CN114792750B - 全彩化Micro-LED倒装芯片结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的全彩化Micro‑LED倒装芯片结构及其制备方法，包括GaN基LED外延片，GaN基LED外延片上并列开设有三个Micro LED台面区，每个Micro LED台面区上均开设有矩形沟槽区，LED外延片内嵌入有与三个矩形沟槽区连通的纳米孔色彩转换层。本发明将GaN纳米孔结构作为量子点承载层，避免了量子点在量子点膜中分布不均匀的问题，利用纳米孔结构对光的散射作用，有效的提升了出射光的强度和纯度；本发明在制备方面只需一步在LED外延片中电化学腐蚀即可得到均匀分布的GaN纳米孔结构，大大缩短了器件制备周期，大幅提升了工艺产出。
Description
技术领域
本发明属于Micro LED显示技术领域，具体涉及一种全彩化Micro-LED倒装芯片结构。本发明还涉及一种全彩化Micro-LED倒装芯片结构的制备方法。
背景技术
Micro LED显示技术是以自发光的微米级的LED为发光像素单元，将其组装到驱动面板上形成LED阵列的显示技术，由于其尺寸小、集成度高、自发光等特点，相比传统的LCD、OLED技术，Micro LED 在亮度、对比度、分辨率、能耗、响应速度等方面具有更大的优势，因此被誉为LED显示行业的终极显示技术。虽然Micro LED显示技术具有显著的优势，但在全彩化、巨量转移、芯片等方面仍然存在一些技术瓶颈。在Micro LED全彩化实现方案中，目前通常采用的是量子点色彩转换法，目前有报道通过蓝光LED激发玻璃基板色彩转换层上的红色或绿色量子点膜实现RGB三色配比，量子点分散在胶水中形成的量子点膜存在量子点分散均匀性不佳，纯度、亮度偏低等问题；还有报道使用纳米压印技术制备的GaN纳米孔阵列和量子点混合结构实现色彩转换，但纳米压印技术制备纳米孔阵列需将纳米孔图形在多层膜层中重复通过光刻、刻蚀工艺进行转移，存在制备流程繁琐，出片效率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全彩化Micro-LED倒装芯片结构，解决了现有量子点膜色彩转换方案存在的量子点分散均匀性不佳，红绿光亮度、纯度偏低的问题。
本发明的另一目的在于提供一种全彩化Micro-LED倒装芯片结构的制备方法，解决了现有纳米压印方法存在的工艺流程繁琐，出片效率低的问题。
本发明所采用的第一种技术方案是：全彩化Micro-LED倒装芯片结构，包括GaN基LED外延片，GaN基LED外延片上并列开设有三个Micro LED台面区，每个Micro LED台面区上均开设有矩形沟槽区，LED外延片内嵌入有与三个矩形沟槽区连通的纳米孔色彩转换层。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
GaN基LED外延片的结构自下而上为：
双面抛光的蓝宝石衬底；
生长在蓝宝石衬底上的缓冲层；
生长在缓冲层上的第一本征GaN层；
生长在第一本征GaN层上的N型GaN层；
生长在N型GaN层上的第二本征GaN层；
生长在第二本征GaN层上多量子阱发光层；
生长在多量子阱发光层上的P型GaN层。
Micro LED台面区和矩形沟槽区的开设深度由P型GaN层向下延伸至N型GaN层厚度的1/6。
GaN基LED外延片等分为并列排布的三个Micro LED矩形区，三个Micro LED台面区分别开设于三个Micro LED矩形区内，每相邻两个Micro LED矩形区之间均开设有填充挡光材料的深隔离沟道，挡光材料可为黑色环氧树脂。
深隔离沟道的刻蚀深度由P型GaN层向下延伸至N型GaN层厚度的5/6。
纳米孔色彩转换层包括开设于N型GaN层内的纳米孔结构，纳米孔结构的孔径大小为50nm~80nm之间，三个Micro LED矩形区中两个的纳米孔结构中分别注入有红色量子点和绿色量子点。
每个Micro LED矩形区中的N型GaN层上均设置有N型电极、P型GaN层上均设置有P型电极，P型电极和N型电极分别位于同一Micro LED矩形区上矩形沟槽区的两侧，P型电极和N型电极的材料为Ti、Ni、Au金属。
