透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件及制作方法

摘要

透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件及制作方法，涉及发光显示技术领域，解决现有平面型LED显示器件的制作方法由于受到基座的影响，难以实现小尺寸的像素，分辨率也受到一定限制，同时无法达到弯曲的目的问题，电流从上电级注入ITO透明上电极，经过透光层、发光层、反射层和基片从下电极流出，在器件中形成电场，使得正负载流子在发光层复合发光。其中部分光向上经过透光层、ITO透明上电极，从微透镜射出；部分光向下到达反射层，被反射层反射，穿过发光层、透光层、ITO透明上电极，从微透镜射出。本发明的柔性器件由于具有柔性的电极结构和沟槽内的连接柔性材料，可以实现弯曲显示的功能，且这种器件的制作工艺简单易行。

说明书

技术领域

本发明涉及发光显示技术领域，具体涉及一种新型微型柔性发光器件中的 AlGaInP-LED柔性微器件及制作方法。

背景技术

近年来，随着电子产业的发展，微型发光器件发展迅速。平面型LED微显 示阵列与传统发光器件相比具有很多不可比拟的优点，平面型LED显示器件的 传统制作方法是将多个单管LED芯片排列在基座上，然后引线、封装。受到基 座的影响，此方法制作的显示器件的像素尺寸难以做小，因此分辨率受到一定 限制。同时由于不能弯曲，在很大程度上限制了其应用范围。随着科学技术的 发展，对可以实现高分辨、明亮持久且轻薄并能应用在弯曲表面的微型柔性LED 阵列器件的需求越来越迫切。目前，微型柔性LED阵列器件在我国尚无现有技 术。

发明内容

本发明为解决现有平面型LED显示器件的制作方法由于受到基座的影响， 难以实现小尺寸的像素，分辨率也受到一定限制，同时无法达到弯曲的目的问 题，提供透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件及制作方法。

透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件，包括透光层、发光层、反射层、 基片、发光单元上上电极引线、发光单元外上电极引线、下电极、下电极引线、 柔性区域、微透镜和ITO透明上电极，所述反射层的上面依次为发光层、透光 层、ITO透明上电极、发光单元上上电极引线和微透镜，反射层的下面为基片； 所述透光层、发光层、反射层和基片组成LED发光单元，多个LED发光单元均 匀排布组成发光单元阵列；所述多个LED发光单元之间为柔性区域，所述柔性 区域使各个LED发光单元依次连接并使发光单元阵列实现弯曲；所述ITO透明 上电极的上表面排布发光单元上上电极引线，柔性区域的上表面排布发光单元 外上电极引线，处于同一行的LED发光单元上上电极引线与发光单元外上电极 引线依次相连接，所述基片的背面排布有下电极，在柔性区域的背面区域排布 下电极引线，处于同一列的下电极与下电极引线依次相连接；所述下电极和下 电极引线组成的下引线列与发光单元上上电极引线和发光单元外上电极引线组 成的上引线行在排列方向上异面垂直。

透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件的制作方法，该方法由以下步骤 实现：

步骤一、选择发光芯片，所述发光芯片由透光层、发光层、反射层和基片 组成，对所述的发光芯片进行清洗及正面保护；具体为：首先对发光芯片进行 清洗，然后在发光芯片透光层的上表面制备一层上保护膜；

步骤二、上隔离沟槽的制备，

通过光刻和腐蚀上保护膜，露出柔性区域窗口图形，即上隔离沟槽图形； 在上保护膜和光刻胶的掩蔽下对发光芯片的上表面进行ICP刻蚀，去除柔性区 域的发光芯片材料，形成一定深度的上隔离沟槽；

步骤三、上隔离沟槽的填充；

步骤三一、在步骤二获得的上隔离沟槽的发光芯片上表面涂覆柔性材料， 并进行预固化；

步骤三二、通过光刻及腐蚀工艺去除发光芯片透光层上表面的柔性材料； 通过去胶及再次腐蚀，使形成的填充材料上表面形成凹陷形状，完成柔性材料 的完全固化；去除上保护膜；

