柔性双波长micro-led像元阵列及其制备方法、micro-led显示装置

1.本发明属于光电子器件应用领域，尤其涉及一种柔性双波长micro-led像元及其制备方法、micro-led显示装置


背景技术：

2.随着近几十年科技的发展已经半导体制造技术的成熟，具有宽禁带的纤锌矿材料，gan基光电元器件已经在日常生活中有了非常广泛的用途，比如照明显示，还有一些特定发光波长的光在生物医疗领域的应用。在提高gan基led的各种光电性能上，现如今已经做了诸多尝试，无论是在改变外延片本身结构上还是在工艺优化上。众所周知，显示是gan基led的一个重要的应用领域，蓝光led的成功制备使得全色显示成为了可能性，而近年来人们对于光电器件的力学特性的研究又有了许多新的看法，oled的问世让人们对于可弯曲性显示屏有了更多的追求，然而有机材料具有先天的局限性，其发光效率受材料本身所限制。随着工艺技术的发展，近些年，小像元micro-led阵列的出现，将传统的gan基led的像元的尺寸由毫米量级降低至几十微米量级。且通过实验结果发现，随着像元尺寸的减小，micro-led阵列具有更好的发光均匀性，更高的输出光功率密度以及更高密度的饱和电流，以及更高的发光效率和亮度。
3.而现有技术中采用量子点为有源区结构的器件，通过改变量子点的尺寸来实现波长调节，从而实现在同一个平面上具有多个发光波长，但是采用量子点为有源区结构的器件的加工难度较大，制备精度要求高，成品率低，且难以精准调控材料的特定组分。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种柔性双波长micro-led阵列像元阵列及其制备方法、micro-led显示装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
5.为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明公开了一种柔性双波长micro-led像元阵列，包括：
6.第一波长柔性像元阵列，包括：
7.第一柔性基底，以及
8.设置在第一柔性基底上的第一像元阵列；其中，所述第一像元阵列包括呈阵列式布置的多个第一像元，每个所述第一像元适用于发出具有第一波长的光束；以及
9.第二波长柔性像元阵列，设置在所述第一波长柔性像元阵列上，并包括：
10.第二柔性基底；以及
11.设置在第二柔性基底上的第二像元阵列；其中，所述第二像元阵列包括呈阵列式布置的多个第二像元，每个所述第二像元适用于发出具有第二波长的光束。
12.作为本发明的另一个方面，本发明还公开了一种柔性双波长micro-led像元阵列的制备方法，包括：
13.s11：在第一衬底上制备由多个第一像元呈阵列布置的第一像元阵列；
14.s12：将步骤s11中的第一像元阵列转移至第一柔性基底上，形成第一波长柔性像元阵列；
15.s21：在第二衬底上制备由多个第二像元呈阵列布置的第二像元阵列；
16.s22：将步骤s22中的第二像元阵列转移至第二柔性基底上，形成第二波长柔性像元阵列；
17.s3：将步骤s22中的第二波长柔性像元阵列转移至步骤s12中的第一波长柔性像元阵列上，并进行键合，完成所述柔性双波长micro-led像元阵列的制备。
18.作为本发明的再一个方面，还公开了一种micro-led显示装置，包括：
19.如上所述的柔性双波长micro-led像元阵列；
20.多个第一电源，每个所述第一电源均分别与第一p型电极连接，并与所述第一控制极板连接，用于对第一像元供电，以调节第一波长柔性像元阵列的发光强度；以及
21.多个第二电源，每个所述第二电源均分别与第二p型电极连接，并与所述第二控制极板连接，用于对第二象元供电，以调节第二波长柔性像元阵列的发光强度；
