微型LED发光结构及其制备方法、显示装置与流程

微型led发光结构及其制备方法、显示装置
技术领域
1.本发明涉及发光技术领域，更具体地，涉及一种微型led发光结构及其制备方法、显示装置。


背景技术：

2.现有全彩化微型led发光结构，一种方式是利用量子点实现，参考图1，具体制备方法包括：1)刻蚀外延片形成微型led阵列，每个微型led为一个像素点；2)依次在r/g/b像素点对应的微型led发光单元上沉积相应颜色的量子点。该方法存在的缺点是：r/g/b像素点在水平方向上阵列排布，导致相同制程条件下像素密度偏低，解析率较低。
3.另一种方式是通过巨量转移实现，依次转移巨量的r/g/b颜色的分立微型led器件到同一基板。该方法存在的缺点是：需三次巨量转移过程，巨量转移速率慢、良率低，生产能力有限，生产成本高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种新的微型led发光结构及其制备方法、显示装置，避免巨量转移，同时提高像素密度。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种微型led发光结构，包括衬底和外延生长于所述衬底上的发光单元；所述发光单元包括垂直设置于所述衬底上的两个以上的发光二极管和设置于相邻所述发光二极管之间的绝缘层，各所述发光二极管包括沿所述衬底向上方向依次层叠设置的n型层、有源量子肼层和p型层，所述发光单元包括的各所述发光二极管的所述有源量子肼层分别发出不同颜色的光线；
7.所述发光单元还具有从所述发光单元的最顶层分别凹陷至各所述发光二极管的所述n型层的n极台阶和从所述发光单元的最顶层分别凹陷至各所述发光二极管的所述p型层的p极台阶；
8.所述发光单元还包括分别设置于各所述n极台阶上的n电极、分别设置于各所述p极台阶和最上层所述p型层上的p电极以及与各所述p电极和各所述n电极同层设置的钝化层，所述钝化层位于所述发光单元的顶面和侧壁；
9.所述发光单元还包括电极连接桥，所述电极连接桥设置于各所述p电极或各所述n电极上方，所述电极连接桥用于使各所述p电极或各所述n电极共电极。
10.本发明还公开了一种上述微型led发光结构的制备方法，包括以下过程：
11.在衬底上外延生长各发光二极管的n型层、有源量子肼层和p型层以及位于相邻所述发光二极管之间的绝缘层，形成外延片；其中，所述发光二极管的数量为两个以上，各所述发光二极管垂直设置；
12.从所述外延片的最上层开始刻蚀，分别形成刻蚀至各所述发光二极管的所述n型层的n极台阶以及刻蚀至各所述发光二极管的所述p型层的p极台阶，得到刻蚀后的外延片；
13.在所述刻蚀后的外延片顶面和侧壁形成钝化层；
14.在各所述n极台阶和各所述p极台阶的对应位置处刻蚀所述钝化层形成通孔；
15.填充所述通孔形成各p电极和各n电极；
16.在各所述p电极或各所述n电极上方形成电极连接桥，所述电极连接桥用于使各所述p电极或各所述n电极共电极。
17.本发明还公开了一种显示装置，包括上述的微型led发光结构，或上述制备方法制得的微型led发光结构。
18.实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
19.本发明实施例通过将各发光二极管垂直设置，可以提高像素密度和解析率；通过外延生长形成发光单元的各功能层结构，以及从最上层p型层刻蚀形成各p极台阶和各n极台阶，避免巨量转移，提高生产良率和速度，降低成本；通过共电极设置，可以简化控制复杂度，降低有源驱动基板及外围控制电路的设计难度和性能要求。另，本发明的微型led发光结构是通过外延生长和刻蚀形成的集成为一体的器件，结构和电学性能更稳定。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.其中：
22.图1是本发明一具体实施例的微型led发光结构的截面结构示意图。