GaN基LED外延片上蒸镀有露出矩形沟槽区底部的第一SiO2介质层，第一SiO2介质层厚度为500nm。
本发明所采用的第二种技术方案是：全彩化Micro-LED倒装芯片结构的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、利用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）在双面抛光的蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、第一本征GaN层、N型GaN层、第二本征GaN层、多量子阱发光层和、P型GaN层，形成蓝宝石衬底的GaN基LED外延片；
步骤2、依次利用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀（ICP）在GaN基LED外延片上光刻并刻蚀出三个Micro LED台面区及每个Micro LED台面区上Micro LED两电极间的矩形沟槽区，Micro LED台面区和矩形沟槽区的刻蚀深度均由P型GaN层上表面向下延伸至N型GaN层的1/6厚度位置；假设P型GaN层上表面到第二本征GaN层下表面的厚度为t um，N型GaN层的厚度为n um，则Micro LED台面区及矩形沟槽区的刻蚀深度保持在（t+n/6）um左右；
步骤3、基于三个Micro LED台面区利用紫外光刻在GaN基LED外延片上光刻出三个Micro LED矩形区，并利用感应耦合等离子体刻蚀（ICP）在相邻两个Micro LED矩形区之间刻蚀出深隔离沟道，深隔离沟道的刻蚀深度由P型GaN层上表面向下延伸至N型GaN层的5/6厚度位置，即ICP刻蚀深度保持在（t+5n/6）um，剩余的未被刻蚀的N型GaN层作为电化学腐蚀工艺的电流导通层，并在深隔离沟道中填充挡光材料，防止RGB Micro LED芯片间的光串扰问题；
步骤4、利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在步骤3所得GaN基LED外延片上蒸镀厚度为500nm的第一SiO2介质层；利用紫外光刻定义第一SiO2介质层打开区域不大于矩形沟槽区底部区域，保证ICP刻蚀后，矩形沟槽区侧壁被第一SiO2介质层保护，只有矩形沟槽区底部介质层被刻蚀掉，露出N型GaN层；
步骤5、利用阳极氧化机台将GaN腐蚀成纳米孔结构，电化学腐蚀液例如草酸溶液从矩形沟槽区底部区域露出的N型GaN层处开始对其进行腐蚀，草酸浓度可选10%~80%，根据电化学腐蚀各向同性特性，通过控制腐蚀电压和时间形成腐蚀面积覆盖每个Micro LED矩形区，深度贯穿N型GaN层的纳米孔结构，腐蚀电压可选1V~50V，腐蚀时间根据腐蚀面积和腐蚀深度确定；
步骤6、在步骤5所得每个Micro LED矩形区上矩形沟槽区的两侧依次利用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀（ICP）分别光刻并刻蚀出N型电极接触孔和P型电极接触孔，对应N型电极接触孔和P型电极接触孔首先利用紫外光刻光刻出N型电极和P型电极区域，光刻时使用负性光刻胶，再利用真空电子束蒸发设备（Ebeam）蒸镀电极金属，最后利用负胶金属剥离制备出N型电极和P型电极；
步骤7、使用紫外光刻分别定义步骤6所得不同Micro LED矩形区中红色色彩转换区和绿色色彩转换区，分别将红色量子点和绿色量子点经矩形沟槽区注入到定义好的红色色彩转换区和绿色色彩转换区的N型GaN层纳米孔结构中；
步骤8、使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在步骤7所得GaN基LED外延片上蒸镀厚度为200nm的第二SiO2介质层，依次利用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀（ICP）光刻并刻蚀露出N型电极和P型电极，矩形沟槽区覆盖的第二SiO2介质层用来保护N型GaN层纳米孔结构中的量子点。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
