CN110416249B - 一种半导体发光器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光器件及其制作方法，属于半导体光电技术领域，在衬底的一侧依次外延生长缓冲层、非故意掺杂GaN层和n型掺杂GaN层，再通过三次沉积绝缘介质掩膜层，间隙地刻蚀出蓝光、绿光和红光发光结构层区域，并在各区域内制作发光结构层，达到了将无机GaN基蓝光和绿光LED与有机红光OLED技术集成，将红、绿、蓝三基色发光单元横向淀积于n型掺杂GaN层之上，并通过n型掺杂GaN层连接的效果。本发明改善了GaN基蓝绿光LED与GaAs基红光LED材料体系难以兼容的问题，提高了Micro LED全彩显示技术中巨量转移的效率，降低了终端产品制作的复杂度。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电技术领域，特别是半导体发光器件的生产技术。
背景技术
Micro LED作为下一代显示技术，具有广阔的市场前景，在业界得到广泛关注。由于Micro LED全彩显示需要在一块屏幕上集成高密度微小尺寸的红、绿、蓝三基色LED芯片阵列，因此红、绿、蓝三基色LED芯片的分次巨量转移技术成为制约其发展的主要技术瓶颈。如果能将红、绿、蓝三基色LED芯片制作成芯片级别的集成发光单元，则可以提高巨量转移的效率，降低终端产品制作的复杂度。对于红、绿、蓝三基色LED芯片，一般蓝光和绿光LED是在蓝宝石衬底上外延InGaN材料来完成，而红光LED则是在砷化镓衬底上外延AlInGaP材料来完成，由于这两种材料体系之间存在较大的晶格失配和热失配，因此基本上很难在同一材料基板上同时完成蓝光、绿光和红光的LED芯片结构。
另一方面，由于OLED主要是有机高分子材料，而蓝光波长短，能量相对较高，容易引起有机材料的衰变，导致蓝光OLED材料稳定性差，寿命短。蓝光寿命问题是其无法回避的一个短板，成为OLED技术中的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、方便生产的具有红、绿、蓝三基色Micro LED发光单元的半导体发光器件。
本发明技术方案是：在衬底上顺序设置缓冲层、非故意掺杂GaN层和n型掺杂GaN层，在n型掺杂GaN层上分别设置n型电极、绝缘介质掩膜层、蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层，在所述蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层表面分别设置p型电极；特点是：所述蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层间隔地分布在绝缘介质掩膜层之间；所述蓝光LED发光结构层自下而上包括：InGaN/GaN蓝光多量子阱有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层和透明导电层；所述绿光LED发光结构层自下而上包括：InGaN/GaN绿光多量子阱有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层和透明导电层；所述红光OLED发光结构层自下而上包括：第一透明导电层、电子传输层、红光有机发光层、空穴传输层和第二透明导电层。
以上简单的结构使蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层横向淀积于所述n型掺杂GaN层之上，并通过n型掺杂GaN层连接，将无机GaN基蓝光和绿光LED与有机红光OLED技术集成，制作成红、绿、蓝三基色Micro LED发光单元，充分利用无机GaN基LED和有机OLED各自的发光性能优势，改善GaN基蓝绿光LED与GaAs基红光LED材料体系难以兼容的问题，并通过芯片级别的红、绿、蓝三基色单元像素的集成，提高Micro LED全彩显示技术中巨量转移的效率，降低终端产品制作的复杂度。
进一步地，所述蓝光LED发光结构层的宽度为1～100μm；所述绿光LED发光结构层的宽度为1～100μm；所述红光OLED发光结构层的宽度为1～100μm。可以通过改变蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层各自的宽度来控制半导体发光器件的光谱配比与分布。
本发明的另一目的是提出上述半导体发光器件的制作方法。
即：先在衬底的同侧依次外延生长缓冲层、非故意掺杂GaN层和n型掺杂GaN层；然后还包括以下步骤：
