具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的基于Micro-LED的片上传感集成装置的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种基于Micro-LED的片上传感集成装置，附图1是本发明具体实施方式中基于Micro-LED的片上传感集成装置的结构示意图，附图2A-2D是本发明具体实施方式中光敏有机薄膜晶体管的四种结构示意图，附图3A是本发明具体实施方式中基于底栅底接触型结构的光敏有机薄膜晶体管与Micro-LED芯片集成的结构示意图，附图3B是本发明具体实施方式中基于底栅顶接触型结构的光敏有机薄膜晶体管与Micro-LED芯片集成的结构示意图，附图4A-4B是本发明具体实施方式中光电二极管的两种结构示意图，附图5A是附图4A中的光电二极管与Micro-LED芯片集成的结构示意图，附图5B是附图4B中的光电二极管与Micro-LED芯片集成的结构示意图，附图6A是本发明具体实施方式中基于Micro-LED的片上传感集成装置的电路图，附图6B是图6A中虚线框内的单个像素的电路原理图，附图7是本发明具体实施方式中光敏有机薄膜晶体管、光电二极管与Micro-LED芯片集成的结构示意图。。如图1、图2A-图2D、图4A-图4B、图5A-图5B、图6A-图6B和图7所示，所述基于Micro-LED的片上传感集成装置，包括：

衬底100；

Micro-LED芯片200，位于所述衬底100上，作为基于Micro-LED的片上传感集成装置的背光光源，所述Micro-LED芯片200包括沿垂直于所述衬底100的方向依次叠置的缓冲层1100、N-GaN层1200、多量子阱层1300、P-GaN层1400和芯片阳极1500；

第一封装层300，覆盖所述衬底100并包覆所述Micro-LED芯片200；

功能传感结构400，位于所述第一封装层300上，且与所述Micro-LED芯片200错开设置，所述功能传感结构300包括光敏有机薄膜晶体管、光电二极管中的一种或者两者的组合，所述光敏有机薄膜晶体管包括栅电极1700、介电层1800、源电极1901、漏电极1902和有机半导体层2000，所述光电二极管包括二极管阳极3000、空穴传输层3100、有源层3200、电子传输层3300和二极管阴极3400，所述光敏有机薄膜晶体管和所述光电二极管的制程温度均低于200℃；

第二封装层500，至少包覆所述功能传感结构400。

具体来说，所述衬底100可选择蓝宝石衬底、硅衬底、GaN衬底、碳化硅衬底、或者氧化锌衬底。在所述衬底100上还可以设置有缓冲层1100，所述Micro-LED芯片200通过外延生长，制备在所述缓冲层1100之上。所述缓冲层1100用以与外延生长薄膜形成较好的晶格匹配，热膨胀系数匹配，可选地可以采用SiO₂材料来形成所述缓冲层1100。所述Micro-LED芯片200自下而上包括：N-GaN层1200、多量子阱层(MQW)1300、P-GaN层1400和芯片阳极1500。所述芯片阳极1500的材料可以为金属、金属氧化物、或者金属纳米线。其中，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物。优选地，所述芯片阳极1500采用高透光率的电极材料形成，如氧化铟锡。

在所述基于Micro-LED的片上传感集成装置中，所述Micro-LED芯片200作为背光光源，所述功能传感结构400用于实现光传感。所述功能传感结构400中的所述光敏有机薄膜晶体管和/或所述光电二极管可以是在所述Micro-LED芯片200的外延生长工艺结束之后，制备于所述第一封装层300之上。所述功能传感结构400还包括用于实现所述光敏有机薄膜晶体管和/或所述光电二极管光传感功能的功能电路。所述光敏有机薄膜晶体管、所述光电二极管及其功能电路的制备工艺均为低温工艺，且所述光敏有机薄膜晶体管、所述光电二极管及二者功能电路的全部工艺实施的温度需要在低于200℃。举例来说，所述光敏有机薄膜晶体管、所述光电二极管及二者功能电路可以采用真空工艺或溶液法工艺制备完成，优选的，采用低温溶液法工艺制备完成。所述光敏有机薄膜晶体管是指具有光敏特性的有机薄膜晶体管(OTFT)。

所述第一封装层300位于所述Micro-LED芯片200的所述芯片阳极1500之上，且覆盖所述衬底100并包覆所述Micro-LED芯片200。所述第二封装层500位于所述功能传感结构400之上，并至少包覆所述功能传感结构400。在一示例中，所述第二封装层500包覆所述功能传感结构400，并覆盖所述第一封装层300。

