P型控制端和三个LED的n型公共端互连为一个端点组成四个连接端点，通过过孔连接和绝缘隔离技术实现端点同平面分布。红、绿、蓝光均从衬底一侧出射，不仅避免了复杂的布线工艺引起的LED低开口率，而且能够制备超高分辨率全彩LED微显示器；蓝、绿光分布布拉格反射镜的引入，能够有效抑制蓝光、绿光的反向出射，提高蓝光、绿光LED的出光效率的同时避免了光的下转换过程发生，从而提高垂直叠层LED的显色指数。

相应地，本发明实施例中提供一种全彩LED微显示器，具有上述的全彩LED微显示阵列结构，本实施例中提到的LED显示器是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕，可以广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。

相应地，本发明实施例中提供了一种全彩LED微显示阵列结构的制备方法，包括：

S1、在衬底上外延生长第一非故意掺杂GaN层；

S2、在第一非故意掺杂GaN层上外延生长第一Si掺杂n-GaN层；

S3、在第一Si掺杂n-GaN层上外延生长蓝光多量子阱有源层；

S4、在蓝光多量子阱有源层上外延生长第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S5、在第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第一Mg掺杂p-GaN层；

S6、在第一Mg掺杂p-GaN层上外延生长第一分布布拉格反射镜层；

S7、在第一分布布拉格反射镜层上外延生长第二非故意掺杂GaN层；

S8、在第二非故意掺杂GaN层上外延生长第二Si掺杂n-GaN层；

S9、在第二Si掺杂n-GaN层上外延生长绿光多量子阱有源层；

S10、在绿光多量子阱有源层上外延生长第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S11、在第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第二Mg掺杂p-GaN层；

S12、在第二Mg掺杂p-GaN层上外延生长第二分布布拉格反射镜层；

S13、在第二分布布拉格反射镜层上外延生长第三非故意掺杂GaN层；

S14、在第三非故意掺杂GaN层上外延生长第三Si掺杂n-GaN层；

S15、在第三Si掺杂n-GaN层上外延生长红光多量子阱有源层；

S16、在红光多量子阱有源层上外延生长第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S17、在第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第三Mg掺杂p-GaN层；

S18、在第三Mg掺杂p-GaN层上采用光刻和镀膜工艺制备金属反射层；

S19、通过三次光刻刻蚀制作从第三Mg掺杂p-GaN层到第一Si掺杂n-GaN层的三级台阶过孔，其中第一次光刻刻蚀从第三Mg掺杂p-GaN层刻蚀到第三Si掺杂n-GaN层，第二次光刻刻蚀从第三Si掺杂n-GaN层向下刻蚀到第二Si掺杂n-GaN层，第三次光刻刻蚀从第二Si掺杂n-GaN层向下刻蚀到第一Si掺杂n-GaN层，三次光刻刻蚀逐次缩小刻蚀面积；

S20、通过一次光刻刻蚀制备从第三Mg掺杂p-GaN层到第二Mg掺杂p-GaN层的单级过孔；

S21、通过一次光刻刻蚀制备从第三Mg掺杂p-GaN层到第一Mg掺杂p-GaN层的单级过孔；

S22、采用等离子体增强化学气相沉积工艺对S21步骤获得的样品表面沉积SiO₂绝缘层；

S23、通过光刻刻蚀和镀膜工艺制备第一、二、三、四电极，其中，第一电极从SiO₂绝缘层表面向下连接到第一Mg掺杂p-GaN层，第二电极从SiO₂绝缘层表面向下连接到第二Mg掺杂p-GaN层，第三电极直接连接第三Mg掺杂p-GaN层，第四电极从SiO₂绝缘层表面向下依次连接第一、二、三Si掺杂n-GaN层；