1）在所述n型掺杂GaN层上第一次沉积绝缘介质掩膜层，并通过刻蚀方法，在所述绝缘介质掩膜层中刻蚀出蓝光LED发光结构层生长区域，刻蚀深度直至露出所述n型掺杂GaN层；
2）在所述蓝光LED发光结构层生长区域内依次外延生长InGaN/GaN蓝光多量子阱有源层、电子阻挡层和p型掺杂GaN层；
3）在保留的绝缘介质掩膜层和蓝光LED发光结构层的p型掺杂GaN层表面第二次沉积绝缘介质掩膜层，并通过刻蚀方法，在所述绝缘介质掩膜层中刻蚀出绿光LED发光结构层生长区域，刻蚀深度直至露出所述n型掺杂GaN层；
4）在所述绿光LED发光结构层生长区域内依次外延生长InGaN/GaN绿光多量子阱有源层、电子阻挡层和p型掺杂GaN层；
5）在保留的绝缘介质掩膜层和绿光LED发光结构层的p型掺杂GaN层表面第三次沉积绝缘介质掩膜层，并通过刻蚀方法，在所述绝缘介质掩膜层中刻蚀出红光OLED发光结构层生长区域，刻蚀深度直至露出所述n型掺杂GaN层；
6）在所述红光OLED发光结构层生长区域内依次沉积透明导电层、电子传输层、红光有机发光层和空穴传输层；
7）对绝缘介质掩膜层进行刻蚀，直至露出所述蓝光LED发光结构层中的p型掺杂GaN层、绿光LED发光结构层中的p型掺杂GaN层和红光OLED发光结构层中的空穴传输层；
8）在所述蓝光LED发光结构层中的p型掺杂GaN层、绿光LED发光结构层中的p型掺杂GaN层和红光OLED发光结构层中的空穴传输层上沉积透明导电层；
9）通过刻蚀方法，在所述绝缘介质掩膜层中刻蚀出n型电极制作区域，刻蚀深度直至露出所述n型掺杂GaN层；
10）在所述蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层的透明导电层上分别制作p型电极，在所述n型电极制作区域的n型掺杂GaN层上制作n型电极。
进一步地，所述绝缘介质掩膜层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或氧化铝中的任意一种，但是不限于此。上述绝缘介质掩膜层作为隔离层使用。
为了得到相应的各个发光结构层的宽度，刻蚀出的蓝光LED发光结构层生长区域的宽度为1～100μm；刻蚀出的绿光LED发光结构层生长区域的宽度为1～100μm；刻蚀出的红光OLED发光结构层生长区域的宽度为1～100μm。
本发明通过三次沉积绝缘介质掩膜层，间隙地刻蚀出蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层，并在相应形成的刻蚀区域内制作对应的发光结构层，达到了将无机GaN基蓝光和绿光LED与有机红光OLED技术集成，制作成红、绿、蓝三基色Micro LED发光单元，并且将红、绿、蓝三基色发光单元横向淀积于n型掺杂GaN层之上，并通过n型掺杂GaN层连接的效果。
本发明的有益效果是：将无机GaN基蓝光和绿光LED与有机红光OLED技术集成，制作成红、绿、蓝三基色Micro LED发光单元，充分利用了无机GaN基LED和有机OLED各自的发光性能优势，改善了GaN基蓝绿光LED与GaAs基红光LED材料体系难以兼容的问题，并通过芯片级别的红、绿、蓝三基色单元像素的集成，提高了Micro LED全彩显示技术中巨量转移的效率，降低了终端产品制作的复杂度。
附图说明
图1是本发明的一种半导体发光器件的结构示意图。
图2是生长完蓝光LED发光结构层后的结构示意图。
图3是生长完绿光LED发光结构层后的结构示意图。
图4是沉积完红光OLED发光结构层后的结构示意图。
图5是制作完透明导电层后的结构示意图。
其中，主要附图标记说明如下：
10：衬底；
20：缓冲层；
30：非故意掺杂GaN层；
40：n型掺杂GaN层；
50：绝缘介质掩膜层；
61：蓝光多量子阱有源层；
62：蓝光电子阻挡层；
63：蓝光p型掺杂GaN层；
71：绿光多量子阱有源层；
72：绿光电子阻挡层；
73：绿光p型掺杂GaN层；
81：电子传输层；
82：红光有机发光层；
83：空穴传输层；
90：透明导电层；
101：p型电极；
102：n型电极。
具体实施方式
一、制作步骤：
1、提供一种衬底10，可以是蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓中的任意一种，但是不限于此。
2、在MOCVD机台中，采用常规LED外延生长技术，在衬底10上依次外延生长缓冲层20、非故意掺杂GaN层30和n型掺杂GaN层40。
