CN104676320B - 柔性发光器件阵列及其制作方法 - Google Patents

柔性发光器件阵列及其制作方法 Download PDF

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一种柔性发光器件阵列及其制作方法，其中柔性发光器件阵列，其包括：一位于同一衬底上的多个发光器件单元和柔性支撑衬底，其特征在于，所述柔性支撑衬底具有中腔体体，所述腔体中填充有液体，用于散热；在所述柔性支撑衬底的表面形成柔性导电的焊盘和互连线；所述多个发光器件单元通过第一电极和第二电极与柔性支撑衬底上的焊盘电连接，相邻发光器件单元之间通过所述互连线串联或并联，且去除衬底。本发明具有尺寸小，可靠性高，便携，并可用于生物和医学的治疗和检测，甚至可以植入人体或动植物体内的优点。

Description

柔性发光器件阵列及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种柔性发光器件阵列及其制作方法。更具体而言，本发明涉及一种柔性LED器件阵列及其制作方法。
背景技术
随着GaN基蓝光LED的发明，LED在照明、显示、指示各方面都有广泛的应用。近年来，LED的应用领域在不断地扩展，逐步开始用在医疗、植物补光、生物以及通信领域。LED的研究也开始转向更小的尺寸、更大的功率、长寿命、低成本等技术领域。
而柔性的晶体管、传感器和有机LED等电子器件和光电器件的出现为柔性显示、可穿戴设备的研究开发提供了可能性。柔性光电器件具有便携、形状可变等优点，可用于移动通信设备、穿戴设备、生物、医学等领域。
美国专利US20030067775A1中公开了一种安装在柔性基板上的包含红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)LED以及控制电路的模组，RGB LED串联或并联，采用三层布线对其分别控制，多个位于柔性基板上的模组拼成大致球形作为灯具。在该专利申请说明书中，由于柔性基板的布线方式以及RGB三色LED的排布方式决定了整个模组的弯曲曲率半径和灯具的体积都不可能很小。
CN200680010663公开了一种柔性LED阵列，如图1所示。多个LED 3排布在柔性支撑衬底2上，通过控制单元1来控制。从图1也可以看出，由于是多个LED 3摆放在柔性支撑衬底2上，同时要在柔性支撑衬底2上布线与控制单元1相连，因此，LED 3之间的间距也不可能太小，整个模组的体积也会较大。
而在一些要求模组整体尺寸较小的应用领域，例如手表、首饰或衣物上等可穿戴设备上集成的发光器件，再例如生物和医疗领域用于内窥或植入组织的光电器件，不但要求具备很好的柔性，而且要求整体尺寸较小，但同时也要求有足够的光输出。然而，在光输出功率较高且LED之间的间距较小的情况下，这种柔性LED必须有足够的热耗散能力，而采用金属鳍片散热无法做到柔性可弯曲折叠。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种柔性发光器件阵列及其制作方法，具有尺寸小，可靠性高，便携，并可用于生物和医学的治疗和检测，甚至可以植入人体或动植物体内的优点。
本发明提供一种柔性发光器件阵列，其包括：
位于同一衬底上的多个发光器件单元和柔性支撑衬底，其特征在于，
所述柔性支撑衬底具有中空腔体，所述中空腔体中填充有液体，用于散热；
在所述柔性支撑衬底的表面形成柔性导电的焊盘和互连线；
所述多个发光器件单元通过第一电极和第二电极与柔性支撑衬底上的焊盘电连接，相邻发光器件单元之间通过所述互连线串联或并联，且去除衬底；
