一种倒装结构蓝光Mico-LED芯片设计制造方法与流程

本发明属于半导体发光器领域，特别涉及一种倒装结构蓝光mico-led芯片。

背景技术：

微型发光二极管(micrometer-sizedlightemittingdiodes简称“micro-led”)是新一代显示技术，将led芯片的尺寸缩小至几十微米甚至几微米时，则称为micro-led芯片。由于micro-led显示屏每一个像素可以定址，单独驱动点亮，基于红绿蓝三基色的micro-led芯片的微显示器可以展示出微米级别的像素间距，成像效果优秀，可以实现高解析度、高对比度、高色彩饱和度，具有低功耗、反应速度快、抗干扰能力强等优点，在高分辨率显示、可见光通信等领域具有重要的应用价值。互联网的不断发展进步促进了物联网、人工智能等新兴产业的发展，对显示技术也提出了新的要求，micro-led还可发展成为便携式、ar、vr在内的各种智能移动终端的高品质显示。

当前micro-led显示的发展主要有两种趋势。一个是索尼公司的主攻方向——小间距大尺寸高分辨率的室内/外显示屏。另一种则是苹果公司正在推出的可穿戴设备(如applewatch)，该类设备的显示部分要求分辨率高、便携性强、功耗低亮度高，而这些正是micro-led的优势所在。

目前而言micro-led一直无法普及，还存在很多的技术局限。传统的micro-led生产制造采用深度干法刻蚀工艺形成电极通孔来限制电流路径，导致了电子和空穴在通孔结构侧壁非辐射复合增强，从而降低了内量子效率(iqe)、取光效率(lee)，同时采用水平结构的micro-led芯片相对倒装结构的micro-led芯片间距更大，显示体积更大，不易制成微型化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供基于重掺杂的p-gan和n-gan之间形成隧穿结控制电流路径的倒装micro-led结构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种倒装结构蓝光mico-led芯片设计制造方法，包括以下步骤：

步骤1.清洁蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上生长一层低温aln成核层；

步骤2.在aln成核层上生长一层si掺杂n型gan作为电流扩散层；

步骤3.在n型gan上生长in0.04ga0.96n/gan超晶格应力释放层；

步骤4.在超晶格层上生长多量子阱层：每个周期包括一层in0.04ga0.96n势垒层和一层in0.17ga0.83n势阱层；

步骤5.在有源层上沉积一层p-gan：mg，继续沉积algan作为电子阻挡层；

步骤6.在电子阻挡层上沉积重掺杂的p++ingan：mg和n++ingan:si，二者之间形成隧穿结；

步骤7.在隧穿层上沉积si掺杂的n型gan作为电流扩散层；

步骤8.清洗所得外延片，利用标准化光刻技术并采用bcl3/cl2混合气体刻蚀n-gan、p-gan、mqws层，形成直达n-gan外延层的n型通孔阵列；

步骤9.在n-gan上沉积ito透明导电层，再使用ito刻蚀液去除n型通孔中的ito；

步骤10.在ito上沉积整层dbr反射层，再采用chf3/ar/o2混合气体对dbr反射层表面n型通孔对应位置刻蚀n型接触孔阵列，n型接触孔与n型通孔为同心圆，直径略小于n型通孔，在dbr上刻蚀连通ito的p电极孔，刻蚀深度直达n-gan层；

步骤11.在n/p电极孔上蒸镀cr/pt/au金属层，通过剥离工艺形成n焊盘和p焊盘；

步骤12.将倒装mico-led芯片焊接到高热导率的基板上。

在上述的倒装结构蓝光mico-led芯片设计制造方法中，步骤6中重掺杂的p++ingan：mg和n++ingan:si厚度分别为20nm、10nm；掺杂浓度分别为1×10²⁰cm^﹣3、5×10²⁰cm^﹣3；p++ingan：mg和n++ingan:si形成的隧穿结的横截面为圆形，圆心位于外延层横截面中心，并在两侧留有距离；p++ingan：mg和n++ingan:si的截面形状相同，二者接触界面以及p++ingan：mg层上表面与algan电子阻挡层表面平齐。