3、通过等离子增强化学气相沉积方法，在n型掺杂GaN层40上第一次沉积绝缘介质掩膜层50，再通过光刻的方式在绝缘介质掩膜层50表面制作蓝光LED区域掩膜，掩膜区域的宽度在1～100μm之间，并采用化学腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀方法刻蚀出蓝光LED发光结构层生长区域，露出n型掺杂GaN层40用于生长蓝光LED发光结构层。
4、在MOCVD机台中，采用常规蓝光LED外延生长技术，在步骤3形成的蓝光LED发光结构层生长区域内依次外延生长InGaN/GaN蓝光多量子阱有源层61、电子阻挡层62和p型掺杂GaN层63，如图2所示。
5、通过等离子增强化学气相沉积方法，在步骤4形成的外延结构上第二次沉积绝缘介质掩膜层50，再通过光刻的方式在绝缘介质掩膜层50表面制作绿光LED区域掩膜，掩膜区域的宽度在1～100μm之间，并采用化学腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀方法刻蚀出绿光LED发光结构层生长区域，露出n型掺杂GaN层40用于生长绿光LED发光结构层。
6、在MOCVD机台中，采用常规绿光LED外延生长技术，在步骤5形成的绿光LED发光结构层生长区域内依次外延生长InGaN/GaN绿光多量子阱有源层71、电子阻挡层72和p型掺杂GaN层73，如图3所示。
7、通过等离子增强化学气相沉积方法，在步骤6形成的外延结构上第三次沉积绝缘介质掩膜层50，再通过光刻的方式在绝缘介质掩膜层50表面制作红光OLED区域掩膜，掩膜区域的宽度在1～100μm之间，并采用化学腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀方法刻蚀出红光OLED发光结构层生长区域，露出n型掺杂GaN层40用于沉积红光OLED发光结构层。
8、通过电子束蒸镀或磁控溅射方法，在步骤7形成的红光OLED发光结构层生长区域内沉积透明导电层90，再通过真空热蒸镀方法，采用常规红光OLED成膜技术，在透明导电层90上依次沉积电子传输层81、红光有机发光层82和空穴传输层83，如图4所示。
9、通过光刻的方法，在红光OLED发光结构层表面制作掩膜，并采用化学腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀方法，将步骤8形成的结构表面的绝缘介质掩膜层50刻蚀一部分，直至露出蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层。
10、通过电子束蒸镀或磁控溅射方法，在步骤9形成的结构表面沉积一层透明导电薄膜，再通过光刻的方式在表面制作掩膜，并采用腐蚀的方式，仅保留蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层表面的透明导电薄膜，形成透明导电层90，如图5所示。
11、通过光刻的方法，在步骤10形成的结构表面制作掩膜，并采用化学腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀方法，将表面的绝缘介质掩膜层50刻蚀出n型电极区域，露出n型掺杂GaN层40用于制作n型电极。
12、通过光刻的方法，在步骤11形成的结构表面制作掩膜，再通过电子束蒸镀的方法在表面沉积金属层，并采用剥离的方式去掉掩膜区域的金属，在蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层的透明导电层90上分别制作p型电极101，在n型电极区域的n型掺杂GaN层40上制作n型电极102，如图1所示。
以上制作过程中绝缘介质掩膜层50同时也作为隔离层使用，绝缘介质掩膜层50的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝中的任意一种，但是不限于此。
二、制成产品的结构特点：
如图1所示，产品结构自下而上包括：衬底10、缓冲层20、非故意掺杂GaN层30、n型掺杂GaN层40，以及位于所述n型掺杂GaN层40上的蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层。
所述蓝光LED发光结构层、所述绿光LED发光结构层和所述红光OLED发光结构层分别横向淀积于所述n型掺杂GaN层40之上，并通过所述n型掺杂GaN层40连接。
蓝光LED发光结构层由InGaN/GaN蓝光多量子阱有源层61、电子阻挡层62、p型掺杂GaN层63和透明导电层90组成。
绿光LED发光结构层由：InGaN/GaN绿光多量子阱有源层71、电子阻挡层72、p型掺杂GaN层73和透明导电层90组成。
红光OLED发光结构层由第一透明导电层90、电子传输层81、红光有机发光层82、空穴传输层83和第二透明导电层90组成。
