CN113782561B - 一种高亮度高可靠性的Micro-LED显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高亮度高可靠性的Micro‑LED显示装置，包括上下设置的双层布线承载基板和TFT背板，每一像素单元具有分立的Micro‑LED芯片和第一晶体管，Micro‑LED芯片和第一晶体管设于双层布线承载基板之上；TFT背板上表面对应每一像素单元设有TFT单元；双层布线承载基板对应每一像素单元设有导电过孔，每一TFT单元与对应像素单元的第一晶体管通过所述导电过孔电连接；所述TFT单元用于选通对应的像素单元，所述第一晶体管用于对对应的像素单元供电，能够增强散热、减小漏电流、实现电流补偿，进而能够实现高亮度、高效率、高可靠性的Micro‑LED显示。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种高亮度高可靠性的Micro-LED显示装置。
背景技术
LED具有节能、体积小、寿命长、色彩丰富、性能可靠等显著优点。近年来各类Micro-LED显示受到了普遍关注，已经成为国际公认的下一代显示技术。Micro-LED显示将Micro-LED芯片一颗一颗紧密地排列成阵列，每颗Micro-LED芯片独立地被驱动点亮发出光线，达到优异的显示效果，可以实现柔性、透明、高分辨显示，而其耗电量仅约为液晶面板的10％。
每颗Micro-LED芯片独立地被驱动点亮，需要依靠主动式驱动背板，为每颗Micro-LED芯片配置单独的控制元件。现有的驱动背板，包括CMOS(互补金属氧化物半导体)背板、TFT(薄膜晶体管)背板。CMOS背板采用集成电路晶圆工艺生产，能够实现5微米甚至更小的像素间距，能够实现高分辨率的Micro-LED显示，但是存在几方面不足：其一，采用集成电路晶圆工艺生产，驱动背板成本高；其二，受限于晶圆尺寸，无法实现大尺寸显示；其三，由于CMOS背板基于硅材料，无法透光，对透明显示不适用。TFT背板能够实现大面积生产，且基板采用玻璃，可以实现透明显示，但是存在几方面不足：其一，由于TFT的电流有限，难以实现高亮度的Micro-LED显示；其二，Micro-LED芯片发出热量经需由TFT背板导出散热，会导致TFT背板上的TFT器件温度升高发生I-V特性漂移；其三，Micro-LED芯片发出光照射TFT背板，会导致TFT背板上的TFT器件产生光生漏电流，发生I-V特性漂移；其四，TFT背板至少需要采用2T1C架构，即每个像素需要1个TFT进行选通，1个TFT进行供电，但是由于TFT生产的一致性不足，需要进行复杂的补偿设计，通常每个像素需要采用4～7个TFT，导致驱动复杂，像素尺寸变大，而且TFT的电子迁移率有限，导致供给Micro-LED芯片的电流有限，显示屏的亮度难以提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种高亮度高可靠性的Micro-LED显示装置，能够增强散热、减小漏电流、实现电流补偿，进而能够实现高亮度、高效率、高可靠性的Micro-LED显示。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种高亮度高可靠性的Micro-LED显示装置，通过阵列式排布的若干像素单元实现显示，其包括上下设置的双层布线承载基板和TFT背板，每一像素单元具有分立的Micro-LED芯片和第一晶体管，Micro-LED芯片和第一晶体管设于双层布线承载基板之上，且Micro-LED芯片的电极和第一晶体管的电极分别焊接于双层布线承载基板上；TFT背板上表面对应每一像素单元设有TFT单元；双层布线承载基板对应每一像素单元设有导电过孔，每一TFT单元与对应像素单元的第一晶体管通过所述导电过孔电连接；所述TFT单元用于选通对应的像素单元，所述第一晶体管用于为对应的像素单元内Micro-LED芯片进行供电。
