CN116031277B - 一种氮化物全彩微型发光二极管显示芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物全彩微型发光二极管显示芯片及其制备方法。本发明的显示芯片单元包含红光、绿光和蓝光微型发光二极管显示像素，极大地简化三基色微型发光二极管向显示面板的转移工艺，提高了显示面板的成品率；三基色微型发光二极管显示像素集中分布在同一芯片单元上，便于缩小三基色像素之间的间距，增强混光效果；同时单片集成芯片提高了发光区域的面积占比，有利于提高微型发光二极管显示器的分辨率；三基色微型发光二极管由相同材料构成，并在同一衬底上外延制备获得，三基色微型发光二极管独立可控，有利于提高芯片间的发光一致性和显色性能；与现有的发光二极管的芯片工艺流程兼容，易于将本发明直接应用到大规模的工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及全彩微型发光二极管显示技术，具体涉及一种氮化物全彩微型发光二极管显示芯片及其制备方法。
背景技术
微型发光二极管显示技术具有能耗低、寿命长和显色性好等优点，在大型显示器、消费电子、车载显示器、虚拟现实/增强现实和可穿戴显示等各种尺寸和形状的高清显示领域有着广阔的应用前景，是国际上相关研究机构和企业重点关注的下一代显示技术。如何实现全彩显示是微型发光二极管显示技术面临的挑战之一，这主要是由于现有技术条件下，还很难实现红、绿、蓝三基色微型发光二极管的单片集成。
目前通常使用巨量转移的方法制备将红、绿、蓝三基色微型发光二极管转移到同一块显示面板上，来制备全彩微型发光二极管显示器。面向高清显示应用的微型发光二极管显示技术需要数以百万计的红、绿、蓝三基色微型发光二极管显示芯片来实现，而准确无误地将众多不同材料的芯片集成在一起十分困难，极大地增加了工艺的复杂性和成本、降低了产品的成品率，限制了微型发光二极管显示技术的发展。
氮化物材料体系的发光范围覆盖了整个可见光波段，使用单一的氮化物材料体系就可以实现红、绿、蓝三基色微型发光二极管，氮化物材料是全彩微型发光二极管显示技术的优选材料。使用氮化物材料体系，有望取代现有巨量转移模式制备全彩微型发光二极管显示器的技术路线，以单片集成的方法实现全彩微型发光二极管显示。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种氮化物全彩微型发光二极管显示芯片及其制备方法。
本发明的一个目的在于提供一种氮化物全彩微型发光二极管显示芯片。
本发明的氮化物全彩微型发光二极管显示芯片包括：衬底、衬底过渡层、第一导电类型电流注入层、第一发光层、第一连接层、第二发光层、第二连接层、第三发光层、第二导电类型电流注入层和电极；其中，在衬底过渡层上形成第一导电类型电流注入层；在第一导电类型电流注入层上形成第一发光层；在第一发光层上形成第一连接层；在第一连接层上形成第二发光层；在第二发光层上形成第二连接层；在第二连接层上形成第三发光层；在第三发光层上形成第二导电类型电流注入层，形成外延叠层结构；其中，第一、第二和第三发光层为InGaN基氮化物蓝色发光层、InGaN基氮化物绿色发光层和InGaN基氮化物红色发光层的排列中的一种；对外延叠层结构刻蚀形成阶梯状台面结构，第三发光层和第二导电类型电流注入层的水平尺寸一致形成第一柱体，第二发光层和第二连接层的水平尺寸一致形成第二柱体，第一发光层和第一连接层形成第三柱体，第一至第三柱体的水平尺寸依次增大，即第二导电类型电流注入层的水平尺寸小于第二连接层的水平尺寸，第二连接层的水平尺寸的尺寸小于第一导电类型电流注入层的水平尺寸，分别露出部分第一导电类型电流注入层、第一连接层和第二连接层的表面，露出的部分第一导电类型电流注入层、第一连接层和第二连接层的表面为环形；第一至第三柱体共轴，并构成一个显示芯片单元；第三发光层的有效发光面积为第二导电类型电流注入层的水平面积，第二发光