CN115775857A - 一种高PPI Micro LED器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高PPI Micro LED器件及其制造方法，具有依次设置的：含CMOS驱动连接电极的晶圆、晶圆表面的像素阳极、位于像素阳极上表面的发光单元、封装层、色转换层、滤光层、透明保护层，为制备大规模地制备高分辨率器件提供了一种经济、实用的解决方案，特别是微显示应用的全彩色Micro‑LED器件。
Description
技术领域
本发明属于LED器件技术领域，尤其涉及一种高PPI Micro LED器件及其制造方法。
背景技术
Micro LED显示技术是一种新型自发光显示技术，具有对比度高、响应快、色域宽、功耗低及寿命长等优点，可以满足高级显示应用的个性化需求。目前，Micro LED采用单片集成或者巨量转移技术。巨量转移过程中的转移速率和良率低，难以实现Micro LED产业化。单片集成凭借自身制备简易、转移速率和良率高等优点成为当前全彩化的首选方案。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
单片集成全彩显示，是利用GaN基蓝光LED或者UV，激发量子点(quantum dots，QDs)或荧光粉等颜色转换介质，并以引线键合或者倒装芯片封装实现显示基板与驱动基板的电气互联，从而获得单片全彩显示器件。其中量子点(QDs)凭借其发光光谱可调、激发光谱宽、半宽峰窄、荧光效率高等特点备受关注。但是，目前量子点通过喷墨打印或者光刻方法制备的Micro LED显示分辨率不高以及量子点膜容易脱落等缺点，仍需要进一步探索和开发。
US20170254934A1通过旋涂等方法在透明基板上形成单色的量子点层，然后在量子点层上形成像素化的光刻胶层，接着将暴露出的量子点层部分通过刻蚀的方法去除掉，来达到图案化的目的。2020年，香港科技大学采用Si基蓝光μLED，结合光刻工艺实现量子点像素化，最终制备出有源选址驱动的单片全彩显示样机[1]。然而这些像素没有达到高PPI的设备需求，主要是因为黑色光栅(black matrix，BM)以及量子点(QDs)没有达到需求，或者达到材料达到高PPI标准，但是在制备过程中会有膜层脱落等现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种为制备大规模地制备高分辨率器件提供了一种经济、实用的解决方案，特别是微显示应用的全彩色Micro-LED器件的高PPI MicroLED器件及其制造方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高PPI Micro LED器件，具有依次设置的：
含CMOS驱动连接电极的晶圆、晶圆表面的像素阳极、位于像素阳极上表面的发光单元、封装层、色转换层、滤光层、透明保护层。
所述发光单元为LED，由下到上依次为P-GaN层、MQW层、N-GaN层；所述P-GaN、MQW、N-GaN形成顶层窄、底层宽的倒梯形结构。
所述像素阳极包括ITO/Cr/Al/Cr/Pt/Au、ITO/Cr/Pt/Au、ITO/Al或ITO/Al/Au。
绝缘钝化层由透明而不导电的材料制成，包括SiO、SiN、SiON或其组合物。
色转换层中的BM光刻胶表面进一步有金属溅射在表面，金属包括Au、Ag或Al。
量子点表层上DBR层是由透明而不导电的材料制成，材料包括Al2O3、SiO2、SiO2或Al2O3。
上述的高PPI Micro LED器件的制造方法，包括如下步骤：
1)提供包含CMOS驱动电路的硅晶圆，其包含通孔；
2)对硅晶圆的表面进行清洁处理后沉积第一金属层，形成第一阳极层；
3)通过光刻工艺在通孔位置形成第一阳极；
4)提供LED外延片，所述LED外延片由下向上依次为衬底、外延层；
5)对LED外延片表面进行清洁后在表面沉积第一金属层，形成第二阳极层；
6)采用光刻加刻蚀工艺使得第二阳极层与外延层共同构成抛物面结构，其中第二阳极层隔离后形成第二阳极；
7)在经过步骤6)后的外延片表面沉积300nm厚的SiO2绝缘钝化层，所述绝缘钝化层位于外延层与第二阳极侧面；
8)将硅晶圆上的第一阳极与LED外延片上的第二阳极进行对准对位；
9)在250℃下施加250KN压力使得第一阳极电极与第二阳极电极发生键合反应；
10)采用激光剥离作用于N-GaN的方法将衬底进行剥离去除；
11)采用溅射工艺在AA区的所有发光单元的N-GaN层表面以及平坦化光阻表面形成1000nm透明导电共阴极ITO；
12)表面涂布OC胶水层，作为封装层；
13)在封装层表面涂布BM光刻胶，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
14)在BM光刻胶两侧壁表面溅射第二金属层；
15)在封装层表面上，依次涂布蓝色量子点光刻胶、红色量子点光刻胶、绿色量子点光刻胶，再分别对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
16)在BM光刻胶层和红、绿、蓝量子点层表面上，蒸镀DBR层；
