CN202332854U

CN202332854U - 一种tft-led彩色阵列显示基板

Info

Publication number: CN202332854U
Application number: CN2011204602488U
Authority: CN
Inventors: 邓朝勇; 杨利忠; 杨小平; 胡绍璐; 雷远清
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-11-18

Abstract

本实用新型公开了一种TFT-LED彩色阵列显示基板，采用半导体集成工艺，将双TFT、三基色的发光单元共同集成在同一块基片上，以实现TFT-LED的阵列显示。在大面积单晶衬底上沉积出同样具有完整结构的缓冲层及n型GaN层，并在n型GaN层上通过MOCVD工艺和其他薄膜制备工艺，并与光刻和刻蚀工艺相结合，分别在不同的发光区域制备对应的红、绿、蓝LED发光层、p型GaN层及透明电极层，将不同颜色发光层、p型GaN层及透明电极层分隔成显示阵列单元。在每个隔离出来的发光阵列单元上通过集成两个TFT与一个电容器作为该发光单元的控制电路。本实用新型能一定程度上克服现有LED和LCD显示的不足，且制造方法与现有的半导体工艺相兼容，易于实现产业化。

Description

一种TFT-LED彩色阵列显示基板

技术领域

本实用新型涉及一种LED阵列显示基板，尤其涉及一种TFT-LED彩色阵列显示基板。

背景技术

随着人们物质文化生活水平的不断改善，人们对显示技术的要求也越来越高。显示技术逐步向着平板化、体积小、重量轻、耗电省等方向发展。液晶显示器由于具有体积小、辐射小和功耗低等优点而得到了迅速的发展，成为了当前显示技术的主流，在不少应用领域内逐步取代了传统的CRT显示技术。但是液晶显示器也存在响应速度相对较慢，色彩还原性能较差等方面的不足。上世纪90年代以来，InGaN为发光材料的GaN基蓝光LED器件的研制成功，为LED的迅速普及和推广开辟了广阔的道路。随着红、绿、蓝三基色LED器件的研制成功，为LED显示器件的实现提供了良好的基础。LED具有发光效率高、显色性好和节约能源等优点，在目前的大屏幕显示方面得到了广泛的应用。目前的LED显示器主要由单色LED单元拼接而成，具有耗电量少、亮度高、工作电压低、驱动简单、寿命长、响应速度快和性能稳定等优点。但目前采用的拼接形式形成的LED显示器存在分辨率低、色彩均匀性差、体积大等不足，LED显示器不同拼接部分的协调性和一致性难以保证，制作成本相对较高，大功率器件散热困难，且仅适用于大屏幕显示等问题，限制了拼接LED显色器的进一步发展。

发明内容

本实用新型提供了一种TFT-LED彩色阵列显示基板，它制造得到的LED显示器分辨率高、体积小、散热效果良好，能实现真彩和小屏幕显示，，能有效克服现有拼接LED显示器和TFT-LCD的不足。

本实用新型提供了一种TFT-LED彩色阵列显示基板，包括衬底，在衬底上方依次为缓冲层和n型GaN层，厚度相当的三基色（RGB）发光层， p型GaN层和透明电极层；n型GaN层、三基色发光层、p型GaN层和透明电极层共同组成显示单元，在显示单元上设有控制区，在显示单元之间设有引线区。在控制区内设有由电容器下极板和电容器上极板，以及同处于它们之间的绝缘层所构成的电容器；由工作TFT栅极、工作TFT沟道、工作TFT源极、工作TFT漏极以及绝缘层组成工作TFT；以及由控制TFT栅极、控制TFT沟道、控制TFT源极和控制TFT漏极以及绝缘层组成的控制TFT；在引线区内设有n型GaN层接地引线，工作TFT源极引线，控制TFT源极引线及控制TFT栅极引线。其中电容器下极板与n型GaN层接触，n型GaN层接地引线（11）与电容器下极板连接；电容器上极板分别与工作TFT栅极及控制TFT漏极连接，工作TFT漏极与透明电极层连接，工作TFT源极与工作TFT源极引线连接，控制TFT源极与控制TFT源极引线连接，控制TFT栅极与控制TFT栅极引线连接；在各层金属电极和不同层引线之间有绝缘层，在控制区及引线区上有钝化保护层。

衬底材料可以是蓝宝石单晶衬底或SiC单晶衬底。n型半导体层和p型半导体层是由不同掺杂浓度的p型或n型GaN外延薄膜组成，其中n型半导体层可掺入Si，p型半导体层可掺入Mg、Zn等。

