微发光二极管阵列与其制造方法与流程

[0001]
本发明是有关于一种微发光二极管阵列显示器与其制造方法。


背景技术：

[0002]
微发光二极管(microled)，也称为「mled」或「μled」，是一种新兴的平板显示技术。微发光二极管显示器由形成个别像素的微发光二极管管阵列组成。与广泛使用的液晶显示(lcd)技术相比，微发光二极管显示器可提供更好的对比度、反应时间，以及能源效率。
[0003]
与传统lcd系统相比，有机发光二极管(oled)和微发光二极管都能大大降低能耗。与oled不同，微发光二极管基于传统的氮化镓(gan)发光二极管技术，其提供比oled产品高得多的总亮度，高达30倍，以及更高效率(lux/w)。
[0004]
一般led的晶粒尺寸介于200至300微米(micrometer,μm)，次毫米发光二极管(mini led)的晶粒尺寸约介于50至100微米，而微发光二极管(micro led)则是约15微米。
[0005]
在微发光二极管显示器的生产过程中，必须将厚度约4～5μm磊晶层用物理或化学机制剥离(lift-off)，移植至电路基板上。目前μled最大的生产挑战就在于如何把巨量的微米等级的磊晶层，通过高准度的装置，将之布置在目标基板或者电路上，而此程序被称为巨量转移(mass transfer)。
[0006]
以一个4k电视为例，需要转移的晶粒就高达2400万颗，即使一次转移1万颗，也需要重复2400次。巨量转移的良率与效率具备很高的技术难度，因此目前业界正积极研究突破之道。


技术实现要素：

[0007]
本发明是有关于一种微发光二极管阵列与其制造方法。
[0008]
根据本发明一实施例，一种微发光二极管阵列，包含基板、多个磊晶层、多个第一薄膜转换层，以及多个第二薄膜转换层。该多个磊晶层位于该基板上，用以发出第一颜色的光。该多个第一薄膜转换层分别形成在该些磊晶层的多个第一上表面上。该多个第二薄膜转换层分别形成在该些磊晶层的多个第二上表面上。其中，每个薄膜转换层包含一种或多种发光材料以及基体。每个该发光材料可吸收该第一颜色的光后再重新发出另一种颜色的光。该基体可消除该一种或多种发光材料形成薄膜后的晶粒边界及光散射。
[0009]
较佳地，其中每个该磊晶层定义一个像素，其尺寸≦15μm。
[0010]
较佳地，更包含多个第三薄膜转换层分别形成在该些磊晶层的多个第三上表面上。
[0011]
较佳地，其中该一种或多种发光材料包含非稀土元素的有机染料，该基体使该有机染料保有在溶液态时的极性，进一步保留其吸收及放光波长。
[0012]
较佳地，其中该有机染料包含c545t或dcjtb。
[0013]
较佳地，其中该基体包含高分子聚合物。
[0014]
较佳地，其中该高分子聚合物包含聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，
pvp)、环氧树脂(epoxy)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，pmma)，或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)。
[0015]
根据本发明另一实施例，一种微发光二极管阵列的制造方法，包含下列步骤：提供基板；形成多个磊晶层在该基板的表面上，每个该磊晶层可发出第一颜色的光；形成多个第一薄膜转换层在该些磊晶层的多个第一上表面上；以及形成多个第二薄膜转换层在该些磊晶层的多个第二上表面上；其中，形成该多个第一薄膜转换层以及该多个第二薄膜转换层的方法，包含：将一种或多种有机染料以及基体溶于溶剂中，以制备成发光溶液；将该发光溶液形成于该第一上表面或第二上表面上；使该溶剂自该发光溶液中移除，以形成该第一薄膜转换层或该第二薄膜转换层；其中，每个有机染料可吸收该第一颜色的光后再重新发出另一种颜色的光，该基体消除该一种或多种有机染料形成该第一薄膜转换层或该第二薄膜转换层后的晶粒边界及光散射。
[0016]
较佳地，其中每个该磊晶层定义一个像素，其尺寸≦15μm。
[0017]
较佳地，其中该基体包含成膜性高分子聚合物。
[0018]
较佳地，其中该溶剂包含乙醇、氯仿、二氯甲烷，以及其他可以溶解该一种或多种有机染料及该高成膜性高分子聚合物的溶剂。
