CN116564947A - 一种纵列全彩显示Micro-LED芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Micro‑LED技术领域，具体涉及一种纵列全彩显示Micro‑LED芯片及其制作方法，该芯片从下至上依次包括红光芯片层、滤光层、绿光芯片层、蓝宝石衬底、蓝光芯片层；红光芯片层、绿光芯片层、蓝光芯片层自下而上纵向堆叠组装。本发明通过将红、绿、蓝光三种外延结构纵向堆叠组装，在红光外延层和绿光外延层之间设置有滤光层，滤光层可以反射蓝绿光，红光可以透射过去，使得三种外延结构可以独立发光，形成了纵向排列的全彩显示Micro‑LED；该制作方法简单，在降低了LED器件的制作和转移过程中的工艺难度的同时提高了LED器件的光电性能和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及Micro-LED技术领域，具体涉及一种纵向排列的全彩显示Micro-LED芯片及其制作方法。
背景技术
Micro-LED（微发光二极管）不仅具有高亮度、高分辨率、高对比度的特性，还具轻薄化、可小型化的属性。目前，随着LED尺寸的减小，虽然可以提高分辨率，但是边缘效应逐渐变得明显，侧壁缺陷将会使得Micro-LED效率显著下降。同时，LED器件尺寸的收缩也会导致均匀性变差，从而影响显示系统的可靠性和光电性能，而制造和转移更小的LED器件需要更高精度的校准和定位，极大的增加了工艺难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种纵列全彩显示Micro-LED芯片及其制作方法，通过外延层剥离、转移的方法将红、绿、蓝三种外延结构纵向堆叠组装，在红绿外延层之间设置有滤光层，使得三种外延结构可以独立发光，形成了全彩显示Micro-LED。在达到相同的显示分辨率时，纵向堆叠组装的Micro-LED尺寸可以比常规横向排布的Micro-LED尺寸大三倍，从而可以有效的降低因LED器件尺寸减小带来的不良影响，提高LED器件的光电性能和稳定性，降低LED器件在制作和转移过程中的工艺难度。
本发明的第一个目的是提供一种纵列全彩显示Micro-LED芯片，包括：红光芯片层、绿光芯片层、蓝光芯片层、滤光层、蓝宝石衬底；
所述红光芯片层、绿光芯片层、蓝光芯片层自下而上纵向堆叠组装；
所述滤光层设置在所述红光芯片层和绿光芯片层之间；
所述蓝宝石衬底为双面抛光的衬底，并在蓝宝石衬底两面分别外延生长绿光芯片层和蓝光芯片层之间。
本发明通过将红、绿、蓝三种外延结构纵向堆叠组装，并在红绿外延层之间设置有滤光层，滤光层可以反射蓝绿光，而红光可以透射过去，这就使得三种外延结构可以独立发光，形成了全彩显示Micro-LED；使用蓝宝石衬底纵向集成绿光芯片层和蓝光芯片层，无需键合，工序简单、可靠。
进一步的，上述技术方案中，所述红光芯片层由红光N型半导体层、红光发光层和红光P型半导体层组成；所述绿光芯片层由绿光P型半导体层、绿光发光层和绿光N型半导体层组成；所述蓝光芯片层由蓝光N型半导体层、蓝光发光层和蓝光P型半导体层组成。
进一步的，上述技术方案中，所述滤光层由28对-32对SiO2/TiO2交替堆叠组成。
进一步的，上述技术方案中，所述滤光层由30对SiO2/TiO2交替堆叠组成。通过将滤光层设置成SiO2/TiO2交替堆叠的结构，可有效提高其对蓝绿光的反射率。
进一步的，上述技术方案中，所述蓝宝石衬底为双面抛光的衬底。
本发明的第二个目的是提供一种纵列全彩显示Micro-LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S1、提供一双面抛光的蓝宝石衬底，在一面依次外延生长蓝光N型半导体层、蓝光发光层、蓝光P型半导体层；
S2、在蓝宝石衬底另一面依次外延生长绿光N型半导体层、绿光发光层、绿光P型半导体层；
S3、通过ICP（电感耦合等离子体）干法蚀刻对蓝光P型半导体层进行蚀刻，露出蓝光N型半导体层；
S4、制作蓝光P电极和蓝光N电极；
S5、通过ICP干法蚀刻对绿光P型半导体层进行蚀刻，露出绿光N型半导体层；
S6、制作绿光P电极和绿光N电极；
S7、提供一GaAs衬底，依次外延生长红光N型半导体层、红光发光层、红光P型半导体层；
