用于单芯片micro-LED全彩显示的多量子阱外延生长方法与流程

用于单芯片micro
‑
led全彩显示的多量子阱外延生长方法
技术领域
1.本发明属于半导体光电显示材料和器件领域，具体涉及多量子阱外延生长方法。


背景技术：

2.micro
‑
led（微型化发光二极管）显示与目前商用的lcd（液晶显示器）和oled（有机发光二极管）显示相比，其高亮度、低功耗、高分辨率以及高稳定性等优异的光电特性使其被誉为“下一代显示技术”。micro
‑
led显示技术的特征是将微小尺寸（小于100微米）的led（发光二极管）进行高密度集成而应用于显示，其中单个像素以及像素间距降低至微米级别，并且每个像素都能独立寻址单独发光。在显示技术中，三基色红、绿、蓝光源是必不可少的，目前对于实现micro
‑
led全彩显示的主流方案主要分为两种。一是具有代表性也是目前研究最广泛的芯片巨量转移技术，该技术包括生长单一发光波长的外延材料，然后将其进行micro
‑
led芯片制备，最后将各种颜色的单颗芯片转移到目标衬底进行多色集成，并结合驱动电路实现全彩显示。二是使用短波长的micro
‑
led（例如蓝光或者紫外），因其辐射的高能光子能够激发绿光、红光量子点等色转换材料，从而获得rgb三基色发光光源。但是，由于巨量转移技术的高成本以及色转换材料不稳定等缺点，依然是制约micro
‑
led全彩显示的关键问题。
3.现有技术中，公开号为cn109768151a（公开日期为2019年05月17日）的中国专利申请，公开了一种集照明和显示的多色led及其制备方法，其技术方案图如图1所示。该多色led由蓝光led芯片及涂敷在其表面的基于金属有机框架负载荧光分子的多色发光材料组成。该技术的缺点是由于增添了色转换材料，而色转换材料在高温以及高湿度等条件下会变的极不稳定，并且还具有一定的毒性，这不仅不利于显示，也会对人体和环境带来一定的危害。
4.另外，一篇公开号为cn110689814a（公开日期为2020年01月14日）的中国专利申请，公开了一种多色化微型led阵列及其制备方法，其技术方案图如图2所示。该方案中多色化微型led阵列是由微型led转移单元组成，所述微型led转移单元由两种或两种以上不同发光波长的发光元件构成，通过将不同发光颜色的发光元件进行组合与集成，进而实现多色发光的功能。该技术的缺点是在进行不同颜色的外延材料焊接结合中，会部分的浪费底层发光材料层，而且由于焊接其他外延材料过程，使得器件制备工序更加复杂。此外该专利申请制备的微型led转移单元依然要通过巨量转移技术与电路板集成，并且随着led尺寸的进一步缩小以及转移数量与密度的增大，该方法也会变的越来越困难。
5.鉴于现有技术所遇到的种种问题，如何实现在同一个晶圆上完成单芯片三基色micro
‑
led阵列显示器件的制备，成为目前急切需要解决的主要技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种直接用于单芯片micro
‑
led全彩显示的多量子阱外延生长方法，以解决micro
‑
led显示中色转换材料性能不稳定、有毒
等缺点以及降低在同一衬底上同时集成三基色micro
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led芯片所产生的高成本和低精度等问题。该方法实现了单芯片多色micro
‑
led外延材料生长以及阵列制备，能够大大简化显示面板的制备流程以及降低生产成本。
7.本发明提供的直接用于单芯片micro
‑
led全彩显示的多量子阱外延生长方法，是在同一个晶圆上生长包含多波长的多量子阱结构；再按照显示要求制备对应尺寸的micro
‑
led芯片阵列；并通过pwm（脉冲宽度调制）的驱动方式改变占空比来调制单芯片的显示亮度，从而实现单芯片多波长亮度均一的micro
‑
led显示。具体步骤为：步骤一：选择合适的外延衬底，并在外延衬底上生长u
‑
gan（非故意掺杂氮化镓）缓冲层以及si掺杂的n
‑
gan（n型掺杂氮化镓）层；其中衬底可以是蓝宝石衬底、硅衬底、sic（碳化硅）衬底以及gan衬底并且衬底尺寸不做限制；步骤二：在生长完n
‑
