HEMT驱动MicroLED一体化背板及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种HEMT驱动MicroLED一体化背板及其制作方法，属于MicroLED领域。

背景技术

MicroLED凭借着其高发光效率、高可靠性、以及优良的响应速度备受关注。对于显示应用而言，相比于目前占据大部分市场份额的液晶显示和OLED显示而言，MicroLED显示在实现高分辨率、高刷新率的AR、VR及大尺寸拼接显示屏上具有巨大潜力。

相比于传统的PM驱动（无源选址驱动）式发光而言，AM驱动（有源选址驱动）式基于由TFT（薄膜场效应晶体管）与电容组成的像素电路对发光器件进行驱动发光，每个像素都由独立的开关管控制，对于高分辨率及大尺寸显示意义重大，突破了受行数制约的发光模式。同时，藉由对电容的充放电过程可以实现对TFT阈值电压及迁移率等制备工艺中产生的误差的补偿，使显示面板工作在更稳定的条件下。基于TFT的AM驱动模式早已在液晶显示及OLED显示中得到验证及应用，然而不同于前两者，MicroLED对电流变化敏感：其一，试图通过电流变化对MicroLED亮度进行调控时，发光中心波长变化漂移较大；其二，注入电流大小与MicroLED灰阶展开呈非线性关系，致使驱动与控制上存在一定困难。HEMT（高电子迁移率晶体管）基于第三代半导体GaN材料体系，具有极佳的电子迁移率、开关比等适用于增强显示性能的电学特性，且相比于TFT器件，HEMT独有的高压特性可以保证面板的极端条件耐受度及可靠度，优良的高频特性有助于高刷新率显示应用场景。

如何将HEMT应用到MicroLED，是本领域的一个难点，一直以来，阻碍MicroLED产业化的关键在于转移键合技术。目前备受推崇的主流研究方向有二：其一，对加工完成的LED晶圆与COMS驱动背板进行处理，而后采取晶圆键合的方式将二者连接，该方法较为高效且操作简易，然而受晶圆尺寸影响不适用于大尺寸显示，且因在同一片外延上集成RGB三色LED较为困难，该方法在实现全彩显示方面较为受限。其二，采用巨量转移方式，分别制备RGB三色单色晶圆，而后采取印章及激光转移等方式，配合晶圆级检测及修复系统将RGB三色LED芯片批量转移到背板相应的焊接处进行键合，该方法适用于大尺寸面板及全彩显示，然而操作繁琐且良率及效率都难以保证。此外，二者都受键合工艺影响较大，不同键合工艺将带来不同的电路寄生参数，对高刷新率、高分辨率显示有着难以回避的影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种HEMT驱动MicroLED一体化背板及其制作方法，将HEMT与RGB三色MicroLED在外延生长端直接集成，以避免繁杂低效的转移键合步骤带来的寄生参数影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，本申请提供一种HEMT驱动MicroLED一体化背板的制作方法，包括以下步骤：

在衬底上生长HEMT外延结构；

在所述HEMT外延结构上依次层叠生长三种单色LED外延结构，得到外延片；最底的所述单色LED外延结构与所述HEMT外延结构之间生长有第三u-GaN层，相邻所述单色LED外延结构之间生长有第四u-GaN层，每种所述单色LED外延结构均由下往上包括n-GaN层、多量子阱层和p-GaN层；

刻蚀至所述衬底对所述外延片分区；刻蚀后的外延片包括：各暴露出其中一种所述单色LED外延结构的三个LED区以及去除所述第三u-GaN层以上结构的四个HEMT区；

沉积钝化层，刻蚀通孔，再沉积导体，以使三个所述LED区的n-GaN层相连且连接至一个HEMT区，余下三个HEMT区各与一个所述LED区的p-GaN层相连。

本领域技术人员理解，u-GaN指非故意掺杂氮化镓，n-GaN指n型掺杂氮化镓，p-GaN是指p型掺杂氮化镓。

本申请提供的HEMT驱动MicroLED一体化背板的制作方法有利于保证HEMT器件性能，使其在整体驱动电路中发挥出高迁移率、小漏电流的特性，有助于高刷新率显示。

进一步地，所述HEMT外延结构由下往上依次包括缓冲层、第二u-GaN层及Al

Al

进一步地，所述缓冲层由下往上包括第一u-GaN层和Al

第一u-GaN层和Al

进一步地，所述第二u-GaN层和所述Al

在Al

进一步地，所述第四u-GaN层的厚度为500nm-600nm。

相邻两层LED之间拥有相同极性的电流注入，正向易导通，第四u-GaN层用于隔离相邻的单色LED外延结构，本申请中将第四u-GaN层做得更厚，即500nm-600nm，使电流注入发生时LED发光的单色性不受影响。