所述发光器件单元之间的空隙采用透明的柔性绝缘层填充，所述透明的柔性绝缘层掩埋导电柱的大部分高度。
本发明再提供一种柔性发光器件阵列的制作方法，其包括如下步骤：
形成位于同一衬底上的多个发光器件单元，在所述发光器件单元的一侧形成第二电极；
在柔性支撑衬底中形成中空腔体，所述中空腔体用于充填液体，用于散热；
在柔性支撑衬底上表面形成与第二电极对应的导电的焊盘；
在柔性支撑衬底上形成导电柱，所述导电柱与焊盘电连接，且其高度与发光器件单元的高度相当；
去除衬底；
在所述发光器件单元的去除衬底一侧形成第一电极，通过柔性导电的互连线将第一电极与柔性支撑衬底上的导电柱电连接，实现相邻发光器件单元之间串联或并联。
本发明的有益效果是：具有尺寸小，可靠性高，便携，并可用于生物和医学的治疗和检测，甚至可以植入人体或动植物体内的优点。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为现有技术中柔性LED阵列；
图2为本发明中的柔性发光器件阵列示意图；
图3为本发明第一实施方式的倒装柔性发光器件阵列的截面示意图；
图4为本发明的第一实施方式的柔性支撑衬底表面布线示意图；
图5为本发明的另一实施方式的垂直柔性发光器件阵列的截面示意图；
图6为本发明的第一实施方式的制作过程中形成的发光器件单元阵列的示意图；
图7为本发明的第一实施方式的制作过程中形成的发光器件单元阵列倒装在制备好的柔性支撑衬底上的截面示意图；
图8为本发明的另一实施方式的制作过程中形成的发光器件单元阵列的示意图；
图9为本发明的另一实施方式的柔性支撑衬底表面布线的截面示意图；
图10为本发明的另一实施方式的制作过程中形成的垂直结构柔性发光器件阵列的截面示意图。
具体实施方式
根据本发明的第一实施例所述的柔性发光器件阵列，如图2所示。
所述柔性发光器件阵列包含多个发光器件单元60，虽然图2中仅示出4个发光器件单元60，然而所述发光器件单元60的数量可以是任意数量个。
多个发光器件单元60设置在柔性支撑衬底100上，所述柔性支撑衬底100是中空的，内部有腔体200，腔体200中充入液体，如硅油或去离子水，或其他无毒无害溶液。用于移除发光器件单元60所产生的热。充入液体的量适中，足以使得柔性支撑衬底100弯曲时不会渗出或使得腔体200涨裂。所述腔体200密闭，以防止液体流出。
所述发光器件单元60可以是发光二极管或激光器等半导体发光器件，半导体发光器件可以是GaAs、AlInGaP和AlInGaN材料体系的III-V族化合物半导体，也可以是ZnS、ZnSe等II-VI族化合物半导体。
所述发光器件单元60包含有源区，有源区可以是pn结，也可以是单量子阱或多量子阱。
所述多个发光器件单元60的间距在300um以内，优选为100um以内，更优选为小于60um或小于10um。每个发光器件单元60的尺寸可以为几微米到几毫米，优选为50um以下。
所述多个发光器件单元60可以通过设置在柔性支撑衬底100表面上的引线103串联或并联，如图3所示。发光器件单元包含第一半导体层11、第二半导体层13和有源层12，所述第一半导体层11和第二半导体层13的导电类型相反。通过蚀刻或打孔的方式暴露第一半导体层11，在暴露第一半导体层11的台面侧壁或通孔侧壁形成绝缘钝化层16，将第一半导体层11的第一电极17直接与柔性支撑衬底100上的对应焊盘103连接(未示出)，或者使得所述第一电极17爬过台面侧壁或通孔侧壁延伸到第二半导体层13上方，然后与柔性支撑衬底100上的对应焊盘103连接。所述焊盘103有多个，分布在柔性支撑衬底100上，分别与第一半导体层11或第二半导体层13电连接。第二半导体层13上形成反射镜欧姆接触层14和第二电极15。所述第二电极15与柔性支撑衬底100上对应的焊盘103电连接，焊盘103与正、负电极焊盘102和101互连。