步骤7中利用喷涂设备分别将红色量子点和绿色量子点通过旋转喷涂的方式注入到纳米孔结构中。
本发明的有益效果是：本发明的全彩化Micro-LED倒装芯片结构，通过纳米孔量子点色彩转换方案完成Micro LED芯片的全彩化显示，将GaN纳米孔结构作为量子点承载层，避免了量子点在量子点膜中分布不均匀的问题，利用纳米孔结构对光的散射作用，有效的提升了出射光的强度和纯度。本发明在制备方面只需一步GaN电化学腐蚀即可得到均匀分布的GaN纳米孔结构，且可直接在LED外延片中制备纳米孔结构，省去了LED结构与色彩转化层结构键合的步骤，大大缩短了器件制备周期，大幅提升了工艺产出。
附图说明
图1是本发明的全彩化Micro-LED倒装芯片结构单一Micro LED矩形区的截面示意图；
图2是本发明的全彩化Micro-LED倒装芯片结构的俯视图；
图3是本发明的纳米孔量子点色彩转换方案和现有量子点膜色彩转换方案中蓝光激发的红光光谱图。
图中，1.蓝宝石衬底，2.缓冲层，3.第一本征GaN层，4.N型GaN层，5.第二本征GaN层，6.多量子阱发光层，7.P型GaN层，8.第一SiO2介质层，9.N型电极，10.P型电极，11.矩形沟槽区，12.纳米孔结构，13.Micro LED台面区，14.Micro LED矩形区，15.深隔离沟道，16.N型电极接触孔，17.P型电极接触孔，18.红色量子点，19.绿色量子点。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种全彩化Micro-LED倒装芯片结构及其制备方法，如图1和图2所示，以Micro LED的尺寸为30um * 50um为例，具体实施步骤如下：
（1）双面抛光的蓝宝石衬底1清洗后，使用MOCVD在衬底上依次生长缓冲层2、第一本征GaN层3（厚度0.5um~1um）、N型GaN层4（厚度5~7um）、第二本征GaN层5（厚度0.5um~1um）、多量子阱发光层6 MQWs、P型GaN层7，形成蓝宝石衬底的GaN基LED外延片；
（2）外延片清洗后，依次利用紫外线光刻和ICP刻蚀光刻并刻蚀出Micro LED台面区13（为非矩形区，大小为15/25um * 35/45um）及LED两电极间的矩形沟槽区11（大小为7um*20um），Micro LED台面区13及矩形沟槽区11的刻蚀深度为1.5um~2um，该深度确保刻蚀露出N型GaN层4，N型GaN层4上方被刻蚀的厚度为1/6 N型GaN层4厚度（如图1所示）；
（3）使用紫外线光刻光刻出每个Micro LED矩形区14（大小为30um * 50um），使用ICP刻蚀刻蚀出Micro LED矩形区14之间的深隔离沟道15，深隔离沟道15刻蚀深度为5um~6um，该深度确保N型GaN层4不被刻穿，保留底部1/6 N型GaN层4厚度不被刻蚀，剩余的1/6 N型GaN层4作为电化学腐蚀工艺的电流导通层；在深隔离沟道15中填充挡光材料，可用的挡光材料为黑色环氧胶；
（4）使用PECVD在以上外延片结构上蒸镀厚度为500nm的第一SiO2介质层；
（5）依次使用紫外光刻及ICP刻蚀光刻并刻蚀去除矩形沟槽区11上方覆盖的第一SiO2介质层8，去除区域大小为5um * 13um，光刻中要求套刻精度满足刻蚀后矩形沟槽区11侧壁的第一SiO2介质层8不被刻蚀，只有矩形沟槽区11底部5um * 18um区域的SiO2介质层被刻蚀，露出N型GaN外延片；
（6）将以上工艺后的GaN基LED外延片放入阳极氧化机台中进行GaN纳米孔结构腐蚀，腐蚀液为草酸溶液，草酸浓度可选10%~80%，腐蚀从每个Micro LED台面区13的矩形沟槽区11底部露出的N型GaN层4处开始，通过控制腐蚀电压和时间，最终形成延伸到每个MicroLED矩形区14、贯穿整个N型GaN层4的纳米孔结构12，纳米孔尺寸大小为50um~80um左右（如图1中12所示），腐蚀电压可选1V~50V，腐蚀时间根据腐蚀面积和腐蚀深度确定；