23.图2是本发明一具体实施例制得的外延片的截面结构示意图。
24.图3是刻蚀图2所示的外延片形成p极台阶和n极台阶的截面结构示意图。
25.图4是在图3所示结构上形成钝化层的截面结构示意图。
26.图5是在图4所示结构上刻蚀钝化层形成通孔的截面结构示意图。
27.图6是在图5所示结构上填充通孔形成p电极和n电极的截面结构示意图。
28.图7是在图6所示结构上形成电极连接桥的截面结构示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.参考图1，本发明公开了一种微型led发光结构，包括衬底10和外延生长于衬底10上的发光单元20；发光单元20包括垂直设置于衬底10上的两个以上的发光二极管21和设置于相邻发光二极管21之间的绝缘层22，绝缘层22使相邻发光二极管21之间电绝缘，各发光二极管21包括沿衬底10向上方向依次层叠设置的n型层211、有源量子肼层212和p型层213，各发光二极管21的有源量子肼层212分别发出不同颜色的光线。上述外延生长于衬底10上的发光单元20是指由依次外延生长于衬底10上的各功能层结构(包括n型层211、有源量子
肼层212、p型层213、绝缘层22，也可以包括位于缓冲层、电流扩展层等)所形成的发光单元20，此发光单元20是集成为一体的，结构和电学性能更稳定。
31.发光单元20还具有从发光单元20的最顶层分别凹陷至各发光二极管21的n型层211的n极台阶23和从发光单元20的最顶层分别凹陷至各发光二极管21的p型层213的p极台阶24；发光单元20还包括分别设置于各n极台阶23上的n电极25、分别设置于各p极台阶24和最上层p型层213上的p电极26以及与各p电极26和各n电极25同层设置的钝化层27，钝化层27形成于发光单元20的顶面和侧壁。通过对每个发光二极管21设置p电极26和n电极25，可以单独控制每个发光二极管21发光，使发光单元20显示不同颜色，从而实现彩色显示。
32.上述技术方案中，一个发光单元20最少可包括两个垂直设置的发光二极管，例如，分别发出蓝光和黄绿光，两种光线复配可以得到白光。一个发光单元20至少包括三个垂直设置的发光二极管，可以实现全彩显示，例如r/g/b三色全彩显示。
33.发光单元20还包括电极连接桥28，电极连接桥28设置于各p电极26或各n电极25上方，电极连接桥28用于使各p电极26或各n电极25共电极。共电极设置可以简化控制复杂度，降低有源驱动基板30及外围控制电路的设计难度和性能要求。电极连接桥28的材料优选与各p电极26和各n电极25的材料相同。
34.本发明中，发光单元20的数量为两个以上，这里的两个以上可以是两个，也可以是三个或更多。各发光单元20水平间隔设置于衬底10上，每个发光单元20构成一个像素点，每个发光单元20为微米/纳米尺寸，相邻发光单元20之间的间距为纳米级，形成的微型led发光结构用于显示彩色的文字、图案等任何图像信息。
35.本发明通过将各发光二极管21垂直设置，可以提高像素密度和解析率；通过外延生长形成发光单元20的各功能层结构，以及从最上层p型层213刻蚀形成各p极台阶24和各n极台阶23，避免巨量转移，提高生产良率和速度，降低成本；通过共电极设置，可以简化控制复杂度，降低有源驱动基板30及外围控制电路的设计难度和性能要求。另，本发明的微型led发光结构是通过外延生长和刻蚀形成的集成为一体的器件，结构和电学性能更稳定。