另外，为了通过改变所述蓝光LED发光结构层、所述绿光LED发光结构层和所述红光OLED发光结构层各自的宽度大小来控制半导体发光器件的光谱配比与分布。因此，产品中蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层的宽度在1～100μm之间。
上述实施例仅用于说明而非限制本技术方案，任何不脱离本发明范围的技术方案，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种半导体发光器件的制作方法，其特征在于：所述半导体发光器件的结构为：在衬底上顺序设置缓冲层、非故意掺杂GaN层和n型掺杂GaN层，在n型掺杂GaN层上分别设置n型电极、绝缘介质掩膜层、蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层，在所述蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层表面分别设置p型电极；
所述蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层间隔地分布在绝缘介质掩膜层之间；所述蓝光LED发光结构层自下而上包括：InGaN/GaN蓝光多量子阱有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层和透明导电层；所述绿光LED发光结构层自下而上包括：InGaN/GaN绿光多量子阱有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层和透明导电层；所述红光OLED发光结构层自下而上包括：第一透明导电层、电子传输层、红光有机发光层、空穴传输层和第二透明导电层；
制作方法包括以下步骤：
1）在所述n型掺杂GaN层上第一次沉积绝缘介质掩膜层，并通过刻蚀方法，在所述绝缘介质掩膜层中刻蚀出蓝光LED发光结构层生长区域，刻蚀深度直至露出所述n型掺杂GaN层；
2）在所述蓝光LED发光结构层生长区域内依次外延生长InGaN/GaN蓝光多量子阱有源层、电子阻挡层和p型掺杂GaN层；
3）在保留的绝缘介质掩膜层和蓝光LED发光结构层的p型掺杂GaN层表面第二次沉积绝缘介质掩膜层，并通过刻蚀方法，在所述绝缘介质掩膜层中刻蚀出绿光LED发光结构层生长区域，刻蚀深度直至露出所述n型掺杂GaN层；
4）在所述绿光LED发光结构层生长区域内依次外延生长InGaN/GaN绿光多量子阱有源层、电子阻挡层和p型掺杂GaN层；
5）在保留的绝缘介质掩膜层和绿光LED发光结构层的p型掺杂GaN层表面第三次沉积绝缘介质掩膜层，并通过刻蚀方法，在所述绝缘介质掩膜层中刻蚀出红光OLED发光结构层生长区域，刻蚀深度直至露出所述n型掺杂GaN层；
6）在所述红光OLED发光结构层生长区域内依次沉积透明导电层、电子传输层、红光有机发光层和空穴传输层；
7）对绝缘介质掩膜层进行刻蚀，直至露出所述蓝光LED发光结构层中的p型掺杂GaN层、绿光LED发光结构层中的p型掺杂GaN层和红光OLED发光结构层中的空穴传输层；
8）在所述蓝光LED发光结构层中的p型掺杂GaN层、绿光LED发光结构层中的p型掺杂GaN层和红光OLED发光结构层中的空穴传输层上沉积透明导电层；
9）通过刻蚀方法，在所述绝缘介质掩膜层中刻蚀出n型电极制作区域，刻蚀深度直至露出所述n型掺杂GaN层；
10）在所述蓝光LED发光结构层、绿光LED发光结构层和红光OLED发光结构层的透明导电层上分别制作p型电极，在所述n型电极制作区域的n型掺杂GaN层上制作n型电极。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于：所述绝缘介质掩膜层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或氧化铝中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于：刻蚀出的蓝光LED发光结构层生长区域的宽度为1～100μm。
4.根据权利要求1或2所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于：刻蚀出的绿光LED发光结构层生长区域的宽度为1～100μm。
5.根据权利要求1或2所述的半导体发光器件的制作方法，其特征在于：刻蚀出的红光OLED发光结构层生长区域的宽度为1～100μm。
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