CN115663094A - 一种粗糙表面量子点图案沉积方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粗糙表面量子点图案沉积方法，是对色转换层基板的表面进行研磨抛光处理后利用光刻胶掩膜在预沉积量子点溶液的区域进行粗糙化处理，以增加量子点预沉积区域的粗糙度，然后通过微流控技术沉积量子点溶液于图形化粗糙区域并吹扫多余量子点溶液，再形成色转换层图案之间的遮光层以及表面沉积保护层。本发明可减少激发光在折射率不同的两种材料表面发生全反射，增强色转换层中量子点溶液对激发光源的吸收，有利于提高激发光源的光提取效率，降低能耗；并可进一步提高量子点光转化效率，提高光的品质，使得全彩化显示光亮度更好，适合于更大规模的全彩化显示应用。

Description

一种粗糙表面量子点图案沉积方法及应用

技术领域

本发明属于量子点色转换层显示的技术领域，具体涉及一种粗糙表面量子点图案沉积方法及应用。

背景技术

Micro-LED微型发光二极管主要是基于无机GaN的一种尺寸小、性能优的LED。在显示应用领域，它是一种具有高对比度、低功耗、长寿命、宽色域、高动态范围和快速响应的新兴显示技术。相比于LCD、OLED等显示技术来说，Micro-LED可广泛应用于显示、可见光通信、生物医学等领域，吸引着越来越多的人融入到Micro-LED的基础研究和应用研究当中。

实现Micro-LED的全彩化技术方案主要由三条：①单片外延生长技术，即在同一片晶圆上通过选择性生长技术分别生长能发出红、绿、蓝光的区域的全彩化技术，然而在材料控制、LED阵列与驱动器的集成等方面存在困难,显示效果不佳。②像素RGB排列法：在不同片晶圆上生长RGB三基色LED通过平行或垂直的方式排布，改变脉冲电流周期和占空比来调整颜色混光实现Micro-LED的全彩色显示，该条技术路线面临着巨量转移这一技术壁垒，难度高，良率低，成本高，成品售价昂贵。③量子点色转换法：通过单色光激发颜色转化层中的量子点图案或荧光粉实现全彩化显示，与单片外延生长技术、RGB排列法相比较，具备成本低、分辨率高、耗时短等突出特点，目前得到广泛关注。在量子点色转换法中，需要在器件表面或基板上制备颜色转换层，颜色转换层中量子点对阵列激发光源的光提取效率、量子点的色转换效率、子像素之间发光混合等问题对Micro-LED全彩显示器件的综合性能具有重要的影响，目前，量子点色转换法主要基于光刻技术、喷墨打印和微流控技术等来实现。

色转换层中量子点溶液在沉积区域对激发光源的吸收决定着量子点溶液光吸收转化效率的高低以及激发光利用率和能耗，量子点图案化子像素独立决定着光品质优良。目前有光刻法制备量子点图案化沉积、利用喷墨打印技术将量子点溶液沉积在各种设计预沉积的图案化区域来实现色转换层的需求，此外还可通过微流控方法制备色转换层。

现有量子点图案化沉积技术，量子点沉积于常规平滑状态的材料表面或凹槽中时，由于两种材料的折射率是固定的，激发光源的传播折射方向单一，量子点溶液对激发光提取效率下降，造成激发光源的损失，量子点溶液吸收转换率降低，造成光亮度低等问题。这些问题对于Micro-LED光在激发微流控色转换层中实现全彩化显示的光品质以及激发光源的成本方面必然会造成影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种粗糙表面量子点图案沉积方法及应用。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种粗糙表面量子点图案沉积方法，包括以下步骤：

1)对基板的表面进行研磨抛光处理；

2)于表面涂覆光刻胶，通过曝光显影形成图案化区域以及图案化区域之外的遮蔽区域，对位于图形化区域内的基板表面进行粗糙化处理，形成图形化粗糙区域，然后去除光刻胶；

3)制备微流控盖板，所述微流控盖板包括若干通槽，所述通槽具有进液口和出液口，将微流控盖板与基板表面压合，压合后通槽与多个图形化粗糙区域配合导通形成微通道；

4)将量子点溶液注入微通道直至量子点溶液充满所述微通道的图形化粗糙区域，将多余量子点溶液吹扫出微通道；

5)剥离微流控盖板，经紫外光固化得到嵌设于基板中的色转换层图案；

6)于基板的色转换层图案之间的表面形成遮光层；

7)于步骤6)形成的结构表面沉积保护层。

可选的，步骤2)中，所述图案化区域为显开窗口，于显开窗口内的所述表面上无规则沉积金纳米颗粒，然后采用反应离子蚀刻技术进行蚀刻后形成粗糙的表面，再依次去除所述光刻胶和金纳米颗粒。