17)在DBR层表面涂布BM光刻胶，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
18)在BM光刻胶和DBR层表面，依次涂布彩色光刻胶，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域，形成滤光层；
19)在滤光层涂布OC胶水层，然后贴合基板，形成透明保护层，完成封装。
所述第一金属层为Cr-Al-Cr-Pt-Au，厚度分别为5nm-100nm-5nm-20nm-300nm。
所述外延层包括N-GaN层、MQW层、P-GaN层。
所述彩色光刻胶包括红色量子点层、绿色量子点层、蓝色介质层。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，为制备大规模地制备高分辨率器件提供了一种经济、实用的解决方案，特别是微显示应用的全彩色Micro-LED器件。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图2为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图3为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图4为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图5为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图6为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图7为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图8为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图9为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图10为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图11为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图12为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图13为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图14为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图15为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图16为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
图17为高PPI Micro LED器件的制造方法结构示意图；
上述图中的标记均为：1、衬底，2、外延片，3、第一金属层，4、硅晶圆，5、通孔，6、封装层(OC胶水层)，7、BM光刻胶，8、第二金属层，901、蓝色量子点光刻胶，902、红色量子点光刻胶，903、绿色量子点光刻胶，10、DBR层，1101、彩色光刻胶(滤光层)，12、基板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-17，Micro LED显示技术是一种新型自发光显示技术，具有自发光、高效率、低功耗、高集成度、高稳定性等诸多优点，且体积小、灵活性高、易于拆解与合并，能够应用于现有从小尺寸到大尺寸的任何显示应用场合中。且在很多应用场景下，Micro LED显示比液晶显示(LCD)和有机发光二极管显示(OLED)能发挥出更优异的显示效果。Micro LED显示技术的核心是微米级LED发光器件(μLED)。目前在高PPI分辨率的微显示应用中，MicroLED器件的尺寸需减小到10μm以内。
Micro LED采用单片集成或者巨量转移技术。利用R、G、B三色μLED实现全彩显示，需转移巨量的三种不同μLED器件到同一驱动基板。巨量转移过程中的低转移速率和良率，难以实现Micro LED产业化。此外，RGBμLED的光电特性不同，在运行过程中需要复杂的驱动电路来维持显色指数。因此，对于高PPI、高亮度的全彩显示应用来说，采用单片集成全彩显示技术成为首选方案。单片集成全彩显示，是利用GaN基蓝光LED器件，激发量子点(QDs)或荧光粉等颜色转换媒介，并以引线键合或者倒装芯片封装实现显示基板与驱动基板的电气互联，从而获得单片全彩显示器件。
量子点材料作为一种新型无机半导体纳米晶，具有发射光谱可调、宽激发光谱、窄半峰宽、光稳定性好、荧光产率高等优点。基于量子点材料优越的光致发光特性，将其作为光转换层材料，替代传统荧光粉，具有诸多优势。