36.具体的，参考图1，在一具体实施例中，通过r/g/b三色实现全彩显示，发光单元20包括垂直设置于衬底10上第一发光二极管21、第二发光二极管21和第三发光二极管21，第一发光二极管21包括依次设置于衬底10上方的第一n型层211、第一有源量子肼层212和第一p型层213，第二发光二极管21包括依次设置于衬底10上方的第二n型层211、第二有源量子肼层212和第二p型层213，第三发光二极管21包括依次设置于衬底10上方的第三n型层211、第三有源量子肼层212和第三p型层213，第一发光二极管21和第二发光二极管21之间还包括第一绝缘层22，第二发光二极管21和第三发光二极管21之间还包括第二绝缘层22，第一有源量子肼层212、第二有源量子肼层212和第三有源量子肼层212分别发出红、绿、蓝颜色光线。上述第一n型层211、第一有源量子肼层212、第一p型层213、第二n型层211、第二有源量子肼层212、第二p型层213、第三n型层211、第三有源量子肼层212、第三p型层213、第一绝缘层22和第二绝缘层22均通过在衬底10上外延生长形成。
37.发光单元20还具有从第三p型层213凹陷至第一n型层211的第一n极台阶23、从第三p型层213凹陷至第二n型层211的第二n极台阶23、从第三p型层213凹陷至第三n型层211的第三n极台阶23、从第三p型层213凹陷至第一p型层213的第一p极台阶24、从第三p型层213凹陷至第二p型层213的第二p极台阶24。
38.发光单元20还包括设置于第一n极台阶23上的第一n电极25、设置于第二n极台阶23上的第二n电极25、设置于第三n极台阶23上的第三n电极25、设置于第一p极台阶24上的第一p电极26、设置于第二p极台阶24上的第二p电极26、设置于第三p型层213上的第三p电极26以及与上述各n电极25、各p电极26同层设置的钝化层27，钝化层27设置于发光单元20的顶面和侧壁。发光单元20还包括设置于各n电极25上方的电极连接桥28，电极连接桥28使各n电极25共电极。
39.在上述技术方案中，通过控制三个发光二极管21中一个单独发光，可以实现r/g/b全彩显示。当然，在其它实施例中，第一有源量子肼层212、第二有源量子肼层212和第三有源量子肼层212也可以分别发出任何颜色的光线，可以控制三个发光二极管21中的一个或两个以上同时发光，采用复光实现全彩显示。
40.在一具体实施例中，进一步的，各有源量子肼层212分别为无机材料，无机材料的使用寿命更长，发光更稳定。采用量子点实现全彩化微型led发光结构的现有技术中，依次在r/g/b像素点对应的微型led发光单元20上沉积相应颜色的量子点，该量子点材料通常为有机材料，稳定性较差，难以应用于极端温度环境，且存在量子限制效应，产品应用受限。另，上述各功能层结构均可以采用分子束外延、cvd或pvd的方法形成，便于外延生长制备。
41.在一具体实施例中，进一步的，各n型层211的材料相同，各p型层213的材料相同。这里，材料相同并不是指绝对的相同，是指属于相同类别的半导体材料，例如氮化镓材料或铟氮化镓材料等等，允许有少量不同材料的掺杂，至少具有相同或相近的开启电压，如此，可以将发光单元20中的垂直分布的三个发光二极管21同p极或同n极设置，可以简化有源驱动基板30和外围控制电路的设计难度，降低有源驱动基板30和外围控制电路的性能要求。
42.具体的，n型层211的材料可以选自氮化镓材料、铟氮化镓材料等，p型层213的材料可以选自氮化镓材料、铟氮化镓材料等，n型层211和p型层213的材料可以相同也可以不相同。
43.绝缘层22的材料可以选自氧化硅、氮化硅、光刻胶中的至少一种。在实施时，光刻胶可以起到有机绝缘平坦层的作用，例如采用聚酰亚胺(pi，polyimide)、苯并环丁烯(bcb，benzocyclobutene)等。
44.衬底10的材料可以选自蓝宝石衬底、氮化镓衬底或铟氮化镓衬底等，较优的，衬底10与n型层211的材料相同，在衬底10上同质外延生长n型层211，可降低n型层211与衬底10相连接的界面处的晶格缺陷和位错密度，能够在低电流密度下实现电流密度峰值，外量子效率(external quantum efficiency,eqe)更高，同时，显示均匀性更好。当然，在其它实施例中，也可以在非同质衬底10和n型层211之间增加与n型层211同质的缓冲层，以减少界面处的位错密度。
