CN107808601B - 一种微型发光二极管显示器结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微型发光二极管显示器结构，还涉及该显示器结构的制造方法，该显示器的显示单元均由若干个像素构成；其特征在于：所述的每个像素均包含两个或两个以上的次像素，且一个单元内同一列的次像素连接在同一个电极A上，一个单元内同一行的次像素连接在同一个电极B上并实现行列驱动。本发明的优点在于：其无需背光源，有利于将显示器做薄，同时，其又是由性能稳定的无机半导体外延片制成，使用寿命长，且不会出现显示不均匀的状况；且能够极大程度上简化生产流程，降低生产成本。

Description

一种微型发光二极管显示器结构及制作方法
技术领域
本发明涉及一种微型发光二极管显示器结构，还涉及一种制造该微型发光二极管显示器结构的方法。
背景技术
显示器在当今消费电子产品有着广泛的应用，尤其是计算机显示器，手机显示屏，智能可穿戴设备显示屏等。随科技进步，原来的阴极射线管显示基本上已经被轻薄的液晶显示器 (LCD)所取代，并向着更轻、更薄的方向发展。而LCD自身不发光，必要有背光源才可以正常显示，限制了LCD不能做的足够薄。近年来，有机发光二极管显示器 (OLED)迅速崛起，其凭借自发光、无需背光源的优势，可以做的更薄，广泛被一些大公司应用在手机、智能手表等设备上。
而OLED也有其难以克服的缺点，有机材料本身并不稳定，致使OLED显示器寿命难以与无机半导体材料相媲美。而且，OLED光衰较为明显，长期工作可导致显示器不同像素的发光效率差别较大，导致显示器显示不均匀。
由于第三代半导体高击穿电压、大热导率、强抗辐射能力、高响应频率等优点，在白光照明、大功率显示器件、紫外消毒等领域占有重要地位。因此，若能够将第三代半导体应用至其他领域例如显示器行业，必定会大大提升显示器的性能。
本发明公开的微型发光二极管显示器，是第三代半导体发光二极管结构构成的显示器，兼顾了OLED显示器自发光、无需背光的有点，而且具有OLED不具有的优点：高亮度、高光效、长寿命、制作成本低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够简化生产流程且性能好的微型发光二极管显示器结构及制作方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：微型发光二极管显示器结构，该显示器包括一个或以上数量的显示单元，每个显示单元均由若干个像素构成；其特征在于：所述的每个像素均包含两个或两个以上的次像素，相邻的次像素之间存在一个蚀刻间隙，且一个单元内同一列的次像素连接在同一个电极A上，限定电极A为N电极或P电极中的一种，一个单元内同一行的次像素连接在同一个电极B上，限定电极B为N电极或P电极中的另一种，并实现行列驱动。
所述次像素的基本结构包括依次堆叠设置的调色层、N型半导体层、有源发光区、P型半导体层、P电极和基板，还包括与N型半导体层接触的N电极，限定堆叠方向为同时垂直于所述行、列所在平面的方向，所述次像素沿堆叠方向自有源发光区侧向调色层侧出光。
所述N电极位于N型半导体层与调色层之间。
所述N电极位于刻蚀后的台阶状N型半导体层台阶面上。
所述次像素还包括辅助层，该辅助层至少包括电子阻挡层、空穴注入层或欧姆接触增强层中的一种，其中，电子阻挡层设置在有源发光区和P型半导体层之间，空穴注入层设置在P型半导体层和P电极之间，欧姆接触增强层设置在P电极与P型半导体层之间。
所述次像素中的P电极与基板之间，或者相邻次像素之间的蚀刻间隙内均可设置反射层。
1. 实现上述微型发光二极管显示器结构的制作方法，主要为显示单元的制作，其特征在于：
步骤S1：选用合适规格的外延片，外延片具有自上而下依次堆叠设置的P型半导体层、有源发光区、N型半导体层、缓冲层和衬底；
