CN117038695A - 一种遂穿结联rgb微型发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种遂穿结联RGB微型发光二极管及其制作方法，该微型发光二极管包括驱动电路背板晶圆，在所述驱动电路背板晶圆上设置有蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元；所述蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元均在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化得到；所述RGB三色多层量子阱堆叠采用遂穿结联方式外延生长并于所述驱动电路背板晶圆键合。本发明提供的一种遂穿结联RGB微型发光二极管，采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一片晶圆上，可以实现单色量子阱独立导通发光，其无需进行像素转移或波长转换，可以有效提高器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其是涉及一种遂穿结联RGB微型发光二极管及其制作方法。
背景技术
微型发光二极管(uLED)具有寿命长、高对比度、可实现高分辨率、响应速度快、广视角、高亮度、低功耗及色彩丰富等优势，RGB uLED更是被认为是下一代显示技术的发展方向。现有RGB三色uLED的结构如下：
通过巨量转移技术完成RGB三色uLED像素倒装集成结构如图1所示，其通过将独立的RGB像素单元逐个转移键合在电路背板上完成器件制作；由蓝光/紫外uLED作为激发光源照射量子点材料实现RGB发光，其器件结构如图2所示。其中：蓝光/紫外uLED作为背光，每个独立LED单元上分别覆盖R/G/B不同量子点材料，量子点材料在LED背光激发下分别发射红/绿/蓝光。
然而，巨量转移技术对设备精度要求高，还限制了像素单元尺寸进一步减小，转移效率及器件良率也会相应受限。而以uLED作为背光源激发量子点材料实现RGB发光的技术过程，则在波长转换效率及响应时间上会影响器件性能，并存在相邻LED单元光串扰问题。
发明内容
本发明旨在提供一种遂穿结联RGB微型发光二极管及其制作方法，以解决上述技术问题，采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一片晶圆上，实现单色量子阱独立导通发光，无需进行像素转移或波长转换，有效提高器件性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种遂穿结联RGB微型发光二极管，包括驱动电路背板晶圆，在所述驱动电路背板晶圆上设置有蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元；其中：
所述蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元均在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化得到；所述RGB三色多层量子阱堆叠采用遂穿结联方式外延生长并于所述驱动电路背板晶圆键合。
上述方案中，所述微型发光二极管采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一片晶圆上，可以实现单色量子阱独立导通发光，其无需进行像素转移或波长转换，可以有效提高器件性能。
进一步地，所述RGB三色多层量子阱堆叠包括依次连接的第一n-GaN层、红光发光层、第一p-GaN层、第一遂穿结、第二n-GaN层、绿光发光层、第二p-GaN层、第二遂穿结、第三n-GaN层、蓝光发光层和第三p-GaN层；所述RGB三色多层量子阱堆叠通过所述第二n-GaN层、第三n-GaN层和第三p-GaN层与所述驱动电路背板晶圆键合。
进一步地，在所述红光发光单元的第二n-GaN层、绿光发光单元的第三n-GaN层和蓝光发光单元的第三p-GaN层上均设置有金属接触层，所述金属接触层通过通孔连接第一金属键合盘；所述第一金属键合盘与设置于所述驱动电路背板晶圆表面的第二金属键合盘键合。
进一步地，在所述蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的间隔填充有介质层和隔离层，用以实现蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的物理隔离和光学隔离。
本发明还提供一种遂穿结联RGB微型发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一外延晶圆上；
在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元；
将外延晶圆与驱动电路背板晶圆键合，以得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管。
进一步地，所述采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一外延晶圆上，具体为：
在同一外延晶圆上采用遂穿结联方式依次生长第一n-GaN层、红光发光层、第一p-GaN层、第一遂穿结、第二n-GaN层、绿光发光层、第二p-GaN层、第二遂穿结、第三n-GaN层、蓝光发光层和第三p-GaN层，形成RGB三色多层量子阱堆叠。
进一步地，所述将外延晶圆与驱动电路背板晶圆键合，以得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管，具体为：
在所述红光发光单元的第二n-GaN层、绿光发光单元的第三n-GaN层和蓝光发光单元的第三p-GaN层上设置金属接触层；
