CN109037291B - 全色型Micro-LED器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于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。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于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领域。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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，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掩膜层，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型氮化镓层和量子阱层，至此刻蚀沟槽至N型氮化镓层，并将红光LED和绿光LED的正方形台面刻蚀至N型氮化镓层，正方形台面之间仍通过刻蚀沟槽分隔；
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，形成相互隔离的氮化镓正方形台面阵列结构，并修复氮化镓及量子阱侧壁的刻蚀损伤；
7)制备N型电极，利用PECVD技术蒸镀一层介质薄膜层，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型氮化镓层；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型氮化镓的欧姆接触；
8)制备P型电极，利用PECVD技术蒸镀一层介质薄膜层，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型氮化镓层；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型氮化镓的欧姆接触；
9)将上述制备好的样品放入多源有机金属真空沉积系统中依次蒸镀电子注入层、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，有机材料和金属放置在不同的蒸发源，每个蒸发源的温度能单独控制，蒸镀其中一种有机材料时，利用遮挡掩膜，将其它像素遮蔽。
本发明还公开了一种基于III-氮化物及有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED阵列白光器件，其结构自下而上包括：
一单蓝宝石衬底；
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上蒸镀有红、绿光掺杂有机发光二极管或者黄光有机发光二极管。
优选的，红、绿光掺杂有机发光二极管或者黄光有机发光二极管的结构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、金属阳极；
所述的电子注入层包括碱金属化合物或N型掺杂层，所述碱金属化合物为氟化锂、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。
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；
发光层中掺杂红光发光材料、绿光发光材料或黄光发光材料，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，金属氧化物包括氧化钼、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。
本发明的基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED阵列器件可用于显示或照明，红-绿-蓝Micro-LED器件中的像素单元共用N型电极和电子注入层N型氮化镓氮化镓，红-绿-蓝Micro-LED中的每个像素单元是相互独立，可以定址，单独驱动点亮，电光控制便捷，通过选用合适的有机半导体发光材料，优化器件结构，可以很方便对三元素LED器件单元进行亮度比例以及光效的优化组合，得到宽光谱、高光效、高显色指数的白光LED。红-绿-蓝三元素微米孔LED器件单元是微米级，每一个像素之间的间距非常小，在较短的传播距离内红、绿、蓝三元素高效地混和发光，有效解决了现在常规LED因发光距离带来的发散角度较大继而造成发光效率降低、显色指数低的问题，具有自发光无需背光源的特性，结合了无机蓝光材料长寿命、高稳定性和有机半导体材料发光颜色丰富，覆盖了整个可见光区域、成本低、易制备等优点，响应时间快，色域高，更易制备大面积、低成本的Micro-LED阵列。
