一種tft-led彩色陣列顯示基板的製作方法

2023-11-02 20:53:17 2

專利名稱：一種tft-led彩色陣列顯示基板的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種LED陣列顯示基板，尤其涉及一種TFT-LED彩色陣列顯示基板。
背景技術：
隨著人們物質文化生活水平的不斷改善，人們對顯示技術的要求也越來越高。顯示技術逐步向著平板化、體積小、重量輕、耗電省等方向發展。液晶顯示器由於具有體積小、輻射小和功耗低等優點而得到了迅速的發展，成為了當前顯示技術的主流，在不少應用領域內逐步取代了傳統的CRT顯示技術。但是液晶顯示器也存在響應速度相對較慢，色彩還原性能較差等方面的不足。上世紀90年代以來，InGaN為發光材料的GaN基藍光LED器件的研製成功，為LED的迅速普及和推廣開闢了廣闊的道路。隨著紅、綠、藍三基色LED器件的研製成功，為LED顯示器件的實現提供了良好的基礎。LED具有發光效率高、顯色性好和節約能源等優點，在目前的大屏幕顯示方面得到了廣泛的應用。目前的LED顯示器主要由單色LED單元拼接而成，具有耗電量少、亮度高、工作電壓低、驅動簡單、壽命長、響應速度快和性能穩定等優點。但目前採用的拼接形式形成的LED顯示器存在解析度低、色彩均勻性差、體積大等不足，LED顯示器不同拼接部分的協調性和一致性難以保證，製作成本相對較高，大功率器件散熱困難，且僅適用於大屏幕顯示等問題，限制了拼接LED顯色器的進一步發展。
發明內容本實用新型提供了一種TFT-LED彩色陣列顯示基板，它製造得到的LED顯示器解析度高、體積小、散熱效果良好，能實現真彩和小屏幕顯示，，能有效克服現有拼接LED顯示器和TFT-IXD的不足。本實用新型提供了一種TFT-LED彩色陣列顯示基板，包括襯底，在襯底上方依次為緩衝層和η型GaN層，厚度相當的三基色(RGB)發光層，ρ型GaN層和透明電極層；η型GaN層、三基色發光層、ρ型GaN層和透明電極層共同組成顯示單元，在顯示單元上設有控制區，在顯示單元之間設有引線區。在控制區內設有由電容器下極板和電容器上極板，以及同處於它們之間的絕緣層所構成的電容器；由工作TFT柵極、工作TFT溝道、工作TFT源極、工作TFT漏極以及絕緣層組成工作TFT ；以及由控制TFT柵極、控制TFT溝道、控制TFT源極和控制TFT漏極以及絕緣層組成的控制TFT ；在引線區內設有η型GaN層接地引線，工作TFT源極引線，控制TFT源極引線及控制TFT柵極引線。其中電容器下極板與η型GaN層接觸，η型GaN層接地引線(11)與電容器下極板連接；電容器上極板分別與工作TFT柵極及控制TFT漏極連接，工作TFT漏極與透明電極層連接，工作TFT源極與工作TFT源極弓|線連接，控制TFT源極與控制TFT源極引線連接，控制TFT柵極與控制TFT柵極引線連接；在各層金屬電極和不同層引線之間有絕緣層，在控制區及引線區上有鈍化保護層。襯底材料可以是藍寶石單晶襯底或SiC單晶襯底。η型半導體層和ρ型半導體層是由不同摻雜濃度的P型或η型GaN外延薄膜組成，其中η型半導體層可摻入Si，ρ型半導體層可摻入Mg、Si等。三基色發光層是由紅、綠、藍三種厚度相當的單色發光層組成發光陣列，發光陣列的每個單元獨立發光。紅、藍、綠三種發光單元按照常規的三基色發光陣列的排布方式進行排布，以滿足彩色顯示的需要。發光層由單層的InGaN，AlInGaN，或AlfetInP等組成，或者由多層的hfeiN，AUnfeiN，或AlGaInP等，形成多量子阱結構。hfeiN，AUnfeiN，或AlGaInP的組份根據發光顏色的需要調節。也可在發光層下先生長緩衝層(buffer layer)，以實現發光層與η型層的晶格匹配。如通常的藍光LED中hGaN外延層，可發出純正的藍光；若生長出富化相(In-rich)的InGaN，則可得到較理想的綠光發射；而生長出AlInGaP,則可得到較理想的紅光發射。