阅读说明：本技术 Led芯片及其制备方法 (LED chip and preparation method thereof ) 是由 朱玲 吴懿平 吕卫平 胡俊华 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种LED芯片及其制备方法,LED芯片上形成有由依次贯穿n型材料层、多量子阱层和p型材料层的纳米柱组成的第一纳米柱区域和第二纳米柱区域。这种LED芯片上形成有第一纳米柱区域和第二纳米柱区域,结合实验数据,纳米柱的直径变化可以改变纳米柱内的多量子阱层的发光波长,通过第一纳米柱区域内的纳米柱的直径大于第二纳米柱区域内的纳米柱的直径,从而可以使得第一纳米柱区域和第二纳米柱区域分别发出波长不同的光,从而使得这种LED芯片可以实现多彩显示。(The invention relates to an LED chip and a preparation method thereof.A first nanorod area and a second nanorod area which are composed of nanorods penetrating through an n-type material layer, a multi-quantum well layer and a p-type material layer in sequence are formed on the LED chip. The LED chip is provided with the first nanorod area and the second nanorod area, the diameter change of the nanorods can change the light emitting wavelength of a multi-quantum well layer in the nanorods by combining experimental data, the diameter of the nanorods in the first nanorod area is larger than that of the nanorods in the second nanorod area, so that the first nanorod area and the second nanorod area can respectively emit light with different wavelengths, and the LED chip can realize colorful display.)

LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种LED芯片及其制备方法。

背景技术

micro-LED是一种可以用于屏幕显示的LED器件，其通过单个LED芯片发光实现照明和显示。

然而，由于LED器件出单色光的特性，要想实现多彩显示，需要多个发不同颜色的LED芯片配合实现。

也就是说，单个LED芯片无法实现多彩显示。

发明内容

基于此，有必要提供一种LED芯片，其可以发出两种或两种以上的光，从而可以实现多彩显示。

一种LED芯片，包括依次层叠的基层、第一金属层、p型材料层、多量子阱层、n型材料层以及第二金属层；

所述LED芯片上形成有由依次贯穿所述n型材料层、所述多量子阱层和所述p型材料层的纳米柱组成的第一纳米柱区域和第二纳米柱区域，所述第一纳米柱区域内的纳米柱的直径大于所述第二纳米柱区域内的纳米柱的直径。

一种LED芯片的制备方法，用于制备上述的LED芯片，所述LED芯片的制备方法包括如下步骤：

提供LED晶元，其中，所述LED晶元包括依次层叠的p型材料层、多量子阱层、n型材料层和衬底；

在所述p型材料层上形成第一金属层，接着在所述第一金属层上设置基层，从而使得所述基层、第一金属层和所述p型材料层依次层叠；

去除所述衬底，接着对所述n型材料层进行第一次平整化处理；

在所述n型材料层上形成具有所需的图案的掩膜层，接着刻蚀形成第一纳米柱区域和第二纳米柱区域，其中，所述第一纳米柱区域和所述第二纳米柱区域均由依次贯穿所述n型材料层、所述多量子阱层和所述p型材料层的纳米柱组成，所述第一纳米柱区域内的纳米柱的直径大于所述第二纳米柱区域内的纳米柱的直径；以及

对所述n型材料层进行第二次平整化处理后，得到半成品，在所述n型材料层上形成第二电极层，从而得到所述LED芯片。

这种LED芯片上形成有第一纳米柱区域和第二纳米柱区域，结合实验数据，纳米柱的直径变化可以改变纳米柱内的多量子阱层的发光波长，通过第一纳米柱区域内的纳米柱的直径大于第二纳米柱区域内的纳米柱的直径，从而可以使得第一纳米柱区域和第二纳米柱区域分别发出波长不同的光，从而使得单个的这种LED芯片可以实现多彩显示。

此外，与传统的采用多个发出不同颜色光的LED相比，这种LED芯片通过第一纳米柱区域和第二纳米柱区域可以同时发出至少两种以上的光，这就使得采用了这种LED芯片的器件的显示分辨率和显色指数CRI(可达100)明显优于传统的器件。

附图说明

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。

其中：

图1为一实施方式的LED芯片的剖面结构示意图。

图2为如图1所示的LED芯片的制备工艺图。

图3为实施例1制得的LED芯片的留白区域、第一纳米柱区域、第二纳米柱区域、第三纳米柱区域和第四纳米柱区域的光致发光光谱图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以容许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示的一实施方式的LED芯片，包括依次层叠的基层10、第一金属层20、p型材料层30、多量子阱层40、n型材料层50以及第二金属层60。

结合图1，LED芯片上形成有由依次贯穿n型材料层50、多量子阱层40和p型材料层30的纳米柱组成的第一纳米柱区域101和第二纳米柱区域102，第一纳米柱区域101内的纳米柱的直径大于第二纳米柱区域102内的纳米柱的直径。

