微发光二极管及其制备方法与流程

1.本发明涉及显示领域，具体涉及一种微发光二极管及其制备方法。


背景技术：

2.随着传统平板显示和微型投影显示技术的发展，未来可期的微型发光二极管(micro light emitting diode，micro-led)技术具有显著的性能优势，越来越引起人们的广泛关注。micro-led可视为微小化的led，可单独点亮，具有低功耗、高亮度、高清晰度与长寿命等优势。
3.当前，随着micro-led芯片的尺寸缩小，侧壁非辐射复合引起的发光效率下降作用越来越显著。
4.在micro-led的制造工艺过程中，芯片结构设计是提升micro-led发光效率的关键一环。因此，亟需一种新的改进的芯片结构来改善micro-led的发光效率。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的至少一个技术问题，本发明提供一种微型发光二极管及其制备方法，能够提升micro-led发光效率。
6.第一方面，本发明实施例提供一种微型发光二极管，其包括：
7.依次层叠设置的第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层，所述第二半导体层包括第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分之间绝缘设置；
8.第一电极，位于所述第一部分远离所述多量子阱层的一侧表面，且贯穿所述第一部分和所述多量子阱层并电性连接所述第一半导体层；
9.第二电极，位于所述第二部分远离所述多量子阱层的一侧表面且电性连接所述第二部分。
10.根据本发明实施例的一个方面，所述第二半导体层的所述第一部分和所述第二部分之间设置有隔离层。
11.根据本发明实施例的一个方面，所述隔离层的电阻率大于等于1000ω
·
cm。
12.根据本发明实施例的一个方面，所述隔离层环绕所述第二部分设置。
13.根据本发明实施例的一个方面，所述第二半导体层远离所述多量子阱层一侧表面与所述微型发光二极管的周侧设置有钝化层，所述第一电极和所述第二电极贯穿所述钝化层。
14.根据本发明实施例的一个方面，所述第二部分在所述多量子阱层所在平面上的投影的面积与所述半导体层在所述多量子阱层所在平面上的投影的面积的比值小于等于20％。
15.第二方面，本发明实施例提供一种微型发光二极管的制备方法，包括：提供一生长衬底；在所述基板上依次层叠形成第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层，其中，所述第二半导体层包括第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分之间绝缘设置；以
及在所述第一部分远离所述多量子阱层的一侧表面形成第一电极，所述第一电极贯穿所述多量子阱层和所述第一部分并电性连接所述第一半导体层；所述第二部分远离所述多量子阱层的一侧表面形成第二电极，电性连接所述第二部分；去除所述基板。
16.根据本发明实施例的第二方面，所述在所述基板上依次层叠形成第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层的步骤包括：对部分所述第二半导体层进行表面处理，形成位于所述第一部分和所述第二部分之间的隔离层，以使所述第一部分和所述第二部分之间绝缘设置；其中，所述表面处理的方法为等离子体轰击或离子注入。
17.根据本发明实施例的一个方面，所述在所述基板上依次层叠形成第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层的步骤还可以包括：刻蚀所述第二半导体层形成相互绝缘的所述第一部分和所述第二部分，在所述第一部分和所述第二部分之间填充绝缘材料形成隔离层。
18.本发明提供的微型发光二极管，包括依次层叠设置的第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层，通过将第二半导体层设置成彼此绝缘的第一部分和第二部分，能够减小多量子阱中注入电流的面积，提高电流密度，使micro-led工作在高光效对应的电流密度区间，并且能减少横向传导到micro-led侧壁的载流子数量，减少载流子在侧壁的非辐射复合，从而达到提升micro-led发光效率的效果。
附图说明
19.通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征，附图并未按照实际的比例绘制。
20.图1示出根据本发明一种实施例提供的微型发光二极管的截面结构示意图；
21.图2示出根据本发明一种实施例提供的微型发光二极管的俯视图；
22.图3示出根据本发明另一种实施例提供的微型发光二极管的截面结构示意图；
23.图4a至图4f示出根据本发明实施例的微型发光二极管的制备方法的各阶段的剖面图；
24.附图标记说明：
25.100-微型发光二极管；
26.101-生长衬底；
27.111-第一半导体层；112-多量子阱层；113a-第二部分；113b-第一部分；113c-隔离层；