可选的，所述双层布线承载基板设有VDD布线和GND布线；所述Micro-LED芯片具有第一电极和第二电极，所述第一晶体管具有第一源极、第一漏极和第一栅极；所述第一电极与VDD布线电导通，所述第二电极与第一源极电导通，所述第一栅极与所述TFT单元电导通，所述第一漏极与GND布线电导通。
可选的，所述双层布线承载基板上表面设有第一电极焊盘，第二电极焊盘，源极焊盘、栅极焊盘和漏极焊盘；所述Micro-LED芯片和第一晶体管倒装设于所述双层布线承载基板上面，且所述第一电极、第二电极、第一源极、第一漏极和第一栅极与所述第一电极焊盘、第二电极焊盘、源极焊盘、栅极焊盘和漏极焊盘一一对应地焊接，所述栅极焊盘与所述导电过孔电导通。
可选的，所述TFT单元包括第二晶体管结构和电容结构，所述第二晶体管结构包括第二源极、第二漏极和第二栅极，所述第二漏极通过所述导电过孔与所述第一栅极电连接；所述电容结构并联于所述第一栅极和第一漏极之间；所述TFT背板设有接地端，所述接地端与所述GND布线导通。
可选的，所述双层布线承载基板不透明。
可选的，所述第一晶体管的顶面及侧壁表面包覆有遮光封装基质。
可选的，所述Micro-LED芯片的上表面之外的表面、所述双层布线承载基板上表面和所述第一晶体管表面一体包覆有遮光封装基质。
可选的，所述Micro-LED芯片包括红光Micro-LED芯片、绿光Micro-LED芯片和蓝光Micro-LED芯片，对应的像素单元为红光像素单元、绿光像素单元和蓝光像素单元。
可选的，所述Micro-LED芯片均为蓝光Micro-LED芯片，部分蓝光Micro-LED芯片形成蓝光像素单元，另外部分蓝光Micro-LED芯片通过设置荧光转换层形成红光像素单元和绿光像素单元，所述遮光封装基质在蓝光Micro-LED芯片对应位置设置有凹槽，所述荧光转换层设置在所述凹槽内。
可选的，所述Micro-LED芯片发出的光线向下出射，所述荧光转换层设于所述TFT背板的TFT单元之间，并与所述Micro-LED芯片垂直对准，所述双层布线承载基板和TFT背板均为透光材料，且双层布线承载基板和TFT背板之间填充透明粘合层。
本发明的有益效果为：
1)通过将驱动架构分拆为两部分，采用TFT和分立的第一晶体管实现混合驱动，TFT负责选通所需驱动的像素单元，分立的第一晶体管负责对所需驱动的像素单元进行供电。既保持了驱动架构的完整性，又能够发挥分立的第一晶体管的大电流能力，规避传统纯TFT背板中薄膜晶体管结构输出电流有限的问题。可以实现对Micro-LED芯片的较大电流供电，从而实现高亮度显示；
2)既发挥TFT基板的大面积生产优势，又规避了TFT的特性漂移问题。产品电特性稳定性提高，实现高可靠性；
3)Micro-LED芯片和第一晶体管，可以采用相同的固晶或者巨量转移工艺完成在承载基板上表面的焊接，工艺兼容性高，焊接稳定可靠，而且整个屏幕进行点亮测试发现有某个像素单元失效或者发光不均匀的时候，该像素单元的Micro-LED芯片和第一晶体管元件均可以便捷更换返修，良品率高；
4)第一晶体管采用固晶或者巨量转移工艺完成在承载基板上表面的焊接，可以根据TFT背板上TFT器件的I-V特性mapping进行合适的第一晶体管分BIN焊接，从而使得第一晶体管与TFT器件组合出的2T1C驱动特性参数均有良好的一致性，从而规避了传统的纯TFT驱动背板所需的复杂补偿电路，架构简单、成本低；
5)承载基板将TFT与Micro-LED芯片之间进行了热隔离，从而规避了TFT背板上的TFT器件温度升高发生I-V特性漂移问题；
6)直接承载基板上表面进行全彩化像素分布布置，可以便利地实现各种不同像素阵列排布方式的红、绿、蓝三色全彩化显示。
附图说明
图1为实施例的Micro-LED显示装置的像素单元的平面示意图，图中体现像素单元中各器件的连接关系；
图2为实施例1～2的Micro-LED显示装置的分解结构示意图(图中体现一个像素单元的截面图)；
