一种Micro-LED阵列及其制备方法与流程

本发明涉及led封装领域，特别是涉及一种micro-led阵列及其制备方法。

背景技术：

焊线是led封装工艺流程中非常重要的一环，焊线所使用的四大基材是金、银、铜、铝，而金线由于具有电导率大、耐腐蚀、韧性好和抗氧化等优点，是良好的选择。金线键合在led封装中起到一个导线连接的作用，将芯片表面电极和基板连接起来，实现led电气互联。

micro-led技术，即led微缩化和矩阵化技术，指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的led阵列。micro-led阵列其实就是led微缩之后的阵列化，尺寸在100um以下。micro-led因为不仅有着led能够自发光、尺寸小、重量轻、亮度高、寿命更长、功耗更低、响应时间更快以及可控性更强的优点的所有优势，还有着明显的高分辨率以及便携性等特点而受到关注和研究，但其芯片尺寸小于100um，要实现商业化还面临着很多方面的挑战，比如巨量转移技术、全彩色化显示、磊晶技术、键合技术等。虽然micro-led不仅继承了无机led的高效率、高亮度、高可靠度以及反应时间快等优点，并且具备自发光无需背光源的特性，更具节能、机构简易、体积小、薄型等优势，但是由于micro-led的芯片过于微小，一般小于100um，使用一般的金线键合方式难度非常大。

普通的gan基led封装结构主要有正装、倒装和垂直结构三种。正装结构制作简单，工艺成熟，有源区发出的光经由p型gan区和透明电极出射。但因为正装结构led的p、n电极在同一侧，电流横向流过n-gan层，所以存在电流拥挤的问题；其次由于蓝宝石衬底导热性差，会造成散热效率低的问题；并且金线键合是正装结构不可缺少的工艺。倒装结构是在传统正装led芯片封装的基础上，将led芯片倒置并与制有金属凸点的硅基板焊在一起，相比于正装封装工艺，减少了金线键合工艺，去除了导线架、打线步骤，使得封装体积缩小，并进一步改善了散热效率，但仍存在电流拥挤的问题。而垂直结构p电极和n电极分别分布在led结构的上顶面和下底面，电流从p电极垂直流向n电极，可以有效解决散热和电流拥挤的问题，但不能避免金线键合工艺，不适用于micro-led阵列。此外，现有的晶圆级单片混合集成技术，单片处理方式不适用于大阵列，耗费时间，并且在键合过程中单片进行集成对对准工艺要求很高，因此也不适用于micro-led阵列。

市场主流采用的micro-led阵列多采用正装结构。采用正装结构，一方面会因为电流横向流过n-gan层，存在电流拥挤的问题；另一方面，由于通常使用的micro-led都为蓝宝石衬底(al2o3)，而蓝宝石衬底硬度很高、热导率和电导率低，在大电流情况下会严重影响器件的散热。最重要的是对于尺寸小于100um以下的micro-led来讲，由于micro-led阵列中的单个芯片非常微小，而micro-led阵列中单个芯片均为正装结构，因此对micro-led阵列中的单个芯片进行金线键合非常困难，金线键合工艺很难完成。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种micro-led阵列及其制备方法，能够实现micro-led阵列的无金线封装。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种micro-led阵列，包括硅基板、金属基板以及位于所述硅基板、所述金属基板之间的多个相同的发光芯片；

所述发光芯片由下向上依次设置金属触点、p型氮化镓层、多量子阱层和n型氮化镓层；其中，所述硅基板上设置有布线，所述金属触点通过所述布线与所述硅基板电气互联，所述金属基板设置在所述n型氮化镓层上；

所述金属触点作为所述发光芯片的p电极，所述金属触点用于产生空穴，所述p型氮化镓层用于传输所述空穴；所述金属基板作为所述发光芯片的n电极，所述金属基板用于产生所述电子；所述n型氮化镓层用于传输所述电子；所述多量子阱层用于对所述电子和所述空穴进行复合，产生光子；当所述硅基板通电后，电流从所述金属触点流向所述金属基板，实现micro-led阵列的发光。