[0019]
较佳地，其中该有机染料为非稀土元素。
[0020]
较佳地，其中将该发光溶液形成于该该第一上表面或第二上表面上的方法包含旋转涂布、浸渍涂布、喷墨印刷、网版印刷，或刮刀涂布。
[0021]
本发明可克服微发光二极管(micro-led)阵列在传统制造过程中巨量转移的难题。传统制造过程中，晶粒在转移过程中可能会损毁，以及转移后的对位必须精准。如果转移良率无法接近100％，则显示器上会产生暗斑或缺陷，以至浪费整个显示面板。
[0022]
本发明的薄膜转换层为连续膜、不具有晶粒边界。相较之下，传统量子点萤光膜可明显观察到涂布不均匀及具有晶粒边界，这会造成(蓝)光激发萤光材料后产生内吸收损耗及光色散的问题，进而导致整体发光效率不高。根据本发明提供的微发光二极管阵列与其制法，不需要巨量转移，可大幅提升良率，并省下大量的时间。此外，本发明的薄膜转换层可配合传统微影制程(lithography)加以图案化来定义像素，像素尺寸可以小于10μm。另外在亮度、驱动功率及ppi(每英吋像素)都比oled更具有优势。
附图说明
[0023]
图1a至1f为示意图，显示根据本发明一实施例微发光二极管阵列的制法。
[0024]
图2a和图2b为根据本发明一实施例薄膜转换层以及磊晶层激发光的光谱图。
[0025]
图3a和图3b为根据本发明另一实施例薄膜转换层以及磊晶层激发光的光谱图。
[0026]
图4为根据本发明另一实施例微发光二极管阵列的示意图。
[0027]
图5为根据本发明另一实施例微发光二极管阵列的制造方法的流程图。
[0028]
图6a为根据本发明实施例薄膜转换层的剖视扫描电子显微镜图。
[0029]
图6b为根据本发明实施例薄膜转换层的俯视扫描电子显微镜图。
[0030]
【主要元件符号说明】
[0031]
10 基板
[0032]
11 磊晶层
[0033]
11a 第一上表面
[0034]
11b 第二上表面
[0035]
11c 第三上表面
[0036]
12 第一遮罩
[0037]
12a 开口
[0038]
13 第一薄膜转换层
[0039]
14 保护层
[0040]
15 第二遮罩
[0041]
15a 开口
[0042]
16 第二薄膜转换层
[0043]
17 第三薄膜转换层
[0044]
51 提供基板
[0045]
52 形成多个磊晶层在该基板的表面上，每个该磊晶层可发出第一颜色的光
[0046]
53 形成多个第一薄膜转换层在该些磊晶层的多个第一上表面上
[0047]
54 形成多个第二薄膜转换层在该些磊晶层的多个第二上表面上
具体实施方式
[0048]
以下将详述本案的各实施例，并配合图式作为例示。除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地实行在其他的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本案的范围内，并以专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部这些特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的程序步骤或元件并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。
[0049]
图1a至图1f为示意图，显示根据本发明一实施例的一种微发光二极管阵列的制造方法。
[0050]
参见图1a，提供基板10。基板10可包含，但不限于，蓝宝石基板、玻璃基板、硅基板、碳化硅基板、塑胶基板或其他半导体基板。可利用本领域熟知的正常程序清洁基板10。
[0051]
参见图1b，以磊晶程序，例如，有机金属气相沉积(mocvd)法，形成多个磊晶层11于基板10的上表面。可通过遮罩(未图示)，将这些磊晶层11形成在基板1预订形成像素的位置上。磊晶层11可发出第一颜色的光。
[0052]
