CN108281092A - 一种微米级led显示光效提取的微结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微米级LED显示光效提取的微结构及其制造方法。包括设置于衬底表面呈阵列排布的若干个LED芯片、设置于所述LED芯片表面且与所述LED芯片一一对应的倒梯形储液槽、设置于倒梯形储液槽内周侧的反射层、设置于倒梯形储液槽内的量子点发光层和设置于量子点发光层上的分布式布拉格反射层。本发明不仅可利用微结构中的倒梯形储液槽内周侧的反射层反射蓝色LED激发量子点发出的光，阻止光从侧壁边缘出射，提高在垂直方向光的出射。同时，利用量子点上表面的分布式布拉格反射层，可使蓝色LED激发量子点发光层发出的光从顶部透过，而未被吸收的蓝光反射回来再次激发量子点发光层，从而增强出射光的强度，有效地提高微米级LED显示的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及新型半导体显示领域，尤其涉及一种微米级LED显示光效提取的微结构及其制造方法。
背景技术
微米级LED是将传统LED微缩化后形成微米级间距LED阵列以达到超高密度像素分辨率。微米级LED具备自发光的特性，相比OLED和LCD显示，微米级LED色彩更容易准确的调试，有更长的发光寿命和更高的亮度，同时更具轻薄及省电优势。由于其高密度小尺寸超多像素的特点，微米级LED将成为以高真实度，互动和个性化显示为主要特点的第三代显示技术的引领者。
目前，微米级LED显示一般通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在GaN基底上进行外延生长，再通过芯片焊接、晶片焊接或薄膜转移等方式键接在驱动电路基板上形成显示像素。在色彩化技术方面，可以通过色彩转换法、RGB三色法、光学棱镜合成法以及通过控制LED结构和尺寸发射不同波长光等方法实现。其中，利用量子点实现色彩转换被认为是微米级LED色彩化最具潜力的方法之一。然而，利用量子点实现色彩转换的其中一个技术难题是LED芯片激发量子点发光的色彩转换和光效提取效率低，为了提高效率，传统方法将量子点发光层的厚度设置很厚，才能将用于激发的蓝光完全吸收，该厚度将限制微米级LED显示像素的进一步缩小，将会增加器件制作成本以及器件整体厚度。
为了克服上述困难，本发明提供一种微米级LED显示光效提取的微结构及其制造方法。该发明不仅可利用微结构中的倒梯形储液槽内周侧的金属反射层反射蓝色LED激发量子点发出的光，阻止光从侧壁边缘出射，增加了垂直方向光的出射。同时，利用量子点上表面的分布式布拉格反射层，可使蓝色LED激发量子点发光层发出的光从顶部透过，而未被吸收的蓝光反射回来再次激发量子点发光层，从而增强出射光的强度，有效地提高微米级LED显示的色彩转换和发光效率。
发明内容
本发明的目的在于提高微米级LED显示光效提取效率而提供一种微米级LED显示光效提取的微结构，本发明工艺简化、成本低廉、利用反射层和分布式布拉格反射层提高蓝色LED激发量子点发光的出光效率，能有效提高微米级LED显示的发光效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种微米级LED显示光效提取的微结构，包括设置于衬底表面呈阵列排布的若干个LED芯片、设置于所述LED芯片表面且与所述LED芯片一一对应的的倒梯形储液槽、设置于倒梯形储液槽内周侧的反射层、设置于倒梯形储液槽内的量子点发光层和设置于量子点发光层上的分布式布拉格反射层。
在本发明一实施例中，所述LED芯片为蓝色微米级LED芯片，LED芯片长度为1微米至300微米，LED芯片宽度为1微米至300微米，相邻LED芯片横向间距大于LED芯片长度，纵向间距大于LED芯片宽度，且横向间距/纵向间距小于500微米。