本发明采用紫外光刻技术制备，成本低廉并且可实现大面积制备，克服了氮化物量子阱LED外延片表面粗糙的缺陷，每个Micro-LED像素单元的形状、尺寸大小均可调；该类器件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，颜色可调，制备工艺简单，通过选择合适的有机发光材料和优化器件结构，可实现高效率、宽色域、低功耗的超薄全彩Micro-LED，Micro-LED的面积可达到或超过4英寸。另外，该器件结构与工艺可推广到无机/有机半导体混合杂化结构发光器件，并与目前标准蓝光LED器件芯片制作工艺完全兼容，非常易于集成到现有Micro-LED照明和显示产品生产线中。
附图说明
图1-图16为实施例1的基于III族氮化物/有机半导体混合杂化结构红-绿-蓝Micro-LED器件工艺流程示意图以及表面结构示意图。
图17-图28为实施例2的基于III族氮化物/有机半导体混合杂化结构Micro-LED器件工艺流程示意图。
图29-图34为实施例3的基于III族氮化物/有机半导体混合杂化结构白光Micro-LED器件工艺流程示意图。
图35为实施例3的基于III族氮化物/有机半导体混合杂化结构白光Micro-LED器件的表面结构示意图。
图36为实施例4的基于III族氮化物/有机半导体混合杂化结构Micro-LED器件结构示意图。
图37为实施例5的基于III族氮化物/有机半导体混合杂化结构Micro-LED器件结构示意图。
具体实施方式
以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1基于III族氮化物/有机半导体混合杂化结构红-绿-蓝Micro-LED器件
本实施案例采用蓝光LED和红光、绿光有机LED构成基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的红-绿-蓝微米LED阵列器件。选择具有p-n结构的InxGa1-xN/氮化镓量子阱蓝光LED外延片，如图1所示，包括蓝宝石衬底1；生长在蓝宝石衬底上的氮化镓缓冲层2；生长在缓冲层上的N型氮化镓层3；生长在N型氮化镓层上的InxGa1-xN/氮化镓量子阱有源层4；生长在量子阱有源层上的P型氮化镓层5；其发光波长在450-470nm；红光有机发光二极管采用主体材料掺杂红色荧光或者磷光小分子材料而成，其发光波长在630-660nm；绿光有机发光二极管采用主体材料掺杂绿色荧光或者磷光小分子材料而成，其发光波长在520-560nm。其具体的实施方案如下：
(1)如图2所示，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在具有p-n结构的InxGa1-xN/氮化镓量子阱蓝光LED外延片上沉积一层SiO2或SiNx介质层薄膜作为掩膜层6。PECVD生长SiO2介质层采用的工艺为：向反应腔中通入硅烷(SiH4)和一氧化二氮(N2O)的混合气源，通过化学反应SiHx+O→SiO2(+H2)在被加热到350摄氏度的P型氮化镓层上沉积SiO2薄膜层，厚度为150～250nm。PECVD生长SiNx薄膜的工艺为：在PECVD的反应腔体中通入硅烷(SiH4)和氮气(N2)混合气源，通过化学反应SiHx+N→SiNx(+H2)在被加热到350摄氏度的P型氮化镓上沉积SiNx薄膜层，厚度为150-300nm。
(2)如图3所示，SiO2或SiNx掩膜6制备完成后，在介质层上旋涂光刻胶7，根据光刻板结构深度选择不同浓度的光刻胶7的厚度，典型厚度为150-300nm；然后利用紫外光刻技术，将光刻版的图形复制到在光刻胶上，留下大面积、有序的正方形台面阵列图形；
(3)如图4所示，采用反应离子刻蚀(RIE)技术，通入O2去除光刻胶7的残余层。然后利用物理气相沉积(PVD)工艺蒸镀一层镍(Ni)、铬(Cr)或铝(Al)等金属8，典型厚度为30-100nm；然后将样品浸泡在丙酮溶液中超声进行剥离，去除光刻胶层7及光刻胶层上的金属薄膜8，得到大面积有序的正方形金属台面阵列图形；
(4)如图5所示，利用反应离子刻蚀(RIE)技术，通入CF4和O2的混合气体，以金属8为掩膜纵向刻蚀介质层，将金属正方形台面结构转移至介质层6；刻蚀条件：CF4和O2流量分别为30～100sccm和4～20sccm，功率为30～100W，压强为1.0～10Pa，刻蚀时间为1～20min。
(5)如图6所示，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)技术，通入Cl2和BCl3的混合气，各向异性刻蚀P型氮化镓层5至N型氮化镓层3，在外延片上隔离出分离的大面积、低缺陷正方形台面蓝光Micro-LED阵列；刻蚀条件为：Cl2和BCl3流量分别为24±10sccm和8±5sccm，ICP功率为300±200W(频率13.56MHz)，刻蚀时间为10～20min。
(6)如图7所示，采用湿法腐蚀，将样品浸泡在无机酸、碱(如盐酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠等)溶液40-90摄氏度水浴加热5-20min，去除金属掩膜层8以及表面的刻蚀损伤；使用氢氟酸或BOE溶液去除表面残余的介质层6。
(7)如图8所示，采用PECVD技术蒸镀一层150-250nm厚的SiO2或SiNx介质层薄膜6；在SiO2或SiNx介质层上旋涂光刻胶7，根据光刻板结构深度选择不同浓度的光刻胶7的厚度，典型厚度为150-300nm；然后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；