参见图1c，定义有多个开口12a的第一遮罩12，被形成或设置于磊晶层11上，以选择性地暴露出磊晶层11的第一上表面11a。第一遮罩8可以是图案化(patterned)的光阻层，或者，也可以是其他的光阻材料，例如，二氧化硅(silicon dioxide)等。以图案化的光阻层为例，其可利用现有习知技术，例如光学微影(photolithography)或电子束微影(electron-beam lithography)形成。例如，先将光阻层涂布在磊晶层11上，借由曝光至适当光源，将图案转移至该光阻层，借此定义开口12a。
[0053]
在一实施例中，将s1813光阻涂布在磊晶层11上，接着以115℃进行软烤，时间3分钟。接着，将光阻进行曝光，时间18秒。接着，将基板10浸入显影剂mf-319中12秒，再浸入去离子水3至5秒。接着，将基板10干燥后，以125℃进行硬烤，时间为1分钟。接着，以反应式离
子蚀刻，设定功率(rf power)为100w、使用气体o2对光阻进行干蚀刻而形成开口12a。
[0054]
参见图1d，形成第一薄膜转换层13于磊晶层11的第一上表面11a上。如果第一遮罩12为光阻，可在形成第一薄膜转换层13后，再形成保护层14于第一薄膜转换层13上。保护层14可以是二氧化硅，可使用电子枪(e-gun)蒸镀系统蒸镀。接着，将第一遮罩12移除或利用反应离子蚀刻去除。
[0055]
参见图1e，定义有多个开口15a的第二遮罩15，被形成或设置于磊晶层11上，以选择性地暴露出磊晶层11的第二上表面11b。第二遮罩15可以是图案化(patterned)的光阻层，或者，也可以是其他的光阻材料，例如，二氧化硅等。以图案化的光阻层15为例，其可利用现有习知技术，例如光学微影或电子束微影形成。例如，先将光阻层涂布在磊晶层11上，借由曝光至适当光源，将图案转移至该光阻层，借此定义开口15a。
[0056]
在一实施例中，将s1813光阻涂布在磊晶层11上，接着以115℃进行软烤，时间3分钟。接着，将光阻进行曝光，时间18秒。接着，将基板10浸入显影剂mf-319中12秒，再浸入去离子水3至5秒。接着，将基板10干燥后，以125℃进行硬烤，时间为1分钟。接着，以反应式离子蚀刻，设定功率(rf power)为100w、使用气体o2对光阻进行干蚀刻而形成开口15a。
[0057]
参见图1f，形成第二薄膜转换层16于磊晶层11的第二上表面11b上。接着，将第二遮罩15移除或利用反应离子蚀刻去除。
[0058]
本发明的薄膜转换层，例如第一薄膜转换层13与第二薄膜转换层，其包含一种或多种发光材料以及基体。较佳的，薄膜转换层是以溶液法制成。首先，发光材料与基体被溶于溶剂中以形成发光溶液。接着发光溶液被形成于所需位置，例如第一上表面11a或第二上表面11b上。发光溶液干燥(移除溶剂)后即可形成第一薄膜转换层13于第一上表面11a或形成第二薄膜转换层16于第二上表面11b上，该基体可使得薄膜转换层中的发光材料维持在发光溶液中的发光特性，并且可消除该一种或多种发光材料形成薄膜后的晶粒边界及光散射。上述一种或多种发光材料为有机光致发光材料，其吸收第一颜色的光后重新发出另一种颜色的光。较佳地，发光材料为非稀土元素的有机染料。
[0059]
在一实施例，该基体为液态二氧化硅。在较佳实施例中，该基体包含成膜性高分子聚合物。在一实施例中，成膜性高分子聚合物包含聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，pvp)、环氧树脂(epoxy)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，pmma)，或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)。在一实施例中，该溶剂包含乙醇、氯仿、二氯甲烷，以及其他可以溶解该一种或多种有机染料及该高成膜性高分子聚合物的溶剂。在一实施例中，该有机染料与该高成膜性高分子聚合物的重量比例为1:200～1:20000。在一实施例中，将发光溶液形成于所需位置，例如第一上表面11a或第二上表面11b上的方法包含旋转涂布、浸渍涂布、喷墨印刷、网版印刷、或刮刀涂布等。在一实施例中，以旋转涂布将发光溶液形成于所需位置上，旋涂时间为10秒至3分钟。接着，使该溶剂自该发光溶液中移除，以形成薄膜转换层，例如第一薄膜转换层13或第二薄膜转换层16。移除溶剂的方法，可以为自然干燥，但不限定于此。当溶剂移除后，即形成第一薄膜转换层13或第二薄膜转换层16。
[0060]