22.其中，通过对所述第一像元和所述第二像元单独供电，以使所述柔性双波长micro-led像元阵列发出波长在第一波长和第二波长之间的光束。
23.基于上述技术方案可以看出，本发明柔性双波长micro-led阵列像元阵列及其制备方法、micro-led显示装置相对于现有技术至少具有以下优势之一：
24.1、本发明的柔性双波长micro-led像元阵列，通过在垂直方向设置柔性双波长micro-led像元阵列，并将每个像元均与外部电路连接，达到了独立调节micro-led像元阵列发光波长的技术效果；
25.2、本发明的柔性双波长micro-led像元阵列采用ausn合金代替传统的有机聚合物作为柔性基底，从而增强了散热性能，减轻了micro-led像元阵列的热损耗；此外，采用ausn合金材料的柔性基底具有良好的透光性，在垂直布置的双波长micro-led像元阵列中不会对布置在下层的像元阵列发光造成影响，同时柔性基底的可延展性让双波长micro-led像元阵列适用于多种应用场景。
附图说明
26.图1a是本发明实施例中黄光外延片的结构示意图；
27.图1b是本发明实施例中蓝光外延片的结构示意图；
28.图2a是本发明实施例中经过刻蚀形成的黄光像元阵列(即第一像元阵列)的结构示意图；
29.图2b是本发明实施例中经过刻蚀形成的蓝光像元阵列(即第二像元阵列)的结构示意图；
30.图3a是本发明实施例中黄光柔性micro-led像元阵列(即第一柔性micro-led像元阵列)的结构示意图；
31.图3b是本发明实施例中蓝光柔性micro-led像元阵列(即第二柔性micro-led像元阵列)的结构示意图；
32.图4是本发明实施例中柔性双波长micro-led像元阵列的结构示意图；
33.图5是本发明实施例中柔性双波长micro-led像元阵列俯视方向的结构示意图。
34.附图标记说明：
35.1-第一柔性基底；
36.2-第一像元阵列；21-第一像元；22-第一p型电极；
37.210-第一衬底；
38.211-中间层；212-n型缓冲层；213-n型阻挡层；214-第一有源区；
39.215-p型阻挡层；216-第一p型接触层；
40.3-第一控制极板；4-第一填充层；
41.5-第二柔性基底；
42.6-第二像元阵列；61-第二像元；62-第二p型电极；
43.610-第二衬底；610a-缓冲层；
44.611-n型gan层；612-第二有源区；613-第二p型接触层；
45.7-第二控制极板；8-第二填充层；
46.9-材料层；
47.10-互联导线。
具体实施方式
48.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
49.随着半导体光电器件制备工艺的发展与完善，具有更好的i-v特性与发光均匀性及功率密度等光电特性的小尺寸像元的micro-led问世，这将会是未来照明显示等诸多领域的关注热点，而gan材料由于其宽带隙特质，因此其与inn/aln材料组成的固溶物通过调节gan和inn/aln可以在可见光的范围内实现多波长的micro-led像元阵列。
50.本发明的实施例中，将基于发光波长为460nm(蓝光)和570nm(黄光)的gan基micro-led像元阵列，通过将两种波长的micro-led像元阵列垂直叠放来实现双波长micro-led的整体结构，并通过对每个像元独立加电，分别实现上下micro-led像元阵列的单色发光，同时还可以通过改变上下像元阵列的发光强度，从而改变混色之后的发光波长，继而实现在460nm至570nm发光波长范围内进行调节，从而呈现出设定的图案。此外，还将以上两种micro-led阵列转移至透光性良好的柔性基底上，来实现阵列的可弯曲性。
51.本发明公开了柔性双波长micro-led像元阵列，包括：
52.第一波长柔性像元阵列，包括：
53.第一柔性基底1，以及