结合图1，第一纳米柱区域101可以设置多个彼此间隔的纳米柱，也可以仅设置一个纳米柱，每个纳米柱从上到下包括n型材料层50、多量子阱层40和p型材料层30。

同样的，第二纳米柱区域102可以设置多个彼此间隔的纳米柱，也可以仅设置一个纳米柱，每个纳米柱从上到下包括n型材料层50、多量子阱层40和p型材料层30。

结合实验数据，我们发现纳米柱的直径变化可以改变纳米柱内的多量子阱层的发光波长，一般来说，随着纳米柱的直径的降低，纳米柱内的多量子阱层的发光波长也随之降低。

此外，与传统的采用多个发出不同颜色光的LED相比，这种LED芯片通过第一纳米柱区域和第二纳米柱区域可以同时发出至少两种以上的光，这就使得采用了这种LED芯片的器件的显示分辨率和显色指数CRI(可达100)明显优于传统的器件。

本申请公开的LED芯片中，第一纳米柱区域101内的纳米柱的直径大于第二纳米柱区域102内的纳米柱的直径，从而可以使得第一纳米柱区域101和第二纳米柱区域102分别发出波长不同的光，从而使得这种LED芯片可以实现多彩显示。

优选的，第一纳米柱区域101和第二纳米柱区域102均为多个纳米柱形成的三角形或六角形(六边形)。采用三角形或六角形结构，可以实现相邻的区域的紧密排列，能最大限度的节省多量子阱层40的有源区面积。

在其他的实施方式中，第一纳米柱区域101和第二纳米柱区域102也可以为多个纳米柱形成的圆形、四边形、五边形等其他形状。

本申请中所描述的第一纳米柱区域101为六边形等形状，是指俯视下的第一纳米柱区域101的形状。

优选的，第一纳米柱区域101内的纳米柱的直径为100nm～1500nm，第二纳米柱区域102内的纳米柱的直径为10nm～800nm。

具体来说，LED芯片上还可以设置留白区域，留白区域内未形成纳米柱，从而使得留白区域可以发出第三种颜色的光。

通过留白区域、第一纳米柱区域和第二纳米柱区域分别发出三种不同颜色的光，经过合适的调整后，LED芯片可以发出红黄蓝三种颜色的光，从而组成了光的三原色，这种LED芯片可以实现全彩发光。

与传统的全彩微显示方案相比，LED芯片具有如下多个优点：1)纳米柱可以缓解应力，提高出光效率，可以满足LED芯片小像素高分辨率的要求；2)在单个LED芯片上实现全彩，不依赖外部发光材料或者光学部件，色彩稳定均匀、体积小、易于集成；3)采用纳米压印可进行成本低的大规模微纳加工，使该全彩LED微型显示阵列方案有实际应用的潜力。

优选的，多量子阱层的发光波长为560nm～770nm。由于纳米柱可以实现多量子阱的发光波长的缩短，因此一般我们选择发光波长较长的多量子阱(红光、橙光和黄光)，从而可以具有较好的调节空间。

本实施方式中，p型材料层30为p-GaN层，n型材料层50为n-GaN层，多量子阱层40为以InGaN/GaN为层叠单元的多量子阱层(优选为层叠六次)。

在其他的实施方式中，也可以采用其他类型的多量子阱。

多量子阱层40为以InGaN/GaN为层叠单元的多量子阱层时，其层叠次数可以为3～20次。

本申请中，选择多量子阱层40的唯一标准就是其发光波长，多量子阱层40的具体材料、掺杂比例、层叠单元、层叠次数等参数均可以随意搭配，只需要能够实现发出我们需要的发光波长的光即可。

本实施方式中，基层10为二氧化硅基层，第一金属层20为Ni/Au或Ni/Ag，第二金属层60的材料为Ti/Al。其中，“/”代表层叠的意思。

结合图2，本申请还公开了一种上述LED芯片的制备方法，包括如下步骤：

S10、提供LED晶元。

结合图2a，LED晶元包括依次层叠的p型材料层30、多量子阱层40、n型材料层50和衬底200。

LED晶元通常为直接购买得到，只需要购买符合发光波长需求的LED晶元即可。

S20、在p型材料层30上形成第一金属层20，接着在第一金属层20上设置基层10，从而使得基层10、第一金属层和p型材料层30依次层叠。

结合图2b和图2c，通常采用电子束蒸镀的方式形成第一金属层20。

第一金属层20通常选择高反射率的金属材料制备，从而使得第一金属层20起到反射层的作用。

在第一金属层20上设置基层10的操作可以为：通过硅胶将SiO₂基板(基层10)和第一金属层20粘合在一起。

S30、去除衬底200，接着对n型材料层50进行第一次平整化处理。

本实施方式中，衬底200为蓝宝石衬底。去除衬底200操作为：通过激光剥离技术(LLO)去除衬底200，其中，激光剥离技术中采用的激光束为波长为266nm的深紫外激光束。

