阅读说明：本技术 一种3D集成式Micro LED及其制作方法 (3D integrated Micro L ED and manufacturing method thereof ) 是由 仇美懿 林耀辉 庄家铭 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种3D集成式Micro LED及其制作方法,所述Micro LED包括导电衬底,若干个设于导电衬底正面上的基底层,设置在基底层正面上并填充在基底层之间的阻挡层,所述阻挡层将基底层隔绝,设置在基底层上发光柱体,所述发光柱体包括设于基底层上的第一半导体层、将第一半导体层的包裹的有源层、将有源层包裹的第二半导体层,覆盖在发光柱体和阻挡层上的透明导电层,所述透明导电层将多个发光柱体形成导电连接,设于导电衬底背面的第一电极,设于透明导电层上的第二电极,所述发光柱体实现360度出光,且其发光角度为180度。(The invention discloses a 3D integrated Micro L ED and a manufacturing method thereof, wherein the Micro L ED comprises a conductive substrate, a plurality of base layers arranged on the front surface of the conductive substrate, a barrier layer arranged on the front surface of the base layers and filled between the base layers, and a light emitting column arranged on the base layers, wherein the barrier layer isolates the base layers, the light emitting column comprises a first semiconductor layer arranged on the base layers, an active layer wrapping the first semiconductor layer, a second semiconductor layer wrapping the active layer, and a transparent conductive layer covering the light emitting column and the barrier layer, the transparent conductive layer enables the plurality of light emitting columns to form conductive connection, a first electrode arranged on the back surface of the conductive substrate and a second electrode arranged on the transparent conductive layer, the light emitting column realizes 360-degree light emitting, and the light emitting angle of the light emitting column is 180 degrees.)

一种3D集成式Micro LED及其制作方法

技术领域

本发明涉及二极管技术领域，尤其涉及一种3D集成式Micro LED及其制作方法。

背景技术

微型发光二极管(Micro Light-Emitting Diode，Micro LED)是一种尺寸为微米级的发光二极管，由于Micro LED的尺寸较小，因此其可以作为显示面板上的像素，采用Micro LED制备得到的显示面板可称为Micro LED显示面板。与有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)显示面板相比，Micro LED显示面板的使用寿命和可视角度均优于OLED显示面板，因此Micro LED显示技术成为目前显示技术领域的研究重点。

参见图1，现有的Micro LED芯片包括衬底10、设于衬底10上的第一半导体层20、设于第一半导体成20上的有源层30和第一电极51、设于有源层30上的第二半导体层40、以及设于第二半导体层40上的第二电极52。现有的Micro LED芯片由于受外层长晶的限制，发光角一般都在110～130度之间，若要增加芯片的发光角度，则需要进行封装实现二次光学出光，这样不仅增加芯片的成本，由于封装后芯片体积增大，因此也难以形成体积小、像素高的屏幕。

此外，现有Micro LED芯片的有源层30只设置在第一半导体层20的平面上，为2D发光结构，属于平面发光。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种3D集成式Micro LED，可实现360度出光，且其发光角度为180度。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种3D集成式Micro LED，体积小、像素高。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种3D集成式Micro LED的制作方法，可实现360度出光，且其发光角度为180度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种3D集成式Micro LED，包括：