将所述金属接触层通过通孔连接第一金属键合盘，所述第一金属键合盘与设置于所述驱动电路背板晶圆表面的第二金属键合盘键合，得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管。
进一步地，在所述在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元后，还包括：
在所述蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的间隔填充介质层和隔离层，用以实现蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的物理隔离和光学隔离。
进一步地，所述在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元，具体为：
图形化蓝光发光单元发光层，其它非蓝光发光单元区域刻蚀到第三n-GaN层为止；
图形化绿光发光单元发光层及蓝光发光单元接触层，其它区域刻蚀到第二n-GaN层为止；
图形化红光发光单元发光层及绿光发光单元接触层，其它区域刻蚀到第一n-GaN层为止；
图形化红光发光单元接触层及蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的隔离层，待第一n-GaN层刻蚀至预设厚度为止，完成蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的图型化。
附图说明
图1为本发明背景技术中提供的巨量转移倒装RGB uLED示意图；
图2为本发明背景技术中提供的量子点RGB uLED示意图；
图3为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的RGB三色多层量子阱堆叠结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法流程示意图；
图6为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法步骤一示意图；
图7为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法步骤二示意图；
图8为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法步骤三示意图；
图9为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法步骤四示意图；
图10为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法步骤五示意图；
图11为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法步骤六示意图；
图12为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法步骤七示意图；
图13为本发明一实施例提供的遂穿结联RGB微型发光二极管结构制作方法步骤八示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参见图3，本实施例提供一种遂穿结联RGB微型发光二极管，包括驱动电路背板晶圆，在所述驱动电路背板晶圆上设置有蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元；其中：
所述蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元均在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化得到；所述RGB三色多层量子阱堆叠采用遂穿结联方式外延生长并于所述驱动电路背板晶圆键合。
在本实施例中，所述微型发光二极管采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一片晶圆上，可以实现单色量子阱独立导通发光，其无需进行像素转移或波长转换，可以有效提高器件性能。
进一步地，请参见图4，所述RGB三色多层量子阱堆叠包括依次连接的第一n-GaN层、红光发光层、第一p-GaN层、第一遂穿结、第二n-GaN层、绿光发光层、第二p-GaN层、第二遂穿结、第三n-GaN层、蓝光发光层和第三p-GaN层；所述RGB三色多层量子阱堆叠通过所述第二n-GaN层、第三n-GaN层和第三p-GaN层与所述驱动电路背板晶圆键合。
在本实施例中，RGB三色多层量子阱堆叠是一种外延结构，其可以将红光/绿光/蓝光多层量子阱依次生长在外延晶圆上，且在p-GaN层和n-GaN层将生长遂穿结。
进一步地，在所述红光发光单元的第二n-GaN层、绿光发光单元的第三n-GaN层和蓝光发光单元的第三p-GaN层上均设置有金属接触层，所述金属接触层通过通孔连接第一金属键合盘；所述第一金属键合盘与设置于所述驱动电路背板晶圆表面的第二金属键合盘键合。
进一步地，在所述蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的间隔填充有介质层和隔离层，用以实现蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的物理隔离和光学隔离。