三基色发光层是由红、绿、蓝三种厚度相当的单色发光层组成发光阵列，发光阵列的每个单元独立发光。红、蓝、绿三种发光单元按照常规的三基色发光阵列的排布方式进行排布，以满足彩色显示的需要。发光层由单层的InGaN，AlInGaN，或AlGaInP等组成，或者由多层的InGaN，AlInGaN，或AlGaInP等，形成多量子阱结构。InGaN，AlInGaN，或AlGaInP的组份根据发光颜色的需要调节。也可在发光层下先生长缓冲层（buffer layer），以实现发光层与n型层的晶格匹配。如通常的蓝光LED中InGaN外延层，可发出纯正的蓝光；若生长出富In相（In-rich）的InGaN，则可得到较理想的绿光发射；而生长出AlInGaP，则可得到较理想的红光发射。为实现发光层与下一层薄膜之间的晶格匹配，还可选择在相应发光层生长之前选择适当的缓冲层，如在AlInGaP生长前生长GaAs等缓冲层。透明电极层为原位生长的ITO、IZO或性质类似的透明电极材料。

电容器的下极板、上极板，工作TFT栅极、工作TFT漏极、工作TFT源极，控制TFT栅极、控制TFT漏极、控制TFT源极以及各种引线的材料为Mo、Au、Cu、Ag、Ni或Al等金属中的一种或一种以上组成的合金，或者它们的搭配或组合。绝缘层和钝化层可采用SiO_x、SiN_x或SiO_xN_y等绝缘材料。工作TFT沟道和控制TFT沟道层采用非晶硅（a-Si）、多晶硅（poly-Si）或者单晶硅（Si）等半导体材料。

n型GaN层、发光层和p型GaN层采用MOCVD（金属有机化合物汽相沉积）工艺，或者采用MBE（分子束外延）方法制备。

采用磁控溅射或电子束蒸发的方法生长透明电极层、金属层Ⅰ、金属层Ⅱ、金属层和金属层Ⅳ；采用PECVD（等离子增强化学汽相沉积法）生长a-Si有源层、绝缘层和钝化保护层，多晶硅或单晶硅的有源层需采用与热处理相结合的比PECVD更复杂的工艺生长。

本实用新型采用MOCVD法在大面积单晶衬底上沉积出同样具有完整结构的缓冲层及n型GaN层，并在n型GaN层上通过MOCVD工艺和其他薄膜制备工艺，并与光刻和刻蚀工艺相结合，分别在不同的发光区域制备对应的红、绿、蓝LED发光层、p型GaN层及透明电极层，将不同颜色发光层、p型GaN层及透明电极层分隔成显示阵列。在每个隔离出来的发光阵列单元上通过集成两个TFT与一个电容器作为该发光单元的控制电路。由于显示阵列是在大面积单晶衬底上结合半导体工艺制备而成的，因此每个象素发光单元的体积可以比现有的LED大屏幕显示的单个LED发光单元小很多，跟目前的LCD显示的象素单元大小相当，能极大的提高显示的分辨率，从而可大大提高显示质量。目前的LCD是通过彩膜（Color Filter）滤光的方式来实现彩色显示，属被动发光，而LED则为主动发光，因此在显示效果上能比LCD有较大幅度的提高。另外，n型GaN层为整块结构，在n型GaN层上连接金属引线，在引线区也有金属引线，从而能大大改善产品的散热问题。生产工艺与现有半导体工艺兼容，易于大规模产业化的同时，产品性能大幅度提高。

本实用新型彩色TFT-LED阵列显示基板的工作原理为：TFT-LED彩色阵列显示基板包括一个电容器、一个工作TFT及一个控制TFT；工作TFT源极通过工作TFT源极引线与驱动电源相连接，控制TFT栅极通过控制TFT栅极引线与扫描信号相连接，控制TFT源极通过控制TFT源极引线与数据信号相连接，电容器下基板与LED与n型层连接，并与接地引线相连接；当控制TFT栅极引线有扫描信号时，控制TFT处于开启状态，数据信号通过控制TFT源极传送到工作TFT栅极，并为电容器充电。假定工作TFT的外驱动电压恒定，并工作于截止电压以上的非饱和区，工作TFT漏极电流的大小由工作TFT栅极电压决定；当控制TFT栅极引线没有扫描信号时，控制TFT处于截止状态，存储在电容器中的电荷仍能维持工作TFT栅极的电压并保持恒定，使工作TFT处于开启状态，这样就保证了在整个帧周期中，LED具有恒定的电流通过。这个电路通过控制TFT源极引线上的数据信号电压改变工作TFT栅极的电压，控制流过工作TFT的电流，从而控制了流过LED的电流，达到控制LED发光亮度的目的。