可选的，所述无规则沉积金纳米颗粒，是将光刻胶掩膜的所述基板放入金纳米颗粒溶液中沉积5～15分钟，所述金纳米颗粒的尺寸分布无规律，尺寸范围为20-100nm。

可选的，所述反应离子蚀刻的时间为30s～90s。

可选的，所述金纳米颗粒通过王水浸泡2～5分钟去除。

可选的，所述粗糙的表面的起伏高度差不超过3微米。

可选的，步骤2)中，所述图案化区域为局部显开窗口，保留在若干分立的光刻胶柱；所述基板表面通过电感耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀或湿法腐蚀后保留若干分立柱状凸起以形成粗糙的表面。

可选的，所述粗糙的表面与所述基板未处理光滑表面的高度差不超过3μm，所述柱状凸起的尺寸为3-6μm，间距为3-6μm。

一种Micro-LED全彩化显示器件，包括蓝光LED芯片阵列，所述蓝光LED芯片阵列的衬底作为上述的基板，通过上述方法形成量子点色转换层，其中所述色转换层图案与蓝光LED芯片阵列的单颗芯片一一对应。

一种Micro-LED全彩化显示器件，包括上述方法形成的量子点色转换基板和蓝光LED芯片阵列，所述量子点色转换基板键合于蓝光LED芯片阵列上，其中所述色转换层图案与蓝光LED芯片阵列的单颗芯片一一对应。

本发明的有益效果为：

1)对色转换层基板(传统的透明基板或外延片衬底)进行研磨抛光以及图案化区域粗糙化(粗糙区域图形可包括规则图形和不规则图形，粗糙结构可为有规律和无规律排列)，量子点沉积的粗糙图案化区域可以有效避免菲涅尔光反射效应，减少激发光在折射率不同的两种材料表面发生全反射，粗糙化处理可增强光散射，改变入射光线的传播路径，增加激发光源的传输距离，进而增强量子点溶液对激发光源的吸收，有利于提高激发光源的光提取效率，降低能耗。同时量子点溶液可吸收更多的光子，可进一步提高量子点光转化效率，提高光的品质，使得全彩化显示光亮度更好，适合于更大规模的全彩化显示应用；

2)预制量子点图案化沉积区域内外通过光滑与粗糙处理，可形成清晰对照，进而可实现无需经过传统的对准标记键合的方法即可实现红、绿色量子点微通道与红、绿色量子点预沉粗糙图案化区域的一一对应，减少对准标记制备的一系列繁琐工艺步骤，简化制备工艺，降低了成本，有利于大规模量子点图案的制备从而推动全彩Micro-LED的产业化；

3)量子点溶液预沉积区域外进行抛光处理，光滑表面可降低量子点溶液在表面的保留能力，量子点预沉积区域粗糙化处理可提高量子点溶液与基板的保留能力，使得量子点颜色转换层图案的规则、整齐化可实现高色品质出光，且子像素之间不易发生混光现象。

附图说明

图1为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤1的Micro-LED芯片结构示意图；

图2为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤2的工艺示意图；

图3为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤3得到的结构示意图；

图4和图5为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤4得到的结构平面示意图和侧面示意图；

图6为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤5的微流道通道的平面示意图；

图7为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤6得到的结构示意图；

图8为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤7得到的结构示意图；

图9为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤8的工艺示意图；

图10为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤9得到的结构示意图；

图11为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤10得到的结构示意图；

图12为实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤11得到的结构示意图；

图13为实施例2的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤3至步骤4的工艺示意图；

图14为实施例2的粗糙表面量子点图案沉积方法制作MicroL-ED全彩化显示器件的步骤6的工艺示意图；

图15为实施例2的粗糙表面量子点图案沉积方法制作MicroL-ED全彩化显示器件的步骤7得到的结构示意图；

图16为实施例2的粗糙表面量子点图案沉积方法制作MicroL-ED全彩化显示器件的步骤8得到的结构示意图；

图17为实施例2的粗糙表面量子点图案沉积方法制作Micro-LED全彩化显示器件的步骤9得到的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