（7）依次使用紫外光刻及ICP刻蚀在500nm第一SiO2介质层8上光刻并刻蚀出N型电极接触孔16和P型电极接触孔17（孔直径6um）；
（8）使用紫外光刻光刻出N、P电极区域，使用真空电子束蒸镀设备（Ebeam）蒸镀Ti、Ni、Au金属层，利用负胶金属剥离制备得到N型电极9和P型电极10；
（9）使用紫外光刻分别光刻出三个Micro LED矩形区14中的两个作为红色色彩转换区和绿色色彩转换区，利用喷涂设备分别将红色量子点18和绿色量子点19通过旋转喷涂的方式注入到定义好的红色色彩转换区和绿色色彩转换区的纳米孔结构12中，量子点从矩形沟槽区11处进入纳米孔结构12；
（10）使用PECVD在Micro LED表面蒸镀厚度为200nm的第二SiO2介质层，依次通过紫外光刻及ICP刻蚀光刻并刻蚀露出N型电极9和P型电极10，矩形沟槽区11覆盖的200nm第二SiO2介质层用来保护纳米孔结构12中的量子点，以提升量子点稳定性和寿命。
通过上述方式，本发明的全彩化Micro-LED倒装芯片结构，通过纳米孔量子点色彩转换方案完成Micro LED芯片的全彩化显示。现有的全彩化方案有通过转移红绿蓝三色Micro-LED发光芯片到硅基驱动电路，但此方案存在巨量转移技术瓶颈，无法实现大尺寸屏幕制作；也有采用量子点膜制备色彩转换层实现全彩化的研究，但该方法存在色纯度、色亮度低的问题。而本发明采用纳米孔量子点色彩转换技术，将GaN纳米孔结构作为量子点承载层，避免了量子点在量子点膜中分布不均匀的问题，纳米孔由于具有独特的散射效应，能够大幅增加有效光径，提高红、绿光出光纯度和亮度。图3为本发明的纳米孔量子点红光光谱图与量子点膜红光光谱图对比，图中可以看出在相同测试条件下，量子点膜光谱图中显示有微弱蓝光峰位，而本发明的光谱图中没有蓝光峰位，即表示本发明蓝光激发出的红光纯度明显优于量子点膜方案，且本发明的红光强度比量子点膜的红光强度提升约20%。
本发明全彩化Micro-LED倒装芯片结构的制备方法，提升了现有纳米孔阵列制备效率，如使用纳米压印技术制备GaN纳米孔阵列，首先得在LED台面上依次生长绝缘层和薄镍层后旋涂光刻胶及紫外固化胶，然后通过软模板在紫外固化胶上形成纳米孔阵列，然后通过RIE、ICP等刻蚀通过5次刻蚀工艺依次将纳米孔阵列由光刻胶层一层层向下转移到GaN层，此方法制备GaN纳米孔阵列工艺步骤复杂，耗时长。而本发明只需一步GaN电化学腐蚀即可得到均匀分布的GaN纳米孔结构，且可直接在LED外延片中制备纳米孔结构12，实现LED结构和色彩转化结构一体化，省去了LED结构与色彩转化层结构键合的步骤，大大缩短了器件制备周期，大幅提升了工艺产出。
Claims (6)
1.全彩化Micro-LED倒装芯片结构，其特征在于，包括GaN基LED外延片，GaN基LED外延片上并列开设有三个Micro LED台面区（13），每个Micro LED台面区（13）上均开设有矩形沟槽区（11），LED外延片内嵌入有与三个矩形沟槽区（11）连通的纳米孔色彩转换层；
GaN基LED外延片的结构自下而上为：蓝宝石衬底（1），生长在蓝宝石衬底（1）上的缓冲层（2），生长在缓冲层（2）上的第一本征GaN层（3），生长在第一本征GaN层（3）上的N型GaN层（4），生长在N型GaN层（4）上的第二本征GaN层（5），生长在第二本征GaN层（5）上多量子阱发光层（6），生长在多量子阱发光层（6）上的P型GaN层（7）；
GaN基LED外延片等分为并列排布的三个Micro LED矩形区（14），三个Micro LED台面区（13）分别开设于三个Micro LED矩形区（14）内，每相邻两个Micro LED矩形区（14）之间均开设有填充挡光材料的深隔离沟道（15），挡光材料为黑色环氧树脂；
纳米孔色彩转换层包括开设于N型GaN层（4）内的纳米孔结构（12），三个Micro LED矩形区（14）中两个的纳米孔结构（12）中分别注入有红色量子点（18）和绿色量子点（19）；
GaN基LED外延片上蒸镀有露出矩形沟槽区（11）底部的第一SiO2介质层（8）。