在上述的倒装结构蓝光mico-led芯片设计制造方法中，步骤7中n-gan外延层将隧穿层完全覆盖，隧穿层嵌入在n-gan层之中，隧穿层上方有厚度为200nm的n-gan。

在上述的倒装结构蓝光mico-led芯片设计制造方法中，步骤10中n电极孔刻蚀深度直达aln成核层上方的n-gan层，p电极孔刻蚀深度直达将隧穿层包裹的n-gan层；n、p电极孔位于隧穿层两侧，且电极孔未穿过p++ingan：mg和n++ingan:si形成的隧穿层。

在上述的倒装结构蓝光mico-led芯片设计制造方法中，步骤1所述低温aln成核层厚度为20nm；步骤2所述n-gan的si电流扩展层厚度为200nm；步骤3所述每个周期in0.04ga0.96n/gan厚度约为3nm，超晶格层厚度为100nm；步骤4所述每个周期中in0.04ga0.96n势垒层厚度为8nm，in0.17ga0.83n势阱层厚度为2.6nm，周期数为5；步骤5所述沉积一层p-gan：mg掺杂浓度为3×10¹⁹cm^﹣3，厚度为100nm；所述步骤8中标准化光刻技术并采用bcl3/cl2混合气体刻蚀的n型通孔直径为3μm，n型通孔阵列为3×3，n型通孔圆心间距为7μm；所述步骤9中ito透明导电层厚度为30nm；

在上述的倒装结构蓝光mico-led芯片设计制造方法中，所述步骤10中dbr反射层采用双堆栈式结构，第一组dbr包括7对sio2/tio2，厚度分别为47.4nm/79.5nm，第二组dbr包括7对sio2/tio2，厚度分别为65.0nm/150.1nm；n电极孔侧壁由dbr材料形成的绝缘层厚度为0.5μm。

在上述的倒装结构蓝光mico-led芯片设计制造方法中，所述步骤11中金属层cr/pt/au的厚度分别为30nm/50nm/1200nm。

本发明的有益效果：1、采用重掺杂的p++gan和n++gan形成的隧穿结限制电流路径，降低了接触电阻，提高了si施主和mg受主浓度，电子的空穴的辐射复合率提高，内量子效率、取光效率从而得到提高。由于隧穿结的高导电率，micro-led芯片中的垂直方向电流路径得以精确限制，从而芯片的大小和形状也得以确定。

2、采用倒装结构micro-led，并利用ito/dbr分别作为透明导电层和电流阻挡层，有源区发射光子经dbr反射后，从蓝宝石衬底出射到空气中，避免了金属电极对光的吸收，提高了取光效率。

3、采用倒装结构的micro-led相对水平结构而言不需要金属导线，缩减led芯片间的间隙，更满足micro-led显示体积小，易制成微型化的需求。

4、采用au-sn共晶焊技术将倒装micro-led芯片焊接到高热导率的基板上，有效提高了芯片的散热性能，提高了micro-led芯片在大电流注入密度下的光电性能，提高了芯片的可靠性和使用寿命。