步骤S2：刻蚀图形，限定位于外延片所在平面内相互垂直的两个方向为行方向和列方向，在外延片的行方向和列方向上刻蚀出多道行方向蚀刻间隙和列方向蚀刻间隙，进而在外延片上形成若干呈矩形阵列分布的次像素；
本步骤中，列方向刻蚀间隙的深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层；行方向刻蚀间隙的深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层；
步骤S3：制作P电极，选择行方向作为P电极的延伸方向，在外延片各次像素的P型半导体层上制作P电极，并使得同一行的各次像素公用一个P电极；
步骤S4：将外延片倒装固化在基板上，并使得P电极侧与基板接触；再将外延片的缓冲层和衬底剥离，使得外延片的N型半导体层露出；
步骤S5：制作N电极，选择列方向作为N电极的延伸方向，在外延片次像素的N型半导体层上制作N电极，并使得同一列的各次像素公用一个N电极；
步骤S6：制作次像素调色层，先将所有次像素划分为若干个像素，每个像素包干两个或两个以上次像素；再根据次像素调色方案在各像素内的次像素上制作相同或不同的调色层，该调色层位于N电极上远离有源发光区侧的表面上；
步骤S7：得到一个显示单元，该显示单元具有若干个像素，每个像素均包含两个或两个以上的次像素。
2. 实现上述微型发光二极管显示器结构的制作方法，主要为显示单元的制作，其特征在于：
步骤S1：选用合适规格的外延片，外延片具有自上而下依次堆叠设置的P型半导体层、有源发光区、N型半导体层、缓冲层和衬底；
步骤S2：刻蚀图形，限定位于外延片所在平面内相互垂直的两个方向为行方向和列方向，在外延片的行方向和列方向上刻蚀出多道行方向蚀刻间隙和列方向蚀刻间隙，进而在外延片上形成若干呈矩形阵列分布的次像素；
在本步骤中，选择行方向作为P电极的延伸方向，列方向作为N电极的延伸方向；
行方向采用一步刻蚀，其行方向刻蚀间隙深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层；列方向采用两步刻蚀，其列方向刻蚀间隙具有两个深度的，一个深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层，另一个深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至N型半导体层，且不穿透N型半导体层，进而使得N型半导体层在列方向刻蚀间隙内形成一个台阶结构；
步骤S3：制作N电极，在外延片各次像素的N型半导体层的台阶结构的水平面上制作N电极，并使得同一列的各次像素公用一个N电极；
步骤S4：制作P电极，在外延片各次像素的P型半导体层上制作P电极，并使得同一行的各次像素公用一个P电极；
步骤S5：将外延片整体倒装固化在基板上，并使得P电极侧与基板接触；再将外延片的缓冲层和衬底剥离，使得外延片的N型半导体层露出；
步骤S6：制作次像素调色层，先将所有次像素划分为若干个像素，每个像素包干两个或两个以上次像素；再根据次像素调色方案在各像素内的次像素上制作相同或不同的调色层，该调色层位于N电极上远离有源发光区侧的表面上；
步骤S7：得到一个显示单元，该显示单元具有若干个像素，每个像素均包含两个或两个以上的次像素。
本发明的优点在于：
本发明的发光二极管显示器显示单元的像素由两个或两个以上次像素组成，不同的次像素可发出不同颜色的光，由同一像素内的次像素发出不同颜色的光线合成可实现全彩色发光，相较同样具有次像素的LCD而言，其无需背光源，有利于将显示器做薄，同时，其又是由性能稳定的无机半导体外延片制成，使用寿命长，且不会出现显示不均匀的状况；