在本发明一实施例中，所述倒梯形储液槽的底面长度小于或等于LED芯片长度，所述倒梯形储液槽的底面宽度小于或等于LED芯片宽度；所述倒梯形储液槽的顶部开口长度大于或等于LED芯片长度，小于或等于相邻LED芯片间距，所述倒梯形储液槽的顶部开口宽度大于或等于LED芯片的宽度，小于或等于相邻LED芯片间距，所述倒梯形储液槽的深度为10纳米至10微米。
在本发明一实施例中，所述反射层为高反射率金属材料，其厚度为20纳米至1微米。
在本发明一实施例中，所述量子点发光层为红色量子点发光层或绿色量子点发光层，且量子点发光层厚度小于或等于倒梯形储液槽的深度。
在本发明一实施例中，所述分布式布拉格反射层由具有高折射率和低折射率的两层薄膜堆叠而成，各层薄膜厚度由确定，而总厚度由薄膜的堆叠对数m决定，其中，n为薄膜折射率，d为薄膜厚度，为光入射角，为中心波长，q为常数，q≥0，且当q为正奇数时，反射率有极值，m为正整数或等于N+0.5，N为正整数。
在本发明一实施例中，通过控制分布式布拉格反射层的高低折射率薄膜的厚度，可使LED芯片发出的蓝光激发所述量子点发光层发出的红光/绿光从顶部透过，而未被吸收的蓝光反射回倒梯形储液槽内再次激发所述量子点发光层，增强红光/绿光出射强度，从而提高微米级LED显示发光效率。
本发明还提供了一种基于上述所述微米级LED显示光效提取的微结构的制造方法，包括如下步骤：
步骤S11：提供一蓝色微米级LED芯片，将蓝色微米级LED芯片呈阵列排布设置于衬底表面；
步骤S12：在所述蓝色微米级LED芯片表面制作图形化且呈阵列分布的倒梯形储液槽；所述倒梯形储液槽的制造方法包含贴膜、光刻、激光加工、喷墨打印、3D打印、丝网印刷和微接触印刷；
步骤S13：采用物理气相或化学气相沉积的方法在所述储液槽内周镀上一层反射层；
步骤S14：利用喷墨打印技术在四周具有反射层的倒梯形储液槽内填充量子点发光层；
步骤S15：采用物理气相或化学气相沉积的方法在所述量子点发光层表面镀制分布式布拉格反射层，通过调节分布式布拉格反射层的高低折射率薄膜的厚度来控制出射光的波长及反射光的波长。
在本发明一实施例中，步骤S13中，所述反射层为高反射率金属材料，，可通过调节反射层材料与厚度来控制光的反射，提高垂直方向光的出射。
在本发明一实施例中，步骤S14中，所述量子点发光层为红色量子点发光层或绿色量子点发光层，所述量子点厚度小于或等于所述倒梯形储液槽的深度。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明一种微米级LED光效提取的微结构，在每个微米级LED上表面制作倒梯状储液槽有利于量子点发光层图形化材料的打印，可通过打印不同量子点材料控制每个像素点的发光波长；
（2）本发明一种微米级LED显示光效提取的微结构，在倒梯形储液槽内周侧镀制金属反射层，经蓝光微米级LED激发量子点发出的光是发散的，因此该反射层用于将四周出射的光反射回去，增强垂直方向的光出射效率；
（3）由于蓝光微米级LED具有很强的光强度，因此图形化的量子点需要很厚才有明显的色彩转换，将会增加器件制作成本以及器件整体厚度。本发明在量子点发光层上表面制作分布式布拉格反射层，通过控制分布式布拉格反射层的高低折射率薄膜的厚度，可使蓝色LED激发所述量子点发光层发出的光（红光或绿光）从顶部透过，而未被吸收的蓝光反射回储液槽内再次激发量子点发光层，增强出射光的强度，从而有效地提高微米级LED显示的色彩转换和发光效率，对微米级LED在彩色显示应用上具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明一种微米级LED显示光效提取微结构的示意图。
图2为本实施例中一种微米级LED显示光效提取微结构的制造示意图。
图3 为本实施例中蓝色微米级LED芯片的截面示意图。
图4为本实施例中倒梯形储液槽的结构示意图。
图5为本实施例中倒梯形储液槽内周侧镀制反射层的结构示意图。
图6为本实施例中在镀制反射层的储液槽内填充量子点发光层的结构示意图。
图7为本实施例中在量子点发光层表面镀制分布式布拉格反射层的结构示意图。