S8、在红光P型半导体表面沉积滤光层；
S9、通过环氧树脂将红光芯片和蓝绿光芯片键合在一起；
S10、通过湿法腐蚀的方法去除GaAs衬底；
S11、通过ICP干法蚀刻对红光N型半导体层进行蚀刻，露出红光P型半导体层；
S12、制作红光P电极和红光N电极，即为全彩显示Micro-LED芯片。
本发明通过在双面抛光的蓝宝石衬底两面分别沉积蓝光和绿光的外延层，先完成了蓝光芯片和绿光芯片的纵向集成，然后通过环氧树脂将红光芯片与蓝绿光芯片键合。由于蓝光和绿光的光谱有部分重叠，且蓝光在经过绿光芯片时损失较小，因此无需在蓝光芯片和绿光芯片之间设置滤光层。而在绿光芯片与红光芯片之间设置滤光层，可以将蓝光芯片和绿光芯片发出的光反射回去，避免了因红光芯片的吸收导致蓝绿光芯片亮度降低，该滤光层对红光是透明的，确保了红光芯片发出的光可以顺利出射，使得三种芯片层可以独立发光，实现全彩显示。
进一步的，上述技术方案在步骤S2之前，先在蓝光P型半导体表面沉积SiO2。
进一步的，上述技术方案步骤S10中，湿法腐蚀所用的溶液为氨水、双氧水、水体积比为1：5：5的混合溶液。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
1、本发明将红、绿、蓝光三种外延结构纵向堆叠组装，在红光外延层和绿光外延层之间设置有滤光层，滤光层可以反射蓝绿光，红光可以透射过去，使得三种外延结构可以独立发光，形成了全彩显示Micro-LED；同时，在达到相同的显示分辨率时，纵向堆叠组装的Micro-LED尺寸可以比常规横向排布的Micro-LED尺寸大三倍，从而可以有效的降低因LED器件尺寸减小带来的不良影响，提高LED器件的光电性能和稳定性。
2、本发明通过外延层剥离、转移的方法，先在双面抛光的蓝宝石衬底两面分别沉积蓝光和绿光的外延层，完成了蓝光和绿光芯片的纵向集成，然后再通过环氧树脂将红光芯片与蓝绿光芯片键合，得到纵向堆叠全彩显示Micro-LED芯片,该制作方法简单，LED器件的制作和转移过程中的工艺难度降低。
附图说明
图1为本发明纵列全彩显示Micro-LED芯片截面结构示意图；
图2为本发明纵列全彩显示Micro-LED芯片出光示意图。
示意图中标号说明：
1、红光N型半导体层；2、红光发光层；3、红光P型半导体层；4、红光P电极；5、红光N电极；6、滤光层；7、绿光P型半导体层；8、绿光发光层；9、绿光N型半导体层；10、绿光P电极；11、绿光N电极；12、蓝宝石衬底；13、蓝光N型半导体层；14、蓝光发光层；15、蓝光P型半导体层；16、蓝光P电极；17、蓝光N电极；18、红光芯片层；19、绿光芯片层；20、蓝光芯片层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
请参阅图1和图2，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
本发明中公开了一种纵列全彩显示Micro-LED芯片，其截面结构示意图和出光示意图如图1和图2所示，从下至上依次包括：红光芯片层18、滤光层6、绿光芯片层19、蓝宝石衬底12、蓝光芯片层20；
具体地，将红光芯片层18、绿光芯片层19、蓝光芯片层20自下而上纵向堆叠组装，并在红光芯片层18和绿光芯片层19之间设置滤光层6；借助滤光层能反射蓝绿光、透射红光的特点，使得三种外延结构可以独立发光，形成了纵向排列的全彩显示Micro-LED。使用这种纵向排列的全彩显示Micro-LED在达到相同的显示分辨率的情况下，可以比常规横向排布的Micro-LED尺寸大三倍，从而可以有效的降低因LED器件尺寸减小带来的不良影响，提高LED器件的光电性能和稳定性。
具体地，红光芯片层18由红光N型半导体层1、红光发光层2和红光P型半导体层3组成；绿光芯片层19由绿光P型半导体层7、绿光发光层8和绿光N型半导体层9组成；蓝光芯片层20由蓝光N型半导体层13、蓝光发光层14和蓝光P型半导体层15组成；
具体地，滤光层6由28对-32对SiO2/TiO2交替堆叠组成，优选的由30对SiO2/TiO2交替堆叠组成；
具体地，蓝宝石衬底为双面抛光的衬底，通过将蓝宝石衬底进行双面抛光，可将蓝光芯片和绿光芯片的纵向集成。
本发明还提供一种纵列全彩显示Micro-LED芯片的制作方法，包括以下具体步骤：
