本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于無機(jī)微米LED陣列的全彩色微顯示芯片及其制備方法。

背景技術(shù)：

微顯示芯片顯示的圖形通過光學(xué)放大后可形成虛擬圖形或者投影圖形，主要有微投影和近眼顯示兩類用途：將圖形投影到車輛和飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃，為微投影的抬頭顯示（Head-up display）技術(shù)；通過在可穿戴頭盔上顯示圖形、場景和虛擬現(xiàn)實，為近眼的頭戴顯示（head-mounted display）技術(shù)。

傳統(tǒng)的微顯示產(chǎn)品技術(shù)主要包括液晶顯示（LCD）、有機(jī)發(fā)光顯示器（OLED）、數(shù)字光處理（Digital light processing）和激光光束轉(zhuǎn)向（Laser beam steering）技術(shù)，但是在高強(qiáng)度環(huán)境光、高溫等極端的環(huán)境中，比如太陽強(qiáng)光下和高溫沙漠環(huán)境中，基于這些技術(shù)的產(chǎn)品就會出現(xiàn)亮度低、效率低、可靠性差的特點。而基于氮化鎵（GaN）和砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料制備的微米LED微顯示彌補(bǔ)了這些缺點，具有高亮度和高可靠性的優(yōu)勢。

由于氮化鎵（GaN）材料在藍(lán)光和綠光波段具有高效率，砷化鎵（GaAs）材料在紅光波段具有高效率，國內(nèi)外的微顯示技術(shù)多停留在單色顯示階段，限制了微顯示的應(yīng)用范圍，于是全彩色微顯示成為當(dāng)前的重要發(fā)展方向。目前，基于微米LED的全彩色顯示屏制備難度高，成本也比較高，這成為制約其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用市場的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于無機(jī)微米LED陣列的全彩色微顯示芯片及其制備方法。

本發(fā)明使用垂直方向的集成技術(shù)，集成高效率氮化鎵基藍(lán)光LED、氮化鎵基綠光LED、和砷化鎵基紅光LED三種微顯示芯片，制備高效率全彩色微顯示芯片，工藝相對簡單，這有利于降低芯片成本。

本發(fā)明提供的基于無機(jī)微米LED陣列的全彩色微顯示芯片，包括：

由高效率氮化鎵基LED外延片材料制備的藍(lán)光和綠光微米LED陣列，由高效率砷化鎵基LED外延片材料制備的紅光微米LED陣列，每個陣列單獨(dú)成為單色微顯示芯片；以紅光、綠光和藍(lán)光的次序,按垂直方向上對準(zhǔn)鍵合集成紅光、綠光和藍(lán)光三種發(fā)光波長的微顯示芯片，即從下到上依次為紅光、綠光和藍(lán)光芯片。

本發(fā)明中，每個微米LED單元的大小在1微米和100微米之間，間距和像素點的大小在1微米和100微米之間，可調(diào)。

本發(fā)明中，微米LED陣列的驅(qū)動顯示可采取行列掃描驅(qū)動的方式，或者采取單獨(dú)驅(qū)動每個微米LED的方式；

根據(jù)驅(qū)動方式的不同，可以設(shè)計微米LED陣列的n型和p型電極。

本發(fā)明提供的基于無機(jī)微米LED陣列的全彩色微顯示芯片的制備方法，具體步驟為：

步驟一：由高效率氮化鎵基LED外延片材料制備藍(lán)光和綠光微米LED陣列，由高效率砷化鎵基LED外延片材料制備紅光微米LED陣列，每個陣列可單獨(dú)成為單色微顯示芯片；

步驟二：將上述三種微米LED陣列以紅光、綠光和藍(lán)光的次序按垂直方向上對準(zhǔn)鍵合，集成紅光、綠光和藍(lán)光三種發(fā)光波長的微顯示芯片。

本發(fā)明中，所述的芯片集成使用透明鍵合材料鍵合三種芯片，并且對準(zhǔn)三種芯片的每個像素點。

本發(fā)明中，所述的綠光和紅光芯片鍵合后，能夠露出紅光芯片的電極，進(jìn)一步鍵合上層藍(lán)光芯片后，能夠露出綠光芯片的電極。

本發(fā)明中，單色微顯示芯片可以在2英寸到8英寸的外延片上進(jìn)行批量制備，然后使用激光切割和機(jī)械切割的方法來分離微顯示芯片，可降低生產(chǎn)成本，相應(yīng)技術(shù)適用于產(chǎn)業(yè)化。

