专利名称：一种有源选址单片式led微显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED微显示技术领域，特别涉及一种利用倒装焊技术的有源选址单片式LED微显示器。
背景技术：
单片式LED阵列显示已被广泛用于各种应用，如LED大屏幕、DNA检测芯片等。现有的LED微型显示器都是采用无源选址的方式进行驱动，即每一行的LED像素的N电极连接在一起接到行扫描，每一列LED像素的P电极连接在一起接到列扫描。当扫描信号加在某一特定的行和列时，该行和该列交叉处的LED就会被选通，电流流过该LED，该LED就会发光。这种无源选址LED显示器存在很多技术问题
第一，无源选址的LED微型显示器受“负载效应”的限制，即外围驱动芯片的驱动能力是恒定的，比如对每一行的驱动能力为100毫安电流。如果某一行有8个LED像素点亮，则每个LED像素的电流为100毫安/8 = 12. 5毫安；然而,假如另外一行有4个LED像素点亮，则每个LED像素的电流为100毫安/4 = 24毫安。LED本身是电流型器件，流过的电流大小直接决定LED的发光亮度。这样就造成点亮像素数目不同的行之间的亮度不均匀。第二，无源选址的LED微型显示器存在“串扰”的问题，即选通LED像素周围的其他像素会由于信号串扰而处于点亮和熄灭之间的不定状态，从而使图像失真。第三，无源选址LED微型显示器的像素分辨率受限于外围驱动芯片的最大驱动能力。当分辨率增加，即每行和每列的像素数目增加时，每个LED像素所分的的驱动电流就会按比例减小。当像素数目很大时，为保证每个LED像素的亮度，这对外围驱动芯片提出了很大的挑战。第四，无源选址LED微型显示器中，驱动电流直接流过数目繁多的行扫描和列扫描线，大量的电能消耗在信号线的寄生电阻和电容上面。这样产生了大量的热量，并且降低了电能利用率。因此，亟需开发新的技术以提高单片式LED阵列的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何克服传统的无源选址的LED阵列的阵列尺寸和像素的亮度受限于在同一行或列的“负载效应”，以及如何提高电能利用率。为此，本发明提出了一种有源选址单片式LED微显示器，该有源选址单片式LED微显示器通过倒装芯片技术把有源选址硅基板和LED微型阵列集成到一起的方式获得。在有源选址LED微型显示器中，每一个LED像素均由对应的晶体管像素驱动电路来进行驱动。驱动电流的大小取决于所加的信号电压大小，这样大大增加了驱动能力，解决了“负载效应”，提闻了电能利用率。本发明另外的优点、目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下面的说明的考察将是明显的或从本发明的实施中学到。通过在文字的说明书和权利要求书及附图中特别地指出的结构可实现和获得本发明目的和优点。本发明提供了一种有源选址单片式LED微显示器，包括LED阵列和硅基有源驱动基板，所述LED阵列和硅基有源驱动基板通过倒装芯片技术键合在一起，其特征在于，所述LED阵列包括多个LED像素，每一行LED像素的N电极均连接到总线，所述总线连接到每一行最右端的公共阴极，所述每一行LED像素的P电极相互独立，在每一个P电极上都有一个金属焊盘，金属焊盘通过焊球分别连接到所述硅基有源驱动基板的输出端；所述硅基有源驱动基板包括电源、数据信号输入端、扫描信号输入端和多个像素驱动电路，每个所述像素驱动电路为对应的一个所述LED像素提供驱动电流；每个所述像素驱动电路包括第一P-MOS晶体管、第二P-MOS晶体管和一个电容，所述第一 P-MOS晶体管作为开关晶体管,所述第二 P-MOS晶体管作为驱动晶体管；
