CN105552087B - 一种led微型阵列透明显示装置 - Google Patents
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Abstract
一种LED微型阵列透明显示装置，包括透明基板及设置在透明基板上的驱动模块和透明无机半导体LED微型阵列，所述驱动模块与透明无机半导体LED微型阵列电连接，所述透明无机半导体LED微型阵列的各LED芯片可从正面出光或背面的透明衬底出光或正面背面同时出光。本发明具有高透明度和优质的透明显示功能，而且显示内容具有一定的可编程性，功能灵活；并且，该透明显示装置的尺寸小，重量轻，能够适用于可穿戴设备对显示的要求，轻巧便携；同时，该透明显示装置还具有高亮度、长寿命、高可靠性以及分辨率高的特点，能够带来良好的透明显示体验；此外，该透明显示装置是通过标准的半导体工艺即可实现，制备方法简单，具备可量产化的优势。
Description
技术领域
本发明涉及基于LED的微显示技术领域，具体是涉及一种LED微型阵列透明显示装置。
背景技术
透明显示是一种除了具有基本显示功能外，还能显示屏幕画面后方背景（物体）的新一代显示技术，其应用领域涵盖便携式电子消费产品、导航设备、瞄准仪、头盔显示、公共场合中的商店橱窗、信息公告栏等，包括三星等很多面板厂商都在进行透明显示技术研发。目前，基于LCD或OLED的概念型透明显示产品已出现在市场，但存在成本高，显示亮度低，透明性偏低（透射率30-40%）等缺点。另外，基于高亮度，无机半导体材料LED阵列（如GaN LED）的微显示技术近年来发展非常迅速。但是，目前这些基于无机半导体材料制备的LED 阵列不具备透明性，即不能显示屏幕画面后方的背景或目标，其主要原因是传统LED 阵列所用的电极材料和衬底不具备透明性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种尺寸小、轻巧便携、成本低，具有高透明度和优质的透明显示功能，能够带来良好的透明显示体验的LED微型阵列透明显示装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的LED微型阵列透明显示装置，其特点是：包括透明基板及设置在透明基板上的驱动模块和透明无机半导体LED微型阵列，所述驱动模块与透明无机半导体LED微型阵列电连接，且所述透明无机半导体LED微型阵列的各LED芯片可从正面出光或背面的透明衬底出光或正面背面同时出光。
其中，所述透明无机半导体LED微型阵列由能够产生可见光的透明无机半导体外延片制成。
所述透明无机半导体外延片为蓝宝石基GaN/InGaN蓝绿光发光二极管外延片或碳化硅基GaN/InGaN蓝绿发光二极管外延片或硅基GaN/InGaN蓝绿光发光二极管外延片或GaAs基红光外延片。
所述透明无机半导体LED微型阵列为一维线性LED阵列或二维平面LED阵列。
所述透明无机半导体LED微型阵列的各LED芯片是直接通过标准的半导体工艺技术同时集成或转移到透明衬底上。
所述透明无机半导体LED微型阵列的每一列LED芯片共享透明p型电极，每一行LED芯片共享透明n型电极；或者，所述透明无机半导体LED微型阵列的每个LED芯片含有单独的透明p型电极，而所有的LED芯片共享透明n型电极。
所述透明p型电极和透明n型电极均由透明绝缘层隔离，该透明绝缘层为SiO2或SiNx或polyimide或SU8透明绝缘层。
所述透明p型电极和透明n型电极在可见光范围内具有较高的透明性且透射率均不低于70%，同时各透明p型电极和各透明n型电极的电阻均不高于40ohm。
所述透明p型电极和透明n型电极采用的透明电极材料为 ZnO或ITO或IZO或SnO2或Cd2SnO4或IGZO或Ni/Au或Pd或石墨烯或Ag、Cu金属钠米线构成的网络或薄膜。