可选的，所述第一封装层300和所述第二封装层500均为有机封装层、无机封装层、或者包括有机材料和无机材料形成的混合封装层。在一示例中，所述无机封装层可以为SiO₂、SiN_x等无机介电层薄膜，所述有机封装层可以为有机介电层薄膜(例如Parylene(聚对二甲苯)或者CYTOP(全氟环状聚合物)等)。

所述第一封装层300和所述第二封装层500的材料可以均为具有高透光率的封装材料，以便于实现光信号的传感。本具体实施方式中所述的高透光率是指光透过率在90％以上。

可选的，所述功能传感结构400包括所述光敏有机薄膜晶体管和所述光电二极管；

所述光敏有机薄膜晶体管和所述光电二极管电连接。

可选的，在沿所述衬底100指向所述功能传感结构400的方向所述，所述光电二极管位于所述光敏有机薄膜晶体管的上方；所述基于Micro-LED的片上传感集成装置还包括：

过孔，沿垂直于所述衬底200的方向延伸，所述过孔的一端暴露所述光敏有机薄膜晶体管、另一端薄膜所述光电二极管；

填充层700，填充于所述过孔内，用于电连接所述光敏有机薄膜晶体管和所述光电二极管。

具体来说，所述第一封装层300和所述第二封装层500中还可以具有包括过孔的互连微结构，用以实现所述功能传感结构400内部的电学连接以及电极引出。其中，所述过孔可以采用激光、干法刻蚀等方法实现。在一示例中，所述过孔采用干法刻蚀工艺形成。所述互连微结构可以包括过孔和填充于所述过孔内的所述填充层700。所述填充层700的材料可以为低电阻材料。举例来说，所述填充层700的材料为导电聚合物、金属及碳基的导电浆料、导电聚合物、碳基导电物、金属氧化物、金属纳米线、金属、金属氧化物纳米颗粒掺杂的导电弹性材料中的一种或者两种以上的组合，其中，所述导电聚合物为pH值酸性或中性的聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯，所述碳基导电物为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物。

可选的，所述光敏有机薄膜晶体管为底栅底接触型结构(如图2A所示)、底栅顶接触型结构(如图2B所示)、顶栅顶接触型结构(如图2C所示)、或者顶栅底接触型结构(如图2D所示)。

具体来说，当所述光敏有机薄膜晶体管作为所述基于Micro-LED的片上传感装置中的光传感器件时，优先采用底栅底接触型结构或者底栅顶接触型结构。当所述光敏有机薄膜晶体管作为所述基于Micro-LED的片上传感装置中的开关器件时，优先采用底栅底接触型结构或者顶栅底接触型结构。

可选的，所述光敏有机薄膜晶体管中的所述有机半导体层2000为p型有机半导体层或者n型有机半导体层。

可选的，所述光敏有机薄膜晶体管中的所述介电层1800为无机介电层、有机介电层中的一种或者两者的组合。

具体来说，所述光敏有机薄膜晶体管中的所述栅电极1700的材料可以为金属材料(例如金、银、铜或者铝)、低电阻率的氧化物材料(氧化铟锡等)。优选的，所述栅电极1700的材料为具有较强光反射能力的低电阻率材料。所述光敏有机薄膜晶体管中的所述介电层1800可以为无机介电层(例如材料为SiO₂、SiN_x、或者Al₂O₃)、有机介电层(例如材料为Parylene(聚对二甲苯)、ES2110、CYTOP(全氟环状聚合物)、或者PVDF(聚偏氟乙烯))。在一示例中，所述介电层1800优选为有机介电层。所述源电极1901和所述漏电极1902可以均为金属电极。举例来说，对于p型光敏有机薄膜晶体管，优先选择高功函数金属电极，比如：金，铂等电极材料；对于n型光敏有机薄膜晶体管，优先选择低功函数金属电极，比如：铝，银等电极材料。所述源电极1901和所述漏电极1902的沉积均可以采用真空工艺(例如蒸镀、溅射等)或溶液法工艺(例如丝网印刷、喷墨打印等)。

所述有机半导体层2000的材料可以为有机小分子半导体，如：TIPS-Pentacene,C₈-BTBT,DNTT等；也可以为聚合物半导体材料，如：C₁₆-IDTBT,PTAA等；也可以为小分子半导体与聚合物半导体的混合组分。所述有机半导体层2000可采用真空工艺(蒸镀工艺)、溶液法工艺制备，优选地，采用低温溶液法工艺制备。其中，溶液法工艺包含：刮涂、狭缝涂布、喷墨打印、旋涂、滴涂、卷对卷涂布。

