CN112635452B - 一种出光角度可控的Micro-LED显示器件结构 - Google Patents
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Abstract
一种出光角度可控的Micro‑LED显示器件结构，它包括像素结构，其特征是所述的像素结构包括LED垂直芯片阵列和LED倒装芯片阵列，单颗LED像素的尺寸为30μm~50μm，通过LED芯片阵列上的组合反射镜设计以及器件封装层的周期性微结构设计实现Micro‑LED显示器件出光角度控制的功能，不仅提高了光线利用率，消除了光污染，还免除了通过增加光学组件收光的后道加固环节，实现了器件轻薄化，低功耗的优势，可满足头平显等特殊领域的高可靠性应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种Micro-LED显示技术，尤其是一种利用Micro-LED作为像素进行显示的显示技术，具体地说是一种出光角度可控的Micro-LED显示器件结构。
背景技术
在机载显示领域，尤其是头盔显示像源、平视显示像源，座舱盖板透明显示等应用场景，由于观察时需要叠加外景亮度，因而为使显示信息清晰可见，需要显示器件具备超高的发光亮度及高可靠性。在现有的显示技术中，以Micro-LED为代表的第五代显示介质因其更高的发光亮度、分辨率、色彩饱和度、显示响应速度和更高的可靠性等特点在上述应用场景下有不可替代的优势，同时也成为了目前固态显示器件领域的热点发展方向。
机载显示与民用显示最大的区别就在于常常需要满足特殊的亮度、视角及可靠性要求，以机载平视显示场景为例，显示器的主发光角不再是常规的法线方向而是与法线方向形成一定大小的夹角，同时要求光线尽量收敛在可视角范围内，且视角范围内的亮度角度分布尽可能平缓。对于传统的液晶显示屏而言，上述要求可通过加固的方式实现，而对于Micro-LED显示器件而言，LED直接作为像素进行显示，无法通过外置光学组件实现光线的收敛，因此为使得Micro-LED显示器件真正满足机载指标需求，需在器件制造工艺过程中就考虑到并解决上述问题。
申请号为201710816672.3的中国专利公开了一种Micro-LED外延结构及其制备方法，包括衬底、以及依次层叠在衬底上的低温缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN接触层、多量子肼层、以及p型GaN接触层；该发明通过在非掺杂GaN层或n型GaN接触层至少其中之一分为两段式生长，两段之间插入AlGaN应力释放层，减少非掺杂GaN层或n型GaN接触层内的应力，将非掺杂GaN层或n型GaN接触层内应力提前进行释放，进而减少翘曲，防止外延结构形成过程中可能因翘曲而产生的裂片、均匀性差（包括波长、亮度、电压等光电参数）等问题，显著提高片内均匀性。
申请号为201910282907.4的中国专利公开了一种Micro-LED器件及显示面板，包括：N型层，N型层设置在沉积有缓冲层的衬底表面，N型层表面覆盖有有源层；P型层，P型层表面设置有透明导电层，P型层覆盖所述有源层；透明导电层的每条边与P型层对应的边界之间设置有预设距离，以增大Micro LED器件中的电流密度。该发明的Micro LED器件及显示面板将电流集中在器件的中心区域，增大了电流密度，并能够减少Micro LED器件在边缘区域的漏电流、非辐射复合现象，从而提高了Micro LED器件及显示面板的发光效率。
申请号为PCT/CN2018/087801的国际专利公开了一种微元件的巨量转移方法，包括步骤：1）采用整面光敏材料抓取微元件；2）利用微元件作为光刻掩膜版，将光敏材料制作成梯形结构及支撑微柱；3）采用机械力压断支撑微柱，实现微元件的巨量转移。该发明采用整面的光敏材料抓取微元件，可以避免微元件抓取对准精度不足的问题；利用微元件作为光刻掩膜版，将光敏材料制作成梯形结构及支撑微柱，有利于微元件的稳定性及后续分离的简易性，只需要采用机械力压断支撑微柱便可实现微元件的巨量转移，工艺简单，可有效降低工艺成本。
申请号为201710499014.6的中国专利公开了一种Micro-LED显示器件的制备方法，制备一基材包括衬底和覆于衬底上的吸热材料层，吸热材料层上涂覆量子点材料，采用激光束阵列照射上述基材，吸热材料层发生形变后将量子点材料转移至Micro-LED芯片的上表面。该方法能够实现不同量子点材料的同时转移，也可以通过制备不同的掩膜版，实现不同量子点之间的相互影响，操作简单、转移效率高，易于实现大批量快速生产，提高了高分辨彩色化显示质量。
