一种微发光二极管及其制造方法与流程

1.本发明涉及led显示装置制造技术领域，尤其涉及一种微发光二极管及其制造方法。


背景技术：

2.一般的发光二极管(light-emitting diode,led)芯片包含基板和磊晶层，其厚度约在100～500μm，且尺寸介于100～1000μm。而更进一步正在进行的微led显示面板研究在于，将led表面厚约4～5μm的磊晶层用物理或化学机制剥离(lift-off)，再移植至电路基板上。微led显示器综合薄膜晶体管液晶显示器(thin film transistor liquid crystal display，tft-lcd)和led两大技术特点，在材料、制程、设备的发展较为成熟，产品规格远高于目前的tft-lcd或有机发光二极管(organiclight-emitting diode，oled)，应用领域更为广泛包含软性、透明显示器，为一可行性高的次世代平面显示器技术。
3.目前微led芯片在全彩ar微型显示器和移动/大型显示器应用有两种方法，一种是使用三原色(red green blue，rgb)微led自然混色；另一种是量子点(quantum dots，qds) 蓝色微led芯片，若使用rgb微led芯片自然混色的缺点为红色为gaas材料，绿色和蓝色为ingan材料，将会造成显示板电路设计困难，若使用量子点 蓝色微led芯片，绿光量子点色彩转换效率不高造成全彩化效率低。


技术实现要素：

4.基于以上问题，本发明设计一种微发光二极管，能够在三色混合出自发白光，其具体结构如下：
5.一种微发光二极管，其包括依次层叠设置的第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述第一半导体层和所述第二半导体层为不同类型的半导体层，所述有源层包括依次层叠的第一量子阱层及第二量子阱层，在所述第二量子阱层及所述第二半导体层上形成有纳米环结构，所述第一量子阱层发射第一颜色的光，所述第二量子阱层与所述纳米环侧壁对应的位置发射第二颜色的光，所述第一颜色与所述第二颜色不相同，所述第一半导体层电性连接有第一电极，所述第二半导体层电性连接有第二电极。
6.进一步的，所述第一半导体层为n型半导体层，其包括依次层叠设置的低温gan层、无掺杂gan层及n型gan层，所述第二半导体层为p型半导体层。
7.进一步的，所述纳米环内填充有颜色转换材料，所述颜色转换材料将所述第一量子阱发出的第一颜色的光线转换成第三颜色的光，所述第一颜色、所述第二颜色及所述第三颜色均不相同。
8.进一步的，所述第一量子阱层及所述第二量子阱层为绿光量子阱层，所述第一量子阱层及所述第二量子阱层的材质包括ingan和gan。
9.进一步的，一对量子阱的结构为ingan阱层/低温gan/高温gan依次层叠，所述第一量子阱层包括有10对所述绿光量子阱，所述第二量子阱层包括有10对所述绿光量子阱。
10.进一步的，所述第二半导体层上形成有电流扩散层，所述电流扩散层的材料为ito，所述第二电极形成于所述电流扩散层背离所述第二半导体层的表面。
11.本发明还包括一种微发光二极管制造方法，其包括如下步骤，
12.提供一衬底，在所述衬底上依次形成第一半导体层、所述第一半导体层为gan半导体；
13.在所述第一半导体层上形成有源层，所述有源层为量子阱层，所述量子阱层由多对量子阱形成，所述量子阱层发射第一颜色的光；
14.在所述量子阱层上形成第二半导体层，所述第二半导体层与所述第一半导体层为不同类型的半导体；
15.蚀刻所述第二半导体层及部分所述有源层，形成多个纳米环，所述纳米环的侧壁发射第二颜色的光线，所述第二颜色与所述第二颜色不同；
16.在所述纳米环上形成电流扩散层；
17.在所述电流扩散层上形成第二电极。
18.进一步的，所述在所述电流扩散层上形成第二电极的步骤之后，还包括移除部分所述电流扩散层、所述纳米环及所述有源层，使部分所述第一半导体层露出，在露出的所述第一半导体层上形成第一电极，所述第一电极的上表面与所述第二电极的上表面齐平，然后移除所述衬底，将余下的结构转移至一显示面板，将所述第一电极及所述第二电极与所述显示面板上的电极相键合。