层的有效发光面积为第二连接层暴露出来的环形的水平面积，第一发光层的有效发光面积为第一连接层暴露出来的环形的水平面积；通过调节第二导电类型电流注入层的水平面积以及第一和第二连接层暴露出来的环形的面积调节各种颜色的有效发光面积，从而调节各种颜色的发光比例；在环形的第一导电类型电流注入层和第一连接层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第一发光显示单元，在环形的第一连接层和第二连接层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第二发光显示单元，在环形的第二连接层和第二导电类型电流注入层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第三发光显示单元；对各显示芯片单元进行分割得到氮化物全彩微型发光二极管显示芯片，每个显示芯片包括第一发光显示单元、第二发光显示单元和第三发光显示单元各一个，分割后各显示芯片单元中各种颜色的有效发光面积定义为各种颜色微型发光二极管显示像素，故每个显示芯片包括蓝色、绿色和红色微型发光二极管显示像素；显示芯片转移到制作好驱动电路的基板上并完成封装，得到氮化物全彩微型发光二极管显示面板。
本发明的氮化物全彩微型发光二极管显示芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)提供用于氮化物材料外延的衬底；
2)在衬底上形成衬底过渡层；在衬底过渡层上形成第一导电类型电流注入层；在第一导电类型电流注入层上形成第一发光层；在第一发光层上形成第一连接层；在第一连接层上形成第二发光层；在第二发光层上形成第二连接层；在第二连接层上形成第三发光层；在第三发光层上形成第二导电类型电流注入层，形成外延叠层结构；其中，第一、第二和第三发光层为InGaN基氮化物蓝色发光层、InGaN基氮化物绿色发光层和InGaN基氮化物红色发光层的排列中的一种；
3)设计全彩微型发光二极管显示芯片的版图，根据在工作电流范围内蓝色、绿色和红色微型发光二极管的发光强度，设计显示芯片内蓝色、绿色和红色微型发光二极管显示芯片单元的面积、形状和排列方式；
4)根据步骤3)中设计的蓝色、绿色、红色微型发光二极管的面积、形状和排列方式，使用掩膜蒸镀、光刻、套刻和刻蚀的发光二极管芯片工艺流程，将步骤2)中获得的外延叠层结构刻蚀成阶梯状台面结构，第三发光层和第二导电类型电流注入层的水平尺寸一致形成第一柱体，第二发光层和第二连接层的水平尺寸一致形成第二柱体，第一发光层和第一连接层形成第三柱体，第一至第三柱体的水平尺寸依次增大，即第二导电类型电流注入层的水平尺寸小于第二连接层的水平尺寸，第二连接层的水平尺寸的尺寸小于第一导电类型电流注入层的水平尺寸，分别露出部分第一导电类型电流注入层、第一连接层和第二连接层的表面，露出的部分第一导电类型电流注入层、第一连接层和第二连接层的表面为环形；第一至第三柱体共轴，并构成一个显示芯片单元；第三发光层的有效发光面积为第二导电类型电流注入层的水平面积，第二发光层的有效发光面积为第二连接层暴露出来的环形的水平面积，第一发光层的有效发光面积为第一连接层暴露出来的环形的水平面积；通过调节第二导电类型电流注入层的水平面积以及第一和第二连接层暴露出来的环形的面积调节各种颜色的有效发光面积，从而调节各种颜色的发光比例；
5)在步骤4)中形成的环形的第一导电类型电流注入层、和第一连接层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第一发光显示单元，在环形的第一连接层和第二连接层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第二发光显示单元，在环形的第二连接层和第二导电类型电流注入层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第三发光显示单元；