步骤四、ITO透明上电极的制备，在发光芯片的透光层的上表面制备ITO 透明导电极；然后制备LED发光单元上上电极引线和LED发光单元外上电极引 线；

步骤五、制备微透镜，在步骤四制备发光单元上上电极引线和发光单元外 上电极引线后的发光芯片上制备高粘附力的聚合物层，通过热熔法得到聚合物 微透镜；

步骤六、发光芯片的正面固定，将步骤五所述的发光芯片用粘接剂固定在 上保护片上；

步骤七、发光芯片的背面减薄；对发光芯片的基片的下表面进行减薄，然 后进行抛光处理；

步骤八、在步骤七的基础上对发光芯片进行像素分割，获得多个LED发光 单元；

步骤八一、对抛光处理后的发光芯片的基片的下表面制备下保护膜；

步骤八二、通过双面对准光刻和腐蚀下保护膜，露出柔性区域窗口；

步骤八三、在下保护膜和光刻胶的掩蔽下对发光芯片下表面进行刻蚀，完 全去除柔性区域的发光芯片材料，实现对LED发光单元的分割；

步骤八四、去除下保护膜；

步骤九、制备薄膜下电极和下电极引线；去除上保护片；制作电路引线， 完成LED器件的制作。

本发明微型柔性LED阵列器件的工作过程是，电流从上电级注入ITO透明 上电极，经过透光层、发光层、反射层和基片从下电极流出，在器件中形成电 场，使得正负载流子在发光层复合发光。其中部分光向上经过透光层、ITO透明 上电极，从微透镜射出；部分光向下到达反射层，被反射层反射，穿过发光层、 透光层、ITO透明上电极，从微透镜射出。由于该发光器件的发光原理为p-n结 内的载流子复合发光，具有二极管电流电压的非线性特性，发光亮度也随注入 电流的大小具有非线性特性。本发明通过电路控制相素元的亮暗，实现发光显 示。

本发明的有益效果：本发明提出的柔性器件由于具有柔性的电极结构和沟 槽内的连接柔性材料，可以实现弯曲显示的功能，且这种器件的制作工艺简单 易行。本发明提出的器件采用异面垂直的上、下电极，可以得到较高的发光效 率，并且可以得到较为均匀的电流分布。本发明全部采用在微型化、集成化和 批量化制作方面具有优异特点的MOEMS技术进行器件制作。在器件质量上，实 现了发光芯片上发光单元的原位分割，保证了发光单元分布的均匀性和一致性； 也保证了电极及柔性连接材料的一致性；在制作周期上，由于采用集成制备工 艺，提高了效率，缩短了工期，并更适合于大阵列的批量制作；在发光单元的 出光质量方面，由于制备了覆盖整个发光单元上表面的ITO透明上电极，使电 流分布更均匀，发光效果更好。

附图说明

图1为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件的效果图； 图1a为器件的伸展状态示意图，图1b为器件的弯曲状态示意图；

图2中图2a和2b分别为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵 列器件的主剖面图和左剖面图；

图3为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件中采用方形 发光单元的发光单元分布图；

图4中的图4a至4e为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵列 器件中采用方形发光单元的五种发光单元上上电极引线及发光单元外上电极引 线结构示意图；

图5中的图5a至图5d为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵 列器件中采用方形发光单元的四种下电极及下电极引线结构示意图；

图6为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件中采用圆形 发光单元的发光单元分布图；

图7中的图7a至图7d为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵 列器件中采用圆形发光单元的上电极引线及发光单元外上电极引线结构示意 图；

图8中的图8a至图8c为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵 列器件中采用圆形发光单元的下电极及下电极引线结构示意图；

图9中的图9a至图9p为本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵 列器件的制作方法的工艺步骤，图中，图9o和图9p分别为制备完成后的左剖 面图和正剖面图；

图10中为采用本发明所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件的 制作方法制备中像素分割过程中采用干法刻蚀获得的结构，其中，图10a和图 10b分别为主剖面示意图和左剖面示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图8说明本实施方式，透明电极高密度柔性 LED微显示阵列器件，包括透光层1、发光层2、反射层3、基片4、发光单元 上上电极引线5、发光单元外上电极引线9、下电极6、下电极引线10、柔性区 域7、微透镜8和ITO透明上电极11。