19.进一步的，在形成多个纳米环步骤之后及所述在所述纳米环上形成电流扩散层步骤之前，还包括步骤，在所述纳米环内形成颜色转换材料，所述颜色转换材料将光线转换成第三颜色的光，所述第三颜色与所述第一颜色与所述第二颜色不同。
20.进一步的，在露出的所述第一半导体层上形成第一电极的步骤之后，还包括步骤，移除所述衬底层，在所述第一半导体层背离所述有源层的表面形成第三电极。
21.本发明的有益效果在于：
22.本技术将绿光量子阱的部分设置为纳米环结构，并在纳米环内填充红光量子点，可以使该量子阱结构的未被设置成纳米环的部分发绿光，纳米环部分由于材料应力释放发光波长变化，从而发出蓝光，红光量子点发红光，从而使得该量子阱结构三色混合处自发白光；本技术因用纳米环结构可减缓因电子亲和力不同而产生自发内建电场，进而造成量子阱中能带弯曲使电子及电洞复合效率下降的问题，进而提升电子及电洞复合效率；本技术的结构为微led芯片，尺寸在10～80um，会使ar微型显示器和移动/大型显示器具有超高分辨率特性。
23.本技术使用sio2纳米球作为光罩，并使用黄光微影蚀刻做成纳米环后会使原本量子阱应力释放而使量子局限斯塔克效应(quantum confined stark effect，qcse)减少而产生蓝光。把红色量子点通过喷涂的方式放入纳米结构内，均匀覆盖纳米环的内部，因纳米结构表面积效应提升色彩转换效率。
附图说明
24.图1为本发明所述的微发光二极管；
25.图2为纳米环在第一量子阱上的平面示意图；
26.图3为本发明另一种的微发光二极管；
27.图4为制作微发光二极管的方法流程图；
28.图5为衬底上形成第一半导体层的结构示意图；
29.图6为在第一半导体层上形成有源层及第二半导体层结构示意图；
30.图7为形成纳米环的结构示意图；
31.图8为在纳米环内设置颜色转换材料的结构示意图；
32.图9为形成电流扩散层的结构示意图；
33.图10为形成第二电极的结构示意图；
34.图11为形成第一电极的结构示意图；
35.图12为将发光二极管键合至显示面板上的结构示意图。
36.图中标号说明：
37.衬底10、第一半导体层11、低温gan层111、无掺杂gan层112、n型gan层113、有源层12、第一量子阱层121、第二量子阱层122、第二半导体层13、纳米环14、第一电极114、颜色转换材料15、第二电极16、电流扩散层17、显示面板20、第三电极18。
具体实施方式
38.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。
39.本技术中的属于“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要或者隐含指名所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
40.实施例1
41.如图1所示为本发明所述的微发光二极管。
42.具体结构如图1所示，包括一第一半导体层11、有源层12及第二半导体层13。
43.其中第一半导体层11为n型半导体，更有选的为gan，为新一代能源材料，广泛用于发光二极管。
44.第一半导体层11包括一低温gan层111，低温gan层11上依次层叠设置有无掺杂gan层112及n型gan层113，n型gan层113。
45.有源层12为量子阱层，有源层12由多对量子阱组成。有源层12包括第一量子阱层121级第二量子阱层122。本实施例中的量子阱层为绿光量子阱层，即，在通电后发射绿色的光线。
46.在本实施例中，一对量子阱的结构为ingan阱层/低温gan/高温gan依次层叠，第一量子阱层121由10对量子阱组成，10对量子阱的厚度在应用和制造时配合度更好，在合理控制微发光二极管的尺寸的前提下，又不会增加制造的难度。在其他实施方式中，第一量子阱层121还可以由其他数量的量子阱层叠形成，具体根据芯片设计而定。
47.第一半导体层层11上还形成有第一电极114，第一电极电极114部分嵌入第一半导体层11内或位于第一半导体层11上，与第一半导体层11连接。
48.第一量子阱层121上形成有纳米环14，纳米环14的外径r为10～2000nm，更优选为
100～900nm。该尺寸的纳米环14在工艺上易于实现，且能很好的控制三色混合发光的均匀性。