需要说明的是，外延晶圆基于半导体工艺可以逐步完成蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的制作，各发光单元间填充介质层和隔离层形成物理隔离和光学隔离。而发光单元上制作接触电极，即在所述红光发光单元的第二n-GaN层、绿光发光单元的第三n-GaN层和蓝光发光单元的第三p-GaN层上均设置有金属接触层，接触电极通过通孔连接第一金属键合盘。制作完成的外延晶圆与驱动电路背板晶圆键合，即第一金属键合盘与驱动电路背板晶圆上的第二金属键合盘键合，以实现微型发光二极管的电学连接。最后，需将外延晶圆衬底去除，以得到如图3所示的遂穿结联RGB微型发光二极管。
请参见图5，本实施例还提供一种遂穿结联RGB微型发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一外延晶圆上；
S2：在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元；
S3：将外延晶圆与驱动电路背板晶圆键合，以得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管。
在本实施例中，该方法采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一片晶圆上，以得到可实现单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管，该方法无需进行像素转移或波长转换，可以有效提高最终制作的器件性能。
进一步地，所述采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一外延晶圆上，具体为：
在同一外延晶圆上采用遂穿结联方式依次生长第一n-GaN层、红光发光层、第一p-GaN层、第一遂穿结、第二n-GaN层、绿光发光层、第二p-GaN层、第二遂穿结、第三n-GaN层、蓝光发光层和第三p-GaN层，形成RGB三色多层量子阱堆叠。
进一步地，所述将外延晶圆与驱动电路背板晶圆键合，以得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管，具体为：
在所述红光发光单元的第二n-GaN层、绿光发光单元的第三n-GaN层和蓝光发光单元的第三p-GaN层上设置金属接触层；
将所述金属接触层通过通孔连接第一金属键合盘，所述第一金属键合盘与设置于所述驱动电路背板晶圆表面的第二金属键合盘键合，得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管。
进一步地，在所述在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元后，还包括：
在所述蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的间隔填充介质层和隔离层，用以实现蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的物理隔离和光学隔离。
进一步地，所述在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元，具体为：
图形化蓝光发光单元发光层，其它非蓝光发光单元区域刻蚀到第三n-GaN层为止；
图形化绿光发光单元发光层及蓝光发光单元接触层，其它区域刻蚀到第二n-GaN层为止；
图形化红光发光单元发光层及绿光发光单元接触层，其它区域刻蚀到第一n-GaN层为止；
图形化红光发光单元接触层及蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的隔离层，待第一n-GaN层刻蚀至预设厚度为止，完成蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的图型化。
本实施例提供的微型发光二极管制作方法，实现在一片外延晶圆上同时制作红/绿/蓝三色自发光像素，其不需要像素转移过程，可直接实现晶圆级发光单元与驱动电路的连接；且其所有像素为自发光，不需要波长转换即可实现RGB三色发光。
需要说明的是，本实施例提供的晶圆级的键合工艺相较于像素转移的方式，更适合微型发光二极管的大规模量产；且方法采用半导体制作工艺完成发光像素的制作，能够有效管控像素缺陷，有效提高制作效率，真正实现晶圆级的RGB像素制备工艺。
为了进一步说明本发明的技术实现过程，凸显其技术优势，本实施例提供一种遂穿结联RGB微型发光二极管的制作方法的具体实现过程，具体包括：
步骤一：请参见图6，在外延晶圆上逐层外延生长第一n-GaN层、红光发光层、第一p-GaN层、第一遂穿结、第二n-GaN层、绿光发光层、第二p-GaN层、第二遂穿结、第三n-GaN层、蓝光发光层和第三p-GaN层，形成RGB三色多层量子阱堆叠，所述外延晶圆可以为硅基晶圆。
步骤二：请参见图7，图型化蓝光发光单元，其他非蓝光单元区域刻蚀到第三n-GaN层为止；
步骤三：请参见图8，图形化绿光发光单元发光层及蓝光发光单元接触层，其它区域刻蚀到第二n-GaN层为止；
步骤四：请参见图9，图形化红光发光单元发光层及绿光发光单元接触层，其它区域刻蚀到第一n-GaN层为止；
步骤五：请参见图10，图形化红光发光单元接触层及蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的隔离层，待第一n-GaN层刻蚀至预设厚度为止，完成蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的图型化及对发光像素的物理隔离；
在上述实施例中，所述蓝/绿/红发光单元发光层由蓝/绿/红发光层及其相邻的层别组成；所述蓝/绿/红发光单元接触层由蓝/绿/红发光单元中除蓝/绿/红发光单元发光层的层级。
步骤六：请参见图11，对蓝/绿/红发光单元做侧壁钝化处理，以减少侧壁缺陷，提高器件效率；对整面外延晶圆沉积电极金属并做金属化，依据蓝/绿/红发光单元及n-GaN金属接触平台分布图形化金属接触层；对蓝/绿/红发光单元填充光学隔离材料；制作通孔连接蓝/绿/红发光单元的金属接触层并通过通孔与制作的第一金属键合盘连接；