54.设置在第一柔性基底1上的第一像元阵列2；其中，所述第一像元阵列2包括呈阵列式布置的多个第一像元21，每个所述第一像元21适用于发出具有第一波长的光束；以及
55.第二波长柔性像元阵列，设置在所述第一波长柔性像元阵列上，并包括：
56.第二柔性基底5；以及
57.设置在第二柔性基底5上的第二像元阵列6；其中，所述第二像元阵列6包括呈阵列式布置的多个第二像元61，每个所述第二像元61适用于发出具有第二波长的光束。
58.在本发明的一些实施例中，柔性双波长micro-led像元阵列还包括：
59.第一p型电极22，设置在第一像元21上；
60.第一控制极板3，设置在第一柔性基底1上，位于第一像元阵列2的至少一侧，用于连接外部电源，以点亮所述第一像元阵列2；
61.第二p型电极62，设置在第二像元61上；以及
62.第二控制极板7，设置在第二柔性基底5上，位于第二像元阵列6的至少一侧，用于连接外部电源，以点亮所述第二像元阵列6。
63.在本发明的一些实施例中，柔性双波长micro-led像元阵列还包括：
64.第一填充层4，设置在第一柔性基底1上，覆盖第一像元阵列2，用于绝缘各第一像元21；其中，第一填充层4在所述第一p型电极22上方设置有通孔；
65.第二填充层8，设置在第二柔性基底5上，覆盖第二像元阵列6，用于绝缘各第二像元61；其中，第二填充层8在所述第二p型电极62上方设置有通孔。
66.在本发明的一些实施例中，柔性双波长micro-led像元阵列还包括：
67.互联导线10，与第一p型电极22或第二p型电极62连接，用于连接电源。
68.在本发明的一些实施例中，所述第一像元21包括：
69.中间层211，设置在第一柔性基底1上；
70.n型缓冲层212，设置在中间层211上；
71.n型阻挡层213，设置在n型缓冲层212上；
72.第一有源区214，设置在n型阻挡层213上；
73.p型阻挡层215，设置在第一有源区214上；
74.第一p型接触层216，设置在p型阻挡层215上；
75.在本发明的一些实施例中，所述第二像元61包括：
76.n型gan层611，设置在第二柔性基底5上；
77.第二有源区612，设置在n型gan层611上；
78.第二p型接触层613，设置在第二有源区612上。
79.在本发明的一些实施例中，柔性双波长micro-led像元阵列还包括：
80.材料层9，设置在所述第一波长柔性像元阵列与所述第二波长柔性像元阵列之间，用于实现所述第一波长柔性像元阵列与所述第二波长柔性像元阵列之间键合；
81.其中，所述材料层9采用的材料包括su-8光刻胶。
82.在本发明的一些实施例中，所述第一柔性基底(1)采用的材料包括金锡合金；
83.在本发明的一些实施例中，所述第二柔性基底(5)采用的材料包括金锡合金。
84.本发明还公开了一种柔性双波长micro-led像元阵列的制备方法，包括：
85.s11：在第一衬底210上制备由多个第一像元21呈阵列布置的第一像元阵列2；
86.s12：将步骤s11中的第一像元阵列2转移至第一柔性基底1上，形成第一波长柔性像元阵列；
87.s21：在第二衬底610上制备由多个第二像元61呈阵列布置的第二像元阵列(6)；
88.s22：将步骤s22中的第二像元阵列6转移至第二柔性基底5上，形成第二波长柔性像元阵列；
89.s3：将步骤s22中的第二波长柔性像元阵列转移至步骤s12中的第一波长柔性像元阵列上，并进行键合，完成所述柔性双波长micro-led像元阵列的制备。
90.在本发明的一些实施例中，柔性双波长micro-led像元阵列的制备方法还包括：
91.在步骤s3中所述第二波长柔性像元阵列与所述第一波长柔性像元阵列之间设置材料层9，用于键合所述第二波长柔性像元阵列与所述第一波长柔性像元阵列。
92.本发明还公开了一种micro-led显示装置，包括：
