CN113674639B - 小发散角MicroLED器件及MicroLED阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了小发散角Micro LED器件及Micro LED阵列，包括微光学系统、Micro LED颗粒、隔离结构、像素电极、阴极电极。由于LED发光原理因素，Micro LED器件出光发散角过大，而在工业曝光领域和图像投影领域受投影镜头数值孔径限制，需要Micro LED器件及其阵列所发出的光具有较小的发散角。本专利通过在Micro LED器件上集成隔离结构、微光学系统的方式进一步收敛发散角使之满足工业曝光领域和图像投影领域的应用。凭借高集成度和可控的光场发散角度，最终将Micro LED推向工业曝光领域和图像投影领域的大规模应用阶段。

Description

小发散角MicroLED器件及MicroLED阵列
技术领域
本发明涉及小发散角Micro LED器件及Micro LED阵列。
背景技术
Micro LED技术一般指微型的LED颗粒通过可控的电极供电并控制其开关的技术。目前Micro LED的尺寸从微米级一直到百微米级。一般将相对较大的ＬＥＤ颗粒叫为MiniLED，但Mini LED与Micro LED之间的区分相对模糊。本专利所述Micro LED包含直径小于等于５００微米的微LED颗粒。在部分研究者定义中Mini LED也包含５００微米以下的微LED颗粒。在Micro LED与Mini LED双方定义重合区间内，本文所指Micro LED也可用Mini LED的称呼进行命名。即也可理解为本文所述Micro LED可用Mini LED进行等价替换。
目前Micro LED技术大量应用于平板显示领域，并得到了快速的发展。从应用层面角度，平板显示领域要求具有较大的观看角度，因此要求Micro LED具有较大的出光角度。从技术原理角度，Micro LED的量子阱的电致发光为３６０度发光，因此具有极大的发散角度，恰好满足了平板显示领域应用需求。
而在将Micro LED技术用于紫外曝光、投影仪等光学应用中，由于投影镜头的引入即光学原理限制及应用本身对投影镜头出射光线发散角的要求，需要Micro LED阵列每一个像素单元器件所发光线均有与投影镜头所对应的较小的发散角度。超出发散角度之外的光线将成为杂散光导致对比度下降，黑场亮度过高，像素串扰等问题。
本发明通过采用芯片级光学设计及集成式芯片光学加工方法，通过像素电极、隔离结构形成对出射光线的反射和吸收的腔体，最终使出射光线仅能向阴极电极和微光学系统方向出射。而微光学系统对出射光线的进一步收敛出射光线的发散角，最终满足数字曝光及投影领域的对Micro LED器件的小发散角技术需求。
本发明小发散角Micro LED器件及Micro LED阵列主要优点在于：
1.通过采用隔离结构、金属像素电极形成的光学结构将Micro LED颗粒所发出的光线反射到所需的输出方向上进一步提高了整个Micro LED器件的整体光效率。
2. 通过采用微光学系统将Micro LED器件的发散角进一步收敛到所需的发散角，满足了数字曝光及图像投影系统对小发散角Micro LED器件的光学需求。
发明内容
本发明提供一种小发散角Micro LED器件及Micro LED阵列，旨在使Micro LED器件及Micro LED阵列发出小发散角的光线使之满足数字曝光及图形投影系统的光学需求。
提出了采用微光学系统、Micro LED颗粒、隔离结构、像素电极、阴极电极的小发散角Micro LED器件及Micro LED阵列，用以解决现有的技术缺陷。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种小发散角Micro LED器件包括微光学系统1、Micro LED颗粒 2、隔离结构3、像素电极4、阴极电极5，所述像素电极4位于底部，所述Micro LED颗粒 2与所述隔离结构3置于所述像素电极4上方，所述阴极电极5置于所述Micro LED颗粒 2与所述隔离结构3上方，所述微光学系统1置于所述阴极电极5上方。