45.一较佳实施例，各n型层211以及各p型层213均为相同材料系，这样不仅降低界面处的晶格缺陷和位错密度，而且垂直分布的各个发光二极管21材料体系接近，开启电压相近，电学特性相似，降低了有源驱动基板30及外围控制电路的设计难度和性能要求，同时，光电转化效率随电流密度的变化趋势、器件的老化速率相近，能够改善显示过程中的视觉色差。
46.一较佳实施例，各n型层211以及各p型层213均为氮化镓材料或铟氮化镓材料。氮化镓/铟氮化镓材料为目前最先进的第三代半导体材料，具有更宽的禁带宽度、更高的导热
率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性。
47.采用巨量转移实现全彩化微型led发光结构的现有技术中，r/g/b颜色的分立微型led器件分别属于不同材料体系，其中蓝光、绿光led属于ingan材料体系，器件开启电压为2.5v-3v；而红光led属于algainp材料体系，器件开启电压为1.7v左右，因此对于r、g、b三色led而言，其不同电学特性给有源驱动基板30的设计及外围控制电路带来挑战。三色led由于分属不同的材料体系，其器件的微纳结构亦不相同，使其与基板互联方式不同，这不仅增加了器件微纳制造的工艺复杂度，同时也给基板设计与巨量转移带来新的技术挑战；由于三色led外延结构与材料体系不同，其光电转化效率随电流密度的变化趋势、器件的老化速率也不相同，因此容易在显示过程中引起视觉色差。
48.继续参考图1，微型led发光结构还包括设置于发光单元20的背离衬底10一侧的有源驱动基板30，有源驱动基板30分别与电极连接桥28、各n或p电极26通过导电材料40电连接。在一具体实施例中，有源驱动基板30为驱动芯片。
49.在一具体实施例中，钝化层27可以通过cvd镀膜方法形成，钝化层27的材料可以为氧化硅或氮化硅等。钝化层27还可以改善发光单元20之间可能发生的短路现象。
50.参考图1～图7，本发明还公开了一种如图1所示的微型led发光结构的制备方法，包括以下过程：
51.1)在衬底10上外延生长各发光二极管21的n型层211、有源量子肼层212和p型层213以及位于相邻发光二极管21之间的绝缘层22，形成如图2所示的外延片；其中，发光二极管21的数量为两个以上，各发光二极管21垂直设置。
52.在本实施例中，在gan衬底10上依次生长u-gan缓冲层11、n-gan的n型层211、蓝色有源量子肼层212、p-gan的p型层213、绝缘层22、n-gan的n型层211、绿色有源量子肼层212、p-gan的p型层213、绝缘层22、n-gan的n型层211、红色有源量子肼层212和p-gan的p型层213。
53.2)从外延片的最上层开始刻蚀，分别形成刻蚀至各发光二极管21的n型层211的n极台阶23以及刻蚀至各发光二极管21的p型层213的p极台阶24，得到刻蚀后的外延片，如图3所示。
54.3)通过cvd镀膜方法在刻蚀后的外延片的顶层和侧壁形成钝化层27，如图4所示。
55.4)在各n极台阶23和各p极台阶24的对应位置处刻蚀钝化层27形成通孔271，如图5所示。
56.5)在通孔271内填充金属形成各n电极25和各p电极26，如图6所示。
57.6)在各n电极25或各p电极26上方形成电极连接桥28，电极连接桥28用于使各n电极25或各p电极26共电极，如图7所示。
58.7)在电极连接桥28、各n或p电极26处印刷铟球等导电焊料，将有源驱动基板30叠加到发光单元20上方，通过导电焊料与发光单元20实现固定连接，如图1所示。
59.本发明还公开了一种显示装置，包括上述的微型led发光结构，或上述制备方法制得的微型led发光结构。显示装置主要应用于各种电子设备(穿戴电子设备、手机、电脑、电视、平板、家用电器等)的显示屏。
60.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。