為實現發光層與下一層薄膜之間的晶格匹配，還可選擇在相應發光層生長之前選擇適當的緩衝層，如在AlhGaP生長前生長GaAs等緩衝層。透明電極層為原位生長的ITO、IZO或性質類似的透明電極材料。電容器的下極板、上極板，工作TFT柵極、工作TFT漏極、工作TFT源極，控制TFT柵極、控制TFT漏極、控制TFT源極以及各種引線的材料為M0、Au、Cu、Ag、Ni或Al等金屬中的一種或一種以上組成的合金，或者它們的搭配或組合。絕緣層和鈍化層可採用310!￡工1隊或SiOxNy等絕緣材料。工作TFT溝道和控制TFT溝道層採用非晶矽(a-Si)、多晶矽(poly-Si)或者單晶矽(Si)等半導體材料。η型GaN層、發光層和ρ型GaN層採用MOCVD (金屬有機化合物汽相沉積)工藝，或者採用MBE (分子束外延)方法製備。採用磁控濺射或電子束蒸發的方法生長透明電極層、金屬層I、金屬層II、金屬層ΠΙ和金屬層IV ；採用PECVD (等離子增強化學汽相沉積法)生長a-Si有源層、絕緣層和鈍化
保護層，多晶矽或單晶矽的有源層需採用與熱處理相結合的比PECVD更複雜的工藝生長。本實用新型採用MOCVD法在大面積單晶襯底上沉積出同樣具有完整結構的緩衝層及η型GaN層，並在η型GaN層上通過MOCVD工藝和其他薄膜製備工藝，並與光刻和刻蝕工藝相結合，分別在不同的發光區域製備對應的紅、綠、藍LED發光層、ρ型GaN層及透明電極層，將不同顏色發光層、P型GaN層及透明電極層分隔成顯示陣列。在每個隔離出來的發光陣列單元上通過集成兩個TFT與一個電容器作為該發光單元的控制電路。由於顯示陣列是在大面積單晶襯底上結合半導體工藝製備而成的，因此每個象素髮光單元的體積可以比現有的LED大屏幕顯示的單個LED發光單元小很多，跟目前的LCD顯示的象素單元大小相當，能極大的提高顯示的解析度，從而可大大提高顯示質量。目前的LCD是通過彩膜(ColorFilter)濾光的方式來實現彩色顯示，屬被動發光，而LED則為主動發光，因此在顯示效果上能比IXD有較大幅度的提高。另外，η型GaN層為整塊結構，在η型GaN層上連接金屬引線，在引線區也有金屬引線，從而能大大改善產品的散熱問題。生產工藝與現有半導體工藝兼容，易於大規模產業化的同時，產品性能大幅度提高。本實用新型彩色TFT-LED陣列顯示基板的工作原理為TFT_LED彩色陣列顯示基板包括一個電容器、一個工作TFT及一個控制TFT ；工作TFT源極通過工作TFT源極引線與驅動電源相連接，控制TFT柵極通過控制TFT柵極引線與掃描信號相連接，控制TFT源極通過控制TFT源極引線與數據信號相連接，電容器下基板與LED與η型層連接，並與接地引線相連接；當控制TFT柵極引線有掃描信號時，控制TFT處於開啟狀態，數據信號通過控制TFT源極傳送到工作TFT柵極，並為電容器充電。假定工作TFT的外驅動電壓恆定，並工作於截止電壓以上的非飽和區，工作TFT漏極電流的大小由工作TFT柵極電壓決定；當控制TFT柵極引線沒有掃描信號時，控制TFT處於截止狀態，存儲在電容器中的電荷仍能維持工作TFT柵極的電壓並保持恆定，使工作TFT處於開啟狀態，這樣就保證了在整個幀周期中，LED具有恆定的電流通過。這個電路通過控制TFT源極引線上的數據信號電壓改變工作TFT柵極的電壓，控制流過工作TFT的電流，從而控制了流過LED的電流，達到控制LED發光亮度的目的。 由於採用上述的技術方案，與現有技術相比，本實用新型採用一種全新的思路，採用半導體集成工藝，將三基色的發光單元完全集成在同一塊基片上，這樣製造的LED顯示器解析度高、體積小、散熱效果良好，能實現真彩和小屏幕顯示，適用家庭及辦公等環境，能有效克服現有拼接LED顯示器和TFT-LCD的不足，並具有其他顯示方式所不具備的優點。