S24、对衬底进行处理，使满足光从衬底一侧出射。

在S24中，当衬底为蓝宝石衬底时，进行去除衬底或减薄衬底，使满足光从衬底一侧出射；当衬底为硅衬底时，去除硅衬底，使满足光从衬底一侧出射。

本发明实施例中提供了一种全彩LED微显示阵列结构的制备方法，以衬底为蓝宝石衬底为例，方法包括：

S1、在(110)面蓝宝石衬底上外延生长1000nm第一非故意掺杂GaN层；

S2、在第一非故意掺杂GaN层上外延生长掺杂浓度为5×10¹⁸/cm³，厚度为500nm的第一Si掺杂n-GaN层；

S3、在第一Si掺杂n-GaN层上外延生长In_0.18Ga_0.82N/GaN多量子阱有源层，中心波长为450nm的蓝光多量子阱有源发光层，势阱In_0.18Ga_0.82N的厚度为1.5nm，势垒GaN的厚度为5nm，量子阱周期数为3；

S4、在In_0.18Ga_0.82N/GaN多量子阱有源层上外延生长第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层，组分a从0.1渐变到0，厚度为15nm，掺杂浓度为2×10¹⁷/cm³；

S5、在第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第一Mg掺杂p-GaN层，厚度为200nm，掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³；

S6、在第一Mg掺杂p-GaN层上外延生长第一分布布拉格反射镜层，每个周期中AlN的厚度为50nm，GaN的厚度为46nm，生长周期数25.5，反射镜中心波长为450nm，反射率大于90％的波长范围介于430nm和460nm之间，如图3所示；

S7、在第一分布布拉格反射镜层上外延生长1000nm第二非故意掺杂GaN层；

S8、在第二非故意掺杂GaN层上外延生长掺杂浓度为5×10¹⁸/cm³，厚度为500nm的第二Si掺杂n-GaN层；

S9、在第二Si掺杂n-GaN层上外延生长In_0.3Ga_0.7N/GaN多量子阱有源层，中心波长为520nm的绿光多量子阱有源发光层，势阱In_0.3Ga_0.7N的厚度为2nm，势垒GaN的厚度为8nm，量子阱周期数为5；

S10、在In_0.3Ga_0.7N/GaN多量子阱有源层上外延生长第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层，组分a从0.1渐变到0，厚度为15nm，掺杂浓度为2×10¹⁷/cm³；

S11、在第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第二Mg掺杂p-GaN层，厚度为200nm，掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³；

S12、在第二Mg掺杂p-GaN层上外延生长第二分布布拉格反射镜层，每个周期中AlN的厚度为58nm，GaN的厚度为55nm，生长周期数20.5，反射镜中心波长为520nm，反射率大于90％的波长范围介于490nm和530nm之间，如图4所示；

S13、在第二分布布拉格反射镜层上外延生长1000nm第三非故意掺杂GaN层；

S14、在第三非故意掺杂GaN层上外延生长掺杂浓度为5×10¹⁸/cm³，厚度为500nm的第三Si掺杂n-GaN层；

S15、在第三Si掺杂n-GaN层上外延生长In_0.46Ga_0.54N/GaN多量子阱有源层，中心波长为650nm的红光多量子阱有源发光层，势阱In_0.46Ga_0.54N的厚度为4nm，势垒GaN的厚度为10nm，量子阱周期数为3；

S16、在In_0.46Ga_0.54N/GaN多量子阱有源层上外延生长第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层，组分a从0.1渐变到0，厚度为15nm，掺杂浓度为2×10¹⁷/cm³；

S17、在第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第三Mg掺杂p-GaN层，厚度为200nm，掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³；

S18、在第三Mg掺杂p-GaN层上采用光刻和镀膜工艺制备50nm的Al金属反射层；

S19、通过三次光刻刻蚀制作从第三Mg掺杂p-GaN层到第一Si掺杂n-GaN层的三级台阶过孔，其中第一次光刻刻蚀从第三Mg掺杂p-GaN层刻蚀到第三Si掺杂n-GaN层，刻蚀深度为300nm；第二次光刻刻蚀从第三Si掺杂n-GaN层向下刻蚀到第二Si掺杂n-GaN层，刻蚀深度为4200nm；第三次光刻刻蚀从第二Si掺杂n-GaN层向下刻蚀到第一Si掺杂n-GaN层，刻蚀深度为4200nm；三次光刻刻蚀逐次缩小刻蚀面积，刻蚀边长逐次缩小1μm；