导电衬底，

若干个设于导电衬底正面上的基底层，

设置在基底层正面上并填充在基底层之间的阻挡层，所述阻挡层将基底层隔绝，

设置在基底层上发光柱体，所述发光柱体包括设于基底层上的第一半导体层、将第一半导体层的包裹的有源层、将有源层包裹的第二半导体层，

覆盖在发光柱体和阻挡层上的透明导电层，所述透明导电层将多个发光柱体形成导电连接，

设于导电衬底背面的第一电极，设于透明导电层上的第二电极，

所述发光柱体实现360度出光，且其发光角度为180度。

作为上述方案的改进，所述发光柱体为柱状结构，所述发光柱体之间的间隔为3～50μm。

作为上述方案的改进，所述基底层包括AlN层、AlGaN层和U-GaN层，所述AlN层设于导电衬底上，所述AlGaN层设于AlN层和U-GaN层之间。

作为上述方案的改进，所述的阻挡层的高度大于等于基底层的高度，所述阻挡层由不透明的绝缘材料制成。

作为上述方案的改进，所述基底层的厚度为1.5～2μm，所述阻挡层的厚度为2～3μm，所述阻挡层的材料为氮化硅或氮化铟。

作为上述方案的改进，所述导电衬底为硅衬底，厚度为80～150μm；

所述透明导电层为ITO层，厚度为100～200nm；

所述第一电极的结构为Al/Ti/Pt/Au，其厚度为100-200nm/50-80nm/50-100nm/200-3000nm；

所述第二电极的结构为Cr/Pt/Au，其厚度为3-50nm/50-100nm/200-3000nm。

作为上述方案的改进，还包括保护层，所述保护层设置在第二电极以外的透明导电层上，所述保护层由绝缘层材料制成。

相应地，本发明还提供了一种3D集成式Micro LED的制作方法，包括以下步骤：

一、在导电衬底的正面上形成基底层和第一半导体层，

二、对第一半导体层和基底层进行刻蚀，刻蚀至导电衬底的表面，形成若干个柱状结构；

三、在裸露出来的导电衬底正面上形成阻挡层，所述阻挡层将基底层隔绝；

四、在第一半导体层上依次形成有源层和第二半导体层，以形成发光柱体；

五、在发光柱体和阻挡层上形成透明导电层，将多个发光柱体形成导电连接；

六、在导电衬底的背面形成第一电极，在透明导电层上形成第二电极；

所述发光柱体实现360度出光，且其发光角度为180度。

作为上述方案的改进，步骤(二)中要进行2次刻蚀，

第一次刻蚀为粗刻蚀，对第一半导体层和基底层进行刻蚀，刻蚀至导电衬底的表面，形成若干个柱状结构；

第二次刻蚀为细刻蚀，只对第一半导体层进行刻蚀，刻蚀至基底层的表面，以使第一半导体层形成柱状结构，且第一半导体层的横截面面积小于基底层的横截面面积。

作为上述方案的改进，在步骤(三)和步骤(四)之间，还包括以下步骤：在刻蚀后的第一半导体层上形成预设厚度的新第一半导体层，使得整个第一半导体层的厚度为刻蚀前的第一半导体层的厚度。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明利用导电衬底上下电性导通的特性，在导电衬底上设置多个发光柱体，其中，发光柱体的有源层将第一半导体层包裹住、第二半导体层将有源层包裹住形成柱状结构，可实现360度出光，且其发光角度可达到180度。

2、本发明将多个发光柱体设置在导电衬底上，可以通过调整发光柱体之间的间距，以获得更小、更高像素的LED显示屏。进一步地，本发明的发光柱体将可以将芯片的发光角扩大为全方位，更可以从原本的2D发光，提升为3D发光，进一步提高像素。

3、本发明利用导电衬底上下电性导通的特性，在导电衬底上设置多个发光柱体形成阵列模式，同时配合第一电极和第二电极，实现Micro LED的集成，解决了巨量转移的问题。

4、本发明在导电衬底上形成若干个发光柱体，利用导电衬底上下电性导通的特性，省去激光剥离衬底的问题，所述透明导电层将若干个发光柱体连接在一起形成导电连接，只需在透明导电层上形成一个第二电极，在导电衬底的背面形成一个第一电极，有效减少电极的数量，降低成本。