【编号说明】10：衬底，11：蓝色微米级LED芯片，121：保护层，122：图形化微结构，12：倒梯形储液槽，13：反射层，14：量子点发光层，15：分布式布拉格反射层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。在图中，为了清楚，放大了层与区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。在此，参考图是本发明的理想化实施例示意图，本发明的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。在本实施例中均以矩形或圆表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。本实施例中障壁起伏图案的大小与起伏周期有一定范围，在实际生产中可以根据实际需要设计起伏图案大小及其起伏周期，实施例中起伏周期的数值只是示意值，但这不应该被认为限制本发明的范围。
本发明的一种微米级LED显示光效提取的微结构，包括设置于衬底表面呈阵列排布的若干个LED芯片、设置于所述LED芯片表面且与所述LED芯片一一对应的的倒梯形储液槽、设置于倒梯形储液槽内周侧的反射层、设置于倒梯形储液槽内的量子点发光层和设置于量子点发光层上的分布式布拉格反射层。所述LED芯片为蓝色微米级LED芯片，LED芯片长度为1微米至300微米，LED芯片宽度为1微米至300微米，相邻LED芯片横向间距大于LED芯片长度，纵向间距大于LED芯片宽度，且横向间距/纵向间距小于500微米。所述倒梯形储液槽的底面长度小于或等于LED芯片长度，所述倒梯形储液槽的底面宽度小于或等于LED芯片宽度；所述倒梯形储液槽的顶部开口长度大于或等于LED芯片长度，小于或等于相邻LED芯片间距，所述倒梯形储液槽的顶部开口宽度大于或等于LED芯片的宽度，小于或等于相邻LED芯片间距，所述倒梯形储液槽的深度为10纳米至10微米。所述反射层为高反射率金属材料，其厚度为20纳米至1微米。所述量子点发光层为红色量子点发光层或绿色量子点发光层，且量子点发光层厚度小于或等于倒梯形储液槽的深度。所述分布式布拉格反射层由具有高折射率和低折射率的两层薄膜堆叠而成，各层薄膜厚度由确定，而总厚度由薄膜的堆叠对数m决定，其中，n为薄膜折射率，d为薄膜厚度，为光入射角，为中心波长，q为常数，q≥0，且当q为正奇数时，反射率有极值，m为正整数或等于N+0.5，N为正整数。通过控制分布式布拉格反射层的高低折射率薄膜的厚度，可使LED芯片发出的蓝光激发所述量子点发光层发出的红光/绿光从顶部透过，而未被吸收的蓝光反射回倒梯形储液槽内再次激发所述量子点发光层，增强红光/绿光出射强度，从而提高微米级LED显示发光效率。
本发明还提供了一种基于上述所述微米级LED显示光效提取的微结构的制造方法，包括如下步骤：
步骤S11：提供一蓝色微米级LED芯片，将蓝色微米级LED芯片呈阵列排布设置于衬底表面；
步骤S12：在所述蓝色微米级LED芯片表面制作图形化且呈阵列分布的倒梯形储液槽；所述倒梯形储液槽的制造方法包含贴膜、光刻、激光加工、喷墨打印、3D打印、丝网印刷和微接触印刷；
步骤S13：采用物理气相或化学气相沉积的方法在所述储液槽内周镀上一层反射层；
步骤S14：利用喷墨打印技术在四周具有反射层的倒梯形储液槽内填充量子点发光层；
步骤S15：采用物理气相或化学气相沉积的方法在所述量子点发光层表面镀制分布式布拉格反射层，通过调节分布式布拉格反射层的高低折射率薄膜的厚度来控制出射光的波长及反射光的波长。
以下为本发明的具体实施过程。
图1为本发明第一优选实施例的一种微米级LED显示光效提取微结构的示意图。图2为本发明第一优选实施例的一种微米级LED显示光效提取微结构的制造工艺流程图。图3-图7为本发明第一优选实施例的一种微米级LED显示光效提取微结构的具体实施步骤示意图。
