基于同质手性超表面的倒装Micro-LED圆偏振器件及其制备方法

本发明涉及半导体显示，具体涉及基于同质手性超表面的倒装micro-led圆偏振器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着显示技术向高清化、低功耗、小型化和多功能集成方向发展，micro-led因具有自发光、高亮度、低功耗、长寿命及像素级独立驱动等优点，被广泛应用于显示、近眼显示、光通信、光传感及偏振成像等领域。然而，常规gan基micro-led通常基于量子阱区的自发辐射发光，其出射光多为非偏振光或弱偏振光，难以直接满足3d显示、ar/vr、光通信等应用场景中对稳定圆偏振光源的需求。

2、为实现micro-led出光偏振态调控，现有技术通常采用外置偏振片、光栅结构、微腔结构或额外集成超表面结构等方式，但外置偏振片或额外光学元件会增加器件厚度和封装复杂度，并引入明显光强损耗；光栅结构多用于线偏振光筛选或出光方向调控，其偏振转换效率和圆偏振调控能力有限；异质材料超表面或金属手性结构虽然能够实现一定的光场调控，但容易引入界面反射、热膨胀不匹配、晶格失配及附加吸收等问题，影响micro-led器件的出光效率和长期可靠性。

3、进一步地，对于倒装micro-led器件而言，电极层需要与控制电路进行倒装键合，出光侧则需要保留或形成用于调控出光偏振态的微纳结构。首先，由于micro-led倒装键合后，受控制电路影响，难以进行超表面制备工艺，因此有必要对未键合前的micro-led芯片进行支撑层保护后制备超表面结构。另外，针对像素化的micro-led阵列芯片，以实现不同偏振光态的输出，若直接在gan衬底侧制备手性超表面结构，由于常规gan基外延片厚度较大，量子阱层与出光侧超表面结构之间距离较远，容易导致光在gan衬底中发生横向扩散、串扰和散射损失，削弱手性超表面结构对出射光的偏振调控效果。因此，需要对初始gan衬底层进行减薄，使后续形成的手性超表面结构更接近量子阱层，以提高出射光与手性结构单元之间的耦合效率。然而，gan材料硬而脆，减薄后的gan基外延片机械强度显著降低，在研磨、抛光、纳米压印、刻蚀以及后续倒装键合过程中容易产生翘曲、裂纹或碎裂，尤其是在手性超表面结构已形成后，倒装键合压力还可能直接作用于微纳凸起结构，导致手性结构单元损伤、塌陷或偏振调控性能下降。

技术实现思路

1、本发明第一方面的一个目的在于提供一种基于同质手性超表面的倒装micro-led圆偏振器件的制备方法，解决现有技术中倒装micro-led器件难以在减薄gan出光侧可靠制备同质手性超表面结构，导致非偏振光或弱偏振光难以低损耗、高稳定地转换为圆偏振光，且减薄芯片及微纳手性结构在超表面制备和倒装键合过程中易产生裂纹、碎裂或结构损伤的技术问题。

2、本发明第一方面的另一个目的是进一步提高了同质gan手性超表面结构制备过程中的加工稳定性和器件可靠性。

3、本发明第二方面的目的是提供一种基于上述制备方法制备获得的倒装micro-led圆偏振器件。

4、根据本发明第一方面的目的，本发明提供一种基于同质手性超表面的倒装micro-led圆偏振器件的制备方法，包括如下步骤：

5、在gan基外延片的p型gan层上沉积电极层，所述gan基外延片包括由上至下依次层叠设置的初始gan衬底层、n型gan层、量子阱层和所述p型gan层；

6、在所述电极层表面依次设置第一缓冲层和第一临时支撑层，以形成第一支撑层，所述第一缓冲层覆盖所述电极层并粘结所述第一临时支撑层；

7、在所述第一支撑层的支撑下，从所述初始gan衬底层远离所述n型gan层的一侧对所述初始gan衬底层依次进行减薄处理和抛光处理，得到用于超表面结构制备的减薄gan衬底层；

8、利用微纳加工工艺在所述减薄后的gan衬底层表面形成图案化掩膜，并以所述图案化掩膜为刻蚀掩膜对所述超表面结构层进行沿厚度方向的部分刻蚀，以使所述减薄gan衬底层形成具有周期性布置的多个手性结构单元的手性超表面结构和未刻蚀的过渡层；