可选的，所述发光芯片以阵列形式布置在所述硅基板、所述金属基板之间。

可选的，所述金属触点的材质为金或镍/金合金。

可选的，所述金属基板为一铜基板。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种micro-led阵列的制备方法，包括：

在蓝宝石衬底上同时生长多个相同的发光芯片；所述发光芯片为依次生长有n型氮化镓层、多量子阱层、p型氮化镓层和金属触点的芯片，其中，所述n型氮化镓层生长在蓝宝石衬底上；

根据所述蓝宝石衬底上各所述金属触点的位置，在硅基板布置与所述金属触点对应的布线；

将生长有所述发光芯片的蓝宝石衬底进行倒置，并将倒置后的蓝宝石衬底通过所述金属触点、所述布线与所述硅基板进行键合，得到键合阵列；

将所述键合阵列上的蓝宝石衬底剥离，然后将金属基板键合到各所述n型氮化镓层上。

可选的，所述发光芯片的生长步骤具体包括：

在所述蓝宝石衬底上生长所述n型氮化镓层；

在所述n型氮化镓层上生长所述多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长所述p型氮化镓层；

在所述p型氮化镓层上进行金属沉积，形成所述金属触点。

可选的，所述将倒置后的蓝宝石衬底通过所述金属触点、所述布线与所述硅基板进行键合，具体包括：

采用热压倒装焊接、超声热压焊或导电粘结剂将倒置后的蓝宝石衬底通过所述金属触点、所述布线与所述硅基板进行键合。

可选的，所述将所述键合阵列上的蓝宝石衬底剥离，具体包括：

采用激光剥离技术将所述键合阵列上的蓝宝石衬底剥离。

可选的，所述在所述p型氮化镓层上进行金属沉积，形成所述金属触点，具体包括：

采用沉积法、溅射法或电镀法在所述p型氮化镓层上进行金属沉积，形成所述金属触点。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的micro-led阵列及其制备方法，以发光芯片的金属触点作为p电极，以金属基板作为n电极，通过在硅基板上设置布线，使发光芯片直接通过金属触点、布线与硅基板电气互联，从而无需对micro-led阵列中的单个发光芯片进行金线键合操作，实现了micro-led阵列的无金线封装。并当硅基板通电后，电流从金属触点流向金属基板，使p电极和n电极通电，多量子阱层产生光子，即可实现micro-led阵列的发光。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明micro-led阵列实施例的结构图；

图2为本发明micro-led阵列的制备方法实施例的流程图；

图3为本发明键合阵列的单个结构单元示意图；

图4为普通的gan基led封装结构中的正装结构示意图；

图5为普通的gan基led封装结构中的垂直结构示意图；

图6为普通的gan基led封装结构中的倒装结构示意图；

图7为垂直结构中p电极和n电极分别分布在led结构上顶面和下底面的示意图；

图8为垂直结构中p电极和n电极分别分布在led结构下底面和上顶面的示意图；

图9为普通的gan基led封装中正装结构金线键合示意图；

图10为普通的gan基led封装中垂直结构金线键合示意图；

图11为普通的gan基led封装中倒装结构键合示意图。

具体实施方式

下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的目的是提供一种micro-led阵列及其制备方法，能够实现micro-led阵列的无金线封装。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明micro-led阵列实施例的结构图。参见图1，该micro-led阵列包括硅基板101、金属基板102以及位于所述硅基板101、所述金属基板102之间的多个相同的发光芯片。

所述发光芯片以阵列形式布置在所述硅基板101、所述金属基板102之间。

所述发光芯片由下向上依次设置金属触点103、p型氮化镓层104、多量子阱层105和n型氮化镓层106；其中，所述硅基板101上设置有布线，所述金属触点103通过所述布线与所述硅基板101电气互联，所述金属基板102设置在所述n型氮化镓层106上。