S20、通过一次光刻刻蚀制备从第三Mg掺杂p-GaN层到第二Mg掺杂p-GaN层的单级过孔，刻蚀深度为4150nm；

S21、通过一次光刻刻蚀制备从第三Mg掺杂p-GaN层到第一Mg掺杂p-GaN层的单级过孔，刻蚀深度为8350nm；

S22、采用等离子体增强化学气相沉积工艺对上述步骤获得的样品表面沉积厚度100nm的SiO₂绝缘层；

S23、通过光刻刻蚀和镀膜工艺制备第一、二、三、四电极，电极采用金电极，厚度为50nm；其中，第一电极从SiO₂绝缘层表面向下连接到第一Mg掺杂p-GaN层，第二电极从SiO₂绝缘层表面向下连接到第二Mg掺杂p-GaN层，第三电极直接连接第三Mg掺杂p-GaN层，第四电极从SiO₂绝缘层表面向下依次连接第一Si掺杂n-GaN层、第二Si掺杂n-GaN层、第三Si掺杂n-GaN层；

S24、减薄蓝宝石衬底至100μm，完成全彩LED微显示阵列结构的制备。

本发明实施例中提供一种全彩LED微显示阵列结构的制备方法，通过材料外延生长获得三基色发光二极管材料，解决现有技术中依赖于多次键合和去衬底的复杂制程导致的转移键合效率低、成品率低的问题；通过引入原位生长的蓝光分布布拉格反射镜和绿光分布布拉格反射镜，解决每个像素内三基色光的相互串扰引起显色指数低的问题；通过过孔连接和绝缘隔离技术，解决现有技术中依赖于复杂的布线导致的LED开口率低的问题。所述的一种全彩LED微显示阵列及其制备方法，每个像元都是垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED，自下而上依次为蓝光LED发光单元、中心波长为蓝光的AlN/GaN分布布拉格反射镜、绿光LED发光单元、中心波长为绿光的AlN/GaN分布布拉格反射镜和红光LED单元。所述的垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED像元由各自的P型控制端和三个LED的n型公共端互连为一个端点组成四个连接端点，通过过孔连接和绝缘隔离技术实现端点同平面分布。红、绿、蓝光均从衬底一侧出射，不仅避免了复杂的布线工艺引起的LED低开口率，而且能够制备超高分辨率全彩LED微显示器；蓝、绿光分布布拉格反射镜的引入，能够有效抑制蓝光、绿光的反向出射，提高蓝光、绿光LED的出光效率的同时避免了光的下转换过程发生，从而提高垂直叠层LED的显色指数。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全彩LED微显示阵列结构，其特征在于，包括垂直叠层的红、绿、蓝三基色LED像元组成，每个像元包括自下而上依次设置的衬底、产生蓝光的第一发光单元、产生绿光的第二发光单元、产生红光的第三发光单元、设置在所述第三发光单元之上的金属反射层和第三电极、设置在所述金属反射层之上SiO₂绝缘层、设置于所述SiO₂绝缘层之上连接所述第一发光单元的第一电极、设置于所述SiO₂绝缘层之上连接所述第二发光单元的第二电极以及设置于SiO₂绝缘层之上连接所述第一发光单元、所述第二发光单元和所述第三发光单元的第四电极，所述红光、所述绿光、所述蓝光均从所述衬底一侧出射；

所述第一发光单元包括自下而上依次设置的第一非故意掺杂GaN层、第一Si掺杂n-GaN层、蓝光多量子阱有源层、第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、第一Mg掺杂p-GaN层、设置于所述第一Mg掺杂p-GaN层上的第一分布布拉格反射镜层，所述第一非故意掺杂GaN层与所述衬底连接；

