发光二极管阵列

1.本发明涉及发光二极管(led)阵列以及制造led阵列的方法。具体地，其涉及微米尺度的led阵列。


背景技术：

2.对智能手表、智能电话、电视和ar/vr装置的更明亮、增强的分辨率和功率更高效的显示面板的需求日益增长，该日益增长的需求驱动微型显示技术的发展，其中直径在＜100μm尺度上的微型led(μled)是关键部件。与有机发光二极管(oled)和液晶显示器(lcd)相比，三族氮化物(group iii-nitride)μled展示出用于显示器应用的许多独特特征，例如在以下内容中描述的：z.y.fan、j.y.lin和h.x.jiang，j.phys.d：应用物理快报(appl.phys.)41，094001(2008)；h.x.jiang和j.y.lin，光学快报(optical express)21，a476(2013)；以及j.day、j.li、d.y.c.lie、c.bradford、j.y.lin和h.x.jiang，应用物理快报(appl.phys.lett)99，031116(2011)。与lcd不同，其中μled是主要部件的基于三族氮化物的微型显示器是自发光的。使用μled的显示器展示出高分辨率、高效率和高对比度。oled通常在比半导体led低几个数量级的电流密度下操作以保持合理的寿命。因此，oled的亮度相当低，对于全色显示器通常为3000cd/m2，而三族氮化物μled展示出高于105cd/m2的高亮度。当然，与oled相比，基于三族氮化物的μled本质地展示出长的操作寿命和化学稳健性。因此，期望的是，在不久的将来，在宽范围的应用中，三族氮化物μled可以潜在地代替lcd和oled用于高分辨率和高亮度显示。
3.两种主要的方法主导微型显示器的制造。已经提出了所谓的拾取和放置技术来制造微型显示器(vincent w.lee、nancy twu和ioannis kymissis，信息显示(information display)6/16(2016))。拾取和放置技术的主要挑战是由于像素(即，来自不同晶片的红色、蓝色、绿色微型led)转移产率(transfer yield)。还显著增加构建微型显示器的基础材料成本或制造时间，因此在再现性和可扩展性方面提出了巨大的挑战。对于智能手表、智能电话、电视和ar/vr装置特别重要的高分辨率微型显示器需要具有较小直径和较小节距(如＜10μm)的μled，这对拾取和放置技术来说是困难的。在这种情况下，已经采用了微型led阵列与提供激活矩阵切换的晶体管阵列的直接集成(h.x.zhang、d.massoubre、j.mckendry、z.gong、b.guilhabert、c.griffin、e.gu、p.e.jessop、j.m.girkin和m.d.dawson，光学快报(optics express)16，9918
–
9926(2008)；z.j.liu、w.c.chong、k.m.wong和k.m.lau，j.显示技术(j.display tech)9，678
–
682(2013)；以及c.w.sun、c.h.chao、h.y.chen、y.h.chiu、w.y.yeh、m.h.wu、h.h.yen和c.c.liang，技术论文的sid文摘(sid digest of technical papers)，1042
–
1045(2011))。然而，这种方法具有如gb1816455.8中所描述的多个主要缺点。此外，由于在生产单个多色晶片上的基本挑战，这种基于微型led的显示器基于单一颜色或下转换材料的使用。利用后者，可以实现多色发射，但是其由于下转换过程而遭受能量损失、额外成本、以及在精确定位直径必须小于微型led的下转换材料上的挑战和下转换材料的可靠性问题。因此，图像质量和光学效率都不是令人满意的，这对于实际应用而言将是
非常困难的。
