CN117936663A - Micro-LED芯片的制作方法及Micro-LED芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Micro‑LED芯片的制作方法及Micro‑LED芯片，制作方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成外延结构，所述外延结构包括依次形成的缓冲层、n型GaN层、有源区、AlGaN阻挡层以及p型GaN层；刻蚀所述外延结构至暴露所述n型GaN层，形成侧壁均为GaN晶体A面的台面结构；采用四甲基氢氧化铵溶液对所述台面结构的侧壁进行腐蚀,以在所述台面结构的侧壁上形成纳米棱镜结构；钝化处理并在所述外延结构上形成电极。本发明的Micro‑LED芯片的制作方法及Micro‑LED芯片，充分考虑了刻蚀侧壁的晶面取向，极大的提高了Micro‑LED芯片的EQE，这为制备高效率的Micro‑LED提供了新的的途径。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种Micro-LED芯片的制作方法及Micro-LED芯片。
背景技术
过去几十年里，高效iii-氮化物发光二极管(LED)已广泛应用于固态照明。近年来，由于Mirco-LED具有功耗低、长寿命、低缺陷密度、应力极化场小和高亮度等优势而被广泛的关注。与当前的主流显示技术液晶显示(Liquid Crystal Display,LCD)、有机发光二极管(Oganic Light Emitting Diodes,OLED)两种技术相比，Mirco-LED在显示领域和可见光通讯具有更广阔的应用前景。因此Micro-LED被认为是下一代显示应用中最有前途的候选者之一。
然而，Micro-LED显示技术的发展依旧面临着严峻的挑战，其中就包括了与尺寸相关的器件效率问题。Micro-LED制造最常用的方法是使用等离子体干蚀刻形成台面，这不可避免的会引入刻蚀损伤，从而形成非辐射复合的侧壁缺陷。随着器件尺寸的减小，侧壁缺陷占比急剧增加，产生的表面复合也会更加严重，从而导致外量子效率(EQE)的下降。
为了追求高效率的Micro-LED，科研人员做了大量的研究工作。比如通过调节热退火时间降低台面蚀刻引起的侧壁缺陷密度；利用氢氧化钾对侧壁进行损伤的修复；采用ALD系统沉积钝化层，减少电流泄露。但是，这些研究基本都是在四边形结构的LED器件上研究的。通常的，传统的器件工艺会将台面制备成四边形或者圆形结构，而四边形结构则通常由两个M面和两个A面组成。一方面，GaN的A面和M面引入的刻蚀损伤不是一致的，另一方面湿法处理刻蚀后不同晶面的GaN表面状态也是不同的。因而对Micro-LED而言，为了提高外量子效率(EQE)，侧壁的晶面取向是值得考虑的。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Micro-LED芯片的制作方法及Micro-LED芯片，该方法所制作的Micro-LED芯片，充分考虑了刻蚀侧壁的晶面取向，极大的提高了Micro-LED芯片的EQE，这为制备高效率的Micro-LED提供了新的的途径。
为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供的技术方案如下：
一种Micro-LED芯片的制作方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成外延结构，所述外延结构包括依次形成的缓冲层、n型GaN层、有源区、AlGaN阻挡层以及p型GaN层；
刻蚀所述外延结构至暴露所述n型GaN层，形成侧壁均为GaN晶体A面的台面结构；
采用四甲基氢氧化铵溶液对所述台面结构的侧壁进行腐蚀，以在所述台面结构的侧壁上形成纳米棱镜结构；
钝化处理并在所述外延结构上形成电极。
在本发明的一个或多个实施例中，以GaN晶体的C面为生长面，在所述衬底上进行缓冲层、n型GaN层、有源区、AlGaN阻挡层以及p型GaN层的生长。
在本发明的一个或多个实施例中，采用光刻技术显影出所需的台面结构的图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀所述外延结构至n型GaN层，形成侧壁均为GaN晶体A面的台面结构。
在本发明的一个或多个实施例中，所述台面结构的形状选自六边型柱体或三角形柱体。
在本发明的一个或多个实施例中，所述有源区包括InxGa1-xN/GaN量子阱或者InxGa1-xN/GaN量子点。