所述第二发光单元包括自下而上依次设置的第二非故意掺杂GaN层、第二Si掺杂n-GaN层、绿光多量子阱有源层、第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、第二Mg掺杂p-GaN层、设置于所述第二Mg掺杂p-GaN层上的第二分布布拉格反射镜层，还包括设置于SiO₂绝缘层之上连接第二发光单元的第二电极和第四电极，所述第二非故意掺杂GaN层与所述第一分布布拉格反射镜层连接；

所述第三发光单元包括自下而上依次设置的第三非故意掺杂GaN层、第三Si掺杂n-GaN层、红光多量子阱有源层、第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、第三Mg掺杂p-GaN层，所述金属反射层与所述第三Mg掺杂p-GaN层连接。

2.根据权利要求1所述的全彩LED微显示阵列结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底或硅衬底，当所述衬底为蓝宝石时，去除衬底或减薄衬底，当所述衬底为硅衬底时，去除衬底。

3.根据权利要求1所述的全彩LED微显示阵列结构，其特征在于，所述蓝光多量子阱有源层为In_xGa_1-xN/GaN多量子阱或In_xGa_1-xN/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分x范围为：0.15＜x＜0.2，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_xGa_1-xN的厚度为1～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为1～5；

所述绿光多量子阱有源层为In_yGa_1-yN/GaN多量子阱或In_yGa_1-yN/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分y范围为：0.26＜y＜0.32，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_yGa_1-yN的厚度为3～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为1～5；

所述红光多量子阱有源层为In_zGa_1-zN/GaN多量子阱或In_zGa_1-zN/Al_hGa_1-hN多量子阱，组分z范围为：0.44＜z＜0.51，组分h范围为：0.1＜h＜0.2，势阱In_zGa_1-zN的厚度为3～5nm，势垒GaN或Al_hGa_1-hN的厚度为5～15nm，量子阱周期数为3～8。

4.根据权利要求1所述的全彩LED微显示阵列结构，其特征在于，所述第一非故意掺杂GaN层、所述第二非故意掺杂GaN层、所述第三非故意掺杂GaN层的厚度均为500～2000nm；

所述第一Si掺杂n-GaN层、所述第二Si掺杂n-GaN层、所述第三Si掺杂n-GaN层的掺杂浓度均≥5×10¹⁸/cm³，厚度均为300～1000nm；

所述第一Mg掺杂p-GaN层、所述第二Mg掺杂p-GaN层、所述第三Mg掺杂p-GaN层的掺杂浓度均≥1×10¹⁸/cm³，厚度均为100～300nm。

所述第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层、所述第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_{1- a}N电子阻挡层、所述第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层的掺杂浓度均介于1×10¹⁷/cm³和1×10¹⁸/cm³之间，组分a范围由h渐变到0，厚度为10～20nm。

5.根据权利要求1所述的全彩LED微显示阵列结构，其特征在于，所述第一分布布拉格反射镜层为AlN和GaN交替生长的超晶格，每个周期中AlN的厚度优选为50nm，GaN的厚度为46nm，生长周期数≥22.5，反射率大于90％的波长范围介于430nm和460nm之间；

所述第二分布布拉格反射镜层为AlN和GaN交替生长的超晶格，每个周期中AlN的厚度为58nm，GaN的厚度优选为55nm，生长周期数≥17.5，反射率大于90％的波长范围介于490nm和530nm之间。

6.根据权利要求1所述的全彩LED微显示阵列结构，其特征在于，所述金属反射层为Al薄膜或Au薄膜，厚度为50～100nm。

7.根据权利要求1所述的全彩LED微显示阵列结构，其特征在于，所述金属反射层与所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极之间通过所述SiO₂绝缘层分隔开，所述SiO₂绝缘层的厚度为500～1000nm；