本发明中在同一个单元内的同一列次像素使用同一个P电极，在同一行的次像素公用一个N电极，并通过行列驱动，该结构能够极大程度上简化生产流程，有利于降低生产成本。
附图说明
图1为本发明微型发光二极管显示单元第一实施例的局部结构示意图。
图2为图1中沿A-A线剖视图。
图3为图1中沿B-B线剖视图。
图4为本发明第一实施例的外延片结构示意图。
图5~6为本发明第一实施例的刻蚀工序示意图。
图7为图6中沿C-C线剖视图。
图8为图6中沿D-D线剖视图。
图9为本发明第一实施例的P电极制作示意图。
图10为本发明第一实施例的倒装与剥离示意图。
图11为本发明第一实施例的N电极及调色层制作示意图。
图12为本发明微型发光二极管显示单元第二实施例的局部结构示意图。
图13为图1中沿E-E线剖视图。
图14为图1中沿F-F线剖视图。
图15为本发明第一实施例的外延片结构示意图。
图16~17为本发明第一实施例的刻蚀工序示意图。
图18为图17中沿G-G线剖视图。
图19为图17中沿H-H线剖视图。
图20为本发明第二实施例的N电极制作示意图。
图21为本发明第二实施例中在刻蚀间隙设置填充层示意图。
图22为本发明第二实施例的P电极制作示意图。
图23为本发明第二实施例的倒装、剥离及调色层制作示意图。
具体实施方式
实施例一
本发明的微型发光二极管显示器包括一个或以上数量的显示单元，每个显示单元均由若干个像素构成，而每个像素均包含两个或两个以上的次像素。
图1示出了含有3*4个次像素的同一单元局部俯视图，相邻的次像素之间存在一个蚀刻间隙，且一个单元内同一列的次像素11连接在同一个电极A上，限定电极A为N电极或P电极中的一种，一个单元内同一行的次像素连接在同一个电极B上，限定电极B为N电极或P电极中的另一种，并将P电极作为地址扫描电极，N电极作为数据驱动电极，进而实现行列驱动。本实施例中，电极A为N电极2，电极B为P电极6，三个次像素11构成一个像素13。次像素的直径为200nm-500 um，刻蚀间隙为20nm-100 um。
本实施例中，如图2、3所示，次像素1的基本结构包括依次堆叠设置的调色层1、N电极2、N型半导体层3、有源发光区4、P型半导体层5、P电极6和基板（未示出）， 限定堆叠方向为同时垂直于行、列所在平面的方向，次像素沿堆叠方向自有源发光区4侧向调色层1侧出光。
本领域技术人员应当了解，这里的次像素1结构仅仅是示例性的，不是局限性的，其除了基本结构外，还可以包括辅助层，辅助层至少包括电子阻挡层、空穴注入层或欧姆接触增强层中的一种，其中，电子阻挡层设置在有源发光区4和P型半导体层5之间，空穴注入层设置在P型半导体层5和P电极6之间，欧姆接触增强层设置在P电极6与P型半导体层5之间。
此外，为了增加出光量， 可在各次像素11中的P电极与基板之间，或者相邻次像素11之间的蚀刻间隙内可设置反射层，以便将其它方向的光线反射后出射，这里不再赘述。
作为本发明更具体的实施方式：同一显示单元中的各像素中，可以至少有两个像素的像素面积或次像素配色方案不同，当然，也可以同一显示单元中的各像素中的像素面积或次像素配色方案相同。同理，同一像素中的各次像素中，可以选择至少有两个次像素的相对面积或次像素调色层不同，当然，同一像素中的各次像素中的相对面积或次像素调色层也可以相同。这里不再详细描述。
本实施例中显示单元的制作方法如下：
步骤S1：如图4所示，选用合适规格的外延片，外延片具有自上而下依次堆叠设置的P型半导体层5、有源发光区4、N型半导体层3、缓冲层8和衬底9；
本实施例中，P型半导体层5为Mg掺杂的Alx1Ga1-x1N，其中0<x1<1，其中载流子浓度为1×10 17～1×10 21之间，厚度为50 nm～1000 nm。有源发光区4为Alx2Ga1-x2N/Aly2Ga1-y2N多量子阱，周期数为2～10，总厚度10～200 nm，其中0<x2<1，0<y2<1，x2≠y2。N型半导体层3为Si掺杂的Alx3Ga1-x3N，其中0<x3<1，其中载流子浓度为1×10 18～1×10 22之间，厚度为50nm～10 um。缓冲层8为Alx4Ga1-x4N，其中0<x4<1，厚度为10 nm～10 um。衬底9为蓝宝石衬底。