49.如图1及图2所示，本实施例中，纳米14环呈中空的圆柱状形成于第一量子阱层121上。在其他实施方式中，纳米环14还可以为其他的立体形状，只要满足中空结构即可，如纳米环14的横截面可以呈正方形、长方形等任意的多边形或其他闭环的形状。纳米环结构可减缓因电子亲和力不同而产生自发内建电场，进而造成量子阱中能带弯曲使电子及电洞复合效率下降的问题，进而提升电子及电洞复合效率。
50.纳米环14的侧壁包括第二量子阱层122及第二半导体层13。第二量子阱层122位于第一量子阱层121与第二半导体层13之间。
51.纳米环14内设置有颜色转换材料15，该颜色转换材料15为红色量子点。红色量子点可以将第一量子阱层发出的绿光转换为红光。在纳米环内填充红色量子点，可以使该量子阱结构的未形成纳米环14的部分发绿光，纳米环14上第二绿光量子阱层121的部分由于材料应力释放发光波长变化，从而发出蓝光，红色量子点发红光，从而使得该量子阱结构三色混合后自发白光。
52.第二半导体层13上还形成有第二电极16。第二电极16为外接电极，优选为ito导电膜。
53.一对量子阱的结构为ingan阱层/低温gan/高温gan依次层叠，本实施例中，第一量子121阱层及第二量子阱层122均包括有10对量子阱。该叠层的厚度可以在工艺上易于控制，且发光效率高，也不会使磊晶层厚度过大。
54.在纳米环14及第一量子阱层121上还形成有电流扩散层17，电流扩散层17完全覆盖纳米环14及第一量子阱层121。电流扩散层17的材质为透明氧化物，更优选的为ito。
55.电流扩散层17上形成有至少一个第二电极16。第一电极14及第二电极16的上表面在同一水平面，从而可以采用覆晶封装的方式进行封装。
56.实施例2
57.本实施例为微发光二极管另一种发光二极管结构。
58.具体结构如图3所示，包括一第一半导体层11、有源层12及第二半导体层13。
59.其中第一半导体层11为n型半导体，更有选的为gan，为新一代能源材料，广泛用于发光二极管。
60.第一半导体层11包括一低温gan层111，低温gan层11上依次层叠设置有无掺杂gan层112及n型gan层113，n型gan层113。
61.有源层12为量子阱层，有源层12由多对量子阱组成。有源层12包括第一量子阱层121级第二量子阱层122。本实施例中的量子阱层为绿光量子阱层，即，在通电后发射绿色的光线。
62.在本实施例中，一对量子阱的结构为ingan阱层/低温gan/高温gan依次层叠，第一量子阱层121由10对量子阱组成，10对量子阱的厚度在应用和制造时配合度更好，在合理控制微发光二极管的尺寸的前提下，又不会增加制造的难度。在其他实施方式中，第一量子阱层121还可以由其他数量的量子阱层叠形成，具体根据芯片设计而定。
63.第一量子阱层121上形成有纳米环14，纳米环14的外径r为10～2000nm，更优选为100～900nm。该尺寸的纳米环14在工艺上易于实现，且能很好的控制三色混合发光的均匀
性。
64.如图2及图3所示，本实施例中，纳米14环呈中空的圆柱状形成于第一量子阱层121上。在其他实施方式中，纳米环14还可以为其他的立体形状，只要满足中空结构即可，如纳米环14的横截面可以呈正方形、长方形等任意的多边形或其他闭环的形状。纳米环结构可减缓因电子亲和力不同而产生自发内建电场，进而造成量子阱中能带弯曲使电子及电洞复合效率下降的问题，进而提升电子及电洞复合效率。
65.纳米环14的侧壁包括第二量子阱层122及第二半导体层13。第二量子阱层122位于第一量子阱层121与第二半导体层13之间。
66.纳米环14内设置有颜色转换材料15。本实施例中颜色转换材料15为红色量子点，红色量子点可以将第一量子阱层121发出的绿光转换为红光。在纳米环内填充红光量子点，可以使该量子阱结构的未形成纳米环14的部分发绿光，纳米环14上第二绿光量子阱层121的部分由于材料应力释放发光波长变化，从而发出蓝光，红色量子点发红光，从而使得该量子阱结构三色混合后自发白光。
67.第二半导体层13上还形成有第二电极16。第二电极16为外接电极，优选为ito导电膜。
68.第一半导体层11背向有源层12的一面形成有第三电极18，第三电极18优选为采用ito薄膜材料，具体方法为在第一半导体层11上沉积ito材料形成薄膜，随后再蚀刻后形成第三电极。ito材料作为电极应用在发光二极管上，具有优异的机械性能及导电性。