通过激光剥离技术(LLO)去除衬底200可以避免串光效应，提高值得的LED芯片的散热能力和每个像素单元的电流密度。

激光剥离技术中采用的激光束为波长为266nm的深紫外激光束以穿过蓝宝衬底并被n-GaN层强烈吸收，使n-GaN层/蓝宝石衬底之间的界面消融。

在其他的实施方式中，衬底200也可以为硅衬底，去除衬底200操作为：通过湿法刻蚀去除衬底200。

本实施方式中，对n型材料层进行第一次平整化处理的操作为：采用干法刻蚀对n型材料层50进行减薄处理，并且使得减薄后的n型材料层50的表面粗糙度小于10nm。

经过LLO去除衬底200之后，n-GaN界面变得非常粗糙，但对于纳米压印过程来说，极好的表面平整度是必须的。通过研究ICP的参数对表面粗糙度(RMS)的影响，采用干法刻蚀对n型材料层进行减薄处理，可以将表面粗糙度(RMS)降至～10nm。此外，为了进一步使蚀刻表面的平滑度恢复到接近外延生长的水平，还需要进一步使用化学处理和退火处理对RMS的减少。

S40、在n型材料层50上形成具有所需的图案的掩膜层300，接着刻蚀形成第一纳米柱区域101和第二纳米柱区域102。

结合图2f、图2g和图2h，第一纳米柱区域101和第二纳米柱区域102由依次贯穿n型材料层50、多量子阱层40和p型材料层30的纳米柱组成，并且第一纳米柱区域101内的纳米柱的直径大于第二纳米柱区域102内的纳米柱的直径。

本实施方式中，掩膜层300为光刻胶层300。

本实施方式中，在完成第一次平整化处理的n型材料层50上形成具有所需的图案的掩膜层的操作为：在n型材料层50上涂覆光刻胶形成光刻胶层300，然后采用纳米压印的方法将所需的图案转移到光刻胶层300上。

在其他的实施方式中，在完成第一次平整化处理的n型材料层50上形成具有所需的图案的掩膜层的操作还可以为：在n型材料层50上设置Ni蚀刻掩模，接着在Ni蚀刻掩模上设置SiO₂层，通过纳米压印将所需的图案转化到SiO₂层，接着蚀刻从而将所需的图案从SiO₂层转印到Ni蚀刻掩模上，通过Ni蚀刻掩模与n型材料层之间的高刻蚀选择比来获得侧壁垂直的纳米柱。该方案可以保证蚀刻得到的纳米柱垂直并且具有光滑的轮廓。

S50、对n型材料层50进行第二次平整化处理后，得到半成品，在n型材料层50上形成第二电极层60，从而得到所需的LED芯片。

结合图2i，第二电极层60一般通过电子束蒸镀制得。

优选的，对n型材料层50进行第二次平整化处理的操作为：在第一纳米柱区域101和第二纳米柱区域102填充介质材料，并进行减薄处理，使得所述n型材料层暴露出来。介质材料可以聚酰亚胺玻璃材料。填充介质材料可以使得第一纳米柱区域101和第二纳米柱区域102的空隙填满，便于第二电极层60的制备。

优选的，在半成品的n型材料层50上形成第二电极层60的操作为：将半成品倾斜安装后，在n型材料层50上蒸镀形成第二电极层60。

半成品倾斜安装，可以使得金属电子束在蒸发过程中倾斜地填充间隙。

具体实施例

实施例1

提供发光波长为585nm(黄光)的InGaN/GaNLED晶元，InGaN/GaNLED晶元包括依次层叠的p-GaN、多量子阱层、n-GaN和蓝宝石衬底，多量子阱层为具有六层InGaN/GaN多量子阱层。

在p-GaN上蒸镀形成Ni层(5nm)/Au层(5nm)，接着通过硅胶将SiO₂基板和Ag层粘合在一起。

通过激光剥离技术(LLO)去除衬底200，接着采用干法刻蚀对n-GaN进行减薄处理，使得减薄后的n-GaN的表面粗糙度为10nm。

在n-GaN上涂覆光刻胶形成光刻胶层，然后采用纳米压印的方法将所需的图案转移到光刻胶层，接着刻蚀形成留白区域、第一纳米柱区域、第二纳米柱区域、第三纳米柱区域和第四纳米柱区域。留白区域内没有纳米柱，第一纳米柱区域内的纳米柱的直径为1000nm，第二纳米柱区域内的纳米柱的直径为500nm，第三纳米柱区域内的纳米柱的直径为100nm，第四纳米柱区域内的纳米柱的直径为80nm。

再次采用干法刻蚀对n-GaN进行第二次平整化处理后，接着在n-GaN上形成Ti层(50nm)/Al层(150nm)，从而得到所需的LED芯片。

实施例2

对实施例1制得的LED芯片进行光致发光测量，得到如图3所示的LED芯片的留白区域、第一纳米柱区域、第二纳米柱区域、第三纳米柱区域和第四纳米柱区域的光致发光光谱图。

结合图3可以看出，纳米柱形态的多量子阱的发光波长发生了降低，并且随着纳米柱的尺寸的减少，纳米柱内的多量子阱的发光波长也随之减少。

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。