反射层3的上面依次为发光层2、透光层1、ITO透明上电极11、发光单元 上上电极引线5和微透镜8，反射层3的下面是基片4。透光层1、发光层2、 反射层3和基片4组成LED发光单元。LED发光单元均匀排布组成发光单元阵 列。发光单元之间为柔性区域7，柔性区域7使各个发光单元依次连接并使整个 LED发光单元阵列可弯曲。ITO透明上电极11的上表面排布有发光单元上上电 极引线5，柔性区域7的上表面排布有发光单元外上电极引线9，处于同一行的 发光单元上上电极引线5与发光单元外上电极引线9依次相连接，在基片4的 下表面排布有下电极6，在像素间的柔性材料接近下表面的区域排布有下电极引 线10，处于同一列的下电极6与下电极引线10依次相连接，下电极6与下电极 引线10组成的下引线列与上电极5及上电极引线9组成的上引线排在方向上异 面垂直。

本实施方式所述的发光单元为正方形、矩形、圆形或其他形状。发光单元 上上电极引线5形状为回形、圆环形、单条形、双条形或其它形状。下电极6的 形状为矩形、圆形、单条形、双条形或其它形状。

本实施方式所述的透光层1、发光层2、反射层3、基片4为由传统工艺制 作的通用AlGaInPLED外延片材料。发光单元上上电极引线5及发光单元外上 电极引线9的材料为Cr/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或AuGeNi/Au或Al或Cu， 或由Cr/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或AuGeNi/Au与Cu或Au组成的复合膜， 由薄膜蒸镀及光刻腐蚀成形工艺制备，为提高上电极以及上电极引线的可靠性， 或通过蒸镀薄膜、光刻制备掩膜及电铸等工艺制成厚膜电极。下电极6、下电极 引线10的材料为Cr/AuTi/Pt/Au或Ti/Mo/Au或AuGeNi/Au或Al或Cu，或由 Cr/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或AuGeNi/Au与Cu或Au组成的复合膜，由薄 膜蒸镀及光刻腐蚀成形工艺制备，为提高上电极以及上电极引线的可靠性，或 通过蒸镀薄膜、光刻制备掩膜及电铸等工艺制成厚膜电极。柔性区域7材料为 聚酰亚胺或柔性环氧树脂或易涂覆成型的其它柔性材料，微透镜8材料为环氧 树脂或其它高透过率材料，ITO透明上电极11为通过镀膜方法沉积的ITO薄膜。

本实施方式所述的LED器件的总厚度在1μm-1000μm，所述的柔性材料可 分布于各个LED发光单元之间，也可位于基片4的下表面，位于各个LED发光 单元之间的部分为柔性区域7，位于基片4下表面的柔性材料为背面柔性材料层， 其背面柔性材料层覆盖下电极6和下电极引线10。

具体实施方式二、结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式为具体实 施方式一所述的透明电极高密度柔性LED微显示阵列器件的制作方法，该方法 是自上而下的制作方法，即先制作正面结构，然后，再保护正面结构，制备背 面结构的过程。具体的制备过程为：

A.发光芯片的清洗及正面保护：

a)本发明使用的基质材料为发光芯片，所用的发光芯片由透光层1、发光层 2、反射层3和基片4构成，如图9a所示。

b)进行发光芯片的清洗。然后在发光芯片的上表面，即透光层1上表面制 备一层上保护膜，如图9b所示。

B.上隔离沟槽的制备：通过光刻和腐蚀上保护膜，露出柔性区域窗口图形， 亦即上隔离沟槽图形。在上保护膜和光刻胶的掩蔽下对发光芯片上表面进行ICP 刻蚀，去除柔性区域的发光芯片材料，形成一定深度的上隔离沟槽，所述上隔 离沟槽的深度为100～300μm。如图9c所示。

C.上隔离沟槽的填充：

a)在制备有上隔离沟槽的发光芯片上表面涂覆柔性材料，并进行预固化， 如图9d所示。

b)通过光刻及腐蚀工艺去除透光层上表面的柔性材料并通过去胶及再次腐 蚀使所形成的填充材料上表面形成凹陷形状，以便有利于附着在其上的上电极 具有可弯曲性能。

c)完成柔性材料的完全固化。

d)去除上保护膜，如图9e。

D.ITO透明上电极的制备；在发光单元的上表面制备ITO透明导电薄膜， 如图9f所示。

E.发光单元上上电极引线和发光单元外上电极引线的制备；在完成ITO透 明电极制备的发光芯片上表面通过光刻、蒸镀及电铸等工艺完成发光单元上上 电极引线和发光单元外上电极引线的制作，如图9g所示。