4.因此，需要一种制造明亮且高分辨率微型显示器的新方法。期望具有一种涉及不同发射波长微型led(诸如红色、蓝色和绿色微型led作为阵列中的单独像素)与其他电子部件的单片集成的方法。为了在不涉及任何下转换材料的情况下实现全色微型显示器，外延晶片应当优选地具有包括控制配置的单片多色led结构。显然，从单个晶片实现多色发射是很大的挑战。对于从单个晶片实现多色发射存在另外的大障碍。目前，基于三族氮化物的led(即，包括作为发射区的ingan/gan量子阱)生长在c面板衬底上。由于ingan和gan之间的大的晶格失配，极性取向导致应变诱导的压电场。结果，led遭受电子波函数与孔波函数之间的减小的重叠，从而导致减小的量子效率。随着发射波长的增加，诸如绿色led，这变得更加糟糕，并且因此这产生所谓的“绿色”间隙，从而意味着绿色led的量子效率远低于蓝色led的量子效率。基于三族氮化物的红色led的效率甚至低于绿色led的效率。此外，该应变还限制铟到gan中的结合，从而进一步增强了在实现较长波长发射上的挑战。因此，此时，红色led基本上排他地基于algainp。这使得几乎不可能在单个晶片上单片集成不同的发射波长微型led阵列(其中红色、蓝色和绿色微型led作为单个像素)。
5.因此，关键的是开发在单个晶片中全部基于三族氮化物的生长并且然后制造单片多色μled阵列的不同方法，以便解决所有上述问题。为了满足工业要求，将必须在可扩展基础上建立任何新方法。


技术实现要素：

6.本发明提供一种制造发光二极管(led)阵列的方法，该方法包括：形成三族氮化物材料的半导体层；在该半导体层上形成介电掩模层，该介电掩模层具有穿过其的孔的阵列，每个孔使半导体层的一区域暴露；以及在每个孔中生长led结构。该阵列可包括具有第一截面面积的第一组孔和具有不同于第一截面面积的第二截面面积的第二组孔。
7.led结构可生长在半导体层的暴露区域上。生长大致将在向上方向上，这是因为将不会发生从孔的介电侧壁的生长。因此，led结构在孔内的向上生长可以产生分层的led结构，其中每个层大致为平坦或平面的，并且具有基本上恒定的厚度。
8.半导体层可形成在例如三族氮化物(诸如gan)或蓝宝石、硅(si)、碳化硅(sic)或玻璃的衬底上。
9.在每个孔中生长led结构的步骤可包括生长n型层。在每个孔中生长led结构的步骤可以包括在每个孔中生长前层。在每个孔中生长led结构的步骤可包括在每个孔中生长至少一个激活层。在每个孔中生长led结构的步骤可包括在每个孔中生长p型层。该至少一个激活层可以在n型层与p型层之间。至少一个激活层可以包括至少一个量子阱层，并且可以包括多个量子阱层。这些层可由例如ingan或其他合适的三族氮化物材料形成。例如，前层可以是具有低铟含量和＜100nm的典型厚度的ingan层或者具有低铟含量的ingan/gan超点阵(超点阵的总厚度典型地小于300nm)。n型层和p型层也可以是三族氮化物材料，诸如gan、ingan或algan。
10.因为每个led结构在相应的一个孔中生长，所以每个led结构由均具有相同截面面积的多个层形成，该截面面积等于led结构在其中生长的孔的截面面积。
11.至少一个激活层可具有在介电层的顶部下方的上表面。在仅存在一个量子阱层的
情况下，上表面是该量子阱层的上表面。在存在多个量子阱层的情况下，上表面是最上部的量子阱层的上表面。向上方向可以被限定为半导体层和/或led结构的生长方向。
12.形成介电掩模层的步骤可以包括：生长介电材料层；以及将孔阵列蚀刻到介电材料层中。可替代地，可围绕区域生长介电层，该区域则例如在介电层生长期间使用掩模形成孔。
13.该方法还可以包括在每个孔中生长led结构之前蚀刻半导体层的每个暴露区域。
14.半导体层可以为所有led结构提供公共电触点。
15.半导体层可以是掺杂的。例如，其可包括n型或p型三族氮化物材料的单个层。可替代地，该半导体层可以包括第一和第二子层，其中在它们之间的异质界面布置成在该异质界面处形成二维电荷载体气。子层可形成缓冲层和势垒层。二维电荷载体气可以例如是二维电子气(2deg)。还可以使用二维空穴气(2dhg)，但是其典型地具有较低的电荷载流子密度和/或迁移率。众所周知，例如包括gan的层和algan或ingan的层、或者更一般地具有不同al含量的algan的两个层或者具有不同in含量的ingan的两个层的异质结构可以在两个层之间的界面处形成2deg，其中2deg中的电子密度随着包括algan层的al含量或ingan层的in含量的多个因素而变化。可以使用具有相同效果的其他三族氮化物异质界面。