上述专利就Micro-LED器件的工艺技术链条包括外延、背板、巨量转移、彩色化技术等方向提出了解决方案，然而对于特殊的亮度及视角控制方案未有涉及，因此，探索一种出光角度可控的Micro-LED显示器件及其结构，使其满足机载需求是现今的一个研究热点。
发明内容
本发明旨在克服现有Micro-LED显示器件光线收敛技术的缺失，提供了一种出光角度可控的Micro-LED显示器。该发明具有出光效率高、光线角度可控、器件轻薄、低功耗等特点，能够满足Micro-LED显示器件在头平显等领域的高可靠性应用，可推广应用于AR/VR/MR等领域。
本发明的技术方案是：
一种出光角度可控的Micro-LED显示器件结构，其特征是根据LED芯片阵列的布置方式分为以下以下两种情况：
（1）显示器件的像素结构为垂直LED芯片阵列：器件结构由下至上依次为P电极、电流扩展层、反射镜、P型GaN、量子肼、N型GaN和共N电极，P电极设置在基板上，每颗独立的LED像素两侧边各包含一层或多层组合反射镜；共N电极的上部设有两层周期性微结构封装层；
（2）显示器件的像素结构为倒装LED芯片阵列：器件结构由下至上依次为P电极、电流扩展层、反射镜、P型GaN、量子肼、N型GaN和N电极，P电极设置在基板上，每颗独立的LED像素两侧边各包括一层或多层组合反射镜；N型GaN的上部设有两层周期性微结构封装层。
所述的单颗LED像素的尺寸为30μm~50μm。
所述的反射镜材料为Au、Ag、Al、Cu、ITO中的三种或三种以上的材料组成的多层组合镜，总厚度为2μm~10μm。
周期性微结构封装层的材料为高弹性聚丙烯酸酯树脂；单层周期性微结构封装层的厚度t为25μm~30μm，下层呈横向锯齿状，上层呈纵向锯齿状，如图3所示，上下两层微结构排列方向之间的夹角σ为90°；如图4所示，每层锯齿状微结构的棱角δ为60°~120°，棱间距d为29μm~104μm。
本发明的主要优点是：
1、提出了适用于头平显等特殊应用领域的Micro-LED的显示器件结构，保证显示器件的出光角度及视角范围内的亮度角度分布可控，提高光线利用率，消除光污染。
2、在Micro-LED显示器件的工艺制造过程中即考虑到实际应用中存在的出光角度控制问题，通过外延层结构及封装工艺的特殊设计实现光路可控，免除了通过增加光学组件收光的后道加固环节，不仅简化了工艺过程，同时实现了器件轻薄化，低功耗的优势。
附图说明
图1是垂直LED芯片的像素结构示意图，其中：
图示10为基板，20为P电极，30为电流扩展层，40为反射镜，50为P型GaN，60为量子肼，70为N型GaN，80共N电极，90为第一封装层，100为第二封装层。
图2 是倒装LED芯片的像素结构示意图，其中：
图示11为基板，12为P电极，13为电流扩展层，14为反射镜，15为P型GaN，16为量子肼，17为N型GaN，18为N电极，19为第一封装层，21为第二封装层。
图3 是上下两层封装微结构的相对位置示意图，其中：
图示21为下层封装微结构，22为上层封装微结构，23为上下两层微结构排列方向之间的夹角σ。
图4是封装层单层周期性微结构示意图，其中：
图示31为锯齿状微结构的棱角δ，32为锯齿状微结构的棱间距d，33为周期性微结构厚度t。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1。
参照图1，图3和图4，一种出光角度可控的Micro-LED显示器件结构，显示器件的像素结构为垂直LED芯片阵列：器件结构由下至上依次为P电极20、电流扩展层30、反射镜40（由水平和垂直设置的两组组成）、P型GaN50、量子肼60、N型GaN70和共N电极80，P电极20和共N电极80分别连接在基板10上，每颗独立的LED像素两侧边各包含一层或多层反射镜40（包括垂直设置和水平设置）；共N电极80的上部设有两层周期性微结构封装层（第一封装层90、第二封装层100）；单颗LED像素的尺寸为50μm；反射镜材料为ITO/Ag/Al组成的多层组合镜，总厚度为5μm；封装层材料为高弹性聚丙烯酸酯树脂，周期性微结构单层厚度t为25μm，下层呈横向锯齿状，上层呈纵向锯齿状，上下两层微结构排列方向之间的夹角σ为90°，每层锯齿状微结构的棱角δ为90°，棱间距d为50μm。
实施例2。