附图说明

图1是本发明实例提供的一种倒装结构蓝光micro-led芯片平面结构示意图；

图2是本发明实例提供的一种倒装结构蓝光micro-led芯片外延层结构示意图；

图3是本发明实例提供的一种倒装结构蓝光micro-led芯片刻蚀n型通孔结构示意图；

图4是本发明实例提供的一种倒装结构蓝光micro-led芯片刻蚀n电极孔结构示意图；

图5是本发明实例提供的一种倒装结构蓝光micro-led芯片刻蚀p电极孔结构示意图；

其中，1-蓝宝石衬底，2-aln缓冲层，3-si掺杂n-gan层，4-in0.04ga0.96n/gan超晶格层，5-in0.04ga0.96n/in0.17ga0.83n多量子阱有源层，6-algan电子阻挡层，7-mg掺杂p-gan层，8-mg重掺杂p++ingan层，9-si重掺杂n++ingan层，10-si掺杂n-gan层，11-ito透明导电层，12-dbr反射层，13-n型通孔阵列，14-n型接触孔阵列，15-p电极孔，16-p焊盘，17-n焊盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例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的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例通过在重掺杂的p-gan和n-gan之间形成的隧穿结来限制micro-led中的垂直电流路径，利用载流子隧穿效应降低接触电阻，提高载流子注射效率，提高micro-led电致发光性能，将micro-led芯片设计为倒装结构，提高了芯片的取光效率(lee)、光电性能、热稳定性能。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种倒装结构蓝光micro-led芯片设计制造方法，具体包括以下步骤：

s1.清洁蓝宝石衬底，然后在蓝宝石衬底上生长一层低温aln成核层；

s2.在aln成核层上生长一层si掺杂n型gan作为电流扩散层；

s3.在n型gan上生长in0.04ga0.96n/gan超晶格应力释放层，改善量子阱层的晶体质量；

s4.在超晶格层上生长多量子阱层：每个周期由一层in0.04ga0.96n势垒层、一层in0.17ga0.83n势阱层组成；

s5.在有源层上沉积一层p-gan：mg，继续沉积algan作为电子阻挡层，防止电子泄漏到p型层；

s6.在电子阻挡层上分别沉积p-gan：mg、重掺杂的p++ingan：mg和n++ingan:si，二者之间形成隧穿结；

s7.在隧穿层上沉积si掺杂的n型gan作为电流扩散层；

s8.清洗所得外延片，利用标准化光刻技术并采用bcl3/cl2混合气体刻蚀n-gan、p-gan、mqws层，形成直达n-gan外延层的n型通孔；

s9.在n-gan上沉积ito透明导电层，再使用ito刻蚀液去除n型通孔中的ito；

s10.在ito上沉积整层dbr反射层，然后采用chf3/ar/o2混合气体对dbr反射层表面n型通孔对应位置刻蚀n型接触孔阵列，在dbr反射层上进行p电极孔的刻蚀，刻蚀深度直达n-gan层；

s11.在n/p电极孔上蒸镀cr/pt/au金属层，通过剥离工艺形成n焊盘和p焊盘；

s12.将倒装led焊接到高热导率的基板上。

并且，s1中低温aln成核层厚度为20nm；s2中n-ga：si电流扩展层厚度为200nm；s3中每个周期in0.04ga0.96n/gan厚度约为3nm，超晶格层厚度为100nm；s4中每个周期中in0.04ga0.96n势垒层厚度为8nm，in0.17ga0.83n势阱层厚度为2.6nm，周期数为5；s5中沉积一层p-gan：mg掺杂浓度为3×10¹⁹cm^﹣3，厚度为100nm；s6中重掺杂的p++ingan：mg和n++ingan:si厚度分别为20nm、10nm；掺杂浓度分别为1×10²⁰cm^﹣3、5×10²⁰cm^﹣3，p++ingan：mg和n++ingan:si形成的隧穿层横截面为圆形图案；p++ingan：mg和n++ingan:si层形成的隧穿结构圆心位于外延层横截面中心，并在两侧留有一定距离；p++ingan：mg和n++ingan:si层截面形状完全相同，二者接触界面以及p++ingan：mg层上表面与algan电子阻挡层表面平齐；s7中n-gan外延层将隧穿层完全覆盖，隧穿层嵌入在n-gan层之中，隧穿层上方有一定厚度的n-gan，n-gan厚度为200nm；s8中标准化光刻技术并采用bcl3/cl2混合气体刻蚀n型通孔直径为3μm，n型通孔阵列为3×3，n型通孔圆心间距为7μm；s9中ito透明导电层厚度为30nm；s10中dbr分布式布拉格反射镜采用双堆栈式结构，第一组dbr由7对sio2/tio2(47.4nm/79.5nm)，第二组dbr由7对dbr由7对sio2/tio2(65.0nm/150.1nm)组成；s10中n电极孔刻蚀深度直达aln成核层上方的n-gan层，p电极孔刻蚀深度直达将隧穿层包裹的n-gan层，由隧穿层控制电流路径，在有源区发生复合；n、p电极孔位于隧穿层两侧，电极孔并未穿过p++ingan：mg和n++ingan:si形成的隧穿层；n电极孔侧壁绝缘层厚度为0.5μm；s11中金属层cr/pt/au的厚度分别为30nm/50nm/1200nm。

