本發明屬于半導體光電子技術領域，具體涉及一種基于無機微米LED陣列的全彩色微顯示芯片及其制備方法。

背景技術：

微顯示芯片顯示的圖形通過光學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的擋風玻璃，為微投影的抬頭顯示（Head-up display）技術；通過在可穿戴頭盔上顯示圖形、場景和虛擬現實，為近眼的頭戴顯示（head-mounted display）技術。

傳統的微顯示產品技術主要包括液晶顯示（LCD）、有機發光顯示器（OLED）、數字光處理（Digital light processing）和激光光束轉向（Laser beam steering）技術，但是在高強度環境光、高溫等極端的環境中，比如太陽強光下和高溫沙漠環境中，基于這些技術的產品就會出現亮度低、效率低、可靠性差的特點。而基于氮化鎵（GaN）和砷化鎵（GaAs）半導體材料制備的微米LED微顯示彌補了這些缺點，具有高亮度和高可靠性的優勢。

由于氮化鎵（GaN）材料在藍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，國內外的微顯示技術多停留在單色顯示階段，限制了微顯示的應用范圍，于是全彩色微顯示成為當前的重要發展方向。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，這成為制約其大規模產業化和應用市場的關鍵。

技術實現要素：

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

本發明使用垂直方向的集成技術，集成高效率氮化鎵基藍光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。

本發明提供的基于無機微米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，每個陣列單獨成為單色微顯示芯片；以紅光、綠光和藍光的次序,按垂直方向上對準鍵合集成紅光、綠光和藍光三種發光波長的微顯示芯片，即從下到上依次為紅光、綠光和藍光芯片。

本發明中，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。

本發明中，微米LED陣列的驅動顯示可采取行列掃描驅動的方式，或者采取單獨驅動每個微米LED的方式；

根據驅動方式的不同，可以設計微米LED陣列的n型和p型電極。

本發明提供的基于無機微米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、綠光和藍光的次序按垂直方向上對準鍵合，集成紅光、綠光和藍光三種發光波長的微顯示芯片。

本發明中，所述的芯片集成使用透明鍵合材料鍵合三種芯片，并且對準三種芯片的每個像素點。

本發明中，所述的綠光和紅光芯片鍵合后，能夠露出紅光芯片的電極，進一步鍵合上層藍光芯片后，能夠露出綠光芯片的電極。

本發明中，單色微顯示芯片可以在2英寸到8英寸的外延片上進行批量制備，然后使用激光切割和機械切割的方法來分離微顯示芯片，可降低生產成本，相應技術適用于產業化。

本發明中，所述的全彩色芯片可以通過引線鍵合的方法進行封裝，連接外圍驅動電路，實現微顯示功能。

本發明制備全彩色微顯示芯片的技術具備幾方面的優點：可使用技術成熟的高效率LED外延片制備高效率微米LED芯片；工藝成本低；垂直方向對準鍵合后，單顆全彩色微米LED單元在不同角度發出的光具有很好的均勻性，具備優良的全彩顯示功能。

本發明中的芯片可用于微投影和微顯示領域，包括可穿戴智能眼鏡、智能手表、虛擬現實、增強現實等設備。

附圖說明

圖1為本發明中提供的一個8×8微米LED陣列，驅動方式為被動行列掃描驅動，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）為相應的微米LED陣列的俯視圖。

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

圖3為本發明中提供的一個10×10微米LED陣列，驅動方式為單獨控制每一個微米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）為相應的微米LED陣列的俯視圖。

圖4為本發明中紅光、綠光和藍光微顯示芯片的集成芯片示意圖，其驅動方式為單獨控制每一個微米LED單元。

圖中標號：11為襯底，12為n型無機半導體材料 ，13為量子阱材料，14為p型無機半導體材料，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，標號根據半導體材料GaN或者GaAs的不同，稍有所不同；21為藍光微顯示芯片，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型半導體材料，33為量子阱材料，34為p型半導體材料，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，標號根據半導體材料GaN或者GaAs的不同，稍有所不同；41為藍光微顯示芯片，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

下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解。下面結合通過實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不限于以下實施例。

實施例1

藍光和綠光微顯示芯片制備：

如圖1所示，用MOCVD方法在藍寶石襯底11上生長GaN基LED外延層，主要包括n型GaN層12， GaN/InGaN量子阱結構13，和p型GaN層14，通過調節量子阱InGaN的In組分可以調節LED的發光波長為藍光或者綠光；

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，退火也有助于修復側壁刻蝕缺陷，進一步完全刻蝕n-GaN至藍寶石層11，并沉積Ti/Au(50nm/200nm)作為n-GaN歐姆接觸和控制電極16；

用等離子體增強化學氣相沉積法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域開孔，絕緣層開孔結合干法腐蝕和濕法腐蝕兩種方法，先用反應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構13，量子阱發光層14，和p型GaAs層15，然后腐蝕掉原始GaAs襯底并轉移外延層到藍寶石襯底11；

通過反應離子刻蝕分別刻蝕外延層到藍寶石襯底11，刻蝕臺面結構并沉積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、綠光和藍光微顯示芯片，從下到上依次為紅光、綠光和藍光芯片；使用透明鍵合材料鍵合三種芯片，并且對準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，進一步鍵合上層藍光芯片后，能夠露出綠光芯片的電極；通過引線鍵合的方法進行封裝，連接外圍驅動電路，全彩色微米LED陣列的驅動顯示可以采取行列掃描驅動的方式，實現微顯示功能。

實施例2

藍光和綠光微顯示芯片制備：

如圖3所示，用MOCVD方法在藍寶石襯底31上生長GaN基LED外延層，主要包括n型GaN層32， GaN/InGaN量子阱結構33，和p型GaN層34，通過調節量子阱InGaN的In組分可以調節LED的發光波長為藍光或者綠光；

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，退火也有助于修復側壁刻蝕缺陷,然后沉積Ti/Au(50nm/200nm)作為n-GaN歐姆接觸和電極36；

用等離子體增強化學氣相沉積法PECVD沉積0.3μm的SiO₂鈍化絕緣層37，并在微米LED臺面和n型電極的區域開孔，絕緣層開孔結合干法腐蝕和濕法腐蝕兩種方法，先用反應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構33，量子阱發光層34，和p型GaAs層35；

通過反應離子刻蝕分別刻蝕外延層到n型GaAs 32，刻蝕臺面結構并沉積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、綠光和藍光微顯示芯片，從下到上依次為紅光、綠光和藍光芯片；使用透明鍵合材料鍵合三種芯片，并且對準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，進一步鍵合上層藍光芯片后，能夠露出綠光芯片的電極；通過引線鍵合的方法進行封裝，連接外圍驅動電路，全彩色微米LED陣列的驅動顯示可以采取單獨驅動每個LED像素的方式，實現微顯示功能。

以上實施例所述的微顯示芯片可以在2英寸到8英寸的外延片上進行批量工藝制備，然后使用激光切割和機械切割的方法來分離微顯示芯片，可降低生產成本，相應技術適用于產業化。

本發明制備全彩色微顯示芯片的技術具備幾方面的優點：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；垂直方向對準鍵合后，單顆全彩色微米LED單元在不同角度發出的光具有很好的均勻性，具備優良的全彩顯示功能。

以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的保護范圍內。