基于微流控技术的高品质Micro-LED全彩显示器件及制备方法

技术领域

本发明属于量子点色转换显示技术领域，具体涉及一种基于微流控技术的高品质Micro-LED全彩显示器件及制备方法。

背景技术

Micro-LED显示是近年来迅速发展的一项显示技术，具有功耗低、响应快、寿命长、色域宽等突出特点，可应用于虚拟/增强现实、可见光通信、车载显示、可穿戴器件、液晶显示器中的背光单元等领域。在显示应用领域主要追求的是全彩化显示，目前主流的方法主要包括红绿蓝三基色直显技术和利用紫外或蓝色Micro-LED作为激发光源去激发色转换层中的量子点阵列来实现全彩化显示。

目前制备量子点色转换层的方法主要有：①利用喷墨打印技术将量子点沉积在预沉积的图案化区域来实现色转换层的需求，但溶液易出现咖啡环效应影响显示性能和喷嘴堵塞的现象发生，且制备速度慢。②光刻法制备色转换层，该种方法在光刻的过程中使用的溶剂包括光刻胶、显影液和增粘剂等会对量子点溶液损害，造成出光效率低、品质差、寿命短，且材料成本高。③纳米压印技术可实现高分辨的微型LED图案化，但这种方法存在接触污染、难以对准和纳米压印底漆的剥离困难等缺点。

近几年，利用微流控制备色转换层的方法目前得到学术界和产业界的广泛关注，其具有制备成本低、材料利用率高等特点。利用微流控技术制备色转换层的方法，需要在器件表面或基板上制备颜色转换层，颜色转换层中量子点颗粒均匀分布对阵列激发光源的光提取效率、量子点的色转换效率等问题对Micro-LED全彩显示器件的综合性能具有重要的影响，其次光激发量子点图案同时发出红、绿、蓝三色光，容易出现光窜扰的问题，影响全彩化显示光品质，降低对比度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，利用阵列化透光的金属层作为量子点沉积区域，并通过微流控芯片技术对不同的阵列填充红色和绿色量子点，作为红色和绿色子像素色转换层，再与蓝光Micro-LED键合，制备低光窜扰的高品质Micro-LED全彩显示器件。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种基于微流控技术的高品质Micro-LED全彩显示器件的制备方法，其包括以下步骤：

1)于透明基底上形成图案化金属层，所述图案化金属层开设有阵列式间隔排列的若干透光开口；

2)制备微通道器件，所述微通道器件具有间隔设置的若干微通道，所述微通道具有进液口和出液口；

3)将微通道器件与透明基底的图案化金属层面键合，键合后各微通道分别与多个所述透光开口配合导通；

4)分别将红色量子点溶液和绿色量子点溶液注入不同微通道直至量子点溶液充满所述微通道并沉积于相应的透光开口中；

5)采用惰性气体吹扫微通道将多余量子点溶液排出，得到位于透光开口之内的量子点图案；

6)剥离微通道器件，干燥得到嵌设于图案化金属层中的量子点色转换层；

7)沉积覆盖量子点色转换层所在区域的DBR层；

8)将透明基底与蓝光Micro-LED芯片阵列键合，使Micro-LED芯片阵列的芯片单元与图案化金属层的透光开口一一对应，得到Micro-LED全彩显示器件。

可选的，所述图案化金属层的材料为Cr、Al、Ti或Cu等不透明金属，厚度为2～5微米。

可选的，所述图案化金属层的形成方法为：在所述透明基底上沉积金属层，在金属层上涂覆光刻胶，利用光刻技术制备光刻胶的图案，以光刻胶图案为掩膜腐蚀所述金属层至透明基底露出，剥离光刻胶。

可选的，所述图案化金属层的形成方法为：在所述透明基底上涂覆光刻胶，利用光刻技术制备光刻胶的图案，以光刻胶图案为掩膜沉积金属，然后剥离光刻胶。

可选的，所述金属采用磁控溅射PVD、电子束蒸发或热蒸镀工艺沉积。

可选的，步骤5)中，通入所述惰性气体的压力为10-400mbar。

可选的，所述DBR层包括交替堆叠的二氧化钛层和二氧化硅层，堆叠周期为10.5-20.5周期。根据两层叠加不同厚度测算出其在蓝光发光波段区域的最大反射率，不同厚度与不同堆叠周期保证对蓝光波段的反射率在90％以上。

可选的，所述二氧化钛层的厚度为30-50nm，所述二氧化硅层的厚度为50-80nm。

由上述制备方法制备的高品质Micro-LED全彩显示器件，包括蓝光Micro-LED芯片阵列和键合于蓝光Micro-LED芯片阵列上的透明基底，所述透明基底表面设有图案化金属层，所述图形化金属层开设有与所述蓝光Micro-LED芯片阵列的芯片单元一一对应的透光开口，部分透光开口内设有量子点色转换层，量子点色转换层所在区域上方覆盖DBR层。