(8)如图9所示，采用反应离子刻蚀(RIE)技术，通入CF4和O2的混合气体，以光刻胶7为掩膜刻蚀SiO2介质层6，将N型电极图形转移至N型氮化镓3；刻蚀条件：CF4和O2流量分别为30～100sccm和4～20sccm，功率为30～100W，压强为1.0～10Pa，刻蚀时间为1～20min。
(9)如图10所示，采用PVD工艺蒸镀200-300nm钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)作为N型电极。将样品浸泡在丙酮中超声剥离光刻胶7及光刻胶层上的金属薄膜9。最后在N2环境中，利用热退火实现钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)与N型氮化镓的欧姆接触。
(10)如图11所示，在上述样品表面旋涂一层光刻胶7，利用紫外光刻技术在样品表面做出P型电极区域，然后采用RIE技术，通入CF4和O2的混合气体，以光刻胶7为掩膜刻蚀SiO2介质层6，将P型电极图形转移至P型氮化镓层5。刻蚀条件：CF4和O2流量分别为30～100sccm和4～20sccm，功率为30～100W，压强为1.0～10Pa，刻蚀时间为1～20min。
(11)如图12所示，采用物理气相沉积(PVD)工艺蒸镀镍(Ni)/金(Au)150-300nm的金属作为p型电极10。
(12)如图13所示，将样品浸泡在丙酮中超声剥离去掉光刻胶7以及光刻胶层上的金属薄膜10，洗净并烘干样品。最后在N2环境中，利用热退火，实现镍(Ni)/金(Au)金属与P型氮化镓的欧姆接触，最终得到正方形台面结构蓝光Micro-LED像素阵列结构。
(13)如图14所示，把上述制备好的样品放入多源有机金属真空沉积系统中，将有机材料和金属放置在不同的蒸发源，每个蒸发源的温度可以单独控制。当真空镀膜系统的真空度达到5×10-4帕斯卡以下的时候，在N型氮化镓衬底上依次蒸镀电子传输层11、红光掺杂发光层12、激子阻挡层13、空穴传输层14、空穴注入层15和金属阳极16。
(14)如图15所示，红光有机材料蒸镀完成之后，更换遮挡掩膜版。在N型氮化镓衬底上依次蒸镀电子传输层11、绿光掺杂发光层17、空穴传输层14、空穴注入层15和金属阳极16。最终得到可用于显示的基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的红-绿-蓝微米LED阵列器件，其表面结构如图16所示，图16仅显示了2*2个像素单元，每个像素单元均为2*2的结构，包括一红光LED20、一绿光LED21、一蓝光LED22，和一备用LED23。也可以去掉备用LED，每个像素单元为3*1的结构，包括一红光LED20、一绿光LED21、一蓝光LED22，像素单元之间平行排列。
在本实施例中，N型电极9通过N型氮化镓层3同时向无机LED和有机LED注入电流，及共用N型电极9和N型氮化镓层3。本案例为底发光器件，蓝宝石衬底1为单面抛光。再者，可以根据光型需求，设计为顶发光或者双面发光，当顶部出光时，可在蓝宝石衬底1背面蒸镀反射层。
实施例2
本例与实施例1的区别在无机LED的N型电极和有机发光二极管结构，无机LED的结构仍然采用图1到图7的结构，因此下面重点针对无机LED的N型电极和有机发光二极管结构进行详细说明：
(1)如图17所示，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在图7样品上沉积一层SiO2或SiNx介质层薄膜作为掩膜层6。PECVD生长SiO2介质层采用的工艺为：向反应腔中通入硅烷(SiH4)和一氧化二氮(N2O)的混合气源，通过化学反应SiHx+O→SiO2(+H2)在被加热到350摄氏度的P型氮化镓层上沉积SiO2薄膜层，厚度为150～250nm。PECVD生长SiNx薄膜的工艺为：在PECVD的反应腔体中通入硅烷(SiH4)和氮气(N2)混合气源，通过化学反应SiHx+N→SiNx(+H2)在被加热到350摄氏度的P型氮化镓上沉积SiNx薄膜层，厚度为150-300nm。
(2)如图18所示，在介质层6上旋涂光刻胶7，根据光刻板结构深度选择不同浓度的光刻胶7的厚度，典型厚度为150-300nm；然后利用紫外光刻技术，在样品表面做出透明电极区域。
(3)如图19所示，采用反应离子刻蚀(RIE)技术，通入CF4和O2的混合气体，以光刻胶7为掩膜刻蚀SiO2介质层6，将透明电极图形转移至N型氮化镓层3；刻蚀条件：CF4和O2流量分别为30～100sccm和4～20sccm，功率为30～100W，压强为1.0～10Pa，刻蚀时间为1～20min。
(4)如图20所示，利用电子束蒸发或者热蒸发技术蒸镀一层透明电极18，如氧化铟锡(ITO)、铝(Al)、银(Ag)等，厚度为5～20nm；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。最后将样品在快速退火炉(RTA)进行高温退火，退火温度450℃-600℃，时间2～10min。