16.本发明还提供一种led阵列，包括：半导体层；介电层，在半导体层上延伸，并且具有延伸穿过该介电层的led结构的阵列。该led结构可包括均具有第一截面面积的第一组led结构和均具有不同于第一截面面积的第二截面面积的第二组led结构。
17.第一截面面积可以比第二截面面积大至少1％或大至少2％。
18.每个led结构可填充led结构在其中生长的孔，使得每个led结构具有与led结构在其中生长的孔的截面面积相同的截面面积。因此，led结构可包括均具有第一截面面积的第一组led结构以及均具有不同于第一截面面积的第二截面面积的第二组led结构。
19.第一组led结构均可布置成发射具有第一峰值波长的光，并且第二组led结构均可布置成发射具有不同于第一峰值波长的第二峰值波长的光。
20.孔的阵列还可包括第三组孔，第三组孔均具有与第一和第二截面面积不同的第三截面面积。
21.led结构的阵列可包括生长在第三组孔中的第三组led结构，并且第三组led结构均可布置成发射具有与第一和第二峰值波长不同的第三峰值波长的光。
22.例如，三个组可包括led结构的红色组、绿色组和蓝色组。
23.led结构可以布置成多个群组。该方法还可包括形成多个触点，每个触点连接至led结构的相应的一个群组。led结构的每个群组可以独立于led结构的其他群组操作，即，开启和关闭。这使得能够生产像素化的显示器，每个像素由led结构的一个群组形成或由具有可变颜色输出的照明系统形成。
24.led结构的每个群组可包括来自led结构的每个组的至少一个led结构。这可以例如在单色显示器或白光照明系统中使用。
25.led结构的每个群组可仅包括来自led结构的一个组的led结构。这可以用于例如彩色显示装置中。
26.本发明进一步提供一种led阵列，包括：半导体层；介电层，在半导体层上延伸并且具有穿过该介电层的孔的阵列；以及led装置，形成在每个孔中。该阵列可包括具有第一截
面面积的第一组孔和具有不同于第一截面面积的第二截面面积的第二组孔。
27.该方法或led阵列可以任何可行的组合还包括现将参考附图描述的本发明的优选实施例的任何一个或多个特征。
附图说明
28.图1a示出了在根据本发明的第一实施例的过程中形成的原生模板；
29.图1b示出了图1a的模板，其中在该模板的掩模层中形成有掩模图案；
30.图1c示出了图1a的模板，其中微型led生长在掩模层的孔中；
31.图1d示出了图1c的模板，其中在其上形成有电触点；
32.图2是穿过图1d的模板的led结构的截面；
33.图3是根据本发明的另一实施例的led阵列的示意性平面图；
34.图4是根据本发明的另一实施例的led阵列的示意性平面图；以及
35.图5a、图5b和图5c是图1c的阵列中的单独led的电致发光的曲线图。
具体实施方式
36.参考图1a，三族氮化物或其他适当半导体层(例如，标准n型gan(n-gan)层100)最初生长在衬底102上。衬底102可以是gan衬底，或者可以是诸如蓝宝石、硅(si)、碳化硅(sic)或者甚至玻璃的任何异质衬底。gan层100可以通过使用金属有机物气相外延(movpe)或分子束外延(mbe)的任何标准gan生长方法或者任何其他合适的生长技术来生长。所得到的“原生的n-gan模板”可以具有大于10μm的厚度，但是典型地该厚度在500nm至10μm的范围内。随后，介电层104(诸如二氧化硅(sio2)或氮化硅(sin)或任何其他合适的介电材料)通过使用pecvd或任何其他合适的沉积技术沉积在n-gan层100上。介电层的厚度可在20nm至500μm的范围内。