所述第一 P-MOS晶体管的栅极与所述扫描信号输入端相连，漏极与所述数据信号 输入端相连，源极与所述第二 P-MOS晶体管的栅极相连，所述第二 P-MOS晶体管的栅极和源极之间连接所述电容，所述第二 P-MOS晶体管的源极连接所述电源，所述第二 P-MOS晶体管的漏极作为所述硅基有源驱动基板的输出端，所述输出端与所述LED像素的P电极相连。根据本发明一优选实施例，数据信号通过所述第一 P-MOS晶体管加到所述第二P-MOS晶体管的栅极，并同时被储存在所述电容中。根据本发明一优选实施例，在所述LED阵列中的每一个LED像素的P电极上制作金属焊盘，同时在每个所述像素驱动电路的输出端制作金属焊球，通过回流处理，将所述金属焊盘和所述金属焊球键合在一起。根据本发明一优选实施例，所述LED像素依次由蓝宝石衬底、n型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层、镍金叠层和二氧化硅层组成，在二氧化硅层的上面开孔并露出倒装焊的焊盘区域，并且在LED像素的P电极和N电极区域沉积钛铝合金叠层作为电极。根据本发明一优选实施例，所述第一 P-MOS晶体管和第二 P-MOS晶体管可以为p沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管、n沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管、n_型非晶硅薄膜晶体管、P型非晶硅薄膜晶体管、n-型聚晶体硅薄膜晶体管、p型多晶硅薄膜晶体管、n型SOI晶体管或p型SOI晶体管。根据本发明一优选实施例，所述第二 P-MOS晶体管的宽长比足够大，以保证有足够的输出电流来驱动所述LED像素。根据本发明一优选实施例，所述第二 P-MOS晶体管的宽长比=900微米/5微米。根据本发明一优选实施例，所述LED阵列为为8X8的LED阵列，其包含有64个发光波长为440纳米的的LED像素，所述LED像素发出的光为蓝光。根据本发明一优选实施例，所述硅基有源驱动基板上的像素驱动电路为8X8的像素驱动电路。根据本发明一优选实施例，所述64个像素驱动电路都具有相同的驱动能力，以使所述LED像素的亮度一致。无源选址驱动模式中，通过电流通过LED像素靠外部驱动IC来提供，因此每个LED像素驱动电流受限于每行或每列像素数目。本发明提供的有源选址单片式LED微显示器采用有源选址驱动方式，每个LED像素驱动电流来自于每个像素驱动电路的驱动晶体管，只要驱动晶体管宽长比设计的足够大，每个LED像素驱动电流将完全不受限于像素数目和分辨率。因此可以轻松实现大面积高分辨率的LED显示器，具有很高的实际应用价值。
图I为无源选址LED微显示器的电路结构示意图。图2为图I中无源选址LED微显示器的俯视图。图3为根据本发明实施方式的、有源选址单片式LED微显示器的构成示意图。
图4为根据本发明实施方式的、分辨率为8x8的LED阵列的示意图。图5为根据本发明实施方式的、分辨率为8x8的LED阵列中一行之中8个LED像素在注入电流为20毫安时的开启电压的分布图。图6为根据本发明实施方式的、硅基有源选址基板上的像素驱动电路的示意图。图7为根据本发明实施方式的、图4中的两个相邻的LED像素横断面图。图8为根据本发明实施方式的、8X8的硅基有源选址基板上的LED像素驱动电路的俯视图。图9为根据本发明实施方式的、硅基有源选址基板上的像素驱动电路结构图。图10为根据本发明实施方式的、一个典型的单个LED像素和其有源驱动像素驱动电路的电流-电压曲线。图IlA和IlB分别为8x8硅基有源选址LED微显示器所有像素全部点亮和部分点売时的照片。图12为根据本发明实施方式的、硅基有源选址基板上制备的凸点的显微照片。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。图I为无源选址LED微显示器100的电路结构示意图。该无源选址LED微显示器包含一定数目的LED像素101,且LED像素101排列为一个具有特定分辨率的阵列。同一行中的LED像素的N电极连接到行公共主线102，同一列中LED像素的P电极连接到列公共主线 103。图2为图I中无源选址LED微显示器的俯视图。图3为根据本发明实施方式的有源选址单片式LED微显示器104的构成示意图。所述LED微显示器104包括LED阵列105和硅基有源驱动基板106。在本发明中，LED阵列105和硅基有源驱动基板106通过倒装芯片技术键合在一起。