步骤S2：刻蚀图形，如图5、6所示，限定位于外延片所在平面内相互垂直的两个方向为行方向和列方向，在外延片的行方向和列方向上刻蚀出多道行方向蚀刻间隙10a和列方向蚀刻间隙10b，进而在外延片上形成若干呈矩形阵列分布的次像素；
本步骤中，列方向刻蚀间隙10b的深度自P型半导体层5侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层3；行方向刻蚀间隙10a的深度自P型半导体层5侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层3；本实施例中，如图7、8所示，均刻蚀到衬底9。
步骤S3：制作P电极，如图9所示，选择行方向作为P电极的延伸方向，在外延片各次像素的P型半导体层5上制作P电极6，并使得同一行的各次像素公用一个P电极6；
其中，P电极6制作时首先在P型半导体层5上蒸镀Al反射镜，在Al反射镜之上金丝球焊接镍-金电极制得。
步骤S4：如图10所示，将制作好电极的外延片倒装焊接在制作好布线的基板7上，使P电极6与基板7的布线连接良好。使用非接触式激光剥离技术将缓冲层8和衬底9剥离，使用必要的刻蚀工艺将芯片刻蚀露出N型半导体层3。
步骤S5：制作N电极，如图11所示，选择列方向作为N电极2的延伸方向，在外延片次像素的N型半导体层3上制作N电极2，并使得同一列的各次像素公用一个N电极2；
步骤S6：制作次像素调色层1，先将所有次像素划分为若干个像素，每个像素包干两个或两个以上次像素；再根据次像素调色方案在各像素内的次像素上制作相同或不同颜色的调色层，该调色层位于N电极上远离有源发光区侧的表面上；
步骤S7：得到一个显示单元，该显示单元具有若干个像素，每个像素均包含两个或两个以上的次像素。
下表为本发明中微型发光二极管与传统OLED、LCD的参数对比：
Figure 183071DEST_PATH_IMAGE001
结论：本发明的微型发光二极管显示器所采用的显示单元，相较LCD显示器，其色彩还原性高，无需背光源，有利于将显示器做薄；而与OLED相比，采用无机半导体外延片制成，使用寿命长，且制作工艺简单。
实施例二
图12示出了含有3*4个次像素的同一单元局部俯视图，相邻的次像素之间存在一个蚀刻间隙，且一个单元内同一列的次像素11连接在同一个电极A上，限定电极A为N电极或P电极中的一种，一个单元内同一行的次像素连接在同一个电极B上，限定电极B为N电极或P电极中的另一种，并实现行列驱动。本实施例中，电极A为N电极2，电极B为P电极6，三个次像素11构成一个像素13。次像素的直径为200nm-500 um，刻蚀间隙为20nm-100 um。
本实施例中，如图13、14所示，次像素1的基本结构包括依次堆叠设置的调色层1、N型半导体层3、有源发光区4、P型半导体层5、P电极6和基板（未示出），其中N型半导体层3为台阶状，其台阶部分位于蚀刻间隙内，在该台阶部分的台阶面上设置与N型半导体层3接触的N电极2。限定堆叠方向为同时垂直于行、列所在平面的方向，次像素沿堆叠方向自有源发光区4侧向调色层1侧出光。
同一显示单元中的各像素中，至少有两个像素的像素面积或次像素配色方案不同，或者同一显示单元中的各像素中的像素面积或次像素配色方案相同。同理，同一像素中的各次像素中，至少有两个次像素的相对面积或次像素调色层不同，当然，同一像素中的各次像素中的相对面积或次像素调色层也可以相同。
本实施例中显示单元的制作方法如下：