如图1，一种微米级LED显示色彩转换和光效提取的微结构，包括：设置于衬底10表面且沿横向和纵向均匀排列的若干个LED芯片11，设置于LED芯片11表面且呈阵列分布的倒梯形储液槽12，设置于倒梯形储液槽12内周侧的反射层13、设置于倒梯形储液槽12内量子点发光层14和设置于量子点发光层14表面的分布式布拉格反射层15。
请参考图2，并结合图3-7，对本发明第一实施例提供的一种微米级LED显示色彩转换和光效提取微结构的制造方法进行详细的说明，具体包括以下步骤：
（S11）提供一蓝色微米级LED芯片11，所述LED芯片11沿横向和纵向均匀排列设置于衬底10表面，LED长度为1微米至300微米，LED宽度为1微米至300微米，相邻LED横向间距大于芯片长度，纵向间距大于LED宽度，其间距小于500微米。本实施例优选蓝色微米级LED长度与宽度均为50微米，横向和纵向相邻间距均为100微米，如图3所示。
（S12）倒梯形储液槽12制备。在所述蓝色微米级LED芯片表面涂覆保护层121，采用贴膜、光刻、激光加工、喷墨打印、3D打印、丝网印刷或微接触印刷的制造方法制作图形化结构122，形成呈阵列分布的倒梯形储液槽12；所述倒梯形储液槽12的底面长度小于或等于LED芯片11的长度，所述倒梯形储液槽12的底面宽度小于或等于LED芯片11的宽度；所述倒梯形储液槽11的顶面长度大于或等于LED芯片11的长度，小于或等于相邻LED芯片11间距，所述倒梯形储液槽12的顶面宽度大于或等于LED芯片11的宽度，小于或等于相邻LED芯片11间距，所述倒梯形储液槽12的深度为10纳米至10微米。本实施例优选光刻工艺形成如图4倒梯形储液槽阵列12。其中，水平与垂直方向的储液槽12相距为100 微米。每个储液槽12底部长度和宽度都为50 微米，顶部长度和宽度都为80微米，深度为8微米。
（S13）反射层13的制备。采用物理气相或化学气相沉积的方法在所述倒梯形储液槽12内周镀上一层反射层13，所述反射层13可将蓝色LED激发量子点所发出的光沿储液槽内侧反射，增加垂直光的出射量；所述反射层13为银、铝或其它高反射率的金属材料，其厚度为20纳米至1微米。本实施例优选蒸镀工艺在倒梯形储液槽12内周侧蒸镀厚度80nm的金属Ag层作为反射层13，如图5所示。
（S14）量子点发光层14制备。在沉积反射层13的倒梯形储液槽12内，利用喷墨打印填量子点发光层14。所述量子点发光层14可为红色量子点发光层，也可为绿色量子点发光层，量子点发光层厚度小于或等于储液槽的深度。本实施例优选喷墨打印工艺将红色量子点打印在倒梯形储液槽12内，量子点厚度为3微米，放置在40℃的加热台上加热20分钟，固化打印好的量子点，如图6所示。
（S15）分布式布拉格反射层15的制备。在所述量子点发光层14表面采用物理气相沉积或化学气相沉积镀制分布式布拉格反射层15，所述分布式布拉格反射15是由具有高低折射率的两种薄膜堆叠而成，所述两种薄膜组合包括但不限于：TiO2/Al2O3、TiO2/SiO2、Ta2O5/Al2O3、HfO2/SiO2，前者为高折射率薄膜，后者为低折射率薄膜。所述分布式布拉格反射层各层薄膜厚度由确定，而总厚度由薄膜的堆叠对数m决定，其中，n为薄膜折射率，d为薄膜厚度，为光入射角，为中心波长，q为常数，q≥0，且当q为正奇数时，反射率有极值，m可以是正整数，也可以是N+0.5，N为正整数。本实施例优选ALD工艺在量子点发光层14表面镀3.5个循环的TiO2/Al2O3，其中TiO2厚度为45nm，Al2O3的厚度为67nm，如图7所示。3.5个循环的TiO2/Al2O3叠层结构组成的分布式布拉格反射层可使蓝色LED激发所述红色量子点发光层发出的光从顶部透过，而未被吸收的蓝光反射回储液槽内再次激发红色量子点发光层，增强出射光的强度，从而提高微米级LED显示发光效率。
至此，一种微米级LED显示光效提取的微结构的制造完成。