附图说明

图1是现有Micro LEDd的结构示意图；

图2是本发明3D集成式Micro LED的结构示意图；

图3是本发明3D集成式Micro LED的立体图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参见图2和图3，本发明提供的一种3D集成式Micro LED，包括导电衬底10，若干个设于导电衬底10正面上的基底层20，设置在导电衬底10上并填充在基底层之间的阻挡层30，设置在基底层20上发光柱体40，覆盖在发光柱体40和阻挡层30上的透明导电层50，设于透明导电层50上的第二电极72，以及设于导电衬底10背面上的第一电极71。

本发明将多个发光柱体40集成在导电衬底10上，为了保证导电衬底10上下电性导通，省去激光剥离衬底的步骤，本发明的导电衬底10要由导电材料制成。此外，为了防止漏光，提高芯片的出光效率，本发明的导电衬底10要由不透光的材料制成。优选的，所述导电衬底10由硅制成。

优选的，所述导电衬底10的厚度为80～150μm。更优的，所述导电衬底10的厚度为80～120μm。若导电衬底10的厚度小于80μm，则厚度太薄，容易裂开，其不到支撑、连接的作用；若其厚度大于150μm，则芯片的电压会增高。

本发明的导电衬底10可为2寸的硅衬底、4寸的硅衬底或6寸的硅衬底，但不限于此。

发光柱体40与导电衬底10的材料差异较大，因此两者之间存在较大的晶格失配，为了保证发光柱体40能够集成在导电衬底10上，本发明在导电衬底10的正面和发光柱体40之间设置基底层20，起到减少晶格失配的作用。

为了保证发光柱体40之间是独立发光的，本发明基底层20之间填充阻挡层30，以将基底层20隔绝，从而保证基底层20也是独立的。此外，本发明的阻挡层30还起到防止基底层20侧面漏光的作用，因此本发明的阻挡层30要由不透明绝缘材料制成，且阻挡层30的高度要大于等于基底层20的高度。优选的，所述阻挡层30的材料为氮化硅或氮化铟。

本发明的基底层20可以为单层结构，也可以为叠层结构。当基底层20为叠层结构时，起到减少晶格失配的效果更佳，但若叠层结构的厚度太厚，效果反而会减弱。优选的，所述基底层20的厚度为1.5～2μm。对应的，所述阻挡层30的厚度为2～3μm。

所述基底层20的材料要介于导电衬底10和发光柱体40之间，优选的，所述基底层20包括AlN层、AlGaN层和U-GaN层中的一层或几层。优选的，所述基底层20包括AlN层、AlGaN层和U-GaN层，所述AlN层设于导电衬底上，所述AlGaN层设于AlN层和U-GaN层之间。

所述基底层20的形状为圆形、方形、三角形或不规则形状，但不限于此。

本发明的发光柱体40为一种柱体状的发光结构，可实现360度出光，且其发光角度可达到180度。所述发光柱体40包括设于基底层20上的第一半导体层41、将第一半导体层41的包裹的有源层42、将有源层42包裹的第二半导体层43。

为了保证第一半导体层41可以刻蚀层柱状结构，且不影响第一半导体层41和第二半导体层43之间的电子和空穴的配对，本发明第一半导体层41的厚度为2.5～3μm。若第一半导体层41的厚度过小，则不易于形成柱状结构被有源层42包裹；若第一半导体层41的厚度过大，则电子和空穴的配对失衡，影响光子的产生。

与现有发光结构不同的是，本发明的有源层42不只是设置在第一半导体层41的正面上，还包裹在第一半导体层41的侧壁上，因此本发明的发光柱体40可实现3D发光。

由于本发明将发光柱体40设置在导电衬底10上，且导电衬底10具有上下电性导通的作用，因此设置在导电衬底10上的第一半导体层41可以被有源层42包裹，有源层42可以被第二半导体层43包裹住，从而实现360发光。此外，本发明将多个发光柱40体设置在导电衬底10上，可以通过调整发光柱体40之间的间距，以获得更小、更高像素的LED显示屏。进一步地，本发明的发光柱体40将可以将芯片的发光角扩大为全方位，更可以从原本的2D发光，提升为3D发光，进一步提高像素。