[0014]圖1為本實用新型的結構示意圖；[0015]圖2為藍寶石Al2O3面襯底上外延生長緩衝層和n-GaN層後的截面圖；[0016]圖3為n-GaN層上生長紅、綠、藍三基色發光層後的截面圖；[0017]圖4為在紅綠藍三基色發光層上生長p-GaN層後的截面圖；[0018]圖5為在P-GaN層上生長透明電極後的截面圖；[0019]圖6為在圖5基礎上刻蝕形成控制區及引線區後的平面圖；[0020]圖7為圖6中對應A-A截面的截面圖；[0021]圖8為沉積金屬層I後，刻蝕形成電容器下極板和η型GaN層接地引線的平面圖；[0022]圖9為圖8中對應A-A截面的截面圖；[0023]圖10為沉積金屬層Π後，刻蝕形成電容器上極板、與電容器上極板連接的工作
TFT柵極和控制TFT柵極，以及在引線區上形成控制TFT柵極引線後的平面圖；圖11為圖10中對應A-A截面的截面圖；圖12為沉積a-Si有源層，進行光刻和刻蝕，形成工作TFT溝道及控制TFT溝道，並在柵絕緣層上形成工作TFT柵極引線末端過孔後的平面圖；圖13為圖12中對應A-A截面的截面圖；圖14為圖12中對應B-B截面的截面圖；圖15為圖12中對應C-C截面的截面圖；圖16為沉積金屬層III，並進行光刻和刻蝕，形成工作TFT的源、漏極、控制TFT的源、漏極和控制TFT的源極引線後的平面圖；圖17為圖16的中對應A-A截面的截面圖；圖18為圖16的中對應B-B截面的截面圖；圖19為圖16的中對應C-C截面的截面圖；圖20為沉積金屬層IV，進行光刻和刻蝕，形成工作TFT源極引線的平面圖；圖21為生長鈍化保護層後的平面圖；[0035]圖22為圖21中對應A-A截面的截面圖；圖23為圖21中對應B-B截面的截面圖；圖M為圖21中對應C-C截面的截面圖。附圖標記1、襯底；2、緩衝層；3、η 型 GaN 層；4、發光層；5、ρ 型 GaN 層；6、透明電極層；7、控制區；8、引線區；9、發光區；10、電容器下極板；11、η電極接地引線；12、電容器上極板；13、工作 TFT 柵極；14、工作TFT柵極引線；15、控制 TFT 柵極；16、控制TFT柵極引線；17、工作 TFT 溝道；18、控制 TFT 溝道；19、控制 TFT 源極；20、控制TFT源極引線；21、控制 TFT 漏極；22、工作 TFT 源極；23、工作 TFT 漏極；24、工作TFT源極引線；25、絕緣層；26、鈍化保護層。
具體實施方式
實施例本實用新型中TFT-LED彩色陣列顯示基板結構如圖M所示，在襯底1上方依次為緩衝層2和η型GaN層3，基本相同的三基色發光層4，ρ型GaN層5和透明電極層6 ;η型GaN層3、三基色發光層4、ρ型GaN層5和透明電極層6共同組成顯示單元，在顯示單元上設有控制區7，在顯示單元之間設有引線區8 ；在控制區7內有由電容器下極板10和電容器上極板12，以及同處於上下極板它們之間的絕緣層25所構成的電容器。由工作TFT柵極13、工作TFT溝道17、工作TFT源極22、工作TFT漏極23以及中間絕緣層25組成的工作TFT ；以及由控制TFT柵極15、控制TFT溝道18、控制TFT源極19和控制TFT漏極21以及中間絕緣層25組成的控制TFT。在引線區內有η型GaN層接地引線11，工作TFT源極引線M，控制TFT源極引線20及控制TFT柵極引線16。其中電容器下極板10與η型GaN層3良好接觸，接地引線11為電容器下極板10的延伸；電容器上極板12分別與工作TFT柵極13及控制TFT漏極21連接，工作TFT漏極23與透明電極層6連接，工作TFT源極22與工作TFT源極引線M連接，控制TFT源極19與控制TFT源極引線20連接，控制TFT柵極15與控制TFT柵極引線16連接。在各層金屬電極和不同層引線之間有絕緣層25，在控制區7及引線區8上有鈍化保護層26。本實用新型中鎵源為TMGa (三甲基鎵)，氮源為NH3 (氨)，銦源為TMh (三甲基銦)，鋁源為TMAl (三甲基鋁)，鎂源為TMMg (三甲基鎂)、矽源為SiH4 (矽烷)。