优选地，所述微光学系统1为透射式光学系统，可透射所述Micro LED颗粒 2发出的光，且透过率大于等于80%；所述微光学系统1口径小于等于500微米；所述微光学系统1为起到收敛所述Micro LED颗粒 2发出的光的发散角的一片或多片透镜的组合。
优选地，所述Micro LED颗粒 2为采用垂直结构的任意形状的半导体发光二极管微粒，其任意一边的边长或直径小于等于500微米，发光波长范围为170nm～800nm，具有电致发光量子阱结构。
优选地，所述隔离结构3由绝缘材料填充。绝缘材料可以包括氧化物、氮化物、高k介电材料(诸如氧化铝(AlO)、氧化钽(TaO)、氧化铪(HfO)、氧化铪硅(例如，HfSiO)、氧化铪铝(HfAlO)、或氧化铪钽(HfTaO))、或其组合。
优选地，所述像素电极4具体为金属电极并与外部电路相连；所述像素电极4由硅基或玻璃基上的CMOS电路驱动实现独立开关及为所述Micro LED颗粒2进行供电，所述像素电极可反射所述Micro LED颗粒 2所发出的光线。进一步优选地，所述像素电极4为海量矩阵分布的独立像素电极集成电路的一个像素电极单元。
优选地，所述阴极电极5为金属电极或半导体电极并与外部电路相连；所述阴极电极5电阻率小于等于9*10-4Ωcm；所述阴极电极5是对所述Micro LED颗粒 2所发射光线透射的电极材料或对所述Micro LED颗粒 2所发射光线反射的电极材料。当阴极电极5采用可透射所述Micro LED颗粒 2所发射光线的电极材料时，出射光线可直接透过阴极电极进入微光学系统。当阴极电极5采用反射所述Micro LED颗粒 2所发射光线的电极材料时，阴极电极5上将设置开口结构使出射光线可通过阴极电极５的开口结构进入微光学系统。
本发明还提供一种Micro LED阵列，包括本发明上述提供的小发散角Micro LED器件。
本发明还提供一种Micro LED阵列，包括本发明上述提供的小发散角Micro LED器件所组成的任意数量的阵列。
本方所采用的其他领域的公知技术对此本发明不再一一赘述。
图１为本发明小发散角Micro LED器件的结构示意图；
图中，微光学系统1、Micro LED颗粒 2、隔离结构3、像素电极4、阴极电极5
图２为阴极电极具有开口结构的小发散角Micro LED器件的结构示意图；
图中，微光学系统1、Micro LED颗粒 2、隔离结构3、像素电极4、阴极电极5
图３为本发明采用透射式阴极电极的小发散角Micro LED器件的光路及结构示意图；
图中，微光学系统1、Micro LED颗粒 2、隔离结构3、像素电极4、阴极电极5、电致发光量子阱结构６
图４为本发明采用反射式阴极电极的小发散角Micro LED器件光路及结构示意图；
图中，微光学系统1、Micro LED颗粒 2、隔离结构3、像素电极4、阴极电极5、电致发光量子阱结构６
图５为本发明小发散角Micro LED阵列的结构刨面示意图；
图中，微光学系统1、Micro LED颗粒 2、隔离结构3、像素电极4、阴极电极5。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：用于紫外数字曝光的小发散角Micro LED器件及其阵列
图３为本发明采用透射式阴极电极的小发散角Micro LED器件的光路及结构示意图：请参阅图３，本实施例１提供的小发散角Micro LED器件，包括微光学系统1、Micro LED颗粒 2、隔离结构3、像素电极4、阴极电极5、电致发光量子阱结构６，其中像素电极4位于底部，Micro LED颗粒 2与隔离结构3置于所述像素电极4上方，阴极电极5置于所述Micro LED颗粒 2与所述隔离结构3上方，微光学系统1置于所述阴极电极5上方，电致发光量子阱结构６是Micro LED颗粒 2的一部分构造可发射光线。特别需要说明的是，其中阴极电极5为透明电极，Micro LED颗粒 2中的电致发光量子阱结构６所发出的光线可穿过阴极电极5到达微光学系统1中。
优选地，微光学系统1为单片平凸透镜。
优选地，Micro LED颗粒2为长方体UVA垂直结构氮化镓LED芯片，长宽高均小于５０微米，发射波长范围为３５０ｎｍ～４１０ｎｍ。
优选地，隔离结构3为高Ｋ介电材料氧化铝(AlO)。
优选地，像素电极4为金（Ａｕ）电极，像素电极4与Micro LED颗粒 2通过金金键合的方式进行金属键合式连接。
