提高光提取效率的Micro-LED结构及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件制造，尤其涉及一种提高光提取效率的micro-led结构及其制造方法。

背景技术：

1、基于半导体材料的微型发光二极管(micro-led)技术是一种新型的显示技术，具有分辨率高、亮度高、色域宽、功耗低、可靠性高等特点，与lcd和oled相比，其亮度、分辨率、能耗、响应速度、热稳定性等指标都更具优势，其被认为是下一个世代的显示技术，可广泛应用于元宇宙、移动终端等方面，甚至将改变电子消费等方面形态。而以gan为代表的氮化物半导体具有带隙大范围可调、化学性质稳定、电子饱和漂移速度高以及发光效率高的优点，成为micro-led器件的优选半导体材料。

2、但是，现阶段micro-led的实际发光效率远远低于理论预期，一方面其来源于外延缺陷、电子泄露；另一方面由于micro-led的光是自发射产生的，因此不是定向出光。考虑到ingan/gan量子阱出光是导带的电子与重空穴带的空穴复合导致的，出光模式为te模式，因此除了micro-led器件出光面有光子发射外，背面以及侧面也有光子发射。这导致实际micro-led器件的光提取效率较低，并且在微显示领域，间距线宽极小的像素也会发生像素之间的光串扰，导致显示屏清晰度下降、对比度下降。并且考虑到出光面全反射的可能性，能够提升光提取效率的器件结构设计、制备对micro-led技术的发展至关重要。

3、目前，行业内解决此问题的主流方案例如图形化衬底、dbr反射镜、粗化、铝环等大部分都是针对倒装大尺寸像素的器件。针对近眼显示场景的应用，micro-led 芯片像素间距应小于10μm，同时基于大批量生产中产能与成本的要求，晶圆键合的垂直结构micro-led芯片有着极佳的前景。但是，鲜有报道解决这一技术路线下微小尺寸像素的micro-led光提取效率提升的问题。

技术实现思路

1、技术目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种提高光提取效率的micro-led结构及其制造方法，以提高光提取效率并降低像素间光串扰。

2、技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

3、一种提高光提取效率的micro-led结构，包括：

4、驱动背板；定义驱动背板所在平面为xy平面，器件长度方向为x方向，z方向垂直于xy平面；

5、位于驱动背板之上的介质层和电极连接pad，介质层和电极连接pad间隔设置；xy平面上，电极连接pad为若干个，且不连通；

6、位于介质层之上的若干第一高反射率阳极金属；位于电极连接pad之上的第二高反射率阳极金属；第一高反射率阳极金属与第二高反射率阳极金属不接触；

7、位于第二高反射率阳极金属之上的led管芯；电极连接pad与led管芯一一对应，xz平面上led管芯呈圆台状，在xy平面上，led管芯呈圆形；led管芯的顶部为gan微透镜阵列；

8、位于led管芯两侧、第二高反射率阳极金属两侧、介质层之上的钝化层；

9、位于第一高反射率阳极金属之上的反射环填充基底；xz平面上，反射环填充基底呈正梯形；

10、位于反射环填充基底两侧及之上、第一高反射率阳极金属两侧、介质层之上、钝化层两侧及之上、led管芯顶部的阴极电极；阴极电极与反射环表面涂层和第一高反射率阳极金属接触，与第二高反射率阳极金属不接触；

11、位于反射环填充基底处阴极电极上的反射环表面涂层；

12、位于介质层之上、阴极电极之上、反射环表面涂层之上的保护介质层及介质微透镜，保护介质层及介质微透镜、led管芯、gan微透镜阵列、电极连接pad中心共线。

13、一种提高光提取效率的micro-led结构的制造方法，用于制造以上所述的一种提高光提取效率的micro-led结构，包括以下步骤：

14、s1、在驱动背板表面形成电极连接pad与介质层，pad与介质层上表面通过高反射阳极金属与gan基micro-led外延片进行键合；

15、s2、刻蚀gan基micro-led外延片，去除gan基micro-led外延片中的衬底并形成gan微透镜阵列，其中，gan微透镜阵列的中心与电极连接pad中心重合；

16、s3、刻蚀gan基micro-led外延片，在xz平面上形成与电极连接pad一一对应的led管芯和位于led管芯之间的反射环填充基底，其中，led管芯与反射环填充基底不接触，led管芯呈圆台状，gan微透镜阵列位于led管芯顶部，反射环填充基底呈正梯形；刻蚀高反射阳极金属，在xz平面上形成位于led管芯下的第二高反射率阳极金属和位于反射环填充基底下的第一高反射率阳极金属；其中，第一高反射率阳极金属与第二高反射率阳极金属不接触；