所述发光柱体40的形状为圆柱体、锥状体或多角柱体，但不限于此。

本发明的透明导电层50覆盖在发光柱体40和阻挡层30上，将多个发光柱体40形成导电连接。优选的，所述透明导电层50为ITO层，厚度为100～200nm。

由于本发明将多个发光柱体40集成在同一个导电衬底10上，其中发光柱体40之间的间隔较少，灰尘、碎屑等污染物容易粘附在发光柱体40上，因此导致芯片发生短路等问题，为了保护发光柱体40，本发明第二电极72以外的透明导电层40上设置保护层60，所述保护层60由绝缘材料制成。优选的，所述保护层60由SiO₂或Al₂O₃制成，其厚度为100～300nm。

本发明的第一电极71设置在导电衬底10的背面，第二电极72设置在透明导电层50上，第一电极71和第二电极72设于导电衬底10的上下两侧，实现了导电衬底10的上下电性导通，并将导电衬底10上的多个发光柱体40形成导电连接。

所述第一电极71的结构为Al/Ti/Pt/Au，其厚度为100-200nm/50-80nm/50-100nm/200-3000nm。第一电极71中Al作为黏附层，若其厚度小于100nm，则厚度太薄，黏不好，若其厚度大于200nm，则容易因高温迁移；Ti作为阻隔层，若其厚度小于50nm，则阻挡效果不佳，若其厚度大于80nm，则会导致芯片电压升高；Pt作为叠障层，防止Al迁移，若其厚度小于50nm，则防迁移效果不佳，若其厚度大于100nm，则厚度过厚，造成浪费；Au作为导电层，若其厚度小于200nm，则厚度太薄，不利于后续的焊接，若厚度大于3000nm，则厚度太厚，造成浪费。

所述第二电极72的结构为Cr/Pt/Au，其厚度为3-50nm/50-100nm/200-3000nm。第二电极72中Cr作为欧姆接触层，若其厚度若低于3nm，则会附著不牢固，若其厚度大于50nm，则会吸光；Pt作为叠障层，防止Cr往上扩散，若其厚度小于50nm，则起不到防扩散的效果，若其厚度大于100nm，则厚度过大，造成浪费；Au作为导电层，若其厚度小于200nm，则厚度太薄，不利封装打线，若其厚度大于3000nm，则厚度太厚，造成浪费。

本发明利用导电衬底上下电性导通的特性，在导电衬底上设置多个发光柱体，本发明发光柱体的有源层将第一半导体层包裹住、第二半导体层将有源层包裹住形成柱状结构，可实现360度出光，且其发光角度可达到180度。

本发明利用导电衬底上下电性导通的特性，在导电衬底上设置多个发光柱体形成阵列模式，同时配合第一电极和第二电极，实现Micro LED的集成，解决了巨量转移的问题。

本发明在导电衬底上形成若干个发光柱体，利用导电衬底上下电性导通的特性，省去激光剥离衬底的问题，所述透明导电层将若干个发光柱体连接在一起形成导电连接，只需在透明导电层上形成一个第二电极，在导电衬底的背面形成一个第一电极，有效减少电极的数量，降低成本。

相应地，本发明还提供了一种3D集成式Micro LED的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、在导电衬底的正面上形成基底层和第一半导体层；

为了保证导电衬底上下电性导通的效果，省去激光剥离衬底的步骤，本发明的导电衬底要由导电材料制成。此外，为了防止漏光，提高芯片的出光效率，本发明的导电衬底要由不透光的材料制成。优选的，所述导电衬底由硅制成。

优选的，所述导电衬底的厚度为80～150μm。更优的，所述导电衬底的厚度为80～120μm。若导电衬底的厚度小于80μm，则厚度太薄，容易裂开，其不到支撑、连接的作用；若其厚度大于150μm，则芯片的电压会增高。