93.如上所述的柔性双波长micro-led像元阵列；
94.多个第一电源，每个所述第一电源均分别与第一p型电极22连接，并与第一控制极板3连接，用于对第一像元21供电，以调节第一波长柔性像元阵列的发光强度；以及
95.多个第二电源，每个所述第二电源均分别与第二p型电极62连接，并与第二控制极板7连接，用于对第二象元61供电，以调节第二波长柔性像元阵列的发光强度；
96.其中，通过对所述第一像元21和所述第二像元61单独供电，以使所述柔性双波长micro-led像元阵列发出波长在第一波长和第二波长之间的光束。
97.本发明的一个实施例中，公开了一种柔性双波长micro-led柔性双波长micro-led像元阵列的制备方法，包括：
98.步骤1：
99.采用mbe外延工艺法在si衬底(即第一衬底210)上依次生长厚度为130nm的中间层211、厚度为3.2μm的n型缓冲层212、32个周期的ingan/gan的超晶格(即n型阻挡层213)、8个周期的in0.3ga0.7n/gan多量子阱有源区(即第一有源区214)、厚度为10nm的p-algan电子阻挡层(即p型阻挡层215)以及厚度为150nm的第一p型接触层216，形成如图1a所示的黄光外延结构；
100.采用mocvd外延工艺法在图形化蓝宝石基底(即第二衬底610)上依次生长厚度为3μm的u-gan缓冲层610a、n型gan层611、9个周期的in0.15ga0.85n/gan(qw 3nm qb 12nm)多量子阱有源区(即第二有源区612)以及厚度为120nm的p-gan接触层(即第二p型接触层613)形成如图1b所示的蓝光外延结构；
101.步骤2：
102.在步骤1中得到的所述黄光外延结构和所述蓝光外延结构上分别生长sio2掩膜，第一像元阵列2的掩膜图案与第二像元阵列6的掩膜图案；
103.根据第一像元阵列2的掩膜图案对所述黄光外延结构进行光刻，刻蚀深度至si衬底(即第一衬底210)；
104.根据第二像元阵列6的掩膜图案对所述蓝光外延结构进行光刻，刻蚀深度至u-gan缓冲层610a；
105.对第一像元阵列2的掩膜图案与第二像元阵列6的掩膜图案分别进行刻蚀，完成刻蚀工艺后采用hf(氟化氢)去除sio2掩膜；
106.步骤3：
107.对步骤2中的得到黄光外延结构和蓝光外延结构进行第二次光刻，得到如图2a所示的黄光像元阵列(即第一像元阵列2)以及如图2b所示的蓝光像元阵列(即第二像元阵列6)；
108.步骤4：
109.分别对黄光像元阵列(即第一像元阵列2)与蓝光像元阵列(即第二像元阵列6)进行光刻，得到设置在所述第一像元21上独立的第一p型电极22，并得到设置在所述第二像元
61上独立的第二p型电极62；
110.步骤5：
111.完成p型电极(即第一p型电极22与第二p型电极62)的制备后，在第一p型电极22上，蒸发厚度为30nm/300nm的cr/au合金，并在600℃氧气氛围下退火15分钟，得到与第一p型电极22连接的互联导线10；在所述si衬底(即第一衬底210)上制备第一控制极板3；
112.在第二p型电极62上蒸发金属导线，得到与第二p型电极62连接的互联导线10；在u-gan缓冲层610a上制备第二控制极板7；
113.其中，所述互联导线10采用的材料包括但不限于cr/au合金，所述互联导线10的宽度为20μm；
114.所述第一控制极板3或所述第二控制极板7的形状包括但不限于边长为80μm的正方形；
115.步骤6：
116.在硅片上附着有机胶，并将硅片上附着有机胶的一面与黄光像元阵列(即第一像元阵列2)粘贴；
117.在另一个硅片上附着有机胶，并将硅片上附着有机胶的一面与蓝光像元阵列(即第二像元阵列6)粘贴；
118.步骤7：
119.使用强酸/强碱溶液腐蚀并去除所述si衬底(即第一衬底210)，得到的黄光像元阵列(即第一像元阵列2)以及第一控制极板3；