6)将衬底背面进行减薄和抛光后，对各显示芯片单元进行分割，即得到氮化物全彩微型发光二极管显示芯片，每个显示芯片包括第一发光显示单元、第二发光显示单元和第三发光显示单元各一个，分割后各显示芯片单元中各种颜色的有效发光面积定义为各种颜色微型发光二极管显示像素，故每个显示芯片包括蓝色、绿色和红色微型发光二极管显示像素；
7)将步骤6)中获得的显示芯片转移到制作好驱动电路的基板上并完成封装，得到氮化物全彩微型发光二极管显示面板。
其中，在步骤1)中，用于氮化物材料外延的衬底为不同晶面取向的蓝宝石、GaN同质衬底、GaN模板、AlN同质衬底、GaN模板、硅衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底和氧化镓衬底中的一种。衬底的尺寸和厚度等参数不受限制。
在步骤2)中，外延叠层结构通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)或氢化物气相外延(HVPE)制备，或通过键合工艺转移而来。衬底过渡层为AlN层、GaN层、InN层、AlGaN层、InGaN层、InAlGaN层、二维应力弛豫层中的一种，或AlN层、GaN层、InN层、AlGaN层、InGaN层、InAlGaN层、二维应力弛豫层种的多种构成的叠层或超晶格层，用于掩埋或修复衬底表面缺陷，缓解外延层与衬底之间的晶格失配和热失配，提高外延层的晶体质量。作为一种方案，衬底过渡层使用二维应力弛豫层与GaN层的叠层，二维应力弛豫层为与GaN层具有良好外延兼容性的单晶多层h-BN，且必须通过薄膜沉积技术原位制备，厚度为1～10nm。一方面，单晶多层h-BN间采用范德华力连接，结合强度不足GaN层中共价键连接的1/10，通过1～10nm厚的单晶多层h-BN隔断h-BN下方结构对h-BN上方结构的影响；另一方面，单晶多层h-BN与GaN层在界面处通过5个h-BN晶格原胞与4个GaN晶格原胞的形式面内对齐，导致h-BN上外延的GaN层中界面晶格失配导致的失配应力充分弛豫；以上两个方面的因素，导致单晶多层h-BN弛豫其上GaN层外延结构中的失配应力，失配应力的弛豫有利于大原子半径的In原子并入，扩展InGaN量子阱中In组分范围，抑制InGaN量子结构中的量子限制斯塔克效应，进而得到满足蓝色、绿色和红色发光区域In组分要求的高光效InGaN基量子结构。
第一导电类型电流注入层为N型或P型GaN、AlGaN、InGaN或InAlGaN氮化物材料，而第二导电类型电流注入层是与第一导电类型电流注入层导电类型相反的P型或N型GaN、AlGaN、InGaN或InAlGaN氮化物材料。InGaN基氮化物红色、绿色和蓝色发光层采用InGaN基多量子阱结构，InGaN基多量子阱结构的In组分：InGaN基氮化物红色发光层＞InGaN基氮化物绿色发光层＞InGaN基氮化物蓝色发光层，各发光层还包括必要的电子阻挡层、应力缓冲层附属结构，其中电子阻挡层是0.1～100nm厚的AlGaN层、AlGaN/GaN超晶格或AlN/GaN超晶格，应力缓冲层是InGaN/GaN超晶格或二维应力弛豫层，红色、绿色和蓝色发光层的外延顺序可以基于整体结构的考虑进行调整。
各发光层之间的连接层同时作为其所连接的两层发光层的电流注入层，采用单层结构或复合结构，连接层和电流注入层对应的禁带宽度较大，不吸收波长≥430nm的可见光，对波长≥430nm的可见光而言是透明的。连接层是与相邻电流注入层导电类型相反的电流注入层，相应地，第一连接层和第二连接层分别为第二类导电类型电流注入层和第一类导电类型电流注入层；或者，连接层是以隧穿结连接的两层不同类导电类型的电流注入层，相应地，第一连接层为第二类导电类型电流注入层、隧穿结和第一类导电类型电流注入层组成的叠层，第二连接层为第二类导电类型电流注入层、隧穿结和第一类导电类型电流注入层组成的叠层。第一类导电类型电流注入层为N型或P型GaN、AlGaN、InGaN或InAlGaN氮化物材料，而第二类导电类型电流注入层是与第一导电类型电流注入层导电类型相反的P型或N型GaN、AlGaN、InGaN或InAlGaN氮化物材料。