F.制备微透镜阵列；在完成发光单元上上电极引线和发光单元外上电极引 线的发光芯片上制备高粘附力的聚合物层，通过热熔法得到聚合物微透镜，如 图9h所示。

G.发光芯片的正面固定；为了对制备上部结构的发光芯片进行保护，将其 用粘接剂固定在上保护片上，图9i为完成正面固定的发光芯片。

H.发光芯片的背面减薄；对整个发光芯片的下表面进行减薄，减薄至所需 厚度后，进行抛光处理，如图9j所示。

I.发光芯片的像素分割：

a)在完成抛光的发光芯片背面制备下保护膜。

b)通过双面对准光刻和腐蚀保护膜，露出柔性区域窗口，如图9k所示。

c)在下保护膜和光刻胶的掩蔽下对发光芯片下表面进行湿法刻蚀，完全去 除柔性区域的发光芯片材料，实现发光芯片的像素分割，如图9l所示。

d)去除下保护膜。

J.制备下电极及下电极引线：制备薄膜下电极及下电极引线；或厚膜下电 极及下电极引线，如图9m所示。

K.制备背面柔性材料；在做好下电极及下电极引线的基片下表面制备背面 柔性材料，如图9n所示。

L.去除上保护片，图9o为左视剖面图。图9p为正视剖面图。制作电路引 线，完成器件制作。

结合图10说明本实施方式，在发光芯片进行像素分割中采用干法刻蚀，获 得的LED器件结构。另外，采用本实施方式所述的方法制备LED器件的过程中 也可不包括对背面柔性材料层的制备过程，同样可以实现本实施方式所述的 LED器件的制作。

具体实施方式三、本实施方式为具体实施方式二所述的一透明电极高密度 柔性LED微显示阵列器件的制作方法的实施例：

A.发光芯片的清洗及正面保护：

a)本发明使用的发光芯片为AlGaInP-LED外延片，由透光层、发光层、反 射层和基片构成，发光芯片的厚度在200μm～1000μm。

b)上保护膜材料为二氧化硅或氮化硅或二氧化硅与氮化硅组成的复合膜或 金属或有机材料或无机材料或其它能起到保护作用的薄膜材料。保护膜制备方 法为电子束蒸发或射频溅射或磁控溅射或溶胶凝胶法或其它薄膜生长方法。

B.上隔离沟槽的制备：

a)通过光刻工艺在上保护膜上形成柔性区域光刻胶窗口图形，亦即上隔离 沟槽图形。

b)在光刻胶的保护下通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺得到保护膜的上隔离沟 槽图形。光刻胶厚度为0.2μm-15μm。

c)在保护膜和光刻胶的掩蔽下对发光芯片上表面进行ICP刻蚀，刻蚀深度 为将透光层、发光层、反射层刻蚀透，并刻蚀基片至一定深度。所述深度可为 100～300μm。

C.上隔离沟槽的填充：

a)在发光芯片上表面涂覆的柔性材料即像素连接材料为聚酰亚胺或柔性环 氧树脂或聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其它可涂覆成膜的柔性有机材料。预固化方 式为加热固化或常温固化。

b)通过光刻及湿法腐蚀工艺去除透光层上表面的柔性材料。

c)去胶，并用腐蚀剂或特定溶剂进行二次腐蚀，使所形成的填充材料上表 面形成凹陷形状。

d)完成柔性材料的完全固化。

e)用湿法腐蚀或干法刻蚀去除上保护膜。

D.ITO透明上电极的制备

a)采用磁控溅射或电子束蒸发或溶胶-凝胶法或其它薄膜生长方法在完成上 隔离沟槽的填充的发光芯片上表面制备ITO透明导电薄膜。

b)采用光刻-腐蚀方法或光刻-剥离方法使ITO透明电极仅存在于发光单元 的上表面。

E.发光单元上上电极引线和发光单元外上电极引线的制备：

通过lift-off工艺或镀膜-光刻-腐蚀工艺制备薄膜发光单元上上电极引线和 发光单元外上电极引线，或通过厚胶光刻、蒸镀及电铸加厚等工艺制备厚膜发 光单元上上电极引线和发光单元外上电极引线。

上电极及上电极引线的材料为Cr/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或AuGeNi/Au 或Al或Cu，或由Cr/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或AuGeNi/Au与Cu或Au组 成的复合膜。薄膜蒸镀方式为电子束蒸发或射频溅射或磁控溅射。

