基于无机/有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED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‑氮化物/有机半导体混合杂化结构的全色型Micro‑LED阵列显示及白光器件，其混合了无机与有机发光二极管器件来获得高效率、超高分辨率且主动式的Micro‑LED显示和照明光源。在具有p‑n结构的InxGa1‑xN/氮化镓量子阱蓝光LED外延片的N型氮化镓层上分别蒸镀红光、绿光或者黄光有机材料，依次包括电子传输层、发光层、激子阻挡层、空穴传输层、空穴注入层；在蒸镀其中一组材料时，利用遮挡掩膜将其他像素遮蔽。此技术结合了有机半导体材料和无机半导体材料，能够实现高效率、宽色域、功耗低、响应时间快的新型无机/有机半导体混合结构Micro‑LED器件阵列。

【技术实现步骤摘要】
基于无机/有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED器件及其制备方法
本专利技术涉及一种基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED阵列显示及白光器件，属于半导体固体照明与显示

技术介绍
发光二极管以其高效率、长寿命、自发光、绿色环保等优点被称为第四代照明光源，已被广泛应用于各种显示、照明等领域。然而随着信息技术、移动互联网的飞速发展，虚拟显示(VR)、增强现实(AR)以及可穿戴设备的兴起，信息呈现方式越来越多样化，传统的显示技术已无法满足现有的需求，新型低功耗、高亮度、宽色域、超高解析度的微显示技术变得越来越重要。III-氮化物作为一种重要的半导体发光材料，其带隙较宽并且连续可调，发光颜色覆盖了整个可见光区、近紫外区以及红外波段，其在照明和显示领域的潜在应用一直是国际上的研究热点。随着微结构III-氮化物LED技术日益成熟，使得Micro-LED作为像素的LED微显示和照明技术成为可能。通常LED都是单色光源，要想实现多中颜色发射或者白光发射，需要对红、绿、蓝三原色Micro-LED或者黄、蓝互补色的Micro-LED阵列进行组合，目前主要方法包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法以及光学透镜合成法。但是上述这些制备方法存在全彩显示偏差、光转换效率低、发光介质涂覆不均匀、制备成本高、加工条件苛刻、不利于大面积生产等问题，因此不利于高品质商业化LED产品的实现和应用。近年来有机半导体材料正以其成本低廉、加工工艺简单、发光颜色丰富、易于集成等优点，被广泛应用于照明和显示领域。研究人员也积极尝试将无机半导体与有机半导体结合制备LED，这种混合结构的LED结合了无机半导体良好的电学性能和有机半导体优异的光学性能。基于此，我们提出一种新型基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的全色型微LED器件。从目前公开的Micro-LED技术中，尚无将有机发光二极管技术与无机发光二极管技术结合的全色型Micro-LED。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED阵列显示及白光器件。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于III-氮化物及有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED阵列显示器件，其结构自下而上包括：一蓝宝石衬底；一生长在蓝宝石衬底上的氮化镓缓冲层；一生长在缓冲层上的N型氮化镓层；一生长在N型氮化镓层上的InxGa1-xN/氮化镓量子阱有源层；一生长在量子阱有源层上的P型氮化镓层；所述LED阵列器件刻蚀形成贯穿P型氮化镓层、量子阱有源层，深至N型氮化镓层的阵列式正方形台面结构，各正方形台面相互隔离；还包括一P型电极，蒸镀在P型氮化镓层或者空穴注入层上，一N型电极，蒸镀在N型氮化镓层上；所述正方形台面阵列每3个形成一个像素单元，多个像素单元平行排列，每个像素单元包括一蓝光LED、一红光LED、一绿光LED，所述红光LED和绿光LED的正方形台面均刻蚀至n型氮化镓层，红光LED为在n型氮化镓层上蒸镀红光有机发光二极管构成，绿光LED为在n型氮化镓层上蒸镀绿光有机发光二极管构成。优选的，所述红光LED或绿光LED为在N型氮化镓层上依次蒸镀电子传输层、发光层、激子阻挡层、空穴传输层、空穴注入层、金属阳极而成；电子传输层为有机化合物或者N型掺杂层，所述有机化合物包括1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯，2,5-二(1-萘基)-1,3,4-二唑，2-联苯基-5-(4-叔丁基苯基)-1,3,4-二唑、3,4-二苯基-5-联苯是1,2,4-三氮唑、8-羟基喹啉铝、1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯、2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗、4,7-二苯基-1,10-菲罗啉或4,7-二苯基-1,10-菲罗啉:碳酸铯，厚度在30-70nm；发光层主体包括4,4'-二(9-咔唑)联苯、4,4',4”-三(咔唑-9-基)三苯胺、1