进一步地，所述第三u-GaN层厚150nm-180nm。

本申请中，外延片层结构较多，厚度较大，在优选的实施方式中，HEMT外延结构由下往上依次包括第一u-GaN层、Al

进一步地，所述刻蚀至所述衬底对所述外延片分区的步骤包括：

在所述外延片表面沉积二氧化硅形成第一硬掩膜；

在所述第一硬掩膜上光刻出图形化的第一软掩膜，所述第一软掩膜的覆盖范围为第一预设子像素区域；

刻蚀至完全除去所述第一硬掩膜，以在所述第一预设子像素区域暴露出最高的所述单色LED外延结构的所述p-GaN层，在其余位置暴露出位于中间的所述单色LED外延结构的所述p-GaN层；

在所述外延片表面沉积二氧化硅形成第二硬掩膜；

在所述第二硬掩膜上光刻出图形化的第二软掩膜，所述第二软掩膜的覆盖范围为第一预设子像素区域和第二预设子像素区域；

刻蚀至完全除去所述第二硬掩膜，以在所述第一预设子像素区域暴露出最高的所述单色LED外延结构的所述p-GaN层，在所述第二预设子像素区域暴露出位于中间的所述单色LED外延结构的所述p-GaN层，在其余位置暴露出最底（以HEMT外延结构往上的三种单色LED外延结构依次发红光、绿光、蓝光为例，“最高”即指发蓝光的单色LED外延结构，“位于中间”即指发绿光的单色LED外延结构，“最底”即指发红光的单色LED外延结构）的所述单色LED外延结构的所述p-GaN层；

在所述外延片表面光刻出图形化的第三软掩膜，所述第三软掩膜的覆盖范围为第一预设子像素区域、第二预设子像素区域、第三预设子像素区域和四个预设驱动区域；

刻蚀外延片，以在所述第一预设子像素区域暴露出最高的所述单色LED外延结构的所述p-GaN层，在所述第二预设子像素区域暴露出位于中间的所述单色LED外延结构的所述p-GaN层，在所述第三预设子像素区域暴露出最底的所述单色LED外延结构的所述p-GaN层，在所述预设驱动区域暴露出所述HEMT外延结构结构的顶面，其余位置深至所述衬底，所述第一预设子像素区域、所述第二预设子像素区域、所述第三预设子像素区域得以独立地成为所述LED区，所述预设驱动区域得以成为所述HEMT区。

本申请中，外延片层结构较多，厚度较大，若只使用光刻胶，光刻胶的厚度存在工程极限，且光刻胶与GaN之间的刻蚀选择比不够，刻蚀深度还没达到目标深度的时候，光刻胶就被刻完了。本申请使用硬掩膜和软掩膜配合，且分多次刻蚀，能保证刻蚀完成度，并且可以突破刻蚀选择比不足对刻蚀环节造成的困难。

更进一步地，所述第一硬掩膜与所述第一软掩膜的厚度比为5-7：1，所述第二硬掩膜与所述第二软掩膜的厚度比为5-7：1。

二氧化硅不像光刻胶能通过化学方法轻易与氮化镓分离，在第四u-GaN层的厚度为500nm-600nm的情况下，具体将硬掩膜的厚度设定为500nm-700nm，软掩膜的厚度设定为100nm，有利于在刻蚀尽二氧化硅时，不会穿透台阶上的p-GaN层。

进一步地，每种所述单色LED外延结构中，多量子阱层和p-GaN层之间还生长有电子阻挡层。

第二方面，本申请提供一种HEMT驱动MicroLED一体化背板，由第一方面所述的方法制作而成。该背板将HEMT与三色Micro-LED在外延生长端直接集成，避免繁杂低效的转移键合步骤带来的寄生参数影响。

本发明的有益效果是：本发明所采用的外延层制备顺序有利于保证HEMT器件性能，使其在整体驱动电路中发挥出高迁移率、小漏电流的特性，有助于高刷新率显示，三色LED共N极并联，通过调节总驱动HEMT电压可调节整体亮度，调节各支路HEMT电压可分别对三色LED实现单独控制，本发明将HEMT与三色LED器件在外延端集成在单一衬底上，可以回避因复杂的封装和键合工艺造成的寄生参数的影响，可以绕开繁琐的巨量转移及巨量转移后的检测工序，对突破Micro-LED面板产业化瓶颈有一定意义。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种HEMT驱动MicroLED一体化背板的制作方法的流程图。