120.利用激光剥离技术，去除所述蓝宝石基底(即第二衬底610)以及设置在蓝宝石基底(即第二衬底610)上的u-gan缓冲层610a，得到蓝光像元阵列(即第二像元阵列6)以及第二控制极板7；
121.步骤8：
122.将步骤7中的黄光像元阵列(即第一像元阵列2)以及第一控制极板3转移至第一柔性衬底1上，得到黄光波长柔性像元阵列(即第一波长柔性像元阵列)；所述第一柔性衬底1采用的材料为有延展性且散热性能良好的金属合金(ausn合金)材料；
123.将步骤7中的蓝光像元阵列(即第二像元阵列6)以及第二控制极板7转移至第二柔性基底5上，得到蓝光波长柔性像元阵列(即第二波长柔性像元阵列)；所述第二柔性基底5采用的材料为ausn合金；所述第二柔性基底5作为导电金属与n-gan层611相互接触，所述第二柔性基底5构成蓝光像元阵列(即第二像元阵列6)的n型接触层。
124.步骤9：
125.使用丙酮溶液分别去除黄光像元阵列(即第一像元阵列2)与蓝光像元阵列(即第二像元阵列6)上附着有机胶的硅片；
126.步骤10：
127.用绝缘性能良好的pi材料分别填充于第一像元21像元之间以及第二像元61之间，形成第一填充层4以及第二填充层8，为各个像元之间提供良好的绝缘性能；
128.步骤11：
129.在所述p型电极(即第一p型电极22与第二p型电极62)上方对第一填充层4以及第二填充层8进行开孔，暴露出第一p型电极22、第二p型电极62以及互联导线10，形成如图3a
与图3b所示的结构；
130.步骤12：
131.将蓝光波长柔性像元阵列(即第二波长柔性像元阵列)设置在黄光波长柔性像元阵列(即第一波长柔性像元阵列)上，黄光波长柔性像元阵列(即第一波长柔性像元阵列)与蓝光波长柔性像元阵列(即第二波长柔性像元阵列)的第二柔性基底5之间旋涂su-8光刻胶，加热至250℃，并施加1kg/cm2的压力，实现上述两种波长柔性像元阵列的键合；如图4和图5所示，完成柔性双波长micro-led像元阵列的制备。
132.本发明的另一个实施例中，公开了一种柔性双波长micro-led像元阵列，包括：发光波长为570nm的黄光柔性像元阵列(即第一波长柔性像元阵列)，和设置在黄光柔性像元阵列上的发光波长为460nm的蓝光柔性像元阵列(即第二波长柔性像元阵列)。
133.如图3a所示，所述发光波长为570nm的黄光柔性像元阵列包括：第一柔性基底1，以及设置在第一柔性基底1上的第一像元阵列2；所述第一像元阵列2由多个第一像元21呈阵列式布置组成。
134.所述第一柔性基底1采用的材料包括但不限于ausn合金或其他具有延展性与透光性的金属。
135.所述第一像元21的形状包括底面为正方形的立方体，所述正方形的边长为10nm至80nm；
136.所述第一像元21包括：
137.设置在第一柔性基底1上的aln中间层211，其厚度为130nm；
138.设置在aln中间层211上的n型gan缓冲层212，其厚度为3.2μm；
139.设置在n型gan缓冲层212上的n型阻挡层213，所述n型阻挡层213为32个周期的ingan/gan超晶格；
140.设置在n型阻挡层213上的第一有源区214，所述第一有源区214为8个周期的in0.3ga0.7n/gan多量子阱有源区；
141.设置在第一有源区214上的p型阻挡层215，所述p型阻挡层215采用的材料包括algan，其厚度为10nm；以及
142.设置在p型阻挡层215上的第一p型接触层216；所述第一p型接触层216采用的材料包括gan，其厚度为150nm。
143.所述第一像元21的第一p型接触层216上设置有第一p型电极22，所述第一p型电极22采用的材料包括但不限于cr/au合金或ni/au合金中的任一种；每一个所述第一p型电极22均通过互联导线10与外部电源连接，因而每一个第一像元21均能实现独立供电；所述第一柔性基底1用作多个所述第一像元21的n型电极；