S1、提供一双面抛光的蓝宝石衬底，将衬底放入MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积）内，依次外延生长蓝光N型半导体层、蓝光发光层、蓝光P型半导体层；
S2、在蓝光P型半导体表面沉积SiO2，再将蓝宝石衬底未沉积外延层的一侧朝上放入MOCVD内，依次外延生长绿光N型半导体层、绿光发光层、绿光P型半导体层；
S3、将双面沉积外延层的蓝宝石放入氟化铵溶液漂洗50S-60S，去除蓝光P型半导体表面的SiO2，在绿光P型半导体层表面沉积SiO2；通过ICP干法蚀刻对蓝光P型半导体层进行蚀刻，露出蓝光N型半导体层；
S4、在蓝光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属完成蓝光P电极16和蓝光N电极17的制作；
S5、将其浸入氟化铵溶液漂洗50S-60S，去除绿光P型半导体表面的SiO2，在蓝光P型半导体层表面沉积SiO2；通过ICP干法蚀刻对绿光P型半导体层进行蚀刻，露出绿光N型半导体层；
S6、在绿光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属完成绿光P电极10和绿光N电极11的制作；
S7、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD内，依次外延生长红光N型半导体层、红光发光层、红光P型半导体层；
S8、通过光学镀膜机在红光P型半导体表面沉积28对-32对SiO2/TiO2，完成滤光层制作；
S9、在滤光层表面旋涂环氧树脂，将蓝宝石衬底和GaAs衬底对齐，绿光P型半导体与滤光层相互贴紧；然后在100℃-110℃烘烤1h-2h，完成蓝绿光芯片和红光芯片的键合；
S10、将键合后的外延片放入到氨水、双氧水、水体积比为1：5：5的混合溶液内将GaAs衬底腐蚀去除；
S11、通过ICP干法蚀刻对红光N型半导体层进行蚀刻，露出红光P型半导体层；
S12、在红光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属制作红光P电极4；去除光刻胶后再次旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属制作红光N电极5；
S13、在氟化铵溶液漂洗30S-35S去除蓝光P型半导体层表面的SiO2，露出电极，即可得到纵列全彩显示Micro-LED芯片。
具体实施例如下：
实施例1
一种纵列全彩显示Micro-LED芯片的制作方法，包括以下具体步骤：
S1、提供一双面抛光的蓝宝石衬底，将衬底放入MOCVD内，依次外延生长蓝光N型半导体层、蓝光发光层、蓝光P型半导体层；
S2、在蓝光P型半导体表面沉积SiO2，再将蓝宝石衬底未沉积外延层的一侧朝上放入MOCVD内，依次外延生长绿光N型半导体层、绿光发光层、绿光P型半导体层；
S3、将双面沉积外延层的蓝宝石放入氟化铵溶液漂洗60S，去除蓝光P型半导体表面的SiO2，在绿光P型半导体层表面沉积SiO2；通过ICP干法蚀刻对蓝光P型半导体层进行蚀刻，露出蓝光N型半导体层；
S4、在蓝光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属完成蓝光P电极和蓝光N电极的制作；
S5、将其浸入氟化铵溶液漂洗60S，去除绿光P型半导体表面的SiO2，在蓝光P型半导体层表面沉积SiO2；通过ICP干法蚀刻对绿光P型半导体层进行蚀刻，露出绿光N型半导体层；
S6、在绿光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属完成绿光P电极和绿光N电极的制作；
S7、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD内，依次外延生长红光N型半导体层、红光发光层、红光P型半导体层；
S8、通过光学镀膜机在红光P型半导体表面沉积30对SiO2/TiO2，完成滤光层制作；
S9、在滤光层表面旋涂环氧树脂，将蓝宝石衬底和GaAs衬底对齐，绿光P型半导体与滤光层相互贴紧；然后在110℃烘烤1h，完成蓝绿光芯片和红光芯片的键合；
S10、将键合后的外延片放入到氨水、双氧水、水体积比为1：5：5的混合溶液内将GaAs衬底腐蚀去除；