图3为实施例1～2的Micro-LED显示装置的装配结构示意图(图中体现一个像素单元的截面图)；
图4为实施例的Micro-LED显示装置的2T1C驱动架构电路原理示意图；
图5为实施例3的Micro-LED显示装置的像素单元结构示意图(图中体现三个像素单元的截面图)；
图6为实施例4的Micro-LED显示装置的像素单元结构示意图(图中体现三个像素单元的截面图)；
图7为实施例5的Micro-LED显示装置的像素单元结构示意图(图中体现三个像素单元的截面图)；
图8为实施例6的Micro-LED显示装置的像素单元结构示意图(图中体现三个像素单元的截面图)；
图9为实施例7的Micro-LED显示装置的像素单元结构示意图(图中体现三个像素单元的截面图)；
图10为实施例8的Micro-LED显示装置的像素单元结构示意图(图中体现三个像素单元的截面图)。
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3，实施例1的Micro-LED显示装置由阵列式排布的若干像素单元实现显示，设有Micro-LED芯片800，第一晶体管900、TFT背板700和双层布线承载基板600；双层布线承载基板600和TFT背板700上下设置，每一像素单元具有分立的Micro-LED芯片800和第一晶体管900，Micro-LED芯片800和第一晶体管900设于双层布线承载基板600之上。TFT背板700上表面对应每一像素单元设有TFT单元701。
Micro-LED芯片800设置有表面出光层1、第一半导体层2、多量子阱层3、第二半导体层4、绝缘层5、第一电极6、第二电极7。表面出光层1为Micro-LED芯片的外延缓冲层或者外延衬底层。
第一晶体管900设置有晶体管衬底11、GaN层12、AlGaN层13、AlN间隔层14、AlGaN阻隔层15。习知的，第一晶体管900设有第一源极、第一漏极和第一栅极，双层布线承载基板600设置有第一电极焊盘8，第二电极焊盘9，源极焊盘17、栅极焊盘18、漏极焊盘19，各焊盘与第一电极6、第二电极7、第一源极、第一栅极、第一漏极一一对应的通过凸点10焊接相连。双层布线承载基板600上还设有导电过孔20。栅极焊盘18设于导电过孔20上并实现电性连接。
TFT背板700设置有第二晶体管结构和电容结构，具体包括：玻璃背板21、透明介质22、第二栅极23、半导体沟道层24、第二源极25、第二漏极26、TFT绝缘层27、存储电容28、透明介质29、透明电极30，第二漏极26与透明电极30电导通，所述透明电极30通过导电过孔20与第一晶体管900实现电导通。
图1为像素单元的平面示意图，设置有VDD布线31，GND布线32，Micro-LED芯片800，第一晶体管900，导电过孔20；每个Micro-LED芯片800的P电极(第一电极6、第二电极7之一)通过焊盘与VDD布线31导通，Micro-LED芯片的N电极(第一电极6、第二电极7另一)焊盘与第一晶体管800的源极焊盘17直接电导通，第一晶体管800的第一栅极通过栅极焊盘18及导电过孔20与TFT背板700的透明电极30实现电导通，从而实现第一栅极与第二漏极的连接。第一晶体管的第一漏极与双层布线承载基板600的GND布线32(接地端)导通；
所述Micro-LED芯片800、第一晶体管900均为分立器件，倒装焊接在各自焊盘上。这里所述的分立，是指两者各自独立，一个器件的替换对另外一个器件的存在不产生影响。
TFT背板700的边缘设置有TFT背板接地端，该TFT背板接地端与与双层布线承载基板600的GND布线通过外接导线相连接。所述外接导线为柔性电路板。
双层布线承载基板600不透光。具体材质为多层玻纤覆铜电路板，或者柔性电路板，或者陶瓷基覆铜电路板，或者硅片。避免Micro-LED芯片800发出的光子照射TFT单元701产生光生载流子，避免了暗电流，提高了可靠性。