2.如权利要求1所述的全彩化Micro-LED倒装芯片结构，其特征在于，所述Micro LED台面区（13）和矩形沟槽区（11）的开设深度由P型GaN层（7）向下延伸至N型GaN层（4）厚度的1/6。
3.如权利要求1所述的全彩化Micro-LED倒装芯片结构，其特征在于，所述深隔离沟道（15）的刻蚀深度由P型GaN层（7）向下延伸至N型GaN层（4）厚度的5/6。
4.如权利要求1所述的全彩化Micro-LED倒装芯片结构，其特征在于，每个所述MicroLED矩形区（14）中的N型GaN层（4）上均设置有N型电极（9）、P型GaN层（7）上均设置有P型电极（10），P型电极（10）和N型电极（9）分别位于同一Micro LED矩形区（14）上矩形沟槽区（11）的两侧。
5.全彩化Micro-LED倒装芯片结构的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、在蓝宝石衬底（1）上依次生长缓冲层（2）、第一本征GaN层（3）、N型GaN层（4）、第二本征GaN层（5）、多量子阱发光层（6）和P型GaN层（7），形成GaN基LED外延片；
步骤2、在GaN基LED外延片上光刻并刻蚀出三个Micro LED台面区（13）及每个MicroLED台面区（13）上的矩形沟槽区（11），Micro LED台面区（13）和矩形沟槽区（11）的刻蚀深度均由P型GaN层（7）上表面向下延伸至N型GaN层（4）的1/6厚度位置；
步骤3、基于三个Micro LED台面区（13）在GaN基LED外延片上光刻出三个Micro LED矩形区（14），在相邻两个Micro LED矩形区（14）之间刻蚀出深隔离沟道（15），深隔离沟道（15）的刻蚀深度由P型GaN层（7）上表面向下延伸至N型GaN层（4）的5/6厚度位置，并在深隔离沟道（15）中填充挡光材料；
步骤4、在步骤3所得GaN基LED外延片上蒸镀第一SiO2介质层（8），利用紫外光刻定义第一SiO2介质层（8）打开区域不大于矩形沟槽区（11）底部区域，露出N型GaN层（4）；
步骤5、利用电化学腐蚀液从矩形沟槽区（11）底部区域露出的N型GaN层（4）处开始对其进行腐蚀，控制腐蚀电压和时间形成腐蚀面积覆盖每个Micro LED矩形区（14）、深度贯穿N型GaN层（4）的纳米孔结构（12）；
步骤6、在步骤5所得每个Micro LED矩形区（14）上矩形沟槽区（11）的两侧分别光刻并刻蚀出N型电极接触孔（16）和P型电极接触孔（17），对应N型电极接触孔（16）和P型电极接触孔（17）制作N型电极（9）和P型电极（10）；
步骤7、分别将红色量子点（18）和绿色量子点（19）经矩形沟槽区（11）注入到步骤6所得不同Micro LED矩形区（14）的纳米孔结构（12）中；
步骤8、在步骤7所得GaN基LED外延片上蒸镀第二SiO2介质层，光刻并刻蚀露出N型电极（9）和P型电极（10）。
6.如权利要求5所述的全彩化Micro-LED倒装芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤7中利用喷涂设备分别将红色量子点（18）和绿色量子点（19）通过旋转喷涂的方式注入到纳米孔结构（12）中。
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Denomination of invention: Full color Micro LED flip chip structure and preparation method Effective date of registration: 20230828 Granted publication date: 20221101 Pledgee: China Construction Bank Corporation Xi'an Chang'an Road Branch Pledgor: XI'AN SAIFULESI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023980054100 |