一种三色Micro-LED器件及其制作方法与流程

本发明涉及微发光二极管，尤其涉及一种三色micro-led器件及其制作方法。

背景技术：

1、随着显示技术的持续进步，微发光二极管(micro light emitting diode，micro-led)因其高亮度、高对比度、长寿命和低能耗等特性，已经逐渐成为未来显示技术领域的重要发展方向。实现micro-led技术在全彩显示领域的广泛应用，关键在于如何在同一基板上高效集成rgb三色micro-led芯片。为了达到显示屏上高分辨率的全彩显示效果，需要将数以万计的微小led从其原生长衬底精确转移至目标衬底上，这一技术过程被称为“巨量转移”。

2、从理论层面看，巨量转移技术为高效制造micro-led显示器提供了可能性，但在实际操作过程中却面临着诸多技术挑战。首要，为了确保显示画面的色彩均匀性和一致性，对单个micro-led的捡选与放置精度要求极高。此外，在处理数以亿计的微小led时，即便是微小的损坏率也可能导致显著的缺陷和不良品率，因此，转移过程中的损坏率控制也是一个技术问题。

3、目前，实现rgb全彩显示的主流方法之一是采用ingan材料制造蓝光和绿光led，同时利用inp材料制造红光led。然而，ingan和inp基led之间存材料不匹配问题。由于ingan基led和inp基led在生长条件、加工工艺和驱动方式等方面存在本质差异，将它们集成到同一显示系统中时，会面临诸多挑战。例如：两种材料的热膨胀系数不匹配，可能导致在不同温度下工作时产生应力，进而严重影响器件的可靠性和使用寿命。

4、鉴于巨量转移技术的复杂性和成本考虑，以及ingan和inp材料之间不匹配的问题，研究者们探索了不依赖巨量转移技术，直接在同一衬底上叠层生长rgb三色量子阱，以集成rgb三色micro-led的技术方案。然而不同波长的量子阱层叠加可能导致晶格不匹配和应力累积，从而影响材料的质量和器件性能。此外，叠层生长rgb三色量子阱的界面处可能出现的缺陷和非辐射复合中心，会进一步降低器件的发光效率。同时，叠层生长的量子阱结构在工作时也可能产生较多热量，热量的累积和不均匀分布将严重影响器件的性能和寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三色micro-led器件及其制作方法，用于获得具有多个led发光结构的三色micro-led器件，且每个led发光结构具有三个相互隔离的p型区，使得能够调控每一个p型区p型电极的电流密度，并能够避免因热量分布不均影响器件性能的情况。

2、本发明的目的采用以下技术方案实现：

3、一方面，本发明公开一种三色micro-led器件，包括：

4、衬底；

5、n型gan层，所述n型gan层设置在所述衬底上；

6、掩膜层，所述掩膜层设置在所述n型gan层上，所述掩膜层上开设多个使所述n型gan层部分裸露的窗口；

7、多个led发光结构，所述led发光结构包括：n型gan纳米柱与包覆层，每个所述n型gan纳米柱设置在一个相应的窗口内并背向所述衬底延伸；所述包覆层包括：

8、量子阱层，所述量子阱层设置在所述n型gan纳米柱的外表面；其中，所述量子阱层包括相互隔离的ga面、n面和m/a面，从所述ga面、所述n面和所述m/a面出射的光具有不同的波长；

9、电子阻挡层，所述电子阻挡层设置在所述量子阱层的外表面；

10、p型gan层，所述p型gan层设置在所述电子阻挡层的外表面。

11、进一步的，所述led发光结构还包括：

12、p型电极，用于连接外置电源的正极；其中，所述p型电极包括第一p型电极、第二p型电极以及第三p型电极，所述第一p型电极设置在位于所述m/a面的p型gan层上；所述第二p型电极抵接位于所述ga面的p型gan层，且设置在所述掩膜层上；所述第三p型电极抵接位于所述n面的p型gan层，且设置在所述掩膜层上；

13、n型电极，所述n型电极设置在所述n型gan层上，用于连接外置电源的负极。

14、进一步的，所述第二p型电极包括第一子电极以及与所述第一子电极耦接的第二子电极，所述第一子电极设置于所述掩膜层上，所述第二子电极设置于所述第一子电极上，且抵接位于所述ga面的p型gan层；和/或

15、所述第三p型电极包括第三子电极以及与所述第三子电极耦接的第四子电极，所述第三子电极设置于所述掩膜层上，所述第四子电极设置于所述第三子电极上，且抵接位于所述n面的p型gan层。

16、进一步的，所述窗口为多个且呈点阵间隔排列，各所述窗口为长方形，所述长方形的长边方向对应所述n型gan层的m/a面方向，所述长方形的短边方向分别对应所述n型gan层的c面方向和-c面方向。

17、进一步的，所述长方形的长边长度为1～10μm，所述长方形的短边长度为100～500nm，所述长方形的长边方向上相邻两个窗口之间的距离为1～5μm，所述长方形的短边方向上相邻两个窗口之间的距离为2～10μm。