在图中，为了表示清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状（比如制造引起的偏差）。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微米级LED显示光效提取的微结构，其特征在于，包括设置于衬底表面呈阵列排布的若干个LED芯片、设置于所述LED芯片表面且与所述LED芯片一一对应的的倒梯形储液槽、设置于倒梯形储液槽内周侧的反射层、设置于倒梯形储液槽内的量子点发光层和设置于量子点发光层上的分布式布拉格反射层。
2.根据权利要求1所述的一种微米级LED显示光效提取的微结构，其特征在于，所述LED芯片为蓝色微米级LED芯片，LED芯片长度为1微米至300微米，LED芯片宽度为1微米至300微米，相邻LED芯片横向间距大于LED芯片长度，纵向间距大于LED芯片宽度，且横向间距/纵向间距小于500微米。
3.根据权利要求1所述的一种微米级LED显示光效提取的微结构，其特征在于，所述倒梯形储液槽的底面长度小于或等于LED芯片长度，所述倒梯形储液槽的底面宽度小于或等于LED芯片宽度；所述倒梯形储液槽的顶部开口长度大于或等于LED芯片长度，小于或等于相邻LED芯片间距，所述倒梯形储液槽的顶部开口宽度大于或等于LED芯片的宽度，小于或等于相邻LED芯片间距，所述倒梯形储液槽的深度为10纳米至10微米。
4.根据权利要求1所述的一种微米级LED显示光效提取的微结构，其特征在于，所述反射层为高反射率金属材料，其厚度为20纳米至1微米。
5.根据权利要求1所述的一种微米级LED显示光效提取的微结构，其特征在于，所述量子点发光层为红色量子点发光层或绿色量子点发光层，且量子点发光层厚度小于或等于倒梯形储液槽的深度。
6.根据权利要求1所述的一种微米级LED显示光效提取的微结构，其特征在于，所述分布式布拉格反射层由具有高折射率和低折射率的两层薄膜堆叠而成，各层薄膜厚度由确定，而总厚度由薄膜的堆叠对数m决定，其中，n为薄膜折射率，d为薄膜厚度，为光入射角，为中心波长，q为常数，q≥0，且当q为正奇数时，反射率有极值，m为正整数或等于N+0.5，N为正整数。
7.根据权利要求6所述的一种微米级LED显示光效提取的微结构，其特征在于，通过控制分布式布拉格反射层的高低折射率薄膜的厚度，可使LED芯片发出的蓝光激发所述量子点发光层发出的红光/绿光从顶部透过，而未被吸收的蓝光反射回倒梯形储液槽内再次激发所述量子点发光层，增强红光/绿光出射强度，从而提高微米级LED显示发光效率。
8.一种基于权利要求1-7任一所述微米级LED显示光效提取的微结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S11：提供一蓝色微米级LED芯片，将蓝色微米级LED芯片呈阵列排布设置于衬底表面；
步骤S12：在所述蓝色微米级LED芯片表面制作图形化且呈阵列分布的倒梯形储液槽；所述倒梯形储液槽的制造方法包含贴膜、光刻、激光加工、喷墨打印、3D打印、丝网印刷和微接触印刷；
步骤S13：采用物理气相或化学气相沉积的方法在所述储液槽内周镀上一层反射层；
步骤S14：利用喷墨打印技术在四周具有反射层的倒梯形储液槽内填充量子点发光层；
步骤S15：采用物理气相或化学气相沉积的方法在所述量子点发光层表面镀制分布式布拉格反射层，通过调节分布式布拉格反射层的高低折射率薄膜的厚度来控制出射光的波长及反射光的波长。
9.根据权利要求8所述的一种微米级LED显示光效提取的微结构的制造方法，其特征在于，步骤S13中，所述反射层为高反射率金属材料，可通过调节反射层材料与厚度来控制光的反射，提高垂直方向光的出射。
10.根据权利要求8所述的一种微米级LED显示光效提取的微结构的制造方法，其特征在于，步骤S14中，所述量子点发光层为红色量子点发光层或绿色量子点发光层，所述量子点厚度小于或等于所述倒梯形储液槽的深度。
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