S11、通过ICP干法蚀刻对红光N型半导体层进行蚀刻，露出红光P型半导体层；
S12、在红光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属制作红光P电极；去除光刻胶后再次旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属制作红光N电极；
S13、在氟化铵溶液漂洗30S去除蓝光P型半导体层表面的SiO2，露出电极，即可得到纵列全彩显示Micro-LED芯片。
实施例2
一种纵列全彩显示Micro-LED芯片的制作方法，包括以下具体步骤：
S1、提供一双面抛光的蓝宝石衬底，将衬底放入MOCVD内，依次外延生长蓝光N型半导体层、蓝光发光层、蓝光P型半导体层；
S2、在蓝光P型半导体表面沉积SiO2，再将蓝宝石衬底未沉积外延层的一侧朝上放入MOCVD内，依次外延生长绿光N型半导体层、绿光发光层、绿光P型半导体层；
S3、将双面沉积外延层的蓝宝石放入氟化铵溶液漂洗50S，去除蓝光P型半导体表面的SiO2，在绿光P型半导体层表面沉积SiO2；通过ICP干法蚀刻对蓝光P型半导体层进行蚀刻，露出蓝光N型半导体层；
S4、在蓝光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属完成蓝光P电极16和蓝光N电极17的制作；
S5、将其浸入氟化铵溶液漂洗55S，去除绿光P型半导体表面的SiO2，在蓝光P型半导体层表面沉积SiO2；通过ICP干法蚀刻对绿光P型半导体层进行蚀刻，露出绿光N型半导体层；
S6、在绿光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属完成绿光P电极和绿光N电极的制作；
S7、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD内，依次外延生长红光N型半导体层、红光发光层、红光P型半导体层；
S8、通过光学镀膜机在红光P型半导体表面沉积28对SiO2/TiO2，完成滤光层制作；
S9、在滤光层表面旋涂环氧树脂，将蓝宝石衬底和GaAs衬底对齐，绿光P型半导体与滤光层相互贴紧；然后在100℃烘烤2h，完成蓝绿光芯片和红光芯片的键合；
S10、将键合后的外延片放入到氨水、双氧水、水体积比为1：5：5的混合溶液内将GaAs衬底腐蚀去除；
S11、通过ICP干法蚀刻对红光N型半导体层进行蚀刻，露出红光P型半导体层；
S12、在红光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属制作红光P电极；去除光刻胶后再次旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属制作红光N电极；
S13、在氟化铵溶液漂洗35S去除蓝光P型半导体层表面的SiO2，露出电极，即可得到纵列全彩显示Micro-LED芯片。
实施例3
一种纵列全彩显示Micro-LED芯片的制作方法，包括以下具体步骤：
S1、提供一双面抛光的蓝宝石衬底，将衬底放入MOCVD内，依次外延生长蓝光N型半导体层、蓝光发光层、蓝光P型半导体层；
S2、在蓝光P型半导体表面沉积SiO2，再将蓝宝石衬底未沉积外延层的一侧朝上放入MOCVD内，依次外延生长绿光N型半导体层、绿光发光层、绿光P型半导体层；
S3、将双面沉积外延层的蓝宝石放入氟化铵溶液漂洗60S，去除蓝光P型半导体表面的SiO2，在绿光P型半导体层表面沉积SiO2；通过ICP干法蚀刻对蓝光P型半导体层进行蚀刻，露出蓝光N型半导体层；
S4、在蓝光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属完成蓝光P电极和蓝光N电极的制作；
S5、将其浸入氟化铵溶液漂洗50S，去除绿光P型半导体表面的SiO2，在蓝光P型半导体层表面沉积SiO2；通过ICP干法蚀刻对绿光P型半导体层进行蚀刻，露出绿光N型半导体层；
S6、在绿光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属完成绿光P电极和绿光N电极的制作；