37.参考图1b，随后在介电层104中形成孔106的阵列。孔106典型地为微米尺度，因此称为微型孔。这可以通过光刻技术以及随后的蚀刻工艺(其可以是干法蚀刻或湿法蚀刻)来完成。在形成微型孔106的过程中，介电层104被向下蚀刻穿过其整个厚度至n-gan层100的上表面。微型孔截面面积不同。此处，截面面积是指在垂直于孔的蚀刻的大致方向并且平行于衬底的顶表面平面的平面中的截面。孔包括至少两组孔，每组孔分别具有不同的孔截面面积。如果孔106是圆形的，则它们可以具有从1μm至500μm的直径，并且节距(即，相邻微型孔的中心之间的距离)可以为例如从1μm至500μm。可以使用作为掩模的剩余的介电层104来执行仅在微型孔区域内的n-gan层100的进一步蚀刻。取决于n-gan层厚度，n-gan蚀刻深度可以从零(意味着没有gan蚀刻)到10μm。典型地，对于n-gan层100，最佳的蚀刻方法或条件将不同于介电层104。例如，sf6蚀刻可以用于蚀刻介电层104，但是将不会蚀刻n-gan层100。因此，完全蚀刻穿过介电层104并且停止在半导体层100的顶表面处是易于实现的。这对于在孔106中生长的led结构的质量也是有利的。
38.孔106包括第一组孔106a、第二组孔106b，并且还可包括第三组孔106c。每组孔106a、106b、106c可布置成规则阵列，诸如矩形阵列、六边形阵列或任何其他形状阵列。第一组孔106a的直径大于第二组孔106b的直径，第二组孔的直径又大于第三组孔106c的直径。孔106还布置成群组107a、107b。每个群组可以包含一个或多个孔106。如图1b中的虚线所
示，孔的每个群组107a、107b可位于介电层104的相应区域中。例如，如图1b中所示，群组107a、107b中的每一个包括来自组106a、106b、106c中的每个的一个孔。如以下将更详细地描述的，对于不同的应用可以以不同的方式将不同截面面积的孔组合在一起。每群组孔107a、107b可相同，即包含相同数量的孔，具有相同截面面积，且布置在相同的相对位置中，或者在其他应用中群组可不同。
39.在所示实施例中，孔106具有圆形截面，但也可使用其他截面，例如椭圆形或方形。
40.接下来，参考图1c，标准的三族氮化物led结构在gan层100的暴露区域上生长。然而，因为仅有gan层100的离散区域通过介电层或掩模中的微型孔106露出，所以led结构被形成为由微型孔106之间的介电层104的剩余部分分隔开的离散led108的阵列。led结构108通过movpe或mbe技术或者任何其他合适的生长技术来生长。生长从gan(或其他半导体)层的暴露区域向上发生，而不是从孔106的侧壁发生。因此，分层的led结构可以在每个孔106的内部构建，其中每个层基本上是平坦的或平面的。led结构可以包括n-gan层110、ingan前层、激活区域112、作为阻挡层的薄的p型algan层(未示出)，然后是最终的p掺杂gan层114。激活区域112可以包括基于ingan的多个量子阱(mqw)。下面参考图2更详细地描述led结构的实例。如上所述，由于介电掩模104，led结构可以仅在微型孔106内生长，如图1c中所示，从而形成μled阵列。每个led结构108将基本上填充该led结构在其内生长的孔106。因此，led包括具有不同截面面积、并且因此具有不同发射特性的多组(在所示实例中为三组)led。在此，截面面积指的是在垂直于led结构的大致生长方向的平面中的面积。这典型地在led结构108的高度上将是基本恒定的。例如，可存在具有最大截面面积的第一组led结构108a、具有比第一组小的截面面积的第二组led结构108b以及具有更小的截面面积的第三组led结构108c。每组led以规则阵列布置在介电层104中。例如，每组led可布置成矩形阵列或任何其他形状的阵列。矩形或任何其他形状的阵列可都具有相同的间隔，但可彼此偏移(如图1c所示)，使得来自一个组的每个led与来自其他组中的每个组的一个led形成一个群组。在需要led的不同群组的其他布置中，不同组的led可以各自布置成不同类型的阵列。每群组led可以是相同的，即包含相同数量的led，具有相同截面面积，且被布置在相同的相对位置中，或者在其他应用中这些群组可以不同。
41.重要的是，ingan mqw 112的最上部层不应在介电层104的上表面上方延伸。否则，在模板制造成最终的μled阵列之后，这可能导致短路效应。同样重要的是，在每个微型孔区域内的过度生长的n-gan 110直接接触在介电掩模104下方的模板的未蚀刻部分内的n-gan层100，使得所有单独的μled通过介电掩模104下方的未蚀刻部分的n-gan层100彼此电连接。