(5)如图21所示，在上述样品表面采用PECVD技术蒸镀一层150-250nm厚的SiO2或SiNx介质层6；在介质层6上旋涂光刻胶7，然后利用紫外光刻技术，在样品表面做出N型电极区域。
(6)如图22所示，采用反应离子刻蚀(RIE)技术，通入CF4和O2的混合气体，以光刻胶7为掩膜刻蚀SiO2介质层6，将N型电极图形转移至N型氮化镓层3；刻蚀条件：CF4和O2流量分别为30～100sccm和4～20sccm，功率为30～100W，压强为1.0～10Pa，刻蚀时间为1～20min。
(7)如图23所示，采用PVD工艺蒸镀200-300nm钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)作为N型电极。将样品浸泡在丙酮中超声剥离光刻胶7及光刻胶层上的金属薄膜9。最后在N2环境中，利用热退火实现钛(Ti)/铝(Al)/镍(Ni)/金(Au)与透明电极的欧姆接触。
(8)如图24所示，在上述样品表面旋涂一层光刻胶7，利用紫外光刻技术在样品表面做出P型电极区域，然后采用RIE技术，通入CF4和O2的混合气体，以光刻胶7为掩膜刻蚀SiO2介质层6，将P型电极图形转移至P型氮化镓层5。刻蚀条件：CF4和O2流量分别为30～100sccm和4～20sccm，功率为30～100W，压强为1.0～10Pa，刻蚀时间为1～20min。
(9)如图25所示，采用物理气相沉积(PVD)工艺蒸镀镍(Ni)/金(Au)150-300nm的金属作为p型电极10。
(10)如图26所示，利用湿法腐蚀去掉光刻胶以及光刻胶层上的金属薄膜10，洗净并烘干样品。最后在N2环境中，利用热退火，实现镍(Ni)/金(Au)金属10与P型氮化镓层5的欧姆接触.
(10)如图27所示，把上述制备好的样品放入多源有机金属真空沉积系统中，将有机材料和金属放置在不同的蒸发源，每个蒸发源的温度可以单独控制。采用遮挡掩膜技术，当真空镀膜系统的真空度达到5×10-4帕斯卡以下的时候，在透明电极上依次蒸镀电子注入层19、电子传输层11、红光掺杂发光层12、激子阻挡层13、空穴传输层14、空穴注入层15和金属阳极16。
(11)如图28所示，红光有机材料蒸镀完成之后，更换遮挡掩膜版。在透明电极依次蒸镀电子注入层19、电子传输层11、绿光掺杂发光层17、空穴传输层14、空穴注入层15和金属阳极16。最终得到可用于显示的基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的红-绿-蓝微米LED阵列器件。
在本实施例中，本案例为底发光器件，蓝宝石衬底1为单面抛光。同样可以根据光型需求，设计为顶发光或者双面发光，当顶部出光时，可在蓝宝石衬底1背面蒸镀反射层。
实施例3基于III族氮化物/有机半导体混合杂化结构白光Micro-LED器件
本实施案例采用蓝光LED和黄光有机LED构成基于III-氮化物/有机半导体混合杂化结构的白光LED阵列器件。选择具有p-n结构的InxGa1-xN/氮化镓量子阱蓝光LED外延片，其发光波长在450-470nm；黄光有机发光二极管采用主体材料掺杂黄色荧光或者磷光小分子材料而成，其发光波长在570-600nm。
本实施例与实施例1的区别在无机LED的N型电极和有机发光二极管结构，蓝光无机Micro-LED阵列结构和N型电极的制备仍然采用图1到图10的结构，因此下面重点针对黄光有机发光二极管的结构进行详细说明：
(1)如图29所示，按照实施例1，制备蓝光无机Micro-LED阵列结构和N型电极。
(2)如图30所示，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在图29样品上沉积一层SiO2或SiNx介质层薄膜作为掩膜层6。
(3)如图31所示，在介质层6上旋涂光刻胶7，然后利用紫外光刻技术，在样品表面做出透明电极区域。
(4)如图32所示，利用电子束蒸发或者热蒸发技术蒸镀一层透明电极18，如氧化铟锡(ITO)、铝(Al)、银(Ag)等，厚度为5～20nm。
(5)如图33所示，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。最后将样品在快速退火炉(RTA)进行高温退火，退火温度450℃-600℃，时间2～10min。
(6)如图34所示，把上述制备好的样品放入多源有机金属真空沉积系统中，将有机材料和金属放置在不同的蒸发源，每个蒸发源的温度可以单独控制。当真空镀膜系统的真空度达到5×10-4帕斯卡以下的时候，在透明电极依次蒸镀空穴注入层15、空穴传输层14、激子阻挡层13、黄光掺杂发光层20、电子传输层11、电子注入层19和金属阴极21，最终得到可用于照明的白光Micro-LED器件，其表面结构如图35所示，每个正方形台面均为白光LED24。
在本实施例中，透明电极18同时向无机LED和有机LED注入电流，及共用P型电极。本案例为底发光器件，蓝宝石衬底1为单面抛光。P型电极采用透明电极，可以增加出光率。同样可以根据光型需求，设计为顶发光或者双面发光，当顶部出光时，可在蓝宝石衬底1背面蒸镀反射层。
实施例4