实施例1

参考图1至图12，实施例1的粗糙表面量子点图案沉积方法步骤如下：

1.蓝光Micro-LED芯片阵列1制备。以蓝光外延片为例，先后经过MOCVD于衬底11正面制备外延层各层薄膜，例如包括U-GaN缓冲层、N-GaN层、MQW层和P-GaN层等，通过清洗、光刻、涂胶、显影、刻蚀、溅射、蒸镀、键合等制备蓝光Micro-LED芯片阵列，该阵列中单颗芯片1a峰值波长为450nm的蓝光，Micro-LED芯片阵列1的结构如图1所示，其倒装于CMOS上。衬底11的材料可以是蓝宝石(Al₂O₃)材料。

2.衬底研磨抛光。通过化学压力机械抛光和机械减薄、研磨等方法结合实现对衬底1进行减薄和抛光处理，使得整个衬底表面为光滑透镜，以达到量子点溶液滴于光滑表面结合能力差的效果。衬底抛光过程如图2所示。减薄抛光后的衬底11厚度为200微米。

3.光刻胶掩模。使用光刻胶2作为掩模进行旋涂衬底11的背面，经过前烘、曝光、反转烘、泛曝、显影等步骤形成要进行粗糙处理的图案化区域21的窗口和之外的光刻胶掩模区，图案化区域21与单颗芯片1a一一对应，如图3所示。

4.图案化区域粗糙处理。将光刻胶掩模的基板放入金纳米颗粒(金纳米颗粒的分布无规律和大小形状无规则的，大小范围在20-100nm。溶液中，放置10分钟沉积，然后将其放入RIE(反应离子刻蚀技术)蚀刻1分钟，后用乙醇超声除去光刻胶，再用王水浸泡3分钟以去除金纳米颗粒，最后用乙醇清洗，去离子水冲洗10分钟，吹干后在衬底11表面形成对应于图案化区域21的粗糙图案化区域11a，11a之外仍然为光滑的衬底表面，其平面和侧面示意图，如图4和图5所示，其中不规则的粗糙化区域11a即表面形成不规则的凹凸，距光滑平面高度差不超过3微米。

5.微流控微通道制备。通过热压成型、模塑成型、注塑成型等方法制备微流控通道盖板3，本技术方案以透明的微通道盖板为例进行说明，如图6所示，其中微通道盖板3包括与第4步处理后的粗糙图案化区域11a宽度大小相匹配的条形微通道31，条形微通道两末端具有进/出液孔，主要将用于将量子点溶液进行注入到粗糙沉积区域。

6.键合。将RG量子点微通道盖板3与图案化粗糙衬底11进行键合，由于粗糙区域与光滑区域区别明显，可直接对位键合而无需对位标记，键合后每个微通道31的两端边缘与粗糙图案化区域11a边缘紧密结合，用过压力控制器将两者压紧，以免发生溶胀现象。如图7所示。

7.量子溶液注入。采用压力进样器将R、G量子点溶液注入两条独立微通道31内部，使得通道内粗糙图案化区域11a填满量子点，如图8所示。

8.气体吹扫。在通有量子点溶液的微通道31中，通入适量压力的惰性气体(如氮气、氩气等)对微通道中的量子点溶液进行吹扫。在适当压力的气体吹扫下，停留在光滑表面区域的量子点溶液从出液口排出，粗糙区域的量子点均匀沉积，如图9所示。

9.微通道盖板3剥离。粗糙图案化区域11a沉积的量子点溶液进行干燥后，将微通道盖板3进行剥离，再进行紫外光固化，形成规则的量子点图案区域，如图10所示。

10.黑色基质光刻胶图案化。黑色基质不透光矩阵光刻胶4(光刻胶和显影溶液不会对固化后的量子点溶液造成影响)通过光刻、前烘、曝光、反转烘、泛曝和显影等过程在量子点沉积的区域之外的光滑区域沉积，再经过高温硬烤坚膜，在光滑区衬底上形成黑色不透光区和粗糙衬底量子点图案化区。如图11所示。