所述透明p型电极和透明n型电极是通过电子束蒸发装置或磁控溅射装置或脉冲激光沉积装置或原子层沉积装置或CVD生长装置沉积到透明无机半导体LED微型阵列上并由光刻技术结合传统的干法刻蚀法或光刻胶剥离法或湿化学腐蚀法制造而成；或者，所述透明p型电极和透明n型电极是采用喷墨打印技术直接打印纳米材料组成的电极连接到LED芯片上制造而成。
所述透明无机半导体LED微型阵列的各LED芯片的尺寸为1μm-1mm，且各LED芯片之间的间距1μm-1mm。
所述透明无机半导体LED微型阵列的各LED芯片上涂覆有用于实现多色或全色透明显示的荧光粉薄膜。
所述荧光粉薄膜采用的材料为YAG:Ce或CdSe或CdTe。
所述荧光粉薄膜是采用喷墨打印技术直接把含有荧光粉的材料原位打印到各LED芯片上。
所述透明无机半导体LED微型阵列是采用透明衬底生长的LED 晶片制造而成，该透明衬底为GaN或SiC或蓝宝石或玻璃透明衬底；或者，所述透明无机半导体LED微型阵列是采用不透明衬底生长的LED 晶片通过倒装焊接或共晶键合到透明衬底上再以激光剥离法或湿化学腐蚀法或机械剥离法去除顶部的用于生长LED外延层的不透明衬底的方式制造而成，该不透明衬底为硅基LED外延片或GaAs基LED外延片。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明是一种基于无机半导体LED微型阵列的透明显示装置，具有高透明度和优质的透明显示功能，而且显示内容具有一定的可编程性，功能灵活；并且，该透明显示装置的尺寸小，重量轻，能够适用于可穿戴设备对显示的要求，轻巧便携；同时，该透明显示装置还具有高亮度、长寿命、高可靠性以及分辨率高的特点，能够带来良好的透明显示体验；此外，该透明显示装置是通过标准的半导体工艺即可实现，制备方法简单，具备可量产化的优势。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明方案一的平面结构示意图。
图2为本发明方案一的剖面结构示意图。
图3为本发明方案二的平面结构示意图。
图4为本发明方案二的剖面结构示意图。
图5为本发明方案二的显示状态示意图。
图6为本发明的使用状态示意图。
具体实施方式
如图1-图6所示，本发明所述的LED微型阵列透明显示装置，包括透明基板1及设置在透明基板1上的驱动模块2和透明无机半导体LED微型阵列3，所述驱动模块2与透明无机半导体LED微型阵列3电连接，且所述透明无机半导体LED微型阵列3的各LED芯片31可从正面出光或背面的透明衬底32出光或正面背面同时出光。其中，为了使本发明的制造方便，所述透明无机半导体LED微型阵列3由所有能够产生可见光的透明无机半导体外延片制成。优选地，所述透明无机半导体外延片为蓝宝石基GaN/InGaN蓝绿光发光二极管外延片或碳化硅基GaN/InGaN蓝绿发光二极管外延片或硅基GaN/InGaN蓝绿光发光二极管外延片或GaAs基红光外延片，当然也可以是其它发光二极管外延片。而且，为了使本发明的结构多种多样，以方便地满足不同的使用需要，所述透明无机半导体LED微型阵列3为一维线性LED阵列或二维平面LED阵列。同时，为了使本发明的各LED芯片31的制造方便，所述透明无机半导体LED微型阵列3的各LED芯片31是直接通过标准的半导体工艺技术同时集成或转移到透明衬底32上。而且，各LED芯片31的连接结构及连接方式也可以设置成多种多样，既可以是如图3至图5所示，所述透明无机半导体LED微型阵列3的每一列LED芯片31共享透明p型电极33，每一行LED芯片31共享透明n型电极34；可以是如图1至图2所示，所述透明无机半导体LED微型阵列3的每个LED芯片31含有单独的透明p型电极33，而所有的LED芯片31共享透明n型电极34。为了确保线路的安全，所述透明p型电极33和透明n型电极34均由透明绝缘层35隔离，该透明绝缘层35为SiO2或SiNx或polyimide或SU8透明绝缘层。为了有效地确保本发明的透明显示性能，所述透明p型电极33和透明n型电极34在可见光范围内具有较高的透明性且透射率均不低于70%，同时各透明p型电极33和各透明n型电极34的电阻均不高于40ohm。