gan层后，根据不同显示要求，继续生长包含不同in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构；下标 x 的取值范围：0 ＜x ＜1 ；其中，所述生长不同in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，包括：首先生长低in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，然后生长高in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构；或者首先生长高in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，然后生长低in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构；或者首先生长低in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，然后过渡生长高in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构；其中，低in组分的多量子阱结构包括能够发射蓝光、青光等波长，高in组分的多量子阱结构包括能够发射绿光、黄光、橙红光、红光等波长；步骤三：在生长包含多种in
x
ga1‑
x
n/gan结构的多量子阱后，继续生长p型电子阻挡层、p
‑
gan（p型掺杂氮化镓）层以及ito（铟锡氧化物）层；步骤四：采用micro
‑
led制备工艺，进行光刻、刻蚀、蒸镀金属等步骤，制备得到micro
‑
led阵列；步骤五：将micro
‑
led阵列与驱动电路电路板焊接，然后采用pwm调控注入电流的占空比来控制发光像素亮度，实现显示内容。
8.本发明采用单芯片多波长micro
‑
led外延材料生长技术，并通过pwm调制的方式实现单芯片多波长发光的micro
‑
led阵列显示；一方面是采用直接生长的办法，在同一外延衬底上，实现了单芯片micro
‑
led器件发射不同颜色的波长，避免了单独生长能够发射单一波长各外延材料的高成本；另一方面是只需要通过该单一外延材料就可直接制备micro
‑
led阵列，并通过pwm调制方式完成均一亮度不同颜色的单芯片发射，由于该发光单元为无机半导体材料，相对于量子点等有机半导体发光材料，在恶劣的环境中如高温高湿等环境具有更高的稳定性，进而能在一定程度上缓解了使用颜色转换材料进行颜色转换时所给显示设备带来的不稳定问题，同时由于使用单芯片即可完成多色光发射，因此相对于转移多个芯片构成的rgb发光单元，我们只需转移单个芯片即可完成，同时我们也可以使用si基衬底进行对应的外延生长，利用它与si基驱动的兼容性可以有效的提高驱动设计，进而避免将不同发光波长的micro
‑
led器件先制备再集成所带来的低转移精度和高成本的问题。
附图说明
9.图1是专利公开号为cn109768151a的技术方案流程图。
10.图2是专利公开号为cn110689814a的技术方案流程图。
11.图3为本发明实施例1、2中步骤一中外延结构的侧视图。
12.图4为本发明实施例1、2中步骤二中外延结构的侧视图。
13.图5为本发明实施例1、2中步骤三中外延结构的侧视图。
14.图6为本发明实施例1、2中步骤四中外延结构的侧视图。
15.图7为本发明实施例1、2中步骤六中外延结构的侧视图。
16.图8为本发明实施例1、2中步骤七中pwm调制方式示意图。
17.图9为本发明实施例1、2中步骤八中单芯片micro
‑
led全彩显示示意图。
18.图10为本发明流程图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图以及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当注意，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
20.实施例1：一种单芯片多波长水平结构micro
‑
led外延生长及其阵列制备方法，选取外延片的部分位置并附图进行详细的说明，请参阅图3
‑
图8，具体包括如下步骤。
21.步骤一：提供蓝宝石衬底1，蓝宝石衬底采用2英寸的圆形衬底，并采用mocvd（金属有机气相外延）生长设备在所述蓝宝石衬底100上依次生长u
‑
gan缓冲层101、n
‑
gan层102，其中u
‑
gan缓冲层的厚度以及n
‑
gan的厚度和si掺杂浓度要根据实验所用设备和器件要求而定，请参阅图3。