11.保护层5沉积。通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)在衬底11上沉积一定厚度的隔离保护层5，如SiO₂或Si₃N₄等，如图12所示。本技术方案中以600nm的SiO₂为例。

12.光激发全彩显示。底部蓝光Micro-LED芯片激发红、绿量子点图案发出红光和绿光，未沉积量子点的区域发出蓝光，三色光可形成全彩化显示。

实施例2

实施例2与实施例1中的区别在于量子点溶液沉积在经粗糙处理的透明玻璃的图案化色转换层基板6上，图案化粗糙区域61主要为有规律排列的规则图形(本实例主要以规则的规律方形柱子为例，其他图案且排列形式亦可)，色转换层基板6保证量子点图案的制备，色转换层基板6位于芯片之上可以提高色转换层的重复使用率。具体实施过程如下：

1.基板清洗。将玻璃基板6用食人鱼溶液(H₂SO₄:H₂O₂:H₂O＝5:1:1)进行清洗浸泡15分钟，利用去离子水冲洗5分钟。再次将基板依次放入丙酮、酒精溶液中超声清洗5分钟后，去离子水冲洗5分钟，氮气吹干。

2.基板研磨抛光。将干净玻璃基板6通过如实施例1中步骤(步骤2)的方法将基板两面抛光，降低量子点溶液在光滑基板上保留力。

3.光刻胶掩模粗糙图案化处理。玻璃基板6上涂覆光刻胶7，经过前烘、曝光、反转烘、泛曝、显影等步骤形成如图13所示的光刻胶掩模图形，其中包括要进行粗糙处理的图案化区域71和之外的光刻胶掩模区，图案化区域71显影后形成规则排列的若干分立光刻胶柱，例如是光刻胶柱矩阵。

4.基板刻蚀：通过电感耦合等离子体刻蚀(ICP)方法或反应离子刻蚀(RIE)或湿法腐蚀(BOE溶液)在基板6上制备出表面规律排列的规则粗糙图形形成图案化粗糙区域61，图案化粗糙区域61为对应于图案化区域71的被蚀刻部分，该部分与基板表面的高度差小于3微米，具有若干分立规则排列的柱状凸起，与蚀刻凹陷部分即形成粗糙表面，例如柱状凸起为直径为3-6微米、间距为3-6微米的圆柱，如图13所示。

5.微流控微流道制备。通过模压成型、注射成型等方法制备微流控芯片盖板3，参考实施例1，盖板3中微通道31的宽度与玻璃基板6上的图案化粗糙区域61的宽度相匹配，且R、G两种颜色的量子点溶液微通道相互隔离，减少之间的相互污染，且两者宽度一致可保证量子点溶液不会出现溶胀现象发生。

6.键合与量子点注入。键合过程与实施例1中步骤(步骤6)相同，分别根据玻璃基板表面的粗糙和光滑之间形成的对比将微通道31与图案化粗糙区域61键合，再将量子点溶液通过微通道盖板3注入到图案化粗糙区域61如图14所示。

7.粗糙区域量子点沉积、吹扫和干燥固化。采用与实施例1中步骤(步骤8、步骤9)方法将量子点溶液注入沉积到粗糙区域，将多余的量子点溶液吹扫出来，并进行盖板3剥离与量子点图案干燥和固化。如图15所示。

8.黑色光刻胶4旋涂和保护层5沉积。具体过程与实施例1中步骤(步骤10和步骤11)相同，在此不在赘述，如图16所示。

9.色转换层基板6和Micro-LED8键合。将图案化粗糙区域61量子点图案与芯片子像素8a一一垂直对应，在蓝光的激发下实现全彩化显示，如图17所示。

本发明利用光刻胶掩膜在预沉积量子点溶液的区域进行粗糙化处理，以增加量子点预沉积区域的粗糙度(粗糙底面包括规则和不规则图形)。技术主要分为三部分组成：

1.以化学机械研磨抛光后的光滑衬底作为基板(或机械抛光的透明基板)，采用光刻胶掩模进行粗糙化处理，在表面形成光滑区域和图案化量子点溶液预沉积的粗糙区域，其中粗糙区域与衬底下面的Micro-LED芯片子像素一一对应，保证了量子点图案能够更多的吸收正下方的Micro-LED芯片子像素发出的光。