本发明的有益效果为：

1)金属层阵列开口中直接沉积量子点，工艺简单、厚度可控、成本低。将具有透光开口阵列的金属层作为量子点沉积区域，无需对透明的基底进行任何处理，降低器件制备成本，适用于玻璃等刚性基底和柔性的聚合物基底。待量子点颗粒沉积一定时间后再通过流体排出多余的液体，实现量子点在金属层阵列开口中更充分沉积，通过沉积时间实现量子点厚度的可控调节。

2)不透明的金属部分降低子像素点之间的光窜扰，提升Micro-LED全彩显示器件的光品质。在金属层阵列的透光区域中沉积的红色和绿色量子点可被底部蓝光Micro-LED芯片发出的蓝光激发分别发出红、绿光，且未沉积量子点的开口阵列发出蓝光，实现全彩化显示。同时子像素点之间的金属层为不透光材质，子像素点之间的红、绿、蓝光只能从预设的阵列区域透射出来，降低相同颜色和不同颜色子像素点发射的光之间的窜扰，提升Micro-LED器件的光品质。

附图说明

图1至图12为实施例1的制备方法中各步骤的示意图，其中图12为实施例1得到的高品质Micro-LED全彩显示器件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

实施例1

参考图1至图12，实施例的基于微流控技术的高品质Micro-LED全彩显示器件的制备方法步骤如下：

1.玻璃基板清洗。以玻璃基板作为透明基底，将透明的玻璃基板放入丙酮溶液浸泡中，在功率为100％的条件下超声20分钟，再放入酒精溶液中且超声20分钟，再用食人鱼溶液(H

2.不透光金属铬层沉积。通过磁控溅射PVD、电子束蒸发、热蒸镀等方法在玻璃基板1上沉积一层2-5微米的金属层。本技术方案采用的磁控溅射的方式沉积铬层2，其中射频功率设置为60W，氩气流量为120/60sccm，气体压强为5帕，预溅射时间设置为20s，

正式溅射时间为1.5小时，沉积厚度为3微米的不透光铬层，沉积后的形貌如图1所示。

3.光刻形成图案化掩模。使用匀胶机将光刻胶3旋涂于铬层2表面，依次经过前烘、曝光、反转烘、泛曝、显影形成图案化光刻胶掩模图案。图案化光刻胶掩模图形如图2所示。

4.刻蚀溶液配制。铬层刻蚀溶液主要采用硝酸铈铵200g、醋酸溶度为98％溶液共35mL，并加入去离子水1000mL，使其充分溶解。

5.铬层的腐蚀。将步骤3得到的图案化光刻胶未掩模的区域采用步骤4配置的铬刻蚀液浸泡至完全去除未被光刻胶掩模的图案化区域的铬层，被光刻胶掩模的区域底部的铬层不被刻蚀，腐蚀完的区域形成裸露玻璃基板的透光开口21的阵列。如图3所示。

6.光刻胶去除。将刻蚀后的基板放入丙酮溶液中，并在功率为100％的条件下超声20分钟，再将其放入酒精溶液中超声10分钟，并用去离子水冲洗2分钟，确保铬层上的光刻胶能够充分去除干净。去除后在铬层上形成透光开口21的阵列，透光开口21的底部与铬层2表面的高度差即为铬层的厚度，即透光开口21的深度等于铬层的厚度，如图4所示。

7.微流控通道器件制备。通过热压成型、模塑成型、注塑成型等方法制备微流控器件，本技术方案以透明的微通道器件4为例进行说明，如图5所示，其中微通道器件包括进/

出口，以及可以分别注入不同量子点溶液的微通道41，微通道41为条型槽结构，两端分别形成进液口和出液口，微通道41的宽度可大于或者等于步骤6的透光开口21的宽度，微通道主要用于将红色和绿色量子点溶液通入对应的铬层中的透光开口区域中。

8.微通道器件4与玻璃基板1键合。分别将待注入红色、绿色的微通道与待沉积量子点的透光开口区域进行精准键合，使每一微通道对应与一排或一列透光开口21配合导通。

9.微通道量子点溶液注入。采用压力进样器、流速控制器等方式将红色量子点溶液R、绿色量子点溶液G注入两条独立微通道41内部，多余的量子点溶液从出液口排出待重复利用，使得量子点溶液充满整个微通道，相应的透光开口21内也充满量子点溶液。如图6所示。待量子点溶液充满整个微通道时，静置使量子点颗粒充分沉积于透光开口21之内。

10.量子点溶液的排出。分别在进液口中通入60mbar压力的惰性气体(如氮气、氩气等)将微通道41中的铬层表面上的量子点溶液排出而不影响沉积于透光开口21之内的量子点溶液，在适当压力的气体通入下，量子点溶液能够均匀沉积于透光开口21之内。如图7所示。

