基于III族氮化物半导体量子点的混合型RGB微米孔LED阵列器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于III族氮化物半导体/量子点的混合型RGB微米孔LED阵列器件，设有贯穿p型GaN层、量子阱有源层，深至n型GaN层的相互隔离的阵列式正方形台面结构，正方形台面上刻蚀形成微米孔；所述正方形台面结构每2*2个构成一个RGB像素单元，每个RGB像素单元的四个微米孔中，一个填充有红光量子点，另一个填充有绿光量子点。并公开其制备方法。本发明专利技术的微米孔LED阵列器件，反向漏电流低至10

Mixed RGB Microporous LED Array Devices Based on Group III Nitride Semiconductor Quantum Dots and Their Fabrication Method

The invention discloses a hybrid RGB microporous LED array device based on group III nitride semiconductor/quantum dot, which has an array square mesa structure penetrating p-type GaN layer, an active layer of quantum well, and an isolation from each other deep to n-type GaN layer. The square mesa structure is etched to form micropore; the square mesa structure is 2*2 each. A RGB pixel unit is composed of four micron holes in each RGB pixel unit, one filled with red light quantum dots and the other filled with green light quantum dots. The preparation method is also disclosed. The microporous LED array device of the invention has reverse leakage current as low as 10.

【技术实现步骤摘要】
基于III族氮化物半导体量子点的混合型RGB微米孔LED阵列器件及其制备方法
本专利技术涉及一种基于III族氮化物半导体/量子点的混合型RGB微米孔LED阵列器件及其制备方法，属于半导体照明与显示