步骤S1：如图15所示，选用合适规格的外延片，外延片具有自上而下依次堆叠设置的P型半导体层5、有源发光区4、N型半导体层3、缓冲层8和衬底9；
步骤S2：刻蚀图形，如图16、17所示，限定位于外延片所在平面内相互垂直的两个方向为行方向和列方向，在外延片的行方向和列方向上刻蚀出多道行方向蚀刻间隙10a和列方向蚀刻间隙10b，进而在外延片上形成若干呈矩形阵列分布的次像素；
在本步骤中，选择行方向作为P电极的延伸方向，列方向作为N电极的延伸方向；
行方向采用一步刻蚀，如图19所示，其行方向刻蚀间隙10a深度自P型半导体层5侧向衬底9侧方向延伸至少穿透N型半导体层3；列方向采用两步刻蚀，如图18所示，其列方向刻蚀间隙10b具有两个深度的，一个深度自P型半导体层5侧向衬底9侧方向延伸至少穿透N型半导体层3，另一个深度自P型半导体层4侧向衬底9侧方向延伸至N型半导体层3，且不穿透N型半导体层3，进而使得N型半导体层3在列方向刻蚀间隙10b内形成一个台阶结构；
步骤S3：制作N电极，如图20、21所示，在外延片各次像素的N型半导体层3的台阶结构的水平面上使用金属线键合方式焊接制作N电极2，并使得同一列的各次像素11公用一个N电极2；为避免N电极2与下道工序的P电极6发生短路的隐患，在列方向刻蚀间隙10b内填充固化绝缘层12，当然，行方向刻蚀间隙10a内也同时进行填充固化绝缘层。
步骤S4：采用镀膜的方式制作P电极6，如图22所示，在外延片各次像素的P型半导体层5上使用金属线键合方式制作P电极6，并使得同一行的各次像素11公用一个P电极；
步骤S5：如图23所示，将外延片整体倒装固化在基板7上，并使得P电极6侧与基板7接触；再将外延片的缓冲层8和衬底9剥离，使得外延片的N型半导体层3露出；
步骤S6：制作次像素调色层1，先将所有次像素划分为若干个像素，每个像素包干两个或两个以上次像素；再根据次像素调色方案在各像素内的次像素上制作相同或不同颜色的调色层，该调色层位于N电极上远离有源发光区侧的表面上；
步骤S7：得到一个显示单元，该显示单元具有若干个像素，每个像素均包含两个或两个以上的次像素。
下表为本发明中微型发光二极管与传统OLED、LCD的参数对比：
Figure 365791DEST_PATH_IMAGE002
结论：本发明的微型发光二极管显示器所采用的显示单元，相较LCD显示器，其色彩还原度高，无需背光源，有利于将显示器做薄；而与OLED相比，采用无机半导体外延片制成，使用寿命长，且制作成本低。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种微型发光二极管显示器结构，该显示器包括一个或以上数量的显示单元，每个显示单元均由若干个像素构成；其特征在于：所述的每个像素均包含两个或两个以上的次像素，相邻的次像素之间存在一个蚀刻间隙，且一个单元内同一列的次像素连接在同一个电极A上，限定电极A为N电极或P电极中的一种，一个单元内同一行的次像素连接在同一个电极B上，限定电极B为N电极或P电极中的另一种，并实现行列驱动；所述次像素的基本结构包括依次堆叠设置的调色层、N型半导体层、有源发光区、P型半导体层、P电极和基板，还包括与N型半导体层接触的N电极，限定堆叠方向为同时垂直于所述行、列所在平面的方向，所述次像素沿堆叠方向自有源发光区侧向调色层侧出光；所述次像素还包括辅助层，该辅助层至少包括电子阻挡层、空穴注入层或欧姆接触增强层中的一种，其中，电子阻挡层设置在有源发光区和P型半导体层之间，空穴注入层设置在P型半导体层和P电极之间，欧姆接触增强层设置在P电极与P型半导体层之间。
2.根据权利要求1所述的微型发光二极管显示器结构，其特征在于：所述N电极位于N型半导体层与调色层之间。
3.根据权利要求1所述的微型发光二极管显示器结构，其特征在于：所述N电极位于刻蚀后的台阶状N型半导体层台阶面上。