参考图4，本实施例通过将驱动架构分拆为两部分，即双层布线承载基板上的LED和T2(第一晶体管)，以及TFT背板上(图1虚线框中部分)的T1和电容C。采用TFT和分立的第一晶体管实现混合驱动，TFT负责选通所需驱动的像素单元，分立的第一晶体管负责对所需驱动的像素单元进行供电。发挥TFT基板的大面积生产优势，规避了TFT的特性漂移问题。既保持了驱动架构的完整性，又能够发挥分立的第一晶体管的大电流、可灵活替换的特性，规避传统纯TFT背板中T2输出电流有限的问题。
显示装置中，像素单元排布成阵列实现显示。显示装置中，存在分别发出绿、绿、蓝三种不同波长可见光的Micro-LED芯片800，根据Micro-LED芯片800的发光波长不同，相应地有红、绿、蓝三种不同像素单元。
优选的，蓝光Micro-LED芯片发出467nm附近的蓝光，绿光Micro-LED芯片发出532nm附近绿光，绿光Micro-LED芯片发出625nm附近的红光。
对蓝光和绿光Micro-LED芯片而言，第一半导体层11中包含有一层为n型掺杂的GaN，第一半导体层11中还包含有缓冲层，多量子阱发光层3由化学通式为AlxInyGazN(其中，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)的两种组分不同、厚度在纳米级的半导体层交替堆叠而成，第二半导体层4中包含有一层为p型掺杂的GaN，第二半导体层4中含包含有电子阻挡层。对红光Micro-LED芯片而言，多量子阱发光层3由化学通式为AlxGayInzP(其中，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)的两种组分不同、厚度在纳米级的半导体层交替堆叠而成。
所述凸点10的材质为钛、铝、金、镍、银等金属中的任意一种或多种。所述TFT背板的玻璃背板21采用透明材料，可为玻璃、蓝宝石、碳化硅等材料中的任意一种。所述透明电极层30的材质为掺锡氧化铟。
实施例二
参考图2，本实施例中，第一晶体管为HEMT晶体管，设置有晶体管衬底11、GaN层12、AlGaN层13、AlN间隔层14、AlGaN阻隔层15。所述AlGaN层13中的Al和Ga元素中Al含量为15％，Ga含量为85％；所述AlGaN阻隔层14中Al含量为30％，Ga含量为70％。
其余与实施例1相同。
实施例三
参考图5，本实施例中，像素单元100、像素单元200和像素单元300可分别为蓝光像素单元、绿光像素单元和红光像素单元。在显示装置的像素阵列中，每个第一晶体管900的外侧壁都包覆遮光封装基质37，从而对第一晶体管900进行遮光，避免Micro-LED芯片800发出的光子照射第一晶体管900产生光生载流子，避免了暗电流，提高了可靠性。
其余与实施例一相同。
实施例四
如图6所示，显示装置的Micro-LED芯片800均为蓝光Micro-LED芯片。通过荧光转换的方式获得红光像素单元和绿光像素单元。
在Micro-LED芯片的表面出光层上直接刻蚀出凹坑，随后增镀金属反光层35，在凹坑内设置透明基质36，得到蓝光像素单元100。
进一步，对于绿和红光的像素单元，在凹坑内分别设置绿光荧光转换层38(包含透明基质和绿色荧光材料)、红光荧光转换层39(包含透明基质和红色荧光材料)，得到绿光像素单元200、红光像素单元300；
其余与实施例三相同。
实施例五
如图7，在Micro-LED芯片的表面出光层上直接刻蚀出凹坑，随后增镀金属反光层35，在凹坑内设置透明基质36，得到蓝光像素单元100、绿光像素单元200、红光像素单元300。
其余与实施例三相同。
实施例六
如图8，双层布线承载基板600上表面，除了Micro-LED芯片800顶面对应的区域，其他区域均被遮光封装基质37覆盖。形成连贯的遮光封装基质37。即封装基质37除了覆盖第一晶体管900的表面以外，还一体覆盖双层布线承载基板600裸露的上表面以及Micro-LED芯片800顶面区域之外的表面，提高了显示装置的对比度，实现了对Micro-LED芯片的防水防蚀保护，提高了可靠性。