图2是本申请实施例提供的一种HEMT驱动MicroLED一体化背板的结构示意图。

图3是步骤S3的具体步骤流程图。

附图标记：1、衬底；2、HEMT区；21、第一u-GaN层；22、Al

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

HEMT与GaN基RGB三色LED芯片的外延生长过程基于同一套体系，有望将HEMT与RGB三色Micro-LED在外延生长端直接集成，以克服晶圆键合和巨量转移无法解决的问题。

参照图1，本申请实施例提供一种HEMT驱动MicroLED一体化背板的制作方法，包括以下步骤：

S1：在衬底1上生长HEMT外延结构。衬底1例如可以是蓝宝石。

S2：在HEMT外延结构上依次层叠生长三种单色LED外延结构，得到外延片。

其中，最底的单色LED外延结构与HEMT外延结构之间生长有第三u-GaN层3，相邻单色LED外延结构之间生长有第四u-GaN层45，每种单色LED外延结构均由下往上包括n-GaN层41、多量子阱层42和p-GaN层44。三种单色可以为蓝色、红色、绿色，具体颜色可以由多量子阱层42的铟含量调节。

S3：刻蚀至衬底1对外延片分区。

包括：各暴露出其中一种单色LED外延结构的三个LED区4以及去除第三u-GaN层3以上结构的四个HEMT区2；

S4：沉积钝化层5，刻蚀通孔，再沉积导体，以使三个LED区4的n-GaN层41相连且连接至一个HEMT区2，余下三个HEMT区2各与一个LED区4的p-GaN层44相连。

最终得到的HEMT驱动MicroLED一体化背板如图2所示，在衬底1上包括四个HEMT区2和三个LED区4，三个LED区4不等厚（或称为高），最厚的LED区4具有三种单色LED外延结构，次厚的LED区4具有两种单色LED外延结构，最薄的LED区4具有一种单色LED外延结构，三个LED区4都只有位于自身最上的一种单色LED外延结构被导通，且自身最上的一种单色LED外延结构的局部暴露出n-GaN层41。具体而言，HEMT包括源极28、栅极27和漏极26（制作源极28、栅极27和漏极26属于现有技术，本申请不讨论具体像素电路设计），三个LED区4的n-GaN层41通过阴极导体51相连且连接至一个HEMT区2的源极28，余下三个HEMT区2的源极28中，一个通过阳极导体52与发红光的LED区4的p-GaN层44相连，一个通过阳极导体52与发蓝光的LED区4的p-GaN层44相连，一个通过阳极导体52与发绿光的LED区4的p-GaN层44相连，以上三个阳极导体52不相连。如此三色LED共N极并联，通过调节总驱动HEMT电压可调节整体亮度，调节各支路HEMT电压可分别对三色LED实现单独控制。

本申请实施例所采用的外延层制备顺序有利于保证HEMT器件性能，使其在整体驱动电路中发挥出高迁移率、小漏电流的特性，有助于高刷新率显示，将HEMT与三色LED器件在外延端集成在单一衬底1上，可以回避因复杂的封装和键合工艺造成的寄生参数的影响，可以绕开繁琐的巨量转移及巨量转移后的检测工序。

在一些实施例中，HEMT外延结构由下往上依次包括缓冲层、第二u-GaN层23及Al

如图1所示，缓冲层由下往上包括第一u-GaN层21和Al

如图1所示，第二u-GaN层23和Al

相邻两层LED之间拥有相同极性的电流注入，正向易导通，第四u-GaN层45用于隔离相邻的单色LED外延结构，本申请中将第四u-GaN层45做得更厚，即500nm-600nm，使电流注入发生时LED发光的单色性不受影响，进一步减少漏电。

结合以上优选的实施方式后，HEMT外延结构由下往上依次包括第一u-GaN层21、Al

参照图3，步骤S3的具体步骤包括：

S31：在外延片表面沉积二氧化硅形成第一硬掩膜61。

S32：在第一硬掩膜上光刻出图形化的第一软掩膜62，第一软掩膜62的覆盖范围为第一预设子像素区域。该步骤完成后如图3中按箭头顺序的第二幅所示。

S33：刻蚀至完全除去第一硬掩膜，以在第一预设子像素区域暴露出最高的单色LED外延结构的p-GaN层44，在其余位置暴露出位于中间的单色LED外延结构的p-GaN层44。