在步骤3)中，根据显示白平衡的要求，显示芯片内的蓝色、绿色、红色像素区域的面积由工作电流范围内蓝色、绿色、红色微型发光二极管的发光强度决定。蓝色、绿色和红色微型发光二极管显示芯片单元的特征尺寸在1～500μm范围内，各个显示芯片单元排列成一行或品字形。第一发光层的形状是圆形或矩形。
在步骤4)中，使用掩膜蒸镀、光刻、套刻和刻蚀的发光二极管芯片工艺流程，将步骤2)中获得的外延叠层结构刻蚀成阶梯状台面结构，分别露出第一导电类型电流注入层以及第一和第二连接层，阶梯状台面结构成环状环绕在发光区域的周围。阶梯状刻蚀台面的尺寸由相应的显示像素的面积决定。
在步骤5)中，在第一导电类型电流注入层、第二导电类型电流注入层、第一和第二连接层的表面或刻蚀台面蒸镀单层或叠层电极材料，并进行合金化形成欧姆接触，电极材料和结构由相应的电流注入层和连接层的导电类型决定。作为一种方案，P型氮化物的电极结构使用Ni/Au叠层金属结构，并在氧气气氛中进行合金化；N型氮化物的电极结构使用Ti/Al/Ni/Au叠层金属结构，并在氮气气氛中进行合金化。
在步骤6)中，以蓝宝石衬底为例，作为一种方案，将蓝宝石衬底进行研磨减薄到预期厚度并进行抛光后，使用激光切割工艺和裂片工艺将各显示芯片单元进行分割得到氮化物全彩显示芯片，分割后每个显示芯片包括蓝色、绿色和红色微型发光二极管显示芯片单元各一个。
在步骤7)中，根据预期的显示面板尺寸、分辨率和像素间距，将显示芯片转移到制作好驱动电路的基板上并完成封装后，完成全彩微型发光二极管显示面板的制备。本步骤中还包括必要的芯片检测和坏点修复等工艺过程。
本发明的优点：
(1)本发明中的显示芯片包含红色、绿色和蓝色微型发光二极管显示像素，极大地简化了红色、绿色和蓝色三基色微型发光二极管向显示面板的转移工艺，提高了显示面板的成品率；
(2)本发明中的红色、绿色和蓝色微型发光二极管显示像素集中分布在同一芯片单元上，便于缩小三基色像素之间的间距，增强混光效果；同时单片集成芯片提高了发光区域的面积占比，有利于提高微型发光二极管显示器的分辨率；
(3)本发明中的显示芯片内红色、绿色和蓝色微型发光二极管由相同材料构成，并在同一衬底上外延制备获得，红色、绿色和蓝色微型发光二极管独立可控，有利于提高芯片间的发光一致性和显色性能；
(4)本发明中的微型发光二极管芯片工艺与现有的发光二极管的芯片工艺流程兼容，易于将本发明直接应用到大规模的工业生产。
附图说明
图1为本发明的氮化物全彩微型发光二极管显示芯片的一个实施例的外延叠层结构的剖面图；
图2为本发明的氮化物全彩微型发光二极管显示芯片的一个实施例的器件结构的剖面图；
图3为本发明的氮化物全彩微型发光二极管显示芯片的一个实施例的器件结构的俯视图；
图4为本发明的氮化物全彩微型发光二极管显示芯片的一个实施例的器件结构的剖面图；
图5为本发明的氮化物全彩微型发光二极管显示芯片的一个实施例的器件结构的俯视图；
图6为本发明的氮化物全彩微型发光二极管显示面板的一个实施例的结构示意图。
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。
在本实施例中，异质外延衬底使用的是c面蓝宝石衬底，使用的外延制备方法是金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。本实施例的氮化物全彩微型发光二极管显示芯片的制备方法，包括如下步骤：
1)提供蓝宝石衬底100；
