CN118039663A - 一种全彩微型led显示器件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种全彩微型LED显示器件，包括垂直结构的LED和红光量子点色转化层，其中p电极与n电极分别位于LED发光芯片的上下两侧，红色LED中蓝光芯片上侧为红光色转换量子点层。本申请还公开了该全彩微型LED显示器件的制备方法，采用了垂直结构的LED制作，与倒装结构LED相比，在制作小于10μm的小尺寸LED制程方面更有优势，且制备工艺更简单，可以实现小尺寸芯片制作，提高显示分辨率，同时采用蓝色芯片进行红色量子点色转化方案，解决了小尺寸全彩Micro LED制备过程中的红光LED发光效率低的问题，提供了一种新的全彩微显示器件制备方案。
Description
技术领域
本申请涉及一种全彩微型LED显示器件及其制备方法和应用，属于显示器件领域。
背景技术
随着人们对显示器件日益增长的需求，更高性能的Micro LED显示出更大的市场。Micro LED全彩显示具有功耗低、色彩饱和度高、响应速度快、对比度高、能源效率高、使用寿命长等优异性能，具有巨大的发展应用前景。目前，已开发出多项Micro LED的技术和基于此的商业产品，Micro LED应用将显示技术从平板显示扩展到AR/VR/MR、空间显示、柔性透明显示、可穿戴/可植入光电器件等诸多领域。Micro LED常使用RGB三基色Micro LED芯片，像素尺寸大小为3～50μm，发光像素尺寸越小，所制作的LED显示器件分辨率越高，观感越清晰细腻，目前芯片的制作方案主流为倒装结构LED，其n、p电极在同一侧，该方案像素宽度越小，n电极越难加工，在像素宽度为50μm以下时该方案加工难度变大、精度控制变难，因此该方案存在像素尺寸限制的瓶颈，特别是很难实现10μm以下的芯片尺寸制作。与此同时，芯片尺寸减小至50μm以下时，红光LED发光效率低会明显降低，甚至不足10％，导致三色光强度不同的问题，无法实现全彩RGB Micro LED方案制备，因此需要探索一种新的方案来解决此问题。
发明内容
作为本申请的一个方面，本申请提供了一种全彩微型LED显示器件，采用了垂直结构的LED，在像素宽度为50μm以下时，可以克服倒装结构LED像素尺寸限制的瓶颈问题，特别是可以良好实现10μm以下的芯片尺寸，同时结合色转换方案使得在像素宽度小于50um时，仍可以实现全彩RGB Micro LED方案。
本申请采用如下技术方案：
一种全彩微型LED显示器件，包括垂直结构的LED；
所述垂直结构的LED分为蓝色LED、红色LED和绿色LED；
所述蓝色LED包括蓝光芯片，所述蓝光芯片上设有光扩散胶层；
所述红色LED包括蓝光芯片，所述蓝光芯片上设有红光色转换量子点层；
所述绿色LED包括绿光芯片，所述绿光芯片上设有光扩散胶层；
所述蓝光芯片自上至下依次为n电极层、蓝色像素点、p电极层、键合金属层；
所述绿光芯片自上至下依次为n电极层、绿色像素点、p电极层、键合金属层。
可选地，所述垂直结构LED的宽度为3～15μm。
可选地，所述垂直结构LED的宽度为3～10μm。
可选地，所述垂直结构LED的高度为5～10μm。
可选地，所述蓝色像素点自上至下依次为u-GaN层、n-GaN层、蓝光发射的MQW层、p-AlGaN层、p-GaN层；
所述绿色像素点自上至下依次为u-GaN层、n-Gan层、绿光发射的MQW层、p-AlGaN层、p-GaN层。
可选地，所述蓝色LED、红色LED、绿色LED交替排列设置在CMOS驱动衬底上侧。
可选地，所述蓝色LED、红色LED和绿色LED之间的上部设有挡墙，所述挡墙的和所述CMOS驱动衬底之间设有绝缘填充层。
挡墙用于隔离所述红光色转换量子点层、光扩散胶层。
可选地，所述n电极层的外形为回型。
回型中心区域是实际出光面积大小，回型区域宽度部分是公共n电极。
所述u-GaN层为未掺杂的氮化镓层；所述n-GaN层为n型掺杂的氮化镓层；所述p-AlGaN层为p型掺杂的氮化铝镓层；所述p-GaN层为p型掺杂的氮化镓层；所述MQW层为多量子阱层。
本申请的另一方面，提供了一种上述全彩微型LED显示器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将生长在外延片衬底上的连续蓝色像素点层进行刻蚀、p电极蒸镀、键合金属蒸镀，然后转移至CMOS驱动衬底上，再次刻蚀得到CMOS驱动衬底上的蓝色像素点矩阵；