本發(fā)明中，所述的全彩色芯片可以通過引線鍵合的方法進(jìn)行封裝，連接外圍驅(qū)動電路，實現(xiàn)微顯示功能。

本發(fā)明制備全彩色微顯示芯片的技術(shù)具備幾方面的優(yōu)點：可使用技術(shù)成熟的高效率LED外延片制備高效率微米LED芯片；工藝成本低；垂直方向?qū)?zhǔn)鍵合后，單顆全彩色微米LED單元在不同角度發(fā)出的光具有很好的均勻性，具備優(yōu)良的全彩顯示功能。

本發(fā)明中的芯片可用于微投影和微顯示領(lǐng)域，包括可穿戴智能眼鏡、智能手表、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實等設(shè)備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中提供的一個8×8微米LED陣列，驅(qū)動方式為被動行列掃描驅(qū)動，其制備流程包括臺面刻蝕、p型歐姆接觸制備、n型電極制備、鈍化絕緣層開孔，p型電極制備的示意圖；其中，（a）為剖面圖，（b）為相應(yīng)的微米LED陣列的俯視圖。

圖2為本發(fā)明中紅光、綠光和藍(lán)光微顯示芯片的集成芯片示意圖，其驅(qū)動方式為被動行列掃描驅(qū)動。

圖3為本發(fā)明中提供的一個10×10微米LED陣列，驅(qū)動方式為單獨(dú)控制每一個微米LED單元，其制備流程包括臺面刻蝕、p型歐姆接觸制備、n型電極制備、鈍化絕緣層開孔，p型電極制備的示意圖；其中，（a）為剖面圖，（b）為相應(yīng)的微米LED陣列的俯視圖。

圖4為本發(fā)明中紅光、綠光和藍(lán)光微顯示芯片的集成芯片示意圖，其驅(qū)動方式為單獨(dú)控制每一個微米LED單元。

圖中標(biāo)號：11為襯底，12為n型無機(jī)半導(dǎo)體材料 ，13為量子阱材料，14為p型無機(jī)半導(dǎo)體材料，15為歐姆接觸，16為n型連接電極，17為絕緣層，18為p型連接電極，其中，標(biāo)號根據(jù)半導(dǎo)體材料GaN或者GaAs的不同，稍有所不同；21為藍(lán)光微顯示芯片，22為綠光微顯示芯片，23為紅光微顯示芯片，24為n型電極，25為p型電極，26為n型電極，27為p型電極，28為n型電極，29為p型電極；

31為襯底，32為n型半導(dǎo)體材料，33為量子阱材料，34為p型半導(dǎo)體材料，35為歐姆接觸，36為n型連接電極，37為絕緣層，38為p型連接電極，其中，標(biāo)號根據(jù)半導(dǎo)體材料GaN或者GaAs的不同，稍有所不同；41為藍(lán)光微顯示芯片，42為綠光微顯示芯片，43為紅光微顯示芯片，44為p型電極，45為n型電極，46為p型電極，47為n型電極，48為p型電極，49為n型電極。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。下面結(jié)合通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。

實施例1

藍(lán)光和綠光微顯示芯片制備：

如圖1所示，用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底11上生長GaN基LED外延層，主要包括n型GaN層12， GaN/InGaN量子阱結(jié)構(gòu)13，和p型GaN層14，通過調(diào)節(jié)量子阱InGaN的In組分可以調(diào)節(jié)LED的發(fā)光波長為藍(lán)光或者綠光；

然后沉積p型歐姆接觸電極Ni/Au（10nm/25nm），通過反應(yīng)離子刻蝕分別刻蝕掉Ni/Au和一部分GaN外延層，外延層刻蝕1μm深度，露出n-GaN 12，形成微米LED陣列臺面，500攝氏度退火3分鐘，形成p型歐姆接觸15，退火也有助于修復(fù)側(cè)壁刻蝕缺陷，進(jìn)一步完全刻蝕n-GaN至藍(lán)寶石層11，并沉積Ti/Au(50nm/200nm)作為n-GaN歐姆接觸和控制電極16；

用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法PECVD沉積0.3μm的SiO₂鈍化絕緣層17，并在微米LED臺面和n型電極的引線鍵合區(qū)域開孔，絕緣層開孔結(jié)合干法腐蝕和濕法腐蝕兩種方法，先用反應(yīng)離子刻蝕去掉大部分SiO₂，然后用BOE濕法腐蝕掉剩余的SiO₂；沉積p型連接電極18，電極材料為Ti/Au(50nm/200nm)。