倒装芯片技术是微电子行业中较为成熟的一种键合技术，其利用焊球和焊盘的互相连接来实现顶部芯片和底部芯片的互联。在本发明中，在LED阵列105的每一个LED像素101的的P电极上面制作金属焊盘。同时在硅基有源驱动基板106的每一个像素驱动电路的输出端制作金属焊球。然后把LED阵列翻转使其金属焊盘的一面对准硅基有源驱动基板106制备焊球的一面。对准后进行回流处理，金属焊球融化从而和金属焊盘键合在一起。这样LED阵列105和硅基有源驱动基板106就键合在一起了。图4所示为分辨率为8x8的LED阵列105，包含有64个LED像素101 (发光波长为440纳米，蓝光)。每一行LED像素的N电极均连接到总线102，然后总线102连接到每一行最右端的公共阴极116。每一行中LED像素的P电极互相独立，在每一个P电极上都有一个金属焊盘117，金属焊盘117通过焊球分别连接到硅基有源驱动基板的输出端。图5为根据本发明实施方式的、分辨率为8x8的LED阵列中一行之中8个LED像素在注入电流为20晕安时的开启电压的分布图。如图5所不，横轴表不每个LED像素的开启电压，纵轴表示注入电流，在本实施方式中，所述注入电流为20毫安。由图5可以看出，按照离公共阴极116的由近及远的关系，这8个LED像素的开启电压由3. 3伏到3. 7伏逐渐增大。这是因为对于距离公共阴极116越远的LED像素，流过其中的电流要经过较长距离的N型氮化镓材料，而N型氮化镓材料的电阻会导致开启电压的增加。图6为根据本发明实施方式的、硅基有源选址基板上的像素驱动电路的示意图，所述像素驱动电路包括两个P-MOS晶体管和I个电容(2T1C配置)。晶体管Tl作为一个开关晶体管和T2作为驱动晶体管。扫描信号(VSelect)加到Tl的栅极并把Tl打开，然后数据信号(Vdata)通过Tl加到驱动晶体管T2的栅极，并同时被储存在电容Cl中。然后T2将提供输出电流点亮LED像素。驱动晶体管T2的宽长比(W/L)设计的足够大，以保证足够 的输出电流的来驱动LED像素。在本发明的一实施方式中，驱动晶体管T2的宽长比W/L = 900微米/5微米。图7为图4中的两个相邻的LED像素107的横断面图。其工艺步骤如下首先在衬底108上一次生长n型氮化镓层109，多量子阱层110，以及p型氮化镓层111.然后沉积一层二氧化硅材料作为掩膜并利用电导耦合等离子刻蚀(ICP)设备进行刻蚀，刻蚀深度一直到衬底108。这一步的作用是把不同的行之间进行绝缘。然后再沉积一层二氧化硅作为掩膜并用ICP进行刻蚀，刻蚀深度到n型氮化镓109。这一步的作用是定义LED像素的有源区域，即LED像素的发光区域。之后沉积镍金叠层112作为电流扩散层，镍的厚度为5纳米，金的厚度为5纳米。之后在570度空气气氛下退火5分钟以增加电流扩散层和p型氮化镓之间的欧姆接触。之后在LED像素的P电极和N电极区域沉积钛铝合金叠层113作为电极。最后再沉积一层二氧化硅114作为钝化层，并在114上面开孔并露出倒装焊的焊盘区域。LED阵列的制备工艺至此完成。硅基有源选址基板的制备工艺如下首先在(100)晶向单晶硅衬底上面做出N阱区域。然后以氮化硅作为掩膜生长场氧并定义出晶体管的有源区域。之后沉积一层很薄的二氧化硅(如10纳米)作为栅养。之后沉积一层多晶硅作为并定义出栅电极，并进行离子注入。之后沉积一层较厚(如500纳米)的二氧化硅作为钝化层并在其上开出接触孔。之后沉积一层铝硅合金并定义出栅电极，源漏电极以及互联线。最后进行退火以改善欧姆接触。硅基有源选址基板的制备工艺至此完成。倒装芯片技术的步骤如下首先把LED阵列芯片的蓝宝石衬底减薄至80微米左右，然后进行抛光处理直到蓝宝石沉底变至透明。然后再硅基有源选址基板上沉积一层较厚(如I微米)的二氧化硅作为钝化层并在其上开出通孔。然后沉积一层钛钨铜作为仔晶层，钛钨厚度为30纳米，铜厚度为500纳米。然后旋涂光刻胶AZ4903到硅基有源选址基板表面并按照倒装焊凸点的分布开出相对应的图形。然后利用电镀的方法在硅基有源选址基板表面沉积8微米后的铜和22微米厚的焊料层。由于光刻胶AZ4903的保护，只有特定区域才有电镀层出现。电镀完成后去掉光刻胶以及多余的仔晶层，并把基板放进回流炉进行回流。