本实施例的结构提高了micro-led的光电性能、热稳定性能，同时采用倒装结构，缩小了micro-led阵列间距，更容易实现micro-led的微型化和转印。

具体实施时，如图1所示，一种倒装结构蓝光micro-led芯片设计制造方法，具体步骤如下：

1)在1100℃左右和h2氛围下对mocvd反应室内的蓝宝石衬底进行烘烤5～15min，除去表面杂质。

2)以纯度为99.995％的金属铝作为靶材，以he和n2作为反应气体溅射偏置电压为300v，在蓝宝石衬底表面沉积厚度约为20nm的aln缓冲层；目的是缓解gan与蓝宝石衬底之间的晶格不匹配，为后续gan外延层的生长提供成核中心，所以也被称为成核层。如图2所示。

3)在1100℃左右，通入tmga、nh3、sih4，在aln成核层上生长si掺杂厚度为200nm的n-gan作为电流传播层，si施主掺杂浓度为1×10¹⁹cm^﹣3。如图2所示。

4)在800℃左右，生长100nm厚度in0.04ga0.96n/gan超晶格层，每个in0.04ga0.96n/gan周期厚度约为3nm。

5)以n2作为载气，760℃下交替生长in0.04ga0.96n势垒层(8nm)，in0.17ga0.83n势阱层(2.6nm)，周期为5。

6)在温度为945℃左右生长厚度约为100nm的mg掺杂的p-gan，mg受主掺杂浓度为3×10¹⁹cm^﹣3；在低温下沉积algan材料电子阻挡层；algan电子阻挡层厚度20nm。如图2所示。

7)继续生长厚度约为10nm的mg重掺杂p++ingan，mg受主掺杂浓度为1×10²⁰cm^﹣3，在700℃n2氛围中退回20min激活mg受主。

8)将晶片置于nh3分子束外延反应器中，在790℃温度下，在p-gan上生长厚度为20nm的si重掺杂的n++ingan，si施主掺杂浓度为5×10²⁰cm^﹣3，厚度为200nm的si掺杂的n-gan，si掺杂浓度为1×10¹⁹cm^﹣3；如图2所示。

9)清洗所得外延片，使用标准化光刻技术并采用bcl3/cl2混合气体刻蚀n-gan、p-gan和多量子阱(mqws)，形成直达n-gan外延层的n型通孔阵列，n型通孔直径为3μm，n型通孔阵列为3×3，n型通孔圆心间距为7μm；如图3所示。

10)用电子束蒸发设备在gan外延片上沉积厚度为30nm的ito，然后在n2氛围，540℃下退火20min形成低阻欧姆接触；通过ito刻蚀液去除n型通孔中的ito；如图4所示。

11)在ito上沉积双堆栈dbr反射层，然后采用chf3/ar/o2混合气体对dbr反射层表面n型通孔对应位置刻蚀n型接触孔阵列，n型接触孔与n型通孔为同心圆，直径略小于n型通孔，在dbr上刻蚀连通ito的p电极孔，p电极孔深度直达n-gan层；如图5所示。

12)在n/p电极互连孔上蒸镀cr/pt/au金属层通过剥离工艺形成p焊盘和n焊盘；剥离工艺制造金属电极图形，在led芯片上涂覆光刻胶，形成所需图形后蒸镀金属电极材料，最后将残余的光刻胶以及沉积在光刻胶上的金属去除后得到电极图形。如图5所示。

13)利用au-sn共晶焊技术将倒装micro-led芯片焊接到高导热率的基板上。如图1所示。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。