CN110690329B - 一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件及其制备方法，包括一个以上的像素单元，每个像素单元自下而上依次包括像素下电极、μLED晶粒、绝缘层、以及像素上电极；其中μLED晶粒直接接触所述像素下电极，外部载流子通过所述像素下电极注入所述μLED晶粒，绝缘层使得外部载流子无法通过所述像素上电极注入μLED晶粒；所述μLED晶粒由施加在像素上电极、像素下电极之间的交变电场点亮。本发明规避了复杂的键合工艺，有望提高μLED发光与显示器件的市场竞争力。

Description

一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件 及其制备方法
技术领域
本发明涉及显示发光器件设计领域，特别是一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件及其制备方法。
背景技术
在平板显示技术领域中，μLED具备有诸多优势，最显著的是其具备低功耗、高亮度、超高清晰度、高色彩饱和度、更快的响应速度、更长的使用寿命和更高的工作效率等，是一种变革型的新型显示技术，有望取代TFT液晶显示器在平板显示领域内几乎所有的应用。
当下μLED的生产工艺延续传统LED制作的方式，通过各类薄膜生长的方法在基本表面生长pn结，后将其切割为微米尺度的小型LED晶粒，通过各类机械工具将晶粒转移到电路基板上，且需要通过精确对准和键合实现μLED晶粒与驱动电极的精准电学接触，因此器件制备效率低，成品率低。为了解决以上问题，提升μLED产业效率，开发、设计新型的μLED成为迫切的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件及其制备方法，规避了复杂的键合工艺，有望提高μLED发光与显示器件的市场竞争力。
本发明采用以下方案实现：一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，包括一个以上的像素单元，每个像素单元自下而上依次包括像素下电极、μLED晶粒、绝缘层、以及像素上电极；其中μLED晶粒直接接触所述像素下电极，外部载流子通过所述像素下电极注入所述μLED晶粒，绝缘层使得外部载流子无法通过所述像素上电极注入μLED晶粒；所述μLED晶粒由施加在像素上电极、像素下电极之间的交变电场点亮。
进一步地，所述μLED晶粒包括P型半导体层、发光层以及N型半导体层，所述P型半导体层、发光层及N型半导体层堆垛形成在电场作用下能够发光的半导体结。
进一步地，所述μLED晶粒中的半导体结包括但不限于单一PN结、单一异质结、包括多个PN结的复合PN结、或者包括PN结与异质结的组合半导体结。
进一步地，所述半导体结位于μLED晶粒的表面或者内部。
进一步地，所述 p型半导体层的厚度为1nm-2.0μm，所述发光层的厚度为1nm-1.0μm，所述n型半导体层的厚度为1nm-2.5μm。
进一步地，每个像素单元中μLED晶粒的个数为一个或者两个以上。
进一步地，一个像素单元中的像素上电极、像素下电极的尺寸均不小于该像素单元中所有μLED晶粒的尺寸之和。
进一步地，所述μLED晶粒的尺寸在1 nm至1000μm之间，厚度在1 nm至100μm之间。
进一步地，所述像素上电极和像素下电极中至少有一个是透明电极，使得所述器件可以是两侧全透明的，也可以是一侧透明另一侧不透明。
其中，透明电极的材料包括但不限于石墨烯、氧化铟锡、碳纳米管、银纳米线、铜纳米线或其组合；非透明电极的材料包括但不限于金、银、铝、铜或其组合。
进一步地，所述绝缘层的材料在可见光范围内的光线透过率大于等于80%，材料为有机绝缘材料、无机绝缘材料、空气或其组合。
进一步地，所述绝缘层的厚度在1 nm至1000μm之间。
进一步地，所述交变电场的波形包括但不限于正弦波、三角波、方波、脉冲或其组合。所述交变电场的频率在1 Hz至1000M Hz之间。
进一步地，所述μLED晶粒通过选择不同的半导体材料发出不同颜色的光，包括红外光或紫外光。
进一步地，所述μLED晶粒通过采用复合PN结或者组合半导体结能够发出同种颜色的光或者不同混合颜色的光。
进一步地，所述μLED发光与显示器件制作在包括玻璃、陶瓷、蓝宝石在内的刚性材料上，或者制作在包括PI在内的柔性材料上。
本发明还提出了一种基于上文所述的单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在基板表面制备像素下电极阵列及其连线；
步骤S2：在衬底基板表面设置具有图形化的μLED晶粒阵列；
步骤S3：采用绝缘层制备工艺在μLED晶粒阵列、像素下电极阵列及其连线的表面设置一层绝缘层；