42.参考图1d，一旦完成led阵列结构，就实施进一步的装置制造，这包括形成用于阵列的电触点。例如，上部接触层116可以形成在介电掩模层104上并且在单独的微型led装置108的上部p-gan层上。上部接触层116因此形成用于所有led装置108的公共p触点。上部接触层116可以由ito或ni/au合金形成。然后阳极118可以形成在p接触层116上。例如，介电层104的一部分可被蚀刻掉，并且随后在被蚀刻的介电层区段上的led结构的一部分也可被向下蚀刻到n-gan，从而露出n-gan层100的区域120和形成在n-gan的该暴露区域120上的阴极122。
43.以此方式生产的微型led结构展示了现有微型led不能具有的多个独特特征。在相
同的生长条件下，具有不同直径的微型led可以展示出不同的发射波长。这是由于多种机制的组合。首先，作为在微型孔中生长的微型led中的发射区域的ingan/gan多量子阱(mqw)的生长速率取决于微型孔直径。ingan mqw的不同厚度显示出不同的发射波长。第二，ingan/gan mqw的铟掺入率也取决于微型孔直径。不同的铟含量引起ingan/gan mqw的发射波长上的差异。第三，ingan/gan mqw沿着横向方向的应变弛豫取决于微型孔直径，还引起ingan/gan mqw的发射波长上的差异。因此，例如，在优化的生长条件下，每个群组中具有三个不同直径的三组微型led可以发射红色、蓝色和绿色发射。如果在每个群组中存在具有不同直径的两个微型led，则它们可以发射蓝色和黄色。如果在每个群组中存在具有不同直径的四个微型led，则它们可以发射红色、蓝色、绿色和黄色。在这些情况中的每个情况下，可以从每群组led产生白光。可以通过添加额外的微型led来调节显色指数和色温。例如，为了增加色温，可以在每个群组中包括用于长发射(诸如绿色或黄色或红色)的具有相同直径的两个微型孔并包括具有不同直径的两个其他微型孔。为了降低色温，可在每个群组中包括用于短发射波长(诸如蓝色)的具有相同直径的两个微型孔并包括具有不同直径的两个其他微型孔。
44.作为实例，如下面参考图5a至图5c所讨论的，实验已经示出，在每个具有10μm直径的μled的阵列中发射蓝光，在每个具有20μm直径的μled的阵列中发射绿光，在每个具有30μm直径的μled的阵列中发射红光。这些微型led是通过在相同条件下在相同生长运行中在具有对应的不同直径的微型孔中生长而获得的。
45.可以根据任何具体应用的要求来选择光的波长，并且因此选择不同组led的截面面积。虽然典型地在不同组led的波长并且因此在截面面积之间存在相当大的差异，但是形成孔106的光刻工艺是非常准确的，并且所以对于微米尺度的led来说，可以以受控的方式产生低至例如2％或甚至1％的截面面积的差异。
46.应当理解，可以对上述实施例进行各种修改。例如，在一个修改中，颠倒结构，其中p-gan层生长在衬底上且由介电层覆盖，并且然后首先形成led装置108的p-gan层，接着形成多个量子阱层，再接着形成n-gan层。然后在介电层的顶部上形成n-接触层代替p-接触层，并且阳极和阴极的位置颠倒。
47.在图1a至图1d的配置中，微型孔106内的过度生长的n-gan 110必须匹配介电掩模104下方的n-gan层100的未蚀刻部分的n-gan，使得所有单独的μled 108通过n-gan层100彼此电连接。代替使用介电掩模104下方的未蚀刻的n-gan部分的n-gan 100作为电连接通道，在另一实施例中，将在异质结处具有二维电子气(2deg)的三族氮化物异质结构用作半导体层，而不用n-gan层。在该实施例中，使用标准algan/gan hemt结构。在高电子迁移率晶体管(hemt)结构的gan缓冲和algan势垒之间的界面处形成的具有高载片密度和高电子迁移率的电子气(2deg)被用作电连接的通道。