在图1a至1f的实施例中，磊晶层11可发蓝色的光。第一薄膜转换层13吸收磊晶层11所发出的蓝色光后，再重新发出绿色光，而第二薄膜转换层16吸收磊晶层11所发出的蓝色光后，再重新发出红色光。本发明的实施方式，并不限定于此。
[0061]
以下例示一种制备第一薄膜转换层13的实施例。
[0062]
首先，将有机染料c545t溶于适当溶剂，在本实施例为乙醇。在其他实施例，也可使用其他可溶解c545t的溶剂。有机染料c545t的中文名称为10-(2-苯并噻唑基)-2,3,6,7-四氢-1,1,7,7-四甲基-1h,5h,11h-(1)苯并吡喃并吡喃并(6,7-；10-(2-苯并噻唑)-2,3,6,7-四氢基-1,1,7,7-四甲基-1h,5h,11h-[1]苯并吡喃基[6,7,8-ij]喹嗪-11-酮；英文名称为10-(2-benzothiazolyl)-2,3,6,7-tetrahydro-1,1,7,7-tetramethyl-1h,5h,11h-(1)benzopyropyrano(6,7-8-i,j)quinolizin-11-one。
[0063]
接着，将上述溶液搅拌30分钟至有机染料c545t溶解均匀，形成一种可发绿光的溶液。接着，将成膜性高的高分子聚合物，聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，pvp)溶于上述的溶液中。
[0064]
接着，将烤盘加热至60度c。以烤盘加热上述溶液，并将上述溶液搅拌30分钟至成膜性高分子聚合物pvp溶解均匀。
[0065]
接着，将上述可发绿光的发光溶液旋涂在所需位置，例如第一上表面11a上，以500rpm至9000rpm转速进行，时间10秒。
[0066]
接着，将基板10放置于大气下，溶剂由发光溶液中挥发后，即可慢慢干燥成膜，形成可发绿光的第一薄膜转换层13。最后，可在第一薄膜转换层13的表面旋涂上保护层14。
[0067]
以下例示一种制备第二薄膜转换层16的实施例。
[0068]
首先，将有机染料dcjtb溶于适当溶剂，在本实施例为二氯甲烷。在其他实施例，也可使用其他可溶解dcjtb的溶剂。有机染料c545t的中文名称为2-叔丁基-4-(二氰基亚甲基)-6-[2-(1,1,7,7-四甲基久洛尼定-9-基)乙烯基]-4h-吡喃；英文名称为2-tert-butyl-4-(dicyanomethylene)-6-[2-(1,1,7,7-tetramethyljulolidin-9-yl)vinyl]-4h-pyran。
[0069]
接着，将上述溶液搅拌30分钟至有机染料dcjtb溶解均匀，形成一种可发红光的溶液。接着，将成膜性高的高分子聚合物，聚乙烯吡咯烷酮(pvp)溶于上述的溶液中。
[0070]
接着，将烤盘加热至60度c。以烤盘加热上述溶液，并将上述溶液搅拌30分钟至成膜性高分子聚合物pvp溶解均匀。
[0071]
接着，将上述可发红光的发光溶液旋涂在在所需位置，例如第二上表面11b上，以500rpm至9000rpm转速进行，时间10秒。
[0072]
接着，将基板放置大气下，溶剂由发光溶液中挥发后，即可慢慢干燥成膜，形成可发红光的第二薄膜转换层16。
[0073]
图2a显示在上述实施例中，磊晶层发出蓝光的光谱，以及被蓝光激发出来的绿光光谱。图2b显示为图2a中单独绿光的光谱，显示受激发光的波段。
[0074]
图3a显示在上述实施例中，磊晶层发出蓝光的光谱，以及被蓝光激发出来的红光光谱。图3b显示为图3a中单独红光的光谱，显示受激发光的波段。
[0075]
虽然本发明上述实施例仅例示可发出单一波长范围(单一颜色)光的薄膜转换层。但在其他实施例中，所添加的有机染料可以为两种以上，使得所制备的薄膜转换层可发出两种波长范围(两种颜色)以上的光。
[0076]
熟悉本领域技艺人士，可针对图1a至1f的实施例，做各种修饰、替换，或变更，而这些修饰、替换，或变更都属于本发明的范畴。例如，图4显示根据本发明另一实施例的微发光二极管阵列。在此实施例中，磊晶层11发出紫外光，而多个第三薄膜转换层17被形成在磊晶