优选地，阴极电极5为ITO（氧化铟锡）透明电极材料，厚度为１００ｎｍ。
当本实施例中微光学系统1材质与阴极电极5是相同组份ITO透明电极材料时，在实施过程中，可直接生成一层ITO透明电极材料，并在ITO透明电极材料层上直接进行微透镜的刻蚀。这样刻蚀后的ITO透明电极层兼具微光学系统1的收敛发散角的作用和阴极电极5的导电作用，使微光学系统1材质与阴极电极5两层结构合并成一层结构，进一步简化生产工艺流程。
图５为本发明小发散角Micro LED阵列的结构刨面示意图；将图３所示的透射式阴极电极的小发散角Micro LED器件进行重复阵列得到小发散角Micro LED阵列。
实时例２：用于图案投影的小发散角Micro LED器件及其阵列
图４为本发明采用反射式阴极电极的小发散角Micro LED器件的光路及结构示意图：请参阅图４，本实施例２提供的小发散角Micro LED器件，包括微光学系统1、Micro LED颗粒 2、隔离结构3、像素电极4、阴极电极5、电致发光量子阱结构６，其中像素电极4位于底部，Micro LED颗粒 2与隔离结构3置于所述像素电极4上方，阴极电极5置于所述Micro LED颗粒 2与所述隔离结构3上方，微光学系统1置于所述阴极电极5上方，电致发光量子阱结构６是Micro LED颗粒 2的一部分构造可发射光线。特别需要说明的是，其中阴极电极5为反射式电极并设有开口，Micro LED颗粒 2中的电致发光量子阱结构６所发出的光线可穿过阴极电极5中的开口到达微光学系统1中。
优选地，微光学系统1为单片平凸透镜。
优选地，Micro LED颗粒2为圆柱体UVA垂直结构氮化镓LED芯片，直径小于２０微米，发射波长范围为４１０ｎｍ～７５０ｎｍ。
优选地，隔离结构3为高Ｋ介电材料氧化铪(HfO)。
优选地，像素电极4为铝（Al）电极，像素电极4与Micro LED颗粒 2通过铟铟键合的方式进行金属键合式连接。
优选地，阴极电极5为金属铝（Al）反射式电极材料，厚度为５０ｎｍ，开口为圆形直径１０微米。
通过对图４所示反射式阴极电极的小发散角Micro LED器件的重复阵列可以得到小发散角Micro LED阵列。

Claims (6)

1.一种小发散角Micro LED器件，其特征在于：包括微光学系统、Micro LED颗粒、隔离结构、像素电极、阴极电极，所述像素电极位于底部，所述Micro LED颗粒与所述隔离结构置于所述像素电极上方，所述阴极电极置于所述Micro LED颗粒与所述隔离结构上方，所述微光学系统置于所述阴极电极上方；所述微光学系统为透射式光学系统，可透射所述MicroLED颗粒发出的光，且透过率大于等于80％；所述微光学系统口径小于等于500微米；所述微光学系统起到收敛所述Micro LED颗粒发出的光发散角作用；所述阴极电极为金属电极并与外部电路相连；所述阴极电极电阻率小于等于9*10-4Ωcm；所述阴极电极是对所述MicroLED颗粒所发射光线透射的电极材料；微光学系统材质与阴极电极是相同组份ITO透明电极材料，直接生成一层ITO透明电极材料，并在ITO透明电极材料层上直接进行微透镜的刻蚀，刻蚀后的ITO透明电极层兼具微光学系统的收敛发散角的作用和阴极电极的导电作用，使微光学系统材质与阴极电极两层结构合并成一层结构。
2.如权利要求1所述的小发散角Micro LED器件，其特征在于，所述Micro LED颗粒为采用垂直结构的任意形状的半导体发光二极管微粒，其任意一边的边长或直径小于等于500微米，发光波长范围为170nm～800nm。
3.如权利要求1所述的小发散角Micro LED器件，其特征在于，所述隔离结构由绝缘材料填充。
4.如权利要求1所述的小发散角Micro LED器件，其特征在于，所述像素电极具体为金属电极并与外部电路相连；所述像素电极由硅基或玻璃基上的CMOS电路驱动实现独立开关及为所述Micro LED颗粒进行供电。
5.一种Micro LED阵列，其特征在于，包括权利要求1-4任意一项所述的小发散角MicroLED器件。
6.一种Micro LED阵列，其特征在于，包括权利要求1-4任意一项所述的小发散角MicroLED器件所组成的任意数量的阵列。
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