紅光微顯示芯片制備：

如圖1所示，用MOCVD方法在GaAs襯底生長GaAs基LED外延層，主要包括n型GaAs層12， n-GaAs/AlAs分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)13，量子阱發(fā)光層14，和p型GaAs層15，然后腐蝕掉原始GaAs襯底并轉(zhuǎn)移外延層到藍(lán)寶石襯底11；

通過反應(yīng)離子刻蝕分別刻蝕外延層到藍(lán)寶石襯底11，刻蝕臺面結(jié)構(gòu)并沉積n型電極16，沉積絕緣層17并開孔，然后沉積Cr/Au作為p型電極18。

垂直方向集成全彩色微顯示芯片：

如圖2所示，垂直方向上集成紅光、綠光和藍(lán)光微顯示芯片，從下到上依次為紅光、綠光和藍(lán)光芯片；使用透明鍵合材料鍵合三種芯片，并且對準(zhǔn)三種芯片的每個像素點；綠光和紅光芯片鍵合后，能夠露出紅光芯片的電極，進(jìn)一步鍵合上層藍(lán)光芯片后，能夠露出綠光芯片的電極；通過引線鍵合的方法進(jìn)行封裝，連接外圍驅(qū)動電路，全彩色微米LED陣列的驅(qū)動顯示可以采取行列掃描驅(qū)動的方式，實現(xiàn)微顯示功能。

實施例2

藍(lán)光和綠光微顯示芯片制備：

如圖3所示，用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底31上生長GaN基LED外延層，主要包括n型GaN層32， GaN/InGaN量子阱結(jié)構(gòu)33，和p型GaN層34，通過調(diào)節(jié)量子阱InGaN的In組分可以調(diào)節(jié)LED的發(fā)光波長為藍(lán)光或者綠光；

然后沉積p型歐姆接觸電極Ni/Au（10nm/25nm），通過反應(yīng)離子刻蝕分別刻蝕掉Ni/Au和一部分GaN外延層，外延層刻蝕1μm深度，露出n-GaN 32，形成微米LED陣列臺面，500攝氏度退火3分鐘，形成p型歐姆接觸35，退火也有助于修復(fù)側(cè)壁刻蝕缺陷,然后沉積Ti/Au(50nm/200nm)作為n-GaN歐姆接觸和電極36；

用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法PECVD沉積0.3μm的SiO₂鈍化絕緣層37，并在微米LED臺面和n型電極的區(qū)域開孔，絕緣層開孔結(jié)合干法腐蝕和濕法腐蝕兩種方法，先用反應(yīng)離子刻蝕去掉大部分SiO₂，然后用BOE濕法腐蝕掉剩余的SiO₂；沉積金屬作為n型連接電極36和p型連接電極38，電極材料為Ti/Au(50nm/200nm)。

紅光微顯示芯片制備：

如圖3所示，用MOCVD方法在GaAs襯底31生長GaAs基LED外延層，主要包括n型GaAs層32， n-GaAs/AlAs分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)33，量子阱發(fā)光層34，和p型GaAs層35；

通過反應(yīng)離子刻蝕分別刻蝕外延層到n型GaAs 32，刻蝕臺面結(jié)構(gòu)并沉積n型電極36，沉積絕緣層37并開孔，然后沉積Cr/Au作為p型電極38。

垂直方向集成全彩色微顯示芯片：

如圖4所示，垂直方向上集成紅光、綠光和藍(lán)光微顯示芯片，從下到上依次為紅光、綠光和藍(lán)光芯片；使用透明鍵合材料鍵合三種芯片，并且對準(zhǔn)三種芯片的每個像素點；綠光和紅光芯片鍵合后，能夠露出紅光芯片的電極，進(jìn)一步鍵合上層藍(lán)光芯片后，能夠露出綠光芯片的電極；通過引線鍵合的方法進(jìn)行封裝，連接外圍驅(qū)動電路，全彩色微米LED陣列的驅(qū)動顯示可以采取單獨(dú)驅(qū)動每個LED像素的方式，實現(xiàn)微顯示功能。

以上實施例所述的微顯示芯片可以在2英寸到8英寸的外延片上進(jìn)行批量工藝制備，然后使用激光切割和機(jī)械切割的方法來分離微顯示芯片，可降低生產(chǎn)成本，相應(yīng)技術(shù)適用于產(chǎn)業(yè)化。

本發(fā)明制備全彩色微顯示芯片的技術(shù)具備幾方面的優(yōu)點：可使用成熟的高效率LED外延片制備高效率微米LED芯片；工藝成本低；垂直方向?qū)?zhǔn)鍵合后，單顆全彩色微米LED單元在不同角度發(fā)出的光具有很好的均勻性，具備優(yōu)良的全彩顯示功能。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。