2.为保证红色和绿色量子点溶液通过微通道注入到粗糙处理后的量子点预沉积区域，微通道的尺寸必须和粗糙区域的宽度一一对应。将微通道键合到指定的粗糙区域，在压力控制器作用下可以保证能够注入量子点溶液同时且不会出现量子点溶液溢出、溶胀的现象发生，再通过微通道注入量子点溶液沉积在粗糙处理区域，待每个像素点都均匀沉积量子点溶液时，利用氮气吹扫将光滑表面的量子点溶液吹扫出来，剥离微通道，紫外光固化进而形成量子点图案。

3.为了防止光窜扰，分别在沉积量子点图案外的光滑区域填充一层黑色基质的矩阵光刻胶，该胶为不透光，可保证每个量子点图案吸收激发光后能够独立发光，避免光窜扰现象的发生。最后在量子点图案表面沉积一层透明的保护层(如SiO₂或Si₃N₄等)避免量子点溶液被空气中的水汽、气体、灰尘等影响光品质。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种粗糙表面量子点图案沉积方法，但本发明并不局限于实施例，凡是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、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种粗糙表面量子点图案沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对基板的表面进行研磨抛光处理；

2)于表面涂覆光刻胶，通过曝光显影形成图案化区域以及图案化区域之外的遮蔽区域，对位于图形化区域内的基板表面进行粗糙化处理，形成图形化粗糙区域，然后去除光刻胶；

3)制备微流控盖板，所述微流控盖板包括若干通槽，所述通槽具有进液口和出液口，将微流控盖板与基板表面压合，压合后通槽与多个图形化粗糙区域配合导通形成微通道；

4)将量子点溶液注入微通道直至量子点溶液充满所述微通道的图形化粗糙区域，将多余量子点溶液吹扫出微通道；

5)剥离微流控盖板，经紫外光固化得到嵌设于基板中的色转换层图案；

6)于基板的色转换层图案之间的表面形成遮光层；

7)于步骤6)形成的结构表面沉积保护层。

2.根据权利要求1所述的粗糙表面量子点图案沉积方法，其特征在于：步骤2)中，所述图案化区域为显开窗口，于显开窗口内的所述表面上无规则沉积金纳米颗粒，然后采用反应离子蚀刻技术进行蚀刻后形成粗糙的表面，再依次去除所述光刻胶和金纳米颗粒。

3.根据权利要求2所述的粗糙表面量子点图案沉积方法，其特征在于：所述无规则沉积金纳米颗粒，是将光刻胶掩膜的所述基板放入金纳米颗粒溶液中沉积5～15分钟，所述金纳米颗粒的尺寸分布无规律，尺寸范围为20-100nm。

4.根据权利要求2所述的粗糙表面量子点图案沉积方法，其特征在于：所述反应离子蚀刻的时间为30s～90s。

5.根据权利要求2所述的粗糙表面量子点图案沉积方法，其特征在于：所述金纳米颗粒通过王水浸泡2～5分钟去除。

6.根据权利要求2所述的粗糙表面量子点图案沉积方法，其特征在于：所述粗糙的表面的起伏高度差不超过3微米。

7.根据权利要求1所述的粗糙表面量子点图案沉积方法，其特征在于：步骤2)中，所述图案化区域为局部显开窗口，保留在若干分立的光刻胶柱；所述基板表面通过电感耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀或湿法腐蚀后保留若干分立柱状凸起以形成粗糙的表面。

8.根据权利要求7所述的粗糙表面量子点图案沉积方法，其特征在于：所述粗糙的表面与所述基板未处理表面的高度差不超过3μm，所述柱状凸起的尺寸为3-6μm，间距为3-6μm。

9.一种Micro-LED全彩化显示器件，其特征在于：包括蓝光LED芯片阵列，所述蓝光LED芯片阵列的衬底作为权利要求1所述的基板，通过权利要求1所述的方法形成量子点色转换层，其中所述色转换层图案与蓝光LED芯片阵列的单颗芯片一一对应。

10.一种Micro-LED全彩化显示器件，其特征在于：包括采用权利要求1所述的方法形成的量子点色转换基板和蓝光LED芯片阵列，所述量子点色转换基板键合于蓝光LED芯片阵列上，其中所述色转换层图案与蓝光LED芯片阵列的单颗芯片一一对应。

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