层11的多个第三上表面11c上，第一、第二、第三薄膜转换层吸收紫外光后，再分别发出另一种颜色的光，例如绿光、红光、蓝光。在另一实施例中，还包含多个第四薄膜转换层被形成在该些磊晶层的多个第四上表面上。在一实施例中，磊晶层11及/或至少一个薄膜转换层可以先整体地形成在基板10的表面上，之后再以微影制程(lithography)加以图案化来定义像素。
[0077]
图5为根据本发明另一实施例微发光二极管阵列的制造方法的流程图。参见图5，该方法包含：步骤51，提供基板；步骤52，形成多个磊晶层在该基板的表面上，每个该磊晶层可发出第一颜色的光；步骤53，形成多个第一薄膜转换层在该些磊晶层的多个第一上表面上；以及步骤54，形成多个第二薄膜转换层在该些磊晶层的多个第二上表面上。其中，形成该多个第一薄膜转换层以及该该多个第二薄膜转换层的方法，包含：将一种或多种有机染料以及基体溶于溶剂中，以制备成发光溶液；将该发光溶液形成于该第一上表面或第二上表面上；使该溶剂自该发光溶液中移除，以形成该第一薄膜转换层或该第二薄膜转换层。其中，每个有机染料可吸收该第一颜色的光后再重新发出另一种颜色的光，该基体消除该一种或多种有机染料形成该第一薄膜转换层或该第二薄膜转换层后的晶粒边界及光散射。本实施例中各步骤的实施顺序没有限制。
[0078]
图6a和图6b为根据本发明实施例所制作的薄膜转换层的剖面(膜厚5.76μm)及俯视扫描电子显微镜图。如图6a和6b所示，本发明所制作的薄膜转换层不具有晶粒边界。传统萤光材料于制作发光二极管显示器时，由于所制成薄膜具有晶粒边界，导致单位像素的尺寸无法太小。例如，若萤光材料的平均晶粒尺寸为10μm，由于晶粒尺寸不一，为使个别像素的亮度均匀，必须提高每个像素含有萤光材料的颗粒数，例如100颗；如此，造成单位像素的尺寸较大，通常会大于100μm。
[0079]
相较之下，本发明所制的薄膜转换层，由于其不具有晶粒边界，为一个连续膜，因此单位像素的尺寸(即磊晶层的尺寸)不会受限于平均亮度而可以自行定义。在一些实施例中，单位像素的尺寸≦15μm。在一些实施例中，单位像素的尺寸≦10μm。在一些实施例中，单位像素的尺寸介于1μm至10μm。在一些实施例中，单位像素的尺寸≦5μm。
[0080]
此外，由于本发明的薄膜转换层不具有晶粒边界，为一个连续膜。因此可以配合传统的微影制程(lithography)加以图案化来定义像素。或者，本案的薄膜转换层可以直接形成在磊晶层的第一上表面、第二上表面，及/或第三上表面上。如此，本发明微发光二极管阵列的制法，不需要巨量转移，可大幅提升良率，并省下大量的时间。
[0081]
本说明书所揭露的每个/全部实施例，本领域熟悉技艺人士可据此做各种修饰、变化、结合、交换、省略、替代、相等变化，只要不会互斥者，皆属于本发明的概念，属于本发明的范围。可对应或与本案所述实施例特征相关的结构或方法，及/或发明人或受让人任何申请中、放弃，或已核准的申请案，皆并入本文，视为本案说明书的一部分。所并入的部分，包含其对应、相关及其修饰的部分或全部，(1)可操作的及/或可建构的(2)根据熟悉本领域技艺人士修饰成可操作的及/或可建构的(3)实施/制造/使用或结合本案说明书、本案相关申请案，以及根据熟悉本领域技艺人士的常识和判断的任何部分。
[0082]
除非特别说明，一些条件句或助词，例如「可以(can)」、「可能(could)」、「也许(might)」，或「可(may)」，通常是试图表达本案实施例具有，但是也可以解释成可能不需要的特征、元件，或步骤。在其他实施例中，这些特征、元件，或步骤可能是不需要的。
[0083]
本文前述的文件，其内容皆并入本文，视为本案说明书的一部分。本发明提供的实施例，仅作为例示，不是用于限制本发明的范围。本发明所提到的特征或其他特征包含方法步骤与技术，可与相关申请案所述的特征或结构做任何结合或变更，部分的或全部的，其可视为本案不等的、分开的、不可替代的实施例。本发明所揭露的特征与方法其对应或相关者，包含可从文中导出不互斥者，以及熟悉本领域技艺人士所做修饰者，其部分或全部，可以是(1)可操作的及/或可建构的(2)根据熟悉本领域技艺人士的知识修饰成可操作的及/或可建构的(3)实施/制造/使用或结合本案说明书的任何部分，包含(i)本发明或相关结构与方法的任何一个或更多部分，及/或(ii)本发明所述任何一个或多个发明概念及其部分的内容的任何变更及/或组合，包含所述任何一个或多个特征或实施例的内容的任何变更及/或组合。