在本发明的一个或多个实施例中，所述有源区包括InxGa1-xN/GaN量子点，其中，In组分可被调控以使所述有源区涵盖紫外波段和可见光波段。
在本发明的一个或多个实施例中，所述台面结构的边长范围为5μm～100μm。
在本发明的一个或多个实施例中，所述缓冲层的厚度为500nm～3000nm；
所述n型GaN层的厚度为200nm～500nm；
所述有源区的厚度为80nm～120nm；
所述AlGaN阻挡层的厚度为10nm～20nm；以及
所述p型GaN层的厚度为100nm～400nm。
在本发明的一个或多个实施例中，对所述外延结构进行光刻、ICP刻蚀以形成单个所述台面结构，或者形成呈阵列分布的多个所述台面结构。
在本发明的一个或多个实施例中，采用四甲基氢氧化铵溶液对所述台面结构的侧壁进行腐蚀，包括：
将样品放置在四甲基氢氧化铵溶液中，保持温度为80℃～90℃，加热100min～150min。
在本发明的一个或多个实施例中，刻蚀所述外延结构的步骤之前，还包括对所述外延结构进行预清洗的步骤，包括：
利用丙酮和异丙醇进行有机清洗；
利用HCl、H2O2和H2O进行无机清洗；
其中，HCl:H2O2:H2O＝2:1:5，清洗时间为3min～10min。
在本发明的一个或多个实施例中，钝化处理并在所述外延结构上形成电极，包括：
在所述台面结构的侧壁以及所述n型GaN层上形成钝化层；
在所述p型GaN层表面形成电流扩展层；
在所述电流扩展层上形成p电极；
在所述钝化层上形成暴露所述n型GaN层的窗口，在所述窗口内形成n电极。
本发明一具体实施例还提供了一种Micro-LED芯片结构，采用上述的Micro-LED芯片的制作方法制作得到。
与现有技术相比，本发明的Micro-LED芯片的制作方法及Micro-LED芯片，避开了现有的传统四边形结构，充分考虑了刻蚀侧壁的晶面取向，通过构造拥有侧面全为A面的三角形柱体或六边形柱体台面结构的Micro-LED芯片，并采用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液进行刻蚀损伤的修复，极大的提高了Micro-LED芯片的外量子效率，这为制备高效率的Micro-LED提供了新的方案。
本发明的Micro-LED芯片的制作方法及Micro-LED芯片，通过控制四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液浸泡样品的温度和时间，能够使得台面结构的侧壁形成纳米棱镜结构，增加有效光输出面积并减少全反射效应，最大程度地提高光提取效率，从而提高光输出效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中Micro-LED芯片的制作方法的工艺流程图。
图2a-图2f为本发明一实施例中Micro-LED芯片的制作方法的步骤结构示意图。
图3为本发明一实施例中Micro-LED芯片的制作方法中，使用TMAH溶液在85℃下化学处理2小时前后的侧面全为A面且具有纳米棱镜结构的三角形柱体台面结构的Micro-LED芯片的SEM图像；其中，(a)为处理前的俯视图；(b)为处理后的俯视图；(c)为处理后的A面侧壁的鸟瞰图。
图4为采用本发明一实施例中Micro-LED芯片的制作方法制作的侧面全为A面的三角形柱体台面结构的Micro-LED芯片结构、侧面全为M面的六边形柱体台面结构的发光二极管结构、传统的正方形结构的Micro-LED芯片结构的外量子效率(EQE)随电流密度变化的对比示意图。
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中的技术方案，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。
如背景技术所言，过去几十年里，高效iii-氮化物发光二极管(LED)已广泛应用于固态照明。近年来，由于Mirco-LED具有功耗低、长寿命、低缺陷密度、应力极化场小和高亮度等优势而被广泛的关注，因此Micro-LED被认为是下一代显示应用中最有前途的候选者之一。
然而，Micro-LED显示技术的发展依旧面临着严峻的挑战，其中就包括了与尺寸相关的器件效率问题。Micro-LED制造最常用的方法是使用等离子体干蚀刻形成台面，这不可避免的会引入刻蚀损伤，从而形成非辐射复合的侧壁缺陷。随着器件尺寸的减小，侧壁缺陷占比急剧增加，产生的表面复合也会更加严重，从而导致外量子效率(EQE)的下降。。
