一种全彩微显示器件及其制备方法与流程

本发明属于led倒装芯片的制备工艺领域和量子点技术应用领域，具体涉及一种全彩微显示器件及其制备方法。

背景技术：

随着微型投影机和可穿戴设备上逐渐进入到现实的生产与生活中，微显示器件的应用越来越广泛，对微显示器件的需求与要求也逐渐提高，更高的分辨率、更轻小的系统、全彩的显示等等。由于led芯片的尺寸可以达到微米级，基于led芯片的微显示器件相比于其他的微显示技术如dlp、lcos等，具有分辨率更高、系统更轻小简单和减低能耗成本的优点。

目前led芯片微阵列主要实现的是单色的微显示器件。在led单色微显示器的研究上，mled公司的jamesr.bonar等人在2016年已经成功制备了像素点尺寸为6μm的高亮度和高对比度的640×360阵列微显示器。基于led的微显示器件要实现全彩显示，目前有两种可能的方案：一是在led单色微显示芯片的基础上，涂覆荧光粉膜，激发白光，再涂覆红绿蓝三色基色的滤光膜阵列；二是在同一衬底上制备出红绿蓝三基色的led阵列。第一种方案工艺相对简单，但滤光膜的存在降低了有效的光强，造成能量的损耗较大，而且容易造成像素间的串扰问题；第二种方案工艺较为复杂，因为无法在同一衬底上一次生长出发出红绿蓝三种颜色的量子阱结构，而且由于红绿蓝led的阈值电压不同，驱动电路变得复杂，这种方案实现的微显示芯片像素分辨率难以提高。因此，如何利用单色的led芯片微阵列实现全彩的微显示以及提高微显示芯片的分辨率是led微显示领域面临的巨大挑战。

量子点(quantumdot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子所构成，三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点的一些光学特性非常适合用于实现光色的转换，首先，量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制，通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区；其次，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过一种倒装led芯片的制备技术以及量子点技术，在芯片层面上实现光色的转换以使微显示led芯片的尺寸更小，用以实现一种尺寸小且高分辨率的全彩微显示器件。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种全彩微显示器件，包括带有驱动电路的基板、倒装焊接于带有驱动电路的基板上的阵列式led芯片、以及蓝宝石衬底，所述阵列式led芯片设置于同一蓝宝石衬底上且发射同一光谱，其特征在于：所述阵列式led芯片之间设置有隔离沟道，所述隔离沟道的内部和两侧壁设置有绝缘层和挡光层，绝缘层的材质为sio2或aln，厚度为500～2000nm；挡光层的材质为cr/al或者cr/ag，厚度为100～500nm；每个led芯片包括三个gan基发光结构和焊接电极，所述焊接电极用于连接gan基发光结构和带有驱动电路的基板，所述蓝宝石衬底的出光面设置有沟槽，所述沟槽和所述gan基发光结构的位置和大小一一对应，每个led芯片的三个gan基发光结构对应的沟槽分别填充用于激发红、绿、蓝三种光的量子点，量子点填充后覆盖上一层保护材料层。本发明利用单色的led芯片微阵列实现全彩的微显示,所制备的全彩微显示器件具有体积小、分辨率高、色彩控制简单等优势。

优选的，所述沟槽位于gan基发光结构正上方，沟槽尺寸为5～40μm，沟槽深度为5～20μm。

本发明还提供了一种全彩微显示器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)在蓝宝石衬底上外延生长gan或algan的led外延片，所述gan外延片依次包括缓冲层，n-gan层、有源层和p-gan层；