本发明的一种高PPI Micro LED微显示发光器件，结构依次包括①含CMOS驱动连接电极的晶圆；②晶圆表面的像素阳极；③位于像素阳极上表面的发光单元，其中发光单元为LED，由下到上依次为P-GaN层、MQW层、N-GaN层；P-GaN、MQW、N-GaN形成顶层窄、底层宽的倒梯形结构；④封装层；⑤色转换层，主要由绿色量子点层和红色量子点层组成；⑥滤光层，由彩色(RGB)光刻胶组成；⑦透明保护层。
阳极结构为ITO/Cr/Al/Cr/Pt/Au；ITO/Cr/Pt/Au；ITO/Al；ITO/Al/Au等结构。
绝缘钝化层是由透明而不导电的材料制成，如SiO、SiN、SiON或其组合物。
色转换层中的BM表面进一步有金属溅射在表面。如Au、Ag、Al等金属。
量子点表层上DBR层是由透明而不导电的材料制成，如Al2O3、SiO2、SiO2和Al2O3等结构。
1.利用单质集成技术来制备单色micro led，其外延结构为倒梯形(上窄下宽)来提高外量子效率，再利用量子点层作为色转层来进一步提高色域。
2.黑色光栅(BM)两侧外壁镀金属，一是固定BM，防止BM在后续的光刻过程中部分脱落，从而导致漏光、串光，造成全彩器件的失败；二是漫反射光，镀金属要求一定的粗糙度，当未被量子点吸收转换的蓝光接触到BM外壁的金属层时可以发生漫反射，从而进一步提高QD对光的吸收利用，提高QD的外量子效率；三是保护量子点，减少量子点在后续的光刻过程中因遭受反复的烘烤而导致外量子效率下降的可能；四是避免贴合风险，采用整体光刻流程，避免在基板上制备量子点色转层而部分脱落的风险，以及避免了l量子点光刻胶(QD photoresists,QD-PR)与单色micro led贴合时因设备对位精度不够而导致贴合错位的风险。
3.在黑色光栅(BM)和量子点光刻胶(QD-PR)上层制备DBR层，分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflection，DBR)由(SiO2和Al2O3交替形成，层数固定)，其主要作用是选择性地透过光，当未被量子点吸收转换的蓝光接触到DBR层会反射回去，而绿光和红层直接透过该层，进一步提高器件的外量子效率。
4.黑色光栅(BM)两侧外壁金属和量子点光刻胶(QD-PR)上层制备的DBR层，两者形成一个类高分布式布拉格反射镜(High distributed Bragg reflection，HBR)层，达到一种协同作用，进一步提高器件的外量子效率。
一种高PPI micro LED器件制造方法，包括以下步骤：
S1、提供一包含CMOS驱动电路的硅晶圆4，其包含通孔5；
S2、对硅晶圆4的表面进行清洁处理后沉积第一金属层3(Cr/Al/Cr/Pt/Au，厚度分别为5nm/100nm/5nm/20nm/300nm)，形成第一阳极层；
S3、通过光刻工艺在通孔5位置形成第一阳极；
S4、提供一LED外延片，所述LED外延片由下向上依次为衬底1、外延层2(包括N-GaN层、MQW层、P-GaN层)；
S5、对LED外延片表面进行清洁后在表面沉积第一金属层3(Cr/Al/Cr/Pt/Au，厚度分别为5nm/100nm/5nm/20nm/300nm)，形成第二阳极层；
S6、采用光刻加刻蚀工艺使得第二阳极层与外延层共同构成抛物面结构，其中第二阳极层隔离后形成第二阳极；
S7、采用CVD、光刻、刻蚀等工艺在经过S6步骤后的外延片表面沉积300nm厚的SiO2绝缘钝化层，所述绝缘钝化层位于外延层与第二阳极侧面；
S8、将硅晶圆4上的第一阳极与LED外延片上的第二阳极进行对准对位；
S9，在250℃下施加250KN压力使得第一阳极电极与第二阳极电极发生键合反应，如图5所示；
S10、采用激光剥离作用于N-GaN的方法将衬底1进行剥离去除，如图6所示；
S11、采用溅射工艺在AA区(Active Area，在本案中可表述为发光区)的所有发光单元的N-GaN层表面以及平坦化光阻表面形成1000nm透明导电共阴极ITO；
S12、表面涂布OC胶水层6，作为封装层保护LED发光层；
S13、在封装层表面涂布BM光刻胶7，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
S14、在BM光刻胶两侧壁表面溅射第二金属层8，50-100nm金属(Au、Ag、Al等)，要求一定的粗糙度；
S15、在封装层-OC胶水层6表面上，依次涂布蓝色量子点光刻胶901、红色量子点光刻胶902、绿色量子点光刻胶903，再分别对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
S16、在BM光刻胶层7和红、绿、蓝量子点层表面上，蒸镀DBR层10(厚度：50-100nm，组成：Al2O3 or SiO2 or Al2O3/SiO2)；
S17、在DBR层表面涂布BM光刻胶7，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
S18、在BM光刻胶7和DBR层10表面，依次涂布彩色(RGB)光刻胶1101，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域。注意：彩胶R、G、B分别对应红色量子点层、绿色量子点层、蓝色介质层；
S19、在滤光层(由彩色RGB光刻胶组成)表面，涂布OC胶水层7，然后贴合基板12(Glass or柔性材料)，形成透明保护层，完成封装。