技术介绍
III族氮化物材料为直接带隙半导体，其带隙覆盖了红外-可见光-紫外波段，是实现高效率固态照明和超高分辨显示的理想材料。半导体固态照明技术主要以半导体芯片为发光源，直接将电能转换为光能，转换效率高。LED作为固态照明半导体光源的核心部件，具有能耗低、寿命长、体积小、绿色环保、使用安全、可在各种恶劣环境下工作的优点，是继白炽灯、荧光灯之后的新一代照明光源。随着发光二极管(LED)的不断发展，固态照明技术将逐步取代现有的照明技术，迎来照明技术新时代。白光LED照明芯片是一种通过蓝光LED与黄色荧光粉两者配合混合成白光；另一种是将不同发光颜色的芯片集成到一起，通过各色光混合形成白光，常见的就是三色RGB-LED。第二种方法能够灵活地得到想要的光色且具有较高的量子效率和较优的光照品质，但是相较于第一种蓝光LED与黄色荧光粉方案，成本高，工艺复杂。Micro-LED优点突出，主要表现为响应速度快、工作电压较低、性能稳定可靠、发光效率高、工作温度范围宽。在平面显示电视、军事、通信、刑事、医学、消防、航空航天、卫星定位、仪器仪表、掌中电脑等广阔的领域得到应用。另外,微米柱在光输出、电致发光谱的转移、效应以及光学调制带宽等许多方面特性都具有一定的优势。超高密度的RGB三色显示Micro-LED实现困难，因为RGB阵列需要逐一机械转移红、绿、蓝三色的微米芯片，但是对于大尺寸平面显示等应用需要上百万片芯片，对芯片的良率、波长一致性等都有很高的要求，成本很高，成为量产和大规模应用的技术瓶颈。中国专利文献CN106356386A公开了一种基于Micro-LED阵列背光源的喷墨打印量子点显示装置，在Micro-LED基底上设有按阵列排列的RGB像素单元，每个像素单元包括一红光量子点单元、一绿光量子点单元和一透明单元，红光量子点材料、绿光量子点材料以及透明材料通过喷墨打印的方法涂覆在Micro-LED芯片上，可以提高三色LED的良品率。但是该装置也存在以下问题：量子点涂覆在芯片表面，容易导致物理损伤，影响分辨率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于III族氮化物半导体/量子点的混合型RGB微米孔LED阵列器件。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于III族氮化物半导体/量子点的混合型RGB微米孔LED阵列器件，其结构自下而上依次包括：一单面抛光的蓝宝石衬底；一生长在蓝宝石衬底上的GaN缓冲层；一生长在缓冲层上的n型GaN层；一生长在n型GaN层上的InxGa1-xN/GaN量子阱有源层；一生长在量子阱有源层上的p型GaN层；所述微米孔LED阵列器件刻蚀形成贯穿p型GaN层、量子阱有源层，深至n型GaN层的阵列式正方形台面结构，各正方形台面相互隔离，在每个正方形台面上刻蚀形成深至p型GaN层/量子阱有源层/n型GaN层的微米孔；还包括一p型阵列电极，蒸镀在微米孔阵列的p型GaN层上，一n型电极，蒸镀在n型GaN层上；所述微米孔有四类：一类填充有红光量子点、一类填充有绿光量子点、一类为蓝光LED、一类为备用孔，四类微米孔在正方形台面上规则排列，使得任选2*2的微米孔单元内均含有这四类微米孔。优选的，所述红光量子点为II-VI族核壳结构CdSe/ZnS量子点。优选的，所述绿光量子点为II-VI族核壳结构CdSe/ZnS量子点。优选的，微米孔阵列的面积大于等于4英寸；微米孔直径为20-100μm，周期为100-200μm，刻蚀形成的相邻正方形台面之间的间距为5-20μm。优选的，所述微米孔深度为200nm-1.5μm。优选的，每个正方形台面结构的开启电压为2.5-2.7V，反向漏电流保持在10-10A量级。本专利技术还公开了上述的混合型RGB微米孔LED阵列器件的制备方法，其步骤包括：1)利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术在InxGa1-xN/GaN量子阱蓝光LED外延片上蒸镀一层介质层；2)在介质层表面旋涂光刻胶，并对其进行前烘，利用紫外光刻技术使用光刻版在光刻胶上形成有序的正方形台面阵列图形，然后显影、后烘；3)采用RIE(反应离子刻蚀)技术，通入O2去除经显影去除了大部分光刻胶的区域的少量光刻胶残余层，然后利用PVD(物理气相沉积)工艺蒸镀一层金属掩膜层，然后进行剥离，去除光刻胶层及光刻胶层上的金属薄膜层，得到大面积有序金属正方形台面阵列图形；其中光刻胶残余层指经过曝光显影已经去除了大部分光刻胶的区域残余的少量光刻胶；后面的光刻胶层及光刻胶层上的金属薄膜指经过曝光显影未去除光刻胶的区域；4)采用RIE技术，以金属为掩膜纵向刻蚀介质层，将金属正方形台面阵列结构转移至介质层；5)采用ICP(电感耦合等离子体刻蚀)技术，以金属为掩膜各向异性刻蚀p型GaN层和量子阱层至n型GaN层；6)采用湿法腐蚀，去掉正方形台面阵列结构上的金属掩膜层和介质层，形成相互隔离的GaN正方形台面阵列结构，并修复GaN及量子阱侧壁的刻蚀损伤；7)制备微米孔结构，先采用PECVD技术在GaN正方形台面阵列结构上蒸镀介质层，在介质层表面旋涂光刻胶；利用紫外光刻技术使用光刻版在正方形台面阵列结构的光刻胶上套刻形成微米孔图形；依次采用RIE和ICP技术，分别刻蚀介质层和p型GaN层；最终得到微米孔阵列，其中微米孔可刻蚀到P型GaN层、量子阱层或者n型GaN层，刻蚀到不同的层，颜色的转换效率不同，刻蚀越深，颜色转换效率越高，但是刻蚀损伤相对较大；刻蚀到P型氮化镓层的微米孔深度为200-300nm，刻蚀到量子阱层的微米孔深度为600-800nm，刻蚀到n型氮化镓层的微米孔深度为900-1500nm；8)利用湿法腐蚀，去除正方形台面阵列结构上的介质层并修复GaN及量子阱表面和侧壁的刻蚀损伤；9)再次在InxGa1-xN/GaN量子阱蓝光LED外延片上蒸镀一层介质层；10)制备N型电极，在介质层表面旋涂光刻胶，利用紫外光刻技术使用光刻版在光刻胶上套刻形成n型电极图形，然后采用RIE技术以光刻胶为掩膜刻蚀介质层将n型电极图形转移至n型GaN层；采用PVD工艺蒸镀一层金属作为n型电极；剥离去掉光刻胶以及光刻胶层上的金属薄膜，洗净并烘干样品；最后利用热退火实现金属与n型GaN的欧姆接触；11)制备P型电极，重新旋涂一层光刻胶，利用紫外光刻技术使用光刻版在光刻胶上套刻形成p型电极图形，然后采用RIE技术以光刻胶为掩膜刻蚀介质层薄膜将p型电极图形转移至p型GaN层；采用PVD工艺蒸镀一层金属作为p型电极；利用湿法腐蚀去掉光刻胶以及光刻胶层上的金属薄膜，洗净并烘干样品；最后利用热退火实现金属与p型GaN的欧姆接触；12)通过在线式喷射点胶系统将红光量子点填充至每一个RGB像素单元的红光量子点单元微米孔内，将绿光量子点填充至每一个RGB像素单元的绿光量子点单元微米孔内。优选的，通过在线式喷射点胶系统填充量子点的过程具体为：A、将红光量子点和绿光量子点分别溶于溶剂中，并将红光量子点溶液和绿光量子点溶液分别置于两个喷头中；B、通过电脑控制程序和视觉系统技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于III族氮化物半导体/量子点的混合型RGB微米孔LED阵列器件，其结构自下而上包括：一单面抛光的蓝宝石衬底；一生长在蓝宝石衬底上的GaN缓冲层；一生长在缓冲层上的n型GaN层；一生长在n型GaN层上的InxGa1‑xN/GaN量子阱有源层；一生长在量子阱有源层上的p型GaN层；所述微米孔LED阵列器件刻蚀形成贯穿p型GaN层、量子阱有源层，深至n型GaN层的阵列式正方形台面结构，各正方形台面相互隔离，在每个正方形台面上刻蚀形成深至p型GaN层/量子阱有源层/n型GaN层的微米孔；还包括一p型阵列电极，蒸镀在微米孔阵列的p型GaN层上，一n型电极，蒸镀在n型GaN层上；所述微米孔有四类：一类填充有红光量子点、一类填充有绿光量子点、一类为蓝光LED、一类为备用孔，四类微米孔在正方形台面上规则排列，使得任选2*2的微米孔单元内均含有这四类微米孔。