而且，所述透明p型电极33和透明n型电极34采用的透明电极材料为 ZnO或ITO或IZO或SnO2或Cd2SnO4或IGZO或Ni/Au或Pd或石墨烯或Ag、Cu金属钠米线构成的网络或薄膜。并且，所述透明p型电极33和透明n型电极34是通过电子束蒸发装置或磁控溅射装置或脉冲激光沉积装置或原子层沉积装置或CVD生长装置沉积到透明无机半导体LED微型阵列3上并由光刻技术结合传统的干法刻蚀法或光刻胶剥离法或湿化学腐蚀法制造而成；或者，所述透明p型电极33和透明n型电极34是采用喷墨打印技术直接打印纳米材料组成的电极连接到LED芯片31上制造而成。同时，所述透明无机半导体LED微型阵列3的各LED芯片31的尺寸为1μm-1mm，且各LED芯片31之间的间距1μm-1mm。为了使本发明具有不同的显色效果，所述透明无机半导体LED微型阵列3的各LED芯片31上涂覆有用于实现多色或全色透明显示的荧光粉薄膜。而且，所述荧光粉薄膜采用的材料为YAG:Ce或CdSe或CdTe。并且，所述荧光粉薄膜是采用喷墨打印技术直接把含有荧光粉的材料原位打印到各LED芯片31上。此外，所述透明无机半导体LED微型阵列3是采用透明衬底生长的LED 晶片制造而成，该透明衬底为GaN或SiC或蓝宝石或玻璃透明衬底；或者，所述透明无机半导体LED微型阵列3是采用不透明衬底生长的LED晶片通过倒装焊接或共晶键合到透明衬底上再以激光剥离法或湿化学腐蚀法或机械剥离法去除顶部的用于生长LED外延层的不透明衬底的方式制造而成，该不透明衬底为硅基LED外延片或GaAs基LED外延片。
实施例1：
如图1至图2所示，为一种具有独立寻址方式的LED微型阵列透明显示装置。该透明显示装置包括透明基板1及设置在透明基板1上的驱动模块2和透明无机半导体LED微型阵列3，其中透明无机半导体LED微型阵列3是通过透明固晶胶4紧密地粘附在透明基板1的中心，透明基板1围绕在透明无机半导体LED微型阵列3的外周，透明无机半导体LED微型阵列3的透明p型电极33和透明n型电极34分别通过金属引线5与透明基板1上的驱动模块2连接，从而可以通过驱动模块2控制透明无机半导体LED微型阵列3的LED芯片31的亮灭。而且，该透明显示装置的LED芯片31具有透明衬底32，从正面出光。透明固晶胶4是位于透明衬底32与透明基板1之间。其中，所述透明无机半导体LED微型阵列3由蓝宝石基GaN/InGaN蓝绿光发光二极管外延片（发光波长为530nm）制备而成，并整体地转移到透明基板1上。这样，如图2所示，在透明衬底32的顶面上为LED芯片n型层36，且LED芯片n型层36与透明n型电极34连接。在LED芯片n型层36的顶面上间隔地设置有LED芯片发光量子阱37，在LED芯片发光量子阱37的顶面上设置有LED芯片p型层38，各LED芯片p型层38分别与透明p型电极33连接。由于所述透明无机半导体LED微型阵列3由正面出光，因此不需要将LED阵列通过倒装焊接或者共晶键合的方式转移到另一种透明衬底上。在该实例中，所述透明无机半导体LED微型阵列3具有8个方形LED芯片31，并构成二维平面结构，各LED芯片31的尺寸大小为80μm，间距为30μm。但是实际LED芯片31的数目及大小不受限于本实例中的具体数值。所述透明无机半导体LED微型阵列3具有独立寻址的电极布局方式，即每个LED芯片31含有单独的透明p型电极33，而所有的LED芯片31共享透明n型电极34。所述透明p型电极33和透明n型电极34使用的透明电极材料为ITO，是由电子束蒸发的方式蒸镀到外延片表面，并由光刻技术结合湿化学腐蚀剥离、热退火等半导体工艺定义为电极图形。ITO在可见光范围内的透射率一般大于90%，同时方块电阻小于30ohm/£。同时，其透明p型电极33和透明n型电极34均由透明绝缘层35隔离，且该透明绝缘层35为polyimide透明绝缘层。
实施例2：