28.121-第一电极；122-第二电极；
29.130-钝化层。
具体实施方式
30.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下
实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
31.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
32.应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
33.发明人经过研究发现，一方面，随着micro-led芯片的尺寸缩小，有更多的电流会注入到micro-led芯片多量子阱层侧壁，导致侧壁非辐射复合引起的发光效率下降作用越来越显著；另一方面，当前micro-led芯片应用于屏体显示时对应的电流密度远小于其高光效区对应的电流密度范围。这两点都导致micro-led显示屏的能效较低。
34.为了解决现有技术中的至少一个技术问题，本发明实施例提供一种发光二极管及其制备方法，以下将结合附图对发光二极管的各实施例进行说明。
35.图1示出了本发明一种实施例提供的微发光二极管的的截面结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的微发光二极管100包括第一半导体层111、多量子阱层112及第二半导体层、第一电极121和第二电极122。
36.其中第一半导体层111、多量子阱层112及第二半导体层统称为外延层，外延层可以是氮化物、砷化物、磷化物等半导体材料。示例性的，第一半导体层111为n型掺杂的氮化镓gan层，第二半导体层为p型掺杂的gan层；多量子阱层112(mqw)可以是ingan/gan层周期叠加而成，周期数可以是3-12个。第二半导体层又分为第一部分113b、第二部分113a，第一部分113b和第二部分113a之间绝缘设置。第一电极121位于第一部分113b远离多量子阱层112的一侧表面，且贯穿多量子阱层112和第一部分113b并电性连接第一半导体层111；第二电极122位于第二部分113a远离多量子阱层112的一侧表面且电性连接第二部分113a。示例性的，第一电极121和第二电极122可以是金属叠层，例如cr/al/ti/au金属叠层，在制备金属叠层时可以是一层一层的对金属进行沉积，进而得到第一电极121和第二电极122，第一电极121、第二电极122的材料可以包括ni、cr、ti、pt、au等。
37.在第一电极121、第二电极122之间施加正向偏置的压降的情况下，第一部分113b和第二部分113a之间的绝缘设置能较大程度地减少第一电极121、第二电极122之间的漏电流，并能将注入到多量子阱层112的大部分电流限制在第二部分113a向多量子阱层112竖直投影的投影面积内，这一方面能提高多量子阱层112中的电流密度，使微型发光二极管100能工作在高效率的运行区间上，另一方面，能减少单位时间内流向多量子阱层112侧壁的载流子数量，减弱载流子在侧壁的非辐射复合，进一步提高微型发光二极管100的发光效果。
38.进一步地，第一部分113b和第二部分113a通过隔离层113c绝缘设置。隔离层113c
与第一部分113b和第二部分113a同层设置，阻断第一部分113b和第二部分113a之间的通路。其中，在一个实施例中，隔离层113c与第一部分113b和第二部分113a一体形成且材料相同，唯一不同的是隔离层113c的载流子密度低于第一部分113b和第二部分113a的载流子密度，且阻隔层113c的电阻率大于等于1000ω
·
cm，不仅能够将第一部分113b和第二部分113a在空间上隔离开，并能较大程度地限制电流从第二部分113a经过隔离层113c流向第一部分113b，从而提高第二部分113a的电流密度，减少载流子在侧壁的非辐射复合，提高微型发光二极管的发光效果。
39.在一些实施例中，隔离层113c的厚度t1与第二半导体层的厚度t接近，能更彻底地阻断第一部分113b和第二部分113a之间的电连接，并且不会延伸到多量子阱层112内而影响多量子阱层112的发光性能。具体地，1.2t≥t1≥0.8t，隔离层113c朝向多量子阱层112的底面直接与多量子阱层112远离生长衬底的底面相连接。
40.图2是本发明一种实施例提供的微型发光二极管的俯视图。如图2所示，隔离层113c环绕第二电极122下面的第二部分113a，第二部分113a尽量远离外延层的侧壁，第二部分113a的投影外轮廓可以是圆形、椭圆形、方形等形状，此时第二部分113a被隔离层113c包围，减少经第二部分113a的载流子在侧壁的非辐射复合，从而提高第二部分113a的电流密度。
41.优选的，第二部分113a设置在隔离层113c外轮廓所围区域的中央区域。示例性地，如图2的投影视角，微发光二极管100的投影外轮廓是16μm*32μm的方形，隔离层113c的投影外轮阔是边长16微米的正方形，第二部分113a的投影外轮廓是直径3微米的圆形，其圆心与隔离层113c外轮阔的几何中心重合，此时，第二部分113a距离外延层侧壁的最近间距是6.5微米。