可选的，所述光电二极管中的所述空穴传输层3100的材料为MoO₃、WO₃、V₂O₅、NiO、氧化石墨烯或PEDOT:PSS。

可选的，所述光电二极管中的所述电子传输层的材料为ZnO、TiO₂、Cs₂CO₃、Ca、Al、PFN或PNDI-1Th。

可选的，所述光电二极管中的所述有源层3200的材料为钙钛矿、ZcPc-Alq₃、并五苯、C₆₀、F8BT-PDI、CNT-C60、P3HT-F8TBT、P3HT-ICBA、P3HT-PC₆₁BM或PTB7-PC₇₁BM。

具体来说，所述光电二极管中的所述二极管阳极300的材料可选用金属、金属氧化物、金属纳米线等，所述金属为金、银、铜、铝或镍等，所述金属氧化物为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物等，优选地，采用高功函数的金属材料，如金，铂等。所述电子传输层3300的材料可选用ZnO、TiO₂、Cs₂CO₃、Ca、Al、PFN或PNDI-1Th等。所述二极管阴极3400的材料可选用金属、金属氧化物、金属纳米线等，所述金属为金、银、铜、铝或镍等，所述金属氧化物为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物等，优选地，采用低功函数的金属材料，如银，铝等。

图6A是所述基于Micro-LED的片上传感集成装置中m×n个像素单元构成的阵列的框图，图6B是一个像素单元的电路原理图。在图6A和图6B所示的结构中，每个所述像素单元均包括所述Micro-LED芯片200、以及所述功能传感结构400，所述功能传感结构400包括所述光敏有机薄膜晶体管和所述光电二极管。其中，所述光电二极管工作在正偏状态或反偏状态。优选地，所述光电二极管工作在反偏状态。若所述光电二极管工作在反偏状态、且所述光敏有机薄膜晶体管为p型光敏有机薄膜晶体管，则所述光电二极管的所述二极管阴极3400与所述光敏有机薄膜晶体管的所述漏电极1902相连接。若所述光敏有机薄膜晶体管为n型光敏有机薄膜晶体管，则所述光电二极管的所述二极管阴极3400与所述光敏有机薄膜晶体管的所述源电极1901相连接。

每个所述像素单元中均包括一个所述Micro-LED芯片200，所述阵列中的所有所述Micro-LED芯片200的芯片阴极均接地，且所有所述Micro-LED芯片200的所述芯片阳极1500短接，以施加阳极电压信号V_anode，用以提供背光光源。所述阵列中每一行的所有所述光敏有机薄膜晶体管的所述栅电极1700短接在一起，通过施加外部电压信号V_scan，以控制每一行所述光敏有机薄膜晶体管的开启与关闭。所述阵列中每一列的所述光敏有机薄膜晶体管的所述源电极1901短接在一起，用以输出传感电流信号I_readout。所述阵列中每个所述光电二极管的所述二极管阳极3000均短接在一起，并连接至GND(接地)。

图7基于光敏有机薄膜晶体管、反偏的光电二极管与Micro-LED芯片集成的结构示意图。如图7所示，所述光敏有机薄膜晶体管和所述光电二极管均位于所述第一封装层300之上，且在沿所述衬底100指向所述Micro-LED芯片200的方向上，所述光电二极管叠置于所述光敏有机薄膜晶体管上方。为了隔离所述光敏有机薄膜晶体管和所述光电二极管，在所述光敏有机薄膜晶体管与所述光电二极管之间还设置有一中间层2100。所述中间层2100的材料可以为无机介电层材料(SiO₂,SiN_x,Al₂O₃等)、或者有机介电层材料(Parylene,ES2110,CYTOP等)。所述中间层2100中具有一沿垂直于所述衬底100的方向贯穿所述中间层2100的过孔，所述填充层700填充于所述过孔内，以电连接所述光电二极管的所述二极管阴极3400与所述光敏有机薄膜晶体管的所述漏电极1902。在如图7所示的结构中，所述光敏有机薄膜晶体管仅作为开关器件，所述光电二极管作为光传感器件。为了有效的屏蔽外部光源，所述光敏有机薄膜晶体管优选为采用顶栅底接触型结构。所述栅电极1700的材料优选具有高反射特性或高吸光特性的电极材料。

本具体实施方式提供的基于Micro-LED的片上传感集成装置，利用光敏有机薄膜晶体管及光电二极管较低的工艺温度(＜200℃)，通过单片集成的方式，将光敏有机薄膜晶体管、光电二极管或其功能电路制备在Micro-LED芯片的第一封装层之上。因为整个工艺均在同一衬底上自下而上完成，所以免去了巨量转移及键结工艺所带来的良率、工艺复杂度、成本等问题，有利于实现基于Micro-LED技术的集成式应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。