本案例采用蓝光无机Micro-LED和红、绿有机单层发光层Micro-LED器件组成白光发光Micro-LED器件。本案例只需要将图34中蒸镀的有机发光二极管的发光层稍作修改，即可得到红-绿-蓝三原色白光Micro-LED器件。请参看图36，有机发光层为红、绿双基色单层发光。有机红、绿单层发光二极管器件的详细结构描述如下：把上述制备好的样品放入多源有机金属真空沉积系统中，将有机材料和金属放置在不同的蒸发源，每个蒸发源的温度可以单独控制。当真空镀膜系统的真空度达到5×10-4帕斯卡以下的时候，在透明电极依次蒸镀空穴注入层15、空穴传输层14、激子阻挡层13、红、绿光掺杂发光层22、电子传输层11、电子注入层19和金属阴极21。
实施例5
本案例采用蓝光无机Micro-LED和红、绿有机多层发光层Micro-LED器件组成白光发光Micro-LED器件。本案例只需要将图34中蒸镀的有机发光二极管的发光层稍作修改，即可得到红-绿-蓝三原色白光Micro-LED器件。请参看图37，有机发光层为红、绿双基色多层发光层。有机红、绿多层发光二极管器件的详细结构描述如下：把上述制备好的样品放入多源有机金属真空沉积系统中，将有机材料和金属放置在不同的蒸发源，每个蒸发源的温度可以单独控制。当真空镀膜系统的真空度达到5×10-4帕斯卡以下的时候，在透明电极依次蒸镀空穴注入层15、空穴传输层14、激子阻挡层13、红光掺杂发光层23、绿光掺杂发光层24、电子传输层11、电子注入层19和金属阴极21。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
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；
所述全色型Micro-LED阵列显示器件刻蚀形成贯穿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、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或绿光掺杂材料，以发出红光或绿光；
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％；
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，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掩膜层，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型氮化镓层和量子阱层，至此刻蚀沟槽至N型氮化镓层，并将红光LED和绿光LED的正方形台面刻蚀至N型氮化镓层，正方形台面之间仍通过刻蚀沟槽分隔；
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，形成相互隔离的氮化镓正方形台面阵列结构，并修复氮化镓及量子阱侧壁的刻蚀损伤；
7)制备N型电极，利用PECVD技术蒸镀一层介质薄膜层，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型氮化镓层；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型氮化镓的欧姆接触；
8)制备P型电极，利用PECVD技术蒸镀一层介质薄膜层，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型氮化镓层；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型氮化镓的欧姆接触；
9)将上述制备好的样品放入多源有机金属真空沉积系统中蒸镀有机发光材料，有机材料和金属放置在不同的蒸发源，每个蒸发源的温度能单独控制，蒸镀其中一种有机材料时，利用遮挡掩膜，将其它像素遮蔽。
9.一种基于III-氮化物及有机半导体混合杂化结构的全色型Micro-LED阵列白光器件，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；
所述全色型Micro-LED阵列白光器件刻蚀形成贯穿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上蒸镀有红、绿光掺杂有机发光二极管或者黄光有机发光二极管。
10.根据权利要求9所述的全色型Micro-LED阵列白光器件，其特征在于：在所述正方形台面阵列上依次蒸镀电子注入层、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；
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；
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、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；
空穴注入层为过渡金属氧化物或者有机材料，金属氧化物包括氧化钼、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。
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