若只使用光刻胶，光刻胶的厚度存在工程极限，且光刻胶与GaN之间的刻蚀选择比不够，刻蚀深度还没达到目标深度的时候，光刻胶就被刻完了。步骤S33中使用硬掩膜和软掩膜配合，能保证刻蚀完成度。该步骤完成后如图3中按箭头顺序的第三幅所示，第一预设子像素区域与其余位置形成一级台阶，基于同样的原理，可形成多级台阶。

S34：在外延片表面沉积二氧化硅形成第二硬掩膜。

S35：在第二硬掩膜上光刻出图形化的第二软掩膜，第二软掩膜的覆盖范围为第一预设子像素区域和第二预设子像素区域。

S36：刻蚀至完全除去第二硬掩膜，以在第一预设子像素区域暴露出最高的单色LED外延结构的p-GaN层44，在第二预设子像素区域暴露出位于中间的单色LED外延结构的p-GaN层44，在其余位置暴露出最底的单色LED外延结构的p-GaN层44。

该步骤结束后如图3中按箭头顺序的第四幅所示，第一预设子像素区域与第二预设子像素区域形成第一级台阶，第二预设子像素区域与余下位置形成第二级台阶。

S37：在外延片表面光刻出图形化的第三软掩膜63，第三软掩膜63的覆盖范围为第一预设子像素区域、第二预设子像素区域、第三预设子像素区域和四个预设驱动区域。

S38：刻蚀外延片，以在第一预设子像素区域暴露出最高的单色LED外延结构的p-GaN层44，在第二预设子像素区域暴露出位于中间的单色LED外延结构的p-GaN层44，在第三预设子像素区域暴露出最底的单色LED外延结构的p-GaN层44，在预设驱动区域暴露出HEMT外延结构的顶面，其余位置深至衬底1，第一预设子像素区域、第二预设子像素区域、第三预设子像素区域得以独立地成为LED区4，预设驱动区域得以成为HEMT区2。

步骤S38完成后，如图3中按箭头顺序的第六幅所示，第一预设子像素区域留下的LED区4与第二预设子像素区域留下的LED区4形成第一级台阶，第二预设子像素区域留下的LED区4与第三预设子像素区域留下的 LED区4形成第二级台阶，第三预设子像素区域留下的 LED区4与预设驱动区域留下的HEMT区2形成第三级台阶，预设驱动区域留下的HEMT区2形成与衬底1形成第四级台阶。第四u-GaN层45为刻蚀出前两个台阶的重要障碍，第三u-GaN层3仅厚150nm-180nm，步骤S37中无需再软硬掩膜配合，位于第三预设子像素区域的光刻胶厚度比预设驱动区域的光刻胶厚度大，步骤S38可直接刻蚀至衬底1。本申请实施例在二氧化硅上用光刻胶做软掩膜做图形化处理，而后刻蚀产生第一级与第二级的台阶，再重复上述过程产生第二级与第三级的台阶，而后使用光刻胶做软掩膜刻蚀mesa及分区沟道、刻蚀通孔及图形化pad区域，可以突破刻蚀选择比不足对刻蚀环节造成的困难。

二氧化硅不像光刻胶能通过化学方法轻易与氮化镓分离，在第四u-GaN层45的厚度为500nm-600nm的情况下，具体将硬掩膜的厚度设定为500nm-700nm，软掩膜的厚度设定为100nm，有利于在刻蚀尽二氧化硅时，不会穿透台阶上的p-GaN层44（以HEMT外延结构往上的三种单色LED外延结构依次发蓝光、绿光、红光为例，即步骤S33中不会穿透第一预设子像素区域的红光p-GaN层，步骤S36不会穿透第一预设子像素区域的红光p-GaN层和第二预设子像素区域的绿光p-GaN层）。

优选地，每种单色LED外延结构中，多量子阱层42和p-GaN层44之间还生长有电子阻挡层43，有利于避免电子溢流，提高LED发光效率。

本发明将HEMT与RGB三色LED器件在外延端集成在单一衬底上，通过通孔及电极沉积实现互联，与现有技术中的复杂像素电路具有高度兼容性，而且还可以排除因复杂的封装和键合工艺造成的寄生参数的影响。除此之外，本发明回避繁琐的巨量转移及巨量转移后的检测工序，对突破Micro-LED面板产业化瓶颈有一定意义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”“某些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。