所述金属反射层和所述第三电极均与所述第三发光单元上表面直接接触，且所述金属反射层与所述第三电极不连接。

8.一种全彩LED微显示器，其特征在于，具有如权利要求1至7中任一项所述的全彩LED微显示阵列结构。

9.一种全彩LED微显示阵列结构的制备方法，其特征在于，包括：

S1、在衬底上外延生长第一非故意掺杂GaN层；

S2、在所述第一非故意掺杂GaN层上外延生长第一Si掺杂n-GaN层；

S3、在所述第一Si掺杂n-GaN层上外延生长蓝光多量子阱有源层；

S4、在所述蓝光多量子阱有源层上外延生长第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S5、在所述第一Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第一Mg掺杂p-GaN层；

S6、在所述第一Mg掺杂p-GaN层上外延生长第一分布布拉格反射镜层；

S7、在所述第一分布布拉格反射镜层上外延生长第二非故意掺杂GaN层；

S8、在所述第二非故意掺杂GaN层上外延生长第二Si掺杂n-GaN层；

S9、在所述第二Si掺杂n-GaN层上外延生长绿光多量子阱有源层；

S10、在所述绿光多量子阱有源层上外延生长第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S11、在所述第二Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第二Mg掺杂p-GaN层；

S12、在所述第二Mg掺杂p-GaN层上外延生长第二分布布拉格反射镜层；

S13、在所述第二分布布拉格反射镜层上外延生长第三非故意掺杂GaN层；

S14、在所述第三非故意掺杂GaN层上外延生长第三Si掺杂n-GaN层；

S15、在所述第三Si掺杂n-GaN层上外延生长红光多量子阱有源层；

S16、在所述红光多量子阱有源层上外延生长第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层；

S17、在所述第三Mg掺杂组分渐变p-Al_aGa_1-aN电子阻挡层上外延生长第三Mg掺杂p-GaN层；

S18、在第三Mg掺杂p-GaN层上采用光刻和镀膜工艺制备金属反射层；

S19、通过三次光刻刻蚀制作从所述第三Mg掺杂p-GaN层到所述第一Si掺杂n-GaN层的三级台阶过孔，其中第一次光刻刻蚀从所述第三Mg掺杂p-GaN层刻蚀到所述第三Si掺杂n-GaN层，第二次光刻刻蚀从所述第三Si掺杂n-GaN层向下刻蚀到所述第二Si掺杂n-GaN层，第三次光刻刻蚀从所述第二Si掺杂n-GaN层向下刻蚀到所述第一Si掺杂n-GaN层，三次光刻刻蚀逐次缩小刻蚀面积；

S20、通过一次光刻刻蚀制备从所述第三Mg掺杂p-GaN层到所述第二Mg掺杂p-GaN层的单级过孔；

S21、通过一次光刻刻蚀制备从所述第三Mg掺杂p-GaN层到所述第一Mg掺杂p-GaN层的单级过孔；

S22、采用等离子体增强化学气相沉积工艺对S21步骤获得的样品表面沉积SiO₂绝缘层；

S23、通过光刻刻蚀和镀膜工艺制备第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，其中，所述第一电极从所述SiO₂绝缘层表面向下连接到所述第一Mg掺杂p-GaN层，所述第二电极从所述SiO₂绝缘层表面向下连接到所述第二Mg掺杂p-GaN层，所述第三电极直接连接所述第三Mg掺杂p-GaN层，所述第四电极从所述SiO₂绝缘层表面向下依次连接第一Si掺杂n-GaN层、第二Si掺杂n-GaN层、第三Si掺杂n-GaN层；

S24、对所述衬底进行处理，使满足光从衬底一侧出射。

10.根据权利要求9所述的全彩LED微显示阵列结构的制备方法，其特征在于，所述对所述衬底进行处理，使满足光从衬底一侧出射，包括：

当所述衬底为蓝宝石衬底时，进行去除衬底或减薄衬底，使满足光从衬底一侧出射；

当所述衬底为硅衬底时，去除硅衬底，使满足光从衬底一侧出射。

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