以下是該實施例TFT-LED彩色陣列顯示基板的製造方法，它包括以下主要步驟步驟一、採用整塊結構的藍寶石作為襯底1，將襯底1放入MOCVD設備中，先通入H2氣氛下加熱至1100°c烘烤20min ；然後在800°C下通入氮氣對襯底進行IOOs的氮化處理；處理後通入NH3 (氨氣)和TMAl (三甲基鋁)、在800°C的條件下在襯底上氣相外延生長厚度為80nm的AlN緩衝層，然後通入TMGa (三甲基鎵)和氨氣在600°C下生長厚度為200nm的GaN緩衝層；AlN緩衝層、GaN緩衝層共同組成緩衝層2 ；在600°C的條件下摻Si在緩衝層2上生長厚度為2um的η型GaN層3，如圖2所示；步驟二、在600°C的條件下在η型GaN層3上生長厚度為IOnm的GaN層緩衝層，在550°C下生長厚度為3nm的InGaN (In=O. 08)的藍色量子阱發光層，再在600°C下生長厚度為IOnm的GaN層，重複以上步驟5_6次，即形成了多量子阱結構的藍光LED發光層；再利用光刻和刻蝕，去掉非藍光LED陣列單元區域的藍光LED發光層材料；然後在550°C下生長厚度為3nm的InGaN (In=O. 08)的綠色量子阱發光層，接著在600°C下生長厚度為IOnm的GaN層，重複以上步驟5-6次，即形成了多量子阱結構的綠光LED發光層；再利用光刻和刻蝕，去掉非綠光LED陣列單元區域的綠光LED發光層材料；繼續生長50nm的GaAs層作為緩衝層，最後長出3nm的AlInGaP紅色量子阱發光層，繼續生長IOnm的GaAs層，重複以上的後兩個步驟5-6次，最後生長30nm左右的GaN層緩衝層，即形成了多量子阱結構的紅光LED發光層；再利用光刻和刻蝕，去掉非紅光LED陣列單元區域的紅光LED發光層材料；紅光LED發光層、綠光LED發光層及藍光LED發光層共同組成三基色發光層4，如圖3所示；步驟三、在650°C的條件下摻Mg在三基色發光層4上生長厚度為120nm的ρ型GaN層5，在600°C的條件下退火1小時，並使用H2SO4溶液、H2O2溶液、氫氟酸溶液、鹽酸、NH4OH等結合超聲波清洗技術去除所述LED外延片表面的有機雜質和金屬離子，如圖4所示；步驟四、在發光層頂部採用磁控濺射法在ρ型GaN層5上沉積出一層厚度為200nm的ITO透明電極層6，如圖5所示；步驟五、在ITO上塗上光刻膠，露出要刻蝕為控制區7及引線區8的區域，然後進行光刻和刻蝕，刻蝕的深度既要保證η型GaN層2裸露，但又不能將η型GaN層2刻穿，刻蝕的方法可以採用增強等離子刻蝕(ICP)(也可以選用反應離子刻蝕(RIE)等幹法刻蝕的方法)，被刻蝕的區域形成控制區7及引線區8，未被刻蝕的區域形成發光區，它們共同組成顯示陣列，如圖6、圖7所示；步驟六、對基板進行清洗後，採用磁控濺射法在控制區7和引線區8沉積金屬層I ；進行清洗後，塗光刻膠，對控制區7及引線區8的金屬層I進行光刻和刻蝕，得到電容器下極板10及η型GaN層接地弓丨線11，如圖8、圖9所示；[0073]步驟七、對基板進行清洗後，用PECVD法在控制區7及引線區8上生長一層以二氧化矽為材料的絕緣層25 ；然後繼續採用磁控濺射法在絕緣層25上沉積出金屬層II，對金屬層II進行光刻和刻蝕，刻蝕掉多餘的金屬，在控制區上的絕緣層25形成了電容器的介質層，在控制區上的金屬層II分別形成了電容器上極板12、與電容器上極板12連接的工作TFT柵極13和工作TFT柵極引線14，以及控制TFT柵極15，在引線區8上的金屬層II形成了控制TFT柵極引線16，如圖10、圖11所示；步驟八、用PECVD法在上沉積出二氧化矽絕緣層，形成絕緣層25 ；再採用PECVD法在在絕緣層25上沉積出a-Si有源層，並進行掩膜刻蝕，分別形成工作TFT溝道層17及控制TFT溝道層18，在工作TFT柵極13與控制TFT漏極21之間的引線末端的柵絕緣層上打出一個過孔，露出工作TFT柵極引線14末端，然後剝離全部的光刻膠；如圖12、圖13、圖14及圖15所示；步驟九、在步驟八的基礎上採用磁控濺射法沉積出金屬層III，對金屬層III進行光刻和刻蝕，在控制區7上的金屬層III分別形成與透明電極層6連接的工作TFT漏極23，工作TFT源極22，與工作TFT柵極13連接的控制TFT漏極21以及控制TFT源極22 ；在引線