步骤S4：在绝缘层表面制备像素上电极阵列及其连线。
通过对所述像素上电极和像素下电极阵列施加交流驱动信号实现μLED器件的工作。
进一步地，步骤S2具体为：采用包括喷墨打印、丝网印刷、旋涂、刷涂、滚涂、化学自组装、电磁自组装在内的方式将不同发光颜色的μLED晶粒分别设置在衬底基板表面。
进一步地，步骤S2具体为：采用原位生长的办法在衬底基板表面设置具有图形化的μLED晶粒阵列。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的μLED利用电子-空穴复合产生辐射跃迁，与传统μLED的器件不同，本发明μLED晶粒的n型半导体层和p型半导体层与外部驱动电极之间仅存在单端的电学接触，无需键合。因此本发明提出的μLED器件规避了复杂的键合工艺，可缩短μLED发光与显示屏的制作周期和提高成品率，有望大幅提高μLED的市场竞争力。
附图说明
图1为本发明实施例的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件像素单元的截面结构图。
图2为本发明实施例的另一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件像素单元的截面结构图。
图3为图1中像素单元的制作过程示意图。
图4为本发明实施例的另一种像素单元及其制作过程。
图中，1为下基板，101为设置于下基板表面的图形化像素下电极，102为注入电极，2为上基板，201为设置于上基板表面的图形化像素上电极， 202为绝缘层，3为μLED晶粒，301为P型半导体层，302为N型半导体层，303、304均为发光层，305为P型半导体层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供了一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，包括一个以上的像素单元，每个像素单元自下而上依次包括像素下电极、μLED晶粒、绝缘层、以及像素上电极；其中μLED晶粒直接接触所述像素下电极，外部载流子通过所述像素下电极注入所述μLED晶粒，绝缘层使得外部载流子无法通过所述像素上电极注入μLED晶粒；所述μLED晶粒由施加在像素上电极、像素下电极之间的交变电场点亮。
在本实施例中，所述μLED晶粒包括P型半导体层、发光层以及N型半导体层，所述P型半导体层、发光层及N型半导体层堆垛形成在电场作用下能够发光的半导体结。
在本实施例中，所述μLED晶粒中的半导体结包括但不限于单一PN结、单一异质结、包括多个PN结的复合PN结、或者包括PN结与异质结的组合半导体结。
在本实施例中，所述半导体结位于μLED晶粒的表面或者内部。
在本实施例中，所述 p型半导体层的厚度为1nm-2.0μm，所述发光层的厚度为1nm-1.0μm，所述n型半导体层的厚度为1nm-2.5μm。
在本实施例中，每个像素单元中μLED晶粒的个数为一个或者两个以上。
在本实施例中，一个像素单元中的像素上电极、像素下电极的尺寸均不小于该像素单元中所有μLED晶粒的尺寸之和。
在本实施例中，所述μLED晶粒的尺寸在1 nm至1000μm之间，厚度在1 nm至100μm之间。
在本实施例中，所述像素上电极和像素下电极中至少有一个是透明电极，使得所述器件可以是两侧全透明的，也可以是一侧透明另一侧不透明。
其中，透明电极的材料包括但不限于石墨烯、氧化铟锡、碳纳米管、银纳米线、铜纳米线或其组合；非透明电极的材料包括但不限于金、银、铝、铜或其组合。
在本实施例中，所述绝缘层的材料在可见光范围内的光线透过率大于等于80%，材料为有机绝缘材料、无机绝缘材料、空气或其组合。
在本实施例中，所述绝缘层的厚度在1 nm至1000μm之间。
在本实施例中，所述交变电场的波形包括但不限于正弦波、三角波、方波、脉冲或其组合。所述交变电场的频率在1 Hz至1000M Hz之间。
在本实施例中，所述μLED晶粒通过选择不同的半导体材料发出不同颜色的光，包括红外光或紫外光。
在本实施例中，所述μLED晶粒通过采用复合PN结或者组合半导体结能够发出同种颜色的光或者不同混合颜色的光。
在本实施例中，所述μLED发光与显示器件制作在包括玻璃、陶瓷、蓝宝石在内的刚性材料上，或者制作在包括PI在内的柔性材料上。
如图1所示，图1为本实施例的一种像素单元结构截面示意图。其中μLED晶粒具有p型半导体材料-多量子阱-n型半导体材料结构单一的半导体结。所述μLED3例如是通过外延方法所形成的GaN基LED，其包括：N型掺杂GaN层302，P掺杂型GaN层301和多量子阱发光层303。所述μLED3的平面尺寸为20微米×20微米。