如图3至图4所示，为一种具有矩阵寻址方式的LED微型阵列透明显示装置。该透明显示装置包括透明基板1及设置在透明基板1上的驱动模块2和透明无机半导体LED微型阵列3，其中透明无机半导体LED微型阵列3具有矩阵寻址的电极布局方式，即每一列的LED芯片31共享透明p型电极33，每一行的LED芯片共享透明n型电极34，而且透明无机半导体LED微型阵列3是通过透明固晶胶4紧密地粘附在透明基板1的中心，透明基板1围绕在透明无机半导体LED微型阵列3的外周。透明固晶胶4是位于透明衬底32与透明基板1之间。其中，所述透明无机半导体LED微型阵列3由不透明的Si基GaN/AlGaN近紫外光外延片（发光波长为405nm）同时并行制备而成，并整体地转移到透明基板1上，然后通过共晶键合的方式将LED正面紧密连接到透明的玻璃衬底上，然后通过激光剥离的方法去除顶部的用于生长LED外延层的非透明性Si衬底，因此LED由背面出光。同时，在特定的LED芯片31上涂覆了红绿蓝三色荧光薄膜，从而可以实现彩色显示。具体地，所述透明无机半导体LED微型阵列3在去除衬底后，在背面LED单元上通过喷墨打印技术适当地涂覆红绿蓝三色荧光粉，由LED发射的近紫外光激发荧光粉以实现彩色透明显示。其中，共晶键合金属39是位于透明衬底32的顶面上，透明无机半导体LED微型阵列3的透明p型电极33和透明n型电极34分别与共晶键合金属39连接，而共晶键合金属39是通过金属引线5与透明基板1上的驱动模块2连接，从而可以通过驱动模块2控制透明无机半导体LED微型阵列3的LED芯片31的亮灭。如图4所示，在透明P型电极33的顶面上间隔地设置有LED芯片P型层38，在LED芯片P型层38的顶面上设置有LED芯片发光量子阱37，在LED芯片发光量子阱37的顶面上设置有LED芯片n型层36，在LED芯片n型层36上间隔地设置有透明n型电极34。而且，透明P型电极33和透明n型电极34均由透明绝缘层35隔离，且该透明绝缘层35为SiO2透明绝缘层。同时，透明P型电极33和透明n型电极34使用的透明电极材料为ZnO，是由磁控溅射的方式沉积到外延片表面，并由光刻技术结合光刻胶剥离、热退火等半导体工艺定义为电极图形。而且，ZnO在可见光范围内的透射率在80%以上，同时方块电阻小于10ohm/£。在本实例中，所述透明无机半导体LED微型阵列3具有3×5（行）×5（列）个圆形LED芯片31，并构成二维平面结构，各LED芯片31的直径为20μm，间距为5μm。但是实际LED芯片31的数目、大小及间距均不受限于本实例中的具体数值。
下面结合具体的展示实施例说明本发明所述的透明显示装置如何进行显示。
图5是一种具有矩阵寻址方式的LED微型阵列透明显示装置的绿色十字显示效果图。图6一种具有矩阵寻址方式的LED微型阵列透明显示装置的透明显示原理示意图。如图6所示，包括透明显示装置6、需要显示的物体7以及观察人眼8，其中透明显示装置6的显示图案主要由表面透明无机半导体LED微型阵列3的彩色发光芯片组成，不发光的LED芯片以及透明显示装置的其它部件均具有较好的透明性。
在一般状态下，透明显示装置6的驱动电压为零，所有的LED芯片31都不发光，物体7反射或发射的光线能够穿透整个装置到达观察人眼8，因此该装置对物体为常显示状态。
为了实现图5的显示状态，需要通过驱动模块2给特定的LED芯片31施加3V左右的驱动电压，点亮如图第3行和第3列的所有绿色LED芯片，从而呈现绿色的十字图案。此时，除了点亮的LED芯片，装置其它部分仍处于透明状态，物体反射或发射的光线能够穿透整个装置到达人眼。因此，此时人眼接受的显示信息既有点亮LED芯片组成的绿色十字，又有装置之后的物体，实现了真正的透明显示。