采用上述的方案后，具有以下优点：
1.蓝色单片微LED阵列，着重强调键合方式。
2.由光刻工艺形成的颜色转换层和滤光层，着重强度光刻的工艺步骤顺序，对光串扰影响巨大。
3.防止光串扰的黑色光栅BM在光刻过程不可缺少。
4.黑色光栅(BM)两侧外壁镀金属，对量子点彩膜的效率提升以及解决量子点层之间的光串扰问题中发挥巨大作用。
5.在色转层和BM上层制备DBR层，对于量子点膜层的光效率有重大影响，同时和黑色光栅(BM)两侧外壁金属形成一个类HBR层，达到一种协同作用，进一步提高器件的外量子效率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种高PPI Micro LED器件，其特征在于，具有依次设置的：
含CMOS驱动连接电极的晶圆、晶圆表面的像素阳极、位于像素阳极上表面的发光单元、封装层、色转换层、滤光层、透明保护层。
2.如权利要求1所述的高PPI Micro LED器件，其特征在于，所述发光单元为LED，由下到上依次为P-GaN层、MQW层、N-GaN层；所述P-GaN、MQW、N-GaN形成顶层窄、底层宽的倒梯形结构。
3.如权利要求2所述的高PPI Micro LED器件，其特征在于，所述像素阳极包括ITO/Cr/Al/Cr/Pt/Au、ITO/Cr/Pt/Au、ITO/Al或ITO/Al/Au。
4.如权利要求3所述的高PPI Micro LED器件，其特征在于，绝缘钝化层由透明而不导电的材料制成，包括SiO、SiN、SiON或其组合物。
5.如权利要求4所述的高PPI Micro LED器件，其特征在于，色转换层中的BM光刻胶表面进一步有金属溅射在表面，金属包括Au、Ag或Al。
6.如权利要求5所述的高PPI Micro LED器件，其特征在于，量子点表层上DBR层是由透明而不导电的材料制成，材料包括Al2O3、SiO2、SiO2或Al2O3。
7.如权利要求1-5任一所述的高PPI Micro LED器件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提供包含CMOS驱动电路的硅晶圆，其包含通孔；
2)对硅晶圆的表面进行清洁处理后沉积第一金属层，形成第一阳极层；
3)通过光刻工艺在通孔位置形成第一阳极；
4)提供LED外延片，所述LED外延片由下向上依次为衬底、外延层；
5)对LED外延片表面进行清洁后在表面沉积第一金属层，形成第二阳极层；
6)采用光刻加刻蚀工艺使得第二阳极层与外延层共同构成抛物面结构，其中第二阳极层隔离后形成第二阳极；
7)在经过步骤6)后的外延片表面沉积300nm厚的SiO2绝缘钝化层，所述绝缘钝化层位于外延层与第二阳极侧面；
8)将硅晶圆上的第一阳极与LED外延片上的第二阳极进行对准对位；
9)在250℃下施加250KN压力使得第一阳极电极与第二阳极电极发生键合反应；
10)采用激光剥离作用于N-GaN的方法将衬底进行剥离去除；
11)采用溅射工艺在发光区的所有发光单元的N-GaN层表面以及平坦化光阻表面形成1000nm透明导电共阴极ITO；
12)表面涂布OC胶水层，作为封装层；
13)在封装层表面涂布BM光刻胶，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
14)在BM光刻胶两侧壁表面溅射第二金属层；
15)在封装层表面上，依次涂布蓝色量子点光刻胶、红色量子点光刻胶、绿色量子点光刻胶，再分别对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
16)在BM光刻胶层和红、绿、蓝量子点层表面上，蒸镀DBR层；
17)在DBR层表面涂布BM光刻胶，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域；
18)在BM光刻胶和DBR层表面，依次涂布彩色光刻胶，对其进行曝光、显影、图形化后保留光刻胶覆盖的区域，形成滤光层；
19)在滤光层涂布OC胶水层，然后贴合基板，形成透明保护层，完成封装。
8.如权利要求1所述的高PPI Micro LED器件的制造方法，其特征在于，所述第一金属层为Cr-Al-Cr-Pt-Au，厚度分别为5nm-100nm-5nm-20nm-300nm。
9.如权利要求1所述的高PPI Micro LED器件的制造方法，其特征在于，所述外延层包括N-GaN层、MQW层、P-GaN层。
10.如权利要求1所述的高PPI Micro LED器件的制造方法，其特征在于，所述彩色光刻胶包括红色量子点层、绿色量子点层、蓝色介质层。
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| CN116344686A (zh) * | 2023-05-31 | 2023-06-27 | 季华实验室 | 全彩化显示面板的制备方法、显示面板以及显示装置 |
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2022
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