由于采用上述的技术方案，与现有技术相比，本实用新型采用一种全新的思路，采用半导体集成工艺，将三基色的发光单元完全集成在同一块基片上，这样制造的LED显示器分辨率高、体积小、散热效果良好，能实现真彩和小屏幕显示，适用家庭及办公等环境，能有效克服现有拼接LED显示器和TFT-LCD的不足，并具有其他显示方式所不具备的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为蓝宝石Al₂O₃面衬底上外延生长缓冲层和n-GaN层后的截面图；

图3为n-GaN层上生长红、绿、蓝三基色发光层后的截面图；

图4为在红绿蓝三基色发光层上生长p-GaN层后的截面图；

图5为在p-GaN层上生长透明电极后的截面图；

图6为在图5基础上刻蚀形成控制区及引线区后的平面图；

图7为图6中对应A-A截面的截面图；

图8为沉积金属层

后，刻蚀形成电容器下极板和n型GaN层接地引线的平面图；

图9为图8中对应A-A截面的截面图；

图10为沉积金属层

后，刻蚀形成电容器上极板、与电容器上极板连接的工作TFT栅极和控制TFT栅极，以及在引线区上形成控制TFT栅极引线后的平面图；

图11为图10中对应A-A截面的截面图；

图12为沉积a-Si有源层，进行光刻和刻蚀，形成工作TFT沟道及控制TFT沟道，并在栅绝缘层上形成工作TFT栅极引线末端过孔后的平面图；

图13为图12中对应A-A截面的截面图；

图14为图12中对应B-B截面的截面图；

图15为图12中对应C-C截面的截面图；

图16为沉积金属层Ⅲ，并进行光刻和刻蚀，形成工作TFT的源、漏极、控制TFT的源、漏极和控制TFT的源极引线后的平面图；

图17为图16的中对应A-A截面的截面图；

图18为图16的中对应B-B截面的截面图；

图19为图16的中对应C-C截面的截面图；

图20为沉积金属层Ⅳ，进行光刻和刻蚀，形成工作TFT源极引线的平面图；

图21为生长钝化保护层后的平面图；

图22为图21中对应A-A截面的截面图；

图23为图21中对应B-B截面的截面图；

图24为图21中对应C-C截面的截面图。

附图标记

1、衬底；2、缓冲层；

3、n型GaN层；

4、发光层；

5、p型GaN层；

6、透明电极层；

7、控制区；

8、引线区；

9、发光区；

10、电容器下极板；

11、n电极接地引线；

12、电容器上极板；

13、工作TFT栅极；

14、工作TFT栅极引线；

15、控制TFT栅极；

16、控制TFT栅极引线；

17、工作TFT沟道；

18、控制TFT沟道；

19、控制TFT源极；

20、控制TFT源极引线；

21、控制TFT漏极；

22、工作TFT源极；

23、工作TFT漏极；

24、工作TFT源极引线；

25、绝缘层；

26、钝化保护层。

具体实施方式

实施例：本实用新型中TFT-LED彩色阵列显示基板结构如图24所示，在衬底1上方依次为缓冲层2和n型GaN层3，基本相同的三基色发光层4， p型GaN层5和透明电极层6；n型GaN层3、三基色发光层4、p型GaN层5和透明电极层6共同组成显示单元，在显示单元上设有控制区7，在显示单元之间设有引线区8；在控制区7内有由电容器下极板10和电容器上极板12，以及同处于上下极板它们之间的绝缘层25所构成的电容器。由工作TFT栅极13、工作TFT沟道17、工作TFT源极22、工作TFT漏极23以及中间绝缘层25组成的工作TFT；以及由控制TFT栅极15、控制TFT沟道18、控制TFT源极19和控制TFT漏极21以及中间绝缘层25组成的控制TFT。在引线区内有n型GaN层接地引线11，工作TFT源极引线24，控制TFT源极引线20及控制TFT栅极引线16。其中电容器下极板10与n型GaN层3良好接触，接地引线11为电容器下极板10的延伸；电容器上极板12分别与工作TFT栅极13及控制TFT漏极21连接，工作TFT漏极23与透明电极层6连接，工作TFT源极22与工作TFT源极引线24连接，控制TFT源极19与控制TFT源极引线20连接，控制TFT栅极15与控制TFT栅极引线16连接。在各层金属电极和不同层引线之间有绝缘层25，在控制区7及引线区8上有钝化保护层26。