9、在所述手性超表面结构远离所述过渡层的一侧依次设置第二缓冲层和第二临时支撑层，以形成第二支撑层，且所述第二缓冲层覆盖所述手性结构单元并至少填充相邻所述手性结构单元之间的间隙；

10、在所述第二支撑层支撑所述手性超表面结构的状态下，去除所述第一支撑层以暴露所述电极层，并将所述电极层与控制电路进行倒装键合；

11、利用毛细效应在所述电极层与所述控制电路之间填充吸光材料；

12、去除所述第二支撑层，以暴露所述手性超表面结构，制备获得倒装micro-led圆偏振器件。

13、可选地，所述减薄gan衬底层的厚度为5μm-100μm中任一值，每个所述手性结构单元的厚度为0.5μm-1.5μm中任一值。

14、可选地，所述减薄处理包括对所述衬底层依次进行研磨处理和抛光处理，以使所述减薄gan衬底层远离所述n型gan层一侧的表面粗糙度ra小于或等于5nm。

15、可选地，所述手性结构单元的横截面包括中心对称布置的第一直角梯形和第二直角梯形，所述第一直角梯形的短底的中点为对称中心。

16、可选地，所述第一直角梯形的长底长度为0.18μm-0.20μm中任一值、所述短短底长度为0.06μm-0.10μm中任一值、高为0.16μm-0.20μm中任一值。

17、可选地，多个手性结构单元的周期为400nm-800nm中任一值。

18、可选地，所述第一缓冲层为能够被第一去除介质去除的第一可去除缓冲层，所述第二缓冲层为在所述第一去除介质中保持结构完整性的第二可去除缓冲层；

19、在去除所述第一支撑层时，将形成有所述第二支撑层的所述gan基外延片置于所述第一去除介质中，以去除所述第一缓冲层并分离所述第一临时支撑层，且所述第二缓冲层在所述第一去除介质中保持对所述手性结构单元的覆盖以及对相邻所述手性结构单元之间间隙的填充。

20、可选地，所述第一缓冲层为可溶于有机溶剂的光刻胶层，所述第一去除介质包括丙酮、n-甲基吡咯烷酮或光刻胶剥离液中的至少一种；

21、所述第二缓冲层为经紫外固化、热固化或交联固化处理的聚合物牺牲层，且所述第二缓冲层在所述第一去除介质中的溶胀率小于或等于10%。

22、根据本发明第二方面的目的，本发明还提供一种根据上述基于同质手性超表面的倒装micro-led圆偏振器件的制备方法制备获得的倒装micro-led圆偏振器件。

23、本发明通过利用初始gan衬底层减薄后形成的减薄gan衬底层直接刻蚀获得同质手性超表面结构，使手性超表面结构与未刻蚀的过渡层由同一gan材料一体形成，从而避免外置偏振片或异质超表面引入的界面反射、热膨胀失配及附加光损耗，并在保证倒装micro-led圆偏振器件的机械可靠性和工艺可制造性的同时，实现了低损耗、高集成度且稳定的圆偏振光输出。另外，对于像素化micro-led阵列芯片，减薄后的过渡层能够缩短量子阱层出射光到达手性超表面结构的传播距离，降低厚衬底内横向扩散、串扰和散射损失，使量子阱层发出的非偏振光或弱偏振光能够更有效地耦合进入手性超表面结构。进一步地，周期性布置的手性结构单元通过其非镜像对称轮廓对左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量产生差异化透射、散射及相位调控作用，从而实现micro-led出射光由非偏振态或弱偏振态向圆偏振态的片上转换，提高圆偏振出光的稳定性和集成度。

24、进一步地，本发明减薄gan衬底层的厚度为5μm-100μm中任一值，每个手性结构单元的厚度为0.5μm-1.5μm中任一值，能够在光学调控性能和结构机械可靠性之间形成匹配，即减薄gan衬底层厚度与手性结构单元厚度相互配合，既保证了倒装micro-led器件的薄型化、低损耗出光和圆偏振转换效果，又提高了同质gan手性超表面结构制备过程中的加工稳定性和器件可靠性。

25、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。