优选地，分布在柔性支撑衬底100上焊盘103分成两部分，一部分为互连线300，一部分为分别对应于第一电极17和第二电极15的焊盘1031和1032。如图4所示，所述互连线300将相邻的发光器件单元60串联或并联，同时将与第一电极17或第二电极15对应的焊盘与负、正电极焊盘101和102分别电连接。其中，所述互连线300采用柔性导电薄膜，例如，采用石墨烯薄膜或纳米金属薄膜来互连。所述石墨烯薄膜可以通过CVD到金属衬底(如Cu、Ni等)上，然后转移到发光器件单元60的表面，对石墨烯薄膜进行图形化，形成互连线300。可选地，还可以采用石墨烯溶液或纳米银胶旋涂并图形化形成，或通过压印、模印或打印的方式在柔性支撑衬底100上形成石墨烯、纳米银导电薄膜。采用柔性导电薄膜作为互连线300可以增加整个发光器件(包含发光器件单元60和柔性支撑衬底100的工作单元)的柔性和可靠性，即增大了发光器件弯曲变形的曲率，同时可避免由于发光器件的弯曲变形而导致焊盘103与柔性支撑衬底100以及第一电极17和第二电极15的接触变差，也能降低弯曲过程中互连线300断开的风险，从而提高了多次弯曲后发光器件的I-V特性的一致性和可靠性。
依据本发明的另一实施例所述的垂直结构的柔性发光器件阵列，如图5所示。相邻发光器件单元60之间的第一半导体层11与第三半导体层13之间的电互连可以通过图5所示的方式连接。即在柔性支撑衬底100的焊盘103上形成导电柱152，导电柱152通过蒸发、电镀或印刷的方式形成。导电柱152通过焊盘103与发光器件单元60上的第二电极15电连接，从而实现相邻发光器件单元60之间的串联。
可选地，在导电柱152与发光器件单元60的侧壁之间的缝隙26采用沉积或旋涂的方式填充绝缘介质。所述绝缘介质可以采用柔性绝缘材料构成，如聚酰亚胺、PMMA等柔性的聚合物或树脂。
发光器件单元60之间的互连线300采用柔性导电薄膜，例如，采用石墨烯薄膜或纳米金属薄膜来互连。所述石墨烯薄膜可以通过CVD到金属衬底(如Cu、Ni等)上，然后转移到发光器件单元60的表面，对石墨烯薄膜进行图形化，形成互连线300。可选地，采用石墨烯溶液或纳米银胶旋涂并图形化形成，或通过压印、模印或打印的方式形成石墨烯、纳米银导电薄膜。
下面，依据图6-7说明所述第一实施例的柔性发光器件的形成过程。
如图6所示，包含衬底10，第一半导体层11，有源层12和第二半导体层13的发光器件外延片，经过图形化蚀刻形成台面和隔离沟槽50。所述第一半导体层和第二半导体层极性相反，可由GaAs、AlInGaP或AlInGaN等III-V族组合化合物半导体构成，或者由ZnSe、ZnS等II-VI族化合物半导体组成。所述台面(未示出)通过蚀刻第一半导体层11上方的外延层从而暴露第一半导体层11而形成，所述隔离沟槽50通过蚀刻全部外延层直至衬底10表面而形成，从而将多个发光器件单元60隔离开来。
然后，在第二半导体层13表面形成反射欧姆接触层14，在反射欧姆接触层14的第二区域形成第二电极15，在第二区域之外的部分形成绝缘介质层16，且覆盖暴露出的第一半导体层11以及台面侧壁。所述绝缘介质层16具有良好的致密性和绝缘性能，可采用绝缘的氧化物或氮化物形成，如Al2O3、SiNx、SiO2、DLC(diamond like carbon)，或这些绝缘介质的多层复合膜，如SiO2/SiNx或ONO介质膜等。图形化所述绝缘介质层16暴露部分第一半导体层11，在暴露的部分第一半导体层11和绝缘介质层16上的第一区域形成第一电极17，即所述第一电极17从第二半导体层13的上方延伸到暴露的第一半导体层11表面。