本实用新型中镓源为TMGa（三甲基镓），氮源为NH₃（氨），铟源为TMIn（三甲基铟），铝源为TMAl（三甲基铝），镁源为TMMg（三甲基镁）、硅源为SiH₄（硅烷）。

以下是该实施例TFT-LED彩色阵列显示基板的制造方法，它包括以下主要步骤：

步骤一、采用整块结构的蓝宝石作为衬底1，将衬底1放入MOCVD设备中，先通入H₂气氛下加热至1100℃烘烤20min；然后在800℃下通入氮气对衬底进行100s的氮化处理；处理后通入NH₃（氨气）和TMAl（三甲基铝）、在800℃的条件下在衬底上气相外延生长厚度为80nm的AlN缓冲层，然后通入TMGa（三甲基镓）和氨气在600℃下生长厚度为200nm的GaN缓冲层；AlN缓冲层、GaN缓冲层共同组成缓冲层2；在600℃的条件下掺Si在缓冲层2上生长厚度为2um的n型GaN层3，如图2所示；

步骤二、在600℃的条件下在n型GaN层3上生长厚度为10nm的GaN层缓冲层，在550℃下生长厚度为3nm的InGaN（In=0.08）的蓝色量子阱发光层，再在600℃下生长厚度为10nm的GaN层，重复以上步骤5-6次，即形成了多量子阱结构的蓝光LED发光层；再利用光刻和刻蚀，去掉非蓝光LED阵列单元区域的蓝光LED发光层材料；然后在550℃下生长厚度为3nm的InGaN（In=0.08）的绿色量子阱发光层，接着在600℃下生长厚度为10nm的GaN层，重复以上步骤5-6次，即形成了多量子阱结构的绿光LED发光层；再利用光刻和刻蚀，去掉非绿光LED阵列单元区域的绿光LED发光层材料；继续生长50nm的GaAs层作为缓冲层，最后长出3nm 的AlInGaP红色量子阱发光层，继续生长10nm的GaAs层，重复以上的后两个步骤5-6次，最后生长30nm左右的GaN层缓冲层，即形成了多量子阱结构的红光LED发光层；再利用光刻和刻蚀，去掉非红光LED阵列单元区域的红光LED发光层材料；红光LED发光层、绿光LED发光层及蓝光LED发光层共同组成三基色发光层4，如图3所示；

步骤三、在650℃的条件下掺Mg在三基色发光层4上生长厚度为120nm的p型GaN层5，在600℃的条件下退火1小时，并使用H₂SO₄溶液、H₂O₂溶液、氢氟酸溶液、盐酸、NH₄OH等结合超声波清洗技术去除所述LED外延片表面的有机杂质和金属离子，如图4所示；

步骤四、在发光层顶部采用磁控溅射法在p型GaN层5上沉积出一层厚度为200nm 的ITO透明电极层6，如图5所示；

步骤五、在ITO上涂上光刻胶，露出要刻蚀为控制区7及引线区8的区域，然后进行光刻和刻蚀，刻蚀的深度既要保证n型GaN层2裸露，但又不能将n型GaN层2刻穿，刻蚀的方法可以采用增强等离子刻蚀（ICP）（也可以选用反应离子刻蚀（RIE）等干法刻蚀的方法），被刻蚀的区域形成控制区7及引线区8，未被刻蚀的区域形成发光区，它们共同组成显示阵列，如图6、图7所示；

步骤六、对基板进行清洗后，采用磁控溅射法在控制区7和引线区8沉积金属层Ⅰ；进行清洗后，涂光刻胶，对控制区7及引线区8的金属层Ⅰ进行光刻和刻蚀，得到电容器下极板10及n型GaN层接地引线11，如图8、图9所示；