69.一对量子阱的结构为ingan阱层/低温gan/高温gan依次层叠，本实施例中，第一量子121阱层及第二量子阱层122均包括有10对量子阱。该叠层的厚度可以在工艺上易于控制，且发光效率高，也不会使磊晶层厚度过大。
70.在纳米环14及第一量子阱层121上还形成有电流扩散层17，电流扩散层17完全覆盖纳米环14及第一量子阱层121。电流扩散层17的材质为透明氧化物，更优选的为ito。
71.实施例3
72.如图4所示，为本技术所述的微发光二极管制造方法。具体步骤如下：
73.s10提供一衬底10，在衬底10上形成第一半导体层11。
74.如图5所示，第一半导体层11包括一次层叠的低温gan层111、无掺杂gan层112及n型gan层113，衬底10为蓝宝石衬底。
75.s11在第一半导体层11上形成有源层12及第二半导体层13。
76.如图6所示，有源层12为量子阱层，其由第一量子阱层121及第二量子阱层122组成，在第二量子阱层上形成第二半导体层13。第一半导体层11及第二半导体层13为不同类型的半导体，在本实施例中，第一半导体层11为n型半导体，第二半导体层为p型半导体，具体的第二半导体层13为p型gan层。
77.一对量子阱的结构为ingan阱层/低温gan/高温gan依次层叠，第一量子阱层121及第二量子阱层122均优选为包括10对绿光量子阱。本实施例设置的第一量子阱层121及第二量子阱层122的厚度有利于控制工艺难度，太薄对工艺要求越高，且影响发光效果，但太厚不利于显示面板的轻薄化。
78.s12通过黄光微影蚀刻制程蚀刻第二半导体层13及第二量子阱层121，以形成多个纳米环结构14，如图7所示。
79.黄光微影蚀刻制程具体方法为，用纳米二氧化硅颗粒在第二半导体层13上形成图形化的光罩，再用干蚀刻的方式蚀刻形成纳米环14。若未用纳米二氧化硅颗粒使用黄光微影蚀刻时只有平面磊晶将有应力产生而发出绿光，使用sio2纳米球并使用黄光微影蚀刻做成纳米环14后，会使原本量子阱应力释放而使量子局限斯塔克效应(quantum confined stark effect,qcse)减少而产生蓝光。
80.s13在纳米环14内设置颜色转换材料15。
81.如图8所示，本实施例中，颜色转换材料15为红色量子点，红色量子点采用喷涂的方式喷涂至纳米环14内。在纳米环内填充红光量子点，可以使该量子阱结构的未形成纳米环14的部分发绿光，纳米环14上第二绿光量子阱层121由于材料应力释放发光波长变化，从而发出蓝光，红色量子点将第一量子阱层122发出的绿光转换为红光，从而使得该量子阱结构三色混合处自发白光。
82.s14在第一量子阱层121及纳米环14上形成电流扩散层17。
83.如图9所示，电流扩散层17优选为透明氧化物层，更优选为ito膜，通过沉积ito材料的方式形成。
84.s15在电流扩散层17上形成至少一个第二电极16。
85.如图10所示。第二电极16优选为ito膜，通过沉积ito材料至电流扩散层17上，再进行选择性蚀刻形成电极。
86.s16移除部分电流扩散层17、纳米环14及第一量子阱层121，使部分第一半导体层11露出，在露出的第一半导体层11上形成第一电极114。
87.优选的，第一电极114的上表面与第二电极16的上表面齐平，如图11所示。第一电极114的上表面与第二电极16的上表面齐平则有利于使用覆晶封装的方法将该发光二极管进行封装。
88.s17移除衬底10，将得到的结构转移至一显示面板20。
89.将第一电极114及第二电极16与显示面板30上的电极相键合，如图12所示。
90.本实施例中，有源层12发射的光的颜色及颜色转换材料的颜色选择仅为本实施例作为说明时的选择，在其他结构中，应用其他材料作为量子阱层、纳米环及颜色转换材料时，只需保证第一量子阱层121、纳米环侧壁、颜色转换材料三者发射的颜色不同，即可实现本发明的构思。
91.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
92.以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。