,3-二咔唑苯或N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺，厚度在10-30nm；发光层中掺杂红光掺杂材料、绿光掺杂材料或黄光掺杂材料，以发出红光、绿光或黄光；红光掺杂材料包括4-二氰甲烯基-2-叔丁基-6-(1,1,7,7-四甲基久洛尼定-4-乙烯基)-4H-吡喃、三(1-(4-正己基苯基)-异喹啉-C2,N)合铱(III)、乙酰丙酮酸二(1-苯基异喹啉-C2,N)合铱(III)，发光波长在630nm-660nm，掺杂浓度为1％-20％；绿光掺杂材料包括三(2-苯基吡啶)合铱、乙酰丙酮酸二(2-苯基吡啶-C2,N)合铱(III)、香豆素、8-羟基喹啉铝，发光波长在520nm-560nm，掺杂浓度为1％-20％；黄光掺杂材料包括双[2-(6-苯基-4-嘧啶基](乙酰丙酮)铱(III)、双(2(9-9-二乙基-9-氟-2-基)-1-苯基-1H-苯并咪唑-N，C3)铱(乙酰丙酮)、红荧烯、四(叔丁基)红荧烯,发光波长在570nm-600nm，掺杂浓度为1％-10％；激子阻挡层包括4,4'-二(9-咔唑)联苯、4,4',4”-三(咔唑-9-基)三苯胺、1,3-二咔唑苯，掺杂浓度为掺杂浓度为1％-20％；空穴传输层包括N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺、4,4'-环己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺]、N,N'-二苯基-N,N'-二(3-甲基苯基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺、N,N'-二苯基-N,N'-双(4-甲基苯基)联苯-4,4'-二胺、4,4',4”-三[苯基(间甲苯基)氨基]三苯胺，厚度在40-70nm；空穴注入层包括过渡金属氧化物和有机材料，金属氧化物为氧化钼、五氧化二钒、三氧化钨，所述有机材料为四氟四氰基醌二甲烷、7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷、2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲、4,4',4”-三(2-萘基苯基氨基)三苯基胺，厚度为2-40nm；所述阳极金属为金、银，铜或者铝，功函数在4.3eV到5.2eV，厚度为100-150nm。优选的，在N型氮化镓层与电子传输层直接还设有电子注入层，所述的电子注入层为碱金属化合物或者N型掺杂层，所述碱金属化合物包括氟化锂、碳酸锂、碳酸铯、氟化铯或、锂：8-羟基喹啉铝，电子注入层厚度在0.5-1.5nm，碱金属化合物或N型掺杂层与衬底上的N型氮化镓层共同完成电子注入功能。优选的，还包括透明电极，所述透明电极设置于电子注入层与N型氮化镓层之间，透明电极优选为氧化铟锡(ITO)、铝(Al)、银(Ag)等，厚度为5～20nm。优选的，所述正方形台面阵列的尺寸为20-100μm，阵列之间的间距为5-20μm，周期为800-1200μm。优选的，所述蓝光LED的发光波长在450-470nm。优选的，所述像素单元为2*2的结构，每个像素单元包括一红光LED、一绿光LED、一蓝光LED，和一备用LED；或者所述像素单元为3*1的结构，每个包括一红光LED、一绿光LED、一蓝光LED，像素单元之间平行排列。上述的全色型Micro-LED阵列显示器件的制备方法，其步骤包括：1)利用PECVD技术在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于III‑氮化物/有机半导体混合杂化结构的全色型Micro‑LED阵列显示器件，其结构自下而上包括：一蓝宝石衬底；一生长在蓝宝石衬底上的氮化镓缓冲层；一生长在缓冲层上的N型氮化镓层；一生长在N型氮化镓层上的InxGa1‑xN/氮化镓量子阱有源层；一生长在量子阱有源层上的P型氮化镓层；所述LED阵列器件刻蚀形成贯穿P型氮化镓层、量子阱有源层，深至N型氮化镓层的阵列式正方形台面结构，各正方形台面相互隔离；还包括一P型电极，蒸镀在P型氮化镓层上，一N型电极，蒸镀在N型氮化镓层上；其特征在于：所述正方形台面阵列包括多个像素单元，多个像素单元重复排列，每个像素单元至少包括一蓝光LED、一红光LED、一绿光LED，所述红光LED和绿光LED的正方形台面均刻蚀至N型氮化镓层，红光LED为在N型氮化镓层上蒸镀有机红光发光二极管构成，绿光LED为在N型氮化镓层上蒸镀有机绿光发光二极管构成。

【技术特征摘要】
1.一种基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED阵列显示器件，其结构自下而上包括：一蓝宝石衬底；一生长在蓝宝石衬底上的氮化镓缓冲层；一生长在缓冲层上的N型氮化镓层；一生长在N型氮化镓层上的InxGa1-xN/氮化镓量子阱有源层；一生长在量子阱有源层上的P型氮化镓层；所述LED阵列器件刻蚀形成贯穿P型氮化镓层、量子阱有源层，深至N型氮化镓层的阵列式正方形台面结构，各正方形台面相互隔离；还包括一P型电极，蒸镀在P型氮化镓层上，一N型电极，蒸镀在N型氮化镓层上；其特征在于：所述正方形台面阵列包括多个像素单元，多个像素单元重复排列，每个像素单元至少包括一蓝光LED、一红光LED、一绿光LED，所述红光LED和绿光LED的正方形台面均刻蚀至N型氮化镓层，红光LED为在N型氮化镓层上蒸镀有机红光发光二极管构成，绿光LED为在N型氮化镓层上蒸镀有机绿光发光二极管构成。