一种Micro-LED芯片制备方法及芯片与流程

本发明涉及micro-led，具体涉及一种micro-led芯片制备方法及芯片。

背景技术：

1、如今，micro-led被认为是最有潜力的显示技术，其亮度、反应速度、寿命、工作温度等指标远远优于oled和lcd等传统显示技术，gan基材料是目前研发制备micro-led的优选材料之一。但目前制约micro-led商业化发展的一大问题是器件的效率相对较低，micro-led效率低的原因有二，一是gan基等外延片位错、缺陷、应力、器件结构等原因导致的内量子效率与电注入效率低；二是芯片光提取效率的制约。以gan为例，gan的折射率接近2.5而空气为1，由于全反射，大量出光被限制在gan内部而无法提取。

2、在传统led照明领域，针对出光提取低的问题，研究人员普遍利用pss衬底、金属反射层、光子晶体与粗化等手段解决，其中粗化工艺工序简单，效果明显，已成为商用大尺寸led灯珠的成熟工艺。

3、具体而言，传统粗化一般是通过koh、tmah湿法溶液腐蚀gan表面，使得表面从光滑反射面转为无序散射面，原本无法逃逸的光线通过多次随机反射可进入逃逸锥中，从而提高出光效率。

4、但是在中低尺寸的micro-led芯片中，由于micro-led像素的顶面面积较小，传统湿法处理难以细致管控形貌参数，造成像素间、批次间区别大；同时，粗化结构的传统制备方案与micro微小像素制备工艺不匹配，先湿法粗化后像素的整面koh处理的粗化界面在后续像素化工艺中也会造成漏电等良率风险，而先像素后开窗粗化的方案难以实现密集有效尺寸的散射结构。

技术实现思路

1、技术目的：针对现有micro-led阴极出光提取低的不足，本发明公开了一种micro-led芯片制备方法及芯片。

2、技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案；

3、本发明公开一种micro-led芯片制备方法，包括步骤：

4、s01、将micro-led发光材料预先键合在硅驱动芯片上，下方与cmos驱动电路金属键合连接，通过衬底去除工艺，将电子注入层作为表面；

5、s02、在电子注入层上部通过紫外光刻定义图形结构、热回流定义形貌，结合刻蚀转移干法刻蚀工艺形成初始亚微米柱组合的阵列；

6、s03、使用湿法处理工艺对初始亚微米柱组合的亚微米柱单体进行形貌修饰，每一亚微米柱单体形成独立的散射中心；

7、s04、针对每个亚微米柱组合区域，通过微纳像素工艺刻蚀形成micro-led管芯；

8、s05、在亚微米柱组合上方生长多层膜，并形成阴极出光结构。

9、优选的，本发明在步骤s02中，对micro-led电子注入层进行图形光刻，形成亚微米柱光刻掩膜阵列，通过光刻图形与后续热回流烘烤定义形貌，最后通过刻蚀转移干法刻蚀工艺进行形貌转移，将光刻胶胶体形貌转移到下方的电子注入层上。

10、优选的，本发明在步骤s02中，通过光刻将亚微米柱组合的占空比、线宽，形状结构等基础参数确定，利用不同烘烤温度、时间的热回流实现结构调整。

11、优选的，本发明通过刻蚀转移干法刻蚀工艺进行形貌转移时，干法刻蚀速率与图形光刻的光刻胶相匹配，光刻胶胶体纵向刻蚀速率/电子注入层刻蚀速率∈(0.5,2)，且胶体横向刻蚀速率/胶体纵向刻蚀速率，从而实现胶体形貌向电子注入层的完整转移。

12、优选的，本发明的干法刻蚀工艺采用icp刻蚀，刻蚀气体包括cl2与bcl3，气体流量比例，环境气体为ar ；腔内气体压力为10 mtorr~30 mtorr，icp刻蚀设备的功率为200w~500 w；icp刻蚀设备的rf功率为30~80w。

13、优选的，本发明在步骤s03中，使用湿法处理工艺进行形貌修饰时，通过初始亚微米柱组合不同晶面在湿法溶液中的腐蚀选择比实现形貌修饰，腐蚀溶液应与材料化学性质匹配，例如针对gan基材料，采用koh溶液，浓度1%~5%，处理时间1~5分钟，亦可以基于腐蚀修饰需求进行参数的适应性调整。

14、优选的，本发明在步骤s04中，通过icp刻蚀形成micro-led管芯，亚微米柱组合区域均位于 micro-led 管芯的上台面范围之内，在micro-led管芯侧壁进行钝化处理形成像素钝化层。

15、其中，最后形成的管芯阵列与亚微米柱组合的阵列以及多层膜微透镜的阵列一一对应。

16、本发明公开一种芯片，使用上述的制备方法进行制备，所述芯片包括cmos驱动电路与micro-led像素阵列，micro-led像素阵列由若干micro-led像素组成，micro-led像素包括micro-led管芯与位于micro-led管芯上部的阴极出光结构，所述micro-led管芯由上到下包括电子注入层、发光层以及空穴注入层，阴极出光结构包括与micro-led管芯一一对应设置在电子注入层上的亚微米柱组合以及覆盖在亚微米柱组合上方的多层膜，通过多层膜的膜层形成与micro-led管芯一一对应的微透镜。

17、micro-led管芯材料包括但不限于行业内公认的发光材料，例如gan基发光材料、algainp发光材料等，其中电子注入层、发光层与空穴注入层为常规发光材料共有的结构，因业内micro-led多使用gan基材料，故本发明的实施例以gan材料为例；发光材料发光波长包含红、绿、蓝三色。

18、优选的，本发明的亚微米柱组合的亚微米柱单体以密排列的方式布置在micro-led管芯上方，亚微米柱组合由电子注入层材料自身通过干法刻蚀、湿法修饰形成，对单个micro-led管芯上表面，所述亚微米柱单体的柱体线宽 d / 柱间距 pitch> 60%。

19、优选的，本发明的多层膜至少包括设置在亚微米柱组合上方的阴极透明膜层，所述阴极透明膜层的折射率满足，阴极透明膜层材料采用氧化铟锡或铝掺杂氧化锌等透明导电膜层。

20、优选的，本发明的micro-led管芯侧壁设置像素钝化层。

21、有益效果：本发明具有如下有益效果：

22、1、本发明通过刻蚀的亚微米柱组合形成近似湿法刻蚀产生的粗化效果，亚微米柱单体作为散射中心，有效破坏了gan/空气界面的全内反射条件；而顶部的多层膜形成微透镜进一步对出射光进行汇聚和准直，两者协同提高micro-led的光提取效率。

23、2、本发明亚微米柱组合的亚微米柱单体采用密排列方式且保证占空比，保证了足够的光学调制面积，避免了稀疏排列导致的光学增益不足，实现了填充因子与散射增强的最优平衡，同时相比传统随机粗化方式，本发明微小像素间结构相同，可以提高芯片发光均匀性。

24、3、本发明对亚微米柱单体使用湿法刻蚀进行形貌修饰，形成近似棱锥形状，优化了散射特性；通过调控光刻转移刻蚀与湿法修饰，可形成不同的亚微米柱单体的形貌，形貌包括但不限于单棱锥结构、多棱锥结构、表面褶皱的圆弧，不同形貌匹配于不同出光需求，使用灵活性增加。

25、4、本发明micro-led管芯的上台面应完全覆盖亚微米柱组合区域，使得管芯沟道刻蚀过程无柱体影响，避免造成漏电风险。

26、5、本发明的多层膜结构可兼容多种光学结构，同时作为钝化保护厚膜也可以有效保护下层micro-led管芯。