为了追求高效率的Micro-LED，科研人员做了大量的研究工作。比如通过调节热退火时间降低台面蚀刻引起的侧壁缺陷密度；利用氢氧化钾对侧壁进行损伤的修复；采用ALD系统沉积钝化层，减少电流泄露。但是，这些研究基本都是在四边形结构的LED器件上研究的。通常的，传统的器件工艺会将台面制备成四边形或者圆形结构，而四边形结构则通常由两个M面和两个A面组成。一方面，GaN的A面和M面引入的刻蚀损伤不是一致的，另一方面湿法处理刻蚀后不同晶面的GaN表面状态也是不同的。因而对Micro-LED而言，为了提高外量子效率(EQE)，侧壁的晶面取向是值得考虑的。
基于此，本发明提供了一种Micro-LED芯片的制作方法及Micro-LED芯片结构，避开了现有的传统四边形结构，充分考虑了刻蚀侧壁的晶面取向，通过构造拥有侧面全为A面的三角形柱体或六边形柱体台面结构的Micro-LED芯片，并采用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液进行刻蚀损伤的修复，极大的提高了Micro-LED芯片的外量子效率，这为制备高效率的Micro-LED提供了新的方案。
如图1所示，本发明一实施例中的Micro-LED芯片的制作方法，包括：
S1：提供衬底。
S2：在衬底上形成外延结构，外延结构包括依次形成的缓冲层、n型GaN层、有源区、AlGaN阻挡层以及p型GaN层。
S3：刻蚀外延结构至暴露n型GaN层，形成侧壁均为GaN晶体A面的台面结构。
S4：采用四甲基氢氧化铵溶液对台面结构的侧壁进行腐蚀，以在台面结构的侧壁上形成纳米棱镜结构。
S5：钝化处理并在外延结构上形成电极。
其中，步骤S1中，衬底材料选自蓝宝石、Si或GaN。优选的，衬底材料选自GaN。
步骤S2中，基于衬底，以GaN晶体的C面为生长面，利用MBE/MOCVD生长LED外延结构。优选的，外延设备选择为MBE。外延结构包括依次生长在衬底上的缓冲层、n型GaN层、有源区、AlGaN阻挡层以及p型GaN层。缓冲层的厚度为500nm～3000nm。n型GaN层的厚度为200nm～500nm。有源区的厚度为80nm～120nm。AlGaN阻挡层的厚度为10nm～20nm。p型GaN层的厚度为100nm～400nm。
有源区包括InxGa1-xN/GaN量子阱或者InxGa1-xN/GaN量子点，优选的，为InxGa1-xN/GaN量子点，In组分可被调控以使所述有源区涵盖紫外波段和可见光波段。量子点的设置能够降低有源区对侧壁的刻蚀损伤的敏感性。
在步骤S3之前，还包括对外延结构进行预清洗的步骤。预清洗具体包括如下步骤：利用丙酮和异丙醇进行有机清洗，优选的，各自超声五分钟；利用HCl、H2O2和H2O进行无机清洗；其中，HCl:H2O2:H2O＝2:1:5，清洗时间为3min～10min。
步骤S3中，旋涂光刻胶，利用光刻技术显影出所需的台面结构的图形，利用电感耦合等离子(ICP)设备进行外延结构的刻蚀，形成侧壁均为GaN晶体A面的台面结构。台面结构的数量可以为单个，也可以为阵列分布的多个。台面结构的形状选自六边型柱体或三角形柱体，且优选的，选自三角形柱体。
步骤S4中，将样品放置在四甲基氢氧化铵溶液中，保持温度为80℃～90℃，加热100min～150min，对台面结构的侧壁进行腐蚀修复，并最终在台面结构的侧壁上形成纳米棱镜结构，增加有效光输出面积并减少全反射效应，最大程度地提高光提取效率，从而提高光输出效率。
步骤S5中，钝化处理并在外延结构上形成电极，具体包括：在台面结构的侧壁以及n型GaN层上形成钝化层；在p型GaN层表面形成电流扩展层；在电流扩展层上形成p电极；在钝化层上形成暴露n型GaN层的窗口，在窗口内形成n电极。
示例性的，首先对样品进行钝化处理。先利用原子层沉积设备(ALD)沉积10nm～30nm的Al2O3，尤为优选的，厚度为20nm；后利用等离子体增强化学气相沉积设备(PECVD)沉积100nm～300nm的SiO2，尤为优选的，厚度为200nm。
然后旋涂光刻胶，利用光刻技术显影出p型GaN层上所需的钝化开孔图形。利用干法刻蚀设备(NLD)刻蚀SiO2，利用电感耦合等离子(ICP)设备刻蚀Al2O3，从而在p型GaN层上达到钝化开孔的目的，形成ITO沉积窗口。
接着，利用光学镀膜机在ITO沉积窗口内生长ITO薄膜-电流扩展层，厚度为100nm～300nm，优选的，厚度为200nm。
再者，旋涂光刻胶，利用光刻技术显影出n型GaN层上所需的电极开孔图形。利用离子束刻蚀设备(IBE)刻蚀ITO薄膜，形成电极接触窗口。