2.根据权利要求1所述的全色型Micro-LED阵列显示器件，其特征在于：所述红光LED或绿光LED为在N型氮化镓层上依次蒸镀电子传输层、发光层、激子阻挡层、空穴传输层、空穴注入层、金属阳极而成；电子传输层为有机化合物或N型掺杂层，所述的有机化合物包括1,3,5-三[(3-吡啶基)-3-苯基]苯，2,5-二(1-萘基)-1,3,4-二唑，2-联苯基-5-(4-叔丁基苯基)-1,3,4-二唑、3,4-二苯基-5-联苯是1,2,4-三氮唑、8-羟基喹啉铝、1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯、2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗、4,7-二苯基-1,10-菲罗啉或4,7-二苯基-1,10-菲罗啉:碳酸铯，厚度在30-70nm；发光层主体为4,4'-二(9-咔唑)联苯、4,4',4”-三(咔唑-9-基)三苯胺、1,3-二咔唑苯或N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺，厚度在10-30nm；发光层中掺杂红光掺杂材料、绿光掺杂材料或黄光掺杂材料，以发出红光、绿光或黄光；红光掺杂材料包括4-二氰甲烯基-2-叔丁基-6-(1,1,7,7-四甲基久洛尼定-4-乙烯基)-4H-吡喃、三(1-(4-正己基苯基)-异喹啉-C2,N)合铱(III)、乙酰丙酮酸二(1-苯基异喹啉-C2,N)合铱(III)，发光波长在630nm-660nm，掺杂浓度为1％-20％；绿光掺杂材料包括三(2-苯基吡啶)合铱、乙酰丙酮酸二(2-苯基吡啶-C2,N)合铱(III)、香豆素、8-羟基喹啉铝，发光波长在520nm-560nm，掺杂浓度为1％-20％；黄光掺杂材料包括双[2-(6-苯基-4-嘧啶基](乙酰丙酮)铱(III)、双(2(9-9-二乙基-9-氟-2-基)-1-苯基-1H-苯并咪唑-N，C3)铱(乙酰丙酮)、红荧烯、四(叔丁基)红荧烯,发光波长在570nm-600nm，掺杂浓度为1％-10％；激子阻挡层包括4,4'-二(9-咔唑)联苯、4,4',4”-三(咔唑-9-基)三苯胺、1,3-二咔唑苯，掺杂浓度为掺杂浓度为1％-20％；空穴传输层包括N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺、4,4'-环己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺]、N,N'-二苯基-N,N'-二(3-甲基苯基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺、N,N'-二苯基-N,N'-双(4-甲基苯基)联苯-4,4'-二胺、4,4',4”-三[苯基(间甲苯基)氨基]三苯胺，厚度在40-70nm；空穴注入层为过渡金属氧化物或者有机材料，所述的过渡金属氧化物包括氧化钼、五氧化二钒、三氧化钨，所述的有机材料包括四氟四氰基醌二甲烷、7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷、2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲、4,4',4”-三(2-萘基苯基氨基)三苯基胺，厚度为2-40nm；所述阳极金属为金、银，铜或者铝，功函数在4.3eV到5.2eV，厚度为100-150nm。3.根据权利要求2所述的全色型Micro-LED阵列显示器件，其特征在于：在N型氮化镓层与电子传输层之间还设有电子注入层，所述的电子注入层为碱金属化合物或者N型掺杂层，所述碱金属化合物包括氟化锂、碳酸锂、碳酸铯、氟化铯或、锂：8-羟基喹啉铝，电子注入层厚度在0.5-1.5nm。4.根据权利要求3所述的全色型Micro-LED阵列显示器件，其特征在于：还包括透明电极，所述透明电极设置于电子注入层与N型氮化镓层之间。5.根据权利要求2所述的全色型Micro-LED阵列显示器件，其特征在于：所述正方形台面阵列的尺寸为20-100μm，阵列之间的间距为5-20μm，周期为800-1200μm。6.根据权利要求2所述的全色型Micro-LED阵列显示器件，其特征在于：所述蓝光LED的发光波长在450-470nm。7.根据权利要求1或2所述的全色型Micro-LED阵列显示器件，其特征在于：所述像素单元为2*2的结构，每个像素单元包括一红光LED、一绿光LED、一蓝光LED，和一备用LED；或者所述像素单元为3*1的结构，每个包括一红光LED、一绿光LED、一蓝光LED，像素单元之间平行排列。8.权利要求1-7中任一项所述的全色型Micro-LED阵列显示器件的制备方法，其步骤包括：1)利用PECVD技术在具有p-n结构的InxGa1-xN/氮化镓量子阱蓝光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去除光刻胶的残余层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，王丹蓓，赵红，陶涛，谢自力，修向前，陈敦军，周玉刚，张荣，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32