18、进一步的，所述量子阱层的ga面或n面的面积大于侧壁非极性面的面积。

19、进一步的，所述衬底为r面蓝宝石衬底、a/m面gan衬底或a/m面aln衬底；和/或

20、所述n型gan层的厚度为500nm～2μm；和/或，

21、进一步的，所述掩膜层的厚度为30～200nm，所述掩膜层的材料是sinx、sio2或al2o3；

22、所述n型gan纳米柱的高度为500～5000nm；

23、进一步的，所述量子阱层包括循环周期为1～10的交替层叠的ingan层和gan层，其中，所述ingan层的厚度为2～3nm，所述gan层的厚度为8～15nm；

24、进一步的，所述电子阻挡层的厚度为10～30nm，所述电子阻挡层为algan电子阻挡层；

25、进一步的，所述p型gan层的厚度为50～300nm。

26、另一方面，本发明提供一种三色micro-led器件的制作方法，包括以下步骤：

27、在衬底上外延生长n型gan层，并在所述n型gan层上沉积掩膜层；

28、在所述掩膜层上开设多个窗口，使所述n型gan层部分裸露，并在裸露的所述n型gan层上外延生长n型gan纳米柱；

29、在每个所述n型gan纳米柱的外表面均包覆生长量子阱层；

30、在所述量子阱层的外表面包覆生长电子阻挡层，并在所述电子阻挡层外表面包覆生长p型gan层；其中，所述量子阱层、电子阻挡层和p型gan层形成包覆层；

31、刻蚀所述包覆层，以使所述量子阱层的ga面、n面和m/a面相互隔离，获得所述三色micro-led器件；

32、其中，从所述ga面、所述n面和所述m/a面出射的光具有不同的波长。

33、进一步的，形成所述量子阱层包括：

34、在所述n型gan纳米柱的外表面交替包覆生长1～10个周期的ingan层和gan层，形成所述量子阱层；

35、其中，所述ingan层的生长包括：在第一生长条件下，通入第一载气与第一反应源，生长厚度为2～3nm的所述ingan层；其中，所述第一生长条件包括温度为700～800℃、压力为200～600mbar、所述第一反应源的v/iii比为10000～40000，所述第一载气为n2；和/或，

36、所述gan层的生长包括：在第二生长条件下，通入第二载气与第二反应源，生长厚度为8～15nm的所述gan层；其中，所述第二生长条件包括温度为830～950℃、压力为200～600mbar、所述第二反应源的v/iii比为5000～20000，所述第二载气为n2。

37、进一步的，所述n型gan层的生长包括：

38、在第三生长条件下，通入第三载气与第三反应源，在所述衬底上外延生长厚度为500nm～2μm的所述n型gan层；其中，所述第三生长条件包括：温度为1000～1100℃、压力为100～400mbar、所述第三反应源的v/iii比为500～3000，所述第三载气为h2或为h2和n2的混合气体；和/或，

39、所述n型gan纳米柱的生长包括：在第四生长条件下，通入第四载气与第四反应源，生长高度为500～5000nm的所述n型gan纳米柱；其中，所述第四生长条件包括温度为1000～1100℃、压力为50～200mbar、所述第四反应源的v/iii比为50～1000，所述第四载气为h2或为h2和n2的混合气体；和/或，

40、所述电子阻挡层的生长包括：在第五生长条件下，通入第五载气与第五反应源，生长厚度为10～30nm的所述电子阻挡层；其中，所述第五生长条件包括温度为950～1100℃、压力为100～200mbar、所述第五反应源的v/iii比为5000～10000，所述第五载气为h2或为h2和n2的混合气体；和/或，

41、所述p型gan层的生长包括：在第六生长条件下，通入第六载气与第六反应源，生长厚度为50～300nm的所述p型gan层；其中，所述第六生长条件包括温度为950～1100℃、压力为100～400mbar、所述第六反应源的v/iii比为5000～20000，所述第六载气为h2或为h2和n2的混合气体。

42、进一步的，刻蚀所述包覆层包括：

43、刻蚀包覆层的r面和侧壁非极性面。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

45、本发明的制作方法能够获得具有多个led发光结构的三色micro-led器件，且每个led发光结构具有三个相互隔离的p型区，通过调控各led发光结构的p型电极的电流密度，实现调节不同波长光的亮度、灰度。

46、进一步的，本发明通过选区外延制备具有非极性面n型gan纳米柱，构建ga面、n面和m/a面三种不同极性面，实现在单个的n型gan纳米柱上rgb三种颜色的micro-led器件的集成，大幅提高了像素的集成密度，有利于实现更小尺寸、更高分辨率的micro-led器件，例如micro-led显示屏。

47、进一步的，由于结构的特殊性，n型gan纳米柱的顶部与侧面的连接处外延生长的各材料层的均匀性和致密性均较差，本发明通过刻蚀掉该部分包覆生长的材料层，能够有效防止漏电，提升了器件的可靠性。

48、进一步的，本发明通过在同一基板上形成多个led发光结构，并在每个led发光结构的n型gan纳米柱的不同晶面上构建3个相互隔离的p型区，利用in原子在不同晶面方向上并入效率的不同，能够实现各led发光结构的三种颜色的分离控制，使得在电流驱动和热管理上更加容易控制，又由于n型gan纳米柱充分的应变弛豫，在生长量子阱层等结构时，不会因应力积累而影响材料结构特性以及器件性能，并能够避免因热量分布不均影响器件性能的情况。

49、进一步的，本技术的制作方法可以减少将不同基板上生长的不同颜色micro-led转移和组装的过程，简化制作流程，提高生产效率，降低成本。