144.所述第一像元21之间设置有第一填充层4，所述第一填充层4采用的材料包括但不限于pi(聚酰亚胺)，用于为相邻的两个第一像元21之间提供绝缘；所述第一填充层4在所述第一p型电极22上方均设置有通孔，所述互联导线10通过上述通孔与所述第一p型电极22连接。
145.所述第一柔性基底1上还设置有第一控制极板3，用于连接外部电源，以点亮所述第一像元阵列2；
146.如图3b所示，发光波长为460nm的蓝光柔性像元阵列包括：第二柔性基底5，以及设
置在第二柔性基底5上的第二像元阵列6，所述第二像元阵列6由多个第二像元61呈阵列式布置组成。
147.所述第二柔性基底5采用的材料包括但不限于ausn合金或其他具有延展性与透光性的金属。
148.所述第二像元61的形状包括底面为正方形的立方体，所述正方形的边长为10nm至80nm；
149.所述第二像元61包括：
150.设置在所述第二柔性基底5上的n型gan层611，其厚度为3μm；
151.设置在所述n型gan层611上的第二有源区612，在本实施例中所述第二有源区612为9个周期的in0.15ga0.85n/gan多量子阱有源区；以及
152.设置在第二有源区612上的第二p型接触层613；所述第二p型接触层613采用的材料包括但不限于gan，其厚度为150nm。
153.所述第二像元61的第二p型接触层613上设置有第二p型电极62，所述第二p型电极62采用的材料包括但不限于cr/au合金或ni/au合金中的任一种；每一个所述第二p型电极62均通过互联导线10与外部电源连接，因而每一个第二像元61均能实现独立供电；所述第二柔性基底5用作多个所述第二像元61的n型电极；
154.所述第二像元61之间设置有第二填充层8，所述第二填充层8采用的材料包括但不限于pi(聚酰亚胺)，用于为相邻的两个第二像元61之间提供绝缘；所述第二填充层8在所述第二p型电极62上方均设置有通孔，所述互联导线10通过上述通孔与所述第二p型电极62连接。
155.所述第二柔性基底5上还设置有第二控制极板7，用于连接外部电源，以点亮所述第二像元阵列6；
156.所述第一像元21的位置与所述第二像元61的位置相对应。
157.如图4所示，所述黄光柔性像元阵列顶部与所述第二柔性基底5的底部还设置有材料层9，所述材料层9采用的材料包括但不限于su-8光刻胶，所述材料层9的厚度为500nm至800nm，用以实现所述黄光柔性像元阵列与所述蓝光柔性阵列键合。
158.本发明的另一个实施例中，还公开了一种micro-led显示装置，包括：上述实施例中的柔性双波长micro-led像元阵列、第一电源以及第二电源；
159.所述第一电源与所述第一p型电极22连接，并与所述第一控制极板3连接，用于对第一像元21供电；
160.所述第二电源与所述第二p型电极62连接，并与所述第二控制极板7连接，用于对第二象元61供电，形成micro-led显示装置。
161.在本实施中对micro-led显示装置采用交流直流双驱动模式的供电方式。即第一电源提供直流电，第二电源提供交流电；或第一电源提供交流电，第二电源提供直流电；通过改变第一电源或第二电源的供电功率可改变第一像元21与第二像元61的出射光波长；
162.此外，由于每个像元(即第一像元21与第二像元61)采用分立加电的形式，因此可以通过控制第一电源或第二电源的供电电压，让micr
o-led显示装置在波长为460nm-570nm范围内的发出连续的光，且可以根据具体实际需要来实现相应图案的显示。
163.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详
细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。