最后，利用电子束蒸发设备分别在电流扩展层上和电极接触窗口内的n型GaN层上沉积金属，形成两个电极。优选的，可以采取Ti/Al/Ni/Au体系作为电极。尤为优选的，厚度为20nm/120nm/60nm/200nm。还可以对Micro-LED芯片进行减薄处理。整体减薄至30μm～50μm。优选的，样品减薄后的厚度为30μm。
以下通过一个具体的实施例，对本申请的Micro-LED芯片的制作方法展开详细阐述，以便于进一步理解本申请的技术方案。
参考图2a所示，提供衬底10，衬底10为蓝宝石。在衬底10上依次生长缓冲层20，n-GaN层30，有源区40，电子阻挡层50以及p-GaN层60。缓冲层20为GaN，厚度为500nm；n-GaN层30为掺杂Si的GaN，厚度为400nm；有源区40为绿光InxGa1-xN量子点，5个周期，一个周期厚度为16nm；电子阻挡层50为AlGaN，厚度为15nm；p-GaN层60为掺杂Mg的GaN，厚度为150nm。
先利用丙酮和异丙醇对外延结构进行有机清洗，各自超声五分钟；后利用HCl、H2O2和H2O进行无机清洗，比例为HCl:H2O2:H2O＝2:1:5，时间为5min。
参考图2b所示，旋涂光刻胶，利用光刻技术显影出所需的台面结构的图形。利用离子束刻蚀设备(IBE)和电感耦合等离子(ICP)设备将外延结构上未被光刻胶遮挡的部分刻蚀至n-GaN层，形成台面结构阵列，构成Micro-LED芯片阵列，台面结构的侧面全为GaN晶体的A面，且台面结构呈现三角形柱体，厚度为400nm，尺寸大小约为20μm。
对样品进行台面结构侧壁修复。将样品放置在四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液中，在85℃中加热120min。如图3所示，侧壁上最终形成纳米棱镜结构，(c)所示。
参考图2c所示，先利用原子层沉积设备(ALD)沉积20nm的Al2O3；后利用等离子体增强化学气相沉积设备(PECVD)沉积200nm的SiO2，从而对样品进行钝化处理，形成钝化层70，进一步修复台面结构的侧壁损伤。旋涂光刻胶，利用光刻技术显影出p型GaN层上所需的钝化开孔图形。利用干法刻蚀设备(NLD)刻蚀SiO2，利用电感耦合等离子(ICP)设备刻蚀Al2O3，从而达到钝化开孔的目的，形成ITO沉积窗口71。
参考图2d所示，利用光学镀膜机在ITO沉积窗口内生长厚度为200nm的ITO薄膜-电流扩展层72。
参考图2e所示，旋涂光刻胶，利用光刻技术显影出n型GaN层上所需的电极开孔图形。利用离子束刻蚀设备(IBE)刻蚀ITO薄膜，形成电极接触窗口73。
参考图2f所示，利用电子束蒸发设备沉积Ti/Al/Ni/Au作为p-GaN和n-GaN的电极接触金属90/80，厚度分别为20/120/60/200nm。对样品进行减薄处理，减薄至30μm。
最终，制备出一种具有高外量子效率的Micro-LED芯片结构。
本发明一实施例中Micro-LED芯片的制作方法制作的侧面全为A面的三角形柱体台面结构的Micro-LED芯片结构、侧面全为M面的六边形柱体台面结构的发光二极管结构、传统的正方形结构的Micro-LED芯片结构的外量子效率(EQE)随电流密度变化的对比示意图如图4所示。从图4中可以看到，与传统正方形结构Micro-LED芯片结构以及侧面全为M面的六边形柱体台面结构的发光二极管结构比较，本申请的Micro-LED芯片结构，外量子效率提高了80％。这是由于在TMAH溶液修复侧壁后，全为A面的三角形柱体台面结构的三个面都形成了具有三棱状纳米棱镜结构的表面，这可以增加有效光输出面积并减少全反射效应，从而提升光提取效率(LEE)。而传统正方形结构Micro-LED芯片结构，由于其两个面为M面，而M面经过TMAH溶液的修复，在足够长的时间之后表面会变得光滑而陡直，反而会减少光提取效率；虽然未经处理的M面是倾斜的且表面粗糙的，但未经处理的M面会增强散射，影响光提取效率。或许在修复的一开始，A面和M面上都会形成小的纳米棱镜结构，但是随着修复的时间增长，A面最终会全部形成纳米棱镜结构，而M面最终会变得光滑。侧面全为M面的六边形柱体台面结构的发光二极管结构也是如此。因而，本申请的Micro-LED芯片结构，具有较高的外量子效率。