回流之后焊料层就会变成球状的凸点。然后把LED阵列倒扣在硅基板上进行对准，对准之后再做一次回流。这样硅基板上的凸点就会和LED阵列上的焊盘键合在一起。倒装芯片工艺至此完成。图8为根据本发明实施方式的、8X8的硅基有源选址基板上的LED像素驱动电路的俯视图。该硅基有源选址基板面板包括8X8像素驱动电路201，电源VDD 202，接地端203，数据信号输入端204和扫描信号输入端205。像素驱动电路201中的晶体管可以但不限于P沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管组成的组；11沟道金属氧化物半导体(NM0S管)晶体管；n-型非晶硅薄膜晶体管(N-A型薄膜电晶体驱动电路201) p型非晶硅薄膜晶体管(P型电晶体的a-Si)n-型聚晶体硅薄膜晶体管(P_n型非晶矽薄膜电晶体)；p型多晶硅薄膜晶体管(P-P型薄膜电晶体)型SOI晶体管和/或p型SOI晶体管。图9为根据本发明实施方式的、硅基有源选址基板上的像素驱动电路结构图。所 述像素驱动电路包括两个P-MOS晶体管和I个电容(2T1C配置)。晶体管Tl作为一个开关晶体管和T2作为驱动晶体管。晶体管Tl的栅极与所述扫描信号输入端相连，漏极与所述数据信号输入端相连，源极与晶体管T2的栅极相连，晶体管T2的栅极和源极之间连接所述电容，晶体管T2的源极连接电源，晶体管T2的漏极作为所述像素驱动电路的输出端，所述输出端与所述LED像素的P电极相连。LED微显示器的像素驱动电路的工作原理如下扫描信号(VSelect)加到Tl的栅极并把Tl打开，然后数据信号(Vdata)通过Tl加到驱动晶体管T2的栅极，并同时被储存在电容Cl中。然后T2将提供输出电流点亮LED像素。驱动晶体管T2的宽长比(W/L)设计的足够大，以保证足够的输出电流的来驱动LED像素。以每个显示周期为10毫秒为例，在每个周期内扫描信号和数据信号只会在极短的时间(0.5毫秒)内施加到扫描晶体管和驱动晶体管，同时数据信号会存储在电容Cl中。当扫描信号和数据信号结束后，存储在Cl中的电压会继续保持驱动晶体管的开启状态，从而在每个周期剩余的9. 5毫秒的时间内保持驱动电流持续流过LED，该LED像素就会在整个10毫秒周期内持续处于点亮状态。相反的，在无源选址驱动模式中，扫描信号和数据信号脉冲结束后，流过LED像素的电流随之消失，LED像素随之关闭。也就是说，无源选址驱动模式的每个像素点亮时间只有0. 5毫秒，其余9. 5毫秒均处于关闭状态。图10为根据本发明实施方式的、一个典型的单个LED像素和其有源驱动像素驱动电路的电流-电压曲线。可以看出单个像素驱动电路可以提供多达50毫安的电流给LED像素，并且整个8x8的阵列中所有64个像素驱动电路都具有相同的驱动能力，所以LED像素的亮度会一致，以保证显示图片的质量。图IlA和IlB分别为8x8硅基有源选址LED微显示器所有像素全部点亮和部分点売时的照片。图12为根据本发明实施方式的、硅基有源选址基板上制备的凸点的显微照片。虽然本发明以8x8的LED阵列进行了说明，但是本领域技术人员可以理解，本发明并不限于8x8的LED阵列，本发明同样可以适用于其他NxN的LED阵列。以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种有源选址单片式LED微显示器，包括LED阵列和硅基有源驱动基板，所述LED阵列和硅基有源驱动基板通过倒装芯片技术键合在一起，其特征在于， 所述LED阵列包括多个LED像素，每一行LED像素的N电极均连接到总线，所述总线连接到每一行最右端的公共阴极，所述每一行LED像素的P电极相互独立，在每一个P电极上都有一个金属焊盘，金属焊盘通过焊球分别连接到所述硅基有源驱动基板的输出端； 所述硅基有源驱动基板包括电源、数据信号输入端、扫描信号输入端和多个像素驱动电路，每个所述像素驱动电路为对应的一个所述LED像素提供驱动电流； 每个所述像素驱动电路包括第一 P-MOS晶体管、第二 P-MOS晶体管和一个电容，所述第一 P-MOS晶体管作为开关晶体管,所述第二 P-MOS晶体管作为驱动晶体管； 所述第一 P-MOS晶体管的栅极与所述扫描信号输入端相连，漏极与所述数据信号输入端相连，源极与所述第二 P-MOS晶体管的栅极相连，所述第二 P-MOS晶体管的栅极和源极之间连接所述电容，所述第二P-MOS晶体管的源极连接所述电源，所述第二P-MOS晶体管的漏极作为所述硅基有源驱动基板的输出端，所述输出端与所述LED像素的P电极相连。