(2)在p-gan层上继续沉积透明导电膜层作为接触层；

(3)在led外延片上蚀刻到n-gan层，形成每个像素所需的三个gan基发光结构；

(4)在led外延片上用icp蚀刻出像素间的隔离沟道，即一直蚀刻到蓝宝石衬底，形成全彩微显示像素的陈列；

(5)在像素间的隔离沟道内和两侧壁上沉积绝缘层和挡光层；

(6)沉积n电极，n电极采用ti/al/ni/au沉积，厚度为1～2um；

(7)沉积p电极，p电极先沉积al或ag作为反射层结构，再沉积ti/au或ni/au，沉积厚度为1～2μm；

(8)将蓝宝石衬底进行减薄，减薄后的厚度为80μm～150μm；

(9)在蓝宝石衬底的出光面蚀刻出用于填充量子点的沟槽；

(10)用滴涂或3d打印的方法在每个像素的三个沟槽内分别填充能够发射红绿蓝三种颜色的光的量子点；

(11)填充完量子点后在蓝宝石衬底的表面覆盖一保护材料层；

(12)把led芯片倒装焊接到带有驱动电路的基板上，基板上的驱动电路可以独立控制每个像素中的三个gan基发光结构。

优选的，所述三个gan基发光结构的形状为矩形，三个gan基发光结构的发光面积占像素总面积的比例为1:1:1。

优选的，所述像素形状为矩形，像素尺寸为40μm×40μm。

优选的，所述绝缘层采用sio2或aln，厚度为500～2000nm，挡光层采用cr/al或者cr/ag金属，厚度优选为100nm～500nm。

优选的，所述沟槽直接蚀刻蓝宝石形成，或者先在蓝宝石上沉积sio2后用boe蚀刻形成，所述沟槽位于每个像素中三个gan基发光结构的正上方，形状大小与三个gan基发光结构对应，所述沟槽的深度为10～20μm。

优选的，所述保护材料层选用sio2或树脂，保护材料层为sio2时，厚度为100nm～500nm。

本发明采用在led芯片出光面的蓝宝石衬底上直接形成沟槽用于填充量子点的方法，实现方便准确的控制好红绿蓝三原色量子点的搭配，让其固定在相应位置，容易控制发光面形状，在像素间的隔离沟道中沉积挡光金属层，也一定程度上降低了像素间的串扰，这种工艺易于实现，同时充分利用了量子点小的特点，在芯片层面上即可实现全彩，使微显示芯片的尺寸可以进一步小型化，且可以保证甚至提高全彩微显示的分辨率。

附图说明

图1是本发明全彩微显示像素阵列俯视结构示意图，4×4像素，每个像素由红(r)绿(g)蓝(b)三个led单元组成，三个led单元上分别填充用于激发红、绿、蓝光色的量子点；

图2是本发明用于激发量子点的led芯片阵列示意图，电极面朝上时的俯视结构图，每个像素的红绿蓝三原色分别由三个对应的gan基发光结构激发，同一个像素的三个gan基发光结构共n极，不同像素间有绝缘且挡光的隔离沟道；

图3是本发明全彩微显示器件的剖面图结构示意图，剖面位置位于图2的虚线位置，因此每个像素只看得到g和b两个led单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，每个像素由红(r)绿(g)蓝(b)三个led单元组成，led单元包括gan基发光结构和其对应的沟槽，每个像素的三个沟槽内分别填充用于激发红、绿、蓝三种光的量子点。

图2是用于激发红、绿、蓝光色的量子点的gan基发光结构阵列示意图，每个像素的红绿蓝三色分别由三个对应的gan基发光结构激发。用于激发量子点的gan基发光结构阵列是在同一蓝宝石衬底上制备，且发射同一光谱，同一蓝宝石衬底上每个像素的三个gan基发光结构分别激发不同发射光谱的量子点发出红绿蓝三原色。其中三个led单元的发光面积占用整个像素发光面积的比例可适当调整，以适应量子点不同发射光谱具有的不同激发效率。同一个像素的gan基发光结构共n极202，驱动电路控制三个gan基发光结构的p电极201、203和204，不同像素间有用于绝缘且挡光的隔离沟道205。

图3是本发明全彩微显示器件的剖面图结构示意图，剖面位置位于图2的虚线位置，因此每个像素只看得到g和b两个led单元，本发明的全彩微显示器件包括带有驱动电路的基板，焊接电极308、309和310，gan基或algan基发光结构307，蓝宝石衬底303，位于蓝宝石衬底出光面一侧填充满量子点的沟槽301和302，覆盖蓝宝石衬底的出光面保护量子点的保护材料层304。本发明通过在芯片层面上实现光色的转换以使微显示led芯片的尺寸更小，用以实现一种尺寸小且高分辨率的全彩微显示器件。

请结合图1—图3，本发明提供一种全彩微显示器件，包括带有驱动电路的基板300、倒装焊接于带有驱动电路的基板300上的阵列式led芯片、以及蓝宝石衬底303，阵列式led芯片设置于同一蓝宝石衬底上且发射同一光谱，led芯片之间设置有隔离沟道205，每个led芯片包括三个gan基发光结构307和焊接电极308、309、310，焊接电极用于连接gan基发光结构307和带有驱动电路的基板300，蓝宝石衬底303的出光面设置有沟槽301、302，沟槽301、302和gan基发光结构307的位置和大小一一对应，每个led芯片的三个gan基发光结构307对应的沟槽分别填充用于激发红、绿、蓝三种光的量子点，量子点填充后覆盖上一层保护材料层304。通过倒装led芯片阵列和量子点色转换技术实现，由倒装led芯片激发量子点，分别产生红绿蓝三原色，发出红绿蓝光色的三个gan基发光结构组成一个像素，倒装led芯片是基于蓝宝石衬底的led芯片并且倒装焊接到带有驱动电路的基板上，用于光色转换的量子点填充于蓝宝石衬底出光面的沟槽，填充量子点后覆盖上保护材料。本发明提供的全彩微显示芯片具有芯片体积小、分辨率高、色彩控制简单等优势。