S7、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD内，依次外延生长红光N型半导体层、红光发光层、红光P型半导体层；
S8、通过光学镀膜机在红光P型半导体表面沉积32对SiO2/TiO2，完成滤光层制作；
S9、在滤光层表面旋涂环氧树脂，将蓝宝石衬底和GaAs衬底对齐，绿光P型半导体与滤光层相互贴紧；然后在110℃烘烤1h，完成蓝绿光芯片和红光芯片的键合；
S10、将键合后的外延片放入到氨水、双氧水、水体积比为1：5：5的混合溶液内将GaAs衬底腐蚀去除；
S11、通过ICP干法蚀刻对红光N型半导体层进行蚀刻，露出红光P型半导体层；
S12、在红光半导体表面旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属制作红光P电极；去除光刻胶后再次旋涂负性光刻胶制作掩膜图形，蒸镀金属制作红光N电极；
S13、在氟化铵溶液漂洗32S去除蓝光P型半导体层表面的SiO2，露出电极，即可得到纵列全彩显示Micro-LED芯片。
综上所述，本发明通过将红、绿、蓝光三种外延结构纵向堆叠组装，在红光外延层和绿光外延层之间设置有滤光层，滤光层可以反射蓝绿光，红光可以透射过去，使得三种外延结构可以独立发光，形成了纵向排列的全彩显示Micro-LED；该制作方法简单，在降低LED器件的制作和转移过程中的工艺难度的同时可提高LED器件的光电性能和稳定性。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种纵列全彩显示Micro-LED芯片，其特征在于，包括：红光芯片层、绿光芯片层、蓝光芯片层、滤光层、蓝宝石衬底；
所述红光芯片层、绿光芯片层、蓝光芯片层自下而上纵向堆叠组装；
所述滤光层设置在所述红光芯片层和绿光芯片层之间；
所述蓝宝石衬底为双面抛光的衬底，并在蓝宝石衬底两面分别外延生长绿光芯片层和蓝光芯片层。
2.根据权利要求1所述的一种纵列全彩显示Micro-LED芯片，其特征在于，所述红光芯片层由红光N型半导体层、红光发光层和红光P型半导体层组成；所述绿光芯片层由绿光P型半导体层、绿光发光层和绿光N型半导体层组成；所述蓝光芯片层由蓝光N型半导体层、蓝光发光层和蓝光P型半导体层组成。
3.根据权利要求1所述的一种纵列全彩显示Micro-LED芯片，其特征在于，所述滤光层由28对-32对SiO2/TiO2交替堆叠组成。
4.根据权利要求1所述的一种纵列全彩显示Micro-LED芯片，其特征在于，所述滤光层由30对SiO2/TiO2交替堆叠组成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种纵列全彩显示Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提供一双面抛光的蓝宝石衬底，在一面依次外延生长蓝光N型半导体层、蓝光发光层、蓝光P型半导体层；
S2、在蓝宝石衬底另一面依次外延生长绿光N型半导体层、绿光发光层、绿光P型半导体层；
S3、通过ICP干法蚀刻对蓝光P型半导体层进行蚀刻，露出蓝光N型半导体层；
S4、制作蓝光P电极和蓝光N电极；
S5、通过ICP干法蚀刻对绿光P型半导体层进行蚀刻，露出绿光N型半导体层；
S6、制作绿光P电极和绿光N电极；
S7、提供一GaAs衬底，依次外延生长红光N型半导体层、红光发光层、红光P型半导体层；
S8、在红光P型半导体表面沉积滤光层；
S9、通过环氧树脂将红光芯片和蓝绿光芯片键合在一起；
S10、通过湿法腐蚀的方法去除GaAs衬底；
S11、通过ICP干法蚀刻对红光N型半导体层进行蚀刻，露出红光P型半导体层；
S12、制作红光P电极和红光N电极，即为全彩显示Micro-LED芯片。
6.根据权利要求5所述的一种纵列全彩显示Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，在步骤S2之前，先在蓝光P型半导体表面沉积SiO2。
7.根据权利要求5所述的一种纵列全彩显示Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S10中，湿法腐蚀所用的溶液为氨水、双氧水、水体积比为1：5：5的混合溶液。
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