區8上的金屬層ΠΙ形成了控制TFT源極引線20，如圖16、圖17、圖18及圖19所示；步驟十、在基板的控制區7及引線區8上採用PECVD法沉積出絕緣層25，然後在工作TFT源極22頂部的絕緣層25上打出一個過孔；然後在的絕緣層25上採用磁控濺射法沉積出金屬層IV，並對金屬層IV進行光刻和刻蝕，形成與工作TFT源極22連接的工作TFT源極引線M，如圖20所示；步驟^^一、在基板的控制區7及引線區8上採用PECVD法沉積出絕緣層25，如圖21、圖22、圖23和圖24所示；按照上述步驟和工藝製造，可以得到較好質量的TFT-LED彩色陣列顯示基板。調整發光層結構(如多個材料的量子阱形成複合量子阱)及材料組分(調整摻雜濃度以改變發光波長)，本實用新型也涵蓋了在這一 TFT-LED彩色陣列顯示基板範疇。本實用新型以上所述內容，僅給出了實現本實用新型的一種實施方案，但此方案中的各部分結構的形狀、厚度，以及工藝條件是可以改變的，但這種改變不脫離雙TFT結構來控制LED發光，並通過三基色發光單元獨立控制來滿足顯示要求的思想和範疇，對本領域人員自己明了的所有變更應當包含在所述的權利要求範圍內。
權利要求1.一種TFT-LED彩色陣列顯示基板，其特徵在於在襯底(1)上方依次為緩衝層(2)， η型GaN層(3)，三基色發光層(4)，ρ型GaN層(5)和透明電極層(6) ;n型GaN層(3)、三基色發光層(4)、p型GaN層(5)和透明電極層(6)共同組成顯示單元，在顯示單元上設有控制區(7)，在顯示單元之間設有引線區(8);在控制區(7)內設有由電容器下極板(10)，電容器上極板(12)及同處於它們之間的絕緣層(25)所構成的電容器；由工作TFT柵極(13)、工作 TFT的溝道(17 )、工作TFT源極(22 )、工作TFT漏極(23 )及絕緣層(25 )組成的工作TFT ；以及由控制TFT柵極(15)、控制TFT溝道(18)、控制TFT源極(19)和控制TFT漏極(21)及絕緣層(25 )組成的控制TFT ；在引線區(8 )內設有η型GaN層接地引線(11)，工作TFT源極引線(24)，控制TFT源極引線(20 )及控制TFT柵極引線(16 )；電容器下極板(10 )與η型GaN 層(3 )接觸，η型GaN層接地引線(11)與電容器下極板(10 )連接；電容器上極板(12 )分別與工作TFT柵極(13)及控制TFT漏極(21)連接，工作TFT漏極(23)與透明電極層(6)連接，工作TFT的源極(22 )與工作TFT源極引線(24)連接，控制TFT源極(19 )與控制TFT源極引線(20 )連接，控制TFT柵極(15 )與控制TFT柵極引線(16 )連接；絕緣層(25 )處於各層金屬電極和不同層引線之間，在控制區(7)及引線區(8)的頂部設有鈍化保護層(26)。
2.根據權利要求1所述的TFT-LED彩色陣列顯示基板，其特徵在於三基色發光層(4) 是由紅、綠、藍三種厚度相同的單色發光層組成發光陣列，發光陣列的每個單元獨立發光。
專利摘要本實用新型公開了一種TFT-LED彩色陣列顯示基板，採用半導體集成工藝，將雙TFT、三基色的發光單元共同集成在同一塊基片上，以實現TFT-LED的陣列顯示。在大面積單晶襯底上沉積出同樣具有完整結構的緩衝層及n型GaN層，並在n型GaN層上通過MOCVD工藝和其他薄膜製備工藝，並與光刻和刻蝕工藝相結合，分別在不同的發光區域製備對應的紅、綠、藍LED發光層、p型GaN層及透明電極層，將不同顏色發光層、p型GaN層及透明電極層分隔成顯示陣列單元。在每個隔離出來的發光陣列單元上通過集成兩個TFT與一個電容器作為該發光單元的控制電路。本實用新型能一定程度上克服現有LED和LCD顯示的不足，且製造方法與現有的半導體工藝相兼容，易於實現產業化。
文檔編號H01L27/15GK202332854SQ201120460248
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者楊利忠, 楊小平, 胡紹璐, 鄧朝勇, 雷遠清 申請人:貴州大學