所述多个发光器件单元60的间距在300um以内，优选为100um以内，更优选为小于60um或小于10um。每个发光器件单元60的尺寸可以为几微米到几毫米，优选为50um以下，甚至在20um以下。在隔离沟槽50内可以填充柔性绝缘介质，所述绝缘介质可以采用柔性绝缘材料构成，如聚酰亚胺、PMMA等柔性的聚合物或树脂。
参照图7，设置在衬底10上的发光器件单元60组成的阵列倒置安装在预先制作好的柔性基板100上。优选地，所述柔性基板100中间形成腔体200，填充液体用于散热。所述柔性基板100可采用聚酰亚胺、聚酯和树脂等材料构成。
在柔性基板100上通过沉积、电镀或印刷形成多对焊盘1031和1032，每对焊盘与一个发光器件单元60的第一电极17和第二电极15分别对应，相邻两对焊盘之间通过互连线300电连接。互连线300采用柔性导电薄膜，例如，采用石墨烯薄膜或纳米金属薄膜来互连。所述石墨烯薄膜可以通过CVD到金属衬底(如Cu、Ni等)上，然后转移到柔性支撑衬底100的表面，对石墨烯薄膜进行图形化，形成互连线300。可选地，采用石墨烯溶液或纳米银胶旋涂并图形化形成，或通过压印、模印或打印的方式在柔性支撑衬底100上形成石墨烯、纳米银导电薄膜。
最后，设置在衬底10上的发光器件单元60组成的阵列通过粘接或键合的方式倒装连接到柔性支撑衬底100上，然后通过干法、湿法或激光剥离去除衬底10，也可以采用在衬底10和第一半导体层11之间形成h-BN、氧化硅、石墨烯等牺牲层，使得便于剥离去除衬底10，最终形成柔性发光器件，如图7所示。
采用本发明制作的柔性发光器件，由于具有柔性支撑衬底100，所以可以弯曲，便于携带；柔性支撑衬底100上的互连线300采用柔性导电薄膜构成，因此，在弯曲过程中具有良好的可靠性和电学、光学稳定性；每个发光器件单元60之间的间距较小，小于300um，甚至小于10um，每个发光器件单元60的尺寸也可以很小，甚至小于20um，因此，整体柔性发光器件的尺寸很小，可用于生物和医学的治疗和检测，甚至可以植入人体或动植物体内。再者，多个发光器件单元60串联或并联构成阵列，可提高整个柔性发光器件的功率，满足小尺寸下具有较高光功率输出要求。同时，由于发光器件单元60之间的间距小，且多个单元集成，散热问题会比较突出，本发明中采用去除热导率较低的原衬底10(如蓝宝石衬底)，并结合中空柔性支撑衬底，在腔体200中填充硅油、去离子水都有机或无机溶液，增加对流散热，来解决柔性发光器件的散热问题。
参照图8-10来说明本发明的另一实施例的柔性发光器件的制作方法。
如图8所示，包含衬底10，第一半导体层11，有源层12和第二半导体层13的发光器件外延片，经过图形化蚀刻至衬底10表面形成隔离沟槽26，从而形成多个发光器件单元60。
所述衬底和半导体外延层的材料以及发光器件单元60的间距和尺寸如上所述。
在每个发光器件单元60的第二半导体层13上形成反射欧姆接触层14，所述反射欧姆接触层14可包含多层膜，如接触层叠加反射镜。基本覆盖所述第二半导体层13的整个表面，然后在反射欧姆接触层14上形成第二电极15。
接下来，如图9所示，制备柔性支撑衬底100。柔性支撑衬底100包含腔体200，其中可充填溶液用于散热。在柔性支撑衬底100的表面形成焊盘103和导电柱152，导电柱152可通过沉积籽晶层后电镀Cu等金属形成，也可以采用3D打印或印刷或图形化导电厚膜等工艺形成，其高度与发光器件单元60的高度相当，并与焊盘103形成电连接。导电柱15可形成于柔性支撑衬底100上与对应的第一电极17最为接近的一隅，并与焊盘103电连接。