实施例所述的透明显示装置采用了矩阵寻址方式，即每一行共享同一个透明n型电极34，每一列的同种颜色LED芯片共享同一个透明p型电极33，如此最大限度减少了所需电极数量，降低了LED微型阵列的制备难度。此时，若采用直流驱动，则由于电极共享，同一行和同一列的LED芯片都会被点亮，如本实施例就会呈现所有的绿色LED芯片都被点亮的情况，无法实现绿十字。因此，为了实现图5的显示状态，给驱动模块2施加的驱动电压应该为脉冲信号，以保证需要点亮的LED芯片具有同步的p、n电极正负脉冲信号，而不需要点亮的LED芯片由于正负脉冲不同步而无法发光。由于采用脉冲信号，LED芯片会存在一定的频闪，但只要脉冲频率足够快，人眼将无法分辨，对显示效果不会产生不利影响。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：包括透明基板（1）及设置在透明基板（1）上的驱动模块（2）和透明无机半导体LED微型阵列（3），所述驱动模块（2）与透明无机半导体LED微型阵列（3）电连接，且所述透明无机半导体LED微型阵列（3）的各LED芯片（31）可从正面出光或背面的透明衬底（32）出光或正面背面同时出光。
2.根据权利要求1所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述透明无机半导体LED微型阵列（3）的各LED芯片（31）是直接通过标准的半导体工艺技术同时集成或转移到透明衬底（32）上。
3.根据权利要求1所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述透明无机半导体LED微型阵列（3）的每一列LED芯片（31）共享透明p型电极（33），每一行LED芯片（31）共享透明n型电极（34）；或者，所述透明无机半导体LED微型阵列（3）的每个LED芯片（31）含有单独的透明p型电极（33），而所有的LED芯片（31）共享透明n型电极（34）。
4.根据权利要求3所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述透明p型电极（33）和透明n型电极（34）均由透明绝缘层（35）隔离，该透明绝缘层（35）为SiO2或SiNx或polyimide或SU8透明绝缘层。
5.根据权利要求3所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述透明p型电极（33）和透明n型电极（34）在可见光范围内具有较高的透明性且透射率均不低于70%，同时各透明p型电极（33）和各透明n型电极（34）的电阻均不高于40ohm。
6.根据权利要求3所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述透明p型电极（33）和透明n型电极（34）采用的透明电极材料为ZnO或ITO或IZO或SnO2或Cd2SnO4或IGZO或Ni/Au或Pd或石墨烯或Ag、Cu金属钠米线构成的网络或薄膜。
7.根据权利要求1所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述透明无机半导体LED微型阵列（3）的各LED芯片（31）的尺寸为1μm-1mm，且各LED芯片（31）之间的间距1μm-1mm。
8.根据权利要求1所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述透明无机半导体LED微型阵列（3）的各LED芯片（31）上涂覆有用于实现多色或全色透明显示的荧光粉薄膜。
9.根据权利要求8所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述荧光粉薄膜是采用喷墨打印技术直接把含有荧光粉的材料原位打印到各LED芯片（31）上。
10.根据权利要求1所述的LED微型阵列透明显示装置，其特征在于：所述透明无机半导体LED微型阵列（3）是采用透明衬底生长的LED晶片制造而成，该透明衬底为GaN或SiC或蓝宝石或玻璃透明衬底；或者，所述透明无机半导体LED微型阵列（3）是采用不透明衬底生长的LED 晶片通过倒装焊接或共晶键合到透明衬底上再以激光剥离法或湿化学腐蚀法或机械剥离法去除顶部的用于生长LED外延层的不透明衬底的方式制造而成，该不透明衬底为硅基LED外延片或GaAs基LED外延片。
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