所述金属触点103的材质为金或镍/金合金。

所述金属基板102为一铜基板。

所述多量子阱层105为多层量子阱，主要是提高空穴和电子的复合效率，在一定程度上量子阱越多复合效率也越高，复合效率越高发光效率越高。

所述金属触点103作为所述发光芯片的p电极，所述金属触点103用于产生空穴，所述p型氮化镓层104用于传输所述空穴；所述金属基板102作为所述发光芯片的n电极，所述金属基板102用于产生所述电子；所述n型氮化镓层106用于传输所述电子；所述多量子阱层105用于对所述电子和所述空穴进行复合，产生光子；当所述硅基板101通电后，电流从所述金属触点103流向所述金属基板102，实现micro-led阵列的发光。

在该实施例中，micro-led阵列由2*2个芯片组成，图1显示为2*2的无金线封装micro-led阵列，确定micro-led阵列为2*2后，在硅基板101上进行2*2阵列的布线。

以micro-led阵列由2*2个芯片组成为例，确定micro-led阵列为2*2后，在硅基板上进行2*2阵列的布线。采用mocvd法在蓝宝石衬底上，以p型氮化镓层、多量子阱层和n型氮化镓层的顺序生长作为micro-led的外延层，外延层生长完成后，先使用蒸发沉积法在micro-led阵列每个芯片的p型氮化镓层进行金属沉积，形成金属触点，与硅基板上2*2的布线相对应。再将micro-led阵列倒装后采用热压焊接工艺将阵列的金属触点与硅基板进行键合实现电气互联。如果不用硅基板进行布线连接，就要对单个芯片打金线才能实现电气互联。电气互联的作用是实现通电，不进行电气互联，芯片不能正常工作，而现有技术中，一般情况下，都要打金线才能实现，而打金线属于led封装阶段，本发明通过在硅基板上进行布线与多个金属触点键合，再与金属基板构成回路，实现发光，无需打金线即可实现micro-led阵列的封装，利用gan材料高温分解特性及gan与蓝宝石间的带隙差，采用光子能量大于gan带隙而小于蓝宝石带隙的紫外脉冲激光，透过蓝宝石衬底辐照gan材料，在其界面处产生强烈吸收，使局部温度升高，gan气化分解，实现蓝宝石衬底剥离，再利用晶片键合的方法将gan外延片(n型氮化镓层)与转移衬底金属基板键合在一起，通过热压实现gan材料与金属基板衬底结合，键合温度300-500℃，实现整个micro-led阵列共用n电极(micro-led阵列，即2*2个芯片共用n电极，即此金属基板)，从而实现无金线封装microled阵列。

图2为本发明micro-led阵列的制备方法实施例的流程图。参见图2，该micro-led阵列的制备方法包括：

步骤201：在蓝宝石衬底107上同时生长多个相同的发光芯片；所述发光芯片为依次生长有n型氮化镓层106、多量子阱层105、p型氮化镓层104和金属触点103的芯片，其中，所述n型氮化镓层106生长在蓝宝石衬底107上。

该步骤201中，所述发光芯片的生长步骤具体包括：

在所述蓝宝石衬底107上生长所述n型氮化镓层106。

在所述n型氮化镓层106上生长所述多量子阱层105。

在所述多量子阱层105上生长所述p型氮化镓层104。

在所述p型氮化镓层104上进行金属沉积，形成所述金属触点103。

其中，所述在所述p型氮化镓层104上进行金属沉积，形成所述金属触点103，具体包括：

采用沉积法、溅射法或电镀法在所述p型氮化镓层104上进行金属沉积，形成所述金属触点103。

各所述发光芯片生长时，通过改变反应时的温度和材料浓度来控制各所述发光芯片的每一层的厚度和大小，在蓝宝石衬底上同时生长一种类型的层是已经实现的常规工艺，各所述发光芯片的相同层之间的间隔和分块都可以控制。

步骤202：根据所述蓝宝石衬底107上各所述金属触点103的位置，在硅基板101布置与所述金属触点103对应的布线。

该步骤202中，先确定micro-led阵列的分布，即确定micro-led阵列中各金属触点的位置，再在硅基板上进行与micro-led阵列分布一致的布线。

步骤203：将生长有所述发光芯片的蓝宝石衬底107进行倒置，并将倒置后的蓝宝石衬底107通过所述金属触点103、所述布线与所述硅基板101进行键合，得到键合阵列。