42.在一些实施例中，请参阅图3，钝化层130覆盖在第二半导体层远离多量子阱层112的一侧表面，以及微型发光二极管100四周侧壁表面。钝化层130在位于第一部分113b和第二部分113a的上方至少部分区域设置了开孔，第一电极121、第二电极122通过上述开孔分别与第一半导体层111和第二部分113a形成电接触。第一电极121、第二电极122可以延伸超出钝化层130远离第二半导体113一侧的表面。示例性的，钝化层由pecvd工艺形成，钝化层材料可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧硅中的一种或多种组合。
43.在一些实施例中，请参阅图1和图2，第二部分113a在多量子阱层112所在平面上的投影面积为s1，第二半导体层在多量子阱层112所在平面上的投影面积为s2，s1/s2的值小于等于20％。对一定尺寸的微型发光二极管100来说，s1/s2的值越小，相同电流驱动的微型发光二极管100内的多量子阱层112的局部电流密度越大，多量子阱层112侧壁的载流子数量越少。因此，在较小的注入电流情况下，较小的s1/s2值有利于提升微型发光二极管100的发光效率。
44.本发明实施例还提供一种微型发光二极管的制备方法，以下将以上述实施例的微型发光二极管100的制备过程为例对该制备方法进行说明。图4a至图4f示出根据本发明实施例的微型发光二极管的制备方法的各阶段的剖面图。
45.如图4a及图4b所示，提供一生长衬底101，生长衬底101的一侧生长外延层，外延层至少包括第一半导体层111，多量子阱层112，第二半导体层。示例性的，生长衬底101可以为蓝宝石衬底、硅衬底等。第一半导体层111为n型掺杂的gan层，第二半导体层为p型掺杂的
gan层，多量子阱层112为ingan/gan多量子阱。如图4a所示，刻蚀外延层至生长衬底101来定义微型发光二极管100的形状、大小和排布。
46.如图4c所示，在微型发光二极管100的表面进行光刻，形成图形化的掩膜，露出第二半导体层的部分区域113c。对第二半导体层暴露的区域113c进行表面处理，从而使第二半导体层11暴露的这部分区域113c改性成为隔离层113c，隔离层113c将剩余的第二半导体层分隔成相互绝缘的第一部分113b和第二部分113a，然后去除光刻胶。
47.在一些实施例中，对第二半导体层暴露的区域113c进行表面处理可采取等离子体轰击的方法。示例性的，对于第二半导体层是p型gan材料的情况，将暴露了部分p型gan表面的gan微型发光二极管100放入等离子体设备的工艺腔体中，将工艺腔抽真空并通入1sccm的氨气或者甲烷，维持10mtorr的气压，输入600w rf功率，即可形成含氢离子的等离子体，工艺时间视第二半导体层厚度，掺杂等具体情况而定，可持续数分钟到数十分钟，最终形成使得隔离层113c的载流子浓度低于第二部分113a和第一部分113b的载流子浓度，使隔离层113c电阻率大于等于1000ω
·
cm。
48.在一些实施例中，对第二半导体层暴露的区域113c进行表面处理可采取离子注入的方法。示例性地，将暴露了部分p型gan表面的gan微型发光二极管100放入离子注入设备中进行c、si等类型离子的注入，控制注入的剂量和注入深度，然后进行退火，使暴露的p型gan层转变为空穴浓度和电子浓度均很低的隔离层113c，从而使隔离层113c的电阻率大于等于1000ω.cm。
49.如图4d所示，通过光刻形成图形化掩膜暴露第一部分113b的部分区域，进行刻蚀形成通孔114，通孔114穿过第一部分113b和多量子阱层112，暴露出第一半导体层111，然后去除光刻胶。
50.如图4e所示，在通孔114所在区域形成第一电极121，第一电极121贯穿多量子阱层112和第一部分113b并电性连接第一半导体层111；在第二部分113a远离多量子阱层112的一侧表面形成第二电极122。示例性地，第一电极121和第二电极122可以是金属叠层，例如cr/al/ti/au金属叠层，在制备金属叠层时可以是一层一层的对金属进行沉积，进而得到第一电极121和第二电极122，能够。第一电极121、第二电极122的材料可以包括ni、cr、ti、pt、au等。
51.在另一些实施例中，在制备完第一电极121和第二电极122之后，如图4f所示，在外延层表面及侧壁形成钝化层130。
52.至此，根据本发明实施例提供的微发光二极管的制备方法，通过在第二半导体层的第一部分113b和第二部分113a之间设置隔离层113c，不仅工艺流程较简单，而且能限制了电流在第二部分113a的横向扩展，能够一定程度上减少载流子在侧壁的非辐射复合对微发光二极管造成的效率下降影响，同时能够提高相同出入电流下微发光二极管的实际电流密度，使微发光二极管工作在高效区对应的电流密度范围，综上述，这两方面都能有效地改善微发光二极管的发光效率。
53.依照本发明如上文所述的实施例，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利
要求书及其全部范围和等效物的限制。