4.根据权利要求1所述的微型发光二极管显示器结构，其特征在于：所述次像素中的P电极与基板之间，或者相邻次像素之间的蚀刻间隙内均可设置反射层。
5.一种实现上述微型发光二极管显示器结构的制作方法，主要为显示单元的制作，其特征在于：
步骤S1：选用合适规格的外延片，外延片具有自上而下依次堆叠设置的P型半导体层、有源发光区、N型半导体层、缓冲层和衬底；
步骤S2：刻蚀图形，限定位于外延片所在平面内相互垂直的两个方向为行方向和列方向，在外延片的行方向和列方向上刻蚀出多道行方向蚀刻间隙和列方向蚀刻间隙，进而在外延片上形成若干呈矩形阵列分布的次像素；
本步骤中，列方向刻蚀间隙的深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层；行方向刻蚀间隙的深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层；
步骤S3：制作P电极，选择行方向作为P电极的延伸方向，在外延片各次像素的P型半导体层上制作P电极，并使得同一行的各次像素公用一个P电极；
步骤S4：将外延片倒装固化在基板上，并使得P电极侧与基板接触；再将外延片的缓冲层和衬底剥离，使得外延片的N型半导体层露出；
步骤S5：制作N电极，选择列方向作为N电极的延伸方向，在外延片次像素的N型半导体层上制作N电极，并使得同一列的各次像素公用一个N电极；
步骤S6：制作次像素调色层，先将所有次像素划分为若干个像素，每个像素包干两个或两个以上次像素；再根据次像素调色方案在各像素内的次像素上制作相同或不同的调色层，该调色层位于N电极上远离有源发光区侧的表面上；
步骤S7：得到一个显示单元，该显示单元具有若干个像素，每个像素均包含两个或两个以上的次像素。
6.一种实现上述微型发光二极管显示器结构的制作方法，主要为显示单元的制作，其特征在于：
步骤S1：选用合适规格的外延片，外延片具有自上而下依次堆叠设置的P型半导体层、有源发光区、N型半导体层、缓冲层和衬底；
步骤S2：刻蚀图形，限定位于外延片所在平面内相互垂直的两个方向为行方向和列方向，在外延片的行方向和列方向上刻蚀出多道行方向蚀刻间隙和列方向蚀刻间隙，进而在外延片上形成若干呈矩形阵列分布的次像素；
在本步骤中，选择行方向作为P电极的延伸方向，列方向作为N电极的延伸方向；
行方向采用一步刻蚀，其行方向刻蚀间隙深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层；列方向采用两步刻蚀，其列方向刻蚀间隙具有两个深度的，一个深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至少穿透N型半导体层，另一个深度自P型半导体层侧向衬底侧方向延伸至N型半导体层，且不穿透N型半导体层，进而使得N型半导体层在列方向刻蚀间隙内形成一个台阶结构；
步骤S3：制作N电极，在外延片各次像素的N型半导体层的台阶结构的水平面上制作N电极，并使得同一列的各次像素公用一个N电极；
步骤S4：制作P电极，在外延片各次像素的P型半导体层上制作P电极，并使得同一行的各次像素公用一个P电极；
步骤S5：将外延片整体倒装固化在基板上，并使得P电极侧与基板接触；再将外延片的缓冲层和衬底剥离，使得外延片的N型半导体层露出；
步骤S6：制作次像素调色层，先将所有次像素划分为若干个像素，每个像素包干两个或两个以上次像素；再根据次像素调色方案在各像素内的次像素上制作相同或不同的调色层，该调色层位于N电极上远离有源发光区侧的表面上；
步骤S7：得到一个显示单元，该显示单元具有若干个像素，每个像素均包含两个或两个以上的次像素。
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