该μLED3设置在像素下电极101的表面，所述绝缘层202设置在所述μLED3表面，像素上电极201设置在所述绝缘层202表面，所述像素上电极为氧化铟锡，所述像素下电极101和所述像素上电极201的尺寸均为60微米×60微米。
所述绝缘层202厚度为100nm，所述绝缘层202是氧化铝。
在像素下电极101和像素上电极201之间施加交流电信号时，μLED3可以发光。
如图2所示，图2为本实施例的第二种像素单元结构截面示意图。所述μLED晶粒具有p型半导体材料-多量子阱-n型半导体材料-多量子阱-p型半导体材料结构的复合半导体结。所述μLED3例如是通过外延方法所形成的GaN基LED，其具有半导体对结结构，其包括：P掺杂型GaN层305，N型掺杂GaN层302，P掺杂型GaN层301，和多量子阱发光层303和304。所述μLED3的平面尺寸为20微米×20微米。
该μLED3设置在像素下电极101表面，所述绝缘层202设置在所述μLED3表面，像素上电极201设置在所述绝缘层202表面，所述像素上电极为氧化铟锡，所述像素下电极101和所述像素上电极201的尺寸为60微米×60微米。
所述绝缘层202厚度为100nm，所述绝缘层202是氧化铝。
在像素下电极101和像素上电极201之间施加交流电信号时，μLED3可以发光。
本实施例还提出了一种基于上文所述的单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在基板表面制备像素下电极阵列及其连线；
步骤S2：在衬底基板表面设置具有图形化的μLED晶粒阵列；
步骤S3：采用绝缘层制备工艺在μLED晶粒阵列、像素下电极阵列及其连线的表面设置一层绝缘层；
步骤S4：在绝缘层表面制备像素上电极阵列及其连线。
通过对所述像素上电极和像素下电极阵列施加交流驱动信号实现μLED器件的工作。
在本实施例中，步骤S2具体为：采用包括喷墨打印、丝网印刷、旋涂、刷涂、滚涂、化学自组装、电磁自组装在内的方式将不同发光颜色的μLED晶粒分别设置在衬底基板表面。
在本实施例中，步骤S2具体为：采用原位生长的办法在衬底基板表面设置具有图形化的μLED晶粒阵列。
特别的，具体如图3所示，图3为采用图1的像素单元的器件制备方法。其中μLED发光与显示器件的μLED晶粒通过转移的方法设置在下基板1表面，其制备方法如下：
（1）所述μLED3例如是通过外延方法所形成的GaN基LED，其包括：N型掺杂GaN层302，P掺杂型GaN层301和多重量子阱发光层303。进行剥离，获得自支撑的μLED晶粒。所述μLED3的平面尺寸为20微米×20微米。
（2）通过电子束蒸镀和光刻工艺在下基板1表面制备像素下电极101阵列及其连线，所述像素下电极101为氧化铟锡，所述像素下电极101的尺寸为60微米×60微米。
（3）采用μLED阵列制备技术将μLED3转移至所述像素下电极101表面。
可选的，μLED阵列制备技术包括有喷墨打印、丝网印刷、旋涂、刷涂、滚涂、化学自组装、电磁自组装等。
（4）通过原子层沉积工艺在设置有μLED3阵列、像素下电极阵列的基板表面沉积氧化铝绝缘层202，所述绝缘层202的厚度为500nm。
（5）通过电子束蒸镀和光刻工艺在绝缘层表面制备像素上电极201阵列，及其连线。
特别的，本实施例还提供了另外一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其中的μLED晶粒原位生长在下基板1表面，所述的下基板材料可以是但不限于蓝宝石、硅等，其中μLED3晶粒漏出n型GaN台面，并将该n型GaN作为像素下电极101。具体制备方法如下：
（1）通过外延方法和光刻工艺在下基板1表面生长所形成的GaN基μLED3阵列，其包括：n型掺杂GaN层302，p掺杂型GaN层301和多重量子阱发光层303。所述μLED3的平面尺寸为20微米×20微米。所述的μLED3漏出n型GaN台面，将n型GaN作为像素下电极101；
（2）通过电子束蒸镀和光刻工艺在下基板1表面制备注入电极102，所述注入电极102与所述n型GaN台面（像素下电极）形成电气连接。
（3）通过原子层沉积工艺在设置有μLED3阵列以及注入电极102的基板表面沉积氧化铝绝缘层202，所述绝缘层202的厚度为500nm。
（4）通过电子束蒸镀和光刻工艺在绝缘层表面制备像素上电极201阵列，及其连线。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (17)

1.一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，包括一个以上的像素单元，每个像素单元自下而上依次包括像素下电极、μLED晶粒、绝缘层、以及像素上电极；其中μLED晶粒直接接触所述像素下电极，外部载流子通过所述像素下电极注入所述μLED晶粒，绝缘层使得外部载流子无法通过所述像素上电极注入μLED晶粒；所述μLED晶粒由施加在像素上电极、像素下电极之间的交变电场点亮；