S2、在步骤S1的CMOS驱动衬底上，采用与步骤S1相同的方法，进一步将连续绿色像素点层制备成绿色像素点矩阵，得到COMS驱动衬底上按蓝色像素点、蓝色像素点、绿色像素点交替排列的像素点矩阵基板；
S3、在步骤S2中得到的像素点矩阵基板上，填充像素点间隙，蒸镀n电极制成蓝光芯片、绿光芯片，得到微型LED显示基板；
S4、在步骤S3中得到的微型LED显示基板上制备挡墙，然后在属于红色LED的蓝光芯片上侧制备红光色转换量子点层、在绿光芯片和属于蓝色LED的蓝光芯片上侧制备光扩散胶层，得到全彩微型LED显示器件。
可选地，所述步骤S1中，所述连续蓝色像素点层为在外延片衬底上逐层依次生长的u-GaN层、n-Gan层、蓝光发射的MQW层、p-AlGaN层、p-GaN层。
可选地，所述步骤S1中，所述外延片的衬底为蓝宝石衬底或硅衬底。
可选地，所述步骤S1中，所述刻蚀为将所述连续蓝色像素点层进行电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀至暴露u-GaN层时停止。
上述刻蚀使连续蓝色像素点层初步分离为独立的蓝色像素点矩阵。
可选地，所述步骤S1中，所述p电极蒸镀为在蓝色像素点层上热蒸镀至少一层p电极金属层。
可选地，所述p电极金属选自Pt、Au、Ni、Ti、Ag中的至少两种。
可选地，所述步骤S1中，所述键合金属蒸镀为在p电极金属层上热蒸镀至少一层键合金属层。
可选地，所述步骤S1中，所述转移至CMOS驱动衬底的具体步骤为：将CMOS衬底上热蒸镀至少一层键合金属层，将所述外延片与CMOS衬底上的键合金属层对接，在3000～6000kg压力下热压30～60min进行贴合，最后将外延片的衬底激光剥离。
可选地，所述键合金属选自Pt、Ni、Ti、Cr、Ag、In中的至少一种。
可选地，所述步骤S1中，所述再次刻蚀为将转移至CMOS驱动衬底后的连续蓝色像素点层，进行电感耦合等离子体刻蚀，将u-GaN过渡层刻蚀干净。
上述再次刻蚀使连续蓝色像素点层完全分离为独立的蓝色像素点矩阵。
可选地，所述步骤S2中，所述表面有连续绿色像素点层的外延片为在衬底上逐层依次生长的u-GaN层、n-Gan层、绿光发射的MQW层、p-AlGaN层、p-GaN层。
可选地，所述步骤S3中，所述填充为使用聚酰亚胺胶水将所述蓝色像素点矩阵、绿色像素点矩阵之间的沟槽填充平整，固化后形成绝缘填充层。
可选地，所述步骤S3中，所述n电极蒸镀为在蓝色像素点矩阵和绿色像素点矩阵上侧热蒸镀至少一层n电极金属层。
可选地，所述n电极金属选自Ti、Ni、Al、Au、Pt中的至少两种。
可选地，所述步骤S4中，所述制备挡墙包括在步骤S3中得到的微型LED显示基板上涂覆一层挡墙光刻胶，使用光掩膜曝光、固化、显影，形成挡墙，所述挡墙位于绝缘填充层上侧，所述挡墙在垂直结构LED上侧围成像素孔。
可选地，所述步骤S4中，所述制备红光色转换量子点层包括在属于红色LED的蓝光芯片上侧由挡墙围成的像素孔内，填充红光色转换量子点墨水，经曝光固化形成色转换量子点层。
色转换量子点层将蓝光芯片发出的蓝光转换为红光，解决了直接使用红光芯片的情况下，芯片尺寸减小至50μm以下时，随芯片像素尺寸减小红发光效率大幅衰减并导致三色光强度不同的问题。
可选地，所述步骤S4中，所述制备光扩散胶层包括在绿光芯片和属于蓝色LED的蓝光芯片上侧由挡墙围成的像素孔内，填充光扩散胶，经曝光固化形成光扩散胶层。
可选地，所述挡墙光刻胶包括有机溶剂PGMEA30～60wt％、交联剂及其他助剂5～10wt％、树脂类衍生物2～8wt％、感光剂3～10wt％、反光材料10～20wt％；
可选地，所述反光材料为铝银浆或纳米钛白。
可选地，所述红光色转换量子点墨水包括10～20wt％量子点、有机溶剂PGMEA30～60wt％、交联剂及其他助剂5～10wt％、树脂类衍生物2～8wt％、感光剂3～10wt％。
可选地，所述量子点包含IV、II-VI，IV-VI、III-V族的至少一种元素。
可选地，所述量子点材料包括钙钛矿量子点。
可选的，所述钙钛矿量子点材料选自无机钙钛矿量子点材料和有机-无机杂化钙钛矿量子点材料中的任一种。
可选地，所述光扩散胶包括10～20wt％扩散粒子、有机溶剂PGMEA30～60wt％、交联剂及其他助剂5～10wt％、树脂类衍生物2～8wt％、感光剂3～10wt％。
可选地，所述扩散粒子选自硫酸钡、纳米氧化锌、纳米二氧化硅，纳米二氧化钛、PMMA微球、有机硅微球、聚四氟乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚乙烯蜡微球、聚酰胺蜡微球、酰胺改性聚乙烯蜡中的至少一种。