11.微通道器件4剥离。微通道中多余的量子点溶液排出后，将微通道器件4从玻璃基板1上剥离，则在铬层的部分透光开口21的阵列中均匀沉积有红色量子点溶液R和绿色量子点溶液G，部分透光开口21的阵列中不沉积量子点溶液，如图8所示。

12.量子点沉积。通过空气中自然静置挥发24小时或者低温40℃烘烤使量子点溶液中的溶剂挥发后，于部分透光开口中形成量子点色转换层，包括红色量子点R和绿色量子点G。

如图9所示。

13.布拉格反射镜(DBR)沉积。将具有量子点图案的基板表面区域形成DBR层5，具体采用原子层沉积的方式在其表面交替沉积两周期厚度为48nm的二氧化钛和77nm的二氧化硅层，形成防止蓝光泄露层，提高量子点的转换率，同时可作为隔离保护层。如图10所示。其中未沉积量子点的透光开口区域表面不沉积DBR层。

14.蓝光Micro-LED芯片阵列制备。以透明的蓝宝石为衬底，先后经过MOCVD制备外延层各层薄膜，以及清洗、光刻、涂胶、显影、刻蚀、溅射、蒸镀、键合等典型的制备工艺步骤制备蓝光Micro-LED芯片阵列6，该阵列单颗芯片峰值波长为450nm的蓝光，

Micro-LED芯片阵列结构如图11所示。

15.Micro-LED芯片阵列6与玻璃基板1键合，制备色转换Micro-LED全彩显示器件。如图12所示，通过高精度键合机利用铬层上用于蓝光发射区域的透光性作为对标(即未沉积量子点的透光开口21)，将Micro-LED芯片单元61与透光开口21一一对应，即与色转换层中量子点沉积区域的和蓝光透光区域的子像素点一一对应，在金属层阵列的透光区域中沉积的红色和绿色量子点可被底部蓝光Micro-LED芯片发出的蓝光激发分别发出红、绿光，且未沉积量子点的透明金属阵列发出蓝光，实现全彩化显示。其中有铬层2遮蔽的区域，蓝光无法透过铬层激发铬层表面的残留的量子点溶液。

参考图12，得到的高品质Micro-LED全彩显示器件，包括蓝光Micro-LED芯片阵列6和键合于蓝光Micro-LED芯片阵列6上的玻璃基板1，玻璃基板1表面设有图案化金属层2，图形化金属层2开设有与蓝光Micro-LED芯片阵列的芯片单元61一一对应的透光开口21，部分透光开口21内设有量子点色转换层，包括红色量子点R和绿色量子点G，量子点色转换层所在区域上方覆盖DBR层5。

此外，后续还有封装等常规步骤。

本发明的技术主要分为四部分组成：

一、阵列化透光的金属层制备。主要有两种方案实现：(1)在透明基底上沉积金属层，再利用光刻技术制备光刻胶的图案，并以此为掩模腐蚀金属，使透明基底露出，得到阵列化透光的金属层。(2)透明基底上旋涂光刻胶，经过光刻制备光刻胶的阵列图案，再进行金属的沉积，进一步剥离光刻胶，得到阵列化透光的金属层。

二、量子点在阵列化透光的金属层中的沉积。将微通道的图案与透光的金属层的阵列进行对准，保证红色和绿色量子点溶液通过微通道注入到预设的透光的金属层阵列中。通过注射泵将量子点溶液注入到微通道中，使得微通道内部充满量子点溶液，待透光的金属层阵列中均匀沉积量子点溶液时，利用流体将微通道内部的量子点溶液排出待重复利用，并剥离微通道。由于金属层阵列具有一定的深度，阵列内的量子点无法排出，待溶剂挥发形成量子点图案。

三、布拉格反射镜(DBR)制备。将具有量子点填充金属层通过原子层沉积的方法沉积数个周期的二氧化钛和二氧化硅薄膜，作为布拉格反射镜，防止下一步与蓝光Micro-LED芯片键合后的蓝光泄露，将多余的蓝光反射回量子点图案中，提高量子点的色转换转换率，同时可作为隔离保护层。

四、色转换层与蓝光Micro-LED键合。将蓝光Micro-LED的芯片与色转换基板的像素点阵列和未沉积量子点的透明阵列进行一一对应，制备量子点色转换Micro-LED全彩显示器件，通过子像素点之间的金属作为阻挡层，可以避免子像素点之间的光窜扰，提升光品质。

本发明的图案化金属层即可用于光透过区域的限定以避免光串扰，由于其具有一定厚度，在工艺上又可与微流控技术相结合作为量子点沉积区域的限定，提升品质的同时提升了工艺精确度并简化了步骤，提升了制作效率，具有突出的特点。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于微流控技术的高品质Micro-LED全彩显示器件及制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。