一种倒装结构Micro-LED芯片制造方法与流程

本发明属于半导体发光器件，特别涉及一种倒装结构micro-led芯片制造方法。

背景技术：

1、微型发光二极管(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。

2、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，由于干法刻蚀会在通孔侧壁造成损伤，所形成的位错等缺陷会成为载流子的非辐射复合中心，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。通常led芯片内部的电流拓展性能和载流子注入效率较差，芯片内部电流聚集导致led局部温度过高，影响了器件的可靠性。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。

技术实现思路

1、鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的一种倒装结构micro-led芯片制造方法，基于重掺杂的p++ingan和n++ingan之间形成隧穿结控制电流路径的倒装micro-led结构，该结构提高了micro-led的提高载流子注射效率、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。

2、为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

3、一种倒装结构micro-led芯片制造方法，步骤如下：

4、s1：对蓝宝石衬底进行清洁，然后在蓝宝石衬底上依次生长一层低温成核层、n-gan层、超晶格应力释放层、多量子阱有源区、p-gan层和电子阻挡层；

5、s2：在所述电子阻挡层上继续外延生长重掺杂的p++ingan和n++ingan，形成隧穿层；

6、s3：对隧穿层进行干法刻蚀，刻蚀深度直达电子阻挡层上方；

7、s4：在经刻蚀之后的隧穿层上外延生长n-gan包覆层；

8、s5：在n-gan层上沉积ito透明导电层，退火形成欧姆接触；

9、s6：清洗所得外延片(所述外延片包括蓝宝石衬底、低温成核层、n-gan层、超晶格应力释放层、多量子阱有源区、p-gan层、电子阻挡层、重掺杂的p++ingan/n++ingan隧穿层、n-gan包覆层和ito透明导电层)，采用标准化光刻以及刻蚀技术刻蚀n-gan包覆层、p-gan层、电子阻挡层和多量子阱有源区，形成直达n-gan层的n型通孔；

10、s7：在ito透明导电层上沉积整层dbr反射层，然后对dbr反射层表面n型通孔对应位置刻蚀形成n型电极孔，n电极孔侧壁由dbr填充形成的绝缘层；

11、s8：在dbr反射层上刻蚀形成p电极孔，刻蚀深度直达n-gan包覆层；

12、s9：在n电极孔和p电极孔上蒸镀金属，通过剥离工艺形成n焊盘和p焊盘；

13、s10：将micro-led芯片焊接到高热导率的基板上形成倒装结构。

14、优选地，在步骤s1中蓝宝石衬底厚度为200～400μm；所述低温成核层为aln或gan层，厚度为10～30nm，所述超晶格应力释放层为多个周期的inxga1-xn/gan，其中0＜x＜0.05；所述多量子阱有源区为多个周期的inyga1-yn势阱层和gan势垒层，其中0＜y＜1，通过改变in组分含量实现芯片不同波长的发光。

15、优选地，步骤s2中p++ingan和n++ingan层厚度为10～50nm，其中p++ingan层为mg掺杂，掺杂浓度为1～5×1020cm﹣3，n++ingan为si掺杂，掺杂浓度为4～9×1020cm﹣3。

16、优选地，步骤s3中对p++ingan层和n++ingan层进行刻蚀，p++ingan：mg和n++ingan:si层截面形状完全相同，刻蚀所形成的结构为圆柱、棱柱或圆柱、棱柱阵列，刻蚀至暴露出电子阻挡层；所述电子阻挡层为p-algan，厚度为10～20nm。

17、优选地，步驟s4中n-gan包覆层将隧穿层完全覆盖，隧穿层嵌入在n-gan包覆层之中，且隧穿层上方具有有一定50～100nm的n-gan。

18、优选地，步驟s6中刻蚀n型通孔位于隧穿层两侧，通孔并未穿过p++ingan和n++ingan形成的隧穿层。

19、优选地，在步驟s7中为避免芯片内部发生短路，n电极孔侧壁由dbr填充形成的绝缘层，其厚度为0.1～0.5μm。

20、本发明可达到以下有益效果：

21、1、采用重掺杂的p++ingan和n++ingan形成的隧穿结限制电流路径，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，减少了芯片工作产生的热量，提高了器件的稳定性。通过提高si施主和mg受主浓度，p++ingan和n++ingan形成的隧穿结构降低了接触电阻，电子的空穴的注射效率提高，内量子效率从而得到提升。

22、2、采用倒装结构micro-led，并利用ito/dbr分别作为透明导电层和反射层，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。

23、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。

24、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。

技术特征：

1.一种倒装结构micro-led芯片制造方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种倒装结构micro-led芯片制造方法，其特征在于：在步骤s1中蓝宝石衬底厚度为200～400μm；所述低温成核层为aln或gan层，厚度为10～30nm，所述超晶格应力释放层为多个周期的inxga1-xn/gan，其中0＜x＜0.05；所述多量子阱有源区为多个周期的inyga1-yn势阱层和gan势垒层，其中0＜y＜1，通过改变in组分含量实现芯片不同波长的发光。

3.根据权利要求1所述的一种倒装结构micro-led芯片制造方法，其特征在于：步骤s2中p++ingan和n++ingan层厚度为10～50nm，其中p++ingan层为mg掺杂，掺杂浓度为1～5×1020cm﹣3，n++ingan为si掺杂，掺杂浓度为4～9×1020cm。

4.根据权利要求1所述的一种倒装结构micro-led芯片制造方法，其特征在于：步骤s3中对p++ingan层和n++ingan层进行刻蚀，p++ingan：mg和n++ingan:si层截面形状完全相同，刻蚀所形成的结构为圆柱、棱柱或圆柱、棱柱阵列，刻蚀至暴露出电子阻挡层；所述电子阻挡层为p-algan，厚度为10～20nm。

5.根据权利要求1所述的一种倒装结构micro-led芯片制造方法，其特征在于：步驟s4中n-gan包覆层将隧穿层完全覆盖，隧穿层嵌入在n-gan包覆层之中，且隧穿层上方具有一定50～100nm的n-gan。

6.根据权利要求1所述的一种倒装结构micro-led芯片制造方法，其特征在于：步驟s6中刻蚀n型通孔位于隧穿层两侧，通孔并未穿过p++ingan和n++ingan形成的隧穿层。

7.根据权利要求1所述的一种倒装结构micro-led芯片制造方法，其特征在于：在步驟s7中为避免芯片内部发生短路，n电极孔侧壁由dbr填充形成的绝缘层，其厚度为0.1～0.5μm。

技术总结
一种倒装结构Micro‑LED芯片制造方法，由隧穿结限制电流路径、提升载流子注入效率的倒装结构Micro‑LED芯片制造方法。具体为：在衬底上生长Micro‑LED外延层，包括：n‑GaN层、超晶格应力释放层、多量子阱有源区、p‑GaN层、电子阻挡层、隧穿层和n‑GaN包覆层，隧穿层包括重掺杂的p++InGaN和n++InGaN，二者之间形成隧穿结，可以限制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，并进而提升Micro‑LED发光性能，同时将Micro‑LED芯片设计为倒装结构，可以提高芯片的取光效率、光电性能和热稳定性能。

技术研发人员：叶剑锋,陶国裔,李霁,裴康越,郭林松
受保护的技术使用者：长江生态环保集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16