根据本申请的又一个方面，提供了所述的全彩微型LED显示器件、所述制备方法制备的全彩微型LED显示器件在全彩微显示器中的应用。
本申请能产生的有益效果包括：
(1)本申请提供了一种全彩微型LED微显示器件，采用垂直结构LED方案，其中p电极与n电极分别分布于LED发光芯片上下两侧，结构简单，与倒装结构LED相比，在制作小于10μm的小尺寸LED制程方面更有优势，结合色转换方案解决了小尺寸全彩Micro LED制备过程中的红光LED发光效率低的问题，使得在像素宽度小于50um时，仍可以实现全彩RGBMicro LED方案。
(2)本申请还提供了一种全彩微型LED微显示器件的制备方法，在像素宽度为50μm以下时加工简单、精度高，特别是容易实现10μm以下的芯片尺寸制作，并且在像素点多次转移贴合的步骤中，对精度要求低于倒装结构LED，因此转移的工艺比倒装结构更简单，可以为全彩微型LED微显示器件的制作提供一种新的突破尺寸限制、提高分辨率的方案，具有在全彩微显示器中应用的潜力。
附图说明
图1为本申请实施例1中全彩微型LED微显示器件加工流程示意图；
图2为本申请实施例1中全彩微型LED微显示器件制备过程中所用蓝宝石外延片结构示意图；
图3为本申请实施例1中蓝宝石衬底上初步分离的像素点层示意图；
图4为本申请实施例1中蓝宝石衬底上初步分离后带p电极层和键合金属层的像素点层示意图；
图5为本申请实施例1中CMOS衬底上完全分离后带n电极层的像素点层示意图；
图6为本申请实施例1中全彩微型LED微显示器件结构示意图。
附图标记：
1.外延片上初步分离的蓝色像素点矩阵结构示意图；11.蓝色像素点矩阵排列示意图；12.蓝宝石衬底示意图；2.COMS衬底上完全分离的蓝色像素点矩阵排列示意图；21.CMOS衬底示意图；3.外延片上初步分离的待转移的绿色像素点矩阵结构示意图；4.COMS衬底上完整的微型LED显示基板(蓝、绿发光)示意图；5.全彩微型LED显示器件结构示意图；51.绝缘填充层；52.挡墙；53.色转换量子点层。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的所用材料均通过商业途径购买。
实施例1
制备CMOS衬底上的蓝色像素点矩阵：
以蓝宝石为衬底，在其上方依次生长u-GaN层、n-Gan层、蓝光发射的MQW层、p-AlGaN层、p-GaN层，得到蓝宝石衬底上的连续蓝色像素点层的蓝宝石外延片，层结构如图2所示；将上述将蓝宝石衬底上的连续蓝色像素点层进行电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀至u-GaN时停止，如图3所示，使连续蓝色像素点层初步分离为独立的蓝色像素点矩阵，然后在蓝色像素点矩阵上(p-GaN层一侧)通过金属热蒸镀制作p电极层(自上至下依次蒸镀的金属及厚度为：Ti 1nm、Pt 100nm)和键合金属层(自上至下依次蒸镀的金属及厚度为：Ni10 nm、Ag1000nm、Ni400nm、Ti 400nm、Ni 20nm、Pt 50nm、Cr 60nm)，如图4所示，整体结构如图1步骤1中所示；在CMOS衬底上沉积对应的键合金属层(自上至下依次蒸镀的金属及厚度为：Cr60nm、Pt 50nm、Ni 100nm、Ag 500nm)，随后将上述带p电极的蓝色像素点矩阵整面热压贴合至CMOS衬底上，并将蓝宝石衬底激光剥离，然后进行电感耦合等离子体刻蚀，将u-GaN过渡层刻蚀干净，使得连续蓝色像素点层完全分离为蓝色像素点矩阵，得到CMOS衬底上的蓝色像素点矩阵，整体结构如图1步骤2中所示，层结构如图5所示。
制备CMOS衬底上的蓝色、绿色像素点矩阵：
外延片中MQW层采用绿光发射的MQW层，其它制备方法和材料与上述外延片上蓝色像素点矩阵制备过程相同，如图1步骤3所示，制备得到带有p电极层和键合金属层的绿色像素点矩阵，并将其转移至上述贴合有蓝色像素点矩阵的CMOS衬底上的，制备得到蓝色、绿色像素点矩阵，像素点矩阵排列方式为蓝色像素点、蓝色像素点、绿色像素点交替排列，整体结构与层结构与如图1步骤4中所示，层结构如图5所示。
制备完整的微型LED显示基板(蓝、绿发光)：
使用绝缘的聚酰亚胺胶水将蓝色像素点、绿色像素点之间的沟槽填充平整，固化后形成绝缘填充层，随后通过热蒸镀的方法在像素点侧上制备回型n电极(自上至下依次蒸镀的金属及厚度为：Ti 10nm、Au 200nm)，得到垂直结构的蓝色、绿色微型LED，如图4所示，回型中心区域是实际出光面积大小，回型区域宽度部分是公共n电极，并得到完整排列有蓝光芯片、绿光芯片微型LED显示基板。LED中蓝色芯片、绿光芯片宽度尺寸均为10um，LED中芯片之间的间隙为10um；