参照图1，图3和图4，一种出光角度可控的Micro-LED显示器件结构，显示器件的像素结构为垂直LED芯片阵列：器件结构由下至上依次为P电极20、电流扩展层30、反射镜40（由水平和垂直设置的两组组成）、P型GaN50、量子肼60、N型GaN70和共N电极80，P电极20和共N电极80分别连接在基板10上，每颗独立的LED像素两侧边各包含一层或多层反射镜40（包括垂直设置和水平设置）；共N电极80的上部设有两层周期性微结构封装层（第一封装层90、第二封装层100）；单颗LED像素的尺寸为30μm；反射镜材料为ITO/ Au/Cu组成的多层组合镜，总厚度为2μm；封装层材料为高弹性聚丙烯酸酯树脂，周期性微结构单层厚度t为25μm，下层呈横向锯齿状，上层呈纵向锯齿状，上下两层微结构排列方向之间的夹角σ为90°，每层锯齿状微结构的棱角δ为60°，棱间距d为29μm。
实施例3。
参照图1，图3和图4，一种出光角度可控的Micro-LED显示器件结构，显示器件的像素结构为垂直LED芯片阵列：器件结构由下至上依次为P电极20、电流扩展层30、反射镜40（由水平和垂直设置的两组组成）、P型GaN50、量子肼60、N型GaN70和共N电极80，P电极20和共N电极80分别连接在基板10上，每颗独立的LED像素两侧边各包含一层或多层反射镜40（包括垂直设置和水平设置）；共N电极80的上部设有两层周期性微结构封装层（第一封装层90、第二封装层100）；单颗LED像素的尺寸为50μm；反射镜材料为ITO/ Ag /Cu组成的多层组合镜，总厚度为10μm；封装层材料为高弹性聚丙烯酸酯树脂，周期性微结构单层厚度t为30μm，下层呈横向锯齿状，上层呈纵向锯齿状，上下两层微结构排列方向之间的夹角σ为90°，每层锯齿状微结构的棱角δ为120°，棱间距d为104μm。
实施例4。
参照图2，图3和图4。
一种出光角度可控的Micro-LED显示器件结构，显示器件的像素结构为倒装LED芯片阵列：器件结构由下至上依次为P电极12、电流扩展层13、反射镜14、P型GaN15、量子肼16、N型GaN17和N电极18，P电极12和N电极18分别连接在基板11上，每颗独立的LED像素两侧边各包括一层或多层反射镜14；N型GaN17的上部设有两层周期性微结构封装层19、21；单颗LED像素的尺寸为50μm；反射镜14的材料为ITO/Au/Al/Cu（或Au、Ag、Al、Cu、ITO中任意三种及三种以上的组合）组成的多层组合镜，总厚度为8μm（或2μm~10μm之间的任意值）。封装层材料为高弹性聚丙烯酸酯树脂，周期性微结构单层厚度t为30μm（或25-30μm之间的任一值），下层呈横向锯齿状，上层呈纵向锯齿状，上下两层微结构排列方向之间的夹角σ为90°，每层锯齿状微结构的棱角δ为120°（也可为60°-120°之间的其他值），棱间距d为104μm（可也为29-104之间的其他值）。
上述仅为本发明的部分具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本发明未涉及部分与现有技术相关或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种出光角度可控的Micro-LED显示器件结构，其特征在于包括以下两种情况：
（1）显示器件的像素结构为垂直LED芯片阵列：器件结构由下至上依次为P电极、电流扩展层、反射镜、P型GaN、量子肼、N型GaN和共N电极，P电极设置在基板上，每颗独立的LED像素两侧边各包含一层或多层组合反射镜；共N电极的上部设有两层周期性微结构封装层；
（2）显示器件的像素结构为倒装LED芯片阵列：器件结构由下至上依次为P电极、电流扩展层、反射镜、P型GaN、量子肼、N型GaN和N电极，P电极设置在基板上，每颗独立的LED像素两侧边各包括一层或多层组合反射镜；N型GaN的上部设有两层周期性微结构封装层；
所述的周期性微结构封装层的材料为高弹性聚丙烯酸酯树脂；单层周期性微结构封装层的厚度t为25μm~30μm，下层呈横向锯齿状，上层呈纵向锯齿状，上下两层微结构排列方向之间的夹角σ为90°；每层锯齿状微结构的棱角δ为60°~120°，棱间距d为29μm~104μm。
2.根据权利要求1所述的Micro-LED显示器件结构，其特征在于所述的单颗LED像素的尺寸为30μm~50μm。
3.根据权利要求1所述的Micro-LED显示器件结构，其特征在于所述的反射镜材料为Au、Ag、Al、Cu、ITO中的三种或三种以上的材料组成的多层组合镜，总厚度为2μm~10μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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