步骤七、对基板进行清洗后，用PECVD法在控制区7及引线区8上生长一层以二氧化硅为材料的绝缘层25；然后继续采用磁控溅射法在绝缘层25上沉积出金属层Ⅱ，对金属层Ⅱ进行光刻和刻蚀，刻蚀掉多余的金属，在控制区上的绝缘层25形成了电容器的介质层，在控制区上的金属层Ⅱ分别形成了电容器上极板12、与电容器上极板12连接的工作TFT栅极13和工作TFT栅极引线14，以及控制TFT栅极15，在引线区8上的金属层II形成了控制TFT栅极引线16，如图10、图11所示；

步骤八、用PECVD法在上沉积出二氧化硅绝缘层，形成绝缘层25；再采用PECVD法在在绝缘层25上沉积出a-Si有源层，并进行掩膜刻蚀，分别形成工作TFT沟道层17及控制TFT沟道层18，在工作TFT栅极13与控制TFT漏极21之间的引线末端的栅绝缘层上打出一个过孔，露出工作TFT栅极引线14末端，然后剥离全部的光刻胶；如图12、图13、图14及图15所示；

步骤九、在步骤八的基础上采用磁控溅射法沉积出金属层Ⅲ，对金属层Ⅲ进行光刻和刻蚀，在控制区7上的金属层Ⅲ分别形成与透明电极层6连接的工作TFT漏极23，工作TFT源极22，与工作TFT栅极13连接的控制TFT漏极21以及控制TFT源极22；在引线区8上的金属层

形成了控制TFT源极引线20，如图16、图17、图18及图19所示；

步骤十、在基板的控制区7及引线区8上采用PECVD法沉积出绝缘层25，然后在工作TFT源极22顶部的绝缘层25上打出一个过孔；然后在的绝缘层25上采用磁控溅射法沉积出金属层Ⅳ，并对金属层Ⅳ进行光刻和刻蚀，形成与工作TFT源极22连接的工作TFT源极引线24，如图20所示；

步骤十一、在基板的控制区7及引线区8上采用PECVD法沉积出绝缘层25，如图21、图22、图23和图24所示；

按照上述步骤和工艺制造，可以得到较好质量的TFT-LED彩色阵列显示基板。调整发光层结构（如多个材料的量子阱形成复合量子阱）及材料组分（调整掺杂浓度以改变发光波长），本实用新型也涵盖了在这一TFT-LED彩色阵列显示基板范畴。

本实用新型以上所述内容，仅给出了实现本实用新型的一种实施方案，但此方案中的各部分结构的形状、厚度，以及工艺条件是可以改变的，但这种改变不脱离双TFT结构来控制LED发光，并通过三基色发光单元独立控制来满足显示要求的思想和范畴，对本领域人员自己明了的所有变更应当包含在所述的权利要求范围内。

Claims

1.一种TFT-LED彩色阵列显示基板，其特征在于：在衬底（1）上方依次为缓冲层（2），n型GaN层（3），三基色发光层（4），p型GaN层（5）和透明电极层（6）；n型GaN层（3）、三基色发光层（4）、p型GaN层（5）和透明电极层（6）共同组成显示单元，在显示单元上设有控制区（7），在显示单元之间设有引线区（8）；在控制区（7）内设有由电容器下极板（10），电容器上极板（12）及同处于它们之间的绝缘层（25）所构成的电容器；由工作TFT栅极（13）、工作TFT的沟道（17）、工作TFT源极（22）、工作TFT漏极（23）及绝缘层（25）组成的工作TFT；以及由控制TFT栅极（15）、控制TFT沟道（18）、控制TFT源极（19）和控制TFT漏极（21）及绝缘层（25）组成的控制TFT；在引线区（8）内设有n型GaN层接地引线（11），工作TFT源极引线（24），控制TFT源极引线（20）及控制TFT栅极引线（16）；电容器下极板（10）与n型GaN层（3）接触，n型GaN层接地引线（11）与电容器下极板（10）连接；电容器上极板（12）分别与工作TFT栅极（13）及控制TFT漏极（21）连接，工作TFT漏极（23）与透明电极层（6）连接，工作TFT的源极（22）与工作TFT源极引线（24）连接，控制TFT源极（19）与控制TFT源极引线（20）连接，控制TFT栅极（15）与控制TFT栅极引线（16）连接；绝缘层（25）处于各层金属电极和不同层引线之间，在控制区（7）及引线区（8）的顶部设有钝化保护层（26）。

2.根据权利要求1所述的TFT-LED彩色阵列显示基板，其特征在于：三基色发光层（4）是由红、绿、蓝三种厚度相同的单色发光层组成发光阵列，发光阵列的每个单元独立发光。