48.为了制造这种装置，标准的algan/gan hemt结构通过使用movpe或mbe技术或者任何其他外延技术的任何标准gan生长方法而最初生长在gan衬底或诸如蓝宝石、si、sic或者甚至玻璃的任何异质衬底上。例如，形成缓冲层的gan层可以在衬底上生长，然后形成势垒层的algan层在gan层上生长。该结构在本文中称为“原生hemt模板”。随后，通过使用pecvd或任何其他合适的沉积技术将介电层(诸如sio2或sin或任何其他介电材料，例如具有在2nm至500μm范围内的厚度)沉积在原生hemt模板上。所得结构将与图1a中所示的结构相同，
但hemt结构取代了n-gan层100。之后，通过光刻技术，然后通过蚀刻工艺(可以是干法蚀刻或湿法蚀刻)，将介电层向下蚀刻至hemt结构的表面，以在介电层中形成微型孔阵列，其中微型孔直径可以从1μm至500μm，并且相邻孔中心之间的节距可以在10μm至500μm的范围内。可以使用介电层的剩余区域作为掩模来执行对微型孔区域内的原生hemt的进一步蚀刻。根据原生hemt模板的algan势垒位置，原生hemt蚀刻深度可以从零(意味着没有任何蚀刻)到10μm。然而，总体上，蚀刻将向下延伸至少远至在原生hemt结构的两个层之间的异质界面，以便在每个led结构与2deg之间提供良好的电接触。
49.接下来，通过movpe或mbe技术或者任何其他外延技术(例如，如以上参考图1c所描述的)以及提供的触点(例如，如以上参考图1d所描述的)将标准三族氮化物led结构生长在具有微型孔特征的介电掩模图案的hemt模板上。与图1a至图1d的实施例一样，重点是ingan mqw212的上表面应当在介电层204的上表面下方，以便在制成最终的μled阵列之后避免短路效应。
50.参考图2，图1a至图1d的led阵列中的led结构可以具有任何适当的结构，并且典型地将包括多个层。在一个实例中，它们可以包括n-gan层210、形成在n-gan层210上的ingan前层216、形成在前层216上的多个ingan量子阱层212、例如p-algan的p掺杂阻挡层218以及随后的p-gan层214。应当理解，该结构可以以多种方式改变。如上所述，优选的是，量子阱层212中的最上部一个的顶部在介电层的顶部的下方。同样优选的是，阻挡层218的顶部也在介电层的顶部的下方。
51.返回参考图1a至1d，在这些图中所示的实施例中，led的若干小群组107a、107b被当作led的大群组，包括来自三组孔106a、106b、106c中的每个组的led，其被单个接触层116覆盖。这产生可以使用触点118打开和关闭的单个区域，以产生白光源。然而，应当理解，不同尺寸的led及其切换触点可以取决于应用以各种不同方式布置。
52.参考图3，在其中led结构以与图1a至图1d的led结构类似的方式布局的布置中，即，led群组307a、307b的每个中具有三个led 306a、306b、306c，并且三个led中的每个具有不同的截面面积并且因此具有不同的发射光谱和峰值波长，每个群组307a、307b可具有在其上方延伸的相应的接触层区域316a、316b，使得可为每群组led提供单独的触点。这允许每群组led独立于其他群组开启和关闭。这例如在单色显示器(例如白色显示器)中可以是有用的。
53.参考图4，每个led可以具有在其上延伸的单独的接触层416a、416b、416c，使得每个led可以独立于其他led激活。这种布置可以用于例如彩色显示器中，其中每个像素可以被照亮为红色、绿色或蓝色。
54.参考图5a、图5b和图5c，如以上参考图1a至图1d所描述地生产微型led的阵列，但是在每种情况下，每个阵列中的所有led具有相同的直径，一个阵列具有10μm直径的led，一个具有20μm直径的led以及一个具有30μm直径的led。测量每个led阵列的电致发光，结果如图所示。可以看出，10μm直径的led在约500nm处具有峰值波长并且其发射的光显示为蓝色，20μm直径的led在约520nm处具有峰值波长并且其发射的光显示为绿色，以及30μm直径的led在约610nm处具有峰值波长并且其发射的光显示为红色。应当理解，可以调整诸如图1c的多色阵列中的不同led的直径，以便实现不同的颜色组合。