为避免倒装发光器件单元阵列时，发光器件单元60与导电柱152电接触，同时也为了增强导电柱152的强度，可以在柔性支撑衬底100上采用透明的柔性绝缘层500，如聚酰亚胺，覆盖焊盘103，和掩埋大部分导电柱152。然后，图形化透明的柔性绝缘层500，暴露焊盘103，暴露的区域601的面积至少大于发光器件单元60的面积，以便于将发光器件单元60的第二电极15与对应的焊盘103充分电连接。也可采用流动的绝缘胶体溶液填充柔性支撑衬底表面，然后将发光器件单元60与对应焊盘103对准电连接之后固化绝缘胶体。绝缘胶体优选透明且固化后具有柔性的胶或树脂。
如图10所示，在柔性支撑衬底100上倒装好发光器件单元阵列之后，去除衬底10。然后在暴露的第一半导体层11上靠近导电柱152的位置形成第一电极17，通过互连线300将导电柱152和第一电极17电连接。
互连线300采用柔性导电薄膜，例如，采用石墨烯薄膜或纳米金属薄膜来互连。所述石墨烯薄膜可以通过CVD到金属衬底(如Cu、Ni等)上，然后转移到柔性支撑衬底100的表面，对石墨烯薄膜进行图形化，形成互连线300。可选地，采用石墨烯溶液或纳米银胶旋涂并图形化形成，或通过压印、模印或打印的方式在柔性支撑衬底100上形成石墨烯、纳米银导电薄膜。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种柔性发光器件阵列，其包括：
一位于同一衬底上的多个发光器件单元和柔性支撑衬底，其特征在于，
所述柔性支撑衬底具有中空腔体，所述中空腔体中填充有液体，用于散热；
在所述柔性支撑衬底的表面形成柔性导电的焊盘和互连线；
所述多个发光器件单元通过第一电极和第二电极与柔性支撑衬底上的焊盘电连接，相邻发光器件单元之间通过所述互连线串联或并联，且去除衬底；
所述相邻发光器件单元之间通过设置在柔性支撑衬底上的，且与焊盘电连接的导电柱实现电互联，所述发光器件单元之间的空隙采用透明的柔性绝缘层填充，所述透明的柔性绝缘层掩埋导电柱的大部分高度。
2.如权利要求1所述的柔性发光器件阵列，所述互连线由石墨烯或纳米金属薄膜构成。
3.如权利要求1所述的柔性发光器件阵列，所述发光器件单元的尺寸小于20um，间距小于30um。
4.如权利要求1所述的柔性发光器件阵列，所述中空腔体中填充有机或无机溶液，用于增加对流散热。
5.如权利要求1所述的柔性发光器件阵列，所述发光器件单元包含第一半导体层，有源层和与第一半导体层导电类型相反的第二半导体层，并在与柔性支撑衬底连接的第二半导体层上形成反射欧姆接触层。
6.一种柔性发光器件阵列的制作方法，其包括如下步骤：
形成位于同一衬底上的多个发光器件单元，在所述发光器件单元的一侧形成第二电极；
在柔性支撑衬底中形成中空腔体，所述中空腔体用于充填液体，用于散热；
在柔性支撑衬底上表面形成与第二电极对应的导电的焊盘；
在柔性支撑衬底上形成导电柱，所述导电柱与焊盘电连接，且其高度与发光器件单元的高度相当；
去除衬底；
在所述发光器件单元的去除衬底一侧形成第一电极，通过柔性导电的互连线将第一电极与柔性支撑衬底上的导电柱电连接，实现相邻发光器件单元之间串联或并联。
7.如权利要求6所述的柔性发光器件阵列，所述发光器件单元之间的空隙采用透明的柔性绝缘层填充，所述透明的柔性绝缘层掩埋导电柱的大部分高度。
8.如权利要求6所述的柔性发光器件阵列，所述导电柱与焊盘电连接通过柔性导电薄膜来实现。
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