可以理解的是，在上述制作方法中，是先进行台面结构的刻蚀，再沉积钝化层，在钝化层上形成ITO沉积窗口后在ITO沉积窗口内沉积ITO薄膜-电流扩展层的。在其他方案中，也可以先进行ITO薄膜-电流扩展层的沉积，再进行整体台面结构的刻蚀，后沉积钝化层。在上述制作方法中，仅在钝化层的ITO沉积窗口内沉积ITO薄膜-电流扩展层。在其他方案中，也可以在ITO沉积窗口内以及钝化层上均进行ITO薄膜-电流扩展层的沉积，后续刻蚀ITO薄膜-电流扩展层以及钝化层，形成n型电极接触窗口，制备n型电极。
本发明一具体实施例还提供了一种Micro-LED芯片结构，采用上述的Micro-LED芯片的制作方法制作得到。
与现有技术相比，本发明的Micro-LED芯片的制作方法及Micro-LED芯片，避开了现有的传统四边形结构，充分考虑了刻蚀侧壁的晶面取向，通过构造拥有侧面全为A面的三角形柱体或六边形柱体台面结构的Micro-LED芯片，并采用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液进行刻蚀损伤的修复，极大的提高了Micro-LED芯片的外量子效率，这为制备高效率的Micro-LED提供了新的方案。
本发明的Micro-LED芯片的制作方法及Micro-LED芯片，通过控制四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液浸泡样品的温度和时间，能够使得台面结构的侧壁形成纳米棱镜结构，增加有效光输出面积并减少全反射效应，最大程度地提高光提取效率，从而提高光输出效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成外延结构，所述外延结构包括依次形成的缓冲层、n型GaN层、有源区、AlGaN阻挡层以及p型GaN层；
刻蚀所述外延结构至暴露所述n型GaN层，形成侧壁均为GaN晶体A面的台面结构；
采用四甲基氢氧化铵溶液对所述台面结构的侧壁进行腐蚀，以在所述台面结构的侧壁上形成纳米棱镜结构；
钝化处理并在所述外延结构上形成电极。
2.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，以GaN晶体的C面为生长面，在所述衬底上进行缓冲层、n型GaN层、有源区、AlGaN阻挡层以及p型GaN层的生长。
3.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，采用光刻技术显影出所需的台面结构的图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀所述外延结构至n型GaN层，形成侧壁均为GaN晶体A面的台面结构。
4.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，所述台面结构的形状选自六边型柱体或三角形柱体。
5.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，所述有源区包括InxGa1-xN/GaN量子阱或者InxGa1-xN/GaN量子点。
6.根据权利要求5所述的Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，所述有源区包括InxGa1-xN/GaN量子点，其中，In组分可被调控以使所述有源区涵盖紫外波段和可见光波段。
7.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，对所述外延结构进行光刻、ICP刻蚀以形成单个所述台面结构，或者形成呈阵列分布的多个所述台面结构。
8.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，采用四甲基氢氧化铵溶液对所述台面结构的侧壁进行腐蚀，包括：
将样品放置在四甲基氢氧化铵溶液中，保持温度为80℃～90℃，加热100min～150min。
9.根据权利要求1所述的Micro-LED芯片的制作方法，其特征在于，刻蚀所述外延结构的步骤之前，还包括对所述外延结构进行预清洗的步骤，包括：
利用丙酮和异丙醇进行有机清洗；
利用HCl、H2O2和H2O进行无机清洗；
其中，HCl:H2O2:H2O＝2:1:5，清洗时间为3min～10min。
10.一种Micro-LED芯片结构，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的Micro-LED芯片的制作方法制作得到。
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