17、s4、生成位于led管芯两侧、第二高反射率阳极金属两侧、介质层之上的钝化层，生成位于反射环填充基底两侧及之上、第一高反射率阳极金属两侧、介质层之上、钝化层两侧及之上、led管芯顶部的阴极电极，生成位于反射环填充基底处阴极电极上的反射环表面涂层；

18、s5、生成位于介质层之上、阴极电极之上、反射环表面涂层之上的保护介质层及介质微透镜。

19、一种提高光提取效率的micro-led结构的制造方法，用于制造以上所述的一种提高光提取效率的micro-led结构，包括以下步骤：

20、s1、在驱动背板表面形成电极连接pad与介质层，pad与介质层上表面通过高反射阳极金属与gan基micro-led外延片进行键合；

21、s2、刻蚀gan基micro-led外延片，去除gan基micro-led外延片中的衬底并形成gan微透镜阵列，其中，gan微透镜阵列的中心与电极连接pad中心重合；

22、s3、刻蚀gan基micro-led外延片，在xz平面上形成与电极连接pad一一对应的led管芯，led管芯呈圆台状，gan微透镜阵列位于led管芯顶部，刻蚀高反射阳极金属，在xz平面上形成第一高反射率阳极金属和位于led管芯下的第二高反射率阳极金属；其中，第一高反射率阳极金属与第二高反射率阳极金属不接触；利用pecvd、光刻工艺刻蚀形成位于led管芯之间的反射环填充基底；第一高反射率阳极金属位于反射环填充基底下；反射环填充基底材质为绝缘材质；

23、s4、生成位于led管芯两侧、第二高反射率阳极金属两侧、介质层之上的钝化层，生成位于反射环填充基底两侧及之上、第一高反射率阳极金属两侧、介质层之上、钝化层两侧及之上、led管芯顶部的阴极电极，生成位于反射环填充基底处阴极电极上的反射环表面涂层；

24、s5、生成位于介质层之上、阴极电极之上、反射环表面涂层之上的保护介质层及介质微透镜。

25、一种提高光提取效率的micro-led结构的制造方法，用于制造以上所述的一种提高光提取效率的micro-led结构，包括以下步骤：

26、s1、在驱动背板表面形成电极连接pad与介质层，pad与介质层上表面通过键合高反射阳极金属与gan基micro-led外延片进行键合；

27、s2、刻蚀gan基micro-led外延片，去除gan基micro-led外延片中的衬底并形成gan微透镜阵列，其中，gan微透镜阵列的中心与电极连接pad中心重合；

28、s3、刻蚀gan基micro-led外延片，在xz平面上形成与电极连接pad一一对应的led管芯，led管芯呈圆台状，gan微透镜阵列位于led管芯顶部，刻蚀高反射阳极金属，在xz平面上形成第一高反射率阳极金属和位于led管芯下的第二高反射率阳极金属；其中，第一高反射率阳极金属与第二高反射率阳极金属不接触；

29、s4、生成位于led管芯两侧、第二高反射率阳极金属两侧、介质层之上的钝化层，通过蒸镀、剥离工艺生成位于led管芯之间的反射环填充基底，第一高反射率阳极金属位于反射环填充基底下；反射环填充基底材质为金属；生成位于反射环填充基底两侧及之上、第一高反射率阳极金属两侧、介质层之上、钝化层两侧及之上、led管芯顶部的阴极电极，生成位于反射环填充基底处阴极电极上的反射环表面涂层；

30、s5、生成位于介质层之上、阴极电极之上、反射环表面涂层之上的保护介质层及介质微透镜。

31、有益效果：

32、(1)本发明所述提高micro-led芯片光提取效率的器件结构，均可以采用常规的半导体材料制备工艺达成，工艺简单，容易实现；

33、(2)本发明中提高micro-led芯片光提取效率的器件结构可直接提高micro-led芯片的出光效率，提升显示屏的外量子效率与电光转换效率；

34、(3)本发明中提高micro-led芯片光提取效率的器件结构中反射环与微透镜的引入可以改善像素自发光过大的散射角，减少像素间光串扰并利用原本浪费的te模式侧面出光部分。