2.根据权利要求I所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，数据信号通过所述第一 P-MOS晶体管加到所述第二 P-MOS晶体管的栅极，并同时被储存在所述电容中。
3.根据权利要求I所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，在所述LED阵列中的每一个LED像素的P电极上制作金属焊盘，同时在每个所述像素驱动电路的输出端制作金属焊球，通过回流处理，将所述金属焊盘和所述金属焊球键合在一起。
4.根据权利要求I所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，所述LED像素依次由蓝宝石衬底、n型氮化镓层、多量子阱层、p型氮化镓层、镍金叠层和二氧化硅层组成，在二氧化硅层的上面开孔并露出倒装焊的焊盘区域，并且在LED像素的P电极和N电极区域沉积钛铝合金叠层作为电极。
5.根据权利要求I所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，所述第一P-MOS晶体管和第二 P-MOS晶体管可以为p沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管、n沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管、n-型非晶硅薄膜晶体管、p型非晶硅薄膜晶体管、n-型聚晶体硅薄膜晶体管、P型多晶硅薄膜晶体管、n型SOI晶体管或p型SOI晶体管。
6.根据权利要求I所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，所述第二P-MOS晶体管的宽长比足够大，以保证有足够的输出电流来驱动所述LED像素。
7.根据权利要求6所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，所述第二P-MOS晶体管的宽长比=900微米/5微米。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，所述LED阵列为8X8的LED阵列，其包含有64个发光波长为440纳米的的LED像素，所述LED像素发出的光为蓝光。
9.根据权利要求8所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，所述硅基有源驱动基板上的像素驱动电路为8X8的像素驱动电路。
10.根据权利要求9所述的有源选址单片式LED微显示器，其特征在于，所述64个像素驱动电路都具有相同的驱动能力，以使所述LED像素的亮度一致。
全文摘要
本发明公开了一种有源选址单片式LED微显示器，包括LED阵列和硅基有源驱动基板，所述LED阵列和硅基有源驱动基板通过倒装芯片技术键合在一起，所述硅基有源驱动基板包括电源、数据信号输入端、扫描信号输入端和多个像素驱动电路；每个所述像素驱动电路包括第一P-MOS晶体管、第二P-MOS晶体管和一个电容，所述第一P-MOS晶体管作为开关晶体管，所述第二P-MOS晶体管作为驱动晶体管。在本发明中，每一个LED像素均由对应的晶体管像素驱动电路来进行驱动。驱动电流的大小取决于所加的信号电压大小，这样大大增加了驱动能力，解决了“负载效应”，提高了电能利用率，具有很高的实际应用价值。
文档编号G09G3/32GK102750904SQ20121024811
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者俞捷, 刘召军, 刘纪美, 庄永漳, 黄嘉铭 申请人:刘纪美