本发明的导电衬底可为2寸的硅衬底、4寸的硅衬底或6寸的硅衬底，但不限于此。

第一半导体层与导电衬底的材料差异较大，因此两者之间存在较大的晶格失配，为了保证发光柱体能够集成在导电衬底上，本发明在导电衬底的正面和发光柱体之间设置基底层，起到减少晶格失配的作用。

本发明的基底层可以为单层结构，也可以为叠层结构。当基底层为叠层结构时，起到减少晶格失配的效果更佳，但若叠层结构的厚度太厚，效果反而会减弱。优选的，所述基底层的厚度为1.5～2μm。对应的，所述阻挡层的厚度为2～3μm。

所述基底层的材料要介于导电衬底和发光柱体之间，优选的，所述基底层包括AlN层、AlGaN层和U-GaN层中的一层或几层。优选的，所述基底层包括AlN层、AlGaN层和U-GaN层，所述AlN层设于导电衬底上，所述AlGaN层设于AlN层和U-GaN层之间。

为了保证第一半导体层可以刻蚀层柱状结构，且不影响第一半导体层和第二半导体层之间的电子和空穴的配对，本发明第一半导体层的厚度为2.5～3μm。若第一半导体层的厚度过小，则不易于形成柱状结构被有源层包裹；若第一半导体层的厚度过大，则电子和空穴的配对失衡，影响光子的产生。

二、对第一半导体层和基底层进行刻蚀，刻蚀至导电衬底的表面，形成若干个柱状结构；

具体的，采用黄光开图和ICP刻蚀的方法对第一半导体层和基底层进行刻蚀。

为了便于有源层将第一半导体层包裹住，本发明需要进行两次刻蚀。第一次刻蚀为粗刻蚀，对第一半导体层和基底层进行刻蚀，刻蚀至导电衬底的表面，形成若干个柱状结构；第二次刻蚀为细刻蚀，只对第一半导体层进行刻蚀，刻蚀至基底层的表面，以使第一半导体层形成柱状结构，且第一半导体层的横截面面积小于基底层的横截面面积。

由于本发明基底层与第一半导体层的材料相近，因此本发明在导电衬底上形成基底层和第一半导体层后，可以采用相同的刻蚀工艺对基底层和第一半导体层同时进行刻蚀，这样操作更简，效率更高，且刻蚀效果更好。

本发明分开两次来进行刻蚀，可以形成面积比基底层小的第一半导体层，以便于有源层将第一半导体层包裹住。此外，本发明还可以根据需要单独刻蚀出所需形状的第一半导体层，刻蚀精度更高。进一步地，本发明采用两次刻蚀法来刻蚀第一半导体层，可以保证第一半导体层之间的间距为3～50μm。

由于本发明发光柱体形成在基底层上，因此基底层的面积大于等于第一半导体层的面积。优选的，所述基底层的形状为圆形、方形、三角形或不规则形状，但不限于此。

三、在裸露出来的导电衬底正面上形成阻挡层；

具体的，采用PECVD沉积或磁控溅射的方法在裸露出的导电衬底的正面上形成阻挡层。本发明的阻挡层设置在基底层之间，以将基底层隔绝，同时还起到防止基底层侧面漏光的作用，因此本发明的阻挡层要由不透明绝缘材料制成，且阻挡层的高度要大于等于基底层的高度。优选的，所述阻挡层的材料为氮化硅或氮化铟，所述阻挡层的厚度为2～3μm。

四、在第一半导体层上依次形成有源层和第二半导体层，以形成发光柱体；

所述有源层将第一半导体层包裹住，所述第二半导体层将有源层包裹住，以形成发光柱体。本发明的发光柱体为一种柱体状的发光结构，可实现360度出光，且其发光角度可达到180度。