【技术特征摘要】
1.一种基于III族氮化物半导体/量子点的混合型RGB微米孔LED阵列器件，其结构自下而上包括：一单面抛光的蓝宝石衬底；一生长在蓝宝石衬底上的GaN缓冲层；一生长在缓冲层上的n型GaN层；一生长在n型GaN层上的InxGa1-xN/GaN量子阱有源层；一生长在量子阱有源层上的p型GaN层；所述微米孔LED阵列器件刻蚀形成贯穿p型GaN层、量子阱有源层，深至n型GaN层的阵列式正方形台面结构，各正方形台面相互隔离，在每个正方形台面上刻蚀形成深至p型GaN层/量子阱有源层/n型GaN层的微米孔；还包括一p型阵列电极，蒸镀在微米孔阵列的p型GaN层上，一n型电极，蒸镀在n型GaN层上；所述微米孔有四类：一类填充有红光量子点、一类填充有绿光量子点、一类为蓝光LED、一类为备用孔，四类微米孔在正方形台面上规则排列，使得任选2*2的微米孔单元内均含有这四类微米孔。2.根据权利要求1所述的混合型RGB微米孔LED阵列器件，其特征在于：所述红光量子点为II-VI族核壳结构CdSe/ZnS量子点；所述绿光量子点为II-VI族核壳结构CdSe/ZnS量子点。3.根据权利要求1或2所述的混合型RGB微米孔LED阵列器件，其特征在于：微米孔阵列的面积大于等于4英寸；微米孔直径为20-100μm，周期为100-200μm，刻蚀形成的相邻正方形台面之间的间距为5-20μm。4.根据权利要求3所述的混合型RGB微米孔LED阵列器件，其特征在于：所述微米孔深度为200nm-1.5μm。5.根据权利要求4所述的混合型RGB微米孔LED阵列器件，其特征在于：每个正方形台面结构的开启电压为2.5-2.7V，反向漏电流保持在10-10A量级。6.权利要求1-5中任一项所述的混合型RGB微米孔LED阵列器件的制备方法，其步骤包括：1)利用PECVD技术在InxGa1-xN/GaN量子阱蓝光LED外延片上蒸镀一层介质层；2)在介质层表面旋涂光刻胶，并对其进行前烘，利用紫外光刻技术使用光刻版在光刻胶上形成有序的正方形台面阵列图形，然后显影、后烘；3)采用RIE技术，通入O2去除经显影去除了大部分光刻胶的区域的少量光刻胶残余层，然后利用PVD工艺蒸镀一层金属掩膜层，然后进行剥离，去除光刻胶层及光刻胶层上的金属薄膜层，得到大面积有序金属正方形台面阵列图形；4)采用RIE技术，以金属为掩膜纵向刻蚀介质层，将金属正方形台面阵列结构转移至介质层；5)采用ICP技术，以金属为掩膜各向异性刻蚀p型GaN层和量子阱层至n型GaN层；6)采用湿法腐蚀，去掉正方形台面阵列结构上的金属掩膜层和介质层，形成相互隔离的GaN正方形台面阵列结构，并修复GaN及量子阱侧壁的刻蚀损伤；7)制备微米孔结构，先采用PECVD技术在GaN正方形台面阵列结构上蒸...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，岑旭，赵毅峰，张荣，陶涛，谢自力，周玉刚，陈敦军，韩平，施毅，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32