制备垂直结构的全彩微型LED显示器件：
如图1步骤Step5所示，在上述基板上旋涂具有挡墙光刻胶，挡墙光刻胶包括有机溶剂PGMEA 40wt％、双环戊烯基丙烯酸酯20wt％、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯15wt％、819光引发剂5wt％，铝银浆20wt％。使用光掩膜对挡墙光刻胶进行曝光、固化，然后使用显影液二醇甲醚醋酸酯显影工艺处理，在绝缘填充层上形成挡墙结构。对上述得到的挡墙围成的像素孔进行选择性填充。
在属于红色LED的蓝光芯片上侧像素孔内填入红光色转换量子点墨水，红光色转换量子点墨水包括红色CdSe量子点20wt％、有机溶剂PGMEA 60wt％、双环戊烯基丙烯酸酯10wt％、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯6wt％、819光引发剂4wt％，经曝光固化后作为红光色转换量子点层，受蓝光激发后发出红光；在绿光芯片和属于蓝色LED的蓝光芯片上侧填入光扩散胶，经曝光固化后形成光扩散胶层。挡墙、红光色转换量子点层和光扩散胶层构成了转光层。最终得到垂直结构的全彩微型LED显示器件#1，垂直结构的LED高度为10um，其中p电极与n电极分别位于LED发光芯片的上下两侧，相较于倒装结构LED，减小了同侧电极带来的尺寸较大的问题，制作工艺更加简单。
实施例2
p电极(自上至下依次蒸镀的金属及厚度为：Ni 1nm、Ag 100nm)，公共n电极(自上至下依次蒸镀的金属及厚度为：Ti 10nm、Al 500nm、Ti 20nm、Au 20nm)；其蓝色芯片、绿光芯片宽度尺寸均为8um，LED中芯片之间的间隙为4um；填入红色量子点CsPbBrI2墨水，经曝光固化后作为色转换量子点层，其它步骤和材料与实施例1相同，制得垂直结构的全彩微型LED显示器件#2，垂直结构的LED高度为10um。
实施例3
p电极(自上至下依次蒸镀的金属及厚度为：Ni 1nm、Ag 100nm、Au 20nm)，公共n电极(自上至下依次蒸镀的金属及厚度为：Ti 10nm、Al 500nm、Ti 20nm、Au 20nm)；其蓝色芯片、绿光芯片宽度尺寸均为3um，LED中芯片之间的间隙为1.5um；填入红色量子点CsPbBrI2墨水，经曝光固化后作为色转换量子点层，其它步骤和材料与实施例1相同，制得垂直结构的全彩微型LED显示器件#3，垂直结构的LED高度为10um。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种全彩微型LED显示器件，其特征在于，所述显示器件包括垂直结构的LED；
所述垂直结构的LED分为蓝色LED、红色LED和绿色LED；
所述蓝色LED包括蓝光芯片，所述蓝光芯片上设有光扩散胶层；
所述红色LED包括蓝光芯片，所述蓝光芯片上设有红光色转换量子点层；
所述绿色LED包括绿光芯片，所述绿光芯片上设有光扩散胶层；
所述蓝光芯片自上至下依次为n电极层、蓝色像素点、p电极层、键合金属层；
所述绿光芯片自上至下依次为n电极层、绿色像素点、p电极层、键合金属层。
2.根据权利要求1所述的显示器件，其特征在于，所述垂直结构LED的宽度为3～15μm。
3.根据权利要求1所述的显示器件，其特征在于，所述蓝色像素点自上至下依次为u-GaN层、n-GaN层、蓝光发射的MQW层、p-AlGaN层、p-GaN层；
所述绿色像素点自上至下依次为u-GaN层、n-Gan层、绿光发射的MQW层、p-AlGaN层、p-GaN层。
4.根据权利要求1所述的显示器件，其特征在于，所述蓝色LED、红色LED、绿色LED交替排列设置在CMOS驱动衬底上侧；
优选地，所述蓝色LED、红色LED和绿色LED之间的上部设有挡墙，所述挡墙的和所述CMOS驱动衬底之间设有绝缘填充层。
5.权利要求1～4任一项所述的显示器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将生长在外延片衬底上的连续蓝色像素点层进行刻蚀、p电极蒸镀、键合金属蒸镀，然后转移至CMOS驱动衬底上，再次刻蚀得到CMOS驱动衬底上的蓝色像素点矩阵；