其余与实施例三相同。
实施例七
如图9，在实施例6的基础上，遮光封装基质37在Micro-LED芯片800顶面对应的位置形成凹槽。
对于蓝光像素单元，在Micro-LED芯片的凹槽内设置透明基质36，得到蓝光像素单元100。对于绿光和红光的像素单元，在凹坑内分别设置绿光荧光转换层38(包含透明基质和绿色荧光材料)、红光荧光转换层39(包含透明基质和红色荧光材料)，得到绿光像素单元200、红光像素单元300。
其余与实施例六相同。
实施例八
如图10，双层布线承载基板600采用透明基板，材质为玻璃。
Micro-LED芯片800先采用透明胶层810包覆所有侧壁，再在双层布线承载基板600整面覆盖反光封装层820，Micro-LED芯片800发出的光线从透明的双层布线承载基板600下表面方向出射。
Micro-LED芯片800均采用蓝光Micro-LED芯片。
TFT背板700上相邻TFT单元701之间设置荧光材料区，所述荧光材料区包含围坝830，围坝830形成一个凹槽，所述凹槽内填充荧光转换材料。对于蓝光像素单元，在Micro-LED芯片的凹槽内设置透明基质840，得到蓝光像素单元。对于绿光和红光的像素单元，在凹槽内分别设置绿光荧光转换层841(包含透明基质和绿色荧光材料)、红光荧光转换层842(包含透明基质和红色荧光材料)，分别得到绿光像素单元、红光像素单元。
在TFT背板700上表面与双层布线承载基板600下表面之间填充透明粘合层850。
Micro-LED芯片800发出的光线，依次穿过透明的双层布线承载基板600、透明粘合层850、透明基质840(或者绿光荧光转换层841，或者红光荧光转换层842)、玻璃背板21，从玻璃背板21下方出射。
其余与实施例一相同。
该技术方案的显著优势在于，可以使用量子荧光材料。量子点是实现高色域显示的理想的荧光转换材料，但是其致命的缺点在于必须进行隔绝水氧的封装保护，一旦空气中的水氧从保护层渗透进入接触到量子点，量子点就会迅速发生荧光猝灭，无法发光。常规的聚合物包覆，都无法彻底隔绝空气中的水氧渗透，都会造成一定程度的水氧渗透。玻璃是全无机材料，是最为理想的水氧阻隔材料。绿光荧光转换层841、红光荧光转换层842被密封在双层布线承载基板600和玻璃背板21之间，实现了最佳的隔水隔氧密封，同时能够借助玻璃背板21对绿光荧光转换层841、红光荧光转换层842进行散热。实现了高可靠性的量子点荧光转换Micro-LED显示。
所述绿色荧光材料为InP量子点、CdSe量子点、CdSe/ZnS核壳结构量子点、钙钛矿结构CsPbX3(X＝Cl，Br，I)量子点中的任意一种；Eu2+掺杂β-Sialon、Eu2+掺杂Li2CaSiO4中的任意一种；或者上述各种中任意两种的组合，或者任意三种的组合。
所述红色荧光材料为稀土离子Eu2+掺杂CaAlSiN3、Eu2+掺杂Ca0.8Li0.2Al0.8Si1.2N3、Eu2+掺杂(Ca，Sr，Ba)2Si5N8:Eu2+中的任意一种；InP量子点、CdSe量子点、CdSe/ZnS核壳结构量子点、钙钛矿结构CsPbX3(X＝Cl，Br，I)量子点中的任意一种；Mn4+掺杂K2SiF6荧光粉、Mn4+掺杂K2GeF6荧光粉、Mn4+掺杂K2TiF6荧光粉中的任意一种；Pr3+掺杂YAG荧光粉；或者上述各种中任意两种的组合，或者任意三种的组合。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种高亮度高可靠性的Micro-LED显示装置，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)