其中，所述μLED晶粒包括P型半导体层、发光层以及N型半导体层，所述P型半导体层、发光层及N型半导体层堆垛形成在电场作用下能够发光的半导体结；
其中，所述μLED晶粒中的半导体结包括单一PN结、单一异质结、包括多个PN结的复合PN结、或者包括PN结与异质结的组合半导体结；
所述μLED晶粒是GaN基LED晶粒。
2.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述半导体结位于μLED晶粒的表面或者内部。
3.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述 p型半导体层的厚度为1nm-2.0μm，所述发光层的厚度为1nm-1.0μm，所述N 型半导体层的厚度为1nm-2.5μm。
4.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，每个像素单元中μLED晶粒的个数为一个或者两个以上。
5.根据权利要求4所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，一个像素单元中的像素上电极、像素下电极的尺寸均不小于该像素单元中所有μLED晶粒的尺寸之和。
6.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述μLED晶粒的尺寸在1 nm至1000μm之间，厚度在1 nm至100μm之间。
7.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述像素上电极和像素下电极中至少有一个是透明电极；其中，透明电极的材料包括石墨烯、氧化铟锡、碳纳米管、银纳米线、铜纳米线或其组合；非透明电极的材料包括金、银、铝、铜或其组合。
8.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述绝缘层的材料在可见光范围内的光线透过率大于等于80%，材料为有机绝缘材料、无机绝缘材料、空气或其组合。
9.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述绝缘层的厚度在1 nm至1000μm之间。
10.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述交变电场的波形包括正弦波、三角波、方波、脉冲或其组合。
11.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述交变电场的频率在1 Hz至1000M Hz之间。
12.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述μLED晶粒通过选择不同的半导体材料发出不同颜色的光，包括红外光或紫外光。
13.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述μLED晶粒通过采用复合PN结或者组合半导体结能够发出同种颜色的光或者不同混合颜色的光。
14.根据权利要求1所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件，其特征在于，所述μLED发光与显示器件制作在包括玻璃、陶瓷、蓝宝石在内的刚性材料上，或者制作在包括PI在内的柔性材料上。
15.一种基于权利要求1所述的单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在基板表面制备像素下电极阵列及其连线；
步骤S2：在衬底基板表面设置具有图形化的μLED晶粒阵列；
步骤S3：采用绝缘层制备工艺在μLED晶粒阵列、像素下电极阵列及其连线的表面设置一层绝缘层；
步骤S4：在绝缘层表面制备像素上电极阵列及其连线。
16.根据权利要求15所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：采用包括喷墨打印、丝网印刷、旋涂、刷涂、滚涂、化学自组装、电磁自组装在内的方式将不同发光颜色的μLED晶粒分别设置在衬底基板表面。
17.根据权利要求15所述的一种单端电学接触、单端载流子注入的μLED发光与显示器件的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：采用原位生长的办法在衬底基板表面设置具有图形化的μLED晶粒阵列。
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