与现有发光结构不同的是，本发明的有源层不只是设置在第一半导体层的正面上，还包裹在第一半导体层的侧壁上，因此本发明的芯片可实现3D发光。

由于本发明将发光柱体设置在导电衬底上，且导电衬底具有上下电性导通的作用，因此设置在导电衬底上的第一半导体层可以被有源层包裹。此外，本发明将多个发光柱体设置在导电衬底上，可以通过调整发光柱体之间的间距，以获得更小、更高像素的LED显示屏。进一步地，本发明的发光柱体将可以将芯片的发光角扩大为全方位，更可以从原本的2D发光，提升为3D发光，进一步提高像素。

所述发光柱体的形状为圆柱体、锥状体或多角柱体，但不限于此。

由于本发明需要对第一半导体层进行刻蚀以形成柱状结构，刻蚀后的第一半导体层的晶格会发生变化，若有源层直接形成在刻蚀后的第一半导体层上，整个发光柱体会因为晶体的不匹配而容易发生漏电。因此本发明在第一半导体层刻蚀完成后，形成有源层之前，即在步骤(三)和步骤(四)之间，还包括以下步骤：在刻蚀后的第一半导体层上形成预设厚度的新第一半导体层，使得整个第一半导体层的厚度为刻蚀前的第一半导体层的厚度。

需要说明的是，本发明的第一半导体层为N-GaN层，有源层为多量子阱层，第二半导体层为P-GaN层，但不限于此。

五、在发光柱体和阻挡层上形成透明导电层，将多个发光柱体形成导电连接；

具体的，采用蒸镀或溅射的方法在在发光柱体和阻挡层上形成透明导电层。本发明的透明导电层为ITO层，但不限于此。优选的，所述透明导电层的厚度为100～200nm。

六、在导电衬底的背面形成第一电极，在透明导电层上形成第二电极；

具体的，采用蒸镀或溅射的在导电衬底的背面形成第一电极，在透明导电层上形成第二电极。

本发明的第一电极设置在导电衬底的背面，第二电极设置在透明导电层上，第一电极和第二电极设于导电衬底的上下两侧，实现了导电衬底的上下电性导通，并将导电衬底上的多个发光柱体形成导电连接。

所述第一电极的结构为Al/Ti/Pt/Au，其厚度为100-200nm/50-80nm/50-100nm/200-3000nm。第一电极中Al作为黏附层，若其厚度小于100nm，则厚度太薄，黏不好，若其厚度大于200nm，则容易因高温迁移；Ti作为阻隔层，若其厚度小于50nm，则阻挡效果不佳，若其厚度大于80nm，则会导致芯片电压升高；Pt作为叠障层，防止Al迁移，若其厚度小于50nm，则防迁移效果不佳，若其厚度大于100nm，则厚度过厚，造成浪费；Au作为导电层，若其厚度小于200nm，则厚度太薄，不利于后续的焊接，若厚度大于3000nm，则厚度太厚，造成浪费。

所述第二电极的结构为Cr/Pt/Au，其厚度为3-50nm/50-100nm/200-3000nm。第二电极中Cr作为欧姆接触层，若其厚度若低于3nm，则会附著不牢固，若其厚度大于50nm，则会吸光；Pt作为叠障层，防止Cr往上扩散，若其厚度小于50nm，则起不到防扩散的效果，若其厚度大于100nm，则厚度过大，造成浪费；Au作为导电层，若其厚度小于200nm，则厚度太薄，不利封装打线，若其厚度大于3000nm，则厚度太厚，造成浪费。

七、在第二电极以外的透明导电层上形成保护层；

采用PECVD沉积的方法在第二电极以外的透明导电层上形成保护层。由于本发明将多个发光柱体集成在同一个导电衬底上，其中发光柱体之间的间隔较少，灰尘、碎屑等污染物容易粘附在发光柱体上，因此导致芯片发生短路等问题，为了保护发光柱体，本发明在透明导电层上设置保护层，所述保护层由绝缘材料制成。优选的，所述保护层由SiO₂或Al₂O₃制成，其厚度为100～300nm。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。