图3为本发明键合阵列的单个结构单元示意图。参见图3，若将键合阵列进行切割，可以得到多个相同的、如图3所示的结构单元。

该步骤203中，所述将倒置后的蓝宝石衬底107通过所述金属触点103、所述布线与所述硅基板101进行键合，具体包括：

采用热压倒装焊接、超声热压焊或导电粘结剂将倒置后的蓝宝石衬底107通过所述金属触点103、所述布线与所述硅基板101进行键合。

键合时，按照micro-led阵列的分布(micro-led阵列中各金属触点的位置)，将金属触点对准硅基板上的布线再进行键合。

步骤204：将所述键合阵列上的蓝宝石衬底107剥离，然后将金属基板102键合到各所述n型氮化镓层106上。

该步骤204中，所述将所述键合阵列上的蓝宝石衬底107剥离，具体包括：

采用激光剥离技术将所述键合阵列上的蓝宝石衬底107剥离。

在该实施例中，金属基板采用一铜基板，在剥离蓝宝石衬底107后，使用键合技术，将micro-led阵列转移到导热性能和导电性能更好的铜基板上，整个阵列共用n电极。

对于micro-led来说，由于不能使用一般的金属打线方式来与基板结合，因此更适合采用倒装结构，更能满足micro-led显示体积小、微型化的需求。本发明旨在通过将microled阵列的p型氮化镓层制备金属触点，在硅基板上进行和micro-led阵列相对应的布线，再采用热压焊接工艺将阵列p电极面与硅基板进行键合实现电气互联；再用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，使用键合技术将金属基板键合到n型氮化镓层上，p、n电极位于外延层(led结构中除去p电极、n电极和衬底的部分称为外延层，本发明中指p型氮化镓层、多量子阱层和n型氮化镓层)的两侧，从而实现micro-led阵列的无金线封装。

micro-led由于芯片过于微小，对于正装结构的micro-led难以进行金线键合工艺。本发明提供了一种针对micro-led阵列采用无金线键合工艺进行电气互联的解决方法。在解决了键合工艺问题的同时，提高了散热效率，解决电流拥挤的问题。本发明去除金线键合工艺主要分为两个步骤进行，一是将阵列倒置并与硅基板进行键合，二是将蓝宝石衬底剥离，将阵列转移到导电性能和导热性能优异的金属基板上作为n电极实现电气互联。这样将作为p电极的金属触点和作为n电极的金属基板设计在外延层两侧，也改善了电流拥挤的问题，从而解决了micro-led阵列金线键合问题。

图4、图5和图6分别为普通的gan基led封装结构中的正装结构、垂直结构和倒装结构示意图。其中，垂直结构分为两种，一种是p电极和n电极分别分布在led结构的上顶面和下底面，如图7所示。另一种是p电极和n电极分别分布在led结构的下底面和上顶面，如图8所示。常规的普通正装led结构，n型氮化镓层与蓝宝石衬底接触，蓝宝石衬底硬度很高，热导率和电导率低，本发明公开的借鉴倒装结构和垂直结构实现的无金线封装micro-led阵列，将micro-led倒装以后，p型氮化镓层与硅基板接触，接触面换为p型氮化镓层，蓝宝石衬底换为硅衬底，硅衬底的热阻远远小于蓝宝石衬底，很好地解决了散热问题，提高了散热效率。此外，由于倒装后再剥离蓝宝石衬底，将阵列转移至导电性能和导热性能更好的金属基板上面，整个阵列共用n电极，使得p、n电极位于外延层两侧，电流几乎全部垂直流过外延层，横向流动的电流极少，解决了电流拥挤的问题。

图9、图10和图11分别为普通的gan基led封装中正装结构金线键合示意图、垂直结构金线键合示意图和倒装结构键合示意图。由于市场主流采用的micro-led阵列多采用正装结构，而micro-led芯片过于微小，对单颗芯片进行金线键合操作难度过大而且效率低下，本发明通过将p型氮化镓层键合于布线的硅基板上，再将整个阵列转移到金属基板上，整个micro-led阵列共用n电极，实现了无金线封装micro-led阵列。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。