1.一种高亮度高可靠性的Micro-LED显示装置，通过阵列式排布的若干像素单元实现显示，其特征在于：包括上下设置的双层布线承载基板和TFT背板，每一像素单元具有分立的Micro-LED芯片和第一晶体管，Micro-LED芯片和第一晶体管设于双层布线承载基板之上，且Micro-LED芯片的电极和第一晶体管的电极分别焊接于双层布线承载基板上；TFT背板上表面对应每一像素单元设有TFT单元；双层布线承载基板对应每一像素单元设有导电过孔，每一TFT单元与对应像素单元的第一晶体管通过所述导电过孔电连接；所述TFT单元用于选通对应的像素单元，所述第一晶体管用于为对应的像素单元内Micro-LED芯片进行供电。
2.根据权利要求1所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述双层布线承载基板设有VDD布线和GND布线；所述Micro-LED芯片具有第一电极和第二电极，所述第一晶体管具有第一源极、第一漏极和第一栅极；所述第一电极与VDD布线电导通，所述第二电极与第一源极电导通，所述第一栅极与所述TFT单元电导通，所述第一漏极与GND布线电导通。
3.根据权利要求2所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述双层布线承载基板上表面设有第一电极焊盘，第二电极焊盘，源极焊盘、栅极焊盘和漏极焊盘；所述Micro-LED芯片和第一晶体管倒装设于所述双层布线承载基板上面，且所述第一电极、第二电极、第一源极、第一漏极和第一栅极与所述第一电极焊盘、第二电极焊盘、源极焊盘、栅极焊盘和漏极焊盘一一对应地焊接，所述栅极焊盘与所述导电过孔电导通。
4.根据权利要求2所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述TFT单元包括第二晶体管结构和电容结构，所述第二晶体管结构包括第二源极、第二漏极和第二栅极，所述第二漏极通过所述导电过孔与所述第一栅极电连接；所述电容结构并联于所述第一栅极和第一漏极之间；所述TFT背板设有接地端，所述接地端与所述GND布线导通。
5.根据权利要求1所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述双层布线承载基板不透明。
6.根据权利要求1所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述第一晶体管的顶面及侧壁表面包覆有遮光封装基质。
7.根据权利要求1所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述Micro-LED芯片的上表面之外的表面、所述双层布线承载基板上表面和所述第一晶体管表面一体包覆有遮光封装基质。
8.根据权利要求1所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述Micro-LED芯片包括红光Micro-LED芯片、绿光Micro-LED芯片和蓝光Micro-LED芯片，对应的像素单元为红光像素单元、绿光像素单元和蓝光像素单元。
9.根据权利要求7所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述Micro-LED芯片均为蓝光Micro-LED芯片，部分蓝光Micro-LED芯片形成蓝光像素单元，另外部分蓝光Micro-LED芯片通过设置荧光转换层形成红光像素单元和绿光像素单元，所述遮光封装基质在蓝光Micro-LED芯片对应位置设置有凹槽，所述荧光转换层设置在所述凹槽内。
10.根据权利要求1所述的Micro-LED显示装置，其特征在于：所述Micro-LED芯片发出的光线向下出射，荧光转换层设于所述TFT背板的TFT单元之间，并与所述Micro-LED芯片垂直对准，所述双层布线承载基板和TFT背板均为透光材料，且双层布线承载基板和TFT背板之间填充透明粘合层。
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