22.步骤二：对上述外延衬底继续生长in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，其中包括先生长低in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，如in
0.1
‑
0.2
ga
0.9
‑
0.8
n/gan103蓝、青光多量子阱结构，然后生长高in组分in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，如in
0.5
‑
0.55
ga
0.5
‑
0.45
n/gan104黄、红光多量子阱结构，以及p型电子阻挡层、p
‑
gan层以及ito层105，请参阅图4。
23.步骤三：对上述步骤二已经制备完的外延片进行图案化光刻，icp（等离子刻蚀）刻蚀至n
‑
gan层，请参阅图5。
24.步骤四：对上述步骤三中已经完成刻蚀的外延片进行图案化光刻，沉积sio2钝化层106，并开孔，请参阅图6。
25.步骤五：对上述步骤四中已经处理的外延片，蒸镀金属107完成micro
‑
led制备，请参阅图7。
26.步骤六：对上述步骤五中制备好的micro
‑
led阵列器件在pcb板上进行打线封装。
27.步骤七：对上述步骤六中封装好的micro
‑
led阵列器件进行光电特性测试，给micro
‑
led像素加载具有不同脉冲宽度的脉冲电压实现亮度均一的不同发射波长的rgb阵列显示请参阅图8。
28.步骤八：对上述步骤七中单个不同像素点施加不同脉冲宽度的脉冲电压，可以实现亮度均一的rgb全彩显示，同时也再cie 1931坐标系中对其显示色域进行了分析，可以发现单芯片micro
‑
led显示是可以从红光覆盖到蓝光，实现一个rgb的全彩显示，具体请参阅图9。
29.实施例2：一种单芯片多波长垂直结构micro
‑
led外延生长及其阵列制备方法，选
取外延片的部分位置并附图进行详细的说明，具体包括如下步骤。
30.步骤一：提供sic衬底200，sic衬底采用10mm
×
15mm长方形衬底，并采用mocvd生长设备在所述sic衬底200上依次生长u
‑
gan缓冲层201、n
‑
gan层202，其中u
‑
gan缓冲层的厚度以及n
‑
gan的厚度和si掺杂浓度要根据实验所用设备和器件要求而定，请参阅图3（b）。
31.步骤二：对上述外延衬底继续生长in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，其中包括先生长低in组分的in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，如in
0.1
‑
0.2
ga
0.9
‑
0.8
n/gan（203）蓝、青光多量子阱结构，然后生长过渡in组分in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，如in
0.3
‑
0.4
ga
0.7
‑
0.6
n/gan204绿、黄光多量子阱结构，紧接着生长高in组分in
x
ga1‑
x
n/gan多量子阱结构，如in
0.5
‑
0.55
ga
0.5
‑
0.45
n/gan205橙、红光多量子阱结构以及p型电子阻挡层、p
‑
gan层以及ito层206，请参阅图4（b）。
32.步骤三：对上述步骤二已经制备完的外延片进行图案化光刻，icp刻蚀至n
‑
gan层，请参阅图5（b）。
33.步骤四：对上述步骤三中已经完成刻蚀的外延片进行图案化光刻，沉积sio2钝化层207，并开孔，请参阅图6（b）。
34.步骤五：对上述步骤四中已经处理的外延片，蒸镀金属208完成micro
‑
led制备，请参阅图7（b）。
35.步骤六：对上述步骤五中制备好的micro
‑
led阵列器件在pcb板上进行打线封装。
36.步骤七：对上述步骤六中封装好的micro
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led阵列器件进行光电特性测试，给micro
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led像素加载具有不同脉冲宽度的脉冲电压，以控制不同芯片的注入电流，实现亮度均一并具有不同波长发射的rgb显示。
37.以上所述仅为本发明的优选实施案例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化。凡在本发明之创造原则之内，所作的任何修改，均应包含在本发明的保护范围之内。