2)如图1所示，在蓝宝石衬底100上预先使用溅射的方法制备25nm厚的AlN过渡层，然后在MOCVD设备中外延制备2μm厚的非故意掺杂GaN层，AlN过渡层与非故意掺杂的GaN层共同构成图1所示的衬底过渡层101；在MOCVD设备中继续外延N型GaN层作为第一导电类型电流注入层102，蓝色InGaN/GaN多量子阱作为第一发光层103、200nm厚的P型GaN层作为第一连接层104、绿色InGaN/GaN多量子阱作为第二发光层105、2μm的N型GaN层作为第二连接层106、红色InGaN/GaN多量子阱作为第三发光层107和200nm厚的P型GaN层作为第二导电类型电流注入层108；
3)根据红色、绿色和蓝色微型发光二极管的发光强度设计蓝色、绿色、红色像素区域的面积占比、形状以及排列方式；
4)基于步骤3)中设计的全彩微型发光二极管显示芯片的版图，使用掩膜蒸镀、光刻、套刻和刻蚀的发光二极管芯片工艺流程，将步骤2)中获得的外延叠层结构刻蚀成阶梯状台面结构，如图2所示，作为一种方案，分别露出第一导电类型电流注入层102、第一连接层104、第二连接层106和第二导电类型电流注入层108；
5)在在步骤4)中形成的蓝色、绿色、红色微型发光二极管显示像素的对应的台面结构上蒸镀合适的单层或叠层的电极材料，并进行合金化形成欧姆接触；如图2所示，在本实施例中，选择在第一导电类型电流注入层102和第一连接层104的台面上分别蒸镀Ti/Al/Ni/Au电极201和Ni/Au电极202，作为蓝色微型发光二极管显示像素的控制电极；选择在第一连接层104和第二连接层106的台面上分别蒸镀Ni/Au电极202和Ti/Al/Ni/Au电极201，作为绿色微型发光二极管显示像素的控制电极；选择在第二连接层106和第二导电类型电流注入层108的台面上分别蒸镀Ti/Al/Ni/Au电极201和Ni/Au电极202，作为红色微型发光二极管显示像素的控制电极。如图3所示，在本实施例中阶梯状刻蚀台面及台面上的电极环绕在发光区域的周围，红色微型发光二极管显示像素301、绿色微型发光二极管显示像素302、蓝色微型发光二极管显示像素303；
如图4所示，作为步骤3)的另一种方案，各显示像素的工作发光层及电流注入层上方其他外延层可完全刻蚀去除，以增加电极的面积改善器件结构中的电流扩展状况。如图5所示，是对应的全彩微型发光二极管显示芯片的器件结构的俯视图，包括红色微型发光二极管显示像素501、绿色微型发光二极管显示像素502、蓝色微型发光二极管显示像素503。
6)将蓝宝石衬底进行研磨减薄到预期厚度并进行抛光后，使用激光切割工艺和裂片工艺将各显示芯片单元进行分割得到氮化物全彩显示芯片，分割后每个显示芯片包括蓝色、绿色和红色微型发光二极管显示芯片单元各一个。
7)如图6所示，根据预期的显示面板尺寸、分辨率和像素间距，将显示芯片602转移到制作好驱动电路的基板601上并完成封装后，完成全彩微型发光二极管显示面板603的制备。本步骤中还包括必要的芯片检测和坏点修复等工艺过程。
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 (6)
1.一种氮化物全彩微型发光二极管显示芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供用于氮化物材料外延的衬底；
2)在衬底上形成衬底过渡层；在衬底过渡层上形成第一导电类型电流注入层；在第一导电类型电流注入层上形成第一发光层；在第一发光层上形成第一连接层；在第一连接层上形成第二发光层；在第二发光层上形成第二连接层；在第二连接层上形成第三发光层；在第三发光层上形成第二导电类型电流注入层，形成外延叠层结构；其中，第一、第二和第三发光层为InGaN基氮化物蓝色发光层、InGaN基氮化物绿色发光层和InGaN基氮化物红色发光层的排列中的一种；
3)设计全彩微型发光二极管显示芯片的版图，根据在工作电流范围内蓝色、绿色和红色微型发光二极管的发光强度，设计显示芯片内蓝色、绿色和红色微型发光二极管显示芯片单元的面积、形状和排列方式；
4)根据步骤3)中设计的蓝色、绿色、红色微型发光二极管的面积、形状和排列方式，