S2、在步骤S1的CMOS驱动衬底上，采用与步骤S1相同的方法，进一步将连续绿色像素点层制备成绿色像素点矩阵，得到COMS驱动衬底上按蓝色像素点、蓝色像素点、绿色像素点交替排列的像素点矩阵基板；
S3、在步骤S2中得到的像素点矩阵基板上，填充像素点间隙，蒸镀n电极制成蓝光芯片、绿光芯片，得到微型LED显示基板；
S4、在步骤S3中得到的微型LED显示基板上制备挡墙，然后在属于红色LED的蓝光芯片上侧制备红光色转换量子点层、在绿光芯片和属于蓝色LED的蓝光芯片上侧制备光扩散胶层，得到全彩微型LED显示器件。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述刻蚀为将所述连续蓝色像素点层进行电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀至暴露u-GaN层时停止；
优选地，所述步骤S1中，所述p电极蒸镀为在蓝色像素点层上热蒸镀至少一层p电极金属层。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述转移至CMOS驱动衬底的具体步骤为：将CMOS衬底上热蒸镀至少一层键合金属层，将所述外延片与CMOS衬底上的键合金属层对接，在3000～6000kg压力下热压30～60min进行贴合，最后将外延片的衬底激光剥离；
优选地，所述步骤S1中，所述再次刻蚀为将转移至CMOS驱动衬底后的连续蓝色像素点层，进行电感耦合等离子体刻蚀，将u-GaN过渡层刻蚀干净。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述填充为使用聚酰亚胺胶水将所述蓝色像素点矩阵、绿色像素点矩阵之间的沟槽填充平整，固化后形成绝缘填充层；
优选地，所述步骤S3中，所述n电极蒸镀为在蓝色像素点矩阵和绿色像素点矩阵上侧热蒸镀至少一层n电极金属层。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述制备挡墙包括在步骤S3中得到的微型LED显示基板上涂覆一层挡墙光刻胶，使用光掩膜曝光、固化、显影，形成挡墙，所述挡墙位于绝缘填充层上侧，所述挡墙在垂直结构LED上侧围成像素孔；
优选地，所述步骤S4中，所述制备红光色转换量子点层包括在属于红色LED的蓝光芯片上侧由挡墙围成的像素孔内，填充红光色转换量子点墨水，经曝光固化形成色转换量子点层；
优选地，所述步骤S4中，所述量子点材料包括钙钛矿量子点；
优选地，所述步骤S4中，所述制备光扩散胶层包括在绿光芯片和属于蓝色LED的蓝光芯片上侧由挡墙围成的像素孔内，填充光扩散胶，经曝光固化形成光扩散胶层。
10.权利要求1～4任一项所述的显示器件、根据权利要求5～9任一项所述制备方法制备得到的显示器件在全彩微显示器中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211385197.6A CN118039663A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 一种全彩微型led显示器件及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211385197.6A CN118039663A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 一种全彩微型led显示器件及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118039663A true CN118039663A (zh) | 2024-05-14 |
Family
ID=90990155
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211385197.6A Pending CN118039663A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 一种全彩微型led显示器件及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118039663A (zh) |
-
2022
- 2022-11-07 CN CN202211385197.6A patent/CN118039663A/zh active Pending
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