步骤七：请参见图12，在驱动电路背板晶圆上制作有第二金属键合盘，将外延晶圆与驱动背板晶圆整体通过第一金属键合盘与第二金属键合盘键合，实现发光像素与驱动电路的电学连接。
步骤八：请参见图13，剥离外延晶圆硅基衬底及去除多余n-GaN膜层，使驱动背板电路可以实现发光单元的独立控制，得到遂穿结联RGB微型发光二极管。
本实施例制作的微型发光二极管采用将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一片晶圆上的方式制作得到，其实现了发光二极管的单色量子阱独立导通发光，无需进行像素转移或波长转换，可以有效提高器件性能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种遂穿结联RGB微型发光二极管，其特征在于，包括驱动电路背板晶圆，在所述驱动电路背板晶圆上设置有蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元；其中：
所述蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元均在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化得到；所述RGB三色多层量子阱堆叠采用遂穿结联方式外延生长并于所述驱动电路背板晶圆键合。
2.根据权利要求1所述的一种遂穿结联RGB微型发光二极管，其特征在于，所述RGB三色多层量子阱堆叠包括依次连接的第一n-GaN层、红光发光层、第一p-GaN层、第一遂穿结、第二n-GaN层、绿光发光层、第二p-GaN层、第二遂穿结、第三n-GaN层、蓝光发光层和第三p-GaN层；所述RGB三色多层量子阱堆叠通过所述第二n-GaN层、第三n-GaN层和第三p-GaN层与所述驱动电路背板晶圆键合。
3.根据权利要求2所述的一种遂穿结联RGB微型发光二极管，其特征在于，在所述红光发光单元的第二n-GaN层、绿光发光单元的第三n-GaN层和蓝光发光单元的第三p-GaN层上均设置有金属接触层，所述金属接触层通过通孔连接第一金属键合盘；所述第一金属键合盘与设置于所述驱动电路背板晶圆表面的第二金属键合盘键合。
4.根据权利要求1所述的一种遂穿结联RGB微型发光二极管，其特征在于，在所述蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的间隔填充有介质层和隔离层，用以实现蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的物理隔离和光学隔离。
5.一种遂穿结联RGB微型发光二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一外延晶圆上；
在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元；
将外延晶圆与驱动电路背板晶圆键合，以得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管。
6.根据权利要求5所述的一种遂穿结联RGB微型发光二极管的制作方法，其特征在于，所述采用遂穿结联方式将RGB三色多层量子阱堆叠外延生长于同一外延晶圆上，具体为：
在同一外延晶圆上采用遂穿结联方式依次生长第一n-GaN层、红光发光层、第一p-GaN层、第一遂穿结、第二n-GaN层、绿光发光层、第二p-GaN层、第二遂穿结、第三n-GaN层、蓝光发光层和第三p-GaN层，形成RGB三色多层量子阱堆叠。
7.根据权利要求6所述的一种遂穿结联RGB微型发光二极管的制作方法，其特征在于，所述将外延晶圆与驱动电路背板晶圆键合，以得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管，具体为：
在所述红光发光单元的第二n-GaN层、绿光发光单元的第三n-GaN层和蓝光发光单元的第三p-GaN层上设置金属接触层；
将所述金属接触层通过通孔连接第一金属键合盘，所述第一金属键合盘与设置于所述驱动电路背板晶圆表面的第二金属键合盘键合，得到单色量子阱独立导通发光的微型发光二极管。
8.根据权利要求6所述的一种遂穿结联RGB微型发光二极管的制作方法，其特征在于，在所述在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元后，还包括：
在所述蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的间隔填充介质层和隔离层，用以实现蓝光发光单元、绿光发光单元、红光发光单元之间的物理隔离和光学隔离。
9.根据权利要求6～8任一项所述的一种遂穿结联RGB微型发光二极管的制作方法，其特征在于，所述在RGB三色多层量子阱堆叠上图型化出蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元，具体为：
图形化蓝光发光单元发光层，其它非蓝光发光单元区域刻蚀到第三n-GaN层为止；
图形化绿光发光单元发光层及蓝光发光单元接触层，其它区域刻蚀到第二n-GaN层为止；
图形化红光发光单元发光层及绿光发光单元接触层，其它区域刻蚀到第一n-GaN层为止；
图形化红光发光单元接触层及蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的隔离层，待第一n-GaN层刻蚀至预设厚度为止，完成蓝光发光单元、绿光发光单元和红光发光单元的图型化。
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