使用掩膜蒸镀、光刻、套刻和刻蚀的发光二极管芯片工艺流程，将步骤2)中获得的外延叠层结构刻蚀成阶梯状台面结构，第三发光层和第二导电类型电流注入层的水平尺寸一致形成第一柱体，第二发光层和第二连接层的水平尺寸一致形成第二柱体，
第一发光层和第一连接层形成第三柱体，第一至第三柱体的水平尺寸依次增大，即第二导电类型电流注入层的水平尺寸小于第二连接层的水平尺寸，第二连接层的水平尺寸的尺寸小于第一导电类型电流注入层的水平尺寸，分别露出部分第一导电类型电流注入层、第一连接层和第二连接层的表面，露出的部分第一导电类型电流注入层、第一连接层和第二连接层的表面为环形；第一至第三柱体共轴，并构成一个显示芯片单元；第三发光层的有效发光面积为第二导电类型电流注入层的水平面积，
第二发光层的有效发光面积为第二连接层暴露出来的环形的水平面积，第一发光层的有效发光面积为第一连接层暴露出来的环形的水平面积；通过调节第二导电类型电流注入层的水平面积以及第一和第二连接层暴露出来的环形的面积调节各种颜色的有效发光面积，从而调节各种颜色的发光比例；
5)在步骤4)中形成的环形的第一导电类型电流注入层、和第一连接层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第一发光显示单元，在环形的第一连接层和第二连接层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第二发光显示单元，在环形的第二连接层和第二导电类型电流注入层上蒸镀单层或叠层的电极材料形成欧姆接触，构成第三发光显示单元；
6)将衬底背面进行减薄和抛光后，对各显示芯片单元进行分割，即得到氮化物全彩微型发光二极管显示芯片，每个显示芯片包括第一发光显示单元、第二发光显示单元和第三发光显示单元各一个，分割后各显示芯片单元中各种颜色的有效发光面积定义为各种颜色微型发光二极管显示像素，故每个显示芯片包括蓝色、绿色和红色微型发光二极管显示像素；
7)将步骤6)中获得的显示芯片转移到制作好驱动电路的基板上并完成封装，得到氮化物全彩微型发光二极管显示面板。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，衬底为蓝宝石、GaN同质衬底、GaN模板、AlN同质衬底、GaN模板、硅衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底和氧化镓衬底中的一种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，衬底过渡层使用二维应力弛豫层与GaN层的叠层，二维应力弛豫层为单晶多层h-BN，且必须通过薄膜沉积技术原位制备，厚度为1～10nm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，第一连接层和第二连接层分别为第二类导电类型电流注入层和第一类导电类型电流注入层；或者，连接层是以隧穿结连接的两层不同类导电类型的电流注入层，相应地，第一连接层和第二连接层分别为第二类导电类型电流注入层、隧穿结和第一类导电类型电流注入层以及第二类导电类型电流注入层、隧穿结和第一类导电类型电流注入层；第一类导电类型电流注入层为N型或P型GaN、AlGaN或InGaN氮化物材料，第二类导电类型电流注入层是与第一导电类型电流注入层导电类型相反的P型或N型GaN、AlGaN或InGaN氮化物材料。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，显示芯片单元的特征尺寸在1～500μm范围内。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，各个显示芯片单元排列成一行或品字形。
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