量子点吸收光谱与led芯片的发射光谱对应，而其发射光谱则相应的为红绿蓝三原色，量子点优选cdse量子点，能够通过改变其尺度大小和成分达到改变发射光谱的目的。

本发明的一实施例中，每个像素四侧有隔离沟道205，隔离沟道蚀刻掉gan基发光结构直到蓝宝石衬底。在像素间的隔离沟道205内和两侧壁设置绝缘层305和挡光层306，绝缘层的材料优选sio2或aln，厚度优选为500～2000nm；挡光层的材料优选cr/al或者cr/ag，厚度优选为100～500nm。在所述隔离沟道205以及每个像素的四壁沉积绝缘层，进一步地在绝缘层上再沉积挡光金属层结构，以达到减少像素间的光串扰的同时，起到反射杯的作用，增加出光和让出光准直。

本发明的一实施例中，蓝宝石衬底优选图形化蓝宝石衬底。

本发明的一实施例中，所述沟槽由icp蚀刻蓝宝石形成或在蓝宝石衬底上沉积sio2层后蚀刻形成，所述蓝宝石衬底在形成沟槽前经过减薄处理，减薄后的厚度为100μm。所述沟槽位于gan基发光结构正上方，沟槽尺寸为5～40μm，沟槽深度为5～20μm。

本发明的一实施例中，保护材料层采用sio2或有机树脂制成。

本发明还提供了一种全彩微显示器件的制备方法，步骤如下：

(1)在蓝宝石衬底303上外延生长gan或alganled外延片，gan外延片依次包括缓冲层，n-gan层、有源层和p-gan层。

(2)在p-gan层上继续沉积透明导电膜层作为接触层，用于与p-gan和反射层金属均形成良好的欧姆接触，接触层优选ito和zno，但不限于此。

(3)在led外延片上蚀刻到n-gan，形成每个像素所需的三个led芯片，三个芯片的形状优选为矩形，但不限于此，三个芯片的发光面积占像素总面积的比例优选为1:1:1，但不限于此。

(4)在led外延片上用icp蚀刻出像素间的隔离沟道205，即一直蚀刻到蓝宝石衬底，形成全彩微显示像素的陈列，像素形状优选为矩形，但不限于矩形，像素尺寸优选为40μm×40μm，但不限于此。

(5)在像素间的隔离沟道内以及沟道两侧壁上沉积绝缘层305和挡光层306，绝缘层优先sio2或aln，厚度优选500～2000nm，挡光层优先cr/al或者cr/ag金属，厚度100nm～500nm，挡光层也可做成反射结构，优选al或ag作为反射层结构，后面沉积ti/au或ni/au，沉积厚度1～2μm。挡光层可以一定程度上减少像素间光的串扰。

(6)沉积n电极202，n电极优选ti/al/ni/au，但不限于此，总厚度为1～2um。

(7)沉积p电极201、203和204，p电极还需要起到反射光的功能，优选al或ag作为反射层结构，后面沉积ti/au或ni/au，沉积厚度为1～2μm。

(8)将微显示倒装led芯片的蓝宝石衬底进行减薄，减薄后的厚度优选为80μm～150μm。

(9)在蓝宝石衬底的出光面蚀刻出用于填充量子点的沟槽301和302等，可以直接蚀刻蓝宝石形成，也可以先在蓝宝石上沉积sio2后用boe蚀刻形成，沟槽位于每个像素中三个led芯片的正上方，形状大小与三个led芯片对应，沟槽深度优选为10～20μm。

(10)用滴涂或3d打印的方法在每个像素的三个沟槽内分别填充可发射红绿蓝三种颜色的光的量子点。

(11)填充完量子点后再芯片表面覆盖一沉保护层，保护层优选sio2或树脂，选择sio2时，厚度优选100nm～500nm。

(12)把微显示倒装led芯片倒装焊接到带有驱动电路的基板上，基板优选si基板，但不限于此，基板上的驱动电路可以独立控制每个像素中的三个led芯片。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。