厚膜上电极及上电极引线的具体工艺之一为：首先进行厚胶光刻得到与上 电极图形相反的厚光刻胶图形，再蒸镀上电极薄膜，上电极选用Au或 AuGeNi/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或其它与基片具有良好欧姆接触特性的金 属。剥离后，进行电铸，使电极加厚。电铸材料与蒸镀的薄膜材料相同或不同。

厚膜上电极及上电极引线还可以采用以下工艺：首先蒸镀上电极薄膜，上 电极选用Au或AuGeNi/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或其它与基片具有良好欧姆 接触特性的金属。然后进行厚胶光刻得到与上电极图形相反的厚光刻胶图形。 电铸使电极加厚，电铸材料与蒸镀的薄膜材料相同或不同。最后，去除厚光刻 胶得到厚膜电极。

F.制备微透镜：

在完成发光单元上上电极引线和发光单元外上电极引线的发光芯片上涂覆 一层聚合物胶体，具体的厚度根据设计和工艺实验决定；对聚合物胶体进行紫 外固化或热固化，得到具有较高粘附力的聚合物层；在固化后的聚合物上旋涂 一定厚度的光刻胶，前烘、曝光、显影后，采用热熔法制作光刻胶微透镜；再 采用反应离子刻蚀将光刻胶微透镜转移至前述的聚合物上，得到聚合物微透镜。 聚合物透镜材料为聚酰亚胺或环氧树脂或SU-8光刻胶。

G.发光芯片的正面固定：

粘接剂材料为光刻胶或热固化胶或紫外固化胶或其它粘接材料。上保护片 的材料为硅或玻璃或石英或陶瓷或铝或钛或其他无机材料或有机材料或金属材 料。

H.发光芯片的背面减薄：

采用机械减薄及抛光或化学减薄及抛光或机械与化学方法相结合对发光芯 片的下表面进行减薄和抛光处理，减薄后的发光芯片为20～300μm。

I.发光芯片的像素分割：

a)下保护膜材料为二氧化硅或氮化硅或二氧化硅与氮化硅组成的复合膜或 金属或有机材料或无机材料或其它能起到保护作用的薄膜材料。保护膜制备方 法为电子束蒸发或射频溅射或磁控溅射或溶胶凝胶法或其它薄膜生长方法。

b)通过双面对准光刻工艺在下保护膜上形成柔性区域光刻胶窗口图形。

c)在光刻胶的保护下通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺得到下保护膜的窗口图 形。光刻胶厚度为0.2μm-15μm。

d)在保护膜和光刻胶的掩蔽下对发光芯片下表面进行ICP刻蚀，实现发光 芯片的像素分割。

e)用湿法腐蚀或干法刻蚀去除下保护膜。

J.制备下电极及下电极引线：

通过lift-off工艺或镀膜-光刻-腐蚀工艺制备薄膜下电极及下电极引线，或通 过厚胶光刻、蒸镀及电铸加厚等工艺制备厚膜下电极及下电极引线。

下电极及下电极引线的材料为Cr/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或AuGeNi/Au 或Al或Cu，或由Cr/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或AuGeNi/Au与Cu或Au组 成的复合膜。薄膜蒸镀方式为电子束蒸发或射频溅射或磁控溅射。

厚膜下电极及下电极引线的具体工艺之一为：首先进行厚胶光刻得到与下 电极图形相反的厚光刻胶图形，再蒸镀下电极薄膜，下电极选用Au或 AuGeNi/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或其它与基片具有良好欧姆接触特性的金 属。剥离后，进行电铸，使电极加厚。电铸材料与蒸镀的薄膜材料相同或不同。

厚膜下电极及下电极引线还可以采用以下工艺：首先蒸镀下电极薄膜，下 电极选用Au或AuGeNi/Au或Ti/Pt/Au或Ti/Mo/Au或其它与基片具有良好欧姆 接触特性的金属。然后进行厚胶光刻得到与下电极图形相反的厚光刻胶图形。 电铸使电极加厚，电铸材料与蒸镀的薄膜材料相同或不同。最后，去除厚光刻 胶得到厚膜电极。

K.制备背面柔性材料：

在已制备下电极及下电极引线的基片下表面旋转涂覆或喷涂所需厚度的柔 性材料涂料，然后进行固化，形成背面柔性材料层。背面柔性材料层的材料为 聚酰亚胺或柔性环氧树脂或聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其它可